JPH10266816A

JPH10266816A - 焼結バルブシート部材及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10266816A
Application number: JP7022797A
Authority: JP
Inventors: Koji Kobayashi; 孝司小林
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 1998-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的強度、耐摩耗性、耐熱性等を向上させ
た焼結バルブシート部材及びその製造方法を提供する。【解決手段】鉄系の焼結合金からなる本体層１２とシ
ート面層１３とを厚み方向に積層して加圧下で放電させ
ながら焼結することにより、両層１２、１３を互いに拡
散接合させながら焼成し、これら本体層１２及びシート
面層１３のそれぞれの密度比を０．９５〜１．００の範
囲とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、内燃機関用
のバルブシート部材として好適に用いられ、機械的強
度、耐摩耗性、耐熱性等に優れた高密度の焼結バルブシ
ート部材及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は、ガソリンエンジンのバルブシー
ト部材付近の断面を示しており、バルブシート部材１
は、シリンダヘッド２の吸気通路３と排気通路４とのそ
れぞれの開口部に設けられ、往復運動するバルブ５と当
接し、バルブ５がバルブシート部材１と接触している時
に混合気が爆発して高圧になる燃焼室６の気密を保持す
る役割を有する。また同時に、加熱されるバルブ５の熱
を逃がし、当該バルブ５の過熱を防止する役割も求めら
れる。図中符号７はシリンダ８内を往復移動させられる
ピストンを示し、符号９は点火プラグを示す。

【０００３】このバルブシート部材１の材料としては、
本体層とバルブが当接するシート面層との二層構造とさ
れ、本体層としては、例えば、ＪＩＳ規格表示でＳＵＨ
−４等の耐熱鋼、もしくは、Ｆｅ−２wt％Ｃｒ−０．７
wt％Ｃ等の鉄系焼結合金が適用され、シート面層として
は、耐摩耗性等に優れた、例えばＦｅ−３ｗｔ％Ｍｏ−
２ｗｔ％Ｃｏ−１．５ｗｔ％Ｃｒ−１．０ｗｔ％Ｃ−
０．５ｗｔ％Ｎｉ等の鉄系焼結合金中に、１０wt％程度
のＦｅ−６０wt％Ｍｏ等の硬質粒子を分散させた焼結合
金が用いられている。この種の焼結合金は鋼等の溶製材
と比較して異種粉末を混合することができる等、合金設
計の自由度が大きいという優れた特徴を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年におけ
るエンジンの高出力化、高回転化、高効率化等に伴い、
燃焼室の温度が上昇する傾向にあり、バルブシート部材
に対しても機械的強度の向上のみならず、より一層の耐
摩耗性、耐熱性、高熱伝導性等が求められてきている
が、従来の前記材料からなるバルブシート部材では、そ
の特性向上に限界があった。この場合、より耐摩耗性等
の性能に優れる高性能合金を適用することが考えられる
が、コスト増加を余儀なくされる。一方、Ｆｅ系材料で
は対応できないような極めて厳しい条件下で使用される
場合は、高価なＣｏ系の耐熱材料が要求されることがあ
るが、これを粉末冶金で製造する場合、原料となるＣｏ
合金粉が硬く、プレス成型時に粉末が固まり難いととも
に、通常の条件では焼結され難く、このため、強度が低
い、高密度のものが得られない、といった問題がある。

【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あって、機械的強度、耐摩耗性、耐熱性等を向上させた
焼結バルブシート部材及びその製造方法を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次のような焼結バルブシート部材及びその
製造方法を採用した。すなわち、本発明の焼結バルブシ
ート部材は、本体層とバルブが当接するシート面層とが
拡散接合により積層されてなり、少なくともシート面層
が、密度比０．９５〜１．００の焼結合金からなること
を特徴とする。

