JPH0657387A - バルブシート用鉄基焼結合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐摩耗性、耐熱性、耐腐食性に優れ、相手攻
撃性の少ないバルブシート用鉄基焼結合金。 【構成】 基地組織を構成する鉄基合金はＣを０．５〜
２．０％を含有し、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖのうち
１種または２種以上を合計で２〜１０％固溶させたの
で、基地組織が強化され、耐熱性、耐食性および耐摩耗
性を向上することができた。また、硬質粒子はＣｒ；３
０〜５０％、Ｗ；１０〜２０％、Ｍｏ；５〜１５％、Ｆ
ｅ；５〜１５％、Ｃ；０．５〜３％を含有するＣｏ基合
金であって、硬質粒子内に一定割合の気孔を内在し、比
重比が２０〜８０％であるので、硬質粒子として機能す
る部位の割合が低下し、相手攻撃性が少なく、優れた耐
摩耗性を発揮する。さらに、固体潤滑材として、ＣａＦ
₂、ＭｏＳ₂、またはＭｎＳを分散させることにより、耐
焼付性および被削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ＦｅＭｏ
およびＦｅＷからなる硬質粒子を分散させた焼結合金
（特開昭６２−２０２０５８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基焼結合金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】発明者等は先ず基地組織
に分散させる硬質粒子の粒径に着目して研究を進めた。
従来一般に用いられている硬質粒子は、耐摩耗性と相手
攻撃性のバランスを考慮して、平均粒径を４５μｍ以下
の微粉に制御する場合が多く見受けられる。この様な平
均粒径を持つ粉末は、通常の粉末製造法により製造する
と収率が低いため、バルブシートが高価格となる。

【０００９】このように、平均粒径が４５μｍ以下の硬
質粒子が用いられる理由は、相手攻撃性が低減するため
である。これは、硬質粒子の粒径が大きくなるほど相手
バルブを摩耗させる傾向が強くなることから、これを防
止するため、やむなく高価な微粒子を使用している。そ
こで、発明者等は平均粒径が大きくても相手攻撃性の少
ない硬質粒子について研究を進めた。その結果、硬質粒
子内に一定割合の気孔を内在し、比重比が２０〜８０％
である硬質粒子は、粗大粒子を用いても相手攻撃性が少
なく、優れた耐摩耗性が発揮されることを新たに知見し
た。

【００１０】発明者等は前記知見をもとに、基地組織に
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏを固溶させることにより基地組
織を強化し、耐熱性、耐食性および耐摩耗性を向上させ
ると共に、ＣａＦ₂、ＭｏＳ₂、ＭｎＳ等の固体潤滑材を
分散させて耐摩耗性と被削性を向上させて本発明を完成
したものである。

【００１１】本発明のバルブシート用鉄基焼結合金は、
重量比で、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖのうち１種また
は２種以上を合計で２〜１０％と、Ｃを０．５〜２．０
％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鉄
基合金素地中に、Ｃｒ；３０〜５０％、Ｗ；１０〜２０
％、Ｍｏ；５〜１５％、Ｆｅ；５〜１５％、Ｃ；０．５
〜３％および不可避不純物を含有し残部がＣｏからな
り、（実測密度／理論密度）で定義される比重比が０．
２〜０．８であり、かつ粒子径が２０〜１５０μｍのＣ
ｏ基合金粒子１５〜３５％と、ＣａＦ₂、ＭｏＳ₂、Ｍｎ
Ｓのうち１種または２種以上の固体潤滑材粒子０．３〜
２．０％とを分散させたことを要旨とする。

【００１２】素地としては、例えば重量比でＣｒ；０．
５〜２％、Ｍｏ；０．１〜１．０％、Ｍｎ；０．５〜
１．５％、Ｎｉ；１〜３％、Ｃ；０．５〜３％と不可避
不純物を含む鉄基合金、または重量比でＣｒ；１．０〜
５％、Ｍｏ；０．１〜０．５％、Ｖ；０．１〜１．０
％、Ｎｉ；１〜３％、Ｃ；０．５〜３％と不可避不純物
を含む鉄基合金が適してる。これら合金は素地の耐熱
性、耐腐食性および強度が向上し、Ｃｏ基合金粒子と相
まってバルブシート材料として優れた耐摩耗性および耐
腐食性を発揮するからである。

