JP6736227B2 - 耐摩耗性に優れた内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシートおよびバルブシートとバルブとの組合せ体 - Google Patents
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Cは、基地相を所定の硬さ、組織に調整するため、あるいは炭化物を形成するために、必要な元素であり、0.5%以上含有させる。一方、2.0%を超えて含有すると、融点が低下し、液相焼結となる。液相焼結となると、析出炭化物量が過多となり、空孔の数が増加し、伸び特性が劣化し、寸法精度が低下する。このため、Cは0.5〜2.0%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.5〜1.75%である。
Siは、主として硬質粒子に含まれ、シリサイドを形成し、硬さを増加させる元素であり、0.5%以上含有することが好ましい。一方、2.0%を超えて多量に含有すると、靭性が低下する。このため、Siは0.5〜2.0%の範囲に限定することが好ましい。より好ましくは0.5〜1.5%である。
Mnは、基地相の硬さを増加させる元素であり、またMnは、固体潤滑剤粒子の含有に起因して基地部に含まれ、被削性向上に寄与する元素であり、0.05%以上含有することが好ましい。一方、5%を超えて含有すると組織安定化にともない基地相硬さ、靭性、延性の低下につながるため、Mnは5%以下に限定することが好ましい。さらに好ましくは0.05〜3.5%である。
Crは、基地相に固溶し、また炭化物を形成して、基地相の硬さを増加させ、さらには硬質粒子の硬さを増加させ、耐熱性、耐摩耗性を向上させる元素であり、2%以上含有することが好ましい。一方、15%を超える含有は、Cr炭化物の析出が過多となり、微細な炭化物とすることが難しくなる。このため、Crは2〜15%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは2.5〜12.5%である。
Moは、基地相に固溶して、また炭化物として析出して、基地相の硬さを増加させ、さらには硬質粒子の硬さの増加に寄与し、耐摩耗性を向上させる元素であり、5%以上含有することが好ましい。5%未満では、析出物量が不足し、所望の耐摩耗性を確保できない。一方、20%を超えて含有すると、成形性が低下する。このため、Moは5〜20%の範囲に限定した。なお、より好ましくは7.5〜17.5%である。
Coは、基地相の強度、とくに高温強度を増加させ、耐摩耗性向上に寄与するとともに、さらに基地相の靭性を向上させる元素であり、さらに硬質粒子の硬さ増加に寄与する元素であり、2%以上含有する。一方、30%を超えて多量に含有すると、基地相硬さが低下し、所望の特性を確保できなくなる。このため、Coは2〜30%の範囲に限定した。
Vは、炭化物として析出し、基地相の硬さを増加させ、耐摩耗性を向上させる元素であり、必要に応じて含有できる。含有する場合には0.5%以上含有することが好ましい。0.5%未満では、析出物量が不足し、所望の耐摩耗性を確保できない。一方、5%を超えて含有すると、成形性が低下する。このため、Vは0〜5%の範囲に限定した。なお、より好ましくは0.5〜2.5%である。
Wは、微細炭化物として析出し、基地相の硬さを増加させ、耐摩耗性を向上させる元素であり、必要に応じて含有できる。含有する場合には0.5%以上とすることが好ましい。0.5%未満では、析出物量が不足し、所望の耐摩耗性を確保できない。一方、10%を超えて含有すると、成形性が低下する。このため、Wは0〜10%の範囲に限定した。なお、含有する場合には、より好ましくは0.5〜7.5%である。
Niは、基地相の強度、靭性の向上に寄与する元素であり、また硬質粒子の硬さ増加に寄与する元素であり、必要に応じて含有できる。含有する場合には2%以上とすることが好ましい。一方、5%を超える含有は、基地相の成形性を低下させる。このため、Niは0〜5%の範囲に限定することが好ましい。なお、含有する場合には、より好ましくは2〜4%である。
Sは、固体潤滑剤粒子の含有に起因して基地部に含まれ、被削性向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有できる。Sが2%を超えて含有されると、靭性、延性の低下に繋がる。このため、含有する場合はSは2%以下に限定することが好ましい。
Cuは、基地相の強度、靭性の向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有できる。Cuが5%を超えて含有されると、凝着性の低下に繋がる。このため、含有する場合には、5%以下に限定することが好ましい。
Caは、固体潤滑剤粒子の含有に起因して基地部に含まれ、被削性向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有できる。Caが5%を超えて含有されると、延性の低下に繋がる。このため、含有する場合には、5%以下に限定することが好ましい。
Fは、固体潤滑剤粒子の含有に起因して基地部に含まれ、被削性向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有できる。Fが5%を超えて含有されると、延性の低下に繋がる。このため、含有する場合には、5%以下に限定することが好ましい。
まず、基地相を形成する鉄基粉末と、合金元素粉末と、硬質粒子粉末と、固体潤滑剤粒子粉末とを、上記した所定のバルブシート組成となるように、配合し、混合、混錬し、混合粉とする。なお、混合粉に配合する鉄基粉末は、上記した基地相組成に近い組成を有する合金鋼粉末とすることが、均一性の観点から好ましい。
得られた焼結体を研削・切削等の加工により、所望の寸法形状のバルブシート(製品)とする。
