JPH0555592B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、バルブシート用鉄系焼結合金に関
し、詳しくは、オーステナイト組織、パーライト
組織、フエライト組織の混合組織からなるFe−
Ｃ−Co−Ni系基地組織中に、Mo−Fe合金相か
らなる微細硬質粒子を均一に分散させ、さらに、
必要に応じてPb合金もしくはCu合金の溶浸合金
による溶浸処理を併用することによつて、バルブ
シートとして自身の耐摩耗性に優れ、しかも、摺
動する相手材であるエンジンバルブに対する損傷
性の少ないバルブシート用鉄系焼結合金にかか
る。 〔従来技術〕 最近、自動車用エンジンにおいて、高出力・高
回転化、排出ガス浄化対策、或いは、燃費向上対
策等に対する改善要求が一段と高まつている。 このため、自動車用エンジンにおけるエンジン
バルブ、バルブシートに対しては、従来にも増し
て厳しい使用環境条件に耐えることが不可避とな
つてきている。 即ち、エンジンバルブ、バルブシート等におい
ては、それ自身の耐摩耗性の改善とともに、摺動
する相手材に対する損傷性を少なくし、しかも、
低コストとすることが強く望まれている。 しかし、従来のバルブシート用焼結合金として
は、鉄系合金にフエロモリブデン等の金属間化合
物や複合炭化物を添加したものが、優れたバルブ
シート用焼結合金として採用されているものの、
このような焼結合金では上述のような最近の厳し
い要求特性に対し、十分な耐久性を確保すること
ができないという問題点があつた。 とりわけ、従来のエンジンバルブは耐摩耗性を
改善するために、ステライト合金等の盛金処理を
したものが多かつた。 しかし、最近におけるコスト低減の要求からエ
ンジンバルブに対する盛金処理を廃止する試みが
なされているものの、バルブシートを従来の材質
のままとしてエンジンバルブの盛金処理を廃止す
ると、エンジンバルブの摩耗が増大するという問
題点があつた。 このような背景のもとで、摺動する相手材であ
るエンジンバルブに対する損傷性が少なく、自身
の耐摩耗性をも確保することのできるバルブシー
ト材料の開発が強く望まれているものの、従来の
バルブシート材料では上述のような要求に対して
充分に対応することができないという問題点があ
つた。 そこで、発明者らは上述のような従来のバルブ
シートの耐久性の現状に鑑みて、パーライト組織
を主体とするFe−Ｃ系基地組織中に特定組成の
硬質粒子を均一に分散させることによつて、バル
ブシートとして自身の耐摩耗性に優れ、しかも、
摺動する相手材であるエンジンバルブに対する損
傷性の少ないバルブシート用鉄系焼結合金を既に
提案している（発明の名称；「バルブシート用鉄
系焼結合金」、出願人；トヨタ自動車(株)、出願
日；昭和59年４月19日）。 また、別の発明として上記発明のバルブシート
用鉄系焼結合金に対して、Pb合金もしくはCu合
金等の溶浸合金による溶浸処理を併用することに
より、さらに、優れた耐摩耗性としたバルブシー
ト用鉄系焼結合金も提案している（発明の名称；
「バルブシート用鉄系焼結合金」、出願人；トヨタ
自動車(株)、出願日；昭和59年５月28日）。 さらに、別の発明として、オーステナイト組織
とパーライト組織の混合組織からなるFe−Ｃ−
Co−Ni系基地組織中に、特定組成の硬質粒子を
均一に分散させるとともに、必要に応じてPb合
金もしくはCu合金の溶浸合金による溶浸処理を
併用することによつて、さらに、優れた耐摩耗性
としたバルブシート用鉄系焼結合金も提案してい
る（発明の名称；「バルブシート用鉄系焼結合
金」、出願人；トヨタ自動車(株)、出願日；昭和59
年５月28日）。 〔発明の目的〕 本発明は、上述のような従来技術の問題点を解
決するためになされたもので、オーステナイト組
織、パーライト組織、フエライト組織の混合組織
からなるFe−Ｃ−Co−Ni系基地組織中に、Mo
−Fe合金相からなる微細硬質粒子を均一に分散
させ、さらに、必要に応じてPb合金もしくはCu
合金の溶浸合金による溶浸処理を併用することに
よつて、バルブシートとして自身の耐摩耗性に優
れ、しかも、摺動する相手材であるエンジンバル
ブに対する損傷性を少なくすることができ、しか
も、低コストにて製造することのできるバルブシ
ート用鉄系焼結合金を提供することを目的として
いる。 〔発明の構成〕 このような目的は、本発明によれば、重量比率
で、Ｃ；0.2〜0.5％、Mo；3.0〜10.0％、Co；3.0
