發(fā)明背景

1.發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燒結(jié)合金的制造方法、燒結(jié)合金壓坯和燒結(jié)合金。

2.相關(guān)技術(shù)描述

具有鐵基質(zhì)的燒結(jié)合金可用于內(nèi)燃機的閥座等。在燒結(jié)合金中還可含有硬粒子以改進耐磨性。在含有硬粒子的情況下，將石墨粒子和鐵粒子與硬粒子混合成粉末形式，并將該混合粉末壓制成燒結(jié)合金壓坯。此后，加熱該燒結(jié)合金壓坯并燒結(jié)成燒結(jié)合金。

作為這種燒結(jié)合金的制造方法，已經(jīng)提出一種制造耐磨鐵基燒結(jié)合金的方法(例如參見日本專利申請公開no.2004-156101(jp2004-156101a))。在該耐磨鐵基燒結(jié)合金的制造方法中，將硬粒子、石墨粒子和鐵粒子的混合粉末壓制成燒結(jié)合金壓坯。然后，在使這種燒結(jié)合金壓坯的石墨粒子中的碳(c)擴散到硬粒子和鐵粒子中的同時燒結(jié)該燒結(jié)合金壓坯。

在此，硬粒子含有20至70質(zhì)量％mo、0.2至3質(zhì)量％c、1至15質(zhì)量％mn且余量由不可避免的雜質(zhì)和co構(gòu)成。當(dāng)將硬粒子、石墨粒子和鐵粒子的總質(zhì)量設(shè)定為100質(zhì)量％時，該混合粉末含有10至60質(zhì)量％的硬粒子和0.2至2質(zhì)量％的石墨粒子。由于硬粒子擴散在這種燒結(jié)合金中，可以抑制該燒結(jié)合金的磨料磨損。

發(fā)明概述

但是，通過jp2004-156101a中描述的制造方法制成的燒結(jié)合金中粘結(jié)硬粒子的基質(zhì)材料是fe-c系材料，其中石墨粒子中的c擴散到鐵粒子中，因此柔軟。因此，當(dāng)該燒結(jié)合金接觸配合滑動件中的金屬材料時，促進燒結(jié)合金的接觸表面的塑性變形，并促進這一接觸表面的粘著磨損。為避免這些，合意地提高燒結(jié)合金的硬度。但是，燒結(jié)合金的提高的硬度造成降低的可機械加工性。因此，難以平衡抗粘著磨損性和可機械加工性。

本發(fā)明提供能在抑制粘著磨損的同時保證可機械加工性的燒結(jié)合金制造方法、燒結(jié)合金壓坯和燒結(jié)合金。

本發(fā)明人認為，如上所述的燒結(jié)合金的鐵基基質(zhì)的塑性變形促進接觸表面的粘著磨損。從這一角度出發(fā)，本發(fā)明人考察了除抑制磨料磨損的傳統(tǒng)硬粒子外還添加另一類型的可抑制鐵基基質(zhì)的塑性變形的硬粒子。因此，本發(fā)明人已將注意力集中在鉬作為該硬粒子的主要組分并發(fā)現(xiàn)，通過使鐵-鉬金屬間化合物和在燒結(jié)過程中沉淀的碳化鉬分散在鐵基基質(zhì)中，可以控制鐵基基質(zhì)的塑性變形。

本發(fā)明基于這一發(fā)現(xiàn)。本發(fā)明的第一方面涉及燒結(jié)合金的制造方法，其包括：將含有第一硬粒子、第二硬粒子、石墨粒子和鐵粒子的混合粉末壓制成燒結(jié)合金壓坯；和在使所述燒結(jié)合金壓坯的石墨粒子中的碳擴散到第一硬粒子、第二硬粒子和鐵粒子中的同時燒結(jié)所述燒結(jié)合金壓坯。在本發(fā)明的第一方面中，當(dāng)?shù)谝挥擦Ｗ泳哂?00質(zhì)量％時，第一硬粒子含有10至50質(zhì)量％mo、3至20質(zhì)量％cr、2至15質(zhì)量％mn、1質(zhì)量％或更少的c和包括fe和不可避免的雜質(zhì)的余量。當(dāng)?shù)诙擦Ｗ泳哂?00質(zhì)量％時，第二硬粒子含有60至70質(zhì)量％mo、2質(zhì)量％或更少的si和包括fe和不可避免的雜質(zhì)的余量。當(dāng)將第一硬粒子、第二硬粒子、石墨粒子和鐵粒子的總質(zhì)量設(shè)定為100質(zhì)量％時，所述混合粉末含有5至50質(zhì)量％的第一硬粒子、1至8質(zhì)量％的第二硬粒子和0.5至1.0質(zhì)量％的石墨粒子。

本發(fā)明的第二方面是一種燒結(jié)合金壓坯，其含有：第一硬粒子，當(dāng)?shù)谝挥擦Ｗ泳哂?00質(zhì)量％時，其含有10至50質(zhì)量％mo、3至20質(zhì)量％cr、2至15質(zhì)量％mn、1質(zhì)量％或更少的c和包括fe和不可避免的雜質(zhì)的余量；第二硬粒子，當(dāng)?shù)诙擦Ｗ泳哂?00質(zhì)量％時，其含有60至70質(zhì)量％mo、2質(zhì)量％或更少的si和包括fe和不可避免的雜質(zhì)的余量；石墨粒子；和鐵粒子。當(dāng)將第一硬粒子、第二硬粒子、石墨粒子和鐵粒子的總質(zhì)量設(shè)定為100質(zhì)量％時，所述燒結(jié)合金壓坯含有5至50質(zhì)量％的第一硬粒子、1至8質(zhì)量％的第二硬粒子和0.5至1.0質(zhì)量％的石墨粒子。本發(fā)明的第三方面是作為燒結(jié)合金壓坯的燒結(jié)體的燒結(jié)合金。

