JPH0674007A

JPH0674007A - 内燃機関用バルブシート

Info

Publication number: JPH0674007A
Application number: JP22419592A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Ito; 与志彦伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-08-24
Filing date: 1992-08-24
Publication date: 1994-03-15
Anticipated expiration: 2015-02-21
Also published as: JP3010920B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は高温時の潤滑材として鉛を含有させ
た焼結体で構成された内燃機関のバルブシートに関し、
長期間にわたる鉛による潤滑作用の維持を可能とするこ
とを目的とする。【構成】内燃機関のバルブ２と接触するバルブ接触層
１０ｂと、バルブ接触面１０ｂと一体で焼結された鉛リ
ッチ層１０ａとの２層で、バルブシート１０を構成す
る。バルブ接触層１０ｂは、密度７．２〜７．５g/cm³
の焼結体に鉛を溶浸させて構成する。鉛リッチ層１０ａ
は、密度６．６〜７．０g/cm³の焼結体に鉛を溶浸させ
て構成する。バルブ接触層１０ｂは密度が高く空孔が小
さいため、バルブシート１０が鉛の融点以上になるとそ
の表面から適量の鉛が供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関のバルブシート
に係り、特に高温時の潤滑性を向上させるため、鉛を含
有した焼結体で構成された内燃機関のバルブシートに関
する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来の内燃機関用バルブシート
の構成図を示す。ここで、同図（Ａ）は、従来のバルブ
シートを用いて構成した動弁系の要部を示し、同図
（Ｂ）および（Ｃ）は、同図（Ａ）中（ア）部の拡大図
を示す。

【０００３】同図中、符号１は、内燃機関のシリンダヘ
ッドを示す。符号２は、排気バルブを示し、シリンダヘ
ッド１中に設けられた排気ポート３内に配置されてい
る。この排気バルブ２は、図示されないスプリングによ
り常時排気ポート３を閉塞する方向に付勢され、上端部
に設けられた図示されないカムの回転に伴って往復運動
を行う。

【０００４】ところで、内燃機関の排気バルブ２は、高
温の排気ガスにさらされるため、内燃機関が高負荷運転
を行っている場合等は排気バルブ２と排気ポート３との
接触部が高温となり、摩耗が進行し易い状態となる。

【０００５】このため、一般に、同図（Ａ）に示すよう
に、排気バルブ２と排気ポート３とが接触する部分にバ
ルブシート４を配設して、両者の耐摩耗性を向上させる
構成が知られている。この様なバルブシート４は、鉄系
の焼結体で構成され、焼結体の空孔中に鉛を溶浸させた
ものが広く用いられている。

【０００６】比較的、内燃機関の運転条件が厳しくない
場合には、この溶浸した鉛は軟質な固体潤滑材の役目を
して、排気バルブ２とバルブシート４の耐摩耗性を確保
しているが、バルブシート４が高温となり、鉛の融点で
ある３２７℃を越えると、焼結体中に溶浸させた鉛が溶
けだして、排気バルブ２とバルブシート４との間の潤滑
材として作用する。これにより、排気バルブ２とバルブ
シート４との金属接触が抑制され、高温時の耐摩耗性が
向上する。

【０００７】また、この効果を高めるため、同図（Ｂ）
および（Ｃ）に示すように、バルブシートを２層構造と
して、鉛の潤滑作用に加えて良好な放熱性を有する内燃
機関用バルブシートが提案されている（特開昭５５−７
８１１８，特開昭６１−１０４０４８号公報）。

【０００８】同図（Ｂ）および（Ｃ）は、上記公報に記
載されたバルブシートの構成断面図を示す。同図（Ｂ）
に示すバルブシート５は、鉄系焼結体に鉛を溶浸させた
鉛溶浸層５ａと、高熱伝導率材に鉛を溶浸させた高熱伝
導層５ｂの２層からなるバルブシートで、排気バルブ２
と接触する側に鉛溶浸層５ａが設けられている。

