JPH1046298A - 耐食性に優れた内燃機関のバルブシート用耐摩耗性焼結合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 掃鉛剤、鉛化合物への耐食性、適当な耐摩耗
性を有する従来より安価な内燃機関用バルブシート材を
提供できるようにする。 【解決手段】 耐摩耗性焼結合金は、全体組成が、重量
比で、Ｗ：２．７５〜５．７９％、Ｎｉ：１．５８〜１
３．５％、Ｃｒ：０．７５〜７．０％、Ｍｏ：０．２１
〜２．２％、Ｓｉ：０．０１５〜０．３％、Ｃ：０．５
５〜２．０％、および残部Ｆｅおよび不可避不純物から
なり、その金属組織が、 ベイナイト相もしくはベイ
ナイトとソルバイトの混合相と、 主としてＣｒ炭化
物よりなる硬質相の核を有し、その核を取り囲むＮｉ、
Ｃｒ濃度の高いオーステナイト相もしくはオーステナイ
トとフェライトの混合相と、 前記の周囲をさらに
取り囲むマルテンサイト相、の上記〜からなると共
に、微細なＷ炭化物が上記硬質相をのぞく基地中に均一
に分散する組織を呈している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に、内燃機関のバル
ブシートに好適な耐摩耗性焼結合金およびその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンの高性能化、高出力化に
対応するためバルブシート用焼結合金は高温耐摩耗性、
高温強度を求められ、本出願人も特許第１０４３１２４
号で登録された製法によるバルブシート用焼結合金等を
提供してきた。さらに、近年のより一層の高性能化、高
出力化、特に、希薄燃焼化による燃焼温度の高温化に対
応し、より高温耐摩耗性、高温強度に優れた特開昭６２
−１０２４４号や特開平７−２３３４５４号等に開示さ
れた焼結合金を開発してきた。しかし、これらの材料は
高温時の性能を向上させるため、基材成分中にＣｏ等の
高価な元素を多用したため高価な材料となっている。

【０００３】また、高温環境下の高性能内燃機関で有鉛
ガソリンを対象とした地区では酸化鉛のみならず、有鉛
ガソリン中に含まれる掃鉛剤（鉛成分を排気ガス中に効
果的に排出することを助ける成分および硫酸鉛、臭化
鉛、塩化鉛等の鉛化合物）のバルブおよびバルブシート
への付着による腐食摩耗が生じ、極端な耐久性の低下を
示す傾向が見られ、掃鉛剤や鉛化合物に対する耐食性も
求められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、最近では、エ
ンジン設計技術の向上により特開昭６２−１０２４４号
や特開平７−２３３４５４号等に開示された材料等の如
く高性能かつ高価な材料でなくてもバルブシートとして
使用できるようになっている。特に、インテーク側のバ
ルブシートは環境温度がエギゾースト側よりも低いた
め、特開昭６２−１０２４４号や特開平７−２３３４５
４号等に開示された材料等では品質過剰となっている。
また、最近の自動車開発は、より一層の高性能化を目指
す性能重視の自動車開発から、コストパフォーマンスの
高い、安価な自動車を開発する経済性重視の方向に変化
している。したがって、これからのバルブシート用焼結
合金としては、従来の過度の耐摩耗性を有するものでは
なく、適度な耐摩耗性を有し、かつ、安価であることが
求められるようになってきている。

【０００５】また、内燃機関の燃料事情別にバルブシー
トの材料を使い分けることは生産ラインを煩雑にし、コ
ストアップの原因になるため、現在の自動車の国際商品
の性格上、仕向け地毎に異なる諸条件に対しても広範囲
に対応できるバルブシート材料が望まれる。

【０００６】本発明は、上記の問題点を解決すべく、掃
鉛剤、鉛化合物への耐食性、適当な耐摩耗性を有し、従
来より安価な内燃機関用バルブシート用焼結合金および
その製造方法を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の内、第１発明の耐摩耗性焼結合金は、全体組成
が、重量比で、Ｗ：２．７５〜５．７９％、Ｎｉ：１．
５８〜１３．５％、Ｃｒ：０．７５〜７．０％、Ｍｏ：
０．２１〜２．２％、Ｓｉ：０．０１５〜０．３％、
Ｃ：０．５５〜２．０％、および残部Ｆｅおよび不可避
不純物からなり、その金属組織が、図１に示す金属組織
の模式図の如く、 ベイナイト相もしくはベイナイト
とソルバイトの混合相と、 主としてＣｒ炭化物より
なる硬質相の核を有し、その核を取り囲むＮｉ、Ｃｒ濃
度の高いオーステナイト相もしくはオーステナイトとフ
ェライトの混合相と、 前記の周囲をさらに取り囲
むマルテンサイト相、の上記〜からなると共に、微
細なＷ炭化物が上記硬質相をのぞく基地中に均一に分散
する組織を呈している。第２発明の焼結合金は、上記第
１発明合金に、さらに、重量比で、Ｖ：２．１２％以下
を含み、微細なＶ炭化物が硬質相をのぞく基地中に、さ
らに、均一に分散する組織を呈している。具体的には、
重量比で、Ｗ：２．７５〜５．７９％、Ｖ：２．１２３
％以下、Ｎｉ：１．５８〜１３．５％、Ｃｒ：０．７５
〜７．０％、Ｍｏ：０．２１〜２．２％、Ｓｉ：０．０
１５〜０．３％、Ｃ：０．５５〜２．０％、および残部
Ｆｅおよび不可避不純物からなり、その金属組織が、図
１の模式図の如く、 ベイナイト相もしくはベイナイ
トとソルバイトの混合相と、 主としてＣｒ炭化物よ
りなる硬質相の核を有し、その核を取り囲むＮｉ、Ｃｒ
濃度の高いオーステナイト相もしくはオーステナイトと
フェライトの混合相、 前記の周囲をさらに取り囲
むマルテンサイト相、の上記〜からなると共に、微
細なＷ炭化物およびＶ炭化物が上記硬質相をのぞく基地
中に均一に分散する組織を呈している。