根據(jù)本發(fā)明，可以在抑制其粘著磨損的同時確保燒結(jié)合金的可機械加工性。

附圖簡述

下面參照附圖描述本發(fā)明的示例性實施方案的特征、優(yōu)點以及技術(shù)和工業(yè)意義，其中類似數(shù)字是指類似元件，且其中：

圖1是實施例和對比例中使用的磨損試驗的示意性概念圖；

圖2是實施例和對比例中使用的可機械加工性試驗的示意性概念圖；

圖3a是根據(jù)實施例1的試件在磨損試驗后的表面的圖像；

圖3b是根據(jù)對比例2的試件在磨損試驗后的表面的圖像；

圖4a顯示根據(jù)實施例1和對比例2的試件在磨損試驗后的表面輪廓；

圖4b是顯示根據(jù)實施例1和對比例2的試件的磨損深度結(jié)果的曲線圖；

圖5a是顯示在實施例4至7和對比例1、3中的磨損試驗后的軸向磨損量的結(jié)果的曲線圖；

圖5b是顯示在實施例4至7和對比例1、3中的可機械加工性試驗后的刀具磨損量的結(jié)果的曲線圖；

圖6a是顯示在實施例8至10和對比例1、5、6中的磨損試驗后的軸向磨損量的結(jié)果的曲線圖；

圖6b是指示在實施例8至10和對比例1、5、6中的可機械加工性試驗后的刀具磨損量的結(jié)果的曲線圖；

圖7a是顯示在實施例11至13和對比例1、7、8中的磨損試驗后的軸向磨損量的結(jié)果的曲線圖；

圖7b是顯示在實施例11至13和對比例1、7、8中的可機械加工性試驗后的刀具磨損量的結(jié)果的曲線圖；

圖8a是根據(jù)實施例1的試件的結(jié)構(gòu)的圖像；

圖8b是根據(jù)對比例7的試件的結(jié)構(gòu)的圖像；

圖8c是根據(jù)對比例8的試件的結(jié)構(gòu)的圖像；

圖9a是顯示在實施例14、15和對比例9、10中的磨損試驗后的軸向磨損量的結(jié)果的曲線圖；

圖9b是顯示在實施例14、15和對比例9、10中的可機械加工性試驗后的刀具磨損量的結(jié)果的曲線圖。

實施方案詳述

下面詳細描述本發(fā)明的一個實施方案。通過壓制含有下文將描述的第一和第二硬粒子、石墨粒子和鐵粒子的混合粉末，形成根據(jù)這一實施方案的燒結(jié)合金壓坯(下文稱作壓坯)。通過在使石墨粒子中的碳(c)擴散到硬粒子和鐵粒子中的同時燒結(jié)該壓坯，形成耐磨鐵基燒結(jié)合金(下文稱作燒結(jié)合金)。下面將描述硬粒子、通過壓制含有硬粒子的混合粉末而形成的壓坯和通過燒結(jié)該壓坯而形成的燒結(jié)合金。

1.關(guān)于第一硬粒子

第一硬粒子作為原材料混入燒結(jié)合金中，是硬度高于該燒結(jié)合金的鐵粒子和鐵基基質(zhì)的粒子，并且是用于通過在確保燒結(jié)合金的韌度的同時提高基質(zhì)的強度而抑制燒結(jié)合金的磨料磨損的粒子。

第一硬粒子是包括fe-mo-cr-mn基合金的粒子。更具體地，第一硬粒子含有10至50質(zhì)量％mo、3至20質(zhì)量％cr、2至15質(zhì)量％mn、1質(zhì)量％或更少的c且余量由fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。

制備含有以上述比率摻合的上述組成的熔融金屬，并在霧化法中霧化這種熔融金屬。由此可以制造第一硬粒子。作為另一方法，可以機械研磨通過固化該熔融金屬而形成的固化體?？刹捎脷怏w霧化法和液體霧化法的任一種作為該霧化法。但是，考慮到可燒結(jié)性等，用于獲得圓形粒子的氣體霧化法是優(yōu)選的。

在此，可以根據(jù)使用該硬粒子的元件的各性質(zhì)的重要程度、考慮下述限制該組成的原因以及在該界限內(nèi)的硬度、固體潤滑性、粘合性、成本等適當(dāng)改變上述硬粒子的組成的上限值和下限值。

1-1.mo:10至50質(zhì)量％

在第一硬粒子的組成中，mo可以在燒結(jié)過程中與石墨粒子中的c產(chǎn)生mo碳化物并改進第一硬粒子的硬度和耐磨性。此外，在固溶體中的mo和mo碳化物在高溫使用環(huán)境下氧化以產(chǎn)生mo氧化物膜。由此，mo能使該燒結(jié)合金具有有利的固體潤滑性。

在mo含量小于10質(zhì)量％的情況下，只產(chǎn)生少量mo碳化物。此外，第一硬粒子的氧化起始溫度提高，這抑制在高溫使用環(huán)境下的mo氧化物的生成。因此，制成的燒結(jié)合金具有不足的固體潤滑性和降低的抗磨料磨損性。

另一方面，在mo含量超過50質(zhì)量％的情況下，難以通過霧化法制造硬粒子。此外，可能降低硬粒子與鐵基基質(zhì)之間的粘合。因此，mo的更優(yōu)選含量為25至35質(zhì)量％。

1-2.cr:3至20質(zhì)量％

在第一硬粒子的組成中，cr可產(chǎn)生cr碳化物，改進第一硬粒子的硬度和耐磨性并改進硬粒子與基質(zhì)之間的粘合。此外，cr可抑制第一硬粒子的過度氧化。

在cr含量小于3質(zhì)量％的情況下，沒有充分改進第一硬粒子與基質(zhì)之間的粘合。此外，第一硬粒子中的氧化物膜的生成增加，這可能導(dǎo)致第一硬粒子中的氧化物膜的剝離。

另一方面，在cr含量超過20質(zhì)量％的情況下，第一硬粒子變得過硬，并提高其對配合件的侵襲性。此外，過度抑制第一硬粒子中的氧化物膜的生成。因此，cr的更優(yōu)選含量為5至10質(zhì)量％。

