JP4440525B2

JP4440525B2 - 軽金属合金鋳包み用バルブシート

Info

Publication number: JP4440525B2
Application number: JP2002304840A
Authority: JP
Inventors: 公志大重; 輝夫高橋; 寛滝口; 輝幸小田
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd; Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp; Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP2004136350A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用のバルブシートに係り、とくに内燃機関（エンジン）のシリンダヘッドに鋳包まれて使用されるバルブシートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
バルブシートは、燃焼ガスのシールとバルブを冷却する役割を担ってエンジンのシリンダヘッドに圧入されて使用されてきた。しかし、圧入されたバルブシートは、実際にはシリンダヘッドの全ての面と接触できているわけではなく、そのため、密着力が不足しエンジン運転中に抜け落ち等の事故が発生する場合がある。このため、密着力が大きくなるようにバルブシートの外周面とシリンダヘッドとの接触方法を工夫する必要があった。
【０００３】
バルブシートをシリンダヘッドへ圧入することから生じるこのような問題に対し、例えば、特許文献１には、エンジンのシリンダヘッドを鋳造すると同時にバルブシートを鋳包み、バルブシートとシリンダヘッドとを溶着した鋳鉄製シリンダヘッドが提案されている。
エンジンの軽量化および放熱性を高める目的から、最近では、アルミニウム合金製のエンジンが一般化しつつある。そして、このようなアルミニウム合金製シリンダヘッドに鉄系焼結合金製のバルブシートを鋳包んで装着することが実用化されつつある。例えば、特許文献２には、排気系のバルブシートと吸気系バルブシートとをおのおの耐衝撃性に富む鉄系焼結合金で形成させるとともに、プラグシートを伝熱性に富む鉄系焼結合金で形成させ、これらを互いに一体的に結着した状態で鋳込み結着するエンジンのシリンダヘッドの製造方法が提案されている。
【０００４】
しかしながら、特許文献２等に記載された技術では、バルブシートとシリンダヘッドとが金属的に結合されておらず、バルブシートとシリンダヘッドとの間に隙間が存在する場合が多い。このため、熱引け性が低下してバルブシート温度の低減ができず、また、バルブシートとシリンダヘッド間の接合強度が低下するという問題があった。
【０００５】
このような問題に対し、例えば、特許文献３には、バルブシート表面に、好ましくはバルブシートおよびシリンダヘッドと親和性の良い金属をコーティングしたのち、フッ化物系フラックスを塗布して鋳ぐるむ、エンジンバルブシートの鋳ぐるみ方法が提案されている。
また、特許文献４には、バルブシートの外周面に互いに偏心した上下２つの円周面が形成されたバルブシートが提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭52-122712 号公報
【特許文献２】
特開昭58-74266号公報
【特許文献３】
特開平８-232616 号公報
【特許文献４】
実公昭63-29130号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献３に記載された技術では、バルブシート表面に金属や特殊なコーティングを施す必要があり、製造工程が複雑となり製造コストが高騰するという問題があった。また、特許文献４に記載された技術では、バルブシートとシリンダヘッドとの間に隙間が存在し、熱引け性が低下するという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題を解決し、軽金属合金で鋳包んでも容易に脱落しない高い接合強度を保持できる、バルブシートを提案することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、鉄系焼結体製のバルブシートと軽金属合金との接合性（以下、「軽金属合金鋳包み性」ともいう）に及ぼす要因について鋭意検討した。その結果、バルブシート表面を特定範囲の表面粗さ、Ｒz で25〜100 μｍとすることにより、バルブシートの軽金属合金鋳包み性が向上し、密着力が顕著に向上することを見出した。
【００１０】
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）軽金属合金製シリンダヘッドに鋳包まれるバルブシートであって、該バルブシートが、質量％で、Ｃ：0.1 〜2.0 ％を含み、さらに、Ni、Co、Cr、Mo、Siのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地組成を有し、体積率で９〜18％の空孔を含有する鉄系焼結体からなり、少なくとも外周面が、Ｒｚで34〜53μｍの表面粗さを有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のバルブシートは、鉄系焼結体を所定寸法に加工してなり、少なくとも外周面が、Ｒｚで25〜100 μｍの表面粗さを有する。表面粗さが、Ｒz で25μｍ未満では、軽金属合金鋳包み性が低下し、シリンダヘッドとバルブシートとの接合強度が低下する。一方、Ｒz で100 μｍを超えて粗くなると、製造性が低下するが、本発明ではＲｚで34〜53μｍの表面粗さに限定した。表面粗さの調整はショットブラスト処理により行なうことが好ましい。なお、表面粗さはJIS B 0601-1994 の規定に準拠して測定するものとする。
