KR20240024986A - 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트 - Google Patents
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Abstract
내마모성이 우수한 철기 소결 합금제 밸브 시트를 제공한다. 비커스 경도로 700∼1300HV의 경도를 갖고, 질량%로, Si: 1.5∼3.5%, Cr: 7.0∼9.0%, Mo: 35.0∼45.0%, Ni: 5.0∼20.0%를 포함하고 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Si-Cr-Ni-Fe계 Mo기 금속간 화합물 입자를 경질 입자로서 기지상 중에 분산시키고, 기지상, 경질 입자, 고체 윤활제 입자 등을 포함하는 기지부가, 질량%로, C: 0.5∼2.0%, Si: 0.2∼2.0%, Mn: 5% 이하, Cr: 0.5∼15%, Mo: 3∼20%, Ni: 1∼10%를 포함하고, 추가로 V: 0∼5%, W: 0∼10%, S: 0∼2%, Cu: 0∼5%를 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트로 한다. 이것에 의해, Co를 함유하지 않는 조성이어도, 경질 입자의 크랙, 깨짐의 발생을 회피하여, 내마모성의 저하를 방지할 수 있어, 종래의 Co를 함유하는 조성과 동등 혹은 그 이상의 내마모성을 갖는 밸브 시트로 할 수 있다.
Description
본 발명은, 내연 기관용 밸브 시트에 관한 것이고, 특히, 내마모성이 우수한 철기 소결 합금제 밸브 시트에 관한 것이다.
밸브 시트는, 내연 기관의 실린더 헤드에 압입되어, 연소 가스의 실링과 밸브를 냉각하는 역할을 담당하고 있다. 밸브에 의한 두드림, 미끄럼에 의한 마모, 연소 가스에 의한 가열, 연소 생성물에 의한 부식 등에 노출되기 때문에, 종래부터 밸브 시트에는, 내열성, 내마모성이 우수할 것, 상대재인 밸브를 마모시키지 않도록 상대 공격성이 낮을 것 등이 요구되어 왔다.
이와 같은 요구에 대해, 예를 들어, 특허문헌 1에는, 내마모성이 우수한 내연 기관용 소결 합금제 밸브 시트가 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 소결 합금제 밸브 시트는, 기지상(基地相) 중에 경질 입자 및 고체 윤활제 입자를 분산시킨 철기(鐵基) 소결 합금제 밸브 시트이고, 기지상이, 입경: 10μm 이하의 미세 탄화물이 석출되고, 비커스 경도로 550HV 이상의 경도를 갖는 미세 탄화물 석출상이며, 비커스 경도로 650∼1200HV의 경도를 갖는 경질 입자를 면적률로 20∼40% 분산시키고, 고상 윤활제 입자를 면적률로 0∼5% 분산시킨 조직을 갖고, 확산상이 면적률로 0% 초과 5% 이하 형성되고, 고체 윤활제 입자를 면적률로 0∼5% 분산시키고, 기지상과 확산상과 경질 입자와 고체 윤활제 입자를 포함하는 기지부가, 질량%로, C: 0.5∼2.0%, Si: 0.5∼2.0%, Mn: 5% 이하, Cr: 2∼15%, Mo: 5∼20%, Co: 2∼30%를 포함하는 조성을 갖는다고 하고 있다. 이것에 의해, 혹독한 마모 환경에 있어서도, 밸브 시트의 내마모성이 향상된다고 하고 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 철기 소결 합금제 밸브 시트가 기재되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 밸브 시트는, 밸브 착좌(着座)측부와 헤드 착좌측부가 일체로 소결된 2층 구조를 갖는 밸브 시트이다. 밸브 착좌측부는, 체적률로 10∼25%의 기공률과 6.1∼7.1g/cm3의 소결 후 밀도를 갖고, 기지상 중에 경질 입자를 분산시키고, 경질 입자가, C, Cr, Mo, Co, Si, Ni, S, Fe 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소로 이루어지는 입자이며, 면적률로 5∼40% 분산되고, 기지상과 경질 입자를 포함하는 기지부의 조성이, 질량%로, Ni: 2.0∼23.0%, Cr: 0.4∼15.0%, Mo: 3.0∼15.0%, Cu: 0.2∼3.0%, Co: 3.0∼15.0%, V: 0.1∼0.5%, Mn: 0.1∼0.5%, W: 0.2∼6.0%, C: 0.8∼2.0%, Si: 0.1∼1.0%, S: 0.1∼1.0% 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계로 10.0∼40.0% 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 철기 소결 합금재로 이루어진다고 하고 있다. 한편, 특허문헌 2에는, 상기한 경질 입자로서, Cr-Mo-Co계 금속간 화합물 입자, Ni-Cr-Mo-Co계 금속간 화합물 입자, Fe-Mo 합금 입자, Fe-Ni-Mo-S계 합금 입자, Fe-Mo-Si계 합금 입자가 예시되어 있다.
특허문헌 1, 2에 기재된 밸브 시트에서는, 기지상의 고온 강도나 인성의 향상이나, 내마모성의 향상에 기여한다고 하여, 기지상이나 경질 입자에 다량의 Co를 함유시키는 것이 바람직하다고 하고 있다. 그러나, 근년, Co는 산출국의 정치적 불안정함이나, 리튬 이온 전지 등의 다른 분야에 있어서의 Co 사용량의 증가에 관련하여, 가격이 상승하거나, 입수가 곤란해지거나 할 우려가 강해지고 있다. 그 때문에, Co의 사용을 제한할 것이 요망되고 있다.
이와 같은 요망에 대해, 예를 들어, 특허문헌 3에는, 철기 소결 합금제 밸브 시트가 제안되어 있다. 특허문헌 3에 기재된 철기 소결 합금제 밸브 시트는, 기지상 중에 경질 입자가 분산되고, 전체의 조성이, 질량%로, Cr: 5.0∼20.0%, Si: 0.4∼2.0%, Ni: 2.0∼6.0%, Mo: 5.0∼25.0%, W: 0.1∼5.0%, V: 0.5∼5.0%, Nb: 1.0% 이하, C: 0.5∼1.5%를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 철기 소결 합금제 밸브 시트이다. 특허문헌 3에 기재된 철기 소결 합금제 밸브 시트에서는, 경질 입자로서, 질량%로, Mo: 40.0∼70.0%, Si: 0.4∼2.0%, C: 0.1% 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 Fe-Mo-Si 합금 입자를 이용하는 것이 바람직하다고 하고 있다.
또한, 특허문헌 4에는, 경질 입자 분산형 철기 소결 합금이 제안되어 있다. 특허문헌 4에 기재된 경질 입자 분산형 철기 소결 합금은, 중량 백분율로, Si: 0.4∼2%, Ni: 2∼12%, Mo: 3∼12%, Cr: 0.5∼5%, V: 0.6∼4%, Nb: 0.1∼3%, C: 0.5∼2%, 및 잔부 Fe를 포함하는 기지 중에, 합금 전체를 기준으로 하여 3∼20%의 경질 입자가 분산되어 소결되고, 경질 입자는 Mo: 60∼70%, B: 0.3∼1%, C: 0.1% 이하를 포함하고, 잔부 Fe를 포함하는 경질 입자 분산형 철기 소결 합금이다. 페로몰리브데넘계 경질 입자에 B를 첨가하면, B는, 페로몰리브데넘의 젖음성을 향상시켜, 경질 입자의 기지로부터의 탈락을 방지하고, 기지와 경질 입자의 밀착성이 향상되어, 소결 합금의 열적 강도, 기계적 강도를 향상시킬 수 있다고 하고 있다.
