JPH0593241A - バルブシート用鉄基焼結合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バルブシート用材料においてより一層の高強
度化をはかり、エンジンの高出力化，高回転化による熱
的および機械的負荷の増大ならびに軽量化のためのエン
ジン構成部品の薄肉化に対応できる高性能バルブシート
素材を得る。 【構成】 重量％で、Ｎｉ：３〜１４％、Ｍｏ：３〜１
４％、Ｃ：０．３〜１．５％、残部Ｆｅおよび不純物よ
りなる基地組織中に、Ｍｏ：６０〜７０％、Ｃ：０．０
４％以下、残部Ｆｅおよび不純物よりなる硬質相粒子が
３〜２０％均一に分散した組織を有するバルブシート用
鉄基焼結合金を製造するに際し、１２００℃以上の高温
で焼結する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性鉄基焼結合金
の製造方法に係わり、さらに詳しくは、とくに高出力型
の自動車エンジン用バルブシートの素材として好適に利
用される硬質相粒子分散型のバルブシート用鉄基焼結合
金の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車用エンジンの出力増大や、
燃料ガソリンの無鉛化等に伴って、バルブシートに対し
てはより一層の耐摩耗性を要求されるようになってきて
おり、特に自動車用エンジンの高出力化，高回転化，さ
らには過給器の使用等によって、バルブシートに対する
熱的および機械的負荷はさらに増大する傾向にあり、こ
のような熱的および機械的負荷の増大に対応しうるよう
に、バルブシートの素材として従来の溶製材の代わりに
焼結合金材が用いられるようになってきている。

【０００３】すなわち、バルブシートの熱的および機械
的負荷の増大に対応しうるように、バルブシートの耐摩
耗性，高温強度，耐酸化性等を向上させるために、鉄基
焼結合金にＣｒ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｗ，Ｍｏ等の元素を合金
用に添加して基地を強化したり、あるいは硬質相として
基地中に分散させたりすることが行われてきた。

【０００４】そして、本発明者らも、Ｆｅ−Ｍｏ系合
金，Ｆｅ−Ｍｏ−Ｎｉ系合金をベースに各種の硬質相粒
子を分散させた硬質相粒子分散型のバルブシート用材料
の開発を行ってきている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年の
自動車エンジンにおける高出力化の傾向はさらに増大し
てきており、従来の場合とは摩耗形態が異なる場面もあ
らわれてきている。

【０００６】例えば、エネルギー節約の観点からエンジ
ン部品の軽量化が図られたために、エンジン構成部品が
薄肉化され、これによって剛性が低下して部品の変形を
生じることによる摺動の不均一化による摺動面圧の上昇
や、摺動面でのすべりの発生等が起きてきている。

【０００７】このような現象に対処するためには、バル
ブシート用材料の強度向上が必須であり、強度がさらに
向上したバルブシート用材料の開発が望まれているとい
う課題があった。

【０００８】

【発明の目的】本発明は、上述した従来の課題にかんが
みてなされたもので、バルブシート用材料においてより
一層の高強度化をはかり、エンジンの高出力化，高回転
化による熱的および機械的負荷の増大ならびに軽量化の
ためのエンジン構成部品の薄肉化に対応できる高性能バ
ルブシート素材として好適なバルブシート用鉄基焼結合
金を得ることが可能であるバルブシート用鉄基焼結合金
の製造方法を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる硬質相粒
子分散型のバルブシート用鉄基焼結合金の製造方法は、
重量％で、Ｎｉ：３〜１４％、Ｍｏ：３〜１４％、Ｃ：
０．３〜１．５％、残部Ｆｅおよび不純物よりなる基地
組織中に、Ｍｏ：６０〜７０％、Ｃ：０．０４％以下、
残部Ｆｅおよび不純物よりなる硬質相粒子が３〜２０％
均一に分散した組織を有するバルブシート用鉄基焼結合
金を製造するに際し、１２００℃以上の高温で焼結する
構成としたことを特徴としており、このような硬質相粒
子分散型のバルブシート用鉄基焼結合金の製造方法に係
わる発明の構成をもって前述した従来の課題を解決する
ための手段としている。

