JPH0318604A - 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】 【発明の目的】

（産業上の利用分野） 本発明は、エンジンの動弁機構におけるバルブを相手材
としてこれと対をなして利用されるバルプシ一トに係り
、より詳しくは、優れた耐熱性および高温耐摩耗性を示
すと共に、相手バルブに対する攻撃性の小さいなじみ性
に優れた耐熱耐摩耗性バルブシ一トに関するものである
． （従来の技術） 近年、自動車用エンジンに対する高出力，高回転化およ
び省燃費化ならびに排ガス対策の要求に伴って、エンジ
ンの動弁系部材の摩耗が注視されつつあり、特にバルブ
およびバルブシ一トはエンジンの高排気温化もあって従
来以上に厳しい条件にさらされるようになっている． 従来、自動車用エンジンのバルブシ一トには、鉄系焼結
合金，耐熱鋼．鋳鉄がその素材として使用されているが
、特に高温での耐摩耗性を高めるため、クロム，コバル
ト，モリブデン，ニッケル等の合金化元素を添加したも
のや鉄系焼結合金に鉛を溶浸したものなども開発されて
おり、例えば、特開昭５７−１０８２４６号公報，特開
昭６２−２１１３５５号公報，特開昭６３−１０９１４
２号公報，特開昭６３−２０３７５４号公報，特開昭６
３−２９０２４９号公報などに開示されたものがある． （発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来のバルブシ一トにあって
は、従来以上の高温での耐摩耗性の向上を実現するため
にさらに合金元素を添加して複合炭化物や金属間化合物
を極度に増加させるようにすると、相手材であるバルブ
の摩耗を増大させるという不具合が生じ，また、鉛の溶
浸を施した鉄系焼結合金においてはバルブシ一トの表面
温度が３００℃程度を超えると、鉛の膨張によりシート
内部および表面にクラックが入ったり、溶浸した鉛が抜
け出して耐摩耗性を著しく低下させてバルブシ一ト自身
も大きく摩耗することがありうるという問題があった． そこで、このような背景から、高温燃焼下において耐熱
性，耐摩耗性を維持するために、鉛に代って、銅あるい
は銅合金を溶浸するかあるいは圧粉体戊形時に銅あるい
は銅合金粉を混合し焼結して、ｌＩＩ！＃熱性，高温耐
摩耗性を高めたバルブシ一トも開発されているが、溶浸
あるいは混粉一焼結という製造方法においては、銅の偏
析が起こることがあり、銅あるいは銅合金を均一かつ微
細に分散させることは困難であってさらにはバルブシ一
トの使用環境が厳しくなるという点から考えると耐熱性
，高温耐摩耗性においては改善の余地があるという課題
を有していた． （発明の目的） 本発明は、このような従来の課題にかんがみてなされた
もので，自動車用エンジン，とくに高性能エンジンのバ
ルブシ一トに要求される耐熱性，高温耐摩耗性を具備し
かつ相手材であるバルブの摩耗を著しく増大させること
がないようなバルブシ一トを提供することを目的として
いるものである．

【発明の構成】

（課題を解決するための手段） 本発明に係るバルブシ一トは、１種または２種以上の原
料粉末の全部または一部にｇｉ量比で５〜３０％のＣｕ
あるいはＣｕ合金のコーティングが施され且つ重量比で
Ｃ；０．４〜３．０％、ＭＯおよびＷのうちいずれか１
種または２，ｌ！．５〜２５％、ＣｏおよびＮｉのうち
いずれか１種または２種；０．５〜２０％、Ｓｔ；０．
１〜０．９％、Ｐ；０．１ｘ０．８％、Ｃｒ；２　〜１
