JPH02117797A - バルブ肉盛用合金粉末 - 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、内燃機関用のバルブ、特に自動車エンジンの
エギゾ〜ストバルブに肉盛するためのバルブ自認用合金
に関する。

［従来の技術］ 従来の内燃機関用のバルブの多くは、その摩耗部分に各
種の表面硬化用合金を溶接肉盛して使用されてきた。特
に、自動車エンジンのエギゾーストバルブには、肉盛用
合金としてＣｏ−Ｃｒを主として少量のＷ、ＭＯ，Ｃ等
を添加したＣｏ基合金が高温硬さや耐酸化鉛腐食性（以
下、″耐ＰｂＯ性改善と記す）に優れていることから多
く使用されてきた。しかしながら、このＣｏ基合金は高
価なＣＯを多量に含有しているため、極めて高価な肉盛
材料である。自動車エンジンのエギゾーストバルブの肉
盛材料としては、より安価な材料で、しかもＣｏ基合金
と同等の特性を発揮できる肉盛材料の出現が望まれてい
た。

このために開発されたエンジンパルプ用Ｆｅ基肉盛用合
金として、特開昭５９−１５３８７２号公報に開示され
たＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金がある。

このＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金は鋳物または溶接棒により
肉盛されてバルブの耐摩耗性部を成形するものであり、
そのために、素地の結晶粒の成長制御、微細化を目的と
してｗ、ｒ＋が添加され、脱酸、脱硫作用を目的として
Ｍｎが添加され、さらに耐ＰｂＯ性改善を目的としてｌ
が添加されている。しかしながら、このＦｅ−Ｃｒ−Ｎ
ｉ系合金は、本発明者等が実際に調査した結果、耐Ｐｂ
０性に劣ることがわかった。しかも、最近、作業性、肉
盛効率、自動化の容易性の観点から溶接棒を用いて肉盛
する方法に代って合金粉末を用いた肉盛法が注目されつ
つある。ところが、このＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金を粉末
肉盛法に適用した場合、粉末の付着率が劣る、ビードの
形状にムラができる、肉盛層中にビンホールヤプローホ
ールが発生する、肉盛層中に酸化物等が混入する、等の
欠点があることがわかった。これは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ
系合金の素地の結晶粒の成長制御および微細化を目的と
して添加されるＴ１、耐ＰｂＯ性の改善を目的として添
加されるＡＱに起因するものと推測される。

さらに、前記Ｆｅ基肉盛用合金はど安価ではないが、Ｎ
ｉ基肉盛用合金として特開昭６２−１７９８９１号公報
に開示されたＮｉ−Ｃｒ−ＭＯ系合金がある。このＮｉ
−Ｃｒ−ＭＯ系合金は、高温硬さ、耐ＰｂＯ性に優れ、
かつ粉末肉盛も良好に行うことができる。しかしながら
、本発明者等は、最近、エギゾーストバルブの腐食は酸
化鉛のみによるものではなく、硫酸鉛を含む酸化鉛にも
よっていることを確認しており、このＮｉ　−Ｃｒ−Ｍ
Ｏ系合金は、この硫酸鉛を含む酸化鉛に対する耐食性（
以下、′耐ＰｂＯ＋Ｐｂ５Ｏ＋性″と記す）に劣ってい
ることがわかった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、溶接肉盛法および粉末肉盛法に適用でき、し
かも内燃機関用バルブの使用条件、特に最近の高性能自
動車エンジン用バルブの苛酷な使用条件にも耐えること
ができるように、必要な高温硬さを維持し、かつ耐Ｐｂ
Ｏ性及び耐ＰｂＯ＋Ｐｂ５Ｏｔ性に優れた肉盛用合金を
開発することを解決すべき技術課題とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明のバルブ肉盛用合金は、全体を１００重間％（以
下、％という）とした場合、クロム３０〜４０％、ニッ
ケル１５〜３１％、モリブデン７〜２０％、炭素０．７
〜２．２％、ケイ素１．５％以下、残部鉄と不可避不純
物とからなることを特徴とする特に、本発明の肉盛用合
金は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金にモリブデンを７％以上
、好ましくは１０％以上添加することに特徴があり、こ
れにより、必要な高温硬さを維持し、かつ耐ＰｂＯ性お
よび耐Ｐｂ５Ｏｔ性のいずれにも優れた合金とすること
ができる。また、粉末肉盛用合金の組成成分として不適
なＴｉ、ＡＳＩ、Ｍｎ等を積極的に含んでいないので、
粉末肉盛法にも好適となる。