1-3.mn:2至15質(zhì)量％

在第一硬粒子的組成中，mn在燒結(jié)過程中有效地從第一硬粒子擴散到燒結(jié)合金的鐵基基質(zhì)中。因此，mn可以改進第一硬粒子與鐵基基質(zhì)之間的粘合。此外，mn可增加第一硬粒子的基質(zhì)和燒結(jié)合金的鐵基基質(zhì)各自中的奧氏體結(jié)構(gòu)。

在mn含量小于2質(zhì)量％的情況下，小量mn擴散到鐵基基質(zhì)中，因此硬粒子與鐵基基質(zhì)之間的粘合降低。此外，所得燒結(jié)合金的機械強度降低。另一方面，在mn含量超過15質(zhì)量％的情況下，mn的上述效應(yīng)飽和。因此，mn的優(yōu)選含量為2至10質(zhì)量％，mn的更優(yōu)選含量為4至8質(zhì)量％。

1-4.c:1質(zhì)量％或更少

在第一硬粒子的組成中，c可以與mo結(jié)合以產(chǎn)生mo碳化物并改進第一硬粒子的硬度和耐磨性。在這一實施方案中，將c含量限于1質(zhì)量％或更少。由此，c可改進壓坯的壓制性質(zhì)并提高燒結(jié)合金的密度。在c含量超過1質(zhì)量％的情況下，壓制性質(zhì)降低，這降低燒結(jié)合金的密度。

1-5.第一硬粒子的粒徑

可以根據(jù)燒結(jié)合金的用途、類型等適當(dāng)?shù)剡x擇第一硬粒子的粒徑。但是，第一硬粒子的粒徑優(yōu)選在44至250微米的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在44至105微米的范圍內(nèi)。

在第一硬粒子含有粒徑小于44微米的硬粒子的情況下，該粒徑太小。因此，該耐磨鐵基燒結(jié)合金的耐磨性可能降低。另一方面，在第一硬粒子含有粒徑超過105微米的硬粒子的情況下，該粒徑過大。因此，該耐磨鐵基燒結(jié)合金的可機械加工性可能降低。

2.關(guān)于第二硬粒子

類似于第一硬粒子，第二硬粒子作為原材料混入燒結(jié)合金中并且是硬度高于該燒結(jié)合金的鐵粒子和鐵基基質(zhì)的粒子。甚至第二硬粒子的輕微添加量也可顯著提高燒結(jié)合金的硬度。因此，第二硬粒子是用于抑制燒結(jié)合金的鐵基基質(zhì)的塑性變形并由此降低燒結(jié)合金的粘著磨損的粒子。

第二硬粒子是包括fe-mo基合金的粒子。當(dāng)?shù)诙擦Ｗ泳哂?00質(zhì)量％時，第二硬粒子含有60至70質(zhì)量％mo、2質(zhì)量％或更少的si且余量由fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。

通過將固化體機械研磨成粉末形式來制造第二硬粒子，所述固化體通過固化熔融金屬形成?；蛘?，類似于第一硬粒子，可通過氣體霧化法、液體霧化法等制造第二硬粒子。

2-1.mo:60至70質(zhì)量％

在第二硬粒子的組成中，mo可以在燒結(jié)過程中與石墨粒子中的c產(chǎn)生mo碳化物并改進第二硬粒子的硬度和耐磨性。此外，在固溶體中的mo和mo碳化物在高溫使用環(huán)境下氧化以產(chǎn)生mo氧化物膜。由此，mo能使該燒結(jié)合金具有有利的固體潤滑性。特別地，第二硬粒子具有比第一硬粒子高的mo含量。因此，通過使mo碳化物在燒結(jié)過程中沉淀在鐵基基質(zhì)的晶粒邊界上，可以抑制鐵基基質(zhì)在使用過程中的塑性變形并可抑制其粘著磨損。

在mo含量小于60質(zhì)量％的情況下，難以通過如上所述的mo碳化物抑制鐵基基質(zhì)的塑性變形，且鐵基基質(zhì)的抗粘著磨損性降低。另一方面，在mo含量超過70質(zhì)量％的情況下，難以通過研磨法制造第二硬粒子，這降低第二硬粒子的收率。

2-2.si:2質(zhì)量％或更少

在第二硬粒子的組成中含有si的情況下，有利于通過研磨法制造第二硬粒子。在si含量超過2質(zhì)量％的情況下，第二硬粒子硬化。因此，壓坯的壓制性質(zhì)降低，這降低燒結(jié)合金的密度。此外，燒結(jié)合金的可機械加工性降低。

2-3.第二硬粒子的粒徑

可以根據(jù)燒結(jié)合金的用途、類型等適當(dāng)?shù)剡x擇第二硬粒子的粒徑。但是，第二硬粒子的粒徑(最大粒徑)優(yōu)選在75微米和更小的范圍內(nèi)。由此，第二硬粒子可以進一步均勻分散到基質(zhì)中，這可以提高燒結(jié)合金的硬度。在第二硬粒子含有粒徑超過75微米的硬粒子的情況下，該粒徑過大。因此，該燒結(jié)合金的可機械加工性可能降低。從制造角度看，第二硬粒子的粒徑優(yōu)選為1微米或更大。

3.關(guān)于石墨粒子

石墨粒子可以是天然石墨或人造石墨的石墨粒子或可以是天然石墨和人造石墨的混合石墨粒子，只要該石墨粒子中的c可在燒結(jié)過程中作為固溶體擴散到鐵基基質(zhì)和硬粒子中。石墨粒子的粒徑優(yōu)選在1至45微米的范圍內(nèi)。作為含有優(yōu)選石墨粒子的粉末，可以使用石墨粉末(cpb-s:nippongraphiteindustries,co.,ltd.制造)等。

