JPS61505A - 焼結合金バルブシ−ト材及びその製造法 - 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〕 本発明は内燃機関、特にディーゼルエンジンのエンジン
ヘッドに嵌込んで使用するバルブシート材に関する。

〔従来の技術〕

内燃機関のバルブシート材として要求される一般的特性
は常温だけでなく高温においても耐摩耗性に優れること
、耐熱性に優れ高温での衝撃荷重に対して疲れ強さクリ
ープ強度が十分であること等である。

これらの要求に対し、耐熱性、耐摩耗性に優れた焼結合
金からなるバルブ当り面側層と、バルブ当り面側層と一
体に焼結されバルブ当り面側層よりも耐熱性、耐クリー
プ性に優れた焼結合金からなるヘッド座面側層との２層
からなるバルブシート材とすることにより、シリンダー
ヘッドによる、７　　　ｉｎ、ｉｉ″４．ｋ　’ｌ　ｉ
″″′）＝゛＆Ｚ　Ｙ　４−５　／Ｌ／”ンジン用とし
てはヘッド座面側層の圧環強度が常温で１００　ｋｇｆ
／ｍｍ以上、５００Ｃに加熱状態で８（１９ｆ／闘以上
とし、また２層状態での圧環強度を常温で９０に９ｆ／
ｗ以上、５００Ｃに加熱状態で７０　ｋｇｆ／ｍｍ以上
とすることによりヘッドにより長期にわたって良好に保
持できるバルブシート材が得られることを見出した。

上記のようなバルブシート材は、バルブ当り面側層とし
て重量比で、ＣＯ：４〜８％、Ｃ！ｒ：０．５〜１．５
％、ＭＯ°４．〜８％、Ｎ１：１〜３％、ａ：０．３〜
１．５％、Ｏａ：０．２〜０．６％、残部Ｆθと不純物
からなり為組成の焼結合金と、ヘッド座面側層として重
量比で、Ｃｒ　：　１１〜１５％、Ｍｏ　：　ＯＪ　〜
２．０％、Ｏ：０．０５〜０．３％、残部がｒｅと不純
物からなる組成の焼結合金とを一体に焼結して作ること
ができる。

しかしながら更に高性能でコンパクトなディーゼルエン
ジンが必要とされ、その為には従来以上に耐熱性、耐熱
疲労性を向上させることが必要である。

また２層焼結合金バルブシート材に銅溶浸を施こす試み
は、従来から為されており、この方法自体は目新しいも
のではない。

しかしながら従来の２層焼結合金は、材料費を節約する
ことが主目的であり、へ゛ンド座面側層としては、Ｆｅ
−（！ｕ、”ｏ系あるいはＦｅ−０ｒ−０系等でいずれ
も合金元素量が６％以下の低合金の安価な材料を配して
いた。従ってこのような２層合金Ｇこ銅溶浸を施こす目
的は主として、ヘッド座面側層の強度、剛性を補強する
ことにあった。

この場合当然のことながら、ノクルブ当り面側層も溶浸
されることから、全体としての強度、剛性は高められ、
ガソリンエンジンに適用する場合（こけ効果を有してい
た。

しかしながら、ガソリンエンジンに比して温度条件の厳
しいディーゼルエンジン、（特にターボチャージャーを
付加することにより）高性能化を図ったディーゼルエン
ジンに対しては、ヘッド座面側層合金自体の耐熱性、耐
クリープ性が高くない為、たとえ銅溶浸を施こしてもヘ
ッド座面における保持力が充分でないという問題を有し
ていた〇一方、ヘッド座面側層に耐熱性、耐クリープ性
に優れた合金を配した場合には、確かにヘッド座面にお
りる保持力は向上するが上述のような高性能ディーゼル
エンジンに適用する場合には、ノクルブ当り面側層が従
来にない高温にさらされることから、バルブ当り面側層
が酸化され場合によっては表面に連結している空孔内部
も酸化されることから耐熱疲労強度が低下するという問
題が生じてきた。

