JPH0660370B2 - バルブシート用鉄基焼結合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、内燃機関のバルブシート用鉄基焼結合金に関
する。

（従来技術と） 内燃機関用のバルブシートは機関の高出力化や燃料の一
つであるガソリンの無鉛化に伴ない溶製材から焼結合金
材に変換されている。

近年になり、内燃機関の高出力化や高回転化にさらには
過給器の付加等によりバルブシートの受ける熱的、機械
的負荷はさらに増大の傾向にある。

こうした自動車エンジンの趨勢に対し、従来はバルブシ
ートの耐摩耗性、高温強度、耐酸化性を向上する目的
で、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ等の元素を基地に硬質
相や合金化としての分散により添加していた。その際に
合金化の割合は少なく大部分が硬質相として分散してい
た。

（発明が解決しようとする課題） 例えば、Ｍｏは主としてフェロモリブデン粒子として添
加され硬質粒子としての作用が期待されていた。このよ
うな使われ方をした場合には、Ｍｏが基地中に拡散され
にくいこともあってフェロモリブデン粒子の周囲は強化
されるものの他の部位は強化されないため分散強化によ
る基地強化が主体となりモリブデンが基地に固溶、合金
化することによる強化はさほど期待できなかった。前記
の他の元素も同様である。同時に相手アタック性の改善
も望まれていた。

（発明の目的） 本発明は、このような従来の課題に着目してなされたも
ので、内燃機関の高出力化、高回転化による熱的および
機械的負荷の増大に対応できる高負荷エンジン用の高性
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
結合金を提供することを目的としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係るバルブシート用鉄基焼結合金は、 Ｍｏ：０．３〜１４重量％、Ｃｕ：１〜８重量％、 Ｃ：０．３〜２．０重量％、残部Ｆｅおよび不可避不純
物を含む材料で、Ｍｏの大部分が鉄基地中に均一に分布
しており、且つ微細なＣｕの相が均一に分散しているこ
とを特徴とする材料である。

本発明者らは、すでにＦｅ−Ｍｏ−Ｃ系材料の特許（特
願昭６１−３０５２４２号）を出願したが、本発明はＦ
ｅにＣｕとＭｏを同時に添加することにより、さらに耐
摩耗性を高めたバルブシート用鉄基焼結合金である。Ｍ
ｏを鉄基地中に均一に分布、固溶させた材料粉末を使用
することにより、Ｍｏを均一に分散させＭｏの持つ耐摩
耗性向上効果を最大限に活用することを目的としたもの
である。また、同時に合金成分の特定と熱処理により第
１図および第２図に示すように微細なＣｕの相を析出さ
せることにより叩かれ摩耗時の衝撃緩衝効果と摺動摩耗
時の軟質相の介在効果により耐摩耗性と相手アタック性
を改善させることを目的とした。尚、第１図および第２
図において、細かい球状の相は（Ｆｅ、Ｍｏ）Ｃのよう
な複合炭化物である。

次に、本発明に係るバルブシート用鉄基焼結合金の成分
および組織の限定理由について説明する。

Ｍｏの量としては３重量％未満では耐摩耗性改善効果が
充分でなく、また１４重量％を超えると粉末成形時の成
形性が低下すると共に材質が硬く脆くなり好ましくな
い。従ってＭｏは３〜１４重量％であることが必要であ
る。このＭｏを基地中に均一に分布させるため、原料粉
の主体となる鉄粉はＭｏを均一に分布、固溶しているＦ
ｅ−Ｍｏ系の粉末（アトマイズ粉末）を使用する必要が
ある。この際、一部のＭｏは３２５メッシュアンダーの
微細な金属Ｍｏとして添加してもよい。このように母合
金にＭｏが均一に分布固溶している材料においては、耐
摩耗性の改善効果の他にＭｏの合金化による耐食性向上
効果が充分に得られ、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を使用するエ
ンジンにおいては、特に有効な材料である。（有鉛ガソ
リンでは掃鉛剤としてハロゲン化合物を使用し、このハ
ロゲン化合物はガソリン燃焼時に分解し腐食性物質を生
成する。） Ｃｕの量としては１重量％以下ではＣｕ相の析出がほと
んどなく、また８重量％を超えると焼結温度域でのＣｕ
のＦｅ−Ｍｏ系合金母材への溶解度を超えるため、母材
粉末粒子の粒界らＣｕがネット状に分布するようになり
強度が低下し好ましくない。従って、Ｃｕは１〜８重量
％であることが必要である。

炭素量は例えばＦｅ−Ｍｏ−Ｃ系の共析組成になること
を目標とし、即ち添加するＭｏや他の合金元素量に対応
してフェライト、初晶炭化物を生じない範囲として必然
的に決定する。上記Ｍｏ、Ｃｕ量範囲に対応する炭素量
は０．３〜２．０重量％となる。炭素量が共析組成より
も低いと軟らかいフェライトを生じ、耐摩耗性が劣化し
好ましくなく、また逆に炭素量が高いと粗い初晶の炭化
物を生じ加工しずらくなるとともに、脆くなるため好ま
しくない。従って、フェライト、炭化物は生じないこと
が好ましいが、現実的には炭素量を厳密にコントロール
するのは原料粉の酸素量や焼結炉の雰囲気等に影響され
るため難しく、５体積％以下のフェライト、炭化物の生
成は許容する。

