JPH116406A

JPH116406A - エンジンバルブ及びエンジンバルブとバルブシートとの組合せ

Info

Publication number: JPH116406A
Application number: JP16095697A
Authority: JP
Inventors: 攝人 ▲台座▼; Setsuhito Daiza; Yoshio Fuwa; 良雄不破; Tadayoshi Tominaga; 忠良冨永; Atsushi Taguchi; 篤田口; Katsuji Kanda; 勝司神田; Takehiko Esumi; 武彦江角
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd; Japan Powder Metallurgy Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd; Fine Sinter Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-06-18
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 1999-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】摩耗量を低減させたエンジンバルブ、及び、エ
ンジンバルブとバルブシートとの組合せ【解決手段】バルブシートに当たるフェース部を備えた
耐熱鋼を母材とするエンジンバルブにおいて、少なくと
もフェース部に、硫化物を含む窒化層を窒素とイオウと
の浸透により形成する。窒化層は、一般的には、窒化物
（Ｆｅ₃ＳとＣｒＳ）を主体とすると共に硫化物を実質
的に含まないＨｖ４５０以上の内側窒化層と、Ｈｖ３５
０〜４５０の硫化物（ＦｅＳ）と窒化物とが共存した共
存層とで形成できる。バルブシートは、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｏ
系基地に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系のＨｖ４５０〜９
５０のＣｏ基硬質粒子が分散して構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はエンジンバルブ、及
び、エンジンバルブとバルブシートとの組合せに関す
る。エンジンバルブは、エンジンの燃焼室の排気ポート
や吸気ポートを開閉するものである。バルブシートはエ
ンジンバルブの相手材である。

【０００２】

【従来の技術】近年、エンジンの排気ガス規制、燃費規
制の要求がますます厳しくなってきている。このため、
エンジンに搭載されるエンジンバルブは、従来にも増し
て厳しい使用環境に耐えることが要請されている。この
ような厳しい使用環境条件に対応するために、エンジン
バルブとしては、耐熱鋼製のものが多く用いられ、エン
ジンバルブのうちバルブシートに当たるフェース部の耐
摩耗性向上のために、Ｃｏ基またはＮｉ基の合金をフェ
ース部に肉盛溶接して盛金層を設けることが従来より広
く行われている。

【０００３】またエンジンバルブの相手材であるバルブ
シートでは、Ｐｂ等の潤滑材を溶浸する技術が知られて
いる。ところでエンジンでは、エンジンバルブとバルブ
シートとの間における良好なる潤滑性が要請される。例
えば、ＬＰＧ等の気体燃料を燃焼室に供給するエンジン
の場合、エンジンバルブとバルブシートとの間がドライ
状態になり易く、エンジンバルブの摩耗量やバルブシー
トの摩耗量が増加しがちであるため、潤滑性が要請され
る。

【０００４】また特開昭５５−７８１１７号公報には、
バルブ端面と当接する当り面を備えると共に空孔率が
０．５〜３０％の鉄系焼結合金で形成された動弁機部材
を用い、動弁機部材のうちの当り面に対して、浸硫処
理、軟窒化処理または浸硫窒化処理を施し、硬さをＨｖ
２００〜１３００とする技術が開示されている。この公
報によれば、表面の摩擦係数が小さくなり、初期なじみ
が良好になると記載されている。

【０００５】また特開平４−１５７１３８号公報には、
重量比でＣ：０．６〜１．２％、Ｎｉ：０．５〜３％、
Ｍｏ：０．５〜３％、Ｃｏ：５．５〜７．５％、残部実
質的にＦｅの基地に、Ｃｒ：７〜９％、Ｍｏ：２６〜３
０％、Ｓｉ：１．５〜２．５％、残部実質的にＣｏの硬
質相が５〜２５％、メタ珪酸マグネシウム系鉱物等の潤
滑物質が０．５〜２％分散した弁座用焼結合金が開示さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したＰｂ等の潤滑
材をバルブシートに溶浸した技術では、エンジンの使用
中に熱によって潤滑材が溶け出してしまうおそれがあ
る。この場合には、満足できる潤滑性が得られず、エン
ジンバルブの摩耗量やバルブシートの摩耗量が増加する
おそれがある。

【０００７】また上記したように鉄系焼結合金で形成さ
れた動弁機部材に対して、浸硫処理、軟窒化処理または
浸硫窒化処理を施す特開昭５５−７８１１７号公報に係
る技術では、鉄系焼結合金の空孔率がかなり大きいた
め、元素の浸透の均一性には限界がある。更にこの公報
に係る動弁機部材は、エンジンバルブではなく、エンジ
ンバルブの相手材であるバルブシートである。

