JPH04298616A - インテークバルブシート用焼結合金 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車内燃機関のインテ
ークバルブシート用焼結合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンの動弁系の断面図は図２
に示す通りであって、カム５の回転によりインテークバ
ルブ７およびエキゾストバルブ８が上下運動し、インテ
ークバルブ７のフェース部１６はバルブの上下運動によ
ってバルブシート９と接触する。このインテークバルブ
フェースの通常の作動温度は１００〜４００℃であり、
従来から作動温度での軟化抵抗の大きいＳＵＨ１、３、
４、１１が使用されている。

【０００３】最近、自動車エンジンにおいて、長寿命化
、高出力、高回転化、排出ガス浄化対策、あるいは燃費
向上対策に対する改善要求が一段と高まっている。この
ため、自動車エンジンにおけるエンジンバルブ、バルブ
シートに対しては、従来にも増して厳しい使用環境に耐
えることが不可避となってきている。

【０００４】従来のバルブシート材料としては、Ｆｅ−
Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉ基材料、Ｆｅ−Ｃ基材料に耐摩耗性の向
上を狙ってフェロモリブデン（Ｆｅ−Ｍｏ）、フェロク
ロム（Ｆｅ−Ｃｒ）等の金属間化合物またはＦｅ−Ｃ−
Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ合金等を添加したものが使用されている
（特開昭５６−１５４１１０号公報）。

【０００５】さらに、ＣｒおよびＭｏを含有するＦｅ−
Ｃ基地組織中に、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等からなる鉄系硬質粒
子を分散させ耐摩耗性と相手攻撃性を改善した焼結合金
（特開昭６０−２２４７６２号公報）、Ｐｂ合金等を含
浸させたＦｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉ系基地組織中にＦｅ−Ｃ
−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ合金からなる硬質粒子を分散させた焼
結合金（特開昭６０−２５１２５８号公報）が開示され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】わが国では無鉛ガソリ
ン対策によりガソリンの無鉛化が進んでいるが、世界に
は未だ有鉛ガソリンが使用されている地域（中近東等）
があり、バルブフェース材料、バルブシート材料には依
然として、鉛化合物に対する耐食性が必要とされる。す
なわち、有鉛ガソリンの使用によって、これらインテー
クバルブシート材料のＦｅ基の母材あるいはＦｅ基の硬
質粒子が、有鉛ガソリンの燃焼生成物（ＰｂＣｌ２、Ｐ
ｂＢｒ２、ＰｂＯ、ＰｂＳＯ４等）によって、腐食され
てしまうという問題点がある。

【０００７】また、基地組織中に硬質粒子としてＦｅ−
ＣｒまたはＦｅ−Ｍｏ等の金属間化合物を分散させた場
合、これら硬質粒子は前記燃焼生成物であるＰｂ化合物
によって腐食されにくいため、Ｆｅ基の基地組織がＰｂ
化合物により腐食されると、硬質粒子が浮き出してしま
い、硬質粒子がバルブを削ってしまうことがある。

【０００８】本発明は有鉛ガソリンを使用した場合に、
あるいは近年のエンジンの高性能化に伴い、エンジンバ
ルブおよびインテークバルブシート材料が腐食され耐久
性に劣るという前記の如き問題点を解決すべくなされた
ものであって、有鉛ガソリンの燃焼生成物に対して耐食
性を有し、高性能・有鉛仕様エンジンのエンジンバルブ
とバルブシートの摩耗を少なくし、耐久力に優れたイン
テークバルブシート用焼結合金を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】発明者等はバルブシート
の基地組織となるＦｅ基合金の鉛化合物に対する耐食性
を向上させるため、ＣｏおよびＮｉを添加することを着
想した。しかしながら、Ｃｏおよび／またはＮｉの添加
によって鉛化合物に対する耐食性は向上するものの、酸
化しにくくなるため、バルブとバルブシートの金属接触
により、却って耐摩耗性が劣化することが判明した。そ
こで、ＣｏおよびＮｉの添加量を低く抑えることにより
、バルブシート表面に酸化皮膜を形成させれば、耐摩耗
性を維持できることを見出した。さらに、硬質粒子をＣ
ｏ基合金とすることにより、硬質粒子の鉛化合物に対す
る耐食性を向上させるとともに、Ｃｏの拡散により硬質
粒子が基地組織と強固に結びつき腐食による硬質粒子の
浮き上がりが防止できることを新たに知見し本発明を完
成した。

【００１０】本発明のインテークバルブシート用焼結合
金は、重量比でＣ：０．４〜２．０％、Ｎｉおよび／ま
たはＣｏ：１．５〜５．０％を含有し、残部がＦｅと不
純物元素からなる基地組織中に、重量比でＣｒ：５．０
〜２０％、Ｓｉ：１．０〜５．０％、Ｍｏ：２５〜３５
％を含有し、残部がＣｏからなり、粒径が２０〜２００
μｍの硬質粒子を重量比で３〜４０％均一に分散させた
焼結合金に、Ｐｂを重量比で５〜２５％溶浸させたこと
を要旨とする。

