JPS60258449A - バルブシ−ト用鉄系焼結合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、バルブシート用鉄系焼結合金に関し、詳しく
は、オーステナイト組織、パーライト組織。

フェライト組織の混合組織からなるＦｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎ
ｉ系基地組織中に、Ｍｏ−Ｆｅ合金相からなる微細硬質
粒子を均一に分散させ、さらに、必要に応じてｐｂ金合
金しくはＣｕ合金等の溶浸合金によるｆ４浸処理を併用
することによって、バルブシートとして自身の耐摩耗性
に優れ、しかも、摺動する相手材であるエンジンバルブ
に対する損傷性の少ないバルブシート用鉄系焼結合金に
かかる。

〔従来技術〕

最近、自動車用エンジンにおいて、高出力・高回転化、
排出ガス浄化対策、或いは、燃費向上対策等に対する改
善要求が一段と高まっている。

このため、自動車用エンジンにおけるエンジンバルブ、
バルブシートに対しては、従来にも増して厳しい使用環
境条件に耐えることが不可避となってきている。

即ち、エンジンバルブ、バルブシート等においては、そ
れ自身の耐摩耗性の改善とともに、摺動する相手材に対
する損傷性を少なくし、しかも、低コストとすることが
強く望まれている。

しかし、従来のバルブシート用焼結合金としては、鉄系
合金にフェロモリブデン等の金属間化合物や複合炭化物
を添加したものが、優れたバルブシート用焼結合金とし
て採用されているものの、このような焼結合金では上述
のような最近の厳しい要求特性に対し、十分な耐久性を
確保することができないという問題点があった。

とりわけ、従来のエンジンバルブは耐摩耗性を改善する
ために、ステライト合金等の盛金処理をしたものが多か
った。

しかし、最近におけるコスト低減の要求からエンジンバ
ルブに対する盛会処理を廃止する試みがなされているも
のの、バルブシートを従来の材質のままとしてエンジン
バルブの盛金処理を廃止すると、エンジンバルブの摩耗
が増大するという問題点があった。

このような背景のもとで、摺動する相手材であるエンジ
ンバルブに対する損傷性が少なく、自身の耐摩耗性をも
確保することのできるバルブシート材料の開発が強く望
まれているものの、従来のバルブシート材料では上述の
ような要求に対して充分に対応することができないとい
う問題点があった。

そこで、発明者らは上述のような従来のバルブシートの
耐久性の現状に鑑みて、パーライト組織を主体とするＦ
ｅ−Ｃ系基地組織中に特定組成の微細な硬質粒子を均一
に分散させることによって、バルブシートとして自身の
耐摩耗性に優れ、しかも、摺動する相手材であるエンジ
ンバルブに対する損傷性の少ないバルブシート用鉄系焼
結合金を既に提案している（発明の名称；［バルブシー
ト用鉄系焼結合金」、出願人；トヨタ自動車■、出願日
；昭和５９年　４月１９日）。

また、別の発明として上記発明のバルブシート用鉄系焼
結合金に対して、ｐｂ金合金しくはＣｕ合金等の溶浸合
金による溶浸処理を併用することにより、さらに、優れ
た耐摩耗性としたバルブシート用鉄系焼結合金も提案し
ている（発明の名称；「バルブシート用鉄系焼結合金」
、出願人；トヨタ自動車■、出願日；昭和５９年　ダ月
２３日）。

さらに、別の発明として、オーステナイト組織とパーラ
イト組織の混合組織からなるＦｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉ系基
地組織中に、特定組成の微細硬質粒子を均一に分散させ
るとともに、必要に応じてＰｂ合金もしくはＣｕ合金等
の溶浸合金による溶浸処理を併用することによって、さ
らに、優れた耐摩耗性としたバルブシート用鉄系焼結合
金も提案している（発明の名称；「バルブシート用鉄系
焼結合金」、出願人；トヨタ自動車■、出願日；昭和５
９年　タ月ｚｆ日）。

