JPH05202451A

JPH05202451A - バルブシート用焼結合金

Info

Publication number: JPH05202451A
Application number: JP1324992A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Nishikawa; 雅敏西川
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: TPR Co Ltd
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1993-08-10
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: JP3186816B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ガスエンジン等の特殊燃料を使用するエンジ
ンに使用でき、かつ生産性および耐摩耗性の優れたバル
ブシートとなるバルブシート用焼結合金を提供する。【構成】炭素：０．６〜１．０ wt％クロム：１．６〜４．７ wt％鉄および不可避的不純物：残部からなる焼結合金スケルトンのマトリックス中に、硬度
ＨＶ５００〜９００の硬質粒子（Ａ）と、硬度ＨＶ１０
００以上の硬質粒子（Ｂ）と、ＣａＦ₂粒子とが、Ａ：２０〜３０ wt％Ｂ：１〜１０ wt％（Ａ＋Ｂ：３５ wt％未満）ＣａＦ₂：0.５〜７ wt％の割合で分散されており、かつ、前記スケルトンの空孔
に銅ないし銅合金が１０〜２０wt％溶浸されているよう
にバルブシート用焼結合金を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、往復動内燃機関（エン
ジン）のバルブシート、より詳しくは、焼結合金製のバ
ルブシートに関する。

【０００２】

【従来の技術】バルブシートはエンジンの吸気および排
気バルブと接触するように配置されて使用されるので、
過酷な熱的・機械的負荷が加わるために、高度の耐熱性
・耐摩耗性が要求されている。そこで、高硬度の高合金
粉末粒子をマトリックス中に分散させることによって、
耐摩耗性を高めた鉄系焼結合金のバルブシートが提案さ
れている（例えば、特公昭５０−１４６０３号公報での
モリブデン（Ｍｏ）粒子、特公昭５７−１９１８８号公
報でのＣ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｏ−Ｎｂ−Ｆｅ粒子など、さ
らにマトリックス中に二種類の硬質粒子を分散指せたも
のとして、特公昭５１−４４４８３号公報でのＣ−Ｃｒ
−Ｗ−Ｃｏ−ＦｅおよびＦｅ−Ｍｏ粒子、特公昭５１−
１３０９３号公報でのＣ−Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆｅ、Ｆｅ
−Ｍｏ粒子など）。これらの硬質粒子のうちで、Ｆｅ−
Ｍｏ、Ｃ−Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆｅは硬度が高く、Ｃ−Ｃ
ｒ−Ｎｉ−Ｍｏ−Ｎｂ−Ｆｅは中程度の硬度であるとい
う特徴を有していた。その他ＮｉやＣｒをマトリックス
に添加して、マトリックス自体の強度、耐熱性を向上さ
せることも行われている。

【０００３】一般的に、エンジンの運転中にバルブシー
トに発生する酸化膜は、バルブとの間に介在して、バル
ブシートとバルブとの金属間接触を防止して、凝着摩耗
や焼付を防止する作用がある。しかしながら、ガスエン
ジン（例えば、コージェネレータ用）や水素エンジン等
の特殊な燃料のエンジンの場合に、燃焼が完全燃焼に近
いため、バルブシートに酸化膜がほとんど形成されな
い。このような特殊燃料の使用と過酷な負荷条件下で
は、上述したバルブシート材料を採用することができな
い。そこで、このようなエンジンに使用するバルブシー
トは、例えば、鉛合金を溶浸した焼結材料やＣａＦ₂を
添加した焼結材料（特開平３−２２５００８号公報参
照）が採用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】鉛溶浸の焼結材料で
は、素材焼結後に鉛浴等を用いて再度加熱して溶浸する
必要があって、生産性が劣り、さらに、鉛溶浸時に蒸発
する鉛が溶浸炉の耐久性を低下させたり、作業環境を悪
化させる。また、特開平３−２２５００８号公報のＣａ
Ｆ₂添加焼結材料では、焼結後に鍛造を施し、再度焼結
するので生産性が一層劣る。

【０００５】本発明の目的は、ガスエンジン等の特殊燃
料を使用するエンジンに使用でき、かつ生産性および耐
摩耗性の優れたバルブシートとなるバルブシート用焼結
合金を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的が、下記組
成：炭素：０．６〜１．０ wt％クロム：１．６〜４．７ wt％鉄および不可避的不純物：残部からなる焼結合金スケルトンのマトリックス中に、硬度
ＨＶ５００〜９００の硬質粒子（Ａ）と、硬度ＨＶ１０
００以上の硬質粒子（Ｂ）と、ＣａＦ₂粒子とが、Ａ：２０〜３０ wt％Ｂ：１〜１０ wt％（Ａ＋Ｂ：３５ wt％未満）ＣａＦ₂：0.５〜７ wt％の割合で分散されており、かつ、前記スケルトンの空孔
に銅ないし銅合金が１０〜２０wt％溶浸されていること
を特徴とするバルブシート用焼結合金によって達成され
る。