【０００７】通常の焼結体では、焼結体中に気孔が５〜
２０％程度存在しているために、その密度は理論密度で
ある真密度よりかなり小さく、その比は０．８０〜０．
９５程度である。この気孔を減少させれば、焼結体を極
めて緻密にすることができる。そこで、バルブシート部
材を本体層とバルブが当接するシート面層との積層構造
とし、少なくともシート面層の焼結密度の真密度に対す
る比を０．９５〜１．００とし、その機械的強度、耐摩
耗性、耐熱性及び各層の接合強度を向上させたものであ
る。

【０００８】この場合、層をなす構造であるので、シー
ト面層をいわゆる高性能合金とし、本体層には比較的安
価な合金を使用することができる。また、本体層は、焼
結材によって構成してもよいし、溶製材によって構成し
てもよい。特に強度や剛性等に優れた鋼、または熱伝導
性に優れた銅合金とすることもでき、鋼とすることによ
り、バルブシートとしての機械的強度がさらに高めら
れ、銅合金とすることにより、熱伝導性を良くして耐熱
性が向上させられる。さらに、前記シート面層に、その
基材となる金属粒子よりも硬度の大きい硬質粒子を分散
させておくことにより、該シート面層の硬度を高め、耐
摩耗性を一層向上させることができる。

【０００９】一方、本発明の製造方法は、導電性を有す
る型内に、本体層を構成するための金属材を装填すると
ともに、シート面層を構成するための金属粉を本体層に
対して積層状に充填し、大気、吸熱性変成雰囲気、還元
性雰囲気、不活性雰囲気または真空のいずれかの雰囲気
中で、両層を加圧しつつこれらに通電することにより、
両層を加熱するとともにこれら層中に放電を発生させ、
両層の拡散接合及びシート面層の焼成を行うことを特徴
とする。

【００１０】この方法では、放電によって金属粉の表面
に存在する金属酸化膜が破壊され、当該表面が活性化さ
れる。したがって、比較的低温での緻密な焼結が可能に
なる。また、型によって加圧しつつ放電を生じさせてい
ることにより、焼結の進行にしたがって金属粉は当該型
に沿って変形圧縮しかつ高密度となり、寸法精度及び密
度比の高い焼結合金が得られる。この方法の場合も、本
体層を構成するための金属材は、溶製材によって構成し
てもよいし、焼結材によって構成してもよく、また、鋼
又は銅合金のいずれも使用可能である。

【００１１】また、金属粉の充填から成形、加圧下での
放電による焼結までを単一の型内で行うのではなく、予
め、各層を構成するための複数種の金属粉を層状に加圧
成形してなる積層成形体を形成しておき、該積層成形体
を導電性を有する型内に装填して、加圧しながら放電を
生じさせて焼結するようにしてもよい。この場合、導電
性を有する型内に前記積層成形体を装填する代わりに、
該積層成形体を仮焼成しておき、その仮焼体を装填して
放電焼結することも可能である。

【００１２】また、各層を構成するための複数種の金属
粉によりそれぞれ複数種の成形体を成形しておき、これ
ら成形体を導電性を有する型内に積層状態となるように
装填して、放電焼結してもよい。これら成形体や仮焼体
を放電焼結する場合は、予め金型で加圧成形したものを
焼成するので、焼結体の収縮率を小さくすることがで
き、部材の寸法設計を容易にして、寸法精度を向上させ
ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態の焼結
バルブシート部材を示す断面図である。この焼結バルブ
シート部材１１は、鉄系の焼結合金からなる本体層１２
とシート面層１３とが、厚み方向に積層されて互いに拡
散接合され、シート面層１３の内周部にはバルブに当接
する当たり面１４が適切な幅で形成されている。そし
て、本体層１２及びシート面層１３のそれぞれの密度比
は０．９５〜１．００の範囲とされている。

【００１４】前記本体層１２の材料としては、例えば、
Ｃｒを２〜３ｗｔ％、Ｃを０．５〜１．０ｗｔ％含有
し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鉄系合金が好
適である。もちろん、従来と同様、ＳＵＨ−４等の耐熱
鋼の溶製材を適用することも可能である。

