JPH10226855A - 耐摩耗焼結合金製内燃機関用バルブシート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関のバルブシートあるいは圧縮機のベ
ーン等の摺動部材に適用して好適な耐摩耗性に優れた鉄
系焼結合金材を提案する。 【解決手段】 10μm 以下の微細炭化物が析出し、400H
v 以上の硬さのFeを主成分とする第１相を面積比で30〜
95％、純鉄、炭素鋼あるいは低合金鋼の組成を有する第
１相より軟質である第２相を５〜70％有する混合組織か
らなる基地とする。この基地に、溶浸または予め添加し
たCu相またはCu合金相を面積比で１〜20％含有してもよ
く、また、平均粒径：20〜100 μm 、硬さ：700 〜1500
HvのFe-Mo粒子、Cr-Mo-Co金属間化合物粒子、Ｃ-Cr-Ｗ-
Co 粒子等の硬質粒子を面積比で１〜20％分散させても
よい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用のバル
ブシートあるいは圧縮機のベーン、スクロール止めリン
グ等の圧縮機部品等の摺動部材用焼結合金材および焼結
合金材を用いた内燃機関用バルブシートに関し、とくに
耐摩耗性に優れたバルブシートあるいは圧縮機部品等の
摺動部材用焼結合金材および耐摩耗性に優れた焼結合金
材を用いたバルブシートに関する。

【０００２】

【従来の技術】焼結合金は、合金粉末を配合混練し、金
型に充填し圧縮成形したのち、所定の温度雰囲気中で焼
結したものであり、通常の溶製方法では得難い金属や合
金が容易に製造でき、また機能の複合化が容易なため、
独特な機能を付与した部品の製造が可能である。さら
に、多孔質材や難加工材などの製造や、形の複雑な機械
部品の製造に適している。近年、耐摩耗性が要求される
内燃機関のバルブシートや、圧縮機のベーン等の摺動部
材にこの焼結合金が適用されるようになった。

【０００３】バルブシート用焼結合金材としては、例え
ば、特公昭51−13093 号公報に、無鉛ガソリンの使用下
にあっても、高度の耐摩耗性を有し、同時に耐熱、耐食
性を有するバルブシート用鉄系焼結合金材が開示されて
いる。この焼結合金は、Ｃ、Ni、Cr、Mo、Co、Ｗを多量
に含み、パーライト基地中にＣ−Cr−Ｗ−Coよりなる特
殊合金粒子とフェロモリブデン粒子が分散し、かつこれ
ら粒子の周囲にCo、Niが拡散したものである。このよう
に、この焼結合金では、耐熱性、耐摩耗性、耐食性等の
特性を付与させるため、とくに、Ｗ、Coの多量添加を必
要としていた。このため、この焼結合金製のバルブシー
トは、高価となり、コスト的に問題を残していた。

【０００４】冷凍冷蔵装置や空調機等に使用される圧縮
機は、近年、その使用条件がますます厳しくなってい
る。オゾン層の破壊などの環境問題のため、従来使用し
てきた分子内に塩素を含む冷媒から分子内に塩素を含ま
ない冷媒への変更が検討されている。しかし、塩素を含
まない冷媒では、潤滑性能が悪く圧縮機のベーン等の摺
動材料についてその耐摩耗性の向上が要望されていた。

【０００５】一方、圧縮機ベーン用焼結合金としては、
Cr炭化物を析出させた相とFe−Ｃ系のマルテンサイト相
との混合組織を有するクロム含有の鉄系焼結合金が使用
されている。このクロムを含有する鉄系焼結合金では、
圧縮機ベーン用としては、耐摩耗性が不足する場合があ
り、使用される機種も低出力のものに限定されていた。
圧縮機ベーンの耐摩耗性の向上対策として、例えば、特
開平７−293463号公報には、クロムを含有する鉄系焼結
合金の表面に鉄とクロムと窒素からなる化合物層を形成
し、さらに窒化クロム、窒化チタンあるいは炭化チタン
のセラミックコーティングを施す方法が提案されてい
る。しかしながら、このような化合物層の形成やセラミ
ックコーティングを施す場合には、製造工程が複雑にな
るうえ、製造コストを増加させるという問題があった。
このようなことから、圧縮機のいかなる機種にも適用で
き耐摩耗性に富む圧縮機ベーン用素材として、耐摩耗性
に優れた焼結合金が要望されていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した問
題を有利に解決し、内燃機関のバルブシートあるいは圧
縮機のベーン、スクロール止めリング等の圧縮機部品等
に適用して好適な耐摩耗性に優れた摺動部材用鉄系焼結
合金材、ベーン、スクロール止めリング等の圧縮機部品
用鉄系焼結合金材、および耐摩耗性に優れた鉄系焼結合
金材を適用した内燃機関用バルブシートを提案すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、微細炭化物が
析出したFeを主成分とする第１相と、Feを主成分とし前
記第１相より軟質である第２相との混合組織からなる鉄
基基地組織を主とする鉄系焼結合金材であって、前記第
１相は、10μm 以下の微細炭化物が析出し、400 Hv以上
の硬さを有し、鉄基基地組織中の面積比が30〜95％の比
率であり、前記第２相は、鉄基基地組織中の面積比が５
〜70％の比率であることを特徴とする耐摩耗性に優れた
摺動部材用鉄系焼結合金材である。

【０００８】また、本発明は、微細炭化物が析出したFe
を主成分とする第１相と、Feを主成分とし前記第１相よ
り軟質である第２相との混合組織からなる鉄基基地組織
を主とする鉄系焼結合金材であって、前記第１相は、重
量比で、Ｃ：2.0 ％以下を含み、Cr：17％以下、Mo：12
％以下、Ｗ：20％以下、Ｖ：６％以下、Ti：３％以下、
Nb：３％以下、Ｂ：３％以下、Co：13％以下の中から選
ばれた１種または２種以上を含有し残部Feおよび不可避
的不純物からなり、かつ10μm 以下の微細炭化物が析出
し、400 Hv以上の硬さを有し、鉄基基地組織中の面積比
が30〜95％の比率であり、前記第２相は、純鉄、炭素鋼
あるいは低合金鋼のうちのいずれかの組成を有し、鉄基
基地組織中の面積比が５〜70％の比率であることを特徴
とする摺動部材用鉄系焼結合金材であり、前記摺動部材
は、バルブシートまたは圧縮機部品とするのが好まし
い。

【０００９】本発明は、微細炭化物が析出したFeを主成
分とする第１相と、Feを主成分とし前記第１相より軟質
である第２相との混合組織からなる鉄基基地組織を主と
する鉄系焼結合金製バルブシートであって、前記第１相
は、10μm 以下の微細炭化物が析出し、400 Hv以上の硬
さを有し、鉄基基地組織中の面積比が30〜95％の比率で
あり、前記第２相は、鉄基基地組織中の面積比が５〜70
％の比率であることを特徴とする耐摩耗性に優れた鉄系
焼結合金製内燃機関用バルブシートである。

【００１０】また、本発明は、微細炭化物が析出したFe
を主成分とする第１相と、Feを主成分とし前記第１相よ
り軟質である第２相との混合組織からなる鉄基基地組織
を主とする鉄系焼結合金製バルブシートであって、前記
第１相は、重量比で、Ｃ：2.0 ％以下を含み、Cr：17％
以下、Mo：12％以下、Ｗ：20％以下、Ｖ：６％以下、T
i：３％以下、Nb：３％以下、Ｂ：３％以下、Co：13％
以下の中から選ばれた１種または２種以上を含有し残部
Feおよび不可避的不純物からなり、かつ10μm 以下の微
細炭化物が析出し、400 Hv以上の硬さを有し、鉄基基地
組織中の面積比が30〜95％の比率であり、前記第２相
は、純鉄、炭素鋼あるいは低合金鋼のうちのいずれかの
組成を有し、かつ鉄基基地組織中の面積比が５〜70％の
比率であることを特徴とする鉄系焼結合金製内燃機関用
バルブシートであり、さらに前記第２相は、重量比で、
Ｃ：0.5 ％以下を含有する純鉄、あるいはＣ：1.5 ％以
下、Mn：0.5 ％以下、Si：1.0 ％以下を含有し残部Feお
よび不可避的不純物からなる炭素鋼、あるいはＣ：1.5
％以下、Mn：0.5 ％以下、Si：1.0 ％以下を含有しCr：
４％以下、Mo：３％以下、Co：６％以下、Ni：５％以
下、Ｖ：1.0 ％以下、Cu：5.0 ％以下の中から選ばれた
１種または２種以上を含有し残部Feおよび不可避的不純
物からなる低合金鋼のうちのいずれかとするのが好まし
い。

【００１１】また、本発明の鉄系焼結合金材、鉄系焼結
合金製バルブシートでは、上記した鉄基基地組織に加え
て、溶浸または予め添加したCu相またはCu合金相を面積
比で１〜20％含有させてもよく、また、平均粒径：20〜
100 μm 、硬さ：700 〜1500Hvの硬質粒子を面積比で１
〜20％分散させてもよい。前記硬質粒子は、Fe−Mo粒
子、Fe−Ｗ粒子、Cr−Mo−Co金属間化合物粒子、Ｃ−Cr
−Ｗ−Co粒子のうちのいずれかがよい。