그렇지만, 특허문헌 3, 4에 기재된 기술에서는, 분산시킨 Co를 함유하지 않는 철기 경질 입자가, 종래의 Co기 경질 입자보다 크랙, 깨짐을 일으키기 쉽고, 기지상으로부터 경질 입자가 탈락되어, 특히, 근년의 혹독한 밸브 시트 사용 환경하에서는, 소망의 내마모성을 확보할 수 없다고 하는 문제가 있음을 지견했다. 또한, 상용되는 Co를 함유하지 않는 Ni기 경질 입자를 분산시켰을 경우에는, 경도가 낮고, 응착이 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있었다. Co는, 경질 입자에 함유되는 경우는 기지로의 확산, 기지에 포함되는 경우는, 기지의 소결의 진행을 촉진시키는 등의 효과에 기여하여, 밸브 시트의 강도 향상에 큰 역할을 하고 있지만, 특허문헌 3, 4에 기재된 기술에서는, Co를 함유하지 않는 것에 의해 경질 입자로부터 기지로의 합금 원소의 확산이나, 기지의 소결을 촉진시키는 효과가 부족하여, 밸브 시트로서 충분한 강도가 얻어지지 않기 때문이라고 생각했다.
본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제에 비추어, Co를 함유하지 않는 소결체 조성을 갖고, 내마모성이 우수하며, 또한 밸브 시트로서 충분한 강도를 갖는 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트를 제공하는 것을 목적으로 한다. 한편, 여기에서 말하는 「내마모성이 우수한」이란, 종래의 Co 함유 소결체 조성의 철기 소결 합금제 밸브 시트에 비해, 내마모성이 향상된 경우를 말하는 것으로 한다. 한편, 여기에서 말하는 「밸브 시트로서 충분한 강도」란, 압입 시 등에 균열, 크랙이 발생하지 않는 강도를 말하고, JIS Z 2507의 규정에 준거하여 구한 압환 강도를 기초로 판단할 수 있다.
본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해, 우선, Co를 함유하지 않는 조성의 경질 입자 및 Co를 함유하지 않는 조성의 기지상의 내마모성에 대한 영향에 대해, 예의 검토했다. 그 결과, Co를 함유하지 않는 조성의 경질 입자여도 경질 입자의 크랙, 깨짐의 발생을 회피하여, 경도를 확보하고, 또한 경질 입자 및 기지의 응착을 회피하는 것에 의해, 내마모성의 저하를 방지할 수 있어, 종래의 Co기 경질 입자를 이용한 것과 동등하거나 그 이상의 내마모성을 확보할 수 있음을 신규하게 지견했다.
그리고, 추가적인 검토의 결과, 경질 입자로서는, 질량%로, 1.5∼3.5%Si-7.0∼9.0%Cr-35.0∼45.0%Mo-5.0∼20.0%Ni를 포함하고 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성의 Si-Cr-Ni-Fe계 Mo기 금속간 화합물 입자로 하는 것이 바람직함을 발견했다.
우선, 본 발명의 기초가 된 실험 결과에 대해 설명한다.
기지상 형성용의 철기 분말과, 경질 입자 분말과, 합금 원소 분말과, 고체 윤활제 분말을 표 1에 나타내는 배합량이 되도록 조정하고, 혼합하여, 혼합분으로 했다. 사용한 기지상 형성용 철기 분말은, 표 2에 나타내는 조성의 철기 분말 No. a, No. b로 했다. 또한, 사용한 경질 입자 분말은, 표 3에 나타내는 조성의 경질 입자 분말 No. MA, No. MD로 했다. 경질 입자 분말 No. MA는, 상용되는 Co기 금속간 화합물 입자분이며, 경질 입자 분말 No. MD는, Co를 함유하지 않는 Mo기 금속간 화합물 입자분이다. 각 입자분의 비커스 경도 HV를 표 3에 병기했다. 한편, 고체 윤활제 입자 분말은 MnS 입자 분말을 이용했다. 또한, 혼합분에는, 윤활제로서, 혼합분 100질량부에 대해, 스테아르산 아연을 0.75질량부 배합했다.
얻어진 혼합분을, 그 다음에, 금형에 충전하고, 분말 성형기로 소정의 밸브 시트 형상의 압분체로 하고, 추가로 탈왁스 공정을 거치고, 환원 분위기 중에서, 1100℃∼1200℃×0.5hr의 소결 처리를 실시하여, 소결체로 했다. 얻어진 소결체에, 추가로 절삭, 연마 등의 가공을 실시하여, 소정 치수 형상(외경: 32.1mmφ×내경: 26.1mmφ×두께 5.5mm)의 철기 소결 합금제 밸브 시트로 했다.
얻어진 밸브 시트(소결체)에 대해, 경질 입자 크랙 내성 시험, 마모 시험을 실시했다. 시험 방법은 다음과 같이 했다.
(1) 경질 입자 크랙 내성 시험
얻어진 밸브 시트(소결체)에 대해, 단면을 연마하고, 비커스 경도계(시험력: 0.98N)를 이용하여 기지상 중에 분산된 경질 입자(각 20개) 내에 들어가도록 압흔을 부여하고, 압흔을 부여한 각 입자에 있어서의 크랙 발생의 유무를 광학 현미경으로 관찰했다. 압흔으로부터 밖으로 균열이 발생하고 있는 경우를 크랙이 발생했다고 판단하고, 크랙이 발생한 입자수(크랙 발생 개수)를 조사했다. 밸브 시트 No. S1의 크랙 발생 개수를 기준(=1.0)으로 하여, 기준에 대한 당해 밸브 시트의 경질 입자의 크랙 발생 개수비(크랙 발생비)를 산출했다.
(2) 마모 시험
얻어진 밸브 시트에 대해, 도 1에 나타내는 리그 시험기를 이용하여, 하기에 나타내는 시험 조건에서, 마모 시험을 실시했다.
시험 온도: 200℃(시트 페이스),
시험 시간: 8hr,
캠 회전수: 3000rpm,
밸브 회전수: 10rpm,
충격 하중(스프링 하중): 780N,
밸브 재질: NCF751 상당재,
리프트양: 6mm
시험 후, 시험편(밸브 시트)의 마모량을 측정했다. 얻어진 마모량으로부터, 밸브 시트 No. S1을 기준(=1.00)으로 하여, 당해 밸브 시트의 마모비를 산출했다.
(3) 압환 강도 시험
얻어진 밸브 시트(기능 부재측층만)에 대해, JIS Z 2507의 규정에 준거하여, 압환 강도를 구했다.
얻어진 결과를 표 4에 나타낸다.
Co를 함유하지 않는 조성의 Mo기 금속간 화합물 입자분인 경질 입자 분말 No. MD를 이용한 밸브 시트(No. S4)이면, 경질 입자의 크랙 등의 발생도 없고, Co기 금속간 화합물 입자를 경질 입자로서 사용했을 경우(밸브 시트 No. S1)와 동등 이상의 내마모성을 갖는 밸브 시트를 얻을 수 있다. 즉, Co를 함유하지 않는 조성의 Si-Cr-Ni-Fe계 Mo기 금속간 화합물 입자를 경질 입자로서 기지상 중에 분산시키는 것에 의해, 내마모성의 저하를 방지할 수 있다고 하는 지견을 얻었다.
