JPWO2019087863A1

JPWO2019087863A1 - 鉄基焼結合金製バルブガイドおよびその製造方法

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Publication number: JPWO2019087863A1
Application number: JP2018555692A
Authority: JP
Inventors: 善夫坂東; 史也伊藤; 謙市原科
Original assignee: TPR Co Ltd
Current assignee: TPR Co Ltd
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2019-12-12
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Abstract

耐摩耗性および熱伝導性に優れること。コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末を含む原料粉末を成形して成形体を得る成形工程と、前記成形体を焼結する焼結工程とを経て、鉄基焼結合金製バルブガイドを製造することを特徴とする鉄基焼結合金製バルブガイドの製造方法および当該製造方法により製造されたバルブガイド。

Description

本発明は、鉄基焼結合金製バルブガイドおよびその製造方法に関するものである。

近年の自動車用ガソリンエンジンにおいては、低燃費、低エミッション、高出力を指向し、ダウンサイジング、直噴高過給などの様々な技術の組合せにより燃焼効率の改善が図られている。燃焼効率の改善は各種損失を低減することであり、特に損失割合の大きい排気損失が注目され、その低減技術として高圧縮化が試みられている。高圧縮化は必然的にエンジン温度の上昇をもたらしノッキング等の異常燃焼発生のリスクを伴うため、燃焼室内の冷却対策が必要となってくる。特に周辺温度が高温となる排気側バルブ周辺では、冷却改善が必須であり、バルブの冷却機能を担うバルブガイドにも高いバルブ冷却能が求められている。

バルブ冷却能の高いバルブガイド材として、例えば、真鍮製バルブガイドが挙げられる。しかし、真鍮製バルブガイドは、保油性のある空孔が少ないことによる耐摩耗性の不足や、従来用いられてきた鉄基焼結合金のバルブガイドに比べて加工費用などコストも高いという課題がある。このため、真鍮製バルブガイドと比べて低コストな焼結合金製バルブガイドにおいて、バルブ冷却能と、耐摩耗性とを改善する技術が提案されている（特許文献１、２）

例えば、特許文献１には、質量％で、Ｃｕ：１０〜９０％、Ｃｒ：０〜１０％、Ｍｏ：０〜６％、Ｖ：０〜８％、Ｗ：０〜８％、Ｃ：０．５〜３％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、前記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ及びＷの合計が２％以上１６％以下である組成を有し、かつ、Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相、Ｃｕ相又はＣｕを主成分とするＣｕ基合金相、及び黒鉛相からなる組織を有する焼結合金製バルブガイドが提案されている。また、特許文献２には、鉄系合金粉と、２６乃至３０ｗｔ％のＮｉを含有する銅系合金粉とが重量配合比４：６乃至６：４の割合で混合された焼結材からなる焼結合金製バルブガイドが提案されている。

特許第５６５８８０４号特開平６−６６１１７号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性および熱伝導性に優れた鉄基焼結合金製バルブガイドおよびその製造方法を提供することを課題とする。

上記課題は以下の本発明により達成される。すなわち、
本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの製造方法は、コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末を含む原料粉末を成形して成形体を得る成形工程と、成形体を焼結する焼結工程とを経て、鉄基焼結合金製バルブガイドを製造することを特徴とする。

本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの製造方法の一実施形態は、（１）前記原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量が１４質量％〜４０質量％の範囲内であり、かつ、（２）前記原料粉末に含まれるＣｕ成分のうち、前記コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合が４５％以上であることが好ましい。

本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの製造方法の他の実施形態は、原料粉末が、Ｃ粉末および固体潤滑剤を含むことが好ましい。

本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの製造方法は、焼結工程における焼結温度が、１１０２℃〜１１５２℃の範囲内であることが好ましい。

本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの製造方法は、焼結工程における焼結時間が、１０分〜２時間の範囲内であることが好ましい。

第一の本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドは、コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末を含む原料粉末を成形して成形体を得る成形工程と、成形体を焼結する焼結工程とを経て作製されたことを特徴とする。

第一の本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの一実施形態は、（１）原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量が１４質量％〜４０質量％の範囲内であり、かつ、（２）原料粉末に含まれるＣｕ成分のうち、コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合が４５％以上であることが好ましい。

第二の本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドは、Ｃｕを１０質量％〜４０質量％含み、空孔およびＣｕ相を含む組織を有し、空孔の空孔面積率が３％以上であり、Ｃｕ相のＣｕ面積率が１１％〜３６％であることを特徴とする。

