JPH04109008A - 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、自動車用エンジンの動弁機構のバルブシート
を形成するための材料となるバルブシート用鉄基焼結合
金に関する。

［従来の技術］ 従来、例えば第５図に示すように自動車用エンジンの直
打式（ＤＯＨＣ）動弁機構の吸気バルブシート１０ａ、
排気バルブシート１１ａは、それぞれエンジンの燃焼室
１４３の吸気人口部１５ａ、排気出口部１６ａに配置さ
れシリンダヘッド１７８に装着されるとともに、エンジ
ンの運転に伴い往復作動する吸気バルブ１２ａ、排気バ
ルブ１３ａか当接および離脱することにより燃焼ｉ４ａ
と吸気通路１８ａ、燃焼室１４ａと排気通路１９ａをそ
れぞれ遮断および連通するように構成されている。

ここにおいて、前記各バルブ１２ａ、１３ａ及び各バル
ブシート１０ａ、１１ａは、内燃機関の出力向上及び性
能向上に伴い、増々苛酷な条件下で使用されるため、よ
り優れた耐摩耗性及び耐損傷性を得ることが望まれてい
る。

このため、従来では前記各バルブシート１０ａ、１１ａ
の材料となる焼結合金の組成を改良したり、盛金を施し
たりすることの他、例えば特開昭６１２５０１５’１号
公報に開示されているように特定組成の合金鋼粉末に、
特定比率で特定組成の硬質合金鋼粉末を添加混合し、圧
粉成形した後、銅又は銅合金を高密度に溶浸させること
により、耐摩耗性及び摺動特性に優れたバルブシートを
製造する方法が知られている。

また、特開昭５６−１５４１１０号公報に開示されてい
るように、バルブシート製造用の材料で、耐摩耗性の向
上を目的として、Ｆｅ−Ｃ−ＣＯ−Ｎ１基材料やＦｅ−
Ｃ基材料に、フェロモリブデン（Ｆｅ−ＭＯ＞または）
よりクロム（Ｆｅ−Ｃｒ）等の金属間加工物またはＦｅ
−Ｃ−Ｃｒ−ＭＯ−Ｖ合金等を添加したものを使用する
ことが知られている。

［発明が解決しようとする課題］ （１）前記、特開昭６１−２５０１５１号公報に開示さ
れた材料は、ディーゼルエンジンに最適なバルブシート
を形成するものであるため、雰囲気温度が高い条件下で
用いられる場合の耐摩耗性に優れている。しかし前記材
料により例えば４サイクルエンジンの吸気バルブシート
を形成し、雰囲気温度が低い条件下で使用した場合には
、吸気バルブシートの表面が酸化されず凝着が発生する
ため充分な耐摩社性か得られない。

（２）また、本来、吸気および排気バルブ、吸気および
排気バルブシート等においては、それ自身の耐摩耗性の
改善とともに、摺動する相手材に対する損傷性が少ない
ことか要求される。このため、前記特開昭５６−１５４
１１０号公報に開示された構成の材料（Ｆｅ−Ｃ基材料
にフェロモリブデンまたはフェロクロムを添加したもの
）を用いて形成した吸気および排気バルブシートと、例
えば盛金を廃止した吸気および排気バルブ（ＳＵＩ−ｉ
ｌ、３．４．１１製）とを組合わせ使用した場合、前記
吸気および排気バルブシートのフェースのみが摩耗する
という問題があった。

本発明は、上記従来の問題を解決した耐摩耗性に優れた
バルブシート用鉄基焼結合金を提供することを主目的と
する。

［課題を解決するための手段］ 本発明のバルブシート用鉄基焼結合金は、Ｆｅ−Ｃ−Ｃ
０系基地に溶浸材を溶浸させて形成されたバルブシート
用鉄基焼結合金であって、前記溶浸材は、少なくともＰ
ｂを含みＢｉ　　Ｉｎおよびｌ−ｉから選ばれる複数の
金属、または少なくともＰｂを含みＢａ、Ｃａ１Ｐ３よ
びＴ、ｌｌから選ばれる複数の金属からなることを特徴
とする。

本発明のバルブシート用鉄基焼結合金は、自動車用エン
ジンの動弁機構の吸気バルブシートや、排気バルブシー
トを形成するための材料であって、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｏ系基
地と、この基地に溶浸させた溶浸材とよりなる。

