JPWO2019221106A1 - 内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート - Google Patents
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Abstract
優れた熱引け性と優れた耐摩耗性を兼備する内燃機関用バルブシートを提供する。アルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入されて使用される内燃機関用バルブシートであり、鉄基焼結合金製で、機能部材側層と支持部材側層との２層を一体化してなり、少なくとも外周側にめっき膜を有する。めっき膜は、銅めっき膜とすることが好ましい。また、めっき膜は、厚さ：1〜100μm、硬さ：50〜300HVを有するめっき膜であり、めっき膜の硬さを、ビッカース硬さHVで、シリンダヘッドの硬さの1.05〜4.5倍の範囲を満足するように調整する。なお、バルブシートに含まれる空孔は、めっき処理前に硬化性樹脂で封孔処理することが好ましい。これにより、複雑な工程を経ることなく、しかも従来に比べて耐摩耗性の著しい低下を伴うこともなく、優れた熱引け性を有する内燃機関用バルブシートとなる。めっき膜に加えてさらに、バルブシートの外周面の少なくとも１箇所に粗面化領域を形成すれば、耐抜落ち性が向上する。なお、バルブシートが機能部材側層のみの単層としても、同様の効果を奏する。
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、熱引け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、優れた熱引け性を保持することが要求されている。とくに、バルブシートの熱引け性は、エンジン出力に大きく影響する特性であり、そのため、優れた熱引け性を保持するバルブシートが切望されていた。
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優れた熱伝導性を有する支持部材側層を、配し、これら２層を一体化している。このような２層構造のバルブシートは、粉末冶金法が寸法精度が高いこと、特殊な合金を使用できることなどにより、最近では殆どが、粉末冶金法を利用した焼結合金製となっている。
また、最近の内燃機関の高効率化・高負荷化の促進にともない、燃焼室周りの温度がさらに上昇する傾向にある。そのため、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には、バルブ及びバルブシートの温度を低下することが、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、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２に記載された技術は、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ある。そしてこの技術では、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とすることが好ましいとしている。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２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るとしている。また、この技術によれば、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３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３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あり、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３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いる。キャリア層を形成するキャリア材料では、鉄−銅合金で構成し、重量％で、好ましくは25％超40％以下の銅を含有するとしている。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。
また、従来から、焼結材からなるインサート型バルブシートにおいては、焼結材特有のクリープ特性から嵌合代の減少を招き、シリンダヘッドから脱落するという危険性が指摘されていた。とくに、ディーゼルエンジンに代表される熱負荷の高いエンジンで多発することが知られていた。
このような問題に対し、例えば特許文献４には、銅その他の熱伝導性のよい金属により、少なくとも外周面をメッキされてなる、焼結材製のインサート型バルブシートが記載されている。特許文献４に記載された技術によれば、バルブシートの温度上昇を少なくして材料の劣化を防止することができ、焼結材特有の嵌合代の減少を抑制できるとしている。
また、特許文献５には、バルブシート付シリンダヘッドが記載されている。特許文献５に記載された技術は、バルブシートとシリンダヘッドとの接合強度を高めることを目的になされたものであり、アルミ合金製のシリンダヘッドのバルブポートに、鉄を主成分とする焼結合金からなるバルブシートを圧入させた後、高周波加熱により接合させてなるバルブシート付きシリンダヘッドである。特許文献５に記載された技術では、バルブシートにCu系のめっき処理をすることが好ましいとしている。これにより、焼結合金を封孔し、熱伝導性を向上させるとともに、シリンダヘッドへの接合強度を高めることができるとしている。
また、特許文献６には、自動車用部品が記載されている。特許文献６に記載された技術は、自動車用部材と、該自動車用部材の表面の少なくとも一部に形成された、ナノカーボンとアルミニウムとを含有する複合めっき膜と、を備える自動車用部品であり、該複合めっき膜におけるナノカーボンの含有量は1〜40％で、かつナノカーボンのアスペクト比は20以上である。この技術によれば、優れた熱伝導性を有する自動車用部品が製造できるとしている。自動車用部材の例として、バルブシートも例示されている。
特許文献１に記載された技術によれば、優れた熱伝導性を有するバルブシートとすることができる。しかしながら、特許文献１に記載された技術では、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、しかも、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、特許文献２に記載された技術では、最近、要求され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が難しいうえ、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３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。
また、特許文献４に記載された技術は、ディーゼルエンジンに代表される熱負荷の高いエンジンで、鋳鉄製のシリンダヘッドに圧入されるバルブシートを対象としており、最近のアルミニウム合金製シリンダヘッドにおける問題に対しては何の言及もない。
また、特許文献５に記載された技術では、高周波加熱処理を施すことを必要とし、工程が複雑となり、製造コストの高騰を招くという問題があった。
また、特許文献６に記載された技術では、特殊なめっき処理でめっき膜を形成する必要があり、工程が複雑なうえ、均一なめっき膜を形成することが難しいという問題がある。
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、アルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入されて使用される内燃機関用バルブシートであって、複雑な製造工程を必要とすることなく、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、優れた熱引け性を有する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。
なお、ここでいう「優れた熱引け性」とは、所定条件で加熱した際に、当該バルブシートと当接するバルブの温度が、従来のバルブシートを使用した場合のバルブ温度に比べて、20℃以下となる場合をいうものとする。また、ここでいう「従来のバルブシート」とは、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、機能部材側層が、基地相中に硬質粒子が分散した組織を有し、基地相と硬質粒子からなる基地部組成が、質量％で、C：0.2〜2.0％を含み、Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、Cu、Sのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有し、一方、支持部材側層が、質量％で、C：0.2〜2.0％を含み、あるいはさらにMo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、P、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で20％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有する、鉄基焼結合金製バルブシートをいうものとする。
本発明者らは、上記した目的を達成するために、鉄基焼結合金製バルブシートの熱引け性に影響する各種要因について、鋭意検討した。その結果、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鉄基焼結合金製内燃機関用バルブシートにおいては、バルブシートの少なくとも外周面に、好ましくは適正な範囲の硬さと適正な膜厚とを有するめっき膜を形成することにより、当接するバルブの温度が顕著に低下することを新規に見出した。
また、本発明者らは、焼結体に予め、硬化性樹脂による空孔の含浸処理（封孔処理）を施し、空孔全体を封孔することが、バルブシートへ安定してめっき処理を施すことができることに想到した。
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）アルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入される内燃機関用バルブシートであって、鉄基焼結合金製で、機能部材側層のみの単層からなり、または、機能部材側層と支持部材側層との２層を一体化してなり、少なくとも外周側にめっき膜を有し、熱引け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、前記めっき膜が、厚さ：1〜100μm、ビッカース硬さHVで硬さ：50〜300HVを有するめっき膜であり、かつ該めっき膜の硬さが、ビッカース硬さHVで、前記シリンダヘッドの硬さの1.05〜4.5倍の範囲を満足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。
（３）（１）または（２）において、前記機能部材側層が、または、前記機能部材側層と支持部材側層との２層が、封孔処理を施されてなる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、前記めっき膜の表面粗さが、JIS B 0601-1994の規定に準拠した算術平均粗さRaで、0.1〜1.6μm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。
（５）（１）ないし（４）のいずれかにおいて、前記めっき膜が、銅めっき膜または錫めっき膜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。
（６）（１）ないし（５）のいずれかにおいて、前記バルブシートの外周面の少なくとも１箇所に粗面化領域として、円周方向に延在する凹部と凸部とが隣接してなる凹凸を前記円周方向に垂直な方向に複数列有する凹凸混合部を有し、前記粗面化領域を、前記外周面の全域に対する面積率で合計で0.3％以上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。
（７）（６）において、前記凹凸混合部が、前記外周面に対し垂直方向から観察して、圧入方向に三角形状を呈し、かつ圧入方向に向く該三角形状の頂点が、頂角：10〜150°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。
（８）（１）において、前記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場合には、前記機能部材側層は、バルブシート全量に対する体積％で、10〜70％となる構成と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。
（９）（１）において、前記機能部材側層は、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、Cu、Sのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有し、かつ前記硬質粒子を基地相中に機能部材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。
（１０）（１）において、前記支持部材側層は、質量％で、C：0.2〜2.0％を含み、あるいはさらにMo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、P、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で20％以下含有し、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。
（１１）（９）において、前記機能部材側層は、前記基地部組織に加えてさらに、固体潤滑剤粒子を機能部材側層全量に対する質量％で、0.5〜4％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。
（１２）（１０）において、前記支持部材側層は、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質量％で0.5〜4％分散させてなる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。
（１）アルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入される内燃機関用バルブシートであって、鉄基焼結合金製で、機能部材側層のみの単層からなり、または、機能部材側層と支持部材側層との２層を一体化してなり、少なくとも外周側にめっき膜を有し、熱引け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、前記めっき膜が、厚さ：1〜100μm、ビッカース硬さHVで硬さ：50〜300HVを有するめっき膜であり、かつ該めっき膜の硬さが、ビッカース硬さHVで、前記シリンダヘッドの硬さの1.05〜4.5倍の範囲を満足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。
（３）（１）または（２）において、前記機能部材側層が、または、前記機能部材側層と支持部材側層との２層が、封孔処理を施されてなる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、前記めっき膜の表面粗さが、JIS B 0601-1994の規定に準拠した算術平均粗さRaで、0.1〜1.6μm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。
（５）（１）ないし（４）のいずれかにおいて、前記めっき膜が、銅めっき膜または錫めっき膜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。
（６）（１）ないし（５）のいずれかにおいて、前記バルブシートの外周面の少なくとも１箇所に粗面化領域として、円周方向に延在する凹部と凸部とが隣接してなる凹凸を前記円周方向に垂直な方向に複数列有する凹凸混合部を有し、前記粗面化領域を、前記外周面の全域に対する面積率で合計で0.3％以上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。
（７）（６）において、前記凹凸混合部が、前記外周面に対し垂直方向から観察して、圧入方向に三角形状を呈し、かつ圧入方向に向く該三角形状の頂点が、頂角：10〜150°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。
（８）（１）において、前記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場合には、前記機能部材側層は、バルブシート全量に対する体積％で、10〜70％となる構成と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。
（９）（１）において、前記機能部材側層は、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、Cu、Sのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有し、かつ前記硬質粒子を基地相中に機能部材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。
（１０）（１）において、前記支持部材側層は、質量％で、C：0.2〜2.0％を含み、あるいはさらにMo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、P、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で20％以下含有し、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。
（１１）（９）において、前記機能部材側層は、前記基地部組織に加えてさらに、固体潤滑剤粒子を機能部材側層全量に対する質量％で、0.5〜4％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。
（１２）（１０）において、前記支持部材側層は、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質量％で0.5〜4％分散させてなる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。
本発明によれば、アルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入する内燃機関用バルブシートに関し、複雑な工程を経ることなく、しかも従来に比べて耐摩耗性の著しい低下を伴うこともなく、優れた耐摩耗性と優れた熱引け性とを兼備する鉄基焼結合金製バルブシートとすることができ、産業上格段の効果を奏する。
本発明バルブシート１０は、バルブと接触する側に機能部材側層１１を、シリンダヘッドの着座面と接する側に支持部材側層１２を、有し、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。なお、本発明バルブシート１０は、機能部材側層１１のみの単層としてもよい。そして、本発明バルブシート１０では、少なくとも外周面にめっき膜１３を有する。なお、本発明バルブシート１０で、少なくとも外周面に形成するめっき膜１３の膜種については、とくに限定する必要はないが、Cu（銅）、Sn（錫）、Ni、Ag、Al、Au、Cr、Zn等が例示でき、なかでもCuは純Cu、Snは純Snとすることが好ましい。
本発明バルブシート１０の一例を図１に示す。なお、図１では、機能部材側層と支持部材側層の２層を一体化した場合のみを示す。機能部材側層のみの単層の場合は図示を省略した。図１では、めっき膜１３は、外周面に加えてさらに、シート着座面、内周面の一部、にも形成されている。なお、めっき膜の形成領域が増加することにより、バルブシートの熱引け性が向上する。
本発明バルブシート１０では、少なくとも外周面に形成されるめっき膜は、厚さ：1〜100μm、硬さ：50〜300HVを有するめっき膜とすることが好ましい。
めっき膜の厚さが、1μm未満では薄すぎて、所望のバルブシートの熱引け性向上を達成できない。一方、めっき膜の厚さが100μmを超えると、めっき膜の密着性が低下する。このため、少なくとも外周面に形成されるめっき膜は、厚さ：1〜100μmの範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは1〜50μm、さらに好ましくは1〜10μmである。
