JPH1088299A

JPH1088299A - 耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製２層バルブシート

Info

Publication number: JPH1088299A
Application number: JP24630796A
Authority: JP
Inventors: Koji Kobayashi; 孝司小林
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 1998-04-07
Anticipated expiration: 2016-09-18
Also published as: JP3275727B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製２層バ
ルブシートを提供する。【解決手段】Ｆｅ基焼結合金製２層バルブシートのバ
ルブ当接層が、重量％で、Ｃ：０．５〜２％、Ｓｉ：
０．０５〜１％、Ｃｏ：８〜１６％、Ｃｒ：２〜８％、
Ｍｏ：１．５〜６％、Ｗ：１．５〜６％、Ｎｉ：０．５
〜２％、Ｎｂ：０．０５〜１％を含有し、残りがＦｅと
不可避不純物からなる全体組成、合金鋼の素地に、Ｃｏ
−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなる高温耐摩耗性Ｃｏ基合金硬
質粒子Ａと、Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金からなる常温
耐摩耗性Ｃｒ基合金硬質粒子Ｂとが、合量で６〜２６面
積％の割合で分散分布した組織、および５〜２５％の気
孔率をもったＦｅ基焼結合金からなり、さらに必要に応
じてこれに銅または銅合金、あるいは鉛または鉛合金を
溶浸したものからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ディーゼルエン
ジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の構造部材であ
るＦｅ基焼結合金製２層バルブシートに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関のＦｅ基焼結合金製２層
バルブシートとしては、例えば特開平５−１４０７０２
号公報に記載されるものなど多くのものが知られてお
り、これらがＦｅ基焼結合金のバルブ当接層と、該バル
ブ当接層と一体焼結結合されたＦｅ基焼結合金のバック
アップ層で構成されることも知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年の内燃機関
の高出力化および大型化はめざましく、これに伴ない、
内燃機関の構造部材であるバルブシートは、より一段の
高温環境下での稼働を余儀なくされるが、上記の従来Ｆ
ｅ基焼結合金製２層バルブシートはじめ、その他多くの
バルブシートをより一段の高温環境下で用いた場合、特
にバルブ当接層の摩耗進行が急激に促進されるようにな
り、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、特に高温環境にさらされても、
すぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製２層バル
ブシートを開発すべく研究を行なった結果、特にＦｅ基
焼結合金製２層バルブシートのバルブ当接層を、重量％
で（以下、組成に関する％は重量を示す）、Ｃ：０．５〜２％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｃｏ：８〜１６％、Ｃｒ：２〜８％、Ｍｏ：１．５〜６％、Ｗ：１．５〜６％、Ｎｉ：０．５〜２％、Ｎｂ：０．０５〜１％、を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる全体組
成、合金鋼の素地に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなる
Ｃｏ基合金硬質粒子Ａと、Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金
からなるＣｒ基合金硬質粒子Ｂとが、光学顕微鏡組織写
真で観察して、合量で６〜２６面積％の割合で分散分布
し、かつ前記硬質粒子Ａの割合が硬質粒子に占める割合
で２５〜７５面積％である組織、および５〜２５％の気
孔率、を有するＦｅ基焼結合金で構成すると、この結果
のＦｅ基焼結合金製２層バルブシートにおいては、上記
バルブ当接層を構成する上記硬質粒子Ａが高温耐摩耗性
にすぐれていることから、これによってより高温下での
使用に際してもすぐれた耐摩耗性が確保され、また上記
硬質粒子Ｂはすぐれた常温耐摩耗性をもつことから、こ
れによって特に内燃機関の初期稼動時および低速運転時
における耐摩耗性が確保され、全体的にすぐれた耐摩耗
性を長期に亘って発揮するようになり、またこれに銅ま
たは銅合金を溶浸させると熱伝導性および強度が向上
し、さらに鉛または鉛合金を溶浸させると潤滑性、制振
性、および被削性が向上するようになるという研究結果
を得たのである。