【０００９】このため、バルブシート５の温度が鉛の融
点を超えると、鉛溶浸層５ａ中に溶浸していた鉛が溶け
だして、排気バルブ２とバルブシート５との間の潤滑材
として作用し、高温時の耐摩耗性が向上する。また、バ
ルブシート５は、高熱伝導層５ｂを介してシリンダヘッ
ド１に熱を伝えるため、良好な放熱性を有している。こ
のため、排気バルブ２とバルブシート４との接触部の温
度上昇が抑制され、排気バルブ２とバルブシート５の耐
摩耗性および耐焼き付き性は一層向上する。

【００１０】同図（Ｃ）は、上記公報に記載されたバル
ブシートの他の例を示す断面図である。このバルブシー
ト６は、鉄系焼結体で構成され、その下部に鉛を、その
上部に銅を溶浸させて、それぞれ鉛溶浸層６ａと銅溶浸
層６ｂとしている。この場合、銅溶浸層６ｂは、溶浸さ
せた銅の作用で良好な熱伝導率を有することになる。

【００１１】このため、このバルブシート６も上記のバ
ルブシート５と同様に、高温時の潤滑性と良好な放熱性
とを併せ持っており、排気バルブ２およびバルブシート
６の耐摩耗性、耐焼き付き性の向上を図ることができ
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の内
燃機関用バルブシートの構成では、鉛溶浸層５ａ，６ａ
の温度が高く、バルブシート５、６中に含有される鉛が
全て溶融状態となった場合、焼結体内に存在する空孔を
伝って大量の鉛が鉛溶浸層５ａ，６ａの表面に流出す
る。鉛溶浸層５ａ，６ａの表面に流出してきた鉛は、潤
滑材として作用しながら消費される。

【００１３】すなわち、バルブシート５、６全体が鉛の
融点より高い温度にまで昇温すると、溶浸していた鉛が
大量に消費されて、それ以後バルブシートにおける鉛含
有率が激減し、鉛による十分な潤滑効果が得られなくな
る場合がある。

【００１４】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、バルブシートが鉛の融点より高い温度に昇温し
ても、それにより大量の鉛が流出することなく、長期間
にわたって鉛による潤滑作用が維持できる内燃機関のバ
ルブシートを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、密度６．
６乃至７．０g/cm³の焼結体に鉛を溶浸させてなる鉛リ
ッチ層と、密度７．２乃至７．５g/cm³の焼結体に鉛を
溶浸させてなり、内燃機関のバルブと接触する側に配置
されるバルブ接触層との２層で構成される内燃機関用バ
ルブシートにより解決される。

【００１６】

【作用】上記の構成とされた内燃機関用バルブシートに
よれば、前記鉛リッチ層を構成する焼結体の空孔率は１
０乃至２０％となり、前記バルブ接触層を構成する焼結
体の空孔率は５乃至１０％となる。このため、前記鉛リ
ッチ層には、前記バルブ接触層の倍程度の鉛が溶浸され
る。

【００１７】また、前記バルブ接触層の空孔は、前記鉛
リッチ層の空孔に比べて小さい。このため、前記バルブ
シートの温度が鉛の融点以上となり、前記バルブシート
に溶浸させた全ての鉛が溶融しても、前記バルブ接触層
の表面に大量の鉛が溶出することはない。

【００１８】このように、前記バルブシートによれば、
前記鉛リッチ層に十分な量の鉛が貯蔵されているうえ、
前記バルブと前記バルブシートとの接触部には常に適量
の鉛しか溶出しない。従って、内燃機関の耐用期間中に
バルブシート中の鉛が枯渇することはない。

【００１９】

【実施例】図１は、本発明に係る内燃機関用バルブシー
トの一実施例の構成図を示す。ここで、同図（Ａ）は、
本実施例のバルブシートを用いた動弁系の要部を示し、
同図（Ｂ）は、同図（Ａ）中（ア）部の拡大図を示す。
尚、図１において図７と同一の部分には同一の符号を付
してその説明を省略する。

【００２０】同図（Ｂ）に示すように、本実施例のバル
ブシート１０は、鉛リッチ層１０ａとバルブ接触層１０
ｂとから構成される。これらの各層は、共に１００メッ
シュ（粒径１５０μm ）程度の鉄系合金と硬質粒子（Ｆ
ｅＭｏ粒子）とからなる焼結体で、それぞれの密度だけ
が異なる構成である。

