肉盛用合金粉末、これを用いた肉盛合金材及びバルブ
【課題】肉盛合金の靭性を高めると共に、相手材との耐摩耗性を向上させることができる肉盛用合金粉末を提供する。
【解決手段】肉盛用合金粉末は、Ｃ：０．７〜１．０質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、Ｃｒ：１０〜１５質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなる合金粉末、または、Ｃ：０．２〜０．５質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなる合金粉末である。
【解決手段】肉盛用合金粉末は、Ｃ：０．７〜１．０質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、Ｃｒ：１０〜１５質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなる合金粉末、または、Ｃ：０．２〜０．５質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなる合金粉末である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材の表面に肉盛を行うための肉盛用合金粉末、これを用いた肉盛合金材及びバルブに係り、特に、高温環境下において好適な肉盛用合金粉末、これを用いた肉盛合金材及びバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の吸気バルブ、および排気バルブなど、高温環境下で用いられる機器には、耐摩耗性等を向上させるために、耐熱鋼が用いられている。特に、エンジンバルブのバルブフェースなどには、常温から高温にわたる広い温度範囲で、耐摩耗性、低相手攻撃性、耐熱性、及び耐熱衝撃性を有することが要求される。従って、一般的にバルブ用材料として用いられる耐熱鋼では、これらの特性は十分でない。そのため、上記の特性を有する肉盛用粉末合金を溶融して、バルブフェースに肉盛（盛金）して前記特性を付与している。特に、ＣＮＧを燃料とするエンジンの場合、燃焼雰囲気の酸化力が弱いため、酸化特性に優れた（酸化膜）をつくりやすい肉盛用（盛金用）合金粉末が使用されている。
【０００３】
例えば、このような肉盛用合金粉末として、Ｍｏ：２０〜６０質量％、Ｃ：０．２〜３質量％、Ｎｉ：５〜４０質量％、Ｃｒ：０．１〜１０質量％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物から成る肉盛用合金粉末が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
このような肉盛用合金粉末により肉盛られた肉盛合金材の肉盛合金部分（以下、肉盛合金という）は、Ｃｒの含有量を制限することにより、固体潤滑性に最も有効なモリブデン酸化物が十分に生成される。このモリブデン酸化物は、固体潤滑剤として作用し、従来のものに比べて相手攻撃性が低く、耐摩耗性が大きいという優れた性能を発揮することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２９７０６７０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の肉盛合金は、上記特性を得ることはできるが、その靭性は十分であるとはいえず、熱衝撃などで割れが発生するおそれがあった。この理由としては、肉盛合金は、Ｍｏ等の粗大な初晶炭化物を含むことにより、肉盛合金の硬度を高めることはできるが、この初晶炭化物が破壊の起点となって、肉盛合金の靭性が低下したものと考えられる。
【０００７】
さらに、このような粗大な初晶炭化物は、相手攻撃性が高い形状であるため、肉盛合金された部材と接触する相手材を削ってしまい、この結果相手材をも摩耗してしまうこともある。
【０００８】
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、肉盛合金の靭性を高めると共に、相手材との耐摩耗性を向上することができる肉盛用合金粉末及びこれを用いた肉盛合金及びバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決すべく、発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、破壊の起点となる粗大な初晶炭化物を生成させないようにするためには、添加する炭素の量（炭素含有量）を調整すべきであると考えた。これにより、肉盛された肉盛合金の金属組織を制御することができ、肉盛金属の靭性及びその機械的特性（衝撃時の強度、引張り強さ、伸び等）を向上させることができると考えた。
【００１０】
このような考えに基づいて、発明者らは繰り返し研究を行った結果、初晶炭化物が生成しない炭素の含有量の限界点、すなわち、共晶点以下の範囲で炭素を添加すれば、肉盛合金には、初晶炭化物が生成されることなく、肉盛合金の金属組織は亜共析組織となり、上述した特性を得ることができるとの新たな知見を得た。
【００１１】
本発明は、このような新たな知見に基づくものであり、本願の第１の発明の肉盛用合金粉末は、Ｃ：０．７〜１．０質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、Ｃｒ：１０〜１５質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなることを特徴とする。なお、本明細書でいう肉盛合金部材とは、金属母材と、その表面に肉盛用合金粉末を溶融して肉盛られた肉盛合金の部分とからなる部材のことをいい、肉盛合金とは、肉盛られた肉盛合金の部分のことをいい、これは肉盛用合金粉末と同じ成分である。
【００１２】
第１の発明によれば、Ｍｏ，Ｎｉ，及びＣｒの前記含有量に対して、Ｃを０．７〜１．０質量％とすることにより、肉盛用合金粉末によりに肉盛られた肉盛合金には、破壊の起点となるＭｏの初晶炭化物が生成されず、Ｍｏ，Ｃｒの共晶炭化物が生成される。これにより、肉盛合金の靭性、引張り強さ、及び伸びを、従来の肉盛合金よりも向上させることができ、さらには耐熱衝撃性が向上する。
【００１３】
しかしながら、Ｃの含有量が０．７質量％未満である場合には、Ｍｏ，Ｃｒの炭化物による肉盛合金の耐摩耗性の向上を期待することができない。一方、Ｃの含有量が１．０質量％を超えた場合には、Ｍｏの初晶炭化物が生成され、肉盛合金の靭性、引張り強さ、及び伸びが低下する。
【００１４】
Ｍｏは、共晶炭化物により肉盛合金の耐摩耗性を強化する元素である。本発明では、Ｍｏを３０〜４０質量％含有することにより、肉盛合金に共晶炭化物を生成して、肉盛合金の耐摩耗性が向上すると共に、肉盛合金が形成された部材を使用する際に、その表面のＭｏが酸化されて、モリブデン酸化物の膜が形成される。このモリブデン酸化物は、固体潤滑剤として作用するので、肉盛合金及び相手材の耐摩耗性を向上することができる。
【００１５】
しかしながら、後述する実施例からも明らかなように、Ｍｏの含有量が３０質量％未満である場合、上述した耐摩耗性の効果を充分に発現することができず、一方、Ｍｏの含有量が４０質量％を超えた場合、肉盛合金の靭性が低下してしまう。
【００１６】
Ｎｉは、肉盛合金の靭性を向上させる元素である。本発明では、Ｎｉを２０〜３０質量％含有することにより、肉盛合金の靭性を向上させることができる。しかしながら、Ｎｉは、Ｃの固溶限を変化させるため、Ｎｉの含有量が２０質量％未満である場合には、上述した初晶炭化物が発生してしまい、相手攻撃性が高まる。一方、Ｎｉの含有量が３０質量％を超えた場合には、肉盛合金の硬さが低下し、肉盛合金の耐摩耗性が低下してしまう。
【００１７】
Ｃｒは、共晶炭化物により肉盛合金の耐摩耗性を強化する元素である。本発明では、Ｃｒを１０〜１５質量％含有させることにより、共晶炭化物を生成して、肉盛合金の耐摩耗性を向上させる。しかしながら、後述する実施例からも明らかなように、Ｃｒの含有量が１０質量％未満である場合には、肉盛合金にＭｏの初晶炭化物が生成される。一方、Ｃｒの含有量が１５質量％を超えた場合には、肉盛合金の靭性が低下してしまう。
