JP3105509B2 - 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Info
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- JP3105509B2 JP3105509B2 JP01182131A JP18213189A JP3105509B2 JP 3105509 B2 JP3105509 B2 JP 3105509B2 JP 01182131 A JP01182131 A JP 01182131A JP 18213189 A JP18213189 A JP 18213189A JP 3105509 B2 JP3105509 B2 JP 3105509B2
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- valve seat
- sintered alloy
- based sintered
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
以上に鑑み、本発明者らは、先に、均一にMoが固溶し
た鉄粉を焼結することにより得られるFe−Mo−Ｃ系材料
について提案したが（特開昭63-161144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。
た鉄粉を焼結することにより得られるFe−Mo−Ｃ系材料
について提案したが（特開昭63-161144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.
8〜2.5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％、及び残部Fe及び不可避不純
物よりなり、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
て使用することにより、Ｗ、Ｖ、Nb、Taのいずれか１種
又は２種以上が鉄基地中に均一に固溶して分布した組織
を有することを特徴とする。
8〜2.5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％、及び残部Fe及び不可避不純
物よりなり、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
て使用することにより、Ｗ、Ｖ、Nb、Taのいずれか１種
又は２種以上が鉄基地中に均一に固溶して分布した組織
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:0.8〜2.5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％、及び残部Fe及び不
可避不純物よりなり、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することにより、MoとＷ、Ｖ、N
b、Taのいずれか１種又は２種以上とが鉄基地中に均一
に固溶して分布した組織を有することを特徴とする。
C:0.8〜2.5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％、及び残部Fe及び不
可避不純物よりなり、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することにより、MoとＷ、Ｖ、N
b、Taのいずれか１種又は２種以上とが鉄基地中に均一
に固溶して分布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
活用したものである。
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。
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、材質が硬く脆くなり
好ましくない。従って、Ｗ、Ｖ、Nb、Taは合計で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。
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、材質が硬く脆くなり
好ましくない。従って、Ｗ、Ｖ、Nb、Taは合計で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、３
〜10重量％とするのが好ましい。
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、３
〜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。
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。
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。
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。
化元素を10原子％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。
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。
焼結は、1100〜1200℃の範囲で行う。焼結温度が1100
℃以下では、焼結後の強度が低く十分な耐摩耗性が得ら
れないので、好ましくなく、逆に1200℃以上となると、
多量の液相が発生し炭化物が粗大化するので好ましくな
い。従って焼結は1100〜1200℃で行う必要がある。焼結
時間は一般に30〜120分程度である。焼結後は、必要に
より熱処理を行い、組織、硬さの調整を行う。
℃以下では、焼結後の強度が低く十分な耐摩耗性が得ら
れないので、好ましくなく、逆に1200℃以上となると、
多量の液相が発生し炭化物が粗大化するので好ましくな
い。従って焼結は1100〜1200℃で行う必要がある。焼結
時間は一般に30〜120分程度である。焼結後は、必要に
より熱処理を行い、組織、硬さの調整を行う。
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黒
鉛粉を最終組成で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、1200℃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。冷却後、
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。
Ｗを均一に固溶する鉄粉に、325メッシュアンダーの黒
鉛粉を最終組成で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、1200℃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。冷却後、
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１〜４ 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。
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、同じ粒径の鉄粉に、第１表に示す
組成となるようにＷ、Ｖ、Nb、Taの各々のフェロアロイ
を添加した材料についても、実施例１と同じ条件でテス
トピースを作った。なお各フェロアロイ中のＷ、Ｖ、N
b、Taの含有量は以下の通りであった。
組成となるようにＷ、Ｖ、Nb、Taの各々のフェロアロイ
を添加した材料についても、実施例１と同じ条件でテス
トピースを作った。なお各フェロアロイ中のＷ、Ｖ、N
b、Taの含有量は以下の通りであった。
W :80重量％ V :50重量％ Nb:65重量％ Ta:65重量％ 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。
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。
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。
（試験条件） バルブ材質 SUH-36 バルブ表面温度 650℃ バルブシート温度 300℃ 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、従来のフェ
ロアロイ添加のものに比べて、著しく耐摩耗性が向上し
ている。また相手バルブの摩耗量も著しく減少してい
る。
に、本発明の焼結合金製のバルブシートは、従来のフェ
ロアロイ添加のものに比べて、著しく耐摩耗性が向上し
ている。また相手バルブの摩耗量も著しく減少してい
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。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。
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。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。
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55−145152（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−161144（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】C:0.8〜2.5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％、及び残部
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、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
て使用することにより、Ｗ、Ｖ、Nb、Taのいずれか１種
又は２種以上が鉄基地中に均一に固溶して分布した組織
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。 - 【請求項２】C:0.8〜2.5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％、及び
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、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
の原料として使用することにより、MoとＷ、Ｖ、Nb、Ta
のいずれか１種又は２種以上とが鉄基地中に均一に固溶
して分布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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01182131A JP3105509B2 (ja) | 1989-07-14 | 1989-07-14 | バルブシート用鉄基焼結合金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01182131A JP3105509B2 (ja) | 1989-07-14 | 1989-07-14 | バルブシート用鉄基焼結合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0347950A JPH0347950A (ja) | 1991-02-28 |
| JP3105509B2 true JP3105509B2 (ja) | 2000-11-06 |
Family
ID=16112874
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP01182131A Expired - Lifetime JP3105509B2 (ja) | 1989-07-14 | 1989-07-14 | バルブシート用鉄基焼結合金 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3105509B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102233205B1 (ko) * | 2016-07-29 | 2021-03-26 | 닛폰 피스톤 린구 가부시키가이샤 | 내빠짐성이 뛰어난 밸브 시트 |
-
1989
- 1989-07-14 JP JP01182131A patent/JP3105509B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0347950A (ja) | 1991-02-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |