JPH08291376A - 鉄基焼結合金バルブシート材と耐熱耐摩耗合金バルブフェース材との組合せ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低価格の材料設定が可能となるバルブフェース
材とバルブシート用耐摩耗焼結合金の組合せを提供する
ことを目的とする。 【構成】ＣｏとＭｏのうち少なくとも１種以上を含む鉄
系合金粉末を焼結してなる鉄基焼結合金製のバルブシー
ト材、もしくは前記鉄系合金粉末に更に硬質粒子を混合
して焼結してなる鉄基焼結合金製のバルブシート材と、
相手材としてＣｒを含む耐熱耐摩耗合金からなるバルブ
フェース材との組み合わせであって、バルブシート材の
基地中のＣｏとＭｏの重量％の和〔Ｃｏ＋Ｍｏ〕％、お
よび硬質粒子中のＮｉの重量〔Ｎｉ〕％と、バルブフェ
ース材中のＣｒの重量〔Ｃｒ〕％との関係が式 ０．０
５≦〔Ｃｏ＋Ｍｏ〕％／〔Ｃｒ〕％≦０．５３且つ鉄基
焼結合金が硬質粒子を含む場合は、 〔Ｎｉ〕％／〔Ｃ
ｒ〕％≦１．６を満たすことを特徴とする鉄基焼結合金
製バルブシート材と耐熱耐摩耗合金バルブフェースとの
組合せ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性に優れた鉄基
焼結合金バルブシート材と耐熱耐摩耗合金バルブフェー
ス材との組合せに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の自動車内燃機関バルブシート用焼
結合金としては、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉ基材料、Ｆｅ−
Ｃ基材料にこれら材料自体の耐摩耗性向上を狙ってフェ
ロモリブデン、フェロクロム等の金属間化合物または、
Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｃ合金、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓ
ｉ合金等を添加した材料が使用されている（特開昭５６
−１５４１１０号公報）。更に、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）、または
Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃ系基地組織中にフェロモリブデン
等の硬質粒子を分散させ、更にＰｂ合金等を含浸させて
耐摩耗性を改善した焼結合金（特開昭６２−２０２０５
８号公報）が開示されている。

【０００３】更に、オーステナイトとパーライトの混合
組織からなるＦｅ−Ｃｏ基地組織中に、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍ
ｏ−Ｖ−Ｃ系合金からなる硬質粒子を３〜２０％の割合
で分散させたバルブシート用鉄系焼結合金の開示があ
る。この焼結合金は、特にバルブシートの相手材のフェ
ース材への攻撃性を大幅に改善できるとしている。これ
らのバルブシート材に要求される特性としては、耐摩耗
性の他に耐腐食性および耐熱性が挙げられる。ここで耐
摩耗性は、主として硬質粒子により確保され、一方耐腐
食性および耐熱性は主として基地組織により確保され、
両者の作用が相まって耐久性を確保している。

【０００４】一方、バルブフェース用材料としては、バ
ルブシートとの接触運動による摩耗を防ぐため、作動温
度での軟化抵抗が大きく、更に耐腐食性、疲労強度と併
せて高温強度が高いマルテンサイト系耐熱鋼（ＳＵＨ
１、３、４、１１等）が使用され、有鉛燃料使用の場合
や特に熱的環境の厳しい排気側には、Ｎｉ等の合金元素
添加により更に高温特性を向上したオーステナイト系耐
熱鋼（ＳＵＨ３５、３６、３７）やＮｉ基のインコネル
（ＮＣＦ７５０、７５１等）が使用されている。また、
内燃機関の高出力、高回転化あるいは有鉛燃料使用で燃
焼温度が高い適合条件等においては、バルブフェース側
が過大摩耗する場合があり、この対策として、バルブフ
ェース部にＣｏ−Ｃｒ−Ｗ合金に代表されるステライト
合金や、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ合金に代表されるコルモ
ノイ合金等の耐摩耗盛金合金を溶着して耐摩耗性を確保
している。

【０００５】更に、高靱性で耐腐食性を向上したＣｒ−
Ｎｉ−Ｗ合金（特開昭５６−９３４８号公報）も開示さ
れている。最近、自動車内燃機関においては、従来にも
増して長寿命化、高出力化、高回転化、さらには、排ガ
ス浄化対策あるいは燃費向上に対する様々な改善要求が
更に高まっているが、同時に低価格化の要求も高く、性
能を向上し高価格とならない材料開発が望まれている。

【０００６】このため、バルブとバルブシートに対して
も、従来にも増して厳しい使用環境に耐え得る特性を有
することが不可避となってきており、高価な合金元素の
添加量増加を抑えつつ耐摩耗性や耐熱性を一層向上させ
たり、高温での耐食性を向上させる必要が生じている。
一方では、内燃機関の性能に大きな変更のないまま低価
格化のみを要求される場合も多く、各仕様、各出力の内
燃機関それぞれに適した低価格なバルブ材やバルブシー
ト材の選定が必要となっている。

【０００７】また、これまでの材料開発においては、バ
ルブ、バルブシートの使用環境が厳しくなり、例えばバ
ルブシート側が過大摩耗する場合には、まずバルブシー
ト材の耐摩耗性を向上する策が採られる。しかし、この
変更により、相手バルブフェースへの攻撃性が増加して
バルブフェースに異常摩耗が発生する場合もあり、その
対策としてバルブフェース部に耐摩耗合金を盛金して摩
耗を抑え、バルブフェースとバルブシート双方の摩耗量
を適正範囲に保つ方策が採られている。

【０００８】一方、有鉛燃料を使用したり高排気温とな
る内燃機関においては、バルブフェースの摩耗を抑制す
るため高価な耐摩耗合金を盛金している場合が多い。従
って、低価格化を行なう手段としては、この盛金の廃止
が最も有効であるが、それを達成するためには、内燃機
関のバルブシート周囲の冷却性を向上したり、バルブシ
ート側にてバルブフェースへの攻撃性を低減する焼結合
金が必要となる。しかし、そのバルブシート材に対し
て、仮に耐摩耗合金が盛金されたバルブフェースが使用
された場合には、逆にバルブシート側が過大摩耗し、バ
ルブフェース材とバルブシート材との組合せが成立しな
いケースもある。

【０００９】この様に、バルブフェース材とバルブシー
ト材が１対１の組合せしか設定出来ない場合もあり、種
々の仕様の内燃機関に対応する系統だった材料組合せの
開発が困難な状況となっている。また、従来からバルブ
シート材として多く提供されている鉄基焼結合金の基地
の形成は、Ｆｅ粉末に対して合金元素であるＮｉ、Ｃ
ｏ、Ｍｏ等のそれぞれの要素粉末を混合した混合粉末を
原料とした圧粉体を成形後、焼結を行ないＮｉ、Ｃｏ、
Ｍｏ等の各元素をＦｅ中に拡散させて得ている。そのた
め、これら合金元素をＦｅ中に完全に拡散させることが
難しく、合金添加量に見合っただけの特性向上が得られ
ていない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、最近の自動
車内燃機関の高出力化、燃費向上および低価格化の要望
に対し、種々の仕様の内燃機関におけるバルブおよびバ
ルブシートの組合せにおいて、各材料の耐摩耗性を確保
すると共に、摺動するそれぞれの相手材に対する攻撃性
が少ない最適な材料組合せを達成すべくなされたもので
ある。すなわち、バルブフェース部に特別の処理を施し
ていない耐熱鋼が使用される場合、およびバルブフェー
ス部に耐摩耗合金が盛金される場合のいずれの場合にお
いても、最も低価格な材料設定が可能となるバルブフェ
ース材とバルブシート用耐摩耗焼結合金の組合せを提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、バルブフ
ェース材およびバルブシート材をそれぞれの耐摩耗性と
相手に対する攻撃性を最小にする材料組合せを検討する
にあたり、まずバルブシート側において相手バルブフェ
ースへの攻撃性を減少させつつ、自身の耐摩耗性を大幅
に向上する方法について、鉄基焼結合金の基地中の成分
と合金化形態、硬質粒子の種類とその添加量、そして焼
結条件等々に着想して研究を重ねた。

【００１２】その結果、合金元素添加による材料特性向
上の効果をより効率良く発揮させるために合金元素を予
めＦｅと合金化した粉末を使用し、更に合金化に伴う固
溶硬化で合金粉末の圧縮性が低下することを防ぐため、
特に圧縮性に悪影響を及ぼすＮｉに関して合金化する粉
末には添加せず、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅの各炭化物を有
するＮｉ基硬質粒子として鉄基の合金化粉末とともに混
合し、焼結時の加熱によりＮｉ元素を鉄基基地中に拡散
させる方法を見出し、耐摩耗性をより一層向上しつつ、
相手攻撃性の少ない鉄基焼結合金を開発した。

【００１３】次に、バルブフェース側の耐摩耗性および
相手バルブシートの攻撃性に大きく影響する要因を種々
解析調査し、主にバルブフェース材の構成成分の中では
各種炭化物、特にＣｒ炭化物と、更に表面に生成する各
種酸化物がバルブフェース自身の耐摩耗性と相手バルブ
シートへの攻撃性に大きく寄与することを見出した。そ
こで、バルブフェース材成分のうち、Ｃｒが炭化物形成
や、表面酸化物形成への影響が大きい元素であることを
確認し、そのＣｒ添加量に適宜対応して上述の鉄基焼結
合金からなるバルブシート材の基地中のＣｏとＭｏ添加
量およびＮｉ基硬質粒子添加量を種々選択する方法によ
り、各仕様内燃機関それぞれに要求される耐摩耗性レベ
ルを満足するバルブシート材とバルブフェース材との組
合せの本発明を完成した。

【００１４】本第１の発明の鉄基焼結合金バルブシート
と耐熱耐摩耗合金バルブフェースとの組合せは、バルブ
シート材の基地として、重量％でＣｏが１％以上２％未
満、Ｍｏが１％以上２％未満のうち１種または２種含
み、さらにＣを０．２〜２％含み、残部不可避不純物と
鉄からなる鉄基合金粉末を焼結してなる鉄基焼結合金製
のバルブシート材と、相手材としてＣｒを含む耐熱耐摩
耗合金からなるバルブフェース材との組合わせであっ
て、バルブシート材の基地中のＣｏとＭｏの重量％の和
〔Ｃｏ＋Ｍｏ〕％と、バルブフェース材中のＣｒの重量
〔Ｃｒ〕％との関係が下式 ０．０５≦〔Ｃｏ＋Ｍｏ〕％／〔Ｃｒ〕％≦０．５３ を満たすことを特徴とする。

【００１５】本第２の発明の鉄基焼結合金バルブシート
と耐熱耐摩耗合金バルブフェースとの組合せは、バルブ
シート材の基地として重量％でＣｏが１％以上２％未
満、Ｍｏが１％以上２％未満のうち１種または２種含
み、さらにＣを０．２〜２％含み、残部不可避不純物と
鉄とからなる鉄基合金粉末に、Ｍｏを５〜２０％、Ｃｒ
を２０〜４０％、Ｗを１０〜２０％、Ｃを０．５〜５
％、Ｆｅを５〜３０％含有し、残部が不可避不純物とＮ
ｉからなる硬質粒子を２０％以下混合、焼結してなる鉄
基焼結合金製バルブシート材と、相手材としてＣｒを含
む耐熱耐摩耗合金からなるバルブフェース材との組合わ
せであって、バルブシート材の基地中のＣｏとＭｏの重
量％の和〔Ｃｏ＋Ｍｏ〕％およびバルブシート材中のＮ
ｉの重量〔Ｎｉ〕％と、バルブフェース材中のＣｒの重
量〔Ｃｒ〕％の関係が下式 ０．０５≦〔Ｃｏ＋Ｍｏ〕％／〔Ｃｒ〕％≦０．５３ 且つ、〔Ｎｉ〕％／〔Ｃｒ〕％≦１．６を満たすことを
特徴とする。

【００１６】

【作用】以下、本発明の作用について説明する。まず、
バルブシートを構成する鉄基焼結合金中の各成分範囲の
限定理由を述べる。ＣｏとＭｏは、いずれも鉄基地に固
溶してこれを強化する。さらに、Ｃｏは鉄基地の耐熱性
と耐摩耗性を向上させ、またＭｏは高温域における高温
強度の改善効果とともに炭素を含む焼結体においては一
部が炭化物を生成し、耐摩耗性の改善にも効果を示す。
これらの効果は鉄基焼結合金において、Ｍｏ単独あるい
はＣｏ単独あるいはＭｏとＣｏを共に添加した場合いず
れにおいても合計添加量が１％未満では十分発揮されな
い。

【００１７】また、Ｃｏは２％を越えて含有させると効
果の向上が認められるものの経済性に欠ける。また、Ｍ
ｏは２％を越えて含有させると効果の向上が認められる
ものの、鉄基焼結合金粉末の圧縮性低下を招き、高密度
な焼結体が得られない。炭素Ｃは鉄基地に固溶し、基地
を強化するとともに、一部はＮｉ基硬質合金粉末中にも
拡散し、Ｎｉ基硬質合金粉末のＭｏ、Ｃｒ、Ｗ等と結合
して、それぞれの炭化物を生成し、粉末の硬度を高め、
耐摩耗性の向上に効果を示す。

【００１８】このＣは０．２％未満の添加では前述の効
果が期待できず、また、２％を越えて添加すると鉄基焼
結合金を脆化させるため０．２〜２％の範囲での添加が
好ましい。本発明の鉄基焼結合金中に分散させるＮｉ基
硬質合金粉末は、焼結後の状態において、Ｃｒ₂₃Ｃ₆ 、
Ｃｒ₆ Ｆｅ₂₁Ｍｏ₂ 、Ｆｅ₆ Ｗ₆ Ｃ、（Ｍｎ、Ｍｏ）₂
ＣおよびＮｉ−Ｃｒ固溶体から形成される。また、焼結
前の状態においてＮｉ基硬質合金粉末中の鉄中に固溶し
ていたＮｉは、焼結によりその大部分が周囲の鉄基地に
拡散し、Ｎｉリッチのオーステナイト相を形成し、焼結
合金全体としてはオーステナイト相とベイナイト相ある
いはパーライト相とが混合した組織となる。

【００１９】このＮｉ基硬質合金粉末中には、前述の各
炭化物を形成するのに必要な成分として、Ｃｒ、Ｍｏ、
Ｗ、Ｆｅが添加されており、この粉末中に予め含有され
ているＣおよび鉄基合金粉末と同時に混合される黒鉛か
らのＣと反応して炭化物が形成される。Ｃｒ、Ｍｏ、
Ｗ、ＦｅのＮｉ基硬質合金粉末中への添加量は、Ｃｒ２
０％未満、Ｍｏ５％未満、Ｗ１０％未満、Ｆｅ５％未満
の場合では、それぞれ形成される炭化物量が少なく耐摩
耗性改善効果が不十分であり、一方、Ｃｒ４０％、Ｍｏ
２０％、Ｗ２０％、Ｆｅ３０％を越えると形成される炭
化物量が過多となり、相手バルブフェースに対する攻撃
性が著しく強くなる。このため、Ｃｒ２０〜４０％、Ｍ
ｏ５〜２０％、Ｗ１０〜２０％、Ｆｅ５〜３０％の範囲
の添加とするのが望ましい。

【００２０】上記の組成範囲においては、Ｎｉ基硬質合
金粉末の鉄基地に対する添加量を適宜選択することによ
りバルブシート材側の耐摩耗性を必要なレベルに設定し
つつ、相手バルブフェースへの攻撃性もバランスのとれ
た材料構成が達成できる。上記のＮｉ基硬質合金粉末は
平均硬度がＨＶ７５０〜８００程度であり、鉄基地への
添加量が３０％を越えても耐摩耗性の向上効果が少な
く、しかも鉄基地へのＮｉ元素の拡散量も飽和値に達
し、更に成形性の悪化を招くため、その添加量の上限
を、相手バルブフェースが耐熱鋼の場合はバルブフェー
ス側の摩耗増加を抑えるため２０％とした。また、添加
量の下限は、相手バルブフェース材の攻撃性とバランス
させるため、耐熱鋼の場合は０％とした。

【００２１】以上よりバルブシートを構成する鉄基焼結
合金中に含まれる鉄基合金粉末の成分範囲として、Ｃｏ
とＭｏの基地に対する添加量がそれぞれ１％以上２％未
満、Ｃの添加量が０．２〜２％そして残部のＦｅとなる
ことが望ましく、また同じく鉄基焼結合金中に含まれる
Ｎｉ基硬質合金粉末の成分範囲として、その合金粉末全
体に対する添加量がＣｒ２０〜４０％、Ｍｏ１０〜２０
％、Ｆｅ５〜３０％そして残部がＮｉとなることが望ま
しい。更に、Ｎｉ基硬質合金粉末の添加量を鉄基焼結合
金全体に対して０〜２０％の範囲で適宜選択することに
より、その硬質粒子としての作用とともに、Ｎｉの拡散
により周囲の鉄基地にＮｉが０〜１２％程度固溶するた
め、バルブシート材の耐摩耗性が大幅に向上しつつ、相
手バルブフェース材への攻撃性も適正範囲以下に保つこ
とが可能となる。

【００２２】また以上の構成での鉄基焼結合金は各合金
元素の鉄基地への固溶均質度が高く、従って、各種の要
素粉末を混合する従来法に比べて、少ない合金添加量で
優れた耐腐食性、耐酸化性および耐摩耗性を得ることが
できる。次にバルブフェースを構成する合金中の各成分
の作用およびそれを基に、バルブシート材とバルブフェ
ース材それぞれの合金元素含有量の比率を選定した理由
を述べる。