【００１２】また、本発明の鉄系焼結合金材、鉄系焼結
合金製バルブシートでは、上記した鉄基基地組織に加え
て、固体潤滑剤を面積比で0.5 〜10％含有させてもよ
く、前記固体潤滑剤は、グラファイト、硫化物、窒化
物、フッ化物のうちのいずれかがよい。また、本発明の
鉄系焼結合金材、鉄系焼結合金製バルブシートでは、焼
結空孔が、低融点金属により溶浸されてもよい。前記低
融点金属は、Pb、Pb合金、Sn、Sn合金、Zn、Zn合金、の
中から選ばれた金属が好ましい。

【００１３】また、第２の本発明は、微細炭化物が析出
したFeを主成分とする第１相と、Feを主成分とし前記第
１相より軟質である第２相との混合組織からなる鉄基基
地組織を主とする鉄系焼結合金材であって、前記第１相
は、重量比で、Ｃ：2.0 ％以下を含み、Cr：17％以下、
Mo：12％以下、Ｗ：20％以下、Ｖ：６％以下、Ti：３％
以下、Nb：３％以下、Ｂ：３％以下、Co：13％以下の中
から選ばれた１種または２種以上を含有し残部Feおよび
不可避的不純物からなり、かつ10μm 以下の微細炭化物
が析出し、400 Hv以上の硬さを有し、鉄基基地組織中の
面積比が30〜95％の比率であり、前記第２相は、純鉄、
炭素鋼あるいは低合金鋼のうちのいずれかの組成を有
し、鉄基基地組織中の面積比が５〜70％の比率であるこ
とを特徴とする耐摩耗性に優れた圧縮機部品用鉄系焼結
合金材であり、前記第２相は、重量比で、Ｃ：0.5 ％以
下を含有する純鉄、あるいはＣ：1.5 ％以下、Mn：0.5
％以下、Si：1.0 ％以下を含有し残部Feおよび不可避的
不純物からなる炭素鋼、あるいはＣ：1.5 ％以下、Mn：
0.5 ％以下、Si：1.0 ％以下を含有しCr：４％以下、M
o：３％以下、Ni：５％以下、Ｖ：1.0 ％以下、Cu：5.0
％以下の中から選ばれた１種または２種以上を含有し
残部Feおよび不可避的不純物からなる低合金鋼のうちの
いずれかからなるのが好ましい。

【００１４】また、本発明の圧縮機部品用鉄系焼結合金
材では、前記鉄基基地組織に加えて、溶浸または予め添
加したCu相またはCu合金相を面積比で１〜20％含有させ
てもよく、また、前記鉄基基地組織に加えて、平均粒
径：20〜100 μm 、硬さ：700〜1500Hvの硬質粒子を面
積比で１〜20％分散させてもよく、さらにまた、前記鉄
基基地組織に加えて、固体潤滑剤を面積比で0.5 〜10％
含有させてもよく、前記固体潤滑剤はグラファイト、硫
化物、窒化物、フッ化物のうちのいずれかがよい。ま
た、焼結空孔が、低融点金属により溶浸されてもよい。
前記低融点金属は、Pb、Pb合金、Sn、Sn合金、Zn、Zn合
金の中から選ばれた金属が好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の鉄系焼結合金材、圧縮機
部品用鉄系焼結合金材あるいは鉄系焼結合金製バルブシ
ートは、面積比で30〜95％の、微細炭化物が析出したFe
を主成分とする第１相と、面積比で５〜70％の、Feを主
成分とし前記第１相より軟質である第２相との混合組織
からなる鉄基基地組織を主組織とする。

【００１６】第１相は、10μm 以下の微細炭化物が析出
し、400 Hv以上の硬さを有する。析出する微細炭化物の
大きさが10μm を超えると強度が低下し、相手攻撃性が
強まる。また、硬さが400 Hv未満では、耐摩耗性を向上
できない。なお、微細炭化物の大きさは１〜５μm が好
適であり、第１相の硬さは450 〜900 Hvとするのが耐摩
耗性、強度、相手攻撃性の点から好ましい。なお、第１
相の組織は、基本的には微細炭化物が析出した組織を主
とする。

【００１７】また、鉄基基地組織中における第１相の比
率は面積比で30〜95％とする。30％未満では耐摩耗性が
劣化し本発明の目的を達成できない。一方、95％を超え
ると耐摩耗性の向上は飽和し、合金元素量の増加に比し
効果が少なく経済的に不利となる。なお、鉄基基地組織
中の第１相の比率は50〜90％とするのが好ましい。第１
相の組成は、重量比で、Ｃ：2.0 ％以下を含み、Cr：17
％以下、Mo：12％以下、Ｗ：20％以下、Ｖ：６％以下、
Ti：３％以下、Nb：３％以下、Ｂ：３％以下、Co：13％
以下の中から選ばれた１種または２種以上を含有し残部
Feおよび不可避的不純物からなるのが好ましい。

【００１８】以下、第１相の好適な成分組成の限定理由
について説明する。 Ｃ：2.0 ％以下 Ｃは、相を所定の組織、硬さに調整するために、あるい
は、さらに炭化物を形成するために必要な元素であり、
2.0 ％を超えると、融点が低下し液相が形成されるため
液相焼結となり、炭化物析出量が過多となり、また空孔
の形成が多くなり伸び特性が劣化し寸法精度も低下す
る。また、Ｃは好ましくは0.5 ％以上とする。0.5 ％未
満では、焼結が進行せず、炭化物析出量が少なく耐摩耗
性が劣化する。より好ましくは0.7 〜1.7 ％である。

【００１９】Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Ti、Nb、Ｂ、Coの中から
選ばれた１種または２種以上を含有できる。 Cr：17％以下 Crは、強度、耐熱性および耐摩耗性を高める元素である
が、17％を超えるとCr炭化物の析出量が過多となり被削
性が低下するとともに、相内に析出する炭化物が10μm
以下の微細炭化物となりにくい。Crは好ましくは４％以
上とする。４％未満では、Cr炭化物の析出量が少なく耐
摩耗性が若干低下する。より好ましくは４〜12％であ
る。

【００２０】Mo：12％以下 Moは、固溶および炭化物として析出し相の硬さを高め、
耐摩耗性を向上させるが、12％を超えると、粉末の流動
性が低下し成形性が悪化する。Moは好ましくは３％以上
とする。３％未満では、析出する炭化物量が少なく耐摩
耗性が劣化する。より好ましくは３〜６％である。

【００２１】Ｗ：20％以下 Ｗは、炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素であ
り、20％を超えると炭化物の析出量が過多となり、強度
が高くなりすぎ伸びが不足する。Ｗは好ましくは４％以
上とする。４％未満では炭化物の析出量が少なく、耐摩
耗性が若干低下する。より好ましくは４〜12％、さらに
より好ましくは４〜７％である。

【００２２】Ｖ：６％以下 Ｖは、炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素であ
り、６％を超えると炭化物の析出量が過多となり、強度
が高くなりすぎ伸びが不足する。Ｖは好ましくは１％以
上とする。１％未満では炭化物の析出量が少なく、耐摩
耗性が若干低下する。より好ましくは２〜５％、さらに
より好ましくは２〜３％である。

【００２３】Ti：３％以下 Tiは、炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素であ
るが、３％を超えると析出量が多すぎ、伸びが不足す
る。なお、Tiは好ましくは0.5 〜2.0 ％である。 Nb：３％以下 Nbは、Tiと同様に炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させ
る元素であるが、３％を超えると析出量が多すぎ、伸び
が不足する。なお、Nbは好ましくは0.5 〜2.0％であ
る。

【００２４】Ｂ：３％以下 Ｂは、炭化物形成元素とともに、基地組織を所定の組織
として、耐摩耗性を向上させる元素である。３％を超え
ると、粗大な析出物を形成し、耐摩耗性を劣化させる。
なお、Ｂは好ましくは0.5 〜2.0 ％である。 Co：13％以下 Coは、高温強度を増加させるとともに、温度上昇に伴う
硬度低下を抑制することにより耐摩耗性を向上させる元
素であるが、13％を超えるとその効果は飽和し、添加量
に見合う効果が期待できず、経済的に不利となるため、
Coは13％以下に限定した。なお、好ましくは８〜10％の
範囲である。

【００２５】第１相は残部は実質的にFeである。つぎ
に、第２相について説明する。本発明の鉄系焼結合金
材、圧縮機部品用鉄系焼結合金材あるいは鉄系焼結合金
製バルブシートでは、成形圧粉性を向上させるために、
第２相を形成する。第２相は、前記第１相より軟質であ
ればよく、400 Hv以下の硬さとするのが好ましい。鉄基
基地組織中に第２相が存在することにより、硬質な相単
独の場合に比べ、焼結体の強度、靱性が格段に向上す
る。また、第１相より合金元素量が少なくコスト的にも
有利となる。組成はFeを主成分とする、純鉄、炭素鋼あ
るいは低合金鋼のうちのいずれかとするのが好ましい。