【０００５】この発明は、上記の研究結果にもとづいて
なされたものであって、Ｆｅ基焼結合金のバルブ当接層
と、これと一体焼結結合されたＦｅ基焼結合金のバック
アップ層で構成されたＦｅ基焼結合金製２層バルブシー
トにおいて、前記バルブ当接層を、Ｃ：０．５〜２％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｃｏ：８〜１６％、Ｃｒ：２〜８％、Ｍｏ：１．５〜６％、Ｗ：１．５〜６％、Ｎｉ：０．５〜２％、Ｎｂ：０．０５〜１％、を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる全体組
成、素地中に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなる高温耐
摩耗性Ｃｏ基合金硬質粒子Ａと、Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆｅ
系合金からなる常温耐摩耗性Ｃｒ基合金硬質粒子Ｂと
が、光学顕微鏡組織写真で観察して、合量で６〜２６面
積％の割合で分散分布し、かつ前記硬質粒子Ａの割合が
硬質粒子に占める割合で２５〜７５面積％である組織、
および５〜２５％の気孔率、を有するＦｅ基焼結合金で
構成し、さらに必要に応じてこれに銅または銅合金、あ
るいは鉛または鉛合金を溶浸してなる耐摩耗性のすぐれ
Ｆｅ基焼結合金製２層バルブシートに特徴を有するもの
である。

【０００６】なお、この発明の２層バルブシートは、バ
ルブ当接層形成に、素地形成用合金粉末として、Ｃ：０．２〜３％、Ｎｉ：０．５〜７％、Ｃｏ：１〜１２％、Ｎｂ：０．０５〜１．５％、を含有し、さらに必要に応じて、Ｃｒ：０．３〜６％、Ｍｏ：０．２〜６％、Ｗ：０．５〜６％、Ｓｉ：０．１〜１％、のうちの１種または２種以上、を含有し、残りがＦｅと
不可避不純物からなる組成を有する合金鋼粉末、また、
硬質粒子Ａ形成用合金粉末として、Ｍｏ：２０〜３５％、Ｃｒ：５〜１０％、Ｓｉ：１〜４％、を含有し、残りがＣｏと不可避不純物からなる組成を有
するＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなるＣｏ基合金粉末、
さらに、硬質粒子Ｂ形成用合金粉末として、Ｃ：０．５〜３％、Ｗ：１５〜３０％、Ｃｏ：１５〜３０％、Ｆｅ：５〜１５％、Ｎｂ：０．２〜２％、Ｓｉ：０．２〜２％、を含有し、残りがＣｒと不可避不純物からなる組成を有
するＣｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金からなるＣｒ基合金粉
末、を原料粉末として用い、これら原料粉末を所定の割
合に配合し、以下通常の条件で、混合してバルブ当接層
形成用混合粉末とし、これと別途用意したバックアップ
層形成用混合粉末と共に、所定の形状にプレス成形し、
焼結し、さらに必要に応じて銅または銅合金、あるいは
鉛または鉛合金を溶浸することによって製造される。ま
た、上記のバルブ当接層形成のための素地形成用原料粉
末については、上記合金鋼粉末に代って、要素粉末、あ
るいは要素粉末と合金粉末を用い、これらを上記合金鋼
粉末と同じ組成をもつように配合したものを原料粉末と
して用いてもよい。

【０００７】つぎに、この発明の２層バルブシートのバ
ルブ当接層において、これを構成するＦｅ基焼結合金の
全体組成、硬質粒子の割合、および気孔率を上記の通り
に限定した理由を説明する。（Ａ）成分組成（ａ）ＣＣ成分には、素地に固溶して、これを強化するほか、素
地に分散する炭化物を形成して素地の耐摩耗性を向上さ
せ、さらに硬質粒子Ａ，Ｂのそれぞれに含有して耐摩耗
性を向上させる作用があるが、その含有量が０．５％未
満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その
含有量が２％を越えると、相手攻撃性が急激に増大する
ようになることから、その含有量を０．５〜２％、望ま
しくは０．８〜１．５％と定めた。

【０００８】（ｂ）ＳｉＳｉ成分は、主に硬質粒子Ａ，Ｂに含有して、硬質の金
属間化合物を形成し、これの耐摩耗性向上に寄与する
が、その含有量が０．０５％未満では前記作用に所望の
効果が得られず、一方その含有量が１％を越えると硬質
粒子Ｂ自体が脆化し、耐摩耗性低下の原因となることか
ら、その含有量を０．０５〜１％、望ましくは０．２〜
０．７％と定めた。

