JPH11141316A

JPH11141316A - ２層構造のバルブ・シート体およびその製法

Info

Publication number: JPH11141316A
Application number: JP30408597A
Authority: JP
Inventors: Masahito Hirose; 正仁廣瀬; Takashi Okawa; 貴嗣大川
Original assignee: Fuji Oozx Inc; Fuji Valve Co Ltd
Current assignee: Fuji Oozx Inc
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 1999-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】シート部側には、耐摩耗性、耐食性、高硬
度、高破壊靭性を有する層があり、シリンダーヘッド側
には、高い熱伝導性、高靭延性、高い耐脱落性を有する
層を持つ機能の２層構造のバルブ・シート体を得るこ
と。【解決手段】円環状の基台部と、エンジンバルブが着座
するテーパー状フェース面を備える円環状シート部とか
らなる内燃機関用バルブ・シートにおいて、該基台部
は、鉄ベースで、Ｃ：０．４５〜０．６重量％、Ｎｉ：
１〜５重量％、Ｍｏ：０．４〜２重量％、Ｃｕ：１〜２
重量％の組成物の粉末混合物の焼結物であり、該円環状
シート部は、鉄ベースで、Ｃ：１．０〜１．２重量％、
Ｎｉ：２〜４重量％、Ｃｏ：４〜６重量％、Ｍｏ：６〜
８重量％、Ｎｂ：０．２〜２重量％、Ｃｒ：１〜５重量
％、ＣａＦ₂：０．９〜１．１重量％の組成物の粉末混
合物の焼結物であることを特徴とする前記の内燃機関用
のバルブ・シート体である。

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
ブ着座のときに、シリンダー内の気密性を確保すると同
時に耐脱出性のすぐれたバルブ・シート体とその製法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のバルブ・シート等は、生産性
や寸法精度が高く、かつ材料の歩留まりもよいなどのた
めに、粉末冶金法により形成されるものが用いられてい
る。そして、内燃機関用のバルブ・シート体は、焼結材
料に高合金材料を用いてマトリックスの強化を図った
り、焼結材料に金属間化合物や炭化物、窒化物等の硬質
材料を添加するなどで製造されている。そして、バルブ
・シート焼結体は、更に、バルブ・シリンダー内の気密
性を保持する必要性と、バルブからシリンダーヘッドへ
の放熱によりバルブの過熱を防止することを有するもの
が好適である。

【０００３】また、従来から、バルブ・シートは、基台
部とシート部とに別の材料を用いる例がある。例えば、
焼結２層バルブ・シート体があるが、それは、基台部に
廉価の材料を用いているために、全体としての強度が低
くなり、ディーゼルエンジン等の鋳鉄を用いたエンジン
では、耐脱落性の面で満足するものが得られず、採用さ
れなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術に説明のよう
に、焼結材料に高合金材料を用いて、バルブ・シートが
高い硬度を有し、同時に機械加工性を高めるが、高合金
材料は高価であるために、製造コストが高くなる。本発
明は、また、円環状の基台部（即ち、接合部）と、エン
ジンバルブが着座するテーパー状フェース面を備える円
環状シート部（即ち、シート部）と２つの層からなる内
燃機関用バルブ・シートにおいて、焼結体材料を代替さ
せることにより、低廉の内燃機関用のバルブ・シート体
を提供することを課題とする。バルブ・シート体に要求
される特性としては、バルブ接触側には、即ち、シート
部には、耐摩耗性、耐食性、高硬度、高破壊靭性などが
必要である。それに対して、バルブ・シート体のシリン
ダーヘッド側即ち、接合部では、高い熱伝導性、高靭延
性が必要である。従って、本発明の課題の以上の矛盾す
る特性を各々の部分にするバルブ・シート体を得ること
である。

【０００５】一方、最近のエンジンの高出力化またはリ
ーンバーンエンジン等の出現により、エンジンバルブの
高温化は避けられず、その冷却性能をより高めることが
要求されている。そのためには、バルブ・シート体の熱
伝導性を高めて、シリンダーヘッドへの熱伝達性を向上
させることが効果的であるが、従来の鉄系材料によるバ
ルブ・シート体では、耐摩耗性が低く、そのために、バ
ルブ・シート体に耐摩耗性にすぐれた合金を含有させて
いるが、すると、コストが上がり、製造上の不利な点が
でる。

【０００６】更に、近年動弁系部品業界において、その
コスト、性能等に対する要求が厳しくなり、この要求を
対処するために、２層構造としたバルブ・シート体を提
供することが課題である。