또한, 본 발명자들은, 추가적인 내마모성의 향상에는, 상기한 조성의 경질 입자를 분산시키는 것에 더하여, 기지상에 있어서, 미세 탄화물 석출상의 비율을 증가시키는 것에 의해, 내마모성을 향상시킬 수 있음을 지견했다.
본 발명은, 이러한 지견에 기초하여, 더 검토를 가하여 완성한 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.
[1] 내연 기관의 실린더 헤드에 압입되는 밸브 시트로서,
해당 밸브 시트가 기능 부재측층과 지지 부재측층이 일체로 소결된 2층 구조를 갖고,
상기 기능 부재측층이, 기지상과, 해당 기지상 중에 면적률로 10∼40%의 경질 입자와 추가로 면적률로 0∼5%의 고체 윤활제 입자를 분산시켜 이루어지는 조직을 갖고, 상기 경질 입자가, 비커스 경도로 700∼1300HV의 경도를 갖고, 질량%로, Si: 1.5∼3.5%, Cr: 7.0∼9.0%, Mo: 35.0∼45.0%, Ni: 5.0∼20.0%를 포함하고 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Si-Cr-Ni-Fe계 Mo기 금속간 화합물 입자이며, 추가로 상기 기지상, 상기 경질 입자 및 상기 고체 윤활제 입자를 포함하는 기지부가, 질량%로, C: 0.5∼2.0%, Si: 0.2∼2.0%, Mn: 5% 이하, Cr: 0.5∼15%, Mo: 3∼20%, Ni: 1∼10%를 포함하고, 추가로, V: 0∼5%, W: 0∼10%, S: 0∼2%, Cu: 0∼5%를 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖는 철기 소결 합금재로 이루어지고,
상기 지지 부재측층이, 기지상과, 해당 기지상 중에 면적률로 0∼5%의 고체 윤활제 입자 및 면적률로 0∼5%의 경도 개선 입자를 분산시켜 이루어지는 조직과, 추가로 상기 기지상, 상기 고체 윤활제 입자 및 상기 경도 개선 입자를 포함하는 기지부가, 질량%로, C: 0.3∼1.3%를 포함하고, 추가로, Ni: 0∼2.0%, Mo: 0∼2.0%, Cu: 0∼5.0%, Cr: 0∼5.0%, Mn: 0∼5.0%, S: 0∼2.0%를 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 철기 소결 합금재로 이루어지고,
상기 밸브 시트의 밀도가 6.70∼7.20g/cm3인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트.
[2] 내연 기관의 실린더 헤드에 압입되는 밸브 시트로서,
해당 밸브 시트가 기능 부재측층으로 이루어지는 단층 구조를 갖고,
상기 기능 부재측층이, 기지상과, 해당 기지상 중에 면적률로 10∼40%의 경질 입자와 추가로 면적률로 0∼5%의 고체 윤활제 입자를 분산시켜 이루어지는 조직을 갖고, 상기 경질 입자가, 비커스 경도로 700∼1300HV의 경도를 갖고, 질량%로, Si: 1.5∼3.5%, Cr: 7.0∼9.0%, Mo: 35.0∼45.0%, Ni: 5.0∼20.0%를 포함하고 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Si-Cr-Ni-Fe계 Mo기 금속간 화합물 입자이며, 추가로 상기 기지상, 상기 경질 입자 및 상기 고체 윤활제 입자를 포함하는 기지부가, 질량%로, C: 0.5∼2.0%, Si: 0.2∼2.0%, Mn: 5% 이하, Cr: 0.5∼15%, Mo: 3∼20%, Ni: 1∼10%를 포함하고, 추가로 V: 0∼5%, W: 0∼10%, S: 0∼2%, Cu: 0∼5%를 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖는 철기 소결 합금재로 이루어지고,
상기 밸브 시트의 밀도가 6.70∼7.20g/cm3인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트.
[3] 상기 기능 부재측층의 상기 기지상이, 상기 경질 입자 및 상기 고체 윤활제 입자를 제외한 기지상 면적을 100%로 하는 면적률로, 10∼90%의 미세 탄화물 석출상과 0∼30%의 고합금상과 잔부가 펄라이트로 이루어지는 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 [1] 또는 [2]에 기재된 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트.
[4] 상기 기능 부재측층의 상기 기지상이, 상기 경질 입자 및 상기 고체 윤활제 입자를 제외한 기지상 면적을 100%로 하는 면적률로, 0∼15%의 고합금상과 잔부가 미세 탄화물 석출상으로 이루어지는 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 [1] 또는 [2]에 기재된 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트.
[5] 상기 기능 부재측층의 상기 기지상이, 상기 경질 입자 및 상기 고체 윤활제 입자를 제외한 기지상 면적을 100%로 하는 면적률로, 0∼25%의 고합금상과 잔부가 베이나이트상으로 이루어지는 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 [1] 또는 [2]에 기재된 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트.
[6] 상기 기능 부재측층의 상기 기지상이, 상기 경질 입자 및 상기 고체 윤활제 입자를 제외한 기지상 면적을 100%로 하는 면적률로, 0∼30%의 고합금상과 잔부가 펄라이트로 이루어지는 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 [1] 또는 [2]에 기재된 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트.
[7] 상기 미세 탄화물 석출상은, 입경 10μm 이하의 미세 탄화물이 석출되고, 비커스 경도로 400∼600HV의 경도를 갖는 상인 것을 특징으로 하는 [3] 또는 [4]에 기재된 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트.
[8] 상기 고체 윤활제 입자가, 황화 망가니즈 MnS, 이황화 몰리브데넘 MoS2 중에서 선택된 1종 또는 2종인 것을 특징으로 하는 [1] 내지 [7] 중 어느 하나에 기재된 철기 소결 합금제 밸브 시트.
[9] 상기 경도 개선 입자가, 철-몰리브데넘 합금 입자인 것을 특징으로 하는 [1]에 기재된 철기 소결 합금제 밸브 시트.
본 발명에 의하면, 혹독한 마모 환경하에 있어서도, 경질 입자의 크랙, 깨짐의 발생이 적고, 또한, 응착의 발생도 없고, 우수한 내마모성을 갖는 밸브 시트를 얻을 수 있어, 산업상 각별한 효과를 발휘한다.
[도 1] 리그 시험기의 개요를 나타내는 설명도이다.
본 발명의 밸브 시트는, 철기 소결 합금제이고, 밸브가 착좌하는 기능 부재측층과 실린더 헤드에 착좌하여 기능 부재측층을 지탱하는 지지 부재측층이 일체로 소결된 2층 구조를 갖거나, 혹은 기능 부재측층만의 단층 구조를 갖는다.
본 발명 밸브 시트의 기능 부재측층을 구성하는 철기 소결 합금재는, 기지상 중에 경질 입자, 혹은 추가로 고체 윤활제 입자를 분산시킨 조직을 갖고, 내마모성이 우수한 특성을 갖는다. 한편, 여기에서 말하는 「내마모성이 우수한」이란, 종래의 Co 함유 소결체 조성의 철기 소결 합금재에 비해, 동등 또는 그 이상으로, 내마모성이 향상된 경우를 말하는 것으로 한다.