【００２６】また、鉄基基地組織中における第２相の比
率は面積比で５〜70％とする。５％未満では圧粉性が不
足し、70％を超えると耐摩耗性に悪影響を及ぼす。この
ため、鉄基基地中における第２相の比率は５〜70％に限
定した。鉄系焼結合金製バルブシートにおける、第２相
の組成は、重量比で、Ｃ：0.5％以下を含有し、Feおよ
び不可避的不純物からなる純鉄、あるいはＣ：1.5 ％以
下、Mn：0.5 ％以下、Si：1.0 ％以下を含有し残部Feお
よび不可避的不純物からなる炭素鋼、あるいはＣ：1.5
％以下、Mn：0.5 ％以下、Si：1.0 ％以下を含有しCr：
４％以下、Mo：３％以下、Co：６％以下、Ni：５％以
下、Cu：5.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下の中から選ばれた
１種または２種以上を含有し残部Feおよび不可避的不純
物からなる低合金鋼のうちのいずれかとするのが好まし
い。

【００２７】第２相の選択は、焼結合金製バルブシート
の使用目的により適宜選択できる。第２相の組成は、第
１相より軟質とするために、Ｃ：0.5 ％以下を含有し、
Feおよび不可避的不純物からなる純鉄とするのが好まし
い。Ｃが0.5 ％を超えると第１相より硬質となりやすい
ため、純鉄の場合の上限とした。硬さを要求される場合
には、合金元素を添加して所望の硬さとすることができ
る。本発明では、第２相に添加する合金元素量はその目
的から上記したように比較的少量に限定した。

【００２８】また、第２相の硬さを純鉄より高くする必
要がある場合には、炭素鋼を使用するのが好ましい。炭
素鋼の組成は、Ｃ：1.5 ％以下、Mn：0.5 ％以下、Si：
1.0％以下を含有し残部Feおよび不可避的不純物とする
のが好ましい。Ｃは1.5 ％を超えると、液相が出やすく
なるためであり、Mnは0.5 ％を超えると、焼結拡散性が
低下するためであり、Siは1.0 ％を超えるとMnと同様に
焼結拡散性が低下するため、それぞれ上限とした。

【００２９】さらに、第２相の硬さを高く要求される場
合には、上記炭素鋼に、合金元素を添加した低合金鋼と
するのが好ましい。合金元素は、Cr：４％以下、Mo：３
％以下、Co：６％以下、Ni：５％以下、Cu：5.0 ％以
下、Ｖ：1.0 ％以下の中から選ばれた１種または２種以
上とするのが好ましい。これら合金元素は、いずれも、
鋼の硬さを増加させる元素であり、Crは４％、Moは３
％、Coは６％、Niは５％、Cuは5.0 ％、Ｖは1.0 ％を超
えると、硬さが増加しすぎ、第１相と同等となるため、
それぞれ上限とした。

【００３０】本発明の圧縮機部品用鉄系焼結合金材にお
いては、第２相の組成は、重量比で、Ｃ：0.5 ％以下を
含有し、Feおよび不可避的不純物からなる純鉄、あるい
はＣ：1.5 ％以下、Mn：0.5 ％以下、Si：1.0 ％以下を
含有し残部Feおよび不可避的不純物からなる炭素鋼、あ
るいはＣ：1.5 ％以下、Mn：0.5 ％以下、Si：1.0 ％以
下を含有しCr：４％以下、Mo：３％以下、Ni：５％以
下、Cu：5.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下の中から選ばれた
１種または２種以上を含有し残部Feおよび不可避的不純
物からなる低合金鋼のうちのいずれかとするのが好まし
い。

【００３１】第２相の選択は、圧縮機部品用鉄系焼結合
金材の使用目的により適宜選択できる。圧縮機部品用鉄
系焼結合金材における第２相の組成は、第１相より軟質
とするために、Ｃ：0.5 ％以下を含有し、Feおよぶ不可
避的不純物からなる純鉄とするのが好ましい。Ｃ：0.5
％を超えると第１相より硬質となりやすいため、純鉄の
場合の上限とした。

【００３２】圧縮機部品用鉄系焼結合金材において第２
相に高い硬さが要求される場合には、合金元素を添加し
て所望の硬さとすることができる。本発明では、第２相
に添加する合金元素量はその目的から上記したように比
較的少量に限定する。第２相の硬さを純鉄より高くする
必要がある場合には、炭素鋼を使用するのが好ましい。
炭素鋼の組成は、Ｃ：1.5 ％以下、Mn：0.5 ％以下、S
i：1.0 ％以下を含有し残部Feおよび不可避的不純物と
するのが好ましい。Ｃは1.5 ％を超えると、液相が出や
すくなるためであり、Mnは0.5 ％を超えると、焼結拡散
性が低下するためであり、Siは1.0 ％を超えるとMnと同
様に焼結拡散性が低下するため、それぞれ上限とした。

【００３３】さらに、第２相の硬さを高く要求される場
合には、上記炭素鋼に、合金元素を添加した低合金鋼と
するのが好ましい。合金元素は、Cr：４％以下、Mo：３
％以下、Ni：５％以下、Cu：5.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以
下の中から選ばれた１種または２種以上とするのが好ま
しい。これら合金元素は、いずれも鋼の硬さを増加指せ
る元素であり、Crは４％、Moは３％、Niは５％、Cuは5.
0 ％、Ｖは1.0 ％を超えると、硬さが増加しすぎ、さら
に第１相と同等となるため、それぞれ上限とした。

【００３４】また、本発明の鉄系焼結合金材、圧縮機部
品用鉄系焼結合金材あるいは鉄系焼結合金製バルブシー
トでは、上記した鉄基基地組織に加えて、Cu相またはCu
合金相を面積比で１〜20％含有させてもよい。Cu粉また
はCu合金粉は鉄粉に混合して添加してもよく、また、粉
末混合時にはCu粉またはCu合金粉を添加せず、焼結時に
圧粉体上あるいは熱処理時に焼結体上にCuまたはCu合金
を載荷してCuまたはCu合金を焼結空孔に溶浸させてもよ
い。

【００３５】Cu相またはCu合金相は、基地組織中に析出
することにより、焼結体の熱伝導度や粒子間結合力を向
上させる。また、さらに空孔中に析出して封孔すること
により伸び特性や被削性を向上させる。Cu 相またはCu
合金相が１％未満では、伸びが低下し焼結体の加工性が
低下する。一方、20％を超えると析出するCu相またはCu
合金相が粗大化するため、焼結体の剪断強度、耐摩耗性
が低下する。このため、Cu相またはCu合金相は１〜20％
の範囲に限定した。

【００３６】また、本発明の鉄系焼結合金材、圧縮機部
品用鉄系焼結合金材あるいは鉄系焼結合金製バルブシー
トでは、上記したCuまたはCu合金による封孔処理に代え
て、焼結空孔を、低融点金属により溶浸させてもよい。
低融点金属は、Pb、Pb合金、Sn、Sn合金、Zn、Zn合金が
好ましい。低融点金属により溶浸される焼結空孔は、面
積比で１〜20％の範囲とするのがよい。１％未満では、
焼結体の伸びが低下し、20％を超えると焼結体の強度が
低下する。

【００３７】また、本発明の鉄系焼結合金材、圧縮機部
品用鉄系焼結合金材あるいは鉄系焼結合金製バルブシー
トでは、上記した鉄基基地組織に加えて、平均粒径：20
〜100 μm 、硬さ：700 〜1500Hvの硬質粒子を面積比で
１〜20％分散させてもよい。硬質粒子は焼結合金材の耐
摩耗性を向上させる効果が期待できるが、平均粒径が20
μm 未満では焼結時に拡散しやすく、耐摩耗性の向上効
果が小さく、また100 μm を超えると被削性に悪影響を
及ぼすため、硬質粒子の平均粒径を20〜100μm の範囲
とした。また、硬質粒子の硬さが700 Hv未満では、耐摩
耗性の向上効果が小さく、1500Hvを超えると被削性に悪
影響を及ぼすため、硬質粒子の硬さは700 〜1500Hvの範
囲とした。

【００３８】硬質粒子は面積比で１〜20％分散させる。
１％未満では、耐摩耗性の向上効果が少なく、20％を超
えると、被削性、圧粉性が劣化するため、硬質粒子の分
散量は１〜20％の範囲とした。本発明においては、硬質
粒子は、Fe−Mo粒子、Fe−Ｗ粒子、Cr−Mo−Co金属間化
合物粒子、Ｃ−Cr−Ｗ−Co粒子のうちのいずれかがよ
い。

【００３９】Fe−Mo粒子、Fe−Ｗ粒子は、フェロモリブ
デンあるいはフェロタングステン粉末で添加することに
より、基地中に分散する。フェロモリブデンの組成は、
JISに規定される範囲の組成であれば十分である。フェ
ロモリブデンの組成は、例えば、Mo：50〜70wt％、Fe：
30〜50wt％であり、フェロタングステンの組成は、例え
ば、Ｗ：40〜60wt％、Fe：40〜60wt％である。

