JPH06146823A

JPH06146823A - エンジン用バルブシート

Info

Publication number: JPH06146823A
Application number: JP30127492A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Sato; 克明佐藤; Katsuhiko Tominaga; 克彦富永; Tsutomu Saka; 勉坂; Osamu Kawamura; 治川村; Teruo Takahashi; 輝夫高橋; Arata Kakiuchi; 新垣内
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1992-11-11
Filing date: 1992-11-11
Publication date: 1994-05-27

Abstract

(57)【要約】【目的】高強度で、且つ優れた耐摩耗性を有するエン
ジン用バルブシートを提供する。【構成】エンジン１のＡｌ合金製シリンダヘッド２に
圧入されるＦｅ系バルブシート５であって、マトリック
スの金属組織がオーステナイト相およびマルテンサイト
相を有する混相組織であり、エキゾーストバルブ６が着
座する着座部１４では、マルテンサイト相の存在量がオ
ーステナイト相の存在量よりも多く、一方、シリンダヘ
ッド２に圧入される圧入部１５では、オーステナイト相
の存在量がマルテンサイト相の存在量よりも多くなって
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はエンジン用バルブシー
ト、特に、Ａｌ合金製シリンダヘッドに圧入されるＦｅ
系バルブシートに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種バルブシートとして、その
マトリックスの金属組織をパーライト相より構成したも
のが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のバ
ルブシートは、その引張強さ、圧縮強さ、圧環強さ等の
強度が比較的低く、またエンジンバルブに因る叩かれ摩
耗量も比較的多い上、エンジンバルブの摩耗量を増す、
といった問題がある。また、バルブシートはＡｌ合金製
シリンダヘッドに圧入して用いられるため、Ａｌ合金と
Ｆｅの熱膨脹差に起因して圧入代を大きくしなければな
らず、バルブシートの薄肉化に限界があった。

【０００４】本発明は前記に鑑み、高強度であると共に
優れた耐摩耗性を有し、その上相手部材であるエンジン
バルブの摩耗を抑制することができ、さらに薄肉化を達
成し得るようにした前記バルブシートを提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、エンジンのＡ
ｌ合金製シリンダヘッドに圧入されるＦｅ系バルブシー
トにおいて、マトリックスの金属組織がオーステナイト
相およびマルテンサイト相を有する混相組織であり、エ
ンジンバルブが着座する着座部では、マルテンサイト相
の存在量がオーステナイト相の存在量よりも多く、一
方、前記シリンダヘッドに圧入される圧入部では、オー
ステナイト相の存在量がマルテンサイト相の存在量より
も多くなっていることを特徴とする。

【０００６】

【作用】マトリックスの金属組織を前記のような混相組
織にすると、マルテンサイト相に因る脆化を、伸びを有
するオーステナイト相により補って、バルブシートの強
度を向上させることができる。また圧入部はオーステナ
イト相の存在量が多く、その熱膨脹係数がシリンダヘッ
ド構成材料であるＡｌ合金のそれに近似するので、その
圧入代を減らしてバルブシートの薄肉化を図ることが可
能であり、これによりバルブシートの内径を拡張して吸
排気効率を向上させることができる。一方、着座部はマ
ルテンサイト相の存在量が多いので、エンジンバルブに
因る叩かれ摩耗量が少なく、その上相手部材であるエン
ジンバルブの摩耗を抑制することが可能である。

【０００７】

【実施例】図１において、エンジン１のシリンダヘッド
２はＡｌ合金より構成され、そのエキゾーストポート３
の入口側に形成された凹部４にＦｅ系バルブシート５が
圧入される。エンジンバルブとしてのエキゾーストバル
ブ６のバルブヘッド７は燃焼室側に在ってバルブシート
５と対向し、またバルブステム８はシリンダヘッド２の
バルブガイド９に摺動自在に嵌合される。バルブステム
９に装着された一対のリテーナ１０，１１間にバルブス
プリング１２が縮設され、そのバルブステム９の端面に
はロッカアーム１３が当接する。

