JP2000002344A

JP2000002344A - 焼結バルブシート部材及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000002344A
Application number: JP16893198A
Authority: JP
Inventors: Koji Kobayashi; 孝司小林
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1998-06-16
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 2000-01-07

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的強度、耐摩耗性及び熱伝導性を向上さ
せた焼結バルブシート部材及びその製造方法を提供す
る。【解決手段】導電性を有する型２５内に、本体層用合
金粉１２ａとシート面層の母材となる金属粉１３ａとを
積層状態に加圧成形してなるバルブシート用成形体１５
を装填するとともに、該成形体１５の上面に、銅材１５
を積層し、これら成形体１５及び銅材１６を加圧しつつ
これらに通電することにより、各層を加熱するとともに
これら層中に放電を発生させ、母材中に銅を溶浸させた
焼結バルブシート部材を得るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、内燃機関用
のバルブシート部材として好適に用いられ、機械的強
度、耐摩耗性及び熱伝導性に優れた高密度の焼結バルブ
シート部材及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は、ガソリンエンジンのバルブシー
ト部材付近の断面を示しており、バルブシート部材１
は、シリンダヘッド２の吸気通路３と排気通路４とのそ
れぞれの開口部に設けられ、往復運動するバルブ５と当
接し、バルブ５がバルブシート部材１と接触している時
に混合気が爆発して高圧になる燃焼室６の気密を保持す
る役割を有する。また同時に、加熱されるバルブ５の熱
を逃がし、当該バルブ５の過熱を防止する役割も求めら
れる。図中符号７はシリンダ８内を往復移動させられる
ピストンを示し、符号９は点火プラグを示す。

【０００３】このバルブシート部材１の材料としては、
本体層とバルブが当接するシート面層との二層構造とさ
れ、本体層としては、例えば、ＪＩＳ規格表示でＳＵＨ
−４等の耐熱鋼、もしくは、Ｆｅ−２wt％Ｃｒ−０．７
wt％Ｃ等の鉄系焼結合金が適用され、シート面層として
は、耐摩耗性等に優れた、例えばＦｅ−３ｗｔ％Ｍｏ−
２ｗｔ％Ｃｏ−１．５ｗｔ％Ｃｒ−１．０ｗｔ％Ｃ−
０．５ｗｔ％Ｎｉ等の鉄系焼結合金中に、１０wt％程度
のＦｅ−６０wt％Ｍｏ等の硬質粒子を分散させた焼結合
金が用いられている。この種の焼結合金は鋼等の溶製材
と比較して異種粉末を混合することができる等、合金設
計の自由度が大きいという優れた特徴を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年におけ
るエンジンの高出力化、高回転化、高効率化等に伴い、
燃焼室の温度が上昇する傾向にあり、バルブシート部材
に対しても機械的強度の向上のみならず、より一層の耐
摩耗性、耐熱性、高熱伝導性等が求められてきている
が、従来の前記材料からなるバルブシート部材では、そ
の特性向上に限界があった。この場合、より耐摩耗性等
の性能に優れる合金を適用することが考えられるが、コ
スト増加を余儀なくされる。

【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あって、機械的強度、耐摩耗性及び熱伝導性等を向上さ
せた焼結バルブシート部材及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次のような焼結バルブシート部材の製造方
法を採用した。すなわち、本発明の焼結バルブシート部
材の製造方法は、導電性を有する型内に、母材となる金
属粉を充填するとともに、該金属粉の層の上面に、銅材
を積層し、これら金属粉及び銅材を加圧しつつこれらに
通電することにより、両層を加熱するとともにこれら層
中に放電を発生させ、銅を溶浸させた焼結バルブシート
部材を得ることを特徴とする。この場合、銅材は、溶製
材であってもよいし、焼結体であってもよい。また、母
材と同様に粉末であってもよい。

【０００７】この製造方法では、放電によって金属粉の
表面に存在する金属酸化膜が破壊され、当該表面が活性
化されるので、比較的低温での緻密な焼結が可能にな
る。また、加圧しつつ放電を生じさせていることによ
り、焼結の進行にしたがって金属粉は変形圧縮しかつ高
密度となり、寸法精度及び密度比の高い焼結合金が得ら
れる。通常の焼結方法では、焼結体中に気孔が５〜２０
％程度存在しているために、その密度は理論密度である
真密度よりかなり小さく、その比は０．８０〜０．９５
程度であるところ、本発明の製造方法によれば、焼結密
度の真密度に対する比を０．９５〜１．００とし、その
機械的強度、耐摩耗性、耐熱性を向上させることができ
る。また、放電焼結時に、銅が溶融して母材中の主とし
て粉末粒界部分に侵入するため、得られたバルブシート
部材は極めて緻密かつ熱伝導性に優れたものとなり、耐
熱性が向上する。