【００４０】Cr−Mo−Co金属間化合物粒子は、Cr：10wt
％、Mo：30wt％、Co：60wt％の組成を有する金属間化合
物粉末で添加するとよい。また、Ｃ−Cr−Ｗ−Co粒子
は、Ｃ：１〜５wt％、Cr：40〜70wt％、Ｗ：10〜30wt
％、Co：５〜20wt％の組成を有する粉末で添加するとよ
い。また、本発明の鉄系焼結合金材、圧縮機部品用鉄系
焼結合金材あるいは鉄系焼結合金製バルブシートでは、
上記した鉄基基地組織に加えて、固体潤滑剤を被削性、
耐摩耗性、耐相手材攻撃性を向上させるために添加でき
る。固体潤滑剤は面積比で0.5 〜10％含有させるのが望
ましい。0.5 ％未満では、その効果が期待できず、一方
10％を超えると焼結反応の進行を妨げ、機械的性質が低
下する。固体潤滑剤としては、グラファイト、硫化物、
窒化物、フッ化物のうちのいずれかがよい。硫化物とし
ては、MnS 、MoS₂が、フッ化物としてはCaF₂が好適であ
る。

【００４１】本発明の鉄系焼結合金材、圧縮機部品用鉄
系焼結合金材あるいは鉄系焼結合金製バルブシートを得
るには、第１相となるCr、Mo、Ｗ、Ｖ、Ti、Nb、Ｂ、Co
の中から選ばれた１種または２種以上を含有し残部Feか
らなる組成の合金鋼粉と、第２相となる純鉄あるいは炭
素鋼あるいは低合金鋼組成の鋼粉を、あるいはさらにCu
粉、Cu合金粉ともに混練する。なお、潤滑剤としてステ
アリン酸亜鉛等を配合してもよい。

【００４２】またさらに、固体潤滑剤、あるいは硬質粒
子となるフェロモリブデン粉末等を添加配合してもよ
い。ついで、これら粉末を金型に充填し、成形プレスに
より圧縮・成形し圧粉体とする。ついで、圧粉体を焼結
させて焼結体を得る。本発明では、圧粉体を保護雰囲気
中で1100〜1200℃の温度範囲に加熱し焼結させるのが好
ましい。1100℃未満では、焼結拡散が不足し、1200℃を
超えると硬質粒子、基地の過拡散が生じるため耐摩耗性
が劣化する。

【００４３】また、これら焼結体に、CuまたはＣｕ合
金、あるいは低融点金属を載荷し加熱して、封孔処理を
施してもよい。ついで、焼結体を切削等により加工し、
バルブシート、あるいはベーン、スクロール止めリング
等の圧縮機部品（製品）とする。

【００４４】

【実施例】

（実施例１）第１相となる合金鋼粉（Ａ〜Ｅ，Ｊ）、第
２相となる鋼粉（ａ〜ｄ，ｈ）を表１の組織割合となる
よう配合し、さらにＣ粉末と、あるいはさらに、Cu相と
なるCu粉末あるいはCu合金粉末を、あるいは硬質粒子と
してフェロモリブデン粉末あるいはCr、Mo、Coからなる
金属間化合物を、あるいは固体潤滑剤としてMnS あるい
はグラファイトあるいはCaF₂を、表１に示す割合となる
ように配合し、さらに潤滑剤としてステアリン酸亜鉛１
％配合して、混練したのち、金型に充填、圧縮・成形
し、ＡＸガス雰囲気中で1150℃×0.5hr で焼結した。焼
結後、一部の試験片について、焼結体にPb真空含浸して
600 ℃×１hr溶浸処理を施した。

【００４５】用いた合金鋼粉の組成は次のとおりであ
る。Ａ粉は、0.9 wt％Ｃ−４wt％Cr−５wt％Mo−６wt％
Ｗ−２wt％Ｖ−残部Feである（試験No.1、試験No.5、試
験No.6、試験No.8、試験No.10 に使用）。Ｂ粉は、1.5
wt％Ｃ−12wt％Cr−１wt％Mo−0.3wt ％Ｖ−残部Feであ
る（試験No.2、試験No.7に使用）。

【００４６】Ｃ粉は、1.0 wt％Ｃ−５wt％Cr−２wt％Mo
−５wt％Ｗ−２wt％Ｖ−残部Feである（試験No.3に使
用）。Ｄ粉は、1.3 wt％Ｃ−12wt％Cr−１wt％Mo−0.5w
t ％Ｂ−残部Feである（試験No.4に使用）。Ｅ粉は、1.
0 wt％Ｃ−12wt％Cr−残部Feである（試験No.9に使
用）。

【００４７】Ｊ粉は、1.3 wt％Ｃ−４wt％Cr−３wt％Mo
−３wt％Ｖ−10wt％Ｗ−10wt％Co−残部Feである（試験
No.11 に使用）。第２相となる用いた鋼粉の組成は次の
とおりである。ａ粉は、１wt％Cr−0.3wt ％Mo−残部Fe
であり、Ｃは基地に0.8wt ％固溶させている（試験No.
1、試験No.5、試験No.7、試験No.9、試験No.10 に使
用）。

【００４８】ｂ粉は、純鉄粉であり、Ｃは基地に0.8wt
％固溶させている（試験No.2、試験No.6に使用）。ｃ粉
は、３wt％Cr−0.3wt ％Mo−0.3wt ％Ｖ−残部Feであ
り、Ｃは基地に0.8wt ％固溶させている（試験No.3、試
験No.8に使用）。ｄ粉は、２wt％Ni−0.5wt ％Mo−残部
Feであり、Ｃは基地に0.8wt ％固溶させている（試験N
o.4に使用）。

【００４９】ｈ粉は、２wt％Ni−４wt％Co−残部Feであ
り、Ｃは基地に0.8wt ％固溶させている（試験No.11 に
使用）。これら本発明例の焼結体の金属組織を観察し、
代表例の金属組織写真を図１に、そのスケッチ図を図２
に示す。図１（ａ）は、試験No.1の組織、図１（ｂ）
は、試験No.5の組織、図１（ｃ）は、試験No.8の組織、
図１（ｄ）は、試験No.9の組織である。図２に示すスケ
ッチ図では、Ｈは第１相で、Ｓは第２相で、ＣはCu相
で、Ｄは硬質粒子で、Ｌは固体潤滑剤である。

【００５０】比較例１として、黒鉛粉、Ni粉、Co粉、純
鉄粉とを７wt％Co−２wt％Ni−Feとなるように配合し、
さらに硬質粒子としてCr−Mo−Co金属間化合物粉を硬質
粒子が面積比で15％となるよう添加し、ステアリン酸亜
鉛１％を加え、混練したのち、金型に充填、圧縮・成形
し、ＡＸガス雰囲気中で1150℃×0.5hr で焼結した。こ
の焼結体（試験No.12)の金属組織写真を図３（ａ）に示
す。そのスケッチ図を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に
示すスケッチ図では、Ａは基地組織（１wt％Ｃ−７wt％
Co−２wt％Ni−Fe）で、Ｂはパーライト、Ｄは硬質粒子
（Cr−Mo−Co金属間化合物）である。

【００５１】また、比較例２として、黒鉛粉、Ni粉、Co
粉、純鉄粉とを６wt％Co−２wt％Ni−Feとなるように配
合し、さらに硬質粒子としてＣ、Cr、Ｗ、Coよりなる合
金粉を硬質粒子が面積比で10％となるように、ステアリ
ン酸亜鉛１％を加え、混練したのち、金型に充填、圧縮
・成形し、ＡＸガス雰囲気中で1150℃×0.5hr で焼結し
た。その後、Cu溶浸処理を行った。

【００５２】この焼結体( 試験No.13 ）の金属組織写真
を図４（ａ）に示す。そのスケッチ図を図４（ｂ）に示
す。図４（ｂ）に示すスケッチ図では、Ａは基地組織
（１wt％Ｃ−６wt％Co−２wt％Ni−Fe）で、ＣはCu相、
Ｄは硬質粒子（Ｃ−Cr−Ｗ−Co合金）である。本発明例
および比較例の焼結体を加工し、バルブシートに加工
し、図５に示すリグ試験機を用いて、下記に示す試験条
件で摩耗試験を実施した。

【００５３】 試験温度 ：400 ℃（シートフェース） 試験時間 ：9hr カム回転数 ：3000rpm バルブ回転数 ：20rpm スプリング荷重：35kg（セット時） リフト量 ： 7mm バルブ材質 ：ＳＵＨ３５ 試験後、 摩耗量を測定し、その結果を表１に示す。

【００５４】

【表１】

【００５５】表１から、本発明の範囲の本発明例（試験
No.1〜11) では、バルブシートの摩耗量は少なく、また
バルブの摩耗量も少ない。これに比較して本発明範囲を
外れる比較例（試験No.12 、No.13 ）では、バルブシー
トの摩耗量も、またバルブの摩耗量も大きい。 （実施例２）第１相となる合金鋼粉（Ａ、Ｆ〜Ｉ）と、
第２相となる鋼粉（ｅ〜ｇ）を表２の組織割合となるよ
う配合し、さらにＣ粉末と、あるいはさらに、Cu相とな
るCu粉末を、あるいは硬質粒子としてCr、Mo、Coからな
る金属間化合物を、あるいは固体潤滑剤としてMnS ある
いはグラファイトを、表２に示す割合となるように配合
し、さらに潤滑剤としてステアリン酸亜鉛１％配合し
て、混練したのち、金型に充填、圧縮・成形し、ＡＸガ
ス雰囲気中で1150℃×0.5hr で焼結した。

