JPH11131108A

JPH11131108A - セラミック粒子含有の傾斜機能Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体

Info

Publication number: JPH11131108A
Application number: JP29749597A
Authority: JP
Inventors: Masahito Hirose; 正仁廣瀬; Takashi Okawa; 貴嗣大川
Original assignee: Fuji Oozx Inc; Fuji Valve Co Ltd
Current assignee: Fuji Oozx Inc
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 1999-05-18

Abstract

(57)【要約】【課題】バルブ接触側には、改良された要求特性即
ち、特に高い耐摩耗性、耐食性、高硬度、高破壊靭性を
有するが、シリンダーヘッド側には、高い熱伝導性、高
靭延性、シリンダーヘッドとの高い接合性などの要求特
性を有する、傾斜化された、バルブ・シート用のセラミ
ック粒子含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体
を得ること。【解決手段】鉄−銅の粉末焼結体に炭素を含浸させたＦ
ｅ−Ｃｕ−Ｃ組成物の粉末焼結体で作られ、バルブ接触
面側から浸炭させて、炭素含有率に傾斜化があり、バル
ブ接触面あるいはその近くに最大値を有することを特徴
とする内燃機関用のバルブ・シート用のセラミック粒子
含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体とその製
法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用のバル
ブ着座のときに、シリンダー内の気密性を確保すると同
時にバルブの熱をシリンダーヘッドから効率よく逃がせ
るバルブ・シート用のセラミック粒子含有の傾斜機能の
Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体とその特殊な製法に関す
る。更に、詳細には、本発明は、特殊な製造法による傾
斜化材料を用いた、内燃機関用のバルブ・シート用のセ
ラミック粒子含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼
結体とその特殊な製法に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のバルブ・シート等は、耐摩耗
性に優位であり、生産性や寸法精度が高い等、材料の歩
留まりもよいなどのために、粉末冶金法により形成され
るものが用いられている。そして、内燃機関用のバルブ
・シートは、吸排気バルブとの組合せにより吸排気の流
路を開閉する部品であり、その機能は、シリンダー内の
気密性の保持と、バルブからシリンダーヘッドへの放熱
によりバルブの過熱を防止することである。

【０００３】金属焼結体にセラミック粒子を含有させる
技術は、通常、サーメットと称され、耐熱性、対摩耗
性、耐食性、硬度等で、金属よりはるかに優れたセラミ
ック粒子を、金属粒子の中に混合して、焼結させる技術
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、バルブ・シー
トに要求される特性としては、バルブ接触側には、耐摩
耗性、耐食性、高硬度、高破壊靭性などが、シリンダー
ヘッド側には、高い熱伝導性、高靭延性、例えば、アル
ミシリンダーの場合ではＡｌ合金との接合性、などが各
々要請されている。現在、バルブ・シート等は、Ｆｅ
に；１％ＣをベースにＣｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏなどを数
％添加した焼結体が用いられているが、更に、優れた特
性を発現させるには通常の焼結体では限界に達してい
る。そこで、バルブ・シート用のセラミック粒子含有の
傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体を傾斜機能化さ
せることにより、高温（バルブ接触側）および低温側
（シリンダーヘッド側）での機能を分担させるものが要
請されていた。

【０００５】一方、最近のエンジンの高出力化またはリ
ーンバーンエンジン等の出現により、エンジンバルブの
高温化は避けられず、その冷却性能をより高めることが
要求されている。そのためには、バルブ・シートの熱伝
導性を高めて、シリンダーヘッドへの熱伝達性を向上さ
せることが効果的であるが、従来の鉄系材料によるバル
ブ・シートでは、熱伝導性が低いため、バルブ・シート
焼結体には銅を含有させているが、すると、炭素は銅中
に溶解しないために、含浸させても炭素は、銅粒子の中
には拡散していかない。

【０００６】また、近年動弁系部品業界において、その
コスト、性能等に対する要求が厳しくなり、部位別の要
求機能が設定される。そして、この要求を対処するため
には、バルブ・シート等のためのセラミック粒子含有の
Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体においても同様にあるが、
従来の単層若しくは２層で構成されたバルブ・シート等
のためのＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体では部位別に材料
特性、機能を振り分けることが困難であり、対応するに
はかなりのコスト増となると考えられる。また、これら
に対処する手段としては、材料の傾斜化が考えられる
が、製法的には問題がある。即ち、材料を層状に積み重
ねることは、技術的には可能であるが、手間や特殊な設
備が必要となり、量産には不向きで、実用化はなかっ
た。