【００１２】
本発明のバルブシートに使用される鉄系焼結体は、質量％で、Ｃ：0.1 〜2.0 ％を含み、さらに質量％で、Ni、Co、Cr、Mo、Siのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地組成を有する。
本発明で使用する鉄系焼結体の基地組成の限定理由について説明する。
【００１３】
Ｃ：0.1 〜2.0 質量％
Ｃは、焼結体の強度、硬さを増加させる元素であり、本発明では強度（硬さ）確保のために、0.1 質量％以上含有することが好ましい。一方、2.0 質量％を超えて含有すると炭化物が粗大化し、却って被削性が低下する。このため、Ｃは0.1 〜2.0 質量％に限定した。
【００１４】
Ni、Co、Cr、Mo、Siのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％質量％以下、
Ni、Co、Cr、Mo、Siは、いずれも焼結体の強度を増加し、さらに、耐摩耗性や高温特性を向上させる作用を有する元素であり、１種または２種以上含有する。これら元素の含有量が合計で50質量％を超えると、成形性が低下し強度が低下する。
【００１５】
本発明で使用する鉄系焼結体の基地組成では、上記した成分以外、残部はFeおよび不可避的不純物である。
また、本発明で使用する鉄系焼結体は、上記した基地組成を有するとともに、空孔を有する。本発明では、空孔率は５〜50体積％とすることが好ましい。空孔率が５体積％未満では加圧成形時に多大の成形圧力を必要とし、生産性が低下するとともに、軽金属合金溶湯の溶浸が不足し、接合強度が低下する。一方、50体積％を超えると、鉄系焼結体の強度が低下するが、本発明では空孔率は９〜18体積％に限定した。なお、本発明における空孔率は、アルキメデス法により測定した密度から換算した値（体積％）を用いるものとする。
【００１６】
また、本発明で使用する鉄系焼結体は、上記した組成の基地中に、被削性改善のため、被削性改善用微細粒子を分散させることが好ましい。分散させる被削性改善用微細粒子としては、MnS 、CaF₂、BNおよびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。MnS 、CaF₂、BNおよびエンスタタイトはいずれも、被削性を改善する粒子であり、必要に応じ選択して含有できる。
【００１７】
このような被削性改善用微細粒子を基地中に均一分散させることにより、切削中の切粉は, これらの微細粒子と微細粒子間の距離で決定される大きさに分断されるため、切削抵抗は低く維持される。
また、基地中に分散させる被削性改善用微細粒子は、粒径：150 μm 以下の微細粒子とすることが好ましい。微細粒子の粒径が150 μm を超えると、境界強度が低下する。なお、好ましくは５〜100 μｍである。
【００１８】
また、多孔質金属焼結体の基地中に分散させる被削性改善用微細粒子の含有量は、0.1 〜５質量％とすることが好ましい。被削性改善用微細粒子の含有量が、0.1 質量％未満では被削性改善の効果が認められない。一方、５質量％を超えて含有すると、基地との密着強度が低下する。このため、被削性改善用微細粒子は、0.1 〜５質量％の範囲で含有することが好ましい。
【００１９】
また、本発明のバルブシートは、シリンダヘッドとの接合強度を増加させるために、図３に示すように、外周面を、テーパ状に形成することが好ましい。また、図４に示すように、外周面に、少なくとも１段の段差を形成してもよい。また、さらにバルブシートの外周面に、図５に示すように、少なくとも１本の縦溝および／または少なくとも１本の横溝を形成することが好ましい。上記した形状とすることにより、鋳包み時に、軽金属合金とバルブシートの外周面との接触面積が増加し、バルブシートと軽金属合金との接合性が向上する。
【００２０】
次に、本発明のバルブシートの製造方法について、説明する。
原料とする鉄系粉末と、黒鉛粉末と、潤滑剤粉末と、あるいはさらに合金用粉末と、あるいはさらに被削性改善用微細粒子と、を混合し混合粉としたのち、これら混合粉を金型に装入して加圧成形して圧粉体とし、ついでこれら圧粉体を焼結して焼結体とする。
【００２１】
黒鉛粉は、鉄系焼結体の強度を増加させる合金元素として必要に応じ添加する。このためには、混合粉（鉄系粉末、黒鉛粉、合金元素粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量に対し）中のＣ含有量が0.1 〜2.0 質量％となるように、調整して添加することが好ましい。
また、潤滑剤粉末は、圧粉成形時の成形性を向上し、圧粉密度を増加させるために混合粉中に含有される。潤滑剤粉末としては、ステアリン酸亜鉛等が好ましい。なお、混合粉中の潤滑剤粉末の混合量は、混合粉全量（鉄系粉末、黒鉛粉、合金元素粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量100 重量部）に対し、0.2 〜２重量部とすることが好ましい。
【００２２】
