JP2006037138A

JP2006037138A - 鉄基焼結合金製バルブシート

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Publication number: JP2006037138A
Application number: JP2004215801A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Oshige; 公志大重; Teruo Takahashi; 輝夫高橋
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: JP4303172B2

Abstract

【要約】
【課題】被削性に優れた鉄基焼結合金で構成されてなるバルブシートを提案する。
【解決手段】面積率で20％以上のパーライト相を含み、該パーライト相の硬さが300HV0.1以上である基地相組織と、質量％で、Ｃ：0.1〜2.0％と、Bi、Te、Se、Snのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で0.001〜0.5％含有し、あるいはさらにCu：20％以下、および／または、Ni、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Coのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で15％以下含有する基地相組成とを有する。さらに基地相中に、被削性改善用粒子および／または硬質粒子を分散させてもよい。これにより、被削性が顕著に向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用の鉄基焼結合金製バルブシートに係り、とくにバルブシートを構成する鉄基焼結合金の被削性の更なる向上に関する。

近年、鉄粉、金属粉等の粉末を圧縮成形し、焼結して所望形状の焼結体とする、粉末冶金を利用した部品が、自動車や産業機械等の部品として広く利用されている。粉末冶金は、通常の溶製方法では得難い金属や合金が容易に製造でき、また機能の複合化が容易なため独特な機能を付与した部品の製造が可能であり、さらに多孔質材や難加工性材の製造や、複雑な形状の部品の製造に適している。

一般に、高い寸法精度が要求される場合や複雑な形状の場合には、切削加工を施されて最終製品とされる。このため、焼結体の被削性は最終製品の生産性を左右する重要な問題となる。例えば、シリンダヘッドに圧入後、切削加工を行うバルブシートにおいては、快削性を有することが重要となる。焼結合金製のバルブシートにおいては、従来から、MnS、CaF_２、Pb等の被削性改善用粒子を焼結体の基地中に分散させて被削性を向上させてきた。

しかしながら、このような被削性改善用粒子を焼結体に分散させる場合には、被削性改善用粒子の均一分散が難しいうえ、焼結体の機械的特性が低下するという問題があった。

このような問題に対し、例えば、特許文献１には、Caを0.001〜0.040％を含有する鋼粉末に、あるいはさらにＳ、Pb、Se、Te、Biのうちの１種又は２種以上を粉末で混合したものを成形、焼結する快削性に富む粉末焼結鋼の製造方法が提案されている。特許文献１に記載された技術によれば、機械的性質および耐食性などを損なうことなく被削性が改善できるとしている。

また、特許文献２には、内燃機関の排気弁や弁座用に好適な高温耐摩耗性焼結合金の製造方法が提案されている。特許文献２に記載された技術は、Ni−Al系時効硬化鋼、またはNi−Al−Cu系時効硬化鋼を母合金粉末とし、高温耐摩耗性並びに耐熱性改善を目的として、炭素粉末と、モリブデン、コバルト、クロム、タングステンの内の少なくとも１種の金属及び／又は合金粉末を配合し、あるいはさらに被削性改善のために、イオウ、鉛、セレン、テルル、ビスマスのうちの少なくとも１種を配合して、成形焼結する高温耐摩耗性焼結合金の製造方法である。特許文献２に記載された技術によれば、Ni、Al、さらにはCr、Mo、Co等を多量に含有させることにより、硬さを高くでき、高温耐摩耗性が向上するとしている。しかし、特許文献２には被削性についてのデータが一切開示されておらず、イオウ、鉛、セレン、テルル、ビスマスのうちの少なくとも１種を配合することにより、このような成分系の焼結合金材でどの程度の被削性改善が可能であるか不明のまま残されていた。

また、特許文献３には、快削ステンレス鋼粉末についての技術が提案されている。特許文献３に記載された技術では、Ni−Crステンレス鋼粉末に合金元素としてＳ：0.05〜0.30％、Te：0.01〜0.10％、Se：0.01〜0.10％から選んだ元素を１種又は２種以上と、Cu：1.0〜8.0％とを複合して含有することにより、ステンレス鋼粉末の粉末特性を劣化させることなく、焼結後の被削性および耐食性を著しく改善できるとしている。