第一および第二の本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの一実施形態は、Ｃｕを１２質量％〜３５質量％含むことが好ましい。

第一および第二の本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの他の実施形態は、Ｃｕを２０質量％〜３０質量％含むことが好ましい。

第一および第二の本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの他の実施形態は、Ｃｕ面積率が１３．１％〜３３．８％であることが好ましい。

第一および第二の本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの他の実施形態は、Ｃｕ面積率が１７％〜２９％であることが好ましい。

第一および第二の本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの他の実施形態は、空孔面積率が３．６％以上であることが好ましい。

第一および第二の本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの他の実施形態は、空孔面積率が７．３％以上であることが好ましい。

第一および第二の本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの他の実施形態は、空孔面積率が１５％以下であることが好ましい。

本発明によれば、耐摩耗性および熱伝導性に優れた鉄基焼結合金製バルブガイドおよびその製造方法を提供することができる。

Ｃｕ含有量（質量％）に対する空孔面積率（％）の変化を示すグラフである。Ｃｕ含有量（質量％）に対するＣｕ面積率（％）の変化を示すグラフである。Ｃｕ含有量（質量％）に対する熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）の変化を示すグラフである。Ｃｕ含有量（質量％）に対する摩耗量（μｍ）の変化を示すグラフである。Ｃｕ含有量が４０質量％以下の範囲における実験例Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４についてのＣｕ含有量（質量％）に対する摩耗量（μｍ）の変化を示すグラフである。Ｃｕ含有量（質量％）に対する硬度（ＨＲＢ）の変化を示すグラフである。Ｃｕ部分拡散合金粉末（Ｃｕ含有量２５質量％）の一例を示す写真である。ここで、図７（Ａ）が、Ｃｕ部分拡散合金粉末の外観形状を示す電子顕微鏡写真であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すＣｕ部分拡散合金粉末の表面におけるＣｕの分布を示す組成マップである。原料粉末を加圧圧縮した後かつ焼結する前の状態のサンプル（焼結前の成形体）の断面の一例を示す画像である。ここで、図８（Ａ）は実験例Ａ３の電子顕微鏡写真であり、図８（Ｂ）は実験例Ｂ３の電子顕微鏡写真であり、図８（Ｃ）は実験例Ａ３のＦｅ元素の組成像であり、図８（Ｄ）は実験例Ｂ３のＦｅ元素の組成像であり、図８（Ｅ）は実験例Ａ３のＣｕ元素の組成であり、図８（Ｆ）は実験例Ｂ３のＣｕ元素の組成である。

本実施形態の鉄基焼結合金製バルブガイド（以下、「バルブガイド」と略す場合がある）の製造方法は、コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末（以下、「Ｃｕ部分拡散合金粉末」と称す場合がある）を含む原料粉末を成形して成形体を得る成形工程と、成形体を焼結する焼結工程とを含む。この場合、Ｃｕ部分拡散合金粉末中のＣｕの含有量としては特に限定されないが、８質量％〜４５質量％が好ましく、１０質量％〜３０質量％が好ましく、２５質量％±２質量％が特に好ましい。Ｃｕ部分拡散合金粉末としては、たとえば、Ｃｕ含有量が２５質量％のＣｕ部分拡散合金粉末、あるいは、Ｃｕ含有量が約１０質量％のＣｕ部分拡散合金粉末などを用いることができる。

原料粉末には、Ｃｕ部分拡散合金粉末以外にも、Ｃ粉末および固体潤滑剤を用いることが好ましく、また、金型を用いて成形体を成形する際の潤滑剤がさらに含まれていることが好ましい。なお、固体潤滑剤としては特に制限されず、公知の固体潤滑剤であればいずれも利用でき、たとえば、ＭｏＳ_２などを挙げることができ、また、離型剤としては特に制限されず、公知の離型剤であればいずれも利用できるが、たとえばステアリン酸亜鉛などを挙げることができる。また、原料粉末中のＦｅ成分およびＣｕ成分の主たる供給源としてはＣｕ部分拡散合金粉末を用いるが、バルブガイド中のＣｕ含有量を所望の値に調整するために、必要に応じて、Ｆｅ粉末、Ｆｅ基合金粉末、Ｃｕ粉末、あるいは、Ｃｕ基合金粉末をさらに併用してもよい。また、上述した粉末以外にもその他の金属元素、非金属元素あるいはこれら元素を含む化合物（たとえば、酸化物、炭化物、炭酸塩、合金等）を主成分として含む粉末を併用してもよい。このような元素を主成分として含む粉末としては、Ｃａ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｗ等を主成分として含む粉末が挙げられる。

