JPH0250904A - 耐摩耗性圧縮焼結体及びその製造方法 - 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】 イ、産業上の利用分野 本発明は、耐摩耗焼結体に関し、例えば、内燃機関のバ
ルブシートとして好適な耐摩耗焼結体に関する。

口、従来技術 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
材の代わりに焼結合金製として対処しようと試みられて
いる。

即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クロム、ニッケル、コバ
ルト、モリブデン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
とバルブシート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
結合金製のバルブシートを開発するに至った。

鉄基焼結合金の空孔にワックス等を含浸させて被削性や
耐摩耗性を改善することは公知であり、本出願人の一人
も焼結合金に有機化合物又は有機金属化合物を含浸させ
た弁座（バルブシート）用焼結金属及びその製造方法を
提示している（特願昭５４−１１８００１号　内燃機関
弁座用焼結合金及びその製造方法）。

上記先願の発明における含浸物質は融点が１２０〜２５
０°Ｃとし、バルブシートをシリンダヘッドに圧入する
際に融解せず、また内燃機関運転時のノλルブシートの
温度で融解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。この先願の発明に基づくバルブシ
ーＩ・は、優れた耐摩耗性を示すのであるが、本発明者
が検討を重ねた結果、加熱温度が特に高温になると、次
のような問題点がなお残されていることが判明した。

即ち、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Ｉ−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、その結果を機含浸物質が蒸発
分解を起こし、含浸効果が無くなることがある。

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擦係数の低減
効果のいずれも十分には期待出来ないという問題がある
。

ハ０発明の目的 本発明は、使用時の加熱温度に関係なく、優れた耐摩耗
性を示す耐摩耗焼結体を提供することを目的としている
。

二１発明の構成 本発明は、焼結合金の空孔に高融点の潤滑性弗化物が含
浸された構造を有する耐摩耗焼結体に係る。

耐摩耗焼結体を構成する焼結合金は、それ自体が成る程
度の耐摩耗性を有する鉄基焼結合金が好ましい。素地へ
の合金元素の添加、或いは必要に応じて硬質相粒子を分
散させることにより、鉄基焼結合金の化学組成は、０．
５〜２重量％（以下、「重量％」を単に「％」で表す。

他の百分率についてはその旨を表示する。）、炭化物生
成元素のクロム、モリブデン、バナジウム、タングステ
ンの一つ又は複数を合わせて１〜２５％を含み、その他
必要によりニッケル、コバルト、珪素の１種又は２種以
上を合計で１〜１５％含有させることができる。空孔率
は５〜１５容積％とするのが良い。

炭素は、クロム、モリブデン、バナジウム、タングステ
ンと化合して炭化物を生成し、耐摩耗性を改善する。従
って炭素量は焼結材中のこれらの元素の種類、量及び合
金元素として添加するか、硬質相粒子としで添加するか
により適切な量として必然的に定まり、上記の炭化物生
成元素量の範囲では０．５〜２％となる。炭素量が０．
５％未満であると炭化物生成量が十分ではなく、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。他方、２％を超えると材料が硬くなり過ぎ、ま
た脆くなるため好ましくないので、炭素量は０．５〜２
％とするのがよい。

炭化物生成元素のクロム、モリブデン、バナジウム、タ
ングステンはいずれも炭素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
数種類組み合わせて添加してもよい。

その量が１％未満では炭化物生成量が十分でなく、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、コスト高にな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
てニッケル、コバルト、珪素の一つ又はつ以上を合計で
１〜１５％添加することもできる。

その量が１％未満では効果が十分でなく、また１５％を
超えて添加してもその量に見合うだりの効果が得られな
くなり、またコスト高になって好ましくないので、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、耐摩耗焼結体、例えばバルブシートの使用条件、特
に排気バルブシートの場合には室温からおよそ３５０°
Ｃの使用温度範囲及び−酸化炭素、二酸化炭素水等を含
有する雰囲気中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例えば弗化リチ
ウムがある。弗化リチウムの融点は８４２°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融出
することはなく、また内燃機関の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。

弗化リチウム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
は原材料粉末の成形圧力、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％になるようにするのが好
ましい。

空孔容積、従って含浸量がこの範囲よりも少なすぎると
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。なお、弗
化リチウムの純度は９０％以上であることが望ましい。

ホ、実施例 以下、本発明の詳細な説明する。

１５０〜２００メツシユにピークを持つ粒度分布の５％
モリブデン含有鉄粉に対し、３２５メツシユ篩下のカル
ボニルニッケル粉、金属モリブデン粉及び黒鉛粉並びに
１５０〜２００メツシユにピークを持つ粒度分布フェロ
モリブデン粉を夫々１０％、５％、１．２％、１０％の
割合（重量比）で配合し、更に金型成形の際に型抜けを
良くするための潤滑材としてステアリン酸亜鉛を０．６
％加えて混合した。この混合粉を外径４６ｍｍφ、内径
３５胴φの円筒状の金型に充填して、プレスで成形圧６
．５トン／　ｃｉ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、次に１１４０°Ｃに１時間
加熱焼結してバルブシート供試品素材を作製した。この
供試品素材をＮｏ、　ｌとする。

