JP2003119553A - バルブシート用焼結合金材及びその製造方法 - Google Patents

バルブシート用焼結合金材及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高出力、高回転、低燃費化されつつあるエン
ジン開発の趨勢に対応するために耐摩耗性が強化された
バルブシート用焼結合金材及びその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 炭化バナジウム粉末０．７〜１．３重量
％と、鉄−コバルト−ニッケル−モリブデン系合金粉末
８４〜８６重量％と、クロム−タングステン−コバルト
−炭素系合金粉末１２．５〜１３．５重量％とを含んで
混合された原料粉末から粉末冶金法によって製造され、
原料粉末に混合された前記各粉末の粒子がそれぞれ均一
に分散した焼結組織を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は耐摩耗性が強化され
たバルブシート用焼結合金材及びその製造方法に係り、
特に、耐摩耗性に優れて高出力、高回転、低燃費化され
つつあるエンジンのバルブシート素材として有用であ
り、炭化バナジウム（ＶＣ）粉末と、鉄（Ｆｅ）−コバ
ルト（Ｃｏ）−ニッケル（Ｎｉ）−モリブデン（Ｍｏ）
系合金粉末とクロム（Ｃｒ）−タングステン（Ｗ）−コ
バルト（Ｃｏ）−炭素（Ｃ）系合金粉末とを含む原料粉
末のそれぞれの粒子がソルバイト組織を成すように分散
され耐摩耗性が強化されたバルブシート用焼結合金材及
びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】自動車エンジン用バルブシートは吸気及
び排気バルブの開閉時、バルブとの機密性を保持するこ
とにより、燃焼室の熱効率を高めるために重要な役割を
するエンジン部品でバルブとの接触及び摩擦、排気ガス
への露出等に堪えなければならず、約４００〜７００℃
に対する耐熱性、耐摩耗性及び耐酸化性等が要求され
る。
【０００３】自動車エンジン用バルブシート製造方法と
して、溶浸法、硬質金属（ｈａｒｄｍｅｔａｌ）添加法
及び合金組成制御法等が例にあげられる。
【０００４】溶浸法は、溶浸材である銅、銅−パラジウ
ム（Ｃｕ−Ｐｄ）、または固体潤滑材である鉛、酸化鉛
（ＰｂＯ）、三酸化二硼素（Ｂ２Ｏ３）、酸化亜鉛（Ｚ
ｎＯ）等を焼結体の気孔に溶浸させる方法であり、バル
ブの回転時、バルブシート表面に添加された溶浸材及び
固体潤滑材により潤滑効果を高める。
【０００５】硬質金属添加法は、焼結体生地の中で、３
００μｍサイズの硬質である鉄−モリブデン系、又は、
コバルト−ニッケル−タングステン−炭素系の炭化物複
合体を含有した焼結体を製造する方法であり、前記複合
炭化物を含有した焼結体はバルブとの接触時、バルブシ
ートに及ぶ荷重を耐摩耗性が優れた硬質の炭化物を介し
て生地組織へ分散伝達されるようにすることにより、耐
摩耗性を向上させるものの、加工性に難があり、また高
価なコバルト、ニッケル、タングステンを多量に使用す
ることにより、製造原価が高くなる経済的な問題を有す
る。
【０００６】合金組成制御法は原料元素粉末（ｅｌｅｍ
ｅｎｔａｌ ｐｏｗｄｅｒ）として合金成分を混合し、
焼結体を製造する方法であり、原料の価格が安価で、か
つ容易に焼結体を製造できる長所はあるが、均一な焼結
組織を得にくい問題がある。主として用いられる元素で
はコバルト、ニッケル、モリブデン、クロム、タングス
テン等であり、耐熱性を向上させるためには、高価なコ
バルトを多量に添加する。
【０００７】バルブシート用焼結合金材は一般的な粉末
冶金法である粉末混合−成形−焼結−銅溶浸−熱処理の
各工程を経て製造されている。従来の粉末冶金法では耐
摩耗性効果を得るために鉄粉末にコバルト−モリブデン
−クロム合金粉末を混合するか、または鉄粉末にコバル
ト−ニッケル−タングステン−炭素合金粉末を混合し製
造していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の粉末冶金法によって製造されたバルブシー
ト用焼結合金材は高回転、高出力化されているエンジン
のバルブシート用材質に適用するには耐摩耗性に限界が
あるという問題があった。
【０００９】また、従来の自動車エンジン用ガソリン内
に含有された０．２〜０．８ｇ／ｇａｌｌｏｎのテトラ
エチル鉛（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｌｅａｄ）はオクタ
ン価（ｏｃｔａｎｅ ｎｕｍｂｅｒ）を増加させてノッ
キング防止剤（ａｎｔｉ−ｋｎｏｃｋｉｎｇ ａｇｅｎ
ｔ）で使用されると同時に、燃焼後、鉛酸化物（Ｐｂｏ
ｘｉｄｅ）や鉛化合物（Ｐｂ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）を形
成してバルブやバルブシートの表面に潤滑皮膜（ｌｕｂ
ｒｉｃａｔｉｎｇ ｆｉｌｍ）を形成することによりバ
ルブシートの摩耗を減らす役割をしたが、一酸化炭素、
酸化窒素ガス等と共に鉛による公害問題のために最近で
はガソリン内のテトラエチル鉛が０．００４ｇ／ｇａｌ
ｌｏｎ以下である無鉛揮発油を使用することが義務化さ
れるにつれ、自動車用バルブシートまた従来より向上さ
れた耐摩耗性を有する新たな材質の開発が要求されてい
る。
【００１０】したがって、本発明は上記問題に鑑みてな
されたものであり、高出力、高回転、低燃費化されつつ
あるエンジン開発の趨勢に対応するために耐摩耗性が強
化されたバルブシート用焼結合金材を提供することを目
的とする。すなわち、炭化バナジウム粒子と鉄−コバル
ト−ニッケル−モリブデン合金粒子及びクロム−タング
ステン−コバルト−炭素合金粒子が粉末冶金法によって
ソルバイト組織を形成するように分散されて耐摩耗性が
強化され、均一な焼結組織を有し、また経済的にも優れ
たバルブシート用焼結合金材及びその製造方法を提供す
ることを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明による耐摩耗性が強化されたバルブシート用焼結
合金材は、炭化バナジウム粉末０．７〜１．３重量％
と、鉄−コバルト−ニッケル−モリブデン系合金粉末８
４〜８６重量％と、クロム−タングステン−コバルト−
炭素系合金粉末１２．５〜１３．５重量％とを含んで混
合された原料粉末から粉末冶金法によって製造され、前
記原料粉末に混合された前記各粉末の粒子がそれぞれ均
一に分散した焼結組織を有することを特徴とする。ま
た、このようなバルブシート用焼結合金材において、そ
の成分組成が、１．０〜１．５重量％の炭素と、１〜３
重量％のニッケルと、６〜１１重量％のクロムと、１〜
３重量％のモリブデンと、５〜１１重量％のコバルト
と、１〜３重量％のタングステンと、０．５〜１．０重
量％のバナジウムと、１１〜１８重量％の銅と、残部が
鉄からなることが好ましく、さらに、鉄−コバルト−ニ
ッケル−モリブデン系合金粉末の成分組成が、８６〜９
３重量％の鉄と、５〜８重量％のコバルトと、１〜３重
量％のニッケルと、１〜３重量％のモリブデンとからな
り、クロム−タングステン−コバルト−炭素系合金粉末
の成分組成が、４８〜８０重量％のクロムと、８〜２５
重量％のタングステンと、１０〜２５重量％のコバルト
と、１〜３重量％の炭素とからなることが好適である。
【００１２】また、上記目的を達成するため、本発明に
よるバルブシート用焼結合金材の製造方法は、鉄−コバ
ルト−ニッケル−モリブデン系合金粉末８４〜８６重量
％と、クロム−タングステン−コバルト−炭素系合金粉
末１２．５〜１３．５重量％と、炭化バナジウム粉末
０．７〜１．３重量％と、黒鉛粉末０．６〜１．３重量
％とを均一に混合した後、表面にかかる圧力として５〜
８トン／ｃｍ２（４９０〜７８４．５ＭＰａ）にて加圧
成形（圧縮成形）し、１１６０〜１２００℃で還元性雰
囲気中にて焼結し、１０８０〜１１００℃で銅溶浸し、
８５０〜８８０℃で３０〜４５分間維持させた後油冷す
る焼入（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）工程と、５９０〜６１０
℃で焼戻し（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）する工程を行うこと
を特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明のバルブシート用焼結合金
材及びその製造方法における実施の形態について、以下
詳細に説明する。
【００１４】本発明のバルブシート用鉄基焼結合金は、
その原料元素成分の一つであるバナジウムを炭素化合物
の形態である炭化バナジウム粉末として添加する。この
炭化バナジウム粉末と、鉄−コバルト−ニッケル−モリ
ブデン系合金粉末と、クロム−タングステン−コバルト
−炭素系合金粉末と、黒鉛粉末とを含む原料粉末が粉末
冶金法によって、ソルバイト組織を成すようにそれぞれ
の原料粉末の粒子が均一に分散された焼結組織を有する
形態に製造されたものである。このように本発明の焼結
合金材の原料粉末には従来の焼結合金材とは異なり、ニ
ッケル、モリブデン、コバルト粉末を個々に添加せず
に、これらの元素成分との鉄基合金粉末と鉄以外の元素
からなる上記のような合金粉末とを混合して使用し、従
来の焼結合金材が有する局部的な偏析を防止し、組織の
均一化が図られている。
【００１５】鉄−コバルト−ニッケル−モリブデン系合
金粉末としては、８６〜９３重量％の鉄と、５〜８重量
％のコバルトと、１〜３重量％のニッケルと、１〜３重
量％のモリブデンとからなる成分組成を有することが好
適である。また、クロム−タングステン−コバルト−炭
素系合金粉末は、４８〜８０重量％のクロムと、８〜２
５重量％のタングステンと、１０〜２５重量％のコバル
トと、１〜３重量％の炭素とからなる成分組成を有して
いることが好ましい。
【００１６】バルブシート用焼結合金には、上記の鉄−
コバルト−ニッケル−モリブデン系合金粉末を８４〜８
６重量％含有させることが望ましく、この際、添加量が
この範囲を外れると要求される耐摩耗性が得られないの
で望ましくない。
【００１７】また、クロム−タングステン−コバルト−
炭素系合金粉末はクロムを主成分とし、生地組織に分散
された状態に形成されて耐摩耗性の向上に寄与するもの
であり、原料粉末全体組成の１２．５〜１３．５重量％
を添加するのが望ましく、ここで、添加量が１２．５重
量％未満であると耐摩耗性が低下する問題があり、添加
量が１３．５重量％を超過すると経済的に望ましくな
い。
【００１８】バナジウムは、炭化バナジウム粉末の形態
で添加し、生地組織に分布して耐摩耗性を向上させる。
このような炭化バナジウム粉末は０．７〜１．３重量％
を添加する。炭化バナジウム粉末の添加量が０．７重量
％未満であると耐摩耗性強化の効果がなく、添加量が
１．３重量％を超過すると経済的に望ましくない。
【００１９】黒鉛粉末は、０．６〜１．３重量％を添加
することが望ましく、添加量が０．６重量％未満である
と硬度を高める効果が充分に得られない場合があり、
１．３重量％を超過すると脆弱化することがある。
【００２０】従って、上記バルブシート用焼結合金材の
最終成分組成としては、１．０〜１．５重量％の炭素
と、１〜３重量％のニッケルと、６〜１１重量％のクロ
ムと、１〜３重量％のモリブデンと、５〜１１重量％の
コバルトと、１〜３重量％のタングステンと、０．５〜
１．０重量％のバナジウムと、１１〜１８重量％の銅
と、残部が鉄から成ることが好ましい。
【００２１】このような最終成分組成比を有する本発明
のバルブシート用焼結合金材を製造するための方法とし
ては、まず、上記の各原料粉末を均一に分散するように