また、めっき膜の硬さが、ビッカース硬さHVで、50HV未満では、めっき膜が軟らかすぎて、シリンダヘッドへの圧入時にめっき膜の剥離等の問題が生じる。一方、めっき膜の硬さが300HVを超えて硬くなると、シリンダヘッドへの密着性が低下し、熱引け性が低下する。このため、少なくとも外周面に形成されるめっき膜は、硬さ：50〜300HVの範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは50〜200HV、さらに好ましくは50〜150HVである。
さらに、バルブシートの少なくとも外周面に形成されるめっき膜は、上記した硬さ範囲内で、かつ圧入されるシリンダヘッドの硬さの1.05〜4.5倍の範囲を満足するように調整することが好ましい。めっき膜の硬さが、シリンダヘッドの硬さに対して上記した範囲を低く外れると、めっき膜が剥離しやすく、一方、上記した範囲を高く外れると、「めっきのかじり」が生じ、バルブシートの圧入不能が発生する。
なお、めっき膜の表面粗さは、JIS B 0601-1994の規定に準拠した算術平均粗さRaで、0.1〜1.6μmの範囲に限定することが好ましい。めっき膜の表面粗さRaが、上記した範囲を外れると、シリンダヘッドとの密着性が低下し、熱引け性も低下する。より好ましくはRaで、0.1〜0.5μmである。
上記した特性を有するめっき膜をバルブシートの少なくとも外周面に形成することにより、バルブシートの熱引け性が向上する。このような本発明バルブシートを、アルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入した場合には、バルブシートのバルブ当り面に当接するバルブの温度が著しく低下する。
なお、上記した特性を有するめっき膜を形成するバルブシートについては、とくに限定する必要はなく、常用の、機能部材側層のみの単層構造のバルブシート、あるいは機能部材側層と支持部材側層の２層を一体化した構造のバルブシートがいずれも適用できる。しかし、耐摩耗性の著しい低下を招くことなく、バルブシートの熱引け性を顕著に向上させるためには、使用するバルブシートは、下記のような組成と組織とを有するものとすることが好ましい。
本発明で使用する２層構造のバルブシートでは、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、10〜70％となる構成とすることが好ましい。機能部材側層１１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70％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、より好ましくは、バルブシート全量に対する体積％で、10〜50％である。
本発明で使用するバルブシートの機能部材側層は、基地相と、基地相中に分散した硬質粒子と、空孔とからなる組織を有する。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。なお、基地相中にはさらに固体潤滑剤粒子を分散させてもよい。
本発明バルブシートの機能部材側層の基地相中に分散する硬質粒子の分散量は、機能部材側層全量に対する質量％で、5〜40％とすることが好ましい。硬質粒子の分散量が5％未満では、上記した効果が期待できない。一方、40％を超えて分散すると、相手攻撃性が増加する、このため、硬質粒子は質量％で5〜40％に限定することが好ましい。なお、より好ましくは、10〜30％である。
基地相中に分散させる硬質粒子は、C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S、Feのうちから選ばれた１種または２種以上の元素からなる粒子とすることが好ましい。硬質粒子は上記した組成を有し、さらに、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。硬質粒子の硬さが600HV未満では、耐摩耗性が低下し、一方1200HVを超えると靭性が低下し、欠けやクラックの発生の危険性が増大する。
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−Co系金属間化合物粒子、Ni−Cr−Mo−Co系金属間化合物粒子などが例示できる。
Cr−Mo−Co系金属間化合物粒子は、質量％で、Cr：5.0〜20.0％、Mo：10.0〜30.0％を含有し、残部がCoおよび不可避的不純物からなる金属間化合物粒子である。Ni−Cr−Mo−Co系金属間化合物粒子は、質量％で、Ni：5.0〜20.0％、Cr：15.0〜30.0％、Mo：17.0〜35.0％を含み、残部がCoおよび不可避的不純物からなる金属間化合物粒子である。
なお、それ以外の、Fe−Mo合金粒子、Fe−Ni−Mo−S系合金粒子、Fe−Mo−Si系合金粒子なども好適である。
Fe−Mo合金粒子は、質量％で、Mo：50.0〜70.0％、残部がFeおよび不可避的不純物からなる合金粒子である。Fe−Ni−Mo−S系合金粒子は、質量％で、Ni：50.0〜70.0％、Mo：20.0〜40.0％、S：1.0〜5.0％を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる合金粒子である。Fe−Mo−Si系粒子は、質量％で、Si：5.0〜20.0％、Mo：20.0〜40.0％を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる合金粒子である。
また、本発明バルブシートの機能部材側層の基地相には、上記した硬質粒子に加えてさらに、固体潤滑剤粒子を分散させてもよい。固体潤滑剤粒子は、被削性、耐摩耗性を向上させ、相手攻撃性を減少させる効果を有する。固体潤滑剤粒子としては、MnS、MoS2などの硫化物およびCaF2などの弗化物のうちから選ばれた１種または２種以上、あるいはそれらを混合したものとすることが好ましい。なお、固体潤滑剤粒子は、機能部材側層全量に対する質量％で、合計0.5〜4％分散させることが好ましい。固体潤滑剤粒子量が0.5％未満では、固体潤滑剤粒子量が少なく被削性が低下し、凝着の発生が促進され、耐摩耗性が低下する。一方、4％を超えて分散させても、効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなる。このため、固体潤滑剤粒子は質量％で、合計で0.5〜4％に限定することが好ましい。
本発明バルブシートの機能部材側層の基地相は、硬質粒子を除く基地相面積を100％とする面積率で、30〜60％のパーライトと、40〜70％の高合金拡散相からなる組織とすることが好ましい。
また、本発明バルブシートの機能部材側層では、基地相と、硬質粒子と、あるいはさらに固体潤滑剤粒子を含む基地部が、質量％で、C：0.2〜2.0％を含み、Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、Cu、Sのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有することが好ましい。
C：0.2〜2.0％
Cは、焼結体の強度、硬さを増加させ、焼結時に金属元素の拡散を容易にする元素である。このような効果を得るためには、0.2％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が生成しやすくなり、焼結時に液相が発生しやすく、寸法精度が低下する。このため、Cは0.2〜2.0％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.7〜1.3％である。
Cは、焼結体の強度、硬さを増加させ、焼結時に金属元素の拡散を容易にする元素である。このような効果を得るためには、0.2％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が生成しやすくなり、焼結時に液相が発生しやすく、寸法精度が低下する。このため、Cは0.2〜2.0％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.7〜1.3％である。
Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、Cu、Sのうちから選ばれた１種または２種以上を合計：50％以下
Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、Cu、Sはいずれも、焼結体の強度、硬さを増加させ、さらに耐摩耗性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、硬質粒子起因を含め、少なくとも１種以上を選択して合計で5％以上含有することが望ましい。一方、合計で50％を超えて含有すると、成形性、強度を低下させる。このため、Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、Cu、Sのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で、50％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは25％以上である。なお、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。また、機能部材側層の基地相中には、固体潤滑剤粒子が機能部材側層全量に対し質量％で、0.5〜4％分散させてもよい。
Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、Cu、Sはいずれも、焼結体の強度、硬さを増加させ、さらに耐摩耗性向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、硬質粒子起因を含め、少なくとも１種以上を選択して合計で5％以上含有することが望ましい。一方、合計で50％を超えて含有すると、成形性、強度を低下させる。このため、Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、Cu、Sのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で、50％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは25％以上である。なお、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。また、機能部材側層の基地相中には、固体潤滑剤粒子が機能部材側層全量に対し質量％で、0.5〜4％分散させてもよい。