５％、Ｃｕ；５〜３０％を含有し、残部Ｆｅおよび不純
物からなる組成を有する粉末を混粉，成形，焼結してな
り、マトリックス中にＣｕあるいはＣｕ合金が微細にか
つ均一に分散していると共にｌＯ〜２５容量％の空孔率
を有する焼結体の前記空孔にＰｂあるいはＰｂ合金を溶
浸してなる構成としたことを特徴としており、このよう
なバルブシ一トの構成を前述した従来の課題を解決する
ための手段としている． 本発明者らは、バルブシ一トのマトリックス中に微細な
炭化物が分散していると共に、このマトリックス中にＣ
ｕあるいはＣｕ合金が微細にかつ゛均一に分散した組織
を有し、空孔内に溶浸したＰｂあるいはＰｂ合金の自己
潤滑性によって、すぐれた耐熱，高温耐摩耗性およびな
じみ性を示すという新規な知見を得た． 本発明はこのような従来にない知見に基づいてなされた
ものであり、まず、ｌ，？！または２種以上の原料粉末
の全部あるいはその一部にＣｕあるいはＣｕ合金のコー
ティングを施したものを用いて、混粉および成形しさら
に焼結することによって、ＣｕあるいはＣｕ合金がマト
リックス中に微細にかつ均一に分散したものにして、熱
伝導性を高め，耐熱性，高温耐摩耗性およびなじみ性を
向上させ、しかも、Ｃｕの一部がマトリックスに固溶し
てマトリックスを強化し、高温でのバルブシ一トの強度
を高め、高温下でのＰｂあるいはＰｂ合金の膨張，溶け
出しによる強度低下を抑えることができるようにしたも
のである．また、焼結過程において、原料粉末の表面に
ＣｕあるいはＣｕ合金がコーティングされているため、
炭化物の凝集を抑制し、均一に炭化物を分散させること
ができるようになっている．さらに、ＣｕによるＦｅと
Ｐｂの濡れ性の改善によって、ＰｂあるいはＰｂ合金を
溶浸したことによる潤滑効果が向上し、低速回転時すな
わち低温下（１５０〜２５０℃）であってもすぐれた耐
摩耗性となじみ性を有し、高温から低温までの広い領域
にわたってすぐれた耐摩耗性を有し、とくに無鉛ガンリ
ンを使用するエンジンのバルブシ一トとして用いた場合
にすぐれた性能を発揮することが判明した． 次に，本発明に係るバルブシ一トの各成分元素が持つ作
用および組威（重量％）ならびに気孔率の限定理由につ
いて述べる． Ｃ；Ｏ．，ａ〜３．０％ Ｃはその一部が成分中のＭｏ　，Ｗ，Ｃ　ｒなどの炭化
物形或元素と結合して炭化物を形威することにより耐摩
耗性を向上させると共に、残りはマトリックス中に固溶
して高い硬さと強度を与える作用を有するが、０．４％
未満ではその効果がさほど認められず、３．０％を超え
ると炭化物の析出量増加と粗大化が起こり合金が脆化す
るばかりか相手部材を損傷するようになるため、その含
有量を０．４〜３．０％とした． ＭｎおよびＷのうちいずれか１種または２種；５〜２５
％ ＭＯおよびＷは成分中のＦｅやＣｒとともに複炭化物を
形威して耐摩耗性を与え、一部はマトリックス中に固溶
してマトリックスを強化するとともに、焼もどし硬化能
を有しているので選択的に含有されるが、その合計含有
量が５％未満では所望の効果が得られず、合計含有量が
２５％を超えて含有させてもコストの上昇の割にはより
一層の改善効果は認められないので、５〜２５％と定め
た． ＣｏおよびＮｉのうちいずれか１種または２種；０．５
〜２０％ ＣｏおよびＮｉはマトリックスのより一層の強化と耐熱
性およびなじみ性のより一層の改善をはかるために選択
的に含有されるが、その合計含有量が０．５％未満では
所望の添加効果が認められず、合計含有量が２０％を超
