JP7085661B1 - 鉄基焼結合金製バルブシート - Google Patents
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Abstract
【課題】腐食環境下での低温から高温までの広温度域での耐摩耗性に優れた鉄基焼結合金製バルブシートを提供する。【解決手段】本発明の鉄基焼結合金製バルブシートは、基地相と、前記基地相中に分散した、互いに異なる成分組成を有する第１硬質粒子及び第２硬質粒子と、を有し、前記基地相は、０．１～５．０質量％のＷを含有し、前記第１硬質粒子がＦｅ－Ｍｏ合金粒子であり、前記第２硬質粒子がＣｒを１０質量％以上含有する高Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粒子であることを特徴とする。【選択図】図１
Description
本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに圧入され、バルブを着座させる鉄基焼結合金製バルブシートに関する。
内燃機関でバルブを着座させるバルブシートには、燃焼室の気密性の保持に加えて、バルブのくり返し当接による摩耗に十分耐えられる耐摩耗性と、バルブ温度の上昇を抑制せしめる高い伝熱性（熱伝導性）とを有することが求められている。バルブシートは、高い製造性と低コストであることが求められることから、粉末冶金を利用した焼結合金製であることが一般的である。
特許文献１には、基地相中に、１２質量％以上のＣｒを含有する鉄合金の硬質粒子が分散した鉄基焼結合金製バルブシートが記載されている。特許文献１では、硬質粒子中のＣｒを積極的に基地相へ拡散させて拡散相を形成し、硬質粒子と拡散相の摺動面における占有率を高めることで、耐熱性、耐酸化性、及び耐摩耗性を向上させている。
特許文献２には、Ｆｅ－Ｍｏ－Ｓｉ合金からなる第一硬質粒子と、Ｆｅ－Ｃ－Ｃｒ－Ｍｏ－Ｖ合金からなる第二硬質粒子と、質量％で０．２～０．８％の固体潤滑剤とを分散させた鉄基焼結合金製バルブシートが記載されている。特許文献２では、固体潤滑剤の量を制限しつつ、硬さの異なる２種類の硬質粒子を分散させることで、幅広い温度域での耐摩耗性を向上させている。
特許文献３には、鉄基焼結合金の組織に対して、粒度の異なる２種類のＣｏ系合金硬質粒子を分散させることで、耐摩耗性、機械強度、切削性を向上させた鉄基焼結合金製バルブシートが記載されている。
しかしながら、特許文献１の焼結合金製バルブシートでは、硬質粒子の硬度が低下して、耐摩耗性が十分ではないという課題があった。また、特許文献３のように、基地や硬質粒子にＣｏを含有させると、密着性に優れた緻密な酸化皮膜の形成が阻害され、摺動面に酸化皮膜が形成されにくくなるため、耐摩耗性が十分ではないという課題があった。
また、近年、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関は、高圧縮化や高効率化により高温環境となっている。更に、ＥＧＲ率の上昇によって、腐食性物質（ガス、液体）が発生する環境となることが想定される。しかしながら、特許文献１～３をはじめとする従来の焼結合金製バルブシートでは、活性の高い腐食環境下における低温から高温までの広温度域での耐摩耗性が十分ではない課題があった。
そこで本発明は、上記課題に鑑み、腐食環境下での低温から高温までの広温度域での耐摩耗性に優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。
上記課題を解決すべく本発明者は鋭意研究を行い、以下の知見を得た。すなわち、基地相中に、互いに異なる成分組成を有する第１硬質粒子及び第２硬質粒子を分散させてなる焼結合金製バルブシートにおいて、（Ａ）第１硬質粒子としてＦｅ－Ｍｏ合金粒子を採用すること、（Ｂ）第２硬質粒子としてＣｒを１０質量％以上含有する高Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粒子を採用すること、及び（Ｃ）基地相中に所定量のＷを含有させることによって、腐食環境下での低温から高温までの広温度域での耐摩耗性を向上させることができることを見出した。これは、基地相中に含まれるＷが、高Ｃｒ含有合金粒子から基地相へのＣｒの拡散を抑制することによって、高Ｃｒ含有合金粒子の硬度低下が抑制されることによるものと考えられる。
上記知見に基づき完成された本発明の要旨構成は以下のとおりである。
［１］基地相と、
前記基地相中に分散した、互いに異なる成分組成を有する第１硬質粒子及び第２硬質粒子と、
を有する鉄基焼結合金製バルブシートであって、
前記基地相は、０．１～５．０質量％のＷを含有し、
前記第１硬質粒子がＦｅ－Ｍｏ合金粒子であり、
前記第２硬質粒子がＣｒを１０質量％以上含有する高Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粒子である、
ことを特徴とする鉄基焼結合金製バルブシート。
［１］基地相と、
前記基地相中に分散した、互いに異なる成分組成を有する第１硬質粒子及び第２硬質粒子と、
を有する鉄基焼結合金製バルブシートであって、
前記基地相は、０．１～５．０質量％のＷを含有し、
前記第１硬質粒子がＦｅ－Ｍｏ合金粒子であり、
前記第２硬質粒子がＣｒを１０質量％以上含有する高Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粒子である、