【００１８】
本願の第２の発明の肉盛用合金粉末は、Ｃ：０．２〜０．５質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１９】
第２の発明によれば、Ｍｏ及びＮｉの前記含有量に対して、Ｃを０．２〜０．５質量％とすることにより、肉盛用合金粉末によりに肉盛られた肉盛合金には、破壊の起点となる初晶炭化物が生成されず、Ｍｏの共晶炭化物が生成される。これにより、肉盛合金の靭性、引張り強さ、伸びを、従来の肉盛合金よりも向上させることができ、耐熱衝撃性が向上する。
【００２０】
しかしながら、Ｃの含有量が０．２質量％未満である場合には、Ｍｏの炭化物による肉盛合金の耐摩耗性の向上を期待することができず、さらには、溶融した肉盛用合金粉末の盛金製（肉盛性）を阻害するおそれがある。また、Ｃの含有量が０．５質量％を超えた場合には、Ｍｏの初晶炭化物が生成され、肉盛合金の靭性、引張り強さ、及び伸びが低下する。
【００２１】
また、Ｍｏを３０〜４０質量％含有させることにより、上述した第１の発明と同様に、Ｍｏの共晶炭化物を生成し、さらには、使用時にモリブデン酸化物が生成されるので、肉盛合金の耐摩耗性を向上させることができる。しかしながら、Ｍｏの含有量が３０質量％未満である場合には、上述した効果を充分に発現することができず、一方、Ｍｏの含有量が４０質量％を超えた場合には、肉盛合金の靭性が低下してしまう。
【００２２】
また、Ｎｉを２０〜３０質量％含有させることにより、上述した第１の発明と同様に、肉盛合金の靭性を向上させることができる。しかしながら、Ｎｉの含有量が２０質量％未満である場合には、相手攻撃性が高まり、一方、Ｎｉの含有量が３０質量％を超えた場合には、肉盛合金の硬さが低下してしまう。
【００２３】
さらに、第１及び第２の発明は、これらの元素の含有量を満たしつつ、Ｃｏは、３５質量％以上含有することがより好ましい。Ｃｏをこの範囲で含有させることにより、上述した共晶炭化物の基地となるＣｏの硬さを上げ、肉盛合金の耐摩耗性を向上させることができる。
【００２４】
また、肉盛合金の基地の硬さが向上したことにより、肉盛合金が形成されえた部材が相手材に接触した際に、肉盛合金の部分が塑性変形し難くなる。これにより、肉盛合金の表面に形成されたモリブデン酸化物の膜は脆いが、肉盛合金の部分の塑性変形することがほとんどないので、モリブデン酸化物の膜は、断裂することがない。この結果、モリブデン酸化物の膜が断裂することが起因とした、相手材との凝着摩耗を抑えることができる。なお、Ｃｏの含有量は多い方が望ましく、その上限値は、上述した元素の含有量が下限値となったときの値（量）である。
【００２５】
より好ましくは、本願の発明は、肉盛用合金粉末を溶融して肉盛られた肉盛合金材は、エンジンの吸気用又は排気用などのバルブであることが好ましく、バルブは、バルブシートと接触するバルブフェースに前記肉盛用合金粉末が肉盛られていることがより好ましい。このようなバルブを用いることにより、バルブフェースの表面の熱衝衝撃特性及び耐摩耗性を向上させると共に、相手材となるバルブシートの耐摩耗性をも向上することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、肉盛合金の靭性を高めると共に、相手材との耐摩耗性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の発明に係る実施形態の肉盛合金の状態図。
【図２】第２の発明に係る実施形態の肉盛合金の状態図。
【図３】肉盛合金の断面の組織写真であり、（ａ）は、実施例１の肉盛合金の組織断面図、（ｂ）は、実施例２の肉盛合金の組織断面図、（ｃ）は、比較例１の肉盛合金の組織断面図。
【図４】実施例１、２及び比較例１のバルブ沈み量の結果を示した図。
【図５】実施例３−１，３−２，４−１〜４−３及び比較例２−１，２−２の摩耗量の結果を示した図。
【図６】実施例５−１，５−２及び比較例３−１のバルブ沈み量の結果を示した図。
【図７】実施例６−１，６−２及び比較例４−１のバルブ沈み量の結果を示した図。
【図８】相手攻撃性、耐摩耗性を測定する試験機の概要を示す断面図。
【実施例】
【００２８】
以下に、本発明の望ましい態様を実施例に基づいて具体的に説明する。
＜実施例１＞
まず、第１の発明の実施例に相当する肉盛用合金粉末として、Ｃ：０．７〜１．０質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、Ｃｒ：１０〜１５質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなる含有条件を満たす肉盛用合金粉末を作製した。
【００２９】
具体的には、Ｃ：０．９質量％、Ｍｏ：３０質量％、Ｎｉ：２０質量％、Ｃｒ：１０質量％、及び残部がＣｏ（Ｃｏ：３５質量％以上）と不可避不純物からなる条件組成の肉盛合金（Ｃｏが基地となる合金）を１７００℃以上の温度で溶解し、不活性ガスを用いたガスアトマイズにより製造した肉盛用合金粉末を、４４〜１８０μｍの範囲に分級した。これにより、Ｃｏ−３０Ｍｏ−１０Ｃｒ−２０Ｎｉ−０．９Ｃの肉盛用合金粉末を得た。
【００３０】
なお、肉盛用合金粉末Ｃの含有量の上限値である１．０質量％を、以下のようにして定めた。具体的には、まず、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ統合型熱力学計算システム（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ Ｓｏｔｗａｒｅ ＡＢ社製）を用いて、Ｍｏ，Ｎｉ，Ｃｒの含有量を前記範囲としたときに、図１に例示するＣの含有量を変化させた状態図を作製した。図１に示す状態図におけるＭｏ，Ｎｉ，及びＣｒの含有量は、前記範囲でＭｏの初晶炭化物が最も生成され易い含有量の条件であり、この状態図において、共晶点となるＣの含有量の上限値は、１．０質量％であった。従って、上述したＭｏ，Ｎｉ，及びＣｒの含有量の範囲において、Ｃの含有量が１．０質量％以下の場合、亜共析組織（Ｍｏ，Ｃｒ等の共晶炭化物）が生成され、この値を超えたときには、Ｍｏの初晶炭化物が生成されることになる。
【００３１】
次に、図８に示すように、出力１００Ａ、処理速度５ｍｍ／ｓｅｃの条件でプラズマ溶接により、肉盛用合金粉末を１７００℃以上の温度に加熱してこれを溶融し、溶融した肉盛用合金粉末をオーステナイト系耐熱鋼（ＪＩＳ ＳＵＨ３５）製エンジンバルブのバルブフェース２に、肉盛合金４の肉盛（盛金）を行った。これにより、バルブフェース２に肉盛合金４が形成されたエンジンバブル（肉盛合金部材）１を得た。さらに、後述する各種試験に応じて、同様の組成からなる試験体を作製した。
【００３２】
＜実施例２＞
第２の発明の実施例に相当する肉盛用合金粉末として、Ｃ：０．２〜０．５質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなる含有条件を満たす肉盛用合金粉末を作製した。
【００３３】
具体的には、Ｃ：０．５質量％、Ｍｏ：３０質量％、Ｎｉ：２０質量％、及び残部がＣｏ（Ｃｏ：３５質量％以上）と不可避不純物からなる条件組成の肉盛合金（Ｃｏが基地となる合金）を１７００℃以上の温度で溶解し、不活性ガスを用いたガスアトマイズにより製造した肉盛用合金粉末を、４４〜１８０μｍの範囲に分級した。これにより、Ｃｏ−４０Ｍｏ−２０Ｎｉ−０．５Ｃの肉盛用合金粉末を得た。
【００３４】
なお、肉盛用合金粉末Ｃの含有量の上限値である０．５質量％を、実施例１と同様に、上述したＴｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ統合型熱力学計算システムを用いて、Ｍｏ，Ｎｉの前記範囲としたときにおいて、図２に例示するＣの含有量を変化させた状態図から求めた。なお、図２に示す状態図におけるＭｏ及びＮｉの含有量は、前記範囲でＭｏの初晶炭化物が最も生成され易い含有量の条件であり、この状態図において、共晶点となるＣの含有量の上限値は、０．５質量％であった。従って、上述したＭｏ及びＮｉの含有量の範囲において、Ｃの含有量が０．５質量％以下の場合、亜共析組織（Ｍｏの共晶炭化物）が生成され、この値を超えたときには、Ｍｏの初晶炭化物が生成されることになる。