この耐熱疲労強度の低下を防止するためには、バルブ当
り面側の表層に連結している空孔をうずめ表層及び内部
酸化を防止すると共にバルブ当り面側の焼結合金の熱伝
導率を高め、高温にさらされたバルブ当り面側材の熱を
すみやかにヘッド側に逃がすことが効果がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明はこの目的を達するために、耐熱性、耐摩性に優
れた焼結合金からなるバルブ当り面側層と、バルブ当り
面側層と一体に焼結されたバルブ当り面側層よりも更に
耐熱、耐クリープ性に優れた焼結合金からなるヘッド座
面側層との２層からなる焼結合金バルブシート材を、焼
結後変成ガス雰囲気中１１００　ｔＺ’〜１１５０　Ｃ
の温度範囲で銅溶浸することにより、バルブ当り面側層
のみに銅が溶浸されることを見出し、これによってバル
ブ当り面側層の耐熱疲労強度を高めたことにある。

即ち、本発明はヘッド座面側に耐熱性、耐クリープ性の
優れた焼結合金を配していることから、バルブ当り面側
層の焼結合金のみに銅溶浸を施こすことによってバルブ
シートの耐熱疲労強度を高めることができるという着想
から導かれたものであり、これによって含浸させる銅の
量もバルブシート全体に含浸させる場合に比べ約半分で
すみ、銅の原料費が節減できるということも本発明の効
果の一つである。

即ち本発明はこのようにして、バルブシートをエンジン
ヘッドに嵌合したときのヘッドによる保持力及び耐熱疲
労強度を従来より大きくしたパル（ブシート材を供する
ことを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明はこの目的を達するために、耐熱性、耐摩耗性に
優れた焼結合金からなるバルブ当り面側層と、バルブ当
り面側層と一体に焼結されバルブ当り面側層よりも更に
耐熱性、耐クリープ性に優れた焼結合金からなるヘッド
座面側層との２層からなり、バルブ当り面側層のみに溶
浸された銅を含有せしめてなる焼結合金バルブシート材
を構成したものである。

このバルブシート材はヘッド座面側層の焼結合金が、重
量比でＣｒ　：　１１〜１５　％、ＭＯ：　０．４〜２
．０％、０：０．０５〜０．３％、残りＦｅと不純物の
組成からなり、バルブ当り面側層の焼結合金が重量比で
、ＣＯ：４〜８％、Ｃｒ　：　０．５〜１．５％、ＭＯ
：４〜８％、’Ｎｉ：１〜８％、ａ：ｏ、３〜１．５％
、Ｏａ　＋　０．２〜０．６％、残部がＦｅと不純物か
らなり、Ｃｏ、Ｃｒ、　Ｍｏは主としてＣｏ　−Ｃｒ−
Ｍｏ硬質合金及びＦｅ−Ｍｏ硬質合金としてＦｅ基地中
に分散せしめてなる組成からなる。

本発明はまたこのようなバルブシート材を得るため、重
量比で、Ｃｒ　：　１１〜１５％、Ｍｏ　：　０．４〜
２．０　　　　・％、Ｃ：０．０５〜０，３％、残部が
Ｆｅと不純物からなる組成のヘッド座面側層と、ヘッド
座面側層と一体に焼結され、重量比で、ＣＯ：４〜８％
、Ｃｒ：０．５〜１．５％、ＭＯ：４〜８％、Ｎｉ：１
〜３％、Ｃ：Ｏ，ａ〜１．５％、Ｏａ　：　０．２〜０
．６％、残部がＦｅと不純物からなり、Ｃ０１Ｃｊｒ　
ＸＭｏについてはＣｏ　−Ｃｒ−Ｍｏ硬質合金及びＦｅ
−Ｍｏ硬質合金として含有せしめてなる組成のバ／レブ
当り面側層との２層からなる焼結体に、変成ガス雰囲気
中で１１００〜１１５０　Ｃの温度で銅の溶浸を行ない
バルブ当り面側層のみに銅を溶浸するようにしたもので
ある。

