JPH05125498A - バルブシ−ト用焼結合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃焼温度が低温となるメタノール燃料を使用す
る内燃機関においても、耐摩耗性に優れ、バルブに対す
る攻撃性の少ないバルブシ−ト用焼結合金を提供するこ
と。 【構成】全体を１００％としたとき重量％で第１の硬質
粒子を９〜２６％、ＦｅＭｏまたはＭｏ₂ Ｃからなる第
２の硬質粒子を６〜１０％をベイナイト系の基地組織中
に均一に分散させた焼結合金に、Ｐｂを５〜２２％溶浸
させて構成したものである。基地組織は、基地組織を１
００％としたとき重量％でＣ：０．５〜１．５％、Ｃ
ｏ：５〜１３％を含有し、残部がＦｅで、Ｎｉを含有し
ない組成をもつ。第１の硬質粒子は、第１の硬質粒子を
１００％としたとき重量％でＣｒ：２〜１０％、Ｍｏ２
５〜３５％、Ｓｉ：１〜５％、Ｃ：０．０８％以下、Ｎ
ｉおよび／またはＦｅ：３％以下を含有し、残部がＣｏ
の組成をもつ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はバルブシ−ト用焼結合金
に関する。このバルブシ−ト用焼結合金は、燃焼温度が
低温となる内燃機関、例えばアルコール燃料、特にメタ
ノール燃料を燃料として用いる内燃機関に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガソリン燃料用内燃機関は益々高
出力化し、燃焼温度が高温化する傾向にある。そのため
バルブフェースは耐熱性に優れた盛金材で形成し、バル
ブシ−トはより耐熱性、耐摩耗性の高い焼結合金で形成
している。一方、近年、内燃機関ではメタノール燃料が
使用されつつある。メタノール燃料を燃料として用いた
内燃機関では、燃焼温度はガソリン燃料の場合と比較し
て例えば５０〜６０°Ｃ程度低く、排気ガス温度も低
く、このため、バルブシ−ト及びバルブの温度も低いと
いう事情、また、メタノール燃料は腐食物を生成し易い
という事情等がある。従って、メタノール燃料を用いる
内燃機関のバルブシ−ト、バルブとして、ガソリン燃料
用の内燃機関で使用していたバルブシ−ト、バルブと同
一のものを使用すると、バルブシ−ト、バルブが過大摩
耗する傾向にある。この対策として、バルブについて
は、内燃機関の高温化に対応するためにつけた盛金材を
用いないこととするのが有効である。また、バルブシ−
トについては、内燃機関の高温化対応で開発する前の材
料に変更することが考えられる。しかしこの場合にはバ
ルブシ−トの摩耗を減らすことができない。

【０００３】また従来より、特開昭６２ー１０２４４号
には、燃焼温度が高温となるガソリンエンジン・ディー
ゼルエンジン用バルブシ−ト用焼結合金として、高温で
の耐摩耗性を向上させたものが提案されている。この焼
結合金は、Ｎｉ：０．３〜２．９％、Ｍｏ：１．７〜
９．８％、Ｃｏ：８〜２２％、Ｃ：０．４〜１．２％、
Ｃｒ：０．３〜２．３％、Ｓｉ：０．１〜０．７％、残
部鉄の組成をもつ基地に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｓｉ系の硬質粒
子を５〜２５％均一に分散させたものである。

【０００４】ところが、この特開昭６２ー１０２４４号
にかかる焼結合金は、燃焼温度が低温となるメタノール
燃料用内燃機関のバルブシ−トとして使用すると、バル
ブシ−トの摩擦面に酸化膜があまり形成されず、従っ
て、バルブシ−トの耐摩耗性が充分でなく、また、相手
材としてのバルブに対する攻撃性も大きい問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した実情
に鑑みなされたものであり、燃焼温度が低温となる燃
料、例えばメタノール燃料の様なアルコール燃料を用い
る内燃機関においても、耐摩耗性に優れ、相手材として
のバルブに対する攻撃性の少ないバルブシ−ト用焼結合
金を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者はメタノール燃
料を使用する内燃機関のバルブシ−ト用焼結合金につい
て鋭意研究を重ね、その結果、本発明組成の第１の硬質
粒子、第２の硬質粒子をベイナイト系の基地組織に均一
に分散させたバルブシ−ト用焼結合金において、基地組
成をＣ：０．５〜１．５％、Ｃｏ：５〜１３％、残部Ｆ
ｅとし、基地においてＮｉを積極的元素として含まない
こととすれば、メタノール燃料を使用する内燃機関のバ
ルブシ−トの耐摩耗性を高め得、また、相手材としての
バルブに対する攻撃性も少なくできることを知見し、確
認し、本発明を完成させたものである。