混合した後、表面にかかる圧力として５〜８トン／ｃｍ
２で加圧成形（圧縮成形）する。加圧成形した後の成形
密度が６．８ｇ／ｃｍ３ となるようにすることが望ま
しい。加圧成形した後の成形密度については、各原料粉
末の粒子の形状や粒径に応じて調整され、銅の成分組成
が１１〜１８重量％として製造可能な気孔率に焼結する
ことができれば特に限定されるものではないが、ほぼ均
一な粒径の原料粉末粒子を用いる場合には、体心立方格
子配置に充填された密度に相当する６．８ｇ／ｃｍ３
を中心に六方細密充填の格子配置密度に相当する７．４
ｇ／ｃｍ ３ を超えることのない、６．８±０．６ｇ／
ｃｍ３ の範囲とすることが好ましい。
【００２２】加圧成形した後、１１６０〜１２００℃で
１時間還元性雰囲気であるアンモニアの分解ガスが含ま
れた環境で焼結（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）する。次に、１
０８０〜１１００℃で２０〜４０分間、銅溶浸し、以
後、８５０〜８８０℃で３０〜４５分間維持させ、油冷
する焼入（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を行った後、５９０〜
６１０℃で２時間焼戻し（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）するこ
とによってバルブシート用焼結合金材の製造が終了す
る。このような本発明の製造方法によれば、従来の粉末
冶金法の製造設備がそのまま使用でき、また、コバル
ト、ニッケル、タングステンなどの高価な原料を多量に
使用することなく、耐摩耗性が強化されたバルブシート
用焼結合金材を得ることができる。また、焼結時間とし
ては、焼結温度など他の条件との兼ね合いにより設定さ
れ、特に限定されないが、２０分〜８０分間で行うこと
が好ましく、本実施形態では１時間の焼結時間が最も好
ましい。なお、還元性雰囲気とする条件としては、粉末
冶金法による製造工程において通常使用され、還元性雰
囲気が保たれれば、アンモニアの分解ガス、炭化水素系
やＮ２ガス系など特に限定されるものではないが、本実
施形態においては、アンモニアの分解ガスを含む還元性
雰囲気とすることが最も好ましい。また、焼戻しの時間
は、焼戻し温度など他の条件との兼ね合いにより設定さ
れ、特に限定されないが、３０分〜３時間の範囲で行う
ことが好ましく、本実施形態では２時間の焼結時間が最
も好ましい。
【００２３】以下、実施例、比較例及び試験例により具
体的に説明するが、これらの実施例及び試験例によって
本発明が限定されるものではない。
【００２４】
【実施例】〔実施例１〕製造されるバルブシート用焼結
合金材の最終成分組成が、１．３重量％の炭素、２．０
重量％のニッケル、８．０重量％のクロム、２．０重量
％のモリブデン、６．５重量％のコバルト、１５重量％
の銅、２．０重量％のタングステン、０．８重量％のバ
ナジウム、残部が鉄から構成され得るように（表１参
照）、鉄−コバルト−ニッケル−モリブデン系合金粉
末、クロム−タングステン−コバルト−炭素系合金粉
末、炭化バナジウム粉末及び黒鉛粉末を混合した後、圧
縮成形し、１１８０℃の温度にて、アンモニアの分解ガ
スが含まれた還元性雰囲気で１時間焼結（ｓｉｎｔｅｒ
ｉｎｇ）した後、１１９０℃で３０分間、銅溶浸させ
た。その後、８７０℃の温度で４０分間維持させ、焼入
を行い、６００℃の温度で２時間焼戻し（ｔｅｍｐｅｒ
ｉｎｇ）することによって焼結合金材を製造した。
【００２５】〔実施例２〕製造されるバルブシート用焼
結合金材の最終成分組成が、１．１重量％の炭素、２．
０重量％のニッケル、６．８重量％のクロム、２．０重
量％のモリブデン、５．５重量％のコバルト、１５重量
％の銅、１．８重量％のタングステン、０．６重量％の
バナジウム及び残部が鉄から構成され得るように（表１
参照）、鉄−コバルト−ニッケル−モリブデン系合金粉