【００２３】耐熱鋼からなるバルブフェースはマルテン
サイト系のＳｉ−Ｃｒ鋼、オーステナイト系のＣｒ−Ｎ
ｉ鋼においても（Ｃｒ，Ｆｅ）₇ Ｃ₃ あるいは（Ｃｒ，
Ｆｅ）₂₃Ｃ₆ の組成の微細な炭化物が析出しているため
高強度であり、耐摩耗性にも優れている。また、添加元
素のＣｒはその添加量が多い程、緻密な酸化膜Ｃｒ₂ Ｏ
₃ を表面に形成する傾向が強くなり、バルブフェース材
自身を酸化雰囲気と遮断して、酸化の進行を抑制し、特
に高温での耐摩耗性を向上させる役割を果たす。

【００２４】しかし、これらの作用を担う各生成物は、
主にＣｒの添加量により多少成分が異なり、Ｃｒ量が比
較的少ない場合には高硬度（ＨＶ２２８０〜２４１０）
な（Ｃｒ、Ｆｅ）₇ Ｃ₃ タイプの炭化物が析出し、更に
鋼表面に生成する酸化皮膜もＣｒ₂ Ｏ₃ に加えて鉄の酸
化物が同時に生成する。ところが、Ｃｒ量が多くなる
と、先のＭ₇ Ｃ₃ タイプの炭化物に加えてＭ₂₃Ｃ ₆ タイ
プの炭化物（硬度：ＨＶ１５２０〜１６００）も析出
し、その析出硬化作用により高温強度が更に向上し、更
に鋼表面に生成する酸化皮膜はＣｒ₂ Ｏ₃ の単層のみが
生成しやすくなる。

【００２５】この様に、バルブフェースの耐摩耗性に関
係する炭化物や酸化物の違いにより、相手バルブシート
に対する攻撃性にも差が生じるため、バルブフェース自
身の耐摩耗性も含めて最適バランスを得る方法を検討し
た。マルテンサイト系耐熱鋼は比較的Ｃｒ添加量が少な
く、表面に生成する酸化物は剥離しやすく、アブレシブ
成分と作用し、相手バルブシートへの攻撃性が増加す
る。そこでバルブシート側の耐摩耗性を向上させるた
め、バルブシート材を構成する鉄基地中のＭｏおよびＣ
ｏ添加量を適量増加させる。また、この耐熱鋼での酸化
の進行は保護皮膜としてよりは、耐熱鋼表面の劣化を引
き起こし、バルブフェース側の耐摩耗性低下につなが
る。そこで、バルブシート側からバルブフェース側への
攻撃性を低減するため、バルブシート材を構成するＮｉ
基硬質合金粉末の添加量を適量に減少させることが必要
となる。

【００２６】また、オーステナイト系耐熱鋼は比較的Ｃ
ｒ添加量が多く、表面に生成する酸化皮膜は安定したＣ
ｒ₂ Ｏ₃ がほとんどであるため、バルブフェース側の耐
摩耗性は比較的優れており、相手バルブシートへの攻撃
性も低い。そのため、バルブシート側の耐摩耗性を大幅
に向上させる必要がなく、鉄基地中のＭｏおよびＣｏの
添加量を減少することができる。さらに、バルブフェー
ス側の耐摩耗性が優れているため、バルブシート材の成
分のうち相手攻撃性への影響が大きいＮｉ基硬質合金粉
末を適宜増減して、バルブシート材自身の耐摩耗性調整
をおこなうことが可能となる。

【００２７】上述によりバルブシートおよびバルブフェ
ースは、お互いの耐摩耗性と相手攻撃性とをバランスさ
せることができる。バルブフェース中のＣｒは、先述の
様にその量によって生成する炭化物の組成が異なる。Ｃ
ｒが少ない場合にはＭ₇ Ｃ₃ タイプでありＣｒが多くな
ると、Ｍ₂₃Ｃ₆ タイプも析出する。そこでバルブシート
中のＭｏ、Ｃｏ量を適切に選択することで、耐摩耗性、
相手攻撃性のバランスが取れる。Ｃｒ量としては７．５
〜２２％が好ましい。