【０００７】従って、本発明は、バルブ接触側には、改
良された各要求特性、即ち、高い耐摩耗性、耐食性、高
硬度、高破壊靭性を有するが、シリンダーヘッド側に
は、高い熱伝導性、高靭延性、例えば、アルミシリンダ
ーの場合ではＡｌ合金との接合性を有する特性、機能の
傾斜化された、バルブ・シート用のセラミック粒子含有
の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体を得ることを
課題とする。換言すると、本発明は、高温（バルブ接触
側）および低温側（シリンダーヘッド側）での機能を分
担させたバルブ・シート用のセラミック粒子含有の傾斜
機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体を得ることを課題と
する。更に、本発明は、特に耐摩耗性、耐食性、硬度、
破壊靭性が改良されたバルブ・シート用金属焼結体を得
ることを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、バルブ・シー
ト用のセラミック粒子含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ
系金属焼結体の特性を傾斜化させたもので、その具体的
手段は、次の如くである。 (１)鉄−銅の粉末焼結体に炭素を含浸させた、セラミッ
ク粒子含有のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ組成物の粉末焼結体で作ら
れ、バルブ接触面側から浸炭させて、炭素含有率を傾斜
化させて、バルブ接触面あるいはその近くに炭素含有率
の最大値を有するセラミック粒子含有の傾斜機能のＦｅ
−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体を提供する。

【０００９】(２)上記(１)項において、含有のセラミッ
ク粒子は、酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃等）、
炭化物（ＳｉＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＣｏＣ、Ｃｒ₃Ｃ
₂等）、窒化物（ＳｉＮ、ＣｒＮ、ＢＮ、ＴｉＢ₂等）、
硼化物（ＦｅＢ、ＣｒＢ等）、ケイ化物（ＣｒＳｉ₂、
ＭｏＳｉ₂等）から選択される１種以上のセラミック粒
子である。

【００１０】(３)上記(１)または(２)項において、銅含
有率は、１０〜３０重量％であり、残りは鉄と不可避不
純物である。

【００１１】(４)上記(２)又は(３)項において、鉄−銅
の粉末には、更に、重量％でＮｉ：１〜５重量％、Ｃ
ｒ：１〜３重量％、Ｃｏ：５重量％以下、Ｍｏ：１〜１
０重量％及びＮｂ、Ｖの１種又は２種：０．２〜１重量
％から選択された少なくとも１つの金属を含有する。 (５)上記(２)又は(３)項において、含有されるセラミッ
ク粒子の粒径は、１〜５０μｍの範囲である。 (６)上記(２)又は(３)項において、含有されるセラミッ
ク粒子の含有量は、１〜５重量％である。

【００１２】(７)更に、上記(１)項記載の焼結体を製造
する方法は、炭素を含有しない、所定形状の、セラミッ
ク粒子含有の鉄−銅の粉末焼結体の所定の側の表面に、
炭素固形物を接着させておいて、所定の高温に、一定時
間保持して、炭素を、鉄−銅の粉末焼結体内に含浸処理
して、炭素含有率が、一方の側から傾斜化させた浸炭の
炭素含有率で、バルブ接触面あるいはその近くに最大値
を有するセラミック粒子含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−
Ｃ系金属焼結体を得ることである。

【００１３】(８)上記(７)項の製法において、各々、上
記の(２)、(３)、(４)、(５)、(６)項の焼結体を製造す
る製法である。 (９)上記(７)項の製法において、高温保持温度は、１０
００℃〜１３００℃の範囲であり、保持時間は、２〜５
時間であり、処理雰囲気は水素雰囲気である。 (１０)更に、上記(７)の製法において、高温保持温度へ
の昇温速度と降温速度は、５〜１５℃／分の範囲であ
る。 (１１)更に、上記(７)の製法において、急冷処理により
冷却すること。

【００１４】バルブ・シート用のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属
焼結体に要求される特性としては、第１に、耐脱落性で
あり、シリンダーヘッド内の温度が上昇すると、高温に
あるバルブ・シートと比較的に低温のシリンダーヘッド
の間は熱膨張率の差により、熱応力が生じるために、こ
の熱応力に耐え得るような、特に強度確保及び低い熱膨
張率が必要とされる。

【００１５】また、第２の要求される特性としては、耐
摩耗性であり、即ち、バルブと直接接触してもそれとの
干渉に耐え得るために、高温領域でも、高い硬度と高い
強度が要求される。それと同時に、バルブ材料との摩耗
相性をも重視される。

