(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブ当接層とバルブシート本体層とからなる鉄系焼結合金製バルブシートであって、
あらかじめ銅粉末または銅含有粉末を配合して、前記バルブ当接層の銅含有量が７〜１７％の鉄系圧粉体および前記バルブシート本体層の銅含有量が７〜２０％の鉄系圧粉体からなる２層圧粉体を形成した後、焼結してなることを特徴とする鉄系焼結合金製バルブシート。
【請求項２】
前記バルブ当接層の銅含有量と前記バルブシート本体層の銅含有量との差が５重量％以下である請求項１に記載の鉄系焼結合金製バルブシート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のバルブシートに好適に用いられる鉄系焼結合金製バルブシート、更に詳しくは、バルブ当接層とバルブシート本体層の２層からなる鉄系焼結合金製バルブシートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関を構成するバルブシートは、バルブが密着する相手側の円錘面部であり、シリンダまたはヘッド鋳物材を仕上げるものと別製のリングを嵌めるものとが知られているが、いずれにせよ、バルブシートには、熱伝導率、潤滑特性および高温強度の向上が要求されている。
【０００３】
従来、これらの要求に対して、鉄系焼結合金中に銅・鉛を溶浸したバルブシートが適用され、その製造方法としては、通常の粉末冶金法により鉄系焼結合金製のバルブシートを製造した後、更に別工程として鉄系焼結合金中の空孔全体に銅または鉛を溶浸することによって熱伝導性、潤滑特性および高温強度に優れた鉄系焼結合金製銅・鉛溶浸バルブシートが製造されていた。
【０００４】
しかし、このような鉄系焼結合金製銅・鉛溶浸バルブシートの製造方法は、焼結工程と溶浸工程とが別工程で行われるため、製造コストが高くなるという問題があった。
【０００５】
そこで、従来のバルブシートと同等の性質を持たせ、尚且つ製造コストを安くするため、特公平２−３５１２５号公報には、銅・鉛を含有するバルブシート本体層部分と銅・鉛を含有しないバルブ当接層部分とからなる２層圧粉体を焼結することにより、銅・鉛の溶浸処理工程を必要とすることなく、焼結と同時にバルブシート本体層中の銅・鉛をバルブ当接層へ溶浸させることによって、バルブに当接するバルブ当接層の特性を確保するという鉄系焼結合金製２層バルブシートの製造方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術には、次のような問題がある。すなわち、従来技術は、焼結と同時にバルブシート本体層中の銅・鉛が毛細管現象によってバルブシート当接層の空孔内に溶浸するため、焼結後のバルブ当接層では焼結前に存在する空孔が減少して気密化した銅・鉛溶浸層となるため優れた性質を有するが、バルブシート本体層では銅・鉛が溶浸により移動するため、バルブシート本体層内に空隙が生じ、強度が低下するとともに、バルブシート全体としての強度も低下するという問題があった。
【０００７】
また、特に鉛を用いる場合には、環境への悪影響も考えられる。
【０００８】
本発明の目的は、バルブ当接層とバルブシート本体層からなる２層バルブシートにおいて、上述した問題を解決し、強度と耐摩耗性に優れた鉄系焼結合金製バルブシートを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、バルブ当接層とバルブシート本体層とからなる鉄系焼結合金製バルブシートであって、あらかじめ銅粉末または銅含有粉末を配合して前記バルブ当接層の銅含有量が７〜１７％の鉄系圧粉体および前記バルブシート本体層の銅含有量が７〜２０％の鉄系圧粉体からなる２層圧粉体を形成した後、焼結してなることに特徴を有する鉄系焼結合金製バルブシートである。
【００１１】
請求項２記載の発明は、前記バルブ当接層の銅含有量と前記バルブシート本体層の銅含有量との差が５重量％以下であることに特徴を有する請求項２に記載の鉄系焼結合金製バルブシートである。
【００１２】