【０００８】図２に示すように、バルブシート５におけ
るマトリックスの金属組織はオーステナイト相およびマ
ルテンサイト相を有する混相組織であって、エキゾース
トバルブ６のバルブヘッド７が着座する着座部１４で
は、マルテンサイト相の存在量がオーステナイト相の存
在量よりも多く、一方、シリンダヘッド２の凹部４に圧
入される圧入部１５では、オーステナイト相の存在量が
マルテンサイト相の存在量よりも多くなっている。

【０００９】マトリックスの金属組織を前記のような混
相組織にすると、マルテンサイト相に因る脆化を、伸び
を有するオーステナイト相により補って、バルブシート
５の強度を向上させることができる。また圧入部１５は
オーステナイト相の存在量が多く、その熱膨脹係数がシ
リンダヘッド構成材料であるＡｌ合金のそれに近似する
ので、その圧入代を減らしてバルブシート５の薄肉化を
図ることが可能であり、これによりバルブシート５の内
径を拡張して排気効率を向上させることができる。一
方、着座部１４はマルテンサイト相の存在量が多いの
で、エキゾーストバルブ６に因る叩かれ摩耗量が少な
く、その上エキゾーストバルブ６の摩耗を抑制すること
が可能である。

【００１０】バルブシート５の製造に当っては、粉末冶
金法により、金属組織に少なくともオーステナイト相を
有するマトリックスを備えたＦｅ系焼結素材を製造する
工程と、そのＦｅ系焼結素材に時効、加工等による２次
硬化処理を施す工程とが用いられる。

【００１１】Ｆｅ系焼結素材におけるマトリックスの金
属組織は、例えば、オーステナイト相のみからなる単相
組織か、オーステナイト相およびマルテンサイト相から
なる混相組織か、オーステナイト相およびパーライト相
からなる混相組織か、またはオーステナイト相、マルテ
ンサイト相およびパーライト相からなる混相組織であ
る。これらマトリックス中には微細なＭＣ型またはＭ₆
Ｃ型炭化物（ただし、Ｍは金属炭化物形成元素）が分散
している。

【００１２】二次硬化処理は、その処理を単独で行って
もよいが、簡便な方法としては、Ｆｅ系焼結素材を図
１，図２に示すようにエンジン１に組込んで、それを運
転することによって行われる。即ち、エンジン１の運転
に伴いＦｅ系焼結素材が燃焼熱により加熱され、同時に
エキゾーストバルブ６のバルブヘッド７がＦｅ系焼結素
材の着座部１４に着座し、次いで離間し、これが繰返さ
れると、Ｆｅ系焼結素材には、着座部１４で最も温度が
高く、一方、圧入部１５で最も温度が低くなるような温
度分布が現出すると同時に着座部１４ではエキゾースト
バルブ６による叩かれ加工が発生するので、着座部１４
においては圧入部１５に比べて相変化が急速に進行し、
その結果、着座部１４ではマルテンサイト相の存在量が
オーステナイト相の存在量（残存量）よりも多くなり、
一方、圧入部１５ではマルテンサイト相の存在量よりも
オーステナイト相の存在量（残存量）が多くなり、これ
によりバルブシート５が得られる。このような二次硬化
処理においては、前記相変化と共にマルテンサイト相内
における微細金属炭化物および金属間化合物の析出が発
生する。

【００１３】次に、Ｆｅ系バルブシート５の組成につい
て説明する。このバルブシート５は、必須成分として金
属炭化物形成元素、オーステナイト形成元素およびＣを
含有し、硬質粉末、Ｐおよび自己潤滑材を選択成分とす
るもので、残部は実質的にＦｅ（Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓを含
む）である。（ａ）金属炭化物形成元素についてこの種元素には、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａおよ
びＢから選択される少なくとも一種が該当し、これらの
元素をＭとすると、それはＭＣまたはＭ₆Ｃで表わされ
る金属炭化物を形成する。金属炭化物形成元素の含有量
は、通常、０．４〜１５重量％、好ましくは６〜１２重
量％である。この元素の含有量が０．４重量％未満であ
ると、二次硬化による硬度の増大が十分ではなく、耐摩
耗性を十分に向上させることができないことがある。一
方、１５重量％を超えると、焼結素材における炭化物析
出量が多くなり過ぎて硬度が必要以上に上昇し、切削性
の低下を招くことがある。ただし、Ｖ、ＴｉおよびＮｂ
は突角状炭化物を析出するのでこれらの少なくとも一種
を用いるときは、エンジンバルブに対する攻撃性を緩和
するため、その含有量は０．４〜２重量％であることが
好ましい。なお、Ｗ、Ｍｏを併用する場合には、１５重
量％まで含有させてもよい。

