專利名稱：鐵系燒結(jié)合金制內(nèi)燃機(jī)用閥導(dǎo)承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐磨性優(yōu)異的鐵系燒結(jié)合金制內(nèi)燃機(jī)用閥導(dǎo)承。
背景技術(shù)：
在內(nèi)燃機(jī)的吸氣閥和排氣閥中使用的閥導(dǎo)承大多為鐵系燒結(jié)合金制的。例如特公昭55-34858號公報(bào)所記載，可以例舉組成為碳1.5-4質(zhì)量％、銅1-5質(zhì)量％、錫0.1-2質(zhì)量％、磷0.1-0.3質(zhì)量％和剩余量的鐵、在鐵的珠光體基體中析出Fe-C-P三元合金的白色板晶體、并且石墨分散的燒結(jié)合金。該合金由于切削加工性和耐磨性優(yōu)異，因此用于汽車等的引擎。另外，大多數(shù)的吸排氣閥的閥桿使用鐵基耐蝕耐熱超合金(Corrosion-resisting and heat-resisting superalloyJIS符號NCF)、耐熱鋼(Heat-resisting steelJIS符號SUH)、高速工具鋼(Hight speed tool steelJIS符號SKH)之類的合金、以及對這些合金實(shí)施了軟氮化處理的合金。
對于閥桿，除耐熱耐磨性之外，雖然為了提高疲勞特性而優(yōu)選施行軟氮化處理，但是由于該處理使用含有具有毒性的氰化合物的熔融鹽，因此在操作和廢棄等上需要特別的管理，存在環(huán)境衛(wèi)生的問題，因此，如果可能的話，希望不施行軟氮化處理?？墒?，不施行軟氮化處理的閥桿與處理過的相比，耐磨性比較低，因此鐵系燒結(jié)合金制閥導(dǎo)承和閥桿容易發(fā)生滑動傷(scuffing)，有磨損比較快之憂。特別是吸氣側(cè)(intake)，當(dāng)為了防止閥導(dǎo)承和閥桿的滑動部的磨損而供給大量的潤滑油時，發(fā)生該潤滑油流入到下方的燃燒室的被稱為“油下落(オイル下がり)”的現(xiàn)象，潤滑油的消耗變多。因此，對噴射(emission)產(chǎn)生不良影響，為了避免這種情況，需要調(diào)整燒結(jié)合金的多孔性和潤滑油的供給量，使得潤滑油的量達(dá)到適度，結(jié)果，摩擦環(huán)境變得比較嚴(yán)格。

發(fā)明內(nèi)容
所以，本發(fā)明的目的在于，提供對不施行軟氮化處理的閥桿也具有優(yōu)異的耐久性的鐵系燒結(jié)合金制的內(nèi)燃機(jī)用閥導(dǎo)承。
本發(fā)明的特征在于組成含有Cu8-20質(zhì)量％、C0.8-1.5質(zhì)量％、MnS、WS2和MoS2的至少1種0.5-2質(zhì)量％、余量為Fe，其具有氣孔，具有在鐵的珠光體基體中分散有銅相的金屬組織，同時，在基體和銅相的粒子間分散著金屬硫化物。以下說明本發(fā)明的構(gòu)成的限定理由。
·鐵基體鐵基體形成材料的強(qiáng)度、耐磨性等基本的性質(zhì)，在本發(fā)明中，形成以石墨粉的形式添加到純鐵粉中的碳在燒結(jié)中擴(kuò)散的鐵的珠光體組織。對于鐵基體的結(jié)合碳量，鐵與碳共析約0.8％左右，大的滲碳體析出的基體不理想。也包括所添加的石墨粉的一部分以游離碳的形式殘留的基體。
