JPH03158445A

JPH03158445A - 耐摩耗性に優れたＦｅ基焼結合金製バルブシート

Info

Publication number: JPH03158445A
Application number: JP1298273A
Authority: JP
Inventors: Tomomi Ishikawa; 石川　智美; Osamu Mayama; 間山　治
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1989-11-16
Filing date: 1989-11-16
Publication date: 1991-07-08
Also published as: US5031878A; KR910009947A; DE4036614A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンな
どの内燃機関のうちでも特に高出力の内燃機関に適した
耐摩耗性に優れたかつ相手攻撃性の少ないＦｅ基焼結合
金製バルブシートに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、特開昭５８−１７３０７３号公報に記載されるよ
うに、重量％で（以下、％は重量％を示す。）、Ｍｏ：
０．１〜０．９％、　　　　Ｎ１：０．５〜２．５％。

Ｃｏ：４．５〜７．５％＊　　　　Ｃｒ　：　３〜Ｂ　
−５％。

Ｃ：０．５〜１．７％、　　　　Ｗ：ｌ〜２．７％。

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Ｆｅ基合金素地に、Ｃ：２〜３％、　　　　　　Ｃｏニア〜１５％。

Ｗ　７１５〜２５％、　　　　　Ｆｅ：１〜８％。

を含有し、残りがＣｒと不可避不純物からなる組成を有
するＣ「基合金粒子と、Ｆ’６−Ｍｏ合金粒子：８〜１
２容量％。

が分散含有した組織並びに６〜１４容量％の気孔率を有
するＦｅ基焼結合金基体に、Ｃｕを溶浸してなる銅含浸
Ｆｅ基焼結合金製バルブシートが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、最近の内燃機関は、過給機の採用、多弁化、高
速回転化などにより高出力化が計られて、熱的および機
械的負荷がますます増加する傾向があり、このような内
燃機関に上記従来の銅含浸Ｆａ基焼結合金製バルブシー
トを装備すると、Ｆｅ基合金素地に分散するＣｒ基合金
粒子およびＦａ−Ｍｏ合金粒子は、硬質であるけれども
Ｆｅ基合金素地に対する密着性が悪く、内燃機関の作動
中にＦｅ基合金素地に分散するＣｒ基合金粒子およびＦ
ｅ−Ｍｏ合金粒子は酸化して脱落し、バルブシート自体
が摩耗し、さらに、この脱落した合金粒子は、相手部材
であるバルブをも摩耗せしめるという問題があった。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、本発明者らは、上述のような観点から、上記内
燃機関の高出力化に対しても十分に耐えることのできる
一段き優れた耐摩耗性を存するバルブシートを開発すべ
く研究を行った結果、Ｃｒ：０．５〜３％、　　　　　
Ｍｏ：０．５〜３％。

ＮＩ：０．５〜３％、　　　　　　Ｃｏ：２〜８％。

ｃ　　：０．６〜１．５％、　　　　　Ｎｂ：０．２〜
１％。

を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成
並びにパーライト相およびベーナイト相を主体とした組
織からなるＦｅ基合金素地に、Ｃｒ：２５〜４５％、　
　　　　Ｗ　：２０〜３０％。

Ｃｏ：２０〜３０％、Ｃ：１〜３％。

Ｓｉ：０．２〜２％、　　　　Ｎｂ：０．２〜２％。

を含有し、残りがＦｃおよび不可避不純物からなる組成
を有する硬質粒子Ａと、Ｃｏ：５５〜６５％、　　　　　Ｃｒ：２５〜８２％。

Ｍｏニア　〜１０％、　　　　　　Ｓｉ：１．５〜３．
５％。

を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成
を有する硬質粒子Ｂとを、硬質粒子Ａと硬質粒子Ｂの合計が１０〜２５％。

（以上重量％）となるように分散した組織を有するＦｅ
基焼結合金基体からなるＦｅ基焼結合金製バルブシート
は上記要求を十分に満たすことができるという知見を得
たのである。

