JPH0770720A

JPH0770720A - バルブシート用鉄系焼結合金

Info

Publication number: JPH0770720A
Application number: JP21625093A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Ito; 与志彦伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 1995-03-14

Abstract

(57)【要約】【目的】鉛化合物が生成される場合であっても、当り面
の摩耗量を抑制できるバルブシート用鉄系焼結合金を提
供すること。【構成】この焼結合金は、硬質粒子であるＦｅＭｏ、Ｆ
ｅＣｒ、ＦｅＷを含む鉄系焼結体の空孔に鉛系溶浸材を
溶浸させて構成されている。溶浸材にはＮｉ系合金から
なる粒径０．４〜２．１μｍの微粉末粒子が９〜２１％
含まれている。鉄系焼結体は、ベイナイト相、パーライ
ト相、オーステナイト相が混在している。微粉末粒子は
Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｆｅ系の高耐食性合金で構成されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はバルブシート用鉄系焼結
合金に関する。本発明合金は内燃機関の動弁系に用いる
ことができる。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の動弁系のバルブは高温となり
易い。特に高温の燃焼ガスにさらされる排気バルブは高
温となり易い。従って高温のバルブと直接接触したり、
摺動したりするバルブシートの当り面も高温化し、摩耗
が進行し易い。特に有鉛ガソリン燃料を使用する内燃機
関の場合には、バルブ表面に腐食性の強いＰｂＯ等の鉛
化合物が生成するため、バルブシートの当り面は腐食が
進行し易く、よってその当り面に過大摩耗が生じるおそ
れがある。

【０００３】そこで従来より、このような鉛化合物等に
よる腐食反応を抑制するため、バルブシートを構成する
焼結合金の空孔に伝熱性の優れた銅等を溶浸してバルブ
シートの当り面温度を低下させるバルブシートが知られ
ている（特開昭６０ー２５１２５８号公報等）。更にバ
ルブシートのうち、当り面側の空孔に鉛を溶浸し、その
反対側に銅を溶浸し、固相状態の鉛による潤滑作用と、
銅による強度増加及び伝熱性向上効果とを組合せたバル
ブシートも知られている（特公昭５５ー７８１１８公
報、特開昭６１ー１０４０４８号公報）。

【０００４】また従来より、硬質粒子を分散させたバル
ブシート用鉄系焼結合金として、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等の炭
化物を有し平均粒径４０〜１５０μｍ、硬度Ｈｖ３００
〜７００の硬質粒子をオーステナイト及びパーライトの
混合組織に分散させたものも知られている（特開昭６０
ー２５１２５８号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで鉛溶浸等によ
りバルブシートの伝熱性を向上させたとしても、バルブ
シートの当り面が高温化する場合には、当り面が溶浸材
の融点を越える場合がある。この場合、溶浸材は溶融し
て焼結合金の空孔から外部に徐々に放出され、固相状態
の溶浸材による潤滑効果が低下するおそれがある。

【０００６】例えば、有鉛ガソリン燃料使用で高出力タ
イプあるいは燃費改善のため空燃比をストイキ化（理論
空燃比）したタイプの内燃機関においては、燃焼温度が
高温化するため、バルブシートの当り面が高温化し、鉛
溶浸等により伝熱性を向上させても、当り面の温度が溶
浸材である鉛の融点３２７℃を越える場合がある。よっ
て溶浸した鉛は溶融し、バルブシートの当り面上に徐々
に放出され、固相状態の鉛による潤滑効果が低下し、こ
れによりバルブシートの当り面は、部分的にバルブ表面
と直接接触する機会が増える。更にこの種の内燃機関で
は、鉛化合物の生成量が多くしかも腐食反応も活発のた
め、鉛化合物による攻撃性が増す問題がある。

【０００７】またバルブシートを構成する鉄系焼結合金
は特に要素粉タイプの場合には微視的にみれば組織が必
ずしも均一でなく、基地強化のためのＣｏ、Ｎｉ等の合
金元素の拡散量が多い部分と少ない部分が不可避的に混
在する。合金元素の拡散量が多い部分はオーステナイト
相となり、高温耐摩耗性・耐食性に優れる。しかし合金
元素の拡散量が少ない部分は、オーステナイト相よりも
高温耐摩耗性・耐食性に劣るパーライト相あるいはベイ
ナイト相となる。従って鉛化合物による腐食反応が活発
な場合には、このパーライト相やベイナイト相が優先的
に腐食され、この部分から摩耗が進行し、バルブシート
の当り面において過大摩耗を引き起こすおそれがある。