また、その他に補助的に数重量％のＣｒ、Ｖ等の炭化物
生成元素や、Ｃｏ、Ｓｉ等の基地強化元素を添加しても
良いが、本発明がＣｕを微細な相として析出させること
を特徴としているため、母合金へのＣｕの溶解度を高め
Ｃｕの析出を抑制する元素であるＮｉ等は１重量％以下
とする必要がある。

次に、焼結条件について説明する。焼結後に微細なＣｕ
相を析出させるためには、焼結時に一時ＣｕをＦｅ−Ｍ
ｏ系母合金中に完全に固溶させる必要がある。そのため
には、母合金中へのＣｕの溶解度が大きい約１１００℃
以上の温度で焼結することが好ましい。しかし、焼結温
度が１２００℃以上となると、Ｆｅ−Ｍｏ母相より発生
する液相量が多くなりすぎ組織の粗大化、異常化を招き
好ましくない。よって焼結温度は１１００〜１２００℃
とする必要がある。焼結後の冷却は、後の熱処理による
微細Ｃｕ相の析出を行う必要上から、冷却時のＣｕ析出
を防ぐためガス冷却程度以上の冷却速度で冷却する必要
がある。

さらに、Ｃｕ相を析出させるため４００〜６００℃での
焼き戻しを行う。

（実施例） 粒度が１５０〜２００メッシュにピークを持つ５重量％
のＭｏを均一に含むアトマイズ鉄粉に、３２５メッシュ
アンダーの電解Ｃｕ粉、黒鉛粉を最終組成で第３表に示
す組成になるように加えた。ただし、No.6のＭｏ、Ｃ
ｒ、ＣｏおよびＮｉは硬質粒子として添加しており、N
o.7のMoは大部分が基地に固溶しているものである。さ
らに金属成形の際に型抜けを良くするために潤滑材とし
てステアリン酸亜鉛を０．６％加えた混合粉を、プレス
にて７ｔ／cm²の成形圧力で成形し、６５０℃で１時間
脱ろうをした後、１１５０℃で１時間焼結した。焼結後
は９００℃まで炉冷し、９００℃よりガス冷却した。さ
らに微細なＣｕを析出させるため、５５０℃で１時間の
焼き戻し処理を行った。こうして作製した外径４６ｍｍ
×内径３０ｍｍ×高さ７．５ｍｍのテストピースを所定
のバルブシート形状に加工後、単体摩耗試験およびベン
チエンジンでの耐久試験でバルブシート材としての適性
を評価した。

第３図には、使用した単体摩耗試験機の概要図を示す。
図示しない駆動装置によって回転するカム２によって、
上昇したバルブ３がバルブステム４の下部のスプリング
５によってバルブシート１を衝撃的に叩く動作を繰返し
行なうようにしてあり、バルブ３の上方にガスバーナ６
が側方にシリンダヘッド７に圧縮空気を吹き付けるノズ
ル８が配設されており、図示しない制御装置によってガ
スバーナ６に供給されるプロパンガスの供給量とノズル
８の風量を調節して、バルブ３の表面を一定温度に加熱
維持される構造になっている。このような摩耗試験機を
用いて吸気バルブシートの使用条件を想定した下記に示
す第１表および第２表の試験条件で試験を行ないバルブ
シートの摩耗量を基準バルブの沈み量から求めた。

試験結果を第４表および第５表に示すように、本発明の
焼結合金性のバルブシートは従来のものに比べて著しく
耐摩耗性が向上していることが明らかである。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明に係るバルブシート
鉄基焼結合金は、Ｍｏの大部分が鉄基地中に均一に固溶
しているため耐摩耗性が向上し、且つ微細なＣｕの相を
均一に分散しているため衝撃緩衝効果の向上と相手アタ
ック性の改善がなされ、高負荷エンジン用のバルブシー
ト用鉄基焼結合金を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の鉄基焼結合金の金属組織を示す顕微鏡
写真（倍率４００倍）、第２図は第１図におけるＣｕ相
の位置を示すスケッチ図、第３図は単体摩耗試験機の概
要図である。 図中：１……バルブシート、２……カム、３……バル
ブ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｍｏ：３〜１４重量％、Ｃｕ：１〜８重量
   ％、Ｃ：０．３〜２．０重量％を含み、残部Ｆｅおよび
   不可避不純物よりなり、Ｍｏの大部分が鉄基地中に均一
   に固溶し、且つ微細なＣｕの相が均一に分散している組
   織を有していることを特徴とするバルブシート用鉄基焼
   結合金。