JPH07109024B2

JPH07109024B2 - 内燃機関の弁座用焼結合金

Info

Publication number: JPH07109024B2
Application number: JP28897987A
Authority: JP
Inventors: 啓太郎鈴木
Original assignee: 日立粉末治金株式会社
Priority date: 1987-11-16
Filing date: 1987-11-16
Publication date: 1995-11-22
Anticipated expiration: 2010-11-22
Also published as: JPH01129951A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、無鉛ガソリンおよび有鉛ガソリンのいずれで
も安定して機能する内燃機関用の弁座に関するものであ
る。

［従来の技術］自動車の排ガス規制以降、内燃機関の弁座は無鉛ガソリ
ン（約0.5g Pb/ガロン）を前提に改良され、例えば特公
昭55−36242号のように焼結合金鋼の空孔内に鉛を含浸
した焼結材料が良好な耐摩耗性を示し、実用化されてい
る。

また、この種の弁座には、特開昭51−37011号、特公昭5
1−44684号、特開昭60−258449号のように、焼結合金鋼
の空孔内に銅鉛合金を含浸した焼結材料が挙げられる。

しかし、世界的にみると欧州、豪州、中近東地区等では
エンジン出力向上の目的からいまだ有鉛ガソリン（例え
ば約3g Pb/ガロン）を使用しているのが実状である。

有鉛ガソリンを燃料に用いるエンジンの場合、燃焼時に
酸化鉛、硫化鉛、硫酸鉛、等の燃焼生成物が弁および弁
座表面に付着するため通常の焼結合金では摩耗し易いと
ころから、マルテンサイト系耐熱鋼溶製材料が一般に用
いられている。

［発明が解決しようとする問題点］前述の如くガソリンエンジン用の弁座は、無鉛ガソリン
用として適するものと、有鉛ガソリン用として適するも
のに別れており、例えば、前記特公昭55−36242号の弁
座を有鉛ガソリンエンジンに適用すると、摩耗が顕著に
現われるようになる。また、マルテンサイト系耐熱鋼溶
製材料で作られた弁座を無鉛ガソリンエンジンに適用し
ても同様な結果になる。そこで有鉛用、無鉛用または国
内仕様、輸出仕様の区別無く使用できれば極めて便利で
ある。

本発明の目的は、内燃機関の燃料が無鉛ガソリンでも有
鉛ガソリンでも摩耗しにくい弁座を提供することにあ
る。

［問題点を解決するための手段］前記目的を達成するために、本発明にあっては、弁座の
材料を次のように構成することにより達成される。すな
わち、組成が重量比でC1.2〜2.7％、Si0.2〜2.5％、Cr1
1〜27％、Mo0.6〜４％、V2.5％以下およびFe残部からな
る硬質な金属炭化物が分散した鉄基地中に、CuとPbの合
計が全体組成で15〜25重量％分散し、且つCu:Pbの成分
が重量比で80:20乃至60:40であることを特徴とする焼結
合金である。

［作用］次に各元素の作用について説明する。

まず、基地組成について述べる。

Cr:鉄基地に固溶し高温強度を向上させる作用及びＣと
結合し基地中に堅い炭化物を析出して耐摩耗性の向上に
寄与する成分である。含有量が11％未満では基地強度が
低すぎる。又、使用したときに酸化摩耗し易い。一方、
27％を超えても添加量の割に効果が少ない他、無鉛ガソ
リンでは反って摩耗し易くなる性質がある。

Mo;Crと同様に炭化物生成元素であり、Crと同じ作用を
する。0.6％未満では効果が少なく、４％を越えると酸
化摩耗が大きくなる。

V;Cr,Moと同じ炭化物を形成する。Ｖ炭化物は比較的硬
い。少ない添加で効果があり、多過ぎると相手の弁を摩
耗させるので2.5％未満が良い。

Si;酸化摩耗を防止する目的で添加する元素であり、0.2
％添加で効果が現れ、2.5％を越えて添加しても添加の
割に効果が少ない。

C;Feに固溶し基地を強化すると共にCr,Mo,Vと結合して
硬質な炭化物を析出させる作用をする。1.2％未満では
炭化物生成量が少なく耐摩耗性が期待できない。また、
2.7％を越えると炭化物が粗大化し、使用時に相手の弁
の摩耗を増大させる。