【００３５】
次に、図８に示すように、出力１００Ａ、処理速度５ｍｍ／ｓｅｃの条件でプラズマ溶接により、肉盛用合金粉末を１７００℃以上に加熱してこれを溶融し、溶融した肉盛用合金粉末をオーステナイト系耐熱鋼（ＪＩＳ：ＳＵＨ３５）製エンジンバルブ１のバルブフェース２に、肉盛合金４の肉盛（盛金）を行った。さらに、後述する各種試験に応じて、同様の組成からなる試験体を作製した。
【００３６】
＜比較例１＞
実施例１と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例１と相違する点は、肉盛用合金粉末の組成である。具体的には、肉盛用合金粉末として、Ｃ：０．８４質量％、Ｍｏ：３３質量％、Ｆｅ：１４質量％，Ｎｉ：１０．２質量％、Ｃｒ：３．８質量％，Ｍｎ：６質量％，Ｓｉ：０．８９質量％及び残部がＣｏと不可避不純物と肉盛合金（Ｃｏが基地となる合金）を溶解し、不活性ガスを用いたガスアトマイズにより製造した肉盛用合金粉末を、同じ範囲に分級した。これにより、得られたＣｏ−３３Ｍｏ−１０．２Ｎｉ−３．８Ｃｒ−６Ｍｎ−１４Ｆｅ−０．８４Ｃ−０．８９Ｓｉの肉盛用合金粉末を用いた。さらに、後述する各種試験に応じて、同様の組成からなる試験体を作製した。
【００３７】
［評価試験１］
〔組織観察〕
実施例１，２及び比較例１に係るエンジンバルブの肉盛部分（肉盛合金）の組織断面を光学顕微鏡で観察した。これらの結果を、図３に示す。図３は、肉盛合金の断面の組織写真であり、（ａ）は、実施例１の肉盛合金の組織断面図、（ｂ）は、実施例２の肉盛合金の組織断面図、（ｃ）は、比較例１の肉盛合金の組織断面図である。
【００３８】
〔機械的強度等の測定〕
実施例１，２及び比較例１に係る試験体を用いて機械的強度等を測定した。ＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠して、シャルピー衝撃試験を行い、衝撃値を測定した。この結果を表１に示す。
【００３９】
ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して、引張試験（室温の条件）を行い、引張強さを測定した。また、ＪＩＳ Ｇ ０５６７に準拠して、引張試験（６００℃の条件）を行い引張強さ、突合せ伸びを測定した。これらの結果を表１に示す。
【００４０】
ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠して、硬さ試験（室温）を行い、ビッカース硬さ（１０ｋｇｆの条件）を測定した。また、ＪＩＳ Ｚ ２２５２に準拠して、高温硬さ試験（６００℃の条件）を行い、ビッカース硬さ（１ｋｇｆの条件）を測定した。これらの結果を表１に示す。
【００４１】
さらに、実施例１，２及び比較例１に係る肉盛用合金粉末を、それぞれ加熱して、室温から８００℃まで温度を上げながら重量を測定した。このとき、天秤に実施例１，２及び比較例２の粉末とＡｌ２Ｏ３粉末を乗せ、重量測定しながら温度を上げ、重量の変化に基づいて、酸化開始温度を計測した。この結果を表１に示す。
【００４２】
〔摩耗試験〕
実施例１、２及び比較例１に係るにエンジンバルブ１に対して、図８に示す試験装置を用いて肉盛合金部分の相手攻撃性、耐摩耗性を調べた。具体的にはプロパンガスバーナー５を加熱源に用い、前記のように肉盛されたバルブフェース２と、Ｆｅ系焼結材料からなるバルブシート３との摺動部をプロパンガス燃焼雰囲気とした。バルブシート３の温度を３００℃に制御し、スプリング６によりバルブフェース２とバルブシート３との接触時に１８ｋｇｆの荷重を付与し、２０００回／ｍｉｎの割合でバルブフェース２とバルブシート３を接触させて８時間の摩耗試験を行った。この摩耗試験において、基準位置Ｐからのバルブ沈み量を測定した。このバルブ沈み量は、エンジンバルブ１がバルブシート３と接触することによって双方が摩耗した摩耗量（摩耗深さ）に相当するものである。この結果を図４及び以下の表１に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
（結果１）
組織観察の結果から、図３に示すように、実施例１及び２の肉盛合金には、共晶炭化物（亜共析組織）が生成されており、Ｍｏの初晶炭化物は生成されていなかったが、比較例１の肉盛合金には、Ｍｏの初晶炭化物が生成されていた。
【００４５】
また、表１に示す結果ように、実施例１及び２の試験体の衝撃値は、比較例１のものよりも高い値となった。また、実施例１及び２の試験体の室温時及び６００℃時の引張強さ、及び伸びは、比較例１のものよりも高い値となった。また、実施例１及び２の試験体の室温時及び６００℃時のビッカース硬さは、比較例１のものよりも高い値となった。さらに、実施例１及び２の酸化開始温度は、比較例１のものと同程度であった。
【００４６】
また、表１及び図５に示すように、実施例１及び２のバルブの沈み量は、比較例１のものよりも小さかった。
【００４７】
（評価１）
以上の結果から、実施例１及び２の肉盛合金は、前述したように、共晶点以下の範囲に、炭素の含有量を調整した（実施例１では炭素含有量を１．０質量％以下、実施例２では、炭素含有量を０．５質量％以下にした）ので、破壊起点になるＭｏの初晶炭化物の生成をなくすことができ、これにより、靭性、引張り強さ、及び伸びが比較例１のものより向上したと考えられる。この結果、実施例１及び２の肉盛合金の熱衝撃性が向上しているといえる。
【００４８】
また、初晶炭化物をなくすことで硬度が低下するおそれもあるが、実施例１及び２は、残部となるＣｏの含有量（Ｃｏ：３５〜４０質量％）が、比較例１のもの（Ｃｏ：３０質量％程度）に比べて多く含有しており、これにより、基地硬さを５７７ＨＶ以上にすることができたと考えられる。
【００４９】
さらに、比較例よりも基地が硬くなったので、肉盛合金の部分に塑性変形が起き難くなり、バルブ使用時に肉盛合金の部分の表面に形成されるモリブデン酸化物の膜が断裂しにくくなると考えられる。これにより、バルブシートに対する、肉盛合金の部分の相手攻撃性を抑えることができる。
【００５０】
これらの理由により、実施例１及び２のエンジバルブのバルブ沈み量が、比較例１のものに比べて小さくなったと考えられる。
【００５１】
＜実施例３−１，３−２＞
実施例１と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブと、硬さ試験用の試験体を製作した。実施例１と相違する点は、実施例３−１のＣの含有量を０．７質量％、実施例３−２のＣの含有量を１．０質量％にした点である。
【００５２】
＜実施例４−１〜４−３＞
実施例２と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブと、硬さ試験用の試験体を製作した。実施例２と相違する点は、実施例４−１のＣの含有量を０．２質量％、実施例４−２のＣの含有量を０．３５質量％にした点である。実施例４−３は、Ｃの含有量を０．５質量％にしたので、実施例２と略同じである。
【００５３】
＜比較例２−１，２−２＞
実施例１と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブと、硬さ試験用の試験体を製作した。実施例１と相違する点は、比較例２のＣの含有量を０．１質量％、比較例３のＣの含有量を０．３５質量％にした点である。
【００５４】
［評価試験２］
実施例３−１，３−２、実施例４−１〜４−３、及び比較例２−１，２−２のそれぞれに対して、実施例１と同じようにして、摩耗試験及び硬さ試験（室温）を行った。この結果を図５に示す。なお、図５に示す摩耗量は、エンジンバルブの肉盛合金の部分そのものの最大摩耗深さを示している。
【００５５】
（結果２）
図５に示すように、実施例３−１，３−２及び実施例４−１〜４−３のビッカース硬さは、比較例２−１，２−２のものに比べて高い値となった。実施例３−１，３−２及び実施例４−１〜４−３のバルブの沈み量は、比較例２−１，２−２のものに比べて小さかった。また、肉盛合金（試験体）の硬さが大きくなるに従って、摩耗量は大きくなった。