【００２８】バルブシート材に硬質粒子を含まない場合
には、すなわち、バルブフェースのＣｒ量は、一般的に
は７．５〜２２．０％である。したがって、〔Ｃｏ＋Ｍ
ｏ〕％は上限が４％であり、下限が１％であり〔Ｃｒ〕
％の下限が７．５％、上限が２２．０％であることに基
づき、バルブシート材に硬質粒子を含まない場合には、
上限が４／７．５＝０．５３となり、下限は１／２２．
０≦０．０４５から下式が導かれる ０．０５≦〔Ｃｏ＋Ｍｏ〕％／〔Ｃｒ〕％≦０．５３ 上記の式の関係を満たさないとバルブシート材、バルブ
フェース材とも摩耗比が大きくなり好ましくない。

【００２９】バルブシート材に硬質粒子を含む場合に
は、硬質粒子中のＮｉの上限がバルブシート材全体に対
して１２％でありＣｒ下限が７．５％であるので〔Ｎ
ｉ〕％／〔Ｃｒ〕％＝１２／７．５≦１．６となり、下
限はＮｉ＝０の場合もふくむので０≦〔Ｎｉ〕％／〔Ｃ
ｒ〕％≦１．６が導かれる。バルブシート材中のＮｉ基
硬質粒子の添加量が多い、即ちＮｉの添加量が多く、
〔Ｎｉ〕％／〔Ｃｒ〕％の値が１．６を越えるとたとえ
０．０５≦〔Ｃｏ＋Ｍｏ〕％／〔Ｃｒ〕％≦０．５３の
関係を満たしていてもバルブフェース材の摩耗が大きく
なり好ましくない。

【００３０】〔Ｎｉ〕％／〔Ｃｒ〕％の値を１．６以下
の最適値にすると、Ｎｉ基硬質粒子の添加量を０％とし
ても、バルブシート側の耐摩耗性に大きな悪化をもたら
すことなく、バルブフェース側の摩耗量を適性範囲に保
つことができる。したがって、０．０５≦〔Ｃｏ＋Ｍ
ｏ〕％／〔Ｃｒ〕％≦０．５３且つ、０≦〔Ｎｉ〕％／
〔Ｃｒ〕％≦１．６の関係を満足する組成とするのが好
ましい。

【００３１】耐熱耐摩耗合金としては、一般に使用され
る耐熱鋼を用いることができる。

【００３２】

【実施例】本発明の各実施例を比較材を対比して説明
し、本発明の特徴を明らかにする。 （実施例Ｎｏ．１〜６）表１に各実施例のバルブフェー
ス材およびバルブシート材の組成および上述の関係式の
成分比率を示した。

【００３３】各実施例のバルブシート材の製造は、重量
比でＭｏが１．５％、Ｃｏが０〜１．５％、残部が実質
的に鉄である鉄基噴霧合金粉末を基地とし、Ｃｒが３５
％、Ｆｅが１８％、Ｗが１３％、Ｍｏが１０％、Ｃが３
％、残部が実質的にＮｉであるＮｉ基噴霧合金粉末（粒
径φ１４９μｍ以下）を硬質粒子成分として基地に対し
て０〜１０％分散させ、更に黒鉛粉末１．１％と潤滑ス
テアリン酸亜鉛とを表１に示す各配合組成になるように
適宜秤量し、Ｖ型混合機を用いて混合粉末を得た。

【００３４】なお、表１の値は混合粉末（焼結に伴い蒸
散する潤滑剤を除く、即ち鉄基合金粉末とＮｉ基硬質粒
子と黒鉛粉末）全体を重量比で１００％としたときの割
合を示す。上記の混合粉末を成形圧力７ｔｏｎ／ｃｍ²
にて圧縮し、圧粉体を成形した。得られた成形体を分解
アンモニアガス雰囲気中、１３９３Ｋの温度で３０分間
焼結し、これにより表１に示す実施例Ｎｏ．１％以上６
のバルブシート材を作製した。 実施例Ｎｏ．１〜６の
試験片では基地組織に炭化物が分散し、更に、内部に各
種炭化物が生成したＮｉ基硬質粒子（Ｎｉ基硬質合金粉
末）がその基地組織に分散している。

【００３５】比較例Ｎｏ．１１〜１３の各バルブシート
材も実施例と同様に表１に示す組成と同一条件で作製し
た。

【００３６】

【表１】

【００３７】なお、表１には組合せとなる相手バルブフ
ェース材の合金種類および各成分の添加比率〔Ｍｏ＋Ｃ
ｏ〕％／〔Ｃｒ〕％、〔Ｎｉ〕％／〔Ｃｒ〕％も記載し
た。なお、表中のＳＵＨ１、ＳＵＨ３５の組成規格は次
の通りである。 ＳＵＨ１（C:0.40-0.50,Si:3.00-3.50,Mn:≦0.60,P: ≦
0.030,Cr:7.50-9.50,Fe: 残) ＳＵＨ３５（C:0.49-0.58,Si: ≦0.35,Mn:8.00-10.00,
P: ≦0.040,S:≦0.030,Ni:3.25-4.50,Cr:20.00-22.00,
N:0.35-0.50,Fe: 残) （評価）上記実施例Ｎｏ．１〜６および比較材Ｎｏ．１
１〜１３のバルブフェース材とバルブシート材組合せに
ついて、図１の模式図に示す大越式摩耗試験を実施して
評価した。

