專利名稱：鐵系燒結合金制內燃機用閥導承的制作方法
技術領域：
本發明涉及耐磨性優異的鐵系燒結合金制內燃機用閥導承。
背景技術：
在內燃機的吸氣閥和排氣閥中使用的閥導承大多為鐵系燒結合金制的。例如特公昭55-34858號公報所記載，可以例舉組成為碳1.5-4質量％、銅1-5質量％、錫0.1-2質量％、磷0.1-0.3質量％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合金。該合金由于切削加工性和耐磨性優異，因此用于汽車等的引擎。另外，大多數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，存在環境衛生的問題，因此，如果可能的話，希望不施行軟氮化處理。可是，不施行軟氮化處理的閥桿與處理過的相比，耐磨性比較低，因此鐵系燒結合金制閥導承和閥桿容易發生滑動傷(scuffing)，有磨損比較快之憂。特別是吸氣側(intake)，當為了防止閥導承和閥桿的滑動部的磨損而供給大量的潤滑油時，發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)”的現象，潤滑油的消耗變多。因此，對噴射(emission)產生不良影響，為了避免這種情況，需要調整燒結合金的多孔性和潤滑油的供給量，使得潤滑油的量達到適度，結果，摩擦環境變得比較嚴格。
發明內容
所以，本發明的目的在于，提供對不施行軟氮化處理的閥桿也具有優異的耐久性的鐵系燒結合金制的內燃機用閥導承。
本發明的特征在于組成含有Cu8-20質量％、C0.8-1.5質量％、MnS、WS2和MoS2的至少1種0.5-2質量％、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。以下說明本發明的構成的限定理由。
·鐵基體鐵基體形成材料的強度、耐磨性等基本的性質，在本發明中，形成以石墨粉的形式添加到純鐵粉中的碳在燒結中擴散的鐵的珠光體組織。對于鐵基體的結合碳量，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燒結合金中的總碳量給閥導承的壓塊徑向抗壓強度、切削性、閥導承和閥桿的磨損量造成影響。總碳量越少，閥導承的切削性越為好的結果。壓塊徑向抗壓強度在總碳量為約1質量％時最高，含量比該值多或少，壓塊徑向抗壓強度都變低，超過1.5％的含量不優選。閥導承和閥桿的磨損量在總碳量為約1質量％時最少，當總碳量少于0.8質量％時，磨損增加。從這些情況考慮，磨損量少、壓塊徑向抗壓強度高、切削性好的總碳量范圍為0.8-1.5質量％。
·Cu銅為在燒結合金的鐵基體之間斑點狀地分散的狀態，使與閥桿的緊密性、耐磨性良好。優選銅以銅粉的形式添加。為了得到銅的分散狀態，為此而使用的銅粉優選粒度比較粗的。例如粒度為100目篩以下，亞篩(サブシ-ブ；subsieve)粉的量為10-30質量％的銅粉。銅通過燒結而向鐵粒子擴散一點點，組織上實質形成純銅。在確保強度上，燒結溫度為比銅的熔點稍高的1100-1130℃，利用保持時間抑制銅向鐵較多地擴散，同時，使上述的碳在鐵中固溶約0.8質量％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，壓塊徑向抗壓強度越降低。銅的含量在約15質量％時，閥導承和閥桿的磨損量最好，在5質量％時，磨損量增加。從這些情況考慮，作為磨損量少、壓塊徑向抗壓強度在實際使用上充分、切削性好的范圍，銅的含量為8-20質量％。
·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質量％的銅的組織的鐵系燒結合金制閥導承，壓塊徑向抗壓強度也比現有的鐵系燒結合金制閥導承高，不產生燒結磨損，但耐磨性和被切削性比現有的鐵系燒結合金差。為了改善這種情況，含有潤滑物質為好。作為潤滑物質，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，壓塊徑向抗壓強度的降低少、耐磨性最優異的是金屬硫化物，硫化錳特別優異。當金屬硫化物的含量增加時，切削性提高，壓塊徑向抗壓強度降低。當金屬硫化物的含量為約1-1.5質量％時，閥導承和閥桿的磨損量少，當少于0.5質量％時，閥導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、壓塊徑向抗壓強度在實際使用上充分、切削性好的范圍，金屬硫化物的含量為0.5-2質量％。
·閥導承的密度作為滿足有含油能力的氣孔和強度的密度，為6.4-6.8g/cm3。
具體實施例方式
以下示出實施例更詳細地說明本發明。