【００１０】本発明に係わる硬質相粒子分散型のバルブ
シート用鉄基焼結合金の製造方法においては、基地組織
中に、Ｃｒ：０．５〜５．０％，Ｖ：０．５〜３．０
％，Ｗ：０．５〜５．０％，Ｎｂ：０．５〜３．０％の
うちから選ばれる１種または２種以上を含有しているも
のとすることが可能であり、また、基地組織中に、Ｃ
ｏ：０．５〜３．０％，Ｓｉ：０．２〜１．０％，Ｂ：
０．０３〜０．１０％のうちから選ばれる１種または２
種以上を含有しているものとすることも可能である。

【００１１】さらに、本発明に係わる硬質相粒子分散型
のバルブシート用鉄基焼結合金の製造方法においては、
その焼結温度が１２００℃以上の高温であるものとし
て、組成のより一層の均一化とより一層の高強度化をは
かると共に耐摩耗性のより一層の向上をはかるようにし
ている。

【００１２】次に、本発明に係わる硬質相粒子分散型の
バルブシート用鉄基焼結合金の製造方法によって得られ
るバルブシート用鉄基焼結合金の基地組織における成分
組成（重量％）の限定理由について説明する。

【００１３】Ｍｏ：３〜１４％ 本発明者は、すでに、Ｆｅ−Ｍｏ系合金，Ｆｅ−Ｍｏ−
Ｎｉ系合金をベースにして各種の硬質相粒子を分散させ
た鉄基焼結合金を開発しているが、本発明においてもＭ
ｏを鉄基地中に均一に分布，固溶させた原料粉末を使用
することにより、Ｍｏを均一に分散させてＭｏのもつ耐
摩耗性向上の効果を最大限に活用できるようにすること
が望ましい。

【００１４】このように、Ｍｏは、焼結合金の耐摩耗性
を向上するのに有効であるが、３％未満ではこのような
耐摩耗性向上の効果が十分でなく、１４％を超えると粉
末成形時の成形性が低下すると共に、生成する炭化物量
が多くなって硬くなることにより加工しずらくかつまた
脆くなるので好ましくない。したがって、Ｍｏ量は３〜
１４％の範囲とした。

【００１５】このＭｏを基地中に均一に固溶あるいは数
μｍオーダーの金属間化合物として分布させるために、
原料粉末の主体となる鉄粉中にＭｏを均一に固溶あるい
は析出させたＦｅ−Ｍｏ系のアトマイズ粉末を使用する
ことがとくに望ましい。この際、一部のＭｏは３２５メ
ッシュアンダーの微細な金属Ｍｏ粉として添加しても良
い。

【００１６】このように、母合金にＭｏが均一に分散，
固溶している材料においては、耐摩耗性の改善効果のほ
かに、Ｍｏの合金化による耐食性向上の効果が十分に得
られ、有鉛ガソリンエンジンのように燃焼生成物として
腐食性の物質を生じる燃料（有鉛ガソリンでは、掃鉛剤
としてハロゲン化物を使用するが、このハロゲン化物
は、ガソリン燃焼時に分解して腐食性物質を生成す
る。）を使用するエンジンにおいては、特に有効な材料
である。さらに、Ｍｏによる合金化は腐食の厳しいディ
ーゼルエンジンに利用する場合も有効である。

【００１７】Ｎｉ：３〜１４％ Ｎｉは焼結合金の焼結性，耐摩耗性および耐食性を向上
させるのに有効であるが、３％未満ではこのような効果
が十分に得られず、１４％を超えると金属組織中にオー
ステナイトとマルテンサイトを生じるようになって加工
しずらくなると共に、熱膨張量が増加してエンジン内で
脱落しやすくなるなどの不具合を生ずるので、Ｎｉ量は
３〜１４％の範囲とした。

【００１８】Ｃ：０．３〜１．５％ Ｃは焼結合金の耐摩耗性を向上させるのに有効な成分で
あるが、Ｃ量が少なすぎるとフェライトを生じるように
なって耐摩耗性が低下するので好ましくなく、Ｃ量が多
すぎるとマルテンサイトや炭化物が過剰に生じて硬くな
ることにより加工しずらくなると共に脆くなるので好ま
しくない。