【００２１】本実施例の鉄径合金中には、０．６〜１．
１wt％の炭素と、７〜１０wt％のコバルトが混入されて
いる。炭素は、鉄中に固溶して鉄の硬度を高める代表的
な元素で、０．６wt％以上添加すると、オーステナイト
層とパーライト層との混合組織中に固溶して母材の硬度
が高まる。

【００２２】しかし、鉄中に１．１wt％を超える炭素を
添加すると、セメンタイトの析出量が多くなり母材が脆
化する。よって、本実施例においては、上記したように
０．６〜１．１wt％の範囲で炭素を添加している。

【００２３】また、コバルトは、鉄中に固溶して高温時
の母材強度を高める元素として知られている。この場
合、コバルト添加量が７wt％以上で、母材強度向上効果
が現れれ、添加量が１０wt％を超えるあたりから飽和傾
向となる。従って、本実施例においては、低コストで効
率良く強度の向上を図るため、上記したように７〜１０
wt％の範囲でコバルトを添加している。

【００２４】図２は、上記の鉄系合金と硬質粒子とから
なる焼結金属粉を焼結して本実施例のバルブシートを成
形する工程を説明するための図を示す。同図（Ａ）〜
（Ｃ）中、符号２０は焼結型で、外型２１、支持型２
２、中型２３および押圧型２４からなり、支持型２２と
押圧型２４との間に７ton/cm³の力をかけることができ
る。

【００２５】同図（Ａ）は、本実施例のバルブシート１
０を製造するための第１工程の図を示す。同図に示すよ
うに、外型２１、支持型２２、中型２３および押圧型２
４で囲まれる領域に所定量の焼結粉（鉄系合金粉と硬質
粒子の混合粉）２５を充填して７ton/cm³の圧力で成形
する。その後、アンモニア分解ガス雰囲気中、７８０〜
８２０℃、１hrの仮焼結を行う。尚、この工程で仮焼結
された焼結粉２５は、完成時にはバルブ接触層を形成す
る。

【００２６】次に、同図（Ｂ）に示すように、上記の工
程で仮焼結された焼結体２６の上部に、再び焼結粉２５
を所定量充填する。尚、この焼結粉２５は完成時に、鉛
リッチ層１０ａとなる部分である。

【００２７】次いで、同図（Ｃ）に示すように押圧型２
４を再び７ton/cm³の圧力で押圧する。このため、焼結
体２６の上部に充填された焼結粉２５が７ton/cm³の圧
力で成形されると共に、焼結体２６も再度圧縮されて高
密度化される。

【００２８】次いで、アンモニア分解ガス中、１１００
〜１１５０℃、４５min の本焼結を行う。以上の工程
で、密度６．６〜７．０g/cm³の層と、密度７．２〜
７．５g/cm³の層とからなる２層構造の焼結体２７が形
成される。

【００２９】同図（Ｄ）は、焼結体２７の空孔部に鉛を
溶浸させる工程の図を示す。鉛リッチ層１０ａとなる層
は空孔率が１０〜２０％、バルブ接触層１０ｂとなる層
は加圧、焼結を２回行われるため鉛リッチ層１０ａに比
べて空孔が少なく、空孔率が５〜１０％となる。

【００３０】鉛の溶浸は、鉛粉２８の入ったトレー２９
上に、鉛リッチ層１０ａとなる層が上になるように焼結
体２７を乗せ、アンモニア分解ガス雰囲気中で鉛の融点
より十分高い温度、例えば４００℃程度に加熱すること
により行われる。ところで、焼結体２７には互いに連通
して毛細管を構成する空孔が、全体に存在している。こ
のため、トレー２９上で溶融した鉛は、毛細管現象によ
り焼結体２７中に吸い上げられる。

【００３１】特に、本実施例の焼結体２７は空孔率の高
い層と低い層とからなる２層構造であり、上記したよう
に、鉛の溶浸の際には空孔率の高い層を上側としてい
る。すなわち、トレー２９上で溶融した鉛は、空孔率が
低く鉛が溶浸しにくい層から吸い上げられ、その後空孔
率が高く鉛が溶浸し易い層に吸い上げられる。従って、
鉛の溶浸が焼結体２７の上側の層の途中で止まることは
なく、焼結体２７全体に溶浸される。