【００１４】金属炭化物形成元素は焼結時にオーステナ
イト相内に粒径が通常２μｍ以下の微細なＭＣ型または
Ｍ₆Ｃ型炭化物を析出し、時効処理されることにより核
となってさらに成長すると同時に析出量を増す。一方、
マトリックス中のＣ量は、この金属炭化物量の増加に伴
い減少し、その結果、マルテンサイト変態点（以下、Ｍ
ｓ点という）が上昇してマルテンサイト変態がエンジン
の環境温度である２００〜４００℃で発生する。（ｂ）オーステナイト形成元素についてこの種元素には、Ｎｉ、Ｃｏ、ＣｕおよびＣｒから選択
される少なくとも一種が該当する。このオーステナイト
形成元素はマトリックス中に含まれて耐熱性、耐蝕性お
よび強度を向上させる作用を有すると共に焼結時におけ
るマルテンサイト変態あるいはパーライト変態を抑制
し、また時効、エンジンバルブによる叩かれ加工等によ
りマルテンサイト変態を惹起して二次硬化するオーステ
ナイト相を形成する。さらに高温下に長時間保持される
と、マルテンサイト相にＮｉ₃Ｔｉ、Ｎｉ₃Ｍｏ、Ｎｉ
₃Ｎｂ、ＮｉＡｌ等の硬度向上に寄与する金属間化合物
を析出する。

【００１５】オーステナイト形成元素の含有量は、通
常、５〜３５重量％、好ましくは１０〜３０重量％であ
る。この元素の含有量が５重量％未満であると、耐熱
性、耐蝕性および強度を十分に向上させることができ
ず、またオーステナイト相が十分に形成されないことが
ある。一方、含有量が３５重量％を超えると、オーステ
ナイト相が安定化して二次硬化が起こらなくなることが
ある。（ｃ）ＣについてＣは、Ｍｓ点を下げる作用を有し、その含有量は、通
常、０．２〜１．２重量％、好ましくは０．４〜０．８
重量％である。このＣ含有量が０．２重量％未満である
と、マトリックス中に遊離フェライトが析出して耐摩耗
性の向上が阻害されることがある。一方、含有量が１．
２重量％を超えると、焼結時においてマトリックス中に
遊離セメンタイトが析出して切削性が損なわれることが
あると共に、Ｍｓ点が１００℃以下と低くなり過ぎて時
効等によるマルテンサイト変態が起こらず、したがって
二次硬化しなくなって硬度および耐摩耗性が向上しない
ことがある。なお、Ｃは炭素粉末その他の粉末からの拡
散によってマトリックス中に含まれるものをいい、例え
ば硬質相として添加されることのある炭化物中の炭素あ
るいはその他の硬質粉末に含有される結合炭素および遊
離炭素は除かれる。（ｄ）硬質粉末について硬質粉末は、マトリックス中に分散して耐摩耗性を向上
させる作用を有するが、この硬質粉末の分散量が多くな
ると、加工性および強度の低下を招くと共に、バルブシ
ートの製造コストが上昇する。これらの点を考慮する
と、硬質粉末の含有量の上限値は３０重量％に設定され
る。