また、特許文献４には、Ｃと、Cr、Mo、ＷおよびＶのうちの１種または２種以上を多量に含有し、Siを0.3％以下に低減し、さらにＳ、Bi、Se、Te、Pbのうちの１種または２種以上を含有する鋼粉末を焼結し、熱間加工を加えて密度を高めた、快削性に優れた焼結工具鋼が提案されている。特許文献４に記載された技術によれば、Ｓ等の快削元素を含有し、Siを低減することにより、快削性と靭性とがともに向上するとしている。

また、特許文献５には、鋼母粉末に対し、Ｓ、Ca、Pb等の快削元素を多量に合金化してなる鋼母粉末より粒径の小さいFe基粉末もしくはNi基粉末を配合せしめてなる快削性複合鋼粉末が提案されている。この技術によれば、圧縮性が改善され、高い焼結密度を有し、被削性に優れた焼結体が製造できるとしている。
特開昭52−131905公報特公昭57−8176号公報特公昭58−52001号公報特開昭63−62845号公報特公平８−30201号公報

上記した従来技術では、被削性以外の特性劣化を種々の方法で防止しながら、MnＳ、CaF_２、Pb等の被削性改善用粒子を基地相中に多量に分散させて焼結合金材の被削性を改善している。しかしながら、上記した従来技術のように被削性改善用粒子を基地相中に多量に分散させてもなお、被削性の十分な向上が得られない場合がある。とくに、焼結体の基地組織にパーライト相が含まれる場合には、基地の切削抵抗が依然として高いため、被削性改善用粒子を基地相中に多量に分散させても被削性の十分な向上は得られないうえ、切削時に基地部でバリが発生し、それに伴い加工精度が低下するなどの問題が発生していた。

また、被削性改善用粒子は基地とはほとんど結合しないために、被削性改善用粒子の多量添加は、切削時にむしられが発生したり、焼結体強度が低下する等の問題があった。

本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、刃具摩耗の少ない、被削性に優れた鉄基焼結合金で構成された鉄基焼結合金製バルブシートを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記した課題を達成するために、刃具摩耗に影響する各種要因について鋭意研究した。その結果、焼結時に基地中に、Bi、Te、Se、Snのうちから選ばれた１種または２種以上を拡散させることにより、基地相中のパーライト相において、層状パーライトの比率が増加し、パーライト相が高硬度化して、基地の被削性が顕著に向上し、焼結体の被削性が向上することを新規に見出した。ここでいう「層状パーライト」とは、パーライト中のセメンタイトが平均５μm以上の長さを有する領域を面積率で50％以上有するパーライトをいうものとする。なお、パーライトのセメンタイトが平均５μm未満であるものは「粒状パーライト」とする。

Biを含有する場合（Bi=0.02％）の基地組織中のパーライト相組織の一例を図１に示す。Biを含有しない場合の基地組織中のパーライト相組織の例を図２に示す。図１と図２を比較することにより、Biを含有することにより、パーライト相中の層状パーライトの比率が顕著に増加していることが明瞭にわかる。

すなわち、本発明者らは、これらBi、Te、Se、Snが、それら自身が快削元素として作用するのではなく、基地組織中のパーライト相の層状パーライト化、高硬度化を介して被削性を向上させるという新規な知見を得た。また、これらの元素の添加に加えて、被削性改善用粒子を分散させることにより、被削性の向上がさらに顕著となることも見出した。また、これらの効果は、耐摩耗性向上のために硬質粒子を分散させても変化のないことも見出している。

