JP2000247750A - Valve for engine - Google Patents

Valve for engine

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JP2000247750A
JP2000247750A JP11050259A JP5025999A JP2000247750A JP 2000247750 A JP2000247750 A JP 2000247750A JP 11050259 A JP11050259 A JP 11050259A JP 5025999 A JP5025999 A JP 5025999A JP 2000247750 A JP2000247750 A JP 2000247750A
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JP
Japan
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silicon nitride
engine valve
oxide
valve
sintered body
Prior art date
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JP11050259A
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Japanese (ja)
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Masashi Sakagami
勝伺 坂上
Masahiro Sato
政宏 佐藤
Takeo Fukutome
武郎 福留
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive valve for an engine having excellent abrasion resistance and strength and excellent in durability. SOLUTION: This valve for an engine has 0.1-10 peak intensity ratio represented by H1/H2 when the peak intensity of Si appearing at 521 cm-1 is H1 and the peak intensity of silicon nitride appearing at 206 cm-1 is H2 in an analytical chart in a position at 200 μm depth from the surface of a neck part according to a Raman spectroscopic analytical method in the valve for the engine comprising a silicon nitride-based sintered compact consisting essentially of a β-silicon nitride crystal phase and having >=3.2 g/cm3 density and <=2% porosity and equipped with a head part, a stem part and the neck part. The sintered compact especially contains Y and/or a rare earth element in an amount of 1-15 wt.% expressed in terms of an oxide, aluminum in an amount of 0.01-5 wt.% expressed in terms of an oxide and impure oxygen in an amount of <=10 wt.% expressed in terms of silicon oxide.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化ケイ素質焼結
体からなり、耐摩耗性および強度に優れた耐久性を有す
るエンジン用バルブに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an engine valve made of a silicon nitride sintered body and having excellent durability and excellent wear resistance and strength.

【0002】[0002]

【従来技術】従来から、窒化ケイ素質焼結体は、耐熱
性、耐熱衝撃性に優れることから、エンジニアリングセ
ラミックス、特にターボロータやエンジンバルブ等の熱
機関用部品として開発が進められており、一部実用化さ
れている。
2. Description of the Related Art Conventionally, silicon nitride sintered bodies have been developed as engineering ceramics, particularly as parts for heat engines such as turbo rotors and engine valves, because of their excellent heat resistance and thermal shock resistance. Department has been put to practical use.

【0003】このような窒化ケイ素質焼結体は、通常、
窒化ケイ素に対して、焼結助剤としてAl2 3 やY2
3 などの希土類元素酸化物を添加し、成形後、窒素雰
囲気中で1700〜2000℃の温度で焼成することに
より作製される。焼成方法としては、常圧焼成法、高圧
中の窒素中で焼成し高温で焼成する窒素ガス加圧焼成
法、プレス型にて機械的な圧力を印加して焼成するホッ
トプレス焼成法、さらに緻密化を図るために1000気
圧以上の静水圧を印加しながら焼成する熱間静水圧焼成
法(HIP法)などが知られている。
[0003] Such a silicon nitride sintered body is usually
Al 2 O 3 or Y 2 as a sintering aid for silicon nitride
It is manufactured by adding a rare earth element oxide such as O 3 , forming, and firing at a temperature of 1700 to 2000 ° C. in a nitrogen atmosphere. Examples of the firing method include a normal pressure firing method, a nitrogen gas pressure firing method of firing in high pressure nitrogen and firing at a high temperature, a hot press firing method of firing by applying a mechanical pressure with a press mold, and a denser method. A hot isostatic sintering method (HIP method) in which sintering is performed while applying a hydrostatic pressure of 1000 atm or more in order to achieve the formation is known.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
窒化ケイ素質焼結体を用いてエンジン用バルブを作製し
た場合、バルブを駆動させた場合、バルブのステム部と
傘部とのつなぎ部であるネック部に高い応力が負荷され
る結果、このネック部にクラックが発生し、次第にその
クラックが進展して最終的には破断に至るといった問題
があった。また、バルブを支持するために形成されるコ
ッター部においても同様な傾向にあった。また、緻密化
および高温強度を高めるために、窒素加圧焼成法やHI
P法を用いると、設備などが非常に高価であるために製
品コストが高くという問題もあった。
However, when a conventional silicon nitride sintered body is used to manufacture an engine valve, and when the valve is driven, it is a connecting portion between the stem portion and the umbrella portion of the valve. As a result of applying a high stress to the neck portion, cracks are generated in the neck portion, and the cracks gradually develop and eventually break. The same tendency was observed in the cotter portion formed to support the valve. Further, in order to increase the densification and the high-temperature strength, a nitrogen pressure firing method or HI
When the P method is used, there is also a problem that the cost of the product is high because the equipment is very expensive.

【0005】このように従来の窒化ケイ素質焼結体を用
いたエンジン用バルブは、優れた特性を有する窒化ケイ
素質焼結体を用いながらも、エンジン用バルブとして
は、充分な特性が得られておらず、その結果、焼き肌強
度や加工ダメージによってバルブの耐久性が充分でな
く、また製造コストが高いなどの理由から実用化が妨げ
られていた。
As described above, a conventional engine valve using a silicon nitride sintered body has sufficient characteristics as an engine valve even though a silicon nitride sintered body having excellent characteristics is used. As a result, the durability of the valve is not sufficient due to the burnt skin strength and processing damage, and the production cost is high.

