JPWO2018180942A1 - 熱伝導性に優れた内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート - Google Patents

熱伝導性に優れた内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート Download PDF

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Abstract

本願は、機能部材側層と支持部材側層とを境界面を介し一体化してなる２層構造の銅溶浸された鉄基焼結合金製バルブシートに関し、300℃における熱伝導率を、機能部材側層で25Ｗ／ｍ・Ｋ以上、支持部材側層で60Ｗ／ｍ・Ｋ以上としたものである。

Description

本発明は、内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシートに係り、とくに耐摩耗性を維持しつつ、熱伝導性を向上させたバルブシートに関する。
内燃機関で、バルブを着座させるバルブシートには、燃焼室の気密性の保持に加えて、バルブの繰返し当接による摩耗に十分に耐えられる耐摩耗性と、優れた熱伝導性を保持することが要求されている。とくに、バルブシートの熱伝導性は、エンジン出力に大きく影響する特性で、そのため、バルブシートには優れた熱伝導性を保持することが切望されていた。
また、近年では、異なる材料からなる２層構造のバルブシートが適用されるようになっている。この２層構造のバルブシートでは、バルブを着座させるバルブ当り面側に優れた耐摩耗性を有する材料からなる機能部材側層を、シリンダヘッドに接する着座面側に支持部材側層として、優れた熱伝導性を有する材料からなる層を配し、これら２層を一体化している。このような構造のバルブシートは、寸法精度が高いこと、特殊な合金を使用できることなどから、最近では殆どが、粉末冶金を利用した焼結合金製となっている。
最近の内燃機関の高効率化・高負荷化の更なる促進にともない、燃焼室周りの温度がさらに上昇する傾向にあり、ノッキングの発生が懸念されている。ノッキングの発生を抑制し、内燃機関の更なる高効率化を達成するため、バルブ及びバルブシートの温度を低下することが、今後の重要なポイントであるとされている。
このような要望に対し、例えば特許文献１には、良好な機械加工性、耐摩耗性および高い伝熱性を示す内燃エンジン用の焼結バルブシートが記載されている。特許文献１に記載された技術では、バルブシート用材料（混合物）として、重量％で、混合物の75〜90％の焼結硬化性鉄粉末と、好ましくは5〜25％の工具鋼粉末と、固体潤滑剤と、焼結中に溶浸によって添加されるCuとを含む、材料を用いるとしている。そして、特許文献１に記載された技術では、使用する鉄粉末は、重量％で、2〜5％のCrと、0〜3％のMoと、0〜2％のNiを含む鉄粉末とすることが好ましく、また、固体潤滑剤は、MnS、CaF2、MoS2からなるグループのうちの１つまたは複数から選ばれる、1〜5％の固体潤滑剤とすることが好ましく、また焼結中に成形体に溶浸で添加されるCuは、成形体の重量％で、10〜25％とすることが好ましいとしている。これにより、空孔はCu合金によって充填され、熱伝導性が大きく向上するとしている。特許文献１に記載された技術よれば、良好な機械加工性、耐摩耗性および高い伝熱性を示す内燃エンジン用の焼結バルブシートが得られるとしている。
また、特許文献２には、冷却能に優れた内燃機関用バルブシートが記載されている。特許文献２に記載された技術では、フェイス面側層と着座面側層との２層を一体化してなる鉄基焼結合金製内燃機関用バルブシートで、フェイス面側層が、バルブシート全量に対する体積％で、10〜45％である、従来に比べて格段に、薄肉のフェイス面側層を有するバルブシートとするとしている。これにより、内燃機関用として好適な、優れた耐摩耗性と高い熱伝導性とを兼備した、高い冷却能を有する２層構造の内燃機関用バルブシートが得られるとしている。なお、特許文献２に記載された技術では、薄肉のフェイス面側層を安定して達成するためには、フェイス面側層と着座面側層との境界面が、バルブシート軸とのなす角度で20°以上90°以下の平均角αを有することが好ましく、また、境界面が、境界面の平均位置に対し高さ方向で±300μm以下に調整することが好ましいとしている。なお、特許文献２に記載された技術では、フェイス面側層は、基地相中に硬質粒子が分散した基地部を有し、該基地部が、質量％で、Ｃ：0.2〜2.0％を含み、Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Ca、Ｆのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で40％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成と、基地相中に硬質粒子をフェイス面側層全量に対する質量％で、5〜40％分散させてなる基地部組織とを有する鉄基焼結合金製であり、着座面側層は、質量％で、Ｃ：0.2〜2.0％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鉄基焼結合金製で、あることが好ましいとしている。
