JP2002069599A - バルブガイド材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関のバルブガイド材には、エンジン作
動時のバルブとの摺動に対する耐摩耗性と，エンジンの
組み立て工程における被削性（削り易さ）という相反す
る特性が求められるが、生産コストと効率の観点から、
被削性を更に改善したい。 【解決手段】 組成が炭素１．５〜４％，銅６〜２０
％，錫０．１〜２％，リン０．０１〜０．１％未満，頑
火輝石と硫化マンガンを合計４％未満および鉄残部で、
基地中に銅錫系合金相，遊離黒鉛，頑火輝石および硫化
マンガンが分散する組織の焼結合金により、耐摩耗性は
従来材と大差ないまま、被削性は４倍程度に向上した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は内燃機関のバルブ
ガイドに好適な耐摩耗性および被削性，特に後者の優れ
た焼結合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のバルブガイドには、ねずみ鋳
鉄やボロン鋳鉄などの特殊鋳鉄が用いられることもある
が、鋳鉄の場合は作業環境，量産性，価格面などに問題
があるため、焼結合金での代替が進められてきた。しか
し一般的な焼結合金では耐摩耗性が不充分であり、一
方、合金成分を添加して材質を強化すれば耐摩耗性は使
用可能な水準に達するが、その反面多くの場合被削性
（切削加工性）が低下する。バルブガイドはエンジンの
シリンダーヘッドに組み付け後、リーマ加工によって内
径仕上げを施すので、バルブガイド材の被削性が悪いと
加工の所要時間が長くなったり、工具の摩耗が早まった
りして生産効率が阻害される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以前、耐摩耗性と被削
性の両立を企図して本出願人が開発したバルブガイド材
（特公昭５５−３４８５８号参照）は、組成が質量比で
Ｃ…１．５〜４％，Ｃｕ…１〜５％，Ｓｎ…０．１〜２
％，Ｐ…０．１〜０．３％未満およびＦｅ残部の焼結合
金であるが、耐摩耗性はボロン鋳鉄より優れ、被削性も
鋳鉄材に比べれば削り難いものの従来の焼結材よりは優
れているため、自動車メーカー各社に広く用いられてき
た。しかるに近年、この分野を取り巻く環境の変化によ
って品質の向上に併せて生産性向上の必要が従来以上に
高まり、バルブガイド材については被削性のより優れた
材料が求められるようになった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、上述の先発明に
係るバルブガイド材を基礎としつつその改良を図ったと
ころ、銅の含有量を多くし、併せてリンの含有量を少な
くすると被削性が顕著に向上するという結果が得られ
た。この発明はこの様な知見に基づいてなされたもの
で、その一つは銅の含有量を６〜２０％（質量％；以
下、この明細書中の％は、特記しない限り全て質量％で
ある。）の範囲に増加させると共にリンの含有量を０．
０１〜０．１％未満の範囲に抑えたことを骨子とするも
のであり、他の一つは、この様な銅の増量およびリンの
抑制に併せて、頑火輝石（ enstatite；ＭｇＳｉＯ₃ ）
と硫化マンガン（ＭｎＳ）を合計で４％未満添加したこ
とを骨子とするものである。

【０００５】即ち第一の発明に係るバルブガイド材は組
成がＣ…１．５〜４％，Ｃｕ…６〜２０％，Ｓｎ…０．
１〜２％，Ｐ…０．０１〜０．１％未満，およびＦｅ残
部の焼結合金で、その金属組織は、パーライトを主体と
する基地中に銅または銅錫系合金相（この「または」は
銅および銅錫系…も含む。）；および遊離黒鉛が分散し
ている。また第二の発明に係るものは合金の組成がＣ…
１．５〜４％，Ｃｕ…６〜２０％，Ｓｎ…０．１〜２
％，Ｐ…０．０１〜０．１％未満，頑火輝石と硫化マン
ガンの合計で４％未満，およびＦｅ残部の焼結合金で、
パーライトを主体とする基地中に銅または銅錫系合金
相；遊離黒鉛，頑火輝石および硫化マンガンが分散した
組織を呈している。なおこれらの合金の基地中には、リ
ンの含有量に応じてＦｅ−Ｐ−Ｃ系合金相の生成が認め
られる。従って、上述のパーライトを主体とする基地に
は、この様な場合も包含されている。

【０００６】

【発明の実施の形態】この発明に係る焼結合金におい
て、炭素は黒鉛粉の形で添加され、一部（概ね０．８〜
１％）は鉄に固溶して基地を強化したり、リンと結合し
て比較的硬質な粒子状のＦｅ−Ｐ−Ｃ系合金相（ステダ
イト相）を生成して分散し、残りが遊離炭素（黒鉛）の
状態で残留して固体潤滑の作用をする。遊離黒鉛の量
は、炭素の含有量（全炭素量）が１．５％の場合に約
０．３％，全炭素量３％で約１．７％であるが、遊離黒
鉛が０．３％より少ない場合にはバルブとの摺動による
バルブガイドの摩耗が大きくなる。このため、炭素の含
有量は１．５％を下限とする。一方、過剰の場合は基材
の強度が低下する上に、粉末成形時に偏析や流動性阻害
などの原因となるため、炭素の含有量は４％を上限とす
る。