この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであっ
て、この発明は、上記組織を有するＦｅ基焼結合金基体
に、さらに、５〜２０重量％のＣｕを溶浸してなる銅含
浸Ｆｅ基焼結合金から構成してなるＦｅ基焼結合金製バ
ルブシートまたは５〜２０ｆｆ！量％のＰｂを溶浸して
なる鉛含浸Ｆｅ基焼結合金から構成してなるＦｃ基焼結
合金製バルブシートも含まれる。

つぎに、この発明のバルブシートにおいて、これを構成
するＦｅ基焼結合金基体の組成を上記の通りに限定した
理由について説明する。

Ａ、Ｆｅ基合金素地の成分限定理由（ａ）　　ＣＣ成分には、ＭｏおよびＣ「と結合して炭化物を形成し
、硬さを向上させる作用があるほか、パーライトおよび
ベーナイトを主体とする素地を形成して、耐摩耗性を向
上させる作用があるが、その含有量が０．５％未満では
上記作用に所望の効果が得られず、一方、その含有量が
１．５％を越えると、素地の硬さが高くなり、相手攻撃
性が増すようになることから、その含有量を０．６〜１
．５％に定めた。

（ｂ）　　ＣｒＣｒ成分には、素地に固溶して耐熱性を向上させる作用
があるほか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％未満では上記作用に所望の
効果が得られず、一方、その含有量が３％を越えると、
焼結性が劣化して高強度を確保することが困難になるこ
とから、その含有量を１〜３％に定めた。

（ｃ）　　Ｍ。

Ｍｏ成分には、素地に固溶して炭化物を形成し、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
満では上記作用に所望の効果が得られず、一方、その含
有量が３％を越えると、材料強度が低下することから、
その含有量を０．５〜３％に定めた。

（ｄ）　　ＮｉＮ１成分には、素地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％未満では上記作用に所望の
効果が得られず、一方、その含有量が３％を越えて含有
させても上記作用は飽和するだけであり、不経済である
ことから、その含有量を０．５〜３％に定めた。

（ｅ）　　Ｃ。

Ｃｏ成分には、素地に固溶してこれを強化する作用があ
るが、その含有量が２％未満では上記作用に所望の効果
が得られず、一方、その含有量が８％を越えて含有させ
ても上記作用は飽和するだけであり、不経済であること
から、その含有量を２〜８％に定めた。

Ｒ）　　Ｎｂ素地のＮｂ成分には、０ｒ−Ｎｂ系微細炭化物を形成し
て素地中に分散し、耐摩耗性を向上させる作用があるが
、その含有量が０．２％未満では所望の効果かえられず
、一方、その含有量が１％を越えて含有させても上記作
用は飽和するだけであり、−層の向上効果は現れないこ
とから、その含を量を０．２〜１％に定めた。

Ｂ、硬質粒子Ａの成分限定理由（ｇ）　　ＣＣ成分には、炭化物を形成して硬質粒子Ａを強化する作
用があるが、その含有量が１％未満では上記作用に所望
の効果が得られず、一方、その含を量が３％を越えると
、硬さが高くなりすぎ、相手攻撃性が増すようになるこ
とから、その含有量を１〜３％に定めた。

（ｈ）　　ＣｒＣｒ成分には、硬質粒子Ａの素地に固溶して耐熱性を向
上させる作用があるばか炭化物、金属間化合物を形成し
て耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が２
５％未満では上記作用に所望の効果が得られず、一方、
その含有量が４５％を越えると、硬さの上昇を招き、相
手攻撃性が増加することから、その含有量を２５〜４５
％に定めた。

（１）　　ＷＷ成分には、硬質粒子Ａの素地中に炭化物および金属間
化合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２０％未満では上記作用に所望の効果が得
られず、一方、その含有量が３０％を越えると、硬さの
上昇を招き、相手攻撃性が増加することから、その含有
量を２０〜３０％に定めた。

