JP4373287B2 - 二層構造鉄基焼結合金製バルブシート - Google Patents

Description

本発明は、特に高出力型自動車エンジンやLPG、CNG等のガスエンジンに適する二層構造の鉄基焼結合金製バルブシートに関する。

従来より、鉄基焼結合金製バルブシートを安価に製造する手段として、バルブフェイスによって繰り返し打撃及び摺動される当たり面を含む耐摩耗性が要求される部分（以下「シート層」という）と、前記のシート層とは異なる比較的安価な成分からなりシリンダヘッド圧入穴の底面に当接する部分（以下「支持層」という）の二層構造とすることが、例えば特許文献１(特開平９−１５１７１２号公報)及び非特許文献１（「設計技術者のためのやさしい自動車材料」日経BP社、1993年9月6日発行第63-65頁）などに示されている。この特許文献１に示された方法では、シート層及び支持層のそれぞれの原料粉を金型に充填して、圧縮成形して上下二層からなる一体の圧粉体とし、次いで焼結を行っている。

一方、自動車エンジンの高出力化及びLPG、CNG等の公害防止用クリーン燃料の使用に伴い、エンジンのバルブシートが受ける熱的負荷及び機械的負荷は益々増大する傾向にある。このようなバルブシートへの熱的負荷及び機械的負荷の増大に対処するために、例えば本発明者による特許文献２（特開２００２−２２０６４５号公報）のごとく、プレアロイ法により合金元素を添加した鉄粉を使用した基地に、例えばFe-60〜70%Mo-0.1%以下の組成をもつ硬質粒子や固体潤滑剤を分散させる方法のように、合金元素を多量に添加する高合金化の手法がバルブシートにも用いられるようになってきている。
特開平９−１５１７１２号公報 特開２００２−２２０６４５号公報 「設計技術者のためのやさしい自動車材料」日経BP社、1993年9月6日発行第63-65頁

しかしながら、鉄基合金基地の高合金化や鉄基合金基地と固体潤滑材などの複合化により、焼結合金原料のプレス成形時の成形性が低下している。また、圧粉体の焼結により、収縮が起こるが、その量は粉末の組成、粒度などにより異なる。上記のような高合金化原料の焼結体では収縮が増大し、金型寸法に対する焼結体（製品素材）の寸法収縮が大きくなる傾向にある。
バルブと接触しない支持層を低コストな材料とする二層構造のバルブシートを製造しようとした場合に、収縮が大きい高合金化シート層と、収縮が小さい低コスト材支持層との寸法が、接合面を除いて異なってしまうという問題が生じる。

Fe系焼結材料の寸法変化は組成が大きく影響することが知られている。すなわち、Ｃは収縮、Ｎｉは収縮、Ｃｕは膨張に作用する。したがって、これ等の添加元素量を調整することで、焼結体（製品素材）の状態における支持層の寸法をシート層の寸法に合わせることが可能である。しかし、近年のバルブシートの熱負荷増大等により、シート層に高合金化、硬質粒子の多量分散、固体潤滑材の分散等の手段がとられるようになると、シート層焼結体（製品素材）での金型に対する寸法変化率が約０．７％以上と極めて大きくなる傾向があり、これらの添加元素量の成分調整では対応できなくなってきている。このため、焼結時のシート層と支持層との寸法変化率が大幅に異なることによるクラック発生や、仕上加工代が大きくなるために、バルブシートの生産性が低下している。
一方、Fe系材料製支持層に用いる鉄系合金粒子の粉末粒度を大きいものに限定することで成形体密度を低下させ、焼結時の収縮量を大きくして、シート層と支持層との寸法変化率を近づけることが考えられたが、一定サイズ以上の大きさに粉末粒度を限定すると、粉末製造上の工程増加により粉末自体のコストが大幅に上がり、二層構造化する本来の目的である低コスト化を達成することができない。

上記課題に鑑み鋭意研究の結果、支持層の鉄基低合金基地中に、プレス成形時の圧縮性を低下させる粉末粒子を添加し、スプリングバックを増大させて成形体の密度を下げることで焼結時の成形体の寸法収縮率を大きくすることにより、シート層とほぼ均等の寸法の収縮率が得られること見出し本発明に想到した。
本発明が着目するスプリングバックは、プレス成形時に、一時的に変形した粉末原料の粒子間距離が小さくなりかつ密度が上昇し、次いでプレス圧力が解除されると粒子形状が復元され、粒子間距離が大きくなり、密度が低下する現象である。

本発明は、支持層の金型基準収縮率をシート層の金型基準収縮率に合わせ込むために、支持層のスプリングバック量を多くすることを提案する。すなわち、シート層でも当然生じるスプリングバックは、硬質粒子及び固体潤滑剤により調節が困難であるために、本発明では支持層のスプリングバックを調整して収縮を多くすることを提案するのである。

