JPH0472027A

JPH0472027A - 船外機用バルブシート材およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0472027A
Application number: JP2182767A
Authority: JP
Inventors: Hideo Urata; 秀夫浦田; Koji Koishikawa; 小石川　幸次; Makoto Tsuji; 誠辻; Hiroshi Ikenoue; 池ノ上　寛; Keitaro Suzuki; 啓太郎鈴木; Tokumasa Aoki; 青木　徳眞
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Resonac Corp
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1992-03-06
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: JPH083133B2; US5207821A

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】この発明は船外機関のバルブシートに好適な、耐摩耗性
および耐蝕性に優れた焼結合金に関するものである。

自動車用の内燃ｉ間の場合、そのバルブシートには以前
は合金鋳鉄が、現在は鉄系の焼結合金が用いられている
が、船外機の場合は飛沫を浴びたり、撃留時には潮風の
中で結露したりする環境で使用されるため、錆び易い鉄
系の部材は好ましくない。

そこで船外機用の内燃機関の場合、そのバルブシートに
は従来は主に耐蝕性の観点から、アルミ青銅の溶製材が
用いられている。しかし、近年における船外機の高出力
化指向に伴って構成部材の特性に対する要求が一段と厳
しくなるにつれて、耐摩耗性のより優れたバルブシート
用材料が求められるに至った。

この発明は上述の事情に基づいてなされたものであるが
、材質の大幅な変更は得策ではないのでアルミ青銅を基
本としてその基地中に選択された硬質相を分散させてそ
の改質を図り、これを粉末冶金法によることとした。そ
の理由は、粉末冶金では種々の添加成分を均一に分布で
きることと、原料の履歴を含め製造法の工夫次第で組成
は同じでも特性の向上した合金が得られることにある。

この発明に係る焼結合金の基地はＡｌ含有量が１０％前
後（７〜１２％）の、普通のＣｕ　−Ａ合金であるが、
その製造をＣＬＩ−１０％ＡＩ合金粉によらず、後述す
る理由でＣｕ−４８〜５２％Ａｌの合金粉と銅粉を混合
してＡｌを所定の範囲に希釈するところに、この発明の
骨子の一つがある。

またこの基地に分散させる硬質相の原料としては組成が
Ｃｒ７．５〜９．５％、Ｍｏ２７〜３０％。

Ｓｉ２．１〜２．７％およびＣＯ残部の硬質粒子粉末を
好ましくは粒度３５０メツシュ以下に調整して用い、銅
粉とＣｕ−Ａｌ合金粉との混合粉にこの硬質粒子粉末の
所要量を添加することにより基地中に分散する硬質相の
量を所定範囲内に調整する点に、この発明の骨子の他の
一つがある。なお、この硬質粒子粉末は、“コバメツド
パの商品名で福田金属箔粉ニー業から市販されている。

次に、この発明に係る合金の成分組成は前述の製造法に
従って、即ち銅粉に配合するＣｕ　−Ａｌ合金粉および
硬質粒子粉末の組成および配合割合から導かれるもので
、その組成範囲はＡｌ５．８〜１０．６％、Ｍｏ３．３
〜５％、　Ｃｒ　０．９〜１．６％。

Ｓｉ０．３〜０．５％、Ｃｏ７〜１０．７％およびＣｕ
残部となる。そしてこの合金の組織面では、Ａｌ７〜１
２％およびＣｕ残部のＣｕ−Ａｌ基地中にＣｒ７．５〜
９．５％、Ｍｏ２７〜３０％、Ｓｉ２．１〜２．７％お
よびＣＯ残部の硬質相が１２〜１７％分散した組織を呈
することを特徴としている。

以下この発明をその実施例および比較例を含む実験結果
に基づいて詳細に説明する。

第１表は実験に供した試料の主なものについて作製の要
領（原料粉の種類と配合割合）、試料の全体組成および
組織、材料特性などを示したものである。原料欄のＣｕ
−Ａｌ合金粉および硬質相粉末に付けた記号Ｈ，Ｍ、Ｌ
は、Ｍはそれぞれの標準組成の粉末を、Ｈは各粉末の製
品規格または許容範囲の上限のものを、しは下限のもの
を意味し、具体的には表の下段に記載の通りである。