（ｊ）　　ＮｂＮｂ成分には、硬質粒子Ａの素地中に炭化物を形成して
硬質粒子Ａの耐摩耗性を向上させる作用および硬質粒子
Ａの素地に対する密着性を強化する作用があるが、その
含有量が０．２％未満では上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、上記作用は
飽和するだけであり、また粉末アトマイズ時のぬれ性が
低下するようになることから、その含有量を０．２〜２
％に定めた。

（ｋ）　　Ｃ。

Ｃｏ成分には、硬質粒子Ａの素地に固溶してこれを強化
する作用と耐熱性を向上させる作用があるが、その含有
量が２０％未満では上記作用に所望の効果が得られず、
一方、その含有量が３０％を越えて含有させても上記作
用は飽和するだけであり、不経済であることから、その
含有量を２０〜３０％に定めた。

（Ｊ）　　８１Ｓｉ成分には、炭化物を形成して硬質粒子Ａの耐摩耗性
を向上させる作用があるが、その含有量が０．２％未満
では上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、硬質粒子Ａを脆弱化するだけであ
ることから、その含有量を０．２〜２％に定めた。

Ｃ１硬質粒子Ｂの成分限定理由（ｓ）　　ＣｒＣｒ成分には、硬質粒子Ｂの耐熱性を向上させるほか炭
化物および金属間化合物を形成して硬質粒子Ｂの耐摩耗
性を向上させる作用および硬質粒子Ｂの素地に対する密
着性を強化する作用があるが、その含有量が２５％未満
では上記作用に所望の効果が得られず、一方、その含有
量が３２％を越えると、上記作用は飽和するだけであり
、また粉末アトマイズ時のぬれ性が低下するようになる
ことから、その含有量を２５〜８２％に定めた。

（ｎ）　　Ｍ。

ＭＯ酸成分は、硬質粒子Ｂの素地中に固溶して炭化物を
形成し、耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有
量が７％未満では上記作用に所望の効果が得られず、一
方、その含有量が１０％を越えると、材料強度が低下す
ることから、その含有量を７〜ｌＯ％に定めた。

（ｏ）５１Ｓｉ成分には、金属間化合物を形成して硬質粒子Ｂの耐
摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が１．５
％未満では上記作用に所望の効果が得られず、一方、そ
の含有量が３．５％を越えると、硬質粒子Ｂの相手攻撃
性を増すようになることから、その含有量を１．５〜３
．５％に定めた。

（ｐ）　　Ｃ。

ＣＯ酸成分は、硬質粒子Ｂの素地に固溶してこれを強化
する作用と耐熱性を向上させる作用があるが、その含有
量が５５％未満では上記作用に所望の効果が得られず、
一方、その含有量が６５％を越えても、飽和するので経
済性を考慮して、その含有量を５５〜Ｂ５％に定めた。

Ｄ、硬質粒子Ａと硬質粒子Ｂを同時に素地中に分散せし
める理由硬質粒子Ａは、安価で硬さが優れているが酸化されやす
く、酸化されると素地から脱落して十分な耐摩耗性が得
られない。一方、硬質粒子Ｂは、耐酸化性に優れており
かつ相手攻撃性がすくないが、高価でありかつ硬さが不
足する。そこで上記硬質粒子Ａと硬質粒子Ｂを同時に素
地中に分散せしめると、硬質粒子Ｂの存在が硬質粒子Ａ
の酸化による脱落を防止して耐摩耗性を向上せしめかつ
相手攻撃性をも低下せしめるのである。しかしながら硬
質粒子Ａと硬質粒子Ｂの合計が素地に対して１０％未満
では所望の効果が得られず、一方、２５％を越えて含有
させるとバルブシートの強度の低下を招く。したがって
硬質粒子Ａと硬質粒子Ｂの合計は素地に対して１０〜２
５％と定めた。

Ｅ、Ｃｕ溶浸量この発明のバルブシートは、上記Ｆｅ基焼結合金基体の
空孔に銅を溶浸せしめ、封孔による素地の強化と熱伝導
性の向上により耐熱性を向上させることもできるが、そ
の溶浸量が５％未満では上記作用に所望の効果が得られ
ず、一方、その溶浸量が２０％を越えて溶浸させるため
にはＦｅ基焼結合金基体の気孔率を上げなければならず
、Ｆｅ基焼結合金基体の気孔率を上げると得られたバル
ブシートの強度が低下することから、Ｃｕ溶浸量は５〜
２０％に定めた。