【００５６】用いた合金鋼粉の組成は次のとおりであ
る。Ａ粉は、0.9 wt％Ｃ−４wt％Cr−５wt％Mo−６wt％
Ｗ−２wt％Ｖ−残部Feである（試験No.2-1、試験No.2-
2、試験No.2-10 、試験No.2-11 に使用）。Ｆ粉は、1.2
wt％Ｃ−４wt％Cr−５wt％Mo−６wt％Ｗ−３wt％Ｖ−
残部Feである（試験No.2-4、試験No.2-5、試験No.2-12
に使用）。

【００５７】Ｇ粉は、1.5 wt％Ｃ−４wt％Cr−12wt％Ｗ
−５wt％Ｖ−残部Feである（試験No.2-6、試験No.2-7に
使用）。Ｈ粉は、1.3 wt％Ｃ−４wt％Cr−３wt％Mo−10
wt％Ｗ−３wt％Ｖ−10wt％Co-残部Feである（試験No.2-
8に使用）。Ｉ粉は、0.9 wt％Ｃ−４wt％Cr−５wt％Mo
−６wt％Ｗ−２wt％Ｖ−８wt％Co-残部Feである（試験N
o.2-9に使用）。

【００５８】用いた鋼粉の組成は次のとおりである。ｅ
粉は、３wt％Cr−残部Feであり、Ｃは基地に0.8wt ％固
溶させている（試験No.2-1、試験No.2-2、試験No.2-3、
試験No.2-8、試験No.2-9、試験No.2-11 、試験No.2-12
に使用）。ｆ粉は、１wt％Cr−0.5wt ％Mo−残部Feであ
り、Ｃは基地に0.8wt ％固溶させている（（試験No.2-
4、試験No.2-5に使用）。

【００５９】ｇ粉は、５wt％Mo−残部Feであり、Ｃは基
地に0.8wt ％固溶させている（試験No.2-6、試験No.2-7
に使用）。これらの焼結体の金属組織を観察し、金属組
織写真の１例を図６、図８に、そのスケッチ図を図７、
図９に示す。図６は、研摩のままの金属組織写真で、図
８は、腐食液で腐食した金属組織写真である。

【００６０】図６（ａ）、図８（ａ）は、試験No.2-1の
光学顕微鏡組織写真、図６（ｂ）、図８（ｂ）は、試験
No.2-2の光学顕微鏡組織写真、図６（ｃ）、図８（ｃ）
は、試験No.2-3の光学顕微鏡組織写真であり、図７
（ａ）は、図６（ａ）の組織写真のスケッチ図で、図７
（ｂ）は図６（ｂ）の組織写真のスケッチ図、図７
（ｃ）は図６（ｃ）の組織写真のスケッチ図である。ま
た、図９（ａ）は図８（ａ）の、図９（ｂ）は図８
（ｂ）の、図９（ｃ）は図８（ｃ）の組織写真のスケッ
チ図である。図７、図９に示すスケッチ図では、Ｈは第
１相で、Ｓは第２相で、ＣはCu相で、Ｖは空孔である。

【００６１】図10は、比較例（試験No.2-10 ）の光学顕
微鏡組織写真組織である。空孔と、炭化物が析出した組
織となっている。本発明例および比較例の焼結体を加工
し、圧縮機用ベーンに加工し、図11に示す高圧雰囲気摩
耗試験機を用いて、下記に示す試験条件で摩耗試験を実
施した。なお、使用した試験片の形状を図12に示す。

【００６２】 試験荷重 ：150kgf 周速 ：500rpm 試験時間 ：3hr 使用油 ：エステル油 油温度 ：110 ℃ 使用冷媒 ：Ｒ134a 雰囲気圧力：13kg/cm³ ローラ材質：モニクロ鋳鉄 試験後、摩耗量を測定し、その結果を表２に示す。

【００６３】

【表２】

【００６４】表２から、本発明の範囲の本発明例（試験
No.2-1〜No.2-9）では、ベーンの摩耗量は少なく、また
ローラの摩耗量も少ない。これに比較して第２相がない
試験No.2-10 、Cu相の量が本発明範囲を外れる試験No.2
-11 、および第２相の量が多い試験No.2-12 の比較例で
は、ベーンの摩耗量も、またローラの摩耗量も大きい。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、耐摩耗性に優れた鉄系
焼結合金が得られる。また、本発明によれば、厳しい運
転状況の内燃機関用バルブシートとして適用できる耐摩
耗性に優れた焼結合金製バルブシートが安価に製造でき
る。また、本発明によれば、耐摩耗性に優れた焼結合金
材が得られ、厳しい運転状況の圧縮機のベーン、スクロ
ール止めリング等の圧縮機部品に適用できる焼結合金材
が安価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明例の焼結体の光学顕微鏡組織を示す写真
である。

【図２】図１に示す光学顕微鏡組織写真のスケッチ図で
ある。

【図３】（ａ）は比較例の焼結体の光学顕微鏡組織を示
す写真であり、（ｂ）はそのスケッチ図である。

【図４】（ａ）は比較例の焼結体の光学顕微鏡組織を示
す写真であり、（ｂ）はそのスケッチ図である。

【図５】リグ試験機の概略説明図である。

【図６】本発明例の焼結体の研摩のままの状態における
光学顕微鏡組織を示す写真である。

【図７】図６に示す光学顕微鏡組織写真のスケッチ図で
ある。

【図８】本発明の焼結体の光学顕微鏡組織を示す写真で
ある。

【図９】図８に示す光学顕微鏡組織写真のスケッチ図で
ある。

【図10】比較例の焼結体の光学顕微鏡組織を示す写真で
あり、（ａ）は研摩のままの組織写真であり、（ｂ）は
腐食液で腐食した組織写真である。

【図11】高圧雰囲気摩耗試験機の概略説明図である。

【図12】高圧雰囲気摩耗試験に用いる試験片の寸法形状
を示す説明図である。

【符号の説明】

Ｈ 第１相 Ｓ 第２相 Ｃ Cu相 Ｄ 硬質粒子 Ｌ 固体潤滑剤 Ａ 基地組織 Ｂ パーライト

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成９年１１月１０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【発明の名称】 耐摩耗焼結合金製内燃機関用バルブシ
ート

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焼結合金材を用い
た内燃機関用バルブシートに関し、とくに耐摩耗性に優
れた焼結合金材を用いたバルブシートに関する。

【０００２】

【従来の技術】焼結合金は、合金粉末を配合混練し、金
型に充填し圧縮成形したのち、所定の温度雰囲気中で焼
結したものであり、通常の溶製方法では得難い金属や合
金が容易に製造でき、また機能の複合化が容易なため、
独特な機能を付与した部品の製造が可能である。さら
に、多孔質材や難加工材などの製造や、形の複雑な機械
部品の製造に適している。近年、耐摩耗性が要求される
内燃機関のバルブシートにこの焼結合金が適用されるよ
うになった。

【０００３】バルブシート用焼結合金材としては、例え
ば、特公昭51−13093 号公報に、無鉛ガソリンの使用下
にあっても、高度の耐摩耗性を有し、同時に耐熱、耐食
性を有するバルブシート用鉄系焼結合金材が開示されて
いる。この焼結合金は、Ｃ、Ni、Cr、Mo、Co、Ｗを多量
に含み、パーライト基地中にＣ−Cr−Ｗ−Coよりなる特
殊合金粒子とフェロモリブデン粒子が分散し、かつこれ
ら粒子の周囲にCo、Niが拡散したものである。このよう
に、この焼結合金では、耐熱性、耐摩耗性、耐食性等の
特性を付与させるため、とくに、Ｗ、Coの多量添加を必
要としていた。このため、この焼結合金製のバルブシー
トは、高価となり、コスト的に問題を残していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した問
題を有利に解決し、耐摩耗性に優れた鉄系焼結合金材を
適用した内燃機関用バルブシートを提案することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、微細炭化物が
析出したFeを主成分とする第１相と、Feを主成分とし前
記第１相より軟質である第２相との混合組織からなる鉄
基基地組織を主とする鉄系焼結合金材であって、前記第
１相は、10μm 以下の微細炭化物が析出し、400 Hv以上
の硬さを有し、鉄基基地組織中の面積比が30〜95％の比
率であり、前記第２相は、鉄基基地組織中の面積比が５
〜70％の比率であることを特徴とする耐摩耗性に優れた
鉄系焼結合金製内燃機関用バルブシートである。