【００１５】一方、前記シート面層１３の材料として
は、下記の様な鉄系合金等が好適である。すなわち、エ
ンジンの吸気側に使用されるバルブシート部材の材料と
しては、例えば、Ｍｏを０．５〜２ｗｔ％、Ｃｒを０．
３〜１ｗｔ％、Ｃを０．７〜１．２ｗｔ％含有し、残部
がＦｅ及び不可避不純物からなる鉄系合金に、その基材
となる金属粒子よりも硬度の大きいＦｅ−６０wt％Ｍｏ
からなる硬質粒子を２〜１０wt％加えて分散させた鉄系
焼結合金、あるいは、Ｃｏを０．５〜３ｗｔ％、Ｃを
０．５〜１．５ｗｔ％、Ｎｉを０．５〜３ｗｔ％含有
し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鉄系合金に、
Ｆｅ−６０wt％Ｍｏからなる硬質粒子を２〜１０wt％加
えて分散させた鉄系焼結合金が好適である。

【００１６】また、排気側に使用されるバルブシート部
材の材料としては、例えば、Ｍｏを２〜５ｗｔ％、Ｃｏ
を１〜１５ｗｔ％、Ｃを０．５〜１．５ｗｔ％、Ｎｉを
０．５〜１ｗｔ％、Ｗを１〜３ｗｔ％、Ｎｂを０．３〜
１ｗｔ％含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる
鉄系合金に、その基材となる金属粒子よりも硬度の大き
いＣｒ基硬質粒子を３〜１０ｗｔ％、同じくＣｏ基硬質
粒子を３〜１５ｗｔ％それぞれ加えて分散させた鉄系焼
結合金が好適である。

【００１７】このように吸気側と排気側とで材料を異な
らせるのは、ガソリンエンジンでは、吸気側のバルブシ
ート部材の温度が例えば２００℃程度であるのに対し
て、排気側は４００〜５００℃程度にもなり、排気側の
方が吸気側よりも熱の影響が大きいので、排気側に、硬
さ等の物理的特性や機械的強度、耐摩耗性、耐熱性、熱
伝導性等の性能により優れるものを使用するためであ
る。また、排気側に用いられるバルブシート部材は、当
たり面１４の幅を吸気側のバルブシート部材よりも若干
広くして熱伝導をよくするとよい。

【００１８】次に、上記バルブシート部材１の製造方法
について図２を参照しながら説明する。まず、導電性を
有する金属、カーボン等からなる上パンチ２１及び下パ
ンチ２２、ダイ２３、コアロッド２４等を備える型２５
の内面に窒化硼素（ＢＮ）等の潤滑剤を塗布した後、本
体層用合金粉１２ａ及びシート面層用合金粉１３ａを層
状に充填する。この型２５は、上パンチ２１と下パンチ
２２とが電源２６に接続されている。

【００１９】次いで、型２５内を大気中にそのまま、あ
るいは吸熱性変成雰囲気、還元性雰囲気、不活性雰囲気
または真空のいずれかの雰囲気とした後に、上パンチ２
１と下パンチ２２との間で合金粉１２ａ、１３ａを加圧
しつつこれら両パンチ２１、２２間に例えば１０ボルト
程度の電圧をかけ数百アンペア以上のパルス電流を流す
ことにより、型を発熱させて合金粉１２ａ、１３ａを加
熱するとともに型及び粉末粒子間に放電を発生させ、上
記合金粉１２ａ、１３ａを焼成する。

【００２０】以上の方法により、必要に応じて矯正加工
及び仕上げ研削等の機械加工を行って、図１に示すよう
なバルブシート部材を得ることができる。なお、型２５
内を大気以外の吸熱性変成雰囲気、還元性雰囲気、不活
性雰囲気または真空のいずれかの雰囲気にする場合は、
型２５全体をチャンバ（図示略）に収納しておくことが
行われる。

【００２１】上記の製造方法によって、各種合金粉を用
い、焼成の温度、時間、雰囲気、及び型による加圧力を
種々変化させてバルブシート部材を製作し、その性能評
価を行った。結果を表１に示す。表中、本体層として使
用した材料のうち、はＦｅ−２wt％Ｃｒ−０．７wt％
Ｃからなる焼結合金、は溶製材としてＳＵＨ−４の耐
熱鋼を使用した。また、シート面層に使用した焼結合金
Ａ〜Ｅは、次の材料とした。この場合、Ｅは、従来方法
では焼結し難かったＣｏ系合金であり、本実施形態の方
法による焼結を試みた。