〔作用〕

バルブ当り面側層の合金組成について説明する。

００、Ｃｒｓ　Ｍｏについては硬質合金として添加され
るが、これらの一部は鉄基地中に固溶し、基地の耐熱性
改善に寄与すると共に、基地と硬質相との結合を強化さ
せ、残りの大部分は硬質相として基地中に分散し耐熱性
、耐摩耗性を向上させる。これらの含有量がＣＯ：４％
未満、Ｃｒ　：　０．５．％未満、Ｍｏ　：　４％未満
では所望の耐熱、耐摩耗性が得られず、一方それぞれＣ
ｏ　：　８％、Ｃｒ　：　１．５％、Ｍｏ：８％を超え
て含有させると硬質相が多くなり、相手側のバルブを摩
耗させる恐れがあることから、その範囲をそれぞれＣＯ
：４〜８％、Ｃｒ　：　０．５〜１．５％、ＭＯ：４〜
８％とした。

Ｎｉはフェライトを強化し、基地の靭性を改善する。１
％未満では、その効果が少なく、３％を超えると残留オ
ーステナイトが増加するので、好ましい範囲を１〜３％
とした。

Ｃは基地に固溶し、これを強化すると共にパーライトを
形成し、耐摩耗性を向上させるが、０．３％未満では効
果が少なく、１．５％を超えると材質を脆化させること
からその範囲を０．３〜１．５％とした。

ＯａはＣａＦの形で添加される。Ｏａは自己潤滑性を高
め、耐摩摺動性や被削性を改善するが、０．２％未満で
はその効果少な（，０，６％を超えると更にその効果が
良くならず、強度低下の恐れがあるので、０．２〜０．
６％とした。

次にヘッド座面側層の合金組成について説明する。

Ｃｒは基地に固溶してこれを強化すると共に耐熱性を高
める。１１％未満ではその効果少なく、１５％を超えて
もそれ以上耐熱性は向上しないので１１〜１５％とした
。

Ｍｏは基地の強度を改善し、またＣと結合して炭化物を
形成することにより、耐熱性、耐クリープ性を高める。

０．４％未満ではその効果は少なく、２．０％を超えて
もそれ以上効果は向上しないので経済性を考慮して０．
４〜２．０％とした。

ＣはＭＯｌＦｅｓＣｒと結合して炭化物を形成すると共
に基地の強化にも寄与する。０．０５％未満ではその効
果が婆なく、また０、３％を超えても却って脆化し、強
度を低下させるので、その範囲を０．０５〜０．３％と
した。

次に溶浸方法について述べる。

一般に焼結合金に溶浸を施こす場合は、溶浸材の融点以
上の温度で分解アンモニアガス等の還元性雰囲気中で処
理される。２層焼結合金に銅溶浸を施こす場合も、従来
は上述と同条件であり、全て溶浸はスケルトン全体にわ
たることを前提としていた。云い換えれば、２層焼結合
金に溶浸処理を施こす場合、どちらか一方にのみ選択的
に溶浸させることは、従来なかったと云える。

本発明における銅溶浸は２層焼結合金の溶浸処理におい
てバルブ当り面側層のみを選択して銅溶浸させることを
目的とするものである。本発明者等は、この目的を達す
るべく溶浸条件を種々検討した結果、２層焼結合金の各
々の濡れ性の差に着目すれば良いことを見出した。

溶浸は溶融状態にある溶浸材とスケルトンの濡れ性によ
って左右されることは周知の事実であり、このため溶浸
を促進させることを目的として溶浸材とスケルトンの組
合せ等、過去多くの研究がなされてきた。

本発明は酸化され易い合金元素であるＣｒをヘッド座面
側層に１１〜１５重量％、バルブ当り面側層に１．５％
以下含有させ、ある特定の雰囲気下においてはヘッド座
面側層のみ、若干表面を酸化させて銅との濡れ性を低下
させ、銅が溶浸されなくすることが可能なことを見出し
たものであり、従来の多くの溶浸方法とは全く異なった
発想にたったものである。

こ＼でいう特定の雰囲気とは、酸化され易いＣｒ金合金
１．５％以下であるバルブ当り面側層は酸化されず、Ｃ
ｒを１１％以上含むヘッド座面側層が酸化されるような
雰囲気である。このような雰囲気の達成は、水素ガス、
分解アンモニアガスＡあるいは窒素ガス等の雰囲気でも
可能であるが、この場合にはそれぞれの露点を適当な範
囲内に管理することが必要で、露点が低すぎても具合が
悪く、露点が高くなると２層とも溶浸されないという問
題があり、量産工程での管理は大変なものとなる。