末、クロム−タングステン−コバルト−炭素系合金粉
末、炭化バナジウム粉末及び黒鉛粉末を混合した後、圧
縮成形し、１１８０℃の温度にて、アンモニアの分解ガ
スが含まれた還元性雰囲気で１時間焼結（ｓｉｎｔｅｒ
ｉｎｇ）した後、１１９０℃で３０分間、銅溶浸させ
た。その後、８７０℃温度で４０分間維持させ、焼入を
行い、６００℃の温度で２時間焼戻し（ｔｅｍｐｅｒｉ
ｎｇ）することによって焼結合金材を製造した。
【００２６】〔比較例１〕バルブシート用焼結合金材の
最終成分組成が、１．３重量％の炭素、２．０重量％の
ニッケル、７．５重量％のクロム、２．０重量％のモリ
ブデン、６．５重量％のコバルト、２．０重量％のタン
グステン、０．７重量％のマンガン、１５重量％の銅及
び残部は鉄から構成され得るように（表１参照）、鉄−
クロム−マンガン−モリブデン系合金粉末、コバルト−
モリブデン−クロム系及び鉄−クロム−タングステン−
コバルト−炭素系合金粉末を混合した後、圧縮成形し、
１１６０℃の温度にて、アンモニアの分解ガスが含まれ
た還元性雰囲気で１時間焼結及び銅溶浸させた。その
後、９２０℃の温度で１時間維持させ、焼入を行い、６
００℃温度で２時間焼戻し（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）する
ことによって焼結合金材を製造した。
【００２７】〔比較例２〕製造されるバルブシート用焼
結合金材の最終成分組成が、１．１重量％の炭素、２．
０重量％のニッケル、６．５重量％のクロム、２．０重
量％のモリブデン、８．０重量％のコバルト、１．５重
量％のタングステン、０．７重量％のマンガン、１５重
量％の銅及び残部は鉄から構成され得るように（表１参
照）、鉄−クロム−マンガン−モリブデン系合金粉末、
コバルト−モリブデン−クロム系合金粉末とタングステ
ン、コバルト、黒鉛粉末を混合した後、圧縮成形し、１
１６０℃の温度にて、アンモニアの分解ガスが含まれた
還元性雰囲気で１時間焼結（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）及び
銅溶浸させた。その後、９２０℃温度で１時間維持さ
せ、焼入を行い、６００℃の温度で２時間焼戻し（ｔｅ
ｍｐｅｒｉｎｇ）することによって焼結合金材を製造し
た。
【００２８】〔比較例３〕製造されるバルブシート用焼
結合金材の最終成分組成が１．１重量％の炭素、２．０
重量％のニッケル、７．５重量％のクロム、２．０重量
％のモリブデン、７．０重量％のコバルト、２．２重量
％のタングステン、０．８重量％のバナジウム、１５重
量％の銅及び残部は鉄から構成され得るように（表１参
照）、鉄−ニッケル−モリブデン系合金粉末、炭素−ク
ロム−コバルト−タングステン−鉄系合金粉末、コバル
ト、フェロバナジウム、黒鉛粉末を混合した後、圧縮成
形し、１１６０℃の温度にて、アンモニアの分解ガスの
還元性雰囲気で１時間焼結（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）及び
銅溶浸させた。その後、８７０℃の温度で１時間維持さ
せ、焼入を行い、６５０℃温度で２時間焼戻し（ｔｅｍ
ｐｅｒｉｎｇ）することによって焼結合金材を製造し
た。
【００２９】
【表１】
【００３０】〔試験例〕：摩耗試験 上記実施例及び比較例によって製造された排気バルブシ
ート用焼結合金をスライディングの形態は回転、スライ
ディング速度（ｓｌｉｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ）２．５ｍ
／秒、スライディング距離（ｓｌｉｄｉｎｇ ｌｅｎｇ
ｔｈ）３０ｋｍ、作用荷重（ａｐｐｌｉｅｄ ｌｏａ
ｄ）２０ ｌｂ及びディスク（ｄｉｓｃ）温度１５０℃
の条件でピン・オン・ディスク（ｐｉｎ−ｏｎ−ｄｉｓ
ｃ）摩耗試験を行った。この試験でピン材質としては、
上記実施例及び比較例によって製造された焼結合金材が
