JPS62221B2 - - Google Patents

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JPS62221B2
JPS62221B2 JP24336383A JP24336383A JPS62221B2 JP S62221 B2 JPS62221 B2 JP S62221B2 JP 24336383 A JP24336383 A JP 24336383A JP 24336383 A JP24336383 A JP 24336383A JP S62221 B2 JPS62221 B2 JP S62221B2
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JP
Japan
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bonding layer
surface layer
composite chip
based sintered
chip material
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JP24336383A
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JPS60135557A (ja
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Masayuki Iijima
Hidetoshi Akutsu
Shigeyuki Tachibana
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Mitsubishi Metal Corp
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Mitsubishi Metal Corp
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Description

【発明の詳細な説明】
この発明は、内燃機関の吸排気バルブ・ステム
先端部に接合されて該バルブの寿命を延長する、
2層構造の複合チツプ材に関するものである。 通常、内燃機関の吸・排気バルブは第1図に示
されるような形状を有しており、その傘部がシリ
ンダ内の高温酸化腐食性雰囲気の中で使用される
ために高度の耐久性が要求されている。なお、第
1図に示されるバルブにおいて、符号1で示され
る部分は傘部、符号2で示される部分は首部、符
号3で示される部分はステム、そして符号4で示
される部分はステム先端部である。 そして、そのステム先端部は、繰り返しの衝撃
荷重を大きく受けるために耐摩耗性が特に強く要
求されている。 そこで、従来、このような内燃機関バルブに
は、JISG4311に規定される耐熱鋼棒のうちの
SUH―1、SUH―31及びSUH―35等の高Cr或い
は高Cr高Ni含有のマルテンサイト系又はオース
テナイト系耐熱鋼が、焼入れ、焼戻しの熱処理状
態で使用されていた。 ところが、近年、内燃機関に関する高速化、高
効率化等の要求に対処するためターボ等の過給機
を備えたものや、デイーゼル機関の普及が目ざま
しく、特に、前記のバルブ・ステム先端部に対す
る使用条件が一段と厳しさを加えてきた。このた
め、バルブ・ステム先端部の耐久性、特に耐摩耗
性の更なる向上が切実に要求され、しかも安定し
た品質での多量生産が要求されるようになつてき
たのである。 このようなことから、これら吸・排気バルブの
軸端部の摩耗に対して、例えば高硬度合金を肉盛
りしたり、硬質クロムメツキを施したり等種々の
処理が行われているが、前記高硬度合金の価格が
比較的高いことや、これらの手段を施して得られ
る効果がそれほど満足できるものでないこともあ
つて、より確実な対処手段が望まれているのが現
状であつた。 本発明者等は、このような現状をふまえた上
で、苛酷な使用条件においても十分に満足できる
長寿命の内燃機関用バルブを提供すべく、試行錯
誤を繰り返しながら研究を重ねた結果、以下(a)〜
(d)に示される如き知見を得るに至つたのである。
即ち、 (a) 内燃機関の吸・排気バルブのステム先端部
に、予め別個に製造した焼結合金製チツプを摩
擦圧接等の手段によつて一体的に結合すると、
焼結合金の気孔性による毛細管現象が主因とな
つて常時均一な潤滑機構が前記軸端部に保た
れ、スカツフイングや摩耗が極力抑制される
と、 (b) バルブ・ステム先端部が粉末冶金法で製造さ
れるため、相手材質(タペツト材質)に応じて
適切なバルブ・ステム先端部材料を選択し得
る。従つて、適切な材料を接合したバルブは、