【０００８】本発明は上記した実情に鑑みなされたもの
であり、その目的は、組織の腐食を引き起こし易い鉛化
合物が生成される場合であっても、燃焼温度が高温化す
る場合であっても、摩耗量を抑制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する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１のバルブシート
用鉄系焼結合金は、鉄系焼結体と、鉄系焼結体の空孔に
溶浸させた溶浸材とで構成され、溶浸材は、ｗｔ％で溶
浸材全体を１００％としたとき、Ｎｉ系合金からなる微
粉末粒子を３〜３５％鉛系金属に分散させて構成されて
いることを特徴とするものである。なお本発明では特に
断らないかぎり、％はｗｔ％を意味する。溶浸材を溶浸
する前の焼結体の空孔率はｖｏｌ％で例えば１０〜２０
％にできる。

【００１０】請求項２のバルブシート用鉄系焼結合金で
は、鉄系焼結体はマトリックスとマトリックスに分散し
た硬質粒子とで構成され、マトリックスは、焼結体全体
を１００％としたとき、Ｎｉ系合金を６〜１１％、Ｃを
０．５〜１．２％、残部実質的に鉄の組成をもち、Ｎｉ
系合金は、Ｎｉ系合金を１００％としたとき、Ｎｉを３
５〜６５％、Ｍｏを１２〜２７％、Ｃｒを５〜３０％、
Ｆｅを２〜１０％含む組成の合金、及び、Ｎｉを８０〜
９０％、Ｓｉを２〜２０％、Ｃｕを１〜７％を含む組成
の合金の少なくとも１種で構成され、溶浸材は、溶浸材
全体を１００％としたとき、微粉末粒子が９〜２１％、
残部実質的に鉛の組成であり、微粉末粒子は、微粉末粒
子全体を１００％としたとき、Ｎｉを３５〜６５％、Ｍ
ｏを１２〜２７％、Ｃｒを５〜３０％、Ｆｅを２〜１０
％含む高耐食性合金、及び、Ｎｉを８０〜９０％、Ｓｉ
を２〜２０％、Ｃｕを１〜７％含む高耐食性合金の少な
くとも１種で構成され、Ｎｉ系の微粉末粒子の粒径は
０．４〜２．１μｍであることを特徴とするものであ
る。

【００１１】請求項３のバルブシート用鉄系焼結合金で
は、硬質粒子はＦｅＭｏ、ＦｅＣｒ、ＦｅＷの少なくと
も１種で構成され、焼結体全体が１００％のとき４％〜
１６％含有されていることを特徴とするものである。〔各成分混合率限定理由〕上記したバルブシート用鉄系
焼結合金において各成分の好ましい混合率について、マ
トリックス、溶浸材、硬質粒子に分けて説明する。１．マトリックス＜Ｃ量＞焼結体にはＣが含まれていることが好ましい。
Ｃは鉄中に固溶して鉄を強化する代表的な元素で、焼結
体で得られる基地（通常、オーステナイト相、パーライ
ト相、ベイナイト相等の少なくとも１つからなる組織）
に固溶して、焼結体の強度と硬度を向上する。しかし、
マトリックスにおけるＣの混合率が０．５％未満では焼
結時の加熱で鉄中に拡散するＣ元素の量が少なく、上記
効果が十分に発揮されず、また１．２％を越えると逆に
拡散量が多くなり過ぎ、セメンタイト（Ｆｅ₃Ｃ）の析
出量が増え、焼結体のマトリックスが脆化するため、マ
トリックスにおけるＣ量は０．５〜１．２％が好まし
い。

【００１２】＜Ｎｉ系合金＞焼結体のマトリックスには
Ｎｉ系合金が含まれているのが好ましい。このＮｉ系合
金は、高温・腐食雰囲気における耐食性に優れた耐食性
Ｎｉ合金であり、ハステロイＤ、ハステロイＣと呼ばれ
るものを採用できる。焼結時の加熱でこのＮｉ系合金か
らＮｉ元素が周囲の鉄系地に拡散し、マトリックスを更
にオーステナイト相に安定させ、高温強度、耐食性の一
層の向上を期待できる。マトリックスは、焼結体全体を
１００％としたとき、Ｎｉ系合金を６〜１１％含むこと
が好ましい。６％未満ではバルブシートの摩耗量が大き
く、１１％を越えてもバルブシートの摩耗量はあまり減
少しないからである。