4.關(guān)于鐵粒子

充當(dāng)燒結(jié)合金的基質(zhì)的鐵粒子包括具有fe作為主要組分的鐵粒子。純鐵粉優(yōu)選作為含有鐵粒子的粉末。但是，可以使用低合金鋼粉，只要在壓制過程中的壓制性質(zhì)不降低并且不抑制上述第一硬粒子中的mn原子等的擴散?？梢圆捎胒e-c基粉末作為低合金鋼粉。例如，當(dāng)?shù)秃辖痄摲鄣牧烤哂?00質(zhì)量％時，可以采用在組成中含有0.2至5質(zhì)量％的c且余量由不可避免的雜質(zhì)和fe構(gòu)成的低合金鋼粉。此外，這種組成的粉末可以是氣體霧化粉末、液體霧化粉末或還原粉末。鐵粒子的粒徑優(yōu)選在150微米和更小的范圍內(nèi)。

5.關(guān)于混合粉末的混合比

制造混合粉末以包括第一硬粒子、第二硬粒子、石墨粒子和鐵粒子。當(dāng)將第一硬粒子、第二硬粒子、石墨粒子和鐵粒子的總質(zhì)量設(shè)定為100質(zhì)量％時，該混合粉末含有5至50質(zhì)量％的第一硬粒子、1至8質(zhì)量％的第二硬粒子和0.5至1.0質(zhì)量％的石墨粒子。

該混合粉末可包括第一硬粒子、第二硬粒子、石墨粒子和鐵粒子，并且在防止所得燒結(jié)合金的機械強度和耐磨性降低的前提下可含有若干質(zhì)量％的另一粒子。在這種情況下，當(dāng)?shù)谝挥擦Ｗ?、第二硬粒子、石墨粒子和鐵粒子的總質(zhì)量為該混合粉末的95質(zhì)量％或更大時，可以充分期望該燒結(jié)合金的作用。例如，該混合粉末可含有選自硫化物(例如mns)、氧化物(例如caco3)、氟化物(例如caf)、氮化物(例如bn)和氧硫化物的至少一種類型的改進可機械加工性的粒子。

由于第一硬粒子占第一硬粒子、第二硬粒子、石墨粒子和鐵粒子的總質(zhì)量的5至50質(zhì)量％，燒結(jié)合金的機械強度和抗磨料磨損性都可改進。

從下文描述的本發(fā)明人進行的實驗顯而易見，在第一硬粒子僅占這種組合物的總質(zhì)量的小于5質(zhì)量％的情況下，不能充分發(fā)揮第一硬粒子的抗磨料磨損作用。

另一方面，在第一硬粒子占這種組合物的總質(zhì)量的大于50質(zhì)量％的情況下，第一硬粒子的量過大。因此，即使在嘗試壓制該混合粉末時，也不容易制造壓坯。此外，第一硬粒子之間的相互接觸增加且鐵粒子的燒結(jié)部分減少。因此，燒結(jié)合金的密度降低，這降低其耐磨性。此外，由于第一硬粒子在燒結(jié)合金中的比率提高，燒結(jié)合金的可機械加工性降低。

由于第二硬粒子占第一硬粒子、第二硬粒子、石墨粒子和鐵粒子的總質(zhì)量的1至8質(zhì)量％，如上所述，可以抑制鐵基基質(zhì)在使用過程中的塑性變形，并可以降低燒結(jié)合金的粘著磨損。

從下文描述的本發(fā)明人進行的實驗顯而易見，在第二硬粒子僅占這種組合物的總質(zhì)量的小于1質(zhì)量％的情況下，燒結(jié)合金的鐵基基質(zhì)更有可能塑性變形，并且這一部分更有可能鼓起的(plucked)。因此，發(fā)生燒結(jié)合金的粘著磨損。另一方面，從下文描述的本發(fā)明人進行的實驗顯而易見，在第二硬粒子占這種組合物的總質(zhì)量的大于8質(zhì)量％的情況下，第二硬粒子在燒結(jié)合金中的比率提高。因此，燒結(jié)合金的可機械加工性降低。

由于石墨粒子占第一硬粒子、第二硬粒子、石墨粒子和鐵粒子的總質(zhì)量的0.5至1.0質(zhì)量％，石墨粒子中的c可以在燒結(jié)后作為固溶體擴散到第一和第二硬粒子中而不熔融第一和第二硬粒子。此外，可以保證鐵基基質(zhì)中的珠光體結(jié)構(gòu)。由此，燒結(jié)合金的機械強度和耐磨性都可改進。

在石墨粒子僅占這種組合物的總質(zhì)量的小于0.5質(zhì)量％的情況下，鐵基基質(zhì)的鐵素體結(jié)構(gòu)傾向于增加，這降低燒結(jié)合金中的鐵基基質(zhì)本身的強度。另一方面，在石墨粒子占這種組合物的總質(zhì)量的大于1.0質(zhì)量％的情況下，c過度擴散到第一硬粒子和第二硬粒子中，并降低第一硬粒子和第二硬粒子的熔點。因此，第一硬粒子和第二硬粒子由于燒結(jié)過程中的加熱而熔融，這降低燒結(jié)合金的密度。

6.關(guān)于耐磨鐵基燒結(jié)合金的制造方法

將由此獲得的混合粉末壓制成燒結(jié)合金壓坯。該燒結(jié)合金壓坯以與混合粉末相同的比率含有第一硬粒子、第二硬粒子、石墨粒子和鐵粒子。

在使燒結(jié)合金壓坯的石墨粒子中的c擴散到第一硬粒子、第二硬粒子和鐵粒子中的同時燒結(jié)壓制的燒結(jié)合金壓坯。由此制造耐磨鐵基燒結(jié)合金。此時，增加鐵從鐵基基質(zhì)(鐵粒子)擴散到第一硬粒子和第二硬粒子中。由于限制第一硬粒子中的c含量并且第二硬粒子不含c，有利于石墨粒子中的c擴散到第一和第二硬粒子中。特別地，由于第二硬粒子含有比第一硬粒子大的mo量，在第二硬粒子的晶粒邊界上產(chǎn)生mo碳化物。由此，可以進一步有效地提高燒結(jié)合金的硬度。

可以采用大約1050至1250℃，特別是1100至1150℃的燒結(jié)溫度?？梢圆捎迷谏鲜鰺Y(jié)溫度下30分鐘至120分鐘，優(yōu)選45分鐘至90分鐘的燒結(jié)持續(xù)時間。燒結(jié)氣氛可以是非氧化氣氛，如惰性氣體氣氛。可以使用氮氣氣氛、氬氣氣氛或真空氣氛作為非氧化氣氛。