ことを特徴とする鉄基焼結合金製バルブシート。
［２］前記第１硬質粒子が、質量％で、Ｍｏ：４０～７０％、Ｓｉ：２．０％以下、及びＣ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｍｏ合金粒子である、上記［１］に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
［３］前記第２硬質粒子が、以下の（ｉ）～（ｉｉｉ）から選択された少なくとも一種である、上記［１］又は［２］に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
（ｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：４～２０％、及びＣ：３．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ合金粒子
（ｉｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：８～２０％、Ｗ：５～２０％、及びＣ：３．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｗ合金粒子
（ｉｉｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：４～６％、Ｓｉ：０．５～２．０％、及びＣ：１．０～２．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｓｉ－Ｃ合金粒子
（ｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：４～２０％、及びＣ：３．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ合金粒子
（ｉｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：８～２０％、Ｗ：５～２０％、及びＣ：３．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｗ合金粒子
（ｉｉｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：４～６％、Ｓｉ：０．５～２．０％、及びＣ：１．０～２．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｓｉ－Ｃ合金粒子
［４］前記第１硬質粒子及び前記第２硬質粒子の総含有量が２０～４０質量％である、上記［１］～［３］のいずれか一項に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
［５］前記第１硬質粒子の含有量が１０質量％以上である、上記［１］～［４］のいずれか一項に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
［６］前記第２硬質粒子の含有量が７質量％以上である、上記［１］～［５］のいずれか一項に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
［７］前記鉄基焼結合金の全体の成分組成が、質量％で、Ｃｒ：２．０～７．０％、Ｎｉ：０．５～３．０％、Ｍｏ：８．０～２０．０％、Ｗ：０．１～５．０％、Ｖ：０．１～２．０％、Ｃ：１．５％以下、及びＳｉ：２．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、上記［１］～［６］のいずれか一項に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
［８］固体潤滑剤を０．５～３．０質量％含有する、上記［１］～［７］のいずれか一項に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
本発明の鉄基焼結合金製バルブシートは、腐食環境下での低温から高温までの広温度域での耐摩耗性に優れる。
本発明の一実施形態による鉄基焼結合金製バルブシートは、内燃機関のシリンダヘッドに圧入され、バルブを着座させるものである。図１は、本発明の一実施形態による鉄基焼結合金製バルブシート１０の断面構造を示しており、リング状の構造を有し、その内周側に、バルブフェイスにくり返し当接するシート面１０Ａを有している。図２は、本発明の他の実施形態による鉄基焼結合金製バルブシート２１の断面構造を示している。図２は、バルブにくり返し当接するリング状のシート層（鉄基焼結合金製バルブシート２１）と、シリンダヘッドに接するリング状の支持層２２とが一体化された２層構造のバルブシート２０に関する。シート層２１の内周側に、バルブフェイスにくり返し当接するシート面２１Ａを有している。２層構造のバルブシート２０において、バルブにくり返し当接するシート層が、本発明の一実施形態による鉄基焼結合金製バルブシート２１を構成する。
本発明の一実施形態による鉄基焼結合金製バルブシート１０，２１は、基地相と、前記基地相中に分散した、互いに異なる成分組成を有する第１硬質粒子及び第２硬質粒子と、を有する。
［基地相］
基地相は、Ｗ含有合金粉を必須で含み、さらに純鉄粉及び低合金粉の一方又は両方を任意で含む原料粉末を加圧・焼結してなる鉄基焼結合金である。
