JPH03170644A - 内燃機関用弁座インサートおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は鉄系焼結材料に係り、そして特に、限定的では
ないが、内燃機関の弁座インサートとして使用する鉄系
焼結材料に関するものである。

従来技術、及び発明が解決しようとする課題工具鋼は、
従来、それらの合金成分のタイプ及びレベル、熱軟化に
対するそれらの抵抗性、及び低温及び高温摩耗適用にお
けるそれらの意図された用途に応じて、冷間加工用鋼、
熱間加工用鋼または高速度鋼として分類されている。一
般的に、高温摩耗抵抗性を付与するより高価な元素のレ
ベルはその順番で増加し、高速度鋼は最高級の高合金鋼
である。

内燃機関用弁座インサートの生産には焼結溶浸高速度鋼
を使用することが知られている。そのような既知材料の
一つは、重量９６で炭素０．６−１．５、タングステン
４−６、モリブデン４−６、バナジウム２−３、クロム
２。５−４、銅１５−２５、その他最高２、及び残部と
しての鉄から成り、そして材料が溶浸されている組成を
有する。

そのような合金は、高レベルの添加合金元素の故に高価
であり且つ協働する弁座面に摩耗を生じさせ、従って、
例えば特に排気口位置における弁座インサートに対して
はステライト（商標名）のような合金によって被覆され
ることを要する。

一般的に、構成部品は事前に合金化された粉から圧縮成
形され、そして次に同時作業として焼結されつつ銅系合
金によって溶浸されるか、または、焼結製品に良好な寸
法的制御を施すために１１００℃の範囲内の温度で、そ
れぞれ独立した作業として焼結されそして溶浸される。

高合金粉は圧縮率において低く、従って比較的高い圧粉
密度を達成するには高いプレス圧力が必要とされそして
高摩耗率の故にダイス及びプレス装置に関し費用の増大
が伴う。通常、６０ｔｓｉ　　（９３０１１Ｐａ）を超
える圧力は使用されない。

英国特許願第ＧＢ２２１０８９５号明細書には、合金化
されていない鉄粉または低合金鉄粉であってやはり低炭
素含量を有するものによって希釈された高速度鋼の使用
が説明されており、所望炭素レベルは混合粉中に自由黒
鉛を添加することによって達成されている。そのような
材料は比較的高い圧粉密度が比較的低いプレス圧力で獲
得されることを可能にする。

課題を解決するための手段 高速度鋼とは全く別の熱間加工工具鋼が、内燃機関のた
めの弁座インサートであって特にその排気口位置におい
て有利であるものを製造するための好適なベースとして
単独にまたは鉄粉によって希釈されて使用され得ること
が今や出願人等によって確かめられるに到った。

本発明の第１の観点によれば、炭素０．７−１．３、珪
素０．　　３−１．　　３、クロム１．９−５．３、モ
リブデン０．　　５−１．　　８、バナジウム０．　　
１−１．　　５、マンガン最高０．　　６、及び残部と
しての鉄（但し、偶然の不純物を除く）の範囲の内にあ
る重量％で表される組成を有する鉄系焼結材料が提供さ
れる。

該合金のマイクロ組織は微細球状合金カーバイドを含む
焼戻しマルテンサイト・マトリックスを包含することが
望ましい。ベーナイト及び低重量比率のフエライトも存
在し得る。

好適な鋼は米国鉄鋼協会（ＡＩＳＩ）コード番号Ｈ１１
、Ｈ１２及びＨ１３を以て知られるものであってそれら
のインゴット形式において低い、化学量論的に不足する
炭素レベルを有しそして炭素添加によって予想外に良好
な高温摩耗抵抗性及び熱軟化抵抗性を示すものである。

