JP5979118B2 - Wear-resistant iron-based sintered metal and valve seat for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、耐摩耗性鉄基焼結金属及びこれを用いた内燃機関用バルブシートに関する。 The present invention relates to a wear-resistant iron-based sintered metal and a valve seat for an internal combustion engine using the same.
従来、耐磨耗性鉄基焼結金属を用いた内燃機関用のバルブシートは、バルブとの組み合わせによって燃焼室の気密性を保つとともに、高温かつドライな環境下での耐摩耗性が高くかつバルブへの攻撃性が低く優れた被削性を有するという特性が要求されている。 Conventionally, a valve seat for an internal combustion engine using wear-resistant iron-based sintered metal maintains the airtightness of the combustion chamber by combining with a valve and has high wear resistance in a high temperature and dry environment. The characteristic that the aggressiveness to a valve is low and it has excellent machinability is required.
また、近年では、環境への対応のためにエンジン出力性能や低燃費性能の向上が必要不可欠となってきており、バルブシートの使用環境においても高温化や高面圧化に加え、高熱伝導性や低熱膨張性といった様々な条件の向上が要求されている。 In recent years, it has become indispensable to improve engine output performance and fuel efficiency in order to respond to the environment. In addition to high temperatures and high surface pressure, the use of valve seats has increased heat conductivity. Improvement of various conditions, such as low thermal expansion, is required.
このような状況から、基地相中に硬質粒子を分散させたパーライトとベイナイトの混合組織の鉄基焼結合金材が知られ、バルブシートとして使用されてきた(例えば、特許文献1参照)。この鉄基焼結合金材は、硬質粒子を含む基地部の組成が、C:0.7〜1.6%、Si:0.1〜1%、Mn:0.05〜1%、Cr:1〜8%、Mo:1〜10%、V:0.1〜2%、Co:1〜20%を含み、残部Fe及び不可避的不純物からなる。 Under such circumstances, an iron-based sintered alloy material having a mixed structure of pearlite and bainite in which hard particles are dispersed in a matrix phase is known and used as a valve seat (for example, see Patent Document 1). In this iron-based sintered alloy material, the composition of the base part including hard particles is C: 0.7 to 1.6%, Si: 0.1 to 1%, Mn: 0.05 to 1%, Cr: It contains 1 to 8%, Mo: 1 to 10%, V: 0.1 to 2%, Co: 1 to 20%, and is composed of the balance Fe and inevitable impurities.
この鉄基焼結合金材は、粒径10〜150μmのCr−Mo−Si−Co系金属間化合物等からなる粒子硬質粒子を5〜25%と、粒径1〜50μmのCaF2等からなる固体潤滑剤粒子を0.1〜7%分散させてなり、かつ基地部の組織を、硬質粒子を除く基地総面積を100%とする面積率で、40〜90%のパーライトと7〜40%のベイナイトと3〜20%のCoリッチ高合金相とされていることにより、被削性に優れ、相手攻撃性が少なく、耐摩耗性に優れるとしている。 This iron-based sintered alloy material is composed of 5-25% hard particle particles made of Cr—Mo—Si—Co intermetallic compound having a particle size of 10 to 150 μm, and solid material made of CaF 2 having a particle size of 1 to 50 μm. Lubricant particles are dispersed in an amount of 0.1 to 7%, and the structure of the base portion is 40 to 90% pearlite and 7 to 40% in an area ratio where the base total area excluding hard particles is 100%. By being made of bainite and a 3-20% Co-rich high alloy phase, it is said that it is excellent in machinability, has little opponent attack and is excellent in wear resistance.
しかしながら、特許文献1に記載された耐摩耗性鉄基焼結合金材にあっては、被削性に優れる一方で、ベイナイト相に析出する炭化物の粗密によって適切な耐摩耗性を得られないという問題があった。すなわち、ベイナイト相に析出する炭化物の密度が過度に粗の状態である場合には十分な耐摩耗性を得られず、また、炭化物の密度が過度に密の状態である場合には加工硬化が小さくなり、高い耐摩耗性が得られない下部ベイナイトや高い耐摩耗性を有するが相手攻撃性が大きいマルテンサイトとなってしまうという問題があった。 However, in the wear-resistant iron-based sintered alloy material described in Patent Document 1, while being excellent in machinability, appropriate wear resistance cannot be obtained due to the density of carbides precipitated in the bainite phase. There was a problem. That is, sufficient wear resistance cannot be obtained when the density of carbides precipitated in the bainite phase is excessively coarse, and work hardening is not achieved when the density of carbides is excessively dense. There is a problem that it becomes smaller and lower bainite where high wear resistance cannot be obtained, or martensite which has high wear resistance but high opponent attack.
本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、硬質粒子の添加を廃して被削性と耐摩耗性の両方に優れる耐摩耗性鉄基焼結金属を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and provides an wear-resistant iron-based sintered metal that eliminates the addition of hard particles and is excellent in both machinability and wear resistance. For the purpose.
本発明に係る耐摩耗性鉄基焼結金属は、上記目的達成のため、(1)重量比で、Mo;0.0025〜2.0%、C;0.2〜1.2%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、金属組織が上部ベイナイトとパーライト若しくはパーライトと初析フェライトとの混合層からなり、上部ベイナイトとパーライト若しくはパーライトと初析フェライトとの面積比が95:5〜5:95である構成である。 In order to achieve the above object, the wear-resistant iron-based sintered metal according to the present invention includes (1) Mo: 0.0025-2.0%, C: 0.2-1.2% by weight. The balance is composed of Fe and inevitable impurities, and the metal structure is composed of a mixed layer of upper bainite and pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite, and the area ratio of upper bainite and pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite is 95: 5 The configuration is 5:95.
ここで、Moの含有割合を0.0025〜2.0%と数値限定している理由は以下の通りである。Moは、耐摩耗性及び焼入れ性を向上させる素材であり、重量比で0.0025%を下回ると十分な効果が得られず、また重量比で2.0%を超えると密度が急激に低くなって十分な耐摩耗性が得られなくなる。 Here, the reason why the content ratio of Mo is limited to a numerical value of 0.0025 to 2.0% is as follows. Mo is a material that improves wear resistance and hardenability. If the weight ratio is less than 0.0025%, a sufficient effect cannot be obtained, and if the weight ratio exceeds 2.0%, the density decreases rapidly. As a result, sufficient wear resistance cannot be obtained.
また、Cの含有割合を0.2〜1.2%と数値限定している理由は以下の通りである。Cは、焼結時に炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる素材であり、重量比で0.2%を下回ると十分な硬度を得られず、また重量比で1.2%を超えると焼結後の冷却時にオーステナイトから析出する高硬度のセメンタイトである初析セメンタイトが多く生成されてしまい、相手攻撃性が大きくなるとともに被削性が悪化する。 The reason why the C content is limited to 0.2 to 1.2% is as follows. C is a material that improves the wear resistance by forming carbides during sintering. When the weight ratio is less than 0.2%, sufficient hardness cannot be obtained, and when the weight ratio exceeds 1.2%. A large amount of pro-eutectoid cementite, which is a high-hardness cementite that precipitates from austenite during cooling after sintering, is generated, which increases the attack of the opponent and deteriorates the machinability.
Mo及びCを上記の範囲で含んでいると、焼結温度から冷却する冷却速度を適切に制御することにより、耐磨耗性鉄基焼結金属における上部ベイナイトとパーライト若しくはパーライトと初析フェライトとの面積比が95:5〜5:95の範囲の混合層となる金属組織が得られる。この金属組織において、パーライト若しくはパーライトと初析フェライトにあっては、上部ベイナイトよりも柔らかく優れた被削性を有し、上部ベイナイトにあっては、塑性硬化以前においてはパーライト若しくはパーライトと初析フェライトよりもやや高い硬度であり被削性に優れているとともに、相手材と衝撃を伴う当接を継続反復することにより早期に大きく深く塑性硬化することで優れた耐摩耗性を有することになる。 When Mo and C are contained in the above range, by appropriately controlling the cooling rate of cooling from the sintering temperature, upper bainite and pearlite or pearlite and proeutectoid ferrite in the wear-resistant iron-based sintered metal A metal structure that provides a mixed layer with an area ratio of 95: 5 to 5:95 is obtained. In this metal structure, pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite have softer and superior machinability than upper bainite, and upper bainite has pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite before plastic hardening. It has a slightly higher hardness and excellent machinability, and has excellent wear resistance due to large and deep plastic hardening at an early stage by continuously repeating contact with the counterpart material with impact.
