JP7156193B2 - 硬質粒子及びそれを用いた焼結摺動部材 - Google Patents
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Description
本発明は、硬質粒子、特に焼結摺動部材の耐摩耗性を向上させるのに好適な硬質粒子及び該硬質粒子を用いた焼結摺動部材に関する。
自動車では、エンジン、トランスミッション等の様々な機器に摺動部材が用いられている。このような摺動部材の中で、エンジン用バルブシートやバルブガイドは、近年のエンジン性能向上に伴う高温且つ低酸化環境のような厳しい摺動環境にさらされるため、高い耐摩耗性が要求される。
バルブシートやバルブガイドのような焼結摺動部材として、耐摩耗性及び製造性の観点から、鉄系の基地に耐摩耗性に優れる硬質粒子を分散させたものが広く用いられている。
焼結摺動部材に用いられる硬質粒子として、例えば特許文献１には、質量％でＭｏ：２０～４０％、Ｃ：０．５～１．０％、Ｎｉ：５～３０％、Ｍｎ：１～１０％、Ｃｒ：１～１０％、Ｃｏ：５～３０％、Ｙ：０．０５～２％、残部が不可避不純物とＦｅとからなることを特徴とする硬質粒子が開示されている。
また、特許文献２には、硬質粒子を配合した焼結合金及びバルブシートが開示されており、全体を１００ｗｔ％としたときに、４～３０ｗｔ％のＭｏと、０．２～３ｗｔ％のＣと、１～３０ｗｔ％のＮｉと、０．５～１０ｗｔ％のＭｎと、２～４０ｗｔ％のＣｏと、残部が不可避不純物とＦｅとからなることを特徴とする焼結合金及びバルブシートが開示されている。
ここで、前記のような硬質粒子を用いた焼結摺動部材においては、硬質粒子が表面に酸化膜を有することにより、焼結摺動部材が摺動面で相手摺動部材と金属接触して凝着摩耗することを防止又は低減することができ、耐摩耗性を示すと考えられる。しかし、従来の硬質粒子を用いた焼結摺動部材では、エンジン性能向上に伴う高温且つ低酸化環境のような厳しい摺動環境において、摺動時に硬質粒子が表面の酸化膜を維持できず、焼結摺動部材と相手摺動部材との金属接触による凝着摩耗が発生する場合があった。
前記の通り、従来の硬質粒子を用いた焼結摺動部材では、高温且つ低酸化環境のような厳しい摺動環境下において耐摩耗性が十分ではない場合があった。それ故、本発明は、耐摩耗性が向上した硬質粒子及び該硬質粒子を用いた焼結摺動部材を提供することを目的とする。
本発明者らは、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、Ｌａを添加し、さらに、Ｌａ、Ｍｏ及びＮｉの含有量を特定の範囲とすることにより、硬質粒子の耐摩耗性が向上することを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）Ｌａ：１質量％～７質量％、Ｍｏ：３０質量％～５０質量％、Ｎｉ：１０質量％～３０質量％、Ｍｎ：１０質量％以下、Ｃ：１．０質量％以下、残部が不可避不純物とＣｏからなる、硬質粒子。
（２）鉄系基地と、前記鉄系基地に分散した前記（１）に記載の硬質粒子を含む、焼結摺動部材。
（３）バルブシート又はバルブガイドである、前記（２）に記載の焼結摺動部材。
（１）Ｌａ：１質量％～７質量％、Ｍｏ：３０質量％～５０質量％、Ｎｉ：１０質量％～３０質量％、Ｍｎ：１０質量％以下、Ｃ：１．０質量％以下、残部が不可避不純物とＣｏからなる、硬質粒子。
（２）鉄系基地と、前記鉄系基地に分散した前記（１）に記載の硬質粒子を含む、焼結摺動部材。
（３）バルブシート又はバルブガイドである、前記（２）に記載の焼結摺動部材。
本発明により、耐摩耗性が向上した硬質粒子及び該硬質粒子を用いた焼結摺動部材を提供することが可能となる。