なお、本発明バルブシートの機能部材側層では、上記した組成に代えて、下記のような組成としてもよい。本発明バルブシートの機能部材側層では、基地相と硬質粒子とを含む基地部は、質量％で、Ni：0.1〜23.0％、Cr：0.4〜15.0％、Mo：0.1〜15.0％、Cu：0.2〜5.0％、Co：3.0〜25.0％、V：0.1〜2.0％、Mn：0.1〜2.0％、W：0.2〜6.0％、C：0.2〜2.0％、Si：0.1〜2.0％、S：0.1〜1.5％のうちから選ばれた１種または２種以上を合計で3.0〜50.0％含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成としてもよい。
Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W、C、Si、Sはいずれも、機能部材側層の基地相および硬質粒子中に含まれ、耐摩耗性を向上させる元素であり、１種または２種以上選択して合計で質量％で、3.0〜50.0％含有できる。以下、組成における質量％は、単に％で記す。
Ni：0.1〜23.0％
Niは、基地相の強度、靭性の向上に寄与する元素であり、また硬質粒子の硬さ増加にも寄与する元素で、耐摩耗性の向上に加えて、硬さ、耐熱性を向上させる。0.1％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、23.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加する。このため、含有する場合には、Niは0.1〜23.0％に限定することが好ましい。
Niは、基地相の強度、靭性の向上に寄与する元素であり、また硬質粒子の硬さ増加にも寄与する元素で、耐摩耗性の向上に加えて、硬さ、耐熱性を向上させる。0.1％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、23.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加する。このため、含有する場合には、Niは0.1〜23.0％に限定することが好ましい。
Cr：0.4〜15.0％
Crは、基地相および硬質粒子中に含まれ、また炭化物を形成して、耐摩耗性向上に加えて、硬さ、耐熱性を向上させる元素である。しかし、0.4％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、15.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加する。このため、含有する場合には、Crは0.4〜15.0％に限定することが好ましい。
Crは、基地相および硬質粒子中に含まれ、また炭化物を形成して、耐摩耗性向上に加えて、硬さ、耐熱性を向上させる元素である。しかし、0.4％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、15.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加する。このため、含有する場合には、Crは0.4〜15.0％に限定することが好ましい。
Mo：0.1〜15.0％
Moは、基地相および硬質粒子中に含まれ、基地相、硬質粒子の硬さを増加させ、耐摩耗性向上に加えて、硬さ、耐熱性を向上させる元素である。しかし、0.1％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、15.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加する。このため、含有する場合には、Moは0.1〜15.0％に限定することが好ましい。
Moは、基地相および硬質粒子中に含まれ、基地相、硬質粒子の硬さを増加させ、耐摩耗性向上に加えて、硬さ、耐熱性を向上させる元素である。しかし、0.1％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、15.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加する。このため、含有する場合には、Moは0.1〜15.0％に限定することが好ましい。
Cu：0.2〜5.0％
Cuは、基地相の強度、靭性の向上に寄与し、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、0.2％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、5.0％を超えて含有すると、遊離Cuが析出し使用中にバルブとの凝着を起こしやすくなる。このため、含有する場合には、Cuは0.2〜5.0％に限定することが好ましい。
Cuは、基地相の強度、靭性の向上に寄与し、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、0.2％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、5.0％を超えて含有すると、遊離Cuが析出し使用中にバルブとの凝着を起こしやすくなる。このため、含有する場合には、Cuは0.2〜5.0％に限定することが好ましい。
Co：3.0〜25.0％
Coは、基地相の強度、とくに高温強度を増加させ、耐摩耗性向上に寄与するとともに、さらに基地相の靭性を向上させ、硬質粒子と基地相との結合を強化する作用を有し、さらに、耐熱性を向上させる作用を有する元素である。しかし、3.0％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、25.0％を超えて含有すると、基地相硬さが低下し、所望の特性を確保できなくなる。このため、含有する場合には、Coは3.0〜25.0％に限定することが好ましい。
Coは、基地相の強度、とくに高温強度を増加させ、耐摩耗性向上に寄与するとともに、さらに基地相の靭性を向上させ、硬質粒子と基地相との結合を強化する作用を有し、さらに、耐熱性を向上させる作用を有する元素である。しかし、3.0％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、25.0％を超えて含有すると、基地相硬さが低下し、所望の特性を確保できなくなる。このため、含有する場合には、Coは3.0〜25.0％に限定することが好ましい。
V：0.1〜2.0％
Vは、炭化物として析出し、基地相を強化し、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、0.1％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、2.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加するとともに、成形性が低下する。このため、含有する場合には、Vは0.1〜2.0％に限定することが好ましい。
Vは、炭化物として析出し、基地相を強化し、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、0.1％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、2.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加するとともに、成形性が低下する。このため、含有する場合には、Vは0.1〜2.0％に限定することが好ましい。
Mn：0.1〜2.0％
Mnは、基地相の硬さを増加させ、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、0.1％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、2.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加する。このため、含有する場合には、Mnは0.1〜2.0％に限定することが好ましい。
Mnは、基地相の硬さを増加させ、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、0.1％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、2.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加する。このため、含有する場合には、Mnは0.1〜2.0％に限定することが好ましい。
W：0.2〜6.0％
Wは微細炭化物として析出し、基地相の硬さを増加させ、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、0.2％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、6.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加する。このため、含有する場合には、Wは0.2〜6.0％に限定することが好ましい。
Wは微細炭化物として析出し、基地相の硬さを増加させ、耐摩耗性を向上させる元素である。しかし、0.2％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、6.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加する。このため、含有する場合には、Wは0.2〜6.0％に限定することが好ましい。
C：0.2〜2.0％
Cは、基地相を所望の硬さ、組織に調整し、基地相を強化して耐摩耗性向上に寄与し、さらに焼結拡散性向上に寄与する元素である。しかし、0.2％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、2.0％を超えて含有すると、融点が低下し液相焼結となり、寸法精度が低下する。このため、含有する場合には、Cは0.2〜2.0％に限定することが好ましい。
Cは、基地相を所望の硬さ、組織に調整し、基地相を強化して耐摩耗性向上に寄与し、さらに焼結拡散性向上に寄与する元素である。しかし、0.2％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、2.0％を超えて含有すると、融点が低下し液相焼結となり、寸法精度が低下する。このため、含有する場合には、Cは0.2〜2.0％に限定することが好ましい。
Si：0.1〜2.0％
Siは、主として硬質粒子に含まれ、硬さを増加させる元素である。しかし、0.1％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、2.0％を超えて含有すると、靭性が低下する。このため、含有する場合には、Siは0.1〜2.0％に限定することが好ましい。