【０００８】また、母材となる金属粉の充填から成形、
加圧下での放電による焼結までを単一の型内で行うので
はなく、予め、母材となる金属粉を加圧成形してバルブ
シート用成形体を形成しておき、該成形体を導電性を有
する型内に装填して、その上面に銅材を積層し、これら
成形体及び銅材を加圧しつつ放電を生じさせて焼結する
ようにしてもよい。この場合、母材の成形体は、成型時
の圧力を小さくするなどにより、気孔の含有率を大きく
しておくと、その後の銅の溶浸を効果的に行わせること
ができる。

【０００９】また、予め母材となる金属粉の上に銅粉を
層状に積層して加圧成形しておき、その積層成形体を放
電焼結させるようにしてもよい。この場合、積層成形体
を仮焼成しておき、その仮焼成体を放電焼結することも
可能である。さらに、母材となる金属粉に銅粉を分散さ
せて加圧成形しておき、その成形体を放電焼結させるよ
うにしてもよい。なお、放電焼結は、大気、吸熱性変成
雰囲気、還元性雰囲気、不活性雰囲気または真空のいず
れかの雰囲気中で行われる。

【００１０】焼結バルブシート部材としては、本体層と
バルブが当接するシート面層との拡散接合による積層構
造とし、その少なくともシート面層を銅を溶浸させた密
度比０．９５〜１．００の焼結合金から構成することに
より、シート面層を耐摩耗性等の性能に優れる合金と
し、本体層には安価な合金を使用することができる。こ
の場合、本体層は、焼結材によって構成してもよいし、
溶製材によって構成してもよい。特に強度や剛性等に優
れた鋼とすることにより、バルブシートとしての機械的
強度がさらに高められる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態の焼結
バルブシート部材を示す断面図である。この焼結バルブ
シート部材１１は、鉄系の焼結合金からなる本体層１２
とシート面層１３とが、厚み方向に積層されて互いに拡
散接合され、シート面層１３の内周部にはバルブに当接
する当たり面１４が適切な幅で形成されている。そし
て、本体層１２及びシート面層１３のそれぞれの密度比
は０．９５〜１．００の範囲とされている。

【００１２】前記本体層１２の材料としては、例えば、
Ｃｒを２〜３ｗｔ％、Ｃを０．５〜１．０ｗｔ％含有
し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鉄系焼結合金
が好適である。もちろん、従来と同様、ＳＵＨ−４等の
耐熱鋼の溶製材を適用することも可能である。

【００１３】一方、前記シート面層１３の材料として
は、母材となる鉄系焼結合金に銅を溶浸させたものが適
用される。母材としての鉄系焼結合金は、エンジンの吸
気側に使用されるバルブシート部材の材料としては、例
えば、Ｍｏを０．５〜２ｗｔ％、Ｃｒを０．３〜１ｗｔ
％、Ｃを０．７〜１．２ｗｔ％含有し、残部がＦｅ及び
不可避不純物からなる鉄系合金に、その基材となる金属
粒子よりも硬度の大きいＦｅ−６０wt％Ｍｏからなる硬
質粒子を２〜１０wt％加えて分散させた鉄系焼結合金、
あるいは、Ｃｏを０．５〜３ｗｔ％、Ｃを０．５〜１．
５ｗｔ％、Ｎｉを０．５〜３ｗｔ％含有し、残部がＦｅ
及び不可避不純物からなる鉄系合金に、Ｆｅ−６０wt％
Ｍｏからなる硬質粒子を２〜１０wt％加えて分散させた
鉄系焼結合金が好適である。

【００１４】また、排気側に使用されるバルブシート部
材の材料としては、例えば、Ｍｏを２〜５ｗｔ％、Ｃｏ
を１〜１５ｗｔ％、Ｃを０．５〜１．５ｗｔ％、Ｎｉを
０．５〜１ｗｔ％、Ｗを１〜３ｗｔ％、Ｎｂを０．３〜
１ｗｔ％含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる
鉄系合金に、その基材となる金属粒子よりも硬さの大き
いＣｒ基硬質粒子を３〜１０ｗｔ％、同じくＣｏ基硬質
粒子を３〜１５ｗｔ％それぞれ加えて分散させた鉄系焼
結合金が好適である。