【００１３】

【作用】基地組織を構成する鉄基合金はＣを０．５〜
２．０％を含有し、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖのうち
１種または２種以上を合計で２〜１０％固溶させたの
で、基地組織が強化され、耐熱性、耐食性および耐摩耗
性を向上することができた。

【００１４】また、硬質粒子はＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ等
を含有するＣｏ基合金であって、硬質粒子内に一定割合
の気孔を内在し、比重比が２０〜８０％であるので、硬
質粒子として機能する部位の割合が低下し、粗大粒子を
用いても実質的に微細粒子を用いたのと同様の作用を発
揮し、相手攻撃性が少なく、優れた耐摩耗性が発揮され
る。特に有鉛ガソリンを使用した場合に、Ｃｏ基合金粉
末中に内在する気孔が、燃焼生成物である鉛化合物を滞
留させ、これが潤滑性を向上し耐摩耗性の向上に寄与す
る。

【００１５】さらに、固体潤滑材として、ＣａＦ₂、Ｍ
ｏＳ₂、またはＭｎＳを分散させることにより、被削性
を向上させることができ、その上限２．０％に規制する
ことにより、耐腐食性および耐酸化性を損なうことなく
被削性を著しく向上することができた。

【００１６】次に、本発明において成分組成、比重比、
粒径等を限定した理由について説明する。素地中のＣ
ｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖのうち１種または２種以上；
２〜１０％素地中のＣｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、ＭｏおよびＶ
は、ベースである鉄に固溶してこれを強化する目的によ
り添加されるものである。これら元素が２％未満では強
化の効果が小さく目的を達成できず、１０％を越えて含
有させてもより一層の改善効果は期待できず、また経済
的な理由も考慮して、その含有量を２〜１０％に限定し
た。

【００１７】素地中のＣ；０．５〜２．０％ 素地中の炭素は、ベースである鉄に固溶し、耐摩耗性を
付与しこれを強化する目的により添加されるものであ
り、０．５％未満の含有量では前記効果が充分に得られ
ず、２．０％を越えて含有させると炭化物が過剰に生成
し、素地の脆化を来すおそれがあり、また相手材を過度
に摩耗する可能性があるからその含有量を０．５〜２．
０％に限定した。

【００１８】Ｃｏ基合金粒子；１５〜３５％ Ｃｏ基合金粒子は、素地中に分散して耐摩耗性の向上を
図るものである。その分散量が１５％未満では耐摩耗性
の向上が不十分であり、３５％を越えると、添加の割合
に耐摩耗性の向上が見られず、相手攻撃性が増大し、バ
ルブ材を摩耗させるようになるため好ましくないため、
その分散量を１５〜３５％に限定した。

【００１９】なお、Ｃｏ基合金粉末の比重比（実測密度
／理論密度）は、実測密度については市販の比重瓶にて
測定し、理論密度は当該合金粉末を溶解後、鋳型に注湯
し、冷却し、冷却した材料の密度を測定して求められ
る。Ｃｏ基合金粉末の比重比を０．２〜０．８に限定し
たのは、０．２未満では粒子自体の強度が低下し、成形
時の圧力により押し潰される可能性があるため好ましく
ないからであり、０．８を越えると内在する気孔が減少
し、相手攻撃性が増大するからである。

【００２０】また、Ｃｏ基合金粉末粒子の粒径を２０〜
１５０μｍに限定したのは、粒径が２０μｍ未満である
と、充分な耐摩耗性を発揮することができずまた粉砕の
ためにコスト高となるからであり、１５０μｍを越える
と相手攻撃性が増大するからである。

【００２１】ＣａＦ₂、ＭｏＳ₂、ＭｎＳのうち１種また
は２種以上の固体潤滑材粒子；０．３〜２．０％ 固体潤滑材は、主として被削性向上を目的に添加するも
のであり、０．３％未満では被削性改善の効果が小さ
く、２．０％を越えても添加の割に効果向上が少なく、
強度低下の可能性があるため、０．３〜２．０％に限定
した。

