JPH0313546A

JPH0313546A - バルブシート用鉄系焼結合金

Info

Publication number: JPH0313546A
Application number: JP14717289A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Murase; 博之村瀬; Kimihiko Ando; 公彦安藤; Setsuto Daiza; 臺坐　攝人; Hitoshi Ishii; 仁士石井; Takeshi Nakakohara; 中小原　武
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1989-06-09
Filing date: 1989-06-09
Publication date: 1991-01-22
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: JP2684774B2

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］本発明は自動車内燃機関のバルブシート用鉄系焼結合金
に関する。

［従来の技術］自動車エンジンの動弁系の断面図は第１図に示す通りで
あって、インテークバルブ７のフェース部１６は、パル
プの上下運動によってバルブシート９と接触する。この
インテークバルブの作動温度は１００〜４００℃であり
、従来から作動温度での軟化抵抗が大で耐食性、疲労強
度と併せて高温強度の大きい５ＵＨ１，３，４，１１が
使用されている。

最近、自動車エンジンにおいて、高出力、高回転化、排
出ガス浄化対策、あるいは燃費向上対策に対する改善要
求が一段と高まっている。このため、自動車エンジンに
おけるエンジンバルブ、バルブシートに対しては、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。

かかる厳しい使用環境に対応するため、耐摩耗性に優れ
高温における硬さと高温腐食に対する抵抗の高いＣｏ基
またはＮｉ基の盛金合金を弁フエース部に溶着するハー
ドフェーシングが採用されてきた。しかし、このハード
フェーシングは高価な盛金を使用するため、高価であり
、そのためコトスダウンの要請からフェース部の盛金を
廃止したインテークバルブが使われることも多くなって
きた。

また、従来のバルブシート材料としては、Ｆｅ−Ｃ−Ｃ
ｏ−Ｎｉ基材料、Ｆｅ−Ｃ基材料に耐摩耗性の向上を狙
ってフェロモリブデン（Ｆｅ−Ｍｏ）、フェロクロム（
Ｆｅ−Ｃｒ）等の金属間化合物またはＦｅ−Ｃ−Ｃｒ−
Ｍｏ　−Ｖ合金等を添加したものが使用されている（特
開昭５６−１５４１１０号公報）。

［発明が解決しようとする課題］本来、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
する損傷性が少ないことが要求される。然るに、盛金を
廃止したインテークバルブ（ＳＵＨＩ、３．４．１１）
を使用し、Ｆｅ−Ｃ基材料にフェロモリブデンまたはフ
ェロクロムを添加したバルブシートと組み合わせた場合
、バルブフェースのみが摩耗するという問題が発生する
場合があった。

このための対策として、特開昭６０−２２４７６２号公
報では、Ｆｅ−０，５〜２．Ｏ％Ｃ−０，２５〜４．０
％Ｃｒ−０，１〜０．６％Ｍｏ−０．０５〜０．２％Ｖ
からなる組成であって、Ｆ　ｅ　−Ｃｒ系合金の硬質粒
子を２〜２０％の範囲で分散させたＦｅ系焼結合金が提
案されている。しかし、この材料では潤滑成分であるｐ
ｂの溶浸がなく、基地強化および耐熱性向上のためのＣ
ｏが添加されていない、そのため、インテークバルブに
おける厳しい摺動条件では耐熱性、潤滑性が不十分とな
り、パルプおよびバルブシートでの摩耗の発生を完全に
防止することができない。

また、特開昭６０−２５１２５８号公報では、Ｆｅ−０
，５〜２．０％Ｃ−０，２５〜４．０％Ｃｒ−０，１〜
０．６％Ｍｏ−０，０５〜０．２％Ｖ　　３〜１５Ｎｉ
またはＣｏからなる組成であって、ｐｂ金合金たはＳｎ
合金を溶浸するとともに、Ｆｅ−Ｃｒ系合金からなる硬
質粒子を５〜２０％の範囲で分散させたＦｅ系焼結合金
が提案されている。しかし、この材料ではＣｏ含有量が
多く、基地が強化され耐熱性に優れるものの、酸化しに
くくなる欠点がある。そのため、インテークバルブシー
トに使用した場合の低温雰囲気時（シート温度が１００
℃程度のとき）には、シート表面が酸化されず、凝着が
発生し、パルプおよびバルブシートの摩耗が発生するこ
とがある。