【０００８】第３発明の焼結合金は、上記第１もしくは
第２発明の全体組成中に、さらに、重量比で、Ｍｎ：
０．７６２％以下およびＳ：０．４３８％以下を含み、
前記硬質相をのぞく基地中に、１．２％以下のＭｎＳ粒
子が分散している組織を呈する。第４発明の焼結合金
は、上記第１もしくは第２発明の耐摩耗性焼結合金にお
いて、前記焼結合金の気孔中に、アクリル樹脂、鉛また
は鉛合金、銅または銅合金の何れかが分散している。

【０００９】また、上記第１発明の焼結合金の製造方法
としては、重量比で、Ｗ：３．５〜６．０％、および残
部Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ基合金粉末に、
Ｃｒ：２５〜３５％、Ｍｏ：７〜１１％、Ｓｉ：０．５
〜１．５％、Ｃ：１．５〜３．０％、および残部Ｎｉお
よび不可避不純物よりなるＮｉ基合金粉末：３〜２０
％、および黒鉛粉末：０．５〜１．４％を配合した混合
粉末を用いることを要部としている。上記第２発明の焼
結合金の製造方法としては、上記第１発明の製造方法に
おけるＦｅ基合金粉末中に、さらに、重量比で、Ｖ：
２．２％以下を含むことを要部としている。

【００１０】上記第３発明の焼結合金の製造方法として
は、上記第１もしくは第２発明の製造方法におけるＦｅ
基合金粉末中に、さらに、重量比で、Ｍｎ：０．７９０
％以下、Ｓ：０．４５４％以下を含むことを要部として
いる。また、上記第３発明の焼結合金の他の製造方法と
しては、上記第１もしくは第２発明の製造方法における
混合粉末中に、さらに、重量比で１．２％以下のＭｎＳ
粉末を添加することを要部としている。上記第４発明の
焼結合金の製造方法としては、上記第１〜３発明の製造
方法における混合粉末を用いて成形し、焼結した焼結体
の気孔中に、アクリル樹脂、鉛または鉛合金、もしくは
銅または銅合金の何れかを含浸もしくは溶浸することを
要部としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の金属組織および各
成分について説明する。まず、耐食性を考えた場合、ス
テンレス鋼等のように耐食成分を多量に含有させること
が有効ではあるが、粉末の圧縮性を考えた場合、高合金
化は粉末が硬くなるため悪化し、そのため、機械的特性
および耐摩耗性が低下する。一方、合金成分を単味粉で
添加した場合、圧縮性の低下は生じないが、合金元素の
拡散が不均一となり耐食性の弱い部分から腐食が進行す
ることとなり、有効ではない。さらに、高合金化は経済
性の面においても好ましくない。そこで、本発明では少
量の合金成分で、有鉛ガソリン中の掃鉛剤成分に対する
耐食性を得るため、Ｆｅ−ＷまたはＦｅ−Ｗ−ＶのＦｅ
基合金粉末をベースとして採用した。同時に、ＷやＶ
は、優れた炭化物生成元素であるため、これらの微細な
炭化物を基地中に分散することで、基地の耐摩耗性の向
上を図るようにした。

【００１２】（Ｆｅ基合金粉末）以上の混合組織を得る
場合、Ｆｅ基合金粉末中に固溶されて与えられるＷは、
添加された黒鉛と反応し基地中にＷ炭化物を形成する。
形成された炭化物は基地中に微細かつ均一に分散してい
るため基地の耐摩耗性向上に寄与する。また、炭化物を
形成しなかったＷは基地中に拡散し、有鉛ガソリン中に
存在する掃鉛剤成分（Ｈ2ＳＯ4、ＨＣｌ）に対する耐食
性を向上させる。このとき、Ｗ量が３．５％以下である
とほとんどが基地中に固溶し、炭化物が析出せず、耐摩
耗性が低下する。また、６．０％を超えると、Ｆｅ基合
金粉末が硬くなり、圧縮性、流動度等の粉末特性に悪影
響を及ぼし、ひいては機械的強度および耐摩耗性の低下
を生じる。このため、本発明（第５，第６発明）ではＦ
ｅ基合金粉末中のＷ量を３．５〜６．０％に限定した。

