JPS5810460B2

JPS5810460B2 - エンジンのシリンダヘッドの製造法

Info

Publication number: JPS5810460B2
Application number: JP7928679A
Authority: JP
Inventors: 印丸清和; 三宅憲治; 森下強; 楊井浩治
Original assignee: Toyo Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1979-06-22
Filing date: 1979-06-22
Publication date: 1983-02-25
Also published as: JPS563654A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、耐高温性、耐摩耗性に優れた弁座を備えたエ
ンジンのシリンダヘッド製造方法に関するものである。

自動車用燃料として有鉛ガソリンが使用可能であった時
代には、ガソリン中の鉛分が弁座に付着するため、排気
バルブと弁座との金属接触が緩和され、高温下でも弁座
の耐摩耗性はさほど問題にならなかった。

しかしながら、現今では、排気ガス規制の見地から、無
鉛ガソリンの使用が義務付けられており、かかる現状に
あっては、上記鉛の摩耗防止効果が期待できず、強度や
耐摩耗性等において優れた耐高温性を有する材料として
コバルト入りの鉄系合金が弁座用に汎用され始めている
。

しかしながら、コバルト地金は、世界的に不足する傾向
にあるうえ、供給が不安定であり、価格が不安定でしか
も異常に高騰するといった問題があり、コバルトを使用
した金属材料の見直しが従来にも増して必要となってき
ている。

このため、コバルトの含有量が少ない弁座用材料が提案
されているが、従来のこの種材料は、無鉛ガソリンエン
ジンとは燃焼温度や雰囲気が異なる有鉛ガソリンエンジ
ンやＬＰＧエンジンの弁座用材料としては不適当であり
、汎用性に乏しいといった問題があった。

本発明は、したがって、コバルトを含有することなしに
高温酸化性雰囲気中で優れた耐摩耗性を示し、しかも無
鉛、有鉛ガソリンやＬＰＧ等使用燃料の種類に無関係に
使用することができる汎用性のある弁座を備えたエンジ
ンのシリンダヘッドの製造方法を提供することを基本的
な目的としている。

一般に、この種の弁座用材料には以下の如き特性が要求
される。

（イ）排気バルブ等の弁体との金属接触に耐えうる高温
下での強度（硬度）を有すること。

（ロ）加工性、被剛性が良好であること。

通常、弁座はシリンダヘッドに圧入後、弁体との接触面
精度を向上して良好な気密性を得るため、弁体を基準と
して切削加工する必要があるためである。

（ハ）熱膨張係数がシリンダヘッド材料のそれに近い値
であること。

即ち、両者の熱膨張係数が違い過ぎると、運転時の昇温
によって弁座に大きな熱応力が生じ、いわゆるヘタリを
生ずるからである。

本発明は、シリンダヘッドに圧入した時点ではきわめて
良好な切削性を示すこと、したがって加工性に優れてお
り、次に弁座として高温下で使用したときには、次第に
熱硬化し、したがって、優れた耐高温、耐摩耗性を示す
に至る焼結合金製弁座を用いて、加工性と製品性能のい
ずれをも満足するエンジンのシリンダヘッドの製造法を
提供しようとするものである。

本発明方法において使用する弁座用二次硬化型焼結合金
は、予じめ用意したＮｉ、Ｍｏを主成分とする硬質粒子
とＭｏ添加用合金粉末とを鉄粉を主成分とする原料粉末
中に配合・混合したうえで、圧粉成形し、次いで圧粉体
を焼結したものである。

この焼結に際しては、後述するようにＣｕを溶浸し、熱
伝導性を向上させることが好ましい。

そして、上記弁座用二次硬化型焼結合金は、予じめ所望
の弁座として成形しておき、焼結したのちは、そのま＼
弁座として装着し、バルブとの整合のための切削加工を
行なう。

