JPH11140607A - 耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブシート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブ
シートを提供する。 【解決手段】 バルブシートが、重量％で、Ｃ：０．５
〜２％、Ｓｉ：０．０５〜１％、Ｍｏ：６〜１５％、Ｃ
ｏ：５〜１５％、Ｃｒ：１〜６％、Ｎｉ：０．５〜２
％、Ｎｂ：０．０５〜１％、ＣａＦ₂ ：１〜１５％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、Ｍｏ−Ｆｅ系合金から
なる常温耐摩耗性Ｍｏ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、さらにＣａＦ₂ 粒子
が同じく３〜４５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基焼結合金製バル
ブシートとしては、例えば特開昭５５−１６４０６３号
公報や特開昭５８−１７８０７３号公報などに記載され
るように、硬質粒子分散型のＦｅ基焼結合金で構成され
たものが多く提案されている。

【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、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バルブシートを開発すべく
研究を行なった結果、バルブシートを、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％、 Ｍｏ：６〜１５％、 Ｃｏ：５〜１５％、 Ｃｒ：１〜６％、 Ｎｉ：０．５〜２％、 Ｎｂ：０．０５〜１％、 弗化カルシウム（以下、ＣａＦ₂ で示す）：１〜１５
％、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、Ｍｏ−Ｆｅ系合金からなる
Ｍｏ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％であり、さらにＣａＦ₂ 粒子が同じく３〜４
５面積％の割合で分散分布した組織、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基焼結合金製バルブシートにおいては、特に
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
常温耐摩耗性が確保され、さらに上記ＣａＦ₂ 粒子によ
る潤滑性向上効果によって耐摩耗性が一段と向上し、か
つ前記潤滑性向上効果と前記常温耐摩耗性向上効果とが
相まって、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向上し、この結果全体的にすぐれた
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、 Ｃ：０．５〜２％、 Ｓｉ：０．０５〜１％、 Ｍｏ：６〜１５％、 Ｃｏ：５〜１５％、 Ｃｒ：１〜６％、 Ｎｉ：０．５〜２％、 Ｎｂ：０．０５〜１％、 ＣａＦ₂ ：１〜１５％、 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、Ｍｏ−Ｆｅ系合金から
なる常温耐摩耗性Ｍｏ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％であり、さらにＣａＦ₂ 粒
子が同じく３〜４５面積％の割合で分散分布した組織、
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、この発明のバルブシートは、素地形
成用合金粉末として、 Ｃ：０．２〜３％、 Ｍｏ：２〜１２％、 Ｃｏ：２〜１２％、 Ｃｒ：０．５〜８％、 Ｎｉ：０．３〜３％、 を含有し、さらに必要に応じて、 Ｎｂ：０．１〜２％、 Ｓｉ：０．１〜１．５％、 のうちの１種または２種、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、 Ｆｅ：２０〜５０％、 を含有し、残りがＭｏと不可避不純物からなる組成を有
するＭｏ−Ｆｅ系合金からなるＭｏ基合金粉末、を原料
粉末として用い、これら原料粉末を、同じく原料粉末と
して用意したＣａＦ₂ 粉末と共に、所定の割合に配合
し、以下通常の条件で、混合し、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、この発明のバルブシートにおい
て、これを構成するＦｅ基焼結合金の全体組成、硬質粒
子およびＣａＦ₂ 粒子の割合、さらに気孔率を上記の通
りに限定した理由を説明する。 （Ａ） 成分組成 （ａ） Ｃ Ｃ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１〜１．５％と定めた。

【０００８】（ｂ） Ｓｉ Ｓｉ成分には、素地に固溶して、これの硬さを高め、も
って耐摩耗性を向上させる作用があるが、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％を越えると強度が低下するように
なることから、その含有量を０．０５〜１％、望ましく
は０．３〜０．７％と定めた。

【０００９】（ｃ） Ｍｏ Ｍｏ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Ａ、Ｂではそれぞれ炭化物を形成して耐摩耗
性を向上させる作用があるが、その含有量が６％未満で
は所望の耐摩耗性向上効果が得られず、一方その含有量
が１５％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６〜１５％、望ましくは８〜１２
％と定めた。

【００１０】（ｄ） Ｃｏ Ｃｏ成分には、素地を固溶強化すると共に、硬質粒子Ａ
の高温耐摩耗性向上に寄与し、かつ硬質粒子Ｂを固溶強
化する作用があるが、その含有量が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１５％を
越えると、バルブシート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５〜１５％、望ましくは
７〜１２％と定めた。

【００１１】（ｅ） Ｃｒ Ｃｒ成分には、素地および硬質粒子Ｂに固溶して、これ
を強化し、また硬質粒子Ａでは、Ｍｏと共に炭化物を形
成し、さらに金属間化合物を形成して、Ｃｏとの共存下
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１％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％を越えると焼結性が低下し、バルブ
シート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１〜６％、望ましくは２．５〜４．
５％と定めた。

【００１２】（ｆ） Ｎｉ Ｎｉ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１〜１．５％と定めた。

【００１３】（ｈ） Ｎｂ Ｎｂ成分には、素地に固溶して、これの耐熱性を向上さ
せ、高温耐摩耗性の向上に寄与する作用があるが、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０．３〜０．７％と定めた。

