JPH08311624A - バルブシート用鉄系焼結合金及びその製造法 - Google Patents
バルブシート用鉄系焼結合金及びその製造法Info
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- JPH08311624A JPH08311624A JP11278095A JP11278095A JPH08311624A JP H08311624 A JPH08311624 A JP H08311624A JP 11278095 A JP11278095 A JP 11278095A JP 11278095 A JP11278095 A JP 11278095A JP H08311624 A JPH08311624 A JP H08311624A
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- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 耐摩性に優れたバルブシート用鉄系焼結合金
の製造方法。 【構成】 Fe系基地の組成がC:0.4〜1.2%,Ni:0.01
〜2%,Mo:0.01〜2%,残部がFeおよび不可避不純物
で、5〜20体積%のフェライトおよび残部が焼き戻しソ
ルバイトであり、Ms点が130〜260℃、硬度がHv300〜450
で、均一に分散した硬質粒子の周囲に所定の厚みの反応
層が存在する。さらにCaF2の添加およびCuまたはCu合金
の溶浸処理により被削性を向上させうる。
の製造方法。 【構成】 Fe系基地の組成がC:0.4〜1.2%,Ni:0.01
〜2%,Mo:0.01〜2%,残部がFeおよび不可避不純物
で、5〜20体積%のフェライトおよび残部が焼き戻しソ
ルバイトであり、Ms点が130〜260℃、硬度がHv300〜450
で、均一に分散した硬質粒子の周囲に所定の厚みの反応
層が存在する。さらにCaF2の添加およびCuまたはCu合金
の溶浸処理により被削性を向上させうる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は自動車エンジンのなかで
も特に高負荷、高回転数型エンジンに適した、耐摩耗性
に優れたバルブシート用鉄系焼結合金に関する。
も特に高負荷、高回転数型エンジンに適した、耐摩耗性
に優れたバルブシート用鉄系焼結合金に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、バルブシートのほとんどが鉄系焼
結材料で製造されており、特に高温となる排気側のバル
ブシートには耐摩耗性を得るため、従来の技術として、
たとえば特開昭58-178073号公報や特開平3-225008号公
報、特開昭62-207847号公報に示されるように基地にCo
やMoなどの合金元素を多量に含有し、C-Cr-W-Co-Fe系や
Fe-Mo系の硬質粒子を分散させ、さらに空孔にCuやPbを
溶浸した材料が使用されている。しかし、高価なCoを基
地中に多量に含有するため原料費が高くなる問題があ
る。
結材料で製造されており、特に高温となる排気側のバル
ブシートには耐摩耗性を得るため、従来の技術として、
たとえば特開昭58-178073号公報や特開平3-225008号公
報、特開昭62-207847号公報に示されるように基地にCo
やMoなどの合金元素を多量に含有し、C-Cr-W-Co-Fe系や
Fe-Mo系の硬質粒子を分散させ、さらに空孔にCuやPbを
溶浸した材料が使用されている。しかし、高価なCoを基
地中に多量に含有するため原料費が高くなる問題があ
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】最近、自動車エンジン
の高性能化、高出力化により、高温下でバルブにより繰
り返し叩かれるバルブシートの使用環境は厳しくなって
おり、バルブシートの耐摩耗性向上の要求が高まってい
る。また、低コスト化の要求も高まっているが、CoやMo
等の原料価格が高騰しており、特に高価なCoを基地中に
多量に含有する従来の材料では高コスト化が避けられな
いため、基地中のCo低減が大きな課題となっている。そ
の他、機械加工費がコストの大きな割合を占めており、
低コスト化のためバルブシートの被削性の向上について
も求められている。したがって、基地にCoを含有しな
い、被削性の良い安価で耐摩耗性に優れたバルブシート
が課題となっている。
の高性能化、高出力化により、高温下でバルブにより繰
り返し叩かれるバルブシートの使用環境は厳しくなって
おり、バルブシートの耐摩耗性向上の要求が高まってい
る。また、低コスト化の要求も高まっているが、CoやMo
等の原料価格が高騰しており、特に高価なCoを基地中に
多量に含有する従来の材料では高コスト化が避けられな
いため、基地中のCo低減が大きな課題となっている。そ
の他、機械加工費がコストの大きな割合を占めており、
低コスト化のためバルブシートの被削性の向上について
も求められている。したがって、基地にCoを含有しな
い、被削性の良い安価で耐摩耗性に優れたバルブシート
が課題となっている。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するため、基地および反応層についてマルテンサ
イト変態開始温度(以下Ms点という)に着目した。以
下、硬質粒子からCr、W、Mo等の特殊元素が鉄基地に拡散
固溶することで硬質粒子の周囲に形成される厚みが10〜
60μmからなる特殊元素濃度の高い領域を反応層と呼
ぶ。基地組成のMs点を制御することで基地および反応層
の延性を向上させ硬質粒子保持能力の向上および硬質粒
子が受けるバルブ叩きの衝撃を緩和し、そして硬質粒子
の破砕,脱落を抑制して耐摩耗性を向上でき、しかも基