また、特許文献３には、熱伝導性に優れる内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシートが記載されている。特許文献３に記載された技術では、フェイス面側層と支持部材側層との２層を一体化してなる鉄基焼結合金製内燃機関用バルブシートで、支持部材側層を、20〜300℃における熱伝導率が23〜50Ｗ／ｍ・Ｋである層に、フェイス面側層を、20〜300℃における熱伝導率が10〜22Ｗ／ｍ・Ｋである層に、形成し、しかも、フェイス面側層をできるだけ薄くし、支持部材層を厚くし、シリンダヘッドとの接触面を広くする構成とするとしている。そのため、フェイス面側層と支持部材側層との境界面を、バルブ当り面の幅方向の中央位置で、バルブ当り面から支持部材側に0.5mmだけ離れた円形状の線を含み、バルブシート軸とのなす角度が45°である面と、バルブシートの内周面とバルブシートの着座面との交線と、バルブシートの外周面上でバルブシートの着座面からの距離がバルブシート高さの1/2である円形状の線とを含む面と、に囲まれる領域に形成するとしている。なお、上記した形状の境界面を安定して形成するためには、仮押しパンチを用いて支持部材側層用混合粉を仮押しする際に、仮押しパンチの成形面形状と仮押し時の成形圧とのバランスを調整し、さらに支持部材側層用混合粉とフェイス面側層用混合粉とを一体的に加圧する際の、上パンチの成形圧を調整することが重要であるとしている。
なお、特許文献３に記載された技術では、フェイス面側層は、基地相中に硬質粒子が分散した基地部を有し、該基地部が、質量％で、Ｃ：0.2〜2.0％を含み、Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Ca、Ｆのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で40％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成と、基地相中に硬質粒子をフェイス面側層全量に対する質量％で、5〜40％分散させてなる基地部組織とを有する鉄基焼結合金製と、一方、支持部材側層は、質量％で、Ｃ：0.2〜2.0％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有する鉄基焼結合金製と、することが好ましいとしている。特許文献３に記載された技術によれば、従来に比べて格段に、安定した２層の境界面を有する薄肉のバルブシートを容易に製造でき、内燃機関用として好適な、優れた耐摩耗性を維持しながら、高い熱伝導性を保持するバルブシートとすることができるとしている。
また、特許文献４には、高熱伝導バルブシートリングが記載されている。特許文献４に記載された技術は、キャリア層及び機能層を有する粉末冶金法で作製されたバルブシートリングで、55Ｗ／ｍ・Ｋを超える熱伝導率を有することを特徴としている。特許文献４に記載された技術では、キャリア層を形成するキャリア材料及び／又は機能層を形成する機能材料が溶浸によって加えられた銅を含むとしており、キャリア層を形成するキャリア材料では、キャリア材料を鉄−銅合金で構成し、重量％で、好ましくは25％超40％以下の銅を、また機能層を形成する機能材料では、好ましくは8.0％以上の銅を、含有するとしている。なお、キャリア層を形成するキャリア材料は、さらに、重量％で、0.5〜1.8％のＣと、0.1〜0.5％のMnと、0.1〜0.5％のＳと、を含み、残部Feを含むとしている。また、機能層を形成する機能材料は、さらに、重量％で、0.5〜1.2％のＣと、6.0〜12.0％のCoと、1.0〜3.5％のMoと、0.5〜3.0％のNiと、1.5〜5.0％のCrと、0.1〜1.0％のMnと、0.1〜1.0％のＳと、を含み、残部Feを含むとしている。
特表2004−522860号公報 特開2011−157845号公報 特開2015−127520号公報 特表2015−528053号公報
しかしながら、特許文献１に記載された技術によれば、300℃における熱伝導率で、41Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導性を有するバルブシートとすることができるが、溶浸により添加されるCu量が10重量％以上と多くCuの凝着が発生しやすく、硬質粒子等による凝着防止対策がなされていないためCuの凝着により耐摩耗性が低下し、熱伝導性と耐摩耗性を兼備したバルブシートを安定して製造できないという問題があった。また、300℃における熱伝導率で、50Ｗ／ｍ・Ｋを超えるような、更なる熱伝導性の向上という最近のバルブシートに対する要望を満足できないという問題もある。
また、特許文献２に記載された技術では、熱伝導性の向上が不足し、300℃における熱伝導率で、45Ｗ／ｍ・Ｋを超えるような、更なる熱伝導性の向上という最近の要望を満足できないという問題があった。
また、特許文献３に記載された技術で製造されるバルブシートは、20〜300℃における熱伝導率が、支持部材側層で23〜50Ｗ／ｍ・Ｋ、フェイス面側層で10〜22Ｗ／ｍ・Ｋであるバルブシートである。したがって、特許文献３に記載された技術では、最近の要望である300℃における熱伝導率で、平均で、45Ｗ／ｍ・Ｋを超えるような、高い熱伝導性を有するバルブシートを製造することは難しいという問題があった。また、特許文献３に記載された技術では、フェイス面側層をできるだけ薄くし、支持部材層を厚くし、シリンダヘッドとの接触面を広くする構成とするために、フェイス面側層と支持部材層との境界面を仮押しパンチを用いて調整する必要があり、複雑な構造を有するプレス設備を必要とするという問題がある。