【００１６】硬質粉末としては、例えばＷ−Ｃｒ−Ｃｏ
−Ｃ系ステライト合金粉末、Ｗ−Ｃｒ−Ｃｏ−Ｃ−Ｆｅ
系ステライト合金粉末、イートナイト系合金粉末、Ｍｏ
−Ｆｅ系合金粉末、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｃ−Ｆｅ系合金粉
末、Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ系合金粉末、炭化物、酸化
物、窒化物等のセラミック粉末等が該当する。硬質粉末
の硬さＨｖは、通常、９００以上である。（ｅ）ＰについてＰは圧粉性の悪い高合金粉末の焼結時における粒子間の
焼結性を改善して高密度、高強度焼結体を形成する作用
を有する。Ｐの含有量は、通常、０．１〜０．６重量
％、好ましくは０．２〜０．４重量％である。この含有
量が０．１重量％未満であると、前記焼結性改善作用が
十分でないことがある。一方、含有量が０．６重量％を
超えると、粒界にステダイトが析出し、切削性、強靱性
の低下を招くことがある。なお、前記含有量範囲は積極
的にＰを配合する場合に関するものであり、原料粉末中
に不可避的に含有される微量のＰを含むものではない。（ｆ）自己潤滑材について自己潤滑材は単独添加またはＦｅ粉末に含有されて用い
られ、マトリックスの粒界または粒内に析出する。自己
潤滑材としては、例えばフッ化物、硫化物、鉛酸化物等
が該当する。自己潤滑材の含有量は、通常、０．２〜５
重量％、好ましくは０．５〜３重量％である。この含有
量が０．２重量％未満であると、自己潤滑材の配合効
果、即ち、自己潤滑性の向上を図って耐摩耗性を向上さ
せる効果が十分でないことがある。一方、５重量％を超
えると、強度や耐蝕性の低下を招くことがある。

【００１７】Ｆｅ系焼結素材の製造において、その圧粉
体の密度は、通常、６．８ｇ／cm³以上に設定される。
また焼結処理は各構成元素の酸化を防止するために非酸
化性雰囲気中で行われる。焼結温度および焼結時間につ
いては各成分の配合割合、圧粉体の形状、大きさ等によ
り異なるので一概に決定することは困難であるが、通
常、焼結温度は１１００〜１２００℃に、また焼結時間
は２０〜６０分間に設定される。この場合、焼結過程で
冷却速度を調節したり、またはＦｅ系焼結素材の溶体化
処理を行うことによって、使用環境下でマルテンサイト
化し得るオーステナイト相をマトリックス中に形成させ
ることができる。Ｆｅ系焼結素材の硬さ、Ｈ_RＢは約１
００以下であり、良好な加工性を有する。またその素材
は優れた耐摩耗性、耐熱性および強度を有し、その上良
好な耐蝕性を有するので、例えばアルコールを燃料とす
る機関のバルブシートに用いても、アルコールの燃焼で
生じたギ酸による腐蝕の影響が少ない。

【００１８】次に具体例について説明する。

【００１９】表１は、Ｆｅ系バルブシートに関する実施
例（１）〜（４）および比較例の組成を示す。この組成
は、当然のことではあるが、Ｆｅ系焼結素材のそれと同
じである。

【００２０】

【表１】各バルブシート用Ｆｅ系焼結素材を製造すべく、Ｆｅ系
ベース粉末、第１硬質粉末、第２硬質粉末、第３硬質粉
末および自己潤滑材としてＭｎＳ粉末を用意した。

【００２１】表２は、Ｆｅ系ベース粉末の組成を示す。

【００２２】

【表２】表３は第１〜第３硬質粉末を構成する合金粉末の組成を
示す。

【００２３】

【表３】次に実施例（１）のバルブシート用Ｆｅ系焼結素材を次
のような方法で製造した。先ず、Ｆｅ系ベース粉末に対
して、０．６重量％のＣ粉末（黒鉛粉末）、４重量％の
Ｎｉ粉末、２重量％のＣｏ粉末、１０重量％の第１硬質
粉末、１５重量％の第３硬質粉末および０．５重量％の
ＭｎＳ粉末を配合して原料粉末を調製し、この原料粉末
に１．０重量％のステアリン酸亜鉛（金型用潤滑剤）を
添加しＶ型ブレンダにより１５分間混合して混合粉末を
得た。

【００２４】油圧プレス機を使用して混合粉末よりバル
ブシートに対応する形状の圧粉体を成形し、次いで圧粉
体に、ＡＸガス炉を使用して１１６０℃、３０分間の条
件下で焼結処理を施し、その後２０℃／min の冷却速度
で冷却してＦｅ系焼結素材を製造した。

