JPH0633184A

JPH0633184A - 耐摩耗性に優れたバルブシート用焼結合金の製造方法

Info

Publication number: JPH0633184A
Application number: JP19424292A
Authority: JP
Inventors: Tadataka Kaneko; 忠孝金子; Yoshitaka Takahashi; 義孝高橋; Hiroshi Okajima; 博司岡島; Takashi Maejima; 隆前島; Rei Sekido; 玲関戸
Original assignee: NIPPON FUNMATSU GOKIN KK; Toyota Motor Corp
Current assignee: NIPPON FUNMATSU GOKIN KK; Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1994-02-08

Abstract

(57)【要約】【目的】耐摩耗性に優れたバルブシート用焼結合金の
製造方法。【構成】マトリックスを構成するＦｅ系基地組織に
Ｃ；０．２〜０．６％、Ｓｉ；０．６〜１．２％、Ｃ
ｒ；４．５〜５．５％、Ｍｏ；１．０〜１．５％、Ｖ；
０．８〜１．２％を含有する鉄基合金粉末６０％以上を
用いたので、組織が均一化し耐熱性および耐食性を向上
させることができた。Ｆｅ系基地組織はサブゼロ処理に
よりマルテンサイト組織またはソルバイト組織としたの
で、さらに耐熱性および耐食性が向上した。マトリック
スを構成するＦｅ系基地組織に、炭素粉末０．３〜１．
５％と、Ｃｏ粉末５〜１５％と、Ｆｅ、ＮｉまたはＣｕ
粉末を０．２〜３０％固溶させたので、強度が向上する
と共に優れた耐熱性および耐腐食性が得られた。また、
ＦｅＭｏ、ＦｅＷ、ＦｅＣｒ粉末のうち１種または２種
以上２．０〜２０％を混合したので、耐摩耗性を向上さ
せることができた。

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バルブ
シート用焼結合金の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】バルブシートは、内燃機関のシリンダー
ヘッドに組み込まれている部材であり、きのこ形のバル
ブのバルブフェースが着座することにより、混合ガスや
燃焼ガスをシールするものである。バルブは燃焼ガス中
で高速で上下運動してバルブシートに着座と離脱を繰り
返すので、バルブシートは耐熱性、耐食性および耐摩耗
性と併せて、相手材であるバルブを摩耗させない相手攻
撃性が要求される。

【０００３】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）。

【０００４】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。

【０００５】また、特開昭６０−２５８４４９号公報に
は、オーステナイト組織、パーライト組織、フェライト
組織の混合組織からなるＦｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉ系基地組
織中に、Ｆｅ−Ｍｏ合金層からなる硬質粒子を均一に分
散し、該硬質粒子を基地組織中に拡散させて強固に結合
したバルブシート用鉄系焼結合金が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】然るに、最近は自動車
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
きており、耐熱性、耐摩耗性をより一層向上させると共
に、高温での耐食性を向上させる必要が生じてきてい
る。

【０００７】本発明は、最近の自動車エンジンの高出力
化、燃費の向上等に伴う従来のバルブシート用焼結合金
の高性能化の要請に対応すべく発明されたものであっ
て、耐熱性および耐摩耗性をより一層向上させることの
できるバルブシート用鉄系焼結合金の製造方法を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、発明者等は高温
での耐腐食性および耐摩耗性を向上するために、バルブ
シート用鉄系焼結合金材の基地組織の化学成分、組織等
について、鋭意研究を重ねた。その結果、優れた耐熱性
および耐摩耗性を発揮するためには、基地組織が均一で
あることが必要であることを新たに知見した。そこで、
基地組織をＳＫＤ６１相当の鉄基合金鋼粉末をベースと
することにより優れた耐熱性および耐摩耗性の得られる
ことを見出した。

【０００９】また、基地となる鉄基合金の組織について
も研究を重ねたところ、サブゼロ処理によりマルテンサ
イト組織またはソルバイト組織にすることにより優れた
耐摩耗性が得られることを知見した。さらにＣｏ、Ｎ
ｉ、ＣｕまたはＦｅを添加することにより基地組織を固
溶強化し、ＦｅＭｏ、ＦｅＷ、ＦｅＣｒ等の硬質粒子を
分散させることにより耐摩耗性を向上させて本発明を完
成した。