地にCoを含有させる必要がないため原料費を大幅に低減
できる。さらに硬質粒子については組成、粒径、含有量
について調整し、優れた耐摩耗性を発揮できる。また、
潤滑剤CaF2を鉄基地中に均一に分散およびCuまたはCu合
金を空孔に溶浸させることにより被削性を向上させたバ
ルブシート用鉄系焼結合金についても提供できる。その
内容について以下に述べる。
を解決するため、基地および反応層についてマルテンサ
イト変態開始温度(以下Ms点という)に着目した。以
下、硬質粒子からCr、W、Mo等の特殊元素が鉄基地に拡散
固溶することで硬質粒子の周囲に形成される厚みが10〜
60μmからなる特殊元素濃度の高い領域を反応層と呼
ぶ。基地組成のMs点を制御することで基地および反応層
の延性を向上させ硬質粒子保持能力の向上および硬質粒
子が受けるバルブ叩きの衝撃を緩和し、そして硬質粒子
の破砕,脱落を抑制して耐摩耗性を向上でき、しかも基
地にCoを含有させる必要がないため原料費を大幅に低減
できる。さらに硬質粒子については組成、粒径、含有量
について調整し、優れた耐摩耗性を発揮できる。また、
潤滑剤CaF2を鉄基地中に均一に分散およびCuまたはCu合
金を空孔に溶浸させることにより被削性を向上させたバ
ルブシート用鉄系焼結合金についても提供できる。その
内容について以下に述べる。
【0005】本発明のバルブシート用鉄系焼結合金は、
鉄基地と鉄基地中に均一に分散させた硬質粒子及びその
周囲の反応層からなる焼結合金であり、C,Ni,Mo,残
部がFeおよび不可避不純物で、マルテンサイト変態開始
温度(Ms点)が130〜260℃、硬度がHv300〜450、組織が
5〜20体積%のフェライトおよび残部が焼き戻しソルバ
イトからなる鉄基地に、硬度がHv800〜1600からなる硬
質粒子が均一に分散し、その周囲に形成される反応層の
厚みが10〜60μm、Ms点が50〜200℃、硬度がHv300〜60
0、組織が焼き戻しソルバイトからなることを特徴とす
る。
鉄基地と鉄基地中に均一に分散させた硬質粒子及びその
周囲の反応層からなる焼結合金であり、C,Ni,Mo,残
部がFeおよび不可避不純物で、マルテンサイト変態開始
温度(Ms点)が130〜260℃、硬度がHv300〜450、組織が
5〜20体積%のフェライトおよび残部が焼き戻しソルバ
イトからなる鉄基地に、硬度がHv800〜1600からなる硬
質粒子が均一に分散し、その周囲に形成される反応層の
厚みが10〜60μm、Ms点が50〜200℃、硬度がHv300〜60
0、組織が焼き戻しソルバイトからなることを特徴とす
る。
【0006】また、本発明は、前記鉄基地の組成がC:
0.4〜1.2重量%,Ni:0.01〜2重量%,Mo:0.01〜2重量
%,残部がFeおよび不可避不純物で、基地のMs点が130
〜260℃、反応層のMs点が50〜200℃からなるバルブシー
ト用鉄系焼結合金や、前記硬質粒子の組成がCr,W,Coの
合計が40〜80重量%,C:1.0〜3.0重量%,Mo:0.3〜5
重量%,Ti:0.03〜0.5重量%,残部がFeおよび不可避
不純物で、硬度がHv800〜1600、平均粒径が20〜80μmか
らなる硬質粒子を5〜20重量%鉄基地中に均一に分散さ
せるバルブシート用鉄系焼結合金にも関する。また、本
発明は、被削性を向上するため、前記鉄基地中にCaF2が
0.2〜3重量%均一に分散されているバルブシート用鉄系
焼結合金や、空孔に8〜20体積%のCuまたはCu合金が溶
浸されているバルブシート用鉄系焼結合金も含まれてい
る。
0.4〜1.2重量%,Ni:0.01〜2重量%,Mo:0.01〜2重量
%,残部がFeおよび不可避不純物で、基地のMs点が130
〜260℃、反応層のMs点が50〜200℃からなるバルブシー
ト用鉄系焼結合金や、前記硬質粒子の組成がCr,W,Coの
合計が40〜80重量%,C:1.0〜3.0重量%,Mo:0.3〜5
重量%,Ti:0.03〜0.5重量%,残部がFeおよび不可避
不純物で、硬度がHv800〜1600、平均粒径が20〜80μmか
らなる硬質粒子を5〜20重量%鉄基地中に均一に分散さ
せるバルブシート用鉄系焼結合金にも関する。また、本
発明は、被削性を向上するため、前記鉄基地中にCaF2が
0.2〜3重量%均一に分散されているバルブシート用鉄系
焼結合金や、空孔に8〜20体積%のCuまたはCu合金が溶
浸されているバルブシート用鉄系焼結合金も含まれてい
る。
【0007】
【作用】本発明の構成要素とその作用、限定条件の理由
について次に説明する。バルブシートの摩耗は、バルブ
からの叩き衝撃が硬質粒子に集中することで硬質粒子が
破砕、鉄基地から脱落することによって摩耗が進行す
る。したがって、耐摩耗性向上には基地および反応層の
延性を向上させ、硬質粒子が受けるバルブ叩きの衝撃を
緩和し、硬質粒子の破砕,脱落を抑制することが効果的
である。
について次に説明する。バルブシートの摩耗は、バルブ
からの叩き衝撃が硬質粒子に集中することで硬質粒子が
破砕、鉄基地から脱落することによって摩耗が進行す
る。したがって、耐摩耗性向上には基地および反応層の
延性を向上させ、硬質粒子が受けるバルブ叩きの衝撃を
緩和し、硬質粒子の破砕,脱落を抑制することが効果的
である。
【0008】しかしながら、原料費低減のため基地中に
Coを含有しない場合、反応層の延性は低くなり、耐摩耗
性が劣化する。これは反応層が硬質粒子からのCr,W,Mo
等の特殊元素の拡散により通常の基地より元素濃度が高
くなり、Ms点が室温と同等以下にまで低下するため、熱
処理工程で残留オーステナイトと高硬度マルテンサイト
の混合組織が生成し、延性が低くなるためである。した
がって、基地のMs点を上昇させることで同時に反応層の
Ms点を上昇させ、残留オーステナイトと高硬度マルテン
サイトの生成を抑制し、反応層の延性を向上させる必要