본 발명 밸브 시트의 기능 부재측층에서, 기지상 중에 분산시키는 경질 입자는, 비커스 경도로 700∼1300HV의 경도를 갖는 Si-Cr-Ni-Fe계 Mo기 금속간 화합물 입자로 한다.
경질 입자의 경도가, 700HV 미만이면, 경질 입자 자체에 응착이 발생하여, 내마모성의 향상 효과가 적고, 또한 1300HV를 초과하여 높아지면, 경질 입자의 인성 저하 및 피삭성의 저하를 초래한다. 이와 같으므로, 기지상 중에 분산시키는 경질 입자의 경도를 비커스 경도로 700∼1300HV의 범위로 한정했다.
한편, 본 발명에서 기지상 중에 분산시키는 경질 입자는, 상기 경도를 갖고, 평균 입경: 10∼150μm인 입자로 하는 것이 바람직하다. 평균 입경이 10μm 미만이면, 소결 시에 확산하기 쉽고, 한편, 150μm를 초과하여 커지면, 기지와의 결합력이 저하되어, 내마모성이 저하된다. 이 때문에, 기지상 중에 분산시키는 경질 입자의 평균 입경은 10∼150μm의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 한편, 여기에서 말하는 「평균 입경」은, 레이저 산란법으로 측정한 누적 분포가 50%가 되는 입경 D50을 의미한다.
또한, 본 발명에서는, 상기한 경도의 경질 입자를 기지상 중에 면적률로 10∼40% 분산시킨다. 경질 입자의 분산량이 10% 미만이면, 소망의 내마모성을 확보할 수 없다. 한편, 40%를 초과하면, 기지상과의 결합력이 저하되어, 내마모성이 저하된다. 이 때문에, 기지상 중에 분산시키는 경질 입자의 분산량은 기지상 전체에 대한 면적률로 10∼40%의 범위로 한정했다.
그리고, 본 발명에서, 기지상 중에 분산시키는 Si-Cr-Ni-Fe계 Mo기 금속간 화합물 입자는, 질량%로, Si: 1.5∼3.5%, Cr: 7.0∼9.0%, Mo: 35.0∼45.0%, Ni: 5.0∼20.0%를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성(경질 입자 조성)을 갖는 Mo기 금속간 화합물 입자로 한다.
상기한 경질 입자 조성의 경질 입자로 하는 것에 의해, 소결 후, 금속간 화합물이 석출된 조직의 경질 입자를 포함하는 밸브 시트를 얻을 수 있다. 또한, 비커스 경도로 700HV 이상의 경도를 갖고, 크랙, 깨짐 등의 발생이 억제되고, 경질 입자 크랙 내성이 높은 금속간 화합물을 석출시킨 경질 입자로 하기 위해서는, Mo 함유량을 35.0∼45.0%로 높게 유지하는 것이 중요하다. 또한, 추가로 인성을 갖고, 소망의 경도를 유지하는 경질 입자로 하기 위해서는, Ni 함유량을 5.0∼20.0%의 범위로 하는 것이 중요해진다.
또한, 본 발명 밸브 시트의 기능 부재측층에서는, 추가로 기지상 중에 고체 윤활제 입자를 분산시켜도 된다. 기지상 중에 고체 윤활제 입자를 분산시키는 것에 의해, 피삭성, 윤활성이 향상된다. 그러나, 면적률로 5%를 초과하여 분산시키면, 기계적 특성의 저하가 현저해진다. 이 때문에, 고체 윤활제 입자는 면적률로 0∼5%의 범위로 한정했다. 한편, 고체 윤활제 입자는, 황화 망가니즈 MnS, 이황화 몰리브데넘 MoS2 중에서 선택된 1종 또는 2종으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명 밸브 시트의 기능 부재측층의 기지상은, 경질 입자, 고체 윤활제 입자를 제외한 기지상 면적을 100%로 하는 면적률로, 10∼90%, 보다 바람직하게는 10∼85%의 미세 탄화물 석출상과, 0∼30%의 고합금상과 잔부가 펄라이트로 이루어지는 조직을 갖거나, 혹은 0∼15%의 고합금상과 잔부가 미세 탄화물 석출상으로 이루어지는 조직을 갖거나, 혹은 0∼25%의 고합금상과 잔부가 베이나이트상으로 이루어지는 조직을 갖는 것이 바람직하다. 미세 탄화물 석출상은, 입경 10μm 이하의 미세 탄화물이 석출되어, 비커스 경도로 400∼600HV의 경도를 갖는 경질인 상으로 한다. 이와 같은 경질의 미세 탄화물 석출상의 존재에 의해, 기지를 강화할 수 있어, 내마모성이 보다 향상된다. 한편, 본 발명 밸브 시트의 기능 부재측층에서는, 경질 입자, 고체 윤활제 입자를 제외한 기지상을, 0∼30%의 고합금상과 잔부가 펄라이트로 이루어지는 조직으로 해도 된다. 이와 같은 조직의 기지상이어도, Co를 함유하지 않는 조성의 소결체이면, Co를 함유하는 조성의 소결체에 비해 동일 경도 레벨에서 비교하여 내마모성은 향상된다.
한편, 고합금상은, 소결 시에 경질 입자로부터 합금 원소가 확산하여 합금량이 높아진 영역이며, 경질 입자의 탈락을 방지하는 작용을 갖는다. 기능 부재측층에서는, 경질 입자, 고체 윤활제 입자를 제외한 기지상 면적을 100%로 했을 때의 면적률로, 30%까지 고합금상을 허용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명 밸브 시트의 기능 부재측층은, 상기한 조직의 기지상 중에, 상기한 조성, 조직, 경도의 경질 입자, 상기한 조성의 고체 윤활제 입자를 소정량 분산시킨 조직을 갖는다.
그리고, 본 발명 밸브 시트의 기능 부재측층에서는, 기지상, 경질 입자 및 고체 윤활제 입자를 포함하는 기지부는, 질량%로, C: 0.5∼2.0%, Si: 0.2∼2.0%, Mn: 5% 이하, Cr: 0.5∼15%, Mo: 3∼20%, Ni: 1∼10%를 포함하고, 추가로 V: 0∼5%, W: 0∼10%, S: 0∼2%, Cu: 0∼5%를 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖는다.
다음에, 기능 부재측층의 기지부 조성에 있어서의 한정 이유에 대해 설명한다. 한편, 이하, 조성에 있어서의 질량%는, 간단히 %로 기재한다.
C: 0.5∼2.0%
C는, 기지상을 소정의 경도, 조직으로 조정하기 위해, 혹은 탄화물을 형성하기 위해서 필요한 원소이며, 0.5% 이상 함유시킨다. 한편, 2.0%를 초과하여 함유하면, 융점이 저하되어, 소결 처리가 액상 소결이 된다. 액상 소결이 되면, 석출 탄화물량이 지나치게 많아지고, 또한, 공공(空孔)의 수가 증가하여, 신장 특성, 치수 정밀도가 저하된다. 이 때문에, C는 0.5∼2.0%의 범위로 한정했다. 한편, 바람직하게는 0.50∼2.00%, 보다 바람직하게는 1.00∼1.50%이다.