【００１０】本発明の耐摩耗性に優れたバルブシート用
鉄基焼結合金の製造方法は、重量比で、Ｃ；０．２〜
０．６％、Ｓｉ；０．６〜１．２％、Ｃｒ；４．５〜
５．５％、Ｍｏ；１．０〜１．５％、Ｖ；０．８〜１．
２％を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鉄
基合金粉末６０％以上と、炭素粉末０．３〜１．５％
と、Ｃｏ粉末５〜１５％と、Ｆｅ粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｕ
粉末のうち１種または２種以上０．２〜３０％と、Ｆｅ
Ｍｏ、ＦｅＷ、ＦｅＣｒ粉末のうち１種または２種以上
２．０〜２０％を混合し、該混合粉を圧縮成形後、焼結
し、該焼結体にサブゼロ処理と焼戻し処理を施すことを
要旨とする。

【００１１】

【作用】マトリックスを構成するＦｅ系基地組織にＣ
ｒ、Ｍｏ、Ｖ等を含有する鉄基合金粉末を用いたので、
組織が均一化し耐熱性および耐食性を向上させることが
できた。また、Ｆｅ系基地組織はサブゼロ処理によりマ
ルテンサイト組織またはソルバイト組織としたので、さ
らに耐熱性および耐食性が向上した。

【００１２】マトリックスを構成するＦｅ系基地組織
に、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＦｅを固溶させたので、強
度が向上すると共に優れた耐熱性および耐腐食性が得ら
れた。また、ＦｅＭｏ、ＦｅＷ、ＦｅＣｒ粉末のうち１
種または２種以上２．０〜２０％を混合したので、耐摩
耗性を向上させることができた。

【００１３】次に、本発明において焼結合金を構成する
成分の組成範囲等を限定した理由について説明する。鉄基合金粉末；６０％以上鉄基合金粉末は、Ｃ；０．２〜０．６％、Ｓｉ；０．６
〜１．２％、Ｃｒ；４．５〜５．５％、Ｍｏ；１．０〜
１．５％、Ｖ；０．８〜１．２％を含有し、ＳＫＤ６１
に相当する成分である。上記構成の合金鋼粉末を使用す
ることにより、素地に固溶する成分が均一化し、素地組
織の均一化を図ることが可能となると共に、含有成分で
あるＣおよびＳｉが強度増加に寄与し、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ
はマトリックスに固溶し強化すると共に別途に添加する
Ｃ分と均一分散した微細な炭化物を構成し、耐摩耗性を
向上する。その含有量が６０％未満であれば前記効果が
充分に得られない。また、ＣｒＣ、ＭｏＣ、ＶＣの各炭
化物は合金鋼中の前記含有範囲以下であれば、耐摩耗性
の向上が見られず、範囲以上であれば強度が低下するの
で、その含有量を６０％以上とした。

【００１４】炭素粉末；０．３〜１．５％Ｃは素地に固溶してこれを強化すると共に、Ｃｒ成分と
炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる効果があるが、
０．３％未満の添加では前記の効果が得られず、１．５
％を越えて含有させると粗大なセメンタイトが析出して
脆化が著しくなるので、その含有量は０．３〜１．５％
に限定した。

【００１５】Ｃｏ粉末；５〜１５％、Ｎｉ粉末、Ｆｅ粉
末のうち１種または２種以上；０．２〜３０％これら成分は素地に固溶してこれを強化するとともに、
耐熱性を向上させる効果があるが、Ｃｏが５％未満、Ｎ
ｉまたはＦｅが０．２％未満では前記効果が得られず、
Ｃｏを１５％、ＮｉまたはＦｅを３０％を越えて含有さ
せても、前記効果のさらなる向上は見られないため、そ
の含有量を前記のごとく限定した。なお、Ｆｅ粉末とし
てはカーボニール鉄を用いると、高純度・微細なものが
得られ、焼結の促進に寄与し、密度向上の効果が得られ
る。