【００１９】このＣ量は、組織として亜共析から共析組
成が得られることを目的とし、添加するＮｉ量，Ｍｏ
量，硬質相粒子の種類および量により、フェライト，粗
大な初析炭化物を生じない範囲として必然的に決定さ
れ、とくに本発明の場合は１２００℃以上の高温で焼結
することとしているため、Ｃ量は重要である。

【００２０】すなわち、高温焼結の際にＣ含有量が多く
なるとＦｅ−Ｍｏ−Ｃ系の液相が発生するが、Ｃ含有量
がＮｉ，Ｍｏに対応する含有量よりも多いと液相が過剰
に発生するため、この液相を介した元素の拡散が激しく
なり、硬質相粒子であるＦｅＭｏの消失や焼結体の溶融
が起きるようになるので好ましくない。したがって、Ｃ
含有量は材料配合時には低めに管理し、焼結後の熱処理
の際にＣ％が高い必要がある場合には、焼結後の浸炭焼
入れで補うようにするのが望ましい。他方、Ｃ含有量が
共析組成よりも低いと軟らかいフェライトを生じ、耐摩
耗性が劣化するので好ましくない。このような観点か
ら、本発明に係わるＮｉ量，Ｍｏ量，硬質相粒子の種類
および量では、Ｃ量を０．３〜１．５％とするのが良
い。

【００２１】しかし、現実的にはＣ量を厳密にコントロ
ールするのは原料粉末の酸化量や焼結炉の雰囲気などに
よっても影響されるため困難であることも生じるので、
若干、例えば、５体積％以下のフェライト，初析炭化物
の生成は許容される。

【００２２】その他、Ｃｒ，Ｖ，Ｗ，Ｎｂ等の炭化物生
成元素は、Ｍｏと同様の耐摩耗性改善の効果を有してい
るので、Ｍｏの一部をこれらの炭化物生成元素で置換し
てもよく、とくにＣｒは耐酸化性の向上にも有効であ
る。そして、上記炭化物生成元素を添加する場合には、
Ｃｒ：０．５〜５．０％，Ｖ：０．５〜３．０％，Ｗ：
０．５〜５．０％，Ｎｂ：０．５〜５．０％の１種また
は２種以上とするのがよい。

【００２３】また、Ｃｏ，Ｓｉ，Ｂは、基地強化元素と
して作用するので、これらの１種または２種以上を添加
してもよい。

【００２４】これらのうち、Ｃｏは高温強度および耐食
性を向上させると共に、Ｃｏ_ｎＭｏ_ｍ型の金属間化合物
を生成することにより耐摩耗性を改善する。この場合、
Ｃｏ含有量が０．５％未満では効果が小さく、３．０％
を超えて添加してもそれに見合うだけの効果が得られ
ず、むしろ高温硬さが上昇するため相手攻撃性が増大す
るので好ましくないので、添加するとしても０．５〜
３．０％の範囲とするのが良い。

【００２５】一方、Ｓｉは耐酸化性の向上に効果がある
が、０．２％未満では効果が明確でなく、１．０％を超
えるとむしろ基地の強度低下をもたらすので、添加する
としても０．２〜１．０％の範囲とするのが良い。

【００２６】他方、Ｂは焼結の促進効果と硼化物の生成
による耐摩耗性の改善効果があるが、これらの効果は
０．０３％未満では明確でなく、０．１０％を超えると
焼結時に過剰な液相を発生させて脆い網状組織を生成す
るので、添加するとしても０．０３〜０．１０％の範囲
とするのが良い。

【００２７】次に、硬質相粒子について説明する。

【００２８】上記したＮｉ：３〜１４％、Ｍｏ：３〜１
４％、Ｃ：０．３〜１．５％、残部実質的にＦｅよりな
る基地組織中に均一分散させる硬質相粒子としては、Ｍ
ｏ：６０〜７０％、Ｃ：０．０４％以下、残部Ｆｅおよ
び不純物よりなるものが用いられる。

【００２９】そして、この硬質相粒子は、基地組織中に
均一に分散することにより分散強化をもたらすと共に、
焼結時に硬質相粒子から合金元素が拡散することにより
硬質相粒子の周囲に高合金相を生じて、耐摩耗性を著し
く改善する。