【００３８】この大越式摩耗試験においては、バルブシ
ート材側の耐摩耗性とそれとの関連が強いバルブフェー
ス材側の相手攻撃性を調査する際には、バルブフェース
材（ｂ）をリング状ローター形状に作製し、一方のバル
ブシート材（ａ）をブロック形状（固定式）に作製す
る。また、バルブフェース材側の耐摩耗性と、それとの
関連が強いバルブシート側の相手攻撃性を調査する際に
は、材料を入れ換えて、バルブシート材（ｂ）をリング
状ローター形状に作製し、一方のバルブフェース材
（Ａ）をブロック形状（固定式）に作製する。

【００３９】いずれの場合も試験時のすべり速度は０．
２５ｍ／ｓであり、最終荷重は２１．５Ｎであり、すべ
り距離はバルブシート材側の耐摩耗性調査時は１００
ｍ、バルブフェース材側の耐摩耗性調査時は４００ｍで
ある。試験開始時における試験片の温度は、バルブフェ
ース材が主に吸気側に使用される場合（実施例Ｎｏ．
１、２、３比較例Ｎｏ．１１、１２）はバルブフェース
材側、バルブシート材側いずれも室温で、また、バルブ
フェース材が主に排気側に使用される場合（実施例Ｎ
ｏ．４、５、６比較例Ｎｏ．１３）はバルブフェース材
側が７７３Ｋそしてバルブシート材側が６７３Ｋであ
る。

【００４０】上記の説明を纏めたのが表２である。

【００４１】

【表２】 測定項目はいずれの場合もブロック側の摩耗体積で、実
施例ＮＯ．１、２、３と比較例Ｎｏ．１２は比較例Ｎ
ｏ．１１を、また、実施例Ｎｏ．４、５、６は比較例Ｎ
ｏ．１３をそれぞれ１００とした相対表示で図２と図３
に示した。

【００４２】図２に示したようにバルブシート材中のＭ
ｏ、Ｃｏ添加量およびＮｉ基硬質粒子の添加量が多い、
即ちＮｉの添加量が多く、〔Ｎｉ〕％／〔Ｃｒ〕％の値
が１．６を越える比較例Ｎｏ．１１に対して、本発明実
施例Ｎｏ．１のように、Ｍｏ，Ｃｏ添加量およびＮｉの
添加量を減少させ、〔Ｎｉ〕％／〔Ｃｒ〕％の値を１．
６以下の最適値にすると、バルブフェース側の摩耗量が
大幅に減少し、かつバルブシート自身の耐摩耗性の悪化
がない。また、実施例Ｎｏ．２のようにバルブシート基
地中のＭｏ、Ｃｏ添加量を減少し、更に実施例Ｎｏ．３
のようにＮｉ基硬質粒子の添加量を０％としても、バル
ブシート側の耐摩耗性に大きな悪化をもたらすことな
く、バルブフェース側の摩耗量を適性範囲に保つことが
確認された。

【００４３】また、比較例Ｎｏ．１２のようにバルブシ
ート材基地中のＭｏ、Ｃｏ添加量を大幅に減少し、更
に、Ｎｉ基硬質粒子の添加量を０％とすると、バルブシ
ート側の耐摩耗性が大きく低下する。次に、バルブフェ
ース材が主に排気側に使用される場合において、第３図
のようにバルブシート材中の添加量が少なく、〔Ｍｏ＋
Ｃｏ〕％／〔Ｃｒ〕％の値が０．０５より小さくなる比
較材１３に対して、本実施例Ｎｏ．６のようにＭｏの添
加量を１．５％に増加し、〔Ｍｏ＋Ｃｏ〕％／〔Ｃｒ〕
％の値を０．０５以上にするとバルブフェース側への攻
撃性に影響を及ぼさずに、バルブシート材の耐摩耗性が
向上する。更に実施例Ｎｏ．４、５のようにＭｏ、Ｃｏ
添加量およびＮｉ基硬質粒子の添加量を関係式の和の範
囲内で増加すると、バルブフェース側の摩耗量を適性範
囲に保ちつつ、バルブシート材の耐摩耗性を更に向上す
ることが確認された。