〜15.0％、Ni；3.0〜15.0％、残部実質的にFeか
らなり、パーライト組織、オーステナイト組織、
フエライト組織の混合組織からなるFe−Ｃ−Co
−Ni系基地組織中に、平均粒径；３〜30μ、硬
さ；Hv600〜1300のMo−Fe合金相からなる微細
硬質粒子を均一に分散させてなるバルブシート用
鉄系焼結合金であつて、この焼結合金は、体積比
率で５〜20％の微細パーライト組織、20〜50％の
Co、Ni含有量の多いオーステナイト組織、５〜
20％のフエライト組織、残部が前記Mo−Fe合金
相及び、気孔からなることを特徴とするバルブシ
ート用鉄系焼結合金。及び、重量比率で、Ｃ；
0.2〜0.5％、Mo；3.0〜15.0％、Co；3.0〜15.0％、
Ni；3.0〜15.0％、Pb合金もしくはCu合金の溶浸
合金；10〜25％、残部実質的にFeからなり、パ
ーライト組織、オーステナイト組織、フエライト
組織の混合組織からなるFe−Ｃ−Co−Ni系基地
組織中に、平均粒径；３〜30μ、硬さ；Hv600〜
1300のMo−Fe合金相からなる微細硬質粒子を均
一に分散させてなるバルブシート用鉄系焼結合金
であつて、この焼結合金は、体積比率で５〜20％
の微細パーライト組織、20〜50％のCo、Ni含有
量の多いオーステナイト組織、５〜20％のフエラ
イト組織、残部が前記Mo−Fe合金相、前記Pb合
金もしくはCu合金の溶浸合金、及び、気孔から
なることを特徴とするバルブシート用鉄系焼結合
金によつて達成される。 〔発明の作用〕 以下、本発明の作用について説明する。 なお、以下の説明において、合金元素の含有量
は全て重量比率（％）にて説明する。 本発明材において、Ｃは基地組織のFeに固溶
して微細なパーライト組織を形成するとともに、
本発明材の硬さを上昇させ耐摩耗性を改善するこ
とから有効であるが、0.2％未満ではその耐摩耗
性の改善効果が充分でなく、また、0.5％を越え
ると軟質のフエライト組織量が減少して、摺動す
る相手材であるエンジンバルブに対する損傷性を
増大するばかりでなく、サブゼロ処理により寸法
変化を惹起しやすいことから、0.2〜0.5％とし
た。 また、Co及びNiは、共に基地組織に固溶して
耐摩耗性を改善するので有効であるが、3.0％未
満ではその耐摩耗性の改善効果が充分でなく、
15.0％を越えるとその添加量に見合つた耐摩耗性
改善効果の向上が期待できないことから、3.0〜
15.0％とした。 本発明材におけるMoは、基地組織中に固溶拡
散させることなく、平均粒径；３〜30μ、硬さ；
Hv600〜1300の、Mo中にFeが拡散されたMo−
Fe合金（Mo＋ε）相からなる微細硬質粒子とし
て均一に分散させるために重要である。 そして、このMo−Fe合金（Mo＋ε）相は、
高温においても殆ど硬さが低下することなく優れ
た耐摩耗性を有している。 上述の理由から、Moは本発明材において耐摩
耗性を改善するための重要な合金元素であるが、
3.0％未満では上記Mo−Fe合金（Mo＋ε）相か
らなる微細硬質粒子の形成が少ないことから耐摩
耗性の改善効果が充分でなく、10.0％を越えると
摺動する相手材（エンジンバルブ）に対する損傷
性が増大することから、3.0〜10.0％とした。 次に、本発明材において、基地組織中に分散さ
せるMo−Fe合金（Mo＋ε）相からなる微細硬
質粒子において、平均粒径を３〜30μ、硬さを
Hv600〜1300に限定した理由について説明する。 即ち、Mo−Fe合金（Mo＋ε）相からなる微
細硬質粒子の平均粒径が3μ未満、硬さがHv600未
満では耐摩耗性が充分でなく、また、平均粒径が
30μ、硬さがHv1300を越えると、摺動する相手材
（エンジンバルブ）に対する損傷性を急速に増大
させることから、平均粒径；３〜30μ、硬さ；
Hv600〜1300とするのがよい。 次に、Pb合金もしくはCu合金の溶浸合金は、
焼結処理された焼結合金に溶浸されて、その潤滑
作用により耐摩耗性を向上するとともに、封孔作
用によつて被削性をも改善することができること
から有効であるが、10％未満では上述の改善効果
が充分でなく、25％を越えると強度低下が著しい
ことから10〜25％とした。 なお、溶浸合金としてCu合金を使用する場合
においては、Pb；20〜40％、残部Cuからなる、
いわゆる、ケルメツト合金とするのが望ましい。 また、フエライト組織量を体積比率で５〜20％
としたのは、５％未満では軟質のフエライト組織
による摺動する相手材に対する損傷性の緩和効果
