JPH07317512A

JPH07317512A - 弁座およびその製造方法

Info

Publication number: JPH07317512A
Application number: JP10989194A
Authority: JP
Inventors: Tokumasa Aoki; 木徳眞青; Hiroshi Ishii; 井啓石; Yutaka Mabuchi; 渕豊馬; Makoto Kano; 納眞加; Akira Fujiki; 木章藤
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Resonac Corp
Priority date: 1994-05-24
Filing date: 1994-05-24
Publication date: 1995-12-05

Abstract

(57)【要約】【目的】座面での高温耐摩耗性が良好であると共に、
弁座とシリンダーヘッド間の熱伝達性に優れていて放熱
特性も良好である弁座を提供する。【構成】座面２ｓを有する内側部材２と外側部材３と
が冶金的に接合しており、内側部材２が鉄系焼結合金か
らなると共に、外側部材３が銅または銅合金の焼結材料
からなる弁座１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車エンジンの弁座
に関し、とくに、自動車エンジンを構成するアルミニウ
ム合金製シリンダーヘッドに組み込んで使用される弁座
に関し、さらにはこの弁座を製造するのに好適な弁座の
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンの弁座には、一般に、鉄
系焼結合金が用いられている。

【０００３】この合金は、耐熱性および耐摩耗性に優れ
たもので、エンジンの要求性能や吸気弁か排気弁かによ
っても異なるが、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｃｏ等の
元素を含有した炭化物を含む鉄合金や、さらに金属間化
合物を分散したもの、あるいは前記のような合金の気孔
中に鉛を溶浸した合金等である。

【０００４】一方、エンジンの高性能化，高出力化によ
って、エンジンの弁座温度はますます高温にさらされる
ようになっている。このため、弁座を含む動弁系が高温
にならないように、燃焼室の熱をいかに効率よく冷却水
に伝達させるかの技術が重要となっている。この場合、
弁座とシリンダーヘッド間の熱伝達性を向上させること
もそのひとつである。

【０００５】このような弁座とシリンダーヘッド間の熱
伝達性についての提案は以前からあり、例えば、特開昭
５２−１５３０１８号公報記載のように、焼結材からな
る弁座本体の外周面に銅めっきを施して弁座とシリンダ
ーヘッド間の熱伝達性を改善する技術が挙げられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、焼結材
からなる弁座本体の外周面に銅めっきを施した弁座は、
製法上では、めっき液が焼結材からなる弁座本体の気孔
内に入るため腐蝕の原因となり、また、めっき厚を約
０．１ｍｍ以上に形成することが困難で、しかも密着性
が十分でないため、弁座とシリンダーヘッド間の熱伝達
性を向上させることができるように弁座外周とシリンダ
ーヘッド内周との圧入代を大きくすると、シリンダーヘ
ッドに弁座を圧入する際に、めっき層が削られたり剥離
したりすることがあり、弁座とシリンダーヘッド間の熱
伝達性も願望するほどは改善できるものではなかった。
そのため、普及するには至っていないというのが実情で
あり、座面での高温耐摩耗性および弁座とシリンダーヘ
ッド間の熱伝達性に優れた弁座の開発が望まれていると
いう課題があった。

【０００７】

【発明の目的】本発明は、上述した従来の課題にかんが
みてなれたものであって、動弁機構部分の高温化と放熱
対策の必要性に対応することができるように、バルブ当
接面である弁座の高温耐摩耗性を良好に維持しつつ弁座
とシリンダーヘッド間の熱伝達性に優れる弁座を提供す
ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる弁座は、
座面を含む内側部材と外側部材とが冶金的に接合してお
り、内側部材が鉄系焼結合金からなると共に、外側部材
が銅または銅合金の焼結材料からなることを特徴として
いる。

【０００９】そして、本発明に係わる弁座の実施態様に
おいて、外側部材の銅または銅合金の焼結材料は、肉厚
が０．３ｍｍ以上であり、硬さがアルミニウム合金製シ
リンダーヘッドを構成するアルミニウム合金の硬さより
も軟らかく、熱膨張係数がアルミニウム合金製シリンダ
ーヘッドを構成するアルミニウム合金よりも小さくかつ
内側部材の鉄系焼結合金よりも大きいものとすることが
できる。

【００１０】また、内側部材は、その全体が同一の鉄系
焼結合金からなるものとしたり、あるいは、この内側部
材は、その座面を含む部分が耐摩耗性等により優れた高
級な鉄系焼結合金からなると共にその他の部分がより安
価な低級な鉄系焼結合金からなるものとすることができ
る。