【０００８】また上記した特開平４−１５７１３８号公
報に係る技術は、硫化物を含む窒化層を形成するもので
はない。本発明は上記した実情に鑑みなされたものであ
り、その課題は、窒素とイオウの浸透により潤滑性や保
護性を期待できる硫化物を含む窒化層をフェース部に形
成することにより、摩耗量の低減に貢献できるエンジン
バルブ、及び、エンジンバルブとバルブシートとの組合
せを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に係るエンジン
バルブは、バルブシートに当たるフェース部を備えると
共に耐熱鋼を母材とするエンジンバルブであって、少な
くともフェース部に、硫化物を含む窒化層が窒素とイオ
ウとの浸透により形成されていることを特徴とするもの
である。

【００１０】請求項２に係るエンジンバルブとバルブシ
ートとの組合せは、請求項１に係るエンジンバルブと、
相手材として、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｏ系の基地にＣｏ−Ｍｏ−
Ｃｒ−Ｓｉ系のＨｖ４５０〜９５０のＣｏ基硬質粒子が
分散したバルブシートとを組合わせたことを特徴とする
ものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】上記したエンジンバルブによれ
ば、少なくともフェース部に、硫化物を含む窒化層が窒
素とイオウとの浸透により形成されているため、エンジ
ンバルブの母材と相手材との直接接触が回避または抑制
される。そのため、エンジンバルブの摩耗量や相手材で
あるバルブシートの摩耗量の低減に有利である。

【００１２】一般的には、エンジンバルブは、軸状のス
テム部と、ステム部の一端部に連設された傘部とを備え
ている。相手材であるバルブシートに当たるフェース部
は、傘部に形成されている。上記したエンジンバルブに
形成されている硫化物を含む窒化層は、窒素とイオウと
の浸透により形成される。図１１に模式的に例示したよ
うに、この硫化物を含む窒化層は、硬さＨｖ４５０以上
の内側窒化層と、内側窒化層の上に形成された硬さＨｖ
３５０〜４５０の硫化物を含む共存層とで形成できる。

【００１３】内側窒化層では、窒化鉄（Ｆｅ₃Ｎ）、ク
ロム窒化物（ＣｒＮ）等の窒化物が主体であるものの、
硫化鉄（ＦｅＳ）等の硫化物はあまり生成していない
か、実質的に生成していない。共存層は、硫化鉄（Ｆｅ
Ｓ）等の硫化物と、窒化鉄（Ｆｅ₃Ｎ）、クロム窒化物
（ＣｒＮ）等の窒化物とが共存した層である。上記した
硫化物は、主として、エンジンバルブとバルブシートと
の間における摩擦係数を低減でき、潤滑作用を奏すると
共に、エンジンバルブのフェース部を構成する母材に対
して保護作用を奏する。

【００１４】硫化物を含む共存層の厚みは、潤滑性確保
やエンジンバルブのフェース部の保護性確保等を考慮し
て、１μｍ以上は必要であるが、イオウの浸透速度が窒
素よりもかなり遅いこと等を考慮して、硫化物を含む共
存層の厚みの上限は一般的には８〜１０μｍ程度とな
る。内側窒化層は、硫化物を含む共存層よりも内側に位
置しており、従って、硫化物及び窒化物が共存した共存
層に対する基礎としての効果を期待できる。

【００１５】内側窒化層の硬さや厚みは、エンジンバル
ブ自身の耐摩耗性や相手攻撃性等を考慮して選択でき
る。従って、内側窒化層の硬さはＨｖ４５０以上である
が、一般的にはＨｖ４５０〜１５００程度、特にＨｖ４
５０〜１３００程度、更にＨｖ４５０〜９００程度にで
きる。内側窒化層の厚みは１０〜６０μｍ程度にでき、
特に３０〜５０μｍ程度にできる。

【００１６】上記した硫化物を含む窒化層をもつフェー
ス部を備えたエンジンバルブを得るにあたっては、硫化
塩を含む浸硫窒化処理用の塩浴剤にエンジンバルブを所
定時間浸漬する浸硫窒化処理により達成できる。この場
合には、エンジンバルブを構成する母材に直接、窒素と
イオウとが浸透する。両者の浸透速度の相違、窒化物の
生成速度と硫化物の生成速度との相違等により、図１１
に模式的に例示したように、内側窒化層が内側に、硫化
物及び窒化物が共存した共存層が表出面側に位置した状
態で、同一処理で生成される。

【００１７】上記した浸漬に先立ち、エンジンバルブの
フェース部を予め仕上加工しておくことが好ましい。浸
硫窒化処理における塩浴剤の温度は５６０〜６００°Ｃ
程度にできる。浸硫窒化処理における処理時間は、良好
なる共存層や内側窒化層の形成、コスト等を考慮する
と、８０〜２００分間、特に９０〜１８０分間にでき
る。

