JPH0826764B2

JPH0826764B2 - 鉄基焼結合金製バルブシートの製造方法

Info

Publication number: JPH0826764B2
Application number: JP62336169A
Authority: JP
Inventors: 和俊武村; 章義石橋; 真阿部; 一郎谷本; 章藤木
Original assignee: Riken Corp; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Riken Corp; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1987-12-29
Filing date: 1987-12-29
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-03-21
Also published as: JPH01178712A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は、バルブシート、特に内燃機関に使用する
耐摩耗性良好な鉄基焼結合金製のバルブシートの製造方
法に関連する。

従来の技術内燃機関の出力増加及びガソリンの無鉛化に伴い、バ
ルブシートには更に優れた耐摩耗性が要求されている。
特に近年は内燃機関の高出力及び高回転化の要求及び過
給機の利用により、バルブシートに対する熱的負荷及び
機械的負荷は一層増大する傾向にあり、溶製材の代りに
焼結合金によりバルブシートを形成して、前記要求に対
応する試みがなされている。例えば、バルブシートの対
摩耗性、高温強度、耐酸化性を向上させるため、クロム
（Cr）、ニッケル（Ni）、コバルト（Co）、モリブデン
（Mo）等の合金元素を鉄基焼結合金に添加したり、硬質
粒子を分散させて材料の強化を図っている。

しかしながら、低温から高温まで広い温度範囲で変動
する内燃機関の全稼働温度領域で良好な耐摩耗性をバル
ブシートに付与することが困難である。例えば、高温領
域で生成される酸化膜による潤滑効果は、低温領域では
期待できず、低温領域ではバルブとバルブシートとが金
属接触するため、高温領域に比べて、一般的に耐摩耗性
が劣る。

発明が解決しようとする課題鉄基焼結合金の空孔にワックス等を含浸させて、切削
性及び耐摩耗性を改善することは公知であり、特開昭56
−44745号公報に示されるように、焼結合金に有機化合
物又は有機金属化合物を含浸させた弁座用焼結金属及び
その製造方法が提案されている。前記公報の含浸物質の
融点は120〜250℃のため、溶融せずにバルブシートをシ
リンダヘッドに圧入したとき、含浸物質の融点以下の温
度では含浸物質自身による湿潤効果によりバルブシート
の耐摩耗性を向上する。また、含浸物質の融点以上の温
度では、バルブシートの稼働温度で含浸物質を溶融して
焼結合金の空孔を回復し、運転中に空孔に生ずる酸化被
膜による見掛け硬度の上昇及び摩擦係数の減少によっ
て、バルブシートの耐摩耗性を向上することができる。

然しながら、バルブシート、特に常に高温ガスに曝さ
れる排気バルブシートの平均温度が有機含浸物質の融点
以下でも、表面部は瞬間的に更に高温になるため、有機
含浸物質が蒸発分解し、含浸効果が減殺される場合が多
い。従って、バルブシート母材が酸化被膜を生ずる温度
より低い約200〜350℃の温度範囲では、有機含浸物質の
湿潤効果又は酸化被膜による摩耗係数の低減効果のいず
れも期待できない。

他面、鉄基焼結合金自体の硬さを一定以上に保ち耐摩
耗性を確保するため、潤滑性物質の前後に焼入れ、焼戻
しの熱処理を行う場合も、鉄基焼結合金の硬度が低下し
ないことが必要である。

この発明は、バルブシートの運転温度でも溶融しない
十分な量の潤滑性物質が鉄基焼結合金の空孔内に含浸さ
れかつ広い温度範囲で良好な耐摩耗性及び潤滑性を備え
た鉄基焼結合金製バルブシートの製造方法を提供するこ
とを目的とする。

