JPH11209855A

JPH11209855A - 高面圧付加条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮するＦｅ基焼結合金製バルブシート

Info

Publication number: JPH11209855A
Application number: JP10012298A
Authority: JP
Inventors: Toru Sakurada; 徹櫻田; Toshihide Kawahara; 利英河原; Mikikazu Kobayashi; 幹和小林; Masaaki Sakai; 正昭坂井; Kunio Hanada; 久仁夫花田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1998-01-26
Filing date: 1998-01-26
Publication date: 1999-08-03

Abstract

(57)【要約】【課題】高面圧付加条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮
する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：０．７
〜１．４％、Ｓｉ：０．２〜０．９％、Ｃｏ：１５．１
〜２６％、Ｍｏ：６．１〜１１％、Ｃｒ：２．６〜４．
７％、Ｎｉ：０．５〜１．２％、Ｎｂ：０．２〜０．７
％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
耐摩耗性Ｃｏ基合金硬質粒子が、１０〜２４面積％の割
合で分散分布した組織、および５〜１５％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
るバルブシートにかかり、特に高面圧付加条件下ですぐ
れた耐摩耗性を発揮する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、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５８−１７８
０７３号公報などに記載されるように、素地に硬質粒子
が分散分布した組織を有する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、
燃焼ガスのガス抜けを防止する目的でバルブスプリング
のバネ定数は高くなる傾向にあり、このためバルブシー
トのバルブ当接面にかかる着座荷重はより一段と大きく
なり、このようにバルブシートは高面圧付加条件下での
稼働を余儀なくされるが、上記の従来Ｆｅ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高面
圧付加条件で用いた場合、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、特に高面圧付加条件下での実用
に際しても、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：０．７〜１．４％、Ｓｉ：０．２〜０．９％、Ｃｏ：１５．１〜２６％、Ｍｏ：６．１〜１１％、Ｃｒ：２．６〜４．７％、Ｎｉ：０．５〜１．２％、Ｎｂ：０．２〜０．７％、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基合金硬質粒子が、光学顕微鏡組織写真で観察し
て、合量で１０〜２４面積％の割合で分散分布した組
織、および５〜１５％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、特に上記硬質粒子が高面圧付加条件下
での摩耗進行を著しく抑制するように作用することか
ら、大型および高出力の内燃機関に適用してもすぐれた
耐摩耗性を発揮し、さらに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、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：０．７〜１．４％、Ｓｉ：０．２〜０．９％、Ｃｏ：１５．１〜２６％、Ｍｏ：６．１〜１１％、Ｃｒ：２．６〜４．７％、Ｎｉ：０．５〜１．２％、Ｎｂ：０．２〜０．７％、を含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる全体組
成、合金鋼の素地中に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からな
る耐摩耗性Ｃｏ基合金硬質粒子が、光学顕微鏡組織写真
で観察して、１０〜２４面積％の割合で分散分布した組
織、および５〜１５％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、高面圧付
加条件下ですぐれた耐摩耗性を発揮する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：０．８〜２．１％、Ｎｉ：０．６〜１．７％、Ｃｒ：１．２〜３．６％、Ｎｂ：０．３〜０．９％、Ｃｏ：４．３〜１３％、Ｍｏ：１．４〜４．２％、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、硬質粒子形成用合金粉末とし
て、Ｍｏ：２０〜３５％、Ｃｒ：５〜１０％、Ｓ
ｉ：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Ｃ
ｏ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、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、さらに硬質粒子にも含有して、これ自体の耐摩耗性
を向上させる作用があるが、その含有量が０．７％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１．４％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０．７〜１．４
％、望ましくは１．０〜１．３％と定めた。

【０００８】（ｂ）ＳｉＳｉ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
０．２％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０．９％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０．２〜０．９％、望ま
しくは０．４〜０．７％と定めた。

【０００９】（ｃ）ＭｏＭｏ成分には、素地に固溶すると共に、素地に分散する
炭化物を形成して、素地の強度および耐摩耗性を向上さ
せる作用があるほか、ＣｏおよびＣｒと共に硬質粒子を
形成して高面圧付加条件下での実用に際して、耐摩耗性
を向上させる作用があるが、その含有量が６．１％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１１％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６．１〜１１％、望ましくは
６．５〜１０％と定めた。

【００１０】（ｄ）ＣｏＣｏ成分には、素地を固溶強化するほか、ＭｏおよびＣ
ｒと共に硬質粒子して高面圧付加条件下での耐摩耗性向
上に寄与する作用があるが、その含有量が１５．１％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２６％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１５．１〜
２６％、望ましくは１６〜２４％と定めた。