えてもコストの上昇の割には特性向上の効果がなく、し
たがって０．５〜２０％と定めた． Ｓｔ；０．１〜０．９％ Ｓｉは０．１％未満の添加量では脱酸効果が少なく、粉
末中の酸素含有量が多くなり、焼結性が低下するので好
ましくなく、０．９％を超えても脱酸効果が少なく、戒
形性が低下するだけであるので，その含有量を０６１〜
０．９％と定めた． Ｐ；０．１〜０．８％ Ｐは鉄系合金粉末の低融点液相を形成し，低温活性化に
より液相焼結を促進させる上で重要であると共に、一部
は硬質相として析出して耐摩耗性向上に有効であるが、
０．１％未満ではその効果が少なく、また０．８％を超
えると液相が過多となり、ネットワーク状に液相が形成
されて焼結合金を脆化させ、焼結部品の寸法精度を悪化
させるので、その含有量を０．１−０．８％に限定した
． Ｃｒ；２〜１５％ ＣｒはＭｏ，Ｗ等とともに複炭化物を形威し、耐摩耗性
を向上させると同時に、マトリックス中に固溶し、焼入
れ焼もどし効果を高め、さらにマトリックスの耐食性を
高めるが、２％未満ではその効果は少なく，１５％を超
えて含有させてもより一層の改善がないばかりでなく、
焼結体の機械的強度を低下させてしまうことから，その
含有量を２〜１５％に限定した． コーティングされるＣｕあるいはＣｕ合金；５〜３０％ １種または２種以上の原料粉末の全部または一部にコー
ティングされたＣｕあるいはＣｕ合金は、原料粉末の混
粉，成形，焼結後にＣｕが一部マトリックス中に固溶し
、マトリックスを強化し、残部はマトリックス中に均一
に分散することによって、熱伝導性を向上させ，熱負荷
を軽減して＃熱性を高めると同時に，エンジンの燃焼作
動時には表面に酸化膜を形成してこの皮膜が潤滑作用を
なして耐摩耗性を向上させる．そして、ＣｕあるいはＣ
ｕ合金のコーティング量が５％未満ではその効果は少な
く、３０％を超えると焼結体の強度が低下するため，原
料粉末へのコーティング量は５〜３０％とした． 本発明において、ＣｕあるいはＣｕ合金の添加方法とし
て、マトリックス中にＣｕあるいはＣｕ合金を微細にか
つ均一に分散させるために、原料粉末の全部またはその
一部にＣｕあるいはＣｕ合金のコーティングを施し、混
粉一威形一焼結の過程をとる． この場合のコーティングは、例えば化学的あるいは電気
化学的方法で行い、微細にかつ均一に焼結体のマトリッ
クス中にＣｕあるいはＣｕ合金を分散させることを考慮
して、コーティングの形態は、原料粉末をＣｕあるいは
Ｃｕ合金でほぼ完全に被覆したものよりも原料粉末の一
部分を被覆したものの方が好ましく、経済的にも有利で
ある．なお、上記Ｃｕ合金としては耐食性のすぐれたい
ずれも公知のｃｕ−Ｚｎ合金，Ｃｕ−Ｃｏ合金．Ｃｕ−
Ｃｒ合金，Ｃｕ−Ｓｎ合金，Ｃｕ−Ｎｉ合金などの使用
が望ましい． 焼結体の空孔率；１０〜２５容量％ 焼結体の空孔率が１０容量％未満では、オープンボア量
が少なすぎて潤滑性にすぐれたＰｂあるいはＰｂ合金を
十分に溶没することができず、耐摩耗性，耐なじみ性お
よび強度も十分でなく、２５容量％を超えた空孔率とな
ると強度の低下が著しく，かつまた耐摩耗性も劣化する
ようになることから、焼結体の空孔率を１０〜２５容量
％と限定した． 空孔に溶浸されるＰｂあるいはＰｂ合金：焼結体の空孔
に溶浸されるＰｂあるいはＰｂ合金において，Ｐｂ合金
としては潤滑性にすぐれたいずれも公知のＰｂ−Ｓｎ合
金，Ｐｂ−Ｉｎ合金，Ｐｂ−Ｓｂ合金などの使用が望ま