〔発明の目的〕

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するた
めになされたもので、オーステナイト組織、パーライト
組織、フェライト組織の混合組織からなるＦｅ−Ｃ−Ｃ
ｏ−Ｎｉ系基地組織中に、Ｍ　ｏ　−Ｆ　ｅ合金相から
なる微細硬質粒子を均一に分散させ、さらに、必要に応
じてｐｂ金合金しくはＣｕ合金等の溶浸合金による溶浸
処理を併用することによって、バルブシートとして自身
の耐摩耗性に優れ、しかも、摺動する相手材であるエン
ジンバルブに対する損傷性を少なくすることができ、し
かも、低コストにて製造することのできるバルブシート
用鉄系焼結合金を提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

このような目的は、本発明によれば、重量比率で、Ｃ；
０．２〜０．５％、Ｍｏ；３．０〜１０．０％。

Ｃｏ；３．０〜１５．０％、Ｎｉ　；３．Ｏ〜１５．０
％。

残部実質的にｆ？ｅからなるバルブシート用鉄系焼結合
金であって、 オーステナイト組織、パーライト組織、フェライト組織
の混合組織からなるＦｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉ系基地組織中
に、平均粒径；３〜３０μ、硬さ；ＨＶ６００〜１３０
０のＭｏ−Ｆｅ合金相からなる微細硬質粒子を均一に分
散させるとともに、このＭｏ−Ｆｅ合金相からなる微細
硬質粒子を基地組織中に拡散させて基地組織と強固に結
合された組織状態としたことを特徴とするバルブシート
用鉄系焼結合金、及び、重量比率で、Ｃ；　０．２〜０
．５％、ＭＯ；３．０〜１５．０％、Ｃｏ；３．０〜１
５．０％＊　Ｎ　ｓ　；　３．０〜１５．０％、Ｐｂ合
金もしくはＣｕ合金等の溶浸合金；１０〜２５％、残部
実質的にＦｅからなるバルブシート用鉄系焼結合金であ
って、 ｐｂ金合金しくはＣｕ合金等のｆ４浸合金により溶浸さ
れた、オーステナイト組織、パーライト組織、フェライ
ト組織の混合組織からなるＦｅ−Ｃ−Ｃｏ　−Ｎ　ｉ系
基地組織中に、平均粒径；３〜３０μ、硬さ；Ｈｖ６０
０〜１３００のＭｏ−Ｆｅ合金相からなる微細硬質粒子
を均一に分散させるとともに、このＭｏ−Ｆｅ合金相か
らなる微細硬質粒子を基地組織中に拡散させて、基地組
織と強固に結合された組織状態としたことを特徴とする
バルブシート用鉄系焼結合金によって達成される。

〔発明の作用〕

以下、本発明の作用について説明する。

なお、以下の説明において、合金元素の含有量は全て重
量比率（％）にて説明する。

本発明材において、Ｃは基地組織のＦｅに固溶して微細
なパーライト組織を形成するとともに、本発明材の硬さ
を上昇させ耐摩耗性を改善することから有効であるが、
０．２％未満ではその耐摩耗性の改善効果が充分でなく
、また、０，５％を越えると軟質のフェライト組織量が
減少して、摺動する相手材であるエンジンバルブに対す
る損傷性を増大するばかりでなく、サブゼロ処理により
寸法変化を惹起しやすいことから、０．２〜０．５％と
した。

また、ＣＯ及びＮｉは、共に基地組織に固溶して耐摩耗
性を改善するので有効であるが、３．０％未満ではその
耐摩耗性の改善効果が充分でなく、１５．０％を越える
とその添加量に見合った耐摩耗性改善効果の向上が期待
できないことから、３．０〜１５．０％とした。

本発明材におけるＭＯは、基地組織中に固溶拡散させる
ことなく、平均粒径；３〜３０μ、硬さ１ＨＶ６００〜
１３００の、ＭＯ中にＦｅが拡散されたＭ　ｏ　−Ｆ　
ｅ合金（Ｍｏ＋ε）相からなる微細硬質粒子として均一
に分散させるため□に重要である。