【0006】よって、本発明は、優れた耐摩耗性と強度
を有する耐久性に優れた安価なエンジン用バルブを提供
することを目的とするものである。
Accordingly, an object of the present invention is to provide an inexpensive engine valve having excellent wear resistance and strength and excellent durability.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
に対し鋭意研究を重ねた結果、窒化ケイ素質焼結体から
なるエンジン用バルブ部品において、エンジン用バルブ
の少なくともネック部分にSiを存在させることによ
り、このネック部の強度および耐摩耗性を高め、耐久性
に優れたバルブが得られることを知見した。
Means for Solving the Problems The present inventors have conducted intensive studies on the above-mentioned problems, and as a result, in an engine valve part made of a silicon nitride sintered body, at least a neck portion of the engine valve has Si. It has been found that the presence of such a valve enhances the strength and wear resistance of the neck portion, and provides a valve with excellent durability.

【0008】即ち、本発明のエンジン用バルブは、β−
窒化ケイ素結晶相を主成分とした密度3.20g/cm
3 以上、気孔率2%以下の窒化ケイ素質焼結体からな
り、傘部と、ステム部と、ネック部とを具備するもので
あるが、本発明によれば、前記ネック部表面から200
μmの深さ位置におけるラマン分光分析法による分析チ
ャートにおいて521cm-1に示すSiのピーク強度を
1 、窒化珪素の206cm-1のピーク強度をH2 とし
た時、H1 /H2 で表されるピーク強度比が0.1〜1
0であることを特徴とするものである。
That is, the engine valve of the present invention has a β-
Density of 3.20 g / cm mainly composed of silicon nitride crystal phase
It is made of a silicon nitride sintered body having a porosity of 3 or more and a porosity of 2% or less, and includes an umbrella portion, a stem portion, and a neck portion.
When the peak intensity of Si shown in 521 cm -1 in an analysis chart by Raman spectroscopy and H 1, the peak intensity of 206cm -1 silicon nitride with H 2 at a depth position of the [mu] m, tables in H 1 / H 2 Peak intensity ratio of 0.1 to 1
It is characterized by being 0.

【0009】また、前記窒化ケイ素質焼結体は、平均ボ
イド径が5μm以下であり、室温強度が900MPa以
上、1000℃強度が700MPa以上であることが望
ましく、組成上は、前記窒化ケイ素質焼結体は、希土類
元素を酸化物換算量で1〜15重量%、アルミニウムを
酸化物換算量0.01〜5重量%、不純物的酸素を酸化
ケイ素換算量で10重量%以下の割合で含むことが望ま
しく、特に前記窒化ケイ素質焼結体が、常圧焼成法によ
って作製されてなることが望ましい。
Preferably, the silicon nitride sintered body has an average void diameter of 5 μm or less, a room temperature strength of 900 MPa or more, and a 1000 ° C. strength of 700 MPa or more. The sintered body contains 1 to 15% by weight of a rare earth element in terms of oxide, 0.01 to 5% by weight in terms of oxide, and 10% by weight or less of impurity oxygen in terms of silicon oxide. It is particularly desirable that the silicon nitride-based sintered body is produced by a normal-pressure firing method.

【0010】さらに、上記窒化ケイ素質焼結体に、M
g、W、Mo、Mn、CuおよびFeの群の少なくとも
1種を、酸化物、窒化物、酸窒化物もしくはケイ化物と
して8重量%以下の割合で含んでもよい。
Further, M is added to the silicon nitride sintered body.
At least one selected from the group consisting of g, W, Mo, Mn, Cu and Fe may be contained as an oxide, nitride, oxynitride or silicide in a proportion of 8% by weight or less.

【0011】さらにまた、前記ネック部の表面粗さが、
十点平均粗さ(Rz)で10μm以下であることが望ま
しい。
Further, the surface roughness of the neck portion is
The ten-point average roughness (Rz) is desirably 10 μm or less.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】本発明のエンジン用バルブは、β
−窒化ケイ素結晶相を主成分とする焼結体によって構成
される。また、上記β−窒化ケイ素結晶相は、平均短径
が0.5〜2μm、平均アスペクト比が3以上の針状粒
子からなりそれらが絡み合った構造となることで、破壊
靱性および強度が向上し、室温から高温における強度及
び靭性特性の向上にも寄与する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The engine valve of the present invention
-It is constituted by a sintered body having a silicon nitride crystal phase as a main component. Further, the β-silicon nitride crystal phase has an average minor axis of 0.5 to 2 μm and an average aspect ratio of 3 or more, and has a structure in which they are entangled, thereby improving fracture toughness and strength. Also, it contributes to improvement of strength and toughness characteristics from room temperature to high temperature.

【0013】また、組成上では、窒化ケイ素を75〜9
5重量%、好適には80〜90重量%含み、また、希土
類元素を酸化物換算量で1〜15重量%、好適には3〜
8重量%、アルミニウムを酸化物換算量0.01〜5重
量%、好適には1〜3重量%、さらに不純物的酸素を酸
化ケイ素換算量で10重量%以下、好適には8重量%以
下の割合でそれぞれ含むことが望ましく、これらの範囲
内において、優れた耐摩耗性が得られ、さらには、後述
するように、常圧において焼結させることが可能とな
る。なお、上記希土類元素としては、Y、Er、Yb、
Lu、Sm等が挙げられる。
Further, in terms of composition, silicon nitride is used in an amount of 75 to 9%.
It contains 5% by weight, preferably 80 to 90% by weight, and contains 1 to 15% by weight, preferably 3 to 15% by weight of a rare earth element in terms of oxide.
8% by weight, aluminum in an amount of 0.01 to 5% by weight, preferably 1 to 3% by weight in terms of oxide, and furthermore, impurity oxygen in an amount of 10% by weight or less, preferably 8% by weight or less in terms of silicon oxide. It is desirable to include them in proportions, and within these ranges, excellent wear resistance is obtained, and further, as described later, sintering at normal pressure becomes possible. The rare earth elements include Y, Er, Yb,
Lu, Sm, and the like.

