JP2673593B2

JP2673593B2 - 吸気用肉盛エンジンバルブ

Info

Publication number: JP2673593B2
Application number: JP2019841A
Authority: JP
Inventors: 原嗣小山; 政宏仲川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-01-30
Filing date: 1990-01-30
Publication date: 1997-11-05
Anticipated expiration: 2012-11-05
Also published as: JPH03226546A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は内燃機関用エンジンバルブ、より詳しくはバ
ルブフェース面に肉盛部を設けてフェース面の性能向上
を図った吸気用肉盛エンジンバルブに関する。

［従来の技術］エンジンバルブ用肉盛材料として、吸気及び排気用の
エンジンバルブともにCo基合金、Ni基合金等を使用する
のが主流である。ところが、これらCo基合金、Ni基合金
はともに高価であるため、近年肉盛材料として安価なFe
基合金の使用が検討されている。

この背景の一つとして、肉盛用熱源の高密度エネルギ
ー化がある。すなわち、酸素−アセチレンガス炎による
溶融溶着法により肉盛することが従来の一般的な方法で
あったが、この方法では肉盛できる材料がCo基合金や一
部のNi基合金等肉盛性の良好なものに限られていた。一
方、近年、レーザーやプラズマなど高密度エネルギー熱
源の出現により、材料の自由度が拡大し、肉盛性が比較
的良くないFe基合金の肉盛も可能となってきた。

ところで、従来より知られている一般のFe基合金とし
て、大別すると（１）Fe-Cr-C系合金（自動車技術Vol 32、No.8、197
8、第757頁）、（２）Fe-Cr-C-Ni（Co）系合金（特開昭58-154492号公
報）、（３）Fe-Cr-C-Ni（Co）−Ｗ（Mo）系合金（SAE、J77
5、JAN88、第20頁）がある。

［発明が解決しようとする課題］上記従来のFe基合金は、とくに高密度エネルギー熱源
により肉盛することを特定されたものではないが、一般
に以下に示す問題点がある。

すなわち、上記（１）の合金は最も安価であるが、バ
ルブ肉盛用としての特性、すなわち靱性、耐食性、耐摩
耗性等が充分とはいえない。

上記（２）の合金はNi及び／又はCoの添加により靱性
及び耐食性の向上が図られているが、耐摩耗性が不十分
でしかも高価である。

上記（３）の合金は（２）の合金にさらにＷ及び／又
はMoの添加により耐摩耗性の向上も図られているが、高
価である。なお、Ni及び／又はCoは、Ｗ及び／又はMoの
添加による靱性の低下を抑える働きもある。

ところで、バルブフェース面では、一般に耐食性、耐
摩耗性、疲労強度等の性能が要求される。そして、吸気
用バルブのフェース面ではとくに耐摩耗性が、また排気
用バルブのフェース面ではとくに高温における疲労強度
及び耐食性が要求される。

本発明は、安価で、かつ靱性及び耐摩耗性に優れ、耐
食性が極端には要求されない吸気用肉盛エンジンバルブ
を提供することを解決すべき技術課題とするものであ
る。

［課題を解決するための手段］本発明の吸気用肉盛エンジンバルブは、C:1.1〜1.9重
量％（以下、％は重量％を示す）、Cr:25〜33％、Mo:3
〜８％、Si:1.5％以下、Fe及び不可避不純物：残部から
なりデンドライト二次アームスペーシング値（DAS値）
が５μｍ以下であり、Niを含まない肉盛部を、バルブフ
ェース面にもつことを特徴とする。

上記成分の限定理由を以下に説明する。

（Ｃ）Ｃは、基質のFe-Cr-Mo固溶体中に一部固溶して基質の
強化と硬さを高めるが、Ｃの大部分はCr、Moを主体とす
る複炭化物を形成して基質固溶体との共晶複炭化物とな
る。したがって、Ｃは合金の硬さを高め、耐摩耗性を向
上させるとともに、合金の融点を下げる働きを有する。

Ｃが1.1％未満ではその働きが少なく、1.9％を越える
と、複炭化物が増え、過共晶となりCr、Moの複炭化物が
初晶として晶出するため、合金の靱性が低下するので好
ましくない。

以上の理由から、Ｃの添加量は1.1〜1.9％と限定し
た。

（Cr） Crは、Fe、Moと固溶して合金の基質となる初晶固溶体
を構成する。また、Crの一部はMoとともにＣと結合し
て、Cr、Moを主体とする複炭化物を形成する。すなわ
ち、Crは初晶固溶体として、耐酸化性、耐食性、高温強
度を高めるとともに、複炭化物の形成をとおして耐摩耗
性を高める。