為了確保硬度，通過燒結(jié)獲得的鐵基燒結(jié)合金的基質(zhì)優(yōu)選含有包括珠光體的結(jié)構(gòu)。包括珠光體的結(jié)構(gòu)可以是珠光體結(jié)構(gòu)、珠光體-奧氏體基混合結(jié)構(gòu)或珠光體-鐵素體基混合結(jié)構(gòu)。為了確保耐磨性，硬度低的鐵素體的量優(yōu)選小。

根據(jù)上述方法，可以獲得含有1.0至31.0質(zhì)量％mo、0.01至10質(zhì)量％cr、0.1至7.5質(zhì)量％mn、0.2質(zhì)量％或更少的si、0.5至1.0質(zhì)量％c且余量由鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的燒結(jié)合金。

7.耐磨鐵基燒結(jié)合金的用途

在上述制造方法中獲得的燒結(jié)合金具有在高溫使用環(huán)境中比傳統(tǒng)燒結(jié)合金高的機械強度和耐磨性。例如，該燒結(jié)合金可有利地用于在高溫使用環(huán)境下的使用壓縮天然氣或液化石油氣作為燃料的內(nèi)燃機的閥系統(tǒng)(例如閥座、閥導(dǎo)管)和用于渦輪增壓器的排氣泄壓閥。

例如，即使內(nèi)燃機的排氣閥的閥座由該燒結(jié)合金形成并且如果發(fā)生混合了在閥座和閥之間的接觸過程中的粘著磨損和在閥相對于閥座滑動時的磨料磨損的磨損，可以與相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)相比顯著改進閥座的耐磨性。特別地，在使用壓縮天然氣或液化石油氣作為燃料的使用環(huán)境下，較不可能產(chǎn)生mo氧化物膜。但是，甚至在這種環(huán)境下也可以降低粘著磨損。

下面描述實際實施本發(fā)明的實施例和對比例。

[實施例1]

通過下列制造方法制造根據(jù)實施例1的燒結(jié)合金。作為第一硬粒子，制備硬粒子(sanyospecialsteelco.,ltd.制造)。該硬粒子由含有30質(zhì)量％mo、5質(zhì)量％cr、6質(zhì)量％mn且余量由fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的合金(即fe-30mo-5cr-6mn)通過氣體霧化法制成。使用符合jisstandardz8801的篩子將第一硬粒子分級到44微米至250微米的范圍。要指出，通過這種方法分級的值用作本說明書中的“粒子的粒度(粒徑)”。

作為第二硬粒子，制備第二硬粒子(kinseimatecco.,ltd.制造)。第二硬粒子由含有65質(zhì)量％mo、1質(zhì)量％si且余量由fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的fe-65mo-1si合金通過研磨法制成。將第二硬粒子分級到75微米和更小的范圍內(nèi)。

接著，制備包括石墨粒子的石墨粉(cpb-s:nippongraphiteindustries,co.,ltd.制造)和包括純鐵粒子的還原鐵粉(jip255m-90:jfesteelcorporation制造)。使得上述第一硬粒子占20質(zhì)量％、上述第二硬粒子占3質(zhì)量％、石墨粒子占0.85質(zhì)量％且鐵粒子占余量(76.15質(zhì)量％)，并通過v型混合機將這種組成的混合物混合30分鐘。由此獲得混合粉末。

接著，使用模具通過施加784mpa的壓力將所得混合粉末壓制成環(huán)形試件，由此形成燒結(jié)合金壓坯(壓坯)。該壓坯在惰性氣氛(氮氣氣氛)下在1120℃下燒結(jié)60分鐘。由此形成根據(jù)實施例1的燒結(jié)合金試件(閥座)。

[實施例2、3]

以與實施例1中相同的方式制造燒結(jié)合金試件。如表1中所示，實施例2與實施例1的區(qū)別在于第一硬粒子的組成為fe-30mo-10cr-6mn(增加cr以占10質(zhì)量％)。

如表1中所示，實施例3與實施例1的區(qū)別在于第一硬粒子的組成為fe-35mo-10cr-6mn(增加mo以占35質(zhì)量％并增加cr以占10質(zhì)量％)。

[對比例1]

以與實施例1中相同的方式制造燒結(jié)合金試件。如表1中所示，對比例1與實施例1的區(qū)別在于使用包括co-40mo-6mn-0.9c合金并相當(dāng)于jp2004-156101a中描述的硬粒子的粒子作為第一硬粒子并且不添加第二硬粒子。要指出，石墨粒子的添加量也如表1中所示不同。

[對比例2]

以與實施例1中相同的方式制造燒結(jié)合金試件。如表1中所示，對比例2與實施例1的區(qū)別在于第一硬粒子的組成為fe-35mo-10cr-6mn(增加mo以占35質(zhì)量％并增加cr以占10質(zhì)量％)并且不添加第二硬粒子。

<磨損試驗>

使用圖1中的試驗儀對根據(jù)實施例1至3和對比例1、2的燒結(jié)合金試件進行磨損試驗并評估這些試件的耐磨性。在此試驗中，如圖1中所示，使用丙烷氣燃燒器10作為加熱源，并將環(huán)形閥座12與閥13的閥面14之間的滑動部分置于丙烷氣體燃燒氣氛下。閥座12由如上所述制成的燒結(jié)合金形成。閥面14由經(jīng)過氮碳共滲處理的ev12(sae標準)形成。將閥座12的溫度控制在250℃。彈簧16在閥座12與閥面14的接觸過程中對閥座12和閥面14施加25kgf的荷載。使閥座12和閥面14以3250次/分鐘的速率互相接觸，并進行磨損試驗8小時。在實施例1至3和對比例1、2中，測量該磨損試驗后閥座12和閥面14的軸向磨損深度的總量作為軸向磨損量。這一結(jié)果顯示在表1中。