Ｆｅ−Ｃ−Ｃｏ系基地は、その組成が例えば重量比率で
Ｃ：０．３〜０．４％、Ｎｉ：５．Ｏ〜１０．１％、Ｍ
Ｏ：６．０〜７．２％、ＣＯ：５゜Ｏ〜９．３％とし、
残部は実質的にはＦｅからなるものを用いることができ
る。

本発明の最大の特徴は溶浸材にある。

溶浸材は、前記鉄基焼結合金の使用目的に応じて種々選
定される。例えば鉄基焼結合金が排気バルブシートを成
形する材料として用いられる場合には、この排気バルブ
シートが排気系統に組込まれて雰囲気温度の高い条件下
で用いられるため、溶浸材としては、耐熱性が要求され
ることがらＰｂ（鉛）と、比較的融点の高い元素（金属
）例えばＴ、ｌｌ　　（タリウム）、Ｂａ（バリウム）
、ｃａ（カルシウム）、の中から１〜２種類、あるいは
１〜３種類を溶浸したものを用いることが好ましい。な
お、この場合、ＰｂとＰｂ以外の金属との混合比率は重
量％で１：１とすることが好ましい。

この理由としては両方の潤滑効果を均一に生じさせるた
めである。

また、鉄基焼結合金か吸気バルブシートを成形する材料
として用いられる場合には、この吸気バルブシートが、
吸気系統に組込まれて前記排気系統よりも雰囲気温度の
低い条件下で用いられるため、溶浸材としては、耐熱性
をあまり必要としないことから、Ｐｂ（鉛）と、融点の
低い元素（金属）例えばＩｎ（インジウム）、１−ｉ（
リチウム）、ｓｒ＜ビスマス）、等を用い、かつ好まし
くはＰｂと、ＰｂＪＸ外の元素のうちから１〜２種類ま
たは、１〜３種類を用いることが好ましい。そしてＰｂ
と、Ｐｂ以外の金属の配合比率は重量％で１：１とする
ことが望ましい。この理由としては融点が低いもののう
ちであって互いに融点が責なる前記金属の組合わせでは
、両方の潤滑効果を均一に生じさせることから幅広い温
度域で十分な潤滑効果を得ることかできるためである。

なお吸気系用として使用するＩｎ（インジウム）Ｌｉ（
リチウム）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｐｂ（鉛）は融点か低
く、Ｆｅ（鉄）との反応性も低いが、沸点はそれぞれ１
０００’Ｃを超えるため、前記これらの溶浸材を用いた
焼結合金製の吸気バルブシートが雰囲気温度が高くなっ
た場合であっても蒸発し気体となることがない。また前
記溶浸材はいずれも軟質材料であるため潤滑機能を十分
に果すことができる。

また前記溶浸材として用いられるｌ　　（タリウム）、
Ｂａ（バリウム）、Ｃａ（カルシウム）も同様に融点か
低く、沸点か１０００℃以上を超えるとともに、Ｆｅ（
鉄）との反応性も低いため、十分な潤滑機能を発揮し得
る材料として用いることができる。

［発明の作用および効果］ 本発明は、Ｆｅ−（、−Ｃｏ系基地に溶浸材を溶浸させ
て形成されたバルブシート用鉄基焼結合金であって、 前記溶浸材は、少なくともＰｂを含みＢｉ　Ｉｎおよび
Ｌｌから選ばれる複数の金属、または少なくともＰｂを
含み１Ｂａ、　Ｃａおよび′丁ｇから選ばれる複数の金
属からなることを特徴とするものである。

このため、前記複数の金属を溶浸させたバルブシートは
、例えば、内燃機関において排気系統のように比較的雰
囲気温度が高い条件下で用いられる場合及び雰囲気温度
が前記排気系統より低い条件上の吸気系統に用いられる
場合であっても、これらの用途に対応して前記溶浸材の
なかから選ばれた最適な複数の金属を溶浸させることに
よって十分な耐摩耗性能を発揮し得る。

したかって本発明のバルブシート用鉄基焼結合金を用い
た場合には、幅広い温度領域での耐摩耗性か確保できる
。

［実施例］ 以下、本発明のバルブシート用鉄基焼結合金を吸気バル
ブシートに適用した第１実施例および排気バルブシート
に適用した第２実施例を第１図〜第４図に基づいて説明
する。