Crが25％未満では上記作用が劣り、また33％を越えて
添加しても上記作用の向上効果がなく、しかも合金の靱
性が低下する傾向があり、好ましくない。

以上の理由から、Crの添加量は25〜33％と限定した。

（Mo） Moは、基質の固溶体中に固溶して合金を強化すると同
時に合金の靱性を向上させる。またCrとともにＣと結合
し、Cr、Mo複炭化物を形成して合金の高温硬さ、及び耐
摩耗性を向上させる働きを有する。

とくに、本発明においてはMoの添加により、共晶炭化
物の他に塊状のMoリッチ炭化物を形成し、これが耐摩耗
性の向上に著しく寄与することがわかった。

Moが３％未満では塊状炭化物が少なくて耐摩耗性の向
上が不十分であり、また８％を越えると逆に塊状炭化物
が多すぎて靱性が低下するとともに肉盛性が悪くなる。
また、Moを８％を越えると相手材への攻撃性が増大する
問題もある。

以上の理由から、Moの添加量は３〜８％と限定した。

（Si） Siは、通常、脱酸剤として添加されるものであるが、
本発明にあっては、Siを1.5％を越えて添加すると合金
の靱性を低下させる。

以上の理由から、Siの添加量は1.5％以下に制限し
た。

本発明の吸気用肉盛エンジンバルブの肉盛部は、デン
ドライト二次アームスペーシング値（以下、DAS値と称
する）が５μｍ以下である。このDAS値は、肉盛組織の
大きさ、すなわち粗い組織か、微細な組織かを示す尺度
であり、この値が小さいほど組織が微細であることを示
す。したがって、DAS値が５μｍを越えると靱性が低下
する。

上記DAS値は、レーザ、プラズマ等の高密度エネルギ
ー熱源で肉盛することにより低下させることができる。
DAS値を５μｍ以下にするために、レーザ肉盛法を利用
する場合は、レーザ出力1.5〜4.5kW、溶接速度５〜20mm
/秒、粉末供給量５〜15g/分の溶接条件で行うことが好
ましい。またプラズマ肉盛法を利用する場合は、溶接電
流100〜130A、溶接速度５〜20mm/秒、粉末供給量５〜15
g/分の溶接条件で行うことが好ましい。

［作用］本発明の吸気用肉盛エンジンバルブは、肉盛部の組成
が特定され、かつDAS値が５μｍ以下に制限されている
ので、靱性及び耐摩耗性に優れる。

すなわち、Cr及びMoとＣとの結合によりCr、Moを主体
とする副炭化物が形成され、耐摩耗性が向上する。ま
た、Moは塊状のMoリッチ炭化物をも形成し、これにより
耐摩耗性が著しく向上する。さらに、DAS値の制限によ
り肉盛組織が微細化されているので、靱性に優れる。

［実施例］以下、本発明を実施例により説明する。

表に示す組成をもちNo.10及びNo.21を除く19種類の合
金粉末を、ガスアトマイズ法によって得た。各粉末の粒
度を−250＃に調整し、表に示す肉盛法によってSUH3よ
りなるバルブ素形材（傘径φ32mm）のフェース面に肉盛
部を形成して吸気用肉盛エンジンバルブとした。なお、
レーザ肉盛法は、レーザ出力2.5kW、溶接速度9.5mm/
秒、粉末供給速度10g/分の溶接条件で行った。またプラ
ズマ肉盛法は、プラズマガス流量1.2l/分、溶接電流120
A、溶接速度9.5mm/秒、粉末供給量10g/分の溶接条件で
行った。

上記エンジンバルブの肉盛部について、肉盛組織及び
肉盛性を調査した。この結果を表に示す。なお、肉盛組
織は村上試薬エッチングすることによりDAS値を測定し
て評価した。また、肉盛性は母材との濡れ性、ビード形
状から評価した。

また、上記と同様の19種類の合金粉末をSUH3よりなる
板状母材の上に前記と同様に表中に示す肉盛法により肉
盛部を形成した後、試験ピースを加工した。

この試験ピースについてビッカース硬度計（荷重10kg
f）を用いた常温硬さ試験、ビッカース硬度計（荷重1kg
f）を用いた高温（600℃）硬さ試験、及びシャルピー衝
撃試験を行った。その結果を表に示す。なお、シャルピ
ー衝撃試験はノッチなし試験片を用いることにより行っ
た。

さらに、表に示す組成をもつNo.10、及びNo.21の合金
については、電気炉でアルゴンガス雰囲気溶解し、ガラ
ス管（φ4.8mm）に吸引鋳造して肉盛棒を形成した。こ
の肉盛棒を酸素−アセチレンガス炎肉盛法によって前記
と同様のバルブ素形材のフェース面に肉盛して吸気用肉
盛エンジンバルブとした。