本発明は盛会を使用したい５ＵＨ１，３，４，１１製の
インテークバルブと、鉄系焼結合金製インテークバルブ
シートを組み合わせた場合における前記のごとき問題点
を解決すべくなされたものであって、盛金を廃止したし
たインテークバルブとの組み合わせにおいても、インテ
ークバルブおよびバルブシートの耐摩耗性を確保できる
バルブシート用焼結合金を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明のバルブシート用焼結合金は第１発明として、ａ
ｉ比率ｒｃ　；Ｏ、／１６〜２．０　％、Ｃｏ；１〜３
％未満、Ｃｒ；１．２〜３．、、Ｍｏ；０．０６〜０．
４０％、Ｖ；０．００３〜０．１００％を含有し、残部
実質的にＦｅからなり、Ｐｂ、Ｐｂ合金Ｃｕ合金または
Ｓｎ合金を５〜２５％含浸させたバルブシート用鉄系焼
結合金であって、前記含浸合金により含浸され重量比率でＣ；０゜５〜２
．０％、Ｃｏ；１．０〜３．０％未満を含有し残部実質
的にＦｅからなり、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基地組織中に、重
量比率でｃ　；０．８〜２．０％、Ｃｒ；４〜１８％、
Ｍｏ；０．２〜２％、■；０．１〜０．５％を含有し残
部がＦｅからなり、その内部に１０μ鋼以下の析出した
Ｃｒ、　Ｍｏ、■の炭化物を含み、粒径４０〜１５０μ
ｍ、硬さＨｖ３００〜８５０の硬質粒子を重量比で３〜
２０％の割合で分散したことを要旨とする。

また、第２発明は重量比率でＣ；ｏ　、４６〜２゜０％
、Ｃｏ；１〜３％未満、Ｃｒ；０．３〜５．０％を含有
し、残部実質的にＦｅからなり、Ｐｂ、Ｐｂ合金Ｃｕ合
金またはＳｎ合金を５〜２５％含浸させたバルブシート
用鉄系焼結合金であって、前記含浸合金により含浸され
重量比率でＣ：０゜５〜２．０％、Ｃｏ；１．０〜３．
０％未満を含有し残部実質的にＦｅからなり、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基地組織中に、重量比率でｃ　；０．８〜２．
０％、Ｃｒ；１０〜２５％を含有し残部がＦｅからなり
、その内部に１０μｍ以下の析出したＣｒ、Ｍｏ、■の
炭化物を含み、粒径４０〜１５０μ肩、硬さＨｖ３００
〜８５０の硬質粒子を重量比で３〜２０％の割合で分散
したことを要旨とする。

［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総て重量比率（％）に
て説明する。

まず、本発明のバルブシート鉄系焼結合金に使用する硬
質粒子を構成する各成分の範囲限定理由について説明す
る。

本発明材に分散させる硬質粒子におけるＣは、Ｆｅ、Ｃ
ｒ、ＭＯ１■と反応して炭化物を形成して耐摩耗性を改
善することから有効であるが、０゜８％未満では炭化物
量が少ないことから上述の耐摩耗性改善効果が十分でな
く、一方２．０％を越えると炭化物量が過多となること
から０．８〜２゜０％とした。

また、Ｃｒ、Ｍｏ、■はＣと反応し炭化物を形成するこ
とから耐摩耗性を改善に有効であるが、Ｃ「は４％未満
、ＭＯは０．２％未満、■は０．１％未満では、形成さ
れる炭化物量が少ないため上述の耐摩耗性改善効果が十
分でなく、一方Ｃｒは１８％、Ｍｏは２．０％、■は０
．５％を越えると、形成される炭化物量が過多となり、
とりわけ■は硬質のＶＣ炭化物を多く形成して摺動する
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、Ｃ「；４〜１８％、Ｍｏ；０．２〜２．０％、
■；０．１〜０．５％とした。

なお、第２発明においては、硬質粒子をＦｅ−Ｃｒ　−
Ｃ系としたので、Ｃｒ量を１０〜２５％とした。第２発
明では硬質粒子にＭＯおよび■を含有したいので、Ｃｒ
量が１０％未満では炭化物量が少なく、また２５％を越
えると、炭化物量が過多となり、相手材を摩耗させるた
めである。そのため、Ｃｒ量は１０〜２５％とした。