【００１１】そして、本発明に係わる弁座の製造方法に
おいては、鉄系合金粉末の圧粉体を焼結して、座面を含
みかつ鉄系焼結合金からなる内側部材を製作したのち、
前記内側部材および該内側部材と同径の治具部材を粉末
成形型内に軸方向に並べて設置し、内側部材および治具
部材と粉末成形型との間で外側部材の肉厚に対応するキ
ャビティを形成したのち、キャビティ内に銅または銅合
金粉末を充填して圧縮することにより内側部材の外周に
外側部材の圧粉体を形成し、その後外側部材の圧粉体の
焼結温度で焼結して外側部材を銅または銅合金の焼結材
料からなるものにすると共に内側部材と外側部材とを冶
金的に接合するようにしたことを特徴としている。

【００１２】また、同じく、本発明に係わる弁座の製造
方法は、鉄系合金粉末の圧粉体を焼結して、座面を含み
かつ鉄系焼結合金からなる内側部材を製作したのち、前
記内側部材の外周に銅または銅合金粉末を溶射して、内
側部材の外周に外側部材の肉厚に対応する溶射層を形成
し、その後外側部材の溶射層の焼結温度で焼結して外側
部材を銅または銅合金の焼結材料からなるものとすると
共に内側部材と外側部材とを冶金的に接合するようにし
たことを特徴としている。

【００１３】本発明に係わる弁座において、内側部材
は、従来の弁座材料と同様に耐摩耗性鉄系焼結合金を用
いることができ、また、外側部材は、純銅，銅燐合金，
銅モリブデン合金，銅ニッケル合金，銅亜鉛合金，銅ア
ルミニウム合金，銅錫合金，銅クロム合金などの銅また
は銅合金の焼結材料を用いることができる。

【００１４】そして、図１の（ａ）に示す弁座１のよう
に、バルブ当接面である座面２ｓを含む内側部材２と外
側部材３とが冶金的に接合している弁座において、内側
部材２は、その全体が同一の耐摩耗性鉄系焼結合金から
なるものとしても良く、また、図１の（ｂ）に示す弁座
１のように、内側部材２は、バルブ当接面である座面２
ｓを含む部分は耐摩耗性等により優れた高級な鉄系焼結
合金２ａよりなるものにすると共にその他の部分はより
安価な低級な鉄系焼結合金２ｂよりなるものとすること
ができる。

【００１５】そして、弁座１を製造するに際しては、従
来の方法で鉄系合金粉末を用いてリング状の焼結体より
なる内側部材２を製作し、この焼結体よりなる内側部材
２を図２の（ａ）に示すようなコアロッド５ａと内側下
パンチ５ｂと外側下パンチ５ｃとダイス５ｄと上パンチ
５ｅをそなえた粉末成形型５に入れ、内側部材２と同じ
径を有する筒状の治具部材６を挿入してこの内側部材２
および治具部材６と粉末成形型５との間で形成される外
側部材の肉厚に対応するキャビティ７内に、銅または銅
合金粉末を充填して上パンチ５ｅにより圧縮し、図２の
（ｂ）に示すように、焼結体よりなる内側部材２の外周
に外側部材３の圧粉体を形成する。次いで、この２層リ
ングを外側部材３の焼結温度で焼結して、内側部材２と
外側部材３とを冶金的に接合し、その後、所定寸法形状
に切削加工することにより弁座１を得る。

【００１６】また、他の製造方法として、焼結体よりな
る内側部材２の外周に銅または銅合金粉末を溶射して、
内側部材２の外周に外側部材３の肉厚に対応する溶射層
を形成したのち、外側部材３の溶射層の焼結温度で焼結
して、外側部材３を銅または銅合金の焼結材料からなる
ものにすると共に内側部材２と外側部材３とを冶金的に
接合し、その後所定寸法形状に切削加工することにより
弁座１を得る。

【００１７】

【発明の作用】本発明に係わる弁座は、座面を含む内側
部材と外側部材とが冶金的に接合しており、内側部材が
鉄系焼結合金からなると共に、外側部材が銅または銅合
金の焼結材料からなるものとなっており、外側部材の銅
または銅合金は、一般に熱伝導性が良いので、弁座およ
びその周辺の熱をシリンダーヘッドに伝えやすいものと
なる。但し、銅合金の中には、例えば、Ｃｕ−５重量％
Ｔｉ合金のように、鉄系焼結材料よりも熱伝導率が低い
ものがあり、これは適していない。

