专利名称：用于混入烧结合金中的硬质颗粒，含有硬质颗粒的耐磨铁基烧结合金，由烧结合金形成的 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及适于混入烧结合金中的硬质颗粒，尤其涉及适于增强烧结合金的耐磨性的硬质颗粒。本发明还涉及含有这种硬质颗粒的耐磨铁基烧结合金，由这种烧结合金形成的阀座和制造这种硬质颗粒的方法。相关技术的描述铁基烧结合金有时用于阀座等。硬质颗粒有时包含在烧结合金中以进一步增强合金的耐磨性。当包括硬质颗粒时，通常将硬质颗粒的粉末混合到由低合金钢或不锈钢构成的粉末中，将所混合的粉末形成为压坯，然后烧结压坯以得到烧结合金。
已经公开的这种硬质颗粒的一个实例是含有20 60质量％的钥(Mo)、0. 2 3质量％的碳(C)、5 40质量％的镍(Ni)、l 15质量％的锰(Mn)和0.1 10质量％的铬(Cr)以及余量为不可避免的杂质和铁的硬质颗粒(例如见日本专利申请公开2001-181807号(JP-A-2001-181807))。当这些硬质颗粒用于制造铁基烧结合金时，可提高硬质颗粒和作为基体金属的铁基体之间的粘附性。另外，通过在硬质颗粒中包含Mo，可确保更好的固体润滑特性。当由JP-A-2001-181807中公开的烧结合金制造用于内燃机的阀座时，硬质颗粒中的Mo作为固体润滑剂，能够提高阀与阀座的滑动面之间的润滑特性。然而，当阀打开和关闭时，阀座和阀不仅仅彼此相对滑动。尤其是排气阀在比进气阀更高温度环境下工作。在这种环境下，阀座和阀随着阀的开和关而间歇性地接触。由于阀和阀座在这种接触中彼此相对滑动，存在接触期间的粘着磨损和滑动期间的摩擦磨损的组合(以下也称为“组合磨损”)。严格考虑这种形式的磨损表明有时阀座的耐磨性不能通过仅仅提高润滑特性来足够地提高。
发明内容
本发明提供用于混入烧结合金中的硬质颗粒，所述硬质颗粒能够提高耐磨性，SP使在高温环境中出现组合磨损时也是如此。另外，本发明提供含有所述硬质颗粒的耐磨铁基烧结合金，由所述烧结合金形成的阀座，和制造所述硬质颗粒的方法。由于进行了广泛的研究，发明人认识到在保持硬质颗粒现有的润滑特性的同时进一步提高硬质颗粒的硬度对于在这种环境中的耐磨性是有效的。还发现通过向硬质颗粒中添加与其他元素相比具有更高可氧化性的钇(Y)来在确保颗粒的润滑特性的同时提高硬质颗粒的硬度的方法是实现上述目标的最有效方法。本发明基于该发现。本发明的第一方面涉及用于作为原料混入烧结合金中的硬质颗粒。所述硬质颗粒由20 40质量％的钥、0. 5 I. 0质量％的碳、5 30质量％的镍、I 10质量％的锰、I 10质量％的铬、5 30质量％的钴、0. 05 2质量％的钇，以及余量为不可避免的杂质和铁构成。在本说明书中，除非另有说明，是指质量百分比。
根据本发明，由于Y与其他元素相比非常易于在空气中氧化，所以通过将Y添加到构成硬质颗粒的组分中，氧化钇(Y2O3)形成于硬质颗粒中并分散于硬质颗粒中。结果，硬质颗粒是分散增强的，能够硬质颗粒的硬度提高。另外，Y氧化物可抑制粘着磨损，因此能够进一步改善耐磨性。此外，当机器加工含有这些硬质颗粒的烧结合金时，烧结合金不易粘附到切割工具，使得通过Y氧化物提高烧结合金的可机械加工性。如果加入的Y的量少于硬质颗粒的质量的0. 05%，即使Y2O3形成于硬质颗粒中，也不能完全实现能够为其中使用硬质颗粒的烧结合金提供希望的耐磨性的硬度。另一方面，向硬质颗粒中加入Y越多，硬质颗粒的硬度可以提高的程度就越高。