そして、このＭ　ｏ　−Ｆ　ｅ合金（Ｍｏ＋６）相は、
高温においても殆ど硬さが低下することなく優れた耐摩
耗性を有している。

上述の理由から、ＭＯは本発明材において耐摩耗性を改
善するための重要な合金元素であるが、３．０％未満で
は上記Ｍｏ−Ｆｅ合金（Ｍｏ＋６）相からなる微細硬質
粒子の形成が少ないことから耐摩耗性の改善効果が充分
でなく、１０．０％を越えると摺動する相手材（エンジ
ンバルブ）に対する損傷性が増大することから、３．０
〜１Ｏ００％とした。

次に、本発明材において、基地組織中に分散さセるＭ　
ｏ　−Ｆ　ｅ合金（Ｍｏ＋ε）相からなる微細硬質粒子
において、平均粒径を３〜３０μ、硬さをＨＶ６００〜
１３００に限定した理由について説明する。

即ち、Ｍ　ｏ−Ｆ　ｅ合金（Ｍｏ＋６）相からなる微細
硬質粒子の平均粒径が３μ未満、硬さがＨｖ６００未満
では耐摩耗性が充分でなく、また、平均粒径が３０μ、
硬さがＨＶ１３００を越えると、摺動する相手材（エン
ジンバルブ）に対する損傷性を急速に増大させることか
ら、平均粒径；３〜３０μ、硬さ；Ｈｖ６００〜１３０
０とするのがよい。

次に、ｐｂ金合金しくはＣｕ合金等の溶浸合金は、焼結
処理時において焼結合金に溶浸されて、その潤滑作用に
より耐摩耗性を向上するとともに、封孔作用によって被
削性をも改善することができることから有効であるが、
１０％未満では上述の改善効果が充分でなく、２５％を
越えると強度低下が著しいことから１０〜２５％とした
。

なお、溶浸合金としてＣｕ合金を使用する場合において
は、Ｐｂ、２０〜４０％、残部Ｃｕからなる、いわゆる
、ケルメツト合金とするのが望ましい。

また、フェライト組織量を体積比率で５〜２０％とした
のは、５％未満では軟質のフェライト組織による摺動す
る相手材に対する損傷性の緩和効果が充分でなく、２０
％を越えると焼結合金が軟化しすぎて耐摩耗性が低下す
ることから、５〜２０％とした。

次に、本発明材の基地組織においては、微細パーライト
組織量が５％未満、もしくは、オーステナイト組織量が
２０％未満では、基地組織が軟化しすぎて耐摩耗性が低
下し、また、微細パーライト組織量が２０％、オーステ
ナイト組織量が５０％を越えると、基地組織が強化され
すぎて摺動する相手材（エンジンバルブ）に対する損傷
性を増大することから、本発明材における基地組織は、
体積比率で５〜２０％の微細パーライト組織、２０〜５
０％のオーステナイト組織、残部フェライト組織の混合
組織とした。

また、焼結合金中の気孔率を体積比率で８〜２０％、平
均気孔径を４〜２４μとしたのは、気孔率が８％未満、
平均気孔径が４μ未満では、異物埋収性が低下して異物
が摺動面に残留しゃすく、エンジンバルブ、バルブシー
トに対する摩耗量が共に増大し、、一方、気孔率が２０
％、平均気孔径が２４μを越えると、バルブシートの強
度が低下してバルブシートの異常摩耗・脱落を発生しゃ
すいことから、気孔率を８〜２０％、平均気孔径を４〜
２４μとした。

〔実施例〕

、以下、添付表に基づいて、本発明の１実施例を説明す
る。

この実施例に用いた試験片は、還元鉄粉をベースとして
第１表に示す組成となるように、各合金元素粉末を添加
し、さらに、黒鉛粉末、ステアリン酸亜鉛を添加して圧
粉成形用混合合金粉末とした。

