JP3331928B2 - 耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ディーゼルエン
ジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の構造部材であ
るＦｅ基焼結合金製バルブシートの製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関のＦｅ基焼結合金製バル
ブシートとしては、例えば特開昭５５−１６４０６３号
公報や特開昭５８−１７８０７３号公報などに記載され
るように、硬質粒子分散型のＦｅ基焼結合金で構成され
たものが多く提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年の内燃機関
の高出力化および大型化はめざましく、これに伴ない、
内燃機関の構造部材であるバルブシートは、より一段の
高温環境下での稼働を余儀なくされるが、上記の従来Ｆ
ｅ基焼結合金製バルブシートはじめ、その他多くのバル
ブシートをより一段の高温環境下で用いた場合、摩耗進
行が急激に促進されるようになり、比較的短時間で使用
寿命に至るのが現状である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、特に高温環境にさらされても、
すぐれた耐摩耗性を発揮するバルブシートを製造すべく
研究を行なった結果、重量％（質量％）で［以下、組成
に関する％はいずれも重量％（質量％）を示す］、 （ａ）素地形成用合金粉末として、 Ｃ：０．２〜３％、 Ｎｉ：０．５〜５％、 Ｃｒ：０．５〜８％、 Ｎｂ：０．０５〜１．５
％、 を含有し、さらに、 Ｃｏ：０．３〜１０％、 Ｍｏ：０．２〜６％、 Ｓｉ：０．１〜１％、 のうちの１種または２種以上、を含有し、残りがＦｅと
不可避不純物からなる組成を有する合金鋼粉末、 （ｂ）硬質粒子形成用合金粉末として、 Ｍｏ：２０〜３５％、 Ｃｒ：５〜１０％、 Ｓｉ：１〜４％、 を含有し、残りがＣｏと不可避不純物からなる組成を有
するＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなるＣｏ基合金粉末、 （ｃ）弗化カルシウム（以下、ＣａＦ₂ で示す）粉末、 以上（ａ）〜（ｃ）を原料粉末として用いて、 Ｃ：０．５〜２％、 Ｓｉ：０．０５〜１％、 Ｃｏ：５〜１５％、 Ｍｏ：１〜６％、 Ｃｒ：１〜６％、 Ｎｉ：０．５〜２％、 Ｎｂ：０．０５〜１％、 ＣａＦ₂ ：１〜１５％、 を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる全体組
成、合金鋼の素地に、光学顕微鏡組織写真で観察して、
それぞれＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなるＣｏ基合金硬
質粒子が５〜２０面積％の割合で、ＣａＦ₂ 粒子が３〜
４５面積％の割合で分散分布した組織、および５〜２５
容量％の気孔率、を有するＦｅ基焼結合金で構成された
バルブシートを製造すると、この結果得られたＦｅ基焼
結合金製バルブシートにおいては、特に上記硬質粒子が
高温耐摩耗性にすぐれていることから、これによってよ
り高温下での使用に際してもすぐれた耐摩耗性が確保さ
れ、さらに上記ＣａＦ₂ 粒子による潤滑性向上効果によ
って常温耐摩耗性が一段と向上し、この結果全体的にす
ぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するようになり、ま
たこれに銅または銅合金を溶浸させると熱伝導性および
強度が向上し、さらに鉛または鉛合金を溶浸させると潤
滑性、制振性、および被削性が向上するようになるとい
う研究結果を得たのである。

【０００５】この発明は、上記の研究結果にもとづいて
なされたものであって、 （ａ）素地形成用合金粉末として、 Ｃ：０．２〜３％、 Ｎｉ：０．５〜５％、 Ｃｒ：０．５〜８％、 Ｎｂ：０．０５〜１．５
％、 を含有し、さらに、 Ｃｏ：０．３〜１０％、 Ｍｏ：０．２〜６％、 Ｓｉ：０．１〜１％、 のうちの１種または２種以上、を含有し、残りがＦｅと
不可避不純物からなる組成を有する合金鋼粉末、 （ｂ）硬質粒子形成用合金粉末として、 Ｍｏ：２０〜３５％、 Ｃｒ：５〜１０％、 Ｓｉ：１〜４％、 を含有し、残りがＣｏと不可避不純物からなる組成を有
するＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなるＣｏ基合金粉末、 （ｃ）ＣａＦ₂ 粉末、 以上（ａ）〜（ｃ）を原料粉末として用いて、 Ｃ：０．５〜２％、 Ｓｉ：０．０５〜１％、 Ｃｏ：５〜１５％、 Ｍｏ：１〜６％、 Ｃｒ：１〜６％、 Ｎｉ：０．５〜２％、 Ｎｂ：０．０５〜１％、 ＣａＦ₂ ：１〜１５％、 を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる全体組
成、合金鋼の素地中に、光学顕微鏡組織写真で観察し
て、それぞれＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなる高温耐摩
耗性Ｃｏ基合金硬質粒子が５〜２０面積％の割合で、Ｃ
ａＦ₂ 粒子が３〜４５面積％の割合で分散分布した組
織、および５〜２５容量％の気孔率、を有するＦｅ基焼
結合金で構成され、さらに必要に応じて前記Ｆｅ基焼結
合金に銅または銅合金、あるいは鉛または鉛合金を溶浸
してなる、耐摩耗性のすぐれＦｅ基焼結合金製バルブシ
ートを製造する方法に特徴を有するものである。

