JPS60258450A - バルブシ−ト用鉄系焼結合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、バルブシート用鉄系焼結合金に関し、詳しく
は、オーステナイト組織、パーライト組織。

フェライト組織の混合組織からなるＦｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎ
ｉ系基地組織中に、Ｍｏ−Ｆ　ｅ合金相からなる微細硬
質粒子及びＣａＦ、もしくはＭｎＳからなる微細粒子を
均一に分散させることによって、バルブシートとして自
身の耐摩耗性に優れ、しかも、摺動する相手材であるエ
ンジンバルブに対する損傷性の少ないバルブシート用鉄
系焼結合金にかかる。

〔従来技術〕

最近、自動車用エンジンにおいて、高出力・高回転化、
排出ガス浄化対策、或いは、燃費向上対策等に対する改
善要求が一段と高まっている。

このため、自動車用エンジンにおけるエンジンバルブ、
バルブジートムこ対しては、従来にも増して厳しい使用
環境条件に耐えることが不可避となってきている。

即ち、エンジンバルブ、バルブシート等においては、そ
れ自身の耐摩耗性の改善とともに、摺動する相手材に対
する損傷性を少なくし、しかも、低コストとすることが
強く望まれている。

しかし、従来のバルブシート用焼結合金としては、鉄系
合金にフェロモリブデン等の金属間化合物や複合炭化物
を添加したものが、優れたバルブシート用焼結合金とし
て採用されているものの、このような焼結合金では上述
のような最近の厳しい要求特性に対し、十分な耐久性を
確保することができないという問題点があった。

とりわけ、従来のエンジンバルブは耐摩耗性を改善する
ために、ステライト合金等の盛金処理をしたものが多か
った。

しかし、最近におけるコスト低減の要求からエンジンバ
ルブに対する盛金処理を廃止する試みがなされているも
のの、バルブシートを従来の材質のままとしてエンジン
バルブの盛金処理を廃止すると、エンジンバルブの摩耗
を増大するという問題点があった。

このような背景のもとで、摺動する相手材であるエンジ
ンバルブに対する損傷性が少なく、自身の耐摩耗性をも
確保することのできるバルブシート材料の開発が強く望
まれているものの、従来のバルブシート材料では上述の
ような要求に対して充分に対応することができないとい
う問題点があったＯ そこで、発明者らは上述のような従来のバルブシートの
耐久性の現状に鑑みて、パーライト組織を主体とするＦ
ｅ−Ｃ系基地組織中に特定組成の微細な硬質粒子を均一
に分散させることによって、バルブシートとして自身の
耐摩耗性に優れ、しかも、摺動する相手材であるエンジ
ンバルブに対する損傷性の少ないバルブシート用鉄系焼
結合金を既に提案している（発明の名称；［バルブシー
ト用鉄系焼結合金」、出願人；トヨタ自動車■、出願日
；昭和５９年　４月１９日）。

また、別の発明として上記発明のパールブシート用鉄系
焼結合金に対して、ｐｂ金合金しくはＣｕ合金等の溶浸
合金による溶浸処理を併用することにより、さらに、優
れた耐摩耗性としたバルブシート用鉄系焼結合金も提案
している（発明の名称；「バルブシート用鉄系焼結合金
」、出願人；トヨタ自動車■、出願日；昭和５９年　タ
月ｚｇ日）。

さらに、別の発明として、オーステナイト組織とパーラ
イト組織の混合組織からなるＦｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉｉ系
基地組織中、特定組成の微細硬質粒子を均一に分散させ
るとともに、必要に応じてｐｂ金合金しくはＣｕ合金等
の溶浸合金による溶浸処理を併用することによって、さ
らに、優れた焼結合金」、出願人；トヨタ自動車■、出
願日；昭和５９年　６月　ｂ日）。

さらに、別の発明として、オーステナイト組織。

パーライト組織、フェライト組織の混合組織からなるＦ
ｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉ系基地組織中に、Ｍ。

−Ｆｅ合金相からなる微細硬質粒子を均一に分散させる
とともに、必要に応じてｐｂ金合金しくはＣｕ合金等の
溶浸合金による溶浸処理を併用することによって、さら
に、優れた耐摩耗性としたバルブシート用鉄系焼結合金
も本発明材と同時に出願している。