Ｆ、Ｐｂ溶浸量また、この発明のバルブシートは、上記Ｆｅ基焼結合金
基体の空孔に鉛を溶浸せしめ、封孔による素地の強化と
鉛のもつ自己潤滑性によりバルブ攻撃性を低下させるこ
ともできるが、その溶浸量が５％未満では上記作用に所
望の効果が得られず、一方、その溶浸量が２０％を越え
て溶浸させるためにはＦｅ％焼結合金基体の気孔率を上
げなければならず、Ｆｅ基焼結合金基体の気孔率を上げ
ると、得られたバルブシートの強度が低下することから
、Ｐｂ溶浸量は５〜２０％に定めた。

なお、この発明の耐摩耗性に優れたＦｅ基焼結合金製バ
ルブシートを製造するに際して、焼結は真空または還元
性ガス雰囲気中、温度＝１１００〜１２５０℃に１時間
保持の条件、Ｃｕ溶浸は、還元性ガス雰囲気中、温度＝
１０９０〜１１５０℃に２０分間保持の条件、Ｐｂ溶浸
は、中性ガス雰囲気中、温度＝５５０〜７００℃に１時
間保持の条件でそれぞれ実施し、さらに必要に応じて温
度：５５０〜７５０℃に１時間保持の条件で熱処理を施
すのが望ましい。

〔実　施　例〕

つぎに、この発明を実施例に基づいて具体的に説明する
。

原料粉末として、いずれも粒度：　−１００メツシユの
Ｆｅ−１％Ｃｒ粉末、Ｆｅ−１３％Ｃｒ−５％Ｎｂ粉末
、カーボニル粉末、Ｃｏ粉末、Ｍｏ粉末および天然黒鉛
粉末を用意し、さらに第１表に示される成分組成を有す
るＣ「基硬質粒子およびＣ。

基硬質粒子を用意し、これら原料粉末並びにＣｒ基硬質
粒子およびＣｏ基硬質粒子を第１表に示されるように配
合し、混合した後、６〜６．５ｔ／ｃｄの圧力で圧粉体
にプレス成型し、この圧粉体を５００℃に３０分間保持
の条件で脱油したのち、アンモニア分解ガス中で温度ニ
ア００〜９００℃、０．５時間保持の条件で仮焼結を行
って仮焼結体を作製し、この仮焼結体を冷間鍛造して密
度を’１．Ｏｇ／ｃ−以上に向上せしめたのち、再び脱
油し、ついでアンモニア分解ガス中、温度：　１１００
〜１２５０℃、１時間保持の条件で焼結を行い、必要に
応じて、硬さの調整、組織の安定化のためにアンモニア
分解ガス中、温度＝５５０〜７５０℃、１時間保持の条
件で熱処理し、外径：　３４ｍｍ、内径：　２７ｍ、高
さニア、２龍の寸法をもった本発明Ｆｅ基燻焼結合金製
バルブシート以下、本発明バルブシートという）１〜２
２および比較Ｆｅ基焼結合金製バルブシート（以下、比
較バルブシートという）１〜１６を製造した。

さらに、本発明バルブシート１と同一寸法および同一成
分組成を有するバルブシートの製造をメタン変成ガス雰
囲気中、温度：　１１１０℃、２０分間保持の条件でＣ
ｕ溶浸を行い、さらに大気中、温度二６２０℃、１時間
保持の条件で焼戻しを行い、本発明バルブシート２３〜
２４および比較バルブシート１７を製造した。