【００５６】
（考察２）
実施例３−１，３−２ではＣを０．７〜１．０質量％とすることにより、また、実施例４−１〜４−３ではＣを０．２〜０．５質量％とすることにより、肉盛用合金粉末によりに肉盛られた肉盛合金には、破壊の起点となるＭｏの初晶炭化物が生成され難く、Ｍｏの共晶炭化物が生成されている。また、実施例３−１，３−２の場合、Ｃｒの共晶炭化物が生成されている。
【００５７】
このような結果、実施例３−１，３−２及び実施例４−１〜４−３のビッカース硬さは、比較例２−１，２−２のものに比べて高い値となったと考えられる。しかし、比較例２−１，２−２のようにＣの含有量が０．７質量％未満である場合、Ｍｏ，Ｃｒの炭化物による肉盛合金の耐摩耗性を充分に発現することができないと考えられる。
【００５８】
＜実施例５−１，５−２（Ｍｏの含有量）＞
実施例２と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例２と相違する点は、実施例５−１のＭｏの含有量を３０質量％にした点である。実施例５−２は、Ｍｏの含有量を４０質量％にしたので、実施例２とほぼ同じである。
【００５９】
＜比較例３−１，３−２＞
実施例２と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例２と相違する点は、比較例３−１のＭｏの含有量を２０質量％、比較例３−２のＭｏの含有量を４５質量％にした点である。
【００６０】
［評価試験３］
実施例５−１，５−２、及び比較例３−１のそれぞれに対して、実施例２と同じようにして、摩耗試験を行った。この結果を図６に示す。また、実施例５−１，５−２、比較例３−１，３−２に対して、実施例２と同じようにして、衝撃試験を行った。この結果を表２に示す。さらに、実施例５−１、５−２、及び比較例３−１のそれぞれの肉盛用合金粉末に対して実施例１と同じように、酸化開始温度を計測した。この結果を表３に示す。
【００６１】
【表２】
【００６２】
【表３】
【００６３】
（結果３）
図６に示すように、実施例５−１，５−２のバルブ沈み量は、比較例３−１のものよりも小さかった。表２に示すように、比較例３−１、実施例５−１，５−２、比較例３−２の順に（Ｍｏの含有量の増加に応じて）衝撃値が低い値となった。表３に示すように、実施例５−１，５−２の肉盛用合金粉末の酸化開始温度は、６６０℃以下であり、比較例３−１のものよりも低かった。
【００６４】
（評価３）
実施例５−１，５−２のバルブ沈み量は、比較例３−１のものよりも小さかったのは、Ｍｏの共晶炭化物が生成され、肉盛合金の耐摩耗性を強化する元素として作用したからであると考えられる。
【００６５】
Ｍｏの含有量の増加に応じて衝撃値が低い値となったのは、その増加に伴いＭｏの共晶炭化物が増加したからであると考えられ、Ｍｏの含有量が４０質量％を超えた場合には、肉盛合金の靭性が極端に低下すると考えられる。
【００６６】
さらに、Ｍｏの含有量が、比較例３−１の如く３０質量％未満となった場合には、肉盛合金が形成された部材を使用する際に、その表面のＭｏが酸化されてモリブデン酸化物を生成し難いと考えられる。すなわち、３０質量％以上であれば、一般的なエンジンバルブの使用環境下においても、肉盛合金の表面にモリブデン酸化物の膜が生成され易く、このモリブデン酸化物が固体潤滑剤として作用する。この結果、肉盛合金の耐摩耗性を向上させることができると考えられる。
【００６７】
＜実施例６−１，６−２（Ｎｉの含有量）＞
実施例２と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例２と相違する点は、実施例６−２のＮｉの含有量を３０質量％にした点である。実施例６−１は、Ｎｉの含有量を２０質量％にしたので、実施例２とほぼ同じである。
【００６８】
＜比較例４−１，４−２＞
実施例２と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例１と相違する点は、実施例４−１のＮｉの含有量を１８質量％、実施例４−２のＮｉの含有量を３５質量％にした点である。
【００６９】
［評価試験３］
実施例６−１，６−２、及び比較例４−１のそれぞれに対して、実施例２と同じようにして、摩耗試験を行った。この結果を図７に示す。実施例６−１，６−２、及び比較例４−２のそれぞれに対して、実施例２と同じようにして、硬さ試験（室温）を行った。この結果を表４に示す。
【００７０】
【表４】
【００７１】
（結果４）
図７に示すように、実施例６−１，６−２のバルブ沈み量が、比較例４−１のものよりも小さかった。実施例６−１，６−２の試験体のビッカース硬さは、比較例４−２のものよりも高い値となった。
【００７２】
（評価４）
実施例６−１，６−２のバルブ沈み量が、比較例４−１のものよりも小さかったのは、以下の理由が考えられる。Ｎｉは、肉盛合金の靭性を向上するように作用し、さらに、Ｃの固溶限を変化させるため、比較例４−１の如く、Ｎｉの含有量が２０質量％未満である場合には、上述した初晶炭化物が発生してしまい、相手攻撃性が高まったからであると考えられる。
【００７３】
さらに、比較例４−２の如く、Ｎｉの含有量が３０質量％を超えた場合には、肉盛合金のビッカース硬さが極端に低下してしまい、肉盛合金の摩耗が促進されると考えられる。
【００７４】
＜実施例７−１，７−２（Ｃｒの含有量）＞
実施例１と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例１と相違する点は、実施例７−２のＣｒの含有量を１５質量％にした点である。実施例７−１は、Ｃｒの含有量は１０質量％にしたので、実施例１とほぼ同じである。
【００７５】
＜比較例５−１〜５−３＞
実施例１と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例１と相違する点は、比較例５−１のＣｒの含有量を５質量％、比較例５−２のＣｒの含有量を８質量％、比較例５−３のＣｒの含有量を２０質量％にした点である。
【００７６】
［評価試験５］
実施例７−１，７−２、比較例５−１〜５−３のそれぞれに対して、実施例１と同じようにして、衝撃試験を行った。この結果を表５に示す。
【００７７】
実施例７−１，７−２、比較例５−１，５−１の肉盛合金それぞれに対して、実施例１と同じようにして組織観察を行い、Ｃｒ等の初晶炭化物の有無を確認した。この結果を表６に示す。
【００７８】
【表５】
【００７９】
【表６】
【００８０】
（結果５）
表５に示すように、実施例７−１，７−２の試験体の衝撃値は、比較例５−２，５−３のものよりも高い値となった。表６に示すように、比較例５−１，５−２の肉盛合金には、初晶炭化物が確認されたが、実施例７−１及び７−２の肉盛合金には、初晶炭化物はなく、共晶炭化物が確認された。
【００８１】
（評価５）
比較例５−２の試験体の衝撃値が、実施例７−１，７−２のものよりも低い値となったのは、Ｃｒの含有量が、１０質量％未満の場合、Ｍｏの初晶炭化物が生成されたからであると考えられる。一方、比較例５−２の如く、Ｃｒの含有量が１５質量％を超えた場合には、Ｃｒの炭化物の増加により、肉盛合金の靭性が低下すると考えられる。
【符号の説明】
【００８２】
１：エンジンバルブ（肉盛合金部材）、２：バルブフェース、３：バルブシート、４：肉盛合金、５：プロパンガスバーナー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材の表面に肉盛を行うための肉盛用合金粉末、これを用いた肉盛合金材及びバルブに係り、特に、高温環境下において好適な肉盛用合金粉末、これを用いた肉盛合金材及びバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の吸気バルブ、および排気バルブなど、高温環境下で用いられる機器には、耐摩耗性等を向上させるために、耐熱鋼が用いられている。特に、エンジンバルブのバルブフェースなどには、常温から高温にわたる広い温度範囲で、耐摩耗性、低相手攻撃性、耐熱性、及び耐熱衝撃性を有することが要求される。従って、一般的にバルブ用材料として用いられる耐熱鋼では、これらの特性は十分でない。そのため、上記の特性を有する肉盛用粉末合金を溶融して、バルブフェースに肉盛（盛金）して前記特性を付与している。特に、ＣＮＧを燃料とするエンジンの場合、燃焼雰囲気の酸化力が弱いため、酸化特性に優れた（酸化膜）をつくりやすい肉盛用（盛金用）合金粉末が使用されている。