各成分の粉末を混合して得られた原料粉末は、金型に充填され、成形プレス等により圧縮、成形されることで成形体を得る。なお、成形体の密度は、たとえば、６．５５ｇ／ｃｍ^３〜７．1５ｇ／ｃｍ^３程度とすることができる。次に、成形体を、必要に応じて脱脂処理した後、Ｃｕの融点（１０８５℃）を超える温度域、たとえば、１１０２℃〜１１５２℃の範囲内で焼結する。焼結時の雰囲気は、真空雰囲気あるいは窒素ガスなどの非酸化性ガス雰囲気とすることができる。この際の焼結時間は１０分〜２時間が好ましく、１５分〜１時間がより好ましく、２０分〜４０分がさらに好ましい。そして、焼結後の成形体を切削加工等することで所定の形状のバルブガイドを得る。

なお、本実施形態のバルブガイドの製造方法では、（１）原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量が１４質量％〜４０質量％の範囲内であり、かつ、（２）原料粉末に含まれるＣｕ成分のうちＣｕ部分拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合が４５％以上であることが好ましい。この場合、原料粉末中のＦｅ成分およびＣｕ成分の供給源として、各々Ｆｅ粉およびＣｕ粉のみを用いて作製したバルブガイドと比べて、同程度前後の熱伝導性を確保しつつも、耐摩耗性を大幅に改善することができる。

（１）原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量を１４質量％以上、かつ、（２）原料粉末に含まれるＣｕ成分のうちＣｕ部分拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合を４５％以上とすることにより、原料粉末中のＦｅ成分およびＣｕ成分の供給源として、各々Ｆｅ粉およびＣｕ粉のみを用いて作製したバルブガイドと比べて、耐摩耗性の改善度合いをより大きくすることが容易である。また、（１）原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量が増加する程、絶対的な耐摩耗性は劣化する傾向にあるが、Ｃｕ成分の含有量を４０質量％以下とすることにより実用的な範囲の耐摩耗性を確保することが容易である。

また、（２）原料粉末に含まれるＣｕ成分のうちＣｕ部分拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合を４５％以上とすることにより、原料粉末中のＦｅ成分およびＣｕ成分の供給源として、各々Ｆｅ粉およびＣｕ粉のみを用いて作製したバルブガイドと比べて、マトリックス中のＣｕの分散をより均一にできるため、結果的に、より耐摩耗性を改善することが容易になる。

ここで（１）原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量は、２０質量％〜４０質量％がより好ましく、２３質量％〜３７質量％がさらに好ましい。また、（２）原料粉末に含まれるＣｕ成分のうち、Ｃｕ部分拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合は５０％以上が好ましく、５６％以上がより好ましく、８０％がさらに好ましく、１００％が特に好ましい。なお、条件（１）と組み合わせる条件（２）の代わりの条件として、原料粉末に含まれるＣｕ部分拡散合金の配合割合が５５質量％以上としても条件（１）および（２）を組み合わせた場合と同様の効果を奏することができる。この場合、原料粉末に含まれるＣｕ部分拡散合金の配合割合は、８０質量％以上が好ましく、９０質量％以上がさらに好ましい。

次に、本実施形態のバルブガイドについて説明する。

第一の本実施形態のバルブガイドは、本実施形態のバルブガイドの製造方法を利用して製造されたバルブガイドであることを特徴とする。これにより、従来のバルブガイド製造方法により製造されたバルブガイドと比べて、耐摩耗性および熱伝導性に関して同等程度あるいはそれ以上の性能を有するバルブガイドが提供できる。特に、（１）原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量が１４質量％〜４０質量％の範囲内であり、かつ、（２）原料粉末に含まれるＣｕ成分のうちＣｕ部分拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合が４５％以上である場合、原料粉末中のＦｅ成分およびＣｕ成分の供給源として、各々Ｆｅ粉およびＣｕ粉のみを用いて作製したバルブガイドと比べて、同程度前後の熱伝導性を確保しつつも、耐摩耗性を大幅に改善することができる。