【００１８】エンジンバルブとしては鍛造品が好まし
い。相手材であるバルブシートは、粉末を圧縮成形した
圧粉体を焼結した焼結品を採用できる。エンジンバルブ
の組成は耐熱鋼を母材とするが、耐熱性を考慮すれば、
その組成は少なくともＣｒを含むＦｅ基の合金鋼が好ま
しい。合金鋼はオーステナイト相を主体とするものを採
用できる。このようなエンジンバルブの組成としては、
重量比で、Ｃｒが２０〜２２％、Ｎｉが３．５〜４．５
％、Ｍｎが８〜１０％、Ｎが０．３〜０．５％、Ｃが
０．４５〜０．５５％、残部実質的に鉄及び不可避不純
物の組成を選択できる。ここでＣｒ、Ｎｉは主として耐
熱性、耐食性を考慮し、Ｍｎは主として耐食性を考慮
し、ＮとＣは主として硬さを考慮したものである。

【００１９】なお、本発明者による知見によれば、エン
ジンバルブのフェース部のＦｅ％が高い方が、Ｓの浸透
が確保され、硫化物を含む共存層の厚みが厚くなりがち
である。即ち、エンジンバルブのＦｅ％は、上記した浸
硫窒化処理におけるＳの浸透速度、共存層の厚みに影響
を与えると推察される。請求項１のエンジンバルブは、
相手材として請求項２に係るバルブシートと組合わせて
使用されると、より好ましい耐摩耗性を発揮し得るもの
である。請求項２に係るバルブシートは前述したよう
に、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｏ系の基地に、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓ
ｉ系のＨｖ４５０〜９５０のＣｏ基硬質粒子が分散した
ものである。基地としては、パーライトを備えた組織を
採用できる。一般的には、バルブシートの基地の硬度は
Ｈｖ１００〜４００程度にできる。

【００２０】バルブシートに含まれているＣｏ基硬質粒
子は、上記したようにＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系であ
り、基地よりも高い平均硬度と、Ｍｏに起因する潤滑性
とを備えている。相手攻撃性、バルブシート自身の耐摩
耗性等を考慮して、Ｃｏ基硬質粒子の硬度はＨｖ４５０
〜９５０であるが、好ましくはＨｖ５５０〜８５０程度
にでき、その平均粒径は３０〜１００μｍ程度にでき
る。

【００２１】上記した硬さ等を考慮して、バルブシート
に含まれているＣｏ基硬質粒子の組成は、Ｃｏ基硬質粒
子全体を１００％としたとき、重量比で、Ｃｒが２〜１
０％、Ｍｏが２５〜３５％、Ｓｉが１〜５％、残部実質
的にＣｏ及び不可避不純物の組成にできる。バルブシー
トのＣｏ基硬質粒子の組成において、Ｃｒは主としてＣ
ｏ基硬質粒子の耐熱性、耐食性を考慮したものである。
Ｍｏは主として硬質粒子の耐熱性、潤滑性を考慮したも
のである。Ｓｉは主として硬質粒子の耐摩耗性を考慮し
たものである。上記のようにＣｏ基硬質粒子の組成に規
定すれば、Ｃｏ基硬質粒子内に良好なるラーベス層（マ
イクロビッーカス硬さで実測したところＨｖ１０００〜
１２００程度、殊にＨｖ１１００程度の硬さをもつ金属
間化合物による硬質相）が形成される。

【００２２】バルブシートの全体組成は、バルブシート
全体を１００％としたとき、重量比で、Ｃが０．７〜
１．２％、Ｃｏが７〜１１％、上記したＣｏ基硬質粒子
が１５〜４０％、残部実質的に鉄及び不可避不純物の組
成にできる。本発明に係るエンジンバルブ、本発明に係
るエンジンバルブとバルブシートとの組合せは、広く車
両用エンジンに適用できる。殊に、エンジンバルブとバ
ルブシートとの間で凝着等のおそれが生じることがある
エンジンに適用することが好ましい。例えば、バルブシ
ートにＰｂ等の潤滑材を溶浸していないエンジン、或い
は、ＬＰＧ等の気体燃料を燃焼室に供給するためエンジ
ンバルブとバルブシートとの境界がドライになりがちな
エンジンなどである。