また、特許文献４に記載された技術では、機能層において、溶浸により添加されるCu量が８重量％以上と多く、Cu凝集が生じやすいが、Cu凝着防止対策がなされていないため、耐摩耗性が低下しやすく、熱伝導性と耐摩耗性を兼備したバルブシートを安定して製造できないという問題があった。
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑み、複雑な構造を有する製造設備を使用することなく製造でき、しかも従来に比べて耐摩耗性の著しい低下を伴うことなく、300℃における熱伝導率が、機能部材側層で25Ｗ／ｍ・Ｋ以上、支持部材側層で60Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、かつバルブシート全体（平均）で、300℃における熱伝導率で、45Ｗ／ｍ・Ｋを超えるような、高い熱伝導性を有し、優れた耐摩耗性と高い熱伝導性とを兼備する、２層構造の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシートを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記した目的を達成するため、銅溶浸処理を施された２層構造の鉄基焼結合金製バルブシートに着目した。そして、まず、機能部材側層および支持部材側層における熱伝導性に及ぼす溶浸により添加されたCu量の影響について検討した。その結果、従来から言われているように、銅溶浸処理を施すことにより熱伝導性が向上する。しかし、300℃における熱伝導率が、機能部材側層で25Ｗ／ｍ・Ｋ以上を満足するためには、溶浸により添加されたCu量(Cu溶浸量)を10体積％以上とする必要があり、また、300℃における熱伝導率が、支持部材側層で60Ｗ／ｍ・Ｋ以上を満足するためには、Cu溶浸量を15体積％以上とする必要があることを知見した。
そして、銅溶浸処理を施された機能部材側層の耐摩耗性について検討した。その結果、溶浸により添加されたCu量が増加するとともに、熱伝導性は向上するが、Cuの凝集により摩耗量が増加し耐摩耗性は逆に低下する。しかし、基地相として、微細炭化物が析出した相（微細炭化物析出相）を所定量以上存在させ、さらに基地相中に硬質粒子を所定量以上分散させることにより、Cuの凝集を抑制でき、耐摩耗性の低下が少ないことを、新規に知見した。
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）鉄基焼結合金製で、機能部材側層と支持部材側層との２層を一体化してなる内燃機関用バルブシートであって、前記機能部材側層および前記支持部材側層の空孔にはCuが溶浸されてなり、前記機能部材側層には、バルブ当たり面が形成され、該機能部材側層の300℃における熱伝導率が25Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、かつ前記支持部材側層の300℃における熱伝導率が60Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、バルブシートとして300℃における熱伝導率が平均で45Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、熱伝導性に優れることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
（２）（１）において、前記機能部材側層が、バルブシート全量に対する体積％で、10〜40％であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
（３）（１）または（２）において、前記機能部材側層が、基地相中に硬質粒子を分散させた基地部と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記基地相が、基地相全量に対する体積％で、15％以上の微細炭化物析出相と、0％を含み80％未満の焼戻マルテンサイト相、またはパーライト、マルテンサイト相および高合金相とからなる基地相組織を有し、前記基地部が、前記基地相中に、ビッカース硬さで600〜1200HVの硬さを有する前記硬質粒子を、基地部全量に対する体積％で、10〜30％分散させてなる基地部組織と、該基地部全量に対する質量％で、Ｃ：0.5〜2.0％を含み、Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Ca、Ｆ、Cu、Mgのうちから選ばれた１種又は２種以上を合計で45％以下含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成と、を有し、さらに前記空孔に溶浸で充填されたCuを、機能部材側層全量に対する体積％で10〜35％含む層であり、前記支持部材側層が、基地相と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記基地相が、該基地相全量に対する質量％で、Ｃ：0.5〜2.0％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地相組成を有し、さらに前記空孔に溶浸で充填されたCuを、支持部材側層全量に対する体積％で、15〜35％含む層であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
（４）（１）ないし（３）のいずれかにおいて、前記機能部材側層が、前記基地部組織に加えてさらに、固体潤滑剤粒子を前記基地部全量に対する体積％で、0.1〜5.0％分散させてなる基地部組織を有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
（５）（３）または（４）において、前記支持部材側層が、前記基地相組成に加えてさらに、前記基地相全量に対する質量％で、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Cu、Coのうちから選ばれた１種又は２種以上を合計で10％以下含む基地相組成を有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
（６）（３）または（４）において、前記支持部材側層に代えて、前記支持部材側層が、基地相と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記基地相中に固体潤滑剤粒子を分散させてなる基地部を有し、該固体潤滑剤粒子を、該基地部全量に対する体積％で、0.1〜4.0％分散させてなる基地部組織と、前記基地部全量に対する質量％で、C：0.5〜2.0％を含み、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Ca、Ｆ、Cu、Co、Mgのうちから選ばれた１種又は２種以上を合計で15％以下含む基地部組成を有し、さらに前記空孔に溶浸で充填されたCuを支持部材側層全量に対する体積％で、15〜35％含む層であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
本発明によれば、複雑な構造を有する製造設備を使用することなく製造でき、優れた耐摩耗性と高い熱伝導性とを兼備する、内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシートを容易に、しかも安価に提供でき、産業上格段の効果を奏する。しかも、本発明によれば、従来に比べて耐摩耗性の著しい低下を伴うことなく高い熱伝導性を有する内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシートとすることができるという効果もある。
本発明で対象とする２層構造バルブシートの断面の一例を模式的に示す説明図である。 実施例で使用した単体リグ試験機の概要を模式的に示す説明図である。
本発明バルブシート１０は、一例を図１に示すように、機能部材側層１１と支持部材側層１２との２層を一体化してなる内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシートである。本発明バルブシートは、バルブと接触する側に機能部材側層を、シリンダヘッドの着座面と接する側に支持部材側層を、有し、機能部材側層と支持部材側層との２層を一体化してなる。
本発明バルブシートでは、機能部材側層には、少なくともバルブ当り面が形成され、機能部材側層が、バルブシート全量に対する体積％で、10〜40％となる構成とすることが好ましい。機能部材側層が、バルブシート全量に対する体積％で10％未満では、機能部材側層が薄くなりすぎて、バルブシートの耐久性が低下する。一方、バルブシート全量に対する体積％で40％を超えて多くなると、機能部材側層が厚くなりすぎて、熱伝導性が低下する。なお、好ましくは、バルブシート全量に対する体積％で、15〜35％である。
本発明バルブシートでは、機能部材側層は、基地相中に硬質粒子を分散させた基地部を有する。基地相中に硬質粒子を分散させることにより、バルブシートの耐摩耗性が向上する。本発明バルブシートにおける機能部材側層では、基地相は、微細炭化物析出相と焼戻マルテンサイト相とからなる組織、または微細炭化物析出相とパーライト、マルテンサイト相および高合金相とからなる組織を有する相とすることが好ましい。基地相中に微細炭化物析出相を所定量以上存在させることにより、使用時にCuの凝着が抑制され、銅溶浸処理を施された機能部材側層の耐摩耗性が顕著に向上する。このような効果を得るために、本発明バルブシートにおける機能部材側層では、微細炭化物析出相を、基地相全量に対する体積％で、15％以上、好ましくは35％以上、占有させる。なお、微細炭化物析出相は、微細な炭化物が析出した相、詳しくは高速度工具鋼組成粉末起因の相で、ビッカース硬さで450HV以上の硬さを有する相とする。微細炭化物析出相が体積％で15％未満では、基地相の硬さが低下し、所望の耐摩耗性を確保できなくなる。なお、基地相硬さを所定値以上とし安定して耐摩耗性の向上を確保するためには、微細炭化物析出相は35％以上とすることがより好ましい。なお、基地相を、微細炭化物析出相の単独相としてもよいが、微細炭化物析出相は、硬さや相手攻撃性の観点からは基地相全量に対する体積％で80％以下とすることが好ましい。
また、焼戻マルテンサイト相、またはパーライト、マルテンサイト相および高合金相は純鉄粉組成粉末起因の相であり、焼戻マルテンサイト相、またはパーライト、マルテンサイト相および高合金相が、体積％で80％を超えて多くなると、銅溶浸処理を施された機能部材側層の耐摩耗性が低下する。このため、本発明では、焼戻マルテンサイト相、またはパーライト、マルテンサイト相および高合金相は体積％で80％未満（0％を含む）で、できるだけ低減することが好ましい。
また、基地相中に分散させる硬質粒子は、ビッカース硬さで600〜1200HVの硬さを有する粒子とすることが好ましい。このような硬質粒子としては、Co基金属間化合物粒子とすることが好ましい。Co基金属間化合物粒子としては、Cr−Mo系Co基金属間化合物粒子、Mo−Ni−Cr系Co基金属間化合物粒子、Mo系Co基金属間化合物粒子などが例示できる。Co基金属間化合物粒子以外でも、Fe−Mo系粒子が例示できる。