また、第一の本実施形態のバルブガイドでは、Ｃｕを１０質量％〜４０質量％含み、空孔およびＣｕ相を含む組織を有し、空孔の空孔面積率が３％以上であり、Ｃｕ相のＣｕ面積率が１１％〜３６％であることが好ましい。

Ｃｕの含有量を１０質量％以上とすると共に、Ｃｕ面積率を１１％以上とすることにより優れた熱伝導性を得ることが容易となる。また、Ｃｕの含有量を４０質量％以下とすると共に、Ｃｕ面積率を３６％以下とすることにより、空孔面積率を３％以上とすることが容易となる。また、空孔面積率を３％以上とすることにより、バルブガイドが十分な保油性を確保できるため、優れた耐摩耗性を得ることが容易となる。この場合、バルブガイドの熱伝導性が優れるため、バルブガイドの温度上昇が抑えられ、バルブ冷却能が高くなり、バルブからの放熱が促進され、バルブの温度上昇を抑えることが出来るため、バルブの摩耗を抑制することが出来るとともに、ノッキング等のエンジン異常燃焼の低減に貢献することが出来る。

第一の本実施形態のバルブガイドでは、主にＣｕ含有量およびＣｕ面積率を選択することで４００℃における熱伝導率を、２８Ｗ／ｍ・Ｋ〜６０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の範囲内で制御できる。なお、熱伝導率は、バルブ冷却能の観点から４０Ｗ／ｍ・Ｋ〜６０Ｗ／ｍ・Ｋが好ましく、５０Ｗ／ｍ・Ｋ〜６０Ｗ／ｍ・Ｋがより好ましく、バルブ冷却能とその他の特性とをバランス良く両立させる観点から５０Ｗ／ｍ・Ｋ〜５５Ｗ／ｍ・Ｋがさらに好ましい。

なお、Ｃｕの含有量を４０質量％以下とした場合、製造コストを引き下げることも容易となる。Ｃｕの含有量は、１０質量％を超え４０質量％以下が好ましく、１２質量％〜３５質量％がより好ましく、２０質量％〜３０質量％がさらに好ましく、２３質量％〜２７質量％が特に好ましい。

また、Ｃｕ面積率は、１３．１％〜３３．８％が好ましく、１７％〜２９％がより好ましい。

また、空孔面積率は、３．６％以上が好ましく、７．３％以上がより好ましい。なお、空孔面積率の上限値は特に限定されるものではないが、バルブガイドの強度を確保する観点から１５％以下が好ましく、１２％以下がより好ましく、１１．５％以下がさらに好ましい。これにより、バルブガイドをシリンダブロックに圧入した後に、バルブガイドがシリンダブロックから脱落するのを防ぐことができる。

第一の本実施形態のバルブガイドは、Ｃｕ、Ｆｅおよび不可避的不純物を少なくとも含む組成を有するが、ＣｕおよびＦｅ以外のその他の金属元素および非金属元素がさらに含まれていてもよい。このような元素としては、Ｃ、Ｍｏ、Ｓ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｗなどを例示することができ、必要に応じて、元素の種類・含有量を適宜選択できる。しかしながら、ＮｉはＣｕと全率固溶体を形成するために、ＮｉのＣｕへの固溶が熱伝導率を著しく低下させることが知られている（たとえば、特許文献１／段落００１５など）。すなわち、Ｎｉは、熱伝導率の向上を阻害するため、本実施形態のバルブガイドには、Ｎｉは含まれないことが好ましい。

また、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗは、コストを増大させる。このためＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗは基本的に含まれないか、あるいは、各々の元素の含有量は極力少なくすることが好ましい。但し、これら元素のうち、本実施形態のバルブガイドにおいて、Ｍｏは耐摩耗性および加工性改善の観点から少量用いることが好適である。

Ｃは、焼結体の鉄基地を強化し、強度、硬さを高める元素であるが、過多となると基地中にセメンタイトが生成しやすくなる。このため、Ｃを用いる場合、Ｃの含有量は、０．８〜１．２質量％が好ましい。また、成形時の離型剤として、たとえば、ステアリン酸亜鉛等を用いてもよい。なお、上記に列挙したその他の金属元素は、金属以外に硫化物（たとえば、ＭｏＳ_２など）や、炭酸化物の形態でマトリックス中に含まれていてもよい。