したがって、上記の構成の本発明に係る耐摩耗性鉄基焼結金属は、硬質粒子の添加を廃し優れた被削性と、優れた耐摩耗性を有する。 Therefore, the wear-resistant iron-based sintered metal according to the present invention having the above-described configuration has excellent machinability and excellent wear resistance by eliminating the addition of hard particles.
また、本発明に係る耐摩耗性鉄基焼結金属は、上記(1)に記載の耐摩耗性鉄基焼結金属において、(2)重量比で、V;0.02〜4.0%を含む構成である。 Further, the wear-resistant iron-based sintered metal according to the present invention is the wear-resistant iron-based sintered metal described in (1) above, (2) V: 0.02 to 4.0% by weight. It is the structure containing.
Vの含有割合を0.02〜4.0%と数値限定している理由は以下の通りである。Vは、結晶粒を微細化させる作用があり、重量比で0.02%を下回ると十分な効果を得られず、また重量比で4.0%を超えると高硬度のV炭化物が多量に形成され、相手攻撃性が大きくなってしまう。 The reason why the content ratio of V is limited to 0.02 to 4.0% is as follows. V has the effect of refining crystal grains, and if the weight ratio is less than 0.02%, a sufficient effect cannot be obtained. If the weight ratio exceeds 4.0%, a large amount of high-hardness V carbide is present. Formed, and the opponent's aggression becomes large.
Vを0.02〜4.0%の範囲で含んでいると、結晶組織がマルテンサイトを含まず、上部ベイナイトとパーライト若しくはパーライトと初析フェライトとの混合したものとなり、相手攻撃性が抑制された優れた耐摩耗性と、優れた被削性とを有するとともに、V炭化物の結晶粒を適度に微細化した状態に得られ、相手攻撃性が抑制された優れた耐摩耗性を有する。 When V is included in the range of 0.02 to 4.0%, the crystal structure does not include martensite, and the mixture becomes a mixture of upper bainite and pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite, and the opponent attack is suppressed. In addition to having excellent wear resistance and excellent machinability, it is obtained in a state in which V carbide crystal grains are appropriately refined, and has excellent wear resistance with suppressed opponent attack.
また、本発明に係る耐摩耗性鉄基焼結金属は、上記(1)に記載の耐摩耗性鉄基焼結金属において、(3)重量比で、Cr;0.05〜2.0%を含む構成である。 Further, the wear-resistant iron-based sintered metal according to the present invention is the wear-resistant iron-based sintered metal according to (1) above, (3) Cr: 0.05 to 2.0% by weight It is the structure containing.
Crの含有割合を0.05〜2.0%と数値限定している理由は以下の通りである。Crは、CCT線図のパーライト領域を冷却速度の遅い側に移行するとともに、ベイナイト領域を拡張する作用がある。Crの含有割合が0.05%を下回ると、この作用を生じることが不十分になり、2.0%を超えると硬質のマルテンサイトが多く生成され易く被削性が悪化する。 The reason for limiting the Cr content ratio to 0.05 to 2.0% is as follows. Cr moves the pearlite region of the CCT diagram to the slow cooling side and has the effect of expanding the bainite region. If the Cr content is less than 0.05%, this effect is insufficient, and if it exceeds 2.0%, a large amount of hard martensite is easily generated, and the machinability deteriorates.
Crを0.05〜2.0%の範囲で含んでいると、結晶組織がマルテンサイトを含まず、上部ベイナイトとパーライト若しくはパーライトと初析フェライトとの混合したものとなり、相手攻撃性が抑制された優れた耐摩耗性と、優れた被削性とを有するとともに、V炭化物の結晶粒を適度に微細化した状態に得られ、相手攻撃性が抑制された優れた耐摩耗性を有する。 When Cr is included in the range of 0.05 to 2.0%, the crystal structure does not include martensite, and the mixture becomes a mixture of upper bainite and pearlite or pearlite and proeutectoid ferrite, and the opponent attack is suppressed. In addition to having excellent wear resistance and excellent machinability, it is obtained in a state in which V carbide crystal grains are appropriately refined, and has excellent wear resistance with suppressed opponent attack.
また、本発明に係る内燃機関用バルブシートは、上記目的達成のため、(3)上記(1)または(2)に記載の耐摩耗性鉄基焼結金属を用いることが好ましい。 In addition, the valve seat for an internal combustion engine according to the present invention preferably uses (3) the wear-resistant iron-based sintered metal described in (1) or (2) above in order to achieve the above object.
この構成により、本発明に係る内燃機関用バルブシートは、優れた被削性を有するとともに、優れた耐摩耗性を有し高い耐久性を有する。 With this configuration, the valve seat for an internal combustion engine according to the present invention has excellent machinability, excellent wear resistance, and high durability.
本発明によれば、硬質粒子の添加を廃して被削性と耐摩耗性の両方に優れる耐摩耗性鉄基焼結金属及び内燃機関用バルブシートを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a wear-resistant iron-based sintered metal and a valve seat for an internal combustion engine that are excellent in both machinability and wear resistance by eliminating the addition of hard particles.
以下、本発明に係る耐磨耗性鉄基焼結金属及びバルブシートの実施の形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of an abrasion-resistant iron-based sintered metal and a valve seat according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1乃至図18は、本実施の形態の耐磨耗性鉄基焼結金属及びバルブシートを説明するための図面である。図1はシリンダヘッドの要部の断面図を示す。図1において、エンジン(全体図省略)のシリンダヘッド1の底面側に、耐磨耗性鉄基焼結金属から作られたバルブシート2が設けられている。すなわち、本実施の形態のバルブシート2は、一次形状品の耐磨耗性鉄基焼結金属を切削加工或いは研磨加工による所定の形状とされる。 1 to 18 are drawings for explaining the wear-resistant iron-based sintered metal and the valve seat according to the present embodiment. FIG. 1 shows a cross-sectional view of the main part of the cylinder head. In FIG. 1, a valve seat 2 made of a wear-resistant iron-based sintered metal is provided on the bottom side of a cylinder head 1 of an engine (entire drawing is omitted). That is, the valve seat 2 of the present embodiment is formed into a predetermined shape by cutting or polishing the wear-resistant iron-based sintered metal of the primary shape product.
シリンダヘッド1は、その底面で燃焼室3の一部を密閉しており、燃焼室3に開口する排気路4を形成している。燃焼室3の開口はシリンダヘッド1に設けた排気バルブ(以下、バルブという。)5によって開閉される。また、バルブ5の軸部5aとシリンダヘッド1との間には、バルブ5の軸部5aを軸線方向に沿って運動可能に支持するようにバルブガイド6が介在している。 The cylinder head 1 seals a part of the combustion chamber 3 at its bottom surface, and forms an exhaust passage 4 that opens to the combustion chamber 3. The opening of the combustion chamber 3 is opened and closed by an exhaust valve (hereinafter referred to as a valve) 5 provided in the cylinder head 1. A valve guide 6 is interposed between the shaft portion 5a of the valve 5 and the cylinder head 1 so as to support the shaft portion 5a of the valve 5 so as to be movable along the axial direction.
バルブ5は、バルブスプリング7の引張力により、常時は弁体5bで排気路4の開口を閉じている。 The valve 5 normally closes the opening of the exhaust passage 4 with the valve body 5 b by the tensile force of the valve spring 7.
