JP2877211B2 - バルブシート用鉄基焼結合金 - Google Patents

バルブシート用鉄基焼結合金

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は内燃機関のバルブシート用焼結合金に関す
る。
[従来の技術] 従来、自動車の内燃機関で使用されるバルブシートに
使用される鉄基焼結合金としては、耐摩耗性を向上する
目的で高合金鋼などの高硬度の硬質粒子を分散させた複
合材料が使用されてきた。しかしながら、高合金鋼は焼
結性が悪いため、鉄基マトリックス中に分散した硬質粒
子は基地との密着性が悪く、バルブシートとして使用し
た場合、相手材であるバルブとのたたかれにより硬質粒
子が脱落して摩耗が促進されると共に、相手バルブを摩
耗させるといつた弊害があった。
この傾向は、低コストを指向し、低合金材料をバルブ
シートの基地材料に使用し、しかも相手バルブも比較的
低質の材料が使用された場合に顕著に現れる。さらに、
有鉛ガソリンを燃料として使用する場合には、有鉛ガソ
リンに含まれる掃鉛剤に起因するバルブシートの腐食が
加わるためさらに著しくなる。
以上の問題を防止するために、従来は鉄基焼結合金の
焼結温度を高め、焼結を促進したり、Cu溶浸を行なうこ
とによって、硬質相の基地による保持強化をすることが
なされているが、焼結温度の上昇は硬質相中の合金元素
の基地への拡散を起こし、場合により硬質粒子としての
役割を担えなくなることもあるため、狭い範囲で焼結温
度をコントロールをする必要があり、作業性の低下やコ
ストアップを引き起こしていた。
また、Cu溶浸も溶浸用のCu成形体を作り、被溶浸体と
1対で積重ねる必要があり、作業性の低下やコストアッ
プを引き起こしていた。
一方、欧州では高速度鋼単身の焼結体がバルブシート
材として使用されているが、これは高速度鋼が高い耐摩
耗性をもつことを利用したものである。しかしながら、
高速度鋼は材料コストが通常の原料に比べて約5倍以上
と高い点にコスト上の問題がある。また、日本車のよう
に高回転タイプのエンジンでは高速度鋼単身のバルブシ
ートは耐久性の問題がある。
本出願人は、上記の点を鑑み基地材に硬質粒子ととも
に高速度鋼系の粉末を混合することにより、高速度鋼材
自身の持つ微細炭化物により耐摩耗性を改善し、焼結時
に高速度鋼粉末の表面に生ずる表面液相により焼結の促
進を図り硬質粒子と基地との結合を強めることを目的と
した発明の特許を出願している(特願昭63−93513
号)。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、その後上記出願のバルブシートを研究
したところ、通常のエンジンでの使用では問題ないもの
の高回転エンジンで使用された場合には、バルブシート
とバルブの接触面に加わる面圧が非常に高くなるためや
はり硬質粒子の脱落が起こり、性能不足となる場合が出
てきた。
また、その後の研究で、高速度鋼自身が硬質粒子とし
ての効果を充分に持ち、耐摩耗性を向上させることが分
かった。
したがって、本発明は、硬質粒子を分散させなくとも
充分な耐摩耗性を有し、さらに相手材との摺動特性にす
ぐれたバルブシート用焼結合金を提供することを第一の
目的とする。
加えて、本発明は、硬質粒子を分散させた場合に、上
述した問題点が伴わないようなバルブシート用焼結合金
を提供することを第三の目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
第一の目的を達成するバルブシート用焼結合金(以
下、第一発明という)は、高速度鋼粉末2〜20%と、残
部鉄基材料とからなり、高速度鋼粉末相粒子が鉄基基地
中に均一に分散しており、さらにCuを1〜8%含有する
鉄基材料の基地中にCu相が微細に析出していることを特
徴とするバルブシート用鉄基焼結合金である。
第二の目的を達成するバルブシート用鉄基焼結合金
(以下第二発明という)は、高速度鋼粉末2〜20%、硬
質粒子2〜15%、Cu1〜8%、残部鉄基材料からなり、
高速度鋼粉末および硬質粒子が微細に分散し、Cu相が鉄
基材料の基地中に微細に析出していることを特徴とする
バルブシート用鉄基焼結合金である。
本発明において百分率はすべて重量%である。
第一、第二発明に共通する特徴を先ず説明する。
水アトマイズ法により作られた高速度鋼粉末は焼結中
に約1070℃と比較的低温で表面に液相を発生する。この
性質を利用し、液相が発生する表面張力により粉体の焼
結を促進させる。すなわち、焼結バルブシートの原料で
ある高速度鋼粉末表面に発生する低融点の液相により、
焼結を促進させ基地を強固なものにしようとするもので
ある。
また、高速度鋼粉自体は粒子中に1μm以下の微細な
金属間化合物や炭化物(M23C6,M6C,M2C等の炭化物)を