然而，当加入的Y的量超过硬质颗粒的质量的2%时，硬质颗粒变脆，降低了用这种硬质颗粒制造的烧结合金的耐磨性。硬质颗粒中其他组分的技术意义及其含量，详细描述在以下提供的本发明的实施方案和实施例中。在优选实施方案中，硬质颗粒可分别包含21 39质量％的Mo、0. 7 0. 9质量％的C、6 28质量％的附、1 9质量％的] 11、2 9质量％的Cr、7 29质量％的Co。 描述的本发明的第二方面涉及通过利用前述用于混入烧结金属中的硬质颗粒获得的耐磨铁基烧结合金。该耐磨铁基烧结合金通过将上述硬质颗粒构成的粉末与铁粉末混合以分散所述硬质颗粒，然后烧结所混合的粉末而获得，其中所述硬质颗粒占所述耐磨铁基烧结合金的10 60质量％。在该耐磨铁基烧结合金中，在烧结期间，铁金属变为将硬质颗粒连接在一起的基体。当所包含的硬质颗粒的量小于烧结合金的10质量％时，硬质颗粒的耐磨性效果可能不能完全体现。另一方面，当包含的硬质颗粒的量大于烧结合金的60质量％时，铁基体的比例降低，其结果是硬质颗粒不能以足够的结合强度保持在烧结合金中。因此，在出现磨损的环境下，如接触和滑动的环境下，烧结合金可最终使得硬质颗粒脱离，使得烧结合金继续磨损。在上述耐磨铁基烧结合金中，铁粉末可通过烧结形成为耐磨铁基烧结合金的基体。并且，在上述耐磨铁基烧结合金中，钇的氧化物可存在于耐磨铁基烧结合金的表面上。本发明的第三方面涉及由前述耐磨铁基烧结合金形成的阀座，通过本发明，即使在高温环境下出现其中同时存在上述接触期间的粘着磨损和滑动期间的摩擦磨损的磨损形式，硬质颗粒的硬度也可提高并且不损失这些颗粒现有的固体润滑特性。这使得阀座的耐磨性与现有技术阀座的耐磨性相比甚至进一步提高。本发明的第四方面涉及制造硬质颗粒的方法，包括制备含有20 40质量％的钥、0.5 1.0质量％的碳、5 30质量％的镍、I 10质量％的锰、I 10质量％的铬、5 30质量％的钴、0. 05 2质量％的钇，以及余量为不可避免的杂质和铁的熔体；使所述熔体粉末化；和氧化所述钇。在该方法中，熔体可通过气体雾化而粉末化。即使在高温环境下出现摩擦磨损和粘着磨损的组合的磨损形式时，上述已经混入根据本发明的该方面的硬质颗粒的烧结合金也具有提高的固体润滑特性和提高的硬度，因此能够进一步提高耐磨性。
本发明的特征、优点和技术及工业意义将参考附图在本发明的示例性实施方案的以下详细描述中描述，附图中相同的附图标记代表相同的元件/要素，其中图I是示出根据本发明的实施例1-4和对比例1-3的阀座磨损测试结果的图；图2是示出根据本发明的实施例5-10和对比例4-15的阀座磨损测试结果的图；图3是示出根据本发明的实施例11-15和对比例16和17的阀座磨损测试结果的图；和图4是说明根据本发明的实施例和对比例中进行的磨损测试的图。
具体实施例方式以下详述本发明的实施方案。根据这些实施方案的硬质颗粒是用于作为原料混入烧结合金中的硬质颗粒。硬质颗粒的硬度高于烧结合金的基体的硬度。硬质颗粒由20 40质量％的钥(Mo)、0. 5 1.0质量％的碳(C)、5 30质量％的镍(Ni)、I 10质量％的 锰(Mn)、l 10质量％的铬(Cr)、5 30质量％的钴(Co)、0. 05 2质量％的钇(Y)，以及余量(即硬质颗粒中包含的除Mo、C、Ni、Mn、Cr、Co和Y之外的剩余部分)为不可避免的杂质和铁构成。这种硬质颗粒可通过制备含有以前述比例混合的上述组分的熔体，然后对熔体进行雾化处理。另一种可用的方法是固化熔体，然后将固体机械研磨成粉末。雾化可通过气体雾化或水雾化进行，但是优选气体雾化，这是由于其能够获得具有圆形特征的颗粒的能力，从可烧结性和其他考虑的观点看具有圆形特征的颗粒是希望的。