以上、鉄基地の特徴は、ビッカース硬さがHv2000〜3000
の硬質な析出炭化物（Cr,Fe）７ C3,（Cr,Mo,Fe）７
C3及びVCを多量に含むよう構成されている。

次に、分散組成についてのべる。

CuおよびPb;Cuは一部が基地に拡散し、基地を強化す
る。又、一部が銅相の形で残り、銅の好熱伝導性は使用
中に弁座の放熱性を良くする作用がある。

一方、Pbは使用時に弁との凝着摩耗を防止する作用があ
り、無鉛ガソリン用には効果の大きい成分である。しか
し、有鉛ガソリンでは燃料中に含まれる硫黄と反応して
燃焼生成物を作り、シートフェースに付着して摩耗を促
進させてしまう。

CuとPbが所定の状態で共存すると、無鉛と有鉛のどちら
でも摩耗しにくい性質が生まれる。CuとPbの重量比が8
0:20乃至60:40の範囲が良い。Cuの比率が80より多いとC
uの性質が顕著に現れ無鉛ガソリン用に於て摩耗が大き
くなる。又、Cuの比率が60より少ないとPbの性質が現れ
有鉛ガソリン用に於て摩耗が大きくなる。更に、CuとPb
は基地中に分散した組織であることが肝要で、Cu中にPb
が分散した合金状態であることが好ましい。この組織は
鉄系焼結体にCu−Pbを溶浸する方法及び合金鉄粉にCu−
Pb粉を配合し、成形、焼結する方法により得られる。Cu
とPbの合計含有量は、全体組成で15％未満は前述の作用
効果が少なく、25％を越えるとその分基地の量が少なく
なって強度を低下させ耐摩耗性も悪くなる。

［実施例］以下、実施例により詳細に説明する。

実施例１実施例１は基材に銅分散、鉛分散、および銅鉛分散した
材料の摩耗特性比較をしたものである。

まず、組成がFe−18.5Cr−1.2Mo−0.6V−0.5Si−1.8Cで
粒度が100メッシュ以下の合金鉄粉にステアリン酸亜鉛
を0.8％添加して混合粉とし、弁座形状の所定寸法に圧
縮成形した後、アンモニア分解ガス雰囲気炉中、温度11
50℃で焼結した。

そして、Cu−3Co合金粉の成形体とCu−30Pb合金粉の成
形体を準備し、それぞれ前記焼結体と共にアンモニア分
解ガス雰囲気炉中、温度1150℃で溶浸処理を行ない摩耗
試験用の試料１および試料２を作成した。Cu−Co合金の
Coは、溶浸中に基材を浸蝕させない目的で添加してあ
る。又、もう一種は前記焼結体を減圧容器中で加熱保持
後、Pb溶湯中に沈め窒素ガスで加圧し鉛溶浸した試料３
を準備した。

第１表にこれら試料の溶浸量、圧環強さ、及び、熱伝導
率の測定結果を示す。

溶浸量は約19％で、圧環強さは銅が多い組成ほど高く、
熱伝導率も銅が多い組成ほど良い。

耐摩耗性の評価は2000cc、６気筒エンジンを用い前記試
料を所定形状に加工して装着し、回転数6000回転で前負
荷運転した。

なお、弁の材質は耐熱鋼21−4Nを用い、燃料は有鉛ガソ
リン（3g,Pb/ガロン）と無鉛ガソリン（0.5g・Pb/ガロ
ン）について試験した。200時間運転した弁座の摩耗量
測定結果を第１図に示す。

これによると、銅溶浸試料１は有鉛ガソリンに良好であ
るが無鉛ガソリンでは摩耗が大きいことがわかる。鉛溶
浸試料３はその反対で有鉛ガソリンのとき摩耗が極めて
大きくなる。銅鉛合金溶浸試料２は有鉛、無鉛共に耐摩
耗性が良好である。