【００１３】また、Ｖは、Ｗと共にＦｅ基合金粉末中に
固溶されて与えられ、添加された黒鉛と反応し基地中に
Ｖ炭化物を形成する。形成されたＶ炭化物は基地中に分
散して基地の耐摩耗性向上に寄与する。また、炭化物を
形成しなかったＶは基地中に拡散し、有鉛ガソリン中に
存在する掃鉛剤成分（Ｈ2ＳＯ4、ＨＣｌ）に対する耐食
性を向上させる。このとき、Ｖ量が２．２％を超える
と、Ｆｅ基合金粉末が硬くなり、圧縮性、流動度等の粉
末特性に悪影響を及ぼし、ひいては機械的強度および耐
摩耗性の低下を生じる。このため、本発明（第６発明）
ではＦｅ基合金粉末中のＶ量を２．２％以下に限定し
た。

【００１４】以上のＦｅ−ＷまたはＦｅ−Ｗ−ＶのＦｅ
基合金粉末に、０．１〜１％のＣを含有させると、Ｆｅ
基合金粉末中のＷまたはＶが炭化物を形成し、粉末の基
地中の合金成分量が低下し粉末の圧縮性が向上するので
好ましい。なお、Ｆｅ基合金粉末中のＣ量が０．１％に
満たないとＦｅ合金粉末中に形成される炭化物の量が乏
しく、圧縮性の向上に寄与せず、１％を超えると形成さ
れる炭化物の量が多くなりすぎかえって圧縮性を損な
う。

【００１５】（Ｎｉ基合金粉末）耐食性を確保した上で
耐摩耗性を向上させるため、掃鉛剤成分に対する耐食性
を有するＮｉを基とし、硬質な炭化物を形成するＣｒ、
Ｍｏを含有するＮｉ基合金粉末を硬質相形成のため添加
した。すなわち、Ｃｒ炭化物、Ｍｏ炭化物、Ｃｒ−Ｍｏ
共晶炭化物等よりなる硬質相は、ピン留め効果でバルブ
が着座したときに発生する基地の塑性流動を抑制する働
きを示す。また、Ｎｉ基合金粉末のＮｉ、Ｃｒは前記Ｆ
ｅ基合金粉末に拡散し、基地の焼入れ性を向上させ、マ
ルテンサイト化させて耐摩耗性を向上させると共に、硬
質相の周囲のＮｉ、Ｃｒの濃度の高い部分は、軟質な、
白色のオーステナイトまたはオーステナイトとフェライ
トの混合相を形成し、バルブ着座時の衝撃を緩和すると
共に、硬質相の脱落を防ぐ効果がある。

【００１６】Ｎｉ基合金粉末の添加量が３％以下では耐
摩耗性向上に寄与せず、２０％を超えると圧縮性が低下
して機械的特性が低下すると共に、硬質相の量が多くな
り、バルブに対する攻撃性が増加してバルブを摩耗させ
る。このため、本発明ではＮｉ基合金粉末の添加量を３
〜２０％に限定した。

【００１７】また、Ｎｉ基合金粉末中に固溶して与えら
れるＣｒは、Ｎｉ基合金粉末中のＣと反応し、硬く耐摩
耗性に優れたＣｒ炭化物および後述するＭｏとの共晶炭
化物を形成する。また、基地に拡散することで基地の焼
入れ性を改善し、基地組織をマルテンサイト化して耐摩
耗性を向上させると共に、Ｃｒ濃度の高い硬質相の周囲
にオーステナイトまたはオーステナイトとフェライトの
混合相を形成し、バルブ着座時の衝撃を緩和すると共
に、硬質相の脱落を防止する。このとき、Ｃｒ量が２５
％未満であると充分な炭化物を得られず、また３５％を
超えると炭化物の量が多くなり相手攻撃性が高くなりバ
ルブを摩耗させる。このため、本発明ではＮｉ基合金粉
末中のＣｒ量を２５〜３５％に限定した。

【００１８】また、Ｎｉ基合金粉末中に固溶して与えら
れるＭｏは、Ｎｉ基合金粉末中のＣと反応し、硬く耐摩
耗性に優れたＭｏ炭化物およびＣｒとの共晶炭化物を形
成する。このとき、Ｍｏ量が７％未満であると充分な炭
化物が得られないため耐摩耗性に寄与せず、また１１％
を超えると炭化物の量が多くなり相手攻撃性が高くなり
バルブを摩耗させる。このため、本発明ではＮｉ基合金
粉末中のＭｏ量を７〜１１％に限定した。