本発明バルブシートにおける機能部材側層では、基地相中に硬質粒子を、機能部材側層の基地部全量に対する体積％で、10〜30％、分散させた組織とすることが好ましい。分散させる硬質粒子が、機能部材側層の基地部全量に対する体積％で、10％未満では、所望の耐摩耗性が確保できない。一方、30％を超えて多量に分散させると、バルブシートとして所望の強度を確保できなくなる。このようなことから、機能部材側層における硬質粒子の分散量は、機能部材側層の基地部全量に対する体積％で、10〜30％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは20〜25％である。
また、本発明バルブシートにおける機能部材側層では、上記した硬質粒子に加えて、さらに固体潤滑剤粒子を機能部材側層の基地部全量に対する体積％で、0.1〜5.0％、分散させてもよい。固体潤滑粒子の分散量が、0.1％未満では、所望の潤滑効果が期待できなくなる。一方、5.0％を超えて多くなると、切削性向上効果が飽和するうえ、強度が低下する。このため、分散させる場合には、固体潤滑剤粒子は、機能部材側層の基地部全量に対する体積％で、0.1〜5.0％に限定することが好ましい。なお、固体潤滑剤粒子としては、MnS、CaF2、タルク、MoS2が例示できる。
なお、本発明バルブシートの機能部材側層では、上記した基地部組織以外は、空孔であり、該空孔には、溶浸によりCu（銅）または銅合金が充填されている。
本発明バルブシートの機能部材側層におけるCu溶浸量は、機能部材側層全量に対する体積％で10％以上35％以下に限定することが好ましい。Cu溶浸量が10％未満では、熱伝導性が低下し、所望の熱伝導性を確保できなくなる。一方、Cu溶浸量が35％を超えて多くなると、使用時に、空孔に充填されたCuによる凝着摩耗が生じ、耐摩耗性が低下する。このため、機能部材側層におけるCu溶浸量は、機能部材側層全量に対する体積％で10％以上35％以下に限定する。なお、好ましくは15〜30％の範囲である。
本発明バルブシートにおける機能部材側層では、基地相と硬質粒子、あるいはさらに固体潤滑剤粒子を含む基地部の組成は、基地部全量に対する質量％で、Ｃ：0.5〜2.0％を含み、Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Ca、Ｆ、Cu、Mgのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で45％以下含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有することが好ましい。以下、組成における質量％は、単に％で記す。
Ｃ：0.5〜2.0％
Ｃは、バルブシート（焼結体）の強度を増加させ、焼結時に金属元素の拡散を容易にする元素であり、本発明バルブシートの機能部材側層では、0.5％以上含有させることが好ましい。一方、2.0％を超える含有は、基地中にセメンタイトを生成しやすくするとともに、焼結時に液相が発生しやすくなり、寸法精度が低下する。このようなことから、Ｃは0.5〜2.0％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.75〜1.75％である。
Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Ca、Ｆ、Cu、Mgのうちから選ばれた１種または２種以上：合計で45％以下
Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Ca、Ｆ、Cu、Mg はいずれも、バルブシート（焼結体）の強度を増加させ、さらには耐摩耗性を向上させる元素であり、基地相、硬質粒子、あるいはさらには固体潤滑剤粒子を含め、必要に応じて１種又は２種以上、好ましくは合計で10％以上、含有できる。一方、これらの元素を、合計で45％を超えて含有すると、成形性が低下し、さらにバルブシートの圧環強さが低下する。このため、機能部材側層では、Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Ca、Ｆ、Cu、Mg のうちから選ばれた１種または２種以上を合計で45％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは35％以下である。
機能部材側層基地部では、上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。なお、機能部材側層では、上記した基地部以外の組織は、銅溶浸処理によりCuを充填された空孔であり、溶浸Cu量は、機能部材側層全量に対する体積％で10〜35％とする。
一方、本発明バルブシートにおける支持部材側層は、機能部材側層と同様に、鉄基焼結合金製で、焼結により、機能部材側層と境界面を介して一体化され、銅溶浸処理されて、空孔がCuで充填されている。
支持部材側層は、シリンダヘッドに、着座面を介して接し、機能部材側層を支持するとともに、熱伝導性の向上に影響を及ぼし、バルブシートの温度低下に寄与する。そのため、本発明バルブシートにおける支持部材側層では、所望の強度を確保でき、所望の熱伝導性を有する構成とすることが好ましい。