課題を解決するための手段この発明による耐摩耗性の鉄基焼結合金製バルブシー
トの製造方法は５〜15容積％の空孔率で空孔が形成され
た鉄基焼結合金を製造する工程と、加圧された不活性ガ
ス中で３〜９％の銅（Cu）、15〜21％の錫（Sn）、0.5
〜２％の鉛（Pb）、残部亜鉛（Zn）及び不純物よりなり
かつ400〜500℃の融点を優するホワイブロンズの溶湯中
に鉄基焼結合金を浸漬してホワィトブロンズを鉄基焼結
合金中に含浸し、鉄基焼結合金の空孔をホワイトブロン
ズで充填する工程と、ホワイトブロンズを充填した鉄基
焼結合金を冷却した後、所定の形状に加工する工程とを
含む。このバルブシートの製造方法では、鉄基焼結合金
を焼入れ油中に浸漬して冷却する工程又は不活性ガス中
で5Kg/cm²の加圧下でホワイトブロンズを含浸する工程
を含んでもよい。

本発明の他の実施例による耐摩耗性の鉄基焼結合金製
バルブシートの製造方法は、５〜15容積％の空孔率で空
孔が形成された鉄基焼結合金を製造する工程と、29〜38
％の亜鉛（Zn）、0.5〜１％の鉛（Pb）、２〜３％のマ
ンガン（Mn）、0.5〜２％のアルミニウム（Al）、１〜
2.5％のニッケル（Ni）、0.7〜1.2％の珪素（Si）、残
部銅（Cu）及び不純物よりなりかつ850〜950℃融点を有
するマンガンブロンズを鉄基焼結合金に重ね、不活性ガ
ス中で加熱によりマンガンブロンズを溶融させてマンガ
ンブロンズを鉄基焼結合金中に含浸し、鉄基焼結合金の
空孔をマンガンブロンズで充填する工程と、マンガンブ
ロンズを充填した後、焼戻しを行う工程と、マンガンブ
ロンズを充填した鉄基焼結合金を冷却した後、所定の形
状に加工する工程とを含む。

作用加圧された不活性ガス中でホワイトブロンズの溶湯中
に鉄基焼結合金を浸漬してホワイトブロンズを鉄基焼結
合金中に含浸するので、非酸化状態で十分な量のホワイ
トブロンズが鉄基焼結合金中に充填される。また、不活
性ガス中でマンガンブロンズを溶融させて鉄基焼結合金
中に含浸するので、十分な量のマンガンブロンズが鉄基
焼結合金の空孔内に充填される。この場合、鉄との濡れ
性のよい亜鉛（Zn）及び銅（Cu）がホワイトブロンズ及
びマンガンブロンズ中に含まれるため、鉄基焼結合金中
で潤滑性物質が空孔の内壁に密着し、バルブシートの稼
働時に均一な潤滑が行われる。

ホワイトブロンズの融点約400〜500℃は焼戻し温度65
0℃より低いので、鉄基焼結合金を焼入れした後、含浸
しても鉄基焼結合金の硬度に影響を与えない。また、マ
ンガンブロンズの融点約850〜950℃は焼戻し温度の650
℃より高いため、マンガンブロンズの含浸後に焼戻しを
行って、鉄基焼結合金の十分な硬度を確保することがで
きる製造される鉄基焼結合金製バルブシート自体、ある程
度耐摩耗性を有するが、含浸させる潤滑性物質は、約40
0〜500℃の融点を有するホワイトブロンズ及び約850〜9
50℃の融点を有するマンガンブロンズであり、これらの
融点はバルブシートの圧入温度より高いので、圧入に際
して溶出せず、また運転温度はバルブシートの圧入温度
より高いので、圧入に際して溶出せず、また運転温度よ
りも高いので熱劣化、分解又は消失しない。また、これ
らの潤滑性物質は、バルブシートの使用温度範囲の室温
〜約350℃内で潤滑特性が劣化せず、また分解、蒸発に
よって消失しない。