【００１９】ＳｉもＮｉ基合金粉末中に固溶して与えら
れ、脱酸剤として作用し、Ｎｉ基合金粉末とＦｅ基合金
粉末の固着性を高める効果がある。ただし、Ｎｉ基合金
粉末中のＳｉ量が０．５％以下であると、脱酸効果が不
十分で粉末の固着性を改善するには至らず、１．５％を
超えるとそれ以上の脱酸効果が望めず、Ｎｉ基合金粉末
自体が硬くなるため圧縮性が低下し、機械的強度、耐摩
耗性の低下の原因となる。このため、本発明ではＮｉ基
合金粉末中のＳｉ量を０．５〜１．５％とした。

【００２０】なお、Ｎｉ基合金粉末に、Ｆｅ基合金粉末
に拡散しやすいＣあるいはＦｅを少量含有させること
で、両粉末の固着性を向上させることも可能である。Ｃ
は、Ｎｉ基合金粉末中に固溶され、Ｃｒ、Ｍｏと反応し
て硬質な炭化物を形成することによる耐摩耗性向上のた
めに与えられる。また、Ｃは黒鉛粉末として与えられ、
基地中のＷ、Ｖ炭化物の析出および基地のマルテンサイ
ト化、ベイナイト化の基地強化に寄与する。Ｎｉ基合金
粉末中に固溶されて与えられるＣ量は、１．５％未満で
あると析出する炭化物の量が少なくなり、耐摩耗性向上
の効果が乏しく、一方、３．０％を超えると析出する炭
化物の量が多くなりすぎ、バルブ攻撃性が高まるほか、
粉末が硬くなるため圧縮性が低下し、成形体密度が低下
する結果、強度が低下する。このため、本発明ではＮｉ
基合金粉末中のＣ量を、１．５〜３．０％にした。

【００２１】（黒鉛粉末）黒鉛粉末として添加されるＣ
量が０．５％未満であると、Ｗ、Ｖ炭化物の析出量が少
なくなると共に、基地中に固溶されるＣ量が少なく、基
地の強化および耐摩耗性の向上に寄与せず、一方、１．
４％を超えると、基地中にＣが過飽和に固溶され、靱性
の低下および被削性の低下が生じると共に、焼結時に液
相が発生しやすくなり、寸法制度が損なわれる。このた
め、本発明では黒鉛粉末として添加するＣ量を０．５〜
１．４％とした。

【００２２】（ＭｎＳ粒子またはＭｎ，Ｓ）以上の焼結
合金において、被削性改善を望む場合には、第３発明の
如くＭｎＳ粒子を組織中に均一かつ微細に分散させるこ
とが効果的である。すなわち、ＭｎＳ粒子はチップブレ
ーカー作用を持つため被削性向上に効果があると共に、
加工時に工具刃面に付着して刃先を保護し、工具の寿命
を向上させる。ＭｎＳ粒子を基地中に分散させる方法と
しては、ＭｎＳ粉末を配合する方法が簡便であり、有効
である。ただし、ＭｎＳ粉は焼結を阻害するため、Ｆｅ
基合金粉末粉末中にＭｎとＳの状態で添加し、焼結時に
反応させ基地中に微細に分散させることがより好まし
い。基地中に分散するＭｎＳ粒子の量は、ＭｎＳ粉添加
による場合も、Ｆｅ基合金粉末中に固溶して反応生成さ
せる場合も、何れも１．２％を超えると機械的性質およ
び耐摩耗性が低下するため、ＭｎＳ粉添加の場合、Ｍｎ
Ｓ粉の添加量の上限を１．２％、Ｆｅ基合金粉末の形で
与える場合、Ｆｅ基合金粉末中のＭｎおよびＳの量をＭ
ｎ：０．７６％以下、Ｓ：０．４４％以下とした。

【００２３】（アクリル樹脂等）以上の焼結合金におい
て、被削性を向上させる場合は、焼結体の気孔中にアク
リル樹脂、鉛または鉛合金、銅または銅合金を含浸ある
いは溶浸することが効果的である。アクリル樹脂、鉛ま
たは鉛合金、銅または銅合金が気孔中に存在させると、
切削時の切削形態が断続切削から連続切削になり、工具
に与える衝撃を減少させて工具刃先の損傷を防止し、被
削性を向上させることができる。また、鉛または鉛合
金、銅または銅合金は軟質であるため、工具刃面に付着
して工具の刃先を保護し、被削性および工具の寿命を向
上させると共に、使用時にバルブシートとバルブフェイ
ス面の間で固体潤滑剤として作用し、双方の摩耗を減少
させる働きがある。しかも、銅または銅合金は熱伝導率
が高く、切削時に刃先で発生する熱を外部へ逃がし、刃
先部の熱のこもりを防止して刃先部のダメージを軽減す
る効果がある。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を実施例によってさらに説明す
る。実施例では、表１に示す成分組成からなるＦｅ基合
金粉末（粉末番号１〜２１）を用いると共に、硬質層形
成粉末、黒鉛粉末、ＭｎＳ粉末および成形潤滑剤（ステ
アリン酸亜鉛）を用いて、表２に列記した割合で配合
し、その各配合物を３０分間混合した後、成形圧６．５
ｔｏｎ／ｃｍ２で成形した。