用いられ、ディスク材質には車両のエンジンバルブ材質
である耐熱鋼ＳＵＨ３５が使用された。このような試験
条件で摩耗量を測定した結果を次の表２に示した。
【００３１】
【表２】
【００３２】表２に示されたように、実施例１及び実施
例２の耐摩耗性は比較例１、比較例２と比較例３に比べ
て改善され、また、実施例１の場合、比較例１に比べて
摩耗量が１３％減少し、フェロ−バナジウム（Ｆｅ−
Ｖ）を添加した比較例３に比べて約１０％減少している
ことが分かる。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の製造方法
によれば、耐摩耗性が強化され、均一な焼結組織を有
し、さらに経済的に優れたバルブシート用焼結合金材を
製造し得る。本発明のバルブシート用焼結合金材は、従
来の粉末冶金法の製造施設をそのまま用いて製造でき、
高出力、高回転、低燃費化されつつあるエンジンのバル
ブシート材として有用である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｌ 3/02 Ｆ０１Ｌ 3/02 Ｆ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 耐摩耗性が強化されたバルブシート用焼
    結合金材において、炭化バナジウム粉末０．７〜１．３
    重量％と、鉄−コバルト−ニッケル−モリブデン系合金
    粉末８４〜８６重量％と、クロム−タングステン−コバ
    ルト−炭素系合金粉末１２．５〜１３．５重量％とを含
    んで混合された原料粉末から粉末冶金法によって製造さ
    れ、前記原料粉末に混合された前記各粉末の粒子がそれ
    ぞれ均一に分散した焼結組織を有することを特徴とする
    バルブシート用焼結合金材。
  2. 【請求項２】 前記バルブシート用焼結合金材の成分組
    成が、１．０〜１．５重量％の炭素と、１〜３重量％の
    ニッケルと、６〜１１重量％のクロムと、１〜３重量％
    のモリブデンと、５〜１１重量％のコバルトと、１〜３
    重量％のタングステンと、０．５〜１．０重量％のバナ
    ジウムと、１１〜１８重量％の銅と、残部が鉄からなる
    ことを特徴とする請求項１に記載のバルブシート用焼結
    合金材。
  3. 【請求項３】 前記鉄−コバルト−ニッケル−モリブデ
    ン系合金粉末の成分組成が、８６〜９３重量％の鉄と、
    ５〜８重量％のコバルトと、１〜３重量％のニッケル
    と、１〜３重量％のモリブデンとからなり、前記クロム
    −タングステン−コバルト−炭素系合金粉末の成分組成
    が、４８〜８０重量％のクロムと、８〜２５重量％のタ
    ングステンと、１０〜２５重量％のコバルトと、１〜３
    重量％の炭素とからなることを特徴とする請求項１に記
    載のバルブシート用焼結合金材。
  4. 【請求項４】 鉄−コバルト−ニッケル−モリブデン系
    合金粉末８４〜８６重量％と、クロム−タングステン−
    コバルト−炭素系合金粉末１２．５〜１３．５重量％
    と、炭化バナジウム粉末０．７〜１．３重量％と、黒鉛
    粉末０．６〜１．３重量％とを均一に混合した後、５〜
    ８トン／ｃｍ２にて加圧成形（圧縮成形）し、１１６０
    〜１２００℃で還元性雰囲気中にて焼結し、１０８０〜
    １１００℃で銅溶浸し、８５０〜８８０℃で３０〜４５
    分間維持させた後油冷する焼入（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）
    工程と、５９０〜６１０℃で焼戻し（ｔｅｍｐｅｒｉｎ
    ｇ）する工程を行うことを特徴とするバルブシート用焼
    結合金材の製造方法。
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