【０００７】従って、本発明は、バルブ接触側には、耐
摩耗性、耐食性、高硬度、高破壊靭性を有する層を形成
し、シリンダーヘッド側には、高い熱伝導性、高靭延
性、接合性が良い層を有するバルブ・シート体を得るこ
とを課題とする。換言すると、本発明は、高温（バルブ
接合側）および低温側（シリンダーヘッド側）とに２層
構造にしたバルブ・シート体を得ることを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、バルブ・シー
ト体は、シート部と基台部とでは専門化、特定化させた
もので、その具体的手段は、次の如くである。 (１)円環状の基台部と、エンジンバルブが着座するテー
パー状フェース面を備える円環状シート部とからなる内
燃機関用バルブ・シートにおいて、該基台部は、鉄ベー
スで、Ｃ：０．４５〜０．６重量％、Ｎｉ：１〜５重量
％、Ｍｏ：０．４〜２重量％、Ｃｕ：１〜２重量％の組
成物の粉末混合物の焼結物であり、該円環状シート部
は、鉄ベースで、Ｃ：１．０〜１．２重量％、Ｎｉ：２
〜４重量％、Ｃｏ：４〜６重量％、Ｍｏ：６〜８重量
％、Ｎｂ：０．２〜２重量％、Ｃｒ：１〜５重量％、Ｃ
ａＦ₂：０．９〜１．１重量％の組成物の粉末混合物の
焼結物である内燃機関用のバルブ・シート体である。

【０００９】(２)上記(１)項において、シート部の組成
物は、Ｎｂ：１．４〜２．０重量％、Ｃｒ：３〜５重量
％であり、ＮｂＣ、ＣｒＣなどの炭化物がマトリックス
中に析出されて、より、耐摩耗性を改良できる。

【００１０】(３)円環状の基台部と、エンジンバルブが
着座するテーパー状フェース面を備える円環状シート部
とからなる内燃機関用バルブ・シート体の製法におい
て、該基台部として、鉄ベースで、Ｃ：０．４５〜０．
６重量％、Ｎｉ：１〜５重量％、Ｍｏ：０．４〜２重量
％、Ｃｕ：１〜２重量％の合金の組成割合の合金粉末を
粉砕し、混合し、一方、該円環状シート部として、鉄ベ
ースで、Ｃ：１．０〜１．２重量％、Ｎｉ：２〜４重量
％、Ｃｏ：４〜６重量％、Ｍｏ：６〜８重量％、Ｎｂ：
０．２〜２重量％、Ｃｒ：１〜５重量％、ＣａＦ₂：
０．９〜１．１重量％の合金組成の粉末を混合した組成
物を各々用い、各々の粉末組成物を各々に基台部とシー
ト部として、一体化にして、成形し、焼成焼結し、サブ
ゼロー処理（液体窒素に浸漬）し、オーステナイトをで
きるだけマルテンサイトに転移させ、更に、焼き戻し処
理することによる前記の内燃機関用のバルブ・シート体
の製法である。

【００１１】(４)上記(３)項の製法において、該シート
部の組成として、該シート部の組成物は、Ｎｂ：１．２
〜２．０重量％、Ｃｒ：３〜５重量％であり、ＮｂＣ、
ＣｒＣの炭化物がマトリックス中に析出されて、より、
耐摩耗性を改良できるものである。

【００１２】バルブ・シート体に要求される特性として
は、第１に、耐脱落性であり、シリンダーヘッド内の温
度が上昇すると、高温にあるバルブ・シート体と比較的
に低温のシリンダーヘッドの間は熱膨張率の差により、
基台部に熱応力が生じるが、この厳しい条件の熱応力で
も耐え得る、脱落しないような、特に強度確保及び低い
熱膨張率が必要とされる。

【００１３】また、第２の要求される特性としては、耐
摩耗性であり、即ち、バルブと直接接触してもそれとの
干渉に耐え得るために、高温領域でも、高い硬度と高い
強度が要求される。それと同時に、バルブ材料として摩
耗耐性をも重視される。以上の２つの要求特性を同時に
満足する材料を得ることは困難であり、そのような材料
は非常に高価なものになる。