【０００７】かかる点が得られる理由は、基地にＮｉを
積極的には含まないため、メタノール燃料を使用する内
燃機関の様に燃焼温度がガソリン燃料の場合に比較して
低温（一般的に８００から８５０°Ｃ程度と推定され
る）の場合においても、耐摩耗性が高く表面を保護する
作用を奏するＦｅ系の表面酸化膜がバルブシ−トに生成
され易いこと、また、基地中において耐摩耗性に優れた
ベイナイトが増すこと、によると推察される。

【０００８】換言すると、Ｎｉは基地の耐食性、耐熱性
の向上に役立つものの、Ｆｅよりも酸化されにくい金属
である。そのため、基地にＮｉが多く含まれていると、
燃焼温度が低温の場合では、表面酸化膜がバルブシ−ト
表面に形成されにくい。この場合、バルブシ−トの硬質
粒子が相手バルブを攻撃し易く、また、バルブシ−ト表
面が摩耗し易くなるといった不具合が生じるものと推察
される。

【０００９】即ち、本発明のバルブシ−ト用焼結合金
は、全体を１００％としたとき重量％で第１の硬質粒子
を９〜２６％、ＦｅＭｏ及びＭｏ₂ Ｃの少なくとも１種
からなる第２の硬質粒子を６〜１０％を基地組織中に均
一に分散させた焼結合金に、Ｐｂを５〜２２％溶浸させ
て構成したものであり、基地組織は、基地組織を１００
％としたとき重量％でＣ：０．５〜１．５％、Ｃｏ：５
〜１３％、不可避の不純物を含有し、残部がＦｅの組成
であり、第１の硬質粒子は、第１の硬質粒子を１００％
としたとき重量％でＣｒ：２〜１０％、Ｍｏ２５〜３５
％、Ｓｉ：１〜５％、Ｃ：０．０８％以下、Ｎｉおよび
／またはＦｅ：３％以下、不可避の不純物を含有し、残
部がＣｏの組成をもつことを特徴とするものである。

【００１０】本発明合金にかかる基地組織は、一般的
に、ベイナイトとオーステナイトと微細パーライトとの
混合組織であり、その他にマルテンサイトを混合組織と
して含んでいることもある。本発明にかかるバルブシー
ト用焼結合金を用いた内燃機関では、燃焼温度がガソリ
ン燃料よりも低温となる燃料、一般的には、メタノール
燃料等のアルコール燃料が使用される。なお、メタノー
ル燃料はメタノールのみの燃料、メタノールとガソリン
との混合燃料を含む。

【００１１】

【作用】以下、本発明の作用について説明する。第１の
硬質粒子は該硬質粒子のＣｏ系マトリックスに硬質相
（Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｓｉ系）が生成されているもので
ある。第１の硬質粒子の組成の限定理由について説明す
る。

【００１２】Ｃｒ：第１の硬質粒子のベ−スとなるＣｏ
およびＳｉと化合して硬質相を形成すると共に、Ｃｏお
よびＭｏと固溶して第１の硬質粒子の基地を形成し、耐
熱性、耐食性を向上させている。含有量が２％未満では
耐熱性の向上が充分でなく、１０％を越えても、耐熱性
向上効果はほとんど変わらないが、硬質粒子が硬くなり
過ぎて相手攻撃性が増すので、含有量は２〜１０％とし
た。

【００１３】Ｍｏ：Ｃｒと同様に第１の硬質粒子のベ−
スとなるＣｏおよびＳｉと化合して硬質相を形成すると
共に、ＣｏおよびＣｒと固溶して第１の硬質粒子の基地
を形成し耐熱性を向上させている。含有量が２５％未満
では、耐熱性の向上が充分でなく、３５％を越えると第
１の硬質粒子が硬くなり過ぎて、相手攻撃性が増すので
含有量は２５〜３５％とした。

【００１４】Ｓｉ：Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒと化合して硬質相
を形成し、耐摩耗性を向上させている。含有量１％未満
では、耐摩耗性向上効果がなく、５％を越えると第１の
硬質粒子が硬くなり過ぎて相手攻撃性を増すので含有量
を１〜５％とした。 Ｃ：Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｆｅと化合して炭化物を形成
し、耐摩耗性を向上させる効果があるが、量が多いと、
第１の硬質粒子が硬くなり過ぎて相手攻撃性が増すので
０．０８％以下とした。