実施例以下、この発明による鉄基焼結合金製バルブシートの
製造方法の実施例を説明する。

150〜200メッシュにピークをもつ粒度分布の５％モリ
ブデン−鉄（Mo−Fe）粉に、325メッシュ篩下のカルボ
ニルニッケル粉10％、金属モリブデン（Mo）粉５％、黒
鉛粉1.25％及び150〜200メッシュにピークがある粉度分
布のフエロモリブデン10％を配合した。また、金型成形
の際に離型材としてステアリン酸亜鉛を0.6％加えた混
合粉を外経46mm、内経35mmの円筒状の金型に充填した。
6.5トン/cm²圧力で混合粉をプレス成形し、型抜き後、6
50℃で１時間加熱して脱蝋し、次に1140℃で１時間加熱
焼結してバルブシートのサンプル素材を作成した。

サンプル素材の化学成分組成は、1.5％炭素（Ｃ）、1
5.3モリブデン（Mo）、９％ニッケル（Ni）、残部鉄（F
e）及び不純物である。このように、No.3のサンプル素
材を作成し、同様に、No.1、No.2及びNo.4の試供品素材
を作成した。第１表は含浸前のサンプル素材の成分及び
組成を示す。

前記サンプル素材に次の二種類の含浸方法で含浸して
サンプルを作成した。まず、550℃に加熱溶解させた６
％銅（Cu）、18％錫（Sn）、１％鉛（Pb）、残部亜鉛
（Zn）及び不純物よりなるホワイトブロンズ溶湯にサン
プル素材を含浸し、10トール（Torr）に５分間減圧して
脱気したのち、不活性ガスとしてアルゴンガスを用いて
十分間5Kg/cm²に加圧し、溶湯をサンプル素材に含浸さ
せた。含浸後、直ちにサンプル素材を焼入れ油中で急冷
し、含浸したホワイトブロンズを凝固させた後、所定寸
法に加工してサンプルとした。この際、溶油に対する焼
結合金の濡れ性を良くし、含浸を容易にするフラックス
として塩化アンモニウムを溶湯に添加した。

湿潤性物質の含浸量は焼結合金の空孔容積量にほぼ一
致する。一般に焼結合金の空孔は粉末の成形圧力、焼結
温度、焼結時間等により数％から数十％まで変化させる
ことができるが、本実施例では成形圧力と焼結温度を制
御することによって、空孔の容積を５〜15容積％にす
る。空孔容積によって決定される含浸量が５容積％より
少ないと、含浸の効果が顕著でなく、逆に15容積％を超
えると、含浸した焼結合金自体の強度が低下するので好
ましくない。

炭素（Ｃ）はクロム（Cr）、モリブデン（Mo）、バナ
ジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）と化合して炭化物を
生成し耐摩耗性を改善する。従って炭素（Ｃ）の適切な
量は焼結材中の前記元素の種類、量及び合金元素として
の添加又は硬質相粒子としての添加により必然的に定ま
り、本実施例の炭化物生成元素量の範囲では0.5〜２％
となる。炭素量が0.5％以下であると炭化物生成量が充
分ではなく、軟らかいフェライトの生成によって耐摩耗
性が低下して好ましくない。一方、２％を超えると材料
が硬くなり過ぎ、また脆くなるため、炭素量は0.5〜２
％とするのがよい。耐摩耗性の改善効果は程度の差はあ
るが、前記元素の何れにも共通して、どの元素を添加し
てもよく、また数種類組合わせて添加してもよい。その
量が１％以下では炭化物生成量が充分でなく、軟らかい
フェライトの生成によって耐摩耗性が低下し、また25％
を超えると材料が硬化すると共に、コスト高になり好ま
しくない。従って炭化物生成元素は合計で１〜25％がよ
い。

その他に強度の向上又は組織安定のため必要に応じて
ニッケル（Ni）、コバルト（Co）、珪素（Si）の一つ又
は二つ以上を１〜15％添加してもよい。その量が１％以
下では効果が充分でなく、また15％以上添加してもその
量に見合うだけの効果が得られず、コスト高となる。