本発明の合金成分を上記の通り限定した理由を以下に説
明する。

（Ｃｒ） Ｃｒは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏと固溶して合金の基質となる
初晶固溶体を構成する。また、Ｃｒの一部はＭＯととも
にＣと結合して、ＣｒＳＭｏを主体とする複炭化物を形
成する。本発明の合金組成域では、この複炭化物は上記
固溶体と共晶を形成し、共晶組織中に存在する。したが
って、ＣｒはＣと共存して合金の硬さを向上させる働き
を有する。ざらに、Ｃｒは耐ＰｂＯ性及び耐ＰｂＯ＋Ｐ
ｂ５Ｏｓ性の向上に重要な寄与をする。すなわち、耐Ｐ
ｂＯ性に対しては合金表面にクロム酸化物を形成させ、
また耐ＰｂＯ＋ＰｂＳＯ４性に対しては合金表面にクロ
ム酸化物及びクロム硫化物を形成させることによって、
腐食の進行を防止する動きを有する。

ｃｒが３０％以下では上記作用が劣り、４０％以上添加
しても上記作用の向上がなく、しかも合金の靭性が低下
する傾向があり、好ましくない。

以上の理由から、Ｃｒの添加量は３０〜４０％と限定し
た。

（Ｎ１） Ｎｉは、基質の固溶体中に固溶して、合金の靭性向上と
高温硬さの維持に寄与する。Ｎｉ配合最に対する合金の
ビッカース硬さの関係線図を第１図に示す。また、Ｎ１
はＣｒと共存して耐ＰｂＯ性を向上させる働きを有する
。これは、合金表面に形成される前述のクロム酸化物被
膜がＮｉの存在により、より緻密で、かつ合金との密着
が強固になるためである。

Ｎｉ量に対する耐ＰｂＯ性及び耐Ｐ　ｂｏ＋　Ｐ　ｂＳ
Ｏ４性（Ｎｉ量と腐食減量の関係線図）を第２図に示す
。Ｎｉが１５％以下では耐ＰｂＯ性を向上させる効果が
少なく、３１％以上添加しても、その効果の向上は期待
できないばかりか、Ｎｉの多量添加は、耐ＰｂＯ＋Ｐｂ
５Ｏ＋性を劣化させる傾向がある。これは合金表面に低
融点のニッケル硫化物が生成し、腐食が促進されるため
である。

したがって、Ｎｉを多量に添加することは好ましくない
。

以上の理由から、Ｎｉの添加量は１５〜３１％と限定し
た。

＜ＭＯ＞ ＭＯは、基質の固溶体中に固溶し、合金を強化すると同
時に合金の靭性を向上させる。またＣｒとともにＣと結
合し、Ｑｒ、ＭＯ複炭化物を形成し、合金の高温硬さを
向上させる働きを有する。

さらに、ＭＯは耐ＰｂＯ性を向上させ、特に耐ＰｂＯ＋
Ｐｂ５Ｏｚ性の向上に重要な寄与をする。

すなわち、合金表面に前述のクロム酸化物、クロム硫化
物とともにモリブデン硫化物を形成させることにより、
腐食の進行を防止する働きを有する。

この耐ＰｂＯ＋ＰｂＳＯｓ性はＭＯが１０％で最もよく
、これより少ない添加で悪くなる傾向があり、Ｎｉ添加
量と関係するもののほぼ７％で一つの限界がある。した
がって、ＭＯが７％以下では、耐ＰｂＯ＋ＰｂＳＯ４性
が低下し、目的とする合金が得られない。また、２０％
以上添加すると、合金の硬さが高くなり、靭性が低下す
るので好ましくない。

以上の理由から、ＭＯの添加量は７〜２０％と限定した
。

（Ｃ） Ｃは、基質のＦｅ−Ｎｉを主体とする固溶体中に一部固
溶し、基質の強化と硬さを高めるが、大部分はＣｒ、Ｍ
Ｏを主体とする複炭化物を形成し、基質固溶体との共晶
複炭化物となる。したがって、Ｃは合金の硬さを高め、
耐摩耗性を向上させるとともに、合金の融点を下げる働
きを有する。

Ｃが０．７％以下ではその動きが少なく、２゜２％を越
えると、複炭化物が増え、過共晶となりＣｒ、Ｍｏの複
炭化物が初品として晶出するため、合金の靭性が低下す
るので好ましくない。

以上の理由から、Ｃの添加量は０．７〜２．２％と限定
した。

（Ｓｌ） ３ｉは、通常、脱酸剤として添加されるものであるが、
本発明の合金にあっては、３ｉを１．５％以上添加する
と、Ｆｅ−Ｎｉを主体とする基質固溶体とＭＯ珪化物と
の低融点の共晶組織を形成することにより、合金の靭性
を低下させる。