【０００３】
例えば、このような肉盛用合金粉末として、Ｍｏ：２０〜６０質量％、Ｃ：０．２〜３質量％、Ｎｉ：５〜４０質量％、Ｃｒ：０．１〜１０質量％、および残部：Ｆｅおよび不可避不純物から成る肉盛用合金粉末が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
このような肉盛用合金粉末により肉盛られた肉盛合金材の肉盛合金部分（以下、肉盛合金という）は、Ｃｒの含有量を制限することにより、固体潤滑性に最も有効なモリブデン酸化物が十分に生成される。このモリブデン酸化物は、固体潤滑剤として作用し、従来のものに比べて相手攻撃性が低く、耐摩耗性が大きいという優れた性能を発揮することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２９７０６７０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の肉盛合金は、上記特性を得ることはできるが、その靭性は十分であるとはいえず、熱衝撃などで割れが発生するおそれがあった。この理由としては、肉盛合金は、Ｍｏ等の粗大な初晶炭化物を含むことにより、肉盛合金の硬度を高めることはできるが、この初晶炭化物が破壊の起点となって、肉盛合金の靭性が低下したものと考えられる。
【０００７】
さらに、このような粗大な初晶炭化物は、相手攻撃性が高い形状であるため、肉盛合金された部材と接触する相手材を削ってしまい、この結果相手材をも摩耗してしまうこともある。
【０００８】
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、肉盛合金の靭性を高めると共に、相手材との耐摩耗性を向上することができる肉盛用合金粉末及びこれを用いた肉盛合金及びバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決すべく、発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、破壊の起点となる粗大な初晶炭化物を生成させないようにするためには、添加する炭素の量（炭素含有量）を調整すべきであると考えた。これにより、肉盛された肉盛合金の金属組織を制御することができ、肉盛金属の靭性及びその機械的特性（衝撃時の強度、引張り強さ、伸び等）を向上させることができると考えた。
【００１０】
このような考えに基づいて、発明者らは繰り返し研究を行った結果、初晶炭化物が生成しない炭素の含有量の限界点、すなわち、共晶点以下の範囲で炭素を添加すれば、肉盛合金には、初晶炭化物が生成されることなく、肉盛合金の金属組織は亜共析組織となり、上述した特性を得ることができるとの新たな知見を得た。
【００１１】
本発明は、このような新たな知見に基づくものであり、本願の第１の発明の肉盛用合金粉末は、Ｃ：０．７〜１．０質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、Ｃｒ：１０〜１５質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなることを特徴とする。なお、本明細書でいう肉盛合金部材とは、金属母材と、その表面に肉盛用合金粉末を溶融して肉盛られた肉盛合金の部分とからなる部材のことをいい、肉盛合金とは、肉盛られた肉盛合金の部分のことをいい、これは肉盛用合金粉末と同じ成分である。
【００１２】
第１の発明によれば、Ｍｏ，Ｎｉ，及びＣｒの前記含有量に対して、Ｃを０．７〜１．０質量％とすることにより、肉盛用合金粉末によりに肉盛られた肉盛合金には、破壊の起点となるＭｏの初晶炭化物が生成されず、Ｍｏ，Ｃｒの共晶炭化物が生成される。これにより、肉盛合金の靭性、引張り強さ、及び伸びを、従来の肉盛合金よりも向上させることができ、さらには耐熱衝撃性が向上する。
【００１３】
しかしながら、Ｃの含有量が０．７質量％未満である場合には、Ｍｏ，Ｃｒの炭化物による肉盛合金の耐摩耗性の向上を期待することができない。一方、Ｃの含有量が１．０質量％を超えた場合には、Ｍｏの初晶炭化物が生成され、肉盛合金の靭性、引張り強さ、及び伸びが低下する。
【００１４】
Ｍｏは、共晶炭化物により肉盛合金の耐摩耗性を強化する元素である。本発明では、Ｍｏを３０〜４０質量％含有することにより、肉盛合金に共晶炭化物を生成して、肉盛合金の耐摩耗性が向上すると共に、肉盛合金が形成された部材を使用する際に、その表面のＭｏが酸化されて、モリブデン酸化物の膜が形成される。このモリブデン酸化物は、固体潤滑剤として作用するので、肉盛合金及び相手材の耐摩耗性を向上することができる。
【００１５】
しかしながら、後述する実施例からも明らかなように、Ｍｏの含有量が３０質量％未満である場合、上述した耐摩耗性の効果を充分に発現することができず、一方、Ｍｏの含有量が４０質量％を超えた場合、肉盛合金の靭性が低下してしまう。
【００１６】
Ｎｉは、肉盛合金の靭性を向上させる元素である。本発明では、Ｎｉを２０〜３０質量％含有することにより、肉盛合金の靭性を向上させることができる。しかしながら、Ｎｉは、Ｃの固溶限を変化させるため、Ｎｉの含有量が２０質量％未満である場合には、上述した初晶炭化物が発生してしまい、相手攻撃性が高まる。一方、Ｎｉの含有量が３０質量％を超えた場合には、肉盛合金の硬さが低下し、肉盛合金の耐摩耗性が低下してしまう。
【００１７】
Ｃｒは、共晶炭化物により肉盛合金の耐摩耗性を強化する元素である。本発明では、Ｃｒを１０〜１５質量％含有させることにより、共晶炭化物を生成して、肉盛合金の耐摩耗性を向上させる。しかしながら、後述する実施例からも明らかなように、Ｃｒの含有量が１０質量％未満である場合には、肉盛合金にＭｏの初晶炭化物が生成される。一方、Ｃｒの含有量が１５質量％を超えた場合には、肉盛合金の靭性が低下してしまう。
【００１８】
本願の第２の発明の肉盛用合金粉末は、Ｃ：０．２〜０．５質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１９】
第２の発明によれば、Ｍｏ及びＮｉの前記含有量に対して、Ｃを０．２〜０．５質量％とすることにより、肉盛用合金粉末によりに肉盛られた肉盛合金には、破壊の起点となる初晶炭化物が生成されず、Ｍｏの共晶炭化物が生成される。これにより、肉盛合金の靭性、引張り強さ、伸びを、従来の肉盛合金よりも向上させることができ、耐熱衝撃性が向上する。
【００２０】
しかしながら、Ｃの含有量が０．２質量％未満である場合には、Ｍｏの炭化物による肉盛合金の耐摩耗性の向上を期待することができず、さらには、溶融した肉盛用合金粉末の盛金製（肉盛性）を阻害するおそれがある。また、Ｃの含有量が０．５質量％を超えた場合には、Ｍｏの初晶炭化物が生成され、肉盛合金の靭性、引張り強さ、及び伸びが低下する。
【００２１】
また、Ｍｏを３０〜４０質量％含有させることにより、上述した第１の発明と同様に、Ｍｏの共晶炭化物を生成し、さらには、使用時にモリブデン酸化物が生成されるので、肉盛合金の耐摩耗性を向上させることができる。しかしながら、Ｍｏの含有量が３０質量％未満である場合には、上述した効果を充分に発現することができず、一方、Ｍｏの含有量が４０質量％を超えた場合には、肉盛合金の靭性が低下してしまう。
【００２２】
また、Ｎｉを２０〜３０質量％含有させることにより、上述した第１の発明と同様に、肉盛合金の靭性を向上させることができる。しかしながら、Ｎｉの含有量が２０質量％未満である場合には、相手攻撃性が高まり、一方、Ｎｉの含有量が３０質量％を超えた場合には、肉盛合金の硬さが低下してしまう。
【００２３】
さらに、第１及び第２の発明は、これらの元素の含有量を満たしつつ、Ｃｏは、３５質量％以上含有することがより好ましい。Ｃｏをこの範囲で含有させることにより、上述した共晶炭化物の基地となるＣｏの硬さを上げ、肉盛合金の耐摩耗性を向上させることができる。