【００１５】Ｎｉ、Ｆｅ：主に靱性を向上させる効果が
あるが、高温での強度耐摩耗性を低下させるので３％以
下とした。 Ｃｏ：耐熱性、耐食性に富む材料であり、第１の硬質粒
子の基地として耐熱性、耐食性の改善に寄与している。
又、一部が焼結時においてバルブシ−トの基地組織に拡
散して第１の硬質粒子と基地組織との接合性を向上さ
せ、第１の硬質粒子の脱落を防止する効果がある。

【００１６】以上の組成から形成される第１の硬質粒子
は一般的にビッカース硬さ（Ｈｖ）１０００未満で相手
攻撃性が低い。この第１の硬質粒子を分散させた理由
は、主として、相手攻撃性をさほど高めることなく該合
金の硬さの低い部分を補うことにある。バルブシ−ト用
焼結合金全体を１００％としたとき第１の硬質粒子は、
９〜２６％含まれている。第１の硬質粒子が１０％未満
ではバルブシ−トの耐摩耗性が低くなり、２５％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
攻撃性が大きくなる。

【００１７】第２の硬質粒子について説明する。第２の
硬質粒子はＦｅＭｏまたはＭｏ₂ Ｃからなり、ビッカー
ス硬さ（Ｈｖ）１４００程度である。第２の硬質粒子
は、バルブシ−ト材料に硬さをもたせ、バルブシ−ト材
料の耐摩耗性を確保するために必要である。バルブシ−
ト用焼結合金全体を１００％としたとき第２の硬質粒子
は、６〜１０％含まれている。６％未満では耐摩耗性へ
の効果がなく、１０％を越えると被削性が低下するとと
もに、相手攻撃性が大きくなる。

【００１８】以上の２種類の硬質粒子の粒子形状は球状
が好ましい。また２種類の硬質粒子は、いずれも粒子径
が２０〜２００μｍであることが好ましく、特に４０〜
１５０μｍであることが好ましい。粒子径が２０μｍ未
満であると、耐摩耗性が低下し、２００μｍを越えると
成形性、圧縮性が低下し耐摩耗性がやや劣化する。次に
バルブシ−トの基地の組成限定理由について説明する。

【００１９】Ｃ：Ｆｅと固溶して、ベイナイト、オース
テナイト、パーライトを形成し、基地の強度と硬さを向
上させている。基地組織を１００％としたときＣの含有
量は０．５〜１．５％である。含有量が０．５％未満で
は、基地強化の効果が少なくなく、１．５％を越すと、
グラファイトが析出し、かえって基地がもろくなる。 Ｃｏ：オーステナイトに固溶して基地を強化し、耐食
性、耐熱性を向上させる効果がある。基地組織を１００
％としたときＣｏ含有量は５〜１３％である。含有量が
５％未満では耐食性、耐熱性に効果がなく、１３％を越
えると、基地が軟化して耐摩耗性が低下する。

【００２０】次に含浸材について説明する。Ｐｂはバル
ブとバルブシ−トとの接触部に介在して、潤滑材として
作用し、バルブ及びバルブシ−トの耐摩耗性を向上させ
る。バルブシ−ト用焼結合金全体を１００％としたとき
Ｐｂの含浸量は５〜２２％である。含浸量が５％未満で
は、潤滑材としての充分の効果が得られず、２２％を越
えると、スケルトン状のバルブシ−ト基地が弱化するの
で、摩耗量が多くなる。

【００２１】

【実施例】次に本発明の実施例を比較例と共に説明し、
比較例との対比において本発明の効果を明らかにする。
基地組織用粉末として、Ｃを２％含有するＦｅ粉末（−
２００メッシュ、還元鉄粉）と、Ｃｏ粉末（−２００メ
ッシュ、純度９９．９％、アトマイズ粉末）とを用意し
た。また、表１に示す組成の第１の硬質粒子の粉末（−
１００メッシュ、アトマイズ粉末）と、表１に示す組成
の第２の硬質粒子の粉末（−１００メッシュ、アトマイ
ズ粉末）を用意した。

【００２２】

【表１】

【００２３】そして、表１に示す組成となる様に基地組
織用粉末を調合する。そして基地組織用粉末と第１の硬
質粒子の粉末と第２の硬質粒子の粉末とを表１に示す添
加割合で調合し、これに潤滑材としてステアリン酸亜鉛
０．８％を混合して混合粉末とした。混合は、Ｖ型混合
機により行った。その後、この混合粉末を金型のキャビ
ティ内に充填して、常温において成形圧７ｔ／ｃｍ² で
圧縮成形してバルブシ−ト粗形状の粉末圧粉体を得た。