次に、本発明材における硬質粒子の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基地組織中への分
散量を重量比率で３〜２０％とした理由については、硬
質粒子の分散量が３％未満では、硬質粒子量が少ないた
め耐摩耗性改善効果が十分でないからであり、一方硬質
粒子の分散量が２０％を越えると、摺動する相手材（エ
ンジンバルブ）に対する損傷性を増大するからである。

よって硬質粒子の分散量は３〜２０％とした。

また、硬質粒子の硬さをＨｖ３００〜８５０としたのは
、Ｈｖ３００未満では硬質粒子としての耐摩耗性改善効
果が十分でないからであり、一方Ｈｖ８５０を越えると
硬質粒子が硬すぎて、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からである。

次に、本発明材におけるバルブシート用鉄系焼結合金の
基地組織を形成するために使用する基地組織用原料粉末
の成分の範囲限定理由について説明する。

ＣはＦｅと反応してオースイナイト組織とパーライト組
織の混合組織からなる基地組織中に固溶して焼結反応を
促進させるので有効な成分であるが、０．５％未満では
上述の効果が十分でなく、一方２．０％を越えて添加す
るとセメンタイト組織が多量に析出して焼結体を脆化す
ることから０５〜２．０％とした。

また、Ｃｏは基地組織中に固溶して基地組織を強化する
とともに耐酸化性および耐熱性を改善するので有効であ
るが、インテークバルブの場合バルブシート温度が約１
００〜４００℃と低いため、３％以上含有するとシート
表面の酸化が進まず、バルブフェースとの間に凝着が発
生することがあった。また、逆にＣｏ含有量が１％未満
では耐熱性が不足するので、Ｃｏ含有量は１．０〜３．
０％とした、　本発明において、Ｐｂ、Ｐｂ合金Ｃｕ合
金またはＳｎ合金等の溶浸合金は、焼結処理時において
焼結体に溶浸されて、その潤滑作用により耐摩耗性を向
上するとともに、封孔作用によって被削性をも改善する
ことができることから有効であるが、５％未満ではその
改善効果が十分でなく、２５％を越えると強度低下が著
しいことがらその溶浸型を５〜２５％とした。

なお、溶浸合金としてＣｕ合金を使用する場合において
は、Ｐｂ；２０〜４０％、残部Ｃｕからなる、いわゆる
ゲルメット合金とすることが望ましい。

次に、硬質粒子内に析出させる微細な炭化物の粒径を１
０μ以下としているのは、炭化物粒径が１０μ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
増大するがらである。

［実施例］本発明の実施例を比較例とともに説明し、本発明の効果
を明らかにする。

第１表および第２表供試材料として使用した本発明材料
および比較材料の基地成分の組成、含浸金属、硬質分子
の組成および添加量、焼結体の硬さおよび密度、相手材
（インテークバルブ）の材質をそれぞれ示したものであ
る。

（以下余白）２５６オースイナイト組織とパーライト組織の混合組織からな
る基地組織中に分散させる硬質粒子原料粉末を第１表の
組成に調製して溶融した後、水噴霧法により、−１００
メツシユの合金粉末を製造した。

次いで、第１表に示す各成分の基地組成用鉄粉にこの硬
質粒子原料粉末を第１表に示す配合割合で添加し、さら
に黒鉛粉末、ステアリン酸亜鉛を添加して圧粉体成形用
混合合金粉末とした。

このようにして調製した圧粉体成形用混合粉末を６　ｔ
ｏｎ／　ａｍ”で圧粉成形して、φ４０ｍｍＸ８ｍｍの
圧粉成形体とした後、アンモニア分解ガス中にて１１０
０℃×１時間の焼結処理後、第２表に示す割合でｐｂ金
合金用い溶浸処理を施した。溶浸処理をした焼結体は、
機械加工仕上げによりバルブシート形状に加工した。バ
ルブシート材料の全体成分、硬さおよび密度を第２表に
示す。

このようにして製造したバルブシートを、４気筒、１６
００ｃｃ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てし圧入嵌合し、５ＵＨ３
からなるインテークバルブと組み合わせたエンジン台上
耐久試験を実施した。

なお、エンジン台上耐久試験の条件としては、燃料とし
て無鉛ガソリンを用い、バルブシートの温度が比較的低
く酸化の進行しにくい５６００ｒｐ−とアイドル回転（
約８００　ｒｐｍ）を繰り返すものであって、約６００
時間運転した。

