JP2004522860A - バルブシート挿入物用の機械加工性の高い鉄ベースの焼結合金 - Google Patents

Abstract

鉄の焼結バルブシート材料は、焼結硬化性の相および細かく分散されたカーバイド相を含む混合された粉末から作られる。粉末混合物は、混合物の７５重量％から９０重量％を形成する焼結硬化性の予め合金にされた粉末、および混合物の５％から２５％を形成する細かく分散されたカーバイドを備えた工具鋼粉末を含む。ＭｎＳ、ＣａＦ₂またはＭｏＳ₂の種類の機械加工性添加剤が、１重量％から５重量％の量で添加される。成形体を２５重量％までのＣｕに溶浸することによって、熱伝導性が向上する。

Description

【技術分野】
【０００１】
発明の背景
この発明は、一般に内燃エンジン用のバルブシート挿入物を作るために使用される鉄ベースの焼結合金の組成に関する。
【背景技術】
【０００２】
バルブシート挿入物（ＶＳＩ）は、非常に過酷な環境で作動する。バルブシート挿入物合金は、バルブシートの嵌合面によって引起こされる摩耗および／または凝着に対する耐性、高い動作温度による軟化および劣化に対する耐性、および燃焼産物によって引起こされる腐食による劣化に対する耐性を必要とする。
【０００３】
バルブシート挿入物は、シリンダヘッドに挿入されてから機械加工される。バルブシート挿入物の機械加工費は、シリンダヘッドの機械加工費全体の大きな一因である。このことによって、バルブシート挿入物合金の設計に大きな問題が生じる。なぜなら、硬質の材料相は、合金に耐摩耗性を与えるのと同時に、機械加工動作中に切削工具をひどく磨耗させるためである。
【０００４】
焼結合金は、乗用車のエンジンで使用されるバルブシート挿入物の大半において、鋳造合金に取って代わってきた。粉末冶金（加圧成形および焼結）は、非常に魅力的なＶＳＩ製造プロセスである。なぜなら、カーバイド、柔らかいフェライト相またはパーライト相、硬く、Ｃｕを多量に含むマルテンサイト相などの非常に異なる相の共存を可能にする合金化の可撓性、および機械加工費を低減するニアネットシェイプ成形性が粉末冶金にはあるためである。
【０００５】
焼結バルブシート合金は、大きな熱負荷および機械的な負荷につながる高い出力密度、排出量低減のための代替燃料、およびエンジンの長寿化の需要に応答して発展してきた。これら焼結合金には、主に以下の４つの種類がある。
【０００６】
１） １００％工具鋼
２） 耐摩耗性を向上するために硬質相の粒子を加えた、純鉄または低合金鉄マトリックス
３） 高炭素、高クロム（＞１０重量％）鋼、
４） Ｃｏベース合金およびＮｉベース合金。
【０００７】
これら材料は、耐久性の要件の大半を満たしている。しかしながら、これらはみな、高いパーセンテージで機械加工剤を添加して使用しても機械加工が難しい。
【０００８】
種類１、２および３は、カーバイドを多く含む材料である。米国特許第６，１３９，５９９号、５，８５９，３７６号、６，０８２，３１７号、５，８９５，５１７号等は、パーライトが主である相（５％から１００％がパーライト）に硬質粒子が分散され、単離した細かいカーバイドおよび自己潤滑化合物を備えた、排気バルブシート用の鉄ベースの焼結合金を記載している。
【０００９】
合金中のカーバイドの量およびサイズを増やすと、耐久性は向上するが、処理（圧縮性および未処理強度）および完成バルブシート挿入物の機械加工性に悪影響を及ぼす。さらに、焼結製品の強度は、大量のカーバイドまたは硬質粒子が存在すると大きく低下する。
【００１０】
米国特許第６，１３９，５９８号は、圧縮性、耐高温摩耗性および機械加工性をうまく組合せたバルブシート挿入物材料を提示している。この材料を製造するために使用される混合物は、ＣｒおよびＮｉ（＞２０％のＣｒおよび＜１０％のＮｉ）、Ｎｉ粉末、Ｃｕ、フェロアロイ粉末、工具鋼粉末および固体潤滑剤粉末を含む鋼粉末の複合配合物である。この材料は、圧縮性および耐摩耗性を大きく改良し得るが、合金元素の含有率が高いことは、材料費が高いこと（Ｎｉ、工具鋼、Ｃｒを多量に含む鋼粉末、フェロアロイ）を意味する。
【００１１】
米国特許第６，０８２，３１７号は、コバルトベースの硬質粒子が鉄ベース合金マトリックスに分散されたバルブシート挿入物材料を提示する。従来の硬質粒子（カーバイド）に比べ、コバルトベースの硬質粒子は摩耗しにくいといわれ、嵌合するバルブの摩耗の低減につながる。この材料は、内燃エンジンで使用される場合のように、バルブの金属面とバルブシートとの直接的な接触を必要とする用途に好適であるとされている。Ｃｏ合金は、特性のバランスがとれているが、Ｃｏの価格のため、これらの合金を自動車に応用するには費用がかかりすぎる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
詳細な説明
この発明は、優れた機械加工性および高い耐熱性ならびに耐摩耗性を備えた加圧された焼結合金を提供することで、上述の欠点すべてに対処する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明は、強度が高く炭素の少ないマルテンサイト系マトリックス、細かく分散されたカーバイド、機械加工性添加剤および空孔を充填するＣｕを多量に含む相のネットワークの独自の組合せを提示することで、機械加工性の問題を解決する。
【００１４】
硬質のマルテンサイト系マトリックスに分散される硬質粒子の量は比較的少ないため、合金の費用が低減される。
【００１５】
この発明によると、焼結硬化性合金は、２から５重量％のＣｒ、０から３重量％のＭｏ、０から２重量％のＮｉを含むマトリックスを有し、残部は鉄からなり、この中でこれら元素が十分に予め合金にされることが望ましい。耐摩耗性および耐熱性を向上するため、５から２５重量％の工具鋼が加えられ、ＭｎＳ、ＣａＦ₂またはＭｏＳ₂のグループの切削性添加剤のうちの少なくとも１つが１重量％から５重量％の量で加えられる。熱伝導性を大きく向上するために、空孔は、焼結中に成形体の溶浸によって加えられる１０から２５重量％の量のＣｕ合金によって充填される。Ｃｕ溶浸によって、合金の機械加工性も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明をさらに十分に理解できるようにするため、鍵となる特性を提示し、従来の典型的なバルブシート挿入物材料の特性と比較する。例示的な材料の粉末配合の組成を表１に示し、特性を表２に示す。
【００１７】
【表１】