なお、本発明のバルブシート用鉄基焼結合金を用いて後
で述べるようにして製造された第１図に示す吸気バルブ
シート１０および排気バルブシト１１は、自動車用エン
ジンの直打式（ＤＯＨＣ）動弁機構に組込まれて使用さ
れるもので、エンジンの燃焼室１４の吸気入口部１５、
排気比ロ部１６位置でシリンダヘッド１７に装着される
とともに、エンジンの運転に伴い往復作動する吸気バル
ブ１２、排気バルブ１３が当接及び離脱することにより
燃焼室１４と吸気通路１８、燃焼室１４と排気通路１９
をそれぞれ遮断及び連通するように構成されている。

（第１実施例） 第１実施例では、吸気バルブシート１ｏを形成する鉄基
焼結合金として第１表に示すように、それぞれ異なる成
分比率より形成された基材と、前記基材に溶浸させる溶
浸材の種類と量とを変化させたものを用い実施例量１．
２．３及び比較例量１．２．３の計６種類の各テストサ
ンプルが下記のような方法で製造された。なお、第１表
には、各テストサンプルの硬さ（ＨＶ）および密度ｑ／
Ｃｒｎ３をそれぞれ示した。

次に各テストサンプルの製造方法を示す。まず第１表に
示すＦｅ、Ｃ，Ｎ　ｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏからなる合金粉
末を同第１表に示すように各テストサンプル毎の比率に
調合し、これ等にそれぞれ潤滑剤としてステアリン酸亜
鉛０．８％（ｗｔ）を混合した後、この混合粉末を金型
内に充填し成形圧７ｔ／Ｃｍ２で成形して吸気バルブシ
ート１０粗形状の粉末成形体とした。次いでこの粉末成
形体をアンモニア分解カス雰囲気中で１１００’ＣＸ１
時間で焼結処理した後、比較例量１を除く他のテストサ
ンプルに対して第１表に示す割合の溶浸材を用いて溶浸
処理が施される。すなわち、前記溶浸材の種類と溶浸量
として実施例量１はＩｎ５ｗｔ％とＰｂ５ｗｔ％、実施
例量２はＩｎ５ｗ４％と３　ｉ　５ｗｔ％、実施例量３
はＩｎ４ｗｔ％とＢ１４ｗｔ％とＰｂ４ｗｔ％、比較例
量２はＰｂｌＱｗｔ％、比較例量３はＩｎ２ｗｔ％とＰ
ｂ８Ｗ↑％がそれぞれ溶浸された。この後、この焼結体
は、吸気バルブシート形状に加工され、実施例量１．２
．３及び比較例量１．２．３の計６種類の各テストサン
プルを得た。

（耐久試験） 上記のようにして製造された各テストサンプルは、それ
ぞれ排気量１５００ｃｃ、４気筒のオツトーサイクルエ
ンジンのアルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入され
、５ＵＨａ製インテークバルブとを組合わせてエンジン
台上において同じ条件で耐久試験を実施した。

耐久試験の条件としては、無鉛カッリンを用い、吸気バ
ルブシートの温度が低い（１５０℃〉、５６００ｒｐｍ
及びアイドル回転数（約８０Ｏｒｐｍ）を無負荷で３０
万回繰返すサイクルで約６００時間運転した。この耐久
結果を第１表に示す。

（評価） 耐久試験の結果は、それぞれ第２図、第３図、第４図に
示されるように試験前後の吸気バルブシト当り幅の増加
量［ａ十ｂ　（ｍｍ）］　、バルブフェース摩耗量［Ｃ
（μｍ）］、バルブ沈み量［ｄ　（ｍｍ）Ｅを測定し得
られた結果を第２表に示す。

この結果、実施例１〜３のシート当り幅増加量及びフェ
ース摩耗量、バルブ沈み串は比較例１〜３よりも小さな
値となった。持にＰｂと、ＩｎおよびＢＩを溶浸させた
吸気バルブシート（実施例量３）の場合には、フェース
摩耗量が９．８μｍと最も小さな値となった。

本実施例におけるように焼結材を用いた吸気バルブシー
トを用いた場合には比較的幅広い低い温度領Ｉｔ（１０
０〜３００’Ｃ）で吸気バルブシートの耐摩耗性を確保
でき、ざらにバルブの耐摩耗性をも向上させ得ることか
判明した。

（第２実施例） 第２実施例では、排気バルブシート１１を形成するバル
ブシート用鉄基焼結合金のテストサンプルとして第３表
に示すように、それぞれ異なる成分比率の基材と、基材
に溶浸させる溶浸材の種類と量とを変化させて製造され
た実施例量４．５．６及び比較例量４．５．６の計６種
類を用いて耐久試験が実施された。なお、第３表には、
各テストサンプルの硬さ（ｔ−１ｖ）および密度ＣＩ／
Ｃｍ３をそれぞれ示した。