本発明バルブシートにおける支持部材側層では、必要に応じて、基地相中に、さらに固体潤滑剤粒子を、支持部材側層全量に対する体積％で、0.1〜4.0％分散させた基地部組織としてもよい。固体潤滑粒子の分散量が、0.1％未満では、所望の潤滑効果が期待できなくなる。一方、4.0％を超えて多くなると、切削性向上効果が飽和するうえ、強度が低下する。このため、分散させる場合には、固体潤滑剤粒子は、支持部材側層の基地部全量に対する体積％で、0.1〜4.0％に限定することが好ましい。なお、固体潤滑剤粒子としては、MnS、CaF2、タルク、MoS2が例示できる。
また、本発明バルブシートにおける支持部材側層では、必要に応じて、基地相中にさらに硬質粒子を、支持部材側層全量に対する体積％で、4.0％以下分散させた基地部組織としてもよい。硬質粒子の分散量が4.0％を超えて多量になると、熱伝導性が低くなりすぎる。このため、分散させる場合には、硬質粒子は、支持部材側層の基地部全量に対する体積％で、4.0％以下に限定することが好ましい。
本発明バルブシートにおける支持部材側層の基地相組成は、支持部材側層の基地相全量に対する質量％で、Ｃ：0.5〜2.0％を含み、あるいはさらにMo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Cu、Coのうちから選ばれた１種又は２種以上を合計で10％以下含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成とすることが好ましい。以下、組成における質量％は単に％で記す。
Ｃ：0.5〜2.0％
Ｃは、バルブシート（焼結体）の強度、硬さを増加させる元素であり、本発明バルブシートとして所望の強度、硬さを確保するために、0.5％以上含有させることが好ましい。一方、2.0％を超える含有は、基地中にセメンタイトを生成しやすくするとともに、焼結時に液相が発生しやすくなり、寸法精度が低下する。このようなことから、Ｃは0.5〜2.0％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.75〜1.75％である。
上記成分が支持部材側層の基本の成分であるが、必要に応じてさらに、選択元素として、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Cu、Coのうちから選ばれた１種又は２種以上を合計で10％以下含有できる。
Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Cu、Coのうちから選ばれた１種または２種以上：合計で10％以下
Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Cu、Coはいずれも、支持部材側層の強度、硬さを増加させる元素であり、必要に応じて選択してさらに１種または２種以上含有できる。このような効果を得るためには、合計で10％以下、含有することが好ましい。これら元素の含有量が合計で10％を超えると、成形性が低下し、また強度も低下する。これらの元素は、熱伝導性を阻害するため、熱伝導性向上の観点からはできるだけ含有しないことが好ましい。このため、含有する場合は、合計で10％以下に限定した。
なお、基地相中に固体潤滑剤粒子を分散させた場合には、上記した基地相組成に代えて、支持部材側層の基地部組成は、基地部全量に対する質量％で、C：0.5〜2.0％を含み、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Ca、Ｆ、Cu、Co、Mgのうちから選ばれた１種又は２種以上を合計で15％以下含む基地部組成とすることが好ましい。
本発明バルブシートにおける支持部材側層の基地相又は基地部では、上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。
なお、本発明バルブシートにおける支持部材側層では、上記した基地相または基地部以外は、空孔であり、本発明バルブシートにおける支持部材側層では、空孔を積極的に形成し、銅溶浸処理で空孔をCuで充填して、熱伝導性の向上を図る。本発明バルブシートにおける支持部材側層では、支持部材側層全量に対する体積％で、15〜35％のCu溶浸量とする。支持部材側層では、Cu溶浸量が15％未満では、所望の熱伝達性が確保できない。一方、35％を超えて多量のCu溶浸量とすると、所望の強度を確保できなくなる。このため、支持部材側層におけるCu溶浸量は、支持部材側層全量に対する体積％で15〜35％の範囲に限定した。なお、好ましくは18〜30％である。
つぎに、本発明バルブシートの好ましい製造方法について説明する。
本発明では、まずプレス成形機内で、所定形状の支持部材側層（バルブシート）が形成可能な充填空間（金型）を形成し、該充填空間に支持部材側層用の原料粉（混合粉）を充填したのち、さらに、支持部材側層の上層として所定形状の機能部材側層（バルブシート）が形成可能な充填空間（金型）を形成し、該充填空間に機能部材側層用の原料粉（混合粉）を充填する。そして、更に、支持部材側層の上層として所定形状の機能部材側層（バルブシート）が形成可能な充填空間（金型）を形成し、該充填空間に機能部材側層用の原料粉(混合粉)を充填する。そして、支持部材側層と機能部材側層とを一体的に、常用のプレス成形機で加圧成形して、圧粉体(バルブシート)とする。なお、圧粉体の強度の観点から、得られる圧粉体の密度が5.5〜7.0g/cm3となるように、調整して加圧成形することが好ましい。
本発明で使用するプレス成形機としては、とくに限定する必要はなく、２層構造のバルブシートが成形可能なプレス成形機がいずれも適用できる。