耐摩耗性・耐久性が極めて高くなり、しかも多
量生産が可能になること、 (c) ところが、粉末冶金法で製造された焼結合金
製チツプを接合した内燃機関用複合バルブの品
質は、チツプ材の溶接性の良否によつて大きく
左右されること、 (d) しかし、バルブ・ステムの先端部に溶接され
るチツプ材を2層構造とし、そのバルブ・ステ
ム先端部に接合する側の材質を、C:0.1〜0.8
%(以下、%は重量%とする)を耐熱鋼する
Fe基焼結材料とするか、更にこれを適量の
Cu、Ni、P、B及びSiを添加したFe基焼結材
料とした複合焼結体とすれば、チツプ材とバル
ブ・ステムとの溶接性が十分に向上して、内燃
機関用バルブの性能が極めて安定化すること。 この発明は、上記知見に基づいてなされたもの
であり、 表面層が、 C :1〜5%、 Cr:5〜30%、 P及びBのうちの1種又は2種:0.1〜3%、 Mo、W、Nb、Zr、Hf及びTaのうちの1種又
は2種以上:0.5〜10%、 を含有するとともに、必要に応じて、 Mn、Cu及びNiのうちの1種又は2種以上:
0.1〜6%、 を含み、残りがFeと不可避不純物から成る成分
組成で、かつ硬質炭化物が均一に分散した組織を
有する耐摩耗性Fe基焼結材料にて構成され、 接合層が、 C:0.1〜0.8%、 を含有するとともに、必要に応じて、 Cu及びNiのうちの1種又は2種:0.5〜5%、 P、B及びSiのうちの1種又は2種以上:0.1
〜3%、 を含み、残りがFeと不可避不純物から成る成分
組成を有する溶接性の優れたFe基焼結材料で構
成された2層複合材料にて、内燃機関用バルブの
ステム先端部に接合されるチツプ材を構成した点
に特徴を有するものである。 次いで、上記複合チツプ材において、その成分
割合を前記の如くに限定した理由を説明する。 (A) 表面層 C C成分には、素地に固溶してこれを強化
し、かつCr、Zr、Hf、Ta、Mo及びWのうち
いずれか1種又は2種以上と結合して炭化物
を形成し、合金の耐摩耗性を向上させる作用
があるが、その含有量が1%未満では所望の
優れた耐摩耗性を確保することができず、一
方5%を越えて含有させると、炭化物の析出
量が多くなり過ぎると共にこれが粗大化する
ようになつて、合金が脆化するばかりでな
く、相手部材の損傷も著しくなることから、
その含有量を1〜5%と定めた。 Cr Cr成分には、素地に固溶してこれを強化
し、かつCと結合して高硬度を有するCr炭
化物を形成するほか、Zr、Hf、Ta、Nbと複
合炭化物を形成し、もつて合金の耐摩耗性を
向上させる作用があるが、その含有量が5%
未満では所望の優れた耐摩耗性を確保するこ
とができず、一方30%を越えて含有させる
と、合金が脆化するとともに相手部材(タペ
ツト)の損傷も激しくなることから、その含
有量を5〜30%と定めた。 P、及びB これらの成分には、素地中に固溶してこれ
を強化するとともに、硬さを高めて耐摩耗性
を向上させ、かつ焼結時にFe、Cとの反応
により液相を発生せしめて焼結を活性化し、
もつて焼結体の緻密化及び炭化物生成の安定
化を図る均等的作用があるが、その含有量が
0.1%未満では前記作用に所望の効果が得ら
れず、一方3%を越えて含有させると合金の
脆化が著しくなることから、その含有量を
0.1〜3%と定めた。 Mo、W、Nb、Zr、Hf、及びTa これらの成分は、素地に固溶してこれを強
化するほか、Cと結合して高硬度の炭化物を
形成し、合金の耐摩耗性を向上させる均等的
作用をもつているが、その含有量が0.5%未
満では耐摩耗性向上に所望の効果が得られ
ず、一方10%を越えて含有させると相手部材
の損傷が著しくなることから、その含有量を
0.5〜10%と定めた。 Mn、Cu、及びNi これらの成分は、素地に固溶してこれを強
化するほか、高温酸化性、靭性及びなじみ性
を向上する均等的作用があるので、特にこれ
らの効果の向上を要する場合に1種又は2種
以上含有せしめられるものであるが、その含
有量が0.1%未満では所望の効果を得ること
ができず、一方6%を越えて含有させてもよ
り一層の向上効果を得ることができないの
で、経済性をも考慮してその含有量を0.1〜
6%と定めた。 (B) 接合層 C C成分には、素地に固溶してこれを強化さ
せるとともに、溶接を実施する際にチツプ材
の表面層側及びバルブ・ステム軸側と相互拡
散して結合をより強度にする作用があるが、
その含有量が0.1%未満では素地強化作用に
所望の効果が得られないとともに相互拡散が
不足になり、一方0.8%を越えて含有させる
と、溶接後にクラツクが発生しやすくなるこ
とから、C成分を0.1〜0.8%と定めた。 Cu、及びNi これらの成分には、素地に固溶してこれを
強化させる作用があり、特にCu成分につい
ては高温耐酸化性向上効果が、Ni成分につ
いては靭性向上と耐酸化性向上効果がそれぞ
れもたらされるので、それらの効果の向上が
要求される場合に含有せしめられるものであ
るが、その含有量が0.5%未満では所望の向
上効果が得られず、一方5%を越えて含有さ
せてもより一層向上効果が得られないため、
経済性をも考慮して、その含有量を0.5〜5
%と定めた。 P、B、及びSi これらの成分には、素地中に固溶してこれ
を強化するとともに、焼結時に液相のFeと
の合金を形成して焼結を活性化し、もつて焼
結体の緻密化及び液相による相互拡散による
結合強度向上効果があるので、それらの特性
の改善が要求される場合に含有せしめられる
ものであるが、その含有量が0.1%未満では
所望の効果を得ることができず、一方3%を
越えて含有させると合金の脆化が著しくな
り、溶接時の結合強度も低くなることから、
その含有量を0.1〜3%と定めた。 第2乃至4図は、本発明のチツプ材のそれぞれ
別の例を示した概略模式図であり、符号5で示さ
れるものは耐摩耗性に優れたチツプ表面層、符号
6で示されるものは溶接性の優れた接合層であ
る。 そして、第5乃至7図は、それぞれ第5乃至7
図に示される複合チツプ材が溶接されるところの
内燃機関の吸・排気バルブ・ステム先端部形状を
示すもので、チツプ材溶接後は第1図に示される
バルブ・ステム先端部と同様形状となるものであ
る。 なお、この発明の複合チツプ材は、所定配合の
原料粉末を2層に重ねて5t/cm2で成形後、1150℃
にて1時間程度真空中で焼結し、密度:7.3g/cm3
の焼結合金として形成した後、摩擦圧接にてステ
ム軸部に接合するのが良い。なお、ステム軸部と
チツプ材の接合方法としては、摩擦圧接のほかに
ろう付法や抵抗溶接法等をも採用できることはも
ちろんである。 実施例 まず、チツプ材表面層を形成するための原料粉
末として、次の(ア)〜(タ)に示すものを準備した。 (ア) 粒度が−100メツシユのFe―Cr合金粉末
(Cr:13%含有)、 (イ) 粒度が−200メツシユのFe―Cr合金粉末
(Cr:60%含有)、 (ウ) 粒度が−100メツシユのFe粉末、 (エ) 粒度が−100メツシユのFe―13Cr―1Mo―
0.5Mn―0.5Nb合金粉末、 (オ) 粒度が−100メツシユのFe―6Cr―1Mo―
0.5Mn合金粉末、 (カ) 粒度が−200メツシユのFe―60Mn合金粉
末、 (キ) 粒度が−250メツシユのMo粉末、 (ク) 粒度が−325メツシユのW粉末、 (ケ) 粒度が−250メツシユのFe―60Nb合金粉
末、 (コ) 粒度が−325メツシユのNi―12P合金粉末、 (サ) 粒度が−250メツシユのCu粉末、 (シ) 粒度が−325メツシユのNi粉末、 (ス) 粒度が−325メツシユのFe―25P合金粉
末、 (セ) 粒度が−200メツシユのFe―20B合金粉
末、 (ソ) 粒度が−250メツシユのFe―17Si合金粉
末、 (タ) 粒度が−325メツシユのC粉末。 更に、チツプ材接合層を形成するための原料粉
末として、次の(チ)〜(ネ)に示すものを用意した。 (チ) 粒度が−325メツシユのNi―12P合金粉末、 (ツ) 粒度が−325メツシユのFe―25P合金粉
末、 (テ) 粒度が−325メツシユのC粉末、 (ト) 粒度が−100メツシユのFe粉末、 (ナ) 粒度が−250メツシユのCu粉末、 (ニ) 粒度が−325メツシユのNi粉末、 (ヌ) 粒度が−200メツシユのFe―20B合金粉末、 (ネ) 粒度が−200メツシユのFe―17Si合金粉
末。 次に、これらを第1表に示される表面層及び接
合層の組成となるようにそれぞれ配合し、各々に
1%のステアリン酸亜鉛を添加した後、マイニユ
ート・ミキサーにて30分間混合した。続いて、そ
れぞれの混合粉を5t/cm2の成形圧にて成形し、チ
ツプ材表面層成形用圧粉体と接合層形成用圧粉体
とを別々に得た。 次いで、得られた両圧粉体を重ね合わせ、真空
【表】 雰囲気中で、1100〜1250℃の所定の温度に80分間
保持して焼結し、本発明の複合チツプ材と比較材
を得た。 得られた複合チツプ材の表面層部のロツクウエ
ル硬さ(Cスケール)を第1表に併せて示す。 このようにして製造した複合チツプ材を、その
接合層側を内側にして内燃機関用バルブ本体
(SUH―31製)に摩擦溶接してステム先端部を形
成した後、1050〜1100℃に6秒間加熱後水冷する
という高周波焼入れを行い、研摩工程を経てバル
ブを形成した。 これらのバルブを用いた実際のエンジンによる
摩耗試験結果と、溶接部の割れ発生の有無を観察
した結果を、同じく第1表に併せて示した。 なお、エンジンによる実施試験条件は次の通り