使用顯微鏡觀察根據(jù)實施例1和對比例2的試件在該磨損試驗后的表面。這一結(jié)果顯示在圖3a和圖3b中。圖3a是根據(jù)實施例1的試件在磨損試驗后的表面的圖像，且圖3b是根據(jù)對比例2的試件在磨損試驗后的表面的圖像。

在200℃的溫度(在此試件表面較不可能被氧化)下進一步對根據(jù)實施例1和對比例2的試件進行上述磨損試驗。然后，測量在該磨損試驗后根據(jù)實施例1和對比例2的表面輪廓，并由測得的表面輪廓測量磨損深度。這一結(jié)果顯示在圖4a和4b中。圖4a顯示根據(jù)實施例1和對比例2的試件在磨損試驗后的表面輪廓，且圖4b是顯示根據(jù)實施例1和對比例2的試件的磨損深度的結(jié)果的曲線圖。

<可機械加工性試驗>

使用圖2中所示的試驗儀對根據(jù)實施例1至3和對比例1、2的燒結(jié)合金進行可機械加工性試驗以評估其可機械加工性。在此試驗中，對于實施例1至3和對比例1、2各制備六個試件20，并且各試件20具有30毫米外徑、22毫米內(nèi)徑和9毫米總長度。使用nc車床，通過氮化鈦鋁涂布的碳化物刀具(carbidecutter)30對以970rpm的旋轉(zhuǎn)頻率旋轉(zhuǎn)的各試件20施以具有0.3毫米的切削量、0.08mm/rev的進給速率和320米的切削距離的濕橫向切削。此后，使用光學(xué)顯微鏡測量刀具30的后刀面的最大磨損深度作為刀具磨損量。這一結(jié)果顯示在表1中。

[表1]

(結(jié)果1)

如表1中所示，第一硬粒子的添加量和石墨粒子的添加量在實施例1至3中小于對比例1中的。同時，實施例1至3中的軸向磨損量各自小于對比例1中的，且實施例1至3中的刀具磨損量各自小于對比例1中的。此外，對比例2中的軸向磨損量大于實施例1至3中的軸向磨損量。

在對比例1和對比例2中，在被刀具切削的燒結(jié)合金的表面上發(fā)現(xiàn)粘著磨損。同時，在實施例1至3中，在被刀具切削的燒結(jié)合金的表面上幾乎沒有發(fā)現(xiàn)粘著磨損。更具體地，在實施例1中，在圖3a中被白線包圍的部分上部分存在由粘著磨損造成的輕微鼓起的(plucked)痕跡。同時，在對比例2中，在圖3b中被白線包圍的整個黑色部分上存在由粘著磨損造成的鼓起的(plucked)痕跡。

在200℃的溫度環(huán)境下進行的磨損試驗中，如圖4a中所示，證實在對比例2的試件的表面輪廓上存在鼓起的(plucked)狀部分，因此發(fā)生粘著磨損。同時，在實施例1的試件的表面輪廓上幾乎不存在任何鼓起的(plucked)狀部分。

由此前描述的內(nèi)容認為，在實施例1至3通過添加第二硬粒子降低粘著磨損并且實施例1至3中的軸向磨損量變得小于對比例1、2中的那些。

要指出，在實施例1至3中改變第一硬粒子中的mo量和cr量；但是，軸向磨損量和刀具磨損量幾乎相同。因此，mo和cr的添加對耐磨性和可機械加工性的影響小。因此推測，在第一硬粒子的組成落在本發(fā)明的上述范圍內(nèi)時，可以期望這樣的效應(yīng)。

[實施例4至7:第一硬粒子的最佳添加量]

以與實施例1中相同的方式制造燒結(jié)合金試件。實施例4至7是用于評估第一硬粒子的最佳添加量的實施例。

如表2中所示，實施例4與實施例1的區(qū)別在于添加占整個混合粉末的5質(zhì)量％的第一硬粒子。實施例5中的燒結(jié)合金試件與實施例1中相同。

如表2中所示，實施例6與實施例1的區(qū)別在于添加占整個混合粉末的40質(zhì)量％的第一硬粒子并且第一硬粒子的組成為fe-25mo-5cr-6mn(減少mo以占25質(zhì)量％)。

如表2中所示，實施例7與實施例1的區(qū)別在于添加占整個混合粉末的50質(zhì)量％的第一硬粒子并且第一硬粒子的組成為fe-30mo-10cr-6mn(增加cr以占10質(zhì)量％)。

[對比例3、4:第一硬粒子的最佳添加量的對比例]

以與實施例1中相同的方式制造燒結(jié)合金試件。對比例3、4是用于評估第一硬粒子的最佳添加量的對比例。如表2中所示，對比例3、4與實施例1的區(qū)別在于添加分別占整個混合粉末的0質(zhì)量％(即不添加)和60質(zhì)量％的第一硬粒子。要指出，在對比例4中，無法壓制該混合粉末。

類似于實施例1，對實施例4至7和對比例3中的試件進行磨損試驗，并測量磨損試驗后的軸向磨損量。這一結(jié)果顯示在表2和圖5a中。圖5a是顯示在實施例4至7和對比例1、3中的磨損試驗后的軸向磨損量的結(jié)果的曲線圖，且上述對比例1的結(jié)果也顯示在圖5a中。

類似于實施例1，對實施例4至7和對比例3中的試件進行可機械加工性試驗，并測量可機械加工性試驗后的刀具磨損量。這一結(jié)果顯示在表2和圖5b中。圖5b是顯示在實施例4至7和對比例1、3中的可機械加工性試驗后的刀具磨損量的結(jié)果的曲線圖，且上述對比例1的結(jié)果也顯示在圖5b中。

[表2]

(結(jié)果2:第一硬粒子的最佳添加量)

如圖5a中所示，實施例4至7中的軸向磨損量小于對比例3中的。軸向磨損量以實施例4至7的順序降低。此外，在實施例4至7中的試件的表面上幾乎沒有發(fā)現(xiàn)粘著磨損。由此前描述的內(nèi)容認為，通過添加第一硬粒子改進燒結(jié)合金的抗磨料磨損性。同時還認為，在對比例4中，由于過量添加第一硬粒子，壓坯的壓制性質(zhì)降低?？傊谝挥擦Ｗ拥膬?yōu)選添加量為該混合粉末的5至50質(zhì)量％。