【００２３】エンジンバルブとバルブシートとはその機
構上、常に接触しているものではなく、絶えず接触、離
間を繰り返している。しかも、この離間している表面を
燃焼ガスが吹き抜けていく状態である。従ってＰｂ等の
溶融し易い潤滑材をエンジンバルブとバルブシートの間
に常に存在させ続けるのは、非常に困難となる。本発明
に係るエンジンバルブの少なくともフェース部に設けら
れた硫化物を含む窒化層は、潤滑性、保護性を奏するた
め、エンジンバルブの摩耗量を少なくするのに有利であ
り、同様に、相手材であるバルブシートの摩耗量を少な
くするのに有利である。

【００２４】また前記したように硫化物を含む窒化層
は、フェース部の母材を覆って保護する保護層としての
役割も果たすため、エンジンバルブのフェース部の母材
とバルブシートとが直接互いに叩き合うことを回避また
は抑制でき、この意味においても、エンジンバルブの摩
耗量、バルブシートの摩耗量を少なくするのに有利であ
る。

【００２５】

【実施例】本発明を車両のエンジンに搭載される排気用
のエンジンバルブに適用した実施例について、比較例と
共に説明する。（エンジンバルブ）表１に示す組成の耐熱鋼（ＪＩＳ−
ＳＵＨ３５）を熱間鍛造した後、機械加工してエンジン
バルブとした。このエンジンバルブ１は、図１から理解
できるように、軸状のステム部１０と、ステム部１０の
一端に連設された傘部１２とをもつ。その後、傘部１２
のうち環状の裏面の縁部、つまり相手材であるバルブシ
ート２に対面するフェース部１４を仕上げ加工した。

【００２６】その後、エンジンバルブ１全体に浸硫窒化
処理を施した。浸硫窒化処理は、シアン化ナトリウム
（ＮａＣＮ）、炭酸ナトリウム（Ｎａ₂ＣＯ₃）、塩化
ナトリウム（ＮａＣｌ）を基材とし、硫酸ナトリウム
（Ｎａ₂ＳＯ₄）とチオ硫酸ナトリウム（Ｎａ₂Ｓ₂Ｏ
₃）を硫化剤とした溶融状態の還元性塩浴剤を用い、こ
の塩浴剤を５８０℃に保持した状態で、被処理物である
エンジンバルブ１を塩浴剤に１８０時間程度浸漬して行
った。

【００２７】これによりエンジンバルブ１のフェース部
１４を構成する母材（母材自体の硬さ：Ｈｖ２５０〜４
５０）の表面に、窒素とイオウとを浸透させ、これによ
り潤滑性の高い硫化物を含む窒化層をフェース部１４に
形成した。なお本実施例では前記したように塩浴剤にエ
ンジンバルブ全体を浸漬するため、硫化物を含む窒化層
はエンジンバルブ全体に形成される。

【００２８】硫化物を含む窒化層は、図１１に模式的に
例示したように、Ｈｖ３５０〜４５０の硫化物（Ｆｅ
Ｓ）と窒化物（Ｆｅ₃Ｎ、ＣｒＮ）とが共存した共存層
と、共存層よりも内側に形成され硫化物を実質的に含ま
ず且つ窒化物（Ｆｅ₃Ｎ、ＣｒＮ）を主体とする内側窒
化層とで形成されている。ＦｅＳなどはＸ線回折で確認
された。

【００２９】本実施例では、共存層の厚みは５μｍ程
度、内側窒化層の厚みは３５μｍ程度であった。内側窒
化層は、共存層の土台として機能し得る。即ち、顕微鏡
による観察によれば、エンジンバルブの母材、窒化物を
主体とする内側窒化層、硫化物と窒化物とが共存した共
存層の順となっていた。

【００３０】なお、本実施例における浸硫窒化処理で用
いた還元性塩浴剤の配合割合は、重量比で、シアン化ナ
トリウムが３０％程度、炭酸ナトリウムが３０％程度、
塩化ナトリウムが３０％程度、硫酸ナトリウムが数％程
度、チオ硫酸ナトリウムが数％程度とした。表１に示す
比較例１のエンジンバルブは、上記した実施例１と同様
に形成したものの、表１から理解できるように浸硫窒化
処理も窒化処理も施さなかった。従って硫化物も窒化層
も形成されていない。

【００３１】表１に示す比較例２のエンジンバルブは、
上記した実施例１と同様に形成したものの、浸硫窒化処
理を実行せずに、代わりに、ＫＣＮＯを主成分とする塩
浴に浸漬し、窒化処理（５７０°Ｃに９０分間保持）を
行い、これにより窒素をエンジンバルブの母材の表面層
に浸透させ、Ｈｖ４５０以上の窒化層を３０μｍ以上形
成したものである。表１から理解できるように、比較例
２のエンジンバルブでは窒化層が形成されているもの
の、浸硫窒化処理が施されていないため、硫化物を含む
共存層は形成されていない。