·C燒結(jié)合金中的總碳量給閥導(dǎo)承的壓塊徑向抗壓強(qiáng)度、切削性、閥導(dǎo)承和閥桿的磨損量造成影響?？偺剂吭缴?，閥導(dǎo)承的切削性越為好的結(jié)果。壓塊徑向抗壓強(qiáng)度在總碳量為約1質(zhì)量％時最高，含量比該值多或少，壓塊徑向抗壓強(qiáng)度都變低，超過1.5％的含量不優(yōu)選。閥導(dǎo)承和閥桿的磨損量在總碳量為約1質(zhì)量％時最少，當(dāng)總碳量少于0.8質(zhì)量％時，磨損增加。從這些情況考慮，磨損量少、壓塊徑向抗壓強(qiáng)度高、切削性好的總碳量范圍為0.8-1.5質(zhì)量％。
·Cu銅為在燒結(jié)合金的鐵基體之間斑點(diǎn)狀地分散的狀態(tài)，使與閥桿的緊密性、耐磨性良好。優(yōu)選銅以銅粉的形式添加。為了得到銅的分散狀態(tài)，為此而使用的銅粉優(yōu)選粒度比較粗的。例如粒度為100目篩以下，亞篩(サブシ-ブ；subsieve)粉的量為10-30質(zhì)量％的銅粉。銅通過燒結(jié)而向鐵粒子擴(kuò)散一點(diǎn)點(diǎn)，組織上實(shí)質(zhì)形成純銅。在確保強(qiáng)度上，燒結(jié)溫度為比銅的熔點(diǎn)稍高的1100-1130℃，利用保持時間抑制銅向鐵較多地?cái)U(kuò)散，同時，使上述的碳在鐵中固溶約0.8質(zhì)量％左右。銅的含量也給各種特性帶來影響。銅的含量越多切削性越好。銅的含量越多，壓塊徑向抗壓強(qiáng)度越降低。銅的含量在約15質(zhì)量％時，閥導(dǎo)承和閥桿的磨損量最好，在5質(zhì)量％時，磨損量增加。從這些情況考慮，作為磨損量少、壓塊徑向抗壓強(qiáng)度在實(shí)際使用上充分、切削性好的范圍，銅的含量為8-20質(zhì)量％。
·金屬硫化物(MnS、WS2、MoS2)對于上述具有在珠光體組織的鐵基體中分散了8-20質(zhì)量％的銅的組織的鐵系燒結(jié)合金制閥導(dǎo)承，壓塊徑向抗壓強(qiáng)度也比現(xiàn)有的鐵系燒結(jié)合金制閥導(dǎo)承高，不產(chǎn)生燒結(jié)磨損，但耐磨性和被切削性比現(xiàn)有的鐵系燒結(jié)合金差。為了改善這種情況，含有潤滑物質(zhì)為好。作為潤滑物質(zhì)，可以列舉出硫化錳(MnS)、二硫化鎢(WS2)、二硫化鉬(MoS2)、頑輝石(MgSiO3)、氮化硼(BN)、氟化鈣(CaF)等，比較它們，壓塊徑向抗壓強(qiáng)度的降低少、耐磨性最優(yōu)異的是金屬硫化物，硫化錳特別優(yōu)異。當(dāng)金屬硫化物的含量增加時，切削性提高，壓塊徑向抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)金屬硫化物的含量為約1-1.5質(zhì)量％時，閥導(dǎo)承和閥桿的磨損量少，當(dāng)少于0.5質(zhì)量％時，閥導(dǎo)承和閥桿的磨損量增加。另外，硫化物的含量為3％時，磨損量也增加。從這些情況考慮，作為磨損量少、壓塊徑向抗壓強(qiáng)度在實(shí)際使用上充分、切削性好的范圍，金屬硫化物的含量為0.5-2質(zhì)量％。
·閥導(dǎo)承的密度作為滿足有含油能力的氣孔和強(qiáng)度的密度，為6.4-6.8g/cm3。
具體實(shí)施例方式
以下示出實(shí)施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