〔発明の目的〕

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するた
めになされたもので、オーステナイト組織、パーライト
組織、フェライト組織の混合組織からなるＦ　ｅ−Ｃ−
Ｃｏ−Ｎ　ｉ系基地組織中に、Ｍ　ｏ　−Ｆ　ｅ合金相
からなる微細硬質粒子及びＣ，ａＦ２もしくはＭ　ｎ　
Ｓからなる微細粒子を均一に分散させることによって、
バルブシートとして自身の耐摩耗性に優れ、しかも、摺
動する相手材であるエンジンバルブ、とりわけ、ステラ
イト合金盛金処理のないエンジンバルブに対する損傷性
を少なくすることができ、しかも、低コストにて製造す
ることのできるバルブシート用鉄系焼結合金を提供する
ことを目的としている。

〔発明の構成〕

このような目的は、本発明によれば、重量比率で、Ｃ；
０．２〜０．５％、　Ｍｏ　；　３．０〜１０．０％。

Ｃｏ；３．０〜１５．０％、Ｎｉ；３．０〜１５．０％
。

残部実質的にＦｅからなるバルブシート用鉄系焼結合金
であって、 オーステナイト組織、パーライト組織、フェライト組織
の混合組織からなるＦｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉ系基地組織中
に、平均粒径；３〜３０μ、硬さ；ＨＶ６００〜１３０
０のＭｏ−Ｆｅ合金相からなる微細硬質粒子及びＣａＦ
２もしくはＭ　ｎ　Ｓからなる微細粒子を均一に分散さ
せるとともに、前記Ｍｏ−Ｆｅ、合金相からなる微細硬
質粒子を基地組織中に拡散させて基地組織と強固に結合
された組織状態としたことを特徴とするバルブシート用
蛛系焼精合金によって達成される。

〔発明の作用〕

以下、本発明の作用について説明する。

なお、以下の説明において、合金元素の含有量は全て重
量比率（％）にて説明する。

本発明材において、Ｃは基地組織のＦｅに固溶して微細
なパーライト組織を形成するとともに、本発明材の硬さ
を上昇させ耐摩耗性を改善することから有効であるが、
０．２％未満ではその耐摩耗性の改善効果が充分でなく
、また、０．５％を越えると軟質のフェライト組織量が
減少して、摺動する相手材であるエンジンバルブに対す
る損傷性を増大するばかりでな（、サブゼロ処理により
寸法変化を惹起しやすいことから、０．２〜０．５％と
した。

また、Ｇｏ及びＮｉは、共に基地組織に固溶して耐摩耗
性を改善実るので有効であるが、３．０％未満ではその
耐摩耗性の改善効果が充分でなく、１５．０％を越える
とその添加量に見合った耐摩耗性改善効果の向上が期待
できないことから、３．０〜１５．０％とした。

本発明材におけるＭ　、ｏは、基地組織中に固溶拡散さ
せることなく、平均粒径；３〜３０μ、硬さ；　Ｈｖ　
６００〜１３００の、Ｍｏ中にＦｅが拡散されたＭ　ｏ
　−Ｆ　ｅ合金（Ｍｏ＋ε）相からなる微細硬質粒子と
して均一に分散させるために重要である。

そして、このＭ　ｏ　−Ｆ　ｅ合金（Ｍ　ｏ　＋　＆）
相は、高温においても殆ど硬さが低下することなく優れ
た耐摩耗性を有している。

上述の理由から、Ｍｏは本発明材において耐摩耗性を改
善するための重要な合金元素であるが、３．０％未満で
は上記Ｍ　Ｏ−Ｆ　ｅ合金（Ｍｏ＋３）相からなる微細
硬質粒子の形成が少ないことから耐摩耗性の改善効果が
充分でなく、１０．０％を越えると摺動する相手材（エ
ンジンバルブ）に対する損傷性が増大することから、３
．０〜１０．０％とした。　− また、本発明材において、ＣａＦ、及びＭｎＳは７基地
組織中に微細粒子として均一に分散させることにより、
エンジンバルブとバルブシートとの摺動を滑らかにして
、バルブシートとして自身の摩耗量を低減するとともに
、摺動する相手材であるエンジンバルブ、とりわけ、ス
テライト合金盛金処理のないエンジンバルブに対する損
傷性を低減するばかりでなく、焼結合金の被削性をも改
善することから有効であるが、０．２％未満ではその改
善効果が充分でなく、一方、３．０％を越えるとその添
加量に見合った上述の改善効果の向上が期　、特出来な
いばかりでなく、多量に添加しすぎると焼結合金の強度
を低下することから、０．２〜３．０％とした。

次に、本発明材において、基地組織中に分散させるＭ　
ｏ　−Ｆ　ｅ合金（Ｍｏ十ε）相からなる微細硬質粒子
において、平均粒径を３〜３０μ、硬さをＨｖ６００〜
１３００に限定した理由について説明する。