【００１５】このように吸気側と排気側とで材料を異な
らせるのは、ガソリンエンジンでは、吸気側のバルブシ
ート部材の温度が例えば２００℃程度であるのに対し
て、排気側は４００〜５００℃程度にもなり、排気側の
方が吸気側よりも熱の影響が大きいので、排気側に、硬
さ等の物理的特性や機械的強度、耐摩耗性、耐熱性、熱
伝導性等の性能により優れるものを使用するためであ
る。また、排気側に用いられるバルブシート部材は、当
たり面１４の幅を吸気側のバルブシート部材よりも若干
広くして熱伝導をよくするとよい。

【００１６】そして、これら母材となる鉄系焼結合金に
銅が溶浸されて前記シート面層１３が構成されているも
のである。溶浸させる銅の量は、５〜２０ｗｔ％程度が
好ましい。

【００１７】次に、上記バルブシート部材１１の製造方
法について説明する。まず、成型用金型（図示略）内に
本体層用合金粉１２ａとシート面層用合金の母材となる
鉄系合金粉１３ａとを層状に充填し、これらを加圧成形
してバルブシート用成形体１５を形成する。この場合、
加圧力を、通常の加圧成形の場合は５〜７ｔｏｎ／ｃｍ
² であるのに対して、例えば３〜５ｔｏｎ／ｃｍ² 程度
に小さくしておく。この時点で得られる成形体は、真密
度に対する密度比が例えば、７０〜８５％程度となる。

【００１８】次いで、図２に示すように、導電性を有す
る金属、カーボン等からなる上パンチ２１及び下パンチ
２２、ダイ２３、コアロッド２４等を備える型２５の内
面に窒化硼素（ＢＮ）等の潤滑剤を塗布した後、型内に
前記バルブシート用成形体１５を装填し、その上面に銅
材１６を積層状態に充填する。この型２５は、上パンチ
２１と下パンチ２２とが電源２６に接続されている。銅
材１６は粉状のもの、板状のもの、いずれも適用可能で
ある。

【００１９】そして、型２５内を大気中にそのまま、あ
るいは吸熱性変成雰囲気、還元性雰囲気、不活性雰囲気
または真空のいずれかの雰囲気とした後に、上パンチ２
１と下パンチ２２との間で成形体１５及び銅材１６を加
圧しつつこれら両パンチ２１、２２間に例えば１０ボル
ト程度の電圧をかけ数百アンペア以上のパルス電流を流
すことにより、型を発熱させて成形体等を加熱するとと
もに型及び金属粉末粒子間に放電を発生させ、上記成形
体１５及び銅材１６を焼成する。このときの熱により、
銅材１６は溶融して、成形体１５中に溶浸していくこと
になる。

【００２０】以上の方法により、必要に応じて矯正加工
及び仕上げ研削等の機械加工を行って、図１に示すよう
なバルブシート部材１１を得ることができる。なお、型
２５内を大気以外の吸熱性変成雰囲気、還元性雰囲気、
不活性雰囲気または真空のいずれかの雰囲気にする場合
は、型２５全体をチャンバ（図示略）に収納しておくこ
とが行われる。

【００２１】上記の製造方法によって、各種合金粉を用
い、焼成の温度、時間、雰囲気、及び型による加圧力を
種々変化させてバルブシート部材を製作し、その性能評
価を行った。結果を表１に示す。表中、本体層として使
用した材料のうち、はＦｅ−２wt％Ｃｒ−０．７wt％
Ｃからなる焼結合金、は溶製材としてＳＵＨ−４の耐
熱鋼を使用した。また、シート面層に使用した母材とな
る合金粉Ａ〜Ｅは、次の材料とした。この場合、Ｅは、
従来方法では焼結し難かったＣｏ系合金であり、本実施
形態の方法による焼結を試みた。

【００２２】Ａ：Ｆｅ−１wt％Ｍｏ−０．６ｗｔ％Ｃｒ
−１ｗｔ％Ｃからなる鉄系合金に、Ｆｅ−６０wt％Ｍｏ
からなる硬質粒子を１０wt％加えて分散させたものＢ：Ｆｅ−１．５ｗｔ％Ｃｏ−１．１ｗｔ％Ｃ−２ｗｔ
％Ｎｉからなる鉄系合金に、Ｆｅ−６０wt％Ｍｏからな
る硬質粒子を８wt％加えて分散させたものＣ：Ｆｅ−３ｗｔ％Ｍｏ−８ｗｔ％Ｃｏ−１ｗｔ％Ｃ−
０．７ｗｔ％Ｎｉ−２ｗｔ％Ｗ−０．５ｗｔ％Ｎｂから
なる鉄系合金に、Ｃｒ系硬質粒子を５wt％、Ｃｏ系硬質
粒子を１０wt％加えて分散させたものＤ：Ｆｅ−３．８ｗｔ％Ｍｏ−１０ｗｔ％Ｃｏ−１．２
ｗｔ％Ｃ−０．８ｗｔ％Ｎｉ−１．５wt％Ｗ−０．８wt
％Ｎｂからなる鉄系合金に、Ｃｒ系硬質粒子を１０wt
％、Ｃｏ系硬質粒子を１２wt％加えて分散させたものＥ：Ｃｏ−１ｗｔ％Ｎｉ−３２ｗｔ％Ｃｒ−１７ｗｔ％
Ｗ−１ｗｔ％Ｆｅ−２．５ｗｔ％ＣからなるＣｏ系合金なお、シート面側に溶浸させたＣｕ量はそれぞれ表に記
載の通りである。