【００２２】Ａ：Ｆｅ−１wt％Ｍｏ−０．６ｗｔ％Ｃｒ
−１ｗｔ％Ｃからなる鉄系合金に、Ｆｅ−６０wt％Ｍｏ
からなる硬質粒子を１０wt％加えて分散させたものＢ：Ｆｅ−１．５ｗｔ％Ｃｏ−１．１ｗｔ％Ｃ−２ｗｔ
％Ｎｉからなる鉄系合金に、Ｆｅ−６０wt％Ｍｏからな
る硬質粒子を８wt％加えて分散させたものＣ：Ｆｅ−３ｗｔ％Ｍｏ−８ｗｔ％Ｃｏ−１ｗｔ％Ｃ−
０．７ｗｔ％Ｎｉ−２ｗｔ％Ｗ−０．５ｗｔ％Ｎｂから
なる鉄系合金に、Ｃｒ系硬質粒子を５wt％、Ｃｏ系硬質
粒子を１０wt％加えて分散させたものＤ：Ｆｅ−３．８ｗｔ％Ｍｏ−１０ｗｔ％Ｃｏ−１．２
ｗｔ％Ｃ−０．８ｗｔ％Ｎｉ−１．５wt％Ｗ−０．８wt
％Ｎｂからなる鉄系合金に、Ｃｒ系硬質粒子を１０wt
％、Ｃｏ系硬質粒子を１２wt％加えて分散させたものＥ：Ｃｏ−１ｗｔ％Ｎｉ−３２ｗｔ％Ｃｒ−１７ｗｔ％
Ｗ−１ｗｔ％Ｆｅ−２．５ｗｔ％ＣからなるＣｏ系合金

【００２３】Ｎｏ．１〜９までが、本実施形態の方法に
より製作したものであり、Ｎｏ．１０は、従来例とし
て、シート面層に、Ｆｅ−３wt％Ｍｏ−２wt％Ｃｏ−
１．５ｗｔ％Ｃｒ−１ｗｔ％Ｃ−０．５wtＮｉからなる
鉄系合金に、Ｆｅ−６０wt％Ｍｏからなる硬質粒子を１
０wt％加えて分散させたものを使用し、真空中１１５０
℃の温度で、６０分焼成して製作した。また、用途の欄
の「ＩＮ」は吸気側、「ＥＸ」は排出側に使用したこと
を示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】特性評価の欄の圧環荷重とは、外径３５ｍ
ｍ、内径２７ｍｍ、厚さ８ｍｍの試験片を用いて、ＪＩ
ＳＺ２５０７に準じて圧環強さを求めたものであ
る。摩耗量とは、試験片を２０００ｃｃガソリンエンジ
ンの吸気側あるいは排気側バルブシートの形状とし、シ
リンダヘッドに圧入して、負荷をかけながらいわゆる台
上耐久試験を実施し、その摩耗量を測定したものであ
り、エンジンの回転数６０００ｒｐｍ、試験時間は４０
０時間とした。密度比は、アルキメデス法により焼結後
の密度を測定し、その真密度（理論密度）との比を求め
た。この場合、本体層として溶製材を使用したＮｏ．
２、４、７、９についての密度比は、本体層を除去して
測定した。

【００２６】表１から明かなように、本実施例のバルブ
シート部材（Ｎｏ．１〜９）では、密度比が０．９６以
上あり、圧環荷重が１４０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上、摩耗量
も吸気側で８μｍ以下、排気側で３１μｍ以下と、従来
例のもの（Ｎｏ．１０、１１）よりも機械的強度、耐摩
耗性が向上していることがわかる。また、摩耗量測定の
ために行った台上耐久試験の排気側においては、バルブ
温度が約７５０℃、バルブシート部材の温度が約４００
℃に昇温していたが、本実施例のバルブシート部材は特
に異常は認められず、耐熱性にも優れていることが立証
された。この場合、密度比に関しては、実用上、０．９
５以上あれば、一般的な焼結と比較して十分に機械的強
度、耐摩耗性等を向上させることができる。