即ち、Ｍｏ＝Ｆｅ合金（Ｍ　ｏ　＋　、５）相からなる
微細硬質粒子の平均粒径が３μ未満、硬さがＨｖ６００
未満では耐摩耗性が充分でなく、また、平均粒径が３０
μ、硬さがＨＶ１３００を越えると、摺動する相手材（
エンジンバルブ）に対する損傷性を急速に増大させるこ
とから、平均粒径；３〜３０μ、硬さ；Ｈｖ６００〜１
３００とするのがよい。

また、フェライト組織量を体積比率で５〜２０％とした
のは、５％未満では軟質のフェライト組織による摺動す
る相手材に対する損傷性の緩和効果が充分でなく、２０
％を越えると焼結合金が軟化しすぎて耐摩耗性を低下さ
せることから、５〜２０％とした。

次に、本発明材の基地組織においては、微細パーライト
組織量が５％未満、もしくは、オーステナイト組織量が
２０％未満では、基地組織が軟化しすぎて耐摩耗性が低
下し、また、微細パーライト組織量が２０％、オーステ
ナイト組織量が５０％を越えると、基地組織が強化され
すぎて摺動する相手材（エンジンバルブ）に対する損傷
性を増大することから、本発明材における基地組織は、
体積比率で５〜２０％の微細パーライト組織、２０〜５
０％のオーステナイト組織、残部フェライト組織の混合
組織とした。

〔実施例〕

以下、添付表に基づいて、本発明の１実施例を説明する
。

この実施例に用いた試験片は、還元鉄粉をベースとして
第１表に示す組成となるように、各合金元素粉末を添加
し、さらに、黒鉛粉末、ステアリン酸亜鉛を添加して圧
粉成形用混合合金粉末とした。

たとえば、本発明材■においては、第１表の組成となる
ように、還元鉄粉をベースとし、黒鉛粉末を０．２８％
、Ｍｏ粉末を４％、Ｃｏ粉末を４％。

Ｎｉ粉末を８％、ＣａＦ２粉末；１．０％添加し、さら
に、ステアリン酸亜鉛を０．８％添加して圧粉成形用混
合合金粉末とした。

同様に、本発明材■、■、■においても、第１表に示す
組成となるように、還元鉄粉をベースとして、本発明材
■と同様に、Ｍｏ粉末、Ｃｏ粉末。

Ｎｉ粉末、ＣａＦ、粉末、ＭｎＳ粉末、黒鉛粉末。

ステアリン酸亜鉛を添加して圧粉成形用混合合金粉末と
した。

また、比較材■は、Ｃを０．２％未ｔａ（０，１５％）
としたものである。

また、比較材■は、Ｍｏを１０．０％を越える多量（１
５％）添加し、Ｎｉを１５．０％を越える多量（２０％
）添加し、さらに、ＣａＦ２を３．０％を越える多量（
５％）添加したものである。

また、比較材■は、Ｃｏを１５．０％を越える多量（１
８％）添加するとともに、Ｍ　ｎ　Ｓを３．０％を越え
る多量（４％）添加したものである。

このようにして生成された圧粉成形用混合粉末を７　ｔ
ｏｎ　／　ｃｍ　２で圧粉成形して、φ３Ｑ＋＋ｎＸφ
１８１１１、厚さ；７鶴のリング状圧粉成形体とした後
、アンモニヤ分解ガス中にて１１００℃×１時間の焼結
処理を実施して焼結合金を製造した。

このようにして製造した焼結合金の「基地組織Ｊ、影形
成れたｒ（Ｍｏ十ε）合金相の硬さくＨＶ）及び粒径（
μ）」、［硬さくＨＶ）Ｊ、ｒ密度（ｇ／ｃｍ’）Ｊを
第２表に示ｔ。

上述により焼結処理された焼結合金を、機械加工により
バルブシート形状に仕上げた。

そして、このようにして製造したバルブシートを、４気
筒、１６００ｃｃエンジンのアルミニウム合金製シリン
ダヘッドにインテークバルブシートとして圧入嵌合し、
エンジン台上耐久試験を実施した。

なお、エンジン台上耐久試験条件としては、ステライト
合金盛金処理のないエンジンバルブを使用し燃料を無鉛
ガソリンとして、６６００　ｒｐｍ　。

全負荷で連続２００時間運転する条件とした。

このエンジン台上耐久試験結果は、試験終了後における
「バルブシートの当り面幅増加量」と「エンジンバルブ
摩耗量」を測定することによって、バルブシートの耐久
性を評価した。

