JPH03225008A - 耐摩耗性に優れたＦｅ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、デーゼルエンジンやガソリンエンジンなど
の内燃機関のうちでも特に高出力の内燃機関に適した耐
摩耗性に優れたかつ相手攻撃性の少ないＦｅ基燻焼結合
金製バルブシート関するものである。

Ｃ従来の技術〕 従来、特開昭５８−１７８０７３号公報に記載されるよ
うに、重量％で（以下、％は、重量％を示す。）、Ｍｏ
　：　０．１〜０．９％、　　　ＮＩ　　：ｏ、５〜２
．５％。

Ｃｏ　：　４．５〜７．５％、　　　Ｃｒ　：　３〜６
．５％。

Ｃ：０．５〜１．７％、　Ｗ　：１〜２．７％。

を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有
するＦｅ基合金素地に、 Ｃ：２〜３％、　　　　　Ｃｏニア〜１５％。

Ｗ：１５〜２５％、　　　　　Ｆｅ：１〜８％。

を含有し、残りがＣ「と不可避不純物からなる組成を有
するＣｒ基合金粒子と、Ｆｅ−Ｍｏ合金粒子：８〜Ｉ２
容量％、 が分散含有した組織並びに６〜１４容量％の気孔率を有
するＦｅ基焼結合金基体に、Ｃｕを溶浸してなる銅含浸
Ｆｅ基焼結合金製バルブシートが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、最近の内燃機関は、過給機の採用、多弁化、高
速回転化などにより高出力化が計られて、熱的および機
械的負荷がますます増加する傾向があり、このような内
燃機関に上記従来の銅含浸Ｆｅ基焼結合金製バルブシー
トを装備すると、Ｆｅ基合金素地に分散するＣｒ基合金
粒子およびＦｅ−Ｍｏ合金粒子は、硬質であるけれども
Ｆｅ基合金素地に対する密着性が悪く、内燃機関の作動
中にＦｅ基合金素地に分散するＣｒ基合金粒子およびＦ
ｅ−Ｍｏ合金粒子は酸化して脱落し、バルブシート自体
が摩耗し、さらに、この脱落した合金粒子は、相手部材
であるバルブをも摩耗せしめるという問題があった。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、本発明者らは、上述のような観点から、上記内
燃機関の高出力化に対しても十分に耐えることのできる
一段と優れた耐摩耗性を有するバルブシートを開発すべ
く研究を行った結果、Ｃｒ：０．５〜３％、　　　Ｍｏ
　：　０．５〜３％。

Ｎｉ　　：　０．５〜３９６．　　　Ｃｏ　：　２〜８
％。

ｃ　　：０．６〜１，５％、　Ｎｂ　：　０．２〜１％
。

を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成
並びにパーライト相およびベーナイト相を主体とした組
織からなるＦｅ基合金素地に、Ｃｒ　：２５〜４５％、
Ｗ：２０〜３０％。

Ｃｏ：２０〜３０％、Ｃ：１〜３％。

Ｓｌ：０．２〜２％、　　Ｎｂ：０．２〜２％。

を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成
を有する硬質粒子Ａと、 ｃｏ＝５５〜６５％、　　　　Ｃｒ　：　２５〜３２％
。

Ｍｏ　：　７〜１０％、　　　　Ｓｉ　：　１．５〜３
．５％。

を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成
を有する硬質粒子Ｂとを、 硬質粒子Ａと硬質粒子Ｂの合計が１０〜２５％、ＣａＦ
２．ＭｎＳのうち１種または２種：０．２〜５　（１，
、Ｓ、 （以上重量０６）となるように分散した組織を合するＦ
ｅ基焼結合金基体からなるＦｅ基燻焼結合金製バルブシ
ート上記要求を十分に満たすことができるという知見を
得たのである。

この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであっ
て、この発明は、上記組織を有するＦｅ基焼結合金基体
に、さらに、５〜２０重量％のＣｕを溶浸してなる銅含
浸Ｆｅ基焼結合金から構成してなるＦｅ基燻焼結合金製
バルブシートたは５〜２０重量％のＰｂを溶浸してなる
鉛含浸Ｆｅ基焼結合金から構成してなるＦｅ基燻焼結合
金製バルブシート含まれる。