これらの試料の内、試料５がこの発明の最良の実施例に
相当する。そこでこの試料５を例として作製の要領を説
明すると、先ずＣｕ−５０ＡＩの合金粉１部を銅粉４部
と混合する。この混合粉が焼結によってアルミ青銅の基
地を形成する訳で、従って、基地中のＡＩ含有量は設定
値の１０％となる。次にこの混合粉１００部に対して、
Ｃ０８，５Ｃｒ　−２８Ｍｏ−２，４３ｉの硬質粒子粉
末を１７部添加し混合する。これがそのまま、基地中に
分散する硬質相を形成するため、焼結部材中に分散する
硬質相の量は１７／１１７→１４．５％となる。なお硬
質粒子粉末の粒度は、第１表に載せた試料１〜試料１８
の場合は粒度３５０メツシュ以下の微粉末を用いている
。

次にこの混合粉に成形潤滑剤を０５％添加して所定の形
状に成形および焼結を行ない、焼結密度６．７Ｑ／ｃａ
の焼結体を得た。成形および焼結後の再圧縮は圧力６ｔ
／ｃｊ、焼結は真空焼結炉中温度９９０℃で６０分間で
ある。

またこの試料を２組に分け、その一方は大気中で４００
℃に１２０分間加熱して表面および空孔内面に酸化層を
生成させた。ちなみに第１〜第３表に載せた試験データ
は一般的特性は酸化処理をしてない試料に、弁座摩耗量
は酸化処理を施した試料に関するものである。

なお焼結雰囲気は高純度に精製した露点の高い水素ガス
でもよいが、工業的には真空の方が扱い易い。焼結温度
は、基地のＣｕ−１０％Ａｌ合金が状態図上９９０℃で
安定した組織を呈する一方、１０２０℃以上で溶解する
ことから、焼結温度は９９０℃を最適とし、且つこれを
越えないことが望ましい。

その他の試料（１〜１８）の作製要領も、表の記載と上
述の説明から容易に判る筈である。なお試料２０は試Ｆ
１５から硬質粒子を省いた、硬質相を含有しない比較用
の焼結材であり、試料２１は従来用いられていた、アル
ミニウム青銅の溶製材である。

ここでバルブシートに必要な特性について述べると、エ
ンジンの稼動中は高温の燃焼ガスに触れながら、綴慢に
回転しつつ高速で往復動する弁によって連続的な衝撃を
受けるので、弁と接触するシート面の耐摩耗性が第一に
重要なことは当然である。一方、バルブシートはシリン
ダーヘッドの取付孔に圧入し固定されているに過ぎない
ので、部材の圧環強度が低い場合は作動中に嵌め合いが
緩み、ヘッドから脱落する虞れがある。

従って、耐摩耗性の良否以前の問題として相応の硬さや
強度（圧環強度）を備えることが第二に重要な条件で、
この材料の場合、部材の圧環強度は基地中のＡｌの含有
量によって左右される。

試料１〜８は、この観点から基地中のＡｌ量と圧環強度
との関係を求めるためのもので、条件を揃えるために硬
質相の量は一定にしである。試験片は内径２０１ｍ、外
径４０１ｍ、厚さ１０ｍ１の環状で、試験装置にはアム
スラー型万能試験機を用いている。各試料の圧環強度を
、第２表の試料１〜試料８ｍに示す。

このデータをグラフ化した第１図が示すように圧環強度
は基地中のＡｌの増加につれて緩やかに上昇し、１０％
で最高値を示した後は減少に転じ１２％以後は急激に低
下している。従って基地中のＡＩ量は高い強度が安定し
て得られる１２％を上限とし、１０％前後が特に好まし
く、１２％の場合と同等の強度（３４に！Ｊ／−）が保
たれる７％を下限とする。

次に試Ｆ１９〜１５は部材中の硬質相の含有ωと第１の
要件である耐摩耗性との関係を求めるためのもので、条
件を揃えるため、各試料とも基地を最適組成に一定しで
ある。

試験装置は実際のエンジンの主要部を利用した模擬エン
ジン試験機であり、この試験機はＬＰＧ燃焼ガスで弁お
よび弁座（バルブシート）を所定温度に加熱しながらカ
ム軸をモーターで駆動する機構で、温度１回転数、弁の
スプリング圧力などを任意に設定でき、短期間に過酷な
試験を行なうことができる。なお弁の材質は耐熱鋼５Ｕ
Ｈ３５材である。ちなみに、この試験装置による評価の
基準については目標を数年後の要求水準におき、摩耗量
を従来材や比較材の１割く１５μ）以下とした。ただし
当面の対策材としては、特性が安定している限り、２割
（３０μ）以下であれば代替可能である。