基地相は、Ｗ含有合金粉を必須で含み、さらに純鉄粉及び低合金粉の一方又は両方を任意で含む原料粉末を加圧・焼結してなる鉄基焼結合金である。
Ｗ含有合金粉としては、Ｗ含有Ｃｏレスのハイス鋼粉末が好ましく、特に、ＪＩＳ Ｇ ４４０３（２０１５）によるＳＫＨ鋼粉末が好ましく、その中でも、ＳＫＨ５０、ＳＫＨ５１、ＳＫＨ５２、ＳＫＨ５３、ＳＫＨ５４、及びＳＫＨ５８が好ましい。
ＳＫＨ５０は、質量％で、Ｃ：０．７７～０．８７％、Ｓｉ：０．７０％以下、Ｍｎ、０．４５％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．５０～４．５０％、Ｍｏ：８．００～９．００％、Ｗ：１．４０～２．００％、Ｖ：１．００～１．４０％、及びＣｕ：０．２５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する。
ＳＫＨ５１は、質量％で、Ｃ：０．８０～０．８８％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ、０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０～４．５０％、Ｍｏ：４．７０～５．２０％、Ｗ：５．９０～６．７０％、Ｖ：１．７０～２．１０％、及びＣｕ：０．２５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する。
ＳＫＨ５２は、質量％で、Ｃ：１．００～１．１０％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ、０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０～４．５０％、Ｍｏ：５．５０～６．５０％、Ｗ：５．９０～６．７０％、Ｖ：２．３０～２．６０％、及びＣｕ：０．２５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する。
ＳＫＨ５３は、質量％で、Ｃ：１．１５～１．２５％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ、０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０～４．５０％、Ｍｏ：４．７０～５．２０％、Ｗ：５．９０～６．７０％、Ｖ：２．７０～３．２０％、及びＣｕ：０．２５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する。
ＳＫＨ５４は、質量％で、Ｃ：１．２５～１．４０％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ、０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０～４．５０％、Ｍｏ：４．２０～５．００％、Ｗ：５．２０～６．００％、Ｖ：３．７０～４．２０％、及びＣｕ：０．２５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する。
ＳＫＨ５８は、質量％で、Ｃ：０．９５～１．０５％、Ｓｉ：０．７０％以下、Ｍｎ、０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．５０～４．５０％、Ｍｏ：８．２０～９．２０％、Ｗ：１．５０～２．１０％、Ｖ：１．７０～２．２０％、及びＣｕ：０．２５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する。
ＳＫＨ５０は、質量％で、Ｃ：０．７７～０．８７％、Ｓｉ：０．７０％以下、Ｍｎ、０．４５％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．５０～４．５０％、Ｍｏ：８．００～９．００％、Ｗ：１．４０～２．００％、Ｖ：１．００～１．４０％、及びＣｕ：０．２５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する。
ＳＫＨ５１は、質量％で、Ｃ：０．８０～０．８８％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ、０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０～４．５０％、Ｍｏ：４．７０～５．２０％、Ｗ：５．９０～６．７０％、Ｖ：１．７０～２．１０％、及びＣｕ：０．２５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する。
ＳＫＨ５２は、質量％で、Ｃ：１．００～１．１０％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ、０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０～４．５０％、Ｍｏ：５．５０～６．５０％、Ｗ：５．９０～６．７０％、Ｖ：２．３０～２．６０％、及びＣｕ：０．２５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する。