【００２４】その後、各粉末圧粉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、
実施例１〜３、比較例１〜９にかかる焼結体を得た。な
お各焼結体の焼結密度（ＪＩＳ Ｚ２５０５−１９６
６）は６．８ｇ／ｃｍ³ である。次にこの焼結体の上面
にＰｂ塊を置いて焼結体とＰｂ塊とを接触させ、その状
態で再度、アンモニア分解ガス雰囲気中で１０５０℃の
温度にて３０分間加熱して、焼結体の空孔中にＰｂを含
浸させた。Ｐｂの含浸量は表１に示す様な値とした。

【００２５】そして、得られたＰｂ含浸後の焼結体を、
図２に示す様な所定寸法をもつエキゾーストバルブシ−
ト形状に機械加工により加工し、以て実施例１〜３、比
較例１〜９にかかるバルブシ−トを得た。なお、比較例
で添加しているＦｅＷの硬質粒子はビッカース硬さ（Ｈ
ｖ）１１００程度の粒子である。表１において比較例
３、５、６はガソリン燃料用内燃機関で実績のある材料
を示し、比較例７は特開昭６２ー１０２４４号公報に示
された材料を示す。

【００２６】ここで、実施例１〜３の基地組織は、ベイ
ナイト、オーステナイト、微細パーライトの混合組織で
あった。また比較例１、２、３、４の基地組織は微細パ
ーライト、オーステナイト、ベイナイトの混合組織であ
り、比較例５、６、７の基地組織は微細パーライト、オ
ーステナイトの混合組織であった。比較例は基地中にＮ
ｉが含まれるか含まれないかで区分けすることもでき
る。

【００２７】（評価）メタノール燃料使用時におけるバ
ルブシートの温度は一般的に２００〜３００°Ｃとな
る。そこで、図１に示す様に、ガスバーナ１００でバル
ブ２００を加熱し、バルブシ−ト３００の温度を２５０
℃とし、摺動数２１６０ｃｐｍ、荷重５ｋｇｆ／ｃｍ²
でバルブ２００を矢印方向に摺動させ、これによりバル
ブ２００とバルブシ−ト３００との摩耗試験を行った。
そして、バルブシ−ト当り幅増加量及びバルブのフェー
ス摩耗量を測定した。図２にバルブシ−ト３００におけ
るバルブシ−ト当り幅増加量の測定方法を示す。図２に
示す様に、バルブシート３００の初期面３０２と耐久試
験後の摩耗面３０４との差から、つまり、バルブシ−ト
当り幅増加量は、｛バルブシ−ト当り幅増加量＝ａ＋ｂ
（ｍｍ）｝から算出した。また図３にバルブ２００のフ
ェース摩耗量の測定方法を示す。図３に示す様に、バル
ブ２００の初期面２０２と耐久試験後の摩耗面２０４と
の差Ｃ（μｍ）からフェース摩耗量は算出とした。な
お、バルブシ−ト３００の相手材としてのバルブ２００
は、盛金をはずした一般的な耐熱鋼（具体的には、ＳＵ
Ｈ３５）を使用した。

【００２８】シ−ト当り幅増加量及びフェース摩耗量の
測定結果を図５に示す。図５から理解できる様に、実施
例１ではシ−ト当り幅増加量が０．０５〜０．０７５ｍ
ｍ、フェース摩耗量が８〜１０μｍ、実施例２ではシ−
ト当り幅増加量が０．０６７〜０．０８ｍｍ、フェース
摩耗量が６〜８μｍ、実施例３ではシ−ト当り幅増加量
が０．０４４〜〜０．０７２ｍｍ、フェース摩耗量が９
〜１３μｍと少ない量であった。従って本発明にかかる
実施例１〜３ではバルブシートの耐摩耗性が良好である
ことがわかる。