【００１４】そこで、本発明では、バルブ・シート体を
２層にして、各々分類し、即ち、バルブ側とシリンダー
ヘッド側では特性を異なるようにすることにより、各々
の要求に対応した特性を有する合金の粉末層を持つこと
により解決した。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によるバルブ・シ
ート体(１)を示す。バルブ・シート体(１)は、図示のよ
うに、バルブ(３)と接触するテーパー状フェース面(５)
を備える円環状シート部(２)と円環状基台部(４)の２層
からなる。バルブ・シート体のシート部(２)は、バルブ
(３)の往復運動に伴ってバルブ(３)の外側表面(５)に当
り、その箇所(５)では、シート部(２)と間に気密性を保
持しなければならない。また、バルブ(３)のフェース面
(５)や面(６)は、最も高温に熱せられ、同時にその箇所
は、耐摩耗性が高いこと、耐食性が高いこと、破壊靭性
が高いことが必要である。そして、高温の熱は、基台
(４)側に迅速に逃げるように、バルブ・シート体(１)の
シリンダーヘッドに接する基台側(４)に迅速に伝達され
なければならない。

【００１６】このような所望のバルブ・シート体の要求
特性に対して、本発明は、各々、特定の粉末組成物の二
層から構成されるバルブ・シート体が、上記の検討した
要求特性を満たすことが分かったものである。更に、本
発明は、そのような構造を有するバルブ・シート体の製
造方法を提示するものである。

【００１７】そして、本発明のバルブ・シート体の製造
方法は、次のようなものである。円環状の基台部と、エ
ンジンバルブが着座するテーパー状フェース面を備える
円環状シート部の２層からなる内燃機関用バルブ・シー
ト体の製法において、基台部として、鉄ベースで、Ｃ：
０．４５〜０．６重量％、Ｎｉ：１〜５重量％、Ｍｏ：
０．４〜２重量％、Ｃｕ：１〜２重量％の合金の組成割
合の合金粉末を粉砕し、混合した粉末混合物を用い、一
方、円環状シート部として、鉄ベースで、Ｃ：１．０〜
１．２重量％、Ｎｉ：２〜４重量％、Ｃｏ：４〜６重量
％、Ｍｏ：６〜８重量％、Ｎｂ：０．２〜２重量％、Ｃ
ｒ：１〜５重量％、ＣａＦ₂：０．９〜１．１重量％の
合金組成の粉末を混合した粉末混合物を用いて、各々の
組成物粉末を用いて、各々、基台部とシート部を一体化
して、成形し、焼成焼結し、サブゼロー処理（液体窒素
に浸漬）し、オーステナイトをできるだけマルテンサイ
トに転移させ、更に、焼き戻し処理することにより製造
される。

【００１８】また、シート部の組成として、該シート部
の組成物は、Ｎｂ：１．２〜２．０重量％、Ｃｒ：３〜
５重量％であり、ＮｂＣ、ＣｒＣの炭化物がマトリック
ス中に析出されて、より、耐摩耗性を改良したものが好
適である。

【００１９】バルブ・シート体の構造は、以下のような
ものである。基台部の焼結粉末金属組成物としては、鉄
ベースで、Ｃ：０．４５〜０．６重量％の範囲である。
Ｃが０．４５重量％未満では、バルブ・シート用として
の硬さが不足しており、０．６重量％を超えると、硬さ
が飽和して、これ以上の効果は期待できない。Ｎｉは１
〜５重量％の範囲である。Ｎｉが１重量％未満では基地
強化を図れず、５重量％を超えると、オーステナイトが
残留する。Ｍｏは０．４〜２重量％の範囲である。Ｍｏ
が０．４重量％未満では耐摩耗性が向上せず、２重量％
を超えると強度の低下がある。Ｃｕは１〜２重量％の合
金の組成範囲である。Ｃｕが１重量％未満であると、密
度が高くならず、２重量％を超えると液相もれがある。

【００２０】そして、その円環状シート部の金属組成
は、鉄ベースで、次のようなものである。Ｃは１．０〜
１．２重量％の範囲であり、１．０重量％未満では強度
が確保できず、１．２重量％を超えると、液相が発生
し、均一な組織が得られない。Ｎｉ：２〜４重量％であ
り、Ｎｉが２重量％未満では、基台部の強化が十分に図
れず、４重量％を超えると、オーステナイトが残留す
る。Ｃｏは４〜６重量％であり、Ｃｏが４重量％未満で
は、基台部強化が不充分であり、６重量％を超えると、
作用が飽和して、それ以上増加しても効果はない。Ｍｏ
は６〜８重量％であり、Ｍｏ粒子、ＦｅＭｏ粒子として
素地中に分散させており、Ｍｏが６重量％未満では、充
分な耐摩耗性が得られず、８重量％を超えると、強度が
低下する。Ｎｂは０．２〜２重量％であり、Ｎｂが０．
２重量％未満では、炭化物生成による耐摩耗性が確保で
きず、２重量％を超えると、シート部が脆くなる。Ｃｒ
は１〜５重量％であり、Ｃｒが１重量％未満では、炭化
物による耐摩耗性向上が図れず、５重量％を超えると、
焼結性が劣化する。ＣａＦ₂は潤滑剤としての役目を
し、０．９〜１．１重量％であり、ＣａＦ₂が０．９重
量％未満では、潤滑効果がなくなり、１．１重量％を超
えると、圧縮性が悪くなる。