バルブシート2は、シリンダヘッド1の底面に嵌め込まれ、排気路4の閉弁時にバルブ5の弁体5bが着座する。 The valve seat 2 is fitted into the bottom surface of the cylinder head 1, and the valve body 5 b of the valve 5 is seated when the exhaust passage 4 is closed.
バルブシート2は、一次形状として、本実施の形態に係る耐磨耗性鉄基焼結金属で焼成され、さらにバルブ5の着座部分となる内周壁面部の一部を面取り状に切削加工されてなる。 The valve seat 2 is fired with the wear-resistant iron-based sintered metal according to the present embodiment as a primary shape, and is further cut into a chamfered part of the inner peripheral wall surface portion that becomes the seating portion of the valve 5. It becomes.
以下では、バルブシート2を構成している耐磨耗性鉄基焼結金属について説明する。 Below, the abrasion-resistant iron-based sintered metal which comprises the valve seat 2 is demonstrated.
耐磨耗性鉄基焼結金属は、重量比で、Mo;0.0025〜2.0%、C;0.2〜1.2%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、金属組織が上部ベイナイトとパーライト若しくはパーライトと初析フェライトとの混合層からなり、上部ベイナイトとパーライト若しくはパーライトと初析フェライトとの面積比が95:5〜5:95の構成である。 The wear-resistant iron-based sintered metal contains Mo; 0.0025 to 2.0%, C; 0.2 to 1.2% by weight, with the balance being Fe and inevitable impurities. The structure is composed of a mixed layer of upper bainite and pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite, and the area ratio of upper bainite and pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite is 95: 5 to 5:95.
耐磨耗性鉄基焼結金属は、重量比で、V;0.02〜4.0%を含んでいることが望ましく、さらに、重量比で、Cr;0.05〜2.0%、V;0.02〜4.0%を含んでいることが望ましい。なお、以下の説明において「%」は全て重量%を示す。 The wear-resistant iron-based sintered metal preferably contains V; 0.02 to 4.0% by weight, and further contains Cr; 0.05 to 2.0% by weight. V: It is desirable to contain 0.02 to 4.0%. In the following description, all “%” indicates wt%.
耐磨耗性鉄基焼結金属は、複数種の粉末と潤滑剤を混合して高温高圧の条件下で所定の一次形状に焼成され、所定の冷却速度で冷却されてなる。 The wear-resistant iron-based sintered metal is obtained by mixing a plurality of types of powders and a lubricant, firing them into a predetermined primary shape under high-temperature and high-pressure conditions, and cooling them at a predetermined cooling rate.
耐磨耗性鉄基焼結金属は、上記のMo;0.0025〜2.0%、C;0.2〜1.2%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる場合には、例えば、第1の粉末と、第2の粉末と、グラファイト(C粉)と、潤滑剤との混合粉末を焼結金属の原材料とされ、第1の粉末は、Mo;0.5〜2.0%を含み残部がFe及び不可避的不純物からなり、第2の粉末は、Fe及び不可避的不純物からなる粉末からなる。図14は、耐摩耗性鉄基焼結金属における合金粉末の成形時と成形後の材料分散状態を示す。図14から分かるように、合金粉末の成形時と成形後の材料分散状態はほぼ変わらない。 When the wear-resistant iron-based sintered metal contains Mo; 0.0025 to 2.0%, C; 0.2 to 1.2%, and the balance is Fe and inevitable impurities, For example, a mixed powder of a first powder, a second powder, graphite (C powder), and a lubricant is used as a raw material of the sintered metal, and the first powder is Mo; 0.5-2. The balance is 0%, the balance is made of Fe and inevitable impurities, and the second powder is made of powder of Fe and inevitable impurities. FIG. 14 shows the material dispersion state at the time of forming the alloy powder in the wear-resistant iron-based sintered metal and after the forming. As can be seen from FIG. 14, the material dispersion state at the time of molding of the alloy powder and after molding is almost the same.
Moを含む第1の粉末は、Fe−Mo合金粉を用いることができ、第1の粉末は、粒径が50〜250μmの範囲であるものを用いる。Fe−Mo合金粉は、例えば、Fe−0.5%Mo合金粉、Fe−1.5%Mo合金粉、Fe−2.0%Mo合金粉などを適宜に選択できる。 Fe-Mo alloy powder can be used as the first powder containing Mo, and the first powder having a particle size in the range of 50 to 250 μm is used. As the Fe-Mo alloy powder, for example, Fe-0.5% Mo alloy powder, Fe-1.5% Mo alloy powder, Fe-2.0% Mo alloy powder and the like can be appropriately selected.
Moを含む第2の粉末は、粒径について特に限定はないが、第1の粉末の粒径と同等の大きさのものを選択することができる。 The particle size of the second powder containing Mo is not particularly limited, but a particle having the same size as the particle size of the first powder can be selected.
また本実施の形態の耐磨耗性鉄基焼結金属は、V;0.02〜4.0%を含んでいることが望ましい。すなわち、耐磨耗性鉄基焼結金属は、上記のMo;0.0025〜2.0%、C;0.2〜1.2%を含む他に、V;0.02〜4.0%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなることが望ましい。 Further, it is desirable that the wear-resistant iron-based sintered metal of the present embodiment contains V; 0.02 to 4.0%. That is, the wear-resistant iron-based sintered metal contains Mo; 0.0025 to 2.0%, C; 0.2 to 1.2%, V; 0.02 to 4.0. %, And the balance is preferably composed of Fe and inevitable impurities.
Vは基地相を強化し耐摩耗性を向上する。V;0.02〜4.0%としたのは、0.02%未満では、硬さの増加が少なく耐摩耗性が劣化する。一方、4.0%を超えると、硬さが増加しすぎて相手攻撃性が増加する。このようなことから、Vは0.02〜4.0%の範囲とした。 V strengthens the base phase and improves wear resistance. V: 0.02 to 4.0%, if less than 0.02%, there is little increase in hardness and the wear resistance deteriorates. On the other hand, if it exceeds 4.0%, the hardness will increase too much and the opponent aggression will increase. For these reasons, V is set in the range of 0.02 to 4.0%.
この場合の耐磨耗性鉄基焼結金属の原材料は、例えば、第1の粉末と、第2の粉末と、グラファイトと、潤滑剤との混合粉末を焼結金属の原材料とされ、第1の粉末は、Mo;0.5〜2.0%を含み残部がFe及び不可避的不純物からなり、第2の粉末は、V;0.02〜1.5%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる粉末からなる。 The raw material of the wear-resistant iron-based sintered metal in this case is, for example, a mixed powder of a first powder, a second powder, graphite, and a lubricant as a sintered metal raw material. The powder of Mo contains 0.5 to 2.0% and the balance is made up of Fe and inevitable impurities, and the second powder contains V; 0.02 to 1.5% and the balance is made up of Fe and inevitable It consists of powder consisting of mechanical impurities.
さらに、本実施の形態の耐磨耗性鉄基焼結金属は、Cr;0.05〜2.0%を含んでいることが望ましい。すなわち、耐磨耗性鉄基焼結金属は、上記のMo;0.0025〜2.0%、C;0.2〜1.2%を、V;0.02〜4.0%含む他に、Cr;0.05〜2.0%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなることが望ましい。なお、Crは上部ベイナイト組織になり易くするため、Mo量、C量、V量、焼結後の冷却速度を考慮して添加する。 Furthermore, it is desirable that the wear-resistant iron-based sintered metal of the present embodiment contains Cr: 0.05 to 2.0%. That is, the wear-resistant iron-based sintered metal contains Mo; 0.0025 to 2.0%, C; 0.2 to 1.2%, V; 0.02 to 4.0%, and the like. In addition, it is preferable that the content of Cr is 0.05 to 2.0%, and the balance is Fe and inevitable impurities. Note that Cr is added in consideration of the Mo amount, the C amount, the V amount, and the cooling rate after sintering in order to easily form an upper bainite structure.
