JPS649367B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、二層焼結合金製弁座の製造方法に関
するものである。更に詳しく述べるならば、本発
明は耐脱落性にすぐれ、内燃機関用に有用な、二
層焼結合金製弁座の製造方法に関するものであ
る。 内燃機関用弁座は、近年内燃機関に対する排出
ガス規制の高度化および高出力の要望が高まるに
つれて、ますます苛酷な条件下に耐えることが要
求されるようになつている。このため、従来の弁
座はCo、Mo、および／又は、Ｗなどの高価な合
金元素を多量に使用して製造されていた。しかし
ながら、一方では、省資源の要求が高まり、上記
の高価な合金元素の使用を節約することが要望さ
れている。 上記の諸要望に対応するために、最近、弁座の
摺接面を形成する層を、高合金焼結合金材料をも
つて形成し、その他の基層を、低合金焼結合金材
料をもつて形成して、いわゆる二層焼結合金製弁
座が提案されている。 上述のような、従来の二層焼結合金製弁座にお
いて、基層の役割は、弁と摺接する面を形成する
摺接層をバツクアツプするものであり、併せて、
高価な合金元素の使用量を低減することにある。
ところが、従来の二層焼結合金製弁座は、クリー
プ変形が大きく、耐脱落性が低いという欠点があ
つた。 内燃機関用弁座は、耐磨耗性および耐熱性にす
ぐれていることが要求されるが、それに加えて、
クリープ変形が小さく、シリンダヘツドからの脱
落が少ないことも強く要求されている。一般に弁
座は、0.07〜0.15mmの締代でシリンダヘツドに圧
入、又は、焼ばめされ、高負荷および高温のもと
で使用される。シリンダヘツドが鋳鉄製であり、
弁座が鉄系焼結合金製の場合、シリンダヘツドの
熱膨張係数が、弁座のそれにくらべてやや小さい
か、或はほぼ同一である。このため、内燃機関作
動時の熱負荷により、弁座にクリープ変形（いわ
ゆるヘタリ）を生じ、内燃機関が停止してシリン
ダヘツドが冷却したとき、しばしば弁座がシリン
ダヘツドから脱落することがある。 上記のような脱落を防止するためには、二層弁
座の摺接層は勿論、その基層も、クリープ変形が
小さく耐脱落性が高いことが必要である。すなわ
ち、二層弁座の基層は、単に摺接層をバツクアツ
プするに足る高強度を有していることだけでは不
十分であつて、耐クリープ性と耐脱落性とを有し
ていなければならない。 また、従来の鉄系焼結合金弁座においては、通
常、焼結された合金粒子間に空孔が内在してい
る。このような弁座が、高温で使用されると、弁
座内の空孔の周囲の部分が、酸化され、このた
め、合金粒子間の金属結合の割合が低下し、弁座
の実作用圧縮応力が高くなる。この現象は、弁座
のクリープ変形を大きくし、従つて、弁座がシリ
ンダヘツドから脱落する原因となる。上記のよう
な問題点を解消するためには、弁座内の空孔を封
孔することが必要である。 本発明の目的は、高耐熱性および高耐摩耗性に
加えて、クリープ変形が小さく、シリンダヘツド
からの耐脱落性の高い、二層焼結合金製弁座を製
造する方法を提供することにある。 本発明の他の目的は、耐高温圧縮性の高い基層
を有する二層焼結合金製弁座を製造する方法を提
供することにある。 本発明の更に他の目的は、封孔処理によつて、
耐酸化性の高い二層焼結合金製弁座を製造する方
法を提供することである。 上記の目的を達成する本発明の二層焼結合金製
弁座の製造方法は、弁に摺接する面を形成してい
る摺接層と、それを支持している基層とからな
り、前記摺接層と基層とを、(1)５〜35％（重量）