本発明者等は雰囲気について種々検討した結果、ブタン
等の変成ガスが最適であり、量産においても容易に管理
しうることを見出した。

次に溶浸温度であるが、温度は１１００〜１．１５０１
：’である。この理由は銅の融点は１０８３　Ｃである
ことから炉内における温度バラツキ等を考慮して１１０
０　Ｕ以上が望ましいこと、また上限を１１５０Ｃとし
たのは、変成ガスは通常ベルトタイプの連続炉で雰囲気
ガスとして使われるが、ベルト炉はベルトの耐熱性を考
慮すれば１１５０　ｔｌｌ’以下が望ましいことからで
ある。

〔実施例〕

次に本発明を実施例により具体的に説明する。

実施例 一１００メツシュのＣｒ　：　１３重量％含有のＦｅ　
−Ｃｒ合金粉、−１００メツシユのアトマイズ−鉄粉、
いずれも−１００メツシユのＣｏ粉、Ｍｏ粉あるいはＭ
ｏ　Ｏ粉末、Ｎ１粉、Ｃｏ　−Ｃｒ−Ｍｏ合金粉（ｃｏ
−３０重量％ＭＯ−１０］ｉｉ％Ｃｒ　）　、黒鉛粉、
−２００メツシユのフェロモリブデン粉、及び−１００
メツシユのＣａＦ粉末粉 末用意し、これらの原料粉末を所定の配合組成に配合し
混合した後、６．５ｔ／ｅｍの圧力で、４０φ×２７φ
Ｘ　１０　ｔ　（Ｉｌｌｍ）のリングに成形し、この圧
粉体を中性または還元性雰囲気中温度１２０００で３０
分間保持の条件で焼結することによってそれぞれ第１表
に示される′成分組成をもった焼結合金を製造した。

これらの焼結合金のうち一部のものについては凍結後変
成ガス雰囲気中１１３０　Ｃの温度で銅溶浸処理を施こ
した。

これらの焼結合金を常温及び５００Ｃにカロ熱された状
態で圧環強度を測定した。これらの測定結果を第１表に
合せて示した。

第１表に示された合金のうち属１〜４は本発明によるも
ので７１Ｉｌ〜３はバルブ当り面側層として用いる焼結
合金、Ａ４はヘッド座面側層として用いる焼結合金であ
る。煮５〜９は比較焼結合金である。またＡ８は安価低
合金に銅溶浸を施こしたものである。

第１表で示された密度は銅溶浸処理ゞ有′のものは溶浸
後の密度を示し、′無′のものは焼結体の密度を示した
ものである。但し、本発明材の墓４は溶浸処理工程を通
しているが銅は殆んど含浸されておらず、密度は焼結体
の密度とほぼ同等である。

第１表に示される結果から、本発明による焼結合金は優
れた強度、耐熱性をもつことは明らかである。

次に前記の原料粉末を用いてバルブ当り面側層及びヘッ
ド座面側層をそれぞれ所定の組成となるように配合、混
合した後、６．５　を廓２の圧力で２層のバルブシート
圧粉体に成形し、中性又は還元性雰囲気中１２００　ｔ
ｌ：Ｘ　３０分の条件で焼結し、一部のものについては
前述と同条件で溶浸することによってそれぞれ第２表に
示される成分組成をもった本発明焼結合金の２層バルブ
シート及び比較焼結合金ノバルプシートを製造した。

次にこれらのバルブシートを２０００　ｃｃディーゼル
エンジンのヘッド座面に締代８０μｍの条件で圧入した
後４０００　ｒｐｍ　Ｘ　＋００　Ｈｒの条件でエンジ
ン耐久試験を行なった。

耐久試験後のヘッドからの抜き来り荷重を測定し、これ
でもって耐熱性、耐クリープ性の目安とした。測定した
結果を第２表に合せて示した。

第２表においてＡ１は本発明材、Ａ２〜８は比較材であ
る。

第　　　ｇ　、　　表 尚、第３表は第２表に示す焼結合金バルブシートのテス
ト後の酸化増量を示したものである。第８表に示す合金
の番号は第２表に対応するものである。