この場合の耐磨耗性鉄基焼結金属の原材料は、例えば、第1の粉末と、第2の粉末と、グラファイトと、潤滑剤との混合粉末を焼結金属の原材料とされ、第1の粉末は、Mo;0.5〜2.0%を含み残部がFe及び不可避的不純物からなり、第2の粉末は、V;0.02〜1.5%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる粉末からなり、Crを第1の粉末又は第2の粉末に含ませるか、或いは、Crの粉末を第1及び第2の粉末に混合してもよい。 The raw material of the wear-resistant iron-based sintered metal in this case is, for example, a mixed powder of a first powder, a second powder, graphite, and a lubricant as a sintered metal raw material. The powder of Mo contains 0.5 to 2.0% and the balance is made up of Fe and inevitable impurities, and the second powder contains V; 0.02 to 1.5% and the balance is made up of Fe and inevitable The first powder or the second powder may contain Cr, or the Cr powder may be mixed with the first and second powders.
Cr;0.05〜2.0%としたのは、0.05%未満では硬さが低下して耐摩耗性に悪影響を与え易くなる。一方、2.0%を超えると硬さが増加しすぎて相手攻撃性が増加する。したがって、Cr;0.05〜2.0%の範囲で配合することで、焼結時においてマルテンサイトの発生を抑えながら冷却速度を低下させることができ、ベイナイト領域を拡張させることができる。 Cr: 0.05 to 2.0% is less than 0.05%, the hardness is lowered and the wear resistance is liable to be adversely affected. On the other hand, if it exceeds 2.0%, the hardness will increase too much and the opponent aggression will increase. Therefore, by blending Cr in the range of 0.05 to 2.0%, the cooling rate can be reduced while suppressing the generation of martensite during sintering, and the bainite region can be expanded.
本実施の形態の耐磨耗性鉄基焼結金属は、第1の粉末と第2の粉末とグラファイトと潤滑剤を重量比で例えば49:49:1:1となるように混合し十分に撹拌してなる原材料を用いられ、該原材料が金型に充填され、成型プレス等により圧縮・成型されることで圧粉体とされ、該圧粉体が例えば1120℃窒素雰囲気で焼結され、焼結後に例えば100℃/minの冷却速度で常温に冷却されることにより製造される。なお、潤滑剤には、例えばステアリン酸亜鉛を用いることができる。潤滑剤は、焼成の過程で蒸散し焼結金属には含まれない。 The wear-resistant iron-based sintered metal of the present embodiment is sufficiently mixed by mixing the first powder, the second powder, graphite, and the lubricant in a weight ratio of, for example, 49: 49: 1: 1. A raw material obtained by stirring is used, the raw material is filled in a mold, and is compressed and molded by a molding press or the like to form a green compact, and the green compact is sintered in a nitrogen atmosphere at 1120 ° C., for example. For example, it is manufactured by cooling to room temperature at a cooling rate of 100 ° C./min after sintering. For example, zinc stearate can be used as the lubricant. The lubricant evaporates during the firing process and is not included in the sintered metal.
1120℃から常温まで冷却されることにより、耐摩耗性鉄基焼結金属は、第1の粉末から上部ベイナイトとなったFe−Mo硬質粒子が基地相内に分散して生成される。また、耐摩耗性鉄基焼結金属は、Fe−Mo硬質粒子にならなかった第1の粉末のFe及び第2の粉末のFeが初析セメンタイト及びFe−V組成のパーライトとなることで、基地相が生成される。 By cooling from 1120 ° C. to room temperature, the wear-resistant iron-based sintered metal is produced by dispersing Fe—Mo hard particles that have become upper bainite from the first powder in the matrix phase. In addition, the wear-resistant iron-based sintered metal is such that Fe of the first powder and Fe of the second powder that did not become Fe-Mo hard particles become pearlite of proeutectoid cementite and Fe-V composition, A base phase is generated.
以下、さらに詳細に説明する。一般に、ベイナイト(bainite)は、炭素鋼をオーステナイト状態から冷却して、パーライト変態が生じる温度領域とマルテンサイト変態が開始する温度(Ms点)の中間の温度領域に恒温保持したとき生じる組織である。Moなどの合金元素を含む鋼では、このような恒温保持中だけでなく、中程度の速さで連続的に冷却しても生じる。 This will be described in more detail below. In general, bainite is a structure formed when carbon steel is cooled from an austenite state and kept at a constant temperature range between a temperature range where pearlite transformation occurs and a temperature where the martensitic transformation starts (Ms point). . In steel containing alloy elements such as Mo, it occurs not only during such constant temperature holding but also by continuous cooling at a moderate speed.
ベイナイトは、等温処理温度450〜550℃程度で処理したときにパーライトに近い黒色の羽毛状の組織を呈する上部ベイナイトと、それ以下の比較的Ms点に近い温度で処理したときにマルテンサイトに近い針状の組織を呈する下部ベイナイトとに大別される。 Bainite is close to martensite when treated at an upper bainite exhibiting a black feather-like structure close to pearlite when treated at an isothermal treatment temperature of about 450 to 550 ° C. and at a temperature relatively close to the Ms point below that. It is roughly divided into lower bainite that has a needle-like structure.
図2に示すように、上部ベイナイトの初期硬さは下部ベイナイトよりも柔らかく、塑性硬化後においては下部ベイナイトよりも硬いという組織特性を有している。そして、図3に示すように、塑性硬化した上部ベイナイト(上部B)は、パーライト(P)や下部ベイナイト(下部B)に比べて摩耗量(μm)が低い組織特性を有している。 As shown in FIG. 2, the upper bainite has an initial hardness that is softer than that of the lower bainite, and is harder than that of the lower bainite after plastic hardening. As shown in FIG. 3, the plastic-cured upper bainite (upper B) has a structural characteristic that the amount of wear (μm) is lower than that of pearlite (P) or lower bainite (lower B).
パーライト(pearlite)は、一般に、炭素鋼をオーステナイト状態から冷却して、パーライト変態が生じる温度領域まで徐冷した際に生じる組織であり、薄い板状のフェライトとセメンタイトとが交互に並んだ組織である。 Pearlite is generally a structure formed when carbon steel is cooled from an austenite state and gradually cooled to a temperature range where pearlite transformation occurs, and is a structure in which thin plate-like ferrite and cementite are alternately arranged. is there.
パーライトは、図3に示すように、上部ベイナイトに比べて摩耗量が高いとともに、上部ベイナイトに比べて塑性硬化し難いという組織特定を有している。 As shown in FIG. 3, pearlite has a structure specification that the wear amount is higher than that of the upper bainite and that plastic hardening is difficult compared to the upper bainite.
これにより、本発明者は、上部ベイナイトについて上記のような新規な知見を得た。 Thereby, this inventor acquired the above novel knowledge about an upper bainite.
すなわち、上部ベイナイトは、初期硬さにおいては切削加工等を容易に行うことができるうえ、その加工工具を傷め難く、工具寿命の延命化に貢献することができる。また、上部ベイナイトは、硬化後においては摩耗量が低い。これにより、例えば、図4に示すように、バルブ5による排気路4の開弁状態から閉弁状態となるとき、すなわち、弁体5bがバルブシート2に勢いよく着座する面圧によって組織(塑性)が硬化する。同時に、バルブシート2の表面の粗度が低下(密度が向上)して耐摩耗性を確保し、バルブシート2の摩耗を抑制することができる。すなわち、表面の粗密によって摩耗特性が大きく変わる。 That is, the upper bainite can easily perform cutting and the like at the initial hardness, and it is difficult to damage the processing tool, thereby contributing to the extension of the tool life. Moreover, the amount of wear of the upper bainite is low after curing. As a result, for example, as shown in FIG. 4, when the valve 5 is opened from the open state of the exhaust passage 4, that is, the valve body 5 b is vigorously seated on the valve seat 2. ) Is cured. At the same time, the roughness of the surface of the valve seat 2 is reduced (density is increased) to ensure wear resistance, and wear of the valve seat 2 can be suppressed. That is, the wear characteristics vary greatly depending on the surface roughness.