基地相形成用の鉄基粉末と、硬質粒子粉末と、合金元素粉末と、固体潤滑剤粉末と、を表1に示す配合量となるように調整し、混合、混錬して、混合粉とした。なお、使用した鉄基粉末は、表2に示す組成の粉末とし、また、使用した硬質粒子粉末、固体潤滑剤粒子粉末は表3に示す粒子粉末とした。一部では、鉄基粉末に純鉄粉を混合した混合粉を用いた。なお、混合粉には潤滑剤として、混合粉100質量部に対しステアリン酸亜鉛を1質量部配合した。
得られた焼結体に、さらに切削、研磨等の加工を施して、所定寸法形状(外径:27mmφ×内径22mmφ×厚さ6mm)の鉄基焼結合金製バルブシートとした。
(1)組織観察
得られたバルブシートについて、軸方向に垂直な断面を研磨し、腐食(腐食液:ナイタール液)して組織を現出し、光学顕微鏡(倍率:200倍)で観察し、基地相組織の種類を特定した。また、走査型電子顕微鏡(倍率:2000倍)を用いて、基地相中に析出した炭化物について、粒径を測定し、炭化物の粒径の最大が10μm以下であることを確認し、基地相が微細炭化物析出相であるとした。炭化物の粒径(長辺長さ)の最大径が10μmを超える場合には、単に炭化物析出相とした。
(2)硬さ試験
得られたバルブシートについて、断面を研磨し、腐食(腐食液:ナイタール液)して組織を現出し、ビッカース硬度計(試験力:0.98N(100gf))を用いて基地相のビッカース硬さHV を測定した。なお、基地相が二相である場合には、各相について別々に測定した。
(3)摩耗試験
得られたバルブシートについて、図1に示すリグ試験機を用いて、下記に示す試験条件で、摩耗試験を実施した。
試験温度:300℃(シートフェース)
試験時間:12hr
カム回転数:3000rpm
バルブ回転数:20rpm
衝撃荷重:700N
バルブ材質:窒化膜付き耐熱鋼(鋼種:SUH35表面硬さ1150HV)
試験後、試験片(バルブシート)の摩耗量を測定した。得られた摩耗量から、バルブシートNo.1を基準(1.00)とし、当該バルブシートの摩耗比を算出した。
(4)圧環強さ試験
得られたバルブシートについて、JIS Z 2507の規定に準拠して、圧環強さ(kgf/mm2)を求めた。
(実施例2)
実施例1で作製したバルブシートNo.1A、No.3A、No.4A、No.11Aについて、バルブ材質を変えて、摩耗試験を実施した。バルブ材質としては、No.1窒化被膜付きオーステナイト系耐熱鋼(表面硬さ1150HV)、No.2窒化被膜付き特殊合金鋼(表面硬さ950HV)、No.3窒化被膜付きマルテンサイト系耐熱鋼(表面硬さ850HV)、No.4トリバロイ系合金盛金(表面硬さ780HV)、No.5窒化被膜付きステライト系合金盛金(表面硬さ700HV)、No.6ステライト系合金盛金(表面硬さ425HV)、No.7鉄系合金盛金(表面硬さ415HV)、No.8特殊合金鋼(表面硬さ380HV)の8種とした。バルブ材質以外の試験条件は、実施例1と同様とした。
2 シリンダブロック相当材
3 加熱手段
4 バルブ
Claims (4)
- 基地相中に硬質粒子および固体潤滑剤粒子を分散させた鉄基焼結合金製バルブシートであって、
前記基地相が、粒径:10μm以下の微細炭化物が析出し、ビッカース硬さで550HV以上の硬さを有する微細炭化物析出相であり、
前記硬質粒子が、ビッカース硬さで650〜1200HVの硬さを有し、
前記基地相中に、前記硬質粒子を面積率で20〜40%分散させ、さらに該硬質粒子の周りに拡散相を面積率で0.5%以上5%以下形成し、前記固体潤滑剤粒子を面積率で0〜5%分散させた組織を有し、かつ
前記基地相、前記拡散相、前記硬質粒子および前記固体潤滑剤粒子を含む基地部が、質量%で、
C:0.5〜2.0%、 Si:0.5〜2.0%、
Mn:5%以下、 Cr:2〜15%、
Mo:5〜20%、 Co:2〜30%
を含み、さらに、V:0〜5%、W:0〜10%、Ni:0〜5%、S:0〜2%、Cu:0〜5%、Ca:0〜5%、F:0〜5%のうちから選ばれた1種または2種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有すること
を特徴とする耐摩耗性に優れた内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。 - 前記硬質粒子が、質量%で、Cr:3〜15%、Mo:20〜40%を含み、さらにSi:0〜3%、Fe:0〜3%を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなるMo-Cr-Co系金属間化合物粒子、Mo:20〜30%、Ni:5〜20%、Cr:15〜35%を含み、さらにSi:0〜3%を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなるMo-Cr-Ni-Co系金属間化合物粒子、Mo:20〜40%、Cr:3〜15%を含み、さらにSi:0〜3%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるMo-Cr-Fe系金属間化合物粒子、およびMo:30〜50%、Fe:15%以下を含み、さらにCr:2〜8%、Si:0〜4%を含有し、残部Coおよび不可避的不純物からなるMo-Fe-Co系金属間化合物粒子のうちから選ばれた1種または2種以上であることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
- 前記固体潤滑剤粒子が、硫化マンガンMnS、二硫化モリブデンMoS2、フッ化カルシウムCaF2のうちから選ばれた1種または2種以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
- バルブとバルブシートの組合せ体であって、
前記バルブが、前記バルブシートとの当たり面の表面硬さがビッカース硬さで400〜1300HVであるバルブであり、
前記バルブシートを、請求項1ないし3のいずれかに記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシートとすることを特徴とする耐摩耗性に優れたバルブとバルブシートの組合せ体。
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