【００１８】そして、銅または銅合金の焼結材料からな
る外側部材は、鉄系焼結合金からなる内側部材よりも融
点の低い金属であることから、鉄系焼結合金よりなる内
側部材の外周に銅または銅合金粉末の圧粉体を設けてか
ら圧粉体の焼結温度で焼結することにより、内側部材と
外側部材とは冶金的に接合するものとなる。

【００１９】このように、外側部材は内側部材と焼結接
合されており、冶金的に接合されているので、単なる嵌
合や付着したもののように熱膨張・収縮による部材間の
隙間を生じることはない。

【００２０】外側部材の厚みは、０．３ｍｍ以上とする
のが望ましく、厚みの上限は、座面を含む内側部材の肉
厚ができるだけ薄くなるようにすること、そしてまた、
シリンダーヘッドのスペースに収まること、を考慮して
決定される。そして、厚さが０．１ｍｍ程度では、圧入
による密着性，弁座とシリンダーヘッド間の熱伝達性の
改善を安定して得ることがむつかしい。これは、内側部
材とアルミニウム合金製シリンダーヘッドとの熱膨張係
数の差が大きいことが理由のひとつである。外側部材の
厚みは０．３ｍｍ以上で効果が認められ、０．５〜１．
５ｍｍ程度が望ましい。一方、４バルブエンジンで弁座
の内径寸法が２４ｍｍの場合を例にとると、４個の弁座
をシリンダーヘッドへ配置できる弁座の最大外径寸法は
約３２ｍｍであり、従って、２層弁座の肉厚の最大は４
ｍｍであるから、外側部材の最大肉厚は１．７〜２ｍｍ
程度となる。

【００２１】外側部材は適度な硬さが必要で、アルミニ
ウム合金製シリンダーヘッドに圧入されたとき、密着性
が良くなり、弁座とシリンダーヘッド間の熱伝達性を良
くする。外側部材の硬さは、シリンダーヘッドのハウジ
ングを疵付けないように、ハウジングと弁座の密着性を
良くするために、シリンダーヘッドの硬さよりも軟らか
い材料が選定される。通常の熱処理されたアルミニウム
合金は、Ｈｖ１００程度の硬さであるから、弁座の外側
部材はＨｖ８０程度以下が好ましく、更に好ましくはＨ
ｖ６０〜７０である。

【００２２】外側部材の熱膨張係数は、内側部材とシリ
ンダーヘッドのアルミニウム合金との中間とすることに
より、全体的に熱膨張係数が順次に傾斜した状態とな
り、加熱または冷却によるストレスや隙間の発生を緩和
する。熱膨張係数は、アルミニウム合金が約２３×１０
^−６Ｋ^−１であり、鉄系焼結合金が約１１×１０^−６Ｋ
^−１であるから、銅合金の熱膨張係数は銅と同じ１７×
１０^−６Ｋ^−１前後が好ましい。

【００２３】上述のような硬さ，熱膨張係数を満足する
銅合金としては、二元合金の場合、それぞれの添加元素
がＰ：２重量％以下、Ｍｏ：２０重量％以下、Ｎｉ：３
５重量％以下、Ｚｎ：４５重量％以下、Ａｌ：１０重量
％以下、Ｓｎ：１０重量％以下、Ｃｒ：０．６重量％以
下の銅合金等が挙げられる。

【００２４】また、鉄系焼結合金としては、特公平５−
５５５９３号公報に記載の合金を用いることができる。
すなわち、全体組成が、重量比で、Ｎｉ０．３〜２．９
％、Ｍｏ１．７〜９．８％、Ｃｏ８〜２２％、Ｃ０．４
〜１．２％、Ｃｒ０．３〜２．３％、Ｓｉ０．１〜０．
７％およびＦｅ残部で、且つＮｉ０．５〜３％、Ｍｏ
０．５〜３％、Ｃｏ５．５〜７．５％、Ｃ０．６〜１．
２％およびＦｅ残部の基地中に、Ｍｏ２６〜３０％、Ｃ
ｒ７〜９％、Ｓｉ１．５〜２．５％およびＣｏ残部の硬
質相が５〜２５％分散した組織を呈する高温耐摩耗性焼
結合金またはこの合金の空孔内に鉛が溶浸されている高
温耐摩耗性焼結合金を用いることができ、あるいは、全
体組成が、重量比で、Ｎｉ０．３〜２．９％、Ｍｏ２．
１〜１１．３％、Ｃｏ７〜２２％、Ｃ０．４〜１．２
％、Ｓｉ０．１〜３％およびＦｅ残部で、且つＮｉ０．
５〜３％、Ｍｏ０．５〜３％、Ｃｏ５．５〜７．５％、
Ｃ０．６〜１．２％およびＦｅ残部の基地中に、Ｍｏ３
３〜３６％、Ｓｉ４〜１２％およびＣｏ残部の硬質相が
５〜２５％分散した組織を呈する高温耐摩耗性焼結合金
またはこの合金の空孔内に鉛が溶浸されている高温耐摩
耗性焼結合金を用いることができる。