【００１６】Ｃｕ粉末；０．２〜３０％Ｃｕは素地に固溶してこれを強化するが、０．２％未満
では前記効果が充分でなく、３０％を越えて含有させて
も、効果のさらなる向上は見られないため経済性も考慮
して上限を３０％とした。

【００１７】ＦｅＭｏ、ＦｅＷ、ＦｅＣｒ粉末のうち１
種または２種以上；２．０〜２０％Ｍｏを６０〜７０％含有するＦｅ−Ｍｏ（Ｈｖ６００〜
１３００）、およびＷを７５〜８５％含有するＦｅ−Ｗ
（Ｈｖ５００〜１０００）、Ｃｒを６０〜７０％含有す
るＦｅ−Ｃｒ（Ｈｖ１１００〜１８００）は、硬さが高
いためこれらを均一に分散させた場合、硬質粒子として
作用して耐摩耗性を向上させる効果があるが、２％未満
ではその効果が少なく、また２０％を越えると、相手バ
ルブ材への攻撃性が大きく相手材を摩耗させることにな
り、加えて被削性の低下を招くため、その分散量を２．
０〜２０％とした。

【００１８】サブゼロ処理は、オーステナイトが多く存
在した不安定な組織の安定化のため、マルテンサイト変
態を十分に進行させるために実施する。また、焼戻し処
理は、サブゼロ処理において生じたマルテンサイト変態
の歪み取りのために必要である。

【００１９】

【実施例】本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明
し、本発明の効果を明らかにする。原料粉末として、市
販のＳＫＤ６１相当の合金鋼粉末と、いずれも７５μｍ
以下のＣｏ粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｕ粉末、カーボニールＦ
ｅ粉末、金属間化合物ＦｅＭｏ粉末に、さらに粒度４〜
５μｍ以下の天然黒鉛粉末および潤滑剤ステアリン酸亜
鉛粉末を用意し、これら原料粉末を表１に示した組成に
なるように配合し、潤滑剤０．８％を添加した後、混粉
装置により混合を行った。

【００２０】表１において、比較例１はＦｅ粉末、Ｎｉ
粉末、Ｃｕ粉末の添加量が０．２％以下であるもの、比
較例２はＦｅ粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｕ粉末の添加量が３０
％以上であるもの、比較例３はＦｅＭｏ、ＦｅＷ、Ｆｅ
Ｃｒ等の硬質粒子の分散量が２％以下であるもの、比較
例４はＦｅＭｏ、ＦｅＷ、ＦｅＣｒ等の硬質粒子の分散
量が２０％以上であるもの、比較例５はＣｏ粉末の添加
量が５％未満であるもの、比較例６はＣｏ粉末の添加量
が１５％以上であるもの、比較例７は黒鉛粉末の添加量
が０．３％以下であるもの、比較例７は黒鉛粉末の添加
量が１．５％以上であるものである。

【００２１】

【表１】

【００２２】この混合粉で７００ＭＰａの成形圧力によ
り、各種試験片圧粉体を成形した。成形した圧粉体を還
元性雰囲気で１４５３Ｋの温度で９００秒保持し、焼結
を行った。焼結した各種試験片圧粉体を２１３Ｋで１８
００秒保持し、サブゼロ処理を行い、その後、７７３Ｋ
で６０００秒保持し、焼戻し処理を行った。ただし、実
施例８については、焼結後に１０００ＭＰａで再圧縮を
行った。

【００２３】得られた試験片について、密度、硬さおよ
び大越式摩耗試験による摩耗量を測定した。測定結果は
表２に示した。なお、測定はＪＰＭＡ（日本粉末冶金工
業会規格）に準じて行った。また、大越摩耗試験条件を
以下に示す。相手材Ｓ４５Ｃすべり速度０．２５０ｍｍ／ｓｅｃ摩擦距離２００ｍ最終荷重３２Ｎ