次に、ホワイトブロンズの代わりに、マンガンブロン
ズをサンプル素材に含浸した例を示す。100〜15メッシ
ュにピークがある粒度分布の35％亜鉛（Zn）、１％鉛
（Pb）、３％マンガン（Mn）、1.5％アルミニウム（A
l）、２％ニッケル（Ni）、1.0％珪素（Si）、残部銅
（Cu）及び不純物よりなるマンガンブロンズ粉を、サン
プル素材の成形に用いた円筒型合金を用いてサンプル素
材の重量の15％になるように、成形圧６トン/cm²で円筒
形状の成形体を製作した。本実施例で潤滑性物質として
使用するホワイトブロンズ及びマンガンブロンズは軸受
材料として一般的に使用されるものである。

これをサンプル素材の上に重ね、1000℃に保持したア
ルゴンガス雰囲気の炉中で１時間保持し、溶融させてサ
ンプル素材に含浸させ、次に液体窒素中に10分間浸して
サブゼロ処理を施した後、650℃で１時間焼戻しを行
い、所定寸法に加工してサンプルとした。

この含浸処理を施したサンプルを作成すると共に、含
浸前のサンプ素材を所定寸法に加工して対比用サンプル
を作成した。自動車エンジンへの装着と同等の結果が得
られる摩耗試験機を使用して、これらのサンプルの単体
摩耗性試験を行った。摩耗試験では、LPガスバーナによ
って、一定温度にバルブシートを加熱保持し、回転する
カムによって開弁位置に移動したバルブがバルブステム
下部のスプリングの弾力によりバルブシートに反復して
衝突させ、バルブが叩いて生じた摩耗量を基準バルブの
沈み量から測定した。排気バルブシートの使用条件を想
定して、バルブ材質:SUH36、バルブ表面温度:450℃、バ
ルブシート温度:200℃、カム回転数:3000rpmの条件で、
10時間試験を行った。測定した摩耗量からバルブシート
の適否を評価し、含浸の効果を調査した。また、ステア
リン酸亜鉛を含浸させたものも対比材として試験を行っ
た。

試験結果を第２表に示す。ホワイトブロンズを使用し
サンプルにＳ、マンガンブロンズを使用したサンプルに
Ｍ、ステアリン酸亜鉛を使用したサンプルにSTをサンプ
ル素材番号として付し、サンプルの含浸物質を区別し
た。第１図は第２表の結果をグラフで示す。第２表及び
第１図はこの発明に係る含浸バルブシートは非含浸バル
ブシートに比較して摩耗量が約1/2程度に減少したこと
を示す。

有機含浸物質のステアリン酸亜鉛（融点約120℃）を
含浸したサンプル（サンプルNo.4ST）は10時間試験で
は、一見相当の改善効果を示すが、第２図の経時的変化
から明らかなように、約５時間経過後はステアリン酸亜
鉛の蒸発分解が進行するため、効果が徐々に減少する。
これに対してこの発明のホワイトブロンズ又はマンガン
ブロンズを含浸させたサンプルは経時的劣化がなく、耐
久性の点で優れていることが判明した。

本実施例では、下記の作用効果が得られる。

加圧された不活性ガス中でホワイトブロンズを鉄基
焼結合金中に含浸するので、非酸化状態で十分な量のホ
ワイトブロンズを鉄基焼結合金中に充填できる。

十分な量のマンガンブロンズを重ねた鉄基焼結合金
の空孔内に充填できる。

鉄との濡れ性のよい亜鉛（Zn）及び銅（Cu）を含む
潤滑性物質が鉄基焼結合金の空孔の内壁に密着し、バル
ブシートの稼働時に均一な潤滑が行われる。

ホワイトブロンズの融点約400〜500℃は焼戻し温度
より低いので、鉄基焼結合金を焼入れ、焼戻しをした
後、含浸しても鉄基焼結合金の硬度に影響を与えない。

マンガンブロンズの融点約850〜950℃は焼戻し温度
の650℃より高いため、マンガンブロンズの含浸後に焼
入れ、焼戻しを行って、鉄基焼結合金の十分な硬度を確
保することができる。