理論密度の８５％を超える圧粉密度が５０ｔｓｉ　　（
７７０ＭＰａ）の低いプレス圧力で達成され得る。良好
な高温摩耗抵抗性及び熱軟化抵抗性は、原銅粉中に発見
されるそれより高い炭素含量を有する焼結された混合物
成形体が、原炭素含量における基礎鋼粉の混合物或形体
の特性ではない顕著な二次硬化効果と熱軟化に対する抵
抗性とを発揮する事実から部分的に生じる。熱軟化に対
するこの追加抵抗性は、熱間加工鋼粉に概ね等しい比率
の鉄粉または低合金鉄粉を混合し、これに基礎工具鋼に
おけるそれより良好な概ねｌ重量％の炭素含量を付与す
る黒鉛粉と銅粉とを添加することによって残存する。

本発明の第２の観点によれば、弁座インサートを製造す
る一方法は、０．　　３−０．　　７％の炭素、０．８
−１．２０％の珪素、４．　　５−５．　　５％のクロ
ム、１．２−１．８％のモリブデン、０．３−１．５％
のバナジウム、０．１−０．６％のマンガン、そして残
部としての鉄から威る組成を有する熱間加工工具鋼粉に
、黒鉛粉と最高６０重量％の希釈された鉄粉または低合
金鉄粉とを混合して前記第１観点の範囲内に含まれる組
成を得る過程、弁座インサートをプレス成形する過程、
及び圧粉成形体を焼結する過程を含む。

希釈されていない材料のマイクロ組織は、粒内及び粒間
微細合金カーバイドをともに含む焼戻されたマルテンサ
イト●マトリックスを包含する。

しかしこれら粒内及び粒間微細合金カーバイドは高速度
鋼に基づく先行技術材料における材料体積比率と比較す
るとき著しく減じられた材料体積比率を以て存在する。

本発明の材料は協働する弁座面に及ぼす摩耗が高速度鋼
に基づく先行技術合金のそれよりも小さい。

希釈された材料において、マイクロ組織は希釈されてい
ない材料の場合と同じマルテンサイト・マトリックスの
網状組織であって主としてパーライト及びベーナイトか
ら成りそして若干のフエライトが存在し得る中間変態区
域を有するものを含有する。鉄粉による６０重量％の最
大希釈が選択される。何故ならば、それより大きい希釈
においては、生じる材料の耐力は、若干の用途において
排気弁座インサートによって到達される高温度での使用
時に課される負荷にとって不適切であるからである。

前記材料は焼結補助材料として混合物に対し粉形式で添
加される１−６％の銅を選択的に含有し得る。

前記材料は機械加工性のための補助材料として最高１．
０％の硫黄を選択的に含有し得る。例えば、硫黄は元素
硫黄として添加され得、または鉄粉中に事前合金化され
得る。

前記材料は、さらに、最高５％の金属硫化物の添加物を
含み得る。そのような金属硫化物として、例えば、二硫
化モリブデンまたは硫化マンガンが挙げられる。そのよ
うな添加物は耐摩耗性、固体潤滑材及び機械加工性に関
するそれらの有益な効果のために使用される。これらの
添加は粉混合段階で行われるが、生じる焼結材料は焼結
間における成分間の拡散効果の故に複合硫化物組織を有
する。

本発明の合金は理論密度の８５％を超える圧粉密度に達
するまでプレス成形されることが好ましい。

本発明の材料は銅系合金によって選択的に溶浸され得る
。そのような溶浸は理論密度の８５％より実質的に大き
い緻密化された密度で首尾よく達成され得るが、これは
互いに連なった多孔性であることを条件とする。勿論、
より小さい密度であれば溶浸可能である。材料が溶浸さ
れる場合は、混合物に対する１−６％の銅粉の添加は省
略され得る。

焼結過程及び溶浸過程は連続的にまたは同時的に遂行さ
れ得る。

鉄粉の希釈材料は実質的に純粋な鉄粉であって通常的に
鉄粉と関連してそれらのなかに発見されるような不純物
のみを含むものである。前記鉄粉は焼入れ性を改善する
ための最高０．５ｆｆｒｆｆｉ％の全合金用添加物を含
むことが好ましい。より好ましくは、これら合金用添加
物はマンガンを含み得る。マイクロ組織におけるこの効
果は、出現するフエライトの比率を制限することであり
、そのような制限は耐摩耗性にとって有益である。