【００３２】

【表１】（バルブシート）次にバルブシートの製造について説明
を加える。原料粉末として、還元鉄粉末（１００メッシ
ュアンダー）、コバルト粉末（４００メッシュアンダ
ー）、ＣｏーＭｏーＣｒーＳｉ合金粉末（１００メッシ
ュアンダー）、天然黒鉛粉末（１４５メッシュアンダ
ー）を用い、これらを表２に示す実施例２に係る組成に
なるように配合し、Ｖ型混合機で３０分間混合して混合
粉末を得た。混合粉末には、潤滑剤としてステアリン酸
亜鉛が添加されている。

【００３３】そして、その混合粉末を８ｔｏｎ／ｃｍ²
の圧力で所定寸法になるように成形型により圧縮成形
し、圧粉体とした。その後、１１２０℃の温度で分解ア
ンモニアガス雰囲気中で圧粉体を４５分間焼結し、焼結
体を得た。これをバルブシートの形状に機械加工するこ
とにより、実施例２に係るバルブシートを形成した。表
２から理解できるように、実施例２に係るバルブシート
では、バルブシート全体を１００％としたとき、硬質粒
子として機能するＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金粉末は３
０％添加されている。

【００３４】比較例３のバルブシートは、従来から使用
されている耐摩耗性に優れたものであり、表２から理解
できるようにバルブシートの母材を１００％としたと
き、重量比でＣｏを１０％、Ｎｉを１０％、Ｃを０．４
％、ＦｅＭｏを１０％、ＦｅＷを１％含んでいる。

【００３５】

【表２】なお表２は、バルブシート全体を１００％としたときの
重量％を意味する。

【００３６】（試験）上記したようにして得られた各例
に係るエンジンバルブ、バルブシートを試験装置に搭載
して、耐摩耗試験を実行した。この試験装置は、実際の
エンジンにおけるエンジンバルブとバルブシートとの動
きを模したものである。試験装置の概要を図１に示す。
この試験装置では、図１から理解できるように、エンジ
ンバルブ１とバルブシート２とを試験装置に搭載した状
態で、バーナ４からの火炎４０でエンジンバルブ１の傘
部１２を加熱しつつ、エンジンバルブ１をその軸方向つ
まり矢印Ｙ方向に往復移動させて行った。実際のエンジ
ンを考慮してエンジンバルブ１の目標温度は５００°Ｃ
とした。

【００３７】そして、図２に示すように、エンジンバル
ブ１の傘部１２のフェース部１４のうち摩耗試験を開始
する前の初期面１４ａと、摩耗試験を終了した摩耗面１
４ｃとの差であるａを求め、これをエンジンバルブ１の
摩耗量とした。更に、図３から理解できるように、摩耗
試験を終了したバルブシート２を新品のエンジンバルブ
１のフェース部１４に当接させたときの新品のエンジン
バルブ１のステム部１０の軸端面１０ｃの位置ｂ₁を求
めた。この試験では、摩耗試験開始前のバルブシート２
と新品のエンジンバルブ１とを当接させたときのステム
部１０の軸端面１０ｃの位置ｂ₂も求め、ｂ₁とｂ₂の
差ｂ（μｍ）を測定し、これをバルブシートの摩耗量と
した。

【００３８】エンジンバルブの摩耗量についての試験結
果を図４に示す。図４の縦軸はエンジンバルブの摩耗量
つまり前記したａ（μｍ）を示す。図４の横軸はエンジ
ンバルブとバルブシートとの組合せを示す。即ち、図４
の横軸において『実施例１×実施例２』は、実施例１に
係るエンジンバルブと実施例２に係るバルブシートとの
組合せを示す。『実施例１×比較例３』は、実施例１に
係るエンジンバルブと比較例３に係るバルブシートとの
組合せを示す。以下同様である。

【００３９】図４から理解できるように、浸硫窒化処理
及び窒化処理の双方とも施していない比較例１のエンジ
ンバルブと実施例２のバルブシートとの組合せでは、
エンジンバルブの摩耗量は２０μｍ近くとなり、かなり
大きかった。図４から理解できるように、比較例１のエ
ンジンバルブと比較例３のバルブシートとの組合せ、
比較例２のエンジンバルブと実施例２のバルブシートと
の組合せにおいても、エンジンバルブの摩耗量はかな
り大きかった。