【００３２】このように、本実施例のバルブシート１０
は、空孔率の異なる２つの層から構成されている。この
ため、バルブシート１０の温度が、高温の排気ガスにさ
らされたりすることにより鉛の融点を超えると、バルブ
接触層１０ｂに溶浸していた鉛が表面に溶出してくる。

【００３３】このため、排気バルブ２やバルブシート１
０が鉛の融点を超えるような高温になった場合には、溶
融鉛が潤滑材となり、排気バルブ２とバルブシート１０
との摩耗が抑制される。

【００３４】次に、バルブシート１０の温度が更に上昇
し、バルブ接触層１０ｂだけでなくバルブシート１０全
体が、鉛の融点をこえた場合について説明する。従来の
バルブシートでは、バルブシート全体が鉛の融点を超え
た場合、バルブシート内に溶浸していた鉛は、毛細管現
象によりバルブ接触層の表面に導かれては溶出して消費
される。

【００３５】しかし、本実施例のバルブシート１０は上
記したように２層構造であり、バルブ接触層１０ｂは空
孔率が低く抑えられた層である。このため、バルブシー
ト１０の温度が鉛の融点を超えた時にバルブ接触層１０
ｂから溶出する鉛の量は、従来のバルブシートに比べて
少ない。

【００３６】従って、バルブシート１０全体が鉛の融点
を超えた場合、図１（Ｂ）に矢線で示すように、鉛がバ
ルブ接触層１０ｂの表面に溶出すると、それを補充する
ように毛細管現象が起こり、鉛リッチ層１０ａからバル
ブ接触層１０ｂに鉛が供給される。

【００３７】しかし、上記したように、本実施例のバル
ブシート１０によれば、バルブ接触層１０ｂから溶出す
る鉛の量が常に適量であり、鉛を無駄に消費することが
ない。また、バルブ接触層１０ｂは空孔率が低く抑えら
れ、これだけでは十分な鉛の貯蔵量を確保することはで
きないが、本実施例のバルブシート１０によれば、鉛リ
ッチ層１０ａ中に十分な鉛を貯蔵することが可能であ
る。

【００３８】このように、本実施例のバルブシート１０
は、従来のバルブシートに比べて長期間にわたって鉛を
溶出し続けることができる。つまり、内燃機関の耐用期
間中に鉛が枯渇することがなく、排気バルブやバルブシ
ートの耐摩耗性および両者間の耐焼き付き性を長期間維
持することが可能となる。

【００３９】また、図３は硬質粒子の添加量を決めるた
めに行った実験の結果を表す図を示す。硬質粒子として
使用するFeMoは、硬度がHv１３００〜１４００と高く、
主にバルブシート１０の耐摩耗性を調整するために添加
される物質である。この硬質粒子は、少なすぎるとバル
ブシート１０の耐摩耗性が向上できず、多すぎると排気
バルブ２を摩耗させてしまう。このため、硬質粒子の添
加量は排気バルブ２の硬度との兼ね合いから適当に決定
する必要がある。

【００４０】この実験は、上記の鉄系合金粉を基に、硬
質粒子の添加量を変えてリング状焼結物を作成し、それ
らを排気バルブ材製のプレート上で回転させ、リングお
よびプレートの摩耗量を測定することにより行った。

【００４１】尚、摩耗量の測定は、リングの回転速度お
よびリングとプレートとの押しつけ荷重を一定として、
１cc/minの割り合いで潤滑油を滴下しながら約３０min
回転摺動を行った後に行った。

【００４２】この結果、同図（Ａ）に示すように、硬質
粒子の添加量が５〜１５wt％の範囲にある場合は、バル
ブシート材の摩耗量が小さく抑制されることが判る。ま
た、同図（Ｂ）に示すように、排気バルブ材の摩耗量
は、硬質粒子の添加量が増えるに従って増加する傾向に
あることが判る。