また、例えば、鉄粉による希釈が使用されるマイクロ組
織の非工具鋼範囲において、ベーナイトのごとき耐摩耗
性硬質炭化物相を生成するために、混合粉末に自由炭素
が使用される。

本発明によって前記材料から作られた内燃機関のための
弁座インサートは、上張りされていない座面を有する弁
と共に使用され得ることが判明した。例えばステライト
（商標名）によって上張りされた座面を有する弁も言う
までもなく使用され得る。

本発明の方法により作られた品物は焼結後に選択的に熱
処理され得る。そのような熱処理は例えば液体窒素中で
の極低温処理に続いて、５０〇＝６５０℃の範囲内での
焼戻し熱処理を含み得る。

そのような熱処理後、合金マトリックスは球状化合金カ
ーバイドを有する焼戻されたマルテンサイトを含有する
。ベーナイト、パーライト及びフエライト領域も存在し
得る。溶浸された材料の多数孔は銅系合金によって必須
的に充填される。

実施例 次に、本発明がより十分に理解されるように、いくつか
の例が単に説明の目的で記述される。

［例１］ 炭素０．　　３−０．　　５％、珪素０．　　８−１．
　　２％、マンガン０．　　１−０．　　５％、クロム
４．５−５．５％、モリブデン１．２−１．８％、バナ
ジウム０．　　９−１．　　５％、及びその他最大１．
．０％の範囲内の組成を有する鉄粉が、１．０重量％の
最終炭素含量を達成するように意図された４．０重量％
の−３００Ｂ．Ｓ，　メッシュ銅粉及黒鉛粉と混合され
た。これに１．０重量％の潤滑ワックスがプレス処理及
び型潤滑剤として働くように添加された。前記粉はＹ形
円錐回転混合機内で３０分間混合された。次いで、弁座
インサートが５０ｔｓｉ　　（７　７　０ＭＰｈ　）の
圧力下で両側プレス処理によってプレスされた。

次いで、前記プレスされた圧粉体は温度１１００℃の水
素及び窒素雰囲気内で３０分間焼結処理された。生じた
弁座インサートは炭素１．１ｏ９ｇ、クロム５．０％、
マンガン０．２８％、モリブデン１．４９％、珪素０．
９３％、バナジウム０．９３％、銅４．０％、及び鉄プ
ラス不純物である残部から成る組戒を有していた。これ
ら品物は−１２０℃で２０分間極低温処理され、そして
サンプルが５８５℃で２時間焼戻しを実施された。

［例２］ 炭素０．　　３％−０．　　５％、珪素０．　　８−１
．　　２％、マンガン０．　　１−０．　５％、クロム
４。５−５．５％、モリブデン１．　　２−１．　　８
％、バナジウム０．９−１．５％、及びその他最大１．
０％の範囲内の組成を有する鉄粉が、０．７重量％の最
終炭素含量を達成するように意図された４。０重量％の
−３００メッシュ銅粉及黒鉛粉と混合された。これに１
．　　０重量％の潤滑ワックスがプレス処理及び型潤滑
剤として働くように添加された。

その後、この粉が前記例１の場合と同じように混合過程
を経て処理された。

前記例１及び例２からの、異なる温度で焼戻されたサン
プルの、測定されたロツクウェル硬さ（ＨＲＡ）は、焼
戻し温度の増加に伴うロックウエル硬さの減少によって
示される熱軟化が、例１からの品物においては、例２か
らの品物と比較するとき、より高い炭素含量の故に、概
ね５０℃高い温度において始まることを示した。