上部ベイナイトは、バルブシート2の使用環境下において、パーライト若しくはパーライトと初析フェライトや下部ベイナイトよりも塑性硬化量及び硬化深さが大きく耐摩耗性に優れるものである。 The upper bainite is larger in pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite or lower bainite in the usage environment of the valve seat 2 and has a larger plastic hardening amount and a higher hardening depth and is excellent in wear resistance.
より具体的には、図5(A)に示すように、圧縮残留応力(MPa)は、表面深さ(μm)が深くなるほど疲労強度的に不利となる。しかも、図5(B)に示すように、上部ベイナイトは、図5(C)に示す下部ベイナイトよりも疲労強度が有利であるうえ、表面深さに対する変化も小さいという結果を得た。すなわち、耐磨耗性鉄基焼結金属をバルブシート2に適用した場合、摩耗現象には面圧疲労破壊(塑性変形)も含まれることから、深層内部にまで塑性硬化する方が有利となる。 More specifically, as shown in FIG. 5A, the compressive residual stress (MPa) becomes more disadvantageous in terms of fatigue strength as the surface depth (μm) becomes deeper. Moreover, as shown in FIG. 5B, the upper bainite has an advantage in fatigue strength and lower change with respect to the surface depth than the lower bainite shown in FIG. 5C. That is, when the wear-resistant iron-based sintered metal is applied to the valve seat 2, since the wear phenomenon includes surface pressure fatigue failure (plastic deformation), it is more advantageous to plastically harden into the deep layer. .
そこで、このような上部ベイナイトの特性を考慮し、本実施の形態においては、バルブシート2を、重量比で、Mo;0.0025〜2.0%、C;0.2〜1.2%を含有し、残部を不可避不鈍物とFeとからなる金属組織の上部ベイナイトとパーライト若しくはパーライトと初析フェライトからなる耐磨耗性鉄基焼結金属により構成している。 Therefore, in consideration of such characteristics of the upper bainite, in the present embodiment, the valve seat 2 is composed of Mo: 0.0025-2.0%, C: 0.2-1.2% by weight. The balance is composed of an upper bainite having a metal structure composed of an inevitable material and Fe and a wear-resistant iron-based sintered metal composed of pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite.
すなわち、Moは、耐摩耗性に優れるうえ焼入れ性を向上させる素材である。この際、Moの重量比が0.0025%を下回ると上述した効果が十分に得られ難く、図6に示すように、2.0%を超えると密度が急激に低くなって十分な耐摩耗性が得られなくなる。このようなことから、Moは0.0025〜2.0%の範囲とした。 That is, Mo is a material that has excellent wear resistance and improves hardenability. At this time, when the weight ratio of Mo is less than 0.0025%, the above-described effect is hardly obtained. As shown in FIG. 6, when it exceeds 2.0%, the density rapidly decreases and sufficient wear resistance is obtained. Sex cannot be obtained. For these reasons, the Mo content is in the range of 0.0025 to 2.0%.
また、Cは、焼結時に炭化物を形成するとともに耐摩耗性を向上させる素材である。この際、図7に示すように、Cの重量比が0.2%を下回ると軸方向摩耗量が急激に上がって十分な耐摩耗性が得られなくなり、1.2%を超えると焼結後の冷却時にオーステナイトから析出する高硬度のセメンタイトである粗大な初析セメンタイトが生成されて被削性が不利となるうえ、相手攻撃性が大きくなってしまう。このようなことから、Cは0.2〜1.2%の範囲とした。 C is a material that forms carbides during sintering and improves wear resistance. At this time, as shown in FIG. 7, if the weight ratio of C is less than 0.2%, the amount of axial wear increases rapidly, and sufficient wear resistance cannot be obtained. Coarse pro-eutectoid cementite, which is a high-hardness cementite that precipitates from austenite during subsequent cooling, is produced, resulting in disadvantages in machinability and increased opponent aggression. For these reasons, C is set in the range of 0.2 to 1.2%.
Mo及びCを上記の範囲で含んでいると、焼結温度から冷却する冷却速度を適切に制御することにより、上部ベイナイトとパーライト若しくはパーライトと初析フェライトとの混合層となる金属組織の耐磨耗性鉄基焼結金属が得られ、上部ベイナイトとパーライト若しくはパーライトと初析フェライトとの面積比が95:5〜5:95の混合層となる金属組織の場合には、被削性と耐摩耗性に優れている。この金属組織において、パーライト若しくはパーライトと初析フェライトにあっては、上部ベイナイトよりも柔らかく優れた被削性を有し、上部ベイナイトにあっては、塑性硬化以前においては低い硬度であり被削性に優れているとともに、相手材との摺動接触により深く塑性硬化することで優れた耐摩耗性を有することになる。 When Mo and C are included in the above range, the metal structure that becomes a mixed layer of upper bainite and pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite is polished by appropriately controlling the cooling rate of cooling from the sintering temperature. In the case of a metal structure in which a wear-resistant iron-based sintered metal is obtained and the area ratio of upper bainite and pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite is a mixed layer of 95: 5 to 5:95, machinability and resistance Excellent wear resistance. In this metal structure, pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite have softer and better machinability than upper bainite, and upper bainite has low hardness before machinability and machinability. In addition, it has excellent wear resistance by being deeply plastic-cured by sliding contact with the counterpart material.
本実施の形態においては、耐磨耗性鉄基焼結金属における上部ベイナイトとパーライト若しくはパーライトと初析フェライトとの面積比を95:5〜5:95の範囲に限定しているのは以下の理由による。上部ベイナイトとパーライトとの面積比を、例えば、図8に示すように、上部ベイナイトの割合を5未満で構成すると、軸方向摩耗性が急激に高くなり摩耗性が悪化してしまう。また、上部ベイナイトの割合が95を越えると相手攻撃性が高くなってしまう。 In the present embodiment, the area ratio between upper bainite and pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite in the wear-resistant iron-based sintered metal is limited to the range of 95: 5 to 5:95 as follows. Depending on the reason. If the area ratio of upper bainite and pearlite is, for example, as shown in FIG. 8 and the ratio of upper bainite is less than 5, the axial wear is rapidly increased and the wear is deteriorated. Further, when the ratio of upper bainite exceeds 95, the opponent aggression becomes high.
本実施の形態において、耐摩耗性鉄基焼結金属は、全体に対する重量比がMo;0.5〜2.0%Moを含み残部がFe及び不可避的不純物からなる第1の粉末と、Fe及び不可避的不純物からなる第2の粉末と、黒鉛と、潤滑材とを混合した混合粉から成形され、それぞれ重量比が49:49:1:1となっている。ここで、耐摩耗性鉄基焼結金属は、焼結成形、冷却されることにより、第1の粉末の全てが上部ベイナイトとなり、第2の粉末の全てがパーライト若しくはパーライトと初析フェライトとなる。 In the present embodiment, the wear-resistant iron-based sintered metal has a weight ratio to the whole of Mo; a first powder containing 0.5 to 2.0% Mo, the balance being Fe and inevitable impurities, Fe And it shape | molds from the mixed powder which mixed the 2nd powder which consists of an unavoidable impurity, graphite, and a lubricant, and the weight ratio is 49: 49: 1: 1, respectively. Here, the wear-resistant iron-based sintered metal is sintered and cooled, so that all of the first powder becomes upper bainite and all of the second powder becomes pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite. .