【００２４】
また、肉盛合金の基地の硬さが向上したことにより、肉盛合金が形成されえた部材が相手材に接触した際に、肉盛合金の部分が塑性変形し難くなる。これにより、肉盛合金の表面に形成されたモリブデン酸化物の膜は脆いが、肉盛合金の部分の塑性変形することがほとんどないので、モリブデン酸化物の膜は、断裂することがない。この結果、モリブデン酸化物の膜が断裂することが起因とした、相手材との凝着摩耗を抑えることができる。なお、Ｃｏの含有量は多い方が望ましく、その上限値は、上述した元素の含有量が下限値となったときの値（量）である。
【００２５】
より好ましくは、本願の発明は、肉盛用合金粉末を溶融して肉盛られた肉盛合金材は、エンジンの吸気用又は排気用などのバルブであることが好ましく、バルブは、バルブシートと接触するバルブフェースに前記肉盛用合金粉末が肉盛られていることがより好ましい。このようなバルブを用いることにより、バルブフェースの表面の熱衝衝撃特性及び耐摩耗性を向上させると共に、相手材となるバルブシートの耐摩耗性をも向上することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、肉盛合金の靭性を高めると共に、相手材との耐摩耗性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の発明に係る実施形態の肉盛合金の状態図。
【図２】第２の発明に係る実施形態の肉盛合金の状態図。
【図３】肉盛合金の断面の組織写真であり、（ａ）は、実施例１の肉盛合金の組織断面図、（ｂ）は、実施例２の肉盛合金の組織断面図、（ｃ）は、比較例１の肉盛合金の組織断面図。
【図４】実施例１、２及び比較例１のバルブ沈み量の結果を示した図。
【図５】実施例３−１，３−２，４−１〜４−３及び比較例２−１，２−２の摩耗量の結果を示した図。
【図６】実施例５−１，５−２及び比較例３−１のバルブ沈み量の結果を示した図。
【図７】実施例６−１，６−２及び比較例４−１のバルブ沈み量の結果を示した図。
【図８】相手攻撃性、耐摩耗性を測定する試験機の概要を示す断面図。
【実施例】
【００２８】
以下に、本発明の望ましい態様を実施例に基づいて具体的に説明する。
＜実施例１＞
まず、第１の発明の実施例に相当する肉盛用合金粉末として、Ｃ：０．７〜１．０質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、Ｃｒ：１０〜１５質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなる含有条件を満たす肉盛用合金粉末を作製した。
【００２９】
具体的には、Ｃ：０．９質量％、Ｍｏ：３０質量％、Ｎｉ：２０質量％、Ｃｒ：１０質量％、及び残部がＣｏ（Ｃｏ：３５質量％以上）と不可避不純物からなる条件組成の肉盛合金（Ｃｏが基地となる合金）を１７００℃以上の温度で溶解し、不活性ガスを用いたガスアトマイズにより製造した肉盛用合金粉末を、４４〜１８０μｍの範囲に分級した。これにより、Ｃｏ−３０Ｍｏ−１０Ｃｒ−２０Ｎｉ−０．９Ｃの肉盛用合金粉末を得た。
【００３０】
なお、肉盛用合金粉末Ｃの含有量の上限値である１．０質量％を、以下のようにして定めた。具体的には、まず、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ統合型熱力学計算システム（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ Ｓｏｔｗａｒｅ ＡＢ社製）を用いて、Ｍｏ，Ｎｉ，Ｃｒの含有量を前記範囲としたときに、図１に例示するＣの含有量を変化させた状態図を作製した。図１に示す状態図におけるＭｏ，Ｎｉ，及びＣｒの含有量は、前記範囲でＭｏの初晶炭化物が最も生成され易い含有量の条件であり、この状態図において、共晶点となるＣの含有量の上限値は、１．０質量％であった。従って、上述したＭｏ，Ｎｉ，及びＣｒの含有量の範囲において、Ｃの含有量が１．０質量％以下の場合、亜共析組織（Ｍｏ，Ｃｒ等の共晶炭化物）が生成され、この値を超えたときには、Ｍｏの初晶炭化物が生成されることになる。
【００３１】
次に、図８に示すように、出力１００Ａ、処理速度５ｍｍ／ｓｅｃの条件でプラズマ溶接により、肉盛用合金粉末を１７００℃以上の温度に加熱してこれを溶融し、溶融した肉盛用合金粉末をオーステナイト系耐熱鋼（ＪＩＳ ＳＵＨ３５）製エンジンバルブのバルブフェース２に、肉盛合金４の肉盛（盛金）を行った。これにより、バルブフェース２に肉盛合金４が形成されたエンジンバブル（肉盛合金部材）１を得た。さらに、後述する各種試験に応じて、同様の組成からなる試験体を作製した。
【００３２】
＜実施例２＞
第２の発明の実施例に相当する肉盛用合金粉末として、Ｃ：０．２〜０．５質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなる含有条件を満たす肉盛用合金粉末を作製した。
【００３３】
具体的には、Ｃ：０．５質量％、Ｍｏ：３０質量％、Ｎｉ：２０質量％、及び残部がＣｏ（Ｃｏ：３５質量％以上）と不可避不純物からなる条件組成の肉盛合金（Ｃｏが基地となる合金）を１７００℃以上の温度で溶解し、不活性ガスを用いたガスアトマイズにより製造した肉盛用合金粉末を、４４〜１８０μｍの範囲に分級した。これにより、Ｃｏ−４０Ｍｏ−２０Ｎｉ−０．５Ｃの肉盛用合金粉末を得た。
【００３４】
なお、肉盛用合金粉末Ｃの含有量の上限値である０．５質量％を、実施例１と同様に、上述したＴｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ統合型熱力学計算システムを用いて、Ｍｏ，Ｎｉの前記範囲としたときにおいて、図２に例示するＣの含有量を変化させた状態図から求めた。なお、図２に示す状態図におけるＭｏ及びＮｉの含有量は、前記範囲でＭｏの初晶炭化物が最も生成され易い含有量の条件であり、この状態図において、共晶点となるＣの含有量の上限値は、０．５質量％であった。従って、上述したＭｏ及びＮｉの含有量の範囲において、Ｃの含有量が０．５質量％以下の場合、亜共析組織（Ｍｏの共晶炭化物）が生成され、この値を超えたときには、Ｍｏの初晶炭化物が生成されることになる。
【００３５】
次に、図８に示すように、出力１００Ａ、処理速度５ｍｍ／ｓｅｃの条件でプラズマ溶接により、肉盛用合金粉末を１７００℃以上に加熱してこれを溶融し、溶融した肉盛用合金粉末をオーステナイト系耐熱鋼（ＪＩＳ：ＳＵＨ３５）製エンジンバルブ１のバルブフェース２に、肉盛合金４の肉盛（盛金）を行った。さらに、後述する各種試験に応じて、同様の組成からなる試験体を作製した。
【００３６】
＜比較例１＞
実施例１と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例１と相違する点は、肉盛用合金粉末の組成である。具体的には、肉盛用合金粉末として、Ｃ：０．８４質量％、Ｍｏ：３３質量％、Ｆｅ：１４質量％，Ｎｉ：１０．２質量％、Ｃｒ：３．８質量％，Ｍｎ：６質量％，Ｓｉ：０．８９質量％及び残部がＣｏと不可避不純物と肉盛合金（Ｃｏが基地となる合金）を溶解し、不活性ガスを用いたガスアトマイズにより製造した肉盛用合金粉末を、同じ範囲に分級した。これにより、得られたＣｏ−３３Ｍｏ−１０．２Ｎｉ−３．８Ｃｒ−６Ｍｎ−１４Ｆｅ−０．８４Ｃ−０．８９Ｓｉの肉盛用合金粉末を用いた。さらに、後述する各種試験に応じて、同様の組成からなる試験体を作製した。
【００３７】
［評価試験１］
〔組織観察〕
実施例１，２及び比較例１に係るエンジンバルブの肉盛部分（肉盛合金）の組織断面を光学顕微鏡で観察した。これらの結果を、図３に示す。図３は、肉盛合金の断面の組織写真であり、（ａ）は、実施例１の肉盛合金の組織断面図、（ｂ）は、実施例２の肉盛合金の組織断面図、（ｃ）は、比較例１の肉盛合金の組織断面図である。
【００３８】
〔機械的強度等の測定〕
実施例１，２及び比較例１に係る試験体を用いて機械的強度等を測定した。ＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠して、シャルピー衝撃試験を行い、衝撃値を測定した。この結果を表１に示す。