【０００９】（ｃ）ＣｏＣｏ成分には、素地にあっては、これを固溶強化し、ま
た硬質粒子Ａではこれの高温耐摩耗性向上に寄与し、か
つ硬質粒子Ｂにおいては、これを固溶強化する作用があ
るが、その含有量が８％未満では前記作用に所望の効果
が得られず、一方その含有量が１６％を越えると、バル
ブ当接層自体の耐摩耗性が低下するようになることか
ら、その含有量を８〜１６％、望ましくは１０〜１４％
と定めた。

【００１０】（ｄ）ＣｒＣｒ成分には、素地にあってはこれを固溶強化し、また
硬質粒子Ｂでは、主成分として含有して炭化物および金
属間化合物を形成して常温耐摩耗性を向上させ、さらに
硬質粒子Ａでは同じく炭化物および金属間化合物を形成
し、Ｃｏとの共存で高温耐摩耗性向上に寄与する作用が
あるが、その含有量が２％未満では前記作用に所望の効
果が得られず、一方その含有量が８％を越えると焼結性
が低下し、バルブ当接層に所望の強度を確保することが
できなくなることから、その含有量を２〜８％、望まし
くは４〜６％と定めた。

【００１１】（ｅ）ＭｏＭｏ成分には、素地においては、これを固溶強化し、か
つ硬質粒子Ｂには実質的に含有せず、主体が硬質粒子Ａ
に含有して炭化物を形成し、主成分であるＣｏとの共存
において高温耐摩耗性を向上させる作用があるが、その
含有量が１．５％未満では前記作用に所望の効果が得ら
れず、一方その含有量が６％を越えると相手攻撃性が増
大するようになることから、その含有量を１．５〜６
％、望ましくは２〜４％と定めた。

【００１２】（ｆ）ＷＷ成分には、主として硬質粒子Ｂに含有して炭化物およ
び金属間化合物を形成し、もって常温耐摩耗性の向上に
寄与するが、その含有量が１．５％未満では前記作用に
所望の効果が得られず、一方その含有量が６％を越える
と相手攻撃性が増すようになることから、その含有量を
１．５〜６％、望ましくは２〜４％と定めた。

【００１３】（ｇ）ＮｉＮｉ成分には、素地および硬質粒子Ａ，Ｂのいずれにも
固溶して、これを強化する作用があるが、その含有量が
０．５％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一
方その含有量が２％を越えると耐摩耗性が低下するよう
になることから、その含有量を０．５〜２％、望ましく
は０．８〜１．５％と定めた。

【００１４】（ｈ）ＮｂＮｂ成分は、主に硬質粒子Ｂに含有して炭化物を形成
し、常温耐摩耗性向上に寄与する作用をもつが、その含
有量が０．０５％未満では前記作用に所望の効果が得ら
れず、一方その含有量が１％を越えると相手攻撃性が増
すようになることから、その含有量を０．０５〜１％、
望ましくは０．２〜０．７％と定めた。

【００１５】（Ｂ）硬質粒子の割合上記の通り、バルブ当接層は、それぞれの硬質粒子Ａ，
Ｂによってすぐれた高温耐摩耗性と常温耐摩耗性をもつ
ようになり、したがって硬質粒子に占める割合で、硬質
粒子Ａの割合が２５面積％未満では所望の高温耐摩耗性
を確保することができず、一方その割合が７５面積％を
越えると相対的に硬質粒子Ｂの割合が少なくなりすぎて
所望の常温耐摩耗性を確保することができなくなること
から、硬質粒子Ａの割合を２５〜７５面積％、望ましく
は４０〜６０容量％と定めた。また、硬質粒子の全体割
合が６面積％未満では所望の耐摩耗性を確保することが
できず、一方その全体割合が２６面積％を越えると相手
攻撃性が急激に増大するばかりでなく、強度も低下する
ようになることから、その全体割合を６〜２６面積％、
望ましくは１０〜２０面積％と定めた。

【００１６】（Ｃ）気孔率１０％未満の気孔率では保油効果による潤滑性向上効果
が期待できないばかりでなく、銅および銅合金や鉛およ
び鉛合金の溶浸が不均一になって、これら溶浸による効
果を十分に発揮させることができず、一方気孔率が２５
％を越えると強度および耐摩耗性の低下が避けられない
ことから、気孔率を５〜２５％、望ましくは１０〜２０
％と定めた。