この試験機で試料（弁座）の温度を２５０℃に設定し、
毎分１５００回転で３０時間連続運転優に弁座の摩耗量
を測定した結果を圧環強度の測定値と併せて第２表の試
料９〜試料１５欄に、そのデータをグラフ化して第２図
に示す。この図から明らかなように、弁座の摩耗量は硬
質相の増加につれて初めは急激に、１０％以降はやや緩
ヤかに減少し、１２％で１５μ以下となっ２だ後は徐々
に減少している。一方、圧環強度は硬質相の増加と共に
ほぼ−様な勾配で、１２％以降は幾分大きな勾配で低下
を続け、１７％を過ぎると３４　ｋ！：Ｉ／−以下にな
っている。

この結果から、部材中に分散する硬質相の量は摩耗量の
変動が安定し且つ１５μ以下になる１２％を下限とし、
一方、圧環強度の面から１７％を上限とする。

試料１６〜１９は、前記各個がＣｕ−Ａｌ粉。

硬質粒子粉末ともに標準組成のものを用いているのに対
して、それぞれの組成の上限および下限の粉末を組み合
わせ、且つ、基地中のＡｌ１重部材中に分散する硬質相
の量ともそれぞれの適正範囲の上限および下限に設定し
たものである。そしてその特性のデータは、これらの試
料がこの発明の限界の実施例に相当することを示してい
る。

次に部材の諸特性と硬質相の粒度の関係を見るため、第
１表の試料９〜１９の作製条件のうち、添加する硬質粒
子の粒度のみ１００メツシュ以下と２００メツシュ以下
に変更した各試料について焼結密度、圧環強度および弁
座の摩耗量の測定を行なった。第３表はそのデータを３
５０メツシュ以下の場合と併せて示したもので、硬質相
粒子が微細化するほど焼結が進む傾向にはあるが、焼結
密度と圧環強度の向上は数値的には極めて僅かであって
、グラフに描くと殆ど重複する。

第３図は弁座の摩耗量を１００メツシュ以下のものは１
点鎖線で、２００メツシュ以下のものは破線で、それに
１００メツシュ以下の圧環強度な１点鎖線で示したグラ
フであり、これを第２図と重ねてみると、圧環強度は硬
質相の粒度に拘らずほぼ同一の傾向を示すことが判る。

一方、耐摩耗性に関しては、硬質相の含有量が低い間は
粒度が粗いほど摩耗が少ないが、含有量９％付近で反転
し、それ以上では３５０メツシュ以下の微粉の場合より
も摩耗−がやや多くなる。

ただし、硬質相の含有口１２％以上で摩耗量の減少率が
小さくなり安定することは３５０メツシュ以下の場合と
同様であり、且つその範囲における摩耗−が３０μ以下
であるから、当面の対策材としては硬質相の粒度１００
メツシュ以下でも充分である。

次に、試料５に焼結後の酸化処理を施した場合としない
場合とについて、水冷４サイクル、排気量２８０ＣＣの
実機による弁座摩耗口の試験結果を従来材（アルミ青銅
の溶製材）のデータと併せて第４図に示す。

このグラフは、この発明に係る弁座は焼結後の酸化処理
の有無に拘らず、従来材に比べて耐摩耗性が著しく優れ
ていることを実記している。

なお初期摩耗の段階では酸化処理をしない試料の方が酸
化処理を施した試料より摩耗量が少ないが、それ以後の
摩耗増加率は後者の方が小さく、且つ前者より早く安定
状態に達するため摩耗量も最終的には後者（ＩＩ化処理
あり）の方が少ない。

この理由は、試料表面の酸化層が摩滅または剥離しても
焼結部材の特徴である空・孔の中に酸化層が残り、これ
が部材の強化と摩耗の軽減に寄与するためと考えられる
。従って、弁座の摩耗に関する負荷の高い機種向けには
酸化処理を施して用いることが望ましい。