Siは、主として硬質粒子に含まれ、硬さを増加させる元素である。しかし、0.1％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、2.0％を超えて含有すると、靭性が低下する。このため、含有する場合には、Siは0.1〜2.0％に限定することが好ましい。
S：0.1〜1.5％
Sは、固体潤滑剤粒子の含有に起因して基地部に含まれ、被削性向上に寄与する元素である。0.1％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、1.5％を超えて含有すると、靭性、延性の低下に繋がる。このため、含有する場合には、Sは0.1〜1.5％に限定することが好ましい。
Sは、固体潤滑剤粒子の含有に起因して基地部に含まれ、被削性向上に寄与する元素である。0.1％未満の含有では、上記した効果が認められない。一方、1.5％を超えて含有すると、靭性、延性の低下に繋がる。このため、含有する場合には、Sは0.1〜1.5％に限定することが好ましい。
なお、本発明バルブシートの機能部材側層では、上記した成分の含有量の合計が、3.0％未満では、基地相の硬さ、高温強度やクリープ強度等の高温特性が低下する。一方、合計が、50.0％を超えて含有すると、相手攻撃性が増加する。このため、本発明バルブシートの機能部材側層では、上記した成分の合計を3.0〜50.0％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは3.0〜45.0％である。
なお、本発明バルブシートの機能部材側層の基地相では、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。
一方、本発明バルブシートの支持部材側層は、基地相と、空孔とからなる組織を有する。なお、基地相中には固体潤滑剤粒子を分散させてもよい。
本発明バルブシートの支持部材側層の基地相は、パーライト単相からなる組織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は、質量％で、C：0.2〜2.0％を含み、あるいはさらにMo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、P、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で20％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有することが好ましい。
C：0.2〜2.0％
Cは、焼結体の強度、硬さを増加させる元素であり、バルブシートとして、所望の強度硬さを確保するために、0.2％以上含有させることが望ましい。一方、2.0％を超える含有は、基地中にセメンタイトが生成しやすくなるとともに、焼結時に液相が発生しやすく、寸法精度が低下する。このため、Cは0.2〜2.0％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.7〜1.3％である。
Cは、焼結体の強度、硬さを増加させる元素であり、バルブシートとして、所望の強度硬さを確保するために、0.2％以上含有させることが望ましい。一方、2.0％を超える含有は、基地中にセメンタイトが生成しやすくなるとともに、焼結時に液相が発生しやすく、寸法精度が低下する。このため、Cは0.2〜2.0％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.7〜1.3％である。
Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、P、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上を合計：20％以下
Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、P、Cuはいずれも、固体潤滑剤粒子または硬質粒子起因を含め、焼結体の強度、硬さを増加させる元素であり、必要に応じて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5％以上含有することが望ましいが、熱引け性の観点からできるだけ少なくすることが好ましい。一方、合計で20％を超えると、成形性が低下する。このため、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、P、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で20％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは5〜15％である。
支持部材側層では、上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
なお、支持部材側層の基地相中には、固体潤滑剤粒子を支持部材側層全量に対する質量％で、0.5〜4％分散させてもよい。固体潤滑剤粒子は、被削性を向上させる効果を有する。
なお、本発明バルブシートの支持部材側層では、上記した組成に代えて、下記のような組成としてもよい。
Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、P、Cuはいずれも、固体潤滑剤粒子または硬質粒子起因を含め、焼結体の強度、硬さを増加させる元素であり、必要に応じて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5％以上含有することが望ましいが、熱引け性の観点からできるだけ少なくすることが好ましい。一方、合計で20％を超えると、成形性が低下する。このため、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、P、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で20％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは5〜15％である。
支持部材側層では、上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
なお、支持部材側層の基地相中には、固体潤滑剤粒子を支持部材側層全量に対する質量％で、0.5〜4％分散させてもよい。固体潤滑剤粒子は、被削性を向上させる効果を有する。
なお、本発明バルブシートの支持部材側層では、上記した組成に代えて、下記のような組成としてもよい。
本発明バルブシートの支持部材側層では、基地相が、質量％で、C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mnのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で0.3〜15％含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有することが好ましい。
C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mnはいずれも、支持部材側層の強度を向上させる元素であり、１種または２種以上を選択して合計で0.3〜15％含有できる。これら合金元素の合計含有量が、0.3％未満では、支持部材側層として所望の強度を確保できない。一方、15％を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が得られず、経済的に不利となる。このため、上記した成分の合計含有量を0.3〜15％の範囲に限定することが好ましい。
なお、本発明バルブシートの支持部材側層の基地相では、上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
また、本発明バルブシートの支持部材側層の基地相には、さらに、固体潤滑剤粒子を分散させてもよい。固体潤滑剤粒子は、被削性を向上させる効果を有する。固体潤滑剤粒子としては、MnS、MoS2などの硫化物およびCaF2などの弗化物のうちから選ばれた１種または２種以上、あるいはそれらを混合したものとすることが好ましい。なお、固体潤滑剤粒子は、支持部材側層全量に対する質量％で、合計0.5〜4％分散させることが好ましい。固体潤滑剤粒子量が0.5％未満では、固体潤滑剤粒子量が少なく被削性が低下する。一方、4％を超えて分散させても、効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなる。このため、固体潤滑剤粒子は質量％で、0.5〜4％に限定することが好ましい。
なお、本発明バルブシートの機能部材側層および支持部材側層では、含まれる空孔全体を封孔処理することが好ましい。本発明では、めっき処理前に空孔の封孔処理を行うことが好ましい。封孔処理としては、常用の、加熱硬化型樹脂あるいは嫌気性樹脂を空孔に真空含浸する処理とすることが好ましい。
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。まず、機能性部材側層と支持部材側層との２層構造の場合について説明する。
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、支持部材側層と機能部材側層とを一体的に、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6.5〜7.5g/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、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。なお、混合粉には、さらに固体潤滑剤粒子粉を支持部材側層用原料粉全量に対する質量％で、0.5〜4％配合してもよい。また、混合粉に配合する鉄系粉末は、純鉄粉としても、合金鉄粉としても、あるいは特定組成の鋼系粉末、あるいはそれらの混合としてもよい。
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、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。なお、混合粉には、さらに固体潤滑剤粒子粉を機能部材側層用原料粉全量に対する質量％で、0.5〜4％配合してもよい。また、混合粉に配合し、基地相を形成する鉄系粉末として、純鉄粉、合金鉄粉、あるいは特定組成の鋼系粉末、あるいはそれらの混合としてもよい。
なお、機能部材側層のみの単層の場合には、上記した支持部材側層を用いない以外は同様とすればよい。
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。なお、所望の硬さを付与するために、焼結処理以外に、熱処理（焼入焼戻処理）を施してもよい。