つぎに、この発明のバルブシートにおいて、これを構成
するＦｅ基焼結合金基体の組成を上記の通りに限定した
理由について説明する。

Ａ、Ｆｅ基合金素地の成分限定理由 （ａ）　　Ｃ Ｃ成分には、ＭｏおよびＣｒと結合して炭化物を形成し
、硬さを向上させる作用があるほか、パーライトおよび
ベーナイトを主体とする素地を形成して、耐摩耗性を向
上させる作用があるが、その含有量が０．５％未満では
上記作用に所望の効果が得られず、一方、その含有量が
１．５％を越えると、素地の硬さが高くなり、相手攻撃
性が増すようになることから、その含有量を０．６〜１
．５％に定めた。

（ｂ）　　Ｃｒ Ｃ「成分には、素地に固溶して耐熱性を向上させる作用
があるほか炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる作用
があるが、その含有量が１％未満では上記作用に所望の
効果が得られず、一方、その含有量が３％を越えると、
焼結性が劣化して高強度を確保することが困難になるこ
とから、その含有量を１〜３％に定めた。

（ｃ）　　Ｍ。

ＭＯ酸成分は、素地に固溶して炭化物を形成し、耐摩耗
性を向上させる作用があるが、その含有量が０．５％未
満では上記作用に所望の効果が得られず、一方、その含
有量が３％を越えると、材料強度が低下することから、
その含有量を０．５〜３％に定めた。

（ｄ）　　Ｎｉ Ｎｉ成分には、素地に固溶してこれを強化する作用があ
るが、その含有量が０．５％未満では上記作用に所望の
効果が得られず、一方、その含有量が３％を越えて含有
させても上記作用は飽和するだけであり、不経済である
ことから、その含有量を０．５〜３％に定めた。

（ｅ）　　Ｃ。

Ｃｏ成分には、素地に固溶してこれを強化する作用があ
るが、その含有量が２％未満では上記作用に所望の効果
が得られず、一方、その含有量が８％を越えて含有させ
ても上記作用は飽和するだけであり、不経済であること
から、その含有量を２〜８％に定めた。

（ｆ）　　Ｎｂ 素地のＮｂ成分には、Ｃｒ−Ｎｂ系微細炭化物を形成し
て素地中に分散し、耐摩耗性を向上させる作用があるが
、その含有量が０．２％未満では所望の効果が得られず
、一方、その含有量が１％を越えて含有させても上記作
用は飽和するだけてあり、−層の向上効果は現れないこ
とから、その含有量を０．２〜１％に定めた。

Ｂ、硬質粒子Ａの成分限定理由 （ｇ）　　Ｃ Ｃ成分には、炭化物を形成して硬質粒子Ａを強化する作
用があるが、その含有量が１％未満では上記作用に所望
の効果が得られず、一方、その含有量が３％を越えると
、硬さが高くなりすぎ、相手攻撃性が増すようになるこ
とから、その含有量を１〜３％に定めた。

（ｈ）　　Ｃｒ Ｃｒ成分には、硬質粒子Ａの素地に固溶して耐熱性を向
上させる作用があるほか炭化物、金属間化合物を形成し
て耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が２
５％未満では上記作用に所望の効果が得られず、一方、
その含有量が４５％を越えると、硬さの上昇を招き、相
手攻撃性が増加することから、その含有量を２５〜４５
％に定めた。

（ｉ）　　Ｗ Ｗ成分には、硬質粒子Ａの素地中に炭化物および金属間
化合物を形成して耐摩耗性を向上させる作用があるが、
その含有量が２０％未満では上記作用に所望の効果が得
られず、一方、その含有量が３０％を越えると、硬さの
上昇を招き、相手攻撃性が増加することから、その含有
量を２０〜３０％に定めた。

（ｊ）　　Ｎｂ Ｎｂ成分には、硬質粒子Ａの素地中に炭化物を形成して
硬質粒子Ａの耐摩耗性を向上させる作用および硬質粒子
Ａの素地に対する密着性を強化する作用があるが、その
含有量が０．２％未満では上記作用に所望の効果が得ら
れず、一方、その含有量が２％を越えると、上記作用は
飽和するだけであり、また粉末アトマイズ時のぬれ性が
低下するようになることから、その含有量を０．２〜２
％に定めた。

（ｋ）　　Ｃ。

Ｃｏ成分には、硬質粒子Ａの素地に固溶してこれを強化
する作用と耐熱性を向上させる作用があるが、その含有
量が２０％未満ては上記作用に所望の効果が得られず、
一方、その含有量が３０％を越えて含有させても上記作
用は飽和するだけであり、不経済であることから、その
含有量を２０〜３０％に定めた。