【００１３】Ｎｉ系合金は、Ｎｉ系合金を１００％とし
たとき、Ｎｉを３５〜６５％、Ｍｏを１２〜２６％、Ｃ
ｒを５〜３０％、Ｆｅを２〜１０％含む組成のＮｉ−Ｍ
ｏ−Ｃｒ系合金で構成できる。またＮｉ系合金は、Ｎｉ
を８０〜９０％、Ｓｉを２〜２０％、Ｃｕを１〜７％を
含む組成のＮｉ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金で構成できる。この
場合、Ｍｎは３％以下、Ａｌは３％以下が好ましい。

【００１４】次に上記したＮｉ系合金の組成の限定理由
についてＮｉーＭｏーＣｒ系合金とＮｉーＳｉーＣｕ系
合金とに分けて説明する。・ＮｉーＭｏーＣｒ系合金Ｎｉ：他の合金成分と共に酸化・腐食雰囲気での耐食性
を増加するが、Ｎｉが３５％未満ではその効果が少ない
（マトリックスに添加の場合は周囲のＦｅ中への拡散量
が不十分で、オーステナイト相に安定させる領域が少な
い）。しかし、Ｎｉが６５％を越えると他の合金成分の
効果を損なうと共に、耐食性向上効果が飽和するため、
Ｎｉは３５〜６５％添加が好ましい。

【００１５】Ｍｏ：Ｎｉに添加すると酸化雰囲気での耐
食性を向上する効果があり、更に母材から拡散する炭素
と結びつき、Ｍｏ炭化物を形成し、耐摩耗性も向上させ
るが、１２％未満ではいずれの効果も小さく、また、２
７％を越えると、炭化物の形成が多くなりすぎ、Ｎｉ系
合金が脆くなるとともに、相手攻撃性も増加するため、
Ｍｏは１２〜２７％添加が好ましい。

【００１６】Ｃｒ：酸化雰囲気で不働態化し、Ｎｉ系合
金の高温での耐食性を向上させるが５％未満ではその効
果がほとんどなく、また３０％を越えるとその効果が飽
和するため、Ｃｒは５〜３０％が好ましい。Ｆｅ：ＮｉーＭｏ系の合金に添加されると６％前後（２
〜１０％）で耐食性が最小となり、ＭｏやＮｉの量を低
減させる（Ｆｅで置き換える）ことが出来るためＦｅは
２〜１０％が好ましい。

【００１７】・ＮｉーＳｉーＣｕ系合金Ｎｉ：ＮｉーＭｏーＣｒ系の場合と同じく８０％未満で
は、耐食性向上効果が少なく、９０％を越えると他の合
金成分の効果を損なうと共に、耐食性向上効果が飽和す
るため、Ｎｉは８０〜９０％が好ましい。Ｓｉ：Ｎｉに添加されるとＮｉのシリサイドの硬質相を
形成し、更に耐食性も向上させるが、２％未満ではその
効果が少なく、２０％を越えると硬質相の形成が多くな
りすぎて脆くなり、しかも相手攻撃性が増加するため、
Ｓｉは２〜２０％が好ましい。

【００１８】Ｃｕ：Ｎｉに添加されると全率固溶して硬
度を上昇させ、更に、酸化雰囲気での耐食性を向上させ
るが、１％未満ではその効果がほとんどなく、７％を越
えるとその効果が飽和するためＣｕは１〜７％が好まし
い。Ｍｎ：Ｎｉに添加されると、Ｎｉ系合金をオーステナイ
ト相に安定化させ高温強度を向上させるが３％を越える
と、その効果が飽和するため３％以下が好ましい。

【００１９】Ａｌ：Ｎｉに添加されると耐食性を向上さ
せるが、その効果は比較的小さくまた３％を越えるとＮ
ｉ合金を脆くさせるため３％以下が好ましい。２．溶浸材溶浸材のベ−スとなるのは鉛、鉛系合金であり、鉛の含
有率は焼結合金の種類に応じて適宜選択できる。この溶
浸材に分散したＮｉ系合金からなる微粉末粒子は、高温
腐食雰囲気中の耐食性に優れる合金である。Ｎｉ系合金
からなる微粉末粒子は、焼結体のマトリックス中に混合
するＮｉ系合金と同一成分にできる。即ち、微粉末粒子
は、微粉末粒子を１００％としたとき、Ｎｉを３５〜６
５％、Ｍｏを１２〜２７％、Ｃｒを５〜３０％、Ｆｅを
２〜１０％含む組成の合金で構成できる。またこの微粉
末粒子は、Ｎｉを８０〜９０％、Ｓｉを２〜２０％、Ｃ
ｕを１〜７％を含む組成の合金で構成できる。この場
合、Ｍｎは３％以下、Ａｌは３％以下が好ましい。