本発明では、上記した工程を経て得られたバルブシート（製品）に、封孔処理を施すことが好ましい。なお、封孔処理前には十分な洗浄を行っておくことはいうまでもない。封孔処理としては、バルブシートを、真空雰囲気中で、加熱硬化型樹脂あるいは嫌気性樹脂の液体中に浸漬したのち、大気圧雰囲気にして、空孔中に樹脂を十分に含浸したのち、加熱し、空孔内の樹脂を硬化させて封孔する処理とすることが好ましい。なお、加熱に際しては、液切り、水洗などを行ってバルブシート表面の液体（樹脂）を除去しておくことはいうまでもない。
本発明では、上記した処理を施されたバルブシートに、さらにめっき処理を施し、少なくとも外周面に上記した各種のめっき膜を形成する。めっき処理としては、常用の、電解めっき処理、無電解めっき処理等のめっき処理がいずれも適用でき、とくに限定する必要もないが、めっき密着性の観点からは、電解めっき処理とすることが好ましい。
なお、シリンダヘッドとの密着性向上の観点から、めっき処理後のめっき膜の表面粗さが、JIS B 0601-1994の規定に準拠した算術平均粗さRaで0.1〜1.6μmとなるように、めっき処理を施すことが好ましい。
なお、銅めっき膜の形成は、電解めっき処理とすることが好ましい。電解めっき処理としては、常用の、硫酸銅浴、シアン化銅浴等を利用した電解めっき処理が例示されるが、めっき膜の密着性、めっき膜厚の均一性の観点からは、シアン化銅浴を利用しためっき処理とすることが好ましい。また、錫めっき膜形成のための、電解めっき処理としては、錫酸塩浴、硫酸塩浴等を用いた電解めっき処理とすることが好ましい。なお、めっき膜厚の調整は、常用にしたがって、電流値、電解時間等の調整によることが好ましい。
また、めっき処理を施すバルブシートには、めっき処理前に、バルブシートの表面粗さを、JIS B 0601-1994の規定に準拠した算術平均粗さRaで、0.2〜0.3μm程度とすることが、めっき膜の密着性を向上させるために、好ましい。
本発明バルブシートは、シリンダヘッドの所定の箇所に圧入され、内燃機関用構造体を構成する。すなわち、内燃機関用構造体は、シリンダヘッドと、該シリンダヘッドの所定の箇所に圧入されたバルブシートと、からなる。
シリンダヘッドは、アルミニウム合金製とする。シリンダヘッドに使用されるアルミニウム合金としては、JIS H 5202 の規定に準拠した、例えばAC4B、AC2B、AC4D、AC5A等が好適である。なお、これらの合金は、シリンダヘッドに成形された状態では、通常、60〜90HV程度の硬さを示す。
シリンダヘッドに圧入するバルブシートとしては、上記したように、機能部材側層と支持部材側層の２層を一体化したうえ、少なくとも外周面に、めっき膜を有する鉄基焼結合金製バルブシートとする。そして、少なくとも外周面に形成するめっき膜の硬さを、50〜300HVの範囲内で、かつシリンダヘッドの硬さ、すなわちシリンダヘッドを構成するアルミニウム合金の硬さの1.05〜4.5倍の範囲の硬さ、となるように、めっき膜の硬さを調整する。これにより、シリンダヘッドに圧入した後のバルブシートに優れた熱引け性等の所望の特性を確保できるようになる。
また、本発明バルブシートでは、上記しためっき膜の形成に加えて、さらにバルブシート外周面の少なくとも１箇所に、「粗面化領域」を形成することが好ましい。なお、「粗面化領域」の形成は、上記しためっき膜形成の前としても、あるいはめっき膜形成後としても、いずれでもよい。ここでいう「粗面化領域」は、通常の仕上げ加工面の表面粗さ（Ra:0.8μm程度）に比べて、局所的に粗い表面性状の領域を意味する。この「粗面化領域」は、軽金属合金製シリンダヘッドにバルブシートが圧入された際に、軽金属合金製シリンダヘッドの表層に噛み込み、シリンダヘッドとの接合力（バルブシートの保持力）を高め、抜け落ち荷重の増大に寄与し、エンジン稼動中のバルブシートの抜落ちを抑制する作用を有する。なお、この粗面化領域の形成については、本発明者らにより、PCT/JP2017/024854号に詳しく記載されている。上記した文献に記載された内容がいずれも、本発明においても好適に適用できる。
本発明バルブシートの外周面に形成する「粗面化領域」は、外周面を基準として、一定高さの山高さが5〜80μmの凸状部、および／または、一定深さの谷深さが5〜100μmの凹状部とすることが好ましい。このような表面性状を有する「粗面化領域」を、外周面の少なくとも１箇所で、外周面全域に対する面積率で0.3％以上を形成することで、十分に所望の保持力を維持できる。
また、凸状部あるいは凹状部である「粗面化領域」の形状は、圧入方向に対して直交する方向に長い領域となる形状とすることが、耐抜落ち性向上の観点から好ましい。例えば、外周面に対し垂直な方向から観察して、圧入方向に、逆三角形状、四角形状とすることが好ましいが、三角形状、円形形状、半円形状、星形形状としても何ら問題はない。
また、凸状部は、山高さが外周面を基準とし、該基準から圧入方向に沿って最大山高さまで連続的に、あるいは段階的に増加する、傾斜した山高さを有する領域としてもよい。また、凹状部は、谷深さが外周面を基準とし、圧入方向に沿って最大谷深さから該基準まで連続的に、あるいは段階的に、減少する、傾斜した谷深さを有する領域としてもよい。
また、粗面化領域として、円周方向に延在する凹部と凸部とが隣接してなる凹凸を、円周方向に垂直な方向に複数列有する領域としてもよい。このような粗面化領域の一例を図５に示す。あるいは、圧入方向に延在する凹部と凸部とが隣接してなる凹凸を、圧入方向に垂直な方向に複数列有する領域としてもよい。これらの領域を「凹凸混合部」と称する。
このような表面性状を有する「粗面化領域」を、外周面の少なくとも１箇所で、外周面全域に対する面積率で0.3％以上を形成することが好ましい。
また、上記した「凹凸混合部」では、外周面を基準として、山高さで3〜80μmの凸部と、谷深さで3〜100μmの凹部からなる凹凸とすることが好ましい。また、「凹凸混合部」では、凹部および凸部が延在する方向に垂直な断面で、隣接する２つの凸部の間隔であるピッチ（山ピッチ）で、1〜600μmである凹凸とすることが好ましい。
なお、上記した「凹凸混合部」では、外周面に対し垂直方向から観察して、圧入方向に三角形状を呈し、かつ圧入方向に向く該三角形状の頂点が、頂角：10〜150°である「凹凸混合部」とすることがより好ましい。これにより、抜け出し荷重が顕著に増加する。
このような領域をバルブシート外周面に設けることにより、凹部、凸部をそれぞれ単独で配置する場合より、耐抜落ち性が格段に向上する。
上記した「粗面化領域」は、レーザ光照射処理により形成することが好ましい。レーザ光の照射は、予め設定したバルブシート外周面の所定の位置で、予め設定された形状、大きさで、上記した所望の表面性状となるように、照射パターン、照射時間、さらには出力、周波数等を適正に選択、調整して行うことが好ましい。
仕上げ加工されたバルブシート外周面に、レーザ光を照射すると、表面が溶融し、溶融した溶湯が排出されることにより凹部を、一方、排出された溶湯が凝固してその周りに凸部を、それぞれ形成する。なお、「粗面化領域」の形成は、上記しためっき膜形成の前としても、あるいはめっき膜形成後としても、いずれでもよい。
以下、実施例に基づき、本発明についてさらに、説明する。
（実施例１）
原料粉として、表１に示す原料粉（鉄系粉末、黒鉛粉末、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、機能部材側層用混合粉Ａ，Ｂを得た。また、表２に示す原料粉（鉄系粉末、黒鉛粉末、合金元素用粉末、硬質粒子粉末、固体潤滑剤粒子粉末）を、表２に示す配合量で配合し、混合、混錬し、支持部材側層用混合粉１Ａを得た。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。
原料粉として、表１に示す原料粉（鉄系粉末、黒鉛粉末、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、機能部材側層用混合粉Ａ，Ｂを得た。また、表２に示す原料粉（鉄系粉末、黒鉛粉末、合金元素用粉末、硬質粒子粉末、固体潤滑剤粒子粉末）を、表２に示す配合量で配合し、混合、混錬し、支持部材側層用混合粉１Ａを得た。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。
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：5.0〜10.0ton/cm２）して、２層構造のバルブシート用圧粉体を得た。また、機能部材側層用の混合粉を、プレス成形機で同様に加圧成形して、単層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。
ついで、得られた焼結体に、切削、研削を施し、外径27.1mmφ×内径22.0mmφ×厚さ6.5mmのバルブシートとした。バルブシートの表面粗さは、Raで0.2μm狙いとした。
得られたバルブシートの各層について、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。得られた結果を表５に示す。また、得られたバルブシートの断面を研磨し、ナイタール腐食して、光学顕微鏡（倍率：200倍）で組織を観察し撮像し、画像解析を用いて、各層における基地相、硬質粒子、固体潤滑剤粒子、の各組織分率を測定した。得られた結果を表６に示す。
ついで、得られたバルブシートの全面に、電解銅めっき処理（硫酸銅浴）を施し、純Cuめっき膜を形成した。また、一部では、電解錫めっき処理（硫酸塩浴）を施し、錫めっき膜を形成した。なお、一部のバルブシートには、めっき処理は施さなかった。
なお、めっき膜形成後、バルブ当り面のめっき膜は切削により削除し、外周面、着座面および内周面の一部に、図１に示すように、めっき膜を形成し、バルブシート（製品）とした。なお、めっき膜の膜厚は表７に示す範囲に変化させた。また、電解処理条件を変化してめっき膜硬さを変化させた。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、各バルブシートにおける機能部材側層の比率（体積％）を求めた。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、ビッカース硬さ計（荷重：20g）を用いて、めっき膜の硬さHVを測定した。なお、シリンダヘッド（相当材）の硬さHVも同様に測定した。得られた結果を表７に示す。
また、得られたバルブシートを試験片として、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。