たとえば、本発明材■においては、第１表の組成となる
ように、還元鉄粉をベースとし、黒鉛粉末を０．２６％
、Ｍｏ粉末を４％、Ｃｏ粉末を５％。

Ｎｉ粉末を９％添加し、さらに、ステアリン酸亜鉛を０
．８％添加して圧粉成形用混合合金粉末とした。

同様に、本発明材■、■、■においても、第１表に示す
組成となるように、還元鉄粉をベースとして、本発明材
■と同様に、Ｍｏ粉末、Ｃｏ粉末。

Ｎｉ粉末、必要に応じてｐｂ金合金しくはＣｕ合金等の
溶浸合金、黒鉛粉末、ステアリン酸亜鉛を添加して圧粉
成形用混合合金粉末とした。

また、比較材のは、Ｃを０．２％未満＜０．１５％）と
したものである。

また、比較材■は、Ｍｏを１０．０％を越えて（１５，
０％）添加したものである。

また、比較材■は、Ｍｏを３．０％未満（２％）とし、
Ｃｏを１５．０％を越えて（１７％）添加するとともに
、溶浸合金としてのｐｂ金合金２０％を越える多量（２
７％）としたものである。

このようにして住成された圧粉成形用混合粉末を７　ｔ
ｏｎ　／　ｃｍ　２で圧粉成形して、φ３ｏ龍×φ１８
龍、厚さ；７龍のリング状圧粉成形体とした後、アンモ
ニヤ分解ガス中にて１１００°ｃｘ１時間の焼結処理後
、本発明材■、比較材■においては溶浸処理を実施せず
、本発明材■、■及び比較材■においてはＰｂ合金によ
り溶浸処理を実施、また、本発明材■及び比較材■にお
いてはケルメツト合金により溶浸処理を実施して焼結合
金を製造した。

このようにして製造した焼結合金の「基地組織」、形成
されたｒ（Ｍｏ十ε）合金相の硬さくＨＶ）及び粒径（
μ）」、「気孔率（Ｖｏ１％）及び平均気孔径（μ）」
、「硬さくＨＶ）Ｊ、ｒ密度（ｇ／ｃｍ’）」を第２表
に示す。

上述により焼結処理及び必要に応じて溶浸処理された焼
結合金を、機械加工によりバルブシート形状に仕上げた
。

そして、このようにして製造したバルブシートを、４気
筒、１６００　ｃｃエンジンのアルミニウム合金製シリ
ンダヘッドにインテークバルブシートとして圧入嵌合し
、エンジン台上耐久試験を実施した。

なお、エンジン台上耐久試験条件としては、ステライト
盛金処理のないエンジンバルブを使用し、燃料を無鉛ガ
ソリンとして、６６００　ｒｐｍ　、全負荷で連続２０
０時間運転する条件とした。

このエンジン台上耐久試験結果は、試験終了後における
「バルブシートの当り面幅増加量」と「エンジンバルブ
摩耗量」を測定することによって、バルブシートの耐久
性を評価した。

そのエンジン台上耐久試験結果を第２表に併せて示して
いる。

第２表から明らかなように、比較材■は、組成において
Ｃを０．２％未満（０，１５％）としているため、Ｍ　
ｏ　−Ｆ　ｅ合金（Ｍｏ＋３）相、パーライト組織量が
５％未満（３％）、フェライト組織量が２０％を越える
多量（３０％）となることから基地組織が弱く、また、
（Ｍｏ＋５）相の硬さがＨｖ６００未満（ＨＶ５００）
、その平均粒径が３μ未満（１μ）となることから、エ
ンジン台上耐久試験におけるバルブシートの摩耗量が多
くなっている。

また、比較材■は、組成においてＭｏを１０％を越える
多量（１５％）としているため、Ｍｏ−Ｆｅ合金（Ｍｏ
十ε）相の硬さがＨｖ１３００を越え（Ｈｖ１５００）
、その平均粒径も３０μを越える（４０μ）ことから、
摺動する相手材（エンジンバルブ）に対する損傷性が増
大し、気孔率も２０Ｖｏ１％を越え（２３ν０１％）、
平均気孔径も２４μを越える（２６μ）ことがら、エン
ジン台上耐久試験におけるバルブシートの摩耗量が多く
なっている。

また、比較材■は、組成においてＭｏが３．０％未満（
２％）、Ｃｏが１５．０％を越え（１７％）。

ｆ４浸合金としてのＰｂ合金を２５％を越える多量（２
７％）としているため、エンジン台上耐久試験における
バルブシートの摩耗量が大きく、さらに、オーステナイ
ト組織量が５０％を越える多量（５５％）となることか
ら、エンジンバルブの摩耗量も多（なっている。