しい． （発明の作用） 本発明に係るバルブシ一トは上記した構成を有するもの
であり、バルブシ一トのマトリックス中に微細な炭化物
が分散していると共に、マトリックス中にＣｕあるいは
Ｃｕ合金が微細にかつ均一に分散した組織を有し、空孔
内に溶浸したＰｂあるいはＰｂ合金の自己潤滑性によっ
て、すぐれた＃熱性，耐摩耗性およびなじみ性を示すも
のになるという作用がもたらされる． （実施例） つぎに、本発明に係るバルブシ一トの実施例を比較例と
対比しながら詳細に説明する．原料粉末として、−１０
０メッシュのＦｅ一Ｃｒ−Ｍｏ　−Ｗ−Ｓｔ−Ｃ系アト
マイズ合金粉末数種類と、−３２５メッシュのＦ　ｅ　
−　Ｍ　ｏ合金粉末あるいは純ＭＯ粉末，Ｆｅ−Ｗ合金
粉末あるいは純Ｗ粉末およびＦｅ−Ｃｒ合金粉末と、一
２５０メッシュのＦｅ−２６％Ｐ合金粉末と、−１００
メッシュのＣＯ粉末と、−２００メッシュのＮｉ粉末と
、−２５０メッシュのＰｂ粉末と、−２５０メッシュの
Ｐｂ−Ｓｎ合金粉末等を用意し、まず、これらの原料粉
末を第１表のＮ０．１〜５に示す配合組或となるように
それぞれ配合し，Ｖ型混合機を用いて３０分間混合した
．このうち、第１表に示す被コーティング原料粉末の比
率で原料粉末の全部または一部にＣｕのコーティングを
施し、高級脂肪酸を０．５重量％加えて再びＶ型混合機
により混合した．このとき、Ｃｕのコーティングは、コ
ーティングＣｕ量が重量％でｌＯ〜２０％となるように
行った． 次に、得られた各混合粉末を７ｔｏｎｆ／ｃｍ２の戒形
圧にてバルブシ一ト形状の圧粉体に或形し、アンモニア
分解ガス中において温度１０８０〜１２００℃に６０分
間保持して焼結し、引き続いて焼入れ焼戻し処理を施す
ことにより、第２表に示す組或の焼結体を得た．ついで
、得られた焼結体を同じく第２表に示す溶浸材であるＰ
ｂあるいはＰｂ合金を融解した５００℃前後の浴中に浸
漬し、焼結体の空孔内にＰｂあるいはＰｂ合金を高圧溶
浸したのち、機械加工を加えることによって本発明実施
例のバルプシ一トＮ０．　　１〜５を得た． （比較例） 比較のために、第３表に示す比較例のバルブシ一トＮｏ
，　　１〜５を用意した．これらのうち、比較例Ｎ０．
　　１〜３は、Ｃｕの添加をＣｕ粉末の混合により行い
，戊形．焼結したｖｋＰｂを溶浸して製造したものであ
って、第３表に示すように、第１表に示した実施例のバ
ルブシー｝Ｎ０．１〜３とそれぞれ同じ組成を有するバ
ルブシ一トである（ただし、比較例Ｎ０．　３ではＣｕ
を含まず．）．また、比較例Ｎ０．　４およびＮ０．　
５は一般に使用されているそれぞれＰｂを溶浸したタイ
プのバルプシ一トおよびＪＩＳ耐熱鋼材ＳＵＨ４を材料
とするバルブシ一トである． （評価試験例） ついで、実機動弁機構部を模した第１図に示すようなバ
ルブーバルブシート単体試験機を用いて、実施例Ｎ０．
　１〜５および比較例Ｎ０．　１〜５の各バルブシ一ト
について摩耗試験を行った．このバルブーバルブシ一ト
単体試験Ｉａ１は，回転するカム２によって上下運動す
るバルブ３がスプリング４によってバルブシ一ト５を衝
撃的にたたく動作を繰り返し行うようになっており、バ
ルブ３の上方に配設したガスバーナ６によりバルブ３を
加熱し、ヘッド７にとりつけられたエアーノズル８より
矢印方向にエアーを吹き付けるようになっている．この
とき、バーナ６に供給されるプロパンガス供給量とノズ
ル８からのエアーの吹き付け量を制御して，バルブ３の
温度およびバルブシ一ト５の温度を一定に雑持し、吸気