【００３０】この場合、硬質相粒子はＦｅＭｏ金属間化
合物の形で存在することが望ましいので、硬質相粒子中
のＭｏ含有量は６０〜７０％とする必要がある。

【００３１】このとき、Ｃ含有量が０．０４％を超える
と硬くかつ脆くなるので、硬質相粒子中のＣ含有量は
０．０４％以下とする必要がある。

【００３２】さらに、基地組織中において、硬質相粒子
が３％未満では耐摩耗性改善の効果が十分でなく、３％
以上２０％までの間では添加量に応じて耐摩耗性は向上
するが、２０％を超えると硬質相粒子の添加に見合うだ
けの耐摩耗性改善の効果が少なくなり、コスト高になる
とともに材質が硬くかつ脆くなるため強度および加工性
の問題が生じる。また、硬質相粒子の添加量が多くなり
すぎると相手材であるバルブを摩耗させる傾向が大きく
なり、総合的にみた場合には好ましくない。したがっ
て、硬質相粒子は、３〜２０％の範囲とする必要があ
る。

【００３３】次に、焼結について説明する。

【００３４】本発明に係わるバルブシート用鉄基焼結合
金の製造方法においては、焼結によって得られた鉄基焼
結合金の強度がより望ましくは８５０ＭＰａ以上の高強
度のものとなるようにすることによって、より高負荷と
なるエンジンにおいても使用できるものとしているが、
このようなより望ましくは８５０ＭＰａ以上の高強度を
得ることができるようにするためには、１２００℃以上
の高い温度で焼結し、組成の均一化と高強度化が実現さ
れるようにする。この場合、焼結温度の上昇にともなっ
て強度は上昇するが、１２００°Ｃ未満では強度向上の
効果が小さい。一方、焼結温度が高温になりすぎると、
液相の発生によって変形ないしは溶損を生ずることがあ
るので、焼結温度は１２００℃以上、より望ましくは１
２００〜１３００°Ｃとすることがよい。

【００３５】

【発明の作用】本発明に係わるバルブシート用鉄基焼結
合金の製造方法では、重量％で、Ｎｉ：３〜１４％、Ｍ
ｏ：３〜１４％、Ｃ：０．３〜１．５％、残部Ｆｅおよ
び不純物よりなる基地組織中に、Ｍｏ：６０〜７０％、
Ｃ：０．０４％以下、残部Ｆｅおよび不純物よりなる硬
質相粒子が３〜２０％均一に分散した組織を有するバル
ブシート用鉄基焼結合金を製造するに際し、１２００℃
以上の高温で焼結するようにしているので、組成のより
一層の均一化とより一層の高強度化が実現されると共に
耐摩耗性のより一層の向上が実現されるものとなる。

【００３６】

【実施例】粒度分布が１５０〜２００メッシュにピーク
を持つＦｅ−５％Ｍｏアトマイズ粉に、３２５メッシュ
アンダーのカルボニルＮｉ粉，金属Ｍｏ粉，黒鉛粉，Ｃ
ｏ粉，Ｆｅ−Ｂ粉，Ｆｅ−Ｓｉ粉を表１に示す基地組織
の成分となるように配合し、さらに粒度が２００メッシ
ュアンダーのＦｅ−６３％Ｍｏ粉を同じく表１に示す硬
質相粒子の量となるように配合し、さらにまた金型成形
の際において型抜けを良くするために潤滑剤としてステ
アリン酸亜鉛を０．６％添加した混合粉を調製した。

【００３７】次に、前記混合粉をプレスにて７ｔｏｎ／
ｃｍ^２の成形圧力で成形してそれぞれ成形体を得たの
ち、６５０°Ｃで１時間脱ろうし、次いで同じく表１に
示すように、１１５０°Ｃ，１２００°Ｃ，１２５０°
Ｃ，１３００°Ｃで１時間焼成して焼結した。

【００３８】焼結後は９００°Ｃまで炉冷し、９００°
Ｃより室温まで窒素ガスで冷却したあと、さらに液体窒
素中で１時間のサブゼロ処理を行ない、続いて４００°
Ｃで１時間の焼もどし処理を行なって、鉄基焼結合金か
らなる外径４６ｍｍ，内径３０ｍｍ，高さ７．５ｍｍの
テストピース素材を作成した。