本発明では、上記した鉄系粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末に加えてさらに、混合粉には、被削性改善のために、被削性改善用微細粒子粉末を含有することができる。被削性改善用微細粒子粉としては、MnS 、CaF₂、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。MnS 、CaF₂、BN、およびエンスタタイトはいずれも、被削性を改善する粒子であり、必要に応じて選択して含有できる。また、混合粉に添加する被削性改善用微細粒子粉は、粒径：150 μm 以下の微細粒子粉とすることが好ましい。微細粒子粉の粒径が150 μm を超えると、境界強度が低下する。なお、好ましくは５〜100 μm である。混合粉中に被削性改善用微細粒子粉を含有する場合には、被削性改善用微細粒子粉の含有量は混合粉全量（鉄系粉末、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対し0.1 〜５質量％とすることが好ましい。0.1 質量％未満では、被削性改善効果が少なく、一方、５質量％を超えると接合強度が低下する。
【００２３】
また、本発明では、上記した混合粉に、さらに合金元素粉として、Ni粉、Co粉、Cr粉、Mo粉、Si粉あるいはNi、Co、Cr、Mo、Siのうちの１種または２種以上を含むFe基合金粉、あるいはFe−Mo硬質粒子粉、Cr−Mo−Co−Si系硬質粒子粉を、単独または複合して、混合粉全量（鉄系粉、合金元素粉、黒鉛粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対し、質量％で、Ni、Co、Cr、Mo、Siのうちから選ばれた１種または２種以上が合計で50質量％以下含有するように配合する。Ni粉、Co粉、Cr粉、Mo粉、Si粉あるいはFe基合金粉あるいは硬質粒子粉はいずれも、耐摩耗性向上のために配合するもので、合計で50質量％以下、好ましくは２質量％以上となるように配合する。配合量が２質量％未満では、上記した効果が顕著に認められず、一方、50質量％を超えて配合すると、成形性が劣化する。
【００２４】
なお、混合方法は、とくに限定する必要はないが、Ｖミルを用いることが経済上から好ましい。
上記した混合粉を、金型に装入し加圧成形して所定形状の圧粉体とする。なお、圧粉体の密度が6.3 〜7.3 g/cm³となるように、加圧成形条件を調整することが好ましい。混合粉の成形方法は、特に限定されないが、プレス等を用いることが好ましい。
【００２５】
ついで、圧紛体を1100〜1300℃で焼結して焼結体とする。なお、焼結雰囲気は還元雰囲気とすることが焼結促進の観点から好ましい。
ついで、焼結体（鉄系焼結体）は、所定形状のバルブシートに加工されたのち、少なくとも外周面にショットブラスト処理を施され、表面粗さをＲz で25〜100 μｍ、好ましくは34〜53μm 、とされる。表面粗さの調整はショット粒径、噴射圧力等を調整して行なうことが好ましい。
【００２６】
表面粗さを調整されたバルブシートは、エンジンのシリンダヘッド用鋳型の対応部位に装着される。その鋳型内に軽金属合金（例えば、アルミニウム合金）溶湯を注入し、低圧ダイキャストして、バルブシートが鋳包れたシリンダヘッドとすることができる。本発明のバルブシートを使用すれば、シリンダヘッドとバルブシートとの境界が隙間なく密着し、接合強度が向上し、使用中の脱落等の事故は皆無となる。
【００２７】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
【００２８】
【実施例】
鉄基粉末としての純鉄粉あるいは合金鋼粉と、黒鉛粉と、あるいはさらに合金元素粉（合金粉）と、潤滑剤粉末としてのステアリン酸亜鉛粉と、あるいはさらに被削性改善用微細粒子粉を、混合し混練して混合粉とした。混合粉における各粉末の配合量を表１に示す。
【００２９】
これら混合粉を金型に充填し成形プレスにより面圧：59MPa （6000kgf/cm²）で加圧成形して、バルブシート（寸法：φ30mm×φ24mm×7.0mm ）形状の圧粉体とした。得られた圧粉体密度を測定し表１に示す。
ついで、圧粉体を、真空中で1160℃×30min の焼結を施し焼結体とした。
得られた焼結体の組成、空孔率、焼結後の密度を測定し、表２に示す。なお、密度はアルキメデス法で測定し、得られた密度から、空孔率（体積率）に換算した。
【００３０】
これら焼結体を切削・研削加工により、所定の寸法のバルブシートとした。これらバルブシートにショットブラスト処理を施した。ショットブラスト処理は、JIS G70 相当のスチールグリッドを、噴射圧力：５kg/cm²(0.49MPa）で行なった。なお、表面粗さは、接触式表面粗さ計を用いてJIS Z 0601-1994 の規定に準拠して測定した。
【００３１】
ついで、得られたバルブシートをシリンダヘッド相当鋳型の所定部位に装着した。ついで該鋳型にアルミニウム合金（ADC 12）溶湯を注入し、低圧ダイカストし、バルブシートが鋳包まれたシリンダヘッド相当材とした。なお、比較として、鉄系焼結体製バルブシートに代えて、鋳鉄製バルブシートを同様に鋳包んだ。また、比較例として、一部の鉄系焼結体を加工して得られたバルブシートと、鋳鉄製バルブシートを、シリンダヘッド相当材に圧入した。
【００３２】
これらシリンダーヘッド相当材について、図２に示すように抜き治具３を用いて、鋳包んだバルブシートあるいは圧入したバルブシート１を押圧して、シリンダヘッド２から離脱する時の抜き荷重Ｌを測定した。得られた抜き荷重について、圧入した鋳鉄製バルブシート（試料No.8) の場合の抜き荷重を基準（100 ）として、各バルブシートの接合性を評価した。
【００３３】
得られた結果を表２、および図１に示す。
【００３４】
【表１】