【０００７】銅と錫は、通常は錫の含有量が５〜２０％
程度の銅−錫合金粉の形で、およびそれに所要量の銅粉
を追加した形で添加される。共に焼結の進行を促進し、
固溶して基地を強化する一方、一部がＣｕ−Ｓｎ系合金
相として残留して摺動特性や被削性を向上させる。そし
てこの際、Ｃｕ−Ｓｎ系合金相と共に銅相が分散すると
この作用が一層強化されるが、その効果は銅の含有量６
％以上で顕著になる。但し、２０％を超えると耐摩耗性
が悪化するので、銅の含有量の適正範囲を６〜２０％と
する。一方、錫の存在による上記の作用効果は含有量が
０．１％以上で生じるが、２％を超えると基材の脆化を
招くので、錫の含有量は０．１〜２％を適正範囲とす
る。

【０００８】リンはＦｅ−Ｐ合金粉またはＣｕ−Ｐ合金
粉の形で添加される。リンの含有量に応じて、生成され
るステダイト相が増し、基材の剛性が高まり耐摩耗性が
向上するが、その反面被削性は低下する。従って、この
発明の目的は先発明材よりも被削性を向上させることに
あるので、リンの含有量を先発明材より少なく０．１％
未満（但し０．０１％〜）に抑制して遊離黒鉛を増加さ
せ、被削性を向上させる。リンの減量に従い耐摩耗性は
低下するが、それでも、ねずみ鋳鉄に比べれば摩耗量は
１／３以下で、遥かに優れた水準にある。

【０００９】第二の発明における頑火輝石はメタ珪酸マ
グネシウム鉱物で、斜方晶の粒子で劈開性があり、遊離
黒鉛と同じく固体潤滑剤として作用すると共に被削性を
より改善する。硫化マンガンも同様であるが、更に基材
の耐摩耗性を向上させる作用がある。何れも粉末として
添加されるが、頑火輝石と硫化マンガン（好ましくは頑
火輝石の２〜３割）を混用すると、耐摩耗性と被削性を
その均衡を保ちつつ、一層改善することができる。

【００１０】遊離黒鉛も含めこれらの固体潤滑剤は、基
地中に分散して固体潤滑効果を示す反面、含有（分散）
量の増加に従って材料強度を低下させる。そしてこの発
明の場合は含有量が４％を超えるとバルブガイド材とし
て必要な材料強度を保てなくなるので、固体潤滑剤（遊
離黒鉛，頑火輝石および硫化マンガン）の総量を４％以
下とする。これは、例えば全炭素量が１．５％で遊離黒
鉛量が０．７％の場合には、頑火輝石と硫化マンガンを
合計で最大３．３％まで含有させられることを意味して
いる。原料粉末の配合、成形および焼結は粉末冶金の通
常の方法によるが、焼結雰囲気は還元性または浸炭性の
雰囲気が好ましく、焼結温度は高過ぎると遊離黒鉛が消
失するので、９８０〜１１００℃程度が適している。

【００１１】（実施例１） 先ず原料粉として、炭素は
天然黒鉛粉，リンはＦｅ−２０％Ｐ合金粉，銅と錫は銅
粉とＣｕ−１０％Ｓｎ合金粉，鉄は還元鉄粉，それに粉
末潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を用意した。次にこれ
らを各所定割合に配合して、全体組成で炭素は一律２
％，リンは０．０１％，０．０３％，０．１％，０．３
％の４種類に固定し、銅は２〜３０％，錫は０．１〜２
％まで変化させた混合粉（還元鉄粉残部）を作製した。
各混合粉とも、ステアリン酸亜鉛の添加量は一律０．７
５％である。

【００１２】次に各混合粉それぞれを成形圧力４９０Ｍ
Ｐａで所定の形状に成形後、還元性ガス雰囲気中１００
０℃で６０分間焼結して長さ４０ｍｍ，外径１２ｍｍ，
内径７．４ｍｍの円筒状試料多数を作製した。各試料
（焼結材）の合金組織は、基地が密なパーライト組織
で、赤味を帯びたＣｕ−Ｓｎ系合金相，それに銅の含有
量の多い試料では銅相が点在している。また、リンの含
有量が多い試料では白味を帯びたＦｅ−Ｐ−Ｃ系合金相
（ステダイト相）が数多く点在しているが、リンの含有
量が少ない試料では、それが減少している。ちなみに、
リンの含有量が多い（０．３％）試料と少ない（０．０
３％）試料の遊離黒鉛量を各試料の切り粉を酸に溶解し
た不溶解残滓から測定し比較したところ、後者の試料で
は遊離黒鉛が約０．２〜０．３％多くなっている。