すなわち、本発明の鉄基焼結合金製バルブシートは、内燃機関のシリンダヘッドに圧入されるバルブシートのバルブと摺動する面が固体潤滑剤及び硬質粒子を含むFe系材料製シート層からなり、シリンダヘッドの穴底面に当接する面が前記Fe系材料製シート層と成分構成が異なるFe系材料製支持層からなる二層構造焼結鉄基バルブシートにおいて、前記Fe系材料製支持層が、Feを主成分とし、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ及びＭｏのいずれか１種又は２種以上を含有する鉄系基地に、プレス成形時の圧縮性を低下させる非金属粉末粒子及び高硬度金属粒子の１種又は２種以上を０.５〜５重量%分散して含有したことを特徴とする。
本発明の特徴は製造時におけるシート層と支持層との寸法変化を均一化するために支持層の圧縮性を低下させる非金属粉末粒子及び／又は高硬度金属粒子を均一に分散させて、プレス成形時のスプリングバックを大きくし、焼結時におけるシート層の寸法収縮率特性とほぼ均等の収縮特性を達成したものである。すなわち、本発明の鉄基焼結合金製バルブシートと従来のものとの成形体及び焼結体の寸法変化を繰り返し測定し、本件発明の鉄基焼結合金製バルブシート（図３）では、従来の鉄基焼結合金製バルブシート（図2）よりも、金型１０に対してスプリングバックした成形体１１の外径が大きく、また焼結体１２の収縮も大きくなっている。なお、シート層と支持層の間の段差は誇張して図示している。

本発明の鉄基焼結合金製バルブシートの支持層に配合する非金属粉末粒子は、Al₂O₃、滑石（タルク）等の酸化物、ＴｉＮ等の窒化物、高硬度金属粒子は、ステライト、ＦｅＭｏ、ＦｅＣｒ等の高硬度を持つ金属粉末である。非金属粉末及び高硬度金属粒子の平均粒度は１５０μmより大きいと焼結した合金の強度が低下するため、１５０μm以下が好ましい。

本発明に係る二層構造鉄基焼結合金製バルブシートの支持層の基地組成は、本来バルブシートの要求特性である高温強度、熱伝導性、低コストを考慮して鉄ベースとし、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏのいずれか１種又は２種以上を３〜８重量％Feとの合金としてあるいはFeと複合化された成分として含有するものである。これらの成分中Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉは鉄中に合金され、一方Ｃｕは微細Cuなどの使用によりＦｅ中に合金されてもよいが、元素形態で鉄系基地にFe系合金と複合化されていても熱伝導性向上などの作用を奏する。また、製造時におけるシート層と支持層との寸法変化を均等化するために成形時の圧縮性を低下させる粉末粒子として、ステライト、ＦｅＭｏ、ＦｅＣｒ等の高硬度金属粉末、或いはAl₂O₃、滑石（タルク）等の酸化物、ＴｉＮ等の窒化物などの非金属粉末粒子をいずれか１種又はこれらを組み合わせて２種以上を０.５〜５重量％含むことを特徴としている。配合する高硬度金属粉末及び非金属粉末粒子は、０.５重量%未満では焼結時の寸法変化率に十分な効果が得られない。また、５重量%より多い場合は支持層の強度低下が大きくなる。したがって、高硬度金属粉末と非金属粉末粒子の配合量は０.５〜５重量%である。

なお、本発明に係る二層構造鉄基焼結合金製バルブシートのシート層には、例えば高速度鋼粉末などの合金元素を多量に添加した基地に硬質粒子や固体潤滑材を分散させて熱的負荷及び機械的負荷の増大に対応できる鉄基焼結合金であれば特に限定せずに用いることができる。
本発明に係る二層構造鉄基焼結合金製バルブシートの製造方法において、混合粉の作製、成形、脱蝋、焼結などの条件は特許文献２（特開２００２−２２０６４５号公報）のそれぞれ段落番号００３３〜００３６に説明された条件によることができる。

実施例
本発明に係る二層構造鉄基焼結合金製バルブシートを以下の実施例によりさらに詳細に説明する。なお実施例で使用する単位「％」は、特に記載がない限り「重量％」である。
実施例及び比較例に用いるシート層に用いられた粉末は次のものであった。（１）粒度分布が150〜200メッシュにピークを有するMo：3％、Cr：0.8％及びV：３％を含有する鉄粉からなるプレアロイ粉末；（２）325メッシュアンダーのカルボニルニッケル粉；（３）325メッシュアンダーの金属Mo粉；（４）325メッシュアンダーの黒鉛粉；（５）硬質粒子として61.33％のMo及び0.03％のCを含有し残部実質的にFe及び不可避的不純物からなり150〜200メッシュにピークを有するフェロモリブデン(Fe-Mo)粉；（６）固体潤滑材として325〜400メッシュにピークを有するフッ化カルシウム(CaF₂)粉。これらの原料粉末を表１に示される組成に配合し、さらにプレス時の型抜けを良くするためのステアリン酸亜鉛0.5％を加えてシート層の混合粉とした。上記（１）〜（４）は反応して鉄系合金基地を作る。