【００２５】そして、以上の各成形体をアンモニア分解
ガス雰囲気中１１７５℃で６０分間焼結することによ
り、表３の本発明合金１〜２９（試料番号１〜２９）
と、何れかの成分が本発明から外れた比較合金１〜１２
（試料番号１〜１２まで）を得た。

【００２６】なお、本発明合金１８〜２０は、焼結後、
さらに気孔中にアクリル樹脂、Ｐｂ、Ｃｕの含浸または
溶浸を施した。また、表２，３の比較合金１３は従来合
金として特許第１０４３１２４号に記載のバルブシート
用従来合金である。

【００２７】使用したＦｅ基合金粉末の成分組成

【表１】

【００２８】本発明合金（１〜２９）と比較合金（１〜
１３）の配合比

【表２】

【００２９】本発明合金（１〜２９）と比較合金（１〜
１３）の全体組成

【表３】

【００３０】以上の焼結合金に対して見掛け硬さ試験、
圧環強さ試験、被削性試験、耐摩耗性試験および耐食性
を行った。その結果を表４に一覧表示した。なお、被削
性試験は卓上ボール盤を使用し、回転部自重および追加
の重りのみの荷重で、ドリルで試料に穴をあけ、その加
工数を比較する試験であり、今回の試験では荷重は１．
８ｋｇ、使用ドリルはφ３ｍｍ超硬ドリル、試料の厚さ
を５ｍｍに設定した。

【００３１】耐摩耗性試験は、アルミ合金製ハウジング
にバルブシート形状に加工した焼結合金を圧入嵌合し、
バルブをモータ駆動による偏心カムの回転で上下ピスト
ン運動させることにより、バルブフェースとシート面を
繰り返し衝突させ、これを一定時間行い、そのときに発
生するバルブシートとバルブフェース面の摩耗量を測定
することで評価を行った。試験時にはバルブの傘をバー
ナーで加熱することにより温度を制御する。なお、今回
の試験では偏心カムの回転数を３０００ｒｐｍ、バルブ
シート部分の試験温度を２５０℃、繰り返し時間を１０
時間に設定した。耐食性はＰｂ化合物の混合粉を腐食剤
として使用し、この中に試料を設置し、大気中雰囲気で
加熱、３００℃で５時間保持した後に試料最表面に発生
した腐食層の厚さを測定することで評価を行った。

【００３２】本発明合金（１〜２９）と比較合金（１〜
１３）の評価

【表４】

【００３３】以上の表４の評価からは次のことが分か
る。なお、図２〜図８は前記評価の内、図２〜図５は耐
摩耗性（摩耗量）と耐食性（腐食深さ）についてグラフ
化し、図６，図７はさらに被削性（加工孔数）をも含め
てグラフ化した。△印はバルブ、○印はバルブシート、
□印はバルブとバルブシートの合計の摩耗量をプロット
し、従来合金（比較１３）もバルブとバルブシートの合
計の摩耗量で図示した。また、図８は焼結合金の気孔中
にアクリル樹脂、Ｐｂ、Ｃｕの含浸した場合の被削性
（加工孔数）を示している。なお、図中、例えば、本発
明合金１は発明１と、比較合金１は比較１と表示してい
る。

【００３４】本発明合金１，２，１７，２９および比較
合金１，２，３の比較により、Ｆｅ基合金粉末中のＷ量
を変化させたとき、その影響を調べると以下のようにな
る。Ｆｅ基合金粉末中のＷ量が増加するにつれて、図２
に示す如くバルブシート摩耗量が減少している。一方、
バルブの摩耗量は、Ｗ量の増加にしたがい大きくなって
いる。バルブシートとバルブの合計の摩耗量は、３．５
〜６％で安定して低くなっている。このときの摩耗量
は、比較合金１３の従来合金よりも低い値となってい
る。これは、Ｗ量の増加にしたがい、基地中のＷ炭化物
の量が増加した結果、バルブシートの摩耗は減少する
が、バルブに対する攻撃性が増加するためバルブの摩耗
量が増加するためと推察される。また、バルブ摩耗量が
増加すると、摩耗粉の影響でバルブシート自体の摩耗量
も増加するため、Ｗ量が６％以上では逆に合計摩耗量が
大きい結果となる。また、耐食性はＦｅ基合金粉末中の
Ｗ量の増加にしたがい、基地に固溶するＷ量が増加した
結果、腐食深さが減少しており、良好な耐食性を示して
いる。以上のことから、Ｆｅ基合金粉末中のＷ量は、
３．５〜６％の範囲で耐摩耗性および耐食性ともに良好
であることが判る。