したがって、この段階での弁座の加工性は、焼入れを行
なっていないので、きわめて良好である。

調整加工を行なった弁座は、そのま＼使用され、エンジ
ンの燃焼による高熱によって、上記弁座を形成する二次
硬化型焼結合金は、二次硬化する。

この二次硬化は、上記Ｍｏ添加用合金粉末として添加し
たＭｏが、Ｍｏ炭化物又はＭｏ複合炭化物として次第に
析出することによってもたらされる。

このため、弁座は、硬化し、耐高温性、耐摩耗性が好ま
しい程度にまで向上する。

上記Ｍｏ添加用合金粉末としては、後述するようにｐｅ
ｒｒｏ−Ｍｏの二元共晶合金もしくはＦｅ−ＭＯ−Ｃの
三元共晶合金を有利に用いることができる。

本発明方法に使用する弁座用二次硬化型焼結合金は、以
下の化学成分および特徴を有する。

（Ｉ）化学成分（１）Ｃ成分Ｃはマトリックスの硬さを高温下においても維持させる
と同時に、再加熱されたとき（運転時）に、ＭＯととも
に、モリブデンカーバイドＭｏｍＣｎの形で析出し、二
次硬化現象を惹起し、高温下での耐摩耗性を向上させる
ことができる。

０．６重量％より少ないとその効果が実質的になくなり
耐摩耗性が低下し、２．２重量％を越えると、脆くなり
使用に耐えることができなくなる。

（２）Ｓｉ成分Ｓｉ成分は、硬質粒子を製造するうえで必要な元素であ
って、弁座の機能面での直接的な寄与はない。

即ち、硬質粒子の製造に際しては、アトマイズ法、搗砕
法いずれを用いる場合にも、溶湯の流動性を高めるため
に不可欠であって、硬質粒子中に不可避的に含有され、
必然的に０．１〜０．７％存在する。

（３）Ｎｉ成分Ｎｉ成分は、マトリックスと硬質粒子の両方に存在する
。

Ｎｉは、マトリックスでは、高温強度の向上、焼入れ住
改善に効果がある。

硬質粒子中ではＭｏとともに化合物を形成し、その硬質
粒子の硬さを与える。

しかも、その硬さはＨｖ６００〜９００であって、高温
での硬さ低下も少ない。

硬さが上記範囲にあるため、弁体のフェース面の材質が
ステライトでもＴ２５４ＮもしくはＴＮＭＣ４５７（盛
金なし）でも、弁座として使用できる。

Ｎｉ成分が２．１％以下であれば、上記効果が不足し、
５．５％を越えると、切削性が悪化し、また弁体側の摩
耗が大きくなる。

（４）Ｍｏ成分Ｍｏはマトリックスと硬質粒子の両方に存在する。

硬質粒子中では、上記した如く、Ｎｉとともに化合物を
形成し、合金の硬さを向上させる。

一方、マトリックス中のＭｏは、Ｎｉと同様高温強度の
向上、焼入れ住改善に効果があると同時に、Ｍｏの濃度
勾配を与えることによって、少量のＭｏ添加でも局部的
に二次硬化現象を生起させることができる。

上記の効果を得るためには、０．４５〜２．５重量％必
要である。

また、硬質粒子からのＭｏは１．２５〜５．０重量％で
ある。

これは、硬質粒子による耐摩耗性付与に不可欠である。

したがって、全体としてのＭｏ量は、１，７〜７．５重
量％必要となる。

１．７％以下では、上記効果が有効に得られず、７．５
％を越えると、コスト的に不利となるのみならず、圧粉
体密度が低くなって製造上不利となり、加工性も悪化す
る。

（５）Ｃｕ成分溶浸により添加されるＣｕは、マトリックス中に約６〜
８％が固溶し、残り１４〜１６％は気孔を充填する。

マトリックス中に固溶したＣｕは、高温強度および高温
硬さの向上並びに焼入れ住改善に効果がある。

気孔を充填するＣｕは弁座の熱伝導性を向上させる効果
がある。

弁体が排気バルブである場合、バルブのフェース面の熱
は主として弁座を伝って放出されるので、弁座の熱伝導
性が良好化すれば、それだけバルブのフェース面の温度
が低下し、高温硬さが低い低級材料でもバルブ材として
使用が可能となる。

このことは、本発明に係る弁座用材料によって製造した
弁座を、ステライト盛金バルブ、盛金無しのバルブいず
れに対しても使用することができる理由の一つとなって
いる。