【００４０】しかしながら図４から理解できるように、
実施例１のエンジンバルブと実施例２のバルブシートと
の組合せでは、エンジンバルブの摩耗量は極めて少な
く、２μｍ以下であった。また実施例１のエンジンバル
ブと比較例３のバルブシートとの組合せにおいても、
エンジンバルブの摩耗量は極めて少なく、２μｍ以下で
あった。このように浸硫窒化処理を施した実施例１のエ
ンジンバルブは耐摩耗性が良好であり、相手材であるバ
ルブシートが変更されても、エンジンバルブの摩耗量は
小さい。

【００４１】バルブシートの摩耗量についての試験結果
を図５に示す。図５の縦軸はバルブシートの摩耗量つま
り前記したｂ（μｍ）を示す。図５の横軸は、図４の横
軸と同様に、エンジンバルブとバルブシートとの組合せ
を示す。図５から理解できるように、比較例１のエンジ
ンバルブと実施例２のバルブシートとの組合せでは、
バルブシートの摩耗量は３０μｍ近くとなり、かなり大
きかった。図５から理解できるように、比較例１のエン
ジンバルブと比較例３のバルブシートとの組合せ、比
較例２のエンジンバルブと実施例２のバルブシートとの
組合せにおいても、エンジンバルブの摩耗量は大きか
った。

【００４２】しかしながら図５から理解できるように、
浸硫窒化処理後の実施例１のエンジンバルブとＣｏ基硬
質粒子を含む実施例２のバルブシートとの組合せで
は、バルブシートの摩耗量は少なく、１０μｍ以下であ
った。また図５から理解できるように、浸硫窒化処理後
の実施例１のエンジンバルブと比較例３のバルブシート
との組合せにおいても、バルブシートの摩耗量は少な
く、１５μｍ以下であった。

【００４３】上記した組合せと組合せとでは、Ｃｏ
基硬質粒子を分散させた実施例２に係るバルブシートを
用いている点において共通するもののの、図５から理解
できるように、組合せではバルブシートの摩耗量は２
０μｍを越え大きくなってしまうが、組合せではバル
ブシートの摩耗量は１０μｍ未満と小さい。これは組合
せでは、潤滑性、保護性を奏する硫化物を含む窒化層
を備えた実施例１に係るエンジンバルブが用いられてい
ることに起因すると推察される。

【００４４】更に、上記した摩耗試験において摩耗量が
少なく良好な結果を示した組合せ、組合せについ
て、オットーサイクルエンジン（直列４気筒、１６００
ｍｌ）を用い、天然ガスを燃料として、５６００ｒｐｍ
×全負荷で９０時間の耐久試験を行った。耐久試験の結
果を図６に示す。図６の縦軸はバルブシートの摩耗量を
示す。図６から理解できるように、組合せではバルブ
シートの摩耗量は３０μｍ未満程度と少なめであった。
組合せではバルブシートの摩耗量は５０μｍ程度と大
きかった。換言すればバルブシートの摩耗量は、組合せ
では組合せの約半分程度となる。

【００４５】上記した図６に示す試験結果は、実施例１
に係るエンジンバルブにおいて、相手材として、硬質粒
子としてＦｅＭｏ、ＦｅＷを含む比較例３に係るバルブ
シートを用いるよりも、Ｃｏ基硬質粒子を含む実施例２
に係るバルブシートを用いた方が、相手材であるバルブ
シートの摩耗量が低減することを意味している。従っ
て、浸硫窒化処理を施した実施例１のエンジンバルブと
Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉの硬質粒子を含む実施例２のバ
ルブシートとを組み合わせることが摩耗量低減において
有効である。浸硫窒化処理による潤滑機能と、Ｃｏ−Ｍ
ｏ−Ｃｒ−Ｓｉの硬質粒子による潤滑機能の双方を期待
できるからである。

【００４６】（浸硫窒化処理時間）上記した浸硫窒化処
理時間は９０〜１８０分間程度、特に１８０分間程度が
好ましい。その理由について以下、説明を加える。図７
は、浸硫窒化処理における処理時間と浸硫窒化処理によ
ってできた内側窒化層の厚さとの関係を示す。図７の◆
印は、エンジンバルブに浸硫窒化処理を施したものの、
エンジンバルブに熱履歴を加える前の状態における内側
窒化層の厚さを示す。図７の■印は、エンジンバルブを
浸硫窒化処理した後に、熱履歴（６００℃×５０時間）
を加えた後における内側窒化層の厚さを示す。上記した
熱履歴は、エンジンの使用条件を考慮したものである。

【００４７】図７の◆印から理解できるように、浸硫窒
化処理の処理時間が長くなると、内側窒化層の厚さが増
加する。即ち、内側窒化層の厚みは、浸硫窒化処理時間
が６０分の場合には１０μｍ程度であり、浸硫窒化処理
時間が９０分の場合には２５μｍ程度であり、浸硫窒化
処理時間が１８０分の場合には３５μｍ程度となる。浸
硫窒化処理によりエンジンバルブ内部への窒素の浸透が
進行するためと推察される。但し、処理時間が長くなる
と、内側窒化層の厚み増加の割合は飽和状態に近くな
る。

