耐磨損性鐵基燒結金屬的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種耐磨損性鐵基燒結金屬。
【背景技術】
[0002]當前，對于使用耐磨損性鐵基燒結金屬的內燃機用的閥座，要求通過與閥組合而保持燃燒室的氣密性，并要求在高溫干燥的環(huán)境下的耐磨損性較高且對閥的攻擊性較低這些特性。
[0003]另外，近年來，為了應對環(huán)境需要，提高發(fā)動機輸出性能及低燃料消耗性能成為不可缺少的措施，在閥座的使用環(huán)境中，也在要求提高高溫化及高表面壓力化的條件之外，還要求提高導熱性及低熱膨脹性等各種條件。
[0004]根據上述狀況，例如已知有下述內燃機用閥座，其按質量％比含有Mo:0.4?4.0%、C:0.2?1.1%、N1:0.6?5.0%，金屬組織呈現(xiàn)僅有貝氏體和馬氏體混合而成的混合相構成的組織，并且剖面處的貝氏體和馬氏體之比為100:0?50:50，并且基底硬度為250?850HV (例如參照日本特開2001 — 316780)。
[0005]但是，硬質粉末是與鐵基粉末的鐵粒子相比更硬的硬顆粒所構成的粉末。由此，通過將硬顆粒分散在鐵基燒結合金中，從而能夠提高鐵基燒結合金的耐磨損性。
[0006]上述鐵基燒結合金的閥座在壓入汽缸頭中后，需要為了校直調整等而對與閥抵接的抵接面進行切削加工，所以也要求高切割性。換句話說，要求切割性優(yōu)異的閥座有助于切削加工時使用的刀具的長壽。
[0007]但是，上述的現(xiàn)有耐磨損性鐵基燒結金屬的閥座由于存在氣孔，所以成為斷續(xù)切削加工。由此產生下述問題，即，含有下貝氏體及馬氏體的初始硬度為600HV以上的硬顆粒中，切割性變差，用于加工的刀具壽命變短。另外，由于硬顆粒的價格非常高，所以產生材料費很高這一問題。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明僅由不含有硬顆粒的碳化物密度更高的上貝氏體構成，能夠把硬度抑制在較低水平。本發(fā)明提供一種廉價的耐磨損性鐵基燒結金屬，能夠在對閥座加工時切割性優(yōu)異且能夠抑制刀具壽命降低，在用作為閥座時，大幅加工硬化而具有穩(wěn)定的耐磨損性。
[0009]本發(fā)明所涉及的耐磨損性鐵基燒結金屬按質量％比含有Mo:0.02?2.0%、C:
0.2?1.2%。耐磨損性鐵基燒結金屬的金屬組織僅由上貝氏體構成,耐磨損性鐵基燒結金屬的初始硬度在120?400HV的范圍內。
[0010]由于耐磨損性鐵基燒結金屬僅由不含有硬顆粒的碳化物密度更高的上貝氏體構成，從而將硬度抑制在較低水平，所以能夠在對閥座加工時切割性優(yōu)異且能夠抑制刀具壽命降低。在將耐磨損性鐵基燒結金屬用作為閥座時，大幅加工硬化而具有穩(wěn)定的耐磨損性，并且廉價。
[0011]耐磨損性鐵基燒結金屬成型時的燒結后的冷卻速度也可以是40?150°C /min。
[0012]由此，能夠形成同時具有優(yōu)異的切割性和耐磨損性的耐磨損性鐵基燒結金屬。
[0013]耐磨損性鐵基燒結金屬的碳化物的面積率也可以為40%以上。
[0014]根據該結構，能夠得到金屬組織僅由上貝氏體構成的、同時具有優(yōu)異的切割性和耐磨損性的耐磨損性鐵基燒結金屬。
[0015]耐磨損性鐵基燒結金屬也可以按質量％比含有V:0.02?4.0%。
[0016]耐磨損性鐵基燒結金屬的平均晶體粒徑也可以為2?40 μ m。
[0017]耐磨損性鐵基燒結金屬也可以按質量％比含有Cr:0.05?2.0%。
[0018]另外，耐磨損性鐵基燒結金屬也可以按質量％比含有N1:0.4?5.0%、Mn:0.05?1.0%中的至少一種。