（＋）　　５Ｉ Ｓｉ成分には、炭化物を形成して硬質粒子Ａの耐摩耗性
を向上させる作用があるが、その含有量が０．２％未満
では上記作用に所望の効果が得られず、一方、その含有
量が２％を越えると、硬質粒子Ａを脆弱化するだけであ
ることから、その含有量を０，２〜２％に定めた。

Ｃ１硬質粒子Ｂの成分限定理由 （ｍ）　　Ｃｒ Ｃｒ成分には、硬質粒子Ｂの耐熱性を向上させるばか炭
化物および金属間化合物を形成して硬質粒子Ｂの耐摩耗
性を向上させる作用および硬質粒子Ｂの素地に対する密
着性を強化する作用があるか、その含有量が２５％未満
ては上記作用に所望の効果が得られず、一方、その含有
量が３２％を越えると、上記作用は飽和するたけであり
、また粉末アトマイズ時のぬれ性が低下するようになる
ことから、その含有量を２５〜３２％に定めた。

（ｎ）　　Ｍ。

Ｍｏ成分には、硬質粒子Ｂの素地中に固溶して炭化物を
形成し、耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有
量が７％未満では上記作用に所望の効果が得られず、一
方、その含有量が１０％を越えると、材料強度が低下す
ることから、その含有量を７〜１０％に定めた。

（ｏ）　　５Ｉ Ｓｉ成分には、金属間化合物を形成して硬質粒子Ｂの耐
摩耗性を向上させる作用があるか、その含有量が１．５
％未満ては上記作用に所望の効果が得られず、一方、そ
の含有量が３．５％を越えると、硬質粒子Ｂの相手攻撃
性を増すようになることから、その含有量を１．５〜３
，５％に定めた。

（ｐ）　　Ｃ。

ＣＯ成分には、硬質粒子Ｂの素地に固溶してこれを強化
する作用と耐熱性を向上させる作用があるが、その含有
量が５５％未満ては上記作用に所望の効果が得られず、
一方、その含有量が６５％を越えても、飽和するので経
済性を考慮して、その含有量を５５〜６５％に定めた。

Ｄ、硬質粒子Ａと硬質粒子Ｂを同時に素地中に分散せし
める理由 硬質粒子Ａは、安価で硬さが優れているが酸化されやす
く、酸化されると素地から脱落して十分な耐摩耗性が得
られない。一方、硬質粒子Ｂは、耐酸化性に優れており
かつ相手攻撃性が少ないが、高価でありかつ硬さが不足
する。そこで上記硬質粒子Ａと硬質粒子Ｂを同時に素地
中に分散せしめると、硬質粒子Ｂの存在が硬質粒子Ａの
酸化による脱落を防止して耐摩耗性を向上せしめかつ相
手攻撃性をも低下せしめるのである。しかしながら硬質
粒子Ａと硬質粒子Ｂの合計が素地に対して１００６未満
ては所望の効果か得られず、一方、２５％を越えて含有
させるとバルブシートの強度の低下を招く。したがって
硬質粒子Ａと硬質粒子Ｂの合計は素地に対して１０〜２
５％と定めた。

Ｅ　、　Ｃａ　Ｆ　２　、　Ｍ　ｎ　Ｓ材料に耐摩耗性
を付与するためには、耐熱性をもつ素地中に硬質粒子を
分散させる必要があるが、素地の高合金化、高密度化に
より、フェース部最表面では、酸化物が生成しにくくな
るため、固体潤滑剤を分散させ、材料自体に自己潤滑作
用を付与する必要があり、この発明のＦｅ基焼結合金に
分散させる固体潤滑剤としては、Ｃａ　Ｆ　２粉末、Ｍ
ｎＳ粉末が好ましいが、しかし、Ｃａ　Ｆ　２粉末、Ｍ
ｎＳ粉末のうち１種または２種の添加量が０．２％未満
では上記作用に所望の効果が得られず、方、５％を越え
て含有させると、材料強度の低下を招くことから、その
添加量は０．２〜５％と定めた。