と同時に、Ｃｕの溶浸による熱伝導性の改善によって、
使用する燃料の種類に無関係に本発明に係る弁座材料の
採用が可能となる。

即ち、燃焼温度は、無鉛ガソリンく有鉛ガソリン＜ｈ、
Ｐ、Ｇの順で高くなり、したがって弁座材料としては、
これら使用燃料の種類に応じて耐高温性が要求されるが
、本発明に係る弁座材料は熱伝導性が優れているため、
無鉛ガソリンより燃焼温度の高い有鉛ガソリンやり、Ｐ
、Ｇを燃料とするエンジンにも充分に適用することがで
きるのである。

Ｃｕの溶浸量は、１３％以下では気孔を充填するＣｕ量
が少なくなり上記効果を期待できなくなり、２２％以上
では、マトリックスの割合が少なくなって耐摩耗性が低
下し、経済的にも不利となる。

（１）密度本発明方法において使用する弁座用二次硬化型焼結合金
の密度は、圧粉体密度（マ）Ｊツクスの占める割合）と
、Ｃｕの溶浸量によって決定される。

圧粉体密度が７．ｌｌ／ＣＣより低いときは、硬さが低
下して耐摩耗性、耐ヘタリ性が低下する。

Ｃｕ溶浸量が少なくて、７．１ｇ／ｃｃより低いときは
、熱伝導性が悪化して、前述の如き効果が得られなくな
る。

本発明方法において使用する弁座用二次硬化型焼結合金
の組織は、硬質粒子、Ｃｕ合金相および微細パーライト
によって構成されている。

硬質粒子相は、添加する硬質粒子粉末の量、大きさによ
って決まる。

その重量比は５〜２０％とすることが好ましい。

また、硬質粒子粉末の大きさは１８０μ以下であること
が望ましい。

Ｃｕ合金相の量、大きさは圧粉体密度、溶浸量によって
決まり、これらの量、大きさは前述した通りである。

マトリックスを微細パーライトにしている理由は、耐摩
耗性の向上と高温硬さの確保のためである。

（１）Ｍｏ母合金Ｍｏ添加用合金粉末としては、Ｆｅ−Ｍ。

（５０〜７０重量％）、Ｆｅｒｒｏ−Ｍｏ粉末１Ｆｅ−
Ｍｏ（ｉ２〜１ｇ重量％）−Ｃ（３，５〜４．５重量％
）のＦｅ−Ｍｏ−Ｃ粉末を用いることができ、それぞれ
、０．６〜５．０重量％、２．５〜２０重量％添加する
。

これらＭｏの添加方法としては、上記の他、■アトマイ
ズ粉末を使用する、■純Ｍｏの形で添加する。

■Ｍｏ−Ｃ（モリブデンカーバイド）の形で０．５〜２
．７８重量％を添加する方法が考えられるが、■の方法
では、ＭＯ濃度勾配が小さくなるのでＭｏの添加量を２
．０重量％以上に多くする必要があり、Ｍｏ量を多くし
ていくと、粉末の圧縮性が悪化して圧粉体強度が低下し
、実用的でなくなり、また、■の方法では、通常の焼結
温度１１００〜１２００℃では、拡散が遅いため合金化
が進行せず、ＭＯがピュアのまＳ残ったりして二次硬化
性が劣る欠点があり、この■、■の方法は好ましくない
ものである。

（１）硬質粉末上記硬質粉末としては、以下の成分のものを用いる。

また、その引張強度は３０〜４５ｋｇ／ｍｍ２、硬さＨ
ｖ６００〜９００、粒度−８０ｍｅｓｈである。

上記硬質粉末による効果は、基本的に以下の通りである
。

（１）高温下においても、硬質粒子の硬度はさほど低下
せず、基地金属の硬さの低下を補なうことができ、した
がって高温硬さの維持が可能となる。

（２）そのため、無鉛状態下においても摺動性が良好と
なり、耐焼付性が向上する。

（３）硬質粒子は基地金属中に分散して存在するため、
切削性としては通常の焼結合金とはゾ同等の良好な切削
性を得ることができる。

（４）硬質粒子により基地金属を強化することができ、
高温下での耐摩耗性を向上することができる。

次に、本発明に係るシリンダヘッドの製造方法について
説明する。

まず弁座素材の製法について述べる。

原料粉末としては、純鉄粉もしくは合金鉄粉に５〜２０
％の硬質粒子粉末、前記した適量のＭｏ添加用合金粉末
、適量の黒鉛粉末、０．５〜２．０％の潤滑剤としての
ステアリン酸亜鉛を配合して混合した後、圧縮圧力４〜
６ｔ／ｆｆｌで圧粉成形し、圧粉体の上にＣｕ合金溶浸
材を載置し、非酸化性雰囲気中で１１００℃以上１１８
０℃以下の温度で１０分以上６０分以下の間焼結を行な
う。