【００２４】

【表２】

【００２５】表２に示したように、比較例１はＦｅ粉
末、Ｎｉ粉末、Ｃｕ粉末の添加量が０．２％以下であっ
たので硬度がＨｖ３７５と低く強度が不十分であり、摩
耗量も２．３１ｍｍで耐摩耗性に劣り、比較例２はＦｅ
粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｕ粉末の添加量が２０％以上であっ
たが、摩耗量が２．５２ｍｍで耐摩耗性に劣った。

【００２６】ＦｅＭｏ、ＦｅＷ、ＦｅＣｒ等の硬質粒子
の分散量が２％以下である比較例３は、硬さが低く摩耗
量が２．７２ｍｍで耐摩耗性に劣り、ＦｅＭｏ、Ｆｅ
Ｗ、ＦｅＣｒ等の硬質粒子の分散量が２０％以上である
比較例４は、硬度は高かったものの同様摩耗量が２．９
６ｍｍと多かった。比較例５はＣｏ粉末の添加量が５％
未満であったので、摩耗量が２．１５ｍｍであり、比較
例６はＣｏ粉末の添加量が１５％以上であったが、摩耗
量が２．２８ｍｍでいずれも耐摩耗性に劣った。比較例
７は黒鉛粉末の添加量が０．３％以下であったため、硬
度が低く耐摩耗性に劣り、比較例８は黒鉛粉末の添加量
が２．０％以上であったので、硬度は高かったものの摩
耗量が２．８４ｍｍで耐摩耗性に劣った。

【００２７】これに対して表１の本発明の実施例１〜８
は、硬さがＨｖ４１３〜５１２であり、十分な硬さと強
度を有し、摩耗量も１．４０〜１．９８ｍｍであって、
耐摩耗性に優れていることが判明し、本発明の効果が確
認された。

【００２８】

【発明の効果】本発明の耐摩耗性に優れたバルブシート
用鉄基焼結合金の製造方法は、マトリックスを構成する
Ｆｅ系基地組織にＣ；０．２〜０．６％、Ｓｉ；０．６
〜１．２％、Ｃｒ；４．５〜５．５％、Ｍｏ；１．０〜
１．５％、Ｖ；０．８〜１．２％を含有し残部かＦｅお
よび不可避不純物からなる鉄基合金粉末６０％以上を用
いたので、組織が均一化し耐熱性および耐食性を向上さ
せることができた。Ｆｅ系基地組織はサブゼロ処理によ
りマルテンサイト組織またはソルバイト組織としたの
で、さらに耐熱性および耐食性が向上した。マトリック
スを構成するＦｅ系基地組織に、炭素粉末０．３〜２．
０％と、Ｃｏ粉末５〜１５％と、Ｆｅ、ＮｉまたはＣｕ
粉末を０．２〜３０％固溶させたので、強度が向上する
と共に優れた耐熱性および耐腐食性が得られた。また、
ＦｅＭｏ、ＦｅＷ、ＦｅＣｒ粉末のうち１種または２種
以上２．０〜２０％を混合したので、耐摩耗性を向上さ
せることができた。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋義孝愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者岡島博司愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者前島隆京都市山科区栗栖野狐塚町５−１日本粉末合金株式会社内 (72)発明者関戸玲京都市山科区栗栖野狐塚町５−１日本粉末合金株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比で、Ｃ；０．２〜０．６％、Ｓ
ｉ；０．６〜１．２％、Ｃｒ；４．５〜５．５％、Ｍ
ｏ；１．０〜１．５％、Ｖ；０．８〜１．２％を含有し
残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鉄基合金粉末６
０％以上と、炭素粉末０．３〜１．５％と、Ｃｏ粉末５
〜１５％と、Ｆｅ粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｕ粉末のうち１種
または２種以上０．２〜３０％と、ＦｅＭｏ、ＦｅＷ、
ＦｅＣｒ粉末のうち１種または２種以上２．０〜２０％
を混合し、該混合粉を圧縮成形後、焼結し、該焼結体に
サブゼロ処理と焼戻し処理を施すことを特徴とする耐摩
耗性に優れたバルブシート用鉄基焼結合金の製造方法。