であつた。 エンジン種別:乗車用デイーゼルエンジン 潤滑油:特殊劣化油、 油温:120℃、 回転数:2500rpm、 運転時間:連続200時間。 そして、摩耗の程度は、タペツトと接触するバ
ルブ・ステム先端部の端面における最大摩耗深さ
を測定して判定した。 第1表に示される結果からも明らかなように、
本発明の複合チツプ材を使用することによつて、
バルブの摩耗がめて少なくなり、また複合チツプ
材の接合部にも何ら問題を生ずることなく、内燃
機関のバルブ寿命が格段に向上することがわか
る。 上述のように、この発明によれば、使用条件が
益々厳しくなつているエンジンバルブの寿命を、
従来のものよりも格段に向上することができると
ころの、バルブ・ステム先端部に溶接される複合
チツプ材を比較的安価に提供することができるな
ど、産業上有用な効果がもたらされるのである。
【図面の簡単な説明】
第1図は内燃機関の吸・排気バルブの概略図、
第2図、第3図及び第4図は本発明の複合チツプ
材のそれぞれ別の例を示した概略模式図、第5
図、第6図及び第7図はそれぞれ第2図、第3図
及び第4図に示される複合チツプ材を接合するバ
ルブステム先端部を示す概略図である。 図面において、1…傘部、2…バルブ首部、3
…バルブ・ステム、4…バルブ・ステム先端部、
5…複合チツプ材の表面層、6…複合チツプ材の
接合層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 内燃機関用バルブのステム先端部に接合され
    るところの、表面層と接合層とから成る複合チツ
    プ材にして、 前記表面層が、 C :1〜5%、 Cr:5〜30%、 P及びBのうちの1種又は2種:0.1〜3%、 Mo、W、Nb、Zr、Hf及びTaのうちの1種又
    は2種以上:0.5〜10% を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成で、かつ硬質炭化物が均一に分散した組織
    を有する耐摩耗性Fe基焼結材料にて構成され、 前記接合層が、 C:0.1〜0.8% を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成(以上重量%)を有する溶接性の優れた
    Fe基焼結材料で構成されたことを特徴とする複
    合チツプ材。 2 内燃機関用バルブのステム先端部に接合され
    るところの、表面層と接合層とから成る複合チツ
    プ材にして、 前記表面層が、 C :1〜5%、 Cr:5〜30%、 P及びBのうち1種又は2種:0.1〜3%、 Mo、W、Nb、Zr、Hf及びTaのうちの1種又
    は2種以上:0.5〜10%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成で、かつ硬質炭化物が均一に分散した組織
    を有する耐摩耗性Fe基焼結材料にて構成され、 前記接合層が、 C:0.1〜0.8%、 Cu及びNiのうちの1種又は2種:0.5〜5%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成(以上重量%)を有する溶接性の優れた
    Fe基焼結材料で構成されたことを特徴とする複
    合チツプ材。 3 内燃機関用バルブのステム先端部に接合され
    るところの、表面層と接合層とから成る複合チツ
    プ材にして、 前記表面層が、 C :1〜5%、 Cr:5〜30%、 P及びBのうちの1種又は2種:0.1〜3%、 Mo、W、Nb、Zr、Hf及びTaのうちの1種又
    は2種以上:0.5〜10%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成で、かつ硬質炭化物が均一に分散した組織
    を有する耐摩耗性Fe基焼結材料にて構成され、 前記接合層が、 C :0.1〜0.8%、 P、B及びSiのうちの1種又は2種以上:0.1
    〜3%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成(以上重量%)を有する溶接性の優れた
    Fe基焼結材料で構成されたことを特徴とする複
    合チツプ材。 4 内燃機関用バルブのステム先端部に接合され
    るところの、表面層と接合層とから成る複合チツ
    プ材にして、 前記表面層が、 C :1〜5%、 Cr:5〜30%、 P及びBのうちの1種又は2種:0.1〜3%、 Mo、W、Nb、Zr、Hf及びTaのうちの1種又
    は2種以上:0.5〜10%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成で、かつ硬質炭化物が均一に分散した組織