１５０〜２００メツシユにピークを持つ粒度分布の純鉄
粉と、同じ粒度分布の２％ニッケル、０．５％モリブデ
ン、０．２％マンガン、残部鉄の鉄基合金粉と、３２５
メツシユ篩下のニッケル粉と、同じく黒鉛粉と、１５０
〜２００メツシユにピークを持つ粒度分布の５５％クロ
ム、１０％コバルト、２０％モリブデン、１．２％炭素
、残部鉄の合金粉と、同じ＜６３％モリブデンのフェロ
モリブデン粉と、同じ＜　１２．５％クロム、残部鉄の
鉄基合金粉と、潤滑材としてのステアリン酸亜鉛とを、
この順に４１．７％、４１％、１％、１．３％、５％、
５％、０．５％の割合（重量比）で配合し、混合した。

この混合粉を使用し、前記Ｎｏ月に於けると同様にして
バルブシート供試品素材を作製した。この供試品素材を
Ｎｏ、　２とする。

上記供試品素材の分析値は、下記第１表に示す通りであ
った。

第　　　１　　　表　　（％） これら供試品素材を９５０　’Ｃに加熱熔融した弗化リ
チウム（純度９８％以上）の浴に浸漬し、Ｉ　Ｔｏｒｒ
３０分間減圧脱気した後、不活性ガスとしてアルゴンガ
スを用いて３０分間５　ｋｇ／ｃｎｌに加圧し弗化リチ
ウムを含浸させた。なお、供試品素材の空孔率はいずれ
も９容積％であり、弗化リチウムの含浸量も空孔率と殆
ど同じの９容積％である。

以上の含浸処理を施し所定寸法に加工して作製した試験
品と前記含浸前の供試品素材を所定寸法に加工して作製
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。

第１図は試験に供したバルブシートの拡大断面図で、鉄
基焼結合金１ａの空孔に弗化リチウム１ｂが含浸されて
バルブシート１を構成している。図中、１Ｃはバルブの
バルブフェースとの当たり面である。

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、その概要を第４図ムこ示す。

バルブシート１はシリンダヘッド２に設けられたバルブ
シート押さえ３に圧入され、バルブシート押さえ３を介
してシリンダヘッド２に固着される。シリンダヘッド２
の下方にはこれにバルブ駆動部本体４が固定されていて
、バルブガイド５がバルブ駆動部本体４に取付けられて
いる。バルブ１０は、バルブフェースがバルブシート１
の面取り面（第１図の１ｃ）に当接するように、そのロ
ッド部（バルブステム）１０ａがバルブガイド５に上下
動可能に挿入される。バルブ駆動部本体４に設けられた
軸受８．８にはカム軸９が軸支される。カム軸９のカム
駒９ａに圧接するタペット６Ａにバルブステム１０ａの
下端側部分が収容され、バルブステム１０ａ先端近（の
段部にコツクロ日を保持され、コイルばね７Ａ、７Ｂを
受けて支持するリテーナ６ＣがコツクロＢを囲むように
して両者が嵌合する。リテーナ６Ｃはコイルばね７Ａ、
７日の付勢力によってコツクロＢを介してバルブステム
１０ａに固定される。また、バルブステム１０ａの先端
はコイルばね７Ａ、７Ｂの付勢力によってクペッ）６Ａ
に圧接する。上記のタペット６Ａとカム駒９ａとの圧接
は、リテーナ６Ｃとバルブ駆動部本体４との間に位置す
るコイルばね７Ａ、７Ｂの付勢力によってなされる。

このような構造としであるので、カム軸９を図示しない
駆動装置によって回転させると、タペット６Ａを介して
バルブ１０が上下動し、そのバルブフェースがバルブシ
ート１の面取り面（第１図の１ｃ）を衝撃的に繰り返し
叩くようになる。この衝撃荷重は、コイルばね７Ａ及び
７Ｂの強さ、カム駒９ａの形状及びカム軸９の回転数を
適宜選択することによって定められる。

バルブ１０の上方にはガスバーナ１１が配してあり、バ
ルブシート押さえ３に穿設された細孔に熱電対１３の温
接点がバルブシート１に当接するように挿入されてバル
ブシート１の温度が検知される。そして、図示しない制
御回路によってノズル４からシリンダへラド２に吹き付
ける圧縮空気の風量を調節してバルブシート１を所定の
温度に保持するようにしである。

また、バルブ１０の表面温度は放射温度計１２によって
測温され、図示しない制御回路によってガスバーナ１１
に供給されるプロパンガスの供給量を調節してバルブ１
０の表面温度を所定の温度に保持するようにしである。

試験は排気バルブシートの使用条件を想定して下記第２
表に示す条件で行った。

第　　　２　　　表 また、バルブシートの摩耗量は、次のようにして求めた
。所定時間の試験が終了した時点でバルブを未使用の新
しいバルブ、即ち基準バルブと交換し、試験前のバルブ
の位置に対する基準バルブの位置の変化（沈み量）を測
定し、この測定値をバルブシートの摩耗量とした。かく
することにより、試験によるバルブの摩耗量が測定値に
含まれることなく、バルブシートの摩耗量だけが求めら
れる。