【００１３】次に、かくして得られた各試料について、
被削性および耐摩耗性を試験した。被削性は試料の内径
にリーマ加工を施して軸方向に１０ｍｍ切削するまでの
所要時間を求め、そのデータを、先発明材に相当する銅
…５％，リン…０．３％含有の試料の場合を１００とす
る指数に換算して比較した。従って指数が小さいほど削
り易く加工時間が短くて済むことを、即ち被削性が良い
ことを意味している。また耐摩耗性は、各試料をバルブ
ガイドの所定の形状・寸法に仕上げてエンジン模擬試験
装置に装着し、加熱した状態でラジアル荷重を負荷した
バルブと所定の時間往復摺動させ、試験の前後における
試料の内径寸法差を求めて摩耗量とし、これを比較し
た。

【００１４】図面はこれらのデータをリン含有量別に整
理してグラフ化したもので、図１は銅の含有量と被削性
との関係を，図２は銅の含有量と耐摩耗性との関係を示
している。このグラフから、先ずリンの影響について
は、リンの含有量が０．０１〜０．３％の範囲では銅の
含有量に拘らず被削性はリンが少ないほど，耐摩耗性は
リンが多いほど優っていることが分る。次に銅の影響に
ついては、被削性は銅の含有量が約５％を過ぎる頃から
急激な向上を示し、１０％以上でも緩慢にはなるが、含
有量３０％まで終始向上を続けている。

【００１５】一方、耐摩耗性は銅含有量が約６〜２０％
の範囲では摩耗量が一様に少なく、優れた耐摩耗性を示
しているが、その前後では摩耗量が多くなる。即ち銅の
含有量が２０％を越える頃からリンの含有量に拘らず耐
摩耗性が急激に劣化し、また銅の含有量６％未満でも、
リンが少ないほど耐摩耗性の劣化が著しい。ちなみにこ
の発明の範囲内でも、リンの抑制の結果先発明材に比べ
れば摩耗量が若干多くなるが、それでも例えば銅…６
％，リン…０．０１％の試料の摩耗量５６μｍは実用上
許容し得る範囲にあり、且つ、同一試験条件でのねずみ
鋳鉄バルブガイドの摩耗量１７０μｍに比べても遥かに
優っている。

【００１６】（実施例２） 原料粉は実施例１で用意し
たものを用い、天然黒鉛粉を２％，銅粉５．５％，Ｃｕ
−１０％Ｓｎ合金粉５％，Ｆｅ−２０％Ｐ合金粉を０．
１５％，頑火輝石粉末０．８％と硫化マンガン粉末０．
２％，および残部還元鉄粉にステアリン酸亜鉛を０．７
５％添加した混合粉を作製した。その全体組成はＣ…２
％，Ｃｕ…１０％，Ｓｎ…０．５％，Ｐ…０．０３％
（ほかに頑火輝石，硫化マンガン，および鉄残部）であ
る。また比較のために、上記の配合から頑火輝石粉末と
硫化マンガン粉末を省いた混合粉を作製した。

【００１７】次に、この２種類の混合粉について実施例
１の場合と同じ条件で成形と焼結を行ない、得られた試
料の被削性と耐摩耗性を試験した。その結果は、頑火輝
石と硫化マンガンを含有する前者のデータは被削性指数
…１７，摩耗量…３５μｍであったのに対して、後者の
場合は被削性指数…１９，摩耗量…３８μｍであり、被
削性，耐摩耗性ともに前者の方が良くなっている。両試
料の組織状態を見ると後者の場合には基地中に潤滑性物
質として遊離黒鉛，頑火輝石，硫化マンガンの三者が分
散しているのに対して、後者では遊離黒鉛のみであり、
この差が特性の違いを生じさせたものと考えられる。

【００１８】

【発明の効果】この発明に係るバルブガイド材は、従来
材と大差ない耐摩耗性を保ちながら、従来材に比べて被
削性が４倍程度に向上している。従って、エンジンの組
み立て工程における作業条件，使用する工作機械との相
性その他種々の関係からバルブガイド材の被削性が特に
重視される場合、この発明は極めて有益なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】試料の銅含有量と被削性との関係を示すグラフ
である。

【図２】試料の銅含有量と耐摩耗性との関係を示すグラ
フである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 合金組成が質量比でＣ…１．５〜４％，
   Ｃｕ…６〜２０％，Ｓｎ…０．１〜２％，Ｐ…０．０１
   〜０．１％未満，およびＦｅ…残部で、パーライトを主
   体とする基地中に銅または銅錫系合金相；および遊離黒
   鉛が分散した組織を呈することを特徴とする焼結バルブ
   ガイド材。
2. 【請求項２】 合金組成が質量比でＣ…１．５〜４％，
   Ｃｕ…６〜２０％，Ｓｎ…０．１〜２％，Ｐ…０．０１
   〜０．１％未満，頑火輝石と硫化マンガンを合計４％未
   満，およびＦｅ…残部で、パーライトを主体とする基地
   中に銅または銅錫系合金相；遊離黒鉛，頑火輝石および
   硫化マンガンが分散した組織を呈することを特徴とする
   焼結バルブガイド材。
3. 【請求項３】 基地中に分散する遊離黒鉛，頑火輝石お
   よび硫化マンガンの量が合計４％以下である、請求項２
   に記載の焼結バルブガイド材。