【００３５】
【表２】

【００３６】
本発明例は、いずれも鋳鉄製バルブシートを圧入した場合と同等以上の高い抜き荷重を示し、接合性が高いことがわかる。一方、本発明範囲を外れる比較例では低い抜き荷重しか示さず、接合性が低下している。なお、鋳鉄製バルブシートを鋳包んだ場合は、圧入した場合にくらべ抜き荷重は低下している。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、バルブシートと軽金属合金製シリンダヘッドとの接合強度が顕著に増加し、エンジン運転中のバルブシートの脱落を防止でき、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における抜き荷重の変化を示すグラフである。
【図２】バルブシートの抜き荷重測定方法を模式的に示す説明図である。
【図３】本発明のバルブシートの形状の一例を示す断面模式図である。
【図４】本発明のバルブシートの形状の一例を示す断面模式図である。
【図５】本発明のバルブシートの形状の一例を示す断面模式図である。
【符号の説明】
１バルブシート
２シリンダヘッド
３抜き治具
４ａ縦溝
４ｂ横溝

Claims

軽金属合金製シリンダヘッドに鋳包まれるバルブシートであって、該バルブシートが、質量％で、Ｃ：0.1 〜2.0 ％を含み、さらに、Ni、Co、Cr、Mo、Siのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地組成を有し、体積率で９〜18％の空孔を含有する鉄系焼結体からなり、少なくとも外周面が、Ｒｚで34〜53μｍの表面粗さを有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。