【００４４】

【発明の効果】本発明のバルブフェース材とバルブシー
ト材の組合せにおける最適な組成成分比率をとること
で、適切な摩耗範囲確保の他、バルブフェース側あるい
はバルブシート側のいずれか一方の過大摩耗進行で発生
する燃焼ガス吹き抜けを防止し、内燃機関の信頼性が大
きく向上する。

【００４５】更にバルブフェース側とバルブシート側と
が適度にバランスを保ちながら摩耗が進行する。即ち両
摺動面間が最適な接触状態を確保しつつ、馴染みつくた
め、バルブフェース側からバルブシート側へ熱の伝熱面
積が常に最適に保たれ、特に排気側においてバルブの温
度上昇を防止することが期待でき、この点からも内燃機
関の耐久性が一層向上される。

【００４６】バルブフェース中のＣｒは、その量によっ
て生成する炭化物の組成が異なる。Ｃｒが少ないとＭ₇
Ｃ₃ タイプであり、Ｃｒが多くなると、Ｍ₂₃Ｃ₆ タイプ
も析出する。また、酸化皮膜の組成も異なる。それらの
違いにより、相手攻撃性も変わってくる。そこでバルブ
シートのＭｏ、Ｃｏ量を適切に選択することで、耐摩耗
性、相手攻撃性のバランスが取れる。

【００４７】耐熱鋼は一般に使用される成分のものを対
象とする。バルブフェース材の種類により高温での相手
攻撃性が高い場合には、バルブシート側にＮｉ基硬質粒
子を添加してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】大越摩耗試験の要部を示す模式図である。

【図２】実施例Ｎｏ．１，２，３および比較例Ｎｏ．１
１，１２の大越摩耗試験による摩耗結果の摩耗比を示す
棒グラフである。

【図３】実施例Ｎｏ．４，５，６および比較例Ｎｏ．１
３の大越摩耗試験による摩耗結果の摩耗比を示す棒グラ
フである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋元 直道 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 鈴木 良尚 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 村瀬 博之 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 宮本 泰介 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バルブシート材の基地として、重量％でＣ
   ｏを１％以上２％未満、Ｍｏを１％以上２％未満のうち
   １種または２種含み、さらにＣを０．２〜２％含み、残
   部不可避不純物と鉄からなる鉄基合金粉末を焼結してな
   る鉄基焼結合金製のバルブシート材と、相手材としてＣ
   ｒを含む耐熱耐摩耗合金からなるバルブフェース材との
   組合わせであって、 バルブシート材の基地中のＣｏとＭｏの重量％の和〔Ｃ
   ｏ＋Ｍｏ〕％、およびバルブフェース材中のＣｒの重量
   〔Ｃｒ〕％との関係が下式 ０．０５≦〔Ｃｏ＋Ｍｏ〕％／〔Ｃｒ〕％≦０．５３ を満たすことを特徴とする鉄基焼結合金バルブシート材
   と耐熱耐摩耗合金バルブフェース材との組合せ。
2. 【請求項２】バルブシート材の基地として重量％でＣｏ
   を１％以上２％未満、Ｍｏを１％以上２％未満のうち１
   種または２種含み、さらにＣを０．２〜２％含み、残部
   不可避不純物と鉄とからなる鉄基合金粉末に、Ｍｏを５
   〜２０％、Ｃｒを２０〜４０％、Ｗを１０〜２０％、Ｃ
   を０．５〜５％、Ｆｅを５〜３０％含有し、残部が不可
   避不純物とＮｉからなる硬質粒子を２０％以下混合、焼
   結してなる鉄基焼結合金製バルブシート材と、相手材と
   してＣｒを含む耐熱耐摩耗合金からなるバルブフェース
   材との組合わせであって、 バルブシート材の基地中のＣｏとＭｏの重量％の和〔Ｃ
   ｏ＋Ｍｏ〕％およびバルブシート材中のＮｉの重量〔Ｎ
   ｉ〕％と、バルブフェース材中のＣｒの重量〔Ｃｒ〕％
   の関係が下式 ０．０５≦〔Ｃｏ＋Ｍｏ〕％／〔Ｃｒ〕％≦０．５３ 且つ、〔Ｎｉ〕％／〔Ｃｒ〕％≦１．６を満たすことを
   特徴とする鉄基焼結合金バルブシート材と耐熱耐摩耗合
   金バルブフェース材との組合せ。