【０００７】そして、硬質粒子（Ａ）が下記組成：炭素：１〜４ wt％クロム：１０〜３０ wt％ニッケル：２〜１５ wt％モリブデン：１０〜３０ wt％コバルト：２０〜４０ wt％ニオブ：１〜５ wt％鉄および不可避的不純物：残部の合金粉末粒子であり、および硬質粒子（Ｂ）がフェロ
モリブデン粒子であることが好ましい。

【０００８】スケルトンのマトリックスが金型用合金工
具鋼、特に、ＳＫＤ１１（ＪＩＳＧ４４０４）で強化
されていることが望ましい。さらに、スケルトンのマト
リックスが焼戻しマルテンサイト組織を有することも好
ましい。

【０００９】

【作用】本発明では、ＣａＦ₂粒子を固体潤滑剤として
用いて、金属接触による凝着摩耗を抑制し、焼結合金の
マトリックス中に分散させる硬度の異なる２種類の硬質
粒子とその割合との最適化およびマトリックスの強化を
図ることにより、バルブシート（焼結合金）自身の摩耗
が少なく、かつ摺接相手材のバルブを摩耗させることが
少ないようにしている。そして、２種類の硬質粒子とマ
トリックスからなる焼結スケルトンだけでは、強度が十
分でないので、これを補償するために銅ないし銅合金の
溶浸を行っている。さらに、金型用合金工具鋼（ＳＫＤ
１１）粒子を添加してマトリックスの耐熱性を向上させ
ている。

【００１０】マトリックスの組成について、炭素（Ｃ）
はマトリックスを強化し、急冷によるマルテンサイト組
織を与える。このＣ量が、0.６wt％未満では、十分なマ
ルテンサイト組織が得られず、一方、1.０wt％を越える
とセメンタイトが析出し脆化し、残留オーステナイトが
出て焼入性が低下する。クロム（Ｃｒ）はマトリックス
に固溶してその高温強度を高め、硬質粒子の脱落あるい
はマトリックスへの沈み込みを防止する。このＣｒ量
が、1.６wt％未満では、これらの効果が乏しく、一方、
4.７wt％を越えると、添加の割に高温強度の改善がそれ
以上にはない。

【００１１】マトリックス中に分散する２種類の硬質粒
子（Ａ）および（Ｂ）は、マトリックスの耐摩耗性を高
めるものであり、硬度ＨＶ５００〜９００の硬質粒子
（Ａ）のみでは、マトリックスの摩耗が大きくなり、他
方、硬度ＨＶ１０００以上の硬質粒子（Ｂ）のみでは相
手材バルブの摩耗が大きくなってしまうので、これら２
種類の硬質粒子を併用する。

【００１２】硬質粒子（Ａ）の割合が、２０wt％では十
分な耐摩耗性が得られず、３０wt％を越えると該硬質粒
子とマトリックスとの結合力が低下し、粉末成形時にク
ラックが入りやすくなって成形が難しくなり、成形用金
型の寿命が短くなり、かつ焼結時の寸法変化（収縮）が
大きいものとなる。そして、硬質粒子（Ｂ）の割合が、
１wt％未満では添加の効果がなく、１０wt％を越えると
粉末成形時にクラックが入りやすくなって成形が難しく
なり、成形用金型の寿命が短くなり、かつ相手材のバル
ブフェース部の摩耗が大きくなってしまう。さらに、こ
れら２種類の硬質粒子（Ａ＋Ｂ）の合計割合が、３５wt
％を越えると粉末の流動性が悪化し粉末成形が難しくな
り、かつ製造時の重量のばらつきが大きくなる。

【００１３】ＣａＦ₂粒子は、高温で安定な固体潤滑剤
であり、バルブシートとバルブとの金属間接触を防止し
て凝着摩耗を抑制する作用があり、０．５wt％未満では
摩耗量を低減させる効果が乏しく、７wt％を越えるとバ
ルブシートの強度低下を招き、かつ摩耗量が増加するよ
うになる。

【００１４】金型用合金工具鋼（ＳＫＤ１１）粒子はマ
トリックスの耐熱性を高める効果があり、その為に添加
され、５wt％未満ではその効果が乏しく、１５wt％を越
えると圧粉成形体にクラック（亀裂）が入り易くなり、
かつ高温強度の増加も飽和する。

