JPH01178712A - 鉄基焼結合金製バルブシート - 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） この発明は鉄基焼結合金製の耐摩耗性良好な内燃機関用
のバルブシー１へに係る。

（従来技術と解決すべき問題点） 内燃機関の出力増加や自動車用ガソリンの無鉛化に伴い
、バルブシートは一層の耐摩耗性を要求されるようにな
り、特に近年は内燃機関の高出力化、高回転化或いは過
給機の利用等により熱的、機械的な負荷は一層増大する
傾向にあり、これらの要求に対してバルブシートを溶製
材の代りに焼結合金製として対処しようと試みられてい
る。

すなわちバルブシートの耐摩耗性、高温強度、耐酸化性
を向上させる目的で鉄基焼結合金にＣｒ。

Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ等の合金元素を添加したり、硬質粒子
を分散させることによって材料の強化が行われている。

しかしながら内燃機関のように負荷の状態によって温度
条件が低温から高温までの広範囲にわたる場合には、す
べての温度域で良好な耐摩耗性を持たせることは困難で
あり、例えば低温度域では高温度域におけるような酸化
膜生成による潤滑効果は期待できず、その為バルブとバ
ルブシー１−とが金属接触するようになる等、高温度域
における使用の場合に比して耐摩耗性が劣るのが一般で
ある。

本発明は上記のごとき事情に鑑み、鉄基焼結合金の空孔
に着目し、この空孔に潤滑性物質を含浸させることによ
って特に低温度域における耐摩耗性を改善した鉄基焼結
合金製バルブシートに関する。

鉄基焼結合金の空孔にワックス等を含浸させて切削性や
耐摩耗性を改善することは公知であり、出願人も焼結合
金に有機化合物または有機金属化合物を含浸させた弁座
用焼結金属及びその製造方法を提示している（特願昭５
４−１１８００１内燃機関弁座用焼結合金およびその製
造方法）。

しかしながら先願の発明における含浸物質は融点が１２
０〜２５０°Ｃとし、バルブシートをシリンダヘッドに
圧入する際に熔融せず、またバルブシートの運転温度で
溶融して焼結合金の空孔を回復し、運転中に空孔に生ず
る酸化被膜による見掛は硬度の上昇及び摩擦係数の減少
によってバルブシートの耐摩耗性を向上させるようにし
たものである。

然しなからバルブシート（特に排気バルブシート）は常
に高温のガスに曝されているので、バルブシートの平均
温度が有機含浸物質の融点以下であっても表面部は瞬間
的にかなりの高温になり、その結果有機含浸物質が蒸発
分解を起こし、含浸効果が無くなる場合が多い。

またバルブシートの平均温度が有機含浸物質の融点以上
で、かつバルブシート母材が酸化被膜を生ずる温度より
低い温度範囲（およそ２００〜３５０°Ｃ）では有機含
浸物質の潤滑効果或いは酸化被膜による摩耗係数の低減
効果のいずれも期待出来ないと言う問題がある。

本発明ではバルブシートの運転温度でも熔融せず、潤滑
性が良好な軸受台金で空孔を含浸して耐摩耗性を持たせ
るようにして上記の如き問題点を解決したものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明の鉄基焼結合金は空孔率が５〜１５容積％の鉄基
焼結合金製バルブシートであって、空孔が潤滑性物質で
含浸されていることを特徴とする耐摩耗性の鉄基焼結合
金製バルブシートに係る。

本発明の鉄基焼結合金バルブシートはそれ自体がある程
度耐摩耗性を有することが望ましく、基地への合金元素
の添加、或いは必要に応じ硬質相粒子を分散させること
により化学成分組成は重量％で示した合計で、０．５〜
２％Ｃ１炭化物生成元素のＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの一つま
たは複数を合わせて１〜２５％を含み、その他必要によ
りＮｉ。

Ｃｏ、Ｓｔを１〜１５％含有させることができる。

而して空孔率は５〜１５体積％とする。

ＣはＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗと化合して炭化物を生成し耐摩
耗性を改善する。従ってＣ量は焼結材中のこれらの元素
の種類、量および合金元素として添加するか、硬質相粒
子として添加するかにより適切な量として必然的に定ま
り、本発明の炭化物生成元素量の範囲では０．５〜２％
となる。Ｃ量が０．５％以下であると炭化物生成量が充
分ではなく、軟らかいフェライトの生成によって耐摩耗
性が低下して好ましくない。一方、２％を超えると材料
が硬くなり過ぎ、また跪くなるため好ましくないので、
Ｃ量は０．５〜２％とするのがよい。