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本発明の硬質粒子は、Ｌａ：１質量％～７質量％、Ｍｏ：３０質量％～５０質量％、Ｎｉ：１０質量％～３０質量％、Ｍｎ：１０質量％以下、Ｃ：１．０質量％以下、残部が不可避不純物とＣｏからなる。本発明の硬質粒子は、前記組成を有することにより、特に硬質粒子がＬａを含み、Ｌａ、Ｍｏ及びＮｉの含有量が前記範囲内であることにより、耐熱性を確保しつつ、従来よりも優れた酸化膜形成能により耐摩耗性（特に耐凝着摩耗性）を向上させることができ、且つ製造性も確保できる。本発明の硬質粒子は、高い耐摩耗性を有するため、焼結摺動部材用途に好適に用いることができる。
硬質粒子に含まれるＬａは、酸化膜形成能の向上に有効である。本発明では、従来の焼結摺動部材用の硬質粒子に用いられていなかったＬａを用いることにより、硬質粒子の酸化膜形成能が向上し、耐摩耗性が向上することを見出した。
硬質粒子中のＬａの含有量は、１質量％～７質量％である。Ｌａの含有量が１質量％以上であると十分な耐摩耗性向上効果が得られ、７質量％以下であると、過剰酸化が抑制され、また、焼結性も良好である。Ｌａの含有量の下限は、好ましくは２質量％、より好ましくは３質量％、特に好ましくは４質量％である。Ｌａの含有量の上限は、好ましくは６質量％、より好ましくは５質量％である。Ｌａの含有量は、好ましくは１質量％～５質量％である。
硬質粒子に含まれるＭｏは、硬質粒子の硬さ、耐摩耗性を向上させると共に、酸化膜形成能を向上させるのに有効である。
硬質粒子中のＭｏの含有量は、３０質量％～５０質量％である。Ｍｏの含有量が３０質量％以上であると十分な酸化性を有し、酸化膜形成能が向上し、５０質量％以下であると硬質粒子を用いた焼結摺動部材の被削性が良好である。Ｍｏの含有量の下限は、好ましくは３５質量％、より好ましくは４０質量％である。Ｍｏの含有量の上限は、好ましくは４５質量％、より好ましくは４０質量％である。Ｍｏの含有量は、好ましくは３０質量％～４０質量％である。
硬質粒子に含まれるＮｉは、硬質粒子の基地におけるオーステナイトを増加させ、耐摩耗性を向上させるのに有効である。また、硬質粒子のＮｉは、硬質粒子を用いた焼結摺動部材の基地に拡散して基地におけるオーステナイトを増加させ、耐摩耗性を向上させるのに有効である。
硬質粒子中のＮｉの含有量は、１０質量％～３０質量％である。Ｎｉの含有量が１０質量％以上であると、硬質粒子を用いた焼結摺動部材において、硬質粒子と焼結摺動部材の基地との焼結性が良好であり、３０質量％以下であると、硬質粒子の硬さが十分であり、高い耐摩耗性が得られる。Ｎｉの含有量の下限は、好ましくは１５質量％、より好ましくは２０質量％である。Ｎｉの含有量の上限は、好ましくは２５質量％、より好ましくは２０質量％である。Ｎｉの含有量は、好ましくは２０質量％～３０質量％である。
硬質粒子に含まれるＭｎは、硬質粒子を用いた焼結摺動部材において、硬質粒子と焼結摺動部材の基地との密着性を向上させるのに有効である。
硬質粒子中のＭｎの含有量は、１０質量％以下である。Ｍｎの含有量が１０質量％以下であると、硬質粒子を用いた焼結摺動部材において、硬質粒子と焼結摺動部材の基地との密着性が十分に高く、また、製造性も良好である。Ｍｎの含有量の下限は、好ましくは０．５質量％、より好ましくは１質量％である。Ｍｎの含有量の上限は、好ましくは５質量％、より好ましくは４質量％である。Ｍｎの含有量は、好ましくは１質量％～５質量％である。
硬質粒子に含まれるＣは、Ｍｏと結合してＭｏ炭化物を形成し、硬質粒子の硬さ及び耐摩耗性を向上させるのに有効である。
硬質粒子中のＣの含有量は、１．０質量％以下である。硬質粒子中のＣの含有量が１．０質量％以下であると、硬質粒子を用いた焼結摺動部材の被削性が良好である。Ｃの含有量の下限は、好ましくは０．０１質量％、より好ましくは０．１質量％である。硬質粒子中のＣの含有量の上限は、好ましくは０．７５質量％、より好ましくは０．５質量％である。硬質粒子中のＣの含有量は、好ましくは０．１質量％～０．５質量％である。
硬質粒子の残部となるＣｏは、硬質粒子に耐熱性及び耐食性を付与する。
硬質粒子の平均粒径は、例えば１μｍ～５００μｍであり、好ましくは２５μｍ～２５０μｍである。
硬質粒子の硬さは、焼結摺動部材の基地等のような硬質粒子の使用対象物に対して硬ければよい。