【００２３】Ｎｏ．１〜９までが、本実施形態の方法に
より製作したものであり、Ｎｏ．１０は、従来例とし
て、シート面層に、Ｆｅ−３wt％Ｍｏ−２wt％Ｃｏ−
１．５ｗｔ％Ｃｒ−１ｗｔ％Ｃ−０．５wtＮｉからなる
鉄系合金に、Ｆｅ−６０wt％Ｍｏからなる硬質粒子を１
０wt％加えて分散させたものを使用し、真空中１１５０
℃の温度で、６０分焼成して製作した。また、用途の欄
の「ＩＮ」は吸気側、「ＥＸ」は排出側に使用したこと
を示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】特性評価の欄の圧環荷重とは、外径３５ｍ
ｍ、内径２７ｍｍ、厚さ８ｍｍの試験片を用いて、ＪＩ
ＳＺ２５０７に準じて圧環強さを求めたものであ
る。摩耗量とは、試験片を２０００ｃｃガソリンエンジ
ンの吸気側あるいは排気側バルブシートの形状とし、シ
リンダヘッドに圧入して、負荷をかけながらいわゆる台
上耐久試験を実施し、その摩耗量を測定したものであ
り、エンジンの回転数６５００ｒｐｍ、試験時間は５０
０時間とした。密度比は、アルキメデス法により焼結後
の密度を測定し、その真密度（理論密度）との比を求め
た。この場合、本体層として溶製材を使用したＮｏ．
２、４、７、９についての密度比は、本体層を除去して
測定した。

【００２６】表１から明かなように、本実施例のバルブ
シート部材（Ｎｏ．１〜９）では、密度比が０．９７以
上あり、圧環荷重が１５０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上、摩耗量
も吸気側で３μｍ以下、排気側で８μｍ以下と、従来例
のもの（Ｎｏ．１０）よりも機械的強度、耐摩耗性が向
上していることがわかる。また、摩耗量測定のために行
った台上耐久試験の排気側においては、バルブ温度が約
７５０℃、バルブシート部材の温度が約４００℃に昇温
していたが、本実施例のバルブシート部材は特に異常は
認められず、耐熱性にも優れていることが立証された。
特に、シート面層には銅が溶浸していることにより、バ
ルブから伝わる熱をバルブシート部材内に速やかに伝導
させてシリンダヘッドに逃がすことができ、その結果、
熱的特性が向上するものと認められる。なお、密度比に
関しては、実用上、０．９５以上あれば、一般的な焼結
部材と比較して十分に機械的強度、耐摩耗性等を向上さ
せることができる。

【００２７】また、本実施例のバルブシート部材の断面
を金属顕微鏡で観察したところ、本体層、シート面層は
相互に拡散接合され、かつ、特にシート面層は銅が溶浸
して気孔等がほとんど無く、極めて緻密な構造であっ
た。したがって、本実施形態のバルブシート部材によれ
ば、機械的強度、耐摩耗性及び耐熱性、及びこれらの接
合部分の接合強度を向上させることができ、部材を長寿
命化して、その信頼性を向上させることができる。

【００２８】一方、その製造方法によれば、予め金型で
加圧成形した成形体を焼成するので、放電焼結時の加圧
の影響が少なくなり、得られる焼結体の収縮率を小さく
して、部材の寸法設計を容易にし、寸法精度を向上させ
ることができる。

【００２９】なお、上記実施形態のバルブシート部材の
構造及び製造条件は、一例を挙げたものにすぎず、要求
されるバルブシート部材の形状に合わせて適宜変更可能
である。例えば、成形体を一旦仮焼成して仮焼体とし、
該仮焼体を導電性を有する型に装填して、前記実施形態
の場合と同様の雰囲気、加圧下で、仮焼体を加熱しつつ
仮焼体中に放電を生じさせることにより、これを焼成す
ることも可能である。また、予め成形体や仮焼体を形成
するのではなく、導電性を有する型内に本体層用合金粉
とシート面層の母材となる合金粉とを層状に充填し、そ
の上に銅材として銅粉を積層して、これら金属粉を一体
に加圧下で放電焼結することとしてもよく、本体層とシ
ート面層との接合及び銅の溶浸を一つの工程で製造する
ことができる。