【００１１】

【作用】本発明のインテークバルブシート用焼結合金は
、基地組織となるＦｅ基合金にＮｉおよび／またはＣｏ
を重量比で１．５〜５．０％含有させたので、鉛化合物
に対する耐食性が向上するとともに、インテークバルブ
シートの使用温度で表面に酸化皮膜が形成され、バルブ
との金属接触が避けられるので、耐摩耗性を維持するこ
とができる。

【００１２】また、硬質粒子はＣｏ基合金としたため、
鉛化合物に対する耐食性が改善されるとともに、Ｃｏの
拡散により硬質粒子が基地組織と強固に結びつき、硬質
粒子の周りが腐食しにくくなり、腐食による硬質粒子の
浮き上がりが防止できる。また、ＣｒおよびＭｏの添加
により耐熱性、耐食性を向上させるとともに、Ｓｉの添
加により硬質相が形成されるので耐摩耗性が向上する。

【００１３】次に、本発明のインテークバルブシート用
焼結合金に使用する硬質粒子を構成する各成分の範囲限
定理由について説明する。Ｃｒ　はＣｏと一体で基地を
固溶強化すると同時に、耐熱性、耐食性を向上させる。 Ｃｒ　の含有量が５％未満では耐熱性の向上が充分でな
く、２０％を越えても効果は殆ど変わらないため、Ｃｒ
　含有量は５〜２０％に限定した。

【００１４】Ｍｏ　はＣｏおよびＳｉと結びつき硬質粒
子の中にＣｏ−Ｍｏ−シリサイド（硬質相）を形成し、
耐摩耗性を向上させる。しかしＭｏが２５％未満では硬
質相が少なくなり耐摩耗性を減少し、３５％を越えると
硬質相が硬くなり、Ｃｏ基の硬質粒子全体の硬さが上が
り、相手攻撃性が増加すると同時に、Ｃｏ基の硬質粒子
が脆くなり、作動中に割れる可能性がある。そのため、
Ｍｏの含有量は２５〜３５％とした。

【００１５】Ｓｉ　はＭｏまたはＣｏと結合して硬質粒
子の中の硬質相を形成するため添加される。Ｓｉ　含有
量が１％未満では前記効果が得られず、Ｓｉ　含有量が
５％を越えると、硬質粒子が硬くなり過ぎて相手攻撃性
を増すので、Ｓｉ　含有量は１〜５％に限定した。

【００１６】硬質粒子の主成分であるＣｏ　は耐熱性お
よび耐食性に富む材料であり、硬質粒子の耐熱性および
耐食性の改善に寄与している。また、Ｃｏ一部が母材に
拡散して硬質粒子と母材との接合性を向上させ、硬質粒
子の脱落を防止する効果がある。

【００１７】以上の成分から形成される硬質粒子はＨｖ
　５００〜１０００未満で相手攻撃性が低いことが特徴
である。硬質粒子が３％未満では、焼結金属の耐摩耗性
の効果がなく、４０％を越えると成形性、圧縮性、被削
性が低下するとともに、相手材への攻撃性が大きくなる
ので、硬質粒子の含有量は３〜４０％に限定した。

【００１８】また、硬質粒子の粒径を２０〜２００μｍ
としたのは、硬質粒子の大きさが２０μｍ未満では、耐
摩耗性に対して向上効果がなく、２００μｍを越えると
、相手攻撃性が大きくなるとともに、成形性が低下する
からである。また、硬質粒子の硬さがＨｖ５００未満で
は、耐摩耗性の向上効果がなく、Ｈｖ１０００を越える
と、相手バルブを摩耗させることから、Ｈｖ５００〜１
０００とした。

【００１９】次に、本発明のバルブシート用焼結合金の
基地組織を形成するために使用する基地組織用原料粉末
の成分の範囲限定理由について説明する。ＣはＦｅと反
応してオーステナイト組織とパーライト組織の混合組織
からなる基地組織中に固溶し、焼結反応を促進させるが
、０．４％未満では前記効果が充分でなく、２．０％を
越えるとセメンタイト組織が多量に析出し、焼結体を脆
化することからＣ含有量は０．４〜２．０％とした。