【００２０】本発明合金では溶浸材全体を１００％とし
たとき、微粉末粒子が３〜３５％含まれている。耐摩耗
性向上効果及びその飽和を考慮したものである。特に、
９〜２１％含まれているのが好ましい。微粉末粒子の添
加に伴い、バルブシート摩耗量は９％あたりまで大きく
減少し、２１％を越えるあたりから摩耗量は定常値に達
し、耐摩耗性向上効果は飽和傾向となるからである。微
粉末粒子の粒径は０．４〜２．１μｍが好ましい。後述
する様に微粉末粒子の粒径が０．４〜２．１μｍの範囲
でバルブシート摩耗量が最小となるため、また溶浸材が
溶浸される焼結体の空孔径が通常５〜１５μｍ程度であ
るため、微粉末粒子が溶浸時に容易に焼結体の空孔内に
入り込める様にするためである。３．硬質粒子硬質粒子は、焼結合金の耐摩耗性を大きく向上させる。
硬質粒子としてはＦｅＭｏ粒子、ＦｅＷ粒子、ＦｅＣｒ
粒子を採用できる。

【００２１】ここで、ＦｅＭｏは硬度Ｈｖ１３００〜１
４００、ＦｅＷはＨｖ１１００〜１２００、ＦｅＣｒは
Ｈｖ１６００〜１７００といずれも高硬度な金属間化合
物であり、鉄系焼結合金のマトリックスの耐摩耗性を大
きく向上させ得る。硬質粒子の添加量が４％未満では、
この耐摩耗性向上効果が不十分であり、また１６％を越
えると相手材（バルブフェース）摩耗量が増加し、許容
レベルを越えるとともに、切削性も悪化するため、前記
のごとく４〜１６％が好ましい。ただし、ＦｅＣｒは硬
度が極めて高く、添加量が１０％を越えると相手攻撃性
が大きくなるため、添加量（単独あるいは組合せた場合
とも）の上限を１０％とすることが好ましい。

【００２２】

【作用】バルブシートの当り面の温度が高温となり溶浸
材の融点を越えると、微粉末粒子を混合した溶浸材は溶
融状態となり、焼結合金の空孔から最表層の外部に徐々
に放出される。その際に、溶浸材に混合しておいた微粉
末粒子も外部に放出される。この微粉末粒子はＮｉ系合
金からなるため、融点が溶浸材よりも高温であるため、
固相状態が保持されており、バルブの着座等よってバル
ブシートの当り面を微粉末粒子が移動し、当り面の微細
な凹部に達し、その凹部内に入り込む。よって、その凹
部での腐食反応の進行が抑制され、バルブシートの当り
面の耐腐食性を向上させる。

【００２３】

【実施例】

〔実施例の構成〕以下実施例について比較例と共に説明
する。図２はバルブシート１００とバルブ２００を備え
た要部の動弁系の断面を示す。この例では、バルブシー
ト１００を構成する鉄系焼結体を形成するにあたり、１
００メッシュ（粒径１５０μｍ）程度に製造した鉄粉
末、黒鉛粉末およびＮｉ系合金粉末を用いる。更に硬質
粒子としてのＦｅＭｏの粉末（粒径２０〜５０μｍ）も
用いる。これらの粉末を充分に混合して混合粉末を得
る。

