JP2948602B2 - 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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【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鉄基焼結合金の
改良に係り、更に詳しくは、耐摩耗性と強度の改良され
たバルブシート用鉄基焼結合金に関する。
〔従来の技術〕
近年、内燃機関の小型高出力化、無鉛ガソリンの使用
に伴い、従来にも増して高回転、高温、高面圧等の過酷
な条件が課せられ、バルブシートもより一層の耐摩耗性
の向上が要求されている。その上、過給機の採用により
バルブシートの受ける熱的、機械的負荷は更に増大する
傾向にある。
内燃機関用バルブシートは、こうした内燃機関の趨勢
に対応するため、溶製材から焼結合金材に変換しつつあ
る。即ちバルブシートの耐摩耗性、高温強度、耐酸化性
を向上する目的で、Cr、Ni、Co、W、Mo、V、Nb、Ta等
の元素を合金用として添加するか、あるいはフェロアロ
イ、炭化物、又は複合合金粉として添加することで、硬
質粒子として基地中に分布させていた。例えば、Moを添
加した場合、それはFe−Mo(フェロモリブデン)粒子と
して添加されていた。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記合金元素の添加によって、耐摩耗性は改善され向
上するものの、コストの高騰をもたらすという欠点があ
る。又こうした合金元素の添加が、それに見合うだけの
効果があるかどうかについては不明の点が多い。また、
それらが硬質粒子として使われた場合には、基地鉄中に
拡散しにくいこともあって、硬質粒子の周囲は強化され
るものの、他の部位は強化されないため、分散強化によ
る基地強化が主体となり、合金元素が基地に固溶・合金
化することによる強化はさほど期待できなかった。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされた
もので、内燃機関の高出力化、高回転化による熱的及び
機械的負荷の増大に対応できる高負荷エンジン用の高性
能バルブシート素材として好適なバルブシート用鉄基焼
結合金を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
以上に鑑み、本発明者らは、先に、均一にMoが固溶し
た鉄粉を焼結し、さらに熱処理によって基地鉄中に微細
なCuの相を析出させることにより得られるFe−Mo−Cu−
C系材料について出願したが(特願昭63−255363号(特
開平2−104636号))、その後の研究により、Moに代
り、W、V、Nb、Taあるいは、Moと、W、V、Nb、Taの
1種類以上との同時添加によっても、同様な効果が得ら
れることを見出した。
本発明の第一のバルブシート用鉄基焼結合金は、C:0.
3〜2.5重量%、Cu:1〜8重量%、W、V、Nb、Taのいず
れか1種又は2種以上:合計で3〜14重量%、残部Fe及
び不可避不純物よりなり、Cu粉、及びW、V、Nb、Taの
いずれか1種又は2種以上を均一に固溶した鉄粉を前記
鉄基焼結合金の原料として使用し、焼結後に焼き戻しを
行うことにより、微細なCu相が析出した組織を有するこ
とを特徴とする。
また本発明の第二のバルブシート用鉄基焼結合金は、
C:0.3〜2.5重量%、Cu:1〜8重量%、MoとW、V、Nb、
Taのいずれか1種又は2種以上との合計:3〜14重量%、
残部Fe及び不可避不純物よりなり、Cu粉、及びMoとW、
V、Nb、Taのいずれか1種又は2種以上とを均一に固溶
した鉄粉を前記鉄基焼結合金の原料として使用し、焼結
後に焼き戻しを行うことにより、微細なCu相が析出した
組織を有することを特徴とする。
すなわち本発明においては、W、V、Nb、Ta又はこれ
らとMoとを鉄基地中に均一に分布、固溶させた合金粉末
材料を使用することにより、これらの元素を均一に分散
させ、これらの元素の持つ耐摩耗性向上効果を最大限に
活用し、さらにCuを必須元素として加え、熱処理により
微細なCuの相を析出させることにより、叩かれ時の衝撃
緩衝効果と、摺動摩耗時の軟質相の介在効果により相手
バルブへのアタック性を改善したものである。
次に、本発明に係るバルブシート用鉄基焼結合金の成
分及び組織の限定理由について説明する。
W、V、Nb、Taは、周期律表の5属又は6属の元素
で、Crと同様に鉄に固溶し、強度、耐熱性を高めると共
に、炭素と化合し、炭化物を作ることで耐摩耗性を高め
る作用がある。その量としては3重量%以下では摩耗性
改善効果が十分でなく、また14重量%を超えると、粉末
成形時の成形性が低下すると共に、材質が硬く脆くない
好ましくない。従って、W、V、Nb、Taは3〜14重量%