【００４８】図７の■印、◆印から理解できるように、
浸硫窒化処理時間が同一であっても、熱履歴により内側
窒化層の厚みは更に厚くなる。熱履歴により、窒素の浸
透が更に進行するためであると推察される。なお熱履歴
により内側窒化層の厚みは厚くなるものの、内側窒化層
自体の硬さはやや低下する。エンジンバルブでは、熱履
歴に起因する窒化層の硬さ低下を抑制することが好まし
い。このためにはエンジンバルブに対する浸硫窒化時間
は、下記にも示すように９０分間程度よりも１８０分間
程度が好ましい。

【００４９】図８は、エンジンバルブに熱履歴を加えた
ときにおける内側窒化層の厚みの拡散率を示す。図８の
縦軸は拡散率を示す。拡散率は、｛（熱履歴後の内側窒
化層の厚さ−熱履歴前の内側窒化層の厚さ）／（熱履歴
前の内側窒化層の厚さ）｝×１００％を意味する。図８
の横軸は浸硫窒化処理の処理時間を示す。図８から理解
できるように、熱履歴を加えたときには、浸硫窒化処理
の処理時間が９０分のときには拡散率が大きいものの、
浸硫窒化処理の処理時間が１８０分のときには拡散率が
かなり小さくなる。即ち、浸硫窒化処理の処理時間が１
８０分間の場合には、処理時間が９０分間の場合より
も、内側窒化層の厚み増加は少なく、内側窒化層の硬さ
を確保するのに有利であり、ひいては、内側窒化層によ
る耐摩耗性を確保するのに有利である。

【００５０】図９は、浸硫窒化処理を施したエンジンバ
ルブの表面からの深さと硬さとの関係を示す。図９の横
軸はエンジンバルブの表面からの深さを示し、縦軸は硬
さを示す。図９において、◆印は、浸硫窒化処理が９０
分間の場合において上記熱履歴を加える前の硬さ分布を
示す。■印は、浸硫窒化処理が１８０分間の場合におい
て熱履歴を加える前の硬さ分布を示す。◇印は、浸硫窒
化処理が９０分間の場合において熱履歴を加えた後の硬
さ分布を示す。□印は、浸硫窒化処理が１８０分間の場
合において熱履歴を加えた後の硬さ分布を示す。

【００５１】図９の◆印、■印から理解できるように、
浸硫窒化処理を施したものの熱履歴を加える前では、フ
ェース部の表面からの深さが浅い程、硬さは高いもの
の、表面からの深さが浅くなるにつれて硬さが低くな
る。換言すれば、浸硫窒化処理の時間が９０分の場合、
１８０分の場合共に、表面に近い部分の硬さは、Ｈｖ４
５０以上を大きく越える。浸硫窒化処理の時間が１８０
分の場合には、表面から３０μｍ程度の領域まではＨｖ
４５０以上となる。

【００５２】しかしながら図９の◇印、□印から理解で
きるように、浸硫窒化処理を施した後に熱履歴を加えた
後では、表面からの深さが浅い領域では硬さが低下す
る。例えば、浸硫窒化処理が９０分の場合には、熱履歴
を与えると、表面から２５μｍまでの領域において、硬
さＨｖ４５０を下回るところが出てくる。但し、図９か
ら理解できるように、浸硫窒化処理が９０分間のときに
は、表面からの深さが２５〜４５μｍの領域では、図９
の矢印Ａに示すように、熱履歴に伴い硬さが向上するデ
ータが発現された。即ち、矢印Ａに示すこのデータによ
れば、上記した熱履歴に伴い、硫化物及び窒化物が共存
する共存層に対する土台としての機能を期待できる内側
窒化層の硬さが高くなる。熱履歴に伴う窒素の浸透に起
因するものと推察される。

【００５３】また、浸硫窒化処理の処理時間の大小とバ
ルブシートの摩耗量との関係（熱履歴を施す前）を図１
０に示す。図１０から理解できるように、浸硫窒化処理
の処理時間が１８０分の場合には、９０分の場合と比較
して、バルブシートの摩耗量が３割程度少なくなる。こ
のことからも、浸硫窒化処理の処理時間は、９０分より
も１８０分が好ましいことがわかる。即ち、エンジンバ
ルブの浸硫窒化処理では、硬さＨｖ４５０以上で厚さ３
０μｍ以上の窒化層を得るためには、処理時間は９０分
間よりも１８０分間が適当である。