本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は、つぎの通りである。

（１）鉄基焼結合金製バルブシートであって、質量％で、Ｃ：0.1〜2.0％と、Bi、Te、Se、Snのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で0.001〜0.5％含有し、残部実質的にFeからなる基地相組成と、面積率で20％以上のパーライト相を含む基地相組織とを有し、該パーライト相が300HV0.1以上の硬さを有する被削性に優れた鉄基焼結合金で構成されてなることを特徴とするバルブシート。
（２）（１）において、前記基地相組成に加えてさらに、質量％で、Cu：20％以下を含有する基地相組成を有することを特徴とするバルブシート。
（３）（１）または（２）において、前記基地相組成に加えてさらに、質量％で、Ni、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Coのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で15％以下含有する基地相組成を有することを特徴とするバルブシート。
（４）（１）ないし（３）のいずれかにおいて、前記鉄基焼結合金の基地相中に、被削性改善用粒子を面積率で10％以下分散させることを特徴とするバルブシート。
（５）（１）ないし（４）のいずれかにおいて、前記鉄基焼結合金の基地相中に、硬質粒子を面積率で40％以下分散させることを特徴とするバルブシート。

本発明によれば、被削性改善粒子の多量添加を必要とすることなく、バルブシート用鉄基焼結合金材の被削性を顕著に向上することができ、バルブシートの加工工程が改善され、産業上格段の効果を奏する。

本発明のバルブシートは、質量％で、Ｃ：0.1〜2.0％と、Bi、Te、Se、Snのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で0.001〜0.5％含有し、残部実質的にFeからなる基地相組成を基本組成とする鉄基焼結合金で構成される。

まず、焼結体基地相の組成限定理由について説明する。以下、組成における質量％は単に％と記す。

Ｃ：0.1〜2.0％
Ｃは、基地中に固溶し、さらにはパーライトの形成を促進し、基地相の強度を増加させる元素である。本発明では基地相を面積率で20％以上のパーライト相を含む組織とするために0.1％以上含有させる。一方、2.0％を超える含有は、セメンタイトが多量となる。このためＣは0.1〜2.0％に限定した。

Bi、Te、Se、Snのうちから選ばれた１種または２種以上：合計0.001〜0.5％
Bi、Te、Se、Snは、いずれも、基地相中のパーライト相を層状パーライト化し、高硬度化する作用を有し、基地相を脆化して切削抵抗を低下させて刃具摩耗を減少させる効果を有する元素であり、本発明で最も重要な元素として、１種または２種以上を選択して含有する。Bi、Te、Se、Snのうちの１種または２種以上の含有量合計が0.001％未満では、上記した効果が期待できない。一方、合計量が0.5％を超えて多量に含有すると、焼結後の密度低下が著しくなり焼結合金材の強度が低下する。このため、本発明では、Bi、Te、Se、Snのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で0.001〜0.5％の範囲に限定した。なお、好ましくは合計で、0.01〜0.2％である。

本発明では、基地相は、上記した基本組成に加えてさらに、Cu：20％以下、および／または、Ni、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Coのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で15％以下を含有できる。

Cu：20％以下
Cuは、基地中に固溶し、基地相のパーライト相を安定化させ、フェライト相や、マルテンサイト相の生成を防止する作用を有し、切削時のフェライト相によるバリ発生や、マルテンサイト相による切削抵抗の増加を抑制する効果を有する。また、Cuが、基地相中に析出した場合、あるいは空孔中に析出した場合には刃具の断続切削を防止し被削性を向上させる効果を有する。このような効果が顕著に認められるのは、1.0％以上含有する場合である。一方、20％を超える含有は、焼結体の強度が低下し、変形が大きくなる。このため、Cuは20％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは、4〜15％である。

Ni、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Coのうちから選ばれた１種または２種以上：合計15％以下
Ni、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Coはいずれも、耐摩耗性を向上させ、高温強度を増加させる元素であり、必要に応じ１種以上を選択して含有できる。含有量が合計で0.5％以上であれば、上記した効果が顕著に認められる。一方、合計で15％を超える含有は、焼結性を悪化させる。このため、Ni、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Coのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で15％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは、合計で2〜10％である。