【００２５】このＦｅ系焼結素材におけるマトリックス
の硬さＨｖ_0.025は３８１であり、またオーステナイト
相の存在量は面積率で３６．３％であった。

【００２６】次に、Ｆｅ系焼結素材に時効処理を施し
て、時効温度および時効時間と、硬さＨｖ_0.025との関
係を調べたところ表４の結果を得た。

【００２７】

【表４】また、時効温度および時効温度と、残留オーステナイト
相の存在量（面積率）との関係を調べたところ表５の結
果を得た。

【００２８】

【表５】表４，表５から明らかなように、各時効温度において、
時効時間の経過と共に硬さが上昇すると共に残留オース
テナイト相の存在量が減少しており、これにより二次硬
化現象が発生していることが判る。したがって、Ｆｅ系
焼結素材をエンジンに組込んで、それを運転することに
より、その素材に２００〜４００℃にて二次硬化処理を
施し、着座部および圧入部の金属組織を前記のように特
定した実施例（１）のバルブシートを得ることができ
る。

【００２９】次に、実施例（２）のバルブシート用Ｆｅ
系焼結素材を次のような方法で製造した。先ず、Ｆｅ系
ベース粉末に対して、０．４重量％のＣ粉末（黒鉛粉
末）、６重量％のＮｉ粉末、２重量％のＣｏ粉末、１０
重量％の第１硬質粉末、１５重量％の第２硬質粉末およ
び０．５重量％のＭｎＳ粉末を配合して原料粉末を調製
し、この原料粉末に１．０重量％のステアリン酸亜鉛
（金型用潤滑剤）を添加しＶ型ブレンダにより１５分間
混合して混合粉末を得た。

【００３０】油圧プレス機を使用して混合粉末よりバル
ブシートに対応する形状の圧粉体を成形し、次いで圧粉
体に、ＡＸガス炉を使用して１１６０℃、３０分間の条
件下で焼結処理を施し、その後２０℃／min の冷却速度
で冷却してＦｅ系焼結素材を製造した。

【００３１】このＦｅ系焼結素材におけるマトリックス
の硬さＨｖ_0.025は４７５であり、またオーステナイト
相の存在量は面積率で３３．５％であった。

【００３２】次に、Ｆｅ系焼結素材に時効処理を施し
て、時効温度および時効時間と、硬さＨｖ_0.025との関
係を調べたところ、表６の結果を得た。

【００３３】

【表６】また、時効温度および時効温度と、残留オーステナイト
相の存在量（面積率）との関係を調べたところ表７の結
果を得た。

【００３４】

【表７】表６，表７から明らかなように、各時効温度において、
時効時間の経過と共に硬さが上昇すると共に残留オース
テナイト相の存在量が減少しており、これにより二次硬
化現象が発生していることが判る。したがって、前記同
様にＦｅ系焼結素材をエンジンに組込んで、それを運転
することにより、その素材に２００〜４００℃にて二次
硬化処理を施し、着座部および圧入部の金属組織を前記
のように特定した実施例（２）のバルブシートを得るこ
とができる。

【００３５】次に実施例（３）のバルブシート用Ｆｅ系
焼結素材を次のような方法で製造した。先ず、Ｆｅ系ベ
ース粉末に対して、０．４重量％のＣ粉末（黒鉛粉
末）、６重量％のＮｉ粉末、２重量％のＣｏ粉末、１０
重量％の第１硬質粉末、１５重量％の第２硬質粉末およ
び０．２重量％のＰ粉末を配合して原料粉末を調製し、
この原料粉末に１．０重量％のステアリン酸亜鉛（金型
用潤滑剤）を添加しＶ型ブレンダにより１５分間混合し
て混合粉末を得た。

【００３６】油圧プレス機を使用して混合粉末よりバル
ブシートに対応する形状の圧粉体を成形し、次いで圧粉
体に、ＡＸガス炉を使用して１１６０℃、３０分間の条
件下で焼結処理を施し、その後２０℃／min の冷却速度
で冷却してＦｅ系焼結素材を製造した。