【００２１】以上のような合金組成物を、基台部とシー
ト部の２層にしたバルブ・シート体により、次のような
技術的効果が見られる。即ち、基台部では、その合金組
成により、パーライト系の低コストの耐熱合金材であ
り、結果として低価格となり、シート部では、マルテン
サイト系結晶となり、高い硬度のものが得られる。更
に、本発明の２層のバルブ・シート体は、図１の断面図
において、上側の基台部層(４)は、シート部層(２)に比
べて、高温加熱と冷却の繰り返しに晒され、強い応力が
かかると、降伏し易く、シリンダー部(７)に対してズレ
を起こし、その間に隙間を生じ易くなり、それに対し
て、シート部(２)は耐熱性が高いので、降伏せず、シリ
ンダー部(７)の内壁にしっかりと突っ張っており、抜き
抵抗が増すので、全体として、本発明のバルブ・シート
体は、抜け難いものである。

【００２２】更に、以上のような製造方法により、製造
工程が撹拌−一体化成形−焼結−サブゼロ処理−焼き戻
しと少ない工程数でバルブ・シート体が製造できる。

【００２３】次に、本発明のバルブ・シート体は、次の
ような製造方法により製造されるものである。

【実施例】即ち、先ず、原料の粉末は、次のようにして
調製される。原料粉末は、鉄系合金（カーボニル鉄粉）
と合金粉末を混合して、バルブ・シート体の円環状の基
台部として、鉄ベースで、Ｃ：０．４５〜０．６重量
％、Ｎｉ：１〜５重量％、Ｍｏ：０．４〜２重量％、Ｃ
ｕ：１〜２重量％の合金の組成割合になるように粉砕、
混合する。

【００２４】次に、更に、エンジンバルブが着座するテ
ーパー状フェース面を備える円環状シート部として、同
様に鉄合金と合金を、鉄ベースで、Ｃ：１．０〜１．２
重量％、Ｎｉ：２〜４重量％、Ｃｏ：４〜６重量％、Ｍ
ｏ：６〜８重量％、Ｎｂ：０．２〜２重量％、Ｃｒ：１
〜５重量％に組成割合になるように混合し、粉砕し、更
に、ＣａＦ₂粉末を０．９〜１．１重量％の割合で混合
する。

【００２５】以上の２種類の混合合金粉末組成物を各々
に、基台部とシート部の２層を有するように、例えば、
フローティングダイ方式のプレスを用い、６００〜７０
０ＭＰａの圧力で一体化成形し、真空雰囲気中で、約１
１５０℃で、約９０分間処理し、焼成焼結する。次に、
焼結体バルブ・シート体を、液体窒素に浸漬し、オース
テナイトをできるだけマルテンサイトに転移させるサブ
ゼロ処理を行った。得られた焼結体を更に、焼き戻し処
理した後に、切削し、正確なバルブ・シート体形状にし
た。

【００２６】得られた２層の焼結バルブ・シート体の試
料を切断して、顕微鏡観察する。更に、Ｎｂ、Ｃｒある
いはその炭化物を添加すると、ＮｂＣ、ＣｒＣの炭化物
がマトリックス中に析出されているのが観察された。こ
のような炭化物は、バルブ・シート体の耐摩耗性をより
改良していると見られる。

【００２７】成形した２層のバルブ・シート体の焼結処
理は、焼結化を促進させるために真空中で行った。焼結
条件になるように、保持温度１１５０℃で、保持時間９
０分間焼成処理した。

【００２８】次に、シート部分として、表１に示す組成
物で焼結体を上記の条件で作製し、各々について機械的
特性と摩耗量を測定した。その結果を表１に示す。測定
条件は、表２の例４の組成物焼結体を基台として、その
上に、表１の組成焼結体をシート部分としたものを作製
して、その焼結バルブ・シートをエンジンとバルブに付
けて、エンジンを回転速度３０００ＲＰＭで試験した。
バルブフェース面の温度は約６５０℃に昇温し、その時
のバルブシート部分は２５０℃になる。試験は大気中で
行った。