本実施の形態においては、耐摩耗性鉄基焼結金属を一の製造原料である第1の粉末の粒径は50〜250μmの範囲に限定される。この限定は以下の理由による。第1の粉末の粒径を50μm未満で耐摩耗性鉄基焼結金属を焼成すると、生成される上部ベイナイトの粒径が小さくなり過ぎてしまい、十分な耐摩耗性を得ることができない。また、第1の粉末の粒径を250μm以上で耐摩耗性鉄基焼結金属を焼成すると、生成される上部ベイナイトの粒径が大きく過ぎてしまい、基地であるパーライト若しくはパーライトと初析フェライト中の上部ベイナイトの分散密度が低下してしまう。上部ベイナイトの密度が低下した場合、耐摩耗性鉄基焼結金属は、パーライト若しくはパーライトと初析フェライトが露出しやすくなってしまい、耐摩耗性が低下してしまう。第2の粉末であるパーライト若しくはパーライトと初析フェライトは基地となるため、特に粒径に関する考慮はしなくてもよい。 In the present embodiment, the particle size of the first powder, which is a manufacturing raw material of the wear-resistant iron-based sintered metal, is limited to a range of 50 to 250 μm. This limitation is due to the following reasons. If the wear-resistant iron-based sintered metal is fired with the first powder having a particle size of less than 50 μm, the particle size of the produced upper bainite becomes too small, and sufficient wear resistance cannot be obtained. In addition, if the wear-resistant iron-based sintered metal is fired when the particle size of the first powder is 250 μm or more, the particle size of the produced upper bainite is too large, and the base pearlite or pearlite and the pro-eutectoid ferrite The dispersion density of the upper bainite will decrease. When the density of the upper bainite is lowered, the wear-resistant iron-based sintered metal tends to expose pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite, and wear resistance is lowered. Since the second powder, pearlite or pearlite and proeutectoid ferrite, serves as a base, it is not necessary to consider the particle size.
本実施の形態においては、成形時の焼結温度を1100〜1200℃とし、成形時の焼結後の冷却速度を40〜150℃/minの範囲とすることにより、下部ベイナイト及びマルテンサイトを生成することなく上部ベイナイト及びパーライト若しくはパーライトと初析フェライトを有する耐摩耗性鉄基焼結金属を得ることができる。 In the present embodiment, lower bainite and martensite are generated by setting the sintering temperature during molding to 1100 to 1200 ° C. and the cooling rate after sintering during molding to a range of 40 to 150 ° C./min. Thus, the wear-resistant iron-based sintered metal having upper bainite and pearlite or pearlite and proeutectoid ferrite can be obtained.
図9(A)は、Fe−1.5%Mo合金紛、Fe粉、C粉、潤滑剤を重量比で49:49:1:1となるように混扮した材料から成形し、1120℃の窒素雰囲気で焼結後100℃/minで冷却した場合の要部の模式図を示す。 FIG. 9 (A) shows an example in which Fe-1.5% Mo alloy powder, Fe powder, C powder, and lubricant are molded from a material kneaded so as to have a weight ratio of 49: 49: 1: 1. The schematic diagram of the principal part at the time of cooling at 100 degrees C / min after sintering by nitrogen atmosphere is shown.
図9(A)に示したバルブシート2は、金属組織が上部ベイナイト2a及びパーライト(基地)2bの混合相のみからなる組織を呈する。耐摩耗性鉄基焼結金属は、第1の粉末から上部ベイナイト2aとなったFe−Mo硬質粒子が、第2の粉末から基地相であるパーライト2bに分散して生成される。また、耐摩耗性鉄基焼結金属は、Fe−Mo硬質粒子とならなかった第1の粉末のFe及び第2の粉末のFeがパーライトとなることで、基地2bが生成される。 The valve seat 2 shown in FIG. 9A exhibits a structure in which the metal structure is composed only of a mixed phase of the upper bainite 2a and the pearlite (base) 2b. The wear-resistant iron-based sintered metal is produced by dispersing the Fe—Mo hard particles that have become the upper bainite 2a from the first powder into the pearlite 2b that is the base phase from the second powder. In addition, the wear-resistant iron-based sintered metal forms the base 2b when the first powder Fe and the second powder Fe that have not become Fe—Mo hard particles become pearlite.
この際、上部ベイナイト2aの結晶構造は図9(B)、(C)に示し、パーライト2bの結晶構造は図9(D)に示す。上部ベイナイト2aの結晶構造では、図9(B)では見掛け硬さ220(HV10)、ミクロ硬さ270(HV0.025)であり、図9(C)では見掛け硬さ250(HV10)、ミクロ硬さ390(HV0.025)であり、この相違は、焼結前の圧縮成形力に相違による。 At this time, the crystal structure of the upper bainite 2a is shown in FIGS. 9B and 9C, and the crystal structure of the pearlite 2b is shown in FIG. 9D. In the crystal structure of the upper bainite 2a, the apparent hardness 220 (HV10) and the microhardness 270 (HV0.025) are shown in FIG. 9B, and the apparent hardness 250 (HV10) and the microhardness are shown in FIG. 9C. 390 (HV 0.025), and this difference is due to the difference in compression molding force before sintering.
図10に示すように、耐摩耗性鉄基焼結金属からなるバルブシート2は、実機においてバルブ5から受ける面圧によってパーライト若しくはパーライトと初析フェライト(基地)2bが優先的に摩耗するとともに、上部ベイナイト2aに高い面圧が加わり、例えば、初期硬さ27HVから早期に上部ベイナイト2aが600HV付近にまで塑性硬化することで硬質相として硬質粒子の機能を果たすことができる。 As shown in FIG. 10, the valve seat 2 made of wear-resistant iron-based sintered metal is preferentially worn by pearlite or pearlite and proeutectoid ferrite (base) 2b by the surface pressure received from the valve 5 in the actual machine, A high surface pressure is applied to the upper bainite 2a. For example, the upper bainite 2a is plastically hardened from an initial hardness of 27 HV to around 600 HV at an early stage, so that the function of hard particles can be achieved as a hard phase.
図11に示すように、パーライト若しくはパーライトと初析フェライト(基地)2bに分散した上部ベイナイト2aは、実機においてバルブ5からの荷重(面圧)により上部ベイナイト2aが早期に深く大きく塑性硬化する。 As shown in FIG. 11, the upper bainite 2a dispersed in pearlite or pearlite and pro-eutectoid ferrite (base) 2b is rapidly deeply and deeply plastically cured by a load (surface pressure) from the valve 5 in an actual machine.
以上のように、本実施の形態の耐摩耗性鉄基焼結金属は、硬質粒子を含まず炭化物の密度を高めた上部ベイナイトのみからなる。すなわち、本実施の形態の耐摩耗性鉄基焼結金属は、パーライトや下部ベイナイトに比べ、初期硬さが小さくかつ大きく深く塑性硬化する上部ベイナイトのみからなるので、被削性に優れ相手攻撃性が小さいから、バルブシートを加工しやすいとともに加工工具の寿命を短くすることを抑制することができ、そして、バルブシートとして使用する際はバルブの着座時にバルブで叩打されることにより早期に大きくかつ深くまで塑性硬化して優れた耐摩耗性を発揮することができる。 As described above, the wear-resistant iron-based sintered metal of the present embodiment is composed only of upper bainite that does not contain hard particles and has an increased carbide density. That is, the wear-resistant iron-based sintered metal of the present embodiment is composed of only upper bainite that has a small initial hardness and a large and deep plastic hardening compared to pearlite and lower bainite, so that it is excellent in machinability and is offensive to the opponent. Therefore, it is easy to machine the valve seat, and it is possible to suppress the shortening of the life of the machining tool, and when used as a valve seat, It can be plastic hardened deeply to exhibit excellent wear resistance.
(実施例)
実施例として、ベイナイトとパーライトのみからなる耐摩耗性鉄基焼結金属製のバルブシートを試作し耐摩耗性を調べた。
(Example)
As an example, a valve seat made of wear-resistant iron-based sintered metal composed only of bainite and pearlite was experimentally manufactured and the wear resistance was examined.