【００１５】上述した要件を満たした焼結体はそのスケ
ルトンに空孔があり、この空孔をその空孔量に依存して
１０〜２０wt％の溶浸量にて銅ないし銅合金で満たすな
らば、焼結体の強度および熱伝導性を高めることによ
り、耐摩耗性・耐熱性を高めることができる。２０wt％
を越えると、高温強度、クリープ強度が低下する。硬質
粒子（Ａ）は、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｍｏ、Ｆｅ−Ｎｂ、
Ｎｉ、Ｃｏ、黒鉛などの材料を下記の組成となるように
配合し、溶解し、鋳造して鋼塊とし、該鋼塊を機械的に
粉砕し、分級して１５０メッシュ以下の合金粉末とした
ものが好ましい。

【００１６】炭素：１〜４ wt％クロム：１０〜３０ wt％ニッケル：２〜１５ wt％モリブデン：１０〜３０ wt％コバルト：２０〜４０ wt％ニオブ：１〜５ wt％鉄および不可避的不純物：残部この合金粉末粒子はこの組成範囲内で該粒子の硬度（Ｈ
Ｖ５００〜９００）を含めた機械的特性を適宜調整でき
る。なお、この合金粉末は本出願人が特公昭５７−１９
１８８号公報にて提案したものである。

【００１７】そして、硬質粒子（Ｂ）は、２００メッシ
ュ以下の低炭素フェロモリブデン粒子（粉末）であるこ
とが好ましいが、硬度ＨＶ１０００以上に硬い粒子であ
れば、タングステン（Ｗ）を含む高合金（Ｃ−Ｃｒ−Ｗ
−Ｃｏ系合金やＣ−Ｃｒ−Ｗ−Ｆｅ系合金）の硬質粒子
などであってもよい。

【００１８】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明の実施態
様例および比較例によって本発明を詳細に説明する。実
施例および比較例の焼結合金を製造するのに使用する原
料粉末を用意する。硬質粒子（Ａ）としては、Ｆｅ−Ｃ
ｒ、Ｆｅ−Ｍｏ、Ｆｅ−Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｏおよび黒鉛を
下記記載の組成となるように配合し、溶解し、鋳造して
鋼塊とし、該鋼塊を機械的に粉砕し、分級して１５０メ
ッシュ以下の合金粉末とする。炭素：２ wt％クロム：２０ wt％ニッケル：８ wt％モリブデン：２０ wt％コバルト：３２ wt％ニオブ：２ wt％鉄および不可避的不純物：残部このようにして、硬度ＨＶ６００〜８００、最大粒径１
００μｍ、平均粒径５０μｍの硬質粒子（Ａ）を用意す
る。

【００１９】硬質粒子（Ｂ）としては、硬度ＨＶ１３０
０、最大粒径７５μｍ、平均粒径３０μｍの低炭素フェ
ロモリブデン粉末を用意する。ＣａＦ₂粒子としては、
最大粒径１５０μｍ、平均粒径４５μｍの粉末を用意す
る。

【００２０】鉄系焼結合金（スケルトン）のマトリック
スを構成する材料として、ＳＫＤ１１鋼粉、Ｆｅ−３％
Ｃｒ、ＦｅおよびＣの粉末を用意する。ＳＫＤ１１鋼粉
は、最大粒径１６０μｍ、平均粒径６０μｍのものであ
る。

【００２１】これらの原料粉末を表１に示すように所定
割合で用意し、ステアリン酸亜鉛を１wt％添加して混合
し、成型圧力５トン／cm²で圧縮成型して圧粉成形体
（密度：6.３〜6.９ｇ／cm³、リング形状）を形成す
る。この成形体の上部に所定量の溶浸用銅合金（例え
ば、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｍｎ系合金）を配置して、アンモニア
分解ガス雰囲気中で、１１２０℃の温度にて３０分間焼
結を行う。この焼結と同時に溶浸も行われ、成形体密度
が6.８の場合に、可能な銅合金溶浸量は最大１７％にな
るが、スケルトン密度のばらつきもあって、焼結体中の
溶浸量は１０〜２０wt％の範囲にある。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１に示すように、試料No. １〜７が本発
明の実施例であり、試料No. ８〜１６が比較例である。
試料No. ８および９は銅溶浸量が本発明の限定範囲から
外れており、試料No. １０および１１はＣａＦ₂粒子量
が本発明の限定範囲よりも少ない場合であり、試料No.
１２〜１４はＳＤＫ１１粒子量が本発明の限定範囲より
も少ない場合であり（試料No. １３は硬質粒子Ａが少な
くかつ硬質粒子Ｂが多く場合であり、試料No. １４は硬
質粒子Ｂがない場合であり）、試料No. １５は硬質粒子
Ａが多くかつ硬質粒子Ｂがない場合であり、そして試料
No. １６はＣａＦ₂粒子量が本発明の限定範囲よりも多
い場合である。