气体雾化可在例如非氧化性气氛中(例如在氮气或氩气的惰性气体气氛中或在真空中)进行，条件是直至制造(烧结)烧结合金时Y才可以被氧化。此处，考虑到之后所述的限制组成的原因，以及在这些范围内，例如硬度、固体润滑特性、粘附性和成本的这些额外因素的原因，上述硬质颗粒的组分的下限值和上限值可合适地根据赋予待使用构件的各特性的重要程度而改变。在硬质颗粒的组分中，Mo形成Mo碳化物，这提高了硬质颗粒的硬度和耐磨性。另夕卜，固溶体中的Mo和Mo碳化物形成Mo氧化物膜，这有效提高了良好的固体润滑特性。在Mo的量低于上述下限值时，固体颗粒中的固体润滑特性不足。在量高于上述上限值时，在烧结期间与铁基体的粘附性降低。硬质颗粒的Mo含量更优选为21 39质量％。在硬质颗粒的组分中，C与Mo键合以形成Mo碳化物，并且有效地提高硬质颗粒的硬度和耐磨性。在C的量低于上述下限值时，耐磨性不足。在C的量高于上述上限值时，烧结合金的密度降低。硬质颗粒中C的含量更优选为0. 7 0. 9质量％。在硬质颗粒的组分中，Ni增加硬质颗粒的基体中的奥氏体，增加固溶体中Mo的量，并且提高耐磨性。另外，硬质颗粒中的Ni扩散到烧结合金的基体中，增加基体中的奥氏体并且增加固溶体中Mo的量，因此有效提高耐磨性。在Ni的量低于上述下限值时，固溶体中Mo的量减少，导致耐磨性不足。在Ni的量高于上述上限值时，烧结合金倾向于导致胶住，易于产生粘着磨损。硬质颗粒中Ni的含量更优选为6 28质量％。在硬质颗粒的组分中，Mn在烧结期间有效地从硬质颗粒扩散到烧结合金基体，因此有效改善硬质颗粒和烧结合金基体之间的粘附性。另外，Mn可期望在硬质颗粒的基体中和在烧结合金的基体中具有奥氏体增加效应。在Mn的量低于上述下限值时，扩散到烧结合金的基体的量少，因此降低了硬质颗粒和基体之间的粘附。在Mn的量高于上述上限值时，烧结合金的密度降低。硬质颗粒中Mn的含量更优选为I 9质量％。当工作环境温度高并且在硬质颗粒上形成的氧化物膜增加时，会出现氧化物膜从硬质颗粒上的脱离。在硬质颗粒的组分中，Cr有效抑制硬质颗粒的氧化。在Cr的量低于上述下限值时，硬质颗粒中的氧化物膜变得过厚，促进氧化磨损。在Cr的量高于上述上限值时，抑制了作为固体润滑剂的氧化物膜的形成。硬质颗粒中Cr的含量更优选为2 9质量％。在硬质颗粒的组分中，Co增加硬质颗粒的基体中和在烧结合金的基体中具有奥氏体增加效应。
在Co的量低于上述下限值时，上述效应不易发生。在Co的量高于上述上限值时，耐磨性可能降低。硬质颗粒中Co的含量更优选为7 29质量％。在硬质颗粒的组分中，Y比其他元素更易于在空气中氧化。因此，当Y加入到硬质颗粒的其他组分中时，在硬质颗粒中形成氧化钇(Y2O3)，并且该氧化物在硬质颗粒内部扩散，增强硬质颗粒。该钇的氧化不仅在形成硬质颗粒粉末期间发生，其还可在形成压坯期间和随后在高温环境下用作烧结合金期间发生。另外，由于Y2O3存在于硬质颗粒或烧结合金的表面，所以可抑制粘着磨损和提高耐磨性。此处，在Y的量低于上述下限值时，即使在Y2O3形成于硬质颗粒中时，不能获得使得预期在使用这种硬质颗粒制造的烧结合金的耐磨性的程度的硬度。另一方面，尽管向硬质颗粒中添加更多的Y使得硬质颗粒的硬度增加，但是在基于硬质颗粒的质量添加超过2%时，硬质颗粒变脆，降低了利用这种颗粒制造的烧结合金的耐磨性。在这种情况下，当形成通过将硬质颗粒和作为基体的铁粉末颗粒混合而获得的粉末时，硬质颗粒变得太硬，降低了已形成的压坯的密度。