JPH11140606A - 耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブシート - Google Patents

耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブシート

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JPH11140606A
JPH11140606A JP9313378A JP31337897A JPH11140606A JP H11140606 A JPH11140606 A JP H11140606A JP 9313378 A JP9313378 A JP 9313378A JP 31337897 A JP31337897 A JP 31337897A JP H11140606 A JPH11140606 A JP H11140606A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブ
シートを提供する。 【解決手段】 バルブシートが、重量％で、Ｃ：０．５
〜２％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｃｏ：８〜１６％、Ｃ
ｒ：２〜８％、Ｍｏ：１．５〜６％、Ｗ：１．５〜６
％、Ｎｉ：０．５〜２％、Ｎｂ：０．０５〜１％、Ｃａ
Ｆ2 ：１〜１５％を含有し、残りがＦｅと不可避不純物
からなる全体組成、合金鋼の素地に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ
系合金からなる高温耐摩耗性Ｃｏ基合金硬質粒子Ａと、
Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金からなる常温耐摩耗性Ｃｒ
基合金硬質粒子Ｂとが、合量で６〜２６面積％の割合で
分散分布し、さらにＣａＦ2 粒子が同じく３〜４５面積
％の割合で分散分布した組織、および５〜２５％の気孔
率をもったＦｅ基焼結合金からなり、さらに必要に応じ
てこれに銅または銅合金、あるいは鉛または鉛合金を溶
浸したものからなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ディーゼルエン
ジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の構造部材であ
るＦｅ基焼結合金製バルブシートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、内燃機関のＦｅ基焼結合金製バル
ブシートとしては、例えば特開昭５５−１６４０６３号
公報や特開昭５８−１７８０７３号公報などに記載され
るように、硬質粒子分散型のＦｅ基焼結合金で構成され
たものが多く提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一方、近年の内燃機関
の高出力化および大型化はめざましく、これに伴ない、
内燃機関の構造部材であるバルブシートは、より一段の
高温環境下での稼働を余儀なくされるが、上記の従来Ｆ
ｅ基焼結合金製バルブシートはじめ、その他多くのバル
ブシートをより一段の高温環境下で用いた場合、摩耗進
行が急激に促進されるようになり、比較的短時間で使用
寿命に至るのが現状である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、特に高温環境にさらされても、
すぐれた耐摩耗性を発揮するバルブシートを開発すべく
研究を行なった結果、バルブシートを、重量％で（以
下、組成に関する％は重量％を示す）、 Ｃ：０．５〜２％、 Ｓｉ：０．０５〜１％、 Ｃｏ：８〜１６％、 Ｃｒ：２〜８％、 Ｍｏ：１．５〜６％、 Ｗ：１．５〜６％、 Ｎｉ：０．５〜２％、 Ｎｂ：０．０５〜１％、 弗化カルシウム（以下、ＣａＦ2 で示す）：１〜１５
％、を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる全体
組成、合金鋼の素地に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からな
るＣｏ基合金硬質粒子Ａと、Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆｅ系合
金からなるＣｒ基合金硬質粒子Ｂとが、光学顕微鏡組織
写真で観察して、合量で６〜２６面積％の割合で分散分