Si: 0.2∼2.0%
Si는, 주로 경질 입자에 포함되어, 금속간 화합물을 구성하는 원소이고, 경질 입자의 경도를 증가시킴과 함께, 기지 강도를 증가시켜 내마모성을 향상시킨다. 이를 위해서는, 0.2% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 2.0%를 초과하여 함유하면, 상대 공격성이 증가한다. 이와 같으므로, Si는 0.2∼2.0%의 범위로 한정했다. 한편, 바람직하게는 0.20∼2.00%이다. 보다 바람직하게는 0.20∼1.40%이다.
Mn: 5% 이하
Mn은, 기지상의 경도를 증가시키는 원소이며, 또한 Mn은 고체 윤활제 입자에 기인하여 기지부에 포함되어, 피삭성 향상에 기여하는 원소이고, 0.05% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 5%를 초과하여 함유하면 기지상 경도, 인성, 연성이 저하된다. 이 때문에, Mn은 5% 이하의 범위로 한정했다. 한편, 바람직하게는 5.00% 이하, 보다 바람직하게는 0.20∼3.00%이다.
Cr: 0.5∼15%
Cr은, 기지상에 고용되고, 또한 탄화물을 형성하여 기지상의 경도를 증가시킴과 함께, Cr은 금속간 화합물의 구성 원소로서 경질 입자의 경도 증가에 기여하는 원소이며, 기지부로서 0.5% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 15%를 초과하면, 기지상 중에 Cr 탄화물의 석출이 과다해져, 기지상 중의 탄화물을 미세한 탄화물로 하는 것이 어려워진다. 이 때문에, Cr은 0.5∼15%의 범위로 한정했다. 한편, 바람직하게는 1.00∼15.00%, 보다 바람직하게는 0.70∼6.00%이다.
Mo: 3∼20%
Mo는, 기지상에 고용되고, 또한 탄화물로서 석출되어 기지상 경도를 증가시키고, 더욱이 Mo는 금속간 화합물의 구성 원소로서 경질 입자의 경도 증가에 기여하는 원소이며, 기지부로서 3% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 20%를 초과하면, 분말 성형 시의 밀도가 증가하기 어려워, 성형성이 저하된다. 이 때문에, Mo는 3∼20%의 범위로 한정했다. 한편, 바람직하게는 4.00∼20.00%, 보다 바람직하게는 4.00∼19.00%이다.
Ni: 1∼10%
Ni는, 기지상의 강도, 인성의 향상에 기여하는 원소이며, 또한 Ni는 금속간 화합물의 구성 원소로서 경질 입자의 경도 증가에 기여하는 원소이고, 1% 이상 함유한다. 한편, 10%를 초과하는 함유는, 분말 성형 시의 밀도가 증가하기 어려워, 성형성을 저하시킨다. 이 때문에, Ni는 1∼10%의 범위로 한정했다. 한편, 바람직하게는 1.00∼10.00%, 보다 바람직하게는 2.00∼9.00%이다.
상기한 성분이 기본의 성분이지만, 추가로 선택 원소로서, V: 0∼5%, W: 0∼10%, S: 0∼2%, Cu: 0∼5%를 함유할 수 있다.
V: 0∼5%
V는, 미세 탄화물로서 석출되어, 기지상의 경도를 증가시켜, 내마모성을 향상시키는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 함유하는 경우에는 0.5% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 5%를 초과하는 함유는, 성형성을 저하시킨다. 이 때문에, V는 0∼5%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 한편, 보다 바람직하게는 5.00% 이하, 더 바람직하게는 2.00% 이하이다.
W: 0∼10%
W는, 미세 탄화물로서 석출되어, 기지상의 경도를 증가시켜, 내마모성을 향상시키는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 함유하는 경우에는, 0.5% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 10%를 초과하는 함유는, 성형성을 저하시킨다. 이 때문에, W는 0∼10%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 한편, 보다 바람직하게는 10.00% 이하, 더 바람직하게는 5.00% 이하이다.
S: 0∼2%
S는, 고체 윤활제 입자에 함유되고, 기지부에 포함되어, 피삭성 향상에 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. S가 2%를 초과하여 함유되면, 인성, 연성의 저하로 이어진다. 이 때문에, S는 0∼2%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 2.00% 이하이다.
Cu: 0∼5%
Cu는, 기지상의 강도, 인성의 향상에 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. Cu가, 5%를 초과하여 함유되면, 내응착성의 저하로 이어진다. 이 때문에, Cu는 0∼5%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 5.00% 이하이다.
상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 한편, 불가피적 불순물로서는, P: 0.1% 이하를 허용할 수 있다.
또한, 본 발명 밸브 시트의 지지 부재측층을 구성하는 철기 소결 합금재는, 기지상과, 해당 기지상 중에 고체 윤활제 입자를 면적률로 0∼5%, 경도 개선 입자를 면적률로 0∼5%, 분산시켜 이루어지는 조직을 갖는다. 본 발명 밸브 시트의 지지 부재측층의 기지상은, 고체 윤활제 입자, 경도 개선 입자를 제외한 기지상 면적을 100%로 했을 때의 면적률로, 100%의 펄라이트 또는 100%의 베이나이트상으로 이루어지는 조직으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 기지상에는, 고체 윤활제 입자를 제외한 기지상 면적을 100%로 했을 때의 면적률로 5%까지의 고합금상은 허용할 수 있다. 한편, 경도 개선 입자는, 철-몰리브데넘 합금(Fe-Mo 합금, 페로몰리브데넘 합금이라고도 한다) 입자로 하는 것이 바람직하다. Fe-Mo 합금 입자는, 예를 들어 60질량% Mo를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성의 입자로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명 밸브 시트의 지지 부재측층에서는, 기지상, 고체 윤활제 입자 및 경도 개선 입자를 포함하는 기지부가, 질량%로, C: 0.3∼1.3%를 포함하고, 추가로 Ni: 0∼2.0%, Mo: 0∼2.0%, Cu: 0∼5.0%, Cr: 0∼5.0%, Mn: 0∼5.0%, S: 0∼2.0%를 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다.
한편, 지지 부재측층의 기지부 조성의 한정 이유는, 이하와 같다.
C: 0.3∼1.3%
C는, 지지 부재측층의 기지상을 소정의 경도, 조직으로 조정하기 위해, 혹은 탄화물을 형성하기 위해서 필요한 원소이며, 0.3% 이상 함유시킨다. 한편, 1.3%를 초과하여 함유하면, 융점이 저하되어, 소결 처리가 액상 소결이 된다. 액상 소결이 되면, 석출 탄화물량이 지나치게 많아져, 신장 특성, 치수 정밀도가 저하된다. 이 때문에, C는 0.3∼1.3%의 범위로 한정했다. 한편, 바람직하게는 0.30∼1.30%, 보다 바람직하게는 0.80∼1.20%이다.
Ni: 0∼2.0%, Mo: 0∼2.0%, Cu: 0∼5.0%, Cr: 0∼5.0%
Ni, Mo, Cu, Cr은, 모두 기지상의 경도를 증가시키는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, Ni: 0.1% 이상, Mo: 0.1% 이상, Cu: 0.1% 이상, Cr: 0.1% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, Ni: 2.0%, Mo: 2.0%, Cu: 5.0%, Cr: 5.0%를 각각 초과하여 함유하면, 기지상의 성형성이 저하된다. 이 때문에, Ni: 0∼2.0%, Mo: 0∼2.0%, Cu: 0∼5.0%, Cr: 0∼5.0%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 Ni: 2.00% 이하, Mo: 2.00% 이하, Cu: 5.00% 이하, Cr: 5.00% 이하이다.