次に各テストサンプルの製造方法を示す。まず第３表に
示すＦｅ、Ｃ，Ｎ　ｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏからなる合金粉
末を同第３表に示すように各テストサンプル毎の比率に
調合し、これ等にそれぞれ潤滑剤としてステアリン酸亜
鉛０．８％（ｗｔ＞を混合した後、この混合粉末を金型
内に充填し成形圧７ｔ／ｃｍ２で成形して排気バルブシ
ート１１粗形状の粉末成形体とした。次いでこの粉末成
形体をアンモニア分解カス雰囲気中で１１００’ＣＸ１
時間で焼結処理した後、比較例量４用のテストサンプル
を除く他のテストサンプルに対して第３表に示す割合の
溶浸材を用いて溶浸処理が施される。すなわち、前記溶
浸材の種類と溶浸量として実施例量４はＰｂ５ｗｔ％と
Ｃａ５ｗｔ％、実施例量５はＰｂ５ｗｔ％とＴ、ｌ！５
ｗｔ％、実施例量６はＰｂ４ｗｔ％とＣａ５ｗｔ％とＴ
、ｉ！　４ｗｔ％、比較例量５はＰｂ１０ｗｔ％、比較
例量６はＰｂ７ｗｔ％とＣａ３ｗｔ％かそれぞれ溶浸さ
れた。

この後、この焼結体は、排気バルブシート形状に加工さ
れ、実施例量４．５．６及び比較例量４．５．６の計６
種類の各テストサンプルを得た。

（耐久試験） 上記のようにして製造された各テストサンプルは、それ
ぞれ排気量１５００ｃｃ、４気筒のオツトーサイクルエ
ンジンのアルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入され
、５ＵＨ３製排気バルブとを組合わせてエンジン台上に
おいて同じ条件で耐久試験を実施した。

耐久試験の条件としては、無鉛ガソリンを用い、排気バ
ルブシートの温度が高い（３００℃〉、６ｏｏｏｒｐｍ
を全負荷で約６０時間運転した。この耐久結果を第４表
に示す。

（評価） 耐久試験の結果は、それぞれ第２図、第３図、第４図に
示されるように試験前後の排気バルブシト当り幅の増加
Ｗｉ　［ａ＋ｂ　（ｍｍ）　］　、バルブフェース摩耗
量［Ｃ（μｍ）］、バルブ沈み量［ｄ　（ｍｍ）］を測
定し得られた結果を第４表にボす。

この結果、実施例４〜６のシート当り幅増加量及びフェ
ース摩耗量、バルブ沈み量は比較例４〜６よりも小さな
値となった。特にＰｂと、Ｃａおよび丁ｇを溶浸させた
排気バルブシート（実施例量６）の場合には、フェース
摩耗量が９．８μｍと最も小さな値となった。

本実施例におけるように焼結材を用いた排気バルブシー
トを用いた場合には幅広い温度領域で排気バルブシート
の耐摩耗性を確保でき、さらに排気バルブの耐摩耗性を
も向上させ得ることが判明した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本実施例におけるバルブシート用鉄基焼結合
金を用いて形成した吸気および排気バルブシートをエン
ジンの動弁機構に組合わせた状態を示す縦断面図である
。第２図は、吸気および排気バルブシートのシート当り
幅増加量を示す略図である。第３図は、吸気および排気
前記バルブシトに当接する吸気および排気バルブのフェ
ース摩耗量を示す略図である。第４図は、吸気および排
気バルブシートに対する吸気および排気バルブの沈み量
を示す略図である。第５図は、従来のバルブシート用鉄
基焼結合金を用いた吸気および排気バルブシートをエン
ジンの動弁機構に組合わせた状態を示す縦断面図である
。 １０・・・吸気バルブシート １１・・・排気バルブシート １２・・・吸気バルブ　　　１３・・・排気バルブ１４
・・・燃焼室　　　　　１８・・・吸気通路１９・・・
排気通路 特許出願人　　トヨタ自動車株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｆｅ−Ｃ−Ｃｏ系基地に溶浸材を溶浸させて形成
   されたバルブシート用鉄基焼結合金であつて、 前記溶浸材は、少なくともＰｂを含みＢｉ、Ｉｎおよび
   Ｌｉから選ばれる複数の金属、または少なくともＰｂを
   含みＢａ、ＣａおよびＴｉから選ばれる複数の金属から
   なることを特徴とするバルブシート用鉄基焼結合金。