がある。CoはMs点を上昇させる元素であり、従来の材料
では基地中にCoを多量に添加することでMs点を上昇させ
ていた。しかし、Coは非常に高価であり、原料費が高く
なるという問題がある。そのため基地にCoを含有せず、
Co以外の合金元素を調節することでMs点を制御し、反応
層の延性を向上させることが望ましい。
Coを含有しない場合、反応層の延性は低くなり、耐摩耗
性が劣化する。これは反応層が硬質粒子からのCr,W,Mo
等の特殊元素の拡散により通常の基地より元素濃度が高
くなり、Ms点が室温と同等以下にまで低下するため、熱
処理工程で残留オーステナイトと高硬度マルテンサイト
の混合組織が生成し、延性が低くなるためである。した
がって、基地のMs点を上昇させることで同時に反応層の
Ms点を上昇させ、残留オーステナイトと高硬度マルテン
サイトの生成を抑制し、反応層の延性を向上させる必要
がある。CoはMs点を上昇させる元素であり、従来の材料
では基地中にCoを多量に添加することでMs点を上昇させ
ていた。しかし、Coは非常に高価であり、原料費が高く
なるという問題がある。そのため基地にCoを含有せず、
Co以外の合金元素を調節することでMs点を制御し、反応
層の延性を向上させることが望ましい。
【0009】(基地および反応層のMs点) 反応層のMs
点が50℃未満では上記の理由により反応層の延性が低下
し、反応層のMs点が200℃を越えると反応層の延性向上
の効果は飽和するのみであり、反応層のMs点は50〜200
℃であることが望ましい。反応層のMs点は基地のMs点よ
り60〜80℃低いため、反応層のMs点が規定の範囲に維持
するには基地のMs点は130〜260℃であることが望まし
い。
点が50℃未満では上記の理由により反応層の延性が低下
し、反応層のMs点が200℃を越えると反応層の延性向上
の効果は飽和するのみであり、反応層のMs点は50〜200
℃であることが望ましい。反応層のMs点は基地のMs点よ
り60〜80℃低いため、反応層のMs点が規定の範囲に維持
するには基地のMs点は130〜260℃であることが望まし
い。
【0010】(基地および反応層の組織) 耐摩耗性の
向上には基地および反応層の延性向上と同時に強度を確
保する必要がある。基地の組織としては比較的強く延性
の高い焼き戻しソルバイトが望ましいが、フェライトも
高延性であり、しかも摩耗粉を吸着しバルブシート表面
に酸化被膜を形成することでバルブとの凝着摩耗を抑制
し、耐摩耗性を向上する効果がある。
向上には基地および反応層の延性向上と同時に強度を確
保する必要がある。基地の組織としては比較的強く延性
の高い焼き戻しソルバイトが望ましいが、フェライトも
高延性であり、しかも摩耗粉を吸着しバルブシート表面
に酸化被膜を形成することでバルブとの凝着摩耗を抑制
し、耐摩耗性を向上する効果がある。
【0011】しかし、フェライトは5体積%未満では耐
摩耗性向上の効果は少なく、20体積%を越えると強度が
低下するため、基地の組織は5〜20体積%のフェライト
と残部が焼き戻しソルバイトであることが望ましい。ま
た、反応層は硬質粒子からの特殊元素の拡散のため元素
濃度が高く、フェライトは生成が困難であり、反応層の
組織は焼き戻しソルバイトが望ましい。
摩耗性向上の効果は少なく、20体積%を越えると強度が
低下するため、基地の組織は5〜20体積%のフェライト
と残部が焼き戻しソルバイトであることが望ましい。ま
た、反応層は硬質粒子からの特殊元素の拡散のため元素
濃度が高く、フェライトは生成が困難であり、反応層の
組織は焼き戻しソルバイトが望ましい。
【0012】(反応層の厚み) 反応層は硬質粒子と鉄
基地との結合を強化し、硬質粒子の脱落を抑制するとと
もに硬質粒子の受けるバルブ叩き衝撃を吸収する緩衝層
の効果があるが、反応層の厚みが10μm未満では、その
効果が少なく耐摩耗性が低下し、60μmを越えると合金
元素の固溶強化により基地の延性が低下するため、反応
層の厚みが10〜60μmであることが望ましい。
基地との結合を強化し、硬質粒子の脱落を抑制するとと
もに硬質粒子の受けるバルブ叩き衝撃を吸収する緩衝層
の効果があるが、反応層の厚みが10μm未満では、その
効果が少なく耐摩耗性が低下し、60μmを越えると合金
元素の固溶強化により基地の延性が低下するため、反応
層の厚みが10〜60μmであることが望ましい。
【0013】(基地および反応層の硬度) 反応層の硬
度がHv300未満では効果的な耐摩耗性が得られず、Hv600
を越えると反応層の延性が低下し、バルブ叩きの衝撃を
緩和できない。したがって、反応層の硬度はHv300〜600
であることが望ましい。基地の硬度がHv300未満では強
度が確保できず、Hv450を越えると基地の延性が低下す
るため、基地の硬度はHv300〜450が望ましい。
度がHv300未満では効果的な耐摩耗性が得られず、Hv600
を越えると反応層の延性が低下し、バルブ叩きの衝撃を
緩和できない。したがって、反応層の硬度はHv300〜600
であることが望ましい。基地の硬度がHv300未満では強
度が確保できず、Hv450を越えると基地の延性が低下す
るため、基地の硬度はHv300〜450が望ましい。
【0014】(基地の組成) C:炭素は基地の耐摩耗
性と強度を確保するとともにMs点に大きな影響を与える
重要な元素である。0.4重量%未満ではフェライト量が
過剰に多くなりバルブシートに要求される強度を確保で
きなくなり、1.2重量%を越えると反応層のMs点が50℃
未満に低下し、反応層の延性が低下するためC量は0.4〜
1.2重量%が望ましい。
性と強度を確保するとともにMs点に大きな影響を与える
重要な元素である。0.4重量%未満ではフェライト量が
過剰に多くなりバルブシートに要求される強度を確保で
きなくなり、1.2重量%を越えると反応層のMs点が50℃