Mn: 0∼5.0%, S: 0∼2.0%
Mn, S는, 모두 고체 윤활제 입자의 함유에 기인하여 기지부에 포함되어, 피삭성 향상에 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 한편, Mn은 기지상의 경도 증가에도 기여한다. S가 2.0%, Mn이 5.0%를 초과하여 함유되면, 연성의 저하가 현저해진다. 이 때문에, S: 0∼2.0%, Mn: 0∼5.0%로 한정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 S: 2.00% 이하, Mn: 5.00% 이하이다.
지지 부재측층에서는, 상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 한편, 불가피적 불순물로서는, P: 0.1% 이하를 허용할 수 있다.
다음에, 본 발명 밸브 시트의 바람직한 제조 방법에 대해 설명한다.
우선, 상기한 기지상 조성 및 조직, 기지부 조성 및 조직이 되도록, 기능 부재측층용의 원료분, 지지 부재측층용의 원료분을, 각각 배합하고 혼합하여, 기능 부재측층용의 혼합분 및 지지 부재측층용 혼합분으로 한다. 기능 부재측층용의 원료분으로서는, 기지상 형성용의 철기 분말에, 합금 원소 분말과, 경질 입자 분말과, 고체 윤활제 입자 분말을, 상기한 소정의 조성, 조직이 되도록, 배합한다. 또한, 지지 부재측층용의 원료분으로서는, 기지상 형성용의 철기 분말에, 흑연 분말, 혹은 추가로 합금 원소 분말과, 고체 윤활제 입자 분말과, 경도 개선 입자 분말을, 상기한 소정의 조성, 조직이 되도록, 배합한다. 한편, 원료분으로서, 혼합분에 배합하는 경질 입자 분말은, 상기한 경질 입자 조성을 갖는 용탕을, 상용되는 용제 방법으로 용제하고, 상용되는 아토마이즈법을 이용하여 분말(경질 입자용 분말)로 하는 것이 바람직하다.
한편, 혼합분에 배합하는 철기 분말은, 아토마이즈 순철분, 환원 철분, 합금강 분말의 어느 하나, 혹은 그들의 혼합으로 하는 것이 바람직하다. 합금강 분말로서는, 기지상으로서, 상기한 경도를 갖는 미세 탄화물 석출상을 형성할 수 있도록, JIS G 4403에 규정되는 고속도 공구강 조성의 분말로 하는 것이 바람직하다. 고속도 공구강으로서는 SKH51 등의 Mo계로 하는 것이 바람직하다. 고속도 공구강 조성 이외에도, 상기한 경도를 갖고, 미세 탄화물 석출상 혹은 베이나이트상이 될 수 있는 조성의 합금강을 이용해도 아무런 문제는 없다. 한편, 혼합분에는, 순철분에, 혹은 순철분과 상기한 조성의 합금강 분말에, 혹은 상기한 조성의 합금강 분말에, 상기한 기지상 조성이 되도록, 흑연 분말, 추가로는 합금 원소 분말을 배합함은 말할 필요도 없다. 한편, 혼합분에는, 스테아르산 아연 등의 윤활제를 배합해도 된다.
그 다음에, 얻어진 혼합분을, 금형에 충전하고, 분말 성형기 등으로 성형 가공을 실시하여, 소정 치수 형상의 밸브 시트 형상의 압분체로 한다. 한편, 2층 구조의 경우에는, 지지 부재측층용 원료분과 기능 부재측층용 원료분을, 2층이 되도록 순차적으로 금형에 충전한다. 한편, 단층 구조의 경우에는, 기능 부재측층용 원료분을 금형에 충전한다.
그 다음에, 얻어진 압분체에 소결 처리를 실시하여, 소결체로 한다.
소결 처리는, 암모니아 분해 가스, 진공 등의 환원 분위기 중에서, 가열 온도: 1100∼1200℃의 온도 범위에서, 0.5hr 이상 유지하는 처리로 하는 것이 바람직하다. 한편, 분말 성형-소결 처리를 1회 실시하는 공정(1P1S)으로 해도, 혹은 복수회 반복하는 공정(2P2S 등)을 실시해도 됨은 말할 필요도 없다.
얻어진 소결체를, 절삭, 연삭 등의 가공에 의해, 소망의 치수 형상의 밸브 시트로 한다.
이하, 실시예에 기초하여, 본 발명에 대해 더 설명한다.
실시예
(실시예 1)
우선, 기능 부재측층용 혼합분과 지지 부재측층용 혼합분을 준비했다.
기능 부재측층용 혼합분은, 기지상 형성용의 철기 분말과, 흑연 분말, 합금 원소 분말과, 경질 입자 분말과, 고체 윤활제 입자 분말(MnS 분말)을 표 7에 나타내는 배합량이 되도록 조정하고, 혼합하여, 혼합분으로 했다. 한편, 사용한 철기 분말은, 표 5에 나타내는 조성의 순철분(아토마이즈 순철분, 환원 철분), 고속도강분, 합금강분으로 했다. 또한, 사용한 경질 입자 분말은, 표 6에 나타내는 조성의 경질 입자 분말로 했다. 한편, 경질 입자 분말 No. A는, 상용되는 Co기 금속간 화합물 입자 분말이며, 종래예로 했다. 또한, 표 6에는, 각 경질 입자의 소결 전의 비커스 경도 HV, 평균 입자경 D50을 병기했다.
지지 부재측층용 혼합분은, 기지상 형성용의 철기 분말과, 흑연 분말, 합금 원소 분말과, 경도 개선 입자 분말과, 고체 윤활제 입자 분말(MnS 분말)을 표 8에 나타내는 배합량이 되도록 조정하고, 혼합하여, 혼합분으로 했다. 한편, 사용한 철기 분말은, 표 5에 나타내는 조성의 순철분(아토마이즈 순철분, 환원 철분)으로 했다. 또한, 사용한 경도 개선 입자 분말은, Mo: 60질량%를 포함하고 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성의 철-몰리브데넘 합금 입자 분말로 했다.
한편, 혼합분에는, 윤활제로서, 혼합분 100질량부에 대해, 스테아르산 아연을 0.75질량부 배합했다.
그 다음에, 얻어진 기능 부재측층용 혼합분과 지지 부재측층용 혼합분을, 2층이 되도록, 순차적으로 금형에 충전하고, 분말 성형기로 소정의 밸브 시트 형상의 압분체를 성형했다. 한편, 밸브 시트 No. 17A는 기능 부재측층만의 단층으로 했다.
그 다음에, 얻어진 압분체에, 추가로 윤활재를 제거하는 탈지 공정과, 암모니아 분해 가스 중에서, 1100℃∼1200℃×0.5hr의 소결 처리를 실시하여, 소결체로 했다.
한편, 일부에서는, 분말 성형-소결 처리를 2회 실시하는 공정(2P2S)으로 했다.
얻어진 소결체에, 추가로 절삭, 연마 등의 가공을 실시하여, 소정 치수 형상(외경: 32.1mmφ×내경: 26.1mmφ×두께 5.5mm)의 철기 소결 합금제 밸브 시트로 했다.