【0014】ここで、上記不純物的酸素とは、焼結体中
の全酸素量から焼結体中の希土類元素(RE)およびA
lに対して化学量論組成(RE2 3 およびAl
2 3 )で結合していると仮定される酸素量を差し引い
た残りの酸素量であり、そのほとんどは窒化ケイ素粉末
中の不可避的酸素または意図的に添加されたSiO2
分より構成される。
Here, the impurity oxygen refers to the rare earth element (RE) and A in the sintered body based on the total amount of oxygen in the sintered body.
1 to the stoichiometric composition (RE 2 O 3 and Al
2 O 3 ), which is the amount of oxygen remaining after subtracting the amount of oxygen assumed to be bound by the oxygen, and most of the amount is composed of unavoidable oxygen in the silicon nitride powder or SiO 2 component intentionally added. .

【0015】上記希土類元素、アルミニウムは、粒界相
においてはガラス相を形成するか、または希土類元素−
Si3 4 −SiO2 系の結晶相として存在してもよ
い。なお、アルミニウムは、β−窒化珪素結晶相中に一
部固溶していてもよい。
The rare earth element, aluminum, forms a glass phase in the grain boundary phase, or forms a rare earth element-
It may exist as a Si 3 N 4 —SiO 2 system crystal phase. Note that aluminum may be partially dissolved in the β-silicon nitride crystal phase.

【0016】また、上記窒化ケイ素質焼結体には、助剤
成分としてMg、W、Mo、Mn、CuおよびFeの少
なくとも1種を、酸化物、窒化物、酸窒化物もしくはケ
イ化物として8重量%以下の割合で含有させることによ
り、焼結性を高め、緻密化を促進し、さらに特性の改善
を図ることができる。
The silicon nitride sintered body contains at least one of Mg, W, Mo, Mn, Cu and Fe as an auxiliary component, and contains at least one of oxide, nitride, oxynitride or silicide as an auxiliary component. By containing at a ratio of not more than% by weight, sinterability can be enhanced, densification can be promoted, and characteristics can be further improved.

【0017】また、かかる焼結体としては、密度3.2
g/cm3 以上、好適には3.23g/cm3 以上、気
孔率2%以下、好適には1%以下であることが必要であ
る。これは、密度が3.2g/cm3 よりも低いと、バ
ルブの欠損や部材の摩耗が大きくなる傾向にあり、ま
た、気孔率が2%よりも多いと、気孔を起点とする微小
な脱粒摩耗の発生から欠損やチッピングといった異常な
摩耗を生じる恐れがあるためである。
The sintered body has a density of 3.2.
g / cm 3 or more, preferably 3.23 g / cm 3 or more, and porosity of 2% or less, preferably 1% or less. This is because if the density is lower than 3.2 g / cm 3 , the valve is liable to be damaged or the members are worn out. If the porosity is higher than 2%, minute shedding from the pores is considered. This is because abnormal wear such as chipping or chipping may occur from the occurrence of wear.

【0018】また、焼結体は、平均ボイド径が5μm以
下、特に3μm以下であり、室温強度が900MPa以
上、1000℃強度が700MPa以上であることがバ
ルブとしての耐久性を高める上で望ましい。
Further, the sintered body preferably has an average void diameter of 5 μm or less, particularly 3 μm or less, a room temperature strength of 900 MPa or more, and a 1000 ° C. strength of 700 MPa or more in order to enhance the durability as a valve.

【0019】一般に、エンジン用バルブは、図1に示す
ように、略円柱状のステム部1と、傘部2と、ステム部
1と傘部2とのつなぎ部分を構成するネック部3、およ
びステム部1の傘部2の反対側の端部に形成され、保持
部材に保持するためのコッター部4によって構成されて
いる。このバルブのステム部1は一般には、断面直径が
5〜15mm程度の大きさからなる。
In general, as shown in FIG. 1, the engine valve has a substantially cylindrical stem portion 1, an umbrella portion 2, a neck portion 3 forming a connecting portion between the stem portion 1 and the umbrella portion 2, and The stem 1 is formed at an end of the stem 1 opposite to the umbrella 2 and is constituted by a cotter 4 for holding the cotter 4 on a holding member. The stem 1 of this valve is generally of a size having a cross-sectional diameter of about 5 to 15 mm.

【0020】本発明のエンジン用バルブにおいては、少
なくともネック部3の表面から200μmの深さ位置を
ラマン分光分析法によって分析した時に、微小のSiが
検出され、具体的には、ラマン分光分析法による分析チ
ャートにおいて521cm-1に示すSiのピーク強度を
1 、窒化珪素の206cm-1のピーク強度をH2 とし
た時、H1 /H2 で表されるピーク強度比が0.1〜1
0、特に0.2〜2.5であることが大きな特徴であ
る。
In the engine valve of the present invention, when at least a position 200 μm deep from the surface of the neck portion 3 is analyzed by Raman spectroscopy, minute Si is detected. H 1 peak intensity of Si shown in 521 cm -1 in an analysis chart by, when the peak intensity of 206cm -1 silicon nitride was H 2, the peak intensity ratio 0.1 represented by H 1 / H 2 1
It is a great feature that it is 0, especially 0.2 to 2.5.