(1)燒結(jié)合金試樣的制作和性能試驗(yàn)[實(shí)施例]a)原料粉末·鐵粉川崎制鐵制KIP-300A粒度為100目篩以下·銅粉ジヤパンエナジ-制#35粒度為100目篩以下·石墨粉日本石墨工業(yè)制CPB粒度為150目篩以下·固體潤滑劑粉硫化錳(MnS)、二硫化鎢(WS2)、二硫化鉬(MoS2)、頑輝石(MgSiO3)、氮化硼(BN)、氟化鈣(CaF)·硬脂酸鋅粉b)混合粉末使用上述原料粉末，調(diào)制下述試樣1-7的混合粉末。添加量為質(zhì)量％。另外，硬脂酸鋅在全部的試樣中添加，追加時為0.75％。
·試樣189％鐵粉+10％銅粉+1％石墨·試樣299％試樣1+1％MnS·試樣399％試樣1+1％WS2·試樣499％試樣1+1％MoS2
·試樣599％試樣1+1％MgSiO3·試樣699％試樣1+1％BN·試樣799％試樣1+1％CaFc)粉末成形、燒結(jié)將上述試樣粉末1-7壓縮成形為圓筒狀的閥導(dǎo)承形狀，將成形體在還原性氣體中在加熱最高溫度1130℃燒結(jié)。用于評價(jià)性能的各試樣的密度為6.6g/cm3。各燒結(jié)體總碳量為0.95質(zhì)量％，顯微鏡組織的鐵全部為珠光體(結(jié)合碳量為約0.8％)，可看到銅呈斑點(diǎn)狀。
將上述現(xiàn)有的燒結(jié)合金制的閥導(dǎo)承作為比較例的試樣。比較例的試樣是將分別配合了規(guī)定量的鐵粉、銅錫合金粉、磷鐵合金粉、石墨粉得到的混合粉壓縮成形、燒結(jié)而得到的試樣。比較例的燒結(jié)體，組成是碳2質(zhì)量％、銅3質(zhì)量％、錫1質(zhì)量％、磷0.2質(zhì)量％、和剩余量的鐵，在鐵的珠光體基體中Fe-C-P三元合金的白色板片晶體析出、石墨分散。
對于由上述試樣1-7和比較例的燒結(jié)體構(gòu)成的閥導(dǎo)承進(jìn)行以下的試驗(yàn)。
·壓塊徑向抗壓強(qiáng)度(MPa)根據(jù)JIS Z2507-1979燒結(jié)含油軸承的壓塊徑向抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)法測定壓塊徑向抗壓強(qiáng)度。
·被切削性試驗(yàn)使內(nèi)徑尺寸6.4mm的各閥導(dǎo)承浸漬在400℃時的運(yùn)動粘度為56cSt的透平油，將它壓入到機(jī)架(ハウジング)的孔中，固定在鉆床的基臺上。在鉆床上安裝外徑7mm的超硬制的鉸刀，在鉸刀的轉(zhuǎn)速1000rpm、載荷31N下插入到燒結(jié)體的內(nèi)孔中。被切削性用可以鉸刀加工軸向距離10mm的切削時間(秒)進(jìn)行評價(jià)。
·磨損試驗(yàn)將鉸刀加工的閥導(dǎo)承固定在試驗(yàn)機(jī)上，采用馬氏體系耐熱鋼SUH11(JIS G 4311)，使用未施行軟氮化處理的閥導(dǎo)承，測定在外周環(huán)境溫度500℃、閥桿轉(zhuǎn)速3000rpm、徑向載荷3kgf下運(yùn)轉(zhuǎn)10小時后的閥導(dǎo)承內(nèi)徑磨損量(μm)和閥桿的磨損量(μm)。
表1示出壓塊徑向抗壓強(qiáng)度和磨損量的結(jié)果。在表1中，用以比較例試樣的特性為100時的指數(shù)表示實(shí)施例各試樣的特性。再者，VG是閥導(dǎo)承，VS是閥桿。
表1