结果，通过烧结压坯获得的烧结合金的密度降低，导致烧结合金的耐磨性降低。硬质颗粒具有可根据如铁基烧结合金的类型和预定用途的这些考虑合适选择的平均粒径。平均粒径可设定为20至250 ym，但不限于该范围。硬质颗粒的硬度取决于添加的钇的量，并且可设定为约600至约700的维氏(Vickers)硬度(Hv)。然而，硬度不限于该范围，只要硬质颗粒的硬度高于其中使用硬质颗粒的物体(例如烧结合金的基体)的硬度即可。这种用于混入烧结合金中的硬质颗粒通过将由硬质颗粒构成的粉末混合到作为基体的铁粉末中以分散硬质颗粒来使用。此时更优选硬质颗粒占总混合粉末(即耐磨铁基烧结合金)的10至60质量％。由于硬质颗粒分散于烧结合金基体中并且构成增加烧结合金的耐磨性的硬质相，所以在硬质颗粒含量小于10质量％时，烧结合金的耐磨性不足。另一方面，在硬质颗粒含量大于60质量％时，不仅有增加的烧结合金攻击配合材料的趋势(即引起与其接触构件的磨损的增加的硬度)，而且也难以确保硬质颗粒的保留。在混合粉末中，铁粉末(例如纯铁粉末或低合金钢粉末)用作耐磨铁基烧结合金的基体。C粉末也可加入其中。铁-C粉末可用作低合金钢粉末。例如，可使用每100质量％低合金钢粉末含0. 2至5质量％的C的组合物，余量为不可避免的杂质和铁。所得混合粉末形成压坯，和烧结该压坯。烧结温度可设定为约1050至约1250°C，尤其为约1100至1150°C。在该烧结温度下的烧结时间可设定为30至120分钟，优选45至90分钟。烧结气氛可为非氧化性气氛,如惰性气体气氛。示例性非氧化性气氛包括氮气气氛、氩气气氛和真空气氛。然后，为确保通过烧结获得的铁基烧结合金的基体的硬度，优选包括含珠光体的微结构。所述含珠光体的微结构可为珠光体微结构、珠光体-奥氏体混合微结构、珠光体-铁素体混合微结构、或珠光体-渗碳体混合微结构。为确保耐磨性，优选具有低硬度的铁素体的含量小。根据组成而改变的基体的Hv为约120至约300，并且可根据例如热处理条件和加入的C粉的量进行调节。然而，只要这些因素的程度不降低耐磨性，例如硬质颗粒和基体之间的粘附性，对于上述组成和硬度就没有限制。内燃机的排气阀的阀座可利用上述耐磨铁基烧结合金形成。在例如内燃机的排气阀的阀座所经历的高温环境下，即使在其中发生为阀座与阀之间接触期间的粘着磨损和它 们之间滑动期间的摩擦磨损的组合的磨损形式的情况中，硬质颗粒的硬度可增加并且不损害硬质颗粒的现有固体润滑特性。这样，与现有技术中阀座的耐磨性相比，甚至可以进一步提高阀座的耐磨性。实施例以下与对比例一起描述本发明的具体实施例。实施例I通过以下示出的方法制造根据实施例I的由含有硬质颗粒的烧结合金形成的阀座。即，使用惰性气体(氮气)通过雾化由具有表I所示组成的熔体产生合金粉末。合金粉末以44 ii m至180 ii m的范围进行分类以得到硬质颗粒的粉末。该硬质颗粒粉末、石墨粉末和纯铁粉末在混合器中混合，从而形成混合粉末作为混合材料。混合粉末中的硬质颗粒粉末含量设定为30质量％，石墨粉末含量设定为0. 6质量％，余量为纯铁粉末。使用模具，如上配制的混合粉末经受78. 4X 107Pa(8tonf/cm2)的施加压力以形成具有环形的压模测试件，从而形成压坯。压坯在1120°C在惰性气氛(氮气气氛)中烧制60分钟，从而形成作为测试件的烧结合金(阀座)。实施例2至4以如实施例I中的方式制造阀座。这些实施例与实施例I的不同在于表I中所示出的硬质颗粒的组成。即，阀座(烧结合金)的硬质颗粒中钇的含量在各实施例中为0. 2质量％、1. 0质量％和2. 0质量％。对比例I以如实施例I中的方式制造阀座。该实例与实施例I的不同在于表I所示出的硬质颗粒的组成。即，阀座(烧结合金)中硬质颗粒的组成设定为上述JP-A-2001-181807中所示出的组成和含量。对比例2以如实施例I中的方式制造阀座。该实例与实施例I的不同在于表I所示出的硬质颗粒的组成。即，阀座(烧结合金)的硬质颗粒中钇的含量设定为0质量％ (不包含钇)。