炭化物生成元素のＣｒ、Ｍｏ、’Ｖ、ＷはいずれもＣと
結合して炭化物を生成することにより耐摩耗性を改善す
る。この改善効果は程度の差はあるが、上記の何れの元
素にも共通しているので、どの元素を添加してもよく、
また数種類組合わせて添加してもよい。その量が１％以
下では炭化物生成量が充分でなく、軟らかいフェライト
の生成によって耐摩耗性が低下し、また２５％を超える
ようになると材料が硬くなり過ぎると共に、コスト高に
成るので好ましくない。従って炭化物生成元素は合計で
１〜２５％とするのがよい。

その他に強度の向上或いは組織安定の目的で必要に応じ
てＮｉ、Ｃｏ、Ｓｉの一つまたは二つ以上を１〜１５％
添加することもできる。その量が１％以下では効果が充
分でなく、また１５％以」二添加してもその量に見合う
だけの効果が得られなくなりコスト高になり好ましくな
いので、これら元素を添加するときはその量は１〜１５
％とするのがよい。

含浸させる潤滑性物質としては潤滑性に優れていると共
に、バルブシー１・の使用条件、例えば排気バルブシー
トの場合には室温からおよそ３５０°Ｃの使用温度範囲
において潤滑特性が劣化することがなく、また分解、蒸
発などによって消失することのないものとする。

このような性質を有する含浸物質としてホワイトブロン
ズおよびマンガンブロンズがある。これら両者は軸受材
料として一般的に使用されているもので、重量％でホワ
イトブロンズは ３〜９％Ｃｕ、　　　１５〜２１％Ｓｎ。

０．５〜２％ｐｂ、残部Ｚｎおよび圧純物よりなり、ま
たマンガンブロンズは ２９〜３８％Ｚｎ、　　　０．５〜１％Ｐｂ。

２〜３％Ｍｎ、　　　０．５〜２％ＡＩ。

１〜２．５％Ｎｉ、０．７〜１．２％Ｓｉ。

残部Ｃｕ及び不純物 よりなる。

前者の融点は約４００〜５００°Ｃ１後者の融点は約８
５０〜９５０°Ｃであり、バルブシートの圧入温度より
高いので圧入に際して溶は出すことはなく、また運転温
度よりも高いので熱劣化や分解或いは消失のおそれはな
い。

含浸物質の含浸量についていえば、含浸量は焼結合金の
空孔容積量にほぼ一致する。一般に焼結合金の空孔は粉
末の成形圧力、焼結温度、焼結時間等により数％から数
十％まで変化させることができるが、本発明では成形圧
力と焼結温度をコントロールすることによって空孔の容
積を５〜１５容積％になるようにする。空孔容積従って
含浸量がこの範囲よりも少なずぎると含浸の効果が顕著
でなく、逆に多すぎると含浸した焼結合金自体の強度が
低下するので好ましくない。

（実施例） 次に実施例について述べる。

第１表に含浸前の供試品素材の成分、組成を示す。

次にＮｏ、　３の供試品素）１を例にして、供試品素材
、含浸方法および試験品の製作方法について説明する。

（ａ＋　１５０〜２００メソシユにピークをもつ粒度分
布の５％Ｍ　ｏ　−Ｆ　ｅ粉に、３２５メソシユ篩下の
カルボニルニッケル粉１０％、金属ＭＯ粉５％、黒鉛粉
１．２％および１５０〜２００メソシユにピークがある
粒度分布のフェロモリブデン１０％を配合し、更に金型
成形の際に型抜けを良くするため潤滑材としてステアリ
ン酸亜鉛を０．６％加えた混合粉を外径４６龍φ、内径
３５鶴φの円筒状の金型に充填して、プレスで成形圧６
．５トン／　ｃｌを加えて成形し、型抜き後６５０°Ｃ
で１時間加熱して脱蝋して、次ぎに１１４０°Ｃｘ１時
間加熱焼結してハルツシート供試品素材を作成した。

供試品素材の化学成分組成は次の通りである。

１．５％Ｃ，１５，３％ＭＯ１９％Ｎｉ。

残部Ｆｅ及び不純物。

この供試品素材に次の二種類の含浸方法で含浸して試験
品を作成した。

（ｂ）５５０°Ｃに加熱溶融させた６％Ｃｕ、１８％Ｓ
ｎ、１％Ｐｂ、残部Ｚｎ及び不純物よりなるホワイトブ
ロンズ溶湯に供試品素材を浸漬し、１０Ｔｏｒｒ　　に
５分間減圧して脱気したのち、不活性ガスとしてアルゴ
ンガスを用いて十分間５　ｋｇ　／　ｃｎ！に加圧し、
溶湯を供試品素材に含浸させた。

