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JP5486092B2 - 高靭性コバルト基合金とそれを盛金したエンジンバルブ - Google Patents

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Description

本発明は、PTA粉末肉盛溶接、TIG肉盛溶接、溶射などの各種施工プロセスに用いられる表面硬化用材料に関するものであり、特に耐衝撃性が要求される部材に用いられる高靭性コバルト基合金と、それを盛金したエンジンバルブに関するものである。
従来、エンジンバルブにはステライト（登録商標）に代表されるCo-Cr-W-C系材料（特許文献１、２を含む）やトリバロイ（登録商標）に代表されるCo-Mo-Si系材料（特許文献３〜７を含む）が使用されており、特に耐衝撃性が要求される部材にはステライトが使用されている。
Co-Cr-W-C系の材料は、表面硬化用材料として高い靭性を備えているものの、耐摩耗性が不十分であり、長期の使用には耐えることができない。また、Co-Mo-Si系の材料は、表面硬化用材料として高い耐摩耗性を備えているものの、耐衝撃特性が不十分であり、割れやそれに伴って発生する剥離が問題となる。
特開2001-123238号公報 特表2008-522039号公報 特許第4463763号公報 特開平5-131289号公報 特開平9-296241号公報 特開平7-278780号公報 特開平4-107235号公報
耐摩耗性や耐衝撃性を目的とした表面硬化は、現在、各種産業分野において、広く用いられている。しかしながら、近年の環境に対する意識の向上により、産業機器の使用環境は厳しさを増してきており、それに伴い表面硬化用材料も、より高性能なものが要求されている。特に、エンジンバルブに使用される盛金材料では、耐衝撃性に優れ、かつ耐摩耗性を備えた表面硬化用材料の開発が課題となっている。
本発明では耐衝撃性に優れた表面硬化用材料の開発を行うための合金組成の検討にあたって、下記の目標値を設定し、これを全て満足することを条件とした。
（目標値）
(1)シャルピー衝撃値 → 10J/cm2 以上
(2)硬さ → 48HRC 以上
(3)肉盛作業性 → 肉盛溶接時に形成される溶融プールの湯流れが良好
(4)熱衝撃値 → 700℃まで割れや剥離が発生しない
即ち、上記の目標(1)〜(4)を満足する本発明の高靭性コバルト基合金は、Crを25.0〜40.0質量%、Wまたは／およびMoを合計で0.5〜12.0質量%、Siを0.8〜5.5質量%、Bを0.5〜2.5質量%含み、残部が48.0〜68.0質量%のCoおよび不可避不純物からなることを特徴とする。ここで、不可避不純物とは、意図的に添加していないのに、各原料の製造工程等で不可避的に混入する不純物のことであり、このような不純物としては、Mg、S、O、N、V、Zr、Snなどが挙げられ、これらの総和は通常0.3質量%以下であり、本発明の作用に影響を及ぼす程ではない。
また、本発明の高靭性コバルト基合金は、Crを25.0〜40.0質量%、Wまたは／およびMoを合計で0.5〜12.0質量%、Siを0.8〜5.5質量%、Bを0.5〜2.5質量%含有し、さらに、Fe、Ni、Mn、Cuをそれぞれ8.0質量%以下、Cを0.3質量%以下含み、Fe、Ni、Mn、Cu、Cの合計量が10.0質量%以下であり、残部が48.0〜68.0質量%のCoおよび不可避不純物からなることを特徴とするものでもある。
また、本発明のエンジンバルブは、前記の組成を有した高靭性コバルト基合金が、盛金またはコーティングされていることを特徴とするものであり、より好ましいエンジンバルブは、前記の高靭性コバルト基合金が、少なくともフェース面のシートとの当たり面に盛金またはコーティングされていることを特徴とするものである。
次に、本発明合金に係わる高靭性コバルト基合金の各成分範囲を限定した理由を述べる。
Crは、基質(マトリックス)となるCo固溶体に固溶して、耐摩耗性・耐衝撃性・耐食性・耐酸化性を付与する。また、Crの一部はBと金属間化合物を形成して、マトリックス内に分散するため、さらに耐摩耗性の向上に寄与する。しかし、含有量が25.0質量%未満では、十分な耐摩耗性・耐食性・耐酸化性が得られず、40.0質量%を超えると金属組織中に金属間化合物が多く形成して、靭性が大きく低下するため、範囲を25.0〜40.0質量%に定めた。