であることが必要であり、特に5〜10重量%であるのが
好ましい。なお、これらの元素はいずれも同様な耐摩耗
性改善効果をもつので、2種類以上を複合して含んでも
良い。
また、これらの元素の1種又は2種以上とともに、Mo
を添加することもできる。Moを添加する場合、Moと、
W、V、Nb、Taとの合計量は、上記と同様の理由によ
り、3〜14重量%とする。またMoの含有量としては、5
〜10重量%とするのが好ましい。
このW、V、Nb、Ta又はこれらとMoとを基地中に均一
に分布させるため、原料粉の主体となる鉄粉は、Mo、
W、V、Nb、Taを均一に分布、固溶するFe−X系(X:
W、V、Nb、Taのいずれか1種類以上又はこれとMoを含
む)の粉末を使用する必要がある。粉末としては、種々
のものを使用することができるが、アトマイズ法により
製造した粉末を使用するのが好ましい。この際、一部
(3重量%を超える量)のMo、W、V、Nb、Taは325メ
ッシュアンダーの微細な金属粉として添加しても良い。
この場合、Fe−X系の粉末中の合金元素(W、V、Nb、
Ta、Mo)の含有量を調節するか、又は合金元素を含有し
ない少量の鉄粉を対応する量だけ配合することにより、
得られる焼結合金中の合金元素の含有量が所定の値にな
るように調節することができる。
Cuは、熱処理によって基地鉄中に微細なCuの相として
析出することにより、叩かれ時の衝撃緩衝効果と、摺動
摩耗時の軟質相の介在効果により、相手バルブへのアタ
ック性を改善する。1重量%以下では、Cu相の析出がほ
とんどなく、また8重量%を超えると、焼結温度域での
CuのFe−X系合金母材への溶解度を越えるため、焼結に
よりCuが母材粉末粒子の粒界に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重量%であることが必要であり、特に3〜6重量%で
あるのが好ましい。
炭素は、鉄基地に固溶し強度を高めると共に、上記元
素と反応し炭化物を作る。その量は、共析組成〜若干の
過共析組成を目標とすることで、添加するMo、W、V、
Nb、Taの量や他の合金元素量により、フェライト及び粗
大な炭化物を生じない範囲として、必然的に決まる。上
記Mo、W、V、Nb、Ta量の範囲に対応する炭素量は0.8
〜2.5重量%となる。炭素%が共析組成よりも低いと、
軟らかいフェライトを生じ、耐摩耗性が劣化し好ましく
なく、また逆に炭素%が高過ぎると、粗い炭化物を生じ
加工しずらくなるとともに、脆くなるため好ましくな
い。ただし、フェライト、粗大炭化物は生じないことが
好ましいが、現実的には炭素量を厳密にコントロールす
るのは、原料粉の酸素量が焼結炉の雰囲気などに左右さ
れるため難しく、5体積%以下のフェライト、粗大炭化
物の生成は許容する。
なお、上記の元素以外に、補助的にCo、B等の基地強
化元素を10原子%まで添加しても良い。また、Cuを微細
な相として析出させるため、母合金へのCuの溶解度を高
め、Cuの析出を抑制する元素であるNiを0.1重量%まで
添加しても良い。
上記焼結用粉末の粒径は、325メッシュ以下であるの
が好ましく、この範囲より粗い粉末では均一な固溶組織
が得にくく、またこの範囲より細かくしてもそれに見合
う効果は得られない。
次に、焼結条件について説明する。焼結後の熱処理に
より微細なCu相を析出させるためには、焼結時に一時Cu
をFe−X系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。また1100℃以下
では、焼結後の強度が低く十分な耐摩耗性が得られな
い。しかし、焼結温度が1200℃以上となると、Fe−X母
相より発生する液相量が多くなりすぎ組織の粗大化、異
常化を招き好ましくない。よって焼結温度は1100〜1200
℃とする必要がある。焼結後に冷却するが、その後の熱
処理による微細Cu相の析出を行う必要上から、冷却時の
Cu析出を防ぐため、ガス冷却程度以上の冷却速度で冷却
する必要がある。さらに、Cu相を析出させるため400〜7
00℃での焼き戻しを行う。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
実施例1 粒度が150〜200メッシュにピークを持ち、5重量%の
Wを均一に固溶する鉄粉に、325メッシュアンダーの電
解Cu粉と、黒鉛粉を、最終組成でそれぞれ5重量%、及
び2.1重量%になるように加えた。さらに金型成形の際
に型抜けを良くするために、潤滑材としてステアリン酸
亜鉛を0.6重量%加え、得られた混合粉をプレスにて7t/
cm2の成形圧力で成形し、650℃で1時間脱ろうをした。
さらに、1150℃で1時間焼結してから900℃まで炉冷
し、900℃からはガス冷却した。さらに微細なCu相を析
出させるため、550℃で1時間の焼き戻し処理を行っ
た。その後、加工して外径46mm×内径30mm×高さ7.5mm
のテストピース(バルブシート)を作成した。さらに、