ＳＫＨ５３は、質量％で、Ｃ：１．１５～１．２５％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ、０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０～４．５０％、Ｍｏ：４．７０～５．２０％、Ｗ：５．９０～６．７０％、Ｖ：２．７０～３．２０％、及びＣｕ：０．２５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する。
ＳＫＨ５４は、質量％で、Ｃ：１．２５～１．４０％、Ｓｉ：０．４５％以下、Ｍｎ、０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．８０～４．５０％、Ｍｏ：４．２０～５．００％、Ｗ：５．２０～６．００％、Ｖ：３．７０～４．２０％、及びＣｕ：０．２５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する。
ＳＫＨ５８は、質量％で、Ｃ：０．９５～１．０５％、Ｓｉ：０．７０％以下、Ｍｎ、０．４０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：３．５０～４．５０％、Ｍｏ：８．２０～９．２０％、Ｗ：１．５０～２．１０％、Ｖ：１．７０～２．２０％、及びＣｕ：０．２５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する。
低合金粉としては、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｏからなる合金元素の１種以上を合計で５質量％以下含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するものであればよく、例えば、質量％で、Ｃｒ：１．０～３．０％及びＭｏ：０．５～３．０％を、その合計量が５％以下となるように含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するものなどを好ましく用いることができる。
なお、Ｗ含有合金粉、純鉄粉、及び低合金粉の配合比は、特に限定されず、基地相が後述のＷ量を有し、かつ、第１硬質粒子及び第２硬質粒子を含む全体の成分組成が後述の範囲を満たすように、適宜設定すればよい。
Ｗ含有合金粉及び低合金粉は、プレアロイ粉でもよく、プレアロイ粉以外（鉄粉に各合金元素の金属粉末（カルボニルニッケル粉末、モリブデン粉末など）、フェロアロイ粉末、及び黒鉛粉末の１種以上を混合した混合粉）でもよい。また、基地相となる原料粉末（Ｗ含有合金粉、純鉄粉、及び低合金粉）は、アトマイズ粉末であることが好ましく、プレス成形機で加圧成形する際の成形性の観点から、特に水アトマイズによる不規則な非球形粉末が好ましい。原料粉末（Ｗ含有合金粉、純鉄粉、及び低合金粉）のメジアン径は特に限定されず、例えば１０～２５０μｍの範囲内とすることができる。メジアン径は、その粒子径と累積体積（特定の粒子径以下の粒子体積を累積した値）との関係を示す曲線において、５０％の累積体積に対応する粒子径ｄ５０を表し、例えば、マイクロトラック・ベル株式会社のＭＴ３０００ＩＩシリーズを用いて測定できる。
本実施形態では、基地相が０．１～５．０質量％のＷを含有することが肝要である。基地相中に含まれるＷが、後述の第２硬質粒子（高Ｃｒ含有合金粒子）から基地相へのＣｒの拡散を抑制することによって、高Ｃｒ含有合金粒子の硬度低下が抑制され、腐食環境下での低温から高温までの広温度域での耐摩耗性を向上させることができる。基地相中にＷ量が０．１質量％未満の場合、この作用効果を十分に得ることができない。よって、基地相中のＷ量は０．１質量％以上とし、好ましくは０．４質量％以上とする。他方で、基地相中のＷ量が過多の場合、基地相が過度に硬くなってバルブ摩耗増加やバルブシートの加工性が悪くなる。よって、基地相中のＷ量は５．０質量％以下とし、好ましくは４．５質量％以下とする。
［第１硬質粒子］
本実施形態において、第１硬質粒子はＦｅ－Ｍｏ合金粒子であり、好ましくは、質量％で、Ｍｏ：４０～７０％、Ｓｉ：２．０％以下、及びＣ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｍｏ合金粒子である。この第１硬質粒子は、腐食環境下での２００℃以下の低温における耐摩耗性の向上に寄与する。なお、Ｓｉ量は０．４質量％以上であることが好ましい。
本実施形態において、第１硬質粒子はＦｅ－Ｍｏ合金粒子であり、好ましくは、質量％で、Ｍｏ：４０～７０％、Ｓｉ：２．０％以下、及びＣ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｍｏ合金粒子である。この第１硬質粒子は、腐食環境下での２００℃以下の低温における耐摩耗性の向上に寄与する。なお、Ｓｉ量は０．４質量％以上であることが好ましい。
第１硬質粒子は、特に限定されないが１０～２５０μｍのメジアン径を有することができる。また、第１硬質粒子は、特に限定されないが８００～１６００Ｈｖのビッカース硬さを有することができる。
［第２硬質粒子］