バルブシ一トの使用環境を葱定した第４表の条件で試験
を行い，バルブシ一ト５およびバルブ３の当り面の形状
変化よりそれぞれの摩耗量を求めた． 第　　４　　表 この摩耗試験結果を第２図に示す． 第２図より明らかなように、本発明実施例のバルブシ一
トＮ０．１．２とほぼ同じ組成をもっと共にＣｕ粉末を
混粉により添加した比較例のバルブシー｝Ｎ０．１．２
では、シート温度４００℃での摩耗量が本発明実施例の
バルプシー｝Ｎ０．１．２の同温度での摩耗量に比べて
多くなっており，またシート温度２５０℃の低温ではＣ
ｕが均一に分散されてないため硬質な炭化物の凝集がみ
ちれ、耐摩耗性が不足していることが認められた．また
、比較例のバルプシー｝Ｎ０．３ではＣ量が少なく炭化
物の量が少ないため、シート温度２５０℃では優れた耐
摩耗性を示すがシート温度４００℃では＃摩耗性が著し
く劣化していることが認められた．さらに、従来材から
なる比較例のバルプシーＨ（０．４．５ではいずれもバ
ルブシ一ト温度４００℃の高温での耐摩耗性に劣り、こ
のうち比較例のバルプシー｝Ｎ０．４では表面に割れが
生じていた． これに比べて、本発明実施例のバルブシ一トＮ０．　　
１〜３は、いずれも低温（シート温度２５０℃）から高
温（シート温度４００℃）まで耐摩耗性にすぐれており
、均一にＣｕを分散させた効果が認められた．そして、
本発明実施例のバルブシ一トの摩耗量は、分散した炭化
物量の多いもの（実施例のバルプシー｝Ｎ０．　４　．
　５）において低温（シート温度２５０℃）での摩耗量
が若干多くなっているが高温での摩耗量はかなり少なく
、従来材からなる比較例のバルブシー｝Ｎ０．．　４　
．　５に比べて高温耐摩耗性が著しく改善されているこ
とが認められた．

【発明の効果】

本発明に係るバルブシ一トは、１種または２種以上の原
料粉末の全部または一部にＣｕあるいはＣｕ合金のコー
ティングが施されたものを用いて混粉，Ｔ＆形．焼結し
、ＣｕあるいはＣｕ合金をマトリックス中に均一にかつ
微細に分散させ，炭化物の凝集を抑え、炭化物が均一に
分散している焼結体を基材としていると共に，焼結体の
空孔にＰｂあるいはＰｂ合金を溶浸させたものである−
ｂ１ら、耐熱性に優れたものになっていると共に高温で
の耐摩耗性も従来のものに比較して著し〈改善されたも
のとなっており、さらには相手バルブに対する攻撃性も
小さくなじみ性の優れたものになっており、とくに過酷
な条件にも十分対応できるエンジン用バルブシ一トとし
て適用可能であるという著大なる効果を奏するものであ
る．

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）１種または２種以上の原料粉末の全部または一部
   に重量比で５〜３０％のＣｕあるいはＣｕ合金のコーテ
   ィングが施され且つ重量比でＣ；０．４〜３．０％、Ｍ
   ｏおよびＷのうちいずれか１種または２種；５〜２５％
   、ＣｏおよびＮｉのうちいずれか１種または２種；０．
   ５〜２０％、Ｓｉ；０．１〜０．９％、Ｐ；０．１〜０
   ．８％、Ｃｒ；２〜１５％、Ｃｕ；５〜３０％を含有し
   、残部Ｆｅおよび不純物からなる組成を有する粉末を混
   粉、成形、焼結してなり、マトリックス中にＣｕあるい
   はＣｕ合金が微細にかつ均一に分散していると共に１０
   〜２５容量％の空孔率を有する焼結体の前記空孔にＰｂ
   あるいはＰｂ合金を溶浸してなることを特徴とするバル
   ブシート。