【００２４】ここで表１に示す様に、前記したＮｉ系合
金粉末として、実施例１、実施例３、実施例５、実施例
７、実施例８ではＮｉーＭｏーＣｒ系を採用する。また
前記したＮｉ系合金粉末として、実施例２、実施例４、
実施例６ではＮｉーＳｉーＣｕ系を採用する。各成分の
比率は表１に示す通りである。次に製造法を述べる。図
３（Ａ）（Ｂ）に示す型２ａ〜２ｃからなる焼結用成形
型２を用い、上記した混合粉末１を焼結用成形型２内に
充填し、７ｔｏｎ／ｃｍ³の圧力でパンチ型２ｅにより
加圧してリング状の圧粉体１Ａを成形する。その後、ア
ンモニア分解ガス雰囲気中にて１１００〜１１５０℃に
圧粉体１Ａを４５分加熱保持し、圧粉体１Ａの焼結を行
ない、図３（Ｃ）に示す焼結体３を得る。この焼結体３
は密度が６．６〜７．０ｇ／ｃｍ³であり、空孔の比率
は１０〜２０ｖｏｌ％程度である。

【００２５】上記した焼結条件について説明する。圧粉
体１Ａでは各粉末粒子間は単に機械的な噛み合いによる
結合のみである。そこで更に各粉末を加熱し各粉末粒子
間に原子レベルでの結合を行なわせるのが焼結である
が、通常加熱条件は各成分融点以下であり、各粉末が固
相状態のまま粉末間で原子の拡散が十分行なわれる加熱
温度と加熱時間が生産性を考慮しつつ選ばれる。このこ
とを考慮して焼結条件は下記の様に選択されている。

【００２６】（焼結加熱温度）上記した実施例ではマト
リックスを構成する主成分は鉄で、この鉄とＮｉ合金間
の焼結反応が重要となる。鉄の融点は１５３５℃で、Ｎ
ｉ合金の融点は５１Ｎｉー１９Ｍｏー１７Ｃｒー６Ｆｅ
の場合１３５０℃であるため、鉄が主成分の場合に通常
設定される加熱温度（１１００〜１１５０℃）を選ん
だ。この加熱温度範囲では、各粉末間の原子拡散が飽和
する時間（１〜２時間）保持した場合に、焼結体の密度
が６．６〜７．０ｇ／ｃｍ³となり、狙いの空孔率約１
０〜２０ｖｏｌ％が得られる。

【００２７】（焼結加熱時間）鉄とＮｉは互いに合金化
し合う元素で、焼結反応の初期には、まずＮｉ合金粉末
からＮｉ原子が表面拡散により鉄粉末の表面を包み、そ
の後、鉄粉末の内部にＮｉ原子が拡散していき合金化が
行なわれる。このＮｉ原子の拡散量は加熱温度が一定の
場合加熱時間とともに増加し、ある時間以上で飽和値に
達する。図４には焼結加熱温度を１１００℃および１１
５０℃とした場合の加熱保持時間とＮｉ拡散率（焼結体
の任意の断面内でＮｉ元素が拡散した面積の割合…ＥＰ
ＭＡ分析機により元素分析）の関係を示す。図４の特性
線に示す様に、Ｎｉ拡散率の変化は焼結加熱温度により
異なり、即ち、より高温（１１５０℃）である程、Ｎｉ
拡散率が高く拡散が早く行なわれるが、最終的にはＮｉ
拡散率は、温度差によらず同レベルの飽和値に達する。
そこで焼結加熱温度１１００℃で拡散率が飽和状態に達
する４５分を焼結加熱保持時間とした。

【００２８】次に実施例で用いる溶浸材ついて説明す
る。即ち本例では粒径０．５〜２μｍ程度のＮｉ系合金
の微粉末粒子を用いる。各例における微粉末粒子の組
成、粒径を表１に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】そして、溶浸材全体を１００％としたとき
表１に示す様な割合で微粉末粒子１０〜２０重量％、鉛
の融液中に混入し、攪拌する。その後、アトマイズ処理
により鉛の融液を粒径１ｍｍ程度の粒状に凝固させて、
これにより微粉末粒子を含む粒状の溶浸材を得る。そし
て図３（Ｄ）に示す様にこの粒状の溶浸材４を黒鉛トレ
ー５上に敷きつめ、その上に焼結体３を載せる。その状
態でアンモニア分解ガス雰囲気中で鉛の融点以上４００
〜４２０℃に焼結体３を溶浸材４と共に加熱し、溶浸材
４の融液を毛細管現象により焼結体３の空孔に溶浸さ
せ、これによりＮｉ系合金からなる微粉末粒子を焼結体
３の空孔に進入させる。