本実施形態において、第２硬質粒子は、Ｃｒを１０質量％以上含有する高Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粒子であることが肝要である。第２硬質粒子として、Ｃｒを１０質量％以上含有する高Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粒子を採用しつつ、既述のとおり、基地相中に所定量のＷを含有させることによって、第２硬質粒子から基地相へのＣｒの拡散が抑制され、第２硬質粒子の硬度低下が抑制される。その結果、腐食環境下での低温から高温までの広温度域での耐摩耗性を向上させることができる。
本実施形態において、第２硬質粒子は、Ｃｒを１０質量％以上含有する高Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粒子であることが肝要である。第２硬質粒子として、Ｃｒを１０質量％以上含有する高Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粒子を採用しつつ、既述のとおり、基地相中に所定量のＷを含有させることによって、第２硬質粒子から基地相へのＣｒの拡散が抑制され、第２硬質粒子の硬度低下が抑制される。その結果、腐食環境下での低温から高温までの広温度域での耐摩耗性を向上させることができる。
第２硬質粒子の成分組成は、Ｃｒ量が１０質量％以上である限り特に限定されないが、好適には以下のものを採用することができる。
（ｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：４～２０％、及びＣ：３．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ合金粒子
（ｉｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：８～２０％、Ｗ：５～２０％、及びＣ：３．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｗ合金粒子
（ｉｉｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：４～６％、Ｓｉ：０．５～２．０％、及びＣ：１．０～２．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｓｉ－Ｃ合金粒子
第２硬質粒子のＣｒ量は２０質量％以上であることが好ましく、上記（ｉ）～（ｉｉｉ）の粒子においてもＣｒ量は２０質量％以上であることが好ましい。
（ｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：４～２０％、及びＣ：３．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ合金粒子
（ｉｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：８～２０％、Ｗ：５～２０％、及びＣ：３．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｗ合金粒子
（ｉｉｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：４～６％、Ｓｉ：０．５～２．０％、及びＣ：１．０～２．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｓｉ－Ｃ合金粒子
第２硬質粒子のＣｒ量は２０質量％以上であることが好ましく、上記（ｉ）～（ｉｉｉ）の粒子においてもＣｒ量は２０質量％以上であることが好ましい。
第２硬質粒子は、特に限定されないが１０～２５０μｍのメジアン径を有することができる。また、第２硬質粒子は、特に限定されないが５５０～１２００Ｈｖのビッカース硬さを有することができる。
［硬質粒子の含有量］
腐食環境下での耐摩耗性をより十分に向上させる観点から、第１硬質粒子及び第２硬質粒子の総含有量は２０質量％以上であることが好ましく、２５質量％以上であることがより好ましい。また、焼結性を悪化させず、十分な強度を確保する観点から、第１硬質粒子及び第２硬質粒子の総含有量は４０質量％以下であることが好ましく、３５質量％以下であることがより好ましい。
腐食環境下での耐摩耗性をより十分に向上させる観点から、第１硬質粒子及び第２硬質粒子の総含有量は２０質量％以上であることが好ましく、２５質量％以上であることがより好ましい。また、焼結性を悪化させず、十分な強度を確保する観点から、第１硬質粒子及び第２硬質粒子の総含有量は４０質量％以下であることが好ましく、３５質量％以下であることがより好ましい。
腐食環境下での耐摩耗性をより十分に向上させる観点から、第１硬質粒子の含有量は１０質量％以上であることが好ましく、１２質量％以上であることがより好ましい。また、焼結性を悪化させず、十分な強度を確保する観点から、第１硬質粒子の含有量は３３質量％以下であることが好ましく、２５質量％以下であることがより好ましい。
腐食環境下での耐摩耗性をより十分に向上させ、かつ、耐熱性を確保する観点から、第２硬質粒子の含有量は７質量％以上であることが好ましく、１０質量％以上であることがより好ましい。また、焼結性を悪化させず、十分な強度を確保する観点から、第２硬質粒子の含有量は３０質量％以下であることが好ましく、２５質量％以下であることがより好ましい。
［固体潤滑剤］