布し、かつ前記硬質粒子Ａの割合が硬質粒子に占める割
合で２５〜７５面積％であり、さらにＣａＦ2粒子が同
じく３〜４５面積％の割合で分散分布した組織、および
５〜２５％の気孔率、を有するＦｅ基焼結合金で構成す
ると、この結果のＦｅ基焼結合金製バルブシートにおい
ては、特に上記硬質粒子Ａが高温耐摩耗性にすぐれてい
ることから、これによってより高温下での使用に際して
もすぐれた耐摩耗性が確保され、また上記硬質粒子Ｂに
よってすぐれた常温耐摩耗性が確保され、さらに上記Ｃ
ａＦ2 粒子による潤滑性向上効果によって耐摩耗性が一
段と向上し、かつ前記潤滑性向上効果と前記常温耐摩耗
性向上効果とが相まって、特に内燃機関の初期稼動時お
よび低速運転時における耐摩耗性が向上し、この結果全
体的にすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するように
なり、またこれに銅または銅合金を溶浸させると熱伝導
性および強度が向上し、一方鉛または鉛合金を溶浸させ
ると潤滑性、制振性、および被削性が向上するようにな
るという研究結果を得たのである。
【０００５】この発明は、上記の研究結果にもとづいて
なされたものであって、 Ｃ：０．５〜２％、 Ｓｉ：０．０５〜１％、 Ｃｏ：８〜１６％、 Ｃｒ：２〜８％、 Ｍｏ：１．５〜６％、 Ｗ：１．５〜６％、 Ｎｉ：０．５〜２％、 Ｎｂ：０．０５〜１％、 ＣａＦ2 ：１〜１５％、 を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる全体組
成、素地中に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなる高温耐
摩耗性Ｃｏ基合金硬質粒子Ａと、Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆｅ
系合金からなる常温耐摩耗性Ｃｒ基合金硬質粒子Ｂと
が、光学顕微鏡組織写真で観察して、合量で６〜２６面
積％の割合で分散分布し、かつ前記硬質粒子Ａの割合が
硬質粒子に占める割合で２５〜７５面積％であり、さら
にＣａＦ2 粒子が同じく３〜４５面積％の割合で分散分
布した組織、および５〜２５％の気孔率、を有するＦｅ
基焼結合金で構成し、さらに必要に応じてこれに銅また
は銅合金、あるいは鉛または鉛合金を溶浸してなる耐摩
耗性のすぐれＦｅ基焼結合金製バルブシートに特徴を有
するものである。
【０００６】なお、この発明のバルブシートは、素地形
成用合金粉末として、 Ｃ：０．２〜３％、 Ｎｉ：０．５〜７％、 Ｃｏ：１〜１２％、 Ｎｂ：０．０５〜１．５
％、 を含有し、さらに必要に応じて、 Ｃｒ：０．３〜６％、 Ｍｏ：０．２〜６％、 Ｗ：０．５〜６％、 Ｓｉ：０．１〜１％、 のうちの１種または２種以上、を含有し、残りがＦｅと
不可避不純物からなる組成を有する合金鋼粉末、また、
硬質粒子Ａ形成用合金粉末として、 Ｍｏ：２０〜３５％、 Ｃｒ：５〜１０％、 Ｓｉ：１〜４％、 を含有し、残りがＣｏと不可避不純物からなる組成を有
するＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなるＣｏ基合金粉末、
さらに、硬質粒子Ｂ形成用合金粉末として、 Ｃ：０．５〜３％、 Ｗ：１５〜３０％、 Ｃｏ：１５〜３０％、 Ｆｅ：５〜１５％、 Ｎｂ：０．２〜２％、 Ｓｉ：０．２〜２％、 を含有し、残りがＣｒと不可避不純物からなる組成を有
するＣｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金からなるＣｒ基合金粉
末、を原料粉末として用い、これら原料粉末を、同じく
原料粉末として用意したＣａＦ2 粉末と共に、所定の割
合に配合し、以下通常の条件で、混合し、所定の形状に
プレス成形し、焼結し、さらに必要に応じて銅または銅
合金、あるいは鉛または鉛合金を溶浸することによって
製造される。また、上記の素地形成用原料粉末について
は、上記合金鋼粉末に代って、要素粉末、あるいは要素
粉末と合金粉末を用い、これらを上記合金鋼粉末と同じ
組成をもつように配合したものを原料粉末として用いて
もよい。
【０００７】つぎに、この発明のバルブシートにおい
て、これを構成するＦｅ基焼結合金の全体組成、硬質粒
子およびＣａＦ2 粒子の割合、さらに気孔率を上記の通
りに限定した理由を説明する。 （Ａ） 成分組成 （ａ） Ｃ Ｃ成分には、素地に固溶して、これを強化するほか、素
地に分散する炭化物を形成して素地の耐摩耗性を向上さ