【００２９】一方、図５に示す様に、比較例１では、シ
−ト当り幅増加量が０．１〜０．１５５ｍｍ、フェース
摩耗量が５〜７μｍとシ−トの摩耗量が多く、比較例２
ではシ−ト当り幅増加量が０．０２〜０．０５２ｍｍ、
フェース摩耗量が１８〜２５μｍとフェースの摩耗量が
多くなる。又第１の硬質粒子を含まない比較例３では、
シ−ト当り幅増加量が０．２〜０．２４ｍｍ、フェース
摩耗量が１７〜２２μｍであり、バルブシ−ト、フェー
ス共に摩耗量が多い。また、硬質粒子ＦｅＷを加えた比
較例４では、シ−ト当り幅増加量が０．１２２〜０．１
４４ｍｍ、フェース摩耗量が２６〜３５μｍとなり、バ
ルブシ−トの摩耗量は少なくなるがフェースの摩耗量が
多くなってしまう。また、図５に示す様に比較例５〜９
ではシ−ト当り幅増加量及びフェース摩耗量が大きい。

【００３０】更に、得られた実施例１〜３、比較例１〜
４にかかるバルブシ−トを排気量１５００ｃｃ、４気筒
のメタノール燃料使用のオットーサイクルエンジンにエ
キゾースト用として装着し、全負荷で１８０時間の台上
耐久試験を実施し、バルブ２００のバルブ沈み量を測定
した。バルブ沈み量は、図４に示す様にバルブ２００の
面２０６の初期における位置と耐久試験後における位置
との差ｄで算出した。この場合、バルブ２００は耐熱鋼
（具体的にはＳＵＨ３５）を使用した。また用いたメタ
ノール燃料は体積％でメタノールが８５％、ガソリンが
１５％のものである。

【００３１】バルブ沈み量の測定結果を表２に示す。表
２に示す様にバルブ沈み量は実施例１で最も小さく０．
０５２ｍｍであり、実施例２では０．０７８ｍｍ、実施
例３では０．０８４ｍｍと少ない量であった。

【００３２】

【表２】 一方、比較例１では０．１２２ｍｍ、比較例２では０．
１０５ｍｍ、比較例３では０．１９４ｍｍ、比較例４で
は０．１１０ｍｍで前記した実施例の場合と比較すると
摩耗量が多い。なお、比較例の中で、最も耐摩耗性、相
手攻撃性のバランスの取れた材料は比較例３である。し
かし比較例３であっても、上記した様にバルブ沈み量が
大きく、メタノール燃料使用時における実機での許容性
を満足することができなかった。

【００３３】以上の説明から理解できる様に、実施例１
〜３にかかる焼結合金は、メタノール燃料使用時でも、
優れた耐摩耗性と低い相手攻撃性を有していることが確
認された。

【００３４】

【発明の効果】本発明のバルブシ−ト用焼結合金は、Ｃ
およびＣｏを含有する鉄基地組織中に、所定組成の第１
の硬質粒子と、ＦｅＷまたはＭｏ₂ Ｃからなる第２の硬
質粒子を均一に分散させた焼結合金に、Ｐｂを溶浸させ
たことを特徴とするものである。本発明のバルブシ−ト
用焼結合金によれば、メタノール燃料の様なアルコール
燃料を用いる等し内燃機関の燃焼温度が低温となる時で
も、バルブシ−トとしての耐摩耗性が確保され、また相
手材であるバルブに対する攻撃性も低いという効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】摩耗試験を模式的に示した断面図である。

【図２】バルブシートにおけるシ−ト当り幅増加量の測
定方法を示す断面図である。

【図３】バルブにおけるフェース摩耗量の測定方法を示
す断面図である。

【図４】バルブ沈み量の測定方法を示す断面図である。

【図５】シ−ト当り幅増加量とフェース摩耗量との測定
結果を示すグラフである。

【符号の説明】

図中、２００はバルブ、３００はバルブシ−トを示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 全体を１００％としたとき重量％で第１
   の硬質粒子を９〜２６％、ＦｅＭｏ及びＭｏ₂ Ｃの少な
   くとも１種からなる第２の硬質粒子を６〜１０％を基地
   組織中に均一に分散させた焼結合金に、Ｐｂを５〜２２
   ％溶浸させて構成したものであり、 該基地組織は、該基地組織を１００％としたとき重量％
   でＣ：０．５〜１．５％、Ｃｏ：５〜１３％、不可避の
   不純物を含有し、残部がＦｅの組成であり、 該第１の硬質粒子は、該第１の硬質粒子を１００％とし
   たとき重量％でＣｒ：２〜１０％、Ｍｏ２５〜３５％、
   Ｓｉ：１〜５％、Ｃ：０．０８％以下、Ｎｉおよび／ま
   たはＦｅ：３％以下、不可避の不純物を含有し、残部が
   Ｃｏの組成をもつことを特徴とするバルブシ−ト用焼結
   合金。