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。バルブシートNo.1（基準）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基準（1.00）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、熱引け性調査用サンプルを製造し、得られたバルブシート（製品）を試験片として、バルブシートの熱引け性を調査した。
熱引け性試験はつぎのとおりとした。
得られたバルブシートを、図２に示す単体リグ試験機に装着し、所定の温度に加熱し、バルブとバルブシートとを下記条件で接触させながら、図３に示すように、バルブ軸４１の外周面とバルブフェイス面４２とをつなぐ斜面４３のフェイス面側近傍の位置でバルブ温度を測定した。なお、温度測定は熱電対を用いた。なお、熱源をバルブシートNo.1の着座面の温度が250℃となる条件に調整して、各バルブシートを加熱した。なお、試験開始から1hr経過したのちの温度で比較した。
カム回転数 ：1000rpm、
バルブ回転数 ：無、
バルブ材質 ：窒化バルブ、
熱源 ：ＬＰＧ。
バルブ回転数 ：無、
バルブ材質 ：窒化バルブ、
熱源 ：ＬＰＧ。
得られた測定結果から、バルブシートNo.1（めっき膜無）を基準として、当該バルブシートによるバルブ温度の変化量ΔＴ（＝（当該バルブシートによるバルブ温度）−（バルブシートNo.1によるバルブ温度））を算出し、表７に併記して示す。
本発明例は、いずれも、ΔＴはマイナスとなっており、基準（めっき膜無）バルブシートに比べて熱引け性は優れており、かつ基準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、所望の優れた熱引け性が得られていない。
（実施例２）
原料粉として、表８に示す原料粉（鉄系粉末、黒鉛粉末、合金元素用粉末、硬質粒子粉末、固体潤滑剤粒子粉末）を、表８に示す配合量で配合し、混合、混錬し、機能部材側層用混合粉を得た。また、原料粉として、表９に示す原料粉（鉄系粉末、黒鉛粉末、合金元素用粉末、硬質粒子粉末、固体潤滑剤粒子粉末）を、表９に示す配合量で配合し、混合、混錬し、支持部材側層用混合粉を得た。なお、使用した各種鉄系粉末の組成は表３に、また、使用した各種硬質粒子粉末の組成は表４に示す。
（実施例２）
原料粉として、表８に示す原料粉（鉄系粉末、黒鉛粉末、合金元素用粉末、硬質粒子粉末、固体潤滑剤粒子粉末）を、表８に示す配合量で配合し、混合、混錬し、機能部材側層用混合粉を得た。また、原料粉として、表９に示す原料粉（鉄系粉末、黒鉛粉末、合金元素用粉末、硬質粒子粉末、固体潤滑剤粒子粉末）を、表９に示す配合量で配合し、混合、混錬し、支持部材側層用混合粉を得た。なお、使用した各種鉄系粉末の組成は表３に、また、使用した各種硬質粒子粉末の組成は表４に示す。
つぎに、得られたこれら混合粉を、プレス成形機で一体的に加圧成形（面圧：5.0〜10.0ton/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。
得られた焼結体に、切削、研削を施し、外径27.1mmφ×内径22.0mmφ×厚さ6.5mmのバルブシートとした。バルブシートの表面粗さは、Raで0.2μm狙いとした。
得られたバルブシートの各層について、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。得られた結果を表１０に示す。また、得られたバルブシートの断面を研磨し、光学顕微鏡（倍率：200倍）で組織を観察し撮像し、画像解析を用いて、各層における基地相、硬質粒子、固体潤滑剤粒子、の各組織分率を測定した。得られた結果を表１１に示す。
ついで、得られたバルブシート（焼結体No.4、焼結体No.5）について、加熱硬化型樹脂を用いて真空含浸処理を施し、封孔処理を行った。封孔処理は、真空雰囲気中でバルブシートを、上記した樹脂の液体中に浸漬したのち、大気圧雰囲気として、バルブシートの空孔に十分に樹脂を含浸させ、さらに加熱して空孔内の樹脂を硬化させ封孔する処理とした。なお、使用した樹脂は、85〜90℃で加熱硬化する加熱硬化型樹脂（レジノール90C：商品名、ヘンケル社製）とした。なお、封孔処理により、焼結体（バルブシート）内に含まれる空孔は殆どが封孔されていた。一部のバルブシートNo.A1,No.A2では、封孔処理を行わなかった。
得られたバルブシート（焼結体No.4）の全面に、ついで、電解銅めっき処理を施し、銅めっき膜を形成した。なお、めっき膜形成後、バルブ当り面のめっき膜は切削により削除し、外周面、着座面および内周面の一部に、図１に示すように、めっき膜を形成したバルブシート（製品）No.A2〜No.A11とした。なお、めっき膜の膜厚は表１２に示す範囲に電解処理条件を変化して変化させた。なお、一部のバルブシートNo.A1には、めっき処理は施さなかった。また、得られたバルブシート（製品）の断面を研磨し、光学顕微鏡（倍率：200倍）を用いて、バルブシートにおける機能部材側層の比率を求めた。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、ビッカース硬さ計（荷重：10g）を用いて、めっき膜の硬さHVを測定した。なお、シリンダヘッド（相当材）の硬さHVも同様に測定した。
得られたバルブシートを試験片として、図２に示す単体リグ摩耗試験機に装着し、実施例１と同様に、摩耗試験を実施した。
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。バルブシートNo.A1（基準）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１２に示す。バルブシート摩耗比が基準（1.00）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、熱引け性調査用サンプルを製造し、得られたバルブシート（製品）を試験片として、バルブシートの熱引け性を調査した。
熱引け性試験は、実施例１と同様とした。
得られた測定結果から、バルブシートNo.A1（めっき膜無）を基準として、当該バルブシートによるバルブ温度の変化量ΔＴ（＝（当該バルブシートによるバルブ温度）−（バルブシートNo.A1によるバルブ温度））を算出し、表１２に併記して示す。
本発明例は、いずれも、ΔＴはマイナスとなっており、基準（めっき膜無）バルブシートに比べて熱引け性は優れており、かつ基準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、所望の優れた熱引け性が得られていない。なお、バルブシートNo.A2（めっき膜有、封孔処理無）とNo.A3（めっき膜有、封孔処理有）との比較から、封孔処理の有無は、熱引け性、耐摩耗性への影響は認められなかった。
（実施例３）
表８に示す機能部材側層用混合粉No.Ｃと、表９に示す支持部材側層用混合粉No.１Ｂとを用い、プレス成形機で一体的に加圧成形(面圧：5.0〜10.0ton/cm２)して、２層構造のバルブシート用圧粉体を得た。また、表８に示す機能部材側層用混合粉No.Ｄを用い、プレス成形機で加圧成形(面圧：5.0〜10.0ton/cm２)して、単相構造のバルブシート用圧粉体を得た。得られたこれら圧粉体に、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No.6（２層構造）、焼結体No.7（単層構造）とした。
（実施例３）
表８に示す機能部材側層用混合粉No.Ｃと、表９に示す支持部材側層用混合粉No.１Ｂとを用い、プレス成形機で一体的に加圧成形(面圧：5.0〜10.0ton/cm２)して、２層構造のバルブシート用圧粉体を得た。また、表８に示す機能部材側層用混合粉No.Ｄを用い、プレス成形機で加圧成形(面圧：5.0〜10.0ton/cm２)して、単相構造のバルブシート用圧粉体を得た。得られたこれら圧粉体に、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No.6（２層構造）、焼結体No.7（単層構造）とした。
得られた焼結体に、切削、研削を施し、外径27.1mmφ×内径22.0mmφ×厚さ6.5mmのバルブシートとした。バルブシートの表面粗さは、Raで0.2μm狙いとした。得られたバルブシート（焼結体No.6、No.7）の組成、組織を、実施例２と同様に測定し、表１０、表１１に併記して示す。
ついで、得られたバルブシート（焼結体No.6、No.7）について、実施例２と同様に、加熱硬化型樹脂を用いて真空含浸処理を施し、封孔処理を行った。封孔処理は、実施例２と同様に、真空雰囲気中でバルブシートを樹脂の液体中に浸漬したのち、大気圧雰囲気として、バルブシートの空孔に十分に樹脂を含浸させ、さらに加熱して空孔中の樹脂を硬化させて封孔する処理とした。なお、使用した樹脂は、加熱硬化型樹脂で、85〜90℃で加熱硬化するレジノール90Ｃ（商品名：ヘンケル社製）を用いた。なお、封孔処理により、焼結体（バルブシート）内に含まれる空孔は殆どが封孔されていた。一部のバルブシートNo.B1、No.C1では、封孔処理を行わなかった。
得られたバルブシート（焼結体No.6、No.7）の全面に、実施例２と同様に、電解銅めっき処理を施し、銅めっき膜を形成した。なお、めっき膜形成後、バルブ当り面のめっき膜は切削により削除し、外周面、着座面および内周面の一部に、図１に示すように、めっき膜を形成したバルブシート（製品）No.B2〜No.B4、No.C2〜No.C4とした。なお、一部のバルブシートNo.B1、No.C1には、めっき処理は施さなかった。また、得られたバルブシート（製品）の断面を研磨し、光学顕微鏡（倍率：200倍）を用いて、バルブシートにおける機能部材側層の比率を求めた。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、ビッカース硬さ計（荷重：10g）を用いて、めっき膜の硬さHVを測定した。なお、シリンダヘッド（相当材）の硬さHVも同様に測定した。
得られたバルブシートを試験片として、図２に示す単体リグ摩耗試験機に装着し、実施例２と同様に、摩耗試験を実施した。
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。バルブシートNo.B1（基準）、No.C1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１３、表１４に示す。バルブシート摩耗比が基準（1.00）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、熱引け性調査用サンプルを製造し、得られたバルブシート（製品）を試験片として、バルブシートの熱引け性を調査した。
