铁基烧结合金制阀座的制作方法
【专利摘要】为了提供一种可以在对应于高输出功率化的柴油机上使用的、具有优异的耐磨耗性和被削性的铁基烧结合金制阀座，使用维氏硬度Hv为800～1200的金属间化合物，并且，在铁基烧结阀座的组成之中，特别是关于C和P，以质量％计分别为1.2～1.6％和0.80～1.35％的范围。
【专利说明】铁基烧结合金制阀座
【技术领域】
[0001] 本发明涉及内燃机的阀座，特别是涉及可以在高输出功率用的高负荷柴油机上使 用的、耐磨耗性和被削性这两方均优异的铁基烧结合金制阀座。
【背景技术】
[0002] 阀座装配在内燃机的汽缸盖上，在高温环境下经由汽门反复受到撞击，因此为了 使其耐磨耗性、耐热性等提高而进行各种改良。特别是在高输出功率用的高负荷柴油机中， 用于应对环境的燃烧效率的提高，导致伴随金属接触而来的对阀座材料的负荷有越发增强 的倾向，对于阀座来说，在宽泛的使用温度下，比以往任何时候都更加要求提高耐磨耗性。 迄今为止，作为柴油机用阀座，例如，在日本特开昭61-19762中，公开有一种耐磨耗性烧结 合金，其为了耐受热负荷和机械的负荷，并且为了确保耐磨耗性，在如下的基体中分散有以 除去气孔的部分的面积比计，分散2?30%的TiN粒子的氮化钛粒子，所述基体以重量％ 计，C:1. 0 ?3. 0%，Si:0· 2 ?1. 0%，Cr:5. 0 ?20%，Mo:0· 5 ?2. 0%，V:0· 3 ?3. 0%， B、P和S中的1种或2种以上合计0. 02?0. 5%，余量实质上由Fe构成。
[0003] 然而，使TiN分散的耐磨耗性烧结合金因为TiN与基体密接性不高而脱落，从而导 致被削性差，加工非常困难，成为高成本的材料。另外，因为对手材料攻击性比较强，所以也 存在使阀磨耗这样的问题。即，在柴油机用阀座中，除了被削性以外，还要求包含所谓的对 手材料攻击性在内的耐磨耗性的提高。
【发明内容】
[0004] 鉴于上述问题，本发明的课题在于，提供一种对应于高输出功率化的柴油机所使 用的具有高耐磨耗性和优异的被削性的铁基烧结合金制阀座。
[0005] 另外，烧结合金具有许多气孔，由于气孔的存在而诱发所谓的断续切削，对工具施 加冲击而使缺损和工具磨耗促进。因此，为了改善被削性，烧结合金的致密化也成为重要的 方面。
[0006] 【用于解决课题的手段】
[0007] 本
【发明者】们对铁基烧结合金制阀座进行锐意研究，结果想到：使用维氏硬度Hv为 800?1200的金属间化合物，并且，在铁基烧结阀座的组成之中，特别是对于C和P，以质 量％计分别使之在1. 2?1. 6%和0. 80?1. 35%的范围，由此能够得到耐磨耗性和被削性 这两者均优异的铁基烧结合金制阀座。
[0008]S卩，本发明的铁基烧结合金制阀座的特征在于，所述的铁基烧结合金制阀座在基 体中，以体积％计分散有5?14%的由平均粒径为5?200μm、维氏硬度Hv800?1200 的金属间化合物构成的硬质粒子，所述基体的组成由C、Si、Cr、Mo、V、P,以及余量由Fe和 不可避免的杂质构成，所述C和所述P相对于所述铁基烧结阀座，以质量％计为C:1. 2? 1. 6%，P:0. 80?1. 35%。优选使用以如下方式调合的原料粉末作为所述基体的组成，即以 质量％计，由C:1· 3 ?I. 85%、Si:0· 4 ?0· 8%、Cr:10. 0 ?13. 0%、M〇 :0· 8 ?I. 2%、V: I. 7?2. 2%、P:0. 80?I. 72%、以及余量：Fe和不可避免的杂质构成。