【００４３】そこで、本実施例のバルブシート１０にお
いては、バルブシート１０の摩耗量と排気バルブ２の摩
耗量との調和をとる必要があることから、鉄系合金粉中
に硬質粒子を５〜１５wt％添加することとした。このた
め、本実施例の排気バルブ２とバルブシート１０とは、
互いに良好な耐摩耗性を有している。

【００４４】次に、本実施例のバルブシート１０を用い
ることによる効果を、実験データに基づいて説明する。
図４は、効果確認実験に用いたバルブシートの組成等を
表す図表を示す。同図中、TP１およびTP２は、本実施例
の構成に沿った２層構造で、TP３およびTP４は、それぞ
れ密度高または低に統一した１層構造である。

【００４５】図５は、本実験に用いる単体試験器の構成
図を示す。同図中、符号３０は単体試験器本体を示し、
排気バルブ２とバルブシート２とが所定の位置関係とな
るように備えている。排気バルブ２の下方には、ヒータ
３１が設置されており、バルブシート１０のバルブ接触
層１０ｂの温度は３５０℃に保持される。

【００４６】図６は、このような状況で、排気バルブ２
をスプリング荷重４kgf 、機関回転数２０００rpm 相当
とし、１０hrの耐久試験の後にバルブシート摩耗量を測
定した際の結果を示している。

【００４７】図６に示すように、TP１およびTP２のバル
ブシート摩耗量は、TP３およびTP４のバルブシート摩耗
量に比べて著しく少ない。このように、本実施例のバル
ブシートは、密度に差異のある２層構造とすることで、
常に適量の鉛を長期間にわたって排気バルブ２との接触
部に供給し続けることができる。

【００４８】本実施例のバルブシートは、従来のバルブ
シートのように、内燃機関の耐用期間中に鉛が枯渇する
危険が少なく、内燃機関の耐用期間を通して排気バルブ
とバルブシートとの間の摩擦を抑制することができる。
また、仮にバルブシート中の鉛が枯渇した場合でも、バ
ルブ接触層１０ｂが高密度化により硬化されているた
め、大幅な摩耗は回避される。

【００４９】尚、本実施例においては、バルブシートを
設置するバルブを排気バルブに限定しているがこれに限
るものではなく、吸気バルブに設置してもよい。

【００５０】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、バルブシ
ートを２層構造にすることにより、バルブシート内に十
分な鉛を貯蔵するための空孔を確保しつつ、バルブシー
ト表面の空孔を小さくして、鉛の大量流出を防止するこ
とができる。

【００５１】このため、従来のバルブシートに比べて画
期的に長い期間にわたってバルブシートの表面に鉛を供
給することが可能となり、内燃機関の耐用期間を通して
鉛による安定した潤滑作用を得ることができる。従っ
て、動弁系の摩耗によるガス抜け等が防止され、長期間
にわたる内燃機関の初期品質維持を可能とすることがで
きるという特長を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関用バルブシートの一実施
例の構成図である。

【図２】本実施例の内燃機関用バルブシートの製造工程
を説明するための図である。

【図３】本実施例の内燃機関用バルブシートを構成する
焼結体の配合比を決めるための実験結果を表す図であ
る。

【図４】本実施例の内燃機関用バルブシートの効果を確
認するための実験に用いたテストピースの組成を表す図
である。

【図５】本実施例の内燃機関用バルブシートの効果を確
認するための試験器の構成図である。

【図６】本実施例の内燃機関用バルブシートの効果を確
認するための実験の結果の表す図である。

【図７】従来の内燃機関用バルブシートの構成図であ
る。

【符号の説明】

１シリンダヘッド２排気バルブ１０バルブシート１０ａ鉛リッチ層１０ｂバルブ接触層２５焼結粉２６、２７焼結体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】密度６．６乃至７．０g/cm³の焼結体に
鉛を溶浸させてなる鉛リッチ層と、密度７．２乃至７．５g/cm³の焼結体に鉛を溶浸させて
なり、内燃機関のバルブと接触する側に配置されるバル
ブ接触層との２層で構成されることを特徴とする内燃機
関用バルブシート