【００１８】
表１の中で、Ｆｅは、混合物中で使用される、純粋な鉄粉末または合金鋼粉末であるベース粉末を示す。工具鋼粉末は、混合物の第２の成分であり、これは、Ｍ２またはＭ３／２の種類の工具鋼粉末として混ぜられる。Ｃｕは、焼結中の成形体の溶浸によって添加される。黒鉛および固体潤滑剤は、元素粉末として混合体に添加される。
【００１９】
これらすべての粉末は、蒸発性潤滑剤と混合され、６．８ｇ／ｃｍ³で圧縮され、１１２０℃（２０５０°Ｆ）で焼結される。焼結後、５５０℃の窒素雰囲気中での焼戻しによって熱処理が行なわれる。
【００２０】
処理後、重要な特性を各合金の典型的なサンプルで判定した。機械加工性は、例示的な材料で製造された２０００個のバルブシート挿入物を正面研削およびプランジ研削することによって評価した。研削５０回ごとに工具の摩耗を測定した。摩耗と研削回数とをグラフに表わし、線形回帰分析を行なった。回帰線の傾斜は、摩耗率を示し、機械加工性の基準として報告した。さらに、各機械加工性試験の終りに、挿入側研削端縁で傷の深さを測定した。傷の深さは、試験された材料の機械加工性を示すものとして報告した。
【００２１】
高温滑り摩耗装置の中で、合金耐熱間摩耗性の基準が得られた。試験材料でできた研削された長方形の棒材が固定され、このサンプルの研削された平坦な表面上でアルミナ球を滑らせて往復運動させた。試験中、試験サンプルは４５０℃に維持された。傷の深さは、これら条件におけるサンプルの耐摩耗性を示す。
【００２２】
同じ温度で少なくとも５つの読取値を記録し、その結果を平均することによって、熱間硬さを異なるサンプル温度で測定した。
【００２３】
ある所与の温度における特定の熱容量、熱拡散率および密度の測定された値を乗ずることによって、熱伝導性の値を計算した。
【００２４】
表２は、５倍以上の工具鋼を組成中に含む既存のバルブシート挿入物材料と比較した、新材料の特性を概略的に示す。発明された材料（「新合金」）は、同じ耐熱間摩耗性および同等の熱間硬さ耐性を備えた例示的な材料よりも、２．５倍から３．７倍機械加工性に優れる。
【００２５】
【表２】

【００２６】
排気用バルブシート挿入物の予想される最大作動温度が約３５０℃であることを考えると、表２に示される結果から、新材料が、バルブシート材料Ｂよりも性能がよく、バルブシート材料Ａとほぼ同じ性能を持ち、かつ材料Ａよりもはるかに高い機械加工性を示すことがはっきりとわかる。機械加工性、費用、熱伝導性および耐摩耗性が組合わさった効果のため、この材料は、エンジン用の費用のかかる製品を置換えるのに理想的なバルブシート挿入物材料である。
【００２７】
上述の教示に照らすと、この発明の多くの変形および修正が可能であることは明らかである。したがって、特許請求の範囲内で、具体的に示された以外の態様でこの発明を実現することが可能であることを理解されたい。この発明は、特許請求の範囲によって規定される。

Claims (32)

1. 内燃エンジン用の焼結硬化性粉末金属バルブシート材料であって、混合物を含み、前記混合物は、
   前記混合物の７５重量％から９０重量％を形成する焼結硬化性鉄粉末と、
   工具鋼粉末と、
   固体潤滑剤と、
   焼結中に溶浸によって添加されるＣｕとを含む、焼結硬化性粉末金属バルブシート材料。
2. 前記工具鋼は、５重量％から２５重量％の割合で混合される、請求項１に記載の材料。
3. 前記工具鋼は、Ｍ２およびＭ３／２の工具鋼からなるグループから選択される、請求項１に記載の材料。
4. 前記工具鋼は、Ｍ２工具鋼からなる、請求項１に記載の材料。
5. 前記鉄粉末は、２重量％から５重量％のＣｒと予め合金にされる、請求項１に記載の材料。
6. 前記鉄粉末は、０重量％から３重量％のＭｏおよび０重量％から２重量％のＮｉとさらに予め合金にされる、請求項５に記載の材料。
7. 次の組成物；
   ２重量％から５重量％のＣｒ、０重量％から３重量％のＭｏおよび０重量％から２重量％のＮｉと予め合金にされる、７５重量％から９０％の鉄粉末；
   ５重量％から２５重量％のＭ２工具鋼粉末；
   ＭｎＳ、ＣａＦ₂およびＭｏＳ₂からなるグループのうちの１つまたは複数から選ばれる、１重量％から５重量％の固体潤滑剤；および
   焼結中に溶浸によって添加される、残りの構成成分の１０重量％から２５重量％のＣｕ、
   を含む、請求項１に記載の材料。
8. 前記鉄粉末は、８９重量％の量で存在する、請求項７に記載の混合物。
9. 前記Ｍ２工具鋼は、８重量％の量で存在する、請求項７に記載の混合物。
10. 前記固体潤滑剤は、３重量％の量で存在する、請求項７に記載の混合物。
11. 前記Ｃｕは、前記混合物の前記残りの構成成分の２０重量％の量で存在する、請求項７に記載の混合物。
12. 次の組成物；
    ８９重量％の前記鉄粉末；
    ８重量％の前記Ｍ２工具鋼；
    ３重量％の前記固体潤滑剤；および
    ２０重量％の溶浸されるＣｕ、
    を含む、請求項７に記載の混合物。
13. 機械加工性が向上され、耐摩耗性および高い熱伝導性を備えた、内燃エンジン用の焼結
    バルブシート挿入物材料であって、前記材料は、Ｃｒベースの焼結硬化性合金粉末、工具鋼粉末、ならびに固体潤滑剤および焼結中に成形体の溶浸によって添加されるＣｕ、の混合物からなる、焼結バルブシート挿入物材料。
14. 急速冷却を伴わない従来の炉での焼結後、微小構造は完全にマルテンサイト系であることを特徴とする、請求項１３に記載の材料。
15. 前記工具鋼は、前記混合物に５％から２５％だけの割合で混合されることを特徴とする、請求項１３に記載の材料。
16. ２重量％から５重量％のＣｒ、０から２重量％のＮｉ、０から３重量％のＭｏと予め合金にされる、７５％から９０％の焼結硬化性鉄粉末と、
    ５重量％から２５重量％のＭ２工具鋼粉末と、
    ＭｎＳ、ＣａＦ₂、ＭｏＳ₂のグループの、１重量％から５重量％の固体潤滑剤と、
    焼結中に固体ブランクの溶浸によって添加される、１０重量％から２５重量％のＣｕとを含む混合物組成を特徴とする、請求項１３に記載の材料。
17. 良好な機械加工性、耐摩耗性および高い熱伝導性を示す、内燃エンジン用の焼結バルブシート挿入物であって、
    ある量の工具鋼粉末、固体潤滑剤および焼結中に溶浸によって添加されるある量のＣｕと混合されかつ焼結される２重量％から５重量％のＣｒを含む焼結硬化性の予め合金にされた、または混合されたＦｅ粉末マトリックスを含む、焼結バルブシート挿入物。
18. 急速な冷却を伴わない焼結後、完全にマルテンサイト系である微細構造を有する、請求項１７に記載の焼結バルブシート挿入物。
19. 前記工具鋼は、５重量％から２５重量％の割合で混合される、請求項１７に記載の焼結バルブシート。
20. 前記Ｆｅ粉末は、０重量％から３重量％のＭｏおよび０重量％から２重量％のＮｉをさらに含む、請求項１７に記載の焼結バルブシート。
21. 前記工具鋼は、５重量％から２５重量％の量で存在するＭ２工具鋼を含む、請求項２０に記載の焼結バルブシート。
22. 前記工具鋼は、８重量％の量で存在する、請求項２１に記載の焼結バルブシート。
23. 前記固体潤滑剤は、ＭｎＳ、ＣａＦ₂およびＭｏＳ₂からなるグループのうちの１つまたは複数から選ばれ、かつ１重量％から５重量％の量で存在する、請求項２０に記載の焼結バルブシート。
24. 前記固体潤滑剤は、３重量％の量で存在する、請求項２３に記載の焼結バルブシート。
25. 前記Ｃｕは、前記混合物のその他の構成成分の１０重量％から２５重量％の量で溶浸される、請求項２０に記載の焼結バルブシート。
26. 前記Ｃｕは、２０重量％の量で溶浸される、請求項２５に記載の焼結バルブシート。
27. 良好な機械加工性、耐摩耗性および高い熱伝導性を示す、内燃エンジン用の焼結粉末金属バルブシート挿入物を作る方法であって、
    Ｃｒベースの焼結硬化性鉄粉末を工具鋼粉末および固体潤滑剤と混合するステップと、
    前記混合物を成形および焼結するステップと、
    焼結中に、成形体をＣｕで溶浸するステップとを含む、方法。
28. 前記焼結された成形体を急冷することなく焼結後に冷却させることによって、完全にマルテンサイト系である微小構造が生ずる、請求項２７に記載の方法。
29. 前記工具鋼は、５重量％から２５重量％の量で添加される、請求項２７に記載の方法。
30. 前記混合物は、次の組成物；
    ７５重量％から９０重量％のＣｒベースの鉄粉末；
    ５重量％から２５重量％のＭ２工具鋼；および
    １重量％から５重量％の固体潤滑剤から準備され、前記成形体の１０重量％から２５重量％の量の前記Ｃｕを溶浸する、請求項２７に記載の方法。
31. 前記Ｃｒベース鉄粉末は、２重量％から５重量％のＣｒ、０重量％から３重量％のＭｏおよび０重量％から２重量％のＮｉと組合されて、混合または予め合金にされた元素鉄粉末を含む、請求項３０に記載の方法。
32. 前記Ｃｒベース鉄粉末は、８９重量％の量で存在し、前記Ｍ２工具鋼は、８重量％の量で存在し、前記固体潤滑剤は、３重量％の量で存在し、前記Ｃｕは、焼結中に前記成形体の２０重量％の量で溶浸される、請求項３１に記載の方法。