[0009]优选所述硬质粒子包含Fe-Mo-Si合金和/或Cr-W-Co-Fe合金，更优选所述 卩6,〇^合金以质量％计，包含舭：40?70%、5丨：0.4?2.0%、(： ：0.1%以下、以及余量： Fe和不可避免的杂质，另外所述Cr-W-Co-Fe合金，以质量％计，包含Cr:27?33%、W:22? 28%、Co:8?12%、以及余量：Fe和不可避免的杂质。硬质粒子选择Fe-Mo-Si合金时，更 优选铁基烧结阀座的组成之中，31、01〇、￥相对于铁基烧结阀座，以质量％计为51 :0.5? 0· 9%、Cr:8. 0 ?11. 0%、M〇 :5. 0 ?10. 0%、和V:1· 4 ?1. 9%。
[0010] 另外，基于液相烧结带来的致密化，从耐磨耗性和被削性这两者优异的这一观点 出发，优选密度为7. 5?7. 8g/cm3。
[0011] 发明的效果
[0012] 本发明的铁基烧结合金制阀座，以体积％计分散5?14%的由维氏硬度Hv为 800?1200的金属间化合物构成的硬质粒子，另外，对于铁基烧结阀座的组成之中特别是 C，以质量％计使之在1. 2?1. 6%的范围，由此可以作为具备耐磨耗性和被削性这两者的 柴油机用阀座使用。此外，相对于铁基烧结阀座，以质量％计添加〇. 80?1. 35%的范围的 P，有助于液相烧结带来的致密化，结果是抑制硬质粒子的脱落，另外避免断续切削，有助于 耐磨耗性和被削性两者。此外，借助树脂填充等的封孔处理提高被削性的对策也无需成为 必须，有助于成本降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是表示用于本发明的铁基烧结合金制阀座的耐磨耗性评价的单体磨耗试验 的概略图。
[0014] 图2是相对于C%绘制本发明的实施例和比较例的阀座和作为对手材料的阀的磨 耗量的图。
[0015] 图3是表示本发明的实施例和比较例的阀座的被削性试验的评价结果的图。
【具体实施方式】
[0016] 本发明的铁基烧结合金制阀座，由基体，和分散在基体中的包含金属间化合物 的硬质粒子构成。由金属间化合物构成的硬质粒子具有45?200μm的平均粒径、和Hv 800?1200的维氏硬度。维氏硬度低于Hv800时，耐磨耗性降低，另一方面，若Hv超过 1200,则韧性降低，发生于阀座的缺陷和裂纹增加，硬质粒子也容易脱落。另外，平均粒径低 于5μm时，对于耐磨耗性几乎没有效果，另一方面，若超过200μm，则阀座的成形性变差， 密度降低，耐磨耗性降低。硬质粒子的分散量以体积％计为5?14%。硬质粒子的分散量 低于5体积％时，对于耐磨耗性没有效果，若超过14体积％，则阻碍致密化，使被削性降低， 使对手攻击性增大，因此不优选。
[0017]作为能够用作硬质粒子的金属间化合物，作为Fe基材料可列举Fe-Mo合金、Fe-Mo-Si合金、Fe-W合金、Fe-Cr合金、Fe-Si合金、Fe-B合金，作为Co基材料，可列举 Co-W-Cr合金、Co-Si-Cr-Mo-Ni合金、Co-Mo-Cr-Si合金、Co-Cr-Ni-Fe合金等。其中优选 Fe-Mo-Si合金和/或Cr-W-Co-Fe合金，Fe-Mo-Si合金，优选以质量％计，包含Mo:40? 70%、Si:0. 4?2. 0%、C:0. 1 %以下、以及余量：Fe和不可避免的杂质，另外Cr-W-Co-Fe合 金，优选以质量％计，包含Cr:27?33%、W:22?28%、Co:8?12%、C:1. 7?2· 3%、以 及余量：Fe和不可避免的杂质。
[0018] 除去硬质粒子的基体，其组成具有(：、51、(：1^〇、￥、？以及余量由？6和不可避免的 杂质构成的组成。其中的C和P相对于铁基烧结阀座全体，以质量％计为C:1. 2?1. 6%， P:0. 80 ?1. 35%。