未満に低下し、反応層の延性が低下するためC量は0.4〜
1.2重量%が望ましい。
【0015】Ni:Ms点を低下させる割合が低く、かつ基
地および反応層の延性向上に有効な元素であるが、0.01
重量%未満では延性向上の効果は小さく、2重量%を越
えると反応層のMs点が過剰に低下し、かつ合金元素の固
溶強化により逆に延性が低下するため、Ni量は0.01〜2
重量%が望ましい。
地および反応層の延性向上に有効な元素であるが、0.01
重量%未満では延性向上の効果は小さく、2重量%を越
えると反応層のMs点が過剰に低下し、かつ合金元素の固
溶強化により逆に延性が低下するため、Ni量は0.01〜2
重量%が望ましい。
【0016】Mo:Ms点を低下する割合がNiより更に低
く、基地の耐摩耗性と強度の向上に有効な元素である
が、0.01重量%未満ではその効果は小さく、2重量%を
越えると反応層のMs点が過剰に低下し、かつ合金元素の
固溶強化により逆に延性が低下するため、Mo量は0.01〜
2重量%が望ましい。
く、基地の耐摩耗性と強度の向上に有効な元素である
が、0.01重量%未満ではその効果は小さく、2重量%を
越えると反応層のMs点が過剰に低下し、かつ合金元素の
固溶強化により逆に延性が低下するため、Mo量は0.01〜
2重量%が望ましい。
【0017】その他の合金元素Cr、Mn、V、W、Nb、Si等を含
有するとMs点が下がり、反応層の延性が低下するため基
地組成にはC、Ni、Mo以外の元素を含有しないことが望ま
しい。基地および反応層については上記のMs点、組織、
硬度、組成にすることで基地および反応層の延性を向上
し、硬質粒子が受ける衝撃を緩和することで優れた耐摩
耗性が得られる。また、上記のように基地にCoを含有し
ない材料ではCoの基地の固溶強化による延性の低下が起
こらないため基地にCoを含有した従来の材料より耐摩耗
性を向上でき、かつ原料費の大幅な低減ができる。
有するとMs点が下がり、反応層の延性が低下するため基
地組成にはC、Ni、Mo以外の元素を含有しないことが望ま
しい。基地および反応層については上記のMs点、組織、
硬度、組成にすることで基地および反応層の延性を向上
し、硬質粒子が受ける衝撃を緩和することで優れた耐摩
耗性が得られる。また、上記のように基地にCoを含有し
ない材料ではCoの基地の固溶強化による延性の低下が起
こらないため基地にCoを含有した従来の材料より耐摩耗
性を向上でき、かつ原料費の大幅な低減ができる。
【0018】(硬質粒子の組成) C:炭素は硬質粒子
中に炭化物を生成させ、耐摩耗性を向上させる重要な元
素であるが、1.0重量%未満では炭化物量が少なく、耐
摩耗性を確保することができず、3.0重量%を越えると
過剰の炭化物を形成し、硬質粒子の素地である結合相が
減少するため硬質粒子の靱性が低下し、バルブの叩き衝
撃により硬質粒子が破砕・脱落し、耐摩耗性が劣化する
ため、C量は1.0〜3.0重量%が望ましい。Cr,W,Coは硬質
粒子中に炭化物を形成して硬度に寄与し、耐摩耗性を向
上させるとともに、基地に拡散固溶し反応層を形成して
硬質粒子と基地の結合を強化することができるが、合計
が40重量%未満では耐摩耗性を向上させる効果が少な
く、合計が80重量%を越えると過剰の炭化物が生成し、
靱性が低下するため、合計が40〜80重量%が望ましい。
中に炭化物を生成させ、耐摩耗性を向上させる重要な元
素であるが、1.0重量%未満では炭化物量が少なく、耐
摩耗性を確保することができず、3.0重量%を越えると
過剰の炭化物を形成し、硬質粒子の素地である結合相が
減少するため硬質粒子の靱性が低下し、バルブの叩き衝
撃により硬質粒子が破砕・脱落し、耐摩耗性が劣化する
ため、C量は1.0〜3.0重量%が望ましい。Cr,W,Coは硬質
粒子中に炭化物を形成して硬度に寄与し、耐摩耗性を向
上させるとともに、基地に拡散固溶し反応層を形成して
硬質粒子と基地の結合を強化することができるが、合計
が40重量%未満では耐摩耗性を向上させる効果が少な
く、合計が80重量%を越えると過剰の炭化物が生成し、
靱性が低下するため、合計が40〜80重量%が望ましい。
【0019】Mo:Moは硬質粒子中に炭化物を形成して耐
摩耗性を向上させるとともに、Wとの複合効果により硬
質粒子中の炭化物を微細化し、硬質粒子の靱性を向上さ
せるが、0.5重量%未満ではその効果は小さく、3重量%
を越えると過剰の炭化物を形成し硬質粒子の靱性が低下
するため、0.3〜5重量%が望ましい。Ti:Tiは硬質粒子
中の元素の中で最も窒化物、酸化物生成傾向の強い元素
であり、硬質粒子製造のための原料溶解時に、Tiの一部
が雰囲気中の窒素や酸素と反応して窒化チタンや酸化チ
タンを形成し、それが硬質粒子中に均一微細に分散する
ため、硬質粒子の靱性を向上させる効果を持つが、0.03
重量%未満ではその効果は小さく、0.5重量%を越える
と硬質粒子の硬度が硬くなりすぎて逆に靱性が低下する
ため、0.03〜0.5重量%が望ましい。さらに効果的な耐
摩耗性を発揮するため、C1.5〜2.5重量%、Cr30〜50重
量%、W15〜30重量%、Co5〜15重量%、Mo0.5〜3重量
%、Ti0.05〜0.4重量%を含有する硬質粒子を使用する
ことが望ましい。
摩耗性を向上させるとともに、Wとの複合効果により硬
質粒子中の炭化物を微細化し、硬質粒子の靱性を向上さ
せるが、0.5重量%未満ではその効果は小さく、3重量%
を越えると過剰の炭化物を形成し硬質粒子の靱性が低下
するため、0.3〜5重量%が望ましい。Ti:Tiは硬質粒子
中の元素の中で最も窒化物、酸化物生成傾向の強い元素
であり、硬質粒子製造のための原料溶解時に、Tiの一部
が雰囲気中の窒素や酸素と反応して窒化チタンや酸化チ
タンを形成し、それが硬質粒子中に均一微細に分散する
ため、硬質粒子の靱性を向上させる効果を持つが、0.03