支持部材側層用の原料粉（混合粉）としては、鉄系粉末と、黒鉛粉末や合金元素粉末等の合金用粉末と、潤滑剤粒子粉末と、あるいはさらに固体潤滑剤粒子粉末と、を上記した支持部材側層組成となるように、所定量配合し、混合、混錬して混合粉（支持部材側層用）とする。鉄系粉末は、純鉄粉としても、あるいは特定組成の鋼系粉末としてもよい。
また、機能部材側層の原料粉（混合粉）としては、鉄系粉末と、黒鉛粉末や合金元素粉末等の合金用粉末と、硬質粒子粉末と、あるいはさらに固体潤滑剤粒子粉末と、を上記した機能部材側層の基地部組成となるように、所定量それぞれ配合し、混合、混錬して混合粉（機能部材側層用）とする。本発明では、基地相を形成する鉄系粉末として、微細炭化物析出相を形成できる鋼組成を有する鋼系粉末と純鉄粉との混合、あるいは該鋼系粉末の単独、とすることが好ましい。基地相硬さを高く維持し、Cu凝着による耐摩耗性の低下を抑制するためには、微細炭化物析出相を形成できる鋼組成を有する鋼系粉末の比率を高くする必要があり、純鉄粉の使用はできるだけ少なく制限することが好ましい。上記した鋼系粉末としては、高速度工具鋼組成の鋼系粉末が例示できる。
得られた圧粉体は、ついで、焼結処理を施され、焼結体とされたのち、切削等の加工を施されて、内燃機関用のバルブシート（製品）とされる。なお、焼結温度は1000〜1300℃とすることが好ましい。焼結処理時に、あるいは焼結処理とは別に、銅溶浸処理を施し、空孔に銅（Cu）あるいは銅合金を充填する。なお、所望の硬さを付与するために、熱処理（焼入焼戻処理）を施してもよい。
以下、実施例に基づき、さらに本発明について説明する。
原料粉として、表１に示す原料粉（鉄系粉末、合金元素用粉末、硬質粒子粉末、固体潤滑剤粒子粉末）を、表１に示す配合量で配合し、混合、混錬し、各種の機能部材側層用の混合粉とした。また、表２に示す原料粉（鉄系粉末、合金元素用粉末、固体潤滑剤粒子粉末）を、表２に示す配合量で配合し、混合、混錬し、各種の支持部材側層用の混合粉とした。なお、使用した各種鉄系粉末の組成を表３に、また、使用した各種硬質粒子粉末の組成を表４に示す。
Figure 2018180942
Figure 2018180942
Figure 2018180942
Figure 2018180942
つぎに、これら混合粉を、プレス成形機で一体的に加圧成形(面圧：2〜7ton/cm2)して、２層構造のバルブシート用圧粉体を得た。
得られた圧粉体に、さらに焼結処理(加熱温度：1000〜1300℃)を施す、１Ｐ１Ｓ工程により焼結体とした。なお、焼結に際しては、銅溶浸処理を施し、空孔内にCuを充填（溶浸）した。なお、焼結体No.1（従来例）には、溶浸処理は施さなかった。
ついで、得られた焼結体に、熱処理（900℃加熱・焼入れ処理と600℃焼戻し処理）を施したのち、切削、研削により、外径27.1mmφ×内径22.0mmφ×厚さ6.5mmのバルブシート（製品）とした。なお、一部の焼結体、および溶浸処理を施さなかったものには上記した熱処理は施さなかった。
得られたバルブシート（製品）の各層について、発光分析により各成分の含有量を分析し、各層の組成を測定した。また、各層中のCu（溶浸）量（質量％）は、発光分析により得られた各層中のCu量から算出した。得られた結果を表５に示す。
Figure 2018180942
また、得られたバルブシート（製品）の断面を研磨し、ナイタール腐食して、各層の組織を、走査型電子顕微鏡(倍率：200倍)を用いて、観察し、各層の組織を撮像した。得られた組織写真から、画像解析により、各層における組織分率を算出し、その結果を表６に示した。なお、表中に示した組織分率以外は空孔である。なお、機能部材側層の基地相中に分散する硬質粒子量、固体潤滑剤粒子量は、機能部材の基地部全量に対する体積％で表示した。また支持部材側層の基地相中に分散する固体潤滑剤粒子量は、支持部材の基地部全量に対する体積％で表示した。なお、Cu（溶浸）量は、各層全量に対する体積％で表示した。
Figure 2018180942
また、得られたバルブシート（製品）の断面を研磨し、ナイタール腐食して、光学顕微鏡(倍率：200倍)で組織を観察し、バルブシートにおける機能部材側層の比率（体積％）を求め、表７に示した。
つぎに、得られたバルブシート（製品）を試験片として、図２に示す単体リグ摩耗試験機に装着し、下記条件で、摩耗試験を実施した。
試験温度 ：270℃、
試験時間 ：8hr、
カム回転数 ：3000rpm、
バルブ回転数 ：20rpm、
バルブ材質 ：窒化バルブ、
熱源 ：ＬＰＧ。
摩耗試験の試験前後の試験片（バルブシート）形状から、試験前後の差を算出し、摩耗量(μm)に換算した。焼結体No.1（従来例）の摩耗量を1.00（基準）とし、それに対する各バルブシート摩耗比を算出し、結果を、表７に示す。バルブシート摩耗比が従来例以下である場合を「○」と評価し、それ以外を「×」と評価した。
また、上記したバルブシートと同じ条件で、熱伝導率測定用サンプルを製造し、レーザフラッシュ法を利用して、300℃における熱伝導率を測定し、表７に併記した。なお、300℃における熱伝導率が、機能部材側層で25Ｗ／ｍ・Ｋ以上、支持部材側層で60Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつバルブシート全体（平均）で45Ｗ／ｍ・Ｋ以上、を満足する場合を、「○」と評価し、それ以外は「×」と評価した。
Figure 2018180942