【００１７】また、この発明の２層バルブシートのバッ
クアップ層は、上記のバルブ当接層と強固に一体焼結結
合し、かつすぐれた高温強度を有するＦｅ基焼結合金、
すなわち上記の特開平５−１４０７０２号公報に記載さ
れる２層バルブシートのバックアップ層を構成するＦｅ
基焼結合金と同じＦｅ基焼結合金、さらに詳述すれば、
Ｃ：０．３〜１．２％、Ｃｒ：１．２〜３．５
％、Ｍｏ：０．１〜１％、を含有し、残りがＦｅと不可
避不純物からなる組成、並びに５〜２５％の気孔率、を
有するＦｅ基焼結合金で構成するのが望ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明の２層バルブシ
ートを実施例により具体的に説明する。まず、バルブ当
接層形成用原料粉末として、それぞれ表１〜３に示され
る平均粒径および成分組成をもった素地形成用合金粉末
Ｍ−１〜Ｍ−１３、硬質粒子Ａ形成用合金粉末Ａ−１〜
Ａ−６、および硬質粒子Ｂ形成用合金粉末Ｂ−１〜Ｂ−
１３を用意し、これらを表４に示される組合せで所定の
割合に配合し、またバックアップ層形成用原料粉末とし
て、いずれも−１００meshの粒度を有するＦｅ粉末、Ｆ
ｅ−Ｃｒ合金（Ｃｒ：７５％含有）粉末、Ｍｏ粉末、お
よび黒鉛粉末を用意し、これらを表５に示される配合組
成に配合し、いずれもステアリン酸亜鉛：１％を加えて
ミキサーにて３０分間混合して、バルブ当接層形成用混
合粉末ａ〜ｑおよびバックアップ層形成用混合粉末ア〜
キを調製し、これを表６〜９に示される組合せでバルブ
当接層とバックアップ層の相対割合が重量比で４：６と
なる割合に金型内に装入し、５〜７ton ／cm²の範囲内
の所定の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５
００℃に３０分間保持して脱脂し、アンモニア分解ガス
雰囲気中、１１８０〜１２５０℃の範囲内の所定温度に
１時間保持の条件で焼結して、バルブ当接層が表６〜９
に示される全体組成および硬質粒子の割合（１００倍の
光学顕微鏡組織写真にもとづいて画像解析装置にて測
定）を示し、バックアップ層が表５の配合組成と実質的
に同じ成分組成を有し、かつ同じく表７，９に示される
気孔率を有するＦｅ基焼結合金で構成され、寸法が外
径：３４mm×最小内径：２７mm×厚さ：７．２mmの本発
明２層バルブシート１〜１３および比較２層バルブシー
ト１〜４をそれぞれ製造した。なお、上記比較２層バル
ブシート１〜４は、これを構成するバルブ当接層におけ
る硬質粒子の割合がこの発明の範囲から外れ、これによ
って全体組成もこの発明の組成範囲から外れるようにな
ったものである。

【００１９】さらに、上記本発明２層バルブシート１〜
１３および比較２層バルブシート１〜４を本体とし、こ
れのそれぞれの上面に、純銅、Ｃｕ−３％Ｃｏ合金（以
下、Ｃｕ合金１という）またはＣｕ−３％Ｆｅ−２％Ｍ
ｎ−２％Ｚｎ合金（以下、Ｃｕ合金２という）の溶浸材
を表１０に示される組合せで載置し、この状態でメタン
変成ガス雰囲気中、温度：１１００℃に１５分間保持の
条件で銅または銅合金の溶浸処理を施すことにより本発
明銅溶浸２層バルブシート１〜１３および比較銅溶浸２
層バルブシート１〜４をそれぞれ製造した。また、同じ
く上記本発明２層バルブシート１〜１３および比較２層
バルブシート１〜４を本体とし、これに表１１に示され
る組合せで、純鉛、Ｐｂ−４％Ｓｂ合金（以下、合金ａ
という）、またはＰｂ−５％Ｓｎ合金（以下、合金ｂと
いう）の溶浸材の加熱浴中に、窒素雰囲気中、浴表面に
８kg／cm²の圧力を付加した状態で１時間浸漬の条件で
鉛または鉛合金の溶浸処理を施すことにより本発明鉛溶
浸２層バルブシート１〜１３および比較鉛溶浸２層バル
ブシート１〜４をそれぞれ製造した。