重量%未満ではその効果は小さく、0.5重量%を越える
と硬質粒子の硬度が硬くなりすぎて逆に靱性が低下する
ため、0.03〜0.5重量%が望ましい。さらに効果的な耐
摩耗性を発揮するため、C1.5〜2.5重量%、Cr30〜50重
量%、W15〜30重量%、Co5〜15重量%、Mo0.5〜3重量
%、Ti0.05〜0.4重量%を含有する硬質粒子を使用する
ことが望ましい。
【0020】硬質粒子については上記の組成にすること
で、硬質粒子の硬度がHv800〜1600となり、効果的な耐
摩耗性を発揮すると同時に硬質粒子自身の靱性および硬
質粒子と基地の結合性が従来の材料に比べ向上し、特に
バルブからの叩き衝撃による破砕、脱落を抑制し、耐摩
耗性を向上できる。また、さらに硬質粒子の靱性を向上
させるため硬質粒子の原料としては水アトマイズ粉末、
あるいはガスアトマイズ粉末を用いて均一で微細な組織
とすることが望ましい。
で、硬質粒子の硬度がHv800〜1600となり、効果的な耐
摩耗性を発揮すると同時に硬質粒子自身の靱性および硬
質粒子と基地の結合性が従来の材料に比べ向上し、特に
バルブからの叩き衝撃による破砕、脱落を抑制し、耐摩
耗性を向上できる。また、さらに硬質粒子の靱性を向上
させるため硬質粒子の原料としては水アトマイズ粉末、
あるいはガスアトマイズ粉末を用いて均一で微細な組織
とすることが望ましい。
【0021】(硬質粒子の平均粒径) 平均粒径が20μ
m未満では耐摩耗性向上の効果が少なく、平均粒径が80
μmを越えると硬質粒子の破砕、脱落が起こり易くなる
ため、効果的に耐摩耗性を発揮するには平均粒径が20〜
80μmであることが望ましい。
m未満では耐摩耗性向上の効果が少なく、平均粒径が80
μmを越えると硬質粒子の破砕、脱落が起こり易くなる
ため、効果的に耐摩耗性を発揮するには平均粒径が20〜
80μmであることが望ましい。
【0022】(硬質粒子の含有量) 硬質粒子の含有量
が5重量%未満では耐摩耗性向上の効果が少なく、20重
量%を越えると相手材であるバルブへの攻撃性が大きく
なり、バルブ摩耗量が増大する。したがって、硬質粒子
の含有量が5〜20重量%であることが望ましい。
が5重量%未満では耐摩耗性向上の効果が少なく、20重
量%を越えると相手材であるバルブへの攻撃性が大きく
なり、バルブ摩耗量が増大する。したがって、硬質粒子
の含有量が5〜20重量%であることが望ましい。
【0023】(潤滑剤) 基地中に潤滑剤としてCaF2を
均一に分散させることで機械加工における工具摩耗を抑
制でき、被削性を向上させるが、CaF2が0.2重量%未満
では被削性向上の効果は少なく、3重量%を越えると耐
摩耗性が低下するため、0.2〜3重量%が望ましい。
均一に分散させることで機械加工における工具摩耗を抑
制でき、被削性を向上させるが、CaF2が0.2重量%未満
では被削性向上の効果は少なく、3重量%を越えると耐
摩耗性が低下するため、0.2〜3重量%が望ましい。
【0024】(Cu溶浸) 焼結合金中の空孔に溶浸され
たCuまたはCu合金は潤滑作用を有し、被削性を向上する
とともに、空孔を封孔して密度を上げ、耐摩耗性と熱伝
導率を向上するが、その量が8体積%未満では充分な効
果が得られず、20体積%を越えると強度が低下し耐摩耗
性が低下するため、8〜20体積%が望ましい。
たCuまたはCu合金は潤滑作用を有し、被削性を向上する
とともに、空孔を封孔して密度を上げ、耐摩耗性と熱伝
導率を向上するが、その量が8体積%未満では充分な効
果が得られず、20体積%を越えると強度が低下し耐摩耗
性が低下するため、8〜20体積%が望ましい。
【0025】(製造法) 高温で焼き戻しを行うことに
より基地にフェライトを生成すると同時に残留オーステ
ナイトを分解し、高硬度マルテンサイトの生成を抑制す
ることで基地および反応層の延性を向上し、耐摩耗性を
向上させるが、焼き戻し温度が660℃未満ではフェライ
トが生成されず、延性向上の効果が少なく、720℃を越
えると強度が低下し耐摩耗性が低下する。したがって、
焼き戻し温度は660〜720℃が望ましい。また、焼き戻し
保持時間は60分未満では延性向上の効果が少なく、120
分を越えると強度が低下し耐摩耗性が低下するため、60
〜120分保持がすることが望ましい。
より基地にフェライトを生成すると同時に残留オーステ
ナイトを分解し、高硬度マルテンサイトの生成を抑制す
ることで基地および反応層の延性を向上し、耐摩耗性を
向上させるが、焼き戻し温度が660℃未満ではフェライ
トが生成されず、延性向上の効果が少なく、720℃を越
えると強度が低下し耐摩耗性が低下する。したがって、
焼き戻し温度は660〜720℃が望ましい。また、焼き戻し
保持時間は60分未満では延性向上の効果が少なく、120
分を越えると強度が低下し耐摩耗性が低下するため、60
〜120分保持がすることが望ましい。
【0026】
(実施例1) 基地を形成する粉末として、表1に示す
含有量となるように各種合金元素粉末、黒鉛粉末、純鉄
粉末、金型成形用の潤滑剤としてステアリン酸亜鉛:0.
8重量%、硬質粒子を形成する粉末として、40重量%Cr-
20重量%W-10重量%Co-2.5重量%Mo-2重量%C-0.1重量
%Ti、残部がFeおよび不可避不純物の水アトマイズ法に
より作製した平均粒径30μmの粉末:16重量%を混合し
た。この混合粉末を7Ton/cm2の成形圧力で外径34mm、内
径27mm、高さ7mmのリング状に成形し、成型体を600℃、
30分の脱脂処理後、窒素雰囲気中で1130℃、60分の焼結
を行った。その後880℃、60分加熱して油中冷却、そし
て最終工程として700℃、90分の焼き戻し処理を行っ
た。
含有量となるように各種合金元素粉末、黒鉛粉末、純鉄
粉末、金型成形用の潤滑剤としてステアリン酸亜鉛:0.