【００１６】更に、バルブ・シートの相手（即ち、シリ
ンダーヘッド）の材料が鋼で構成される場合、焼き付き
性を向上させるために、セラミック粒子を含有すると良
いと考えられる。同時に、セラミック粒子を混合金属粒
子の中に混合させて、焼結すると、更に、耐熱性、耐食
性、耐摩耗性、靭性、硬度等を改良することができる。

【００１７】また、以上の２つの要求特性は、特に、セ
ラミック粒子が、その金属あるいは合金粒子の間に存在
する場合には、特に、更に、改良されると思われる。

【００１８】そして、本発明では、バルブ・シートの機
能特性を部位別に分類し、即ち、バルブ側とシリンダー
ヘッド側では特性を異なるようにした。従来の技術で
は、各々の要求特性に対応すべく、焼結体の材料を傾斜
機能化させ、各々の用途に適した材料特性を供すること
が可能にしたものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によるバルブ・シ
ート用のセラミック粒子含有のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼
結体(１)を示す。バルブ・シート用のセラミック粒子含
有のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体(１)は、図示のよう
に、シリンダーヘッド(２)内で、バルブ(３)の接触する
床として、嵌着固定されている。従って、バルブ・シー
ト(１)は、バルブ(３)の往復運動に伴ってバルブ(３)の
外側表面に当り、その箇所(５)では、シリンダーヘッド
(２)と間に気密性を保持しなければならない。また、バ
ルブ・シートのその箇所(５)は、最も高温に熱せられ、
同時にその箇所は、耐摩耗性が高いこと、耐食性が高い
こと、破壊靭性が高いことが必要である。そして、高温
の熱は、シリンダーヘッド(２)側に逃げるために、バル
ブ・シート(１)のシリンダーヘッド(２)に接する側(４)
に迅速に伝達されなければならない。

【００２０】このような所望のバルブ・シート要求特性
に対して、本発明は、セラミック粒子含有のＦｅ−Ｃｕ
−Ｃ系金属焼結体において、炭素元素の含有率を傾斜化
させることにより、組織形態が傾斜分布化され、前記で
検討した要求特性を満たすバルブ・シートを得られたも
のである。即ち、本発明は、炭素元素を傾斜浸炭させた
ことによる、傾斜化された組織形態を有する、バルブ・
シート用のセラミック粒子含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ
−Ｃ系金属焼結体であり、また、そのような傾斜化され
た組織形態を有するバルブ・シート用のセラミック粒子
含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体の製造方
法を提示するものである。

【００２１】従って、先ず、本発明のバルブ・シート用
のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体の傾斜化組織形態は、次
のようなものである。炭素含有のない鉄−銅の粉末の銅
含有率は、１０〜３０重量％の範囲である。それは、銅
含有率が１０重量％未満では、銅含有の効果が少ない
が、３０重量％を超えると、液相量が増加するため、内
部にひけ巣及び液相もれ等が生じ、密度の増加が興らな
い。また、さらに、好適には、２０〜３０重量％の範囲
である。

【００２２】炭素含有のない鉄−銅の粉末での組成物へ
の添加されるセラミック粒子については以下である。即
ち、酸化物としては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃等、
炭化物としては、ＳｉＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＣｏＣ、Ｃ
ｒ₃Ｃ₂等、窒化物としては、ＳｉＮ、ＣｒＮ、ＢＮ、Ｔ
ｉＢ₂等、硼化物としては、ＦｅＢ、ＣｒＢ等、ケイ化
物としては、ＣｒＳｉ₂、ＭｏＳｉ₂等から選択されるセ
ラミック粒子を用いることができる。

【００２３】即ち、酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ
₃等）は、特に、高温特性を付与するに適する。そし
て、炭化物（ＳｉＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＣｏＣ、Ｃｒ₃
Ｃ₂等）は、特に、潤滑特性を付与するに適する。そし
て、窒化物（ＳｉＮ、ＣｒＮ、ＢＮ、ＴｉＢ₂等）は、
特に、潤滑特性を付与するに適する。硼化物（ＦｅＢ、
ＣｒＢ等）は、特に潤滑特性を付与するに適する。ケイ
化物（ＣｒＳｉ₂、ＭｏＳｉ₂等）は、特に潤滑特性を付
与するに適する。

【００２４】これらのセラミック粒子は、金属焼結体を
浸炭処理する温度では、溶融等の変化はなく、浸炭され
ることはないので、セラミック粒子は、得られたバルブ
・シート材料の中で、使用される際に、対熱性等が発揮
される。

