JPS61291954A - 高温耐摩耐食焼結材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特に内燃機関のバルブシート用材料に適する
高温耐摩耐食焼結材料及びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

無鉛化ガソリンはもとより、近年内燃機関の高性能化の
要求が高まり、これに伴って、バルブシートに要求され
る条件も益々過酷化しつつある。

バルブシートの材質について、ガソリンエンジンの吸気
側にＣｒ−Ｍｏ鋳鉄、ディーゼルエンジン用に５ＫＤ１
級の溶製材が使用される以外は、近年はとんど焼結合金
化されている。

これに使用される焼結合金材料は、非常に多種類のもの
が開発されているが、大別すると、重量比で約Ｎｉ２％
、Ｃ１，２％を含有するＦｅ基質中に、硬質粒子として
通常ステライトと称されるＣ−Ｃｒ−Ｗ−Ｇｏ合金粉末
を１０−１５％分散した材料（特公昭５７−４５２９８
）、同様の考えで、Ｆｅ−Ｍｏの粒子を分散した材料（
特公昭５ｌ−３０８４３）、Ｃ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｃｏ系粒
子を分散した材料（特公昭５７−１９７４７）、　ＪＩ
Ｓ　５ＫＨ９相当成分の粉末粒子を分散した材料（特公
昭５５−２９１４２）、Ｎｉ−Ｍｏ粒子を分散した材料
（特公昭５８−１０４６０）、高炭素Ｃｒ合金の分散材
料（特公昭５２−４３１６７）等に代表される一群の材
料がある。

これらの材料は、基質金属にＮＬＣｏ、Ｃｒ、ＭＯ等を
適宜添加して耐食性と耐熱性を付与し。

耐摩耗性は、硬質粒子の分散によって得ることが基本と
なっている。ただし、耐摩耗性については、硬質粒子の
分散のみでは、必ず゛しも十分ではなく、界面潤滑剤を
添加する方法が多数開示されている。

例えばｐｂを残留空孔に浸含させる（特公昭５５−３６
２４２）、低融点ガラスを添加する（特公昭５５−３０
０６３）　。

硫化物を分散させる（特公昭５８−１８３４２）等があ
り、またこれらの潤滑物質の添加と併せ、残留空孔内を
適度に酸化させ、耐酸化性を増進させることが提案され
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、これらの材料において、特に高温の耐摩耗性
を向上した材料を提供することを目的とする。

〔問題を解決するための手段〕

本発明は、重量比で、Ｃ１，１−３，９５％、　Ｃｒ　
２．０−８．０％、　Ｗ＋２Ｍｏ　２０．（１〜３５．
０％、Ｖ　１．０−８．０％、Ｇｏ　１゜０〜１５．０
％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる硬質粒子Ａが、
重量比で、ＣＯ，３〜２．５％、Ｓｉ　０．１〜２．０
％、　Ｍｎ　０．１−１．０％、Ｃｒ　２．５−１４．
０％、　Ｍｏ　０．３−３．０％。

Ｖ　Ｏ，５−１，５％、Ｎｉ　Ｏ，３−５，０％、残部
Ｆｅ及び不可避不純物からなる基質Ｂに、硬質粒子Ａ十
基質Ｂに対し、重量比で、５．０〜２５．０％の割合で
分散保持されており、基質Ｂに実質的に未固溶状態で゛
存在することを特徴とする高温耐摩耐食焼結材料、並び
に前記硬質粒子Ａ及び基質Ｂとなる原料を、それぞれ予
備合金化された粉末材料として、これらを上記割合とな
るよう混合し、加圧成形した後、１１００°Ｃ以上で焼
結することを特徴とする高温耐摩耐食焼結材料の製造方
法である。また、より一層の耐摩耗付与のためには、ｐ
ｂ又はｐｂ金合金あるいはＣｕ又はＣｕ合金を溶浸する
ものである。

〔作用〕

本発明において硬質粒子Ａは、高耐熱性、高硬度の炭化
物を多量に含有し、高温耐摩耗性を付与する。また、基
質Ｂは、それ自身、強度、靭性。

耐酸化性、耐熱性に優れ、硬質粒子Ａを強固に保持する
。特に、Ａ、Ｂを予備合金化した粉末材料から得る場合
、粉末生成時の組織微細化効果により、高温耐摩耗性が
向上する。