試験結果は第２図に示す通りであった。なお同図では、
供試品素材番号に弗化リチウム含浸の有無によって’Ｌ
ｉＦ」、「ナシ」の符号を付して区別しである。

第２図から、バルブシー１・の摩耗量は、弗化リチウム
の含浸によって各温度甚大幅に小さくなっていることが
解る。

次に、供試品素材Ｎｏ、　２から作製した前記バルブシ
ート試験品Ｎｏ、２　Ｌ　ｉ　Ｆ、　Ｎｏ、２ナシと、
更に供試品素材Ｎｏ、　２にステアリン酸亜鉛を含浸さ
せて作製したバルブシート試験品（Ｎｏ、２ｓｔＺｎ）
とについて、２５時間迄の試験を行った。バルブシート
試験晶Ｎｏ、２ｓｔＺｎは、前述の特願昭５４−１１．
８００１号の発明に基づく対比試験品である。使用した
試験機は第４図の試験機であって、バルブ表面温度５５
０°Ｃ、バルブシート温度２５０°Ｃの条件とした。

試験結果は第３図に示す通りであった。第２図と同様に
、含浸による耐摩耗性改善の効果は明らかに認められる
。バルブシート試験品Ｎｏ、　２　Ｌ　ｉ　Ｆ（実施例
）は、比較の試験品Ｎｏ、２ｓｔＺｎに較べると、試験
時間１０時間迄は摩耗量が僅か乍ら多い。

然し、試験時間が１０時間を越えると、Ｎｏ、２ｓｔＺ
ｎは摩耗量の増大が加速されている。これに対し、Ｎｏ
、　２　Ｌ　ｉ　Ｆでは摩耗量の増加が試験時間の経過
に伴って次第に小さくなり、試験時間１０時間を越える
と両者の関係が逆転し、試験時間２５時間ではＮｏ、２
ｓｔＺｎの略Ａである。更に試験時間を長くすれば、両
者の摩耗量の差は更に大きくなっていくものと考えられ
る。

第３図の結果から、鉄基焼結合金に弗化リチウムを含浸
させたバルブシートは、苛酷な温度条件下で長時間の使
用に耐え、耐久性が著しく改善されていることが理解で
きる。なお、供試品素＋ＡＮ０１についての同様の試験
では、各試験品の摩耗量の絶対値が小さいだけで、上記
と同様の傾向を示す結果が得られている。

上記の実施例のほか、本発明の技術思想に基づいて種々
の変形が可能である。例えば、鉄基焼結合金の化学組成
は、耐摩耗性、機械的強度を損なわない（或いは向上さ
せる）適宜の化学組成として良い。また、含浸材も、弗
化リチウムのほかに、潤滑性が良好で、かつ融点が満足
できる程度に高いものがアルカリ金属又はアルカリ土金
属の弗化物のうちにある。例えば、弗化ナトリウム（融
点９９２°Ｃ）、弗化カルシウム（融点１３６０°Ｃ）
と弗化バリウム（融点１２８０°Ｃ１１０００°Ｃ付近
から分解を始める。）との３８　：　６２の混合物等が
使用できる。上記の実施例は、内燃機関のバルブシート
についての例であるが、そのほか、例えば高負荷で使用
される軸受等の摺動部材にも本発明が適用可能である。

この場合、焼結合金には、鉄基焼結合金以外に、軸受材
として使用される銅基焼結合金を使用できる。

へ０発明の効果 本発明に基づく耐摩耗焼結体は、焼結合金の空孔が高融
点の潤滑性弗化物で含浸されており、この弗化物が有す
る潤滑性に加えてその融点が高いので、その潤滑作用が
使用中に低下することがない。その結果、２００〜３５
０°Ｃ又はそれ以下の低温域から高温域に至る広い温度
域で優れた耐摩耗性を示し、苛酷な使用条件で長時間の
使用に耐える。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明の実施例を示すものであって、 第１図はバルブシートの拡大断面図、 第２図及び第３図は摩耗試験の結果を示すグラフ、 第４図は単体摩耗試験機の断面図 である。 なお、図面に示された符号に於いて、 １・・・・・・・・・バルブシート １ａ・・・・・・・・・鉄基焼結合金 １ｂ・・・・・・・・・弗化リチウム １ｃ・・・・・・・・・面取り面（バルブとの当たり面
）６Ａ・・・・・・・・・タヘント ７Ａ、７Ｂ・・・・・・・・・コイルばね９・・・・・
・・・・カム軸 ９ａ・・・・・・・・・カム駒 １０・・・・・・・・・バルブ １０ａ・・・・・・・・・バルブステム１１・・・・・
・・・・ガスバーナ １２・・・・・・・・・放射温度計 １３・・・・・・・・・熱電対 である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、焼結合金の空孔に高融点の潤滑性弗化物が含浸され
   た構造を有する耐摩耗焼結体。