せ、さらに硬質粒子Ａ，Ｂのそれぞれに含有して耐摩耗
性を向上させる作用があるが、その含有量が０．５％未
満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その
含有量が２％を越えると、相手攻撃性が急激に増大する
ようになることから、その含有量を０．５〜２％、望ま
しくは０．８〜１．５％と定めた。
【０００８】（ｂ） Ｓｉ Ｓｉ成分は、主に硬質粒子Ａ，Ｂに含有して、硬質の金
属間化合物を形成し、これの耐摩耗性向上に寄与する
が、その含有量が０．０５％未満では前記作用に所望の
効果が得られず、一方その含有量が１％を越えると硬質
粒子Ｂ自体が脆化し、耐摩耗性低下の原因となることか
ら、その含有量を０．０５〜１％、望ましくは０．２〜
０．７％と定めた。
【０００９】（ｃ） Ｃｏ Ｃｏ成分には、素地を固溶強化すると共に、硬質粒子Ａ
の高温耐摩耗性向上に寄与し、かつ硬質粒子Ｂを固溶強
化する作用があるが、その含有量が８％未満では前記作
用に所望の効果が得られず、一方その含有量が１６％を
越えると、バルブシート自体の耐摩耗性が低下するよう
になることから、その含有量を８〜１６％、望ましくは
１０〜１４％と定めた。
【００１０】（ｄ） Ｃｒ Ｃｒ成分には、素地を固溶強化し、また硬質粒子Ｂで
は、主成分として含有して炭化物および金属間化合物を
形成して常温耐摩耗性を向上させ、さらに硬質粒子Ａで
は同じく炭化物および金属間化合物を形成し、Ｃｏとの
共存で高温耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その
含有量が２％未満では前記作用に所望の効果が得られ
ず、一方その含有量が８％を越えると焼結性が低下し、
バルブシートに所望の強度を確保することができなくな
ることから、その含有量を２〜８％、望ましくは４〜６
％と定めた。
【００１１】（ｅ） Ｍｏ Ｍｏ成分には、素地を固溶強化し、かつ硬質粒子Ｂには
実質的に含有せず、主体が硬質粒子Ａに含有して炭化物
を形成し、主成分であるＣｏとの共存において高温耐摩
耗性を向上させる作用があるが、その含有量が１．５％
未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方その含
有量が６％を越えると相手攻撃性が増大するようになる
ことから、その含有量を１．５〜６％、望ましくは２〜
４％と定めた。
【００１２】（ｆ） Ｗ Ｗ成分には、主として硬質粒子Ｂに含有して炭化物およ
び金属間化合物を形成し、もって常温耐摩耗性の向上に
寄与するが、その含有量が１．５％未満では前記作用に
所望の効果が得られず、一方その含有量が６％を越える
と相手攻撃性が増すようになることから、その含有量を
１．５〜６％、望ましくは２〜４％と定めた。
【００１３】（ｇ） Ｎｉ Ｎｉ成分には、素地および硬質粒子Ａ，Ｂのいずれにも
固溶して、これを強化する作用があるが、その含有量が
０．５％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一
方その含有量が２％を越えると耐摩耗性が低下するよう
になることから、その含有量を０．５〜２％、望ましく
は０．８〜１．５％と定めた。
【００１４】（ｈ） Ｎｂ Ｎｂ成分は、主に硬質粒子Ｂに含有して炭化物を形成
し、常温耐摩耗性向上に寄与する作用をもつが、その含
有量が０．０５％未満では前記作用に所望の効果が得ら
れず、一方その含有量が１％を越えると相手攻撃性が増
すようになることから、その含有量を０．０５〜１％、
望ましくは０．２〜０．７％と定めた。
【００１５】（ｉ） ＣａＦ2 ＣａＦ2 成分には、潤滑性を向上させ、もって耐摩耗性
を向上させるほか、上記の通り、特に硬質粒子Ｂとの共
存において、内燃機関の初期稼動時および低速運転時に
おける耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量
が１％未満では、素地に分散分布する割合が３面積％未
満となって前記作用に所望の向上効果が得られず、一方
その含有量が１５％を越えると、素地に分散分布する割
合が４５面積％を越えて多くなり過ぎ、強度が低下する
ようになることから、その含有量を１〜１５％望ましく
は３〜１０％と定めた。
【００１６】（Ｂ） 硬質粒子の割合 上記の通り、バルブシートは、それぞれの硬質粒子Ａ，
Ｂによってすぐれた高温耐摩耗性と常温耐摩耗性をもつ
ようになり、したがって硬質粒子に占める割合で、硬質
粒子Ａの割合が２５面積％未満では所望の高温耐摩耗性