【００３９】
ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して、引張試験（室温の条件）を行い、引張強さを測定した。また、ＪＩＳ Ｇ ０５６７に準拠して、引張試験（６００℃の条件）を行い引張強さ、突合せ伸びを測定した。これらの結果を表１に示す。
【００４０】
ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠して、硬さ試験（室温）を行い、ビッカース硬さ（１０ｋｇｆの条件）を測定した。また、ＪＩＳ Ｚ ２２５２に準拠して、高温硬さ試験（６００℃の条件）を行い、ビッカース硬さ（１ｋｇｆの条件）を測定した。これらの結果を表１に示す。
【００４１】
さらに、実施例１，２及び比較例１に係る肉盛用合金粉末を、それぞれ加熱して、室温から８００℃まで温度を上げながら重量を測定した。このとき、天秤に実施例１，２及び比較例２の粉末とＡｌ２Ｏ３粉末を乗せ、重量測定しながら温度を上げ、重量の変化に基づいて、酸化開始温度を計測した。この結果を表１に示す。
【００４２】
〔摩耗試験〕
実施例１、２及び比較例１に係るにエンジンバルブ１に対して、図８に示す試験装置を用いて肉盛合金部分の相手攻撃性、耐摩耗性を調べた。具体的にはプロパンガスバーナー５を加熱源に用い、前記のように肉盛されたバルブフェース２と、Ｆｅ系焼結材料からなるバルブシート３との摺動部をプロパンガス燃焼雰囲気とした。バルブシート３の温度を３００℃に制御し、スプリング６によりバルブフェース２とバルブシート３との接触時に１８ｋｇｆの荷重を付与し、２０００回／ｍｉｎの割合でバルブフェース２とバルブシート３を接触させて８時間の摩耗試験を行った。この摩耗試験において、基準位置Ｐからのバルブ沈み量を測定した。このバルブ沈み量は、エンジンバルブ１がバルブシート３と接触することによって双方が摩耗した摩耗量（摩耗深さ）に相当するものである。この結果を図４及び以下の表１に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
（結果１）
組織観察の結果から、図３に示すように、実施例１及び２の肉盛合金には、共晶炭化物（亜共析組織）が生成されており、Ｍｏの初晶炭化物は生成されていなかったが、比較例１の肉盛合金には、Ｍｏの初晶炭化物が生成されていた。
【００４５】
また、表１に示す結果ように、実施例１及び２の試験体の衝撃値は、比較例１のものよりも高い値となった。また、実施例１及び２の試験体の室温時及び６００℃時の引張強さ、及び伸びは、比較例１のものよりも高い値となった。また、実施例１及び２の試験体の室温時及び６００℃時のビッカース硬さは、比較例１のものよりも高い値となった。さらに、実施例１及び２の酸化開始温度は、比較例１のものと同程度であった。
【００４６】
また、表１及び図５に示すように、実施例１及び２のバルブの沈み量は、比較例１のものよりも小さかった。
【００４７】
（評価１）
以上の結果から、実施例１及び２の肉盛合金は、前述したように、共晶点以下の範囲に、炭素の含有量を調整した（実施例１では炭素含有量を１．０質量％以下、実施例２では、炭素含有量を０．５質量％以下にした）ので、破壊起点になるＭｏの初晶炭化物の生成をなくすことができ、これにより、靭性、引張り強さ、及び伸びが比較例１のものより向上したと考えられる。この結果、実施例１及び２の肉盛合金の熱衝撃性が向上しているといえる。
【００４８】
また、初晶炭化物をなくすことで硬度が低下するおそれもあるが、実施例１及び２は、残部となるＣｏの含有量（Ｃｏ：３５〜４０質量％）が、比較例１のもの（Ｃｏ：３０質量％程度）に比べて多く含有しており、これにより、基地硬さを５７７ＨＶ以上にすることができたと考えられる。
【００４９】
さらに、比較例よりも基地が硬くなったので、肉盛合金の部分に塑性変形が起き難くなり、バルブ使用時に肉盛合金の部分の表面に形成されるモリブデン酸化物の膜が断裂しにくくなると考えられる。これにより、バルブシートに対する、肉盛合金の部分の相手攻撃性を抑えることができる。
【００５０】
これらの理由により、実施例１及び２のエンジバルブのバルブ沈み量が、比較例１のものに比べて小さくなったと考えられる。
【００５１】
＜実施例３−１，３−２＞
実施例１と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブと、硬さ試験用の試験体を製作した。実施例１と相違する点は、実施例３−１のＣの含有量を０．７質量％、実施例３−２のＣの含有量を１．０質量％にした点である。
【００５２】
＜実施例４−１〜４−３＞
実施例２と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブと、硬さ試験用の試験体を製作した。実施例２と相違する点は、実施例４−１のＣの含有量を０．２質量％、実施例４−２のＣの含有量を０．３５質量％にした点である。実施例４−３は、Ｃの含有量を０．５質量％にしたので、実施例２と略同じである。
【００５３】
＜比較例２−１，２−２＞
実施例１と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブと、硬さ試験用の試験体を製作した。実施例１と相違する点は、比較例２のＣの含有量を０．１質量％、比較例３のＣの含有量を０．３５質量％にした点である。
【００５４】
［評価試験２］
実施例３−１，３−２、実施例４−１〜４−３、及び比較例２−１，２−２のそれぞれに対して、実施例１と同じようにして、摩耗試験及び硬さ試験（室温）を行った。この結果を図５に示す。なお、図５に示す摩耗量は、エンジンバルブの肉盛合金の部分そのものの最大摩耗深さを示している。
【００５５】
（結果２）
図５に示すように、実施例３−１，３−２及び実施例４−１〜４−３のビッカース硬さは、比較例２−１，２−２のものに比べて高い値となった。実施例３−１，３−２及び実施例４−１〜４−３のバルブの沈み量は、比較例２−１，２−２のものに比べて小さかった。また、肉盛合金（試験体）の硬さが大きくなるに従って、摩耗量は大きくなった。
【００５６】
（考察２）
実施例３−１，３−２ではＣを０．７〜１．０質量％とすることにより、また、実施例４−１〜４−３ではＣを０．２〜０．５質量％とすることにより、肉盛用合金粉末によりに肉盛られた肉盛合金には、破壊の起点となるＭｏの初晶炭化物が生成され難く、Ｍｏの共晶炭化物が生成されている。また、実施例３−１，３−２の場合、Ｃｒの共晶炭化物が生成されている。
【００５７】
このような結果、実施例３−１，３−２及び実施例４−１〜４−３のビッカース硬さは、比較例２−１，２−２のものに比べて高い値となったと考えられる。しかし、比較例２−１，２−２のようにＣの含有量が０．７質量％未満である場合、Ｍｏ，Ｃｒの炭化物による肉盛合金の耐摩耗性を充分に発現することができないと考えられる。
【００５８】
＜実施例５−１，５−２（Ｍｏの含有量）＞
実施例２と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例２と相違する点は、実施例５−１のＭｏの含有量を３０質量％にした点である。実施例５−２は、Ｍｏの含有量を４０質量％にしたので、実施例２とほぼ同じである。
【００５９】
＜比較例３−１，３−２＞
実施例２と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例２と相違する点は、比較例３−１のＭｏの含有量を２０質量％、比較例３−２のＭｏの含有量を４５質量％にした点である。
【００６０】
［評価試験３］
実施例５−１，５−２、及び比較例３−１のそれぞれに対して、実施例２と同じようにして、摩耗試験を行った。この結果を図６に示す。また、実施例５−１，５−２、比較例３−１，３−２に対して、実施例２と同じようにして、衝撃試験を行った。この結果を表２に示す。さらに、実施例５−１、５−２、及び比較例３−１のそれぞれの肉盛用合金粉末に対して実施例１と同じように、酸化開始温度を計測した。この結果を表３に示す。
【００６１】
【表２】
【００６２】
【表３】
【００６３】
（結果３）