【００５４】（他の例）上記した例では、エンジンバル
ブを浸硫窒化処理用の塩浴剤に浸漬している関係で、硫
化物を含む窒化層はエンジンバルブ全体に形成される
が、これに限らずマスキング等を利用して、エンジンバ
ルブのフェース部のみに浸硫窒化処理を施すことにして
もよい。

【００５５】上記した例は排気用のエンジンバルブに適
用した場合であるが、吸気用のエンジンバルブに適用す
ることもできる。（付記）上記した記載から次の技術的思想も把握でき
る。５６０〜６００°Ｃに保持した浸硫窒化用の硫化塩
系の塩浴剤にエンジンバルブを浸漬するエンジンバルブ
の浸硫窒化法において、浸漬時間を８０〜２００分間に
することを特徴とするエンジンバルブのフェース部の処
理方法。

【００５６】

【発明の効果】請求項１に係るエンジンバルブによれ
ば、潤滑性、保護性を期待できる硫化物を含む窒化層が
エンジンバルブの少なくともフェース部に形成されてい
るため、フェース部の母材と相手材との直接接触が回避
または抑制されるため、エンジンバルブの摩耗量や相手
材の摩耗量の低減に有利である。

【００５７】請求項２に係る組合せによれば、バルブシ
ートに含まれるＨｖ４５０〜９５０のＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ
−Ｓｉ系のＣｏ基硬質粒子は、それ自身の硬さによる耐
摩耗性向上作用の他に、潤滑作用をも奏するため、請求
項２に係る組合せでは、エンジンバルブの摩耗量やバル
ブシートの摩耗量の低減に一層有利である。殊にエンジ
ンバルブの母材は、耐熱性の確保のためＣｒ等のＦｅ以
外の他の合金元素を含有することが多く、鉄自体の％は
そのぶん減少している。この場合には母材へのＳの浸透
速度が制約され、潤滑性をもつ硫化物の生成が制約され
ることがある。

【００５８】この点請求項２に係る組合せによれば、上
記したように硫化物の生成が制約される場合であって
も、前述したように、相手材であるバルブシートに含ま
れるＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系のＣｏ基硬質粒子による
潤滑作用を加味できるため、エンジンバルブの摩耗量や
相手材であるバルブシートの摩耗量の低減に一層有利で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】摩耗試験装置を模式的に示す構成図である。

【図２】エンジンバルブのフェース部の摩耗量を測定す
る形態を模式的に示す構成図である。

【図３】バルブシートの摩耗量を測定する形態を模式的
に示す構成図である。

【図４】エンジンバルブとバルブシートとの各種の組合
せと、エンジンバルブの摩耗量との関係を示すグラフで
ある。

【図５】エンジンバルブとバルブシートとの各種の組合
せと、バルブシートの摩耗量との関係を示すグラフであ
る。

【図６】エンジンバルブとバルブシートとの組合せと、
バルブシートの摩耗量との関係を示すグラフである。

【図７】浸硫窒化処理における処理時間と内側窒化層の
厚さとの関係を示すグラフである。

【図８】浸硫窒化処理における処理時間と内側窒化層の
拡散率との関係を示すグラフである。

【図９】浸硫窒化処理した後におけるエンジンバルブに
おける表面からの深さと硬さとの関係を示すグラフであ
る。

【図１０】浸硫窒化処理における処理時間の大小とバル
ブシート摩耗量との関係を示すグラフである。

【図１１】エンジンバルブのフェース部付近の断面を模
式的に示す構成図である。

【符号の説明】

図中、１はエンジンバルブ、１４はフェース部、２はバ
ルブシートを示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲台座▼ 攝人愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者不破良雄愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者冨永忠良愛知県大府市共和町一丁目１番地の１愛三工業株式会社内 (72)発明者田口篤愛知県大府市共和町一丁目１番地の１愛三工業株式会社内 (72)発明者神田勝司愛知県大府市共和町一丁目１番地の１愛三工業株式会社内 (72)発明者江角武彦京都市山科区栗栖野狐塚５の１日本粉末合金株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バルブシートに当たるフェース部を備える
と共に耐熱鋼を母材とするエンジンバルブであって、少なくともフェース部に、硫化物を含む窒化層が窒素と
イオウとの浸透により形成されていることを特徴とする
エンジンバルブ。
【請求項２】請求項１に係るエンジンバルブと、相手材として、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｏ系の基地にＣｏ−Ｍｏ−
Ｃｒ−Ｓｉ系のＨｖ４５０〜９５０のＣｏ基硬質粒子が
分散したバルブシートとを組合わせたことを特徴とする
エンジンバルブとバルブシートとの組合せ。