を確保することができず、一方その割合が７５面積％を
越えると相対的に硬質粒子Ｂの割合が少なくなりすぎて
所望の常温耐摩耗性、並びにＣａＦ2 粒子との共存にお
いて、内燃機関の初期稼動時および低速運転時における
耐摩耗性を確保することができなくなることから、硬質
粒子Ａの割合を２５〜７５面積％、望ましくは４０〜６
０容量％と定めた。また、硬質粒子の全体割合が６面積
％未満では所望の耐摩耗性を確保することができず、一
方その全体割合が２６面積％を越えると相手攻撃性が急
激に増大するばかりでなく、強度も低下するようになる
ことから、その全体割合を６〜２６面積％、望ましくは
１０〜２０面積％と定めた。
【００１７】（Ｃ） ＣａＦ2 粒子の割合 上記の通り、ＣａＦ2 粒子には、これのもつ潤滑性向上
効果によって耐摩耗性を向上させるほか、上記硬質粒子
Ｂのもつ常温耐摩耗性向上効果と相まって、内燃機関の
初期稼動時および低速運転時における耐摩耗性を向上さ
せる作用があるが、その割合が３面積％未満では前記作
用に所望の向上効果が得られず、一方その割合が４５面
積％を越えると強度が低下するようになることから、そ
の割合を３〜４５面積％、望ましくは９〜３０面積％と
定めた。
【００１８】（Ｃ） 気孔率 ５％未満の気孔率では保油効果による潤滑性向上効果が
期待できないばかりでなく、銅および銅合金や鉛および
鉛合金の溶浸が不均一になって、これら溶浸による効果
を十分に発揮させることができず、一方気孔率が２５％
を越えると強度および耐摩耗性の低下が避けられないこ
とから、気孔率を５〜２５％、望ましくは１０〜２０％
と定めた。
【００１９】
【発明の実施の形態】つぎに、この発明のバルブシート
を実施例により具体的に説明する。まず、原料粉末とし
て、それぞれ表１〜３に示される平均粒径および成分組
成をもった素地形成用合金粉末Ｍ−１〜Ｍ−１３、硬質
粒子Ａ形成用合金粉末Ａ−１〜Ａ−６、および硬質粒子
Ｂ形成用合金粉末Ｂ−１〜Ｂ−１３を用意し、これらを
表４に示される組合せで所定の割合に配合し、さらにこ
れに同じく原料粉末として用意した−２００meshの粒度
を有するＣａＦ2 粉末をそれぞれ所定の割合に配合し、
ステアリン酸亜鉛：１％を加えてミキサーにて３０分間
混合し後、５〜７ton ／cm2 の範囲内の所定の圧力で圧
粉体にプレス成形し、この圧粉体を５００℃に３０分間
保持して脱脂し、アンモニア分解ガス雰囲気中、１１８
０〜１２５０℃の範囲内の所定温度に１時間保持の条件
で焼結して、表５〜８に示される全体組成、硬質粒子お
よびＣａＦ2 粒子の割合（１００倍の光学顕微鏡組織写
真にもとづいて画像解析装置にて測定）、並びに気孔率
を有するＦｅ基焼結合金で構成され、外径：３４mm×最
小内径：２７mm×厚さ：７．２mmの寸法をもった本発明
バルブシート１〜１３および比較バルブシート１〜４を
それぞれ製造した。なお、上記比較バルブシート１〜４
は、いずれも硬質粒子の割合、さらに硬質粒子とＣａＦ
2 粒子の割合がこの発明の範囲から外れ、これによって
全体組成もこの発明の組成範囲から外れるようになった
ものである。
【００２０】さらに、上記本発明バルブシート１〜１３
および比較バルブシート１〜４を本体とし、これのそれ
ぞれの上面に、純銅、Ｃｕ−３％Ｃｏ合金（以下、Ｃｕ
合金１という）、Ｃｕ−３％Ｆｅ−２％Ｍｎ−２％Ｚｎ
合金（以下、Ｃｕ合金２という）、またはＣｕ−３０％
Ｚｎ合金（以下、Ｃｕ合金３という）の溶浸材を表９に
示される組合せで載置し、この状態でメタン変成ガス雰
囲気中、温度：１１００℃に１５分間保持の条件で銅ま
たは銅合金の溶浸処理を施すことにより本発明銅溶浸バ
ルブシート１〜１３および比較銅溶浸バルブシート１〜
４をそれぞれ製造した。また、同じく上記本発明バルブ
シート１〜１３および比較バルブシート１〜４を本体と
し、これに表１０に示される組合せで、純鉛、Ｐｂ−４
％Ｓｂ合金（以下、合金ａという）、またはＰｂ−５％
Ｓｎ合金（以下、合金ｂという）の溶浸材の加熱浴中
に、窒素雰囲気中、浴表面に８kg／cm2 の圧力を付加し
た状態で１時間浸漬の条件で鉛または鉛合金の溶浸処理
を施すことにより本発明鉛溶浸バルブシート１〜１３お
よび比較鉛溶浸バルブシート１〜４をそれぞれ製造し
た。
【００２１】つぎに、この結果得られた各種のバルブシ
ートについて、バルブシート台上摩耗試験機を用い、 バルブの材質：ＳＵＨ−３、 バルブの加熱温度：８００℃、 バルブの着座回数：３０００回／min 、 雰囲気：０．４kg／cm2 の圧力のプロパンガスと、流