【０００６】また、本発明では、前記第１相は、重量比
で、Ｃ：2.0 ％以下を含み、Cr：17％以下、Mo：12％以
下、Ｗ：20％以下、Ｖ：６％以下、Ti：３％以下、Nb：
３％以下、Ｂ：３％以下、Co：13％以下の中から選ばれ
た１種または２種以上を含有し残部Feおよび不可避的不
純物からなり、前記第２相は、純鉄、炭素鋼あるいは低
合金鋼のうちのいずれかの組成を有することが好まし
い。さらに前記第２相は、重量比で、Ｃ：0.5 ％以下を
含有する純鉄、あるいはＣ：1.5 ％以下、Mn：0.5 ％以
下、Si：1.0 ％以下を含有し残部Feおよび不可避的不純
物からなる炭素鋼、あるいはＣ：1.5 ％以下、Mn：0.5
％以下、Si：1.0 ％以下を含有しCr：４％以下、Mo：３
％以下、Co：６％以下、Ni：５％以下、Ｖ：1.0 ％以
下、Cu：5.0％以下の中から選ばれた１種または２種以
上を含有し残部Feおよび不可避的不純物からなる低合金
鋼のうちのいずれかとするのが好ましい。

【０００７】また、本発明では、上記した鉄基基地組織
に加えて、溶浸または予め添加したCu相またはCu合金相
を面積比で１〜20％含有させてもよく、また、平均粒
径：20〜100 μm 、硬さ：700 〜1500Hvの硬質粒子を面
積比で１〜20％分散させてもよい。前記硬質粒子は、Fe
−Mo粒子、Fe−Ｗ粒子、Cr−Mo−Co金属間化合物粒子、
Ｃ−Cr−Ｗ−Co粒子のうちのいずれかがよい。

【０００８】また、本発明では、上記した鉄基基地組織
に加えて、固体潤滑剤を面積比で0.5 〜10％含有させて
もよく、前記固体潤滑剤は、グラファイト、硫化物、窒
化物、フッ化物のうちのいずれかがよい。また、本発明
の焼結合金製バルブシートでは、焼結空孔が、低融点金
属により溶浸されてもよい。前記低融点金属は、Pb、Pb
合金、Sn、Sn合金、Zn、Zn合金、の中から選ばれた金属
が好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の鉄系焼結合金製バルブシ
ートは、面積比で30〜95％の、微細炭化物が析出したFe
を主成分とする第１相と、面積比で５〜70％の、Feを主
成分とし前記第１相より軟質である第２相との混合組織
からなる鉄基基地組織を主組織とする。

【００１０】第１相は、10μm 以下の微細炭化物が析出
し、400 Hv以上の硬さを有する。析出する微細炭化物の
大きさが10μm を超えると強度が低下し、相手攻撃性が
強まる。また、硬さが400 Hv未満では、耐摩耗性を向上
できない。なお、微細炭化物の大きさは１〜５μm が好
適であり、第１相の硬さは450 〜900 Hvとするのが耐摩
耗性、強度、相手攻撃性の点から好ましい。なお、第１
相の組織は、基本的には微細炭化物が析出した組織を主
とする。

【００１１】また、鉄基基地組織中における第１相の比
率は面積比で30〜95％とする。30％未満では耐摩耗性が
劣化し本発明の目的を達成できない。一方、95％を超え
ると耐摩耗性の向上は飽和し、合金元素量の増加に比し
効果が少なく経済的に不利となる。なお、鉄基基地組織
中の第１相の比率は50〜90％とするのが好ましい。第１
相の組成は、重量比で、Ｃ：2.0 ％以下を含み、Cr：17
％以下、Mo：12％以下、Ｗ：20％以下、Ｖ：６％以下、
Ti：３％以下、Nb：３％以下、Ｂ：３％以下、Co：13％
以下の中から選ばれた１種または２種以上を含有し残部
Feおよび不可避的不純物からなるのが好ましい。

【００１２】以下、第１相の好適な成分組成の限定理由
について説明する。 Ｃ：2.0 ％以下 Ｃは、相を所定の組織、硬さに調整するために、あるい
は、さらに炭化物を形成するために必要な元素であり、
2.0 ％を超えると、融点が低下し液相が形成されるため
液相焼結となり、炭化物析出量が過多となり、また空孔
の形成が多くなり伸び特性が劣化し寸法精度も低下す
る。また、Ｃは好ましくは0.5 ％以上とする。0.5 ％未
満では、焼結が進行せず、炭化物析出量が少なく耐摩耗
性が劣化する。より好ましくは0.7 〜1.7 ％である。

【００１３】Cr、Mo、Ｗ、Ｖ、Ti、Nb、Ｂ、Coの中から
選ばれた１種または２種以上を含有できる。 Cr：17％以下 Crは、強度、耐熱性および耐摩耗性を高める元素である
が、17％を超えるとCr炭化物の析出量が過多となり被削
性が低下するとともに、相内に析出する炭化物が10μm
以下の微細炭化物となりにくい。Crは好ましくは４％以
上とする。４％未満では、Cr炭化物の析出量が少なく耐
摩耗性が若干低下する。より好ましくは４〜12％であ
る。

【００１４】Mo：12％以下 Moは、固溶および炭化物として析出し相の硬さを高め、
耐摩耗性を向上させるが、12％を超えると、粉末の流動
性が低下し成形性が悪化する。Moは好ましくは３％以上
とする。３％未満では、析出する炭化物量が少なく耐摩
耗性が劣化する。より好ましくは３〜６％である。

【００１５】Ｗ：20％以下 Ｗは、炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素であ
り、20％を超えると炭化物の析出量が過多となり、強度
が高くなりすぎ伸びが不足する。Ｗは好ましくは４％以
上とする。４％未満では炭化物の析出量が少なく、耐摩
耗性が若干低下する。より好ましくは４〜12％、さらに
より好ましくは４〜７％である。

【００１６】Ｖ：６％以下 Ｖは、炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素であ
り、６％を超えると炭化物の析出量が過多となり、強度
が高くなりすぎ伸びが不足する。Ｖは好ましくは１％以
上とする。１％未満では炭化物の析出量が少なく、耐摩
耗性が若干低下する。より好ましくは２〜５％、さらに
より好ましくは２〜３％である。

【００１７】Ti：３％以下 Tiは、炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素であ
るが、３％を超えると析出量が多すぎ、伸びが不足す
る。なお、Tiは好ましくは0.5 〜2.0 ％である。 Nb：３％以下 Nbは、Tiと同様に炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させ
る元素であるが、３％を超えると析出量が多すぎ、伸び
が不足する。なお、Nbは好ましくは0.5 〜2.0％であ
る。

【００１８】Ｂ：３％以下 Ｂは、炭化物形成元素とともに、基地組織を所定の組織
として、耐摩耗性を向上させる元素である。３％を超え
ると、粗大な析出物を形成し、耐摩耗性を劣化させる。
なお、Ｂは好ましくは0.5 〜2.0 ％である。 Co：13％以下 Coは、高温強度を増加させるとともに、温度上昇に伴う
硬度低下を抑制することにより耐摩耗性を向上させる元
素であるが、13％を超えるとその効果は飽和し、添加量
に見合う効果が期待できず、経済的に不利となるため、
Coは13％以下に限定した。なお、好ましくは８〜10％の
範囲である。

【００１９】第１相は残部は実質的にFeである。つぎ
に、第２相について説明する。本発明の焼結合金製バル
ブシートでは、成形圧粉性を向上させるために、第２相
を形成する。第２相は、前記第１相より軟質であればよ
く、400 Hv以下の硬さとするのが好ましい。鉄基基地組
織中に第２相が存在することにより、硬質な相単独の場
合に比べ、焼結体の強度、靱性が格段に向上する。ま
た、第１相より合金元素量が少なくコスト的にも有利と
なる。組成はFeを主成分とする、純鉄、炭素鋼あるいは
低合金鋼のうちのいずれかからなることが好ましい。

【００２０】また、鉄基基地組織中における第２相の比
率は面積比で５〜70％とする。５％未満では圧粉性が不
足し、70％を超えると耐摩耗性に悪影響を及ぼす。この
ため、鉄基基地中における第２相の比率は５〜70％に限
定した。第２相の組成は、重量比で、Ｃ：0.5 ％以下を
含有し、Feおよび不可避的不純物からなる純鉄、あるい
はＣ：1.5 ％以下、Mn：0.5 ％以下、Si：1.0 ％以下を
含有し残部Feおよび不可避的不純物からなる炭素鋼、あ
るいはＣ：1.5 ％以下、Mn：0.5 ％以下、Si：1.0 ％以
下を含有しCr：４％以下、Mo：３％以下、Co：６％以
下、Ni：５％以下、Cu：5.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下の
中から選ばれた１種または２種以上を含有し残部Feおよ
び不可避的不純物からなる低合金鋼のうちのいずれかと
するのが好ましい。

【００２１】第２相の選択は、焼結合金製バルブシート
の使用目的により適宜選択できる。第２相の組成は、第
１相より軟質とするために、Ｃ：0.5 ％以下を含有し、
Feおよび不可避的不純物からなる純鉄とするのが好まし
い。Ｃが0.5 ％を超えると第１相より硬質となりやすい
ため、純鉄の場合の上限とした。硬さを要求される場合
には、合金元素を添加して所望の硬さとすることができ
る。本発明では、第２相に添加する合金元素量はその目
的から上記したように比較的少量に限定した。