【0021】このSiは、走査型電子顕微鏡(SEM)
においても観察することができないレベルのものであ
り、ラマン分光分析法によってのみ検出されるものであ
る。このSiはSEM観察では検出できないものの、お
そらく粒界中もしくは窒化珪素粒内に分散しているもの
と推察される。
This Si is used for scanning electron microscope (SEM)
Is a level that cannot be observed even in the case of, and is detected only by Raman spectroscopy. Although this Si cannot be detected by SEM observation, it is presumed that it is probably dispersed in the grain boundaries or in the silicon nitride grains.

【0022】このようにネック部表面から200μmの
深さ位置において、所定量のSiが存在することによっ
て、ネック部表面から発生するクラックの進展をこのS
iが妨げ内部に進行するのを抑制する作用をなし、ネッ
ク部の強度向上と耐摩耗性をも向上させることができる
結果、バルブの耐衝撃性を向上させるとともに、異常摩
耗を誘発するチッピングや欠損、剥離摩耗を抑制するこ
とができる。
As described above, the presence of a predetermined amount of Si at a depth of 200 μm from the surface of the neck causes propagation of cracks generated from the surface of the neck to this S.
As a result, it is possible to improve the strength of the neck portion and the abrasion resistance, thereby improving the impact resistance of the valve and causing chipping or abnormal wear. Defects and peel wear can be suppressed.

【0023】しかし、ここで焼結体内に存在するSi粒
子はごく微量であることが上記特性の向上を発揮させる
上で重要であり、例えば、SiがX線回折測定法によっ
て検出されるレベルで存在すると、それが摩耗を誘発
し、ネック部の耐摩耗性を劣化させてしまう。
However, it is important that the amount of Si particles present in the sintered body is very small in order to exhibit the above-mentioned characteristics. For example, Si particles are present at a level detected by X-ray diffraction measurement. When present, it induces wear and degrades the wear resistance of the neck.

【0024】従って、上記ピーク比が0.1よりも低い
と異常摩耗を抑制する効果が低く、所望の特性が得られ
ず、10を越えると、析出したSi自体が摩耗源あるい
は破壊源となり耐摩耗性および強度を劣化させてしまう
ためである。
Therefore, if the peak ratio is lower than 0.1, the effect of suppressing abnormal wear is low, and desired characteristics cannot be obtained. If the peak ratio exceeds 10, the precipitated Si itself becomes a source of wear or breakage and becomes resistant to wear. This is because abrasion and strength are deteriorated.

【0025】本発明のエンジン用バルブにおいては、バ
ルブの表面は、加工面あるいは焼き肌面からなるが、例
えば、ネック部は曲面によって形成されているために、
これを鏡面研磨加工すると、加工コストが高くなるた
め、少なくとも一部で焼き肌表面によって構成されるこ
とが望ましい。
In the engine valve of the present invention, the surface of the valve is formed of a machined surface or a burnt surface. For example, since the neck portion is formed by a curved surface,
If this is mirror-polished, the processing cost will be high. Therefore, it is desirable that at least a part be constituted by a burnt skin surface.

【0026】その場合、その焼き肌面の表面における前
記ラマン分光分析法による分析チャートにおけるピーク
強度(H1 /H2 )は0.1以下であることが望まし
い。これは、Siは表面に存在すると、耐摩耗性を劣化
させる恐れがあるためである。この表面のSi量は、焼
成時の雰囲気や温度を制御して焼き肌表面のSiを窒化
することによって制御できる。
In this case, it is desirable that the peak intensity (H 1 / H 2 ) in the analysis chart by the Raman spectroscopic analysis on the surface of the burnt surface is 0.1 or less. This is because if Si is present on the surface, the abrasion resistance may be degraded. The amount of Si on this surface can be controlled by controlling the atmosphere and temperature during firing and nitriding Si on the surface of the burnt skin.

【0027】また、本発明によれば、バルブのネック部
におけるラマン分光分析法に基づくピーク強度比を上記
のように限定したが、かかるピーク強度比は、さらに
は、コッター部4の内面、さらにはバルブ全体に対して
同様な特性を有することが最も望ましい。
Further, according to the present invention, the peak intensity ratio based on Raman spectroscopy at the neck of the valve is limited as described above. Most preferably have similar characteristics for the entire valve.

【0028】また、本発明のエンジン用バルブによれ
ば、ネック部の表面の面粗さが、十点平均粗さ(Rz)
で10μm以下であることが好ましい。この面粗さが1
0μmを越えると表面の溝部が欠陥として作用し、部品
の疲労強度を低下させるとともに、摺動する相手材を異
常に摩耗させたり、バルブ自身のチッピングを誘発させ
るためである。特に、この異常摩耗やチッピングは、腐
食性のガス雰囲気中で使用される場合に問題となる。特
に、本発明によれば、上記ネック部が10μm以下の焼
き肌面によって構成されていることが望ましい。
Further, according to the engine valve of the present invention, the surface roughness of the surface of the neck portion is equal to the ten-point average roughness (Rz).
Is preferably 10 μm or less. This surface roughness is 1
If the thickness exceeds 0 μm, the groove on the surface acts as a defect, which lowers the fatigue strength of the component, abnormally wears the sliding partner, and induces chipping of the valve itself. In particular, the abnormal wear and chipping pose a problem when used in a corrosive gas atmosphere. In particular, according to the present invention, it is desirable that the neck portion is constituted by a burnt surface of 10 μm or less.