【００１４】（ｈ） ＣａＦ₂ ＣａＦ₂ 成分には、潤滑性を向上させ、もって耐摩耗性
を向上させるほか、上記の通り、特に硬質粒子Ｂとの共
存において、内燃機関の初期稼動時および低速運転時に
おける耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量
が１％未満では、素地に分散分布する割合が３面積％未
満となって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１５％を越えると、素地に分散分布する割
合が４５面積％を越えて多くなり過ぎ、強度が低下する
ようになることから、その含有量を１〜１５％望ましく
は３〜１０％と定めた。

【００１５】（Ｂ） 硬質粒子の割合 上記の通り、バルブシートは、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、並びにＣａＦ₂ 粒子との共存にお
いて、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４０〜６
０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） ＣａＦ₂ 粒子の割合 上記の通り、ＣａＦ₂ 粒子には、これのもつ潤滑性向上
効果によって耐摩耗性を向上させるほか、上記硬質粒子
Ｂのもつ常温耐摩耗性向上効果と相まって、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を向上さ
せる作用があるが、その割合が３面積％未満では前記作
用に所望の向上効果が得られず、一方その割合が４５面
積％を越えると強度が低下するようになることから、そ
の割合を３〜４５面積％、望ましくは９〜３０面積％と
定めた。

【００１７】（Ｃ） 気孔率 ５％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。

【００１８】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明のバルブシート
を実施例により具体的に説明する。まず、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−１５、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−３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、さらにこれ
に同じく原料粉末として用意した−２００meshの粒度を
有するＣａＦ₂ 粉末をそれぞれ所定の割合に配合し、ス
テアリン酸亜鉛：１％を加えてミキサーにて３０分間混
合し後、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５００℃に３０分間保
持して脱脂し、アンモニア分解ガス雰囲気中、１１７０
〜１２５０℃の範囲内の所定温度に１時間保持の条件で
焼結して、表５〜８に示される全体組成、硬質粒子およ
びＣａＦ₂ 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）、並びに気孔率を
有するＦｅ基焼結合金で構成され、外径：３４mm×最小
内径：２７mm×厚さ：７．２mmの寸法をもった本発明バ
ルブシート１〜１５および比較バルブシート１〜４をそ
れぞれ製造した。なお、上記比較バルブシート１〜４
は、いずれも硬質粒子の割合、さらに硬質粒子とＣａＦ
₂ 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、上記本発明バルブシート１〜１５
および比較バルブシート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）、Ｃｕ−３％Ｆｅ−２％Ｍｎ−２％Ｚｎ
合金（以下、Ｃｕ合金２という）、またはＣｕ−３０％
Ｚｎ合金（以下、Ｃｕ合金３という）の溶浸材を表９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バ
ルブシート１〜１５および比較銅溶浸バルブシート１〜
４をそれぞれ製造した。また、同じく上記本発明バルブ
シート１〜１５および比較バルブシート１〜４を本体と
し、これに表１０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バルブシート１〜１５お
よび比較鉛溶浸バルブシート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：７５０℃、 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）：３５０〜４５０℃、 着座荷重：２２kg、 試験時間：１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７〜１０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】

【発明の効果】表４〜１０に示される結果から、本発明
バルブシート１〜１５、本発明銅溶浸バルブシート１〜
１５、および本発明鉛溶浸バルブシート１〜１５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、比較バルブシート１〜
４、比較銅溶浸バルブシート１〜４、および比較鉛溶浸
バルブシート１〜４に見られるように、これを構成する
Ｆｅ基焼結合金の硬質粒子の割合、さらに硬質粒子とＣ
ａＦ₂ 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、この発明のバルブシート
は、特にこれを構成するＦｅ基焼結合金における硬質粒
子Ａ，Ｂによって高温および常温耐摩耗性が著しく向上
し、さらに同じく硬質粒子ＢとＣａＦ₂ 粒子の共存含有
によって内燃機関の初期稼動時および低速運転時におけ
る耐摩耗性が向上したものになり、したがって通常運転
は勿論のこと、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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ：０．５〜２％、 Ｓｉ：０．０５〜１％、 Ｍｏ：６〜１５％、 Ｃｏ：５〜１５％、 Ｃｒ：１〜６％、 Ｎｉ：０．５〜２％、 Ｎｂ：０．０５〜１％、 弗化カルシウム：１〜１５％、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、Ｍｏ−Ｆｅ系合金か
   らなる常温耐摩耗性Ｍｏ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％であり、さらに弗化カル
   シウム粒子が同じく３〜４５面積％の割合で分散分布し
   た組織、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基焼結合金製バルブシート。
2. 【請求項２】 重量％で、 Ｃ：０．５〜２％、 Ｓｉ：０．０５〜１％、 Ｍｏ：６〜１５％、 Ｃｏ：５〜１５％、 Ｃｒ：１〜６％、 Ｎｉ：０．５〜２％、 Ｎｂ：０．０５〜１％、 弗化カルシウム：１〜１５％、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、Ｍｏ−Ｆｅ系合金か
   らなる常温耐摩耗性Ｍｏ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％であり、さらに弗化カル
   シウム粒子が同じく３〜４５面積％の割合で分散分布し
   た組織、 および５〜２５％の気孔率、を有するＦｅ基焼結合金で
   構成し、かつ、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Ｆｅ
   基焼結合金製バルブシート。