の、下記組成： Ｃ １〜４％（重量） Cr 10〜30％（重量） Ni ２〜15％（重量） Mo 10〜30％（重量） Co 20〜40％（重量） Nb １〜５％（重量） Fe 残 部 （重量） を有する特殊合金粉末と、0.5〜1.5％（重量）の
黒鉛粉末と、残部の鉄粉末とからなる摺接層用混
合粉末と、(2)0.5〜５％（重量）のNiと、0.5〜５
％（重量）のCrと、および0.5〜５％（重量）の
Moとからなる群から選ばれた少くとも１員（但
し、２員以上の混合物の場合、それらの合計重量
は10％以下である。）と、0.5〜1.5％（重量）の
黒鉛粉末と、残部の鉄粉末とからなる基層用混合
粉末とを、所望形状に積層し、前記積層された両
混合粉末を同時に加圧成形し、焼結して１体の焼
結体に形成し、前記焼結体に、弁座総重量の５〜
25％のCu又はCu合金を溶浸し、そして、前記溶
浸焼結体に、400℃からA₁変態点までの温度の焼
なまし熱処理を施す、ことによつて形成すること
を特徴とするものである。 本発明の方法において弁座の摺接層は、５〜35
重量％の特殊合金粉末と、0.5〜1.5重量％の黒鉛
粉末と残部の鉄粉末とからなる摺接層用混合粉末
を用いて作られる。前記特殊粉末は下記組成： Ｃ １〜４重量％ Cr 10〜30 〃 Ni ２〜15 〃 Mo 10〜30 〃 Co 20〜40 〃 Nb １〜５ 〃 Fe 残 部 〃 を有するものである。上記組成中、Ｃは、Cr，
MoおよびNbと結合して耐摩耗性の高い複合炭化
物を形成する。Ｃの含有率は１〜４重量％であ
る。この含有率が１重量％未満のときは、得られ
る耐摩耗性複合炭化物の量が不十分となり、４重
量％をこえると得られる複合炭化物の析出粒子が
粗大化する。 CrおよびMoは、Nbとともに上記復合炭化物
を形成して、摺接層の耐摩耗性の向上に寄与す
る。また、CrおよびMoは、焼結の際に、焼結合
金の基地に拡散固溶して、摺接層の耐熱性向上に
寄与する。CrおよびMoの含有率は、それぞれ10
〜30重量％である。CrおよびMoの含有率が、そ
れぞれ10重量％未満のときは、上記耐摩耗性およ
び耐熱性向上に対する寄与が不十分であり、ま
た、30％をこえると、合金作成の際のインゴツト
の鋳造性が悪化し、かつ、得られる合金が高価と
なり経済的に不利になる。 Nbは、それ自身で炭化物Nbc，或は、Nb（C.
N）を形成するとともに、CrおよびMoと複合炭
化物を形成する。このとき、Nbは、炭化物粒子
の微細化にすぐれた効果を発揮する。Nbの含有
率は１〜５重量％である。Nbの含有率が１％未
満のときは、上記の効果が不十分であり、また５
％を越えると、得られるNb炭化物の粒子が粗大
化するので好ましくない。 NiおよびCoは、それぞれ、焼結の際に、焼結
合金の基地に拡散固溶し、摺接層の耐熱性向上に
寄与する。NiおよびCoの含有率は、それぞれ２
〜15重量％、および20〜40重量％である。Niお
よびCoの含有率が、それぞれの下限値に満ない
ときは、上記耐熱性向上効果が不十分であり、ま
た、上記上限値を越えても、上記効果は、格別増
進せず、却つて経済的に不利となる。 上記特殊合金は、焼結の際に、焼結体の基地に
分散して、それ自体で摺接層の耐摩耗性の向上に
寄与するとともに、この特殊合金粒子中のNi，
Co，およびCrなどの成分元素の一部が、この特
殊合金粒子のまわりのFe相中に拡散固溶して、
その結果摺接層の焼結体基地の耐熱性を向上させ
る。摺接層用混合粉末中の特殊合金粉末の含有率
は、５〜35重量％である。その含有率が５重量％
未満のときは、得られる摺接層の耐摩耗性および
耐熱性が不満足なものとなり、また35重量％を越