さらに、本発明バルブシート１と同一寸法および同一成
分組成を有するバルブシートを、窒素ガス雰囲気中、温
度＝６５０℃、１時間保持の条件でＰｂ溶浸を行い、本
発明バルブシート２５および比較バルブシート１８を製
造した。なお、比較バルブシートは、いずれも構成要件
のうちいずれかがこの発明の条件から外れた値を持つも
のである（第１表において、この発明の条件から外れた
値を持つものに※印を付した）。

さらに、比較のために従来バルブシートも用意した。

このようにして得られた各種バルブシートについて、下
記の条件で耐摩耗試験を行い、上記各種バルブシートの
最大摩耗深さを測定して耐摩耗性を評価し、さらにバル
ブの最大摩耗深さを測定してバルブ攻撃性を評価し、こ
れらの結果を第１表に示した。

耐摩耗試験条件バルブ材質：５ＵＨ−３６、バルブ加熱温度：　９００℃、バルブ管座回数：　３０００回／ｗｉｎ、、雰　囲　気
　：０．４ｋｇ／ｃ−のプロパンガスと流量１．５ｉ１
　／ｓ１ｎ、の酸素ガスによる燃焼ガス、バルブシート
加熱温度（水冷）：２５０〜３００℃、着座荷重＝３０
ｋｇ、試験時間：１００時間。

〔発明の効果〕

第１表に示される結果から、本発明バルブシートは、従
来バルブシートよりもバルブ攻撃性が少なく、また、比
較バルブシートに見られるように、この発明の条件から
外れるとバルブシート自体の摩耗、バルブ攻撃性、バル
ブシート自体の摩耗とバルブ攻撃性の合計量のうちいず
れかの特性が劣ることが明らかである。

上述のように、この発明のＦｅ基燻焼結合金製バルブシ
ート、優れた耐摩耗性と低いバルブ攻撃性を有しており
、この発明のＦｃ基燃焼結合金製バルブシート高出力内
燃機関のバルブシートとして使用した場合、長期にわた
って著しく優れた性能を発揮するものである。

なお、上記実施例では、この発明の耐摩耗性に優れたＦ
ＥＩ基焼基金結合金製バルブシート造する方法として仮
焼結したのち冷間鍛造して得られた冷間鍛造材を焼結す
る製造法を採用しているが、製造法としては上記実施例
記載の方法に限定されるものではなく、１次焼結したの
ち熱間鍛造して得られた熱間鍛造材を２次焼結する製造
法、圧粉体を焼結する通常の製造法なども採用すること
ができる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｃｒ：１〜３％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｎｉ：０
．５〜３％、Ｃｏ：２〜８％、Ｃ：０．６〜１．５％、Ｎｂ：０．２〜１％、を含有し
、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成並びにパ
ーライト相およびベーナイト相を主体とした組織からな
るＦｅ基合金素地に、Ｃｒ：２５〜４５％、Ｗ：２０〜
３０％、Ｃｏ：２０〜３０％、Ｃ：１〜３％、Ｓｉ：０．２〜２％、Ｎｂ：０．２〜２％、を含有し、
残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有する硬
質粒子Ａと、Ｃｏ：５５〜６５％、Ｃｒ：２５〜３２％、Ｍｏ：７〜
１０％、Ｓｉ：１．５〜３．５％、を含有し、残りがＦ
ｅおよび不可避不純物からなる組成を有する硬質粒子Ｂ
とを、硬質粒子Ａと硬質粒子Ｂの合計が１０〜２５％、（以上
重量％）となるように分散した組織を有するＦｅ基焼結
合金基体からなることを特徴とする耐摩耗性に優れたＦ
ｅ基焼結合金製バルブシート。
（２）請求項１記載のＦｅ基焼結合金基体に、５〜２０
重量％のＣｕを溶浸してなる銅含浸Ｆｅ基焼結合金から
構成してなることを特徴とする耐摩耗性に優れたＦｅ基
焼結合金製バルブシート。
（３）請求項１記載のＦｅ基焼結合金基体に、５〜２０
重量％のＰｂを溶浸してなる鉛含浸Ｆｅ基焼結合金から
構成してなることを特徴とする耐摩耗性に優れたＦｅ基
焼結合金製バルブシート。