図11の模式図に示すように、パーライトである基地2bに上部ベイナイト2aが分散している、上部ベイナイトとパーライトのみからなる耐摩耗性鉄基焼結金属製のバルブシートの耐摩耗性を調べた。図11の模式図に示す金属組織のバルブシート2は、バルブ5の閉時の荷重を上部ベイナイト2aで支えることなり、上部ベイナイト2aは早期に深くかつ大きく塑性硬化する。 As shown in the schematic diagram of FIG. 11, the wear resistance of a valve seat made of a wear-resistant iron-based sintered metal consisting only of upper bainite and pearlite, in which the upper bainite 2a is dispersed in the base 2b that is pearlite, was investigated. It was. The valve seat 2 having a metal structure shown in the schematic diagram of FIG. 11 supports the load when the valve 5 is closed by the upper bainite 2a, and the upper bainite 2a is deeply and greatly plastically cured at an early stage.
もしも、図12に示すように、上部ベイナイト2aの初期硬さがパーライトである基地2bの硬さよりも小さい場合には、バルブシートバルブ5からの荷重(面圧)をパーライト2bが受けるから、上部ベイナイト2aが塑性硬化せず、パーライト2bと上部ベイナイト2aの同時摩耗が進行してしまう。しかし、上部ベイナイト2aの初期硬さがパーライトである基地2bの硬さよりも小さいことはないから、図11の模式図に示すように、バルブシートバルブ5からの荷重(面圧)を上部ベイナイト2aが受けることになる。 If the initial hardness of the upper bainite 2a is smaller than the hardness of the base 2b, which is a pearlite, as shown in FIG. 12, the pearlite 2b receives a load (surface pressure) from the valve seat valve 5, so The bainite 2a is not plastically cured, and simultaneous wear of the pearlite 2b and the upper bainite 2a proceeds. However, since the initial hardness of the upper bainite 2a is not smaller than the hardness of the base 2b which is a pearlite, as shown in the schematic diagram of FIG. 11, the load (surface pressure) from the valve seat valve 5 is applied to the upper bainite 2a. Will receive.
図13(A)に示すように、パーライトに関してFe100%粉末と、Fe−1.5Mo%粉末と、グラファイト(Gr)の3種類の粉末を、1〜5番の5通りの割合で混合し、それぞれ1120℃で一次成形品を焼結してから100℃/minで冷却し切削加工して1〜5番の実施品であるバルブシートを得た。また同様に、Fe−0.25%粉末と、Fe−1.5Mo%粉末と、グラファイト(Gr)とを、6番、7番の2通りの割合で混合し、それぞれ1120℃で一次成形品を焼結してから100℃/minで冷却し切削加工して6、7番の実施品であるバルブシートを得た。なお、Grは黒鉛であり、焼結金属中のC量を決定するために1%以上用いている。 As shown in FIG. 13 (A), three kinds of powders of Fe100% powder, Fe-1.5Mo% powder, and graphite (Gr) with respect to pearlite were mixed at five ratios of Nos. 1 to 5, Each of the primary molded products was sintered at 1120 ° C., cooled at 100 ° C./min, and cut to obtain valve seats that were No. 1 to No. 5 products. Similarly, Fe-0.25% powder, Fe-1.5Mo% powder, and graphite (Gr) are mixed in two ratios of No. 6 and No. 7, respectively, and primary molded products at 1120 ° C., respectively. After being sintered, it was cooled at 100 ° C./min and cut to obtain valve seats as No. 6 and No. 7 product. Gr is graphite and is used in an amount of 1% or more in order to determine the amount of C in the sintered metal.
また、図13(B)に示すように、パーライトと初析フェライトとに関してFe60%粉末と、上部ベイナイトに関してFe−1.5Mo40%粉末と、グラファイト(Gr)の3種類の粉末とを15番、パーライトと初析フェライトとに関してFe−0.25V60%粉末と、上部ベイナイトに関してFe−1.5Mo40%粉末と、グラファイト(Gr)の3種類の粉末とを16番、の2通りの割合で混合し、それぞれ1120℃で一次成形品を焼結してから100℃/minで冷却し切削加工して実施品であるバルブシートを得た。なお、Grは黒鉛であり、焼結金属中のC量を決定するために0.8%以上用いている。 As shown in FIG. 13 (B), Fe60% powder for pearlite and pro-eutectoid ferrite, Fe-1.5Mo40% powder for upper bainite, and three types of powders of graphite (Gr), No. 15, Fe-0.25V 60% powder for pearlite and pro-eutectoid ferrite, Fe-1.5Mo 40% powder for upper bainite, and three types of powders of graphite (Gr) are mixed in two ratios of No. 16. Each of the primary molded products was sintered at 1120 ° C., cooled at 100 ° C./min, and cut to obtain a valve seat as an implemented product. Gr is graphite and is used in an amount of 0.8% or more in order to determine the amount of C in the sintered metal.
そして、図1に示すようにシリンダヘッドに取り付け、一定時間エンジンを起動し、バルブシート及びバルブの軸方向摩耗量を測定した。 Then, it was attached to the cylinder head as shown in FIG. 1, the engine was started for a certain period of time, and the axial wear amount of the valve seat and the valve was measured.
その結果、図13(A)に示すように、7つのパーライトに関する実施品のバルブシートは、1番の実施品の軸方向摩耗量が62μmの最大値を示し、2〜7番の実施品の何れもがこの値よりも大幅に小さく、優れた耐摩耗性を有していることが分かった。 As a result, as shown in FIG. 13 (A), the valve seat of the implementation product related to the seven pearlites shows the maximum amount of axial wear of the first implementation product of 62 μm, and All were significantly smaller than this value and were found to have excellent wear resistance.
また、図13(A)に示すように、2つのパーライトと初析フェライトとに関する実施品のバルブシートは、15番の実施品の軸方向摩耗量が64μmの値を示し、16番の実施品の軸方向摩耗量が50μmの値を示し、何れも優れた耐摩耗性を有していることが分かった。 In addition, as shown in FIG. 13A, the valve seat of the actual product related to the two pearlites and pro-eutectoid ferrite shows the value of the axial wear amount of the No. 15 actual product of 64 μm, and the No. 16 actual product. The amount of axial wear of each showed a value of 50 μm, and it was found that all had excellent wear resistance.
(比較例)
比較例として、上部ベイナイトとパーライトとの組み合わせ以外の耐摩耗性鉄基焼結金属製のバルブシートを試作し耐摩耗性を調べた。
(Comparative example)
As a comparative example, a wear-resistant iron-based sintered metal valve seat other than the combination of upper bainite and pearlite was prototyped and the wear resistance was examined.
図15において、8番は下部ベイナイトのみからなる耐摩耗性鉄基焼結金属製のバルブシート、9、10番は上部ベイナイトと下部ベイナイトとのみからなる耐摩耗性鉄基焼結金属製のバルブシート、11番はパーライトのみからなる耐摩耗性鉄基焼結金属製のバルブシート、及び12〜14番はパーライトと下部ベイナイトのみからなる耐摩耗性鉄基焼結金属製のバルブシートである。 In FIG. 15, No. 8 is a wear-resistant iron-based sintered metal valve seat made only of lower bainite, and Nos. 9 and 10 are wear-resistant iron-based sintered metal valves made only of upper bainite and lower bainite. No. 11 is a valve sheet made of wear-resistant iron-based sintered metal made only of pearlite, and Nos. 12 to 14 are valve sheets made of wear-resistant iron-based sintered metal made only of pearlite and lower bainite.
上記試作した8〜14番の比較品を図1に示すようにシリンダヘッドに取り付け、一定時間エンジンを起動し、バルブシート及びバルブの軸方向摩耗量を測定した。その結果、8〜14番の比較品のバルブシートは、何れも軸方向摩耗量が高く、耐摩耗性に劣る結果となった。 As shown in FIG. 1, the prototype Nos. 8 to 14 were mounted on the cylinder head, the engine was started for a certain period of time, and the axial wear amounts of the valve seat and the valve were measured. As a result, the comparative valve seats of Nos. 8 to 14 all had a high axial wear amount, resulting in poor wear resistance.