【００３１】最後に、溶浸処理した焼結体３を適宜機械
加工してバルブシートに仕上げる。図５は焼結合金のバ
ルブシートの当り面の最表層付近の断面構造を模式的に
示す拡大図である。図５に示す様に、マトリックスで
は、Ｃが固溶したパーライト相またはベイナイト相から
なる鉄系地１０２中にＮｉ系合金１０３が分散してお
り、そのＮｉ系合金１０３の周囲に、Ｎｉ元素が拡散し
たオーステナイト相１０４が形成されている。更にその
マトリックスの連続状の空孔には溶浸材８が溶浸され、
溶浸材８にはＮｉ系合金からなる微粉末粒子１１が含ま
れている。更にマトリックスに硬質粒子が分散してい
る。

【００３２】ところで、有鉛ガソリン燃料を使用した内
燃機関では、排気側バルブ上で腐食性の強いＰｂＯやＰ
ｂＳＯ₄が生成され、バルブに直接接触するバルブシー
トの当り面はＰｂＯやＰｂＳＯ₄により強く腐食され
る。このようなバルブシートの当り面を電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）で観察すると、オーステナイト相では比較的腐食
が少ない。しかしＮｉ拡散量の少ないパーライト相、ベ
イナイト相は強く腐食され、表面に多数の微細な凹部が
形成されており、その微細な凹部の底部では腐食が更に
進行している様子が見られる。〔実施例の効果〕上記した本発明に係る各実施例によれ
ば、バルブシート摩耗量が減少する効果が得られる。こ
の様な摩耗量の減少効果は次の様なメカニズムによると
推察されている。即ち、バルブシートの当り面の温度が
鉛の融点（３２７℃）を越えると、微粉末粒子を混合し
た鉛の溶浸材８は溶融状態となり、図６（Ａ）に示す様
に焼結合金の最表層の空孔から外部に徐々に放出され、
当り面１０１に放出され、放出部９となる。その際に、
溶浸材８に混合されている微粉末粒子１１も同時に当り
面１０１に運び出される。このＮｉ系合金からなる微粉
末粒子１１は融点が１２３０℃あるいは１３５０℃と高
温であるため、固相状態が保持されており、バルブの矢
印Ｙ１方向（図６（Ｂ））への着座、矢印Ｙ２方向（図
６（Ｃ））への回転に伴なってバルブシートの当り面１
０１上の腐食進行領域Ｋ１に微粉末粒子１１が移動し、
上に述べた腐食進行領域Ｋ１の微細な凹部１３に達し、
図６（Ｃ）に示す様に微粉末粒子１１は凹部１３内に入
り込む。更にバルブの着座力や燃焼圧によりこの微粉末
粒子１１は凹部１３中に埋没される。よって、その凹部
１３での腐食反応の進行が抑制され、バルブシートの当
り面１０１の耐腐食性を向上させる。従って、摩耗を誘
発し易い有鉛ガソリン燃料を使用し燃焼温度が高くなる
内燃機関においても、排気側バルブシートの耐摩耗性が
保持され、大幅な摩耗増加が効果的に回避される。

【００３３】バルブシート摩耗量が減少する効果を確認
すべく実施例の焼結合金及び比較例による焼結合金によ
りバルブシートを試作し、４気筒２２００ｃｃ（１気筒
当りバルブ数４つ）の有鉛ガソリン燃料使用内燃機関の
シリンダヘッドの排気側に組み込み、６０００ｒｐｍに
おいて全負荷×２００時間（空燃比＝１３〜１４）の運
転条件で耐久性を試験した。その試験結果を図１に示
す。図１の縦軸の上部はバルブシート摩耗量を示し、縦
軸の下部はバルブフェース摩耗量を示す。

【００３４】図１に示す様に、各実施例はいずれも比較
例よりもバルブシート摩耗量が半分以下と良好であっ
た。従ってＮｉ系合金からなる微粉末粒子を鉛の溶浸材
に混合したことによる耐摩耗性改善効果が確認され、ま
た鉛化合物腐食進行抑制の改善効果が確認された。〔試験例〕（試験例１）上記の様に製造した焼結合金を用い、焼結
体のマトリックスのＮｉ系合金の混合率と腐食状態にお
けるバルブシート摩耗量との関係を試験した。試験は次
の様にして行った。即ち、図７に示す様にこの試験片３
００をＰｂＯ粉末３０３中に入れ、６００℃において炉
３０５の中で１時間加熱する。この加熱によりＰｂＯ粉
末３０３は溶融しない（ＰｂＯの融点８８０℃）が、試
験片３００とＰｂＯ粉末３０３との接触部で腐食反応が
進行し、試験片３００のバルブシートの当り面は腐食を
うけた状態となる。次に図８に示す様にこのバルブシー
ト状の試験片３００とバルブ４００（ＳＵＥ５０製）と
をバルブ単体摩耗試験機に組み込み、バルブ４００をバ
ーナ５００で加熱しつつ、実際の内燃機関の動弁系と同
じ条件で相対運動させる。試験条件はバルブシート当り
温度：３５０℃、バルブ摺動速度：エンジン回転数で４
０００ｒｐｍ相当、バルブスプリング荷重：４ｋｇｆ、
試験時間：１０時間とした。