【００２７】なお、本実施例のバルブシート部材の断面
を金属顕微鏡で観察したところ、本体層、シート面層は
相互に拡散接合され、両層及びこれらの接合部分には気
孔等がほとんど無く、極めて緻密な構造であった。した
がって、本実施形態のバルブシート部材によれば、機械
的強度、耐摩耗性及び耐熱性、及びこれらの接合部分の
接合強度を向上させることができ、部材を長寿命化し
て、その信頼性を向上させることができる。

【００２８】一方、その製造方法によれば、型に金属粉
を充填して加圧しながら放電焼結することにより、気孔
等のない緻密な焼結体を得ることができ、焼結体の密度
比、機械的強度、耐摩耗性及び耐熱性、及びこれらの接
合部分の接合強度を高めた部材を一つの工程で製造する
ことができる。Ｃｏ系合金をシート面層に使用した場合
でも、通常の成形工程が不要で、上記一つの工程で製造
可能であり、かつ放電により粉末表面が活性化されるの
で、高密度のものが得られる。

【００２９】なお、上記実施形態のバルブシート部材の
構造及び製造条件は、一例を挙げたものにすぎず、要求
されるバルブシート部材の形状に合わせて適宜変更可能
である。例えば図３に示す焼結バルブシート部材３１の
ように、本体層３２を鋼や銅合金等の溶製材により、内
周の一端部に段部３３を有するリング状に形成してお
き、その段部３３にシート面層３４を加圧下での放電焼
結により形成した構成としてもよい。この場合も、加圧
下の放電により、溶製材と合金粉とが拡散接合して、強
固な接合強度を得ることができるとともに、高密度比の
シート面層３４の形成が可能となり、その機械的強度や
耐摩耗性等を向上させることができる。

【００３０】また、本体層３２として銅合金等の比較的
融点の低い金属材を使用する場合、その上に前記シート
面層３４用の合金粉を積層して一般的な焼結をすると、
その焼結温度（例えば１１５０℃）では本体層の金属材
が溶融してしまうが、放電による焼結の場合は、表１に
記載のように比較的低温（鉄系焼結合金で９５０℃以
下、Ｃｏ系焼結合金でも１０００℃以下）で焼結可能で
あるので、このような融点の低い金属材をも使用するこ
とができる。

【００３１】一方、金型に本体層用合金粉とシート面層
用合金粉とを層状に充填して加圧成形することにより、
予め成形体を製作しておき、この成形体の焼成時に、導
電性を有する型内に成形体を装填し、前記実施形態の場
合と同様の雰囲気、加圧下で、成形体を加熱しつつ成形
体中に放電を生じさせることにより、これを焼成する方
法としてもよい。また、成形体を一旦仮焼成して仮焼体
とし、該仮焼体を導電性を有する型に装填して、前記実
施形態の場合と同様の雰囲気、加圧下で、仮焼体を加熱
しつつ仮焼体中に放電を生じさせることにより、これを
焼成することも可能である。

【００３２】これらの方法によれば、予め金型で加圧成
形した成形体や仮焼体を焼成するので、放電焼結時の加
圧の影響が少なくなり、得られる焼結体の収縮率を小さ
くして、部材の寸法設計を容易にし、寸法精度を向上さ
せることができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の焼結バル
ブシート部材によれば、シート面層が本体層に積層され
て互いに拡散接合され、また、その密度比を０．９５〜
１．００として、シート面層の気孔等をほとんど除くこ
とができ、高密度かつ高精度とすることができる。した
がって、機械的強度、耐摩耗性、耐熱性等に優れた部材
となり、寿命及び信頼性が向上する。