硬質粒子は、例えば、前記の組成及び含有量を有する溶湯を準備し、この溶湯を噴霧化するアトマイズ処理で製造することができる。また、別の方法としては、溶湯を凝固させた凝固体を機械的粉砕で粉末化してもよい。アトマイズ処理としては、ガスアトマイズ処理及び水アトマイズ処理のいずれであってもよいが、焼結性等を考慮すると丸みのある粒子が得られるガスアトマイズ処理がより好ましい。また、ガスアトマイズ処理は、例えば、非酸化性雰囲気（窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気や真空中）でガスアトマイズ処理してもよい。
本発明は、前記の硬質粒子を用いた焼結摺動部材も含む。本発明の焼結摺動部材は、前記の硬質粒子が鉄系基地に分散したものである。すなわち、本発明の焼結摺動部材は、鉄系基地と、該鉄系基地に分散した前記の硬質粒子を含む。図１は、本発明の焼結摺動部材の一実施形態を示す断面模式図である。焼結摺動部材１０において、硬質粒子１１は鉄系基地１２に分散し、焼結摺動部材１０の耐摩耗性を高める硬質相を構成する。従来の焼結摺動部材においては、高温且つ低酸化環境のような厳しい摺動環境下で、摺動面で硬質粒子の酸化膜を維持できず、焼結摺動部材が相手摺動部材と金属接触することにより凝着摩耗が発生する場合があった。一方、本発明の焼結摺動部材は、優れた酸化膜形成能を有する高耐摩耗性（特に高耐凝着摩耗性）の硬質粒子を用いることにより、摺動面で硬質粒子の酸化膜を維持できるので、耐摩耗性が向上する。
鉄系基地は、主成分として鉄（Ｆｅ）を含む基地である。鉄系基地は、好ましくは炭素（Ｃ）を含み、より好ましくはＦｅ及びＣからなる。焼結摺動部材中のＣの含有量は、焼結摺動部材に対して、例えば５質量％以下であり、好ましくは１．５質量％以下であり、より好ましくは０．７質量％～１．５質量％である。
焼結摺動部材中の硬質粒子の含有量は、焼結摺動部材に対して、例えば１質量％～５０質量％であり、好ましくは１０質量％～５０質量％である。硬質粒子の含有量が１質量％以上であると、焼結摺動部材の耐摩耗性が十分に高くなり、また、５０質量％以下であると、焼結摺動部材の相手摺動部材への攻撃性が十分に低くなり、また、硬質粒子の保持性が確保される。
焼結摺動部材は、必要に応じて、フッ化カルシウム等の焼結助剤やステアリン酸亜鉛等の潤滑材等の他の成分を含有していてもよい。焼結摺動部材中の他の成分の含有量は、通常、焼結摺動部材に対して１０質量％以下であり、好ましくは５質量％以下である。
焼結摺動部材は、例えば、硬質粒子が分散するように、硬質粒子からなる粉末を基地となる鉄系粉末に混合し、必要に応じて他の成分の粉末を加えて、得られた混合粉末を圧粉成形体に成形して、この圧粉成形体を焼結することにより得られる。
焼結摺動部材の基地となる鉄系粉末としては、例えば、純鉄粉末及び低合金鋼粉末を用いることができる。鉄系粉末は、炭素粉末を含んでいてもよく、好ましくは、炭素粉末を含む。炭素粉末としては、例えば黒鉛粉末を用いることができる。鉄系粉末として、純鉄粉末及び黒鉛粉末を用いることが好ましい。
圧粉成形体を焼結する際の焼結温度は、例えば１０００℃～１２００℃、好ましくは１０５０℃～１１５０℃である。前記の焼結温度における焼結時間は、例えば１分～１２０分、好ましくは１０分～６０分である。焼結雰囲気としては、不活性ガス雰囲気等の非酸化性雰囲気であってもよく、非酸化性雰囲気としては、窒素雰囲気、アルゴンガス雰囲気及び真空雰囲気が挙げられる。
本発明の焼結摺動部材は、高い耐摩耗性を有するため、種々の焼結摺動部材に利用することができるが、特に、自動車等のエンジンのバルブシート及びバルブガイドに好適に利用される。
以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例１
以下に示す方法で、硬質粒子が鉄系基地に分散したバルブシートを作製した。
以下に示す方法で、硬質粒子が鉄系基地に分散したバルブシートを作製した。
硬質粒子の調製
窒素ガスを用いたガスアトマイズ処理により、表１に示す組成及び含有量を有する溶湯から合金粉末を製造した。これを４４μｍ～２５０μｍの範囲に分級し、硬質粒子の粉末を得た。