【0029】このような本発明のエンジン用バルブは、
例えば、次のような製造方法によって作製される。ま
ず、窒化ケイ素粉末としては、それ自体α−Si
3 4 、β−Si3 4 のいずれでもよいが、焼結性を
高める上では、α率が90%以上であることが望まし
い。また、窒化ケイ素粉末の平均粒径は、0.4〜1.
2μm、不純物酸素量は0.5〜1.5重量%が適当で
ある。
The engine valve of the present invention has the following features.
For example, it is manufactured by the following manufacturing method. First, as silicon nitride powder, α-Si itself is used.
Either 3 N 4 or β-Si 3 N 4 may be used, but in order to enhance sinterability, the α ratio is desirably 90% or more. The average particle size of the silicon nitride powder is 0.4 to 1.
2 μm, and the amount of impurity oxygen is suitably 0.5 to 1.5% by weight.

【0030】また、窒化ケイ素原料の80重量%以下の
相当量をケイ素粉末に置き換えてもよい。ケイ素粉末を
含有させ、低温で窒化するとα−Si3 4 が生成され
やすくなり、窒化後の成形体のα−Si3 4 の含有量
を高めることができる。このようなα−Si3 4 の含
有量の大きい成形体を焼成すると、針状のβ−窒化ケイ
素結晶相の生成を増加させることができ、焼結体の強度
および靱性を高くさせることができるために有利であ
る。
Also, a substantial amount of 80% by weight or less of the silicon nitride raw material may be replaced with silicon powder. When silicon powder is contained and nitridation is performed at a low temperature, α-Si 3 N 4 is easily generated, and the content of α-Si 3 N 4 in the compact after nitriding can be increased. By firing such a compact having a large content of α-Si 3 N 4 , the generation of needle-like β-silicon nitride crystal phase can be increased, and the strength and toughness of the sintered compact can be increased. It is advantageous to be able to.

【0031】次に、このような窒化ケイ素粉末、あるい
は窒化ケイ素粉末とケイ素粉末との混合粉末にに対し
て、希土類元素酸化物粉末、Al2 3 粉末、場合によ
ってはSiO2 粉末を、焼成前の成形体組成が、希土類
元素の酸化物換算量が1〜15重量%、特に3〜8重量
%、アルミニウムが酸化物換算で0.01〜5モル%、
特に1〜3重量%であること、さらには、成形体中の全
酸素量から希土類元素酸化物粉末、Al2 3 粉末中の
酸素分を差し引いた残りの酸素量が、SiO2 換算で1
0重量%以下、特に8重量%以下となるように添加す
る。
Next, a rare earth element oxide powder, an Al 2 O 3 powder, and in some cases, a SiO 2 powder are fired with the silicon nitride powder or the mixed powder of the silicon nitride powder and the silicon powder. The composition of the former compact has a rare earth element oxide equivalent of 1 to 15% by weight, particularly 3 to 8% by weight, aluminum has an oxide equivalent of 0.01 to 5% by mole,
In particular, it is 1 to 3% by weight, and the remaining oxygen amount obtained by subtracting the oxygen content in the rare earth element oxide powder and the Al 2 O 3 powder from the total oxygen content in the compact is 1% in terms of SiO 2.
It is added so as to be 0% by weight or less, particularly 8% by weight or less.

【0032】これらの焼結助剤成分の含有量を上記のよ
うに限定したのは、各成分が上記の値より低いと焼成過
程で液相が不足し緻密体が得られず強度は低下し、各成
分が上記の値より多いと焼成中の液相が増加する結果、
窒化ケイ素が異常な粒成長を引き起こしやすくなり、そ
の異常粒が破壊源となり強度を低下させてしまい、また
表層では窒化ケイ素の分解が激しくなり強度低下してし
まうためである。
The reason why the content of these sintering aid components is limited as described above is that if each component is lower than the above-mentioned value, the liquid phase becomes insufficient in the firing process, a dense body cannot be obtained, and the strength decreases. As a result, if each component is more than the above value, the liquid phase during firing increases,
This is because silicon nitride tends to cause abnormal grain growth, and the abnormal grains serve as a fracture source to lower the strength. In addition, silicon nitride is strongly decomposed in the surface layer and the strength is reduced.

【0033】また、他の成分として、Mg、W、Mo、
Mn、CuおよびFeの群の少なくとも1種の酸化物、
窒化物、酸窒化物もしくはケイ化物を8重量%以下の割
合で添加してもよい。
Further, as other components, Mg, W, Mo,
At least one oxide of the group of Mn, Cu and Fe;
Nitride, oxynitride or silicide may be added at a ratio of 8% by weight or less.

【0034】その後、上記の比率に調合した混合粉末を
メッシュパス造粒、スプレー造粒、乾式造粒等により3
0〜300μmの大きさの造粒体を形成した後に、この
造粒体を用いてエンジン用バルブの形状に成形する。成
形方法としては、ラバープレス成形、押し出し成形、排
泥成形、鋳込成形、プレス成形などが挙げられる。特
に、製品形状に近い成形体を作製できる点でラバープレ
ス成形が好適である。
Thereafter, the mixed powder prepared in the above ratio is mixed by mesh pass granulation, spray granulation, dry granulation or the like.
After forming a granulated body having a size of 0 to 300 μm, the granulated body is used to form a valve for an engine. Examples of the molding method include rubber press molding, extrusion molding, sludge molding, cast molding, and press molding. In particular, rubber press molding is preferable in that a molded article having a shape close to a product shape can be produced.

【0035】次に、得られた成形体をSiOを含む窒素
雰囲気下で1700〜1800℃、特に1750〜18
00℃の温度で常圧焼成し、場合によっては、その焼結
体表面を適宜、鏡面研磨することにより、製品としての
エンジン用バルブを作製することができる。
Next, the obtained molded body is placed in a nitrogen atmosphere containing SiO at 1700 to 1800 ° C., particularly 1750 to 18 ° C.
By firing at normal pressure at a temperature of 00 ° C. and, in some cases, appropriately polishing the surface of the sintered body to a mirror surface, an engine valve as a product can be manufactured.

【0036】なお、上記SiO雰囲気は、SiO2 +S
i、もしくはSiO2 +Si3 4の混合粉末を成形体
が収納される焼成鉢内に一緒に入れて焼成することによ
り形成することができる。
The above-mentioned SiO atmosphere is SiO 2 + S
i or a mixed powder of SiO 2 + Si 3 N 4 can be formed by putting together and firing in a firing bowl in which the molded body is stored.

【0037】また、本発明によれば、焼結体中に所定量
のSiを析出させるために、焼成温度を、窒化ケイ素が
常圧にてSi3 4 がケイ素と窒素ガスに分解する平衡
温度から約30℃低い温度範囲内で焼成して、ごく微量
のSi3 4 を分解させる。この分解によって、生成さ
れたSiが粒界中に粒子として存在することになる。な
お、Si量は、上記温度範囲での保持時間などにより任
意に制御することが可能である。
Further, according to the present invention, in order to deposit a predetermined amount of Si in the sintered body, the sintering temperature, Si 3 N 4 equilibrium decomposes into silicon and nitrogen gas silicon nitride at atmospheric pressure Firing in a temperature range lower by about 30 ° C. than the temperature decomposes a very small amount of Si 3 N 4 . This decomposition causes the generated Si to exist as particles in the grain boundaries. The amount of Si can be arbitrarily controlled by, for example, the holding time in the above temperature range.

【0038】なお、焼成雰囲気中にSiOを含まない場
合、もしくは1800℃を越える焼成温度では、窒化ケ
イ素の分解が激しく、微量の窒化ケイ素のみを分解させ
るような細かな制御が難しい。また1700℃よりも低
いと焼結性が低下するとともに、Siの析出が望めず、
強度、靱性の向上が望めない。
When SiO is not contained in the sintering atmosphere or at a sintering temperature exceeding 1800 ° C., silicon nitride is decomposed violently, and it is difficult to perform detailed control for decomposing only a small amount of silicon nitride. On the other hand, when the temperature is lower than 1700 ° C., the sinterability is reduced, and precipitation of Si cannot be expected.
Improvement of strength and toughness cannot be expected.

【0039】[0039]

【実施例】平均粒径が1μm、α率92%、酸素量1重
量%の窒化ケイ素(Si3 4 )粉末、希土類元素酸化
物(RE2 3 )、酸化アルミニウム(Al2 3 )お
よび酸化ケイ素(SiO2 )の各粉末を用いて、各成分
が表1に示す組成になるように調合し、スプレードライ
によって粒径が40〜200μmの造粒体を作製した。
その後、1〜3トン/cm2 の圧力でもってラバープレ
ス(アイソスタテイックプレス)成形をおこない切削加
工によってバルブ形状の成形体と、機械的特性評価用の
成形体を作製した。なお、表中のSiO2 量はSi3
4 粉末中の不純物酸素をSiO2 換算したものも含む。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Silicon nitride (Si 3 N 4 ) powder having an average particle size of 1 μm, α ratio of 92% and oxygen content of 1% by weight, rare earth oxide (RE 2 O 3 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) Using powders of silicon oxide (SiO 2 ) and the respective components, the components were blended so as to have the composition shown in Table 1, and a granulated product having a particle size of 40 to 200 μm was prepared by spray drying.
Thereafter, rubber press (isostatic press) molding was performed under a pressure of 1 to 3 ton / cm 2 to produce a valve-shaped molded body and a molded body for evaluating mechanical properties by cutting. The amount of SiO 2 in the table is Si 3 N
4 Includes SiO 2 converted to impurity oxygen in powder.

【0040】次に、上記のようにして作製した成形体を
炭化ケイ素質の匣鉢に入れ、カーボンヒータを用いて、
成形体重量の5%のSiO2 +Si(重量比で1:1)
混合粉末を配置し、表1の条件で5時間、常圧焼成し
た。その後、バルブのコッター部を加工し、ステム部の
直径が7mm、傘部直径が36mmのエンジン用バルブ
を作製した。また、バルブ表面に対しては寸法の合わせ
のためステム部、傘部およびコッター部を鏡面加工し、
ネック部は焼き肌面のままとした。
Next, the molded body produced as described above was placed in a silicon carbide sagger, and
SiO 2 + Si at 5% of the weight of the compact (1: 1 by weight)
The mixed powder was placed and baked at normal pressure for 5 hours under the conditions shown in Table 1. Thereafter, the cotter portion of the valve was processed to produce an engine valve having a stem portion having a diameter of 7 mm and an umbrella portion having a diameter of 36 mm. For the valve surface, the stem, umbrella and cotter are mirror-finished to match the dimensions,
The neck was left on the baked surface.