えると、混合粉末の成形性を低下させる。 摺接層用混合粉末中の黒鉛粉末の含有率は、
0.5〜1.5重量％である。この含有率が0.5重量％未
満では、得られる摺接層中のフエライトの析出量
が過大となり、摺接層の耐摩耗性が不十分とな
る。また、1.5重量％を越えると、セメンタイト
が、網目状に析出するようになり、得られる摺接
層が脆弱となる。 本発明の方法において、弁座の基層（摺接層を
バツクアツプするバツクアツプ層）は、それぞれ
0.5〜５重量％のNi，Cr，およびMoからなる群
から選ばれた少くとも１員（２員以上の場合、そ
の合計重量は10％以下）を粉末と、0.5〜1.5重量
％の黒鉛粉末と、残部の鉄とからなる混合粉末を
用いて形成される。 基層用混合粉末中のNi，Cr，およびMoは、そ
れぞれ、焼結体基地の高温における強度を向上さ
せ、後に述べる封孔の効果と相まつて、基層の耐
クリープ性を向上させ、それによつて、得られる
弁座の耐脱落性を向上させる。Ni，CrおよびMo
の含有率は、それぞれ、0.5〜５重量％である。
これらの含有率が、それぞれ0.5重量％未満にな
ると、上記効果が不十分となり、また５重量％を
こえると、上記効果が飽和し、却つて、経済的に
不利となる。Ni，CrおよびMoの２種以上が用い
られるときは、それらの合計重量は10％以下であ
る。10％をこえて用いても、その効果が飽和して
しまうため、却つて経済的に不利になる。 基層用混合粉末中の黒鉛粉末は、摺接層用混合
粉末中の黒鉛粉末と同様の効果を発揮するもの
で、その含有率も、0.5〜1.5重量％である。 摺接層用混合粉末と、基層用混合粉末とは、所
望形状・寸法の金型中で二層に積層され、この積
層された両混合粉末は同時加圧形成され、そして
焼結されて、１体の焼結体に形成される。このと
き摺接層用混合粉末と、基層用混合粉末との重量
比および、摺接層と基層との体積比には、格別の
限定はなく、弁座の用途に応じて任意に定めるこ
とができる。 上記加圧成形工程において、加圧は５〜７ト
ン／cm²の範囲で行われることが好ましく、また焼
結工程における焼結温度は、1080〜1150℃の範囲
で行われることが好ましい。 上述のようにして得られた、前記二層焼結合金
製弁座に対し、その内部空孔を封孔するために、
Cu又はCu合金により溶浸する。この溶浸処理に
用いられるCu合金としては、例えばCu−Fe−
Mn系合金、Cu−Fe−Mu−Zn系合金又は、cu−
Co−Zn系合金などがある。溶浸処理は、1080〜
1150℃の範囲で行われるのが好ましく、溶浸され
る金属の量は、弁座総重量に対し、５〜25％の範
囲である。溶浸量が５％未満では、外部と連通し
た空孔が多数残存し、酸化防止の効果が不十分で
ある。また、溶浸量が25％を越えると、得られる
弁座の密度が過大となり、かつ得られる弁座中の
Cu又はCu合金の含有率が過大となるため、弁座
の高温における強度が低下し、クリープ変形が大
きくなり、耐脱落性が低下する。 焼結操作と溶浸操作とは、一工程で同時に行わ
れてもよい。上記溶浸処理により、得られる弁座
の内部酸化が防止され、従つて、弁座の高温にお
ける強度低下が防止される。また、Cu又はCu合
金の溶浸は、弁座の熱伝導率を高め、それにより
弁座の熱負荷を低減することができる。 一般に、上記焼結および溶浸処理の弁座、特に
摺接層中の基地は、残留オーステナイト構造にあ
るため、このまま高温にさらされると、その構造
に変態を生ずる。オーステナイトは、熱膨張係数
が大きく、また、その変態により寸法変化を生ず
るので、弁座の耐脱落性が低下する。 そこで、溶浸処理後、弁座に400℃からA₁変態
点までの温度の焼なまし熱処理を施し、残留オー