本実施形態において、自己潤滑効果を得る観点から、基地相は固体潤滑剤をさらに含んでもよい。固体潤滑剤は、Ｃ、ＢＮ、ＭｎＳ、ＭｏＳ２、ＣａＦ２、ＷＳ２、及びＳｉＯ２から選択される少なくとも一種であることが好ましい。なお、高温環境下での高い耐摩耗性を阻害しない観点から、固体潤滑剤の含有量は、鉄基焼結合金製バルブシートの全体に対して０．５～３．０質量％であることが好ましい。
本実施形態において、自己潤滑効果を得る観点から、基地相は固体潤滑剤をさらに含んでもよい。固体潤滑剤は、Ｃ、ＢＮ、ＭｎＳ、ＭｏＳ２、ＣａＦ２、ＷＳ２、及びＳｉＯ２から選択される少なくとも一種であることが好ましい。なお、高温環境下での高い耐摩耗性を阻害しない観点から、固体潤滑剤の含有量は、鉄基焼結合金製バルブシートの全体に対して０．５～３．０質量％であることが好ましい。
［相構成］
本実施形態による鉄基焼結合金製バルブシート１０，２１の相構成は、基地相と、第１硬質粒子及び第２硬質粒子からなる硬質相と、硬質相の合金元素が基地相に拡散して形成された合金拡散相と、からなる。基地相及び合金拡散相は、パーライト、マルテンサイト、ベイナイト、ソルバイト、オーステナイト、及び炭化物からなる組織を有し、基地相及び合金拡散相の合計の面積率は３０～７０％であることが好ましい。基地相は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ及びＦｅの１種又は２種以上の二次炭化物を含むことが好ましい。硬質相の面積率は、７０～３０％であることが好ましい。
本実施形態による鉄基焼結合金製バルブシート１０，２１の相構成は、基地相と、第１硬質粒子及び第２硬質粒子からなる硬質相と、硬質相の合金元素が基地相に拡散して形成された合金拡散相と、からなる。基地相及び合金拡散相は、パーライト、マルテンサイト、ベイナイト、ソルバイト、オーステナイト、及び炭化物からなる組織を有し、基地相及び合金拡散相の合計の面積率は３０～７０％であることが好ましい。基地相は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ及びＦｅの１種又は２種以上の二次炭化物を含むことが好ましい。硬質相の面積率は、７０～３０％であることが好ましい。
［全体の成分組成］
本実施形態では、鉄基焼結合金の全体の成分組成が、質量％で、Ｃｒ：２．０～７．０％、Ｎｉ：０．５～３．０％、Ｍｏ：８．０～２０．０％、Ｗ：０．１～５．０％、Ｖ：０．１～２．０％、Ｃ：１．５％以下、及びＳｉ：２．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることが好ましい。
本実施形態では、鉄基焼結合金の全体の成分組成が、質量％で、Ｃｒ：２．０～７．０％、Ｎｉ：０．５～３．０％、Ｍｏ：８．０～２０．０％、Ｗ：０．１～５．０％、Ｖ：０．１～２．０％、Ｃ：１．５％以下、及びＳｉ：２．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることが好ましい。
Ｃｒは、耐食性及び耐熱性に寄与する元素である。この効果を得る観点から、Ｃｒ量は２．０％以上とすることが好ましく、３．０％以上とすることがより好ましい。しかし、Ｃｒが過多の場合、成形性及び焼結性が低下し、強度が低下する。このため、Ｃｒ量は７．０％以下とすることが好ましく、６．０％以下とすることがより好ましい。
Ｎｉは、強度、耐食性、及び耐熱性に寄与する元素である。この効果を得る観点から、Ｎｉ量は０．５％以上とすることが好ましく、１．０％以上とすることがより好ましい。しかし、Ｎｉが過多の場合、残留オーステナイトが多くなり、硬度及び強度が低下する。このため、Ｎｉ量は３．０％以下とすることが好ましく、２．５％以下とすることがより好ましい。
Ｍｏは、耐摩耗性と酸化被膜の生成に寄与する元素である。この効果を得る観点から、Ｍｏ量は８．０％以上とすることが好ましく、１０．０％以上とすることがより好ましい。しかし、Ｍｏが過多の場合、バルブ攻撃性の増加や酸化の促進（耐食性の悪化）が懸念される。このため、Ｍｏ量は２０．０％以下とすることが好ましく、１５．０％以下とすることがより好ましい。
基地相に含まれるＷは、既述のとおり、第２硬質粒子から基地相へのＣｒの拡散を抑制するという、本発明において重要な役割を果たす。また、第２硬質粒子に含まれるＷは、第２硬質粒子の硬度を高めることに寄与する。基地相中のＷ量を０．１～５．０質量％とし、かつ、第２硬質粒子がＷを含む場合には第２硬質粒子の含有量をも考慮すると、本実施形態において、全体の成分組成におけるＷ量は０．１～５．０％であることが好ましく、０．３～３．０％であることがより好ましい。
Ｖは、炭化物や金属間化合物を形成して、硬さや耐摩耗性の向上に寄与する元素である。この効果を得る観点から、Ｖ量は０．１％以上とすることが好ましく、０．３％以上とすることがより好ましい。しかし、Ｖが過多の場合、炭化物や金属間化合物が過剰に形成されてバルブ攻撃性が高まる懸念がある。このため、Ｖ量は２．０％以下とすることが好ましく、１．８％以下とすることがより好ましい。
Ｃは、耐摩耗性及び焼結性に寄与する元素である。この効果を得る観点から、Ｃ量は０．５％以上とすることが好ましく、０．８％以上とすることがより好ましい。しかし、Ｃが過多の場合、炭化物が増加する。このため、Ｃ量は１．５％以下とすることが好ましく、１．５％以下とすることがより好ましい。
Ｓｉは、硬度の上昇により耐摩耗性の向上に寄与する元素である。この効果を得る観点から、Ｓｉ量は０．１％以上とすることが好ましい。しかし、Ｓｉが過多の場合、靭性が劣化する。このため、Ｓｉ量は２．０％以下とすることが好ましい。