焼結後は焼入れ。焼戻しを行なわずに、そのま＼放冷す
る。

次にこの弁座素材を用いるシリンダヘッドの製造法につ
いて説明する。

前述した方法により製造された弁座素材をそのま＼シリ
ンダヘッドの弁座装着部に圧入装着し、次に弁座の相手
部品である弁体を基準とした仕上げ加工（切削加工）を
施こし弁体との密着性を良好化する。

焼結体の硬度は、ＨＲＣ約２８で加工性がきわめて良好
である。

そして、次にエンジンとして組み立てた後運転すると弁
座部が燃焼熱によって高温に加熱され、この加熱によっ
てＭＯとＣとがモリブデンガーバイドの形で析出して二
次硬化現象を惹起し、硬度が向上するものである。

二次硬化現象は、上記したように、再加熱したときに、
固溶していたＭｏがＭｏｍＣｎの形で析出し、硬化する
現象である。

かかる材料を弁座用材料として使用すれば、上記の如く
、焼結後は硬さが低く加工し易いが、一旦、加熱（５０
０〜６００℃）されると、二次硬化を起し、最表面のみ
が硬化して、好ましい耐摩耗性を示すのである。

次に、本発明の実施例を示す。

実施例−１化学成分が、２８．８％Ｎｉ、３５．０％Ｍｏ。

４．８％Ｓｉ、残Ｆｅ、粒度−８０ｍｅｓｈの硬質粒子
粉末を５．０％、化学成分が１６．３％Ｍｏ。

１．６０％Ｃ１残Ｆｅ、粒度−８０ｍｅｓｈの合金粉末
を１０．０％、粒度−８０ｍｅｓｈの黒鉛粉末を１．１
０％、粒度−３５０ｍｅｓｈのＮｉ粉末を２．１６％、
粒度−８０ｍｅｓｈのＦｅ粉を８１．７４％配合し、潤
滑剤としてステアリン酸亜鉛を外パーセントで０．７％
添加し、Ｖ型混合機で３０分間混合して混合粉を得た。

この混合粉を１５ｍｍφ×３５ｍｍφ×１０ｍｍｔの形
状になるように圧縮圧力５、Ｏｔ／ｆｆｌで圧粉成形し
、その成形体の上に、最終の含有量が１５．５２％にな
るように成形したＣｕ溶浸材を設置して、保護雰囲気と
して、アンモニア分解ガス中で８００℃に３０分間保持
して予備焼結（脱ロウ処理）を行ない、次に、１１３０
℃に２０分間保持して、焼結をし、徐冷して、焼結体を
得た。

この時の化学成分、密度、硬さは表の通りであった。

本焼結体から、弁座試験片を削り出し、エンジン回転数
５，０００ｒ、ｐ、ｍのときのバルブの着座部近傍温度
７５０℃、弁座表面温度４５０℃になるようにガスバー
ナーで加熱し、無潤滑で、４０時間の摩耗テストを行な
った結果を、弁側にステライト盛りと２ｌ−４Ｎ材を用
いた場合を比較して表に示す。

実施例−２化学成分が、２５．５％Ｎｉ、３０．０％Ｍｏ。

４．８％Ｓｉ、残Ｆｅ、粒度−８０ｍｅｓｈの硬質粒子
粉末を５．０％、化学成分が８．５％Ｍｏ、０．８５％
Ｃ１残Ｆｅ、粒度−８０ｍｅｓｈの合金粉末を２．５％
、粒度−８０ｍｅｓｈの黒鉛粉末を０．６％、粒度−３
５０ｍｅｓｈのＮｉ粉末を０．８３％、粒度８０ｍｅｓ
ｈのＦｅ粉を９２．２７％配合し、潤滑剤としてステア
リン酸亜鉛を外パーセントで０．７％添加し、■型混合
機で３０分間混合して混合粉を得た。