【００２２】また、第２相の硬さを純鉄より高くする必
要がある場合には、炭素鋼を使用するのが好ましい。炭
素鋼の組成は、Ｃ：1.5 ％以下、Mn：0.5 ％以下、Si：
1.0％以下を含有し残部Feおよび不可避的不純物とする
のが好ましい。Ｃは1.5 ％を超えると液相が出やすくな
るためであり、Mnは0.5 ％を超えると焼結拡散性が低下
するためであり、Siは1.0 ％を超えるとMnと同様に焼結
拡散性が低下するため、それぞれ上限とした。

【００２３】さらに、第２相の硬さを高く要求される場
合には、上記炭素鋼に、合金元素を添加した低合金鋼と
するのが好ましい。合金元素は、Cr：４％以下、Mo：３
％以下、Co：６％以下、Ni：５％以下、Cu：5.0 ％以
下、Ｖ：1.0 ％以下の中から選ばれた１種または２種以
上とするのが好ましい。これら合金元素は、いずれも、
鋼の硬さを増加させる元素であり、Crは４％、Moは３
％、Coは６％、Niは５％、Cuは5.0 ％、Ｖは1.0 ％を超
えると、硬さが増加しすぎ、第１相と同等となるため、
それぞれ上限とした。

【００２４】また、本発明の焼結合金製バルブシートで
は、上記した鉄基基地組織に加えて、Cu相またはCu合金
相を面積比で１〜20％含有させてもよい。Cu粉またはCu
合金粉は鉄粉に混合して添加してもよく、また、粉末混
合時にはCu粉またはCu合金粉を添加せず、焼結時に圧粉
体上あるいは熱処理時に焼結体上にCuまたはCu合金を載
荷してCuまたはCu合金を焼結空孔に溶浸させてもよい。

【００２５】Cu相またはCu合金相は、基地組織中に析出
することにより、焼結体の熱伝導度や粒子間結合力を向
上させる。また、さらに空孔中に析出して封孔すること
により伸び特性や被削性を向上させる。Cu 相またはCu
合金相が１％未満では、伸びが低下し焼結体の加工性が
低下する。一方、20％を超えると析出するCu相またはCu
合金相が粗大化するため、焼結体の剪断強度、耐摩耗性
が低下する。このため、Cu相またはCu合金相は１〜20％
の範囲に限定した。

【００２６】また、本発明では、上記したCuまたはCu合
金による封孔処理に代えて、焼結空孔を、低融点金属に
より溶浸させてもよい。低融点金属は、Pb、Pb合金、S
n、Sn合金、Zn、Zn合金が好ましい。低融点金属により
溶浸される焼結空孔は、面積比で１〜20％の範囲とする
のがよい。１％未満では、焼結体の伸びが低下し、20％
を超えると焼結体の強度が低下する。

【００２７】また、本発明の焼結合金材では、上記した
鉄基基地組織に加えて、平均粒径：20〜100 μm 、硬
さ：700 〜1500Hvの硬質粒子を面積比で１〜20％分散さ
せてもよい。硬質粒子は焼結合金の耐摩耗性を向上させ
る効果が期待できるが、平均粒径が20μm 未満では焼結
時に拡散しやすく、耐摩耗性の向上効果が小さく、また
100μm を超えると被削性に悪影響を及ぼすため、硬質
粒子の平均粒径を20〜100 μm の範囲とした。また、硬
質粒子の硬さが700 Hv未満では、耐摩耗性の向上効果が
小さく、1500Hvを超えると被削性に悪影響を及ぼすた
め、硬質粒子の硬さは700 〜1500Hvの範囲とした。

【００２８】硬質粒子は面積比で１〜20％分散させる。
１％未満では、耐摩耗性の向上効果が少なく、20％を超
えると、被削性、圧粉性が劣化するため、硬質粒子の分
散量は１〜20％の範囲とした。本発明においては、硬質
粒子は、Fe−Mo粒子、Fe−Ｗ粒子、Cr−Mo−Co金属間化
合物粒子、Ｃ−Cr−Ｗ−Co粒子のうちのいずれかがよ
い。

【００２９】Fe−Mo粒子、Fe−Ｗ粒子は、フェロモリブ
デンあるいはフェロタングステン粉末で添加することに
より、基地中に分散する。フェロモリブデンの組成は、
JISに規定される範囲の組成であれば十分である。フェ
ロモリブデンの組成は、例えば、Mo：50〜70wt％、Fe：
30〜50wt％であり、フェロタングステンの組成は、例え
ば、Ｗ：40〜60wt％、Fe：40〜60wt％である。

【００３０】Cr−Mo−Co金属間化合物粒子は、Cr：10wt
％、Mo：30wt％、Co：60wt％の組成を有する金属間化合
物粉末で添加するとよい。また、Ｃ−Cr−Ｗ−Co粒子
は、Ｃ：１〜５wt％、Cr：40〜70wt％、Ｗ：10〜30wt
％、Co：５〜20wt％の組成を有する粉末で添加するとよ
い。また、本発明では、上記した鉄基基地組織に加え
て、固体潤滑剤を被削性、耐摩耗性、耐相手材攻撃性を
向上させるために添加できる。固体潤滑剤は面積比で0.
5 〜10％含有させるのが望ましい。0.5 ％未満では、そ
の効果が期待できず、一方10％を超えると焼結反応の進
行を妨げ、機械的性質が低下する。固体潤滑剤として
は、グラファイト、硫化物、窒化物、フッ化物のうちの
いずれかがよい。硫化物としては、MnS 、MoS₂が、フッ
化物としてはCaF₂が好適である。

【００３１】本発明の焼結合金製バルブシートを得るに
は、第１相となるCr、Mo、Ｗ、Ｖ、Ti、Nb、Ｂ、Coの中
から選ばれた１種または２種以上を含有し残部Feからな
る組成の合金鋼粉と、第２相となる純鉄あるいは炭素鋼
あるいは低合金鋼組成の鋼粉を、あるいはさらにCu粉、
Cu合金粉ともに混練する。なお、潤滑剤としてステアリ
ン酸亜鉛等を配合してもよい。

【００３２】またさらに、固体潤滑剤、あるいは硬質粒
子となるフェロモリブデン粉末等を添加配合してもよ
い。ついで、これら粉末を金型に充填し、成形プレスに
より圧縮・成形し圧粉体とする。ついで、圧粉体を焼結
させて焼結体を得る。本発明では、圧粉体を保護雰囲気
中で1100〜1200℃の温度範囲に加熱し焼結させるのが好
ましい。1100℃未満では、焼結拡散が不足し、1200℃を
超えると硬質粒子、基地の過拡散が生じるため耐摩耗性
が劣化する。

【００３３】また、これら焼結体に、CuまたはＣｕ合
金、あるいは低融点金属を載荷し加熱して、封孔処理を
施してもよい。ついで、焼結体を切削等により加工し、
バルブシート（製品）とする。

【００３４】

【実施例】第１相となる合金鋼粉（Ａ〜Ｅ，Ｊ）、第２
相となる鋼粉（ａ〜ｄ，ｈ）を表１の組織割合となるよ
う配合し、さらにＣ粉末と、あるいはさらに、Cu相とな
るCu粉末あるいはCu合金粉末を、あるいは硬質粒子とし
てフェロモリブデン粉末あるいはCr、Mo、Coからなる金
属間化合物を、あるいは固体潤滑剤としてMnS あるいは
グラファイトあるいはCaF₂を、表１に示す割合となるよ
うに配合し、さらに潤滑剤としてステアリン酸亜鉛１％
配合して、混練したのち、金型に充填、圧縮・成形し、
ＡＸガス雰囲気中で1150℃×0.5hr で焼結した。焼結
後、一部の試験片について、焼結体にPb真空含浸して60
0 ℃×１hr溶浸処理を施した。

【００３５】用いた合金鋼粉の組成は次のとおりであ
る。Ａ粉は、0.9 wt％Ｃ−４wt％Cr−５wt％Mo−６wt％
Ｗ−２wt％Ｖ−残部Feである（試験No.1、試験No.5、試
験No.6、試験No.8、試験No.10 に使用）。Ｂ粉は、1.5
wt％Ｃ−12wt％Cr−１wt％Mo−0.3wt ％Ｖ−残部Feであ
る（試験No.2、試験No.7に使用）。

【００３６】Ｃ粉は、1.0 wt％Ｃ−５wt％Cr−２wt％Mo
−５wt％Ｗ−２wt％Ｖ−残部Feである（試験No.3に使
用）。Ｄ粉は、1.3 wt％Ｃ−12wt％Cr−１wt％Mo−0.5w
t ％Ｂ−残部Feである（試験No.4に使用）。Ｅ粉は、1.
0 wt％Ｃ−12wt％Cr−残部Feである（試験No.9に使
用）。

【００３７】Ｊ粉は、1.3 wt％Ｃ−４wt％Cr−３wt％Mo
−３wt％Ｖ−10wt％Ｗ−10wt％Co−残部Feである（試験
No.11 に使用）。第２相となる用いた鋼粉の組成は次の
とおりである。ａ粉は、１wt％Cr−0.3wt ％Mo−残部Fe
であり、Ｃは基地に0.8wt ％固溶させている（試験No.
1、試験No.5、試験No.7、試験No.9、試験No.10 に使
用）。