【００３５】そして図９に示す様に、試験前のシート当
り幅をα１とし、試験後のシート当り幅をα２としたと
き、バルブシート摩耗量は、バルブシートの当り面幅増
加量つまり（α２−α１）を測定して得た。バルブフェ
ース摩耗量はバルブのβを測定して得た。試験結果を図
１０に示す。図１０の特選線Ｐ１から理解できる様にＮ
ｉ系合金の混合率を増加させると、バルブシート摩耗量
が減少していくが、Ｎｉ系合金が５％を超えたあたりで
摩耗量は定常値に近づき、１５ｗｔ％を超えたあたりか
ら摩耗量は若干増加する傾向が見られる。このＮｉ系合
金は混合率が高くなる程切削性が悪化し、しかも材料費
が高くなる。そのためＮｉ系合金の混合率範囲は６〜１
１ｗｔ％、つまり図１０に示す領域Ｍ１付近が好ましい
ことがわかる。

【００３６】（試験例２）硬質粒子としてＦｅＭｏ、Ｆ
ｅＷ、ＦｅＣｒの各粒子を用い、焼結体における硬質粒
子の添加量と腐食状態におけるバルブシート摩耗量との
関係を試験した。試験条件は試験例１と同様にした。Ｆ
ｅＭｏは硬度がＨｖ１３００〜１４００、ＦｅＷは硬度
がＨｖ１１００〜１２００、ＦｅＣｒは硬度がＨｖ１６
００〜１７００と高く、鉄系焼結体のマトリックスの耐
摩耗性を大きく向上させる。試験結果を図１１に示す。
図１１の特性線Ｐ２に示す様に、硬質粒子は４％未満の
添加率ではこの効果が不十分で、また１６％を越えると
相手材であるバルブフェースの摩耗量が増加して許容レ
ベルを越えるとともに、自身の切削性も悪化するため、
硬質粒子の混合範囲は４〜１６ｗｔ％、つまり図１１に
示す領域Ｍ２付近が好ましい。なお、ＦｅＣｒを用いた
場合の試験結果を図１１の特性線Ｐ５、Ｐ６に示すが、
この場合には領域Ｍ３付近が好ましい。

【００３７】（試験例３）溶浸材に含まれるＮｉ系合金
からなる微粉末粒子の混合率と腐食後のバルブシートの
耐摩耗性との関係を試験した。試験条件は試験例１と同
様にした。試験結果を図１２に示す。図１２の特性線Ｐ
４から理解できる様にＮｉ系合金からなる微粉末粒子の
混合率を増加させると、９％あたりまでバルブシート摩
耗量は大きく減少し、２１ｗｔ％を越えるあたりからバ
ルブシート摩耗量は定常値に達し、耐摩耗性向上効果は
飽和傾向となる。そのため微粉末粒子の混合率は９〜２
１％、つまり図１２に示す領域Ｍ４付近が好ましい。

【００３８】次に、微粉末粒子の粒径とバルブシート摩
耗量との関係を試験した。試験条件は試験例１と同様に
した。試験結果を図１３に示す。図１３に示す様に粒径
が０．５〜２μｍの範囲でバルブシート摩耗量が最小と
なるので、図１３に示す領域Ｍ５付近が好ましい。

【００３９】

【発明の効果】本発明にかかるバルブシート様焼結合金
によれば、バルブシートの当り面の耐腐食性を向上させ
得る。その理由は以下の様に推察されている。即ち、バ
ルブシートの当り面温度が高温となり溶浸材の融点を越
えると、溶浸材は溶融状態となり、微粉末粒子と共に焼
結合金の最表層の空孔から外部に徐々に放出される。こ
の微粉末粒子はＮｉ系合金からなるため融点が溶浸材よ
りも高温であり、固相状態が保持されており、バルブの
着座等よってバルブシートの当り面を微粉末粒子が移動
し、当り面の微細な凹部に達し、その凹部内に入り込
み、その凹部での腐食反応の進行が抑制され、バルブシ
ートの当り面の耐腐食性を向上させる。