(1)燒結合金試樣的制作和性能試驗[實施例]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，調制下述試樣1-7的混合粉末。添加量為質量％。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、燒結將上述試樣粉末1-7壓縮成形為圓筒狀的閥導承形狀，將成形體在還原性氣體中在加熱最高溫度1130℃燒結。用于評價性能的各試樣的密度為6.6g/cm3。各燒結體總碳量為0.95質量％，顯微鏡組織的鐵全部為珠光體(結合碳量為約0.8％)，可看到銅呈斑點狀。
將上述現有的燒結合金制的閥導承作為比較例的試樣。比較例的試樣是將分別配合了規定量的鐵粉、銅錫合金粉、磷鐵合金粉、石墨粉得到的混合粉壓縮成形、燒結而得到的試樣。比較例的燒結體，組成是碳2質量％、銅3質量％、錫1質量％、磷0.2質量％、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和比較例的燒結體構成的閥導承進行以下的試驗。
·壓塊徑向抗壓強度(MPa)根據JIS Z2507-1979燒結含油軸承的壓塊徑向抗壓強度試驗法測定壓塊徑向抗壓強度。
·被切削性試驗使內徑尺寸6.4mm的各閥導承浸漬在400℃時的運動粘度為56cSt的透平油，將它壓入到機架(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，在鉸刀的轉速1000rpm、載荷31N下插入到燒結體的內孔中。被切削性用可以鉸刀加工軸向距離10mm的切削時間(秒)進行評價。
·磨損試驗將鉸刀加工的閥導承固定在試驗機上，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承，測定在外周環境溫度500℃、閥桿轉速3000rpm、徑向載荷3kgf下運轉10小時后的閥導承內徑磨損量(μm)和閥桿的磨損量(μm)。
表1示出壓塊徑向抗壓強度和磨損量的結果。在表1中，用以比較例試樣的特性為100時的指數表示實施例各試樣的特性。再者，VG是閥導承，VS是閥桿。
表1
根據表1可看到，與比較例試樣的閥導承相比，含有金屬硫化物的實施例的試樣的特性優異。特別是試樣2的Fe-10％Cu-0.85％C-1％MnS材料最優異。再者，被切削性試驗的鉸刀加工時間，將比較例試樣作為指數100時，試樣2為指數78，試樣2優異。
(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承的特性進行比較，確定Cu、C和金屬硫化物含量的適當值。為此而進行的壓塊徑向抗壓強度和被切削性試驗的方法與上述相同，但磨損試驗比上述條件提高了載荷，并且延長時間，徑向載荷為5kgf，運轉時間為30小時。另外，在比較時，用上述試樣2記為100的指數表示。在此，發明的限定范圍確定基準為切削時間為指數120以下、壓塊徑向抗壓強度為指數60以上、閥導承的磨損量為指數140以下、閥桿的磨損量為指數250以下。這之中，閥桿的磨損量為幾μm左右，因此即使指數比較大也被允許。
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種閥導承試樣。表2示出了這些試樣的試驗結果。
表2
如表2所示，Cu含量為10-15質量％時是良好的。當Cu含量增加時，被切削性變好，而另一方面壓塊徑向抗壓強度變低。另外，閥導承的磨損量在Cu含量為10-15質量％時少，無論Cu含量比該值多還是少，閥導承的磨損量都增加。閥桿的磨損量全部在許可范圍內。從這些情況出發，考慮閥導承的磨損量和被切削性，Cu含量為8-20質量％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種閥導承的試樣。表3示出了這些試樣的試驗結果。
權利要求
1.一種鐵系燒結合金制內燃機用閥導承，其特征在于組成含有Cu8-20質量％、C0.8-1.5質量％、MnS、WS2和MoS2的至少1種0.5-2質量％，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.根據權利要求1所述的鐵系燒結合金制內燃機用閥導承，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行使用。
全文摘要
本發明為對未施行軟氮化處理的閥桿也具有優異的耐久性的鐵系燒結合金制內燃機用閥導承，該閥導承的組成含有Cu8－20質量％、C0.8－1.5質量％、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 優先權日2002年1月11日
發明者近畑克直, 林幸一郎, 佐藤克明 申請人:日立粉末冶金株式會社, 本田技研工業株式會社