耐久試験の評価は、試験前後におけるバルブシートの摩
耗量、バルブシートの当たり幅増加量、摺動面の状況で
行った。得られた結果は第３表に示す。

第表（以下余白）第３表から明らかなように、硬質粒子にフェロモリブデ
ンを使用した比較材１では、バルブシートの窄粍が殆ど
なく、バルブが過大摩耗することがわかる。また、比較
材２はＣｏ含有量を０％としたものであるが、バルブシ
ート、バルブフェースともに摩耗量が本発明例の２〜４
倍程度であり、ｐｂの溶浸が無いので、凝着による面あ
れが認められた。比較材３はＣｏ含有量を４％としたも
のであるが、バルブシート材の凝着が認められ、バルブ
に５０μ程度の摩耗が認められた。

これに対して第１発明に相当する発明材１および第２発
明に相当する発明材２は、バルブシート化たりの幅増加
量が０．１〜０．２１であって、比較材１〜３と比較す
ると１／２〜１／４程度と少なく、またバルブフェース
摩耗量も１２〜１５μであって、比較材１〜３と比較す
ると、１／３〜１／１２であって耐摩耗性に優れ、本発
明材が優れた耐久性を示すことが確認された。

［発明の効果］本発明のバルブシート用鉄系焼結合金は、以上詳述した
ように、オースイ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系基地組織中に、Ｆ　ｅ　−
Ｃｒ系合金からなる微細な硬質粒子を分散させ、Ｐｂ合
金またはＣｕ合金等の溶浸合金を溶浸処理したものであ
って、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｏ系基地組織中のＣｏ含有量を低減
することにより低温度域での凝着が防止され、バルブシ
ートとしての自身の耐摩耗性に優れ、しかも相手材に対
する損傷性をすくなくすることができるので、盛金を廃
止したしたインテークバルブとの組み合わせにおいても
、インテークバルブおよびバルブシートの耐摩耗性およ
び耐久性を確保できる。これにより盛金を廃止したイン
テークバルブが使用できるため、省資源とエンジンのコ
ストダウンが可能となり、さらに従来多用されているフ
ェロモリブデン添加のシートバルブ材料に比較して、硬
質粒子の硬さが低いので、加工性が改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は自動車エンジンの動弁系の断面図を示す。７・・−バルブ、９・・・バルブシート、１６・・・フ
ェース部第１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量比率でＣ；０．４６〜２．０％、Ｃｏ；１〜
３％未満、Ｃｒ；１．２〜３．６、Ｍｏ；０．０６〜０
．４０％、Ｖ；０．００３〜０．１００％を含有し、残
部実質的にＦｅからなり、Ｐｂ、Ｐｂ合金、Ｃｕ合金ま
たはＳｎ合金を５〜２５％含浸させたバルブシート用鉄
系焼結合金であって、前記含浸合金により含浸され重量比率でＣ；０．５〜２．０％、Ｃｏ；１．０〜３．０％未満を含有し残
部実質的にＦｅからなり、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基地組織中
に、重量比率でＣ；０．８〜２．０％、Ｃｒ；４〜１８
％、Ｍｏ；０．２〜２％、Ｖ；０．１〜０．５％を含有
し残部がＦｅからなり、その内部に１０μｍ以下の析出
したＣｒ、Ｍｏ、Ｖの炭化物を含み、粒径４０〜１５０
μｍ、硬さＨｖ３００〜８５０の硬質粒子を重量比で３
〜２０％の割合で分散したことを特徴とするバルブシー
ト用鉄系焼結合金。
（２）重量比率でＣ；０．４６〜２．０％、Ｃｏ；１〜
３％未満、Ｃｒ；０．３〜５．０％を含有し、残部実質
的にＦｅからなり、Ｐｂ、Ｐｂ合金、Ｃｕ合金またはＳ
ｎ合金を５〜２５％含浸させたバルブシート用鉄系焼結
合金であって、前記含浸合金により含浸され重量比率でＣ；０．５〜２．０％、Ｃｏ；１．０〜３．０％未満を含有し残
部実質的にＦｅからなり、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基地組織中
に、重量比率でＣ；０．８〜２．０％、Ｃｒ；１０〜２
５％を含有し残部がＦｅからなり、その内部に１０μｍ
以下の析出したＣｒ、Ｍｏ、Ｖの炭化物を含み、、粒径
４０〜１５０μｍ、硬さＨｖ３００〜８５０の硬質粒子
を重量比で３〜２０％の割合で分散したことを特徴とす
るバルブシート用鉄系焼結合金。