同温度で２時間焼戻しを施された例１及び例２における
サンプルの加熱一硬さデータが下記表１に示される。

表１（加熱一硬さ（ＨＲ３０Ｎ）） 添付図面のグラフは、例１と例２とに記載されるごとき
、炭素レベルを除き、同じ組成を有する不希釈不溶浸焼
結物に関連する三つの異なる炭素レベルにおける焼戻し
曲線を示す。

［例３コ 炭素０。３−０．５％、珪素０．　　８−１．　　２％
、マンガン０．　　］−０．　　５％、クロム４，５−
５．５％、モリブデン１．　　２−１．　　８％、バナ
ジウム０．　　９−１．　　５％、及びその他最大１．
０％の範囲内の組成を有する鉄粉が、１．０重量％の最
終炭素含量を達戊するように意図されたアトメット１０
０１（商標名）鉄粉及び黒鉛粉の等量部と混合された。

これに１．０重量％の潤滑ワックスがプレス処理及び型
潤滑剤として働くように添加された。前記粉はＹ形円錐
回転混合機内で３０分間混合された。次いで、弁座イン
サートが５０Ｉｓｉ　　（７　７　０ＭＰｂ　）の圧力
下で両側プレス処理によってプレスされた。

次いで、前記プレスされたしら地はその重量の２０％の
重量を各々有する銅溶浸粉の圧粉体と重ね合わされた。

これら品物は次に１１００℃の温度の水素と窒素との雰
囲気内で３０分間焼結されると同時に溶浸された。生じ
た弁座インサートは炭素０．９１％、珪素０．５２％、
マンガン０．３３％、クロム２．０９％、モリブデン０
．６１％、バナジウム０．４３％、銅１２．６％、不純
物プラス鉄である残部から威る組成を有した。次に、こ
れら弁座インサートは−１２０℃で２０分間極低温処理
され、そしてサンプルは５７５℃の温度で空気中で２時
間最終焼戻しを施された。

［例４］ 炭素０．　　３−０．　　５％、珪素０．　　８−１．
　　２％、マンガン０．　　１−０．　　５％、クロム
４．５５．５％、モリブデン１．　　２−１．　　８％
、バナジウム０．　９−１．　　５％、及びその他最大
１．０％の範囲内の組成を有する鉄粉が、１．０重量％
の最終炭素含量を達成するように意図された黒鉛粉と混
合された。これに１．０重量％の潤滑ワックスがプレス
処理及び型潤滑剤として働くように添加された。次に、
これら粉は例３の場合と同じように弁座インサートに成
形するため処理された。

次いで、前記プレスされた圧粉体は、その重量の２０％
の重量を各々有する銅溶浸粉の圧粉体と重ね合わされた
。次いで、これら品物は１１００℃の温度の水素と窒素
との雰囲気内で３０分間焼結されると同時に溶浸された
。これら品物は−１２０℃で２０分間極低温処理され、
そしてサンプルは最終的に５７５℃の温度で空気中で２
時間焼戻し処理された。

例３及び例４におけるサンプルの機械的特性データが表
２、３及び４に示される。表５は諸温度における前記品
物の熱伝導率を示す。

表２（加熱一硬さ（ＨＲ３０Ｎ）） 表３ （ヤング率 （ＧＰａ） ） 表４ （０， ２９６耐力 （ＭＰａ） ） 表５ （熱伝導率（Ｗ／ｍ／Ｋ）） 前記例３及び４のため使用された方法によって作られて
機械加工された弁座インサートが、１．８１！四気筒自
動車機関の第２気筒及び第１及び第３気筒のそれぞれの
排気位置内に取付けられた。不溶浸材料から成る１弁座
インサートが比較のために第４気筒内に取付けられた。

前記機関は無鉛ガソリンを使用してその最大負荷下で６
００３＋ｐｍをもって１−８０時間連続して運転された
。

前記試験の完了とともに、両種の弁座インサート及び弁
における摩耗が測定された。その結果が表６に記載され
ており、該表は６　０　０　０　ｒｐｍでの１８０時間
連続耐久試験後における総合・弁／弁座摩耗（μｍ）を
示す。