実施例２実施例２は、有鉛ガソリン、無鉛ガソリン共に耐摩耗性
が良好な銅鉛分散材料において、Cu−Pb合金のPb含有量
の効果を調べたものである。

合金鉄粉は実施例１と同じで、Cu−Pb合金粉はPb量が10
％,20％,30％,40％の４種類を準備し、合金鉄粉に各Cu
−Pb合金粉を20％一定及びステアリン酸亜鉛を0.8％添
加した各混合粉とし、焼結密度8.0g/cm³になるように成
形した後、実施例１と同じ条件で焼結して試料４〜７を
作成した。

エンジン試験は実施例１と同じ条件であり、試験後の弁
座摩耗量測定結果を第２図に示す。なお、図中に実施例
１の試料１および試料３の結果を付記してある。

これによると、添加するCu−Pb合金のPb量は20〜40％の
範囲にあるとき２種類の燃料のどちらでも摩耗が少ない
結果を示している。また、20％より少ないと無鉛ガソリ
ンのとき、40％より多いと有鉛ガソリンのときにそれぞ
れ摩耗が大きくなることがわかる。

実施例３実施例３は実施例１および２の結果を踏まえ、Cu−30％
Pb合金を代表とし、合金鉄粉に添加する量と摩耗の関係
を調べたものである。

実施例１と同じ合金鉄粉Cu−30Pb合金粉を用意し、Cu−
30Pb合金10％,15％,20％,25％，及び30％配合し、夫々
ステアリン酸亜鉛を0.8％添加して混合粉とし、焼結密
度8.0g/cm³になるように成形した後、実施例１と同じ条
件で焼結して試料を作成した。エンジン試験は実施例１
と同じ条件であり、試験後の弁座摩耗量測定結果を第３
図に示す。

これによると、Cu−30Pb合金の添加量は15〜25％の範囲
内では有鉛ガソリン、無鉛ガソリン共に摩耗は少ない
が、範囲外では対摩耗性が劣るようになる。

実施例４実施例４は、基地を形成する合金鉄の組成と耐摩耗性の
関係、及び従来材料との比較を行ったものである。

第２表中の組成は、合金鉄粉のFe及び不可避不純物を除
く主要成分を重量％で示しており、各合金鉄粉にCu−30
Pb合金を20％一定、夫々ステアリン酸亜鉛を0.8％添加
して混合粉にし、焼結密度8.0g/cm³になるように成形し
た後、実施例１と同じ条件で焼結して試料６〜15を作成
した。試料６〜９が本発明の材料である。

又、試料16及び17は従来材であり、全体組成で示してあ
る。試料16は無鉛ガソリン用弁座に実績がある特公昭55
−36242号のCo,Ni,Cを含む鉄系焼結合金に鉛溶浸した材
料で、試料17はSUH4耐熱鋼溶製材量を切削加工した弁座
である。

エンジン試験は実施例１と同じ条件であり、試験後の弁
座の摩耗量測定結果を第３表に示す。

これによると、本発明の基地鉄合金組成の試料は有鉛ガ
ソリン及び無鉛ガソリン共に少ない摩耗結果を示してい
るが、試料10〜15の比較材は摩耗量が大きいことがわか
る。なお、比較材のうち試料11及び試料12は摩耗量が比
較的少ないが、相手の弁を摩耗させるため好ましくな
い。

従来材は、ひとつの燃料に対しては優れた特性を示す
が、他方の燃料においては著しく摩耗することが分る。

［発明の効果］以上詳述したように本発明の弁座は、有鉛ガソリンエン
ジン、有鉛ガソリンエンジンのいずれでも摩耗を小さく
抑えることができるようになり長期間に亘って安定して
機能するようになる。

【図面の簡単な説明】第１図は焼結鉄合金に各種材料を溶浸した弁座の摩耗結
果を示すグラフ、第２図は合金鉄粉に配合するCu−Pb合
金粉のPb含有量と弁座の摩耗の関係を示すグラフ、第３
図は合金鉄粉に配合するCu−Pb合金粉の添加量と弁座の
摩耗の関係を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】組成が重量比でC1.2〜2.7％,Si0.2〜2.5
％,Cr11〜27％,Mo0.6〜４％,V2.5％以下およびFe残部か
らなる炭化物分散鉄基地中に、CuとPbの合計が全体組成
重量比で15〜25％分散し、且つCu:Pbの重量比が80:20乃
至60:40であることを特徴とする内燃機関の弁座用焼結
合金。