ステナイトを分解して安定化する。熱処理温度が
400℃未満では、オーステナイトの分解が進行し
ないので、好ましくなく、また、A₁変態点をこ
える熱処理温度では、空冷すると、再び残留オー
ステナイトに戻るので好ましくない。 以下、本発明方法を実施例によつて更に詳しく
説明する。 実施例中、弁座の耐脱落性は、下記のようにし
てテストした。 第１図は、耐脱落性テストに用いられた治具で
あつて、鋳鉄製円筒形治具２は、外径85mm、内径
30mm、高さ30mmを有し、その内壁上部に供試弁座
１を挿入するための段状部を有していた。供試弁
座１は、摺接層１ａと基層１ｂとからなり、その
外径は34mm、内径は25mm、高さは８mmであつた。 第１図に示されているように、治具２に供試弁
座を挿入する際、治具２の段状部内径と、供試弁
座１の外径との差（締代）は、0.12mmとした。供
試弁座１を治具２の段状部に常温で圧入し、これ
を500℃で約15時間加熱し、次にこれを室温迄空
冷した。次に、弁座１を治具２から抜き出すとき
の荷重を側定した。 また、耐摩耗性テストは、下記のようにして行
われた。供試弁座を、鋳鉄製シリンダヘツドを有
する水冷式４気筒（2200c.c.）デイーゼルエンジン
の吸気および排気弁座として組付け、これに
4200rpm、全負荷の条件で300時間の耐久テスト
を行い、吸気弁座および排気弁座について、その
摩耗量をそれぞれ４気筒分の平均値で示した。 実施例１〜７および比較例１〜11 実施例１〜７および比較例１〜９の各々におい
て、第１表に示された組成を有する摺接層用混合
粉末および基層用混合粉末を使用した。摺接層用
混合粉末中に含まれた特殊合金粉は下記のように
して製造されたものであつた。 下記組成： Ｃ ２％ Cr 20％ Ni ８％ Mo 20％ Co 34％ Nb ２％ Fe 残部 の特殊合金粉末を製造するために、金属混合物を
高周波誘導炉で溶解し板状体に鋳造し、この板状
体をスタンプミルで粉砕し、ふるい分けして−
150メツシユサイズの粉末とした。 摺接層用混合粉末と、基層用混合粉末との使用
量は製品中の摺接層と基層との厚さの比が４：６
になるようにした。上記両混合粉末を金型内で積
層し、両混合粉末を同時に加圧成形して、その圧
粉体密度が6.7ｇ／cm³となるようにした。この成
形物を1130℃で40分間、分解アンモニアガス中で
加熱焼結して、１体の焼結体を得た。 この焼結工程と同時に、下記組成： Fe 3.8％ Mn 2.2％ Zn 2.2％ Cu 残部 のCu合金の溶浸処理を行つた。溶浸量は第１表
に示されている通りであつた。 前記焼結・溶浸された弁座体に、600℃で１時
間の焼なまし加熱処理を施し、空冷した。 前記弁座に所要の機械仕上を施し、耐脱落性テ
ストに供した。 別に、比較例10および11において、現在、デイ
ーゼルエンジン用に使用されている、耐熱鋼
（SUH4）および特殊鋳鋼（1.8C−14Cr−4Mo−
0.3V−残部Fe）により作成された弁座について、
耐脱落性テストを行つた。 結果を第１表に示す。

【表】 第１表から明らかなように、溶浸処理を施さな
い場合（比較例１，２）、基層が、Fe−Ｃ系の場
合（比較例３，４）、および基層中のCr，Mo，
Niの各含有率が0.5％未満の場合（比較例５，
６）、溶浸量が５％未満の場合（比較例７）およ
び溶浸量が、25％をこえる場合（比較例８）、い
づれも得られる弁座の耐脱落性は、不十分なもの
であつた。また基層中のCr，Mo，Niの合計含有
率を10％より大きくしても（比較例９，Cr＋Ni
＝11.8％）、実施例５（Cr＋Ni＝5.2％）にくらべ