8重量%、硬質粒子を形成する粉末として、40重量%Cr-
20重量%W-10重量%Co-2.5重量%Mo-2重量%C-0.1重量
%Ti、残部がFeおよび不可避不純物の水アトマイズ法に
より作製した平均粒径30μmの粉末:16重量%を混合し
た。この混合粉末を7Ton/cm2の成形圧力で外径34mm、内
径27mm、高さ7mmのリング状に成形し、成型体を600℃、
30分の脱脂処理後、窒素雰囲気中で1130℃、60分の焼結
を行った。その後880℃、60分加熱して油中冷却、そし
て最終工程として700℃、90分の焼き戻し処理を行っ
た。
【0027】
【表1】
【0028】これらの試料をバルブシート形状に機械加
工して単体摩耗試験機を用いてバルブシート、バルブの
摩耗量を評価した。この試験機はカム軸の回転によりバ
ルブを往復運動させ、バルブとの繰り返し叩きによるバ
ルブシートの摩耗試験を燃焼ガスによる高温雰囲気中で
行うものである。単体摩耗試験の条件はバルブ材質:SU
H36(バルブフェースにステライト6番肉盛り)、バル
ブシート表面温度:400℃、カム軸回転数:3700r.p.m、
運転時間:100時間とした。摩耗量としては、バルブシ
ートに関してはバルブとの接触面幅の増加を、バルブに
関してはバルブフェースの最大摩耗深さを評価した。
工して単体摩耗試験機を用いてバルブシート、バルブの
摩耗量を評価した。この試験機はカム軸の回転によりバ
ルブを往復運動させ、バルブとの繰り返し叩きによるバ
ルブシートの摩耗試験を燃焼ガスによる高温雰囲気中で
行うものである。単体摩耗試験の条件はバルブ材質:SU
H36(バルブフェースにステライト6番肉盛り)、バル
ブシート表面温度:400℃、カム軸回転数:3700r.p.m、
運転時間:100時間とした。摩耗量としては、バルブシ
ートに関してはバルブとの接触面幅の増加を、バルブに
関してはバルブフェースの最大摩耗深さを評価した。
【0029】Ms点については以下の方法で決定した。作
製した試料を900℃まで加熱して基地および反応層をオ
ーステナイト化した後、ある低い温度(Tq)に保った油
中に急冷し、数秒間保持し、次にこの試料をTqより高い
温度(Td)に保った油中に投入して急激に加熱し、最後
に水中に再び焼入れする。この試料を顕微鏡で観察し、
焼き戻しされたマルテンサイト組織が出現する温度Tqか
らMs点を決定した。硬度についてはミクロ組織のHv硬度
で測定し、基地硬度は焼き戻しソルバイト部を測定し
た。比較材としては試料No.10の基地にCoを6.5重量%含
有させた試料および試料No.11、12の基地および反応層
のMs点が範囲外のものを用いた。表1及び表2の結果か
ら本発明材は比較材に比べてバルブシート、バルブの摩
耗量がともに小さく、基地にCoを含有しないで基地およ
び反応層のMs点を所定範囲内とすることで基地にCoを含
有させた材料より耐摩耗性が向上することがわかる。
製した試料を900℃まで加熱して基地および反応層をオ
ーステナイト化した後、ある低い温度(Tq)に保った油
中に急冷し、数秒間保持し、次にこの試料をTqより高い
温度(Td)に保った油中に投入して急激に加熱し、最後
に水中に再び焼入れする。この試料を顕微鏡で観察し、
焼き戻しされたマルテンサイト組織が出現する温度Tqか
らMs点を決定した。硬度についてはミクロ組織のHv硬度
で測定し、基地硬度は焼き戻しソルバイト部を測定し
た。比較材としては試料No.10の基地にCoを6.5重量%含
有させた試料および試料No.11、12の基地および反応層
のMs点が範囲外のものを用いた。表1及び表2の結果か
ら本発明材は比較材に比べてバルブシート、バルブの摩
耗量がともに小さく、基地にCoを含有しないで基地およ
び反応層のMs点を所定範囲内とすることで基地にCoを含
有させた材料より耐摩耗性が向上することがわかる。
【0030】
【表2】
【0031】・試料No.1から9迄は本発明材、試料No.10
から12迄は比較材である。(試料No.1から12迄の硬質粒
子組成は全て40重量%Cr-20重量%W-10重量%Co-2.5重
量%Mo-2重量%C-0.1重量%Ti残部がFeおよび不可避不
純物による。) ・(*)は本発明の範囲外であることを示す。 ・組織はS:焼戻しソルバイト、F:フェライト、α′:高
硬度マルテンサイト、γ:残留オーステナイトを示す。
から12迄は比較材である。(試料No.1から12迄の硬質粒
子組成は全て40重量%Cr-20重量%W-10重量%Co-2.5重
量%Mo-2重量%C-0.1重量%Ti残部がFeおよび不可避不
純物による。) ・(*)は本発明の範囲外であることを示す。 ・組織はS:焼戻しソルバイト、F:フェライト、α′:高
硬度マルテンサイト、γ:残留オーステナイトを示す。
【0032】(実施例2) 基地を形成する粉末として
実施例1の試料No.9と同じ組成、硬質粒子を形成する粉
末として表3に示す組成となるように水アトマイズ法に
より作製した粉末を混合した。この混合粉末を実施例1
と同様の条件で成形、脱脂、焼結、熱処理を行った。こ
れらの試料を実施例1と同様の条件で単体摩耗試験によ
る摩耗量評価に使用した。表3の摩耗量の結果から本発
明材は比較材に比べてバルブシート、バルブの摩耗量が
ともに小さいことがわかる。
実施例1の試料No.9と同じ組成、硬質粒子を形成する粉
末として表3に示す組成となるように水アトマイズ法に
より作製した粉末を混合した。この混合粉末を実施例1
と同様の条件で成形、脱脂、焼結、熱処理を行った。こ
れらの試料を実施例1と同様の条件で単体摩耗試験によ
る摩耗量評価に使用した。表3の摩耗量の結果から本発
明材は比較材に比べてバルブシート、バルブの摩耗量が
ともに小さいことがわかる。
【0033】
【表3】
【0034】・(*)は本発明の範囲外であることを示
す。 ・上記試料No.13から32迄全て、その基地組成は表1の
試料No.9と同じである。 ・試料No.13から29迄は本発明材、試料No.30から32迄は
比較材である。
す。 ・上記試料No.13から32迄全て、その基地組成は表1の
試料No.9と同じである。 ・試料No.13から29迄は本発明材、試料No.30から32迄は
比較材である。
【0035】(実施例3) 基地および硬質粒子を形成