【０００６】つぎに、この発明のバルブシートの製造方
法において、バルブシートを構成するＦｅ基焼結合金の
全体組成、硬質粒子およびＣａＦ₂ 粒子の割合、さらに
気孔率を上記の通りに限定した理由を説明する。 （Ａ） 全体組成 （ａ） Ｃ Ｃ成分には、素地に固溶して、これを強化するほか、素
地に分散する炭化物を形成して素地の耐摩耗性を向上さ
せ、さらに硬質粒子に含有して耐摩耗性を向上させる作
用があるが、その含有量が０．５％未満では前記作用に
所望の向上効果が得られず、一方その含有量が２％を越
えると、相手攻撃性が急激に増大するようになることか
ら、その含有量を０．５〜２％、望ましくは０．７〜
１．３％と定めた。

【０００７】（ｂ） Ｓｉ Ｓｉ成分には、素地に固溶して、これの硬さを高め、も
って耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が
０．０５％未満では前記作用に所望の効果が得られず、
一方その含有量が１％を越えると強度が低下するように
なることから、その含有量を０．０５〜１％、望ましく
は０．３〜０．７％と定めた。

【０００８】（ｃ） Ｍｏ Ｍｏ成分には、素地を固溶強化し、かつ硬質粒子では炭
化物を形成して耐摩耗性を向上させる作用があるが、そ
の含有量が１％未満では所望の耐摩耗性向上効果が得ら
れず、一方その含有量が６％を越えると相手攻撃性が増
大するようになることから、その含有量を１〜６％、望
ましくは２．５〜４．５％と定めた。

【０００９】（ｄ） Ｃｏ Ｃｏ成分には、素地を固溶強化すると共に、硬質粒子の
高温耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その含有量
が５％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方
その含有量が１５％を越えると、バルブシート自体の耐
摩耗性が低下するようになることから、その含有量を５
〜１５％、望ましくは７〜１３％と定めた。

【００１０】（ｅ） Ｃｒ Ｃｒ成分には、素地を固溶強化し、また硬質粒子では、
Ｍｏと共に炭化物を形成し、さらに金属間化合物を形成
して、Ｃｏとの共存下で高温耐摩耗性向上に寄与する作
用があるが、その含有量が１％未満では前記作用に所望
の効果が得られず、一方その含有量が６％を越えると焼
結性が低下し、バルブシートに所望の強度を確保するこ
とができなくなることから、その含有量を１〜６％、望
ましくは２．５〜４．５％と定めた。

【００１１】（ｆ） Ｎｉ Ｎｉ成分には、素地および硬質粒子に固溶して、これを
強化する作用があるが、その含有量が０．５％未満では
前記作用に所望の効果が得られず、一方その含有量が２
％を越えると耐摩耗性が低下するようになることから、
その含有量を０．５〜２％、望ましくは１〜１．５％と
定めた。

【００１２】（ｇ） Ｎｂ Ｎｂ成分には、素地に固溶して、これの耐熱性を向上さ
せ、高温耐摩耗性の向上に寄与する作用があるが、その
含有量が０．０５％未満では前記作用に所望の効果が得
られず、一方その含有量が１％を越えると相手攻撃性が
増すようになることから、その含有量を０．０５〜１
％、望ましくは０．３〜０．７％と定めた。

【００１３】（ｈ） ＣａＦ₂ （含有量および分散割
合） ＣａＦ₂ 成分には、潤滑性を向上させ、もって常温耐摩
耗性を向上させる作用があるが、その含有量が１％未満
では、素地に分散分布する割合が３面積％未満となって
前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量
が１５％を越えると、素地に分散分布する割合が４５面
積％を越えて多くなり過ぎ、強度が低下するようになる
ことから、その含有量を１〜１５％望ましくは３〜１０
％と定めた。

【００１４】（Ｂ） 硬質粒子の割合 硬質粒子の割合が５面積％未満では所望の耐摩耗性を確
保することができず、一方その割合が２０面積％を越え
ると相手攻撃性が急激に増大するばかりでなく、強度も
低下するようになることから、その全体割合を５〜２０
面積％、望ましくは７〜１５面積％と定めた。