が充分でなく、20％を越えると焼結合金が軟化し
すぎて耐摩耗性が低下することから、５〜20％と
した。 次に、本発明材の基地組織においては、微細パ
ーライト組織量が５％未満、もしくは、オーステ
ナイト組織量が20％未満では、基地組織が軟化し
すぎて耐摩耗性が低下し、また、微細パーライト
組織量が20％、オーステナイト組織量が50％を越
えると、基地組織が強化されすぎて摺動する相手
材（エンジンバルブ）に対する損傷性が増大する
ことから、それぞれ５〜20％、20〜50％とした。 従つて、本発明材は、体積比率で５〜20％の微
細パーライト組織、20〜50％のオーステナイト組
織、５〜20％のフエライト組織の基地組織を形成
する混合組織と、残部をMo−Fe合金相と気孔、
或いはMo−Fe合金相、Pb合金もしくはCu合金
の溶浸合金、及び気孔とから構成される。 また、焼結合金中の気孔率を体積比率で８〜20
％、平均気孔径を４〜24μとしたのは、気孔率が
８％未満、平均気孔径が4μ未満では、異物埋収
性が低下して異物が摺動面に残留しやすく、エン
ジンバルブ、バルブシートに対する摩耗量が共に
増大し、一方、気孔率が20％、平均気孔径が24μ
を越えると、バルブシートの強度が低下してバル
ブシートの異常摩耗・脱落を発生しやすいことか
ら、気孔率を８〜20％、平均気孔径を４〜24μと
した。 〔実施例〕 以下、添付表に基づいて、本発明の１実施例を
説明する。 この実施例に用いた試験片は、還元鉄粉をベー
スとして第１表に示す組成となるように、各合金
元素粉末を添加し、さらに、黒鉛粉末、ステアリ
ン酸亜鉛を添加して圧粉成形用混合合金粉末とし
た。 たとえば、本発明材においては、第１表の組
成となるように、還元鉄粉をベースとし、黒鉛粉
末を0.26％、Mo粉末を４％、Co粉末を５％、Ni
粉末を９％添加し、さらに、潤滑剤として一般的
に用いるステアリン酸亜鉛を0.8％添加して一般
的に用いるステアリン酸亜鉛を0.8％添加して圧
粉成形用混合合金粉末とした。 同様に、本発明材、、においても、第１
表に示す組成となるように、還元鉄粉をベースと
して、本発明材と同様に、Mo粉末、Co粉末、
Ni粉末、必要に応じてPb合金もしくはCu合金の
溶浸合金、黒鉛粉末、ステアリン酸亜鉛を添加し
て、圧粉成形用混合合金粉末とした。 また、比較材を、Ｃを0.2％未満（0.15％）
としたものである。 また、比較材は、Moを10.0％を越えて
（15.0％）添加したものである。 また、比較材は、Moを3.0％未満（２％）と
し、Coを15.0％を越えて（17％）添加するととも
に、溶浸合金としてのPb合金を20％を越える多
量（27％）としたものである。 このようにして生成された圧粉成形用混合粉末
を7ton／cm²で圧粉成形して、φ30mm×φ18mm、厚
さ；７mmのリング状圧粉成形体とした後、アンモ
ニヤ分解ガス中にて1100℃×１時間の焼結処理
後、本発明材、比較材においては溶浸処理を
実施せず、本発明材、及び比較材において
はPb合金により溶浸処理を実施、また、本発明
材及び比較材においてはケルメツト合金によ
り溶浸処理を実施して焼結合金を製造した。 このようにして製造した焼結合金の「基地組
織」、形成された「（Mo＋ε）合金相の硬さ
（Hv）及び粒径（μ）」、「気孔率（Vol％）及び
平均気孔径（μ）」、「硬さ（Hv）」、「密度（ｇ／
cm³）」を第２表に示す。 上述により焼結処理及び必要に応じて溶浸処理
された焼結合金を、機械加工によりバルブシート
形状に仕上げた。 そして、このようにして製造したバルブシート
を、４気筒、1600c.c.エンジンのアルミニウム合金
製シリンダヘツドにインテークトバルブシートと
して圧嵌合入し、エンジン台上耐久試験を実施し
た。 なお、エンジン台上耐久試験条件としては、ス
テライト盛金処理のないエンジンバルブを使用
し、燃料を無鉛ガソリンとして、6600rpm、全負
荷で連続200時間運転する条件とした。 このエンジン台上耐久試験結果は、試験終了後
における「バルブシートの当り面幅増加量」と
「エンジンバルブ摩耗量」を測定することによつ
て、バルブシートの耐久性を評価した。 そのエンジン台上耐久試験結果を第２表に併せ
て示している。 第２表から明らかなように、比較材は、組成
においてＣを0.2％未満（0.15％）としているた
め、Mo−Fe合金（Mo＋ε）相、パーライト組
織量が５％未満（３％）、フエライト組織量が20