【0041】かくして得られた評価用の各焼結体に対し
て、密度、気孔率、強度、平均ボイド径を以下の方法で
測定しその結果を表2に示した。密度および気孔率は、
JISR1601にて規定された条件の形状にまで加工
しアルキメデス法に基づく比重測定から求めた。強度
は、JISR1601に基づき室温、1000℃の4点
曲げ抗折強度試験をおこなって求めた。さらに走査型電
子顕微鏡写真からボイドの平均径を調べた。
The density, porosity, strength, and average void diameter of each of the thus obtained sintered bodies for evaluation were measured by the following methods, and the results are shown in Table 2. The density and porosity are
It was processed to a shape under the conditions specified by JISR1601, and determined by specific gravity measurement based on the Archimedes method. The strength was determined by performing a four-point bending strength test at room temperature and 1000 ° C. based on JISR1601. Further, the average diameter of voids was examined from a scanning electron micrograph.

【0042】また、得られたエンジン用バルブに対し
て、ネック部の焼き肌面と、表面を200μm研磨処理
した研磨面をラマン分光分析法により窒化ケイ素の20
6cm-1のピーク強度H2 と、Siの521cm-1のピ
ーク強度H1 とのピーク強度比H1 /H2 比を求めた。
試料No.8について表面および200μmの深さ位置に
おけるラマン分光分析チャートを図1、図2に示した。
さらに、ネック部の十点平均面粗さ(Rz)を測定し、
表2に示した。
Further, with respect to the engine valve thus obtained, the burnt surface of the neck portion and the polished surface of which the surface was polished by 200 μm were subjected to Raman spectroscopic analysis to obtain a silicon nitride 20 μm.
A peak intensity of H 2 6 cm -1, was determined peak intensity ratio H 1 / H 2 ratio of the peak intensity H 1 of Si 521 cm -1.
FIGS. 1 and 2 show Raman spectroscopic analysis charts of Sample No. 8 at the surface and at a depth of 200 μm.
Further, the ten-point average surface roughness (Rz) of the neck portion was measured,
The results are shown in Table 2.

【0043】バルブの耐久試験として、市販の排気量2
000ccの6気筒直接駆動式の排気バルブとして取付
け、天然ガスを用いて10000〜15000rpmで
10mmのストロークを与えながら実用耐久疲労試験を
行い、排気バルブが破壊及びチッピング等の異常摩耗を
起こすまでの耐久時間を積算時間により求めた。なお、
積算時間は500時間を打ち切り時間とし、異常摩耗を
していない試料は摺動部の減肉幅を摩耗量とした。
As a valve durability test, a commercially available displacement of 2
Mounted as a 000cc 6-cylinder direct-drive exhaust valve, performing a practical durability fatigue test while giving a 10mm stroke at 10,000 to 15000rpm using natural gas, and endurance until the exhaust valve causes abnormal wear such as destruction and chipping. The time was determined from the accumulated time. In addition,
The integration time was set to a cutoff time of 500 hours, and for a sample that did not undergo abnormal wear, the thickness of the thinned portion of the sliding portion was taken as the amount of wear.

【0044】[0044]

【表1】 [Table 1]

【0045】[0045]

【表2】 [Table 2]

【0046】表1および表2の結果によれば、ネック部
の内部にSiが検出されない試料No.1では、耐久試験
で400時間でチッピングにより異常摩耗が発生した。
また、Si検出量、即ち、ピーク強度比が10よりも大
きい試料No.14では、通常摩耗が大きく減肉したネッ
ク部より450時間で折損した。さらに、バルブの密度
が3.20g/cm3 よりも低い試料No.15〜17で
は、摩耗が大きく、ネック部およびコッター部より短時
間で折損した。さらに、気孔率が2%よりも大きい試料
No.18ではボイド部分から異常摩耗によるチッピング
を起こした。
According to the results shown in Tables 1 and 2, in Sample No. 1 in which no Si was detected inside the neck, abnormal wear occurred due to chipping after 400 hours in the durability test.
Further, in Sample No. 14 in which the amount of Si detected, that is, the peak intensity ratio was larger than 10, the breakage occurred in 450 hours from the neck portion where the wear was usually greatly reduced. Further, in Sample Nos. 15 to 17 in which the density of the bulb was lower than 3.20 g / cm 3 , the abrasion was large and the bulb was broken in a shorter time than the neck and the cotter. Further, in Sample No. 18 having a porosity of more than 2%, chipping occurred due to abnormal wear from the void portion.

【0047】これらの比較例に対して、本発明の試料N
o.2〜13は、いずれも室温強度が900MPa以上、
1000℃強度が700MPa以上、耐久時間が500
時間以上、減肉摩耗量が1mm以下、ネック部の面粗度
Rzは焼き肌面でも10μm以下の良好な表面を有して
いた。
For these comparative examples, the sample N of the present invention was used.
o.2 to 13 have a room temperature strength of 900 MPa or more,
1000 ° C strength of 700MPa or more, endurance time of 500
For more than an hour, the thinning wear amount was 1 mm or less, and the surface roughness Rz of the neck portion had a good surface of 10 μm or less even on the baked surface.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上のとおり、本発明のエンジン用バル
ブによれば、β−窒化ケイ素結晶相を主成分としたバル
ブ部品において特定の組成に制御するとともに、窒化ケ
イ素質焼結体からなる少なくともネック部に特定量のS
iを析出させることによりバルブの耐摩耗性や強度を高
め、バルブの耐久性を向上させることができる。
As described above, according to the engine valve of the present invention, a valve component containing a β-silicon nitride crystal phase as a main component is controlled to a specific composition and at least comprises a silicon nitride sintered body. Specific amount of S on neck
By precipitating i, the wear resistance and strength of the valve can be increased, and the durability of the valve can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のエンジン用バルブの概略図を示す。FIG. 1 is a schematic view of an engine valve according to the present invention.