本発明例は、いずれも、300℃における熱伝導率が、機能部材側層で25Ｗ／ｍ・Ｋ以上、支持部材側層で60Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつバルブシート全体（平均）で45Ｗ／ｍ・Ｋ以上、を満足する、優れた熱伝導性を有し、かつ現状のバルブシートと同等の優れた耐摩耗性を有することがわかる。一方、本発明範囲を外れる比較例は、所望の優れた熱伝導性が得られないか、あるいは所望の優れた熱伝導性を有しているが、耐摩耗性が著しく低下している。
２ セッティング冶具
３ 熱源
４ バルブ
１０ バルブシート
１１ 機能部材側層
１２ 支持部材側層

Claims (6)

  1. 鉄基焼結合金製で、機能部材側層と支持部材側層との２層を一体化してなる内燃機関用バルブシートであって、
    前記機能部材側層および前記支持部材側層の空孔にはCuが溶浸されてなり、
    前記機能部材側層には、バルブ当たり面が形成され、
    該機能部材側層の300℃における熱伝導率が25Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、かつ前記支持部材側層の300℃における熱伝導率が60Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、バルブシートとして300℃における熱伝導率が平均で45Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、熱伝導性に優れることを特徴とする
    内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
  2. 前記機能部材側層が、バルブシート全量に対する体積％で、10〜40％であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
  3. 前記機能部材側層が、基地相中に硬質粒子を分散させた基地部と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記基地相が、基地相全量に対する体積％で、15％以上の微細炭化物析出相と、0％を含み80％未満の焼戻マルテンサイト相、またはパーライト、マルテンサイト相および高合金相とからなる基地相組織を有し、前記基地部が、前記基地相中に、ビッカース硬さで600〜1200HVの硬さを有する前記硬質粒子を、基地部全量に対する体積％で、10〜30％分散させてなる基地部組織と、該基地部全量に対する質量％で、Ｃ：0.5〜2.0％を含み、Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Ca、Ｆ、Cu、Mgのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で45％以下含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成と、を有し、さらに前記空孔に溶浸で充填されたCuを、機能部材側層全量に対する体積％で、10〜35％含む層であり、
    前記支持部材側層が、基地相と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記基地相が、該基地相全量に対する質量％で、Ｃ：0.5〜2.0％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地相組成を有し、さらに前記空孔に溶浸で充填されたCuを、支持部材側層全量に対する体積％で、15〜35％含む層である
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
  4. 前記機能部材側層が、前記基地部組織に加えてさらに、固体潤滑剤粒子を前記基地部全量に対する体積％で、0.1〜5.0％分散させてなる基地部組織を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
  5. 前記支持部材側層が、前記基地相組成に加えてさらに、前記基地相全量に対する質量％で、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Cu、Coのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で10％以下含む基地相組成を有することを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
  6. 前記支持部材側層に代えて、前記支持部材側層が、基地相と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記基地相中に固体潤滑剤粒子を分散させてなる基地部を有し、該固体潤滑剤粒子を、該基地部全量に対する体積％で、0.1〜4.0％分散させてなる基地部組織と、前記基地部全量に対する質量％で、C：0.5〜2.0％を含み、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、Ｗ、Ｖ、Ｓ、Ca、Ｆ、Cu、Co、Mgのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で15％以下含む基地部組成を有し、さらに前記空孔に溶浸で充填されたCuを支持部材側層全量に対する体積％で、15〜35％含む層であることを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
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