【００２２】

【実施例】本発明を具体的な実施例により説明し本発明
の効果を明らかにする。原料粉末として粉末粒度１５０
μｍ以下のＣｒ１．１％、Ｍｎ０．８％、Ｍｏ０．３％
と不可避不純物を含む鉄基合金粉末（以下粉末Ａと称す
る。）、Ｃｒ３．１％、Ｖ０．３％、Ｍｏ０．３％と不
可避不純物を含む鉄基合金粉末（以下粉末Ｂと称す
る。）、粉末粒度が４５〜１５０μｍ（平均粒径が９０
μｍ）であり比重比が０．４〜０．８のＣｒ３８％、Ｗ
１４％、Ｍｏ１１％、Ｆｅ１１％、Ｃ２．４％と不可避
不純物を含むＣｏ基水噴霧合金粉末（以下粉末Ｃと称す
る。）、粉末粒度が１０〜４５μｍ（平均粒径が３０μ
ｍ）であるＣｒ３９％、Ｗ１５％、Ｍｏ１１％、Ｆｅ１
０％、Ｃ２．６％と不可避不純物を含み比重比０．９８
以上のＣｏ基合金粉末（以下粉末Ｄと称する。）粉末粒
度が７５μｍ以下のＣａＦ₂粉末、、粉末粒度が４５μ
ｍ以下のＮｉ粉末、ＭｏＳ₂粉末、ＭｎＳ粉末、天然黒
鉛粉末およびステアリン酸亜鉛粉末を準備した。

【００２３】これら原料粉末を表１に示す組成になるよ
うに秤量混合後、ステアリン酸亜鉛粉末１．０％を添加
し、Ｖ型混合装置により混粉を行なった。なお、表１に
おいて、比較材１および２は比重比が０．９８以上のＣ
ｏ基合金粉末を用いた比較例、比較材３は黒鉛添加量が
本発明の特許請求の範囲より少ない比較例、比較材４は
黒鉛添加量が本発明の特許請求の範囲より多い比較例で
ある。次に、４５０〜８００ＭＰａの範囲の成形圧力に
て、試験片形状の圧粉体を成形し、還元性雰囲気にて１
３２３〜１４７３Ｋの温度範囲にて１２００〜７２００
秒間保持し焼結を行なった。

【００２４】

【表１】

【００２５】続いて、不活性雰囲気にて、１１７３〜１
４２３Ｋの温度範囲に焼結体を保持後、プレス機にて４
５０〜１４００ＭＰａの圧縮を行なった。その後圧縮体
を還元性雰囲気中にて１３２３〜１４７３Ｋの温度範囲
にて再焼結を行なった。なお、得られた焼結体のマトリ
ックスの組成および硬質粒子の含有量は表２に示す通り
であった。

【００２６】

【表２】

【００２７】得られた各実施例および比較材について、
摩耗試験および耐久試験を行い、各材料の耐摩耗性並び
に相手攻撃性について調査し、バルブシートとしての適
合性を調査した。

【００２８】耐摩耗性試験は、各実施例および比較材を
バルブシート状に加工し、実機に模したバルブ、バルブ
シート試験機を用いて行った。この試験装置は、プロパ
ンガスの燃焼によってバルブとバルブシートを加熱し、
カムの駆動によってバルブを開閉する機構により、バル
ブとバルブシートの叩き摩耗状況を再現するものであ
る。試験は、バルブ材質をＳＵＥ５０とし、バルブの温
度を１０７３Ｋ、バルブシートの温度を７１３Ｋに保つ
よう制御し、バルブの開閉数２２００ｒｐｍにて運転時
間３６Ｋｓの条件で行い、バルブシート摩耗量を測定し
た。得られた結果は図１に示した。

【００２９】耐久試験は、公称２０００ｃｃエンジンを
用い、全負荷状態５６５０ｒｐｍ×５４０Ｋｓ、使用燃
料；有鉛ガソリンにて実施し、タペットクリアランスの
変化を測定した。バルブはＳＵＥ５０を用いた。得られ
た結果は図２に示した。

【００３０】図１の耐摩耗試験のバルブシート摩耗量に
示したように、比較材１および比較材２は、Ｃｏ基合金
粉末に従来一般的に用いられている比重比が０．９８以
上の合金粉末を用いたので、Ｃｏ基合金粉末の組成が実
施例使用のＣｏ基合金粉末とほぼ同一なのにもかかわら
ず、摩耗量が８０μｍ前後で実施例の２倍以上と大き
く、また相手バルブの摩耗量が３０〜３８μｍと大きく
なっている。

【００３１】また、比較材３は黒鉛添加量が本発明の特
許請求の範囲より少なかったので、マトリックス強化が
不充分で、バルブシートの摩耗量が４０μｍ以上と増大
している。比較材４は黒鉛添加量が本発明の特許請求の
範囲より多かったため、マトリックス中に炭化物が過剰
に生成され、その結果相手バルブの摩耗量が４０μｍ以
上となり、相手攻撃性が増加している。