【００１５】（Ｃ） 気孔率 ５容量％未満の気孔率では保油効果による潤滑性向上効
果が期待できないばかりでなく、銅および銅合金や鉛お
よび鉛合金の溶浸が不均一になって、これら溶浸による
効果を十分に発揮させることができず、一方気孔率が２
５容量％を越えると強度および耐摩耗性の低下が避けら
れないことから、気孔率を５〜２５％、望ましくは１０
〜２０％と定めた。

【００１６】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明のバルブシート
の製造方法を実施例により具体的に説明する。まず、原
料粉末として、それぞれ表１、２に示される平均粒径お
よび成分組成をもった素地形成用合金粉末Ｍ−１〜Ｍ−
１５、および硬質粒子形成用合金粉末Ｈ−１〜Ｈ−６を
用意し、これら原料粉末を表３に示される組合せで所定
の割合に配合し、さらにこれに同じく原料粉末として用
意した−２００meshの粒度を有するＣａＦ₂ 粉末をそれ
ぞれ所定の割合に配合し、ステアリン酸亜鉛：１％を加
えてミキサーにて３０分間混合し後、５〜７ton ／cm²
の範囲内の所定の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧
粉体を５００℃に３０分間保持して脱脂し、アンモニア
分解ガス雰囲気中、１１７０〜１２５０℃の範囲内の所
定温度に１時間保持の条件で焼結することにより本発明
法および比較法を実施し、表４〜７に示される全体組
成、硬質粒子およびＣａＦ₂ 粒子の割合（１００倍の光
学顕微鏡組織写真にもとづいて画像解析装置にて測
定）、並びに気孔率を有するＦｅ基焼結合金で構成さ
れ、かつ外径：３４mm×最小内径：２７mm×厚さ：７．
２mmの寸法をもった本発明バルブシート１〜１５および
比較バルブシート１、２をそれぞれ製造した。なお、上
記比較バルブシート１、２は、バルブシートを構成する
Ｆｅ基焼結合金の硬質粒子の割合、または硬質粒子とＣ
ａＦ₂ 粒子の割合がこの発明の範囲から外れ、これによ
って全体組成もこの発明の組成範囲から外れるようにな
ったものである。

【００１７】さらに、上記本発明バルブシート１〜１５
および比較バルブシート１、２を本体とし、これのそれ
ぞれの上面に、純銅、Ｃｕ−３％Ｃｏ合金（以下、Ｃｕ
合金１という）、Ｃｕ−３％Ｆｅ−２％Ｍｎ−２％Ｚｎ
合金（以下、Ｃｕ合金２という）、またはＣｕ−３０％
Ｚｎ合金（以下、Ｃｕ合金３という）の溶浸材を表８に
示される組合せで載置し、この状態でメタン変成ガス雰
囲気中、温度：１１００℃に１５分間保持の条件で銅ま
たは銅合金の溶浸処理を施すことにより本発明法および
比較法を実施し、本発明銅溶浸バルブシート１〜１５お
よび比較銅溶浸バルブシート１、２をそれぞれ製造し
た。また、同じく上記本発明バルブシート１〜１５およ
び比較バルブシート１、２を本体とし、これに表９に示
される組合せで、純鉛、Ｐｂ−４％Ｓｂ合金（以下、合
金ａという）、またはＰｂ−５％Ｓｎ合金（以下、合金
ｂという）の溶浸材の加熱浴中に、窒素雰囲気中、浴表
面に８kg／cm² の圧力を付加した状態で１時間浸漬の条
件で鉛または鉛合金の溶浸処理を施すことにより本発明
法および比較法を実施し、本発明鉛溶浸バルブシート１
〜１５および比較鉛溶浸バルブシート１、２をそれぞれ
製造した。

【００１８】つぎに、この結果得られた各種のバルブシ
ートについて、バルブシート台上摩耗試験機を用い、 バルブの材質：ＳＵＨ−３、 バルブの加熱温度：７５０℃、 バルブの着座回数：３１００回／min 、 雰囲気：０．４kg／cm² の圧力のプロパンガスと、流
量：１．５ｌ／min の酸素ガスによる燃焼ガス、 バルブシートの加熱温度（水冷）：３００〜４００℃、 着座荷重：２５kg、 試験時間：１．５時間の連続運転と１０分間の停止を１
サイクルとして２０サイクル、 の条件で摩耗試験を行ない、バルブシートの最大摩耗深
さと相手材であるバルブの最大摩耗深さを測定した。こ
れらの測定結果を表６〜９に示した。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】