以下に、Ａ及びＢの各合金成分の限定理由を述べる。

先ず、Ａ粒子について、Ｃは、炭化物形成元素と結合し
て、高耐熱、高硬度の炭化物形成に不可欠の元素である
。このＣと各炭化物形成元素であるＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ
との間には、Ｃｔｈｅｏ＝０　、０６　Ｃｒ＋０．０３
３Ｗ＋０．０６３Ｍｏ＋０．２Ｖ　（７）関係が成立す
ることが望ましい。これは、Ｃが炭化物形成元素と結合
して、Ｃｒ２．Ｃｓ、　Ｆｅ４Ｖ／ｚＣ又は、Ｗ、Ｃ，
Ｆｅ４Ｍｏ２Ｃ又は、ＭｏｚＣ，ｖ４ｃ、等の炭化物ヲ
化学量論的に生成するのに必要なＣ量を規定するもので
ある。

Ｃｔｈｅｏと実際のＣ含有量（Ｃａｃｔ）との差、　Ｃ
ａｃｔ−Ｃｔｈｅｏが、＋０．４以上では、硬質粒子が
脆化し、衝撃繰返し応力下での割れや脱落が多くなり、
また逆に、−〇、４以下では、硬さが低下し、耐摩耗性
付与効果が不足する傾向にある。

Ｏｒは、硬質粒子Ａの耐食性及び焼入性を保持するのに
必要な元素であり、２．０％未満では、これらの特性が
不足となるが、８．０％を越えて添加してもこれらの特
性改善効果は、少なく、工業的意味がない。

Ｗ　＋　２　Ｍ　ｏの添加量は、Ｍ、Ｃ型炭化物の生成
量を規定する重要な因子で、この炭化物は、Ｈｖ１３０
０〜２３００の硬さを有し、耐摩耗性の付与効果を与え
る。

炭化物の硬さの絶対値は、Ｗ／（２Ｍｏ）の比率で定ま
り、Ｗ／（２Ｍｏ）比が大きい程、炭化物粒子の硬さは
、上昇する。通常この比を０．５〜０．９とし、Ｈｖ１
５００〜２０００の範囲とすることが望ましい。

Ｗ　＋　２　Ｍ　ｏが２０％未満では、炭化物の生成量
が不足し、耐摩耗性付与効果が低下し、３５％を越える
と逆に炭化物生成量が過剰となり、脆化が激しくなる。

■は、Ｈｖ２５０（１〜３２００の非常に硬いｖ４Ｃ１
又はＶＣ炭化物を生成し、耐摩耗性付与効果が大きい元
素である。■が１％未満では、この効果が少なく、８％
を越えると被研削性を害するとともに接触相手材である
バルブ等の摩耗を増加する。

ＣＯは、硬質粒子Ａの基質に主として固溶し、耐熱性と
耐酸化性を向上させ、一部は、焼結中に基質粒子Ｂ中に
固溶し、この粒子の耐熱性と耐酸化性を向上する。Ｇｏ
が１％未満では、これらの効果が不足し、１５％を越え
ると添加量に見合う効果が得られない。

以上の元素を含む硬質粒子Ａは、予備合金粉末の形で準
備され、重量比で５〜２５％の範囲で後述の基質Ｂと均
一に混合、焼結され、焼結後、実質的に残存粒子の形で
材料中に存在し、主として耐摩耗性付与粒子として作用
する。この硬質粒子Ａの割合が錦未満では、耐摩耗性が
低下し、２５％を越えると脆化が大きくなる。

次に基質材Ｂは、基本的には熱膨張係数がシリンダヘッ
ドのそれと類似することが必要で、この値を１２〜１５
　Ｘ　１０−”とすることが必要で、これにより燃焼ガ
スの吹抜けを防止する。さらにこの材料は、強度、靭性
、耐酸化性、耐熱性等が要求される。

本発明の材料の基質材料は、Ｃｒを２．５〜１４．０％
含有し、焼入れ焼もどしにより、焼もどしマルテンサイ
ト基質とし、これにＭ、Ｃ３、Ｍ２．Ｃ，型の初晶Ｃｒ
炭化物が分散した組織を有する。基質Ｂ層材料として水
アトマイズ、ガスアトマイズ粉末を使用すれば、この初
晶炭化物は１粒内で極めて微細に分散し、強靭性を与え
る。この基質材Ｂは、熱処理状態で）ｌＲｃ３５〜５０
の硬さを有し、耐摩耗性、耐熱性とともに特に強靭性を
有し、硬質粒子を強固に保持し、全体の耐摩耗性保持を
向上させる。

Ｃは、０．３％未満では、熱処理後の硬さが低下し、２
．５％を越えると脆化を招く。

Ｓｉは、耐酸化向上に効果があり、また溶湯の脱酸剤と
して１通常の０．１％以上添加される。２．０％を越え
て添加すると焼結性が低下するので、焼結材に適しては
不適当である。

Ｍｎは、溶湯の脱酸剤として、また焼入性の補助元素と
して添加され、０．１％添加されるが、Ｃｒを含有する
本発明の基質材では、１．０％を越えて添加することは
あまり意味がない。