[0019]根據本發(fā)明，由于耐磨損性鐵基燒結金屬僅由不含有硬顆粒的碳化物密度更高的上貝氏體構成，從而將硬度抑制在較低水平，所以能夠在對閥座加工時切割性優(yōu)異且能夠抑制刀具壽命降低。在將耐磨損性鐵基燒結金屬用作為閥座時，大幅加工硬化而具有穩(wěn)定的耐磨損性,并且廉價。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的實施方式所涉及的耐磨損性鐵基燒結金屬應用于閥座上的汽缸頭的主要部分的剖面圖。
[0021]圖2是對本發(fā)明的實施方式所涉及的耐磨損性鐵基燒結金屬中的珠光體、上貝氏體、下貝氏體的磨損特性進行比較的圖表。
[0022]圖3是對本發(fā)明的實施方式所涉及的耐磨損性鐵基燒結金屬中的上貝氏體和下貝氏體的初始硬度以及硬化后的硬度的特性進行比較的圖表。
[0023]圖4是說明將本發(fā)明的實施方式所涉及的耐磨損性鐵基燒結金屬應用于閥座的情況下的表面擠壓硬化的示意圖。
[0024]圖5是對本發(fā)明的實施方式所涉及的耐磨損性鐵基燒結金屬中的上貝氏體和下貝氏體的壓縮殘留應力與表面深度之間的關系進行比較的圖表。
[0025]圖6是說明本發(fā)明的實施方式所涉及的耐磨損性鐵基燒結金屬中的上貝氏體在光學顯微鏡下的碳化物的呈現(xiàn)狀態(tài)的替代照片的說明圖。
[0026]圖7A?7C表示本發(fā)明的實施方式所涉及的耐磨損性鐵基燒結金屬中的上貝氏體的冷卻速度設為15°C /min的情況下的對比例，
圖7A是表示在配比為Fe - 1.5Mo 一 0.5C的情況下的碳化物的面積率的替代照片的說明圖，
圖7B是表示在配比為Fe - 1.5Mo 一 1.1C的情況下的碳化物的面積率的替代照片的說明圖，
圖7C是表示在配比為Fe - 1.5Mo 一 2.0C的情況下的碳化物的面積率的替代照片的說明圖。
[0027]圖8A?SC表示本發(fā)明的實施方式所涉及的耐磨損性鐵基燒結金屬中的上貝氏體的實施例，示出將冷卻速度設為15°C /min的情況下的對比例，
圖8A是表示在配比為Fe - 1.5Mo 一 0.5C且將冷卻速度設為100°C /min的情況下的碳化物的面積率的替代照片的說明圖， 圖8B是表示在配比為Fe - 1.5Mo 一 1.1C且將冷卻速度設為60°C /min的情況下的碳化物的面積率的替代照片的說明圖，
圖8C是表示在配比為Fe - 1.5Mo 一 1.1C且將冷卻速度設為100°C /min的情況下的碳化物的面積率的替代照片的說明圖。
[0028]圖9是表示在本發(fā)明的實施方式所涉及的耐磨損性鐵基燒結金屬中的上貝氏體的配比設為Fe - 1.5Mo - 1.1C的情況下的冷卻速度和磨損量之間的關系的圖。
[0029]圖10是本發(fā)明的實施方式所涉及的耐磨損性鐵基燒結金屬中的上貝氏體的晶粒的說明圖。
【具體實施方式】
[0030]下面，參照附圖，說明本發(fā)明的實施方式。
[0031]如圖1所示，本實施方式的耐磨損性鐵基燒結金屬應用于發(fā)動機(省略整體圖)的汽缸頭I的底面?zhèn)人O置的閥座2。
[0032]汽缸頭I利用其底面對燃燒室3的一部分進行密封，形成有向燃燒室3開口的排氣通路4。燃燒室3的開口通過設置在汽缸頭I上的排氣閥5開閉。另外，在排氣閥5的軸部5a和汽缸頭I之間具有閥引導件6，其支撐排氣閥的軸部5a使其能夠沿軸線方向運動。
[0033]排氣閥5由于閥彈簧7的拉伸力而在平時利用閥體5b使排氣通路4的開口關閉。
[0034]閥座2嵌入汽缸頭I的底面，在排氣通路3閉閥時，排氣閥5的閥體5b落位在閥座2上。