第二の本実施形態のバルブガイドは、Ｃｕを１０質量％〜４０質量％含み、空孔およびＣｕ相を含む組織を有し、空孔の空孔面積率が３％以上であり、Ｃｕ相のＣｕ面積率が１１％〜３６％であることを特徴とする。なお、第二の本実施形態のバルブガイドのその他の形態は、第一の本実施形態のバルブガイドと同様とすることができる。また、第二の本実施形態のバルブガイドは、本実施形態のバルブガイドの製造方法により製造することができるが、この製造方法以外の製造方法によって製造されたものでもよい。

なお、第一および第二の本実施形態のバルブガイドは、内燃機関の吸気バルブ用あるいは排気バルブ用のいずれのバルブガイドとしても利用できるが、排気バルブ用のバルブガイドとして用いることが好ましい。

以下に、本発明を実験例を挙げて説明するが、本発明は以下の実験例のみに限定されるものではない。

１．バルブガイドの作製
各実験例のバルブガイドの作製には、原料粉末として以下に列挙する粉末を適宜組み合わせて用いた。なお、原料粉末として用いた各成分の粉末の粒径（粒度分布のうち頻度の比較的高い範囲の粒径）は以下の通りである。
＜ＦｅおよびＣｕ成分＞
・Ｃｕ部分拡散合金粉末（Ｃｕ含有量２５質量％）：１０６−１５０μｍ範囲
・Ｃｕ部分拡散合金粉末（Ｃｕ含有量１０質量％）
・Ｆｅ粉末：１０６−１５０μｍ範囲
・Ｃｕ粉末：４５μｍ以下
＜ＦｅおよびＣｕ以外のその他の成分＞
・Ｃ粉末：５０μｍ以下
・その他の粉末（固体潤滑剤、離型剤等）

表１に示す配合組成で各成分の粉末を混合した原料粉末を準備した。次に、原料粉末を加圧圧縮することで、外径１０．５ｍｍ、内径５．０ｍｍ、長さ４５．５ｍｍの円管形状の成形体を得た。なお、加圧圧縮時の成形圧力を適宜選択することにより表２に示すように成形体の密度を調整した。次に、この成形体を窒素ガス雰囲気中にて１１２７℃の温度で３０分間焼結することで焼結体を得た。そして、この焼結体を切削加工することで外径１０．３ｍｍ、内径５．５ｍｍ、長さ４３．５ｍｍのバルブガイドを得た。各実験例のバルブガイドのＣｕ含有量およびＣ含有量を表２に示す。なお、表２に示す「バルブガイドのＣｕ含有量」は、表１に示す「原料粉末中のＣｕ成分の含有量」に対応する値である。

２．密度の測定
焼結処理前の成形体の密度は、ＪＩＳＺ２５０１に基づいて測定した。結果を表２に示す。

３．空孔面積率の測定
バルブガイドを、軸方向に対して直交する方向で切断して得られた断面について、レーザー顕微鏡（レーザーテック製ＨＹＢＩＲＤＬ３）にて倍率２０倍にて撮像した。次に、得られた画像データを２値化処理して、観察視野内の全面積に対する空孔面積の比率を求めることで、空孔面積率を決定した。結果を表２に示す。

４．Ｃｕ面積率の測定
空孔面積率を測定する場合と同様にして撮像し、バルブガイド断面の画像データを２値化処理した。この際、空孔面積率を測定する場合に対して、撮像時の輝度を変更することで、２値化処理に際してＣｕ相とＣｕ相以外の部分とを識別できるようにした。そして、２値化処理した画像データに基づいて、観察視野内の全面積に対するＣｕ相の面積の比率を求めることで、Ｃｕ面積率を決定した。結果を表２に示す。

５．熱伝導率の測定
バルブガイドの熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により測定した。各実験例のバルブガイドと同一の製造条件で作製した円盤状のテストピース（直径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）について、真空理工製（現社名：アドバンス理工）縦型熱膨張計（ＤＬ−７０００型）を用いて測定した。熱伝導率はレーザー照射開始からテストピースの裏面に熱が伝わるまでの時間を計測し、テストピースの厚さにより算出した。結果を表２に示す。