对比例3以如实施例I中的方式制造阀座。该实例与实施例I的不同在于表I所示出的硬质颗粒的组成。即，阀座(烧结合金)的硬质颗粒中钇的含量设定为5.0质量％。表I
权利要求
1.一种用于作为原料混入烧结合金中的硬质颗粒，所述硬质颗粒由以下组分组成 20 40质量％的钥； O.5 1.0质量％的碳； 5 30质量％的镍； I 10质量％的猛； I 10质量％的铬； 5 30质量％的钴； O.05 2质量％的钇；和 余量为不可避免的杂质和铁。
2.根据权利要求I所述的硬质颗粒，其中所述硬质颗粒包含21 39质量％的钥。
3.根据权利要求I或2所述的硬质颗粒，其中所述硬质颗粒包含O.7 O. 9质量％的碳。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的硬质颗粒，其中所述硬质颗粒包含6 28质量％的镍。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的硬质颗粒，其中所述硬质颗粒包含I 9质量％的锰。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的硬质颗粒，其中所述硬质颗粒包含2 9质量％的铬。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的硬质颗粒，其中所述硬质颗粒包含7 29质量％的钴。
8.一种耐磨铁基烧结合金，通过将由根据权利要求I至7中任一项所述的硬质颗粒构成的粉末与铁粉末混合以分散所述硬质颗粒、然后烧结所混合的粉末而获得，其中 所述硬质颗粒占所述耐磨铁基烧结合金的10 60质量％。
9.根据权利要求8所述的耐磨铁基烧结合金，其中所述铁粉末通过烧结形成为所述耐磨铁基烧结合金的基体。
10.根据权利要求8或9所述的耐磨铁基烧结合金，其中在所述耐磨铁基烧结合金的表面存在钇的氧化物。
11.一种阀座，所述阀座由根据权利要求8 10中任一项所述的耐磨铁基烧结合金形成。
12.一种用于制造硬质颗粒的方法，所述方法包括 制备含有20 40质量％的钥、O. 5 I. O质量％的碳、5 30质量％的镍、I 10质量％的猛、I 10质量％的铬、5 30质量％的钴、O. 05 2质量％的乾、以及余量为不可避免的杂质和铁的熔体； 使所述熔体粉末化；和 氧化所述钇。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述熔体通过气体雾化而粉末化。
全文摘要
本发明涉及用于作为原料混入烧结合金中的硬质颗粒，其包含20～40质量％的钼、0.5～1.0质量％的碳、5～30质量％的镍、1～10质量％的锰、1～10质量％的铬、5～30质量％的钴、0.05～2质量％的钇，以及余量为不可避免的杂质和铁。
文档编号C22C38/44GK102782166SQ201080006157
公开日2012年11月14日 申请日期2010年10月13日 优先权日2010年2月19日
发明者亀甲忠义, 吉田裕作, 安藤公彦 申请人:丰田自动车株式会社, 株式会社精密烧结合金