窒素ガスを用いたガスアトマイズ処理により、表１に示す組成及び含有量を有する溶湯から合金粉末を製造した。これを４４μｍ～２５０μｍの範囲に分級し、硬質粒子の粉末を得た。
この硬質粒子の粉末４０質量％と、黒鉛粉末１．０質量％と、潤滑材としてのステアリン酸亜鉛粉末０．８質量％と、残部の純鉄粉末（還元粉、粒径４４μｍ～２５０μｍ）を混合機により混合し、混合粉末を得た。
混合粉末を成形型を用いて成形面圧７８４ＭＰａで圧縮成形し、圧粉成形体を形成した。圧粉成形体をＮ２雰囲気で、１１００℃で３０分間焼結して、摩耗試験用の試験片としてバルブシートを作製した。
実施例２～３及び比較例１～３
表１に示す組成及び含有量を有する硬質粒子を実施例１と同様にして調製した。得られた硬質粒子を用いて、実施例１と同様にして、実施例２～３及び比較例１～３のバルブシートを作製した。表１中、硬質粒子の各成分の含有量は、硬質粒子全体を１００質量％としたときの値であり、基地の各成分の含有量は、バルブシート全体を１００質量％としたときの値であり、Ｂａｌは残部を意味する。
表１に示す組成及び含有量を有する硬質粒子を実施例１と同様にして調製した。得られた硬質粒子を用いて、実施例１と同様にして、実施例２～３及び比較例１～３のバルブシートを作製した。表１中、硬質粒子の各成分の含有量は、硬質粒子全体を１００質量％としたときの値であり、基地の各成分の含有量は、バルブシート全体を１００質量％としたときの値であり、Ｂａｌは残部を意味する。
実施例１～３及び比較例１～３のバルブシートの耐摩耗性を図３に示す試験装置を用いて測定した。具体的には、プロパンガスバーナー５を加熱源に用い、バルブフェース２と、バルブシート３との摺動部をプロパンガス燃焼雰囲気とした。バルブシート３の温度を３００℃に制御し、スプリング６によりバルブフェース２とバルブシート３との接触時に１８ｋｇｆの荷重を付与し、２０００回／分の割合でバルブフェース２とバルブシート３を接触させて８時間の摩耗試験を行った。この摩耗試験において、基準位置Ｐからのバルブ沈み量を測定した。このバルブ沈み量は、エンジンバルブ１がバルブシート３と接触することによって双方が摩耗した摩耗量（摩耗深さ）に相当するものである。実施例１～３及び比較例１～３のバルブシートについて、比較例１のバルブシートの摩耗量に対する摩耗量の比（摩耗比）を求めた。実施例１～３及び比較例１～３のバルブシートの摩耗比を表１に示す。また、図２に、実施例２及び比較例１のバルブシートの摩耗試験の結果を示す。
実施例３及び比較例１の比較により、Ｌａを用いることにより、バルブシートの耐摩耗性が向上することが示された。また、実施例１及び比較例２の比較により、Ｍｏの含有量が本発明の特定の範囲内である硬質粒子を用いた実施例１のバルブシートは、比較例２のバルブシートと比較して耐摩耗性が向上することが示された。また、実施例１及び比較例３の比較により、Ｎｉの含有量が本発明の特定の範囲内である硬質粒子を用いた実施例１のバルブシートは、比較例３のバルブシートと比較して耐摩耗性が向上することが示された。以上より、Ｌａを用い、Ｌａ、Ｍｏ及びＮｉの含有量が本発明の特定の範囲内である硬質粒子を用いることにより、バルブシートの耐摩耗性が向上することが示された。
１０：焼結摺動部材、１１：硬質粒子、１２：鉄系基地、１３：摺動面、１：エンジンバルブ、２：バルブフェース、３：バルブシート、５：プロパンガスバーナー、６：スプリング、Ｐ：基準位置
Claims (3)
- Ｌａ：１質量％～７質量％、Ｍｏ：３０質量％～５０質量％、Ｎｉ：１０質量％～３０質量％、Ｍｎ：１０質量％以下、Ｃ：１．０質量％以下、残部が不可避不純物とＣｏからなる、硬質粒子。
- 鉄系基地と、前記鉄系基地に分散した請求項１に記載の硬質粒子を含む、焼結摺動部材。
- バルブシート又はバルブガイドである、請求項２に記載の焼結摺動部材。
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