６．摩耗量の測定
バルブガイドの穴に、バルブ（ステム外径：５．４８ｍｍ、材質：ＳＵＨ３５相当）を挿入した。次に、バルブガイドの下端側（燃焼室側）の外周面の温度が３００度となるように、バルブの下端面をガスバーナーで加熱すると共にバルブガイドの軸方向中央部付近を水冷し、さらに、バルブの下端側の側面に対してバルブの軸方向と直交する方向に７０Ｎの押付荷重を加えた。また、バルブガイドの上端側から潤滑油（エンジンオイル：０Ｗ−２０相当）を０．４ｃｃ／ｈｒで滴下した。この状態で、ステム回転数を０としたまま、バルブを３０００回／分で４時間往復運動させた。なお、試験雰囲気は、空気とした。試験終了後、押付荷重を加えた方向と平行な方向におけるバルブガイドの上端側、中央部および下端側の内径を測定し、試験前後におけるバルブガイドの上端側、中央部および下端側の内径の変化量から、各々の位置における摩耗量を測定した。そして、これら３カ所の測定位置における摩耗量の平均値を求めた。結果を表２に示す。

７．硬度の測定
バルブシートの硬度は、焼結後のテストピースをミツトヨ製ロックウェル硬度計（ＨＲ−１００型）を用いて測定した。硬度は各テストピース毎に４箇所測定し、その平均値を求めた。

８．Ｃｕ含有量に対する各種物性値・特性値の変化
表１および表２に基づいて作成したＣｕ含有量に対する各種物性・特性値の変化を示したグラフを図１〜図６に示す。ここで、図１は、Ｃｕ含有量（質量％）に対する空孔面積率（％）の変化を示すグラフであり、図２は、Ｃｕ含有量（質量％）に対するＣｕ面積率（％）の変化を示すグラフであり、図３は、Ｃｕ含有量（質量％）に対する熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）の変化を示すグラフであり、図４は、Ｃｕ含有量（質量％）に対する摩耗量（μｍ）の変化を示すグラフであり、図５は、Ｃｕ含有量が４０質量％以下の範囲における実験例Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４についてのＣｕ含有量（質量％）に対する摩耗量（μｍ）の変化を示すグラフであり、図６は、Ｃｕ含有量（質量％）に対する硬度（ＨＲＢ）の変化を示すグラフである。

図２、３、６から、Ｃｕ含有量に対するＣｕ面積率、熱伝導率および硬度の変化に関して、Ｃｕ成分およびＦｅ成分としてＣｕ部分拡散合金粉末を少なくとも用いて作製されたバルブガイド（実験例Ａシリーズ）と、Ｃｕ成分およびＦｅ成分としてＣｕ粉末およびＦｅ粉末のみを用いて作製されたバルブガイド（実験例Ｂシリーズ）との間で顕著な有意差は認められなかった。

また、図１を参照すると、Ｃｕ含有量に対する空孔面積率の変化に関して、実験例Ｂシリーズよりも実験例Ａシリーズの方が、同一のＣｕ含有量において空孔面積率が全体的により高い値を示す傾向があるようにも思われる。但し、表１の下欄※１、※３に示したように、同一の実験例のバルブガイドでも、測定サンプルにより空孔面積率が大きくばらついていることなどから、実験例Ａシリーズと実験例Ｂシリーズとの間で、何某かの数値やパラメーターによって定量的かつ具体的に特定できる程の明確な有意差が存在するとは言い難い。しかしながら、図１からは、Ｃｕ部分拡散合金粉末用いて、あるいは、Ｃｕ部分拡散合金粉末と共にＦｅ粉末および／またはＣｕ粉末を適宜併用して製作したバルブガイド（実験例Ａシリーズ）は、Ｃｕ粉末及びＦｅ粉末を用いて製作されたバルブガイド（実験例Ｂシリーズ）よりも空孔面積率が全般的に高い傾向を示していることは明らかである。それゆえ、Ｃｕ粉末及びＦｅ粉末を用いて製作されたバルブガイドと比べて、Ｃｕ部分拡散合金粉末を主たる原料粉成分として用いて製作したバルブガイドの方が保油性がより高くなり、耐摩耗性の向上につながると推測される。

一方、図４を参照すると、実験例Ａシリーズ、実験例Ｂシリーズ共に、Ｃｕ含有量の増加に対して摩耗量が増大し、特にＣｕ含有量が４０質量％を超えると、実験例Ａシリーズでは摩耗量が急激に増大している。ここで、図３もさらに参照するとＣｕ含有量が４０質量％を超えると、熱伝導率の向上は飽和傾向にあることが判る。これらの点を踏まえれば、Ｃｕ含有量が４０質量％を超えると、熱伝導率の向上は飽和する一方で、摩耗量だけが急激に増大するため、耐摩耗性と熱伝導性とを総合的に改善するという観点ではＣｕ含有量が４０質量％以下の場合と比べて劣ると判断される。この点を踏まえて、Ｃｕ含有量が４０質量％以下の範囲について、Ｃｕ含有量（質量％）に対する摩耗量（μｍ）の変化を検討するために図５を示す。