する粉末として実施例1の試料No.9と同じ組成、さらに
CaF2粉末を表4に示す含有量となるように混合した。こ
の混合粉末を5〜7Ton/cm2の成形圧力で外径34mm、内径2
7mm、高さ7mmのリング状に成形し、実施例1と同様の条
件で脱脂、焼結を行った。試料No.37〜45については、
さらにこの焼結体の上に溶浸用の銅または銅合金粉末か
らなるリング状成形体をのせ、窒素雰囲気中1130℃、20
分保持し、表4に示す溶浸量となるように銅溶浸を行っ
た。これらの焼結体を実施例1と同様の条件で熱処理を
行った。これらの試料を実施例1と同様の条件で単体摩
耗試験による摩耗量評価に使用するとともに、工具にCB
Nを用い、切削条件(切削速度V=50m/min、切込みd=0.1m
m、送りf=0.08mm/rev、湿式、切削距離約360m)での切
削試験による工具摩耗量評価に使用した。表4の摩耗量
の結果から本発明材は比較材に比べてバルブシート、バ
ルブおよび工具の摩耗量がともに小さく、耐摩耗性が良
好でかつ被削性が向上することがわかる。
する粉末として実施例1の試料No.9と同じ組成、さらに
CaF2粉末を表4に示す含有量となるように混合した。こ
の混合粉末を5〜7Ton/cm2の成形圧力で外径34mm、内径2
7mm、高さ7mmのリング状に成形し、実施例1と同様の条
件で脱脂、焼結を行った。試料No.37〜45については、
さらにこの焼結体の上に溶浸用の銅または銅合金粉末か
らなるリング状成形体をのせ、窒素雰囲気中1130℃、20
分保持し、表4に示す溶浸量となるように銅溶浸を行っ
た。これらの焼結体を実施例1と同様の条件で熱処理を
行った。これらの試料を実施例1と同様の条件で単体摩
耗試験による摩耗量評価に使用するとともに、工具にCB
Nを用い、切削条件(切削速度V=50m/min、切込みd=0.1m
m、送りf=0.08mm/rev、湿式、切削距離約360m)での切
削試験による工具摩耗量評価に使用した。表4の摩耗量
の結果から本発明材は比較材に比べてバルブシート、バ
ルブおよび工具の摩耗量がともに小さく、耐摩耗性が良
好でかつ被削性が向上することがわかる。
【0036】
【表4】
【0037】・(*)は本発明の範囲外であることを示
す。 ・試料No.33から42迄は本発明材、試料No.43から45迄は
比較材である。 ・試料No.33から44迄の基地組成と硬質粒子組成は、試
料No.9と同組成である。 ・試料No.45は、試料No.10と同組成である。(本発明の
範囲外である。)
す。 ・試料No.33から42迄は本発明材、試料No.43から45迄は
比較材である。 ・試料No.33から44迄の基地組成と硬質粒子組成は、試
料No.9と同組成である。 ・試料No.45は、試料No.10と同組成である。(本発明の
範囲外である。)
【0038】(実施例4) 基地および硬質粒子を形成
する粉末として実施例1の試料No.9と同じ組成、さらに
CaF2粉末:1重量%を混合し、この混合粉末を実施例1
と同様の条件で成形、脱脂、焼結、焼入れを行い、最終
工程として表5に示す条件で焼き戻し処理を行った。こ
の試料を実施例1と同様の条件で単体摩耗試験による摩
耗量評価に使用した。比較材として試料No.51は熱処理
をせず、基地組織がパーライトからなる試料を用いた。
表5の摩耗量の結果から本発明材は比較材に比べてバル
ブシート、バルブの摩耗量がともに小さいことがわか
る。
する粉末として実施例1の試料No.9と同じ組成、さらに
CaF2粉末:1重量%を混合し、この混合粉末を実施例1
と同様の条件で成形、脱脂、焼結、焼入れを行い、最終
工程として表5に示す条件で焼き戻し処理を行った。こ
の試料を実施例1と同様の条件で単体摩耗試験による摩
耗量評価に使用した。比較材として試料No.51は熱処理
をせず、基地組織がパーライトからなる試料を用いた。
表5の摩耗量の結果から本発明材は比較材に比べてバル
ブシート、バルブの摩耗量がともに小さいことがわか
る。
【0039】
【表5】
【0040】・(*)は本発明の範囲外であることを示
す。 ・組織はS:焼戻ソルバイト、F:フェライト、α':高硬度
マルテンサイト、γ:残留オーステナイト、P:パーライ
トを示す。 ・試料No.46から51迄、全てその基地組成と硬質粒子組
成は、試料No.9と同組成である。 ・試料No.46から48迄は本発明材、試料No.49から51迄は
比較材である。
す。 ・組織はS:焼戻ソルバイト、F:フェライト、α':高硬度
マルテンサイト、γ:残留オーステナイト、P:パーライ
トを示す。 ・試料No.46から51迄、全てその基地組成と硬質粒子組
成は、試料No.9と同組成である。 ・試料No.46から48迄は本発明材、試料No.49から51迄は
比較材である。
【0041】(実施例5) 基地および硬質粒子を形成
する粉末として実施例1の試料No.9と同じ組成、さらに
CaF2粉末:1重量%を混合し、この混合粉末を実施例3
と同様の条件で成形、脱脂、焼結、溶浸、焼入れを行
い、最終工程として表6に示す条件で焼き戻し処理を行
った。この試料を実施例1と同様の条件で単体摩耗試験
による摩耗量評価に使用した。比較材として試料No.57
は熱処理をせず、基地組織がパーライトからなる試料を
用いた。表6の摩耗量の結果から本発明材は比較材に比
べてバルブシート、バルブの摩耗量がともに小さいこと
がわかる。
する粉末として実施例1の試料No.9と同じ組成、さらに
CaF2粉末:1重量%を混合し、この混合粉末を実施例3
と同様の条件で成形、脱脂、焼結、溶浸、焼入れを行
い、最終工程として表6に示す条件で焼き戻し処理を行
った。この試料を実施例1と同様の条件で単体摩耗試験
による摩耗量評価に使用した。比較材として試料No.57
は熱処理をせず、基地組織がパーライトからなる試料を
用いた。表6の摩耗量の結果から本発明材は比較材に比
べてバルブシート、バルブの摩耗量がともに小さいこと
がわかる。
【0042】
【表6】
【0043】・(*)は本発明の範囲外であることを示
す。 ・組織はS:焼戻ソルバイト、F:フェライト、α':高硬度
マルテンサイト、γ:残留オーステナイト、P:パーライ
トを示す。 ・試料No.52から57迄全てその基地組成と硬質粒子組成