[0035]閥座2通過將本實施方式所涉及的耐磨損性鐵基燒結金屬成型后，對成為排氣閥5的落位部分的內周壁面部的一部分進行倒角狀切削加工而構成的。構成閥座2的耐磨損性鐵基燒結金屬，按質量％比含有Mo:0.02?2.0%、C:0.2?1.2%，金屬組織僅由上貝氏體構成，初始硬度在120?400HV的范圍內。
[0036]通常，貝氏體(bainite)是將含碳鋼從奧氏體狀態(tài)開始冷卻，在發(fā)生珠光體相變的溫度區(qū)域和開始馬氏體相變的溫度(Ms點)之間的溫度區(qū)域進行恒溫保持時產生的組織。在含有Mo等合金元素的鋼中，不僅在上述的恒溫保持中產生貝氏體，在中等程度的速度下連續(xù)冷卻時也產生貝氏體。
[0037]貝氏體大致區(qū)分為:在以恒溫處理溫度450?550°C程度處理時呈現(xiàn)接近珠光體的黑色羽毛狀組織的上貝氏體、以及以低于前述溫度的更接近Ms點的溫度下處理時呈現(xiàn)接近馬氏體的針狀組織的下貝氏體。
[0038]上貝氏體如圖2所示，具有與珠光體及下貝氏體相比磨損量較低的組織特性。另夕卜，上貝氏體如圖3所示，具有初始硬度低于下貝氏體、且硬化后的硬度高于下貝氏體的組織特性。
[0039]由此，上貝氏體在初始硬度下能夠容易地進行切削加工等的基礎上，對其進行加工的加工刀具不易損傷，能夠有助于刀具壽命延長。另外，上貝氏體在硬化后磨損量較小。由此，例如圖4所示，在通過排氣閥5而使排氣通路4從開閥狀態(tài)變?yōu)殚]閥狀態(tài)時、即利用閥體5b落位于閥座2上的表面壓力而組織(塑性)硬化。同時，閥座2的表面粗糙度降低(密度提高)而確保耐磨損性，能夠抑制閥座2磨損。S卩，由于表面的粗糙度不同，磨損特性大幅變化。
[0040]在這里，得到新發(fā)現(xiàn)，S卩，在閥座2的使用環(huán)境下，上貝氏體與其它組織相比，加工硬化量及硬化深度較高，耐磨損性優(yōu)異。
[0041]具體地說，如圖5所示，壓縮殘留應力(MPa)隨著表面深度(μ m)越深，對疲勞強度越不利。而且，上貝氏體與下貝氏體相比，得到下述結果，即，在針對疲勞強度有利的基礎上，與表面深度相對的變化較小。
[0042]因此，考慮上述上貝氏體的特性，在本實施方式中，將閥座2由下述耐磨損性鐵基燒結金屬構成，即，該耐磨損性鐵基燒結金屬僅由按質量％比含有Mo:0.02?2.0%、C:
0.2?1.2%、剩余部分為不可避免的雜質以及Fe，其金屬組織僅由上貝氏體構成。
[0043]BP,Mo能夠使耐磨損性優(yōu)異，且能提高淬火性。此時，如果Mo的質量比低于0.02%,則難以充分得到上述效果，如果超過2.0%，則材料粉末變硬，成型性變差。
[0044]另外，C能夠在形成碳化物的同時提高耐磨損性。如果C的質量比低于0.2%，則硬度不足，如果超過1.2%，則由于生成先共析滲碳體而導致對其它部件的攻擊性增加，切割性也惡化。
[0045]在本實施方式中，使耐磨損性鐵基燒結金屬的初始硬度在120?400HV的范圍內的理由如下所示。如果初始硬度不足120HV，則加工硬化時的硬度無法到達600HV，耐磨損性不足。另外，如果初始硬度超過400HV，則加工硬化時的硬度過大，產生對其它部件的攻擊性而使得對閥座進行切削加工的刀具的磨損增加，并且切削加工變得困難，此外，在用作為閥座時，雖然耐磨損性足夠大，但針對閥的攻擊性變大。
[0046]在本實施方式中，通過使成型時的燒結后的冷卻速度在40?150°C /min的范圍內，從而使得在圖像解析中，在0.19X0.23MM的視野中碳化物的面積率為40%以上。此外，如圖6所示，在以光學顯微鏡(