上記の比較材■、■、■に対して、本発明材■。

■、■、■は、第２表に示すエンジン台上耐久試験結果
から明らかなように、いずれも、「バルブシートの当り
面増加量」は０．２龍以下、「エンジンバルブの摩耗量
」も４μ以下と優れた耐久性を示している。

４０％、残部実質的にＣｕからなるケルメツト合金であ
る。

第２表 〔発明の効果〕 以上により明らかなように、第１の発明にかかるバルブ
シート用鉄系焼結合金によれば、オーステナイト組織、
パーライト組織、フェライト組織の混合組織からなるＦ
ｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉ系基地組織中に、Ｍｏ−Ｆｅ合金相
からなる微細硬質粒子を均一に分散させることによって
、バルブシートとして自身の耐摩耗性に優れ、しかも、
摺動する相手材であるエンジンバルブに対する損傷性を
少なくすることができ、しかも、低コストにて製造する
ことができる利点がある。

また、第２の発明にかかるバルブシート用鉄系焼結合金
によれば、第１の発明にかかるバルブシート用鉄系焼結
合金に対しｐｂ金合金しくはＣｕ合金等の溶浸合金によ
る溶浸処理を併用することによって、第１の発明の効果
に加えて、焼結処理時において焼結合金に溶浸されて、
その潤滑作用により耐摩耗性を向上するとともに、封孔
作用によって被削性をも改善することができる利点があ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量比率で、Ｃ；　０．２〜０．５％、Ｍｏ；３゜
   ０〜１０．０％、Ｃｏ；３．０〜１５．０％、Ｎｉ；３
   ゜０〜１５．０％、残部実質的にＦｅからなるバルブシ
   ート用鉄系焼結合金であって、 オーステナイト組織、パーライト組織、フェライト組織
   の混合組織からなるＦｅ−Ｃ−Ｇｏ　−Ｎｉ系基地組織
   中に、平均粒径；３〜３０μ、硬さ；Ｈｖ６００〜１３
   ００のＭｏ−Ｆｅ合金相からなる微細硬質粒子を均一に
   分散させるとともに、このＭｏ−Ｆｅ合金相からなる微
   細硬質粒子を基地組織中に拡散させて基地組織と強固に
   結合された組織状態としたことを特徴とするバルブシー
   ト用鉄系焼結合金。 ２、重量比率で、Ｃｉｏ、２〜０．５％、Ｍｏ；３゜０
   〜１５．０％、Ｃｏ；３．０〜１５．０％、Ｎ　ｉ；　
   ３゜Ｏ〜１５．０％、Ｐｂ合金もしくはＣｕ合金等の溶
   浸合金；１０〜２５％、残部実質的にＦｅからなるバル
   ブシート用鉄系焼結合金であって、ｐｂ金合金しくはＣ
   ｕ合金等の溶浸合金により溶浸された、オーステナイト
   組織、パーライト組織、フェライト組織の混合組織から
   なるＦｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉ系基地組織中に、平均粒径；
   ３〜３０μ、硬さ；Ｈｖ６００〜１３００のＭｏ、−Ｆ
   ｅ合金相からなる微細硬質粒子を均一に分散させるとと
   もに、このＭ　ｏ　−Ｆ　ｅ合金相からなる微細硬質粒
   子を基地組織中に拡散させて基地組織と強固に結合され
   た組織状態としたことを特徴とするバルブシート用鉄系
   焼結合金。 ３、基地組織が、体積比率で５〜２０％の微細パーライ
   ト組織、２０〜５０％のＣｏ、Ｎｉ含有量の多いオース
   テナイト組織、及び、５〜２０％のフェライト組織から
   なる特許請求の範囲第１項、または、第２項記載のバル
   ブシート用鉄系焼結合金。 ４、焼結合金中の気孔率が体積比率で８〜２０％である
   とともに、その平均気孔径が４〜２４μである特許請求
   の範囲第１項、または、第２項記載のバルブシート用鉄
   系焼結合金。