熱引け性試験は、実施例２と同様とした。
得られた測定結果から、バルブシートNo.B1（めっき膜無）を基準として、当該バルブシートによるバルブ温度の変化量ΔＴ（＝（当該バルブシートによるバルブ温度）−（バルブシートNo.B1によるバルブ温度））を算出し、表１３に併記して示す。なお、同様に、バルブシートNo.C1（めっき膜無）を基準として、当該バルブシートによるバルブ温度の変化量ΔＴ（＝（当該バルブシートによるバルブ温度）−（バルブシートNo.C1によるバルブ温度））を算出し、表１４に併記して示す。
本発明例は、いずれも、ΔＴはマイナスとなっており、基準（めっき膜無）バルブシートに比べて熱引け性は優れており、かつ基準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、所望の優れた熱引け性が得られていない。バルブシートNo.B1〜No.B4とバルブシートNo.C1〜No.C4とを比較すると、基地組成が高合金組成となるバルブシートNo.B1〜No.B4の場合にも、同様に、基準（めっき膜無）バルブシートに比べて熱引け性は優れており、かつ基準のバルブシートと同等の優れた耐摩耗性を維持することができることをわかる。
（実施例４）
実施例２と同様に、焼結体を準備した。
（実施例４）
実施例２と同様に、焼結体を準備した。
原料粉として、表８に示す原料粉（鉄系粉末、黒鉛粉末、合金元素用粉末、硬質粒子粉末、固体潤滑剤粒子粉末）を、表８に示す配合量で配合し、混合、混錬し、機能部材側層用混合粉Ａを得た。また、表９に示す原料粉（鉄系粉末、黒鉛粉末、合金元素用粉末、硬質粒子粉末、固体潤滑剤粒子粉末）を、表９に示す配合量で配合し、混合、混錬し、支持部材側層用混合粉１Ａを得た。
つぎに、得られたこれら混合粉を、プレス成形機で一体的に加圧成形(面圧：5.0〜10.0ton/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No.4とした。
得られた焼結体No.4に、切削、研削を施し、外径27.1mmφ×内径22.0mmφ×厚さ6.5mmのバルブシートとした。バルブシートの表面粗さは、Raで0.1〜1.6μmであった。
得られたバルブシートの各層の組成、組織を実施例２と同様に測定し、表１０、表１１に示す。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、各バルブシートにおける機能部材側層の比率（体積％）も求めた。
ついで、得られたバルブシートNo.D2〜No.D4（焼結体No.4）について、加熱硬化型樹脂を用いて、実施例２と同様に真空含浸処理を施し、封孔処理を行った。なお、一部のバルブシートNo.D1には封孔処理は実施しなかった。
ついで、バルブシートNo.D2では、仕上げ加工されたバルブシートの外周面上で、バルブシートの高さ方向で中央位置に、図５に示す形状の凹凸混合部（粗面化領域）を形成した。粗面化領域は、圧入する方向に三角形状を呈するように形成し、圧入する方向に向く頂点の頂角αは36.9°とした。粗面化領域の個数は、５個とし、粗面化領域の面積率は、外周面全域に対する面積率で、合計で1.61％とした。粗面化領域の形成は、レーザ光照射処理によった。レーザ光照射処理では、上記した所望の表面形状を有する粗面化領域となるように、レーザ光の照射パターン、照射時間、出力、周波数等を調整した。なお、山高さは約30μm、谷深さは約30μm、山ピッチは75μmとした。
また、バルブシートNo.D3では、実施例２と同様に、バルブシートの全面に表１５に示す膜厚の銅めっき膜を形成したのち、バルブシートの外周面上に、No.D2と同様に、粗面化領域を形成した。また、バルブシートNo.D4では、バルブシートの外周面上に、No.D2と同様に、粗面化領域を形成したのち、実施例２と同様に、バルブシートの全面に表１５に示す膜厚の銅めっき膜を形成した。なお、めっき膜形成後、バルブ当り面のめっき膜は切削により削除し、外周面、着座面および内周面の一部にめっき膜が残った状態とした。
得られたバルブシートNo.D1〜No.D4について、実施例２と同様に、摩耗試験および熱引け試験を実施し、耐摩耗性、熱引け性を評価した。得られた結果を表１５に示す。
さらに、得られたバルブシートNo.D1〜No.D4について、図４に示す高温保持力測定装置を用いて、所定温度（200℃）における抜け出し荷重を測定し、バルブシートの高温保持力を評価した。評価対象のバルブシート１０を、アルミニウム合金製シリンダヘッド相当材２０に圧入した。そして、シリンダヘッド相当材２０の下部に配設された加熱手段４０でバルブシートが所定温度（200℃）となるまで加熱した。ついで、所定の温度に加熱されたバルブシート１０を、押し冶具３０を用いて押圧し、シリンダヘッド相当材２０から離脱させた。そのときの抜け出し荷重Ｌを、荷重計（図示せず）により測定した。得られた抜け出し荷重について、バルブシートNo.D1（従来例）を基準（1.00）として、各バルブシートの抜け出し荷重比を算出し、耐抜落ち性を評価した。得られた結果を表１５に示す。
本発明例はいずれも、基準（封孔処理無、めっき膜無、粗面化領域無）のバルブシートNo.D1に比べて、耐摩耗性、熱引け性、耐抜落ち性が向上している。一方、本発明の範囲を外れる比較例（バルブシートNo.D2）では、熱引け性が低下している。なお、めっき膜と粗面化領域の形成順は、どちらを先に行っても、その効果は変化しない。
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
１３ めっき膜
２０ シリンダヘッド相当材
３０ 押し冶具
４０ 加熱手段
４１ バルブ軸
４２ バルブフェイス面
４３ 斜面
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
１３ めっき膜
２０ シリンダヘッド相当材
３０ 押し冶具
４０ 加熱手段
４１ バルブ軸
４２ バルブフェイス面
４３ 斜面
Claims (12)
- アルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入される内燃機関用バルブシートであって、
鉄基焼結合金製で、機能部材側層のみの単層からなり、または、機能部材側層と支持部材側層との２層を一体化してなり、少なくとも外周側にめっき膜を有し、熱引け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。 - 前記めっき膜が、厚さ：1〜100μm、ビッカース硬さHVで硬さ：50〜300HVを有するめっき膜であり、かつ該めっき膜の硬さが、ビッカース硬さHVで、前記シリンダヘッドの硬さの1.05〜4.5倍の範囲を満足す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。
- 前記機能部材側層が、または、前記機能部材側層と支持部材側層との２層が、封孔処理を施されてなる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。
- 前記めっき膜の表面粗さが、JIS B 0601-1994の規定に準拠した算術平均粗さRaで、0.1〜1.6μmであ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。
- 前記めっき膜が、銅めっき膜または錫めっき膜であることを特徴とする請求項１ないし４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。
- 前記バルブシートの外周面の少なくとも１箇所に粗面化領域として、円周方向に延在する凹部と凸部とが隣接してなる凹凸を前記円周方向に垂直な方向に複数列有する凹凸混合部を有し、前記粗面化領域を、前記外周面の全域に対する面積率で合計で0.3％以上有することを特徴とする請求項１ないし５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。
- 前記凹凸混合部が、前記外周面に対し垂直方向から観察して、圧入方向に三角形状を呈し、かつ圧入方向に向く該三角形状の頂点が、頂角：10〜150°であることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
- 前記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場合には、前記機能部材側層は、バルブシート全量に対する体積％で、10〜70％となる構成とす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。
- 前記機能部材側層は、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、Cu、Sのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有し、かつ前記硬質粒子を基地相中に機能部材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を有す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。
- 前記支持部材側層は、質量％で、C：0.2〜2.0％を含み、あるいはさらにMo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、P、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で20％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有す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。
- 前記機能部材側層は、前記基地部組織に加えてさらに、固体潤滑剤粒子を機能部材側層全量に対する質量％で、0.5〜4％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９に記載の内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
- 前記支持部材側層は、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質量％で0.5〜4％分散させてなる組織を有することを特徴とする請求項１０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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