Ｆ、Ｃｕ溶浸量 この発明のバルブシートは、上記Ｆｅ基焼結合金基体の
空孔に銅を溶浸せしめ、封孔による素地の強化と熱伝導
性の向上により耐熱性を向上させることもできるが、そ
の溶浸量が５％未満では上記作用に所望の効果がｊりら
れず、一方、その溶浸量が２０％を越えて溶浸させるた
めにはＦｅ基焼結合金基体の気孔率を上げなければなら
ず、Ｆｅ基焼結合金基体の気孔率を上げると得られたバ
ルブシートの強度が低下することから、Ｃｕ溶浸量は５
〜２０％に定めた。

Ｇ、Ｐｂ溶浸量 また、この発明のバルブシートは、上記Ｆｅ基焼結合金
基体の空孔に鉛を溶浸せしめ、封孔による素地の強化と
鉛のもつ自己潤滑性によりバルブ攻撃性を低下させるこ
ともできるが、その溶浸量が５９６未満では上記作用に
所望の効果が得られず、一方、その溶浸量が２０％を越
えて溶浸させるためにはＦｅ基焼結合金基体の気孔率を
上げなければならず、Ｆｅ基焼結合金基体の気孔率を上
げると、得られたバルブシートの強度か低下することか
ら、Ｐｂ溶浸量は５〜２０％に定めた。

なお、この発明の耐摩耗性に優れたＦｅ基焼結合金製ハ
ルブンートを製造するに際して、成形後４００〜６００
℃に３０分間保持し脱油を行った合金及び成形後真空ま
たは還元ガス中、温度は７００〜９００℃で仮焼結を行
った後再度５〜８Ｔｏｎ／ｃｄの圧力で加圧し密度向上
を行った合金について焼結は真空または還元性ガス雰囲
気中、温度：　１１００〜１２５０℃に１時間保持の条
件、 Ｃｕ溶浸は、還元性ガス雰囲気中、温度：１０９０〜１
１５０℃に２０分間保持の条件、Ｐｂ溶浸は、中性ガス
雰囲気中、温度：５５０〜７００℃に１時間保持の条件
、 鍛造はメタン変成ガス雰囲気中、温度：　１０００〜１
１００℃の条件でそれぞれ実施し、さらに必要に応じて
温度：５５０〜７５０℃に１時間保持の条件で熱処理を
施すのが望ましい。

〔実　施　例〕

つぎに、この発明を実施例に基づいて具体的に説明する
。

原料粉末として、いずれも粒度ニー１００メツシユ以下
のＦｅ粉末、Ｆｅ−Ｃｒ系粉末（Ｆｅ１％Ｃｒ−０，３
％Ｍｏ）、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｂ系粉末（Ｆｅ−１３９６Ｃ
ｒ−５％Ｎｂ）、Ｎｉ粉末、ＣＯ粉末、ＭＯ粉末および
天然黒鉛粉末を用意し、また、いずれも粒度ニー１００
メツシユ以下で第１表に示される成分組成の硬質粒子Ａ
用原料粉末および硬質粒子Ｂ用原料粉末を用意し、さら
に、固体潤滑剤として、いずれも粒度：１００メツシユ
以下の、Ｃａ　Ｆ　２粉末、ＭｎＳ粉末を用意し、これ
ら原料粉末、硬質粒子Ａ用原料粉末、硬質粒子Ｂ用原料
粉末および固体潤滑剤をそれぞれ配合し、混合した後、
６〜６．５Ｔｏｎ／ｃ−の圧力で圧粉体にプレス成型し
、この圧粉体を５００℃に３０分間保持の条件で脱油ま
たは圧粉体をアンモニア分解ガス中で温度＝８００℃１
時間保持の条件で仮焼結を行なった後、６〜７Ｔｏｎ／
ｃｄの圧力で再加圧し、密度上昇を行った後、さらにア
ンモニア分解ガス中で温度：　１２００℃、１時間保持
の条件で焼結を行い、この焼結体をメタン変成ガス中、
温度１０５０℃で鍛造し、さらに大気中温度：６２０℃
、１時間保持の条件で焼戻しを行い、外径＋　３４ｍ１
１、内径：　２７ｍｍ、厚さ・７．２ｍｍの寸法をもっ
た本発明Ｆｅ基焼結合金製バルブンート（以下、本発明
バルブシートという）１〜３２および比較Ｆｃ基焼結合
金製バルブシート（以下、比較バルブシートという）１
〜２２を製造した。