上記エンジンバルブの肉盛部について、前記と同様に
肉盛組織及び肉盛性を調査した。この結果を表に示す。

また、No.10、及びNo.21の合金粉末をSUH3よりなる板
状母材の上に酸素−アセチレンガス炎肉盛法により肉盛
した後、試験ピースを加工した。

この試験ピースについてビッカース硬度計（荷重10kg
f）を用いた常温硬さ試験、ビッカース硬度計（荷重1kg
f）を用いた高温（600 ℃）硬さ試験、シャルピー衝撃試験を前記と同様に行っ
た。その結果を表に示す。

さらに、No.1、No.17〜No.20の合金よりなる肉盛部を
もつエンジンバルブ、及び別途作製した肉盛のないSUH3
合金バルブについて、弁座試験機により耐摩耗性を評価
した。なお、この弁座試験は、相手バルブシート材料と
して鉄系焼結バルブシート材料を用い、270℃及び560℃
の各試験温度、試験時間８時間、5kgfの荷重、叩き回数
2158回／分の条件で行った。この結果を第１図に示す。

（評価）以下、それぞれの評価結果について検討する。

本発明に係るNo.1〜No.9の合金よりなる肉盛部をもつ
バルブフェースは、高密度エネルギー熱源を利用して肉
盛部を形成しているため、DAS値が2.2〜3.8μｍと小さ
い。このため、Fe基合金を使用しているのにもかかわら
ず、シャルピー衝撃値が0.6kgfm/cm²以上あり、靱性に
優れる。これは、Coを含む従来合金（No.21）を酸素−
アセチレンガス炎肉盛法により肉盛した従来のバルブフ
ェースと同等以上の性能である。

また、本発明に係るNo.1〜No.9の合金よりなる肉盛部
をもつバルブフェースは、高密度エネルギー熱源を利用
して肉盛部を形成しているため、Fe基合金を使用してい
るのにもかかわらず、肉盛性が良好である。

さらに、第１図に示す結果から明らかなように、本発
明に係るNo.1の合金よりなる肉盛部をもつバルブフェー
スは、Coを含む従来合金（No.20）よりなる肉盛部をも
つバルブフェースと同程度に優れた耐摩耗性を示す。こ
れは、No.1合金の肉盛部の金属組織を示す顕微鏡写真を
第２図に示すように、本発明に係る合金よりなる肉盛部
は、初晶（図中、白く見える部分）と共晶のデトライト
組織であるが、共晶内に塊状のMoリッチ炭化物が存在し
ている。この塊状Moリッチ炭化物（図中、大きく黒く見
える部分）が耐摩耗性の向上に著しく寄与したものと思
われる。

一方、比較に係る合金よりなる肉盛部をもつバルブフ
ェースは、以下のとおり欠点をもつ。

No.10合金は、No.1合金と同じ組成をもつが、酸素−
アセチレンガス炎肉盛法により肉盛されているため、肉
盛性が悪い。またDAS値も大きく、靱性に劣る。

No.11合金は、Cr含有量が過少であるため、耐酸化性
に劣る。

No.12合金は、Mo含有量が過少であるため、耐摩耗性
に劣る。

No.13合金は、Mo含有量が過多であるため、肉盛性が
悪い。

No.14合金は、Ｃ含有量が過少であるため、耐摩耗性
に劣る。

No.15合金は、Ｃ含有量が過多であるため、肉盛性が
悪く、また靱性に劣る。

No.16合金は、Si含有量が過多であるため、靱性に劣
る。

No.17合金は、Moが含有されていないので、耐摩耗性
に劣る。

No.18合金も、Moが含有されていないので、耐摩耗性
に劣る。

No.19〜No.21合金はNi、Co、Ｗ等を含有しているた
め、高価である。

［発明の効果］以上詳述したように、本発明の吸気用肉盛エンジンバ
ルブは、肉盛部の肉盛性、靱性、及び耐摩耗性が良好
で、しかも安価である。

【図面の簡単な説明】

第１図は弁座試験機によるバルブフェース摩耗量の測定
結果を示すグラフ、第２図は本発明に係るバルブフェー
スの肉盛部の金属組織を示す顕微鏡写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−57998（ＪＰ，Ａ) 特開平２−92494（ＪＰ，Ａ) 特開平２−117797（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】C:1.1〜1.9重量％、Cr:25〜33重量％、Mo:
3〜８重量％、Si:1.5重量％以下、Fe及び不可避不純
物：残部からなりデンドライト二次アームスペーシング
値（DAS値）が５μｍ以下であり、Niを含まない肉盛部
を、バルブフェース面にもつ吸気用肉盛エンジンバル
ブ。