量：１．５ｌ／min の酸素ガスによる燃焼ガス、 バルブシートの加熱温度（水冷）：３００〜４００℃、 着座荷重：３０kg、 試験時間：１時間の連続運転と１０分間の停止を１サイ
クルとして２０サイクル、 の条件で摩耗試験を行ない、バルブシートの最大摩耗深
さと相手材であるバルブの最大摩耗深さを測定した。こ
れらの測定結果を表７〜１０に示した。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【表２】
【００２４】
【表３】
【００２５】
【表４】
【００２６】
【表５】
【００２７】
【表６】
【００２８】
【表７】
【００２９】
【表８】
【００３０】
【表９】
【００３１】
【表１０】
【００３２】
【発明の効果】表４〜１０に示される結果から、本発明
バルブシート１〜１３、本発明銅溶浸バルブシート１〜
１３、および本発明鉛溶浸バルブシート１〜１３は、い
ずれも低い相手攻撃性で、かつ高温運転条件下ですぐれ
た耐摩耗性を示すのに対して、比較バルブシート１〜
４、比較銅溶浸バルブシート１〜４、および比較鉛溶浸
バルブシート１〜４に見られるように、これを構成する
Ｆｅ基焼結合金の硬質粒子の割合、さらに硬質粒子とＣ
ａＦ2 粒子の割合がこの発明の範囲から外れると、耐摩
耗性が低下したり、相手攻撃性が増したりすることが明
らかである。上述のように、この発明のバルブシート
は、特にこれを構成するＦｅ基焼結合金における硬質粒
子Ａ，Ｂによって高温および常温耐摩耗性が著しく向上
し、さらに同じく硬質粒子ＢとＣａＦ2 粒子の共存含有
によって内燃機関の初期稼動時および低速運転時におけ
る耐摩耗性が向上したものになり、したがって通常運転
は勿論のこと、高温運転の内燃機関に用いてもすぐれた
耐摩耗性を長期に亘って発揮するのである。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ：０．５〜２％、 Ｓｉ：０．０５〜１％、 Ｃｏ：８〜１６％、 Ｃｒ：２〜８％、 Ｍｏ：１．５〜６％、 Ｗ：１．５〜６％、 Ｎｉ：０．５〜２％、 Ｎｂ：０．０５〜１％、 弗化カルシウム：１〜１５％、を含有し、残りがＦｅと
    不可避不純物からなる全体組成、 合金鋼の素地に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなる高温
    耐摩耗性Ｃｏ基合金硬質粒子Ａと、Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆ
    ｅ系合金からなる常温耐摩耗性Ｃｒ基合金硬質粒子Ｂと
    が、光学顕微鏡組織写真で観察して、合量で６〜２６面
    積％の割合で分散分布し、かつ前記硬質粒子Ａの割合が
    硬質粒子に占める割合で２５〜７５面積％であり、さら
    に弗化カルシウム粒子が同じく３〜４５面積％の割合で
    分散分布した組織、 および５〜２５％の気孔率、を有するＦｅ基焼結合金で
    構成したことを特徴とする耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼
    結合金製バルブシート。
  2. 【請求項２】 重量％で、 Ｃ：０．５〜２％、 Ｓｉ：０．０５〜１％、 Ｃｏ：８〜１６％、 Ｃｒ：２〜８％、 Ｍｏ：１．５〜６％、 Ｗ：１．５〜６％、 Ｎｉ：０．５〜２％、 Ｎｂ：０．０５〜１％、 弗化カルシウム：１〜１５％、を含有し、残りがＦｅと
    不可避不純物からなる全体組成、 合金鋼の素地に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなる高温
    耐摩耗性Ｃｏ基合金硬質粒子Ａと、Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆ
    ｅ系合金からなる常温耐摩耗性Ｃｒ基合金硬質粒子Ｂと
    が、光学顕微鏡組織写真で観察して、合量で６〜２６面
    積％の割合で分散分布し、かつ前記硬質粒子Ａの割合が
    硬質粒子に占める割合で２５〜７５面積％であり、さら
    に弗化カルシウム粒子が同じく３〜４５面積％の割合で
    分散分布した組織、 および５〜２５％の気孔率、を有するＦｅ基焼結合金で
    構成し、かつ、銅または銅合金、あるいは鉛または鉛合
    金を溶浸したことを特徴とする耐摩耗性のすぐれたＦｅ
    基焼結合金製バルブシート。
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