얻어진 밸브 시트(소결체)에 대해, 소결체 각 부위의 기지부 조성을 분석하고, 추가로 조직 관찰, 경도 측정, 밀도 측정, 경질 입자 크랙 내성 시험, 마모 시험, 압환 강도 시험을 실시했다. 시험 방법은 다음과 같이 했다.
(1) 조직 관찰
얻어진 밸브 시트에 대해, 축 방향에 수직한 단면을 연마하고, 부식(부식액: 나이탈액, 마블액)시켜 조직을 현출시키고, 광학 현미경(배율: 200배)으로, 기지상의 조직을 특정했다. 또한, 주사형 전자 현미경(배율: 2000배)을 이용하여, 기지상 중에 석출된 탄화물의 입경을 측정하고, 탄화물의 입경(장변 길이)이 최대로 10μm 이하인 것을 확인하여, 탄화물이 석출된 상이 미세 탄화물 석출상인 것을 확인했다. 탄화물의 입경(장변 길이)이 최대로 10μm를 초과하는 경우는 탄화물 석출상으로 했다.
(2) 경도 시험
얻어진 밸브 시트에 대해, 단면을 연마하고, 부식(부식액: 나이탈액, 마블액)시켜 조직을 현출시키고, 비커스 경도계(시험력: 0.98N)를 이용하여 기지상의 경도를 측정했다. 한편, 기지상이 2상인 경우에는 각각 따로따로 측정했다.
(3) 밀도 시험
얻어진 밸브 시트에 대해, 아르키메데스법을 이용하여, 밸브 시트의 밀도를 측정했다.
(4) 경질 입자 크랙 내성 시험
얻어진 밸브 시트에 대해, 단면을 연마하고, 비커스 경도계(시험력: 0.98N)를 이용하여 기지상 중에 분산된 경질 입자(각 20개)에 압흔을 부여하고, 압흔을 부여한 각 입자에 있어서의 크랙 발생의 유무를 관찰하여, 크랙 발생 개수를 조사했다. 한편, 배율 500배로 관찰하여 부여된 압흔보다 외측에 균열이 진전하고 있으면 크랙 발생이라고 판단했다. 그리고, 종래예인 밸브 시트 No. 1A의 크랙 발생 개수를 기준(=1.0)으로 하여, 기준에 대한 당해 밸브 시트의 경질 입자의 크랙 발생 개수비(크랙 발생비)를 산출했다. 얻어진 결과로부터, 크랙 발생비가 1.0 미만인 경우를 ○(크랙 내성 있음), 1.0 이상인 경우를 ×(크랙 내성 없음)로 평가했다.
(5) 마모 시험
얻어진 밸브 시트에 대해, 도 1에 나타내는 리그 시험기를 이용하여, 하기에 나타내는 시험 조건에서, 마모 시험을 실시했다.
시험 온도: 200℃(시트 페이스),
시험 시간: 8hr,
캠 회전수: 3000rpm,
밸브 회전수: 10rpm,
충격 하중(스프링 하중): 780N,
밸브 재질: NCF751 상당재,
리프트양: 6mm
시험 후, 시험편(밸브 시트)의 마모량을 측정했다. 얻어진 마모량으로부터, 종래예인 밸브 시트 No. 1A를 기준(=1.00)으로 하여, 당해 밸브 시트의 마모비를 산출했다.
(6) 압환 강도
얻어진 밸브 시트(기능 부재측층만)에 대해, JIS Z 2507의 규정에 준거하여, 압환 강도(kg/mm2)를 구했다. 한편, 압환 강도가 40kg/mm2 이상이면, 밸브 시트 압입 시에 크랙, 깨짐의 발생이 없는, 밸브 시트로서 충분한 강도를 갖는 것을 확인하고 있다.
한편, 경질 입자 크랙 내성 시험, 마모 시험에서, 기준으로 한 밸브 시트 No. 1A(종래예)는, 기능 부재측층이, 기지상 중에 경질 입자, 고체 윤활제 입자를 분산시킨 조직과, Co 함유 조성을 갖는 철기 소결 합금재이고, 일반적인 가솔린 엔진부터 고성능 가솔린 엔진까지 폭넓은 범위의 배기측용 밸브 시트에 사용되는 재료이다. 밸브 시트는 배기측과 흡기측에서 내마모성에 영향을 미치는 항목(예를 들어, 열 부하·밸브 트레인의 설계치 등)의 영향 상황이 상이하고, 일반적으로는 배기측 쪽이 사용 환경으로서 혹독하여, 밸브 시트의 내마모성으로서도 흡기측 이상의 성능이 요구된다.
얻어진 결과를 표 9, 10에 나타낸다.
본 발명예는 모두 Co를 함유하지 않고서, 종래예(밸브 시트 No. 1A)와 동등하거나 그 이상의 우수한 내마모성을 갖고, 또한 밸브 시트로서 충분한 압환 강도를 갖는 밸브 시트가 되고 있다. 한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예는, 종래예(밸브 시트 No. 1A)에 비해, 마모비가 높아지고 있다.
(실시예 2)
우선, 기능 부재측층용 혼합분과 지지 부재측층용 혼합분을 준비했다.
기능 부재측층용 혼합분은, 기지상 형성용의 철기 분말과, 흑연 분말, 합금 원소 분말과, 경질 입자 분말과, 고체 윤활제 입자 분말(MnS 분말)을 표 13에 나타내는 배합량이 되도록 조정하고, 혼합하여, 혼합분으로 했다. 사용한 철기 분말은, 표 11에 나타내는 조성의 순철분(아토마이즈 순철분, 환원 철분), 합금 철분(프리얼로이분)으로 했다. 또한, 사용한 경질 입자 분말은, 표 12에 나타내는 조성의 경질 입자 분말로 했다. 한편, 경질 입자 분말 No. A는, 상용되는 Co기 금속간 화합물 입자 분말이며, 경질 입자 분말 No. A를 배합한 혼합분 D1은 종래예로 했다. 또한, 표 12에는, 각 경질 입자의 소결 전의 비커스 경도 HV, 평균 입자경 D50을 병기했다.
지지 부재측층용 혼합분은, 기지상 형성용의 철기 분말과, 흑연 분말, 합금 원소 분말과, 경도 개선 입자 분말을 표 14에 나타내는 배합량이 되도록 조정하고, 혼합하여, 혼합분으로 했다. 한편, 사용한 철기 분말은, 표 11에 나타내는 조성의 순철분(아토마이즈 순철분) No. a로 했다. 또한, 사용한 경도 개선 입자 분말은, Mo: 60질량%를 포함하고 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성의 철-몰리브데넘 합금 입자 분말 Fe-Mo로 했다. 또한, 고체 윤활제 입자 분말(MnS 분말)은 첨가하지 않았다.
한편, 혼합분에는, 윤활제로서, 혼합분 100질량부에 대해, 스테아르산 아연을 0.75질량부 배합했다.
그 다음에, 얻어진 기능 부재측층용 혼합분과 지지 부재측층용 혼합분을, 2층이 되도록, 순차적으로 금형에 충전하고, 분말 성형기로 소정의 밸브 시트 형상의 압분체를 성형했다. 그 다음에, 얻어진 압분체에, 추가로 윤활재를 제거하는 탈지 공정과, 암모니아 분해 가스 중에서, 1100∼1200℃×0.5hr의 소결 처리를 실시하는 공정(1P1S)을 행하여, 소결체로 했다.