【００２０】Ｎｉ　とＣｏ　はほぼ同じように作用し、
Ｆｅ　基地組織に固溶して、基地組織を強化するととも
に、耐食性、耐熱性を向上させる。１．５％未満の含有
量ではＰｂ化合物および酸化による腐食が進行する。５
％を越えて含有されると、基地となる母材のＰｂ化合物
に対する耐食性は向上するものの、インテークバルブシ
ートの温度が１００〜２００℃であることから、表面に
酸化膜が充分に形成されず、バルブと金属接触すること
となり、シートおよびバルブが摩耗することがある。そ
のため、Ｎｉおよび／またはＣｏの含有量は１．５〜５
．０％とした。

【００２１】本発明において溶浸金属であるＰｂ　は、
バルブとバルブシートの接触部に介在して、潤滑剤とし
て作用し、バルブおよびバルブシートの耐摩耗性を向上
させる。Ｐｂ　の溶浸が５％未満では前記効果が得られ
ず、２０％を越えると焼結金属のスケルトンが弱化して
摩耗量が増大するので、Ｐｂ　溶浸量は５〜２０％に限
定した。

【００２２】

【実施例】（実施例１）本発明の実施例を比較例ととも
に説明し、本発明の効果を明らかにする。表１に示す組
成からなる基地組織用合金粉末に、表１に示す組成から
なる硬質粒子の粉末を、表１に示す割合で調合し、これ
に潤滑剤としてステアリン酸亜鉛０．　８％を混合した
後、この混合粉末を金型内に充填して、成形圧７ｔ　／
ｃｍ２　で成形してバルブシート粗形状の粉末成形体を
得た。

【００２３】なお、基地組織用合金粉末には、黒鉛粉末
　（−３５０メッシュ）　、Ｎｉ　粉末　（１０μｍ　
以下）　、Ｃｏ　粉末　（１０μｍ　以下）　および還
元鉄粉　（−１００メッシュ）　を用い、硬質粒子用の
合金粉末には合金アトマイズ粉末　（−１００メッシュ
）を用いた。

【００２４】また、表１の比較例１は硬質粒子としてＦ
ｅ−Ｍｏを分散させたもの、比較例２は基地組織のＮｉ
含有量が高く硬質粒子としてＦｅ−Ｃｒを分散させたも
の、比較例３は硬質粒子を分散させなかったもの、比較
例４は基地組織のＮｉおよびＣｏ含有量が高く第２の硬
質粒子としてＦｅ−Ｗを添加したものである。

【００２５】

【表１】

【００２６】この粉末成形体をアンモニア分解ガス雰囲
気中で１１５０℃の温度にて、６０分間焼結して焼結体
を得た。次にこの焼結体をＰｂ　塊と接触させて、再度
アンモニア分解ガス雰囲気中で１０５０℃の温度にて３
０分間加熱して焼結体中にＰｂを溶浸した。

【００２７】得られた焼結体を排気バルブシート状に加
工して排気量２４００ｃｃ、４気筒の有鉛燃料使用のオ
ットーサイクルエンジンに装着し、全負荷で３００時間
の台上耐久試験を実施しバルブ沈み量を測定した。なお
、相手バルブには耐熱鋼にＣｏ基の盛金を施したものを
使用した。バルブ沈み量は図３のエンジンの部分断面図
に示したように、試験前のバルブのアップダウン幅Ｔか
ら試験後のバルブのアップダウン幅ｔを差し引いたもの
によって示した。得られた結果は表２に示した。

【００２８】

【表２】

【００２９】表２に示したように、比較例１および比較
例２は、硬質粒子にＣｏを含有せず比較的硬度の硬いＦ
ｅ−ＭｏまたはＦｅ−Ｃｒであったため、硬質粒子の浮
き上がりにより、バルブ沈み量は０．１２ｍｍおよび０
．１８ｍｍであった。比較例３は硬質粒子を分散させな
かったので、摩耗が激しく、バルブ沈み量は０．２３ｍ
ｍであった。また、比較例４は基地組織にＮｉおよびＣ
ｏを多量に含有したため、酸化皮膜が形成されず、バル
ブ沈み量は０．１１ｍｍであった。

【００３０】これに対して実施例１〜４は、Ｎｉおよび
／またはＣｏ含有量を低く抑えたので酸化皮膜が形成さ
れ、硬質粒子が比較的軟らかであって、かつ硬質粒子か
らのＣｏの拡散により、基地組織を形成する母材との隙
間がないように強く結びつき、硬質粒子の浮き上がりが
防止されたので、バルブ沈み量は０．０３〜０．０６ｍ
ｍであって、本発明の効果が確認された。

【００３１】（実施例２）表３に示す組成からなる基地
組織用合金粉末に、表３に示す組成からなる硬質粒子の
粉末を、表３に示す割合で調合し、これに潤滑剤として
ステアリン酸亜鉛０．　８％を混合した後、この混合粉
末を金型内に充填して、成形圧７ｔ　／ｃｍ２　で成形
してバルブシート粗形状の粉末成形体を得た。