は試料No.9と同組成である。 ・試料No.52から54迄は本発明材、試料No.55から57迄は
比較材である。
す。 ・組織はS:焼戻ソルバイト、F:フェライト、α':高硬度
マルテンサイト、γ:残留オーステナイト、P:パーライ
トを示す。 ・試料No.52から57迄全てその基地組成と硬質粒子組成
は試料No.9と同組成である。 ・試料No.52から54迄は本発明材、試料No.55から57迄は
比較材である。
【0044】
【発明の効果】本発明は以上説明したように、基地およ
び反応層についてMs点に着目して、組成、硬度、組織を
調整し基地および反応層の延性を向上させることで、硬
質粒子保持能力の向上、硬質粒子が受けるバルブ叩き衝
撃を緩和し、硬質粒子の破砕、脱落を抑制するととも
に、硬質粒子については組成、硬度、粒径、含有量を調
整し、特にバルブ叩きに対して耐摩耗性を向上させたバ
ルブシート用鉄系焼結合金を提供することができる。さ
らに、CaF2の添加およびCuまたはCu合金の溶浸処理を行
うことにより被削性を向上させたバルブシート用鉄系焼
結合金も提供可能である。
び反応層についてMs点に着目して、組成、硬度、組織を
調整し基地および反応層の延性を向上させることで、硬
質粒子保持能力の向上、硬質粒子が受けるバルブ叩き衝
撃を緩和し、硬質粒子の破砕、脱落を抑制するととも
に、硬質粒子については組成、硬度、粒径、含有量を調
整し、特にバルブ叩きに対して耐摩耗性を向上させたバ
ルブシート用鉄系焼結合金を提供することができる。さ
らに、CaF2の添加およびCuまたはCu合金の溶浸処理を行
うことにより被削性を向上させたバルブシート用鉄系焼
結合金も提供可能である。
Claims (7)
- 【請求項1】 鉄基地と鉄基地中に均一に分散させた硬
質粒子及びその周囲の反応層からなる焼結合金であっ
て、前記鉄基地はC,Ni,Mo,残部がFeおよび不可避不
純物で、マルテンサイト変態開始温度(Ms点)が130〜2
60℃、硬度がHv300〜450、組織が5〜20体積%のフェラ
イトおよび残部が焼き戻しソルバイトからなり、前記反
応層のMs点が50〜200℃、硬度がHv300〜600、組織が焼
き戻しソルバイトからなることを特徴とするバルブシー
ト用鉄系焼結合金。 - 【請求項2】 前記鉄基地はCoを含有せず、その組成が
C:0.4〜1.2重量%,Ni:0.01〜2重量%,Mo:0.01〜2
重量%,残部がFeおよび不可避不純物からなることを特
徴とする請求項1に記載のバルブシート用鉄系焼結合
金。 - 【請求項3】 前記硬質粒子の組成がCr,W,Coの合計が4
0〜80重量%,C:1.0〜3.0重量%,Mo:0.3〜5重量%,
Ti:0.03〜0.5重量%,残部がFeおよび不可避不純物か
らなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の
バルブシート用鉄系焼結合金。 - 【請求項4】 前記硬質粒子の平均粒径が20〜80μmか
らなる硬質粒子を5〜20重量%鉄基地中に均一に分散さ
せたことを特徴とする請求項3記載のバルブシート用鉄
系焼結合金。 - 【請求項5】 前記鉄基地中にCaF2を0.2〜3重量%均一
に分散させることを特徴とする請求項1乃至請求項4の
いずれか1項に記載のバルブシート用鉄系焼結合金。 - 【請求項6】 前記焼結合金中の空孔に8〜20体積%のC
uまたはCu合金が溶浸されていることを特徴とする請求
項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のバルブシート
用鉄系焼結合金。 - 【請求項7】 鉄基地と鉄基地中に均一に分散させた硬
質粒子を持つ焼結合金の製造に於いて、最終工程にて66
0〜720℃で60〜120分の焼戻し処理を行なうことを特徴
とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のバ
ルブシート用鉄系焼結合金の製造法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11278095A JPH08311624A (ja) | 1995-05-11 | 1995-05-11 | バルブシート用鉄系焼結合金及びその製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11278095A JPH08311624A (ja) | 1995-05-11 | 1995-05-11 | バルブシート用鉄系焼結合金及びその製造法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08311624A true JPH08311624A (ja) | 1996-11-26 |
Family
ID=14595319
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11278095A Pending JPH08311624A (ja) | 1995-05-11 | 1995-05-11 | バルブシート用鉄系焼結合金及びその製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08311624A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999025889A1 (fr) * | 1997-11-14 | 1999-05-27 | Mitsubishi Materials Co. | SIEGE DE SOUPAPE EN ALLIAGE FRITTE DE Fe-BASE |
-
1995
- 1995-05-11 JP JP11278095A patent/JPH08311624A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999025889A1 (fr) * | 1997-11-14 | 1999-05-27 | Mitsubishi Materials Co. | SIEGE DE SOUPAPE EN ALLIAGE FRITTE DE Fe-BASE |
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