Ｃｒは、前記のように焼入性付与に有効であり、また耐
熱、耐食性を向上する。Ｃｒが０．５％未満では、焼入
性、耐食性を劣化させ、　１４．０％を越えると被削性
を低下させる。

Ｍｏは、耐熱性向上に大きな効果を有する。０．３％未
満では、この効果が少なく、３．０％を越えると添加量
に見合う効果が得られない。

■は、硬質炭化物を形成して耐摩耗向上に効果を有する
。０．５％未満では、この効果が少なく、■。

錦を越えると前記Ｓｉと同様、焼結性を低下する。

Ｎｉは、耐酸化性向上効果が大きい。０．３％未満では
、この効果が低く、５．０％を越えると変態温度が低下
し、また被剛性を低下させる。

次に本発明の方法において、焼結温度は、１１００℃以
上とする。本発明の方法において、Ａ粉末は、予備合金
化した粉末を用いる。Ｂ粉末は、必ずしも予備合金化し
た粉末であることを要しないが、成分調整された溶湯か
らアトマイズすれば比較的粗大な粒径の粉末が使用でき
る。Ｂ粉末は、成形性の優れた不規則形状の粉末を用い
ることが望ましい。Ａ粉末は平均粒径で、−６０メツシ
ユ、Ｂ粉末はアトマイズにより、予備合金化されたもの
では、−１００メツシユが好ましい。

以下に、実施例で本発明を詳述する。

（実施例〕 使用した粉末は、表１に示す化学成分の溶湯を水アトマ
イズ法により製造し、いずれもｌＯＯメツシュの篩で篩
分した篩下である。

表１ （％１ｔ％） 実施例１ 表１のＡ１及びＢ１粉末を使用し、Ａ１粉末をそれぞれ
６．１２．２４及び３６％となるよう配合し、ステアリ
ン酸亜鉛を全体に対し、０．７％配合して、Ｖ型混合機
で混合し、６ｔｏｎ／　ａｉＴの成形圧力でプレス成形
し、１１７０℃で焼結した。各焼結体は、概略、外径４
４．５ｍｍ、内径３７．５ｍ、厚さ７．５ｍとほぼ一定
であり、密度比も約９４％であった。

表２ 該試験片から所定サイズのバルブシートを削り出し、１
０００℃で焼入れ後、５５０℃ｘｉｈの焼きもどしを行
った。この試験片をエンジンの実装ベンチテスト及び圧
環強度試験を行った。エンジンは。

’ＪＰ　ａ　Ｊｉ　２０００ｃｃ　ノブイーゼルエンジ
ンであり、試験片は、排気弁座に使用し、４０００ｒ、
ｐ、ｍ、１５０ｈの全負荷運転後のバルブの沈み量で評
価した。なお。

バルブは、ステライトＮ００６を肉盛り溶接したもので
ある。この結果を表２に比較例として、粉末Ｂ１とほぼ
同成分の粉末を単独で焼結したもの（試料Ｎｏ、１００
）及び同成分の鋳造材（試料Ｎｏ、１１０）と対比して
示す。

表２から、比較例１００は、１１０に比し、圧環強度及
び耐摩耗性がわずかに向上することが判るが、この比較
例１００に硬質粒子Ａを配合した本発明品は、硬質粒子
の配合比の増加とともに沈み量が急激に低下しており、
耐摩耗性が向上することが判る。しかし、試料Ｎｏ、１
３（Ａｌ粉未配合比３６％）は。

一部チッピングを発生した。試料Ｎｏ、１１（Ａ　１粉
未配合比１２％）程度が、耐摩耗性と圧環強度のバラン
スから最も優れていると思われる。

実施例２ 前記表１のＡ１粉末及びＢ２粉末を使用して、実施例１
と同様の試験を行った。その結果を前記の表２の比較例
１１０と対比して表３に示す。

本実施例は、実施例１に比し、基質の強度及び靭性を向
上したものである。

なお、本実施例でも試料Ｎｏ、２３（Ａｌ粉未配合比３
６％）で一部チッピングが発生した。

表３ 実施例３ 前記表１のＡ２粉末及びＢ２粉末を使用して、実施例１
と同様の試験を行った。その結果を前記の表２の比較例
１１０と対比して表４に示す。

実施例１，２と同様に硬質粒子が３６％添加されている
ものは、チッピングを生じたが、その他は、いずれも良
好な耐摩耗性、圧環強度を示した。

表４ 実施例４ 実施例２で製作した試料Ｎ　ｏ　、　２１を１１５０℃
真空中で焼結し、密度比を８６％としたのに、溶融塩中
に浸漬し、空孔内にＰｂ、Ｃｕを溶浸した後、実施例１
と同様の試験を行った。