【００４０】従って本発明にかかるバルブシート様焼結
合金によれば、腐食を誘発し易い有鉛ガソリン燃料を使
用する内燃機関、空燃比等の関係で燃焼温度が高くなる
内燃機関においても、バルブシートの耐摩耗性が保持さ
れ、摩耗量を減少させ得る。よってバルブシート摩耗に
起因する燃焼ガス抜け、燃焼ガス抜けによるバルブの溶
損の防止に有利である。更にバルブーシートの円周方向
の温度分布に起因したバルブシートの偏摩耗の抑制に有
利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】試験結果を示すグラフである。

【図２】動弁機構の要部を示す断面図である。

【図３】圧粉体を生成し、その圧粉体を溶浸する過程を
示す工程図である。

【図４】焼結における加熱保持時間とＮｉ拡散率との関
係を示すグラフである。

【図５】バルブフェースの当り面付近の組織を模式的に
示す断面図である。

【図６】溶浸材に含まれている微小粉末がバルブフェー
スの当り面に排出される過程を模式的に示す断面図であ
る。

【図７】ＰｂＯ粉末中で試験片を加熱保持している状態
の断面図である。

【図８】試験している状態を模式的に示す構成図であ
る。

【図９】シート当たり幅増加量を示す構成図である。

【図１０】Ｎｉ系合金混合率とバルブシート摩耗量との
関係を示すグラフである。

【図１１】硬質粒子添加量とバルブシート摩耗量及びバ
ルブフェース摩耗量との関係を示すグラフである。

【図１２】溶浸材中における微粉末粒子の混合率とバル
ブシート摩耗量との関係を示すグラフである。

【図１３】溶浸材中における微粉末粒子の粒径とバルブ
シート摩耗量との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

図中、３は焼結体、８は溶浸材、１１は微粉末粒子、１
０１は当り面、１０２は鉄基地、１０４はオーステナイ
ト相、３０３はＰｂＯ粉末を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄系焼結体と、該鉄系焼結体の空孔に溶浸
させた溶浸材とで構成され、該溶浸材は、ｗｔ％で溶浸材全体を１００％としたと
き、Ｎｉ系合金からなる微粉末粒子を３〜３５％鉛系金
属に分散させて構成されていることを特徴とするバルブ
シート用鉄系焼結合金。
【請求項２】鉄系焼結体はマトリックスと該マトリック
スに分散した硬質粒子とで構成され、該マトリックスは、焼結体全体を１００％としたとき、
Ｎｉ系合金を６〜１１％、Ｃを０．５〜１．２％、残部
実質的に鉄の組成をもち、該Ｎｉ系合金は、該Ｎｉ系合金を１００％としたとき、
Ｎｉを３５〜６５％、Ｍｏを１２〜２７％、Ｃｒを５〜
３０％、Ｆｅを２〜１０％含む組成のＮｉ−Ｍｏ−Ｃｒ
系合金、及び、Ｎｉを８０〜９０％、Ｓｉを２〜２０
％、Ｃｕを１〜７％を含む組成のＮｉ−Ｓｉ−Ｃｕ系合
金の少なくとも１種で構成され、該溶浸材は、溶浸材全体を１００％としたとき、該微粉
末粒子が９〜２１％、残部実質的に鉛の組成であり、該微粉末粒子は、該微粉末粒子全体を１００％としたと
き、Ｎｉを３５〜６５％、Ｍｏを１２〜２７％、Ｃｒを
５〜３０％、Ｆｅを２〜１０％含む高耐食性合金、及
び、Ｎｉを８０〜９０％、Ｓｉを２〜２０％、Ｃｕを１
〜７％含む組成の高耐食性合金の少なくとも１種で構成
され、該微粉末粒子の粒径は０．４〜２．１μｍであることを
特徴とする請求項１に記載のバルブシート用鉄系焼結合
金。
【請求項３】該硬質粒子はＦｅＭｏ、ＦｅＣｒ、ＦｅＷ
の少なくとも１種で構成され、該焼結体全体が１００％
のとき４％〜１６％含有されていることを特徴とする請
求項２に記載のバルブシート用鉄系焼結合金。