以上の理由から、Ｓｉの添加量は１．５％以下に制限し
た。

（不可避不純物） 本発明の合金は粉末肉盛用として用いることもできる。

この場合、粉末肉盛用合金の特性としての粉末肉盛性、
ずなわら、粉末肉盛時の付着率、ビルドの形状、肉盛層
中の欠陥等が問題となる。

本発明者等は、本発明の合金に含まれる種々の不可避不
純物について検討した結果、粉末の裏面酸化等による酸
素［Ｏ］＠は０．２％以下が好ましいことがわかった。

脱酸剤として添加されるＭｎ、ＡＱ、Ｔｉにあっては各
々０．１％以下であることが好ましいことがわかった。

［０］が０゜２％、Ｍｎ、ＡＱ、Ｔｉが各々０．１％を
越えるとじ一ド形状にムラが生じ、ときには肉盛層中に
欠陥が生じることがある。

ざらに、これらＭｎ、Ａ５？、Ｔｉなどの活性な金属が
各々０．１％以上混入すると、耐ＰｂＯ性において、前
述の合金表面に形成されるクロム酸化物の保護被膜にも
影響を及ぼす。すなわち、該クロム酸化物保護被膜は、
Ｍｎ、ＡＱ、Ｔ　ｉなどの酸化物を含むクロム酸化物保
護被膜となり、これにより、該保護被膜自身の緻密性お
よび該保護被膜と合金との密着性が劣ることとなり、十
分な保護被膜効果が得られない。その結果、合金の耐Ｐ
ｂＯ性を劣化させる。

以上の様に、不可避不純物として含まれるＭｎ、Ａ＄２
．Ｔｉを各々０．１％以下とした場合、耐ＰｂＯ性によ
り優れ、粉末肉盛法にもより好適な合金となる。

［実施例］ 以下、本発明の肉盛用合金を実施例により説明する。

通常の溶解法により、それぞれ第１表に示される成分組
成となるよう配合し溶製した本発明の実施例合金、及び
比較例としての従来合金について、常温硬さ、高温硬さ
、耐ＰｂＯ性、耐Ｐ　ｂｏ＋　Ｐｂ５Ｏｓ性、粉末肉盛
性について試験を行い、その結果を第１表に示す。

なお、第１表に示す実験結果の実施例の合金、Ｎｏ、３
、Ｎｏ、５、Ｎ００６、ＮＯ，１６、Ｎ００１７及びＮ
ｏ、１８ざらに比較例の合金Ｎｏ。

４、Ｎ００５の高温硬さのデータ、耐ＰｂＯ性のデータ
及び耐ＰｂＯ＋Ｐｂ５Ｏ＋のデータを用いいて、ニッケ
ル含有量と高温硬さとの関係、ニッケル含有量と耐Ｐｂ
Ｏ性及び耐ＰｂＯ＋ＰｂＳＯ４性試験時の腐食減量との
関係をそれぞれ第１図、及び第２図に示した。なお、各
測定方法および試験方法は以下の通りである。

（１）常温硬さ試験 本実施例合金および比較例合金を電気炉でアルゴンガス
雰囲気溶解し、内径１５ｍｍの黒鉛鋳型（底部に冷し金
使用）に鋳造し、これを１５Ｉ１１ｍφｘ１０ｍｍに切
断したものを試験片とした。

試験は、ピッカルス硬さ計（荷重２０ｋｇ重）を用い、
試験片の急冷部（冷し金と接した部分）で行った。

（２）高温硬さ 上記（１）で用いた試験片を高温ビッカース硬度計（荷
重５ｋｇ重）を用いて、７００℃でビッカース硬さを測
定した。

（３）耐ＰｂＯ性試験 本実施例合金及び比較例合金を電気炉でアルゴンガス雰
囲気溶解し、ガラス管（内径５ｍｍφ）に吸引鋳造し、
これを５ｍｍφｘ２０ｍｍに切断したものを試験片とし
た。試験は、この試験片を９２０℃に加熱したＰｂＯ（
３０Ｇ＞中に１時間浸漬させ、その時の腐食減量を測定
した。

（４）耐ＰｂＯ＋Ｐｂ５Ｏ＋性試験 上記（３）と同じ試験片を用いた。試験は、この試験片
を９００℃に加熱したＰｂＯ＋４０重量％Ｐｂ５Ｏ＋　
（３０ａ）中に１時間浸漬させ、その時の腐食減量を測
定した。