如圖5b中所示，在實施例4至7中的刀具磨損量小于對比例1中的，且刀具磨損量以實施例4至7的順序提高。如圖5a中所示，實施例4中的軸向磨損量與對比例1中的基本相同。但是，如圖5b中所示，實施例4中的刀具磨損量小于對比例1中的。由此前描述的內(nèi)容認為，如實施例4至7中通過添加第一硬粒子和第二硬粒子而得的燒結(jié)合金可以在確保耐磨性的同時改進可機械加工性。

[實施例8至10:第二硬粒子的最佳添加量]

以與實施例1中相同的方式制造燒結(jié)合金試件。實施例8至10是用于評估第二硬粒子的最佳添加量的實施例。

如表3中所示，實施例8與實施例1的區(qū)別在于添加占整個混合粉末的1質(zhì)量％的第二硬粒子。

如表3中所示，實施例9與實施例1的區(qū)別在于第一硬粒子的組成為fe-30mo-10cr-6mn(增加cr以占10質(zhì)量％)，且實施例9中的燒結(jié)合金試件與實施例2中相同。

如表3中所示，實施例10與實施例1的區(qū)別在于添加占整個混合粉末的8質(zhì)量％的第二硬粒子。實施例10與實施例1的區(qū)別還在于第一硬粒子的組成為fe-25mo-10cr-6mn(減少mo以占25質(zhì)量％并增加cr以占10質(zhì)量％)。

[對比例5、6:第二硬粒子的最佳添加量的對比例]

以與實施例8中相同的方式制造燒結(jié)合金試件。對比例5、6是用于評估第二硬粒子的最佳添加量的對比例。

如表3中所示，對比例5與實施例1的區(qū)別在于不添加第二硬粒子(0質(zhì)量％)。對比例5與實施例1的區(qū)別還在于第一硬粒子的組成為fe-35mo-10cr-6mn(增加mo以占35質(zhì)量％并增加cr以占10質(zhì)量％)。對比例5中的燒結(jié)合金試件與對比例2中相同。

如表3中所示，對比例6與實施例1的區(qū)別在于添加占整個混合粉末的10質(zhì)量％的第二硬粒子。對比例6與實施例1的區(qū)別還在于第一硬粒子的組成為fe-25mo-5cr-6mn(減少mo以占25質(zhì)量％)。

類似于實施例1，對實施例8至10和對比例5、6中的試件進行磨損試驗，并測量磨損試驗后的軸向磨損量。這一結(jié)果顯示在表3和圖6a中。圖6a是顯示在實施例8至10和對比例1、5、6中的磨損試驗后的軸向磨損量的結(jié)果的曲線圖，且上述對比例1的結(jié)果也顯示在圖6a中。

類似于實施例1，對實施例8至10和對比例5、6中的試件進行可機械加工性試驗，并測量可機械加工性試驗后的刀具磨損量。這一結(jié)果顯示在表3和圖6b中。圖6b是顯示在實施例8至10和對比例1、5、6中的可機械加工性試驗后的刀具磨損量的結(jié)果的曲線圖，且上述對比例1的結(jié)果也顯示在圖6b中。

[表3]

(結(jié)果3:第二硬粒子的最佳添加量)

如圖6a中所示，實施例8至10和對比例6中的軸向磨損量小于對比例1、5。軸向磨損量以實施例8至10和對比例6的順序輕微降低。同時，如圖6b中所示，對比例6中的刀具磨損量大于實施例8至10中的。

由此前描述的內(nèi)容認為，第二硬粒子抑制燒結(jié)合金的鐵基基質(zhì)在使用過程中的塑性變形并通過改進燒結(jié)后的燒結(jié)合金的硬度而降低燒結(jié)合金的粘著磨損。更具體地，第二硬粒子含有比第一硬粒子大的mo量并且與第一硬粒子相比使鐵基基質(zhì)變硬。因此認為，通過在燒結(jié)過程中使mo碳化物沉淀在鐵基基質(zhì)的晶粒邊界上，改進鐵基基質(zhì)在燒結(jié)后的硬度。同時認為，當(dāng)如對比例6中那樣過量添加第二硬粒子時，燒結(jié)后的燒結(jié)合金變得過硬，這降低可機械加工性。根據(jù)此前描述的結(jié)果，第二硬粒子的最佳添加量為該混合粉末的1至8質(zhì)量％。

[實施例11至13:石墨粒子的最佳添加量]

以與實施例1中相同的方式制造燒結(jié)合金試件。實施例11至13是用于評估石墨粒子的最佳添加量的實施例。

如表4中所示，實施例11與實施例1的區(qū)別在于添加占整個混合粉末的0.5質(zhì)量％的石墨粒子。實施例11與實施例1的區(qū)別還在于第一硬粒子的組成為fe-30mo-10cr-6mn(增加cr以占10質(zhì)量％)。

如表4中所示，實施例12與實施例1的區(qū)別在于第一硬粒子的組成為fe-35mo-10cr-6mn(增加mo以占35質(zhì)量％并增加cr以占10質(zhì)量％)。實施例12中的燒結(jié)合金試件與實施例3中的相同。

如表4中所示，實施例13與實施例1的區(qū)別在于添加占整個混合粉末的1.0質(zhì)量％的石墨粒子。實施例13與實施例1的區(qū)別還在于第一硬粒子的組成為fe-25mo-5cr-6mn(減少mo以占25質(zhì)量％)。

[對比例7、8:石墨粒子的最佳添加量的對比例]

以與實施例1中相同的方式制造燒結(jié)合金試件。對比例7、8是用于評估石墨粒子的最佳添加量的對比例。

如表4中所示，對比例7與實施例1的區(qū)別在于添加占整個混合粉末的0.4質(zhì)量％的石墨粒子。對比例7與實施例1的區(qū)別還在于第一硬粒子的組成為fe-25mo-5cr-6mn(減少mo以占25質(zhì)量％)。