この混合粉を１５ｍｍφＸ３５ｍｍφ×１０ｍｍｔの形
状になるように圧縮圧力ｓ、ｏｔ／ｃｍ２で圧粉成形し
、その成形体の上に最終含有量が２０．０％になるよう
に成形したＣｕ溶浸材を載置して、保護雰囲気として、
アンモニア分解ガス中で、８００℃に３０分間保持して
、予備焼結を行ない。

次に、１１３０℃に３０分間保持して、焼結を行ない、
徐冷して、焼結体を得た。

この時の化学成分、密度、硬さは表に示す通りである。

又、本焼結体より弁座試験片を削り出し、上記テスト条
件と同条件で摩耗テストを行なった結果を表に示す。

実施例−３化学成分が２０．５％Ｎｉ、３０％Ｍｏ、３．５％Ｓｉ
、残Ｆｅ、粒度−８０ｍｅｓｈの硬質粒子粉末を２０％
、化学成分が８，５％Ｍｏ、０．８５％Ｃ１残Ｆｅ、粒
度が一８０ｍｅｓｈの合金粉末を１８．３％、粒度−８
０ｍｅｓｈの黒鉛粉末を１．２％、粒度、３５０ｍｅｓ
ｈのＮｉ粉末を１．４％、粒度−８０ｍｅｓｈのＦｅ粉
を６９，２％配合し、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を
外パーセントで０．７％添加し、■型混合機で３０分間
混合して混合粉を得た。

この混合粉を１５ｍｍφＸ３５ｍ１φ×１０ｍｍｔの形
状になるように圧縮圧力５．Ｏｔ／ｃｍ２で圧粉成形し
、保護雰囲気としてアンモニア分解ガス中で、８００℃
に３０分間保持して予備焼結を行ない、次に、１１３０
℃に２０分間保持して焼結を行ない、徐冷して焼結体を
得た。

この時の化学成分、密度、硬さは表に示す通りである。

上記表において、従来例１，２はともに焼結材で、従来
例１はＣｕを溶浸しないもの、従来例２はＣｕを溶浸し
たものである。

また、上記実施例１について、再加熱による二次硬化度
を第１図に示す。

第１図において、硬さは上記各加熱温度で２時間加熱処
理したものについて測定したものである。

焼結したま１の段階では、ＨＲＣ２８であったものが、
５００〜６００℃で加熱したときには、最高ＨＲＣ４５
程度の硬さを得ることができる。

なお、第１図に点線で示すラインは、３００℃で２時間
加熱したものをさらに加熱した場合の硬度変化を示すも
のである。

この点線ラインと実線との比較から明らかなように、焼
結後の第１回目の加熱が重要であることが理解される。

したがって、二次硬化により、表に示すように摩耗量は
、排気バルブとしてコバルト基合金（約３５％Ｃ）ＳＴ
Ｌ−Ｆを用いたもの、コバルトを含有しない材料（２１
−４Ｎ）を用いたものいずれに対しても、従来例１，２
に比して大巾に減少する。

なお、上記摩耗量は、排気バルブの沈下量を同一条件で
測定した結果を示したものであり、排気バルブの摩耗量
と弁座の摩耗量の和である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る弁座用二次硬化型焼結合金の二次
硬化度を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

ＩＣ０，６〜２．２重量％、Ｓｉ０．１〜０．７重量
％Ｎｉ２．１〜５．５重量％、Ｍｏ１．７〜７．５重量
％、残部実質的にＦｅよりなる焼結体もしくは、さらに
溶浸によりＣｕ１３〜２２％を含有させた焼結体であっ
て、マトリックス中にＮｉ、Ｍｏを主成分とする硬質粒
子が５〜２０重量％分散している弁座素材を、エンジン
のシリンダヘッドに圧入した後、仕上げ加工を施し、し
かる後エンジンを運転し、その燃焼熱により前記弁座素
材を硬化せしめてなることを特徴とするエンジンのシリ
ンダヘッドの製造法。