【００３５】本発明合金３〜６，１７，２８および比較
合金４，５を比較して、Ｆｅ基合金粉末中のＶ量を変化
させたときの影響を調べると、次のようになる。なお、
本発明合金３〜６，１７，２８は請求項１，２に関し、
その内、本発明合金３はＦｅ基合金中のＶ量が０％のも
のであり、請求項１に対応している。Ｆｅ基合金粉末中
のＶ量が２％までは図３に示す如く、バルブシート摩耗
量はやや減少しているが、２％を超えると摩耗量が増加
している。一方、バルブ摩耗量はＶ量の増加にしたがい
徐々に増加している。バルブシートとバルブの合計摩耗
量は、Ｖ量が２％まではほぼ一定しており、２％を超え
ると摩耗量が増加し、２．２％で０％とほぼ同程度の摩
耗量となり、２．２％を超えるとかえって摩耗量が大き
くなっている。これは、Ｖ量の増加にしたがい基地中の
Ｖ炭化物が増加し、バルブシートの耐摩耗性を向上させ
るが、バルブ攻撃性が高まるため、バルブ摩耗量が増加
し、その影響でバルブシート摩耗量が増加するためと推
察される。また、耐食性は、Ｖ量の増加にしたがって腐
食深さが減少しており、向上している。以上のことか
ら、Ｆｅ基合金粉末中のＶ量は、２．２％以下で良好な
耐摩耗性と耐食性を示すことが判る。

【００３６】本発明合金７，１７，２５〜２７および比
較合金６，７を比較すると（図４）、Ｎｉ基合金粉末が
３％の添加により、バルブシートの摩耗量は急激に減少
し、その後、添加量が２０％までは徐々に摩耗量が減少
している。一方、バルブ摩耗量は、Ｎｉ基合金粉末の添
加量の増加にしたがい徐々に増加し、２０％を超えると
急激に摩耗量が増加している。これにより、合計の摩耗
量は、Ｎｉ基合金粉末が３％の添加により低下し、２０
％までは、比較合金１３（従来合金）よりも低く、ほぼ
一定の値を示すが、２０％を超えると急激に摩耗量が増
大している。これは、Ｎｉ基合金粉末の添加により、硬
質な金属間化合物からなる硬質相が形成されると共に、
硬質相周囲に軟質なオーステナイトまたはオーステナイ
トとフェライトの混合相およびその周囲に耐摩耗性に効
果のあるマルテンサイト相が形成され、金属間化合物に
よる耐摩耗性の向上、オーステナイトまたはオーステナ
イトとフェライトの混合相による金属間化合物の脱落防
止およびバルブ着座時の衝撃緩和、マルテンサイト相に
よる耐摩耗性の向上の効果により摩耗量が減少するが、
過剰なＮｉ基合金粉末の添加は、金属間化合物の量、マ
ルテンサイト相の量が増加するためバルブ攻撃性が高ま
ること、および、オーステナイトまたはオーステナイト
とフェライトの混合相が増加することによる基地強度の
低下と相まって、耐摩耗性の急激な低下が生じるからと
推察される。一方、耐食性は、Ｎｉ基合金粉末の添加量
によらずほぼ一定であり、比較合金１３（従来合金）よ
りも低い良好な値を示す。以上のことから、Ｎｉ基合金
粉末の添加量は３〜２０％の範囲で耐摩耗性に大きな効
果があることが判る。

【００３７】本発明合金８，９，１７，２３，２４およ
び比較合金８，９を比較すると、バルブシート摩耗量
は、図５に示す如く０．５％の黒鉛粉末の添加で急激に
摩耗量が減少し、黒鉛粉末添加量：１．４％までは摩耗
量がさらに減少し、１．４％を超えるとかえってバルブ
シート摩耗量が急激に増加している。一方、バルブ摩耗
量は、黒鉛粉末添加量の増加にしたがい徐々に増加して
いる。これにより、合計摩耗量は、０．５〜１．４％の
間で比較合金１３（従来合金）よりも低い値で安定して
いる。これは、黒鉛粉末添加量が増加することで基地中
の炭化物量が増加し、そのためバルブシート摩耗量は減
少するが、バルブ攻撃性が高くなるため、バルブの摩耗
は徐々に増大して、黒鉛粉末添加量が１．４％を超える
とバルブの摩耗の影響でバルブシートも摩耗するため、
急激に合計摩耗量が増加したものと推察される。また、
耐食性は、黒鉛粉末添加量が１．４％まではほぼ一定
で、比較合金１３（従来合金）よりも低い良好な耐食性
を示している。以上のことから、黒鉛粉末添加量は０．
５〜１．４％の範囲で耐摩耗性に大きな効果があること
が判る。