【００２５】鉄−銅の粉末の中には更に、次の金属を特
定含有量で添加したものを用いると、更に、効果がある
ものである。すなわち、Ｎｉ：１〜５重量％であり、Ｎ
ｉが１重量％未満では、基地強化が図れず、５重量％を
超えると、オーステナイトが残留する。Ｃｒ：１〜３重
量％であり、Ｃｒが１重量％未満では、耐熱性が不充分
であり、３重量％を超えると、高密度が確保できない。
Ｃｏ：５重量％以下であり、Ｃｏが１重量％未満では、
基地強化が不充分であり、５重量％を超えると、飽和す
るだけで、それ以上増加しても効果はない。Ｍｏ：１〜
１０重量％であり、Ｍｏが１重量％未満では、耐摩耗性
が向上せず、１０重量％を超えると、強度が低下する。
ＮｂまたはＶの含有率：０．２〜１重量％であり、Ｎｂ
が０．２重量％未満では、耐摩耗性が確保できず、１重
量％を超えると、基地が脆くなる。

【００２６】次に、本発明の傾斜化された組織形態のバ
ルブ・シート用のセラミック粒子含有の傾斜機能のＦｅ
−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体は、次のような特殊の製造方法
により製造されるものである。即ち、先ず、原料の粉末
は、次のようにして調製される。原料粉末は、カ−ボニ
ル鉄粉と電解銅粉末である。そして、これらの粉末に還
元処理したものを使用する。還元処理としては、水素雰
囲気中で、例えば、約４００℃で、４５分間処理するこ
とを用いる。この他の還元処理も勿論用いることができ
る。この還元処理された各粉末原料を所望の組成、例え
ば、鉄含有率が、７０〜９０重量％になるように、鉄還
元粉末と銅還元粉末を秤量し、アルミナ乳鉢で粉砕混合
して混合粉末を調製する。更に、セラミック粒子を混合
して、含有させたものである。

【００２７】この調製した混合粉末をフローテイングダ
イ方式の金型を用いて、ハンドプレスにより所定形状
に、例えば、（約１００ＭＰａの圧力で直径１０ｍｍ、
高さ約８ｍｍの円柱形）に仮成形する。このときに、潤
滑剤としてステアリン酸アセトン溶液をダイスの内壁面
及びポンチの外側面に塗布するのがよい。その後、静水
圧成形（ＣＩＰ）を用いて、２００ＭＰａで成形する。
それにより、試料の成形密度は、均一化された。

【００２８】次に、利用すべき焼結法を詳細に検討す
る。即ち、以上の方法で成形した試料の焼結は、酸化を
防ぐために、還元雰囲気（Ｈ₂)中で行う。緻密化させる
ために、液相焼結になるための焼結条件には、図２のＦ
ｅ−Ｃｕ合金系状態図を参考にして、選択すればよい。
そして、成形体を、水素雰囲気中で、昇温速度約５〜１
５℃／分の範囲で昇温して、保持温度１０００℃〜１３
００℃（好適には、約１２００℃）に、約２〜５時間の
範囲保持して、降温速度約５〜１５℃／分（好適には、
１０℃／分）で降温することにより、焼結処理する。

【００２９】得られた焼結体は、更に、アルキメデス法
により相対密度を測定する。セラミック粒子含有のＦｅ
−Ｃｕ焼結体では、銅は、実質的には鉄の中にほとんど
固溶しないように見え、焼結後のものを観察すると、イ
ンフィルトレーションが観察され、焼結体内の空孔を埋
める形態になることが分かる。そして、その後の傾斜化
は、浸炭処理により生ずるもので、物性値が傾斜化する
ものである。

【００３０】また、次に行う浸炭処理法を詳細に検討す
る。即ち、浸炭処理を施した試料と比較するために、予
め炭素を加えた焼結体を作製すると、添加する炭素粉末
は、純度９９．９９％以上で、２００メッシュ以上の炭
素粉末を使用し、鉄粉末に対して銅粉末３０重量％及び
２０重量％を混合し、炭素粉末は鉄に対して０〜１．５
重量％添加した混合成形体を、Ｆｅ−Ｃｕ成形体と同様
に、焼結処理した。焼結処理温度は１１４０℃で保持時
間６時間で、昇温および降温速度は１０℃／分である。

【００３１】以上のように、予め炭素を添加して焼結し
た試料について顕微鏡観察した。炭素がないときは、液
相が粒子の間に深く浸透し液相のネットワークが広がっ
ているが配向性は見られないが、炭素量が０．５重量
％、０．１重量％と増加するにつれ、液相のネットワー
クが分断されるようになり、固相接触率が高くなる。こ
れは添加炭素が固相間の界面エネルギーを減少させたか
らである。炭素添加が１．５重量％では、マトリックス
のパーライトは粗く、初析セメンタイトが粒界に太く網
目状に現れ、結局、耐摩耗性はこれ以上高くならない。