如表4中所示，對比例8與實施例1的區(qū)別在于添加占整個混合粉末的1.10質(zhì)量％的石墨粒子。

類似于實施例1，對實施例11至13和對比例7、8中的試件進行磨損試驗，并測量磨損試驗后的軸向磨損量。這一結(jié)果顯示在表4和圖7a中。圖7a是顯示在實施例11至13和對比例1、7、8中的磨損試驗后的軸向磨損量的結(jié)果的曲線圖，且上述對比例1的結(jié)果也顯示在圖7a中。

類似于實施例1，對實施例11至13和對比例7、8中的試件進行可機械加工性試驗，并測量可機械加工性試驗后的刀具磨損量。這一結(jié)果顯示在表4和圖7b中。圖7b是顯示在實施例11至13和對比例1、7、8中的可機械加工性試驗后的刀具磨損量的結(jié)果的曲線圖，且上述對比例1的結(jié)果也顯示在圖7b中。

使用nital蝕刻上文制成的根據(jù)實施例1的試件和根據(jù)對比例7、8的試件并使用顯微鏡觀察該燒結(jié)合金的結(jié)構(gòu)。這一結(jié)果顯示在圖8a至圖8c中。圖8a是根據(jù)實施例1的試件的結(jié)構(gòu)的圖像，圖8b是根據(jù)對比例7的試件的結(jié)構(gòu)的圖像，且圖8c是根據(jù)對比例8的試件的結(jié)構(gòu)的圖像。

[表4]

(結(jié)果4:石墨粒子的最佳添加量)

如圖7a中所示，實施例11至13和對比例8中的軸向磨損量小于對比例7中的。同時，如圖7b中所示，對比例8中的刀具磨損量大于實施例11至13中的。

如圖8a中所示，在實施例1中所示的燒結(jié)合金的結(jié)構(gòu)中形成珠光體結(jié)構(gòu)。認為在實施例11至13中的燒結(jié)合金的結(jié)構(gòu)中也形成珠光體結(jié)構(gòu)。

但是，如圖8b中所示，對比例7中所示的燒結(jié)合金的結(jié)構(gòu)主要由鐵素體構(gòu)成。因此其鐵基基質(zhì)的硬度低于其它。認為對比例7中的軸向磨損量由此變得大于實施例11至13和對比例8中的。

同時，如圖8c中所示，在對比例8中，由于提高的石墨粒子質(zhì)量，在燒結(jié)合金的結(jié)構(gòu)中c過度擴散到(第一和第二)硬粒子中。相應(yīng)地，(第一和第二)硬粒子的熔點降低，并且(第一和第二)硬粒子由于燒結(jié)過程中的加熱而熔融，這降低燒結(jié)合金的密度。認為由此降低對比例8中的燒結(jié)合金的可機械加工性。根據(jù)此前描述的內(nèi)容，石墨粒子的優(yōu)選添加量為該混合粉末的0.5至1.0質(zhì)量％。

[實施例14、15:第二硬粒子的最佳粒徑]

以與實施例1中相同的方式制造燒結(jié)合金試件。實施例14、15是用于評估第二硬粒子的最佳粒徑的實施例。如表5中所示，實施例14、15與實施例1的區(qū)別在于將所用的第二硬粒子分級以使其粒徑(粒度)分別落在45微米和更小的范圍和超過45微米至75微米的范圍內(nèi)。實施例15與實施例1的區(qū)別還在于第一硬粒子的組成為fe-30mo-10cr-6mn(增加cr以占10質(zhì)量％)。

[對比例9、10:第二硬粒子的最佳粒徑的對比例]

以與實施例1中相同的方式制造燒結(jié)合金試件。對比例9、10是用于評估第二硬粒子的最佳粒徑的對比例。如表5中所示，對比例9、10與實施例1的區(qū)別在于將所用的第二硬粒子分級以使其粒徑(粒度)分別落在超過75微米至100微米的范圍和超過100微米至150微米的范圍內(nèi)。對比例9與實施例1的區(qū)別還在于第一硬粒子的組成為fe-25mo-10cr-6mn(減少mo以占25質(zhì)量％并增加cr以占10質(zhì)量％)。對比例10與實施例1的區(qū)別還在于第一硬粒子的組成為fe-35mo-10cr-6mn(增加mo以占35質(zhì)量％并增加cr以占10質(zhì)量％)。要指出，根據(jù)對比例9、10的試件是包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)并且為了與實施例14、15比較而為方便起見被稱作對比例9、10的燒結(jié)合金。

類似于實施例1，對實施例14、15和對比例9、10中的試件進行磨損試驗以測量磨損試驗后的軸向磨損量。這一結(jié)果顯示在表5和圖9a中。圖9a是顯示在實施例14、15和對比例9、10中的磨損試驗后的軸向磨損量的結(jié)果的曲線圖。

類似于實施例1，對實施例14、15和對比例9、10中的試件進行可機械加工性試驗以測量可機械加工性試驗后的刀具磨損量。這一結(jié)果顯示在表5和圖9b中。圖9b是顯示在實施例14、15和對比例9、10中的可機械加工性試驗后的刀具磨損量的結(jié)果的曲線圖。

[表5]

(結(jié)果5:第二硬粒子的最佳粒徑)

如圖9a中所示，實施例14、15和對比例9、10中的軸向磨損量處于相當(dāng)?shù)乃?。同時，如圖9b中所示，實施例14、15中的刀具磨損量小于對比例9、10中的那些。這是因為在對比例9、10中第二硬粒子的粒徑太大，因此各試件的可機械加工性降低。根據(jù)這些結(jié)果，第二硬粒子的優(yōu)選粒徑(最大粒徑)落在75微米和更小的范圍內(nèi)。

此前已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明的實施方案。但是，本發(fā)明不限于這些實施方案并且可以在不背離權(quán)利要求書中描述的本發(fā)明的精神的范圍內(nèi)對其作出各種設(shè)計變動。