【００３８】発明合金１０〜１２，１４，１７，２１お
よび比較合金１０，１２により、Ｆｅ基合金粉末にＭｎ
とＳを固溶させて与えたときのＭｎＳ量の影響（図
６）、および発明合金１０，１３，１５，１６，２２お
よび比較合金１１により、ＭｎＳ粉末を添加して与えた
ときのＭｎＳ量の影響（図７）が判る。すなわち、Ｍｎ
ＳをＦｅ基合金粉末中にＭｎとＳを固溶させて与えた場
合も、ＭｎＳ粉末を添加して与えた場合も共に、全体組
成中のＭｎＳ量が１．２％まではバルブシート摩耗量が
徐々に増加し、１．２％を超えると基地の強度が低下し
た結果、摩耗量が増大している。また、耐食性は、どち
らの場合も比較合金１３（従来合金）よりも低い良好な
値を示している。ＭｎＳの添加形態から見ると、Ｍｎと
ＳをＦｅ基合金粉末中に固溶させて与えた場合は、Ｍｎ
Ｓ粉末を添加して与えた場合よりも摩耗量が低く、Ｍｎ
Ｓ量の増加による摩耗量の増加率も低くなっている。こ
れは、ＭｎＳ粉末を添加して与えた場合、ＭｎＳ粉末が
基地粉末の焼結による拡散・結合を阻害し、基地強度が
低下するためと推察される。そのため、耐食性もＭｎＳ
粉末添加の場合、問題ない範囲ではあるが若干低下する
傾向が見られる。一方、被削性は、どちらの場合でもＭ
ｎＳ量の増加にしたがい改善されているが、Ｆｅ基合金
粉末に固溶させて与えた場合の方が、基地中に均一に分
散するため同じＭｎＳ量でも被削性改善効果が大きくな
っている。以上のことから、添加形態によらずＭｎＳに
より被削性は改善されるが、全体組成中のＭｎＳ量が
１．２％を超えると耐摩耗性が急激に悪化する。このた
め、ＭｎＳの添加量の上限を１．２％とした。また、添
加形態はＭｎＳ粉末を添加してもよいが、Ｆｅ基合金粉
末中にＭｎとＳを固溶させて与えた方が、効果が高いこ
とが判る。

【００３９】また、発明合金１７，１８，１９，２０と
比較合金１３を比べると、被削性はＦｅ基合金中にＭｎ
とＳを固溶させて全体組成中で０．９％のＭｎＳを分散
させた合金は、従来合金よりも耐摩耗性、耐食性および
被削性において優れているが、図８に示す如くアクリル
樹脂、Ｐｂ、Ｃｕを含浸または溶浸することで耐摩耗
性、耐食性を損なうことなく被削性をより向上させるこ
とが可能であることが判る。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
のバルブシート用耐摩耗性焼結合金およびその製造方法
によれば、Ｃｏ等の高価な元素を使用しないため安価で
あり、内燃機関のバルブシート用焼結合金として実用に
十分な耐摩耗性を有しており、さらに、掃鉛剤成分、Ｐ
ｂ化合物に対する優れた耐食性を有する焼結合金が得ら
れる。特に、請求項３，４およびその製造方法の場合は
さらに被削性をも改善した優れた焼結合金となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焼結合金の金属組織の模式図である。