【００３２】以下、具体的な実施例により本発明を説明
するが、本発明はこれに限定されない。

【００３３】

【実施例】日興ファインプロダクツ（株）製のカーボニ
ル鉄粉及び福田金属箔工業（株）製の電解銅粉を原料粉
末として、水素雰囲気中で、約３５０℃で、４５分間還
元処理したものを用いた。各々の粉末を、各組成比で、
Ｆｅ容量％で２０〜５０容量％の範囲のＦｅ−Ｃｕ組成
物を秤量し、混合し、アルミナ乳鉢中に入れて、３０分
間混合して、鉄−銅の混合粉末を調製した。

【００３４】次に、セラミック粒子を含有させるため
に、粒径約４５μｍのＺｒＯ₂とＴｉＣを各々秤量し
て、鉄−銅の混合粉末に添加し混合する。

【００３５】次に、調製した混合粉末をフローテイング
ダイ方式の金型を用い、ハンドプレスにより１００ＭＰ
ａの圧力で直径１０ｍｍ、高さ約８ｍｍの円柱形に仮成
形した。次に、潤滑剤としては、ステアリン酸のアセト
ン溶液をダイス内壁及びポンチ外側に用いて、本成形し
た。その成形圧力は、静圧（ＣＩＰ）２００ＭＰａで行
い、得られた成形体の密度を均一化するようにした。

【００３６】得られた成形体の焼結処理は、酸化を防ぐ
ために還元雰囲気（Ｈ₂）中で行った。液相の焼結条件
になるように、保持温度１２００℃で、昇温、降温速度
は、約１０℃／分で行い、保持時間３時間で焼成処理
し、焼結体を得る。

【００３７】次に、この焼結体に対して浸炭処理を行
う。浸炭材として、純正化学（株）製の鱗片状の黒鉛を
用いて行った。この黒鉛をハンドプレスにより１００Ｍ
Ｐａの圧力で直径１６ｍｍ、高さ約４ｍｍの円柱状に成
形し、この成形体の上に、前記のＦｅ−Ｃｕ焼結体の所
定表面上に置き、水素雰囲気中で浸炭処理を行った。

【００３８】浸炭処理温度は、１１４０℃と１２００℃
を用いた。保持時間は、３時間と５時間とした。昇温速
度は１０℃／分とし、冷却速度は１０℃／分で徐冷した
場合と、水焼き入れを施して、急冷した場合との２通り
を行い、比較した。

【００３９】浸炭処理した試料を浸炭薄膜にファインカ
ッターで切断し、樹脂に埋め込み、顕微鏡その他で以下
のような観察をした。１．組織観察：画像処理装置（日本アビオニクス社製Ａ
ＶＩＯＥＸＣＥＬ）を用いて、銅相の体積分率、楕円
相当長軸の水平方向からの傾きを測定した。２．ＥＰＭＡによる炭素分布の測定：浸炭により炭素が
どのように拡散分布したかを確認するために、ＥＰＭＡ
分析を行った。３．硬度試験：浸炭により入った炭素は、処理温度が低
いので、基本的に銅中にはほとんど固溶しない。従っ
て、導入された炭素により影響は鉄粒子のみに現れるの
で、この部分でのビッカース微小硬度を調べた。比較の
ために、前記の鉄粉末に銅粉末を２０重量％予め添加し
て成形、焼結した試料のビッカース微小硬度を調べた。
なお、試験荷重は２５ｇ、荷重負荷時間は５秒とした。

【００４０】４．熱伝導率の測定：１１４０℃で３時間
浸炭し、急冷した試料を水平方向に約１mmの厚さに切断
し、各々についてレーザーフラッシュ法により室温にお
ける熱伝導率を測定した。

【００４１】Ａ．銅量の影響：１２００℃で３時間焼結
処理した試料の銅量による相対密度の変化を図４に示
す。液相焼結のために相対密度はかなり高くなるが、銅
量が３０重量％で最大値となり、それ以上銅を加えると
相対密度は減少した。それらの焼結体を観察すると、銅
量が４０重量％以上の試料では発生液相が多いため、大
きく変形している。この試料を切断すると内部にひけ巣
のような大きな空隙が見られ、これが相対密度の減少の
原因と見られる。材料の緻密化は、要求特性を満たすた
めの条件の１つであり、また、大きく変形することは、
製品の作製に困難を伴うので不都合である。従って、銅
含有率は、３０重量％以下が好適である。また、銅は鉄
粒子中に固溶されることが考えられるが、液相の量が多
くなるほど試料表面が銅メッキのようになると思われ
る。但し、含有したセラミック粒子の中には銅イオンが
拡散しない。