MoおよびWは、Co固溶体に固溶して、耐摩耗性・耐衝撃性を付与すると共に、その一部はBと金属間化合物を形成してさらに耐摩耗性の向上に寄与するが、MoとWの合計が0.5%質量未満では固溶強化が不十分であり、12.0質量%を超えると金属間化合物が多く形成して、大幅に靭性(耐衝撃性)が低下する。このため、Moまたは／およびWの合計は0.5〜12.0質量%の範囲に定めた。
Siは、Co固溶体に固溶して、Bと複合添加することで、溶湯を清浄化して、盛金時の湯流れを良くするため、PTAやTIG肉盛あるいは溶射などの施工作業性を向上させる。しかし、0.8質量%未満では固溶強化に寄与せず、さらに溶湯の清浄化作用が不十分となる。また、5.5質量%を超えると金属間化合物を形成し、大幅に靭性(耐衝撃性)が低下する。このため、Siの含有量は0.8〜5.5質量%の範囲に定めた。
Bは、CrやMoと金属間化合物を形成し、耐摩耗性を付与するとともに、溶湯を清浄化して、盛金時の湯流れを良くするため、PTAやTIG肉盛あるいは溶射などの施工作業性を向上させる。しかし、0.5質量%未満では、十分な量の金属間化合物を形成せず、摩耗性が低下するほか、溶湯の清浄化作用が不十分となる。また、2.5質量%を超えると金属間化合物の量が多く、大幅に靭性(耐衝撃性)が低下する。このため、Bの含有量は0.5〜2.5質量%の範囲に定めた。
本発明のコバルト基合金は、物性に悪影響を及ぼさない添加元素として、Fe、Ni、Mn、Cuをそれぞれ8.0質量%以下、Cを0.3質量%以下含むことができるが、耐衝撃性および耐摩耗性を損なわないようにするため、Fe、Ni、Mn、Cu、Cの合計量の上限値を10.0質量%以下に定めた。
本発明のコバルト基合金は、シャルピー衝撃値が10J/cm2以上、且つ硬さが48HRC以上の特性を有し、PTA肉盛作業性が良く、肉盛試験片の熱衝撃試験において、700℃まで割れや剥離が生じないので、優れた耐衝撃性と耐摩耗性を備えた表面硬化用材料として広範囲な用途への適応が可能となる。
本発明の高靭性コバルト基合金を盛金したエンジンバルブの一例における模式図である。
ベースのCo及び添加成分としてのCr、Mo、W、B、Siと必要に応じて添加するFe、Ni、Mn、Cu、Cの夫々が所定の質量%になるよう調整・配合した地金を、溶解炉中のルツボ内で加熱・溶融し、液状の合金とした後、アトマイズ法や溶融粉砕法により粉末とするか、所定の型に鋳造して棒状や板状などとして本発明のコバルト基合金を得ることができる。
特にアトマイズ法で製造したコバルト基合金粉末は、目的の施工方法に適した粒度に調整することにより、PTA肉盛や溶射などの表面改質施工に、連続鋳造法で製造した肉盛溶接棒はガス肉盛などの表面改質施工に適用することができる。また、この粉末ないしは棒材を種々材質のエンジンバルブのフェース面に施工することで、エンジンバルブに耐摩耗性を付与することができる。
上記のように調整・配合した本発明の実施例合金及び比較例合金を溶製し、以下に示す方法で、シャルピー衝撃値とロックウェル硬さを測定した。また、以下に示す方法で肉盛試験と熱衝撃試験を行った。
（1）シャルピー衝撃試験；各合金の配合組成を有する100gの地金を、電気炉を用いアルゴン気流中で約1600℃に加熱、溶解し、シェル鋳型に鋳造して、JIS Z 2242：2005記載の試験片（ノッチなし）に機械加工した。そして、シャルピー衝撃試験機を用いJIS Z 2242：2005に準拠した衝撃試験を行って衝撃値を測定した。
（2）硬さ測定；上記(1)と同じ方法で溶製した鋳造片を10×10×20mmの形状に機械加工し、平行面を出し、その平行面上部を240番の耐水研磨紙で湿式研磨して、JIS Z 2245：2005に準拠したロックウェル硬さ試験を実施した。なお、測定はCスケールで測定した。
（3）PTA肉盛試験；各合金の配合組成を有する100kgの地金を、高周波溶解炉を用いアルゴン気流中で約1600℃に加熱、溶解し、ガスアトマイズ法により、粉末化させ、振搗篩機にて80〜350meshに粒度調整した。この合金粉末をJIS G 4311：1991に規定する耐熱鋼(SUH3)で作製したエンジンバルブ（傘径約70mm、軸径約14mm、全長約300mm）のフェース面（図１の符号２で示される部分）にプラズマ粉体肉盛溶接を行い、肉盛溶接時に形成される溶融プールの湯流れ状態を調査した。なお、湯流れ状態の評価基準は、以下のいずれかで表現され、湯流れ状態が良好な合金は「非常に良好」もしくは「良好」で表現される。
(評価基準)
非常に良好 ：比較例P、Q(コバルト自溶合金)と同等以上
良好 ：比較例A(ステライト6)と同等以上
やや悪い ：比較例Aよりも悪いが、比較例F(トリバロイ400)よりも良い
悪い ：比較例Fと同等以下
（4）熱衝撃試験；上記(3)と同じ方法で作製したエンジンバルブを400℃設定の電気炉で１時間熱処理した後、約20℃の水中に投入して急冷させる。次に熱処理温度をさらに50℃上昇させて、１時間の熱処理と水冷を行う。これを熱処理温度が700℃となるまで繰り返し、700℃での熱処理後の水冷で割れや剥離が生じるかを調査した。
表１に本発明の実施例を、表２および表３に比較例を示す。
Figure 0005486092
Figure 0005486092
Figure 0005486092
表２に示す比較例合金(a)〜(j)は本発明の請求範囲外組成の合金である。合金(a)はCoが請求範囲の上限を超え、Crが下限を下回ったもので、合金(c)はCoが請求範囲の下限を下回り、Siが上限を超えたもので、この場合は硬さが低くなる。また、合金(e)はSiが請求範囲の下限を下回り、合金(f)はWとMoのいずれをも含有せず、合金(h)はNiが、合金(i)はFeとNiの合計量が、それぞれ請求範囲の上限を超えたもので、この場合も硬さが目標値を満足していない。合金(b)はCrが、合金(d)はB、合金(g)はMoとWの合計が、合金(j)はCが、それぞれ請求範囲の上限を超えたもので、この場合、いずれも衝撃値が目標値を満足していない。シャルピー衝撃値の目標を満足していない比較例(b)、(d)、(g)、(j)では、熱衝撃試験において割れの発生を確認した。
表３に示す比較例合金(A)〜(Q)は、従来のCo-Cr-W-C系合金（ステライト（登録商標））やCo-Mo-Si系合金（トリバロイ（登録商標））、あるいは他の特許文献やJIS H 8303の自溶合金溶射に示されている組成の合金であるが、いずれも衝撃値あるいは硬さのいずれかが目標値を満足しておらず、さらに、比較例(C)〜(O)は肉盛作業性が悪い。また、比較例(B)、(C)、(F)〜(N)、(P)では熱衝撃試験で割れの発生を確認した。
これに対し、表１に示すように、本発明合金である実施例1〜18は、シャルピー衝撃値とロックウェル硬さ、熱衝撃試験のいずれも目標値を満足しており、表面硬化用材料として適度な硬さと、高い靭性を備えており、さらに肉盛作業性に優れている。
以上、述べたように、本発明によるコバルト基合金は、表面硬化用材料としての優れた耐摩耗性と、耐衝撃特性を備え、さらに、湯流れ性を満足しているため、このような材料を粉末状または棒状にして溶接または溶射などにより各種部材に表面硬化することにより、これら部材は著しい耐久性の向上が期待できる。
また、本発明のコバルト基合金は、盛金用に限定されることなく、粉末冶金による焼結部品に複合添加して硬質粒子とすることにより、耐摩耗性の良好な機械部品を形成することにも活用できる。
１ エンジンバルブ
２ フェース面(シートとの当たり面)

Claims (4)

  1. Crを25.0〜40.0質量%、Wまたは／およびMoを合計で0.5〜12.0質量%、Siを0.8〜5.5質量%、Bを0.5〜2.5質量%含有し、残部が48.0〜68.0質量%のCoおよび不可避不純物からなることを特徴とするエンジンバルブの表面硬化用高靭性コバルト基合金。
  2. さらに、Fe、Ni、Cuをそれぞれ8.0質量%以下、Cを0.3質量%以下含有し、Fe、Ni、Cu、Cの合計量が10.0質量%以下であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンバルブの表面硬化用高靭性コバルト基合金。
  3. 請求項１又は２に記載の高靭性コバルト基合金が、盛金またはコーティングされていることを特徴とするエンジンバルブ。
  4. 少なくともフェース面のシートとの当たり面に、前記高靭性コバルト基合金が、盛金またはコーティングされていることを特徴とする請求項３に記載のエンジンバルブ。
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