【００２０】つぎに、この結果得られた各種の２層バル
ブシートについて、バルブシート台上摩耗試験機を用
い、バルブの材質：ＳＵＨ−３、バルブの加熱温度：８００℃、バルブの着座回数：３０００回／min 、雰囲気：０．４kg／cm²の圧力のプロパンガスと、流
量：１．５ｌ／min の酸素ガスによる燃焼ガス、バルブシートの加熱温度（水冷）：３００〜４００℃、着座荷重：２５kg、試験時間：２時間の連続運転と１０分間の停止を１サイ
クルとして２０サイクル、の条件で摩耗試験を行ない、バルブシートのバルブ当接
層における最大摩耗深さと相手材であるバルブの最大摩
耗深さを測定した。これらの測定結果を表９〜１１に示
した。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】

【表３】

【００２４】

【表４】

【００２５】

【表５】

【００２６】

【表６】

【００２７】

【表７】

【００２８】

【表８】

【００２９】

【表９】

【００３０】

【表１０】

【００３１】

【表１１】

【００３２】

【発明の効果】表６〜１１に示される結果から、本発明
２層バルブシート１〜１３、本発明銅溶浸２層バルブシ
ート１〜１３、および本発明鉛溶浸２層バルブシート１
〜１３は、いずれも低い相手攻撃性で、かつ高温運転条
件下ですぐれた耐摩耗性を示すのに対して、比較２層バ
ルブシート１〜４、比較銅溶浸２層バルブシート１〜
４、および比較鉛溶浸２層バルブシート１〜４に見られ
るように、バルブ当接層を構成するＦｅ基焼結合金の硬
質粒子の割合がこの発明の範囲から外れると、耐摩耗性
が低下したり、相手攻撃性が増したりすることが明らか
である。上述のように、この発明の２層バルブシート
は、特にバルブ当接層が硬質粒子Ａ，Ｂを含有すること
によって高温および常温耐摩耗性が著しく向上したＦｅ
基焼結合金で構成されているので、これを高温運転の内
燃機関に用いてもすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮
するのである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｆｅ基焼結合金のバルブ当接層と、これ
と一体焼結結合されたＦｅ基焼結合金のバックアップ層
で構成されたＦｅ基焼結合金製２層バルブシートにおい
て、上記バルブ当接層を、重量％で、Ｃ：０．５〜２％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｃｏ：８〜１６％、Ｃｒ：２〜８％、Ｍｏ：１．５〜６％、Ｗ：１．５〜６％、Ｎｉ：０．５〜２％、Ｎｂ：０．０５〜１％、を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる全体組
成、合金鋼の素地に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなる高温
耐摩耗性Ｃｏ基合金硬質粒子Ａと、Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆ
ｅ系合金からなる常温耐摩耗性Ｃｒ基合金硬質粒子Ｂと
が、光学顕微鏡組織写真で観察して、合量で６〜２６面
積％の割合で分散分布し、かつ前記硬質粒子Ａの割合が
硬質粒子に占める割合で２５〜７５面積％である組織、および５〜２５％の気孔率、を有するＦｅ基焼結合金で
構成したことを特徴とする耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼
結合金製２層バルブシート。
【請求項２】Ｆｅ基焼結合金のバルブ当接層と、これ
と一体焼結結合されたＦｅ基焼結合金のバックアップ層
で構成されたＦｅ基焼結合金製２層バルブシートにおい
て、上記バルブ当接層を、重量％で、Ｃ：０．５〜２％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｃｏ：８〜１６％、Ｃｒ：２〜８％、Ｍｏ：１．５〜６％、Ｗ：１．５〜６％、Ｎｉ：０．５〜２％、Ｎｂ：０．０５〜１％、を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる全体組
成、合金鋼の素地に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなる高温
耐摩耗性Ｃｏ基合金硬質粒子Ａと、Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ−Ｆ
ｅ系合金からなる常温耐摩耗性Ｃｒ基合金硬質粒子Ｂと
が、光学顕微鏡組織写真で観察して、合量で６〜２６面
積％の割合で分散分布し、かつ前記硬質粒子Ａの割合が
硬質粒子に占める割合で２５〜７５面積％である組織、および５〜２５％の気孔率、を有するＦｅ基焼結合金で
構成すると共に、銅または銅合金、あるいは鉛または鉛
合金を溶浸したことを特徴とする耐摩耗性のすぐれたＦ
ｅ基焼結合金製２層バルブシート。