【００２４】得られる焼結合金リング（バルブシート）
にサブゼロ処理を含む焼入・焼戻し処理を施して、マト
リックスが焼戻しマルテンサイト組織を有するようにす
る。この処理はバルブシートのシリンダヘッドからの脱
落を抑制防止することに寄与する。得られた焼結合金リ
ング（バルブシート）を図１に示すようなバルブシート
摩耗試験機に取り付けて下記条件で摩耗試験を行い、バ
ルブシートおよび相手材のバルブのフェース面の摩耗を
測定する。バルブシートの加熱をガスバーナにて行い、
その際に、バルブシートの表面に酸化膜が生じないよう
にガスバーナの燃焼状態を完全燃焼とする。

【００２５】試験条件：バルブ材料：耐熱鋼（ＳＵＨ３）バルブシート温度：３００℃ カムシャフト回転数：２０００rpm 試験時間：１０時間

【００２６】なお、バルブシート摩耗試験機は、図１に
示すように、枠１のシートホルダー２に嵌め込まれた焼
結合金リング（バルブシート）３に対して、バルブ４の
フェース面がスプリング５によって当接するようになっ
ている。バルブ４は、電動機６で回転するカムシャフト
７によってロッド８を介して上方へ持ち上げられ、スプ
リング５で戻され、このような往復運動で焼結合金リン
グ（バルブシート）３に当たる。そして、バルブ４をガ
スバーナー９にて加熱し、焼結合金リング（バルブシー
ト）３の温度を熱電対１０で測定している。バルブ４、
スプリング５、カムシャフト８、ロッド８などはエンジ
ン実機部品を用いている。

【００２７】得られた摩耗量測定値を表１に示す。これ
らの摩耗量結果から、本発明に係るバルブシート（試料
No. １〜７）では、バルブシート自身の摩耗量および相
手材バルブの摩耗量の両方とも比較例の場合よりも少な
いことが分かる。また、酸化膜の生成がなかったこと
が、試験後にバルブシート（試料）の摺動面および断面
組織を観察して確認した。

【００２８】図２は、ＣａＦ₂添加量とバルブシートお
よびバルブの摩耗量との関係を表１での試料No. １〜
５、１９、１１および１６の結果に基づいてグラフにし
たものであり、０．５〜７wt％の添加量が好適であるこ
とが分かる。

【００２９】なお、本発明に係るバルブシートを、特公
昭５６−４４１２３号公報にて提案されたような異なる
組成の基層と当接層とからなる２層複合焼結バルブシー
トでの当接層に使用することもできる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る焼結
合金バルブシートでは、固体潤滑剤のＣａＦ₂添加、２
種類の硬質粒子の組合せ、マトリックスの強化、合金工
具鋼添加の耐熱性向上およびスケルトンの溶浸強化によ
って、酸化膜の生じない特殊燃料での過酷な負荷条件に
おいてもバルブシート自身の耐摩耗性が優れかつ相手材
のバルブの摩耗をあまり招かない。また、従来の焼結合
金バルブシート製造方法に準じて本発明に係るバルブシ
ートを容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】バルブシート摩耗機の概略部分断面図である。

【図２】ＣａＦ₂添加量とバルブシートおよびバルブの
摩耗量との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１…枠２…シートホルダー３…バルブシート（焼結合金リング）４…バルブ５…スプリング７…カムシャフト８…ロッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０１Ｌ 3/02 7114−3Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素：０．６〜１．０ wt％クロム：１．６〜４．７ wt％鉄および不可避的不純物：残部からなる焼結合金スケルトンのマトリックス中に、硬度
ＨＶ５００〜９００の硬質粒子（Ａ）と、硬度ＨＶ１０
００以上の硬質粒子（Ｂ）と、ＣａＦ₂粒子が、Ａ：２０〜３０ wt％Ｂ：１〜１０ wt％（Ａ＋Ｂ：３５ wt％未満）ＣａＦ₂：0.５〜７ wt％の割合で分散されており、かつ、前記スケルトンの空孔
に銅ないし銅合金が１０〜２０wt％溶浸されていること
を特徴とするバルブシート用焼結合金。
【請求項２】前記硬質粒子（Ａ）が下記組成：炭素：１〜４ wt％クロム：１０〜３０ wt％ニッケル：２〜１５ wt％モリブデン：１０〜３０ wt％コバルト：２０〜４０ wt％ニオブ：１〜５ wt％鉄および不可避的不純物：残部の合金粉末粒子であり、および前記硬質粒子（Ｂ）がフ
ェロモリブデン粒子であることを特徴とする請求項１記
載の焼結合金。
【請求項３】前記焼結合金スケルトンのマトリックス
中に、金型用合金工具鋼粉が５〜１５wt％含まれている
ことを特徴とする請求項１記載の焼結合金。