JPH03226546A - 吸気用肉盛エンジンバルブ - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は内燃機関用エンジンバルブ、より詳しくはバル
ブフェース面に肉盛部を設けてフェース面の性能向上を
図った吸気用肉盛エンジンバルブに関する。

１従来の技術で エンジンバルブ用肉盛材料としＣ１吸気及び排気用のエ
ンジンバルブともにＣｏ基合金、Ｎ１基合金等を使用す
るのか主流である。ところが、これらＣｏ基合金、Ｎｉ
基合金はともに高価であるため、近年肉盛材料として安
価なＦｅ基合金の使用が検討されている。

この背景の一つとして、肉盛用熱源の高密度エネルギー
化がある。すなわち、酸素−アセチレンガス炎による溶
融溶着法により肉盛することか従来の一般的な方法であ
ったか、この方法では肉盛できる材料かＣｏ基合金や一
部のＮｉ基合金等肉盛性の良好なものに限られていた。

一方、近年、レーザーやプラズマなど高密度エネルギー
熱源の出現により、材料の自由度が拡大し、肉盛性が比
較的良くないＦｅ基合金の肉盛も可能となってきた。

ところで、従来より知られている一般のＦｅ基合金とし
て、大別すると （１）　Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系合金（自動車技術ＶＯ１３２
、Ｎｏ、８．１９７８、第７５７頁）、（２）　Ｆｅ−
Ｃｒ−Ｃ−Ｎ　ｉ　（Ｃｏ）系合金（特開昭５８　１５
４４９２＠公報）、（３）Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ−Ｎ　＋　（
Ｃｏ）−Ｗ（Ｍ０）系合金（ＳＡＥ、Ｊ７７５、ＪＡＮ
８８、第２０頁） がある。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来のＦｅ基合金は、とくに高密度エネルキー熱源
により肉盛することを特定されたものではないか、一般
に以下に示す問題点がある。

すなわち、上記（１）の合金は最も安価であるが、バル
ブ肉盛用としての特性、すなわち靭性、耐食性、耐摩耗
性等が充分とはいえない。

上記（２）の合金はＮｉ及び／又はＣＯの添加により靭
性及び耐食性の向上か図られているか、耐摩耗性が不十
分でしかも高価である。

上記（３）の合金は（２）の合金にさらにＷ及び／又は
Ｍｏの添加により耐摩耗性の向上も図られているが、高
価である。なお、Ｎｉ及び／又はＣＯは、Ｗ及び／又は
Ｍｏの添加による靭性の低下を抑える動きもある。

ところで、バルブフェース面では、一般に耐食性、耐摩
耗性、疲労強度等の性能が要求される。

そして、吸気用バルブのフェース面ではとくに耐摩耗性
が、また排気用バルブのフェース面ではとくに高温にお
ける疲労強度及び耐食性が要求される。

本発明は、安価で、かつ靭性及び耐摩耗性に優れ、耐食
性が極端には要求されない吸気用肉盛エンジンバルブを
提供することを解決すべき技術課題とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の吸気用肉盛エンジンバルブは、Ｃ：１゜１〜１
．９重量％（以下、％は重量％を示す）、Ｃｒ：２５〜
３３％、Ｍｏ：３〜８％、Ｓ＋：１゜５％以下、Ｆｅ及
び不可避不純物：残部からなりデントライト二次アーム
スペーシング値（ＤＡＳ値）が５μｍ以下である肉盛部
を、バルブフェース面にもつことを特徴とする。

上記成分の限定理由を以下に説明する。

（Ｃ） Ｃは、基質のＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ固溶体中に一部固溶して
基質の強化と硬さを高めるが、Ｃの大部分はＣｒ、Ｍｏ
を主体とする複炭化物を形成して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か１．１％以下ではその働きか少なく、１゜９％を越
えると、複炭化物が増え、過共晶となりＣｒ　、　Ｍｏ
の複炭化物が初晶として晶出するため、合金の靭性か低
下するので好ましくない。

以上の理由から、Ｃの添加量は１．１〜１．９％と限定
した。

（Ｃｒ） Ｃｒは、ＦｅＳＭｏ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、Ｃｒ、Ｍｏを主体とする複炭化物を形成する
。すなわち、Ｃｒは初晶固溶体として、耐酸化性、耐食
性、高温強度を高めるとともに、硼炭化物の形成をとお
して耐摩耗性を高める。

Ｃｒが２５％以下では上記作用が劣り、また３３％以上
添加しても上記作用の向上効果がなく、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２５〜３３％と限定し
た。

（Ｍｏ） Ｍｏは、基質の固溶体中に固溶して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、Ｃｒ、Ｍｏ複炭化物を形成して合金の高温硬さ、
及び′＃４摩耗性を向上させる働きを有する。