上記した成分以外の残部は、実質的にFeからなる。

本発明のバルブシートを構成する鉄基焼結合金は、上記した基地相組成を有し、さらに、面積率で20％以上のパーライト相を含む基地相組織を有し、該パーライト相が300HV0.1以上の硬さを有する被削性に優れた鉄基焼結合金である。

基地相組織中のパーライト相の面積率が20％未満では、上記したBi等の含有による焼結体の被削性改善効果が少ない。そして、本発明ではパーライト相は、層状パーライト化し、その硬さは、300HV0.1以上となる。これにより、基地相の切削抵抗が低下し、刃具摩耗が減少する。なお、好ましくはパーライト相の面積率は30％以上である。

本発明の鉄基焼結合金材では、上記した組成の基地相中に被削性改善用粒子、および／または硬質粒子を分散させてもよい。

被削性改善用粒子：面積率で10％以下
被削性改善用粒子を基地相中に分散させることにより、刃具の保護ができ、さらに切り込みの起点となり、被削性がさらに改善される。被削性改善用粒子としては、MnS、CaF_２、WS_２、MoS_２等が例示できる。被削性改善用粒子を分散させる場合には、面積率で２％以上であれば、上記した効果が顕著となる。一方、10％を超える含有は、強度の低下や切削時のむしられが顕著となる。このため、被削性改善用粒子は面積率で10％以下の範囲に限定することが好ましい。

硬質粒子：面積率40％以下
硬質粒子は、必要に応じた耐摩耗性を確保するために含有することができる。硬質粒子としては、Fe−Mo粒子、Cr―Mo−Co系金属間化合物粒子、Cr―Ni−Mo−Co系金属間化合物粒子等が例示できる。必要に応じた耐摩耗性を確保するためには、面積率で1％以上含有することが好ましいが、40％を超えて含有しても耐摩耗性向上効果が飽和するうえ、相手材の摩耗が顕著となり好ましくない。このため、硬質粒子は面積率で、40％以下とすることが好ましい。なお、より好ましくは５〜30％である。

つぎに、本発明鉄基焼結合金材の好ましい製造方法を説明する。

まず、原料粉として、純鉄粉に、合金元素粉としての、黒鉛粉末と、さらにBi粉末、Te粉末、Se粉末、Sn粉末のうちから選ばれた１種または２種以上と、あるいはさらに銅粉と、を上記した基地相組成となるように配合し、あるいはさらに上記した面積率となるように所定量の被削性改善用粉末、あるいは硬質粒子粉末、さらには潤滑剤としてステアリン酸亜鉛等を配合し、混合、混練したのち、所定寸法のバルブシート形状の金型に充填し、プレス等で圧縮成形し、所望密度の成形体とする。

なお、基地相に合金元素として、Ni、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Coのうちの１種以上を含有させる場合には、上記した基地相組成となるように、それら合金元素の粉末を所定量配合しても、それら元素を含有した低合金鋼粉末、合金鉄粉を所定量配合しても、あるいは両方を併用しても、いずれでもよい。

ついで、成形体は、還元雰囲気中あるいは真空中で、好ましくは1100〜1200℃の温度域に加熱され焼結処理を施されてバルブシート形状の焼結体とされる。

得られた焼結体は、必要に応じ切削加工されて、製品であるバルブシートとされる。

以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。

純鉄粉と、合金元素粉とを表１に示す種類および量だけ、潤滑剤としてのステアリン酸亜鉛とともに、配合し、Ｖ型混合機で混合・混練し混合粉としたのち、金型に充填し、成形密度7.0g/cm^３狙いで圧縮成形してバルブシート（φ34×φ23×8.0mm）の成形体とした。なお、合金元素粉としては、黒鉛粉末、銅粉末、およびBi、Te、SeおよびSnの各粉末のうちの１種または２種以上、Ni、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Coの各粉末のうちの１種または２種以上を配合した。また、純鉄粉に代えて、一部では3.0質量％Cr含有合金鉄粉を用いた。また、一部では、表１に示す種類、量の被削性改善用粒子粉末、硬質粒子粉末を配合した。なお、配合量は、混合粉全量に対する質量％とした。