実施例の支持層に用いられた粉末は次のとおりであった。（１）粒度分布が150〜200メッシュにピークを有するCr：３％を含有する鉄粉からなるプレアロイ粉末；（２）強度を維持するためのNi粉末：2.5％；（３）Ｃ（黒鉛）粉末：0.8％；（４）プレス時の型抜けを良くするためのステアリン酸亜鉛0.5％；（５）シート層と支持層との寸法変化を均等化するためにプレス成形時の圧縮性を低下させる粉末粒子として、ＦｅＭｏ、ＦｅＣｒ、Al₂O₃、滑石（タルク）を単独あるいは組み合わせて１〜５％。これらの粉末を配合して、表１のように支持層の混合粉とした。

また、比較例の支持層には、実施例と同様の鉄粉に、強度を維持するためのNi：2.5％及びＣ：0.8％、プレス時の型抜けを良くするためのステアリン酸亜鉛0.5％を加え、高硬度金属粒子及び非金属粉末粒子を加えていないもの（比較例１）と、実施例と同様の鉄粉に寸法変化調整のための合金元素としてＮｉの添加量を増加させ、高硬度金属粒子及び非金属粉末粒子を加えていないもの（比較例２）とした。

表１に示すシート層と実施例及び比較例の支持層を組み合わせて、シート層及び支持層の相対割合が厚さ比でシート層／支持層＝４／６となるように混合粉を金型に充填し、637MPaの圧力でプレス成形し、バルブシート用成形体を作製した。プレス機から成形体を抜出した直後に寸法を測定した。
成形体を650℃で１時間加熱して脱蝋した後、真空雰囲気1180℃で１時間焼結し、ガス冷却により焼入れを行い、最後に500℃で焼戻しを行なった。焼戻し後に寸法を測定した。このようにして、図１に示す構造の実施例及び比較例のバルブシート試験片を得た。

それぞれの試験片のシート層及び支持層の外径寸法を前述の段階で測定し、焼結によるシート層と支持層の寸法収縮の差異（変化率）を調査した。成形金型の外径寸法を１とした時の焼結品の接合部から最も離れた部位における外径寸法収縮の割合を表２に示す。

表２から明らかなように、支持層のFe-Cr系合金にプレス成形時の圧縮性を低下させる粉末粒子を添加することにより、0.７〜0.9%の対金型収縮率とすることができ、対金型収縮率の大きいシート層とほぼ同等とすることが可能となる。一方、合金成分のＮｉを増やしたのみではシート層と同等の対金型収縮率が得られず、Ni，Mo及びCなどの合金成分を増やすだけではシート層と支持層との寸法変化を均等化することができないことが分かる。

上述のように、本発明に係る二層構造鉄基焼結合金製バルブシートは、支持層にシート層と成分構成が異なりシート層に対して合金元素量が少なく安価な鉄基合金とし、かつ焼結時のシート層と支持層との寸法変化率を均等化したことで、焼結過程での亀裂の発生や、加工代の増大による生産性への影響を少なくすることができる。このように、本発明に係る二層構造鉄基焼結合金製バルブシートは、シート層において優れた耐摩耗性を維持しつつ、製造性にすぐれ安価に製造することができる。

本発明の実施例および比較例にて作成したバルブシート試験片の断面図である。 従来の鉄基焼結合金製バルブシート用成形体及び焼結体の寸法変化を説明する模式図である。 本発明の鉄基焼結合金製バルブシート用成形体及び焼結体の寸法変化を説明する模式図である。

符号の説明

１ シート層
２ 支持層
１０−金型
１１−成形体
１２−焼結体

Claims (4)

1. 内燃機関のシリンダヘッドに圧入されるバルブシートのバルブと摺動する面が固体潤滑剤及び硬質粒子を含むFe系材料製シート層からなり、シリンダヘッドの穴底面に当接する面が前記Fe系材料製シート層と成分構成が異なるFe系材料製支持層からなる二層構造焼結鉄基バルブシートにおいて、前記Fe系材料製支持層が、Feを主成分とし、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ及びＭｏのいずれか１種又は２種以上を含有する鉄系基地に、プレス成形時の圧縮性を低下させる非金属粉末粒子及び高硬度金属粒子の１種又は２種以上を０.５〜５重量%分散して含有したことを特徴とする鉄基焼結合金製バルブシート。
2. 前記鉄系基地は、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ及びＭｏのいずれか１種又は２種以上を３〜８重量％含有することを特徴とする請求項１記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
3. 前記Fe系材料製支持層に含まれる非金属粉末粒子が、Al ₂ O ₃ 、滑石（タルク）等の酸化物、ＴｉＮ等の窒化物のいずれか１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄基焼結合金製バルブシート。
4. 前記Fe系材料製支持層に含まれる高硬度金属粒子が、ステライト、ＦｅＭｏ、ＦｅＣｒ等のいずれか１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか1項記載の鉄基焼結合金製バルブシート。

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