図６に示すように、実施例５−１，５−２のバルブ沈み量は、比較例３−１のものよりも小さかった。表２に示すように、比較例３−１、実施例５−１，５−２、比較例３−２の順に（Ｍｏの含有量の増加に応じて）衝撃値が低い値となった。表３に示すように、実施例５−１，５−２の肉盛用合金粉末の酸化開始温度は、６６０℃以下であり、比較例３−１のものよりも低かった。
【００６４】
（評価３）
実施例５−１，５−２のバルブ沈み量は、比較例３−１のものよりも小さかったのは、Ｍｏの共晶炭化物が生成され、肉盛合金の耐摩耗性を強化する元素として作用したからであると考えられる。
【００６５】
Ｍｏの含有量の増加に応じて衝撃値が低い値となったのは、その増加に伴いＭｏの共晶炭化物が増加したからであると考えられ、Ｍｏの含有量が４０質量％を超えた場合には、肉盛合金の靭性が極端に低下すると考えられる。
【００６６】
さらに、Ｍｏの含有量が、比較例３−１の如く３０質量％未満となった場合には、肉盛合金が形成された部材を使用する際に、その表面のＭｏが酸化されてモリブデン酸化物を生成し難いと考えられる。すなわち、３０質量％以上であれば、一般的なエンジンバルブの使用環境下においても、肉盛合金の表面にモリブデン酸化物の膜が生成され易く、このモリブデン酸化物が固体潤滑剤として作用する。この結果、肉盛合金の耐摩耗性を向上させることができると考えられる。
【００６７】
＜実施例６−１，６−２（Ｎｉの含有量）＞
実施例２と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例２と相違する点は、実施例６−２のＮｉの含有量を３０質量％にした点である。実施例６−１は、Ｎｉの含有量を２０質量％にしたので、実施例２とほぼ同じである。
【００６８】
＜比較例４−１，４−２＞
実施例２と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例１と相違する点は、実施例４−１のＮｉの含有量を１８質量％、実施例４−２のＮｉの含有量を３５質量％にした点である。
【００６９】
［評価試験３］
実施例６−１，６−２、及び比較例４−１のそれぞれに対して、実施例２と同じようにして、摩耗試験を行った。この結果を図７に示す。実施例６−１，６−２、及び比較例４−２のそれぞれに対して、実施例２と同じようにして、硬さ試験（室温）を行った。この結果を表４に示す。
【００７０】
【表４】
【００７１】
（結果４）
図７に示すように、実施例６−１，６−２のバルブ沈み量が、比較例４−１のものよりも小さかった。実施例６−１，６−２の試験体のビッカース硬さは、比較例４−２のものよりも高い値となった。
【００７２】
（評価４）
実施例６−１，６−２のバルブ沈み量が、比較例４−１のものよりも小さかったのは、以下の理由が考えられる。Ｎｉは、肉盛合金の靭性を向上するように作用し、さらに、Ｃの固溶限を変化させるため、比較例４−１の如く、Ｎｉの含有量が２０質量％未満である場合には、上述した初晶炭化物が発生してしまい、相手攻撃性が高まったからであると考えられる。
【００７３】
さらに、比較例４−２の如く、Ｎｉの含有量が３０質量％を超えた場合には、肉盛合金のビッカース硬さが極端に低下してしまい、肉盛合金の摩耗が促進されると考えられる。
【００７４】
＜実施例７−１，７−２（Ｃｒの含有量）＞
実施例１と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例１と相違する点は、実施例７−２のＣｒの含有量を１５質量％にした点である。実施例７−１は、Ｃｒの含有量は１０質量％にしたので、実施例１とほぼ同じである。
【００７５】
＜比較例５−１〜５−３＞
実施例１と同じようにして肉盛部の肉盛（盛金）を行ったエンジンバルブを製作した。実施例１と相違する点は、比較例５−１のＣｒの含有量を５質量％、比較例５−２のＣｒの含有量を８質量％、比較例５−３のＣｒの含有量を２０質量％にした点である。
【００７６】
［評価試験５］
実施例７−１，７−２、比較例５−１〜５−３のそれぞれに対して、実施例１と同じようにして、衝撃試験を行った。この結果を表５に示す。
【００７７】
実施例７−１，７−２、比較例５−１，５−１の肉盛合金それぞれに対して、実施例１と同じようにして組織観察を行い、Ｃｒ等の初晶炭化物の有無を確認した。この結果を表６に示す。
【００７８】
【表５】
【００７９】
【表６】
【００８０】
（結果５）
表５に示すように、実施例７−１，７−２の試験体の衝撃値は、比較例５−２，５−３のものよりも高い値となった。表６に示すように、比較例５−１，５−２の肉盛合金には、初晶炭化物が確認されたが、実施例７−１及び７−２の肉盛合金には、初晶炭化物はなく、共晶炭化物が確認された。
【００８１】
（評価５）
比較例５−２の試験体の衝撃値が、実施例７−１，７−２のものよりも低い値となったのは、Ｃｒの含有量が、１０質量％未満の場合、Ｍｏの初晶炭化物が生成されたからであると考えられる。一方、比較例５−２の如く、Ｃｒの含有量が１５質量％を超えた場合には、Ｃｒの炭化物の増加により、肉盛合金の靭性が低下すると考えられる。
【符号の説明】
【００８２】
１：エンジンバルブ（肉盛合金部材）、２：バルブフェース、３：バルブシート、４：肉盛合金、５：プロパンガスバーナー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．７〜１．０質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、Ｃｒ：１０〜１５質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなることを特徴とする肉盛用合金粉末。
【請求項２】
Ｃ：０．２〜０．５質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなることを特徴とする肉盛用合金粉末。
【請求項３】
前記Ｃｏは、３５質量％以上含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の肉盛用合金粉末。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の肉盛用合金粉末を溶融して肉盛られていることを特徴とする肉盛合金部材。
【請求項５】
請求項４に記載の肉盛合金部材は、エンジンのバルブであって、
前記バルブは、バルブシートと接触するバルブフェースに前記肉盛用合金粉末が肉盛られていることを特徴とするバルブ。
【請求項１】
Ｃ：０．７〜１．０質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、Ｃｒ：１０〜１５質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなることを特徴とする肉盛用合金粉末。
【請求項２】
Ｃ：０．２〜０．５質量％、Ｍｏ：３０〜４０質量％、Ｎｉ：２０〜３０質量％、及び残部がＣｏと不可避不純物からなることを特徴とする肉盛用合金粉末。
【請求項３】
前記Ｃｏは、３５質量％以上含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の肉盛用合金粉末。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の肉盛用合金粉末を溶融して肉盛られていることを特徴とする肉盛合金部材。
【請求項５】
請求項４に記載の肉盛合金部材は、エンジンのバルブであって、
前記バルブは、バルブシートと接触するバルブフェースに前記肉盛用合金粉末が肉盛られていることを特徴とするバルブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２５５４１７（Ｐ２０１１−２５５４１７Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３４３２４（Ｐ２０１０−１３４３２４）
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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