鉄基焼結合金の全体の成分組成において、上記以外の残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる。固体潤滑剤が上記以外の元素を含有する場合、その元素は不可避的不純物として扱うものとする。
［鉄基焼結合金製バルブシートの製造方法］
次に、本発明の一実施形態による鉄基焼結合金製バルブシートを製造するための好適な方法について説明する。まず、基地相となる原料粉末（Ｗ含有合金粉、任意で純鉄粉及び低合金粉）と、基地相中に分散させる第１硬質粒子及び第２硬質粒子と、任意の固体潤滑剤粉末とを所定の比率で混合して、混合粉末を得る。
次に、本発明の一実施形態による鉄基焼結合金製バルブシートを製造するための好適な方法について説明する。まず、基地相となる原料粉末（Ｗ含有合金粉、任意で純鉄粉及び低合金粉）と、基地相中に分散させる第１硬質粒子及び第２硬質粒子と、任意の固体潤滑剤粉末とを所定の比率で混合して、混合粉末を得る。
Ｗ含有合金粉、純鉄粉、及び低合金粉の配合比は、特に限定されず、基地相が上記のＷ量を有し、かつ、第１硬質粒子及び第２硬質粒子を含む全体の成分組成が後述の範囲を満たすように、適宜設定すればよい。
混合粉末中の第１硬質粒子及び第２硬質粒子の総含有量は、２０～４０質量％であることが好ましく、２５～３５質量％であることがより好ましい。混合粉末中の第１硬質粒子の含有量は、１０～３３質量％であることが好ましく、１２～２５質量％であることがより好ましい。混合粉末中の第２硬質粒子の含有量は、７～３０質量％であることが好ましく、１０～２５質量％であることがより好ましい。混合粉末中の固体潤滑剤の含有量は、既述のとおり０．５～３．０質量％であることが好ましい。
混合粉末の合計量に対して、ステアリン酸塩等を０．５～２質量％、離型剤として添加してもよい。
混合粉末をプレス成形機で加圧成形して、圧粉成形体を得る。得られた圧粉成形体を、真空又は非酸化性もしくは還元性雰囲気中で焼結して、焼結体を得る。焼結温度は、１１００～１２００℃の範囲とすることが好ましい。なお、非酸化性又は還元性雰囲気としては、具体的にはＮＨ３ガス雰囲気、及び、Ｎ２とＨ２との混合ガス雰囲気を挙げることができる。前記焼結に引き続き、真空又は非酸化性もしくは還元性雰囲気中で前記焼結体を４５０～７５０℃で焼き戻してもよい。
［焼結合金製バルブシートの作製］
基地相となる原料粉末と、表１に記載の種類、配合量、及び硬度を有する第１硬質粒子と、表１に記載の種類、配合量、及び硬度を有する第２硬質粒子と、表１に記載の種類及び配合量を有する固体潤滑剤の粉末とを混合して、混合粉末を得た。混合粉末の合計量に対して、ステアリン酸塩を０．５質量％、離型剤として添加した。なお、基地相となる原料粉末としては、ＪＩＳ Ｇ ４４０３（２０１５）によるＳＫＨ鋼粉末と、低合金粉としてのＦｅ－Ｃｒ－Ｍｏ合金粉と、純鉄粉と、モリブデン粉末と、黒鉛粉末と、を適宜組み合わせて用いた。
基地相となる原料粉末と、表１に記載の種類、配合量、及び硬度を有する第１硬質粒子と、表１に記載の種類、配合量、及び硬度を有する第２硬質粒子と、表１に記載の種類及び配合量を有する固体潤滑剤の粉末とを混合して、混合粉末を得た。混合粉末の合計量に対して、ステアリン酸塩を０．５質量％、離型剤として添加した。なお、基地相となる原料粉末としては、ＪＩＳ Ｇ ４４０３（２０１５）によるＳＫＨ鋼粉末と、低合金粉としてのＦｅ－Ｃｒ－Ｍｏ合金粉と、純鉄粉と、モリブデン粉末と、黒鉛粉末と、を適宜組み合わせて用いた。
このようにして得た混合粉末をプレス成形機で、面圧６３７ＭＰａで圧縮・成形して、圧粉成形体とした。圧粉成形体を、温度１１００℃の真空雰囲気中で焼成して、引き続き６００℃で焼き戻して、外径３７．６ｍｍφ、内径２１．５ｍｍφ、厚さ１０ｍｍのリング状焼結体を作製した。さらに、機械加工により、軸方向から４５°傾斜したシート面を有する外径３５ｍｍφ、内径３０ｍｍφ、高さ７．０ｍｍのバルブシートサンプルを作製した。各発明例及び比較例において、バルブシートサンプル全体の成分組成と、基地相中のＷ量とを、表１に示す。
［腐食環境下での耐摩耗性の評価］
各発明例及び比較例のバルブシートサンプルを、８０℃の腐食液（ｐＨ１の硝酸）に３０分間浸漬し、その後、図３に示す単体摩耗試験機による叩き摩耗試験に供した。バルブシートサンプル３４は、シリンダヘッド相当材のバルブシートホルダ３２に圧入して試験機にセットされる。摩耗試験は、バーナー３１によりバルブ３３及びバルブシートサンプル３４を加熱しながら、カム３７の回転に連動してバルブ３３を上下させることによって行われる。なお、バルブシートサンプル３４には熱電対３５，３６を埋め込み、バルブシートサンプル３４の当たり面が所定の試験温度になるようにバーナー３１の火力を調節する。バルブシートサンプル３４はバルブ３３よって繰り返し叩かれることにより摩耗する。試験前後のバルブシートサンプル３４の形状を測定することにより、当たり面の後退量を算出し、摩耗量とした。バルブ３３は、上記バルブシートサンプルに適合するサイズのＳＵＨ３５合金（ＪＩＳ Ｇ ４３１１）製のものを使用した。試験条件としては、温度１５０～３５０℃、力ム回転数３０００ｒｐｍ、試験時間５時間とした。各発明例及び比較例での摩耗量を表１に示す。