含浸後直ちに供試品素材を焼入れ油中で急冷し、含浸し
たホワイトブロンズを凝固させておいて所定寸法に加工
して試験品とした。

なお含浸の際にば溶湯に対する焼結合金の濡れ性を良く
し、含浸を容易にするためフラックスとして塩化アンモ
ニウムを溶湯に添加した。

（０１１００〜１５０メソシユにピークがある粒度分布
の３５％Ｚｎ、１％Ｐｂ、３％Ｍｎ、１．５％ＡＩ、２
％Ｎｉ、１．０％Ｓｉ、残部Ｃｕ及び不純物よりなるマ
ンガンブロンズ粉を、前記供試品素材の成形に用いた円
筒形金型を用いて供試品素材の重量の１５％になるよう
に、成形圧６トン／ｄで円筒形状の成形体を製作した。

これを供試品素材の上に重ね、１０００℃に保持したア
ルゴンガス雰囲気の炉中で１時間保持し、溶融させて供
試品素材に含浸させ、次いで液体窒素中にＩＯ分間浸し
てサブセロ処理を施したのち、６５０℃Ｘ１時間焼戻し
を行い、所定寸法に加工して試験品とした。

（ｄｌ　　以上の含浸処理を施し所定寸法に加工して作
成した試験品と前記含浸前の供試品素材を所定寸法に加
工して作成した対比用試験品とを用いて、次のような単
体摩耗試験を行ってバルブシートとしての適否を評価し
、含浸の効果を調査した。なおステアリン酸亜鉛を含浸
させたものも対比材として試験を行った。

使用した単体摩耗試験機は自動車エンジンを模したもの
で、回転するカムによって上昇したバルブが、バルブス
テム下部のスプリングによって、バルブシートを衝撃的
に叩く動作を繰り返し行うようにしてあり、Ｌ　Ｐガス
バーナーによって一定温度に加熱維持されたバルブシー
トがバルブによって叩かれて生じた摩耗量を基準バルブ
の沈み量から求めるようにしたものである。

試験は排気バルブシートの使用条件を想定して第２表に
示す条件で行った。

第２表 バルブ材質　：　　　５ＵＨ３６ バルブ表面温度　：　４５０℃ バルブシート温度＝　２００°Ｃ カム回転数　：　　　３０００ｒｐｍ 試験時間　　：　　　　１０Ｈ 第３表 試験結果は第３表に示す通りであった。なお試験品は供
試品素材番号に含浸物質の相違によってＳ、Ｍ、ＳＴを
付して区別して示しである。この結果をグラフで示した
のが第１図である。第３表及び第１図によれば本発明に
係る含浸バルブシートは含浸しないバルブシートに比較
して摩耗量が約１／２程度に減少している。

有機含浸物質のステアリン酸亜鉛（融点約１２０℃）を
含浸したもの（試験品Ｎ１１４ＳＴ）は１０時間試験で
はかなりの改善効果を示しているように見えるが、経時
的変化を例示した第２図から明らかなように約５時間経
過後はステアリン酸亜鉛の蒸発分解が進行するため効果
が徐々に減少している。これに対して本発明のホワイト
ブロンズまたはマンガンブロンズを含浸させたものは経
時的な劣化がなく、耐久性の点で優れていることが明ら
かである。

（効果） 以上述べたように本発明のバルブシートは鉄基焼結合金
に通例軸受材料として使用されているホワイトブロンズ
またはマンガンブロンズを含浸させて焼結合金の空孔を
満たしており、これら合金は融点がバルブシートの曝さ
れる温度より充分に高いので、含浸物質の潤滑効果が使
用中に低下することがなく、また２００〜２５０℃のご
とき低温度域でも耐摩耗性に優れ、運転条件が過酷化し
ている内燃機関のバルブシーＩ・とじて好適であり、そ
の実用上の効果はきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は単体摩耗試験結果を示すグラフ、第２図は同じ
く単体摩耗試験結果の時間的経過による摩耗量の変化を
例示したグラフである。 出願人代理人　弁理士　鴨志１）次男

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）空孔率が５〜１５容積％の鉄基焼結合金製バルブ
   シートであって、空孔が潤滑性物質で含浸されているこ
   とを特徴とする耐摩耗性の鉄基焼結合金製バルブシート （２）潤滑性物質が重量％で ３〜９％Ｃｕ、１５〜２１％Ｓｎ、 ０．５〜２％Ｐｂ、残部Ｚｎおよび不純物 よりなるホワイトブロンズである特許請求の範囲第１項
   記載の鉄基焼結合金製バルブシート （３）潤滑性物質が重量％で ２９〜３８％Ｚｎ、０．５〜１％Ｐｂ、 ２〜３％Ｍｎ、０．５〜２％Ａｌ、 １〜２．５％Ｎｉ、０．７〜１．２％Ｓｉ、 残部Ｃｕ及び不純物 よりなるマンガンブロンズである特許請求の範囲第１項
   記載の鉄基焼結合金製バルブシート