【００３４】また、本体層とシート面層との積層構造と
したので、シート面層に高性能材料を使用したとして
も、その粉末使用量が少なくなり、耐摩耗性等が要求さ
れない本体層には比較的安価な金属を適用可能である。
この本体層を鋼や銅合金等の溶製材とすれば、強度や熱
伝導性をより高めることができる。さらに、シート面層
に基材と硬度の異なる硬質粒子を分散させることによ
り、シート面層の硬度が高められ、耐摩耗性がさらに向
上する。

【００３５】一方、本発明の製造方法によれば、放電焼
結により粉末の表面が活性化して、比較的低温において
緻密な焼結を行うことが可能であり、型を加圧しつつ通
電するので、充填された粉末を型に沿って変形収縮させ
て高密度とすることができる。したがって、寸法精度及
び密度比の高い焼結合金を得ることができる。この製造
方法において、予め成形体や仮焼体を成形して、これを
放電焼結することにより、焼結体の収縮率を小さくし
て、部材の寸法精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焼結バルブシート部材の一実施形態
を示す断面図である。

【図２】本発明のバルブシート部材の製造方法の一実
施形態において、型内で合金粉を放電焼結している状態
を示す断面図である。

【図３】本発明の焼結バルブシートの他の実施形態を
示す断面図である。

【図４】ガソリンエンジンのバルブシート部材付近を
示す断面図である。

【符号の説明】

１１バルブシート部材１２本体層１２ａ本体層用合金粉１３シート面層１３ａシート面層用合金粉１４当たり面２１上パンチ２２下パンチ２３ダイ２４コアロッド２５型２６電源３１バルブシート部材３２本体層３３段部３４シート面層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】本体層とバルブが当接するシート面層と
が拡散接合により積層されてなり、少なくともシート面
層が、密度比０．９５〜１．００の焼結合金からなるこ
とを特徴とする焼結バルブシート部材。
【請求項２】前記本体層が、溶製材から構成されてい
ることを特徴とする請求項１記載の焼結バルブシート部
材。
【請求項３】前記シート面層には、その基材となる金
属粒子よりも硬度の大きい硬質粒子が分散されているこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の焼結バルブシート
部材。
【請求項４】本体層とバルブが当接するシート面層と
が拡散接合により積層されてなるバルブシート部材を製
造する方法であって、導電性を有する型内に、本体層を構成するための金属材
を装填するとともに、シート面層を構成するための金属
粉を本体層に対して積層状に充填し、大気、吸熱性変成
雰囲気、還元性雰囲気、不活性雰囲気または真空のいず
れかの雰囲気中で、両層を加圧しつつこれらに通電する
ことにより、両層を加熱するとともにこれら層中に放電
を発生させ、両層の拡散接合及びシート面層の焼成を行
うことを特徴とする焼結バルブシート部材の製造方法。
【請求項５】本体層とバルブが当接するシート面層と
が拡散接合により積層されてなるバルブシート部材を製
造する方法であって、各層を構成するための複数種の金属粉を層状に加圧成形
してなる積層成形体を形成しておき、該積層成形体を導
電性を有する型内に装填し、大気、吸熱性変成雰囲気、
還元性雰囲気、不活性雰囲気または真空のいずれかの雰
囲気中で、両層を加圧しつつこれらに通電することによ
り、両層を加熱するとともにこれら層中に放電を発生さ
せ、両層の拡散接合及び焼成を行うことを特徴とする焼
結バルブシート部材の製造方法。
【請求項６】本体層とバルブが当接するシート面層と
が拡散接合により積層されてなるバルブシート部材を製
造する方法であって、各層を構成するための複数種の金属粉をそれぞれ加圧成
形して、複数種の成形体を成形しておき、これら成形体
を導電性を有する型内に積層状態となるように装填し、
大気、吸熱性変成雰囲気、還元性雰囲気、不活性雰囲気
または真空のいずれかの雰囲気中で、両層を加圧しつつ
これらに通電することにより、両層を加熱するとともに
これら層中に放電を発生させ、両層の拡散接合及び焼成
を行うことを特徴とする焼結バルブシート部材の製造方
法。