各発明例及び比較例のバルブシートサンプルを、８０℃の腐食液（ｐＨ１の硝酸）に３０分間浸漬し、その後、図３に示す単体摩耗試験機による叩き摩耗試験に供した。バルブシートサンプル３４は、シリンダヘッド相当材のバルブシートホルダ３２に圧入して試験機にセットされる。摩耗試験は、バーナー３１によりバルブ３３及びバルブシートサンプル３４を加熱しながら、カム３７の回転に連動してバルブ３３を上下させることによって行われる。なお、バルブシートサンプル３４には熱電対３５，３６を埋め込み、バルブシートサンプル３４の当たり面が所定の試験温度になるようにバーナー３１の火力を調節する。バルブシートサンプル３４はバルブ３３よって繰り返し叩かれることにより摩耗する。試験前後のバルブシートサンプル３４の形状を測定することにより、当たり面の後退量を算出し、摩耗量とした。バルブ３３は、上記バルブシートサンプルに適合するサイズのＳＵＨ３５合金（ＪＩＳ Ｇ ４３１１）製のものを使用した。試験条件としては、温度１５０～３５０℃、力ム回転数３０００ｒｐｍ、試験時間５時間とした。各発明例及び比較例での摩耗量を表１に示す。
本発明の鉄基焼結合金製バルブシートは、腐食環境下での低温から高温までの広温度域での耐摩耗性に優れる。
１０ 鉄基焼結合金製バルブシート
１０Ａ シート面
２０ バルブシート
２１ シート層（鉄基焼結合金製バルブシート）
２１Ａ シート面
２２ 支持層
３１ バーナー
３２ バルブシートホルダ
３３ バルブ
３４ バルブシートサンプル
３５ 熱電対（高温側）
３６ 熱電対（低温側）
３７ カム
１０Ａ シート面
２０ バルブシート
２１ シート層（鉄基焼結合金製バルブシート）
２１Ａ シート面
２２ 支持層
３１ バーナー
３２ バルブシートホルダ
３３ バルブ
３４ バルブシートサンプル
３５ 熱電対（高温側）
３６ 熱電対（低温側）
３７ カム
Claims (8)
- 基地相と、
前記基地相中に分散した、互いに異なる成分組成を有する第１硬質粒子及び第２硬質粒子と、
を有する鉄基焼結合金製バルブシートであって、
前記基地相は、０．１～５．０質量％のＷを含有し、
前記第１硬質粒子がＦｅ－Ｍｏ合金粒子であり、
前記第２硬質粒子がＣｒを１０質量％以上含有する高Ｃｒ含有Ｆｅ系合金粒子である、
ことを特徴とする鉄基焼結合金製バルブシート。 - 前記第１硬質粒子が、質量％で、Ｍｏ：４０～７０％、Ｓｉ：２．０％以下、及びＣ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｍｏ合金粒子である、請求項１に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
- 前記第２硬質粒子が、以下の（ｉ）～（ｉｉｉ）から選択された少なくとも一種である、請求項１又は２に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
（ｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：４～２０％、及びＣ：３．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ合金粒子
（ｉｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：８～２０％、Ｗ：５～２０％、及びＣ：３．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｗ合金粒子
（ｉｉｉ）質量％で、Ｃｒ：１０～３０％、Ｎｉ：１０～１８％、Ｍｏ：４～６％、Ｓｉ：０．５～２．０％、及びＣ：１．０～２．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有するＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏ－Ｓｉ－Ｃ合金粒子 - 前記第１硬質粒子及び前記第２硬質粒子の総含有量が２０～４０質量％である、請求項１～３のいずれか一項に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
- 前記第１硬質粒子の含有量が１０質量％以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
- 前記第２硬質粒子の含有量が７質量％以上である、請求項１～５のいずれか一項に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
- 前記鉄基焼結合金の全体の成分組成が、質量％で、Ｃｒ：２．０～７．０％、Ｎｉ：０．５～３．０％、Ｍｏ：８．０～２０．０％、Ｗ：０．１～５．０％、Ｖ：０．１～２．０％、Ｃ：１．５％以下、及びＳｉ：２．０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、請求項１～６のいずれか一項に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
- 固体潤滑剤を０．５～３．０質量％含有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
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