て、耐脱落性向上の程度は極めて軽微であり、経
済的に、著るしく不利である。実施例１〜７の弁
座は、すべて、比較例10，11の弁座とほぼ同等の
耐脱落性を示し、満足すべきものであつた。 実施例８〜11および比較例12〜17 実施例８〜11および比較例12〜17の各々におい
て、第２表記載の組成の摺接層用混合粉末、およ
び、基層用混合粉末を用い、実施例１と同様の方
法で焼結体を製造し、このとき、同時に第２表記
載の溶浸量で溶浸処理を行つた。用いられた特殊
合金および溶浸用Cu合金の組成は、実施例１記
載のものと同一であつた。 焼結・溶浸された弁座体に対し、第２表記載の
温度で、１時間の焼なまし熱処理を施した。 これらの弁座の耐脱落性テストの結果を第２表
に示す。

【表】 第２表から明らかなように、焼なまし熱処理を
施さない場合（比較例12，15）焼なまし熱処理温
度が400℃未満の場合（比較例13，16）、焼なまし
熱処理温度がA₁変態点をこえる場合（比較例14，
17）は、いづれも耐脱落性が不良であつた。本発
明による実施例８〜11の弁座はいづれも良好な耐
脱落性を示した。 実施例12〜15および比較例18〜19 実施例12〜15の各々において、実施例１と同様
の方法で、弁座を製造し、この弁座を、耐摩耗性
テストに供した。各実施例に用いられた摺接層用
および基層用混合粉末の組成および、溶浸合金の
組成と溶浸量は第３表に示されている通りであつ
た。 比較例18および19において、比較例10および11
と同一弁座に対しても耐摩耗性テストを施した。 これらのテスト結果を第３表に示す。

【表】 第３表から明らかなように、本発明に係る実施
例12〜15の弁座はいづれも従来の弁座よりも良好
な耐摩耗性を示した。 以上詳述したように本発明方法により製造され
た弁座は、耐脱落性、耐摩耗性、耐熱性に優れて
おり、特に鋳鉄製シリンダヘツド用弁座として優
れた性能を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、弁座の耐脱落性テスト用治具の断面
説明図である。 １……供試弁座、１ａ……摺接層、１ｂ……基
層、２……テスト用治具。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 弁に摺接する面を形成している摺接層と、そ
   れを支持している基層とからなる弁座を製造する
   に際し、 前記摺接層と基層とを、(1)５〜35％（重量）
   の、下記組成： Ｃ １〜４％（重量） Cr 10〜30％（重量） Ni ２〜15％（重量） Mo 10〜30％（重量） Co 20〜40％（重量） Nb １〜５％（重量） Fe 残 部 （重量） を有する特殊合金粉末と、0.5〜1.5％（重量）の
   黒鉛粉末と、残部の鉄粉末とからなる摺接層用混
   合粉末と、(2)0.5〜５％（重量）のNiと、0.5〜５
   ％（重量）のCrと、および0.5〜５％のMoとから
   なる群から選ばれた少なくとも１員（但し、２員
   以上の混合物の場合、それらの合計重量は10％以
   下である。）と、0.5〜1.5％（重量）の黒鉛粉末
   と、残部の鉄粉末とからなる基層用混合粉末と
   を、所望形状に積層し、前記積層された両混合粉
   末を同時に加圧成形し、焼結して１体の焼結体に
   形成し、 前記焼結体に、弁座総重量の５〜25％のCu又
   はCu合金を溶浸し、そして、 前記溶浸焼結体に、400℃からA₁変態までの温
   度の焼なまし熱処理を施す、 ことによつて形成することを特徴とする、二層焼
   結合金製弁座の製造方法。