なお、図５は、表１および表２中に示す各実験例のうち、バルブガイドの製造に用いた原料粉末中のＣｕ成分およびＦｅ成分の金属粉末の組合せ・配合比率を変えた以外は、その他の製造条件を全て同一として製造した実験例について作成したグラフである。図５から明らかなように、実験例Ａ１−４および実験例Ｂ１−４においては、Ｃｕ含有量の増加に対して摩耗量が直線的に増加しており、また、Ｃｕ含有量に対する摩耗量の増加率（図中の２本の直線の傾き）は、実験例Ａ１−４よりも実験例Ｂ１−４の方が顕著に大きい。そして、Ｃｕ含有量が１４質量％以上では明らかに、同一のＣｕ含有量における摩耗量は、実験例Ｂシリーズよりも実験例Ａシリーズの方が小さく、また、Ｃｕ含有量の増加に伴う摩耗量の両者の乖離度合も増大する。

ここで、実験例Ａ１−４のうち、（１）Ｃｕ含有量が１４質量％〜４０質量％にの範囲に該当するものは、実験例Ａ２−４である。そして、実験例Ａ２−４は、Ｃｕ含有量の点で対応する実験例Ｂ２−４との比較でＣｕ部分拡散合金粉末を主原料粉末として用いて製造された点に特徴があり、いずれも、（２）原料粉末に含まれるＣｕ成分のうちＣｕ部分拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合が４５％以上である。すなわち、上記（１）および（２）を満たす条件にて製造されたバルブガイドは、原料粉末中のＦｅ成分およびＣｕ成分の供給源として、各々Ｆｅ粉およびＣｕ粉のみを用いて作製したバルブガイドと比べて、同程度前後の熱伝導性を確保しつつも、耐摩耗性を大幅に改善することができる。

なお、図５に示すグラフからは、耐摩耗性の改善は、バルブガイドの製造に際して原料粉末としてＣｕ部分拡散合金粉末を用いることと極めて強い相関関係があることが理解できる。

９．Ｃｕ部分拡散合金粉末の電子顕微鏡観察
図７は、Ｃｕ部分拡散合金粉末（Ｃｕ含有量２５質量％）の一例を示す写真である。ここで、図７（Ａ）が、Ｃｕ部分拡散合金粉末の外観形状示す電子顕微鏡写真であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すＣｕ部分拡散合金粉末の表面におけるＣｕの分布を示す組成マップ（ＥＤＳ分析マップ）である。解像度および白黒表示の都合上、本願に添付の図７（Ｂ）自体からは判別できないが、図７（Ｂ）のオリジナルデータでは、コア鉄粉の表面にはＣｕが偏在して存在している領域以外にも、Ｃｕが細かい点状の領域として分散して存在していることが確認される。これらのことから、コア鉄粉に対してＣｕが拡散により接合されていることが把握できる。

１０．焼結前の成形体の断面観察
図８は、原料粉末を加圧圧縮した後かつ焼結する前の状態のサンプル（焼結前の成形体）の断面の一例を示す画像である。ここで、図８中に示す６つの画像のうち、左列側の３つの画像（図８（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ））が、実験例Ａ３（（１）原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量：２５質量％、（２）原料粉末に含まれるＣｕ成分のうちＣｕ部分拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合：１００％）のサンプルの画像の一例であり、右列側の３つの画像（図８（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ））が、実験例Ｂ３（（１）原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量：２５質量％、（２）原料粉末に含まれるＣｕ成分のうちＣｕ部分拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合：０％）のサンプルの画像の一例である。

また、図８中に示す６つの画像のうち、上段の２つの画像（図８（Ａ）、（Ｂ））が、電子顕微鏡写真（ＳＥＭ像）であり、中段の２つの画像（図８（Ｃ）、（Ｄ））が、上段の電子顕微鏡写真に対応するＦｅ元素の組成像であり、下段の２つの画像（図８（Ｅ）、（Ｆ））が、上段の電子顕微鏡写真に対応するＣｕ元素の組成像である。なお、中段に示すＦｅ元素の組成像において、白と黒に２値化された各々の領域のうち、白い部分がＦｅであり、下段に示すＣｕ元素の組成像において、白と黒に２値化された各々の領域のうち、白い部分がＣｕである。