ついで、これら成形体に、還元雰囲気中の1160℃に加熱する、熱処理（焼結処理）を施し、焼結体とした。

得られた焼結体について、基地相組織および硬さ、圧環強さ、刃具摩耗を調査した。基地相組織は、走査型電子顕微鏡を用いて組織を観察し、基地相中のパーライト相分率（面積率）を測定した。また、基地相中のパーライト相硬さは、ビッカース硬さ計を用いて荷重0.1kgfで、10個所測定し、平均値をそのパーライト相硬さとした。また、圧環強さは、JIS Z 2507の規定に準拠して求めた。また、刃具摩耗は、試験材（バルブシート：外径φ29×φ23mm、肩肉３mm）を図１に示すように、チャックに挟み、刃具として超硬チップを用いて、下記条件で切削試験を実施し、刃具摩耗（μｍ）を測定した。

（１）方向：プランジ
（２）回転数：780rpm
（３）送り：0.08mm／rev
（４）切り込み：１mm
（５）切削本数：30本
得られた結果を表２に示す。

Bi、Te、SeおよびSn のうちの１種または２種以上を含有する本発明例（焼結体No. 1〜No.25、およびNo.32〜No.41）はいずれも、基地相中のパーライト相硬さが300HV0.1以上と高く、刃具摩耗量が10〜28μｍであり、これら元素を含まない比較例では刃具摩耗量が39μｍ（焼結体No.54）、41μｍ（焼結体No.58）、50μｍ（焼結体No.58）に比べて、
刃具摩耗が顕著に低減され、被削性が顕著に向上していることがわかる。また、被削性改善用粒子を含む場合においても本発明例（焼結体No.26〜No.31、No.42、No.43）では、刃具摩耗量が11〜24μｍであり、Bi等の元素を含まない比較例（焼結体No.52、No.53）の刃具摩耗量が32〜34μｍであるのに比べて、刃具摩耗が顕著に低減され、被削性が改善ししていることがわかる。また、焼結体No.44（本発明例）と焼結体No.59（比較例）とを比較することにより、硬質粒子を含む場合にも、同様に被削性が向上していることがわかる。

また、Bi、Te、SeおよびSn のうちの１種または２種以上の合計含有量が本発明の範囲を外れる比較例（焼結体No.60、No.61）は、刃具摩耗が大きいか、あるいは圧環強さが低下している。同様に、Ｃ含有量が本発明の範囲を外れる比較例（焼結体No.62、No.63）は、刃先欠けが見られた。

Biを含有する場合の基地相中のパーライト相組織の一例を示す組織写真である。 Biを含有しない場合の基地相中のパーライト相組織の一例を示す組織写真である。実施例で使用した刃具摩耗試験の要領を模式的に示す説明図である。

Claims

鉄基焼結合金製バルブシートであって、質量％で、Ｃ：0.1〜2.0％と、Bi、Te、Se、Snのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で0.001〜0.5％含有し、残部実質的にFeからなる基地相組成と、面積率で20％以上のパーライト相を含む基地相組織とを有し、該パーライト相が300HV0.1以上の硬さを有する被削性に優れた鉄基焼結合金で構成されてなることを特徴とするバルブシート。
前記基地相組成に加えてさらに、質量％で、Cu：20％以下を含有する基地相組成を有することを特徴とする請求項１に記載のバルブシート。
前記基地相組成に加えてさらに、質量％で、Ni、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Coのうちから選ばれた１種、または２種以上を合計で15％以下含有する基地相組成を有することを特徴とする請求項１または２に記載のバルブシート。
前記鉄基焼結合金の基地相中に、被削性改善用粒子を面積率で10％以下分散させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のバルブシート。
前記鉄基焼結合金の基地相中に、硬質粒子を面積率で40％以下分散させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバルブシート。