JP2006316745A - 高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法及びそのバルブシート - Google Patents
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Abstract
【課題】 温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートを提供する。
【解決手段】 素地形成用原料粉末として、質量％で、Ｃ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：０．１〜３％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ：３〜８％、Ｃｒ：０．２〜３％、Ｎｂ：０．1〜３％、を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有するＦｅ基合金粉末、
硬質分散相形成用原料粉末として、同じく質量％で、Ｍｏ：２０〜３２％、Ｃｒ：５〜１０％、Ｓｉ：０．５〜４％、を含有し、残りがＣｏと不可避不純物からなる組成を有するＣｏ基合金粉末を使用し、上記Ｆｅ基合金粉末に上記Ｃｏ基合金粉末を、上記Ｆｅ基合金粉末との合量に占める割合で２０〜８０質量％配合、混合してなる混合粉末のプレス成形体を焼結した製造する。
【選択図】 図１
【解決手段】 素地形成用原料粉末として、質量％で、Ｃ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：０．１〜３％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ：３〜８％、Ｃｒ：０．２〜３％、Ｎｂ：０．1〜３％、を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有するＦｅ基合金粉末、
硬質分散相形成用原料粉末として、同じく質量％で、Ｍｏ：２０〜３２％、Ｃｒ：５〜１０％、Ｓｉ：０．５〜４％、を含有し、残りがＣｏと不可避不純物からなる組成を有するＣｏ基合金粉末を使用し、上記Ｆｅ基合金粉末に上記Ｃｏ基合金粉末を、上記Ｆｅ基合金粉末との合量に占める割合で２０〜８０質量％配合、混合してなる混合粉末のプレス成形体を焼結した製造する。
【選択図】 図１
Description
この発明は、ガスエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関の構造部材であるバルブシートにかかり、特に高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法及びそのバルブシートに関するものである。
ガスエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関のシリンダーヘッドには排気バルブおよび吸気バルブ用のバルブシートが設けられている。
このようなものとして、素地形成用原料粉末として、Ｃ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：０．１〜３％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ：３〜８％、Ｃｒ：０．２〜３％、を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成、および２０〜５０μｍの平均粒径を有するＦｅ基合金粉末、硬質分散相形成用原料粉末として、Ｍｏ：２０〜３２％、Ｃｒ：５〜１０％、Ｓｉ：０．５〜４％、を含有し、残りがＣｏと不可避不純物からなる組成、および２０〜５０μｍの平均粒径を有するＣｏ基合金粉末を使用し、上記Ｆｅ基合金粉末に上記Ｃｏ基合金粉末を、上記Ｆｅ基合金粉末との合量に占める割合で２５〜３５質量％配合し、混合してなる混合粉末のプレス成形体を焼結したものが知られている（例えば特許文献１）。
特開２００４−１２４１６２号公報
ガスエンジンやディーゼルエンジン、特に圧縮天然ガス又は液化石油ガスを燃料とするガスエンジンにおいてシリンダー内に吸入される燃料を含んだ空気は、ガソリンエンジに比較して乾燥している。そして、ガソリンエンジでは燃料を含んだ空気の湿度が比較的高いためにバルブシートにおけるシート面においては、燃料に伴う湿気によって潤滑性を発揮できる。これに対してガスエンジンやディーゼルエンジンでは、燃料を含んだ空気は比較的乾燥しているので、バルブシートにおけるシート面は乾燥状態となって潤滑性が低く、この結果シート面の耐久性が低下するおそれがある。特に近年のガスエンジンやディーゼルエンジンでは高出力化および大型化はめざましく、これに伴ない、耐久性に優れたバルブシートが要求されている。
このようにバルブシートは高温乾燥条件下での稼働をされるが、上記の従来バルブシートはじめ、その他多くのバルブシートを高温乾燥条件で用いた場合、摩耗進行が促進されるようになり、比較的短時間で使用寿命に至るおそれがある。
解決しようとする問題点は、高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートを提供する点である。
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に高温乾燥条件下での実用に際しても、すぐれた耐摩耗性を発揮するバルブシートを開発すべく研究を行なった結果、
（１）硬質分散相形成用原料粉末の量を２０〜８０質量％、好ましくは４０〜６０質量％とすると高温乾燥条件下で優れた耐摩性を発揮すること、
（２）素地形成用合金粉末として、Ｎｂ（ニオブ（融点２４６８±１０℃））を０．1〜３％添加すると、素地に微細炭化物が分散して耐磨耗性が向上すること、
（３）焼結後熱間又は冷間の鍛造することにより、硬質層の割合が増加しても、素地層と硬質層の密着性が向上し、素地層から硬質層の脱落が防止され、優れた耐摩性を発揮すること、
（４）さらにこれに少なくともシート面に熱間又は冷間の鍛造又は銅或いは銅合金を溶浸させることで、シート面の空孔率を低減せしめて耐久性が向上するようになること。
以上（１）〜（４）に示される研究結果を得たのである。
（１）硬質分散相形成用原料粉末の量を２０〜８０質量％、好ましくは４０〜６０質量％とすると高温乾燥条件下で優れた耐摩性を発揮すること、
（２）素地形成用合金粉末として、Ｎｂ（ニオブ（融点２４６８±１０℃））を０．1〜３％添加すると、素地に微細炭化物が分散して耐磨耗性が向上すること、
（３）焼結後熱間又は冷間の鍛造することにより、硬質層の割合が増加しても、素地層と硬質層の密着性が向上し、素地層から硬質層の脱落が防止され、優れた耐摩性を発揮すること、
（４）さらにこれに少なくともシート面に熱間又は冷間の鍛造又は銅或いは銅合金を溶浸させることで、シート面の空孔率を低減せしめて耐久性が向上するようになること。
以上（１）〜（４）に示される研究結果を得たのである。
この発明の請求項１は、上記の研究結果にもとづいてなされたものであって、
素地形成用原料粉末として、質量％で、
Ｃ：０．５〜２．０％、
Ｎｉ：０．１〜３％、
Ｍｏ：０．５〜３％、
Ｃｏ：３〜８％、
Ｃｒ：０．２〜３％、
Ｎｂ：０．1〜１．５％、
を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有するＦｅ基合金粉末、
硬質分散相形成用原料粉末として、同じく質量％で、
Ｍｏ：２０〜３２％、
Ｃｒ：５〜１０％、
Ｓｉ：０．５〜４％、
を含有し、残りがＣｏと不可避不純物からなる組成を有するＣｏ基合金粉末を使用し、
上記Ｆｅ基合金粉末に上記Ｃｏ基合金粉末を、上記Ｆｅ基合金粉末との合量に占める割合で２０〜８０質量％配合し、混合してなる混合粉末のプレス成形体を、焼結したことを特徴とする有するものである。
素地形成用原料粉末として、質量％で、
Ｃ：０．５〜２．０％、
Ｎｉ：０．１〜３％、
Ｍｏ：０．５〜３％、
Ｃｏ：３〜８％、
Ｃｒ：０．２〜３％、
Ｎｂ：０．1〜１．５％、
を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有するＦｅ基合金粉末、
硬質分散相形成用原料粉末として、同じく質量％で、
Ｍｏ：２０〜３２％、
Ｃｒ：５〜１０％、
Ｓｉ：０．５〜４％、
を含有し、残りがＣｏと不可避不純物からなる組成を有するＣｏ基合金粉末を使用し、
上記Ｆｅ基合金粉末に上記Ｃｏ基合金粉末を、上記Ｆｅ基合金粉末との合量に占める割合で２０〜８０質量％配合し、混合してなる混合粉末のプレス成形体を、焼結したことを特徴とする有するものである。
また、この発明の請求項５は、上記の研究結果にもとづいてなされたものであって、金属粉のプレス成形体を焼結して形成するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法において、焼結後の組成が質量％で、
Ｃ：０．５〜２．０％、
Ｎｉ：０．１〜３％、
Ｍｏ：５〜２５％
Ｃｏ：１５〜５５％、
Ｃｒ：０．２〜５％、
Ｎｂ：０．1〜１．５％、
Ｓｉ：０．５〜２．５％
残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有するＦｅ基合金であって、
コバルト基耐摩耗相が面積比において２０〜７５％分布して、残Ｆｅ基焼結合金基体と不可避不純物からなることを特徴を有するものである。
Ｃ：０．５〜２．０％、
Ｎｉ：０．１〜３％、
Ｍｏ：５〜２５％
Ｃｏ：１５〜５５％、
Ｃｒ：０．２〜５％、
Ｎｂ：０．1〜１．５％、
Ｓｉ：０．５〜２．５％
残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有するＦｅ基合金であって、
コバルト基耐摩耗相が面積比において２０〜７５％分布して、残Ｆｅ基焼結合金基体と不可避不純物からなることを特徴を有するものである。
さらに、この発明の請求項１１は、金属粉のプレス成形体を焼結して形成するＦｅ基焼結合金製バルブシートにおいて、焼結後の組成が質量％で、
Ｃ：０．５〜２．０％、
Ｎｉ：０．１〜３％、
Ｍｏ：５〜２５％
Ｃｏ：１５〜５５％、
Ｃｒ：０．２〜５％、
Ｎｂ：０．1〜１．５％、
Ｓｉ：０．５〜２．５％
残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有するＦｅ基合金であって、
コバルト基耐摩耗相が面積比において２０〜７５％分布して、残Ｆｅ基焼結合金基体と不可避不純物からなることを特徴を有するものである。
Ｃ：０．５〜２．０％、
Ｎｉ：０．１〜３％、
Ｍｏ：５〜２５％
Ｃｏ：１５〜５５％、
Ｃｒ：０．２〜５％、
Ｎｂ：０．1〜１．５％、
Ｓｉ：０．５〜２．５％
残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有するＦｅ基合金であって、
コバルト基耐摩耗相が面積比において２０〜７５％分布して、残Ｆｅ基焼結合金基体と不可避不純物からなることを特徴を有するものである。
つぎに、この発明のバルブシートの製造方法において、原料粉末の組成、および配合割合を上記の通りに限定した理由を説明する。
（Ａ） 素地形成用原料粉末
（ａ） Ｃ
Ｃ成分は、焼結後も基体素地に原料粉末と同じ含有量で存在し、素地に固溶して、これを強化するほか、素地に分散する炭化物を形成して素地の耐摩耗性を向上させ、さらに硬質分散相にも含有して、これ自体の耐摩耗性を向上させる作用をもつが、その含有量が０．５％未満では上記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が１．５％を越えると、相手攻撃性が急激に増大するようになることから、その含有量を０．５〜１．５％と定めた。
（Ａ） 素地形成用原料粉末
（ａ） Ｃ
Ｃ成分は、焼結後も基体素地に原料粉末と同じ含有量で存在し、素地に固溶して、これを強化するほか、素地に分散する炭化物を形成して素地の耐摩耗性を向上させ、さらに硬質分散相にも含有して、これ自体の耐摩耗性を向上させる作用をもつが、その含有量が０．５％未満では上記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が１．５％を越えると、相手攻撃性が急激に増大するようになることから、その含有量を０．５〜１．５％と定めた。
（ｂ） Ｎｉ
Ｎｉ成分は、素地に固溶して、これを強化する作用があるが、その含有量が０．１％未満では上記作用に所望の効果が得られず、一方その含有量が３％を越えると強度が低下するようになることから、その含有量を０．１〜３％と定めた。
Ｎｉ成分は、素地に固溶して、これを強化する作用があるが、その含有量が０．１％未満では上記作用に所望の効果が得られず、一方その含有量が３％を越えると強度が低下するようになることから、その含有量を０．１〜３％と定めた。
（ｃ） Ｍｏ
Ｍｏ成分も素地に固溶すると共に、素地に分散する炭化物を形成して、素地の強度および耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が０．５％未満では上記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が３％を越えると素地強度が低下するようになることから、その含有量を０．５〜３％と定めた。
Ｍｏ成分も素地に固溶すると共に、素地に分散する炭化物を形成して、素地の強度および耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が０．５％未満では上記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が３％を越えると素地強度が低下するようになることから、その含有量を０．５〜３％と定めた。
（ｄ） Ｃｏ
素地形成用原料粉末中のＣｏ成分は、燃焼ガス雰囲気での高温耐食性を向上させるほか、上記拡散移動現象によって硬質分散相との密着性を一段と向上させ、もって高温乾燥条件下での耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、素地形成用原料粉末中の含有量が３％未満では、上記作用に所望の効果が得られず、一方素地形成用原料粉末中の含有量が８％を越えると、バルブシート自体の耐摩耗性が低下するようになることから、素地形成用原料粉末中のＣｏ含有量を３〜８％と定めた。
素地形成用原料粉末中のＣｏ成分は、燃焼ガス雰囲気での高温耐食性を向上させるほか、上記拡散移動現象によって硬質分散相との密着性を一段と向上させ、もって高温乾燥条件下での耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、素地形成用原料粉末中の含有量が３％未満では、上記作用に所望の効果が得られず、一方素地形成用原料粉末中の含有量が８％を越えると、バルブシート自体の耐摩耗性が低下するようになることから、素地形成用原料粉末中のＣｏ含有量を３〜８％と定めた。
（ｅ） Ｃｒ
Ｃｒ成分は、素地形成用原料粉末中に０．２〜３％含有し、Ｃｒ含有量が０．２％未満では、素地の固溶強化および炭化物形成による耐摩耗性向上が不十分となり、一方素地形成用原料粉末中のＣｒ含有量が３％を越えると、高温乾燥条件下での実用に際して、相手攻撃性が急激に増大するようになることから、素地形成用原料粉末中のＣｒ含有量を０．２〜３％と定めた。
Ｃｒ成分は、素地形成用原料粉末中に０．２〜３％含有し、Ｃｒ含有量が０．２％未満では、素地の固溶強化および炭化物形成による耐摩耗性向上が不十分となり、一方素地形成用原料粉末中のＣｒ含有量が３％を越えると、高温乾燥条件下での実用に際して、相手攻撃性が急激に増大するようになることから、素地形成用原料粉末中のＣｒ含有量を０．２〜３％と定めた。
（ｆ） Ｎｂ
Ｎｂ成分は、素地形成用粉末中に０．1〜１．５％含有し、素地に分散して耐摩耗性を向上するが、０．1％未満では所望の効果が得られず、１．５％を越えると相手バルブへの攻撃性が増すことから０．1〜１．５％と定めた。
Ｎｂ成分は、素地形成用粉末中に０．1〜１．５％含有し、素地に分散して耐摩耗性を向上するが、０．1％未満では所望の効果が得られず、１．５％を越えると相手バルブへの攻撃性が増すことから０．1〜１．５％と定めた。
（ｇ） Ｆｅ
基体硬質分散相中のＦｅ成分は、素地形成用原料粉末からの焼結時の拡散移動により含有するものであり、基体硬質分散相で、これの２相混合相の構成相である高靭性のＦｅ−Ｃｏ系合金相を形成して、高面圧付加条件下での硬質Ｍｏ−Ｃｏ系合金相による相手攻撃性を緩和する作用があるが、その含有量が２０％未満では上記Ｍｏ−Ｃｏ系合金相の割合が多くなり過ぎて、所望の相手攻撃性緩和効果を確保することができず、一方その含有量が３０％を越えると基体硬質分散相の硬さが低下し、バルブシートの耐摩耗性低下の原因となることから、基体硬質分散相中のＦｅ含有量を２０〜３０％と定めた。
基体硬質分散相中のＦｅ成分は、素地形成用原料粉末からの焼結時の拡散移動により含有するものであり、基体硬質分散相で、これの２相混合相の構成相である高靭性のＦｅ−Ｃｏ系合金相を形成して、高面圧付加条件下での硬質Ｍｏ−Ｃｏ系合金相による相手攻撃性を緩和する作用があるが、その含有量が２０％未満では上記Ｍｏ−Ｃｏ系合金相の割合が多くなり過ぎて、所望の相手攻撃性緩和効果を確保することができず、一方その含有量が３０％を越えると基体硬質分散相の硬さが低下し、バルブシートの耐摩耗性低下の原因となることから、基体硬質分散相中のＦｅ含有量を２０〜３０％と定めた。
（Ｂ） 硬質分散相形成用原料粉末および基体硬質分散相の組成
（ａ） Ｍｏ
硬質分散相形成用原料粉末中のＭｏ成分は、焼結後の基体硬質分散相で、これの２相混合相の構成相である硬質のＭｏ−Ｃｏ系合金相を形成して、耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が２０％未満では同じく構成相であるＦｅ−Ｃｏ系合金相の割合が多くなり過ぎて、所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その含有量が３２％を越えると焼結性が低下し、バルブシートに所望の強度を確保することができなくなることから、硬質分散相形成用原料粉末中のＭｏ含有量を２０〜３２％と定めた。
（ａ） Ｍｏ
硬質分散相形成用原料粉末中のＭｏ成分は、焼結後の基体硬質分散相で、これの２相混合相の構成相である硬質のＭｏ−Ｃｏ系合金相を形成して、耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が２０％未満では同じく構成相であるＦｅ−Ｃｏ系合金相の割合が多くなり過ぎて、所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その含有量が３２％を越えると焼結性が低下し、バルブシートに所望の強度を確保することができなくなることから、硬質分散相形成用原料粉末中のＭｏ含有量を２０〜３２％と定めた。
（ｂ） Ｃｒ
Ｃｒ成分は、硬質分散相形成用原料粉末中に５〜１０％含有し、硬質分散相形成用原料粉末中のＣｒ含有量が５％未満では、素地の固溶強化および炭化物形成による耐摩耗性向上効果が不十分となり、一方硬質分散相形成用原料粉末中のＣｒ含有量が１０％を越えると高温乾燥条件下での実用に際して、相手攻撃性が急激に増大するようになることから、硬質分散相形成用原料粉末中のＣｒ含有量を５〜１０％とし、焼結後の基体素地中のＣｒ含有量が１〜５％となる、この場合硬質分散相におけるＣｒ含有量も１〜５％となるように定めた。
Ｃｒ成分は、硬質分散相形成用原料粉末中に５〜１０％含有し、硬質分散相形成用原料粉末中のＣｒ含有量が５％未満では、素地の固溶強化および炭化物形成による耐摩耗性向上効果が不十分となり、一方硬質分散相形成用原料粉末中のＣｒ含有量が１０％を越えると高温乾燥条件下での実用に際して、相手攻撃性が急激に増大するようになることから、硬質分散相形成用原料粉末中のＣｒ含有量を５〜１０％とし、焼結後の基体素地中のＣｒ含有量が１〜５％となる、この場合硬質分散相におけるＣｒ含有量も１〜５％となるように定めた。
（ｃ） Ｓｉ
硬質分散相形成用原料粉末中のＳｉ成分には、拡散移動して、これのＣｏおよびＣｒ成分の焼結時の基体素地への拡散移動を促進して、基体素地に対する硬質分散相の密着性を著しく向上させる作用があるが、その含有量が０．５％未満では、ＣｏおよびＣｒ成分の基体素地中への拡散移動が不十分となって、硬質分散相と素地の間にすぐれた密着性を確保することができず、一方その含有量が４％を越えると、基体素地強度が低下するようになることから、硬質分散相形成用原料粉末中の含有量を０．５〜４％と定めた。
硬質分散相形成用原料粉末中のＳｉ成分には、拡散移動して、これのＣｏおよびＣｒ成分の焼結時の基体素地への拡散移動を促進して、基体素地に対する硬質分散相の密着性を著しく向上させる作用があるが、その含有量が０．５％未満では、ＣｏおよびＣｒ成分の基体素地中への拡散移動が不十分となって、硬質分散相と素地の間にすぐれた密着性を確保することができず、一方その含有量が４％を越えると、基体素地強度が低下するようになることから、硬質分散相形成用原料粉末中の含有量を０．５〜４％と定めた。
（ｄ） Ｃｏ
硬質分散相形成用原料粉末中のＣｏ成分は、焼結後の基体硬質分散相で、これの２相混合相の構成相である硬質のＭｏ−Ｃｏ系合金相および高靭性のＦｅ−Ｃｏ系合金相を形成して、耐摩耗性を向上させ、かつ相手攻撃性を緩和する効果を発揮するが、その含有量が１５％未満では上記Ｆｅ−Ｃｏ系合金相およびＦｅ−Ｃｏ系合金相の２相混合組織を有するＭｏ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金相の強度が低下し、バルブシートに所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができなくなり、一方その含有量が５５％を越えると素地硬質分散相自体の硬さが低下し、この場合もバルブシートに所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができなくなることから、基体硬質分散相のＣｏ含有量を定めた。
硬質分散相形成用原料粉末中のＣｏ成分は、焼結後の基体硬質分散相で、これの２相混合相の構成相である硬質のＭｏ−Ｃｏ系合金相および高靭性のＦｅ−Ｃｏ系合金相を形成して、耐摩耗性を向上させ、かつ相手攻撃性を緩和する効果を発揮するが、その含有量が１５％未満では上記Ｆｅ−Ｃｏ系合金相およびＦｅ−Ｃｏ系合金相の２相混合組織を有するＭｏ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金相の強度が低下し、バルブシートに所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができなくなり、一方その含有量が５５％を越えると素地硬質分散相自体の硬さが低下し、この場合もバルブシートに所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができなくなることから、基体硬質分散相のＣｏ含有量を定めた。
（Ｃ） 硬質分散相形成用原料粉末の配合割合
その配合割合が２０質量積％未満では所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その配合割合が８０質量％を越えると相手攻撃性が急激に増大するばかりでなく、強度も低下するようになることから、その配合割合を素地形成用原料粉末との合量に占める割合で２０〜８０質量％、好ましくは４０〜６０質量％と定めた。
その配合割合が２０質量積％未満では所望の耐摩耗性を確保することができず、一方その配合割合が８０質量％を越えると相手攻撃性が急激に増大するばかりでなく、強度も低下するようになることから、その配合割合を素地形成用原料粉末との合量に占める割合で２０〜８０質量％、好ましくは４０〜６０質量％と定めた。
（Ｄ） 固体潤滑剤
ＣａＦ２
ＣａＦ２粉末を、上記Ｆｅ基合金粉末に上記Ｃｏ基合金粉末との含有に占める割合で０．５質量％未満では潤滑効果が得られず、６質量％未満を越えると基地強度を低下させることから、上記混合粉末にＣａＦ２粉末を、上記混合粉末との含有に占める割合で０．５〜６質量％と定めた。
ＣａＦ２
ＣａＦ２粉末を、上記Ｆｅ基合金粉末に上記Ｃｏ基合金粉末との含有に占める割合で０．５質量％未満では潤滑効果が得られず、６質量％未満を越えると基地強度を低下させることから、上記混合粉末にＣａＦ２粉末を、上記混合粉末との含有に占める割合で０．５〜６質量％と定めた。
請求項１、５の発明によれば、特に上述のように、この発明の方法によれば、高温乾燥下での実用に際して、低い相手攻撃性で、すぐれた耐摩耗性を発揮するバルブシートを製造することができ、内燃機関の大型化および高出力化に十分満足に寄与することができるものである。
また、請求項２〜４の発明によれば、それぞれＣｏ基合金粉末はコバルト基耐摩耗材Ｆｅ基合金であり、粉末との合量に占める割合で４０〜６０質量％とすること、混合粉末にＣａＦ２粉末含有すること、それぞれいっそう高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮できる。
さらに、請求項６の発明によれば、Ｆｅ基焼結合金基体、コバルト基耐摩耗相が、それぞれの組成を有することでいっそう高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮できる。
さらに、請求項７〜９の発明によれば、シート面の空孔率を低減せしめてシート面におけるバルブとの密閉性及び耐久性を確保することができる。
しかも、請求項１０の発明によれば、燃料を含む空気の乾燥状態が高いガスエンジンのバルブシートに好的なものである。
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
つぎに、この発明のバルブシートの製造方法を実施例により具体的に説明する。図１は圧縮天然ガス又は液化石油ガスを燃料とするガスエンジンのバルブシート１を示しており、このバルブシート１は薄い円筒状であって、その軸芯にエンジンヘッドの吸気孔或いは排気孔（いずれも図示せず）に連通する貫通孔２が形成されており、その軸芯方向の一方の面によってバルブ（図示せず）が当接するシート面３が形成されている。
バルブシートは、原料粉末を圧縮成形してプレス成形体を成形する圧粉体の成形工程、プレス成形体を焼結する焼結工程、さらに焼結品を熱間又は冷間の鍛造する熱間又は冷間の鍛造工程、さらに或いは焼結品の表面に銅または銅合金を溶浸する溶浸工程からなる。
成形工程は、図２に示すように、成形孔11を有するダイス12と、この成形孔11の下部に、成形孔11に嵌合した形状の下パンチ13、及び軸芯にあるコアロッド14を備え、さらに上部に上パンチ15を備えている。そして、成形孔11中に原料粉末16を充填し、上パンチ15を下降させることによって、原料粉末16を所定形状にプレス成形するものである。
それぞれ表１、２に示される成分組成をもった素地形成用原料粉末Ｍ−１〜Ｍ−１３、および硬質分散相形成用原料粉末Ｈ−１〜Ｈ−７を用意し、また、表３に示すように比較法のための素地形成用原料粉末ｍ１〜ｍ５を用意する。
そしてこれら原料粉末を表４に示される組合せで、かつ同じく下表に示される割合に配合し、ステアリン酸亜鉛：１％を加えてミキサーにて３０分間混合し、この混合粉末を６００〜８００ＭＰａの範囲内の所定の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５００℃に３０分間保持して脱脂する。
次に焼結工程として、１００Ｐａ以下の真空雰囲気中、１１３０〜１２５０℃の範囲内の所定温度に１時間保持の条件で焼結して、Ｆｅ基焼結合金基体を製造し、本発明法を実施し、例えば外径：４２ｍｍ×最小内径：３４．５ｍｍ×厚さ：６．５ｍｍの寸法をもったバルブシートをそれぞれ製造した。
そして,この焼結品においては、第1相として、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｃｏ−Ｎｂ−Ｓｉ−ＣａＦ2からなるＦｅ基焼結合金基体21に、コバルト基耐摩耗相22が、面積比において２０〜７５％分布している。該相22の周囲には拡散相が存在する。
さらに、上記焼結後、８００〜１０００℃の温度で、７００〜１０００ＭＰａの圧力で熱間の鍛造を行うようにした。この熱間の鍛造は,、少なくともシート面３を行なってその空孔23を潰して塞ぐ封孔処理を行なって空孔率を１〜１０％に形成する。
また、封孔処理としては図３の実施例２に示すようにＦｅ基焼結合金基体に,メタン変性ガス雰囲気中で銅溶浸処理を施したシート面３に銅または銅合金を溶浸して溶浸層24を形成することによって,空孔率を１〜５％に形成するようにしてもよい。
つぎに、この結果得られた各種のバルブシートについて、これを排気量：５０００ｃｃのガスエンジンに組み込み、
バルブの材質：ステライト、
シリンダー内圧力：１８００ＭＰａ、
バルブスプリング荷重：５００Ｎ、
エンジン回転数：３０００ｒ．ｐ．ｍ．、
運転条件：エンジン回転数一定で２００時間、
の高面圧付加条件で実機試験を行ない、バルブシートの最大摩耗深さと相手材であるバルブの最大摩耗深さを測定した。これらの測定結果を表５に示した。
バルブの材質：ステライト、
シリンダー内圧力：１８００ＭＰａ、
バルブスプリング荷重：５００Ｎ、
エンジン回転数：３０００ｒ．ｐ．ｍ．、
運転条件：エンジン回転数一定で２００時間、
の高面圧付加条件で実機試験を行ない、バルブシートの最大摩耗深さと相手材であるバルブの最大摩耗深さを測定した。これらの測定結果を表５に示した。
さらに、鍛造条件によりバルブシートの最大摩耗深さと相手材であるバルブの最大摩耗深さを測定したものを表６、７に示した。
このような表５、６、７に示される結果から、本発明法で製造された本発明バルブシートは、硬質分散相としてのコバルト基耐摩耗材の素地に対する密着性はきわめて強固なものとなるので、いずれも高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を示し、さらに上記硬質分散相のもつ相手攻撃性の小さいものとなることから、相手材であるバルブの摩耗も小さなものとなるのに対して、素地に対する硬質分散相の密着性が相対的に低いものとなるので、いずれも高温乾燥条件下では摩耗進行が速くなり、さらに上記硬質分散相がきわめて硬質であることから、相手攻撃性も大きなものとなることが明らかである。
しかも、少なくともシール面３において鍛造処理や銅溶浸処理によって封孔処理を行なうことによって、シール面３を平滑に形成して、バルブとの密着性を向上することができる。
以上のように本発明にかかるバルブシートは、高温乾燥条件下の種々の用途に適用できる。
１ バルブシート
３ シール面
21 Ｆｅ基焼結合金基体
22 コバルト基耐摩耗相
23 空孔
24 溶浸層
３ シール面
21 Ｆｅ基焼結合金基体
22 コバルト基耐摩耗相
23 空孔
24 溶浸層
Claims (11)
- 素地形成用原料粉末として、質量％で、
Ｃ：０．５〜２．０％、
Ｎｉ：０．１〜３％、
Ｍｏ：０．５〜３％、
Ｃｏ：３〜８％、
Ｃｒ：０．２〜３％、
Ｎｂ：０．1〜１．５％、
を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有するＦｅ基合金粉末、
硬質分散相形成用原料粉末として、同じく質量％で、
Ｍｏ：２０〜３２％、
Ｃｒ：５〜１０％、
Ｓｉ：０．５〜４％、
を含有し、残りがＣｏと不可避不純物からなる組成を有するＣｏ基合金粉末を使用し、
上記Ｆｅ基合金粉末に上記Ｃｏ基合金粉末を、上記Ｆｅ基合金粉末との合量に占める割合で２０〜７５質量％配合し、混合してなる混合粉末のプレス成形体を、焼結したことを特徴とする高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法。 - 上記Ｃｏ基合金粉末はコバルト基耐摩耗材であって、
上記焼結後の組成が質量％で、
Ｃ：０．５〜２．０％、
Ｎｉ：０．１〜３％、
Ｍｏ：５〜２５％
Ｃｏ：１５〜５５％、
Ｃｒ：０．２〜５％、
Ｎｂ：０．1〜１．５％、
Ｓｉ：０．５〜２．５％
残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有するＦｅ基合金であることを特徴とする請求項１記載の高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法。 - 上記Ｆｅ基合金粉末に上記Ｃｏ基合金粉末を、上記Ｆｅ基合金粉末との合量に占める割合で４０〜６０質量％としたことを特徴とする請求項１記載の高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法。
- 上記混合粉末にＣａＦ２粉末を、上記混合粉末との含有に占める割合で０.５〜６．0質量％としたことを特徴とする請求項１又は２記載のいずれか１項に記載の高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法。
- 金属粉のプレス成形体を焼結して形成するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法において、焼結後の組成が質量％で、
Ｃ：０．５〜２．０％、
Ｎｉ：０．１〜３％、
Ｍｏ：５〜２５％
Ｃｏ：１５〜５５％、
Ｃｒ：０．２〜５％、
Ｎｂ：０．1〜１．５％、
Ｓｉ：０．５〜２．５％
残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有するＦｅ基合金であって、
コバルト基耐摩耗相が面積比において２０〜７５％分布して、残Ｆｅ基焼結合金基体と不可避不純物からなることを特徴とする高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法。 - 上記Ｆｅ基焼結合金基体が、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｃｏ−Ｎｂ−Ｓｉ−ＣａＦ2であり、上記コバルト基耐摩耗相がＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉであることを特徴とする請求項５記載の高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法。
- 焼結後に少なくともシート面に鍛造を行うことを特徴とする請求項1〜６のいずれか１項に記載の高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法。
- 焼結後に少なくともシート面に銅または銅合金を溶浸することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法。
- 上記バルブシートの少なくともシート面の空孔率が１〜１０％であることを特徴と
する請求項1〜８のいずれか１項に記載の高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法。 - 圧縮天然ガス又は液化石油ガスを燃料とするガスエンジンのバルブシートに用いられることを特徴とする請求項1〜９のいずれか１項に記載の高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法。
- 金属粉のプレス成形体を焼結して形成するＦｅ基焼結合金製バルブシートにおいて、焼結後の組成が質量％で、
Ｃ：０．５〜２．０％、
Ｎｉ：０．１〜３％、
Ｍｏ：５〜２５％
Ｃｏ：１５〜５５％、
Ｃｒ：０．２〜５％、
Ｎｂ：０．1〜１．５％、
Ｓｉ：０．５〜２．５％
残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有するＦｅ基合金であって、
コバルト基耐摩耗相が面積比において２０〜７５％分布して、残Ｆｅ基焼結合金基体と不可避不純物からなることを特徴とする高温乾燥条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシート。
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-
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