図８に示した実験例Ａ３と実験例Ｂ３とでは、原料粉末中のＣｕの全含有量は同一であるものの、Ｃｕ部分拡散合金粉末を用いて製作したバルブガイドであるのか、Ｃｕ粉末及びＦｅ粉末を用いて製作されたバルブガイドであるのかという点に大きな違いがある。そして、特に図８（Ｅ）、（Ｆ）を参照すると、実験例Ｂ３よりも実験例Ａ３の方が、マトリックス中のＣｕの偏在が小さく、より均一に分散している傾向にあることが判る。また、このＣｕの偏在度合の差異は、Ｃｕの面積率の差異および原料粉末中のＣｕの全含有量の差異に依存するものでは無いと考えられる。実験例Ａシリーズと実験例Ｂシリーズとの間で、図２に示すようにＣｕの含有量に対してＣｕ面積率に有意差が無く、かつ、実験例Ａ３と実験例Ｂ３とでは、原料粉末中のＣｕの全含有量は同一であるためである。したがって、Ｃｕの偏在度合の差異は、原料粉末中のＦｅ成分およびＣｕ成分として、Ｃｕ部分拡散合金粉末を主成分として用いるのか否かに大きく依存していると考えられる。

そして、Ｃｕ含有量の増加に伴って、実験例Ａシリーズのほうが実験例Ｂシリーズよりも優れた耐摩耗性を示す図５の結果は、マトリックス中のＣｕの偏在度合の差異にも起因すると推測される。この理由は、図６に示すようにＣｕ含有量が大きくなる程、硬度が低下することから、マトリックス中においてＣｕの偏在度合がより大きい実験例Ｂシリーズでは、局所的な摩耗もより促進され易くなると考えられるためである。それゆえ、本発明者らは、図８（Ｅ）（Ｆ）に示されるようなＣｕの偏在について、定量的かつ具体的に把握すべく何某かの数値による定量化を検討したが、具体的な方策は見いだせなかった。

上記課題は以下の本発明により達成される。すなわち、
本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドの製造方法は、コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末を含む原料粉末を成形して成形体を得る成形工程と、成形体を焼結する焼結工程とを経て、鉄基焼結合金製バルブガイドを製造し、（１）前記原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量が１４質量％〜４０質量％の範囲内であり、かつ、（２）前記原料粉末に含まれるＣｕ成分のうち、前記コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合が４５％以上であることを特徴とする。

第一の本発明の鉄基焼結合金製バルブガイドは、コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末を含む原料粉末を成形して成形体を得る成形工程と、成形体を焼結する焼結工程とを経て作製され、（１）原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量が１４質量％〜４０質量％の範囲内であり、かつ、（２）原料粉末に含まれるＣｕ成分のうち、コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合が４５％以上であることを特徴とする。

Claims

コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末を含む原料粉末を成形して成形体を得る成形工程と、前記成形体を焼結する焼結工程とを経て、鉄基焼結合金製バルブガイドを製造することを特徴とする鉄基焼結合金製バルブガイドの製造方法。
（１）前記原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量が１４質量％〜４０質量％の範囲内であり、かつ、（２）前記原料粉末に含まれるＣｕ成分のうち、前記コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合が４５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の鉄基焼結合金製バルブガイドの製造方法。
前記焼結工程における焼結温度が、１１０２℃〜１１５２℃の範囲内であることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄基焼結合金製バルブガイドの製造方法。
前記焼結工程における焼結時間が、１０分〜２時間の範囲内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の鉄基焼結合金製バルブガイドの製造方法。
コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末を含む原料粉末を成形して成形体を得る成形工程と、前記成形体を焼結する焼結工程とを経て作製されたことを特徴とする鉄基焼結合金製バルブガイド。
（１）前記原料粉末に含まれるＣｕ成分の含有量が１４質量％〜４０質量％の範囲内であり、かつ、（２）前記原料粉末に含まれるＣｕ成分のうち、前記コア鉄粉に対して拡散により接合されたＣｕを含有する拡散合金粉末に由来するＣｕ成分の割合が４５％以上であることを特徴とする請求項５に記載の鉄基焼結合金製バルブガイド。