潤滑物質として使用するホワイトブロンズ及びマン
ガンブロンズの融点はバルブシートの圧入温度より高い
ので、、圧入の際に溶出せず、また運転温度よりも高い
ので熱烈化、分解又は消失しない。また、これらの潤滑
性物質は、バルブシートの使用温度範囲の室温〜約350
℃内で潤滑特性が劣化せず、また分解、蒸発によって消
失しない。

発明の効果この発明による鉄基焼結合金製バルブシートの製造方
法では、十分な量の潤滑性物質が鉄基焼結合金の空孔内
に含浸される。潤滑性物質は、バルブシートの運転温度
でも溶融しないかつ広い温度範囲で良好な対摩耗性及び
潤滑性を備えている。また、使用中に含浸物質の潤滑効
果が低下せず、200〜250℃の低温領域でも耐摩耗性に優
れた効果がある。また、ホワイトブロンズの融点は焼戻
し温度より低く、マンガンブロンズの融点は鉄基焼結合
金の焼入れ温度より高いので、含浸の前又は後に焼入れ
及び焼戻しの熱処理が可能である。更に、鉄との濡れ性
の良い亜鉛又は銅を主要成分とするマンガンブロンズ又
はホワイトブロンズは、特別な装置を必要とせずに容易
に含浸処理ができ、コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は摩耗試験の結果を示すグラフ、第２図は摩耗試
験から得られた時間的経過に対する摩耗量の変化を示す
グラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿部真神奈川県横浜市神奈川区宝町２日産自動車株式会社内 (72)発明者谷本一郎神奈川県横浜市神奈川区宝町２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日産自動車株式会社内 (56)参考文献特開昭54−118312（ＪＰ，Ａ) 特公昭53−42522（ＪＰ，Ｂ１) 特公昭55−18776（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】５〜15容積％の空孔率で空孔が形成さされ
た鉄基焼結合金を製造する工程と、加圧された不活性ガス中で３〜９％の銅（Cu）、15〜21
％の錫（Sn）、0.5〜２％の鉛（Pb）、残部亜鉛（Zn）
及び不純物よりなりかつ400〜500℃の融点を有するホワ
イトブロンズの溶湯中に鉄基焼結合金を浸漬してホワイ
トブロンズを鉄基焼結合金中に含浸し、鉄基焼結合金の
空孔をホワイトブロンズで充填する工程と、ホワイトブロンズを充填じた鉄基焼結合金を冷却した
後、所定の形状に加工する工程とを含むことを特徴とす
る耐摩耗性の鉄基焼結合金製バルブシートの製造方法。
【請求項２】鉄基焼結合金を焼入れ油中に浸漬して冷却
する請求項（１）に記載の鉄基焼結合金製バルブシート
の製造方法。
【請求項３】不活性ガス中で5Kg/cm²の加圧下でホワイ
トブロンズを含浸する請求項（１）に記載の鉄基焼結合
金製バルブシートの製造方法。
【請求項４】５〜15容積％の空孔率で空孔が形成された
鉄基焼結合金を製造する工程と、 29〜38％の亜鉛（Zn）、0.5〜１％の鉛（Pb）、２〜３
％のマンガン（Mn）、0.5〜２％のアルミニウム（A
l）、１〜2.5％のニッケル（Ni）、0.7〜1.2％の珪素
（Si）、残部銅（Cu）及び不純物よりなりかつ850〜950
℃の融点を有するマンガンブロンズを鉄基焼結合金に重
ね、不活性ガス中で加熱によりマンガンブロンズを溶融
させて、マンガンブロンズを鉄基焼結合金中に含浸し、
鉄基焼結合金の空孔をマンガンブロンズで充填する工程
と、マンガンブロンズを充填した後、焼戻しを行う工程と、焼戻しを行った鉄基焼結合金を所定の形状に加工する工
程とを含むことを特徴とする耐摩耗性の鉄基焼結合金製
バルブシートの製造方法。