【００２５】

【実施例】以下、実施例により本発明を説明する。

【００２６】弁座の鉄系焼結合金からなる内側部材は、
組成が、重量比で、Ｃｏ：６．５％、Ｎｉ：１．５％、
Ｍｏ：１．５％、Ｃ：０．８％、残部Ｆｅからなる基地
中に、Ｍｏ：２８％、Ｃｒ：８．５％、Ｓｉ：２．５
％、残部Ｃｏからなる硬質相１５％が分散したリング状
焼結体よりなるもので、密度は７．２ｇ／ｃｍ^３のもの
である。

【００２７】この焼結体を図２の（ａ）に示すように、
粉末成形型５の内部に装填し、焼結体と同じ内外径のリ
ング状治具部材６を乗せることによって粉末成形型５と
の間でできたキャビティ７に、表１に示す各種組成の銅
系粉末（ただし、試料６はアルミニウム系粉末）を充填
し、上下パンチ５ｅ，５ｃで圧縮して外側部材３に対応
する圧粉体に成形した。この外側部材３に対応した圧粉
体の密度比は９５％（密度が約８．４ｇ／ｃｍ^３前後）
である。

【００２８】次に、このようにして得られた２層リング
をアンモニア分解ガス中において圧粉体の焼結温度で焼
結したのち、銅合金の焼結材料からなる外側部材３の肉
厚を所定の寸法となるように切削加工して試験用の弁座
１とした。

【００２９】また、前記した各外側部材用粉末だけを圧
粉成形および焼結して、熱膨張係数などの物性測定試料
も製作した。

【００３０】表１に各外側部材用混合粉末の配合割合
と、焼結温度を示す。なお、粉末成形のために用いた潤
滑剤はいれずれもステアリン酸亜鉛０．５％である。

【００３１】また、比較例として、前記鉄系焼結体その
ままの試料（試料７）と、前記鉄系焼結体に膜厚０．１
ｍｍの銅電気めっきを施した試料（試料８）を製作し
た。

【００３２】これらの試料を用いて測定した外側部材の
硬さ，熱膨脹係数，熱伝導率と、放熱性試験による排気
バルブの傘表部温度および弁座部温度を表２に示す。

【００３３】放熱性試験は、まず、それぞれの弁座を直
列４気筒ＤＯＨＣガソリンエンジン仕様のアルミニウム
合金製シリンダーヘッドの排気側にこのシリンダーヘッ
ドを１５０℃に加熱した状態で温間で圧入した。圧入代
は８０μｍである。

【００３４】このようにして製作したシリンダーヘッド
をエンジンに組み込み、組み立てられたエンジンを、無
鉛ガソリンを燃料として、回転数６４００ｒｐｍ、集合
部排気ガス温度９２０℃の条件で運転し、排気バルブの
傘表部温度および弁座部温度を測定した。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】表１に示すように、本発明に係わる実施例
試料を用いたものの温度は、他の試料に比べてどれも低
い。

【００３８】一方、比較試料４は、外側部材の硬さがア
ルミニウム合金製シリンダーヘッドより高いものである
が、弁座とシリンダーヘッドの弁座装着孔との密着性が
悪いため、温度が高くなったものと考えられる。

【００３９】また、比較試料５は、外側部材の熱膨脹係
数が小さいものであり、アルミニウム合金製シリンダー
ヘッドの弁座装着孔の膨脹に追従できなく、隙間ができ
る傾向を示すために温度が高くなったものと考えられ
る。

【００４０】さらに、比較試料６は、外側部材がアルミ
ニウム合金のものであるが、温度は低い値を示してい
る。しかし、試験後にシリンダーヘッドから弁座を抜き
出す時の荷重を測定したところ他の試料が１０００ｋｇ
ｆ以上を示したのに対して、本試料は５５０ｋｇｆであ
り、好ましくない外側部材ということができる。これ
は、熱膨張量が多いために、加熱中にシリンダーヘッド
の弁座装着孔を押し拡げているものと考えられる。