含み、これらの硬さはHv1000〜3000であり、硬質粒子と
しての役割を果す。一方高速度鋼のマトリックスはCr,C
o,Mo等を多量に固溶しており、焼結時に高速度鋼粉末か
らこれら固溶合金元素が拡散し、鉄基材料の基地の強化
をもたらし耐摩耗製を改善する。
高速度鋼の粉末成分は、JIS G 4403に規定される材料
に相当する材料ならばいずれでも良いが、上記の表面液
相がより低温域で発生するMo系のものが好ましい。
高速度鋼粉末の添加量は2%以下ではその効果がな
く、20%以上になると添加量の増加分に見合うだけの性
能向上はなくコスト高となる。したがって、高速度鋼系
粉末の添加量は2〜20%に規定した。
なお、配合する高速度鋼粉末の種類は1種類あるい
は、数種類の組合せのいずれでも良い。
基地となる鉄系材料は合金鋼あるいは純鉄粉に合金元
素を添加したもの、さらにはこれらの組み合わせからな
る粉末である。この粉末はCを必須成分として、Cr,Mo,
V,Wなどの炭化物形成元素として含有する。
CはCr,Mo,V,Wと化合して炭化物を生成し耐摩耗製を
改善する。したがってC量は焼結材料中のこれらの元素
の種類、量、及び使用する高速度鋼粉末の種類、量によ
り適切なC量が定まり、本発明のバルブシート中のC含
有量は0.5〜2%となる。
C量が0.5%以下であると炭化物生成量がが充分では
なく、軟らかいフェライトの生成によって耐摩耗性が低
下して好ましくない。一方、2%を超えると材料が硬く
なりすぎ、また脆くなるため好ましくないので、C量は
0・5〜2%とするのが良い。
炭化物生成元素のCr,Mo,V,Wは、いずれもCと結合し
て炭化物を生成することにより耐摩耗性を改善する。こ
の改善効果は、程度の差は有るが、上記のいずれの元素
にも共通しているので、どの元素を添加してもよく、ま
た数種類組合せて添加しても良い。その量は、1%以下
では炭化物生成量が充分でなく、軟らかいフェライトの
生成によって耐摩耗性が低下し、また25%を超えるよう
になると材料が、硬く、脆くなり、またコストも高くな
るので好ましくない。したがってバルブシート中の炭化
物生成元素含有量は合計で1〜25%とするのが良い。
その他に強度の向上あるいは、組織安定の目的でCo,N
i,Siの1種類以上を1〜15%添加することも出来る。そ
の量は、1%以下では効果が充分でなく、また15%以上
添加してもその量に見合うだけの効果は得られず、コス
トも高くなるので好ましくない。したがってこれらの元
素は合計で1〜15%とするのが良い。
第一発明は、さらにCuを添加し、熱処理により微細な
Cuの相を析出させることを特徴とする。微細なCu相は、
バルブによりバルブシートが叩かれ摩耗するとき、衝撃
の緩衝材となり、基地に伝わる衝撃を緩和する叩かれ摩
耗時の衝撃緩和効果を有する。さらに、Cu相は軟質であ
るため、摺動摩耗時に相手材とバルブシートの間に軟質
相が介在することとなり、バルブシートが相手材を疵つ
けるアタック性を低下し、かつ若干のCuの基地への合金
化により耐摩耗性を改善する効果を併せもつのである。
Cuの量としては1%以下では、Cu相の析出がほとんど
なく、また8%を超えると焼結温度域でのFe基合金母材
への溶解度を越えるため、母材粉末粒子の粒界にCuがネ
ット状に分布するようになり強度が低下し好ましくな
い。従って、Cuは1〜8%であることが必要である。
第一発明において基地に上述のように数%のCr、V等
の炭化物生成元素や、Co、Si等の基地強化元素を添加し
てもよい。
第一発明がCuを微細な相として析出させることを特徴
としているため、Cuの溶解度を高めCuの析出を抑制する
元素であるNiは2%以下にすることが好ましい。
第二発明は硬質粒子を添加することでさらに耐摩耗性
を向上させるものである。硬質粒子は、HMV300〜700程
度の硬度のものであれば何でも良いが、フェロモリブデ
ン(Fe−Mo)、フェロタングステン(Fe−W)などの高
合金、炭化物(Fe−Cr−Co−Mo−C系、Fe−W−Co−Cr
−C系など)の粉末粒子が好ましい。硬質粒子の含有量
は1%以下ではあまり効果がなく、また15%を超えると
材料が硬く脆く加工が困難となると共に、相手バルブへ
のアタック性が出てくるので好ましくない。
したがって、硬質粒子の量は2〜15%とする。
上述のように硬質粒子は焼結性がすぐれず、摩耗時に
脱落し易くかつアタック性があるなどの点では問題があ
るが、混在する高速度鋼粉末の焼結促進作用により、硬
質粒子と鉄基基地との結合が強まり摩耗時に脱落し難く
なるとともに微細に分散したCu析出相により衝撃が緩和
されバルブシート全体のアタック性を低下させることが
でき、この結果硬質粒子を分散させたバルブシートが高
回転エンジンでも実用上十分な性能を発揮するに至っ
た。
次に、第一発明において焼結後に微細なCu相を析出さ