    を有する耐摩耗性Fe基焼結材料にて構成され、 前記接合層が、 C:0.1〜0.8%、 Cu及びNiのうちの1種又は2種:0.5〜5%、 P、B及びSiのうちの1種又は2種以上:0.1
    〜3%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成(以上重量%)を有する溶接性の優れた
    Fe基焼結材料で構成されたことを特徴とする複
    合チツプ材。 5 内燃機関用バルブのステム先端部に接合され
    るところの、表面層と接合層とから成る複合チツ
    プ材にして、 前記表面層が、 C :1〜5%、 Cr:5〜30%、 P及びBのうちの1種又は2種:0.1〜3%、 Mo、W、Nb、Zr、Hf及びTaのうちの1種又
    は2種以上:0.5〜10%、 Mn、Cu及びNiのうちの1種又は2種以上:
    0.1〜6%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成で、かつ硬質炭化物が均一に分散した組織
    を有する耐摩耗性Fe基焼結材料にて構成され、 前記接合層が、 C:0.1〜0.8%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成(以上重量%)を有する溶接性の優れた
    Fe基焼結材料で構成されたことを特徴とする複
    合チツプ材。 6 内燃機関用バルブのステム先端部に接合され
    るところの、表面層と接合層とから成る複合チツ
    プ材にして、 前記表面層が、 C :1〜5%、 Cr:5〜30%、 P及びBのうち1種又は2種:0.1〜3%、 Mo、W、Nb、Zr、Hf及びTaのうちの1種又
    は2種以上:0.5〜10%、 Mn、Cu及びNiのうちの1種又は2種以上:
    0.1〜6%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成で、かつ硬質炭化物が均一に分散した組織
    を有する耐摩耗性Fe基焼結材料にて構成され、 前記接合層が、 C:0.1〜0.8%、 Cu及びNiのうちの1種又は2種:0.5〜5%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成(以上重量%)を有する溶接性の優れた
    Fe基焼結材料で構成されたことを特徴とする複
    合チツプ材。 7 内燃機関用バルブのステム先端部に接合され
    るところの、表面層と接合層とから成る複合チツ
    プ材にして、 前記表面層が、 C :1〜5%、 Cr:5〜30%、 P及びBのうちの1種又は2種:0.1〜3%、 Mo、W、Nb、Zr、Hf及びTaのうちの1種又
    は2種以上:0.5〜10%、 Mn、Cu及びNiのうちの1種又は2種以上:
    0.1〜6%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成で、かつ硬質炭化物が均一に分散した組織
    を有する耐摩耗性Fe基焼結材料にて構成され、 前記接合層が、 C:0.1〜0.8%、 P、B及びSiのうちの1種又は2種以上:0.1
    〜3%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成(以上重量%)を有する溶接性の優れた
    Fe基焼結材料で構成されたことを特徴とする複
    合チツプ材。 8 内燃機関用バルブのステム先端部に接合され
    るところの、表面層と接合層とから成る複合チツ
    プ材にして、 前記表面層が、 C:1〜5%、 Cr:5〜30%、 P及びBのうちの1種又は2種:0.1〜3%、 Mo、W、Nb、Zr、Hf及びTaのうちの1種又
    は2種以上:0.5〜10%、 Mn、Cu及びNiのうちの1種又は2種以上:
    0.1〜6%、 を含有し、残りがFeと不可避不純物から成る成
    分組成で、かつ硬質炭化物が均一に分散した組織
    を有する耐摩耗性Fe基焼結材料にて構成され、 前記接合層が、 C:0.1〜0.8%、 Cu及びNiのうちの1種又は2種:0.5〜5%、 P、B及びSiのうちの1種又は2種以上:0.1
    〜3%、 を含有し、残りがFe不可避不純物から成る成分
    組成(以上重量%)を有する溶接性の優れたFe
    基焼結材料で構成されたことを特徴とする複合チ
    ツプ材。
JP24336383A 1983-12-23 1983-12-23 内燃機関用バルブのステム先端部に接合される複合チツプ Granted JPS60135557A (ja)

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