【００３９】続いて、前記各テストピース素材をバルブ
シート形状に加工してテストピースを得たのち、密度お
よび圧環強度を調べると共に、単体摩耗試験機による単
体摩耗試験を行ってバルブシート材としての適正を評価
した。この試験に際しては排気側のバルブシートの使用
条件を想定して表２に示す条件で行い、また、摺動面に
すべりの要素を加えるため薄肉化し、剛性を低下させた
バルブを使用した。この単体摩耗試験の結果を表１にあ
わせて示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】表１に示した結果より明らかなように、焼
結温度が１１５０°Ｃと低い比較例Ｎｏ．１の場合に
は、圧環強度が５３０ＭＰａと低く、バルブシートおよ
びバルブの両方共が摩耗量の多いものとなっていた。

【００４３】また、焼結温度を１２００°Ｃとした本発
明例Ｎｏ．２−１，Ｎｏ．３−１の場合には、圧環強度
８５０ＭＰａ以上が得られ、焼結温度を１２５０°Ｃと
した本発明例Ｎｏ．２−２，Ｎｏ．３−２，Ｎｏ．４，
Ｎｏ．５の場合には圧環強度が１１００ＭＰａを超える
ものとなっており、焼結温度を１３００°Ｃとした本発
明例Ｎｏ．２−３，Ｎｏ．３−３の場合には圧環強度を
さらに大きなものとすることが可能であって、バルブお
よびバルブシートの摩耗量を少ないものにできることが
認められた。

【００４４】他方、Ｃｏ含有量が多すぎる比較例Ｎｏ．
６の場合には、相手材であるバルブに対する攻撃性が大
きなものとなり、バルブの摩耗量が大きくなると共に、
この結果としてバルブシートの摩耗量が多くなるという
結果となった。

【００４５】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明に係わ
る硬質相粒子分散型のバルブシート用鉄基焼結合金の製
造方法は、重量％で、Ｎｉ：３〜１４％、Ｍｏ：３〜１
４％、Ｃ：０．３〜１．５％、残部Ｆｅおよび不純物よ
りなる基地組織中に、Ｍｏ：６０〜７０％、Ｃ：０．０
４％以下、残部Ｆｅおよび不純物よりなる硬質相粒子が
３〜２０％均一に分散した組織を有するバルブシート用
鉄基焼結合金を製造するに際し、１２００℃以上の高温
で焼結する構成となっているものであるから、バルブシ
ート用材料においてより一層の高強度化を実現すること
ができ、とくに自動車用エンジンの高出力化，高回転化
による熱的および機械的負荷の増大ならびに軽量化のた
めのエンジン構成部品の薄肉化に対応できる高性能バル
ブシート素材として好適なバルブシート用鉄基焼結合金
を製造することが可能になるという非常に優れた効果が
もたらされる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 田 謙 三 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｎｉ：３〜１４％、Ｍｏ：３
   〜１４％、Ｃ：０．３〜１．５％、残部Ｆｅおよび不純
   物よりなる基地組織中に、Ｍｏ：６０〜７０％、Ｃ：
   ０．０４％以下、残部Ｆｅおよび不純物よりなる硬質相
   粒子が３〜２０％均一に分散した組織を有するバルブシ
   ート用鉄基焼結合金を製造するに際し、１２００℃以上
   の高温で焼結することを特徴とする硬質相粒子分散型の
   バルブシート用鉄基焼結合金の製造方法。
2. 【請求項２】 基地組織中に、Ｃｒ：０．５〜５．０
   ％，Ｖ：０．５〜３．０％，Ｗ：０．５〜５．０％，Ｎ
   ｂ：０．５〜３．０％のうちから選ばれる１種または２
   種以上を含有している請求項１に記載の硬質相粒子分散
   型のバルブシート用鉄基焼結合金の製造方法。
3. 【請求項３】 基地組織中に、Ｃｏ：０．５〜３．０
   ％，Ｓｉ：０．２〜１．０％，Ｂ：０．０３〜０．１０
   ％のうちから選ばれる１種または２種以上を含有してい
   る請求項１または２に記載の硬質相粒子分散型のバルブ
   シート用鉄基焼結合金の製造方法。