【００２９】

【表１】

【００３０】次に、基台部分として、次の表に示す組成
物で焼結体を同様にエンジンとバルブに付けて試験し
た。その結果を表２に示す。基台組成物の例１〜３につ
いては、本発明の組成範囲でない。本発明の組成範囲で
ある例４は特性が良好であり、使用可能であることが分
かる。

【００３１】

【表２】

【００３２】従って、表１と２に示される結果から、本
発明の組成物の焼結体は、バルブ・シート体として効果
的であることが分かる。

【００３３】

【発明の効果】本発明のバルブ・シート体では、次のよ
うな効果を奏する。 (１)バルブ・シートは、二層構造にすることにより、以
上の２つの要求特性を満足するバルブ・シートが得られ
る。 (２)バルブ・シートの製造コストを下げることができ
る。従来のような高価の硬質合金を使用する必要がなく
なるので、安価で被切削性のよいバルブ・シート体が得
られる。

【００３４】(３)請求項２のバルブ・シート体により、
耐摩耗性の改善されたバルブ・シート体となる。 (４)請求項３の製造方法では、特別の構造と特別組成に
より、製造工程が少なくて製造できる。従って、将来的
にも、種々の展開が容易であり、期待される。 (５)請求項４により、炭化物もある程度含有させた耐摩
耗性の改善されたバルブ・シート体の製造方法を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のバルブ・シートの構造を説明する一部
断面図である。

【符号の説明】

(１) バルブ・シート体 (２) 円環状シート部 (３) バルブ (４) 円環状基台部 (５) バルブとバルブ・シート体との接触面 (６) バルブ・シート体の高温面 (７) シリンダー部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 38/48 Ｂ２２Ｆ 5/00 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円環状の基台部と、エンジンバルブが着
座するテーパー状フェース面を備える円環状シート部と
からなる内燃機関用バルブ・シートにおいて、該基台部は、鉄ベースで、Ｃ：０．４５〜０．６重量
％、Ｎｉ：１〜５重量％、Ｍｏ：０．４〜２重量％、Ｃ
ｕ：１〜２重量％の組成物の粉末混合物の焼結物であ
り、該円環状シート部は、鉄ベースで、Ｃ：１．０〜１．２
重量％、Ｎｉ：２〜４重量％、Ｃｏ：４〜６重量％、Ｍ
ｏ：６〜８重量％、Ｎｂ：０．２〜２重量％、Ｃｒ：１
〜５重量％、ＣａＦ₂：０．９〜１．１重量％の組成物
の粉末混合物の焼結物であることを特徴とする前記の内
燃機関用のバルブ・シート体。
【請求項２】該シート部の組成物は、Ｎｂ：１．４〜
２．０重量％、Ｃｒ：３〜５重量％であり、ＮｂＣ、Ｃ
ｒＣの炭化物がマトリックス中に析出されて、耐摩耗性
を改良した請求項１記載のバルブ・シート体。
【請求項３】円環状の基台部と、エンジンバルブが着
座するテーパー状フェース面を備える円環状シート部と
からなる内燃機関用バルブ・シート体の製法において、該基台部として、鉄ベースで、Ｃ：０．４５〜０．６重
量％、Ｎｉ：１〜５重量％、Ｍｏ：０．４〜２重量％、
Ｃｕ：１〜２重量％の合金の組成割合の合金粉末を粉砕
し、混合し、一方、該円環状シート部として、鉄ベース
で、Ｃ：１．０〜１．２重量％、Ｎｉ：２〜４重量％、
Ｃｏ：４〜６重量％、Ｍｏ：６〜８重量％、Ｎｂ：０．
２〜２重量％、Ｃｒ：１〜５重量％、ＣａＦ₂：０．９
〜１．１重量％の合金組成の粉末を混合した組成物とし
て、上記の組成物を各々に、基台部とシート部として、
一体化して、成形し、焼成焼結し、サブゼロー処理（液
体窒素に浸漬）し、オーステナイトをできるだけマルテ
ンサイトに転移させ、更に、焼き戻し処理することを特
徴とする前記の内燃機関用のバルブ・シート体の製法。
【請求項４】該シート部の組成として、該シート部の
組成物は、Ｎｂ：１．４〜２．０重量％、Ｃｒ：３〜５
重量％であり、ＮｂＣ、ＣｒＣの炭化物がマトリックス
中に析出されて、より、耐摩耗性を改良した請求項３記
載のバルブ・シート体の製法。