【００１１】（ｅ）ＣｒＣｒ成分には、素地に固溶すると共に、素地に分散する
炭化物および金属間化合物を形成して、素地の強度およ
び耐摩耗性を向上させる作用があるほか、ＣｏおよびＭ
ｏと共に硬質粒子を形成して高面圧付加条件下での実用
に際して、耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含
有量が２．６％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４．７％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２．６〜４．７％、望ま
しくは３〜４．３％と定めた。

【００１２】（ｆ）ＮｉＮｉ成分には、素地および硬質粒子に固溶して、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
１．２％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０．５〜１．２％、望ましくは０．
７〜１％と定めた。

【００１３】（ｈ）ＮｂＮｂ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０．２％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０．７％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０．２〜０．
７％、望ましくは０．５〜０．６％と定めた。

【００１４】（Ｂ）硬質粒子の割合硬質粒子の割合が１０面積％未満では所望の耐摩耗性を
確保することができず、一方その割合が２４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１０〜
２４面積％、望ましくは１４〜２２面積％と定めた。

【００１５】（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１５％
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５〜１５％、望ましくは７〜１３％と
定めた。

【００１６】

【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、２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、およ
び硬質粒子形成用合金粉末Ｈ−１〜Ｈ−６を用意し、こ
れら原料粉末を表３に示される組合せで所定の割合に配
合し、ステアリン酸亜鉛：１％を加えてミキサーにて３
０分間混合し、この混合粉末を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た後、−１００〜−１５０
℃の範囲内の所定温度に３０分間保持し、ついで６００
〜７００℃の範囲内の所定温度に１時間保持の条件で焼
戻し処理を施すことにより、表４、５に示される全体組
成を有し、かつ表６に示される硬質粒子の割合（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）および気孔率を有するＦｅ基焼結合金で構成さ
れ、外径：４２mm×最小内径：３４．５mm×厚さ：６．
５mm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、２をそれぞれ製造した。なお、上
記比較バルブシート１、２は、いずれも硬質粒子の割合
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。

【００１７】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、２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％Ｍｎ−２％
Ｚｎ合金（以下、Ｃｕ合金２という）の溶浸材を表６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、
２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、２を本体と
し、これに表７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％Ｓ
ｎ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、２をそれぞれ製造した。

【００１８】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：ステライト−１バルブの着座回数：２４００回／min 、雰囲気：軽油燃焼ガス、バルブシートの加熱温度（水冷）：３００〜４００℃、着座荷重：６０kg、運転時間：連続８時間、の条件で高面圧付加摩耗試験を行ない、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６〜８に示した。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】

【００２２】

【表４】

【００２３】

【表５】

【００２４】

【表６】

【００２５】

【表７】

【００２６】

【表８】

【００２７】

【発明の効果】表６〜８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１〜１
５、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、かつ高面圧付加条件下ですぐれ
た耐摩耗性を示すのに対して、比較バルブシート１、
２、比較銅溶浸バルブシート１、２、および比較鉛溶浸
バルブシート１、２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
Ｆｅ基焼結合金製バルブシートは、合金鋼の素地中に分
散分布するＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金からなる硬質粒子に
よって、特に高面圧付加条件下での実用に際して、すぐ
れた耐摩耗性を発揮するものであり、したがって内燃機
関の大型化および高出力化に十分満足に対応することが
できるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂井正昭新潟県新潟市小金町３−１三菱マテリアル株式会社新潟製作所内 (72)発明者花田久仁夫東京都千代田区丸の内１−５−１三菱マテリアル株式会社加工事業本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．７〜１．４％、Ｓｉ：０．２〜０．９％、Ｃｏ：１５．１〜２６％、Ｍｏ：６．１〜１１％、Ｃｒ：２．６〜４．７％、Ｎｉ：０．５〜１．２％、Ｎｂ：０．２〜０．７％、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系合金からなる耐摩
耗性Ｃｏ基合金硬質粒子が、光学顕微鏡組織写真で観察
して、１０〜２４面積％の割合で分散分布した組織、および５〜１５％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。
【請求項２】重量％で、Ｃ：０．７〜１．４％、Ｓｉ：０．２〜０．９％、Ｃｏ：１５．１〜２６％、Ｍｏ：６．１〜１１％、Ｃｒ：２．６〜４．７％、Ｎｉ：０．５〜１．２％、Ｎｂ：０．２〜０．７％、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系合金からなる耐摩
耗性Ｃｏ基合金硬質粒子が、光学顕微鏡組織写真で観察
して、１０〜２４面積％の割合で分散分布した組織、および５〜１５％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。