図16の模式図は、13番のバルブシートを示しており、図11の模式図と比較した場合、図11の上部ベイナイト2aが下部ベイナイト2cに入れ替わっている。下部ベイナイト2cは、パーライトよりも硬く、上部ベイナイトよりも初期硬さが大きいけれども、塑性硬化が小さくかつ浅く生じる。下部ベイナイト2cでバルブ5の閉時の荷重を支えることとなり、バルブ5からの荷重(面圧)を下部ベイナイト2cが受けるから、下部ベイナイト2cの塑性硬化が小さいから、下部ベイナイト2cとパーライト2bの同時摩耗が進行してしまう。 The schematic diagram of FIG. 16 shows the number 13 valve seat, and when compared with the schematic diagram of FIG. 11, the upper bainite 2a of FIG. 11 is replaced with the lower bainite 2c. Although the lower bainite 2c is harder than pearlite and has an initial hardness higher than that of the upper bainite, the plastic hardening is small and shallow. Since the lower bainite 2c supports the load when the valve 5 is closed, and the lower bainite 2c receives the load (surface pressure) from the valve 5, the lower bainite 2c has a small plastic hardening, so the lower bainite 2c and the pearlite 2b Simultaneous wear progresses.
図17は、図13及び図15に示した実施例及び比較例に係る耐摩耗性鉄基焼結金属の組織別面積比の組み合わせにおける軸方向摩耗量との関係をバルブとバルブシートとの割合で示したグラフ図である。 FIG. 17 shows the relationship between the amount of wear in the axial direction in the combination of the area ratios by structure of the wear-resistant iron-based sintered metal according to the examples and comparative examples shown in FIGS. 13 and 15, and the ratio of the valve to the valve seat. It is the graph shown by.
図17から分かるように、上部ベイナイトとパーライトのみからなる耐摩耗性鉄基焼結金属製のバルブシートである各実施例(1番〜7番)、及び上部ベイナイトとパーライトと初析フェライトとからなる耐摩耗性鉄基焼結金属製のバルブシートである各実施例(15番,16番)は、上部ベイナイトとパーライトとの組み合わせ以外の耐摩耗性鉄基焼結金属製のバルブシートである比較例(8番〜14番)に比べ、いずれの場合も軸方向摩耗量が小さく耐摩耗性に優れている。 As can be seen from FIG. 17, each example (Nos. 1 to 7) is a valve seat made of wear-resistant iron-based sintered metal composed only of upper bainite and pearlite, and upper bainite, pearlite, and proeutectoid ferrite. Each example (No. 15 and No. 16) which is a wear-resistant iron-based sintered metal valve seat is a wear-resistant iron-based sintered metal valve seat other than the combination of upper bainite and pearlite. Compared to the comparative examples (Nos. 8 to 14), in all cases, the amount of axial wear is small and the wear resistance is excellent.
(その他の実施例と比較例)
図18は、比較例としてのFe−0.5Mo−0.9Cの場合及び実施例としてのFe−2.0Mo−0.9Cの2つのバルブシートについて、バルブシート及びバルブの軸方向摩耗量を示す棒グラフである。この棒グラフに示すように、Mo;0.5%以下であると軸方向摩耗量が高くなってしまい、Mo;2.0%以上であるとバルブ5への相手攻撃性が高くなってしまう。
(Other examples and comparative examples)
FIG. 18 shows the amount of axial wear of a valve seat and a valve in the case of Fe-0.5Mo-0.9C as a comparative example and two valve seats of Fe-2.0Mo-0.9C as an example. It is a bar graph to show. As shown in this bar graph, when Mo is 0.5% or less, the axial wear amount is high, and when Mo is 2.0% or more, the attacking ability against the valve 5 is high.
また、図19に示すように、実施例としてのFe−2.0Cr−0.5V−0.02Mo−0.9Cとした場合のバルブシートについて、バルブシート及びバルブの軸方向摩耗量を示す棒グラフである。この棒グラフに示すように、この実施例は、軸方向摩耗量が低く、摩耗性が良好でバルブ5への相手攻撃性も低いことが判明した。 Moreover, as shown in FIG. 19, about the valve seat at the time of setting it as Fe-2.0Cr-0.5V-0.02Mo-0.9C as an Example, the bar graph which shows the amount of axial wear of a valve seat and a valve. It is. As shown in this bar graph, it has been found that this example has a low amount of axial wear, good wear, and low attack to the valve 5.
さらに、図20に示すように、Fe−0.6Mo−(X)V−0.9Cの場合において、Vの重量比(X)をVなし(0.0%,比較品)、0.01%(比較品)、0.02%(実施品)、0.08%(実施品)、4.0%(比較品)の5つのバルブシートについて、バルブシート及びバルブの軸方向摩耗量を示す棒グラフである。この棒グラフに示すように、下限0.02%で軸方向摩耗量が低くなり上限4%でバルブ5への相手攻撃性が高くなることが判明した。 Furthermore, as shown in FIG. 20, in the case of Fe-0.6Mo- (X) V-0.9C, the weight ratio (X) of V is V (0.0%, comparative product), 0.01 % (Comparative product), 0.02% (commercial product), 0.08% (commercial product), and 4.0% (comparative product) of five valve seats indicate the valve seat and valve axial wear. It is a bar graph. As shown in this bar graph, it has been found that the axial wear amount decreases when the lower limit is 0.02%, and that the attacking ability against the valve 5 increases when the upper limit is 4%.
なお、上記実施の形態では、エンジンの排気側に配置したバルブシート2について説明したが、吸気側に配置しても同様の効果を奏することができる。 In the above embodiment, the valve seat 2 disposed on the exhaust side of the engine has been described. However, the same effect can be obtained even when disposed on the intake side.
また、本実施の形態では、耐磨耗性鉄基焼結金属をバルブシート2に適用し、バルブ5によって加えられる面圧により組織を硬化させるもので説明したが、例えば、ショットピーニング技術によって表面硬化をさせる各種部品、金型を用いて圧縮成型する冷間鍛造により形成する各種部品、或いは、形状矯正のためのサイジング加工や転造加工を施して形成する各種部品、等の塑性変形を要する金属材料として耐磨耗性鉄基焼結金属を用いる場合にも適用可能である。 In the present embodiment, the wear-resistant iron-based sintered metal is applied to the valve seat 2 and the structure is hardened by the surface pressure applied by the valve 5. However, for example, the surface is shot by shot peening technology. Various plastic parts such as various parts to be cured, various parts formed by cold forging by compression molding using a mold, or various parts formed by sizing and rolling for shape correction are required. The present invention is also applicable when using an abrasion-resistant iron-based sintered metal as the metal material.
以上説明したように、本発明に係る耐磨耗性鉄基焼結金属は、硬質粒子の添加を廃して被削性と耐摩耗性の両方に優れるという効果を有し、特に、高温や高面圧環境下で適用され、初期加工が必要でありかつ使用時には高い耐磨耗性が必要であるバルブシート等の塑性変形を要する金属材料として用いられる耐磨耗性鉄基焼結金属全般に有用である。 As explained above, the wear-resistant iron-based sintered metal according to the present invention has the effect of eliminating the addition of hard particles and is excellent in both machinability and wear resistance. For wear-resistant iron-based sintered metals used as metal materials that require plastic deformation, such as valve seats, which are applied under a surface pressure environment and require initial processing and high wear resistance when used. Useful.
2…バルブシート(耐磨耗性鉄基焼結金属)、2a…上部ベイナイト、2b,(P)…パーライト 2 ... Valve seat (abrasion-resistant iron-based sintered metal), 2a ... Upper bainite, 2b, (P) ... Pearlite
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