第　　　　３　　　表 〔発明の効果〕 以上の実施例で判るように、本発明材は、比較材に比べ
抜き去り荷重が高く、耐熱性、耐りＩＪ−プ性に優れて
いることが確認された。

尚、第１図は第２表で示された本発明による２層バルブ
シートの断面の組成を示したものである。

■はバルブ当り面側層を示し、２はヘッド座面（側層、
３は境界面を示している。組織観察の結果から、ｌのバ
ルブ当り面側層には銅が溶浸されているのに対し、ヘッ
ド座面側層には銅が溶浸されておらず、本発明によって
溶浸が選択的になされていることが判る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明バルブシート材の実施例の断面顕微鏡写
真図である。 ｌ・・バルブ当り面側層、 ２・・ヘッド座面側層、 ３・・境界面。 出願人　　トヨタ自動車株式会社 手続補正書（方式） ％式％ ３、補正をする者 事件との関係　出　願　人 ４、代理人 ５、補正命令の日付昭和５９年９月左日６、　補正によ
り増加する発明の数 （１、発明の名称を「焼結合金バルブシート材及びその
製造法」に訂正した願書を別紙の通り提出します。 （２）　　明細書の２０頁４〜５行を次の通りに訂正す
る０「第１図は本発明焼結合金バルブシート材の第２表
に示した実施例の金属組織を示す１００倍顕微鏡写真図
である。」

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）耐熱性、耐摩耗性に優れた焼結合金からなるバル
   ブ当り面側層と、バルブ当り面側層と一体に焼結され、
   バルブ当り面側層よりも更に耐熱性、耐クリープ性に優
   れた焼結合金からなるヘッド座面側層との２層からなり
   、バルブ当り面側層のみに溶浸された銅を含有すること
   を特徴とする焼結合金バルブシート材。
2. （２）ヘッド座面側層の焼結合金が、重量比でＣｒ：１
   １〜１５％、Ｍｏ：０．４〜２．０％、Ｃ：０．０５〜
   ０．３％、残りＦｅと不純物の組成からなる特許請求の
   範囲（１）項記載の焼結合金バルブシート材。
3. （３）バルブ当り面側層の焼結合金が重量比で、Ｃｏ：
   ４〜８％、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：４〜８％、
   Ｎｉ：１〜３％、Ｃ：０．３〜１．５％、Ｃａ：０．２
   〜０．６％、残部がＦｅと不純物からなり、Ｃｏ、Ｃｒ
   、Ｍｏは主としてＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ硬質合金及びＦｅ−
   Ｍｏ硬質合金としてＦｅ基地中に分散せしめてなる組成
   からなる特許請求の範囲（１）項又は（２）項に記載の
   焼結合金バルブシート材。
4. （４）ヘッド座面側層の密度が６．６ｇ／ｃｍ＾３〜７
   ．１ｇ／ｃｍ＾３の範囲にあり、バルブ当り面側層の密
   度が７．５ｇ／ｃｍ＾３以上である特許請求の範囲（１
   ）〜（３）項の何れかに記載の焼結合金バルブシート材
   。
5. （５）重量比で、Ｃｒ：１１〜１５％、Ｍｏ：０．４〜
   ２．０％、Ｃ：０．０５〜０．３％、残部がＦｅと不純
   物からなる組成のヘッド座面側層と、ヘッド座面側層と
   一体に焼結され、重量比で、Ｃｏ：４〜８％、Ｃｒ：０
   ．５〜１．５％、Ｍｏ：４〜８％、Ｎｉ：１〜３％、Ｃ
   ：０．３〜１．５％、Ｃａ：０．２〜０．６％、残部が
   Ｆｅと不純物からなり、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏについては、
   Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ硬質合金及びＦｅ−Ｍｏ硬質合金とし
   て含有せしめてなる組成のバルブ当り面側層との２層か
   らなる焼結体に、変成ガス雰囲気中で１１００〜１１５
   ０℃の温度で銅の溶浸を行なうことを特徴とする焼結合
   金バルブシート材の製造法。