【００４１】さらにまた、比較試料７の鉄系焼結体のま
まの試料は、最も温度が高いことが判る。

【００４２】さらにまた、比較試料８の銅めっきしたも
のは、銅めっき層による効果は僅かである。

【００４３】さらにまた、参考試料９は外側部材の肉厚
が不十分で、焼結時の拡散により不均一組織となり、ま
た、成分変化も大きく、本発明の特徴とする良好な弁座
とシリンダーヘッド間の熱伝達性を満たすに至らないも
のであった。

【００４４】次に、試料２の弁座を直列４気筒ＤＯＨＣ
ガソリンエンジン仕様のアルミニウム合金製シリンダー
ヘッドに前例と同様に温間で圧入して組み立てられたエ
ンジンを、回転数６４００ｒｐｍで１００時間運転し、
運転時の状況および運転した後の動弁機構部を観察した
が、異常は認められなかった。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による弁座
は、座面を含む内側部材と外側部材とが冶金的に接合し
ており、内側部材が鉄系焼結合金からなると共に、外側
部材が銅または銅合金の焼結材料からなる構成としたか
ら、弁と当接する内側部材の部分は鉄系焼結材料からな
っていて耐摩耗性に優れていると共に、外側部材の部分
は弁座とシリンダーヘッド間の熱伝達性に優れる銅また
は銅合金の焼結材料からなっていて弁および弁座の冷却
能率が高いものとなるので、動弁機構部分の高温化と放
熱対策の必要性に対応することが可能となって、エンジ
ンの性能向上に有効なものになるという著しく優れた効
果がもたらされ、本発明に係わる弁座の製造方法によっ
て、上記した耐摩耗性および弁座とシリンダーヘッド間
の熱伝達性の優れた弁座を製造することが可能であると
いう著しく優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる弁座の構造例について（ａ）図
と（ｂ）図の２種類を示す各々片側断面説明図である。

【図２】本発明に係わる弁座を成形する状態を上下パン
チによる圧縮前を示す（ａ）図と上下パンチによる圧縮
後を示す（ｂ）図とに分けて説明する断面図である。

【符号の説明】

１弁座２内側部材２ｓ座面３外側部材

フロントページの続き (72)発明者馬渕豊神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者加納眞神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者藤木章神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】座面を含む内側部材と外側部材とが冶金
的に接合しており、内側部材が鉄系焼結合金からなると
共に、外側部材が銅または銅合金の焼結材料からなるこ
とを特徴とする弁座。
【請求項２】外側部材が肉厚０．３ｍｍ以上の銅また
は銅合金の焼結材料からなることを特徴とする請求項１
に記載の弁座。
【請求項３】外側部材の銅または銅合金の焼結材料
は、硬さがアルミニウム合金製シリンダーヘッドを構成
するアルミニウム合金の硬さよりも軟らかく、熱膨張係
数がアルミニウム合金製シリンダーヘッドを構成するア
ルミニウム合金よりも小さくかつ内側部材の鉄系焼結合
金よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記
載の弁座。
【請求項４】内側部材は、その全体が同一の鉄系焼結
合金からなることを特徴とする請求項１ないし３のいず
れかに記載の弁座。
【請求項５】内側部材は、その座面を含む部分が耐摩
耗性等により優れた高級な鉄系焼結合金からなると共に
その他の部分がより安価な低級な鉄系焼結合金からなる
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の
弁座。
【請求項６】鉄系合金粉末の圧粉体を焼結して、座面
を含みかつ鉄系焼結合金からなる内側部材を製作したの
ち、前記内側部材および該内側部材と同径の治具部材を
粉末成形型内に軸方向に並べて設置し、内側部材および
治具部材と粉末成形型との間で外側部材の肉厚に対応す
るキャビティを形成したのち、キャビティ内に銅または
銅合金粉末を充填して圧縮することにより内側部材の外
周に外側部材の圧粉体を形成し、その後外側部材の圧粉
体の焼結温度で焼結して外側部材を銅または銅合金の焼
結材料からなるものにすると共に内側部材と外側部材と
を冶金的に接合することを特徴とする弁座の製造方法。
【請求項７】鉄系合金粉末の圧粉体を焼結して、座面
を含みかつ鉄系焼結合金からなる内側部材を製作したの
ち、前記内側部材の外周に銅または銅合金粉末を溶射し
て、内側部材の外周に外側部材の肉厚に対応する溶射層
を形成し、その後外側部材の溶射層の焼結温度で焼結し
て外側部材を銅または銅合金の焼結材料からなるものに
すると共に内側部材と外側部材とを冶金的に接合するこ
とを特徴とする弁座の製造方法。