根據(jù)表1可看到，與比較例試樣的閥導(dǎo)承相比，含有金屬硫化物的實(shí)施例的試樣的特性優(yōu)異。特別是試樣2的Fe-10％Cu-0.85％C-1％MnS材料最優(yōu)異。再者，被切削性試驗(yàn)的鉸刀加工時間，將比較例試樣作為指數(shù)100時，試樣2為指數(shù)78，試樣2優(yōu)異。
(2)Cu、C和MnS的含量的比較其次，對上述試樣2中的Cu、C和MnS各自的含量不同和閥導(dǎo)承的特性進(jìn)行比較，確定Cu、C和金屬硫化物含量的適當(dāng)值。為此而進(jìn)行的壓塊徑向抗壓強(qiáng)度和被切削性試驗(yàn)的方法與上述相同，但磨損試驗(yàn)比上述條件提高了載荷，并且延長時間，徑向載荷為5kgf，運(yùn)轉(zhuǎn)時間為30小時。另外，在比較時，用上述試樣2記為100的指數(shù)表示。在此，發(fā)明的限定范圍確定基準(zhǔn)為切削時間為指數(shù)120以下、壓塊徑向抗壓強(qiáng)度為指數(shù)60以上、閥導(dǎo)承的磨損量為指數(shù)140以下、閥桿的磨損量為指數(shù)250以下。這之中，閥桿的磨損量為幾μm左右，因此即使指數(shù)比較大也被允許。
a)Cu含量的比較使Fe-1％C-1％MnS恒定，制作了Cu含量為5％、10％、15％、20％這4種閥導(dǎo)承試樣。表2示出了這些試樣的試驗(yàn)結(jié)果。
表2

如表2所示，Cu含量為10-15質(zhì)量％時是良好的。當(dāng)Cu含量增加時，被切削性變好，而另一方面壓塊徑向抗壓強(qiáng)度變低。另外，閥導(dǎo)承的磨損量在Cu含量為10-15質(zhì)量％時少，無論Cu含量比該值多還是少，閥導(dǎo)承的磨損量都增加。閥桿的磨損量全部在許可范圍內(nèi)。從這些情況出發(fā)，考慮閥導(dǎo)承的磨損量和被切削性，Cu含量為8-20質(zhì)量％的范圍。
b)C含量的比較使Fe-10％Cu-1％MnS恒定，制作C含量為0.8％、1％、1.2％、1.5％這4種閥導(dǎo)承的試樣。表3示出了這些試樣的試驗(yàn)結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種鐵系燒結(jié)合金制內(nèi)燃機(jī)用閥導(dǎo)承，其特征在于組成含有Cu8-20質(zhì)量％、C0.8-1.5質(zhì)量％、MnS、WS2和MoS2的至少1種0.5-2質(zhì)量％，余量為Fe，其具有氣孔，具有在鐵的珠光體基體中分散有銅相的金屬組織，同時，在基體和銅相的粒子間分散著金屬硫化物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵系燒結(jié)合金制內(nèi)燃機(jī)用閥導(dǎo)承，通過與未施行軟氮化處理的鐵基耐蝕耐熱超合金、耐熱鋼、或者高速工具鋼的閥桿組合進(jìn)行使用。
全文摘要
本發(fā)明為對未施行軟氮化處理的閥桿也具有優(yōu)異的耐久性的鐵系燒結(jié)合金制內(nèi)燃機(jī)用閥導(dǎo)承，該閥導(dǎo)承的組成含有Cu8－20質(zhì)量％、C0.8－1.5質(zhì)量％、MnS、WS
文檔編號C22C38/00GK1612946SQ0282702
公開日2005年5月4日 申請日期2002年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月11日
發(fā)明者近畑克直, 林幸一郎, 佐藤克明 申請人:日立粉末冶金株式會社, 本田技研工業(yè)株式會社