なお、上記本発明バルブシー）２３．２４および比較バ
ルブシート２０．２２は、メタン変成ガス雰囲気中、温
度：　１１１０℃、２０分間保持の条件てＣｕ溶浸を行
い、さらに大気中、温度二６２０℃、１時間保持の条件
で焼戻しすることにより製造し、さらに、本発明バルブ
シート２５．２６および比較バルブシト２１は、窒素ガ
ス雰囲気中、温度二６５０℃、１時間保持の条件でＰｂ
溶浸を行うことにより製造したものである。

このようにして得られた各種バルブシートについて、下
記の条件で耐摩耗試験を行い、上記各種バルブシートの
最大摩耗深さを測定して耐摩耗性を評価し、さらにバル
ブの最大摩耗深さを測定してバルブ攻撃性を評価し、こ
れらの結果を第１表に示した。

耐摩耗試験条件 バルブ材質：５ＵＨ−３６、 バルブ加熱温度：９００℃、 バルブ着座回数７３０００回／＋ｇ１ｎ、、雰囲気：　
０．４ｋｇ／ｃ−９プロパンガスと流量１．５ｊ！／ｓ
ｉｎ、の酸素ガスによる燃焼ガス、バルブシート加熱温
度（水冷）：２５０〜３００℃、着座荷重：　３０ｋｇ
。

試験時間：１００時間、 〔発明の効果〕 第１表に示される結果から、本発明バルブシートは、摩
耗が少なく、バルブ攻撃性および全沈み量も低い値を示
しているに対し、比較バルブシートに見られるように、
この発明の条件から外れると上記特性のうちいずれかの
特性が劣ることが明らかであり、また従来バルブシート
よりも摩耗量および全沈み量が小さいことがわかる。

なお、この実施例では、焼結体を熱間鍛造して得られた
Ｆｅ基燻焼結合金製バルブシートついて示したが、この
発明は、上記焼結体を熱間鍛造して得られたＦｅ基燻焼
結合金製バルブシート限定されるものではなく、一般焼
結体のＦＱ基焼結合金製バルブシートおよび冷間鍛造し
て得られたＦｅ基燻焼結合金製バルブシート含まれる。

上述のように、この発明のＦｅ基焼結合金バルブシート
は、優れた耐摩耗性と低いバルブ攻撃性を有しており、
高出力内燃機関のバルブシートとして長期にわたって著
しく優れた性能を発、揮する。

出 願 人 ：　三菱金属株式会社 代 理 人 品 田 和 夫 外１名

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃｒ：１〜３％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｎｉ：０
   ．５〜３％、Ｃｏ：２〜８％、 Ｃ：０．６〜１．５％、Ｎｂ：０．２〜１％、を含有し
   、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成並びにパ
   ーライト相およびベーナイト相を主体とした組織からな
   るＦｅ基合金素地に、Ｃｒ：２５〜４５％、Ｗ：２０〜
   ３０％、 Ｃｏ：２０〜３０％、Ｃ：１〜３％、 Ｓｉ：０．２〜２％、Ｎｂ：０．２〜２％、を含有し、
   残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有する硬
   質粒子Ａと、 Ｃｏ：５５〜６５％、Ｃｒ：２５〜３２％、Ｍｏ：７〜
   １０％、Ｓｉ：１．５〜３．５％、を含有し、残りがＦ
   ｅおよび不可避不純物からなる組成を有する硬質粒子Ｂ
   とを、 硬質粒子Ａと硬質粒子Ｂの合計が１０〜２５％、ＣａＦ
   ＿２、ＭｎＳのうち１種または２種：０．２〜５％、 （以上重量％）となるように分散した組織を有するＦｅ
   基焼結合金基体からなることを特徴とする耐摩耗性に優
   れたＦｅ基焼結合金製バルブシート。
2. （２）請求項１記載のＦｅ基焼結合金基体に、５〜２０
   重量％のＣｕを溶浸してなる銅含浸Ｆｅ基焼結合金から
   構成してなることを特徴とする耐摩耗性に優れたＦｅ基
   焼結合金製バルブシート。
3. （３）請求項１記載のＦｅ基焼結合金基体に、５〜２０
   重量％のＰｂを溶浸してなる鉛含浸Ｆｅ基焼結合金から
   構成してなることを特徴とする耐摩耗性に優れたＦｅ基
   焼結合金製バルブシート。