以上で実施例の説明を終わり、次にこの発明で用いる原
料粉その他の説明に移る。

前述のように、Ｃｕ−Ａｌ基地におけるＡｌの含有量は
１０％（７〜１２％）が最適であるが、その原料をＣｕ
−７〜１２％Ａｌ合金粉単味によらずＣＬＩ−４８〜５
２％Ａｌの合金粉を銅粉で希釈して用いるのは、Ｃｕ−
Ａｌ合金粉は重味では粉末の流動性が悪いために成形作
業の能率が劣り、また成形体の圧粉密度が低いことによ
る。−例として（：ｕ−１０％Ａｌ合金粉の場合、単味
の圧粉密度は５．３〜５．４　０／ｃｉ程度であるのに
対して、銅粉にＣｕ−５０％Ａｌ合金粉を配合して全体
のＡｌｌを１０％に調整した混合粉の場合は合金粉の割
合が全体の２０％に過ぎないため流動性もよく、圧粉密
度も５．８へ・５．９１１１／ｃ儲に達する。

また、Ａｌの含有量の多いＣＵ−Ａｌ合金粉は噴霧法で
は酸化するために所望組成のインゴットから粉砕法で作
られるが、Ａ）の含有量が６０％以上の高いものは粉末
化に際し発火し易く、一方４０％以下の低いものはイン
ゴットが軟質で粉砕に適さない。Ａｌ含有１５０±２％
は、この様な合金粉の製造面、および混合粉の取り扱い
の面に品質管理上の許容範囲を付加して決められたもの
である。なお硬質相の生成源である硬質粒子粉末が市販
品であり、その組成範囲がメーカーの製品規格に基づく
ことは前述の通りである。

以上に詳述したように、この発明に係るバルブシート材
は従来のアルミ青銅系溶製材や焼結材に比べて耐摩耗性
が格段に優れるため、その実施により船外機関の耐久性
が大巾に改善されるだけでなく、−層の高性能化を期待
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＣｕ−Ａｌ基地中のＡｌ含有量と圧環強度との
関係を示すグラフ、第２図および第３図は硬質相の粒度
およびその含有量と弁座の摩耗量および圧環強度との関
係を示すグラフ、第４図は実機耐久試験の結果を示すグ
ラフである。代理人　弁理士　三　好　秀　和４１１ａ１０１！１４Ａｌ基地中のＡｌ含有量（％）ａ　　　　　１！　　　　　１＄　　　　　２０部材中
の硬質相含有量（％）

Claims

【特許請求の範囲】１　重量比にて全体組成がＡｌ５．８〜１０．６％、Ｍ
ｏ３．３〜５％、Ｃｒ０．９〜１．６％、Ｓｉ０．３〜
０．５％、Ｃｏ７〜１０．７％およびＣｕ残部で、且つ
、Ａｌ７〜１２％およびＣｕ残部のＣｕ−Ａｌ基地中に
Ｃｒ７．５〜９．５％、Ｍｏ２７〜３０％、Ｓｉ２．１
〜２．７％およびＣｏ残部の硬質相が１２〜１７％分散
した組織を呈する焼結合金からなることを特徴とする、
船外機用バルブシート材。２　焼結部材の表面および空孔内面の少なくとも一方に
酸化層を有する、請求項１に記載の船外機用バルブシー
ト材。３　重量比で銅粉にＡｌ４８〜５２％およびＣｕ残部の
合金粉を１３．４〜２５％配合してＡｌ量を７〜１２％
に調整し、次いでこの混合粉に対してＣｒ７．５〜９．
５％、Ｍｏ２７〜３０％、Ｓｉ２．１〜２．７％および
Ｃｏ残部なる組成の硬質粒子粉末を所要量配合して製品
所要の形状に成形後、焼結炉中９９０℃以下の温度で焼
結することを特徴とする請求項１に記載の船外機用バル
ブシート材の製造方法。４　重量比で銅粉にＡｌ４８〜５２％およびＣｕ残部の
合金粉を１３．４〜２５％配合してＡｌ量を７〜１２％
に調整し、次いでこの配合粉に対してＣｒ７．５〜９．
５％、Ｍｏ２７〜３０％、Ｓｉ２．１〜２．７％および
Ｃｏ残部なる組成の硬質粒子粉末を所要量配合して製品
所要の形状に成形後、焼結炉中９９０℃以下の温度で焼
結し、更にこの焼結体に酸化処理を施すことを特徴とす
る請求項２に記載の船外機用バルブシート材の製造方法
。５　硬質粒子粉末として粒度３５０メッシュ以下の微粉
を用いる、請求項３または４に記載の製造方法６　焼結炉に真空炉を用いる、請求項３または４に記載
の製造方法。７　酸化処理を大気中での加熱による、請求項４に記載
の製造方法。