％を越える多量（30％）となることから基地組織
が弱く、また、（Mo＋ε）相の硬さがHv600未満
（Hv500）、その平均粒径が3μ未満（1μ）となる
ことから、エンジン台上耐久試験におけるバルブ
シートの摩耗量が多くなつている。 また、比較材は、組成においてMoを10％を
越える多量（15％）としているため、Mo−Fe合
金（Mo＋ε）相の硬さがHv1300を越え
（Hv1500）、その平均粒径も30μを越える（40μ）
ことから、摺動する相手材（エンジンバルブ）に
対する損傷性が増大し、気孔率も20Vol％を越え
（23Vol％）、平均気孔径も24μを越える（26μ）こ
とから、エンジン台上耐久試験におけるバルブシ
ートの摩耗量が多くなつている。 また、比較材は、組成においてMoが3.0％未
満（２％）、Coが15.0％を越え（17％）、溶浸合金
としてのPb合金を25％を越える多量（27％）と
しているため、エンジン台上耐久試験におけるバ
ルブシートの摩耗量が大きく、さらに、オーステ
ナイト組織量が50％を越える多量（55％）となる
ことから、エンジンバルブの摩耗量も多くなつて
いる。 上記の比較材、、に対して、本発明材
、、、は、第２表に示すエンジン台上耐
久試験結果から明らかなように、いずれも、「バ
ルブシートの当り面増加量」は0.2mm以下、「エン
ジンバルブの摩耗量」も4μ以下と優れた耐久性
を示している。

【表】 ケルメツト合金である。

〔発明の効果〕

以上により明らかなように、第１の発明にかか
るバルブシート用鉄系焼結合金によれば、オース
テナイト組織とパーライト組織、フエライト組織
の混合組織からなるFe−Ｃ−Co−Ni系基地組織
中に、Mo−Fe合金相からなる微細硬質粒子を均
一に分散させることによつて、バルブシートとし
て自身の耐摩耗性に優れ、しかも、摺動する相手
材であるエンジンバルブに対する損傷性を少なく
することができ、しかも、低コストにて製造する
ことができる利点がある。 また、第２の発明にかかるバルブシート用鉄系
焼結合金によれば、第１の発明にかかるバルブシ
ート用鉄系焼結合金に対しPb合金もしくはCu合
金の溶浸合金による溶浸処理を併用することによ
つて、第１の発明の効果に加えて、焼結処理され
た焼結合金に溶浸されて、その潤滑作用により耐
摩耗性を向上するとともに、封孔作用によつて被
削性をも改善することができる利点がある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量比率で、Ｃ；0.2〜0.5％、Mo；3.0〜
   10.0％、Co；3.0〜15.0％、Ni；3.0〜15.0％、残
   部実質的にFeからなり、パーライト組織、オー
   ステナイト組織、フエライト組織の混合組織から
   なるFe−Ｃ−Co−Ni系基地組織中に、平均粒
   径；３〜30μ、硬さ；Hv600〜1300のMo−Fe合
   金相からなる微細硬質粒子を均一に分散させてな
   るバルブシート用鉄系焼結合金であつて、 この焼結合金は、体積比率で５〜20％の微細パ
   ーライト組織、20〜50％のCo、Ni含有量の多い
   オーステナイト組織、５〜20％のフエライト組
   織、残部が前記Mo−Fe合金相及び、気孔からな
   ることを特徴とするバルブシート用鉄系焼結合
   金。 ２ 重量比率で、Ｃ；0.2〜0.5％、Mo；3.0〜
   15.0％、Co；3.0〜15.0％、Ni；3.0〜15.0％、Pb
   合金もしくはCu合金の溶浸合金；10〜25％、残
   部実質的にFeからなり、パーライト組織、オー
   ステナイト組織、フエライト組織の混合組織から
   なるFe−Ｃ−Co−Ni系基地組織中に、平均粒
   径；３〜30μ、硬さ；Hv600〜1300のMo−Fe合
   金相からなる微細硬質粒子を均一に分散させてな
   るバルブシート用鉄系焼結合金であつて、 この焼結合金は、体積比率で５〜20％の微細パ
   ーライト組織、20〜50％のCo、Ni含有量の多い
   オーステナイト組織、５〜20％のフエライト組
   織、残部が前記Mo−Fe合金相、前記Pb合金もし
   くはCu合金の溶浸合金、及び、気孔からなるこ
   とを特徴とするバルブシート用鉄系焼結合金。 ３ 焼結合金中の気孔率が体積比率で８〜20％で
   あるとともに、その平均気孔径が４〜24μである
   特許請求の範囲第１項、または、第２項記載のバ
   ルブシート用鉄系焼結合金。