硬度がHRB95前後になるよう熱処理を行った。
実施例2〜10、比較例1〜10 実施例1と同様にして、第1表に示すようにMo、W、
V、Nb、Taを単独あるいは複合して含む系についても、
テストピースを作成した。
また比較材として、同じ粒径を有し、Mo、W、V、N
b、Taを単独あるいは複合して固溶する鉄粉に黒鉛粉を
加え、第1表に示す組成となるように、実施例1と同じ
条件でテストピースを作った。ただし、焼き戻しはしな
かった。各例の焼結合金の組成を第1表に示す。
こうして作製した外径46mm×内径30mm×高さ7.5mmの
テストピースを所定のバルブシート形状に加工後、単体
摩耗試験での耐久試験でバルブシート材としての適性を
評価した。
第1図には、使用した単体摩耗試験機を概略的に示
す。この試験機においては、駆動装置(図示せず)によ
って回転するカム2によって上昇したバルブ3は、バル
ブステム4の下部のスプリング5の伸縮によって、バル
ブシート1を衝撃的に叩く動作を繰返し行うようになっ
ている。またバルブ3の上方にガスバーナ6が、側方に
シリンダヘッド7に圧縮空気を吹き付けるノズル8が、
それぞれ配設されており、制御装置(図示せず)によっ
て、ガスバーナ6に供給されるプロパンガスの供給量と
ノズル8の風量を調節して、バルブ3の表面を一定温度
に加熱維持する構造になっている。このような摩耗試験
機を用いて、吸気バルブシートの使用条件を想定した下
記に示す試験条件で、試験を行い、バルブシートの摩耗
量を基準バルブの沈み量から求めた。その際、特に、微
細なCu相の析出によるバルブ摩耗の低減効果を確認する
ため、比較的バルブの摩耗しやすい吸気仕様の試験と
し、さらにバルブを強制的に摩耗させるため、バルブと
バルブシートの当り面に加わる面圧を高めて行った。
(試験条件) バルブ材質 SUH−3 バルブ表面温度 350℃ バルブシート温度 150℃ 回転数 3000rpm 試験時間 5時間 試験結果を第2表に示す。第2表から明らかなよう
に、本発明の焼結合金製のバルブシートは、従来のもの
に比べてバルブシート自身の摩耗に影響することなく、
バルブ摩耗を半減させている。
〔発明の効果〕 以上説明してきたように、この発明に係るバルブシー
ト用鉄基焼結合金は、合金元素が均一に固溶した鉄粉を
焼結してなるものであるので、合金元素が鉄基地中に均
一に固溶しており、そのために、耐摩耗性と強度が向上
している。さらに、微細なCuの相を均一に分散している
ため、衝撃緩衝効果が向上し、相手アタック性も改善さ
れる。従って、高負荷エンジン用のバルブシート用に好
適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】 第1図は単体摩耗試験機の概要図である。 1……バルブシート 2……カム 3……バルブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−161144(JP,A) 特開 平2−104636(JP,A) 特開 平3−47950(JP,A) 特開 昭55−145152(JP,A) 特開 昭63−161144(JP,A) 特開 昭61−243156(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C22C 38/00 - 38/60 F01L 3/02 C22C 33/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】C:0.3〜2.5重量%、Cu:1〜8重量%、W、
    V、Nb、Taのいずれか1種又は2種以上:合計で3〜14
    重量%、残部Fe及び不可避不純物よりなるバルブシート
    用鉄基焼結合金であって、Cu粉、及びW、V、Nb、Taの
    いずれか1種又は2種以上を均一に固溶した鉄粉を前記
    鉄基焼結合金の原料として使用し、焼結後に焼き戻しを
    行うことにより、微細なCu相が析出した組織を有するこ
    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】C:0.3〜2.5重量%、Cu:1〜8重量%、Moと
    W、V、Nb、Taのいずれか1種又は2種以上との合計:3
    〜14重量%、残部Fe及び不可避不純物よりなるバルブシ
    ート用鉄基焼結合金であって、Cu粉、及びMoとW、V、
    Nb、Taのいずれか1種又は2種以上とを均一に固溶した
    鉄粉を前記鉄基焼結合金の原料として使用し、焼結後に
    焼き戻しを行うことにより、微細なCu相が析出した組織
    を有す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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