【００４２】Ｂ．組織観察の結果：前記のように、予め
炭素添加して焼結した試料を観察すると、炭素添加なし
では液相ネットワークの広がりが見られるが、炭素添加
量が増加するにつれ、その液相ネットワークが分断され
る。一方、１２００℃で３時間浸炭した試料では、浸炭
面から遠い箇所では、浸炭の影響はほとんど見られず、
液相ネットワークが発達した配向性のない組織で焼結し
たままで変化はない。ところが、浸炭面に近づくにつれ
拡散固溶する炭素量が増加すると共に固相接触率が増加
し、液相ネットワークが分断されている。また、組織は
浸炭方向への方向性が見られるようになる。更に、浸炭
面に近づくと鉄部分は初析セメンタイトが太く析出した
パーライトとなっているが、添加銅による液相は、円形
或いは縦に伸びた楕円形をしていた。これは、炭素の固
溶による液相の孤立化、固相の接触率の増加などが進
み、粒界の移動などにより粒子成長が進むためと見られ
る。

【００４３】更に、一番浸炭面に近い部分では、大きな
変形が見られ、浸炭温度は銅の融点より高く、鉄−炭素
の共晶温度よりも高いため、浸炭処理により鉄も炭素と
の共晶反応により融解したためである。

【００４４】次に１１４０℃で３時間浸炭した試料につ
いては、この温度は鉄−炭素系の共晶温度より低く、鉄
は融解しない。温度が低いだけ粒径が小さくなってい
る。特に浸炭面に一番近い部分の粒径が小さくなってい
る。これは、この部分の液相量が多いことから、固相間
の接触率が小さくなったと思われる。

【００４５】１１４０℃で１５時間浸炭した試料では、
１１４０℃３時間浸炭の試料と同様の組織であるが、浸
炭時間が長いため、粒径、孤立液相サイズ、気孔サイ
ズ、浸炭深さが大きくなっただけである。含有させたセ
ラミック粒子は粒径、界面でも変化せずにあり、浸炭処
理でも変化せずに鉄−銅の焼結体の中にある。

【００４６】Ｃ．得られた方向性：１１４０℃３時間浸
炭した試料中の銅粒子の主軸の傾向を測定して、図６に
示す。浸炭面から０．６mmの所と４．０mmの所の銅粒子
の楕円相当長軸の傾きを測定したものである。図５から
浸炭方向への組織の方向性が、浸炭面付近では見られる
ことが分かる。これは、炭素濃度差に起因する鉄粒子の
化学ポテンシャルの差を起動力として、溶解−再析出が
生じた結果と考えられる。炭素の拡散に伴い、炭素は銅
液相への進入が妨げられるため、鉄粒子は浸炭方向に合
体、粒子成長しやすくなり、組織に方向性が現れたと考
えられる。以上のことから、浸炭面付近では浸炭方向へ
の方向性が強く、炭素濃度差のない浸炭面から遠い部分
では配向性がない。以上により、傾斜化組織が得られ
た。

【００４７】Ｄ．炭素分布：炭素は、銅にもまた銅を主
成分とする鉄−銅系合金にもほとんど固溶度を持たない
ために、炭素の拡散は鉄相においてのみ進行する。従っ
て、炭素は、主に鉄相に分布され、拡散法則に従って、
拡散されると思われる。然し乍ら、実際は、図７、図８
に示されるように、炭素は浸炭面から離れた所に炭素分
布のピークがある。１１４０℃３時間の浸炭では浸炭面
から０．２mmほど離れたところ、１５時間浸炭では１．
０mmほど離れたところに、炭素分布のピークが存在し
た。

【００４８】Ｅ．得られた傾斜化：浸炭させた結果の物
性の傾斜化を測定すると、図７の熱伝導率及び図８のビ
ッカ−ス硬度の変化のプロフィルが得られる。図７及び
図８は、１１４０℃３時間浸炭した試料について測定し
たものである。γ鉄に固溶する最大濃度と考え、図３の
鉄−炭素系状態図から１１４０℃の場合については、最
大炭素濃度は２．１重量％と計算できる。

【００４９】ビッカ−ス微小硬度試験：銅３０重量％の
鉄−銅の焼結体について、１１４０℃３時間浸炭したも
のを、１つは水焼き入れ急冷した試料ともう１つは１０
℃／分で徐冷した試料について、ビッカース微小硬度を
測定し、図８に示す。急冷の方が、ビッカース微小硬度
が改善されていることが分かる。また、炭素濃度最大点
でビッカース微小硬度最大でないことが分かる。どの試
料でも炭素量が約０．７重量％程度の位置で硬度が最大
となり、それ以上加えても硬度は改善しない。更に、
１．５重量％になると硬度は減少している。これは、組
織観察で説明したように、浸炭異常組織のようなものが
生じているためと思われる。