【図2】本発明のエンジン用バルブ(試料No.8)のネ
ック部表面のラマン分光分析チャートを示す。
FIG. 2 is a Raman spectroscopic analysis chart of a neck surface of an engine valve (sample No. 8) of the present invention.

【図3】本発明のエンジン用バルブ(試料No.8)のネ
ック部表面から200μmの深さ位置のラマン分光分析
チャートを示す。
FIG. 3 is a Raman spectroscopic analysis chart at a depth of 200 μm from the neck surface of the engine valve (sample No. 8) of the present invention.

【符号の説明】 1 ステム部 2 傘部 3 ネック部 4 コッター部[Description of Signs] 1 stem part 2 umbrella part 3 neck part 4 cotter part

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G001 BA01 BA03 BA06 BA08 BA09 BA11 BA48 BA61 BA73 BB01 BB03 BB06 BB08 BB09 BB11 BB24 BB31 BB32 BB48 BB62 BB73 BC12 BC13 BC35 BC54 BC56 BC62 BD12 BD14 BD15 BE03 BE11 BE31 BE33 BE35 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page F term (reference) 4G001 BA01 BA03 BA06 BA08 BA09 BA11 BA48 BA61 BA73 BB01 BB03 BB06 BB08 BB09 BB11 BB24 BB31 BB32 BB48 BB62 BB73 BC12 BC13 BC35 BC54 BC56 BC62 BD12 BD14 BD15 BE03 BE11 BE31 BE33 BE33

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】β−窒化ケイ素結晶相を主成分とし、密度
3.2g/cm3 以上、気孔率2%以下の窒化ケイ素質
焼結体からなり、傘部と、ステム部と、ネック部とを具
備するエンジン用バルブにおいて、前記ネック部表面か
ら200μmの深さ位置におけるラマン分光分析法によ
る分析チャートにおいて521cm-1に示すSiのピー
ク強度をH1 、窒化珪素の206cm-1のピーク強度を
2 とした時、H1 /H2 で表されるピーク強度比が
0.1〜10であることを特徴とするエンジン用バル
ブ。
1. A silicon nitride sintered body having a β-silicon nitride crystal phase as a main component and a density of 3.2 g / cm 3 or more and a porosity of 2% or less, comprising an umbrella portion, a stem portion, and a neck portion. In an engine valve comprising: a peak intensity of Si at 521 cm −1 in an analysis chart by Raman spectroscopy at a depth of 200 μm from the surface of the neck portion is H 1 , and a peak intensity at 206 cm −1 of silicon nitride is silicon nitride; when was the H 2, an engine valve, wherein the peak intensity ratio represented by H 1 / H 2 is 0.1 to 10.
【請求項2】前記窒化ケイ素質焼結体が、平均ボイド径
が5μm以下であり、室温強度が900MPa以上、1
000℃強度が700MPa以上である請求項1記載の
エンジン用バルブ。
2. The silicon nitride sintered body has an average void diameter of 5 μm or less and a room temperature strength of 900 MPa or more.
The engine valve according to claim 1, wherein the 000 ° C strength is 700 MPa or more.
【請求項3】前記窒化ケイ素質焼結体が、希土類元素を
酸化物換算量で1〜15重量%、アルミニウムを酸化物
換算量0.01〜5重量%、不純物的酸素を酸化ケイ素
換算量で10重量%以下の割合で含むことを特徴とする
請求項1または請求項2記載のエンジン用バルブ。
3. The silicon nitride sintered body is characterized in that the rare earth element is 1 to 15% by weight in terms of oxide, aluminum is 0.01 to 5% by weight in terms of oxide, and impurity oxygen is in terms of silicon oxide. The engine valve according to claim 1 or 2, wherein the content is 10% by weight or less.
【請求項4】前記窒化ケイ素質焼結体に、Mg、W、M
o、Mn、CuおよびFeの群の少なくとも1種を、酸
化物、窒化物、酸窒化物もしくはケイ化物として8重量
%以下の割合で含むことを特徴とする請求項1乃至請求
項3のいずれか記載のエンジン用バルブ。
4. The method according to claim 1, wherein the silicon nitride sintered body includes Mg, W, M
4. The method according to claim 1, wherein at least one of the group consisting of o, Mn, Cu and Fe is contained as an oxide, nitride, oxynitride or silicide in a proportion of 8% by weight or less. Engine valve according to any of the preceding claims.
【請求項5】前記窒化ケイ素質焼結体が、常圧焼成法に
よって作製されてなることを特徴とする請求項1乃至請
求項4のいずれか記載のエンジン用バルブ。
5. The engine valve according to claim 1, wherein the silicon nitride sintered body is manufactured by a normal pressure firing method.
【請求項6】前記ネック部の表面粗さが、十点平均粗さ
(Rz)で10μm以下であることを特徴とする請求項
1記載のエンジン用バルブ。
6. The engine valve according to claim 1, wherein a surface roughness of the neck portion is 10 μm or less in ten-point average roughness (Rz).
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008045181A (en) * 2006-08-18 2008-02-28 Honda Motor Co Ltd Surface modification method for engine valve
WO2014104112A1 (en) * 2012-12-25 2014-07-03 京セラ株式会社 Silicon nitride-based sintered object and cutting tool
JP2014231460A (en) * 2013-05-29 2014-12-11 日本特殊陶業株式会社 Silicon nitride sintered compact and manufacturing method thereof and rolling element for bearing

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