JPH0347951A - バルブシート用鉄基焼結合金 - Google Patents

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〕 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。

〔従来の技術〕

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。

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−Ｍ
ｏ　（フェロモリブデン）粒子として添加されていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

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
。又こつ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。

〔課題を解決するための手段〕 以上に鑑み、本発明者らは、先に、均一にＭＯが固溶し
た鉄粉を焼結し、さらに熱処理によって基地鉄中に微細
なＣｕの相を析出させることにより得られるＰｅ　−Ｍ
ｏ　−Ｃｕ　−Ｃ系材料について出願したが（特願昭６
３−２５５３６３号）、その後の研究により、Ｍｏに代
り、Ｗ、　Ｖ、　Ｎｂ、　Ｔａあるいは、Ｍｏと、Ｗｌ
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。

上記発見に基づき、本発明は、Ｃ：０．３〜２．５重量
％、Ｃｕ：１〜８重量％、Ｗ、　Ｖ、　Ｎｂ、　Ｔａの
いずれか１種又は２種以上またはこれとＭｏとの合計＝
３〜１４重量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物よりなり、
前記Ｗ、　Ｖ、　Ｎｂ、　Ｔａ、　Ｍｏ元素の大部分が
鉄基地中に均一に固溶して分布し、かつ微細なＣｕの相
が均一に分散した組織を有していることを特徴とするバ
ルブシート用鉄基焼結合金を提供する。

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、さらにＣｕを必須元素として加え、
熱処理により微細なＣｕの相を析出させることにより、
叩かれ時の衝撃緩衝効果と、摺動摩耗時の軟質相の介在
効果により相手バルブへのアタック性を改善したもので
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。

Ｗ、　Ｖ、　Ｎｂ５Ｔａ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Ｍ。

の含有量としては、５〜１０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、　Ｎｂ５Ｔａ
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Ｍｏ５ＷＳＶＳＮｂ、　Ｔａは３２５メツシ
ユ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、　Ｎ
ｂ、　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。

Ｃｕは、熱処理によって基地鉄中に微細なＣｕの相とし
て析出することにより、叩かれ時の衝撃緩衝効果と、摺
動摩耗時の軟質相の介在効果により、相手バルブへのア
タンク性を改善する。１重量％以下では、Ｃｕ相の析出
がほとんどなく、また８型中％を超えると、焼結温度域
でのＣｕのＦｅ−ｘ系合金母材への溶解度を越えるため
、焼結によりＣｕが母材粉末粒子の粒界にネット状に分
布するようになり、強度が低下し好ましくない。従って
、Ｃｕは１〜８重量％であることが必要であり、特に３
〜６重量％であるのが好ましい。

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ＭＯ１Ｗ、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。また、Ｃｕ
を微細な相として析出させるため、母合金へのＣｕの溶
解度を高め、ｃＬＩの析出を抑制する元素であるＮｉを
０．１重量％まで添加しても良い。

上記焼結用粉末の粒径は、３２５メツシユ以下であるの
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＜＜、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。

次に、焼結条件について説明する。焼結後の熱処理によ
り微細なＣｕ相を析出させるためには、焼結時に一時Ｃ
ｕをＦｅ−Ｘ系母合金中に完全に固溶させる必要がある
。そのためには、母合金中へのＣｕの溶解度が大きい約
１１００℃以上の温度で焼結することが好ましい。また
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。しかし、焼結温度が１２００℃以上と
なると、Ｆｅ−ｘ母相より発生する液相量が多くなりす
ぎ組織の粗大化、異常化を招き好ましくない。よって焼
結温度は１１００〜１２００℃とする必要がある。焼結
後に冷却するが、その後の熱処理による微細Ｃｕ相の析
出を行う必要上から、冷却時のＣυ析出を防ぐため、ガ
ス冷却程度以上の冷却速度で冷却する必要がある。さら
に、Ｃｕ相を析出させるため４００〜７００℃での焼き
戻しを行う。

〔実施例〕

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メツシユにピークを持ち、５重量
％のＷを均一に固溶する鉄粉に、３２５メツシユアンダ
ーの電解Ｃｕ粉と、黒鉛粉を、最終組成でそれぞれ５重
量％、及び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重景％加え、得られた混合粉を
プレスにて７　ｔ　／　ｃｕｔの成形圧力で成形し、６
５０℃で１時間脱ろうをした。さらに、１１５０℃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。さらに微細なＣｕ相を析出させるため、
５５０℃で１時間の焼き戻し処理を行った。その後、加
工して外径４６ｍｍＸ内径３０ｍｍｘ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１ｌＲＢ９５前後になるよう熱処理を行った。

実施例２〜１０、比較例１〜１０ 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。

また比較材として、同じ粒径を有し、Ｍｏ、Ｗ。

Ｖ、　Ｎｂ、　Ｔａを単独あるいは複合して固溶する鉄
粉に黒鉛粉を加え、第１表に示す組成となるように、実
施例１と同じ条件でテストピースを作った。た−　１０
　＝ だし、焼き戻しはしなかった。各側の焼結合金の組成を
第１表に示す。

第 ■ 表 こうして作製した外径４６ｍｍ　ｘ内径３０ｍｍｘ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。

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ｔこ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。その際、特に、微細なＣｕ相の析出によるバルブ摩
耗の低減効果をｉｔ、ｈするため、比較的バルブの摩耗
しやすい吸気仕様の試験とし、さらにバルブを強制的に
摩耗させるため、バルブとバルブシートの当り面に加わ
る面圧を高めて行った。

（試験条件） バルブ材質　　　　５Ｕ）Ｉ−ａ パルブ表面温度　　３５０℃ バルブシート温度　１５０℃ 回転数　　　　　　３００Ｏｒｐｍ 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、従来のものに比
べてバルブシート自身の摩耗に影響することなく、バル
ブ摩耗を半減させている。

３ ４ −１５− 〔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、合金元素の大部分が鉄基地
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。さらに、微細なＣｕの相を均一に分散
しているため、衝撃緩衝効果が向上し、相手アタック性
も改善される。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。

【図面の簡単な説明】

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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃ：０．３〜２．５重量％、Ｃｕ：１〜８重量％
   、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａのいずれか１種又は２種以上：３
   〜１４重量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物よりなり、前
   記Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ元素の大部分が鉄基地中に均一に
   固溶して分布し、かつ微細なＣｕの相が均一に分散した
   組織を有していることを特徴とするバルブシート用鉄基
   焼結合金。
2. （２）請求項１に記載のバルブシート用鉄基焼結合金に
   おいて、さらにＭｏを、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａのいずれか
   １種又は２種以上との合計で３〜１４重量％となるよう
   に含有することを特徴とするバルブシート用鉄基焼結合
   金。