【００５０】熱伝導率測定：レーザーフラッシュ法によ
り測定した熱伝導率を図７に示す。熱伝導率は炭素量が
増加するほど小さくなっていることが分かる。また、浸
炭面から遠く離れた部分の熱伝導率は、３５Ｗ／（ｍ・
Ｋ）ほどで、金属の熱伝導率より大分低い。これは、材
料が焼結体であるためである。然し乍ら、現在のバルブ
・シートに用いられる材料の熱伝導率は、１７〜４０Ｗ
／（ｍ・Ｋ）ほどであり、本発明の材料は比較的に良好
な材料である。

【００５１】

【発明の効果】本発明のバルブ・シート用のセラミック
粒子含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体で
は、次のような効果を奏する。 (１)バルブ・シート用のセラミック粒子含有の傾斜機能
のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体は、浸炭処理により、炭
素濃度の分布を傾斜化させることができたと同時に、配
向性のない組織だった焼結体中に浸炭処理面付近に、浸
炭薄膜への方向性を持つ組織を得ることができ、組織形
態も傾斜化させることができた。 (２)組織の傾斜化させることにより、熱的、機械的性質
を傾斜化できた。詳細すると、ビッカース硬度は、炭素
量が０．７重量％程度までは、炭素量が増加するほど硬
度が高くなるが、熱伝導率は、炭素量が増加するほど低
くなる。然し乍ら、浸炭領域は、バルブ接触面に近くだ
けであるので、全体としての熱伝導率は、銅含有もあ
り、低くならず、シリンダーヘッド接触側にはその悪影
響がない。

【００５２】(３)以上のバルブ・シート用のセラミック
粒子含有の傾斜機能の焼結体は、成形処理と焼結処理と
浸炭処理だけで製造でき、比較的に工程も少なく、コス
ト的にも有利である。 (４)また、セラミック粒子含有の傾斜機能の焼結体は、
銅を含有しているので、シリンダーヘッドとの接合性も
良好であり、将来的にも、種々の展開が容易であり、期
待される。

【００５３】(ａ)更に、請求項２の発明：セラミック粒
子含有により、改良された硬度、耐熱性等を有する焼結
体が得られた。 (ｂ)請求項３により、銅含有量を特定することにより、
液相量を最適にでき、内部に巣等が入らず、液相もれの
ない、密度の比較的に大きなバルブ・シート焼結体が得
られる。 (ｃ)請求項４により、セラミック粒子サイズを適正にす
ることにより、金属焼結体に対する硬度向上等の効果を
高める。 (ｄ)請求項５により、効果的なセラミック粒子にする。 (ｅ)請求項６により、微量の効果的金属の添加により、
更に、バルブ・シートの要求特性を改良したものを得
る。

【００５４】(ｆ)請求項７の特別の製法により、バルブ
・シートとしての要求特性を有するバルブ・シート焼結
体が比較的に廉価に得る。 (ｇ)請求項８、９のようにすると、更に、要求特性を改
良されたものを廉価に製造できる。 (ｈ)請求項１０のようにすると、更に、特性のすぐれた
焼結体を得る方法となる。 (ｉ)請求項１１のようにすると、鉄−銅の焼結体の焼き
入れ効果が得られるバルブ・シート焼結体を作る方法が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のバルブ・シートの構造を説明する一部
断面図である。