【００３２】これに対して本発明の実施例１〜８はバル
ブシート摩耗量が２２〜３５μｍであり、バルブシート
の耐摩耗性が優れると共に、相手材であるバルブの摩耗
量も１０〜２１μｍであって、相手攻撃性が少ないこと
が判明し、本発明の効果を確認することができた。

【００３３】図２の耐久試験のおける結果が示すよう
に、比較材１のタペットクリアランス変化量は０．２５
ｍｍであったのに対し、本発明の実施例１のタペットク
リアランス変化量は０．０６ｍｍであって、比較例の約
４分の１になっており、本発明の実施例は有鉛ガソリン
を使用しての高温での耐久試験においても、優れた耐熱
性、耐摩耗性および耐腐食性を発揮し、しかも相手攻撃
性の少ないことが確認された。このように実施例の優位
性が有鉛ガソリン使用エンジンにおいて顕著に表れる原
因としては、Ｃｏ基合金粉末中に内在する気孔が、燃焼
生成物である鉛化合物を滞留させ、これが潤滑性を向上
し耐摩耗性の向上に寄与するものと考えられる。

【００３４】図３は実施例２のバルブシートの粒子構造
を表す顕微鏡写真（倍率４００倍）であり、図４は図３
の顕微鏡写真のＣｏ基合金粒子の模写図である。図３お
よび図４において黒色部がＣｏ基合金粒子に内在する気
孔を示すものである。

【００３５】

【発明の効果】本発明のバルブシート用鉄基焼結合金は
以上説明したように、基地組織を構成する鉄基合金はＣ
を０．５〜２．０％を含有し、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍ
ｏ、Ｖのうち１種または２種以上を２〜１０％固溶させ
たので、基地組織が強化され、耐熱性、耐食性および耐
摩耗性を向上することができた。また、硬質粒子はＣ
ｒ；３０〜５０％、Ｗ；１０〜２０％、Ｍｏ；５〜１５
％、Ｆｅ；５〜１５％、Ｃ；０．５〜３％を含有するＣ
ｏ基合金であって、硬質粒子内に一定割合の気孔を内在
し、比重比が２０〜８０％であるので、硬質粒子として
機能する部位の割合が低下し、粗大粒子を用いても実質
的に微細粒子を用いたのと同様の作用を発揮し、相手攻
撃性が少なく、優れた耐摩耗性が発揮する。特に有鉛ガ
ソリンを使用した場合に、Ｃｏ基合金粉末中に内在する
気孔が、燃焼生成物である鉛化合物を滞留させ、これが
潤滑性を向上し耐摩耗性の向上に寄与する。さらに、固
体潤滑材として、ＣａＦ₂、ＭｏＳ₂、またはＭｎＳを分
散させることにより、耐焼付性および被削性を向上させ
ることができ、その上限を２．０％に規制することによ
り、耐腐食性および耐酸化性を損なうことなく被削性を
著しく向上することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】耐摩耗試験におけるバルブシートおよびバルブ
の摩耗量を示す図である。

【図２】実機耐久試験におけるタペットクリアランス変
化量を示す図である。

【図３】本発明の実施例の焼結合金の粒子構造を表す顕
微鏡写真である。

【図４】図３の顕微鏡写真のＣｏ基合金粒子の模写図で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 本岡 直樹 兵庫県伊丹市昆陽北１−１−１ 住友電気 工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 岩垣 博之 兵庫県伊丹市昆陽北１−１−１ 住友電気 工業株式会社伊丹製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｖ
   のうち１種または２種以上を合計で２〜１０％と、Ｃを
   ０．５〜２．０％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素地中に、Ｃｒ；３０〜５０％、
   Ｗ；１０〜２０％、Ｍｏ；５〜１５％、Ｆｅ；５〜１５
   ％、Ｃ；０．５〜３％および不可避不純物を含有し残部
   がＣｏからなり、（実測密度／理論密度）で定義される
   比重比が０．２〜０．８であり、かつ粒子径が２０〜１
   ５０μｍのＣｏ基合金粒子１５〜３５％と、ＣａＦ₂、
   ＭｏＳ₂、ＭｎＳのうち１種または２種以上の固体潤滑
   材粒子０．３〜２．０％とを分散させたことを特徴とす
   るバルブシート用鉄基焼結合金。