【００３０】さらに、図３に示す焼結バルブシート部材
３１のように、本体層３２を鋼等の溶製材により、内周
の一端部に段部３３を有するリング状に形成しておき、
その段部３３に、加圧下での放電焼結により、銅を溶浸
させたシート面層３４を形成した構成としてもよい。こ
の場合も、加圧下の放電により、溶製材と合金粉とが拡
散接合して、強固な接合強度を得ることができるととも
に、高密度比のシート面層３４の形成が可能となり、そ
の機械的強度や耐摩耗性等を向上させることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の焼結バル
ブシート部材の製造方法によれば、加圧下での放電焼結
により粉末の表面が活性化して、比較的低温において緻
密な焼結を行うことが可能であるとともに、その焼結時
に銅材が溶解して母材中に溶浸するので、気孔等のほと
んどない、例えば密度比が０．９５〜１．００の極めて
高密度の部材を製造し得て、寸法精度が高く、機械的強
度、耐摩耗性、耐熱性等に優れた部材とすることができ
る。特に、母材中に銅が溶浸していることにより、熱伝
導性に優れたものとなり、高温雰囲気下での耐久性を向
上させることができる。

【００３２】また、予め母材となる金属粉を加圧成形し
て、その成形体を放電焼結することとすれば、焼結体の
収縮率を小さくして、部材の寸法精度をより向上させる
ことができる。バルブシート部材を本体層とシート面層
との積層構造とすれば、シート面層に耐摩耗性等に優れ
る高価な材料を使用したとしても、その粉末使用量が少
なくなり、バルブに直接接触しない本体層には比較的安
価な金属を適用することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焼結バルブシート部材の一実施形態
を示す断面図である。

【図２】本発明のバルブシート部材の製造方法の一実
施形態において、型内で放電焼結している状態を示す断
面図である。

【図３】本発明の焼結バルブシート部材の他の実施形
態を示す断面図である。

【図４】ガソリンエンジンのバルブシート部材付近を
示す断面図である。

【符号の説明】

１１バルブシート部材１２本体層１２ａ本体層用合金粉１３シート面層１３ａシート面層用合金粉１４当たり面１５バルブシート用成形体１６銅材２１上パンチ２２下パンチ２３ダイ２４コアロッド２５型２６電源３２本体層３３段部３４シート面層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性を有する型内に、母材となる金属
粉を充填するとともに、該金属粉の層の上面に、銅材を
積層し、これら金属粉及び銅材を加圧しつつこれらに通
電することにより、両層を加熱するとともにこれら層中
に放電を発生させ、母材中に銅を溶浸させた焼結バルブ
シート部材を得ることを特徴とする焼結バルブシート部
材の製造方法。
【請求項２】導電性を有する型内に、母材となる金属
粉を加圧成形してなるバルブシート用成形体を装填する
とともに、該成形体の上面に、銅材を積層し、これら成
形体及び銅材を加圧しつつこれらに通電することによ
り、両層を加熱するとともにこれら層中に放電を発生さ
せ、母材中に銅を溶浸させた焼結バルブシート部材を得
ることを特徴とする焼結バルブシート部材の製造方法。
【請求項３】母材となる金属粉の上に銅粉を層状に積
層して加圧成形してなるバルブシート用積層成形体を形
成しておき、導電性を有する型内で該積層成形体を加圧
しつつこれらに通電することにより、両層を加熱すると
ともにこれら層中に放電を発生させ、母材中に銅を溶浸
させた焼結バルブシート部材を得ることを特徴とする焼
結バルブシート部材の製造方法。
【請求項４】母材となる金属粉に銅粉を分散させて加
圧成形してなるバルブシート用成形体を形成しておき、
導電性を有する型内で該成形体を加圧しつつこれらに通
電することにより、両層を加熱するとともにこれら層中
に放電を発生させ、母材中に銅を溶浸させた焼結バルブ
シート部材を得ることを特徴とする焼結バルブシート部
材の製造方法。
【請求項５】本体層とバルブが当接するシート面層と
が拡散接合により積層されているとともに、少なくとも
シート面層が、銅を溶浸させた密度比０．９５〜１．０
０の焼結合金からなることを特徴とする焼結バルブシー
ト部材。