【図２】鉄−銅系の状態図である。

【図３】鉄−炭素系の状態図である。

【図４】鉄−銅系の金属焼結体における銅含有率と比較
密度の関係を示す図である。

【図５】本発明の焼結体の浸炭状態を模式的に示す説明
図である。

【図６】本発明の焼結体の浸炭された試料中の銅粒子の
形状の傾向を測定した結果を示すグラフである。

【図７】本発明の焼結体の熱伝導率の変化を浸炭面から
の距離に対して測定したグラフである。

【図８】本発明の焼結体のビッカース微小硬度及び炭素
含有率の変化を浸炭面からの距離に対して測定したグラ
フである。

【符号の説明】

(１) バルブ・シート用のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結
体 (２) シリンダーヘッド (３) バルブ (４) バルブ・シートのシリンダーヘッド側 (５) バルブ・シートのバルブ接触面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック粒子を含有させた鉄−銅の
粉末焼結体に炭素を含浸させた、セラミック粒子含有の
Ｆｅ−Ｃｕ−Ｃ組成物の粉末焼結体で作られ、バルブ接
触面側から浸炭させて、炭素含有率に傾斜化があり、バ
ルブ接触面あるいはその近くに最大値を有することを特
徴とする内燃機関用のバルブ・シート用のセラミック粒
子含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体。
【請求項２】含有されるセラミック粒子は、酸化物
（Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃等）、炭化物（ＳｉＣ、
ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＣｏＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂等）、窒化物（Ｓｉ
Ｎ、ＣｒＮ、ＢＮ、ＴｉＢ₂等）、硼化物（ＦｅＢ、Ｃ
ｒＢ等）、ケイ化物（ＣｒＳｉ₂、ＭｏＳｉ₂等）から選
択される１種以上のセラミック粒子であることを特徴と
する請求項１記載のバルブ・シート用のセラミック粒子
含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体。
【請求項３】銅含有率は、１０〜３０重量％であ
り、残りは鉄と不可避不純物であることを特徴とする請
求項１或いは２記載のバルブ・シート用のセラミック粒
子含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体。
【請求項４】含有されるセラミック粒子の粒径は、
１〜５０μｍである請求項１あるいは２記載のバルブ・
シート用のセラミック粒子含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ
−Ｃ系金属焼結体。
【請求項５】含有されるセラミック粒子の含有量
は、１〜５重量％とする請求項１あるいは２記載のバル
ブ・シート用のセラミック粒子含有の傾斜機能のＦｅ−
Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体。
【請求項６】鉄−銅の粉末には、更に、重量％でＮ
ｉ：１〜５重量％、Ｃｒ：１〜３重量％、Ｃｏ：５重量
％以下、Ｍｏ：１〜１０重量％及びＮｂ、Ｖの１種又は
２種：０．２〜１重量％から選択された少なくとも１つ
の金属を含有することを特徴とする請求項１または２記
載のバルブ・シート用のセラミック粒子含有の傾斜機能
のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体。
【請求項７】炭素を含有しない、所定形状の、セラ
ミック粒子を含有させた、鉄−銅の粉末焼結体の所定の
側の表面に、炭素固形物を接着させておいて、所定の高
温に、一定時間保持して、炭素を、鉄−銅の粉末焼結体
内に含浸処理して、炭素含有率が、一方の側から傾斜化
させた浸炭の炭素含有率で、バルブ接触面あるいはその
近くに最大値を有するＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体を製
造することを特徴とする内燃機関用のバルブ・シート用
のセラミック粒子含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金
属焼結体の製法。
【請求項８】含有のセラミック粒子は、酸化物（Ａ
ｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃等）、炭化物（ＳｉＣ、Ｎｂ
Ｃ、ＴｉＣ、ＣｏＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂等）、窒化物（ＳｉＮ、
ＣｒＮ、ＢＮ、ＴｉＢ₂等）、硼化物（ＦｅＢ、ＣｒＢ
等）、ケイ化物（ＣｒＳｉ₂、ＭｏＳｉ₂等）から選択さ
れる１種以上のセラミック粒子であることを特徴とする
請求項５記載のバルブ・シート用のセラミック粒子含有
の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体の製法。
【請求項９】鉄−銅の粉末には、更に、重量％でＮ
ｉ：１〜５重量％、Ｃｒ：１〜３重量％、Ｃｏ：５重量
％以下、Ｍｏ：１〜１０重量％及びＮｂ、Ｖの１種又は
２種：０．２〜１重量％から選択された少なくとも１つ
の金属を含有するものを用いることを特徴とする請求項
７または８記載のバルブ・シート用のセラミック粒子含
有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体の製法。
【請求項１０】前記の高温保持温度は、１０００℃
〜１３００℃の範囲であり、保持時間は、２〜５時間で
あり、処理雰囲気は水素雰囲気である請求項７或いは８
記載のバルブ・シート用のセラミック粒子含有の傾斜機
能のＦｅ−Ｃｕ−Ｃ系金属焼結体の製法。
【請求項１１】前記の高温保持温度への昇温速度と
それからの降温速度は、５〜１５℃／分の範囲であるこ
とを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のバルブ
・シート用のセラミック粒子含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃ
ｕ−Ｃ系金属焼結体の製法。
【請求項１２】処理のために、所定の高温に一定時
間保持した後に、水中に焼き入れして、急冷することを
特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載のバルブ・
シート用のセラミック粒子含有の傾斜機能のＦｅ−Ｃｕ
−Ｃ系金属焼結体の製法。