【図２】本発明の実施例において、基地形成合金粉末中
のＷ量を変化させたときの摩耗量と腐食深さの評価結果
を示すグラフである。

【図３】本発明の実施例において、基地形成合金粉末中
のＶ量を変化させたときの摩耗量と腐食深さの評価結果
を示すグラフである。

【図４】本発明の実施例において、硬質相形成粉末の添
加量を変化させたときの摩耗量と腐食深さの評価結果を
示すグラフである。

【図５】本発明の実施例において、黒鉛粉末の量を変化
させたときの摩耗量と腐食深さの評価結果を示すグラフ
である。

【図６】本発明の実施例において、全体組成中のＭｎＳ
量を変化させたときの摩耗量と腐食深さおよび加工孔数
の評価結果を示すグラフである。

【図７】本発明の実施例において、ＭｎＳ粉末の添加量
を変化させたときの摩耗量と腐食深さおよび加工孔数の
評価結果を示すグラフである。

【図８】本発明の実施例において、焼結合金にアクリル
樹脂、Ｐｂ、Ｃｕを含浸した場合の加工孔数の評価結果
を示すグラフである。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 全体組成が、重量比で、Ｗ：２．７５〜
   ５．７９％、Ｎｉ：１．５８〜１３．５％、Ｃｒ：０．
   ７５〜７．０％、Ｍｏ：０．２１〜２．２％、Ｓｉ：
   ０．０１５〜０．３％、Ｃ：０．５５〜２．０％、およ
   び残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、その金属組織
   が、 ベイナイト相もしくはベイナイトとソルバイトの混
   合相と、 主としてＣｒ炭化物よりなる硬質相の核を有し、そ
   の核を取り囲むＮｉ、Ｃｒ濃度の高いオーステナイト相
   もしくはオーステナイトとフェライトの混合相と、 前記の周囲をさらに取り囲むマルテンサイト相、 上記〜からなると共に、微細なＷ炭化物が上記硬質
   相をのぞく基地中に均一に分散する組織を呈することを
   特徴とする耐食性に優れた内燃機関のバルブシート用耐
   摩耗性焼結合金。
2. 【請求項２】 全体組成が、重量比で、Ｗ：２．７５〜
   ５．７９％、Ｖ：２．１２３％以下、Ｎｉ：１．５８〜
   １３．５％、Ｃｒ：０．７５〜７．０％、Ｍｏ：０．２
   １〜２．２％、Ｓｉ：０．０１５〜０．３％、Ｃ：０．
   ５５〜２．０％、および残部Ｆｅおよび不可避不純物か
   らなり、その金属組織が、 ベイナイト相もしくはベイナイトとソルバイトの混
   合相と、 主としてＣｒ炭化物よりなる硬質相の核を有し、そ
   の核を取り囲むＮｉ、Ｃｒ濃度の高いのオーステナイト
   相もしくはオーステナイトとフェライトの混合相、 前記の周囲をさらに取り囲むマルテンサイト相 上記〜からなると共に、微細なＷ炭化物およびＶ炭
   化物が上記硬質相をのぞく基地中に均一に分散する組織
   を呈することを特徴とする耐食性に優れた内燃機関のバ
   ルブシート用耐摩耗性焼結合金。
3. 【請求項３】 請求項１もしくは２に記載の耐摩耗性焼
   結合金において、全体組成中に、さらに、重量比で、Ｍ
   ｎ：０．７６２％以下およびＳ：０．４３８％以下を含
   み、前記硬質相をのぞく基地中に、１．２％以下のＭｎ
   Ｓ粒子が分散する組織を呈する耐食性に優れた内燃機関
   のバルブシート用耐摩耗性焼結合金。
4. 【請求項４】 請求項１〜３記載の耐摩耗性焼結合金に
   おいて、前記焼結合金の気孔中に、アクリル樹脂、鉛ま
   たは鉛合金、もしくは銅または銅合金の何れかが分散し
   ている耐食性に優れた内燃機関のバルブシート用耐摩耗
   性焼結合金。
5. 【請求項５】 重量比で、Ｗ：３．５〜６．０％、およ
   び残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ基合金粉末
   に、 重量比で、Ｃｒ：２５〜３５％、Ｍｏ：７〜１１％、Ｓ
   ｉ：０．５〜１．５％、Ｃ：１．５〜３．０％、および
   残部Ｎｉおよび不可避不純物よりなるＮｉ基合金粉末：
   ３〜２０％、および黒鉛粉末：０．５〜１．４％を配合
   した混合粉末を用いる、ことを特徴とする請求項１記載
   の耐食性に優れた内燃機関のバルブシート用耐摩耗性焼
   結合金の製造方法。
6. 【請求項６】 重量比で、Ｗ：３．５〜６．０％、Ｖ：
   ２．２％以下、および残部Ｆｅおよび不可避不純物から
   なるＦｅ基合金粉末に、 重量比で、Ｃｒ：２５〜３５％、Ｍｏ：７〜１１％、Ｓ
   ｉ：０．５〜１．５％、Ｃ：１．５〜３．０％、および
   残部Ｎｉおよび不可避不純物よりなるＮｉ基合金粉末：
   ３〜２０％、および黒鉛粉末：０．５〜１．４％を配合
   した混合粉末を用いる、ことを特徴とする請求項２記載
   の耐食性に優れた内燃機関のバルブシート用耐摩耗性焼
   結合金の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項５もしくは６に記載のＦｅ基合金
   粉末中に、さらに、重量比で、Ｍｎ：０．７９０％以
   下、Ｓ：０．４５４％以下を含むＦｅ基合金粉末を用い
   る、請求項３に記載の耐食性に優れた内燃機関のバルブ
   シート用耐摩耗性焼結合金の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項５もしくは６に記載の混合粉末
   に、重量比で、１．２％以下のＭｎＳ粉末をさらに添加
   する、請求項３に記載の耐食性に優れた内燃機関のバル
   ブシート用耐摩耗性焼結合金の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項５〜８に記載の混合粉末を用いて
   成形し、焼結した焼結体の気孔中に、アクリル樹脂、鉛
   または鉛合金、もしくは銅または銅合金の何れかを含浸
   もしくは溶浸する、請求項４に記載の耐食性に優れた内
   燃機関のバルブシート用耐摩耗性焼結合金の製造方法。