（５）粉末肉盛試験 本実施例合金及び比較例合金を通常のガスアトマイズで
粉末となし、８０〜３５０メツシユの粉末をプラズマ粉
末肉盛装置を用い、第２表に示す溶接条件で５ＵＨ３５
母材（５０ｗＸ１００Ｑｘ１０ｔ＞に肉盛し、その時の
母材との濡れ性、ビー　ド形状から評価した。

（６）実機台上耐久試験およびその結果第１表に示す本
実施例合金３及び比較例合金１を通常のガスアトマイズ
で粉末となし、８０〜３５０メツシユの粉末をプラズマ
粉末肉盛装置を用い、第３表に示す溶接条件で５ＵＨ３
５バルブ索形材（傘径φ４３ｍ１ｌｌ）に肉盛した俊、
所定の寸法、形状に仕上げて、本実施例合金３を肉盛し
たバルブ、比較例合金１を肉盛したバルブをそれぞれ成
形した。なお使用した実施例合金３の粉末の［０］量は
７５０ｐｐｍであった。

総排気量２．５し、直列６気筒のガソリンエンジンの第
１〜３気筒に上記本実施例合金３を肉盛したバルブ、第
４〜６気筒に上記比較例合金１を肉盛したバルブをそれ
ぞれ搭載し、第４表に示す試験条件にて実機台上耐久試
験を行った。

耐久試験終了後の本実施例合金３を肉盛したバルブ及び
比較例合金１を肉盛したバルブのフエー・ス面の摩耗量
は、各々８〜１２μｍ１１０〜２１μｍであった。また
、フェース面の腐食深さは各々２．５μｍ１２３μｍで
あった。

〈評価） 第１表からもわかるように、本発明の実施例合金は、常
温でのビッカース硬さがＨＶ３９０−５９０で、７００
℃でのビッカース硬さがいずれもＨＶ３００以上であり
、優れた高温硬さを有している。また、本発明の実施例
合金は、９２０℃に加熱したＰｂＯおよび９００℃に加
熱したＰｂＯ十４０重徂％ＰｂＳＯ４中に浸漬した時の
腐食減損がともに１００ｍＭｃｍ２　・ｈｒ以下であり
、優れた耐食性を有している。さらに、本発明の実施例
合金を粉末状として肉盛した場合、肉盛作業性には何等
問題はなく、付着率も９０％以上で、肉盛層中の欠陥も
認られなかった。また、実機台上耐久試験の結果からも
わかるように、本発明の実施例合金を粉末肉盛したエン
ジンバルブは耐摩社性、および耐食性（耐ＰｂＯ性、耐
ＰｂＳＯｓ性）に優れ、高性能エンジンの苛酷な使用条
件を十分満足する性能を有するものである。

一方、第１表からもわかるように、比較例合金は、その
溝成成分のうちのいずれかの成分含有量が本発明の範囲
から外れると、本発明の実施例合金に比して前記特性の
うち少なくともいずれかの特性が劣ったものになること
がわかる。また、実機台上耐久試験の結果からもわかる
ように、比較例合金１を肉盛したバルブは、耐摩耗性お
よび耐食性に劣っている。なお第１表において、比較例
合金３は本発明の実施例合金と同等の特性を有している
が、これは、比較例合金３において成分含有量が本発明
範囲を外れているのはＣｒの４１゜２％のみであり、本
発明でＣｒ含有吊の上限を４Ｏ％とした理由がＣｒをそ
れ以上添加しても高温硬さ、耐食性等の効果の向上が望
めないことにあるからである。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の肉盛用合金は、高温ｌｉ
！！Ｔさに優れ、安価で、しかも耐ＰｂＯ性、耐ＰｂＯ
＋ＰｂＳＯｘ性に優れている。ざらに粉末肉盛性も良好
であり、本発明の合金を粉末肉盛したエギゾーストバル
ブは高性能自動車エンジンの苛酷な使用条件にも充分に
耐える優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はニッケル含有量と７００℃におけるビッカース
硬さとの関係を示すグラフ、第２図はニック−ル含有最
と耐ＰｂＯ性及び耐ＰｂＯ＋ＰｂＳＯ４性試験時の腐食
減量との関係を示すグラフである。 特許出願人　　トヨタ自動車株式会社 同　　　　福田金属箔粉工業株式会社 代理人　　　弁理士　　大川　宏

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）全体を１００重量％とした場合、クロム３０〜４
   ０重量％、ニッケル１５〜３１重量％、モリブデン７〜
   ２０重量％、炭素０．７〜２．２重量％、ケイ素１．５
   重量％以下、残部鉄と不可避不純物とからなることを特
   徴とするバルブ肉盛用合金。