【００３２】なお、基地組織用合金粉末には、黒鉛粉末
　（−３５０メッシュ）　、Ｎｉ　粉末　（１０μｍ　
以下）　、Ｃｏ　粉末　（１０μｍ　以下）　および還
元鉄粉　（−１００メッシュ）　を用い、硬質粒子用の
合金粉末には合金アトマイズ粉末　（−１００メッシュ
）を用いた。

【００３３】なお、表３において比較例Ａは硬質粒子の
混合割合の低かったもの、比較例Ｂは硬質粒子としてＦ
ｅ−Ｍｏを分散させたもの、比較例Ｃは実施例の硬質粒
子と同じ程度の硬さのＦｅ系の合金粉末を分散させたも
のである。

【００３４】

【表３】

【００３５】この粉末成形体をアンモニア分解ガス雰囲
気中で１１５０℃の温度にて、６０分間焼結して焼結体
を得た。次にこの焼結体をＰｂ　塊と接触させて、再度
アンモニア分解ガス雰囲気中で１０５０℃の温度にて３
０分間加熱して焼結体中にＰｂを溶浸した。得られた焼
結体を排気バルブシート状に加工して排気量２４００ｃ
ｃ、４気筒の有鉛燃料使用のオットーサイクルエンジン
に装着した。なお、得られた焼結体のマクロ硬さおよび
硬質粒子の硬さを測定したところ、表３に示すような結
果を得た。

【００３６】次に、図３に示すようなエンジンバルブ７
のフェース部１６に、表４に示す化学成分のコバルト基
盛金合金を、プラズマ盛金法（出力１３０Ａ、処理速度
８ｍｍ／ｓｅｃ）で盛金した。

【００３７】

【表４】

【００３８】得られたエンジンバルブを、前記で得られ
た焼結体をバルブシートに装着した４気筒の有鉛燃料使
用のオットーサイクルエンジンに組み付けて、６５００
ｒｐｍの全負荷で、３００時間の高速耐久試験を行った
。

【００３９】耐久試験後のエンジンバルブおよびバルブ
シートの摩耗量は、タペットクリアランスの変化量とし
て求め、図１にまとめて示した。なお、タペットクリア
ランスはバルブフェースまたはバルブシートが摩耗する
ことによって、変化するため、この変化を少なくする必
要があるものである。

【００４０】図１に示したように、バルブシート材料が
比較例Ａ〜Ｃである場合は、タペットクリアランス変化
量は０．１３〜０．２５ｍｍと多かった。これに対して
、本発明の実施例１〜３のバルブシートと組み合わせた
場合は、タペットクリアランス変化量が０．０２〜０．
１０ｍｍであって、本発明の実施例が優れた耐摩耗性と
相手攻撃性を有することが確認できた。

【００４１】

【発明の効果】本発明のインテークバルブシート用焼結
合金は、基地組織となるＦｅ基合金にＮｉおよび／また
はＣｏを重量比で１．５〜５．０％含有させたので、鉛
化合物に対する耐食性が向上するとともに、インテーク
バルブシートの使用温度で表面に酸化皮膜が形成され、
バルブとの金属接触が避けられるので、耐摩耗性を維持
することができる。また、硬質粒子はＣｏ基合金とした
ため、鉛化合物に対する耐食性が改善されるとともに、
Ｃｏの拡散により硬質粒子が基地組織と強固に結びつき
、硬質粒子の周りが腐食しにくくなり、腐食による硬質
粒子の浮き上がりが防止できる。そのため、有鉛ガソリ
ンの燃焼生成物に対して耐食性を有し、有鉛燃料に対す
る耐久力の優れたインテークバルブシート用焼結合金と
して極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例および比較例のバルブシートを
装着した耐久試験後のタペットクリアランスの変化量を
示す図である。

【図２】自動車エンジンの動弁系の断面図である。

【図３】バルブ沈み量を示すエンジンの部分断面図であ
る。

【符号の説明】

５　　カム　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　７　　インテークバルブ ８　　エキゾストバルブ　　　　　　　　　　　　　　
９　　バルブシート１６　　フエース部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　重量比でＣ：０．４〜２．０％、Ｎｉ
   および／またはＣｏ：１．５〜５．０％を含有し、残部
   がＦｅと不純物元素からなる基地組織中に、重量比でＣ
   ｒ：５．０〜２０％、Ｓｉ：１．０〜５．０％、Ｍｏ：
   ２５〜３５％を含有し、残部がＣｏからなり、粒径が２
   ０〜２００μｍの硬質粒子を重量比で３〜４０％均一に
   分散させた焼結合金に、Ｐｂを重量比で５〜２５％溶浸
   させたことを特徴とするインテークバルブシート用焼結
   合金。