[0019] C-般在基体中固溶而使基体强化，并且与其他的合金元素结合而形成碳化物，使 耐磨耗性提高。在本发明中，相对于铁基烧结阀座，C低于1.2质量％时，则柔软的铁素体 生成，不能获得规定的硬度，耐磨耗性不足，若超过1. 6质量％，则碳化物过剩地生成，阀攻 击性显著提高。因此，铁基烧结阀座的C的含量为1.2?1.6质量％。还有，除去硬质粒子 的基体中所含的C的含量优选为1. 3?1. 85质量％。
[0020] 另外，P以FeP(26. 6质量％P)方式被添加，在烧结温度下生成液相，促进致密化。 P与B和S比较，对铁基烧结合金造成的脆化作用小，因此只选择P时，可以导入较多量的P。 在本发明中，相对于铁基烧结阀座，P低于0.80质量％ (作为FeP相对于铁基烧结阀座全 体约为3质量％ )时，致密化的效果低，若超过1. 35质量％ (作为FeP相对于铁基烧结阀 座全体约为5质量％ )，则回火脆性等的不为优选的影响出现，因此为0. 80?1. 35质量％ (作为FeP相对于铁基烧结阀座全体为3?5质量％ )。通过添加最佳量的P(FeP)，本发明 的铁基烧结合金其致密化得到促进，可以致密化至密度7. 5?7. 8g/cm3或以相对密度计达 95%以上。若能够致密化至这一水平，则以往的为了改善被削性而进行的利用树脂等的封 孔处理不需要成为必须。当然不妨碍进行封孔处理。还有，作为除去了硬质粒子的基体中 所含的P的含量，优选为P:0.80?1.72质量％。
[0021] 在除去了硬质粒子的基体中所含的Si,在Cr的存在下降低液相生成温度，抑制碳 化物的粗大化，使组织微细化。作为添加量优选为0. 4?0. 8质量％。另外，Cr、Mo、V其 一部分均在基体中固溶而使基体强化，并且余量与C结合而形成碳化物，使耐磨耗性提高。 还有，固溶于基体的Cr改善耐腐蚀性，Mo提高淬火性和高温强度。另外，V特别微细，形成 硬的碳化物而使基体强化，有助于耐磨耗性的提高。如果Cr、Mo、V的量过少，则这些效果 不足，但作为除了硬质粒子的基体的Cr、Mo、V的组成，分别以质量％计，优选使用以Cr为 10?13%、Mo为0.8?1.2%、V为1.7?2. 2%的方式调合的原料粉末。此外，构成硬质 粒子的合金成分在烧成中能够在基体中扩散，因此硬质粒子与基体的界面具有良好的结合 界面，另外最终的铁基烧结阀座的基体的合金成分，比调合后的合金成分的量多，成为进一 步被强化的状态。特别是Mo容易从硬质粒子扩散到基体中。
[0022] 硬质粒子使用Fe-Mo-Si合金时，Si、Cr、Mo和V相对于铁基烧结阀座，以质量％计 优选为，Si:0· 5 ?0· 9%，Cr:8· 0 ?11. 0%，Mo:5· 0 ?10. 0%和V:1· 4?L9%的组成。
[0023] 在本发明的铁基烧结合金制阀座的制造中，作为基体的原料，也可以在铁粉中添 加各合金元素的金属粉末或铁合金粉末、石墨粉末等，也可以使用预先合金化成规定的组 成的合金粉末（预合金粉末）。构成基体的铁粉和/或预合金的合金粉末与合金元素粉末 中，调合由金属间化合物构成硬质粒子粉末，将加以混合的混合粉制成原料粉。关于构成 基体的铁粉和/或预合金粉末和合金元素粉末，如前述，优选成为以质量％计，由C:1. 3? I. 85%、Si:0· 4 ?0· 8%、Cr:10· 0 ?13. 0%、M〇 :0· 8 ?I. 2%、V:1· 7 ?2· 2%、P:0· 80 ? 1. 72%以及余量：Fe和不可避免的杂质构成的组成。也可以相对于原料粉末，即铁粉、预合 金粉末、合金元素粉末、硬质粒子的混合粉末的合计量，调合硬脂酸盐等0. 5?2%作为脱 模材。混合粉通过压形机等进行压缩、成形而成形为压粉体，所述压粉体在真空或非氧化性 (或还原性）气氛中在980?1150°C的温度范围进行烧结，再在550?750°C的温度范围进 行回火处理。