表５に試験の結果を示す。Ｐｂ、Ｃｕの溶浸により、摩
耗量が半減する効果が得られた。

以上の如く、本願発明材は、従来材対比バルブシート用
材料として、優れた耐摩耗性と圧環強度を示し、実施例
１〜４におけるベンチテスト後の試験片ｌｌｔ察でも腐
食摩耗は、観察されなかった。

表５ 本願発明材は、バルブシート用材料として開発されたも
のであるが、これ以外の高温耐摩耐食用材料として用い
られることは、言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように５本発明材は、過酷な条件で用いら
れるバルブシートに最適であり、工業上非常に有益であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　重量比で、Ｃ１．１〜３．９５％ Ｃｒ２．０〜８．０％ Ｗ＋２Ｍｏ２０．０〜３５．０％ Ｖ１．０〜８．０％ Ｃｏ１．０〜１５．０％ 残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる硬質粒子Ａが、重量
   比で、Ｃ０．３〜２．５％ Ｓｉ０．１〜２．０％ Ｍｎ０．１〜１．０％ Ｃｒ２．５〜１４．０％ Ｍｏ０．３〜３．０％ Ｖ０．５〜１．５％ Ｎｉ０．３〜５．０％ 残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる基質Ｂに、前記硬質
   粒子Ａ＋前記基質Ｂに対し、重量比で、５．０〜２５．
   ０％の割合で分散保持されており、前記基質Ｂに実質的
   に未固溶状態で存在することを特徴とする高温耐摩耐食
   焼結材料。 ２　重量比で、Ｃ１．１〜３．９５％ Ｃｒ２．０〜８．０％ Ｗ＋２Ｍｏ２０．０〜３５．０％ Ｖ１．０〜８．０％ Ｃｏ１．０〜１５．０％ 残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる予備合金化された硬
   質粒子Ａが、重量比で、 Ｃ０．３〜２．５％ Ｓｉ０．１〜２．０％ Ｍｎ０．１〜１．０％ Ｃｒ２．５〜１４．０％ Ｍｏ０．３〜３．０％ Ｖ０．５〜１．５％ Ｎｉ０．３〜５．０％ 残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる基質Ｂに、前記硬質
   粒子Ａ＋前記基質Ｂに対し、重量比で、５．０〜２５．
   ０％の割合で分散保持されており、前記基質Ｂに実質的
   に未固溶状態で存在しており、更に耐摩耗性付与のため
   、溶浸材を溶浸せしめていることを特徴とする高温耐摩
   耐食焼結材料。 ３　溶浸材が、Ｐｂ又はＰｂ合金、あるいはＣｕ又はＣ
   ｕ合金である特許請求の範囲第２項記載の高温耐摩耐食
   焼結材料。 ４　重量比で、Ｃ１．１〜３．９５％ Ｃｒ２．０〜８．０％ Ｗ＋２Ｍｏ２０．０〜３５．０％ Ｖ１．０〜８．０％ Ｃｏ１．０〜１５．０％ 残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる予備合金化された硬
   質粒子Ａと、重量比で、 Ｃ０．３〜２．５％ Ｓｉ０．１〜２．０％ Ｍｎ０．１〜１．０％ Ｃｒ２．５〜１４．０％ Ｍｏ０．３〜３．０％ Ｖ０．５〜１．５％ Ｎｉ０．３〜５．０％ 残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる粉末Ｂとを前記粉末
   Ａが、該粉末Ａ＋前記粉末Ｂに対し、重量比で、５．０
   〜２５．０％の割合となるように混合し、加圧成形した
   後、１１００℃以上で焼結することを特徴とする高温耐
   摩耐食焼結材料の製造方法。 ５　重量比で、Ｃ１．１〜３．９５％ Ｃｒ２．０〜８．０％ Ｗ＋２Ｍｏ２０．０〜３５．０％ Ｖ１．０〜８．０％ Ｃｏ１．０〜１５．０％ 残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる予備合金化された硬
   質粒子Ａと、重量比で、 Ｃ０．３〜２．５％ Ｓｉ０．１〜２．０％ Ｍｎ０．１〜１．０％ Ｃｒ２．５〜１４．０％ Ｍｏ０．３〜３．０％ Ｖ０．５〜１．５％ Ｎｉ０．３〜５．０％ 残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる粉末Ｂとを前記粉末
   Ａが、該粉末Ａ＋前記粉末Ｂに対し、重量比で、５．０
   〜２５．０％の割合となるように混合し、加圧成形した
   のち、１１００℃以上で焼結し、その後更に、耐摩耗付
   与のため溶浸材を溶浸せしめることを特徴とする高温耐
   摩耐食焼結材料の製造方法。 ６　溶浸材がＰｂ又はＰｂ合金、あるいはＣｕ又はＣｕ
   合金である特許請求の範囲第５項記載の高温耐摩耐食焼
   結材料。