表６ そのような試験に関するエンジン製造業者の仕様におい
て、総合・弁／弁座摩耗は３００μｍを超えてはならな
いとされている。

前記例４のため使用された方法により作られて機械加工
された弁座が、高速度鋼粉に基づく初度装備弁座インサ
ートと共にターボチャージャー付きＩＤＩ自動車ディー
ゼルエンジンにおいて吸気口及び排気口両位置に取付け
られた。エンジンは最大負荷で４　３　０　Ｏ　ｒｐｍ
の最高速度を以て耐久サイクルに従って１００時間運転
された。

前記試験の完了とともに、嵌込弁座及び弁における摩耗
が測定された。例４からの材料に関する結果が表７にお
いて初度装備弁座インサートと比較されており、該表は
．１００時間耐久サイクル試験後における平均総合・弁
／嵌込弁座摩耗を（μｍ）で示す。

表 ７ ４，

【図面の簡単な説明】

第１図は炭素含量を除き同じ組成を有する不希釈不溶浸
焼結材料に関連する三つの異なる炭素含量における焼戻
し曲線を示すグラフである。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素０．７−１．３、珪素０．３−１．３、クロ
   ム１．９−５．３、モリブデン０．５−１．８、バナジ
   ウム０．１−１．５、マンガン最高０．６、及び残部と
   しての鉄（但し偶然による不純物を除く）の範囲の内に
   ある重量百分率（％）で表される組成を有することを特
   徴とする鉄系焼結材料。
2. （２）請求項１に記載された材料において、１−６重量
   ％の銅を有することを特徴とする鉄系焼結材料。
3. （３）請求項１または請求項２に記載された材料におい
   て、上限値１．０重量％の硫黄を有することを特徴とす
   る鉄系焼結材料。
4. （４）請求項１から請求項３までの何れか一つの項に記
   載された材料において、上限値５重量％の金属硫化物を
   有することを特徴とする鉄系焼結材料。
5. （５）弁座インサートを製造する方法において、重量％
   で炭素０．３−０．７、珪素０．８−１．２０、クロム
   ４．５−５．５、モリブデン１．２−１．８、バナジウ
   ム０．３−１．５、マンガン０．１−０．６、及び残部
   としての鉄から成る組成を有する熱間加工工具鋼粉に、
   黒鉛粉と上限値６０重量％の鉄粉または低合金鉄粉とを
   混合して請求項１に従う組成を得る過程、弁座インサー
   トをプレス成形する過程及び圧粉成形体を焼結する過程
   とを有することを特徴とする方法。
6. （６）請求項５に記載された方法において、更に１−６
   重量％の銅を混合する過程を含むことを特徴とする弁座
   インサートを製造する方法。
7. （７）請求項５または請求項６に記載された方法におい
   て、更に上限値１．０重量％の硫黄を混合する過程を含
   むことを特徴とする弁座インサートを製造する方法。
8. （８）請求項５から請求項７までの何れか一つの項に記
   載された方法において、更に上限値５重量％の金属硫化
   物を混合する過程を含むことを特徴とする嵌込弁座を製
   造する方法。
9. （９）請求項５、７または８の何れか一つの項に記載さ
   れた方法において、更に銅系材料によって弁座インサー
   トの溶浸を行う過程を含むことを特徴とする弁座インサ
   ートを製造する方法。
10. （１０）請求項５から請求項９までの何れか一つの項に
    記載された方法において、更に弁座インサートに極低温
    処理を施す過程を含むことを特徴とする弁座インサート
    を製造する方法。
11. （１１）請求項１から請求項４までの何れか一つの項に
    記載された組成を有することを特徴とする弁座インサー
    ト。
12. （１２）請求項５から請求項１０までの何れか一つの項
    に記載された方法によって製造されることを特徴とする
    弁座インサート。