얻어진 소결체에, 추가로 절삭, 연마 등의 가공을 실시하여, 소정 치수 형상(외경: 32.1mmφ×내경: 26.1mmφ×두께 5.5mm)의 철기 소결 합금제 밸브 시트로 했다.
얻어진 밸브 시트(소결체)에 대해, 소결체 각 부위의 기지부 조성을 분석하고, 추가로 조직 관찰, 경도 측정, 밀도 측정, 경질 입자 크랙 내성 시험, 마모 시험, 압환 강도 시험을 실시했다. 시험 방법은 실시예 1과 마찬가지로 했다. 한편, 경질 입자 크랙 내성 시험에서는, 밸브 시트 No. 1B의 크랙 발생 개수를 기준(=1.0)으로 하여, 기준에 대한 당해 밸브 시트의 경질 입자의 크랙 발생 개수비(크랙 발생비)를 산출했다. 또한, 마모 시험에서는, 밸브 시트 No. 1B를 기준(=1.00)으로 하여, 당해 밸브 시트의 마모비를 산출했다.
한편, 경질 입자 크랙 내성 시험, 마모 시험에서, 기준으로 한 밸브 시트 No. 1B(종래예)는, 일반적인 가솔린 엔진의 흡기측용 밸브 시트에 사용되는 재료이며, 기능 부재측층이, Co 함유 조성을 갖는 철기 소결 합금재이다. 흡기측에서 사용되는 밸브 시트는, 배기측에서 사용되는 밸브 시트에 비해, 요구되는 내마모성은 낮다.
얻어진 결과를 표 15, 표 16에 나타낸다.
본 발명예는, 기지상의 조직이 고합금상과 펄라이트로 이루어지는 조직이 되어도, 동일 경도 레벨인 Co를 함유하는 조성의 소결체(종래예 No. 1B)에 비해, 동등하거나 그 이상의 우수한 내마모성과, 충분한 압환 강도를 갖는 밸브 시트가 되고 있다. 예를 들어, 내마모성 요구가 비교적 낮은, 흡기측 밸브 시트에 충분히 적용 가능하다고 할 수 있다.
1 밸브 시트
2 실린더 블록 상당재
3 가열 수단
4 밸브
2 실린더 블록 상당재
3 가열 수단
4 밸브
Claims (9)
- 내연 기관의 실린더 헤드에 압입되는 밸브 시트로서,
해당 밸브 시트가 기능 부재측층과 지지 부재측층이 일체로 소결된 2층 구조를 갖고,
상기 기능 부재측층이, 기지상과, 해당 기지상 중에 면적률로 10∼40%의 경질 입자와 추가로 면적률로 0∼5%의 고체 윤활제 입자를 분산시켜 이루어지는 조직을 갖고, 상기 경질 입자가, 비커스 경도로 700∼1300HV의 경도를 갖고, 질량%로, Si: 1.5∼3.5%, Cr: 7.0∼9.0%, Mo: 35.0∼45.0%, Ni: 5.0∼20.0%를 포함하고 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Si-Cr-Ni-Fe계 Mo기 금속간 화합물 입자이며, 추가로 상기 기지상, 상기 경질 입자 및 상기 고체 윤활제 입자를 포함하는 기지부가, 질량%로, C: 0.5∼2.0%, Si: 0.2∼2.0%, Mn: 5% 이하, Cr: 0.5∼15%, Mo: 3∼20%, Ni: 1∼10%를 포함하고, 추가로 V: 0∼5%, W: 0∼10%, S: 0∼2%, Cu: 0∼5%를 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖는 철기 소결 합금재로 이루어지고,
상기 지지 부재측층이, 기지상과, 해당 기지상 중에 면적률로 0∼5%의 고체 윤활제 입자 및 면적률로 0∼5%의 경도 개선 입자를 분산시켜 이루어지는 조직과, 추가로 상기 기지상, 상기 고체 윤활제 입자 및 상기 경도 개선 입자를 포함하는 기지부가, 질량%로, C: 0.3∼1.3%를 포함하고, 추가로 Ni: 0∼2.0%, Mo: 0∼2.0%, Cu: 0∼5.0%, Cr: 0∼5.0%, Mn: 0∼5.0%, S: 0∼2.0%를 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 철기 소결 합금재로 이루어지고,
상기 밸브 시트의 밀도가 6.70∼7.20g/cm3인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트. - 내연 기관의 실린더 헤드에 압입되는 밸브 시트로서,
해당 밸브 시트가 기능 부재측층으로 이루어지는 단층 구조를 갖고,
상기 기능 부재측층이, 기지상과, 해당 기지상 중에 면적률로 10∼40%의 경질 입자와 추가로 면적률로 0∼5%의 고체 윤활제 입자를 분산시켜 이루어지는 조직을 갖고, 상기 경질 입자가, 비커스 경도로 700∼1300HV의 경도를 갖고, 질량%로, Si: 1.5∼3.5%, Cr: 7.0∼9.0%, Mo: 35.0∼45.0%, Ni: 5.0∼20.0%를 포함하고 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Si-Cr-Ni-Fe계 Mo기 금속간 화합물 입자이며, 추가로 상기 기지상, 상기 경질 입자 및 상기 고체 윤활제 입자를 포함하는 기지부가, 질량%로, C: 0.5∼2.0%, Si: 0.2∼2.0%, Mn: 5% 이하, Cr: 0.5∼15%, Mo: 3∼20%, Ni: 1∼10%를 포함하고, 추가로 V: 0∼5%, W: 0∼10%, S: 0∼2%, Cu: 0∼5%를 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부 조성을 갖는 철기 소결 합금재로 이루어지고,
상기 밸브 시트의 밀도가 6.70∼7.20g/cm3인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 기능 부재측층의 상기 기지상이, 상기 경질 입자 및 상기 고체 윤활제 입자를 제외한 기지상 면적을 100%로 하는 면적률로, 10∼90%의 미세 탄화물 석출상과 0∼30%의 고합금상과 잔부가 펄라이트로 이루어지는 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 기능 부재측층의 상기 기지상이, 상기 경질 입자 및 상기 고체 윤활제 입자를 제외한 기지상 면적을 100%로 하는 면적률로, 0∼15%의 고합금상과 잔부가 미세 탄화물 석출상으로 이루어지는 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 기능 부재측층의 상기 기지상이, 상기 경질 입자 및 상기 고체 윤활제 입자를 제외한 기지상 면적을 100%로 하는 면적률로, 0∼25%의 고합금상과 잔부가 베이나이트상으로 이루어지는 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 기능 부재측층의 상기 기지상이, 상기 경질 입자 및 상기 고체 윤활제 입자를 제외한 기지상 면적을 100%로 하는 면적률로, 0∼30%의 고합금상과 잔부가 펄라이트로 이루어지는 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 미세 탄화물 석출상은, 입경 10μm 이하의 미세 탄화물이 석출되고, 비커스 경도로 400∼600HV의 경도를 갖는 상인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 철기 소결 합금제 밸브 시트. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 윤활제 입자가, 황화 망가니즈 MnS, 이황화 몰리브데넘 MoS2 중에서 선택된 1종 또는 2종인 것을 특징으로 하는 철기 소결 합금제 밸브 시트. - 제 1 항에 있어서,
상기 경도 개선 입자가, 철-몰리브데넘 합금 입자인 것을 특징으로 하는 철기 소결 합금제 밸브 시트.
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