[0024]烧结温度低于980°C时，液相的生成量少，得不到规定的强度。另一方面，若以超过 1150°C的温度烧结，则碳化物粗大地生长，形成网状结构，因此发生耐磨耗性的劣化。作为 非氧化性（或还原性）气氛，具体来说，优选为使用了NH3气体、N2与H2的混合气体等的气 氛。
[0025]【实施例】
[0026] 实施例1?6和比较例1?4
[0027] 粒度分布在150?200目具有峰值的由Cr:1L3%、Mo:0· 96%、V:L9%、Si: 0. 78%、C:1. 1 %、余量：Fe(和不可避免的杂质）所构成的预合金粉末中，添加C为表1 所示的基体组成这样的规定量的石墨粉，此外，再调合作为液相辅助剂期待其发挥功能的 FeP，相对于包含硬质粒子在内的烧结合金全体的质量为3?5% (表1中表示基体中的质 量％。），和由维氏硬度为Hv1175、平均粒径29μπι的Fe-Mo-Si合金构成的硬质粒子10质 量％或15质量％，用混合机混炼而制作混合粉。表1中显示各实施例和比较例的基体组成 与Fe-Mo-Si硬质粒子的混合比率。还有，在原料粉末中，为了改善成形工序的脱模性而相 对于原料粉末的量添加硬脂酸锌〇. 5质量％。另外，所使用的Fe-Mo-Si合金具有如下组成， 以质量％计，由Mo:60. 87%、Si:1. 20%、C:0. 05%、余量：Fe(和不可避免的杂质）构成。 [0028]【表1】
[0029]
【权利要求】
1. 一种铁基烧结阀座，其特征在于，所述铁基烧结阀座在基体中，以体积％计分散有 5?14%的由平均粒径为5?200 iim、维氏硬度Hv为800?1200的金属间化合物构成的 硬质粒子， 所述基体的组成为C、Si、Cr、Mo、V、P以及余量由Fe和不可避免的杂质构成，所述C和 所述P相对于所述铁基烧结阀座，以质量％计为C :1. 2?1. 6%、P :0. 80?1. 35%。
2. 根据权利要求1所述的铁基烧结阀座，其特征在于，所述基体的组成使用以如下方 式调合而成的原料粉末，即以质量％计，包含C :1. 3?1. 85%、Si :0. 4?0. 8%、Cr :10. 0? 13. 0%、M〇 :0? 8 ?1. 2%、V :1. 7 ?2. 2%、P :0? 80 ?1. 72%、以及余量：Fe 和不可避免的 杂质。
3. 根据权利要求1或2所述的铁基烧结阀座，其特征在于，所述硬质粒子包含 Fe-Mo-Si 合金和 / 或 Cr-W-Co-Fe 合金。
4. 根据权利要求3所述的铁基烧结阀座，其特征在于，所述Fe-Mo-Si合金以质量％计， 包含Mo :40?70%、Si :0. 4?2. 0%、C :0. 1%以下、以及余量：Fe和不可避免的杂质，所述 Cr-W-Co-Fe合金以质量％计，包含Cr :27?33%、W :22?28%、Co :8?12%、以及余量： Fe和不可避免的杂质。
5. 根据权利要求4所述的铁基烧结阀座，其特征在于，所述Si、Cr、Mo和V相对于铁基 烧结阀座，以质量％计为Si :0? 5?0? 9%、Cr :8. 0?11. 0%、M〇 :5. 0?10. 0%和V :1. 4? 1. 9%。
6. 根据权利要求1?5中任一项所述的铁基烧结阀座，其特征在于，所述阀座的密度为 7. 5 ?7. 8g/cm3。
【文档编号】B22F5/00GK104428436SQ201380035048
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年7月3日 优先权日:2012年7月6日
【发明者】桥本公明, 逸见浩二 申请人:株式会社理研