【００３８】ｂ粉は、純鉄粉であり、Ｃは基地に0.8wt
％固溶させている（試験No.2、試験No.6に使用）。ｃ粉
は、３wt％Cr−0.3wt ％Mo−0.3wt ％Ｖ−残部Feであ
り、Ｃは基地に0.8wt ％固溶させている（試験No.3、試
験No.8に使用）。ｄ粉は、２wt％Ni−0.5wt ％Mo−残部
Feであり、Ｃは基地に0.8wt ％固溶させている（試験N
o.4に使用）。

【００３９】ｈ粉は、２wt％Ni−４wt％Co−残部Feであ
り、Ｃは基地に0.8wt ％固溶させている（試験No.11 に
使用）。これら本発明例の焼結体の金属組織を観察し、
代表例の金属組織写真を図１に、そのスケッチ図を図２
に示す。図１（ａ）は、試験No.1の組織、図１（ｂ）
は、試験No.5の組織、図１（ｃ）は、試験No.8の組織、
図１（ｄ）は、試験No.9の組織である。図２に示すスケ
ッチ図では、Ｈは第１相で、Ｓは第２相で、ＣはCu相
で、Ｄは硬質粒子で、Ｌは固体潤滑剤である。

【００４０】比較例１として、黒鉛粉、Ni粉、Co粉、純
鉄粉とを７wt％Co−２wt％Ni−Feとなるように配合し、
さらに硬質粒子としてCr−Mo−Co金属間化合物粉を硬質
粒子が面積比で15％となるよう添加し、ステアリン酸亜
鉛１％を加え、混練したのち、金型に充填、圧縮・成形
し、ＡＸガス雰囲気中で1150℃×0.5hr で焼結した。こ
の焼結体（試験No.12)の金属組織写真を図３（ａ）に示
す。そのスケッチ図を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に
示すスケッチ図では、Ａは基地組織（１wt％Ｃ−７wt％
Co−２wt％Ni−Fe）で、Ｂはパーライト、Ｄは硬質粒子
（Cr−Mo−Co金属間化合物）である。

【００４１】また、比較例２として、黒鉛粉、Ni粉、Co
粉、純鉄粉とを６wt％Co−２wt％Ni−Feとなるように配
合し、さらに硬質粒子としてＣ、Cr、Ｗ、Coよりなる合
金粉を硬質粒子が面積比で10％となるように、ステアリ
ン酸亜鉛１％を加え、混練したのち、金型に充填、圧縮
・成形し、ＡＸガス雰囲気中で1150℃×0.5hr で焼結し
た。その後、Cu溶浸処理を行った。

【００４２】この焼結体( 試験No.13 ）の金属組織写真
を図４（ａ）に示す。そのスケッチ図を図４（ｂ）に示
す。図４（ｂ）に示すスケッチ図では、Ａは基地組織
（１wt％Ｃ−６wt％Co−２wt％Ni−Fe）で、ＣはCu相、
Ｄは硬質粒子（Ｃ−Cr−Ｗ−Co合金）である。本発明例
および比較例の焼結体を加工し、バルブシートに加工
し、図５に示すリグ試験機を用いて、下記に示す試験条
件で摩耗試験を実施した。

【００４３】 試験温度 ：400 ℃（シートフェース） 試験時間 ：9hr カム回転数 ：3000rpm バルブ回転数 ：20rpm スプリング荷重：35kg（セット時） リフト量 ： 7mm バルブ材質 ：ＳＵＨ３５ 試験後、 摩耗量を測定し、その結果を表１に示す。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１から、本発明の範囲の本発明例（試験
No.1〜11) では、バルブシートの摩耗量は少なく、また
バルブの摩耗量も少ない。これに比較して本発明範囲を
外れる比較例（試験No.12 、No.13 ）では、バルブシー
トの摩耗量も、またバルブの摩耗量も大きい。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、厳しい運転状況の内燃
機関用バルブシートとして適用できる耐摩耗性に優れた
焼結合金製バルブシートが安価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明例の焼結体の光学顕微鏡組織を示す写真
である。

【図２】図１に示す光学顕微鏡組織写真のスケッチ図で
ある。

【図３】（ａ）は比較例の焼結体の光学顕微鏡組織を示
す写真であり、（ｂ）はそのスケッチ図である。

【図４】（ａ）は比較例の焼結体の光学顕微鏡組織を示
す写真であり、（ｂ）はそのスケッチ図である。

【図５】リグ試験機の概略説明図である。

【符号の説明】 Ｈ 第１相 Ｓ 第２相 Ｃ Cu相 Ｄ 硬質粒子 Ｌ 固体潤滑剤 Ａ 基地組織 Ｂ パーライト

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】削除

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】削除

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】削除

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】削除

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】削除

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】削除

【手続補正８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】削除

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微細炭化物が析出したFeを主成分とする
   第１相と、Feを主成分とし前記第１相より軟質である第
   ２相との混合組織からなる鉄基基地組織を主とする鉄系
   焼結合金材であって、前記第１相は、10μm 以下の微細
   炭化物が析出し、400 Hv以上の硬さを有し、鉄基基地組
   織中の面積比が30〜95％の比率であり、前記第２相は、
   鉄基基地組織中の面積比が５〜70％の比率であることを
   特徴とする耐摩耗性に優れた摺動部材用鉄系焼結合金
   材。
2. 【請求項２】 微細炭化物が析出したFeを主成分とす
   る第１相と、Feを主成分とし前記第１相より軟質である
   第２相との混合組織からなる鉄基基地組織を主とする鉄
   系焼結合金材であって、前記第１相は、重量比で、Ｃ：
   2.0 ％以下を含み、Cr：17％以下、Mo：12％以下、Ｗ：
   20％以下、Ｖ：６％以下、Ti：３％以下、Nb：３％以
   下、Ｂ：３％以下、Co：13％以下の中から選ばれた１種
   または２種以上を含有し残部Feおよび不可避的不純物か
   らなり、かつ10μm 以下の微細炭化物が析出し、400 Hv
   以上の硬さを有し、鉄基基地組織中の面積比が30〜95％
   の比率であり、前記第２相は、純鉄、炭素鋼あるいは低
   合金鋼のうちのいずれかの組成を有し、鉄基基地組織中
   の面積比が５〜70％の比率であることを特徴とする摺動
   部材用鉄系焼結合金材。
3. 【請求項３】 前記摺動部材が、内燃機関用バルブシー
   トまたは圧縮機部品であることを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の摺動部材用鉄系焼結合金材。
4. 【請求項４】 前記第２相は、重量比で、Ｃ：0.5 ％以
   下を含有する純鉄、あるいはＣ：1.5 ％以下、Mn：0.5
   ％以下、Si：1.0 ％以下を含有し残部Feおよび不可避的
   不純物からなる炭素鋼、あるいはＣ：1.5 ％以下、Mn：
   0.5 ％以下、Si：1.0 ％以下を含有しCr：４％以下、M
   o：３％以下、Co：６％以下、Ni：５％以下、Ｖ：1.0
   ％以下、Cu：5.0 ％以下の中から選ばれた１種または２
   種以上を含有し残部Feおよび不可避的不純物からなる低
   合金鋼のうちのいずれかからなりバルブシート用である
   ことを特徴とする請求項２記載の摺動部材用鉄系焼結合
   金材。
5. 【請求項５】 前記第２相は、重量比で、Ｃ：0.5 ％以
   下を含有する純鉄、あるいはＣ：1.5 ％以下、Mn：0.5
   ％以下、Si：1.0 ％以下を含有し残部Feおよび不可避的
   不純物からなる炭素鋼、あるいはＣ：1.5 ％以下、Mn：
   0.5 ％以下、Si：1.0 ％以下を含有しCr：４％以下、M
   o：３％以下、Ni：５％以下、Ｖ：1.0％以下、Cu：5.0
   ％以下の中から選ばれた１種または２種以上を含有し残
   部Feおよび不可避的不純物からなる低合金鋼のうちのい
   ずれかからなり圧縮機部品用であることを特徴とする請
   求項２記載の摺動部材用鉄系焼結合金材。
6. 【請求項６】 前記鉄基基地組織に加えて、溶浸または
   予め添加したCu相またはCu合金相を面積比で１〜20％含
   有させたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか
   に記載の鉄系焼結合金材。
7. 【請求項７】 前記鉄基基地組織に加えて、平均粒径：
   20〜100 μm 、硬さ：700 〜1500Hvの硬質粒子を面積比
   で１〜20％分散させたことを特徴とする請求項１ないし
   ６のいずれかに記載の鉄系焼結合金材。
8. 【請求項８】 前記鉄基基地組織に加えて、固体潤滑剤
   を面積比で0.5 〜10％含有させたことを特徴とする請求
   項１ないし７のいずれかに記載の鉄系焼結合金材。
9. 【請求項９】 焼結空孔が、低融点金属により溶浸され
   たことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、７また
   は８記載の鉄系焼結合金材。