そのエンジン台上耐久試験結果を第２表に併せて示して
いる。

第２表から明らかなように、比較材■は、組成において
Ｃを０．２％未満（０，１７％）としているため、Ｍ　
ｏ　−Ｆ　ａ合金（Ｍｏ＋３）相、バーライト組織量が
５％未満（３％）、フェライト組織量が２０％を越える
多量（３０％）となり、さらにＣａＦ２及びＭｎＳを含
有していないことから基地組織が弱く、また、（Ｍｏ十
ε）相の硬さがＨＶ６００未満（Ｈｖ５００）、その平
均粒径が３μ未満（１μ）となることから、エンジン台
上耐久試験におけるバルブシートの摩耗量が著しく多く
なっている。

また、比較材■は、組成においてＭｏを１０．０％を越
える多量（１５％）、Ｎｉを１５．０％を越える多量（
２０％）　、　Ｃａ　Ｆ　２を３．０％を越える多量（
５％）としているため、Ｍ　ｏ　−Ｆ　ｅ合金（Ｍｏ＋
δ）相の硬さがＨｖ１３００を越える高硬度（Ｈｖ１５
００）、その平均粒径も３０μを越える粗粒（４０μ）
となることから、摺動する相手材（エンジンパルプ）に
対する損傷性が増大するばかりでなく、基地組織の強度
を低下させる結果、エンジン台上耐久試験におけるバル
ブシートの摩耗量も多くなっている。

また、比較材■は、組成においてＣＯを１５．０％を越
える多量（１８％）、ＭｎＳを３．０％を越える多量（
４％）としているため、エンジン台上耐久試験における
バルブシートの摩耗量が多くなり、さらに、オーステナ
イト組織量が５０％を越える多量（５４％）となること
から、摺動する相手材であるエンジンバルブの摩耗量も
多くなっている。

上記の比較材■、■、■に対して、本発明材■。

■、■、■は、第２表に示すエンジン台上耐久試験結果
から明らかなように、いずれも、「バルブシートの当り
面増加量」は０．４　ｕ以下、「エンジンバルブの摩耗
量」も５μ以下と優れた耐久性を示している。

第１表 第２表 舌 禰 量 〔発明の効果〕 以上により明らかなように、本発明にかかるバルブシー
ト用鉄系焼結合金によれば、オーステナイト組織、パー
ライト組織、フェライト組織の混合組織からなるＦｅ−
Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉ系基地組織中に、Ｍｏ−Ｆｅ合金相から
なる微細硬質粒子及びＣａＦ２もしくはＭｎＳからなる
微細粒子を均一に分散させることによって、バルブシー
トとして自身の耐摩耗性に優れ、しかも、摺動する相手
材であるエンジンパルプ、とりわけ、ステライト合金盛
会処理のないエンジンバルブに対する損傷性を少なくす
ることができ、しかも、低コストにて製造することがで
きる利点がある。

出題人　トヨダ臼湯旧践

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量比率で、Ｃ；　０．２〜０．５％、ＭＯ；３゜
   ０〜１０．０％、Ｃｏ；３．０〜１５．０％、Ｎ１Ｈ３
   ゜０〜１５．０％、ＣａＦｚ及び’ｐ／ｉ　ｎ　Ｓのう
   ち少なくとも１種類；０．２〜３．０％、残部実質的し
   こｌ’ｉ’ｅ力１らなるバルブシート用鉄系焼結合金で
   あって、オーステナイト組織、ノぐ−ライト組織、フェ
   ライト組織の混合組織からなるＦｅ−Ｃ−Ｃｏ−Ｎｉ系
   基地組織中に、平均粒径；３〜３０μ、硬さ；ＨＶ６０
   ０〜１３００のＭＯ−Ｆ　ｅ合金相力１らなる微細硬質
   粒子及び（：、　ａ　Ｆ　２もしく番よＭ　ｎ　Ｓ　７
   り’らなる微細粒子を均一に分散させるとともＧこ、前
   記Ｍ　Ｏ−Ｆ　ｅ合金相からなる微細硬質粒子を基地組
   織中に拡散させて基地組織と強固Ｇこ糸吉合された組織
   状態としたことを特徴とするバルブシート用鉄系焼結合
   金。 ２、基地組織が、体積比率で２０〜５０％のｃｏ、Ｎｉ
   含有量の多いオーステナイト組織、５〜２０％の微細パ
   ーライト組織、及び、５〜２０％のフェライト組織から
   なる特許請求の範囲第１項記載のバルブシート用鉄系焼
   結合金。