とくに、本発明においてはＭｏの添加により、共晶炭化
物の他に塊状のＭｏリッチ炭化物を形成し、これが耐摩
耗性の向上に著しく寄与することがわかった。

Ｍｏが３％以下では塊状炭化物が少なくて耐摩耗性の向
上が不十分であり、また８％以上では逆に塊状炭化物が
多すぎて靭性が低下するとともに肉盛性が悪くなる。ま
た、Ｍｏを８％以上とすると相手材への攻撃性が増大す
る問題もある。

以上の理由から、Ｍｏの添加量は３〜８％と限定した。

（Ｓ　ｉ　） ３ｉは、通常、脱酸剤として添加されるものであるか、
本発明にあっては、Ｓｌを１．５％以上添加すると合金
の靭性を低下させる。

以上の理由から、３ｉの添加量は１．５％以下に制限し
た。

本発明の吸気用肉盛エンジンバルブの肉盛部は、デンド
ライト二次アームスペーシング値（以下、ＤＡＳ値と称
する）が５μｍ以下である。このＤＡＳ値は、肉盛組織
の大きさ、すなわち粗い組織か、微細な組織かを示す尺
度であり、この値が小さいほど組織が微細であることを
示す。したがって、ＤＡＳ値が５μｍを越えると靭性が
低下する。

上記ＤＡＳ値は、レーザ、プラズマ等の高密度エネルギ
ー熱源で肉盛することにより低下させることができる。

ＤＡＳ値を５μｍ以下にするために、レーザ肉盛法を利
用する場合は、レーザ出力１．５〜４．５ｋＷ、溶接速
度５〜２０ｍｍ７７秒、粉末供給量５〜１５ｑ／分の溶
接条件で行うことが好ましい。またプラズマ肉盛法を利
用する場合は、溶接電流１００〜１３０Ａ、溶接速度５
〜２０ｍｍ／秒、粉末供給量５〜１５Ｑ／分の溶接条件
で行うことが好ましい。

［作用］ 本発明の吸気用肉盛エンジンバルブは、肉盛部の組成が
特定され、かつＤＡＳ値が５μｍ以下に制限されている
ので、靭性及び耐摩耗性に優れる。

すなわち、Ｃｒ及びＭｏとＣとの結合によりＣｒ、Ｍｏ
を主体とする副次化物が形成され、耐摩耗性が向上する
。また、Ｍｏは塊状のＭｏリッチ炭化物をも形成し、こ
れにより耐摩耗性が著しく向上する。ざらに、ＤＡＳＩ
の制限により肉盛組織が微細化されているので、靭性に
優れる。

［実施例］ 以下、本発明を実施例により説明する。

表に示す組成をもちＮｏ、１０及びＮｏ、２１を除く１
９種類の合金粉末を、ガスアトマイズ法によって得た。

各粉末の粒度を一２５０＃に調整し、表に示す肉盛法に
よって５ＵＨ３よりなるバルブ素形材（傘径φ３２ｍｍ
）のフェース面に肉盛部を形成して吸気用肉盛エンジン
バルブとした。

なお、レーザ肉盛法は、レーザ出力２．５ｋＷ。

溶接速度９．５ｍｍ／秒、粉末供給速度１０ｑ／分の溶
接条件で行った。またプラズマ肉盛法は、プラズマガス
流量１．２’ｌｌ／分ζ溶接電流１２ＯＡ、溶接速度９
．５ｍｍ／秒、粉末供給１１０ｐ／分の溶接条件で行っ
た。

上記エンジンバルブの肉盛部について、肉盛組織及び肉
盛性を調査した。この結果を表に示す。

なお、肉盛組織は村上試薬エツチングすることによりＤ
ＡＳ値を測定して評価した。また、肉盛性は母材との濡
れ性、ビード形状から評価した。

また、上記と同様の１９種類の合金粉末を５ＵＨ３より
なる板状母材の上に前記と同様に表中に示す肉盛法によ
り肉盛部を形成した後、試験ビスを加工した。

この試験ピースについてビッカース硬度計（荷重１０ｋ
ｇｆ）を用いた常温硬さ試験、ビッカース硬度計（荷重
１ｋｇｆ）を用いた高温（６００℃）硬さ試験、及びシ
ャルピー衝撃試験を行った。

その結果を表に示す。なお、シャルピー衝撃試験はノツ
チなし試験片を用いることにより行った。

さらに、表に示す組成をもつＮｏ、１０．及びＮｏ、２
１の合金については、電気炉でアルゴンガス雰囲気溶解
し、ガラス管（φ４．８ｍｍ＞に吸引鋳造して肉盛部を
形成した。この肉盛部を酸素−アセチレンカス炎肉盛法
によって前記と同様のバルブ素形材のフェース面に肉盛
して吸気用肉盛エンジンバルブとした。

上記エンジンバルブの肉盛部について、前記と同様に肉
盛組織及び肉盛性を調査した。この結果を表に示す。

また、Ｎｏ、１０．及びＮｏ、２１の合金粉末を５ＵＨ
３よりなる板状母材の上に酸素−アセチレンガス炎肉盛
法により肉盛した債、試験ピースを加工した。

この試験ピースについてビッカース硬度計（荷重１０ｋ
ｑｆ）を用いた常温硬さ試験、ビッカース硬度計（荷重
１ｋｇｆ）を用いた高温（６００℃）硬さ試験、シャル
ピー衝撃試験を前記と同様に行った。その結果を表【こ
示す。

ざらに、ＮＯ，１、Ｎｏ、１７〜Ｎｏ、２０の合金より
なる肉盛部をもつエンジンバルブ、及び別途作製した肉
盛のない５ｔＪＨ３合金バルブについて、弁座試験機に
より耐摩耗性を評価した。なお、この弁座試験は、相手
バルブシート材料として鉄系焼結バルブシート材料を用
い、２７０’Ｃ及び５６０’Ｃの各試験温度、試験時間
８時間、５ｋｑｆの荷重、叩き回数２１５８回／分の条
件で行った。この結果を第１図に示す。

（評価〉 以下、それぞれの評価結果について検討する。

本発明に係るＮ０９１〜Ｎｏ、９の合金よりなる肉盛部
をもつバルブフェースは、高密度エネルギー熱源を利用
して肉盛部を形成しているため、ＤＡＳ値が２．２〜３
．８μｍと小さい。このため、Ｆｅ基合金を使用してい
るのにもかかわらず、シャルピー衝撃値が０．６ｋｑｆ
ｍ／ｃｍ２以上あり、靭性に優れる。これは、Ｇｏを含
む従来合金（ＮＯ９２１）を酸素−アセチレンカス炎肉
盛法により肉盛した従来のバルブフェースと同等以上の
性能である。

また、本発明に係るＮｏ、１〜Ｎｏ、９の合金よりなる
肉盛部をもつバルブフェースは、高密度エネルギー熱源
を利用して肉盛部を形成しているため、Ｆｅ基合金を使
用しているのにもかかわらず、肉盛性か良好である。

さらに、第１図に示す結果から明らかなように、本発明
に係るＮ０１１の合金よりなる肉盛部をもつバルブフェ
ースは、Ｃｏを含む従来合金（Ｎｏ。

２０＞よりなる肉盛部をもつバルブフェースと同程度に
優れた耐摩耗性を示す。これは、Ｎｏ、１合金の肉盛部
の金属組織を示す顕微鏡写真を第２図に示すように、本
発明に係る合金よりなる肉盛部は、初晶（図中、白く見
える部分）と共晶のブトライト組織であるか、共晶内に
塊状のＭｏリッチ炭化物か存在している。この塊状Ｍｏ
リッチ炭化物（図中、大きく黒く見える部分）が耐摩耗
性の向上に著しく寄与したものと思われる。

一方、比較に係る合金よりなる肉盛部をもつバルブフェ
ースは、以下のとおり欠点をもつ。

Ｎｏ、１０合金は、Ｎｏ、１合金と同じ組成をもつが、
酸素−アセチレンカス炎肉盛法により肉盛されているた
め、肉盛性が悪い。またＤＡＳ値も大きく、靭性に劣る
。

Ｎｏ、１１合金は、Ｏｒ含有量が過少であるため、耐酸
化性に劣る。

Ｎｏ、１２合金は、Ｍｏ含有量が過少であるため、耐摩
耗性に劣る。

Ｎｏ、１３合金は、ＭｏＣ含有量過多であるため、肉盛
性が悪い。

Ｎｏ、１４合金は、Ｃ含有量が過少であるため、耐摩耗
性に劣る。

Ｎｏ、１５合金は、Ｃ含有量が過多であるため、肉盛性
が悪く、また靭性に劣る。

Ｎｏ、１６合金は、３ｉ含有量か過多であるため、靭性
に劣る。

Ｎｏ、１７合金は、Ｍｏか含有されていないので、耐摩
耗性に劣る。

Ｎｏ、１８合金も、Ｍｏが含有されていないので、耐摩
耗性に劣る。

Ｎｏ、１９〜Ｎｏ、２１合金はＮｉ、Ｃｏ、Ｗ等を含有
しているため、高価である。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の吸気用肉盛エンジンバル
ブは、肉盛部の肉盛性、靭性、及び耐摩耗性が良好で、
しかも安価である。

【図面の簡単な説明】

第１図は弁座試験機によるバルブフェース摩耗量の測定
結果を示すグラフ、第２図は本発明に係るバルブフェー
スの肉盛部の金属組織を示す顕微鏡写真である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃ：１．１〜１．９重量％、Ｃｒ：２５〜３３重
   量％、Ｍｏ：３〜８重量％、Ｓｉ：１．５重量％以下、
   Ｆｅ及び不可避不純物：残部からなりデンドライト二次
   アームスペーシング値（ＤＡＳ値）が５μｍ以下である
   肉盛部を、バルブフェース面にもつ吸気用肉盛エンジン
   バルブ。