せるため、焼結では、焼結時にいったんCuをFe基母合金
中に完全に固溶させる必要がある。そのためには、母合
金中へのCuの溶解度が大きい約1100℃以上の温度で焼結
することが好ましい。
焼結後の冷却は、後の熱処理による微細Cu相の析出を
行なうために冷却時のCu析出を防ぐ必要があり、そのた
めガス冷程度以上の冷却速度が必要である。
さらに、Cu相を析出させるため400〜600℃での焼戻し
を行なう。この結果、1〜20μmの粒径のCu相が析出す
る。
〔実施例〕
粒度が150〜200メッシュにピークを持つFe−2%Ni−
0.5%Mo−0.2%Mn粉に、325メッシュアンダーのNi粉1
%、黒鉛粉1.3%、高速度鋼粉末(Fe−4%Cr−5%Mn
−3%V−6%W−1.2%C:SKH53相当)8%、さらに金
型成形の際に型抜けを良くするために潤滑剤としてステ
アリン酸亜鉛を0.5%加えた混合粉をプレスに7.0t/cm2
の成形圧力で成形し、650℃で1時間脱蝋をした後、113
0度で1時間焼結し、比較例のテストピース素材(No.3
〜5)を作成した。比較のために、高速度鋼粉末を含有
せず、硬質粒子(組成Fe−63%Mo、Fe−53%Cr−20%Mo
−10%Co−1.2%C)をそれぞれ4%、2%添加したテ
ストピース素材No.1および、高速度鋼のみからなる組成
のテストピース素材No.2を上記と同様の方法で作成し
た。
同様にして、上記材料にさらに粒度150メッシュアン
ダー電解銅粉5%、及び粒度150メッシュアンダーの電
解銅粉5%とFe−63%Mo合金を4%添加した第一発明の
テストピース素材(No.9〜11)も作成した。
なお、Cuを添加した材料については、焼結後N2ガス流
で冷却した後、Cuを微細相として析出させるため、400
℃で1時間焼戻しを行なった。
さらに、第一発明のテストピース素材の組成にFeMo
(フェロモリブデン)を4%添加した第二発明の材料も
同様にテストピース素材とした。
こうして作成したテストピース素材につき、所定の寸
法に加工後、実機エンジンを模した単体摩耗試験及び実
機エンジンでバルブシート材としての適性を評価した。
評価は、吸気バルブシート用として表2に示す条件で行
なった。
結果を表4、5に示す。これらの表より本発明による
バルブシートは、従来の材料に比べ、耐摩耗性が向上し
ていることが明らかである。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によると、バルブシート
自体の耐摩耗性及び相手材であるバルブの摩耗量を、従
来の硬質粒子添加材料や高速度鋼単身材料よりも良好に
することができるために、近年ますます高出力および高
負荷で運転される傾向がある内燃機関のバルブシートの
性能を一層向上させることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤木 章 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日 産自動車株式会社内 (72)発明者 谷本 一郎 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日 産自動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−104636(JP,A) 特開 平1−268849(JP,A) 特開 昭63−171858(JP,A) 特開 昭60−169549(JP,A) 特開 昭49−90611(JP,A) 特公 昭52−16683(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C22C 38/00 304

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高速度鋼粉末2〜20%と、残部、Cuを1〜
    8%含有しかつCu相が微細に析出している鉄基材料とか
    らなり、高速度鋼粉末粒子が鉄基基地中に均一に分散し
    ていることを特徴とするバルブシート用鉄基焼結合金。
  2. 【請求項2】高速度鋼粉末2〜20%、硬質粒子2〜15
    %、Cu1〜8%、残部鉄基材料からなり、高速度鋼粉末
    粒子および硬質粒子が均一に分散し、Cu相が鉄基材料の
    基地中に微細に析出していることを特徴とするバルブシ
    ート用鉄基焼結合金。
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KR101642436B1 (ko) * 2016-04-01 2016-07-26 에이치제이산전(주) 화재 경보 기능을 갖춘 비상전원 자동공급 및 제어장치

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