【００３７】このＦｅ系焼結素材におけるマトリックス
の硬さＨｖ_0.025は５６４であり、またオーステナイト
相の存在量は面積率で３５％であった。

【００３８】さらに実施例（４）のバルブシート用Ｆｅ
系焼結素材を次のような方法で製造した。先ず、Ｆｅ系
ベース粉末に対して、０．６重量％のＣ粉末（黒鉛粉
末）、４重量％のＮｉ粉末、２重量％のＣｏ粉末、１０
重量％の第１硬質粉末、１５重量％の第２硬質粉末およ
び０．２重量％のＰ粉末を配合して原料粉末を調製し、
この原料粉末に１．０重量％のステアリン酸亜鉛（金型
用潤滑剤）を添加しＶ型ブレンダにより１５分間混合し
て混合粉末を得た。

【００３９】油圧プレス機を使用して混合粉末よりバル
ブシートに対応する形状の圧粉体を成形し、次いで圧粉
体に、ＡＸガス炉を使用して１１６０℃、３０分間の条
件下で焼結処理を施し、その後２０℃／min の冷却速度
で冷却してＦｅ系焼結素材を製造した。

【００４０】このＦｅ系焼結素材におけるマトリックス
の硬さＨｖ_0.025は４２５であり、またオーステナイト
相の存在量は面積率で４０％であった。

【００４１】次に、実施例（１）〜（３）に対応するＦ
ｅ系焼結素材および比較例に対応するＦｅ系焼結素材を
エンジンのエキゾーストポート側に組込んでそのエンジ
ンを運転することによって、それら素材に対応するバル
ブシートを得ると共にそれらの着座部およびエキゾース
トバルブにおけるバルブヘッドの摩耗状況を調べたとこ
ろ図３の結果を得た。なお、比較例バルブシートにおけ
るマトリックスの金属組織はパーライト相より構成され
ていた。

【００４２】エンジンの運転条件は、カム回転数３０
００rpm 、バルブローテーション２０rpm 、運転時間
約９時間（コンタクト数１．６×１０⁶回）、エンジン
温度２００℃、バルブスプリング荷重２５kg（セッ
ト）、６２kg（リフト）、エキゾーストバルブ材料Ｎ
ＣＦ４４０（インコネル相当材）である。

【００４３】図３から、実施例（１）〜（３）は比較例
に比べて耐摩耗性に優れており、またエキゾーストバル
ブの摩耗も抑制されていることが明らかである。

【００４４】なお、本発明に係るバルブシートはインテ
ークポート側にも適用される。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、前記のように金属組織
を特定することによって、高強度であると共に優れた耐
摩耗性を有し、その上、相手部材であるエンジンバルブ
の摩耗を抑制することができ、さらに薄肉化を達成し得
るバルブシートを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】エンジンの要部断面図である。

【図２】バルブシートの要部拡大断面図である。

【図３】バルブシートおよびエキゾーストバルブの摩耗
状況を示すグラフである。

【符号の説明】

１エンジン２シリンダヘッド５バルブシート６エキゾーストバルブ（エンジンバルブ）１４着座部１５圧入部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂勉埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (72)発明者川村治栃木県下都賀郡野木町野木1111番地日本ピストンリング株式会社栃木工場内 (72)発明者高橋輝夫栃木県下都賀郡野木町野木1111番地日本ピストンリング株式会社栃木工場内 (72)発明者垣内新栃木県下都賀郡野木町野木1111番地日本ピストンリング株式会社栃木工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジン（１）のＡｌ合金製シリンダヘ
ッド（２）に圧入されるＦｅ系バルブシート（５）にお
いて、マトリックスの金属組織がオーステナイト相およ
びマルテンサイト相を有する混相組織であり、エンジン
バルブ（６）が着座する着座部（１４）では、マルテン
サイト相の存在量がオーステナイト相の存在量よりも多
く、一方、前記シリンダヘッド（２）に圧入される圧入
部（１５）では、オーステナイト相の存在量がマルテン
サイト相の存在量よりも多くなっていることを特徴とす
るエンジン用バルブシート。