【００２２】

【表４】

【００２３】

【表５】

【００２４】

【表６】

【００２５】

【表７】

【００２６】

【表８】

【００２７】

【表９】

【００２８】

【発明の効果】表６〜９に示される結果から、本発明法
により製造された本発明バルブシート１〜１５、本発明
銅溶浸バルブシート１〜１５、および本発明鉛溶浸バル
ブシート１〜１５は、いずれも低い相手攻撃性で、かつ
高温運転条件下ですぐれた耐摩耗性を示すのに対して、
比較バルブシート１、２、比較銅溶浸バルブシート１、
２、および比較鉛溶浸バルブシート１、２に見られるよ
うに、これを構成するＦｅ基焼結合金の硬質粒子の割合
がこの発明の範囲から外れると、耐摩耗性が低下した
り、相手攻撃性が増したりすることが明らかである。上
述のように、この発明の方法によれば、硬質粒子によっ
て高温耐摩耗性が、ＣａＦ₂ 粒子によって常温耐摩耗性
が著しく向上し、したがって通常運転は勿論のこと、高
温運転の内燃機関に用いてもすぐれた耐摩耗性を長期に
亘って発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシートを製造す
ることができるのである。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−163351（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−163350（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−287463（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−290245（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−242516（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−134607（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−202451（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 33/02 C22C 38/00 304 C22C 38/30 F01L 3/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）素地形成用合金粉末として、 Ｃ：０．２〜３％、 Ｎｉ：０．５〜５％、 Ｃｒ：０．５〜８％、 Ｎｂ：０．０５〜１．５
   ％、 を含有し、さらに、 Ｃｏ：０．３〜１０％、 Ｍｏ：０．２〜６％、 Ｓｉ：０．１〜１％、 のうちの１種または２種以上、 を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有
   する合金鋼粉末、 （ｂ）硬質粒子形成用合金粉末として、 Ｍｏ：２０〜３５％、 Ｃｒ：５〜１０％、 Ｓｉ：１〜４％、 を含有し、残りがＣｏと不可避不純物からなる組成を有
   するＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなるＣｏ基合金粉末、 （ｃ）弗化カルシウム粉末、 以上（ａ）〜（ｃ）を原料粉末として用いて、 Ｃ：０．５〜２％、 Ｓｉ：０．０５〜１％、 Ｃｏ：５〜１５％、 Ｍｏ：１〜６％、 Ｃｒ：１〜６％、 Ｎｉ：０．５〜２％、 Ｎｂ：０．０５〜１％、 弗化カルシウム：１〜１５％、 を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる全体組成
   ［以上、組成に関する％はいずれも重量％（質量％）を
   示す］、 合金鋼の素地に、光学顕微鏡組織写真で観察して、それ
   ぞれＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなる高温耐摩耗性Ｃｏ
   基合金硬質粒子が５〜２０面積％の割合で、弗化カルシ
   ウム粒子が３〜４５面積％の割合で分散分布した組織、 および５〜２５容量％の気孔率、 を有するＦｅ基焼結合金で構成された耐摩耗性のすぐれ
   たＦｅ基焼結合金製バルブシートを製造する方法。
2. 【請求項２】 （ａ）素地形成用合金粉末として、 Ｃ：０．２〜３％、 Ｎｉ：０．５〜５％、 Ｃｒ：０．５〜８％、 Ｎｂ：０．０５〜１．５
   ％、 を含有し、さらに、 Ｃｏ：０．３〜１０％、 Ｍｏ：０．２〜６％、 Ｓｉ：０．１〜１％、 のうちの１種または２種以上、 を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有
   する合金鋼粉末、 （ｂ）硬質粒子形成用合金粉末として、 Ｍｏ：２０〜３５％、 Ｃｒ：５〜１０％、 Ｓｉ：１〜４％、 を含有し、残りがＣｏと不可避不純物からなる組成を有
   するＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなるＣｏ基合金粉末、 （ｃ）弗化カルシウム粉末、 以上（ａ）〜（ｃ）を原料粉末として用いて、 Ｃ：０．５〜２％、 Ｓｉ：０．０５〜１％、 Ｃｏ：５〜１５％、 Ｍｏ：１〜６％、 Ｃｒ：１〜６％、 Ｎｉ：０．５〜２％、 Ｎｂ：０．０５〜１％、 弗化カルシウム：１〜１５％、 を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる全体組成
   ［以上、組成に関する％はいずれも重量％（質量％）を
   示す］、 合金鋼の素地に、光学顕微鏡組織写真で観察して、それ
   ぞれＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなる高温耐摩耗性Ｃｏ
   基合金硬質粒子が５〜２０面積％の割合で、弗化カルシ
   ウム粒子が３〜４５面積％の割合で分散分布した組織、 および５〜２５容量％の気孔率、 を有するＦｅ基焼結合金で構成され、かつ銅または銅合
   金、あるいは鉛または鉛合金を溶浸してなる、耐摩耗性
   のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブシートを製造する方
   法。