このように、本発明では、あらかじめバルブ当接層とバルブシート本体層の各々の圧粉体中に銅粉末を配合しているので、銅の溶浸工程を行う必要がない。さらに、焼結工程におけるバルブシート本体層からバルブ当接層への銅の溶浸が従来のように起こらないため、当該各層の密度の変化が小さく、バルブシート本体層の強度の低下も起こらない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の鉄系焼結合金製バルブシートについて具体的に説明する。
【００１４】
本発明のバルブシートは、焼結用粉末として、先ず、主要成分となる鉄系粉末中に、銅粉末または銅含有粉末およびその他必要な粉末を所定の割合で配合して、バルブ当接層用の原料粉末とバルブシート本体層用の原料粉末とをそれぞれ用意し、これらの原料粉末に潤滑剤等を添加した焼結用粉末を調製する。その後、バルブ当接層用の焼結用粉末とバルブシート本体層用の焼結用粉末を用い、バルブ当接層部とバルブシート本体層部とからなる２層圧粉体を加圧により成形した後、脱ろう処理を行い、次いで、焼結処理を行った後、焼き戻し処理を行うことにより本発明の鉄系焼結合金製バルブシートを得ることができる。
【００１５】
焼結用粉末中の銅粉末または銅含有粉末には電解銅粉末等が用いられ、熱伝導性および高温強度を向上させる目的で配合する。配合した粉末中の銅含有量は、バルブ当接層で３〜２０重量％、バルブシート本体層で５〜２５重量％とすることが望ましく、更に望ましくはバルブ当接層で７〜１５重量％、バルブシート本体層で８〜１８重量％である。
【００１６】
この銅含有量がバルブ当接層で３重量％未満またはバルブシート本体層で５重量％未満では、他方の層の含有量が前記範囲内であっても、もう一方の層の銅がほぼ完全に固溶するために、前記範囲内にある層から銅の移動が顕著になり、組織中に粗大な空孔が見られるようになる。そのため、熱伝導性または強度等の特性が低下する。バルブ当接層で２０重量％を超えまたはバルブシート本体層で２５重量％を超えると、他方の層の含有量が前記範囲内であっても、組織中の銅の層が粗大になるため、十分な耐摩耗性が得られない。さらに、バルブシートの寸法精度も悪くなる。また、それぞれの層の銅含有量が下限値未満の組み合わせ、即ちバルブ当接層が３重量％未満およびバルブシート本体層が５重量％未満のときは、バルブシートの組織中に銅を残すことができず、熱伝導性等の特性が低下する。一方、それぞれの層の銅含有量が上限値を超える組み合わせ、即ちバブル当接層が２０重量％を超えおよびバブルシート本体層も２５重量％を超えるときは、焼結後にバルブシート中の残留銅量が多くなりすぎて強度と耐摩耗性の低下が起こる。
【００１７】
更に、バルブ当接層とバルブシート本体層との銅含有量の差を５重量％以下にすることがより望ましい。その差が、５重量％を超えると、いずれか一方の層から他方の層へ銅の過度の溶浸が起こり、相対密度の減少による強度の低下等の特性の変化が起こるためである。
【００１８】
その他必要な粉末としては、炭素（黒鉛）、クロム、モリブデン、ニッケル、コバルト等の粉末またはそれら成分を含有する粉末等を使用することができる。これらのうち、炭素は焼結性および強度維持等のために添加され、クロム、モリブデン、ニッケル、コバルト等は耐摩耗性および強度向上等のために添加され、主に硬質粒子として存在する。
【００１９】
原料粉末には、金型成形時の型抜けを良くするために、例えばステアリン酸亜鉛等の潤滑剤が添加される。
【００２０】
焼結処理における焼結温度は１１００〜１２００℃、好ましくは１１５０〜１１８０℃である。なお、焼結時間は通常１５〜４５分間程度である。
【００２１】
焼き戻し処理は、得られる焼結合金の硬さを調整するとともに、高温において特性変化を起こしにくくするために行う。この焼き戻し処理温度は通常６００〜７００℃であり、処理時間は通常２〜３時間程度である。
【００２２】
バルブ当接層とバルブシート本体層との厚さの比は、通常、１：１の比としているが、バルブシート全体の強度、耐摩耗性等を考慮して適宜設定することができる。
【００２３】
このような本発明で得られる鉄系焼結合金製バルブシートは、熱伝導率、高温強度および耐摩耗性において優れた特性を有している。
【００２４】
【実施例】
次に、本発明の実施例および比較例を挙げ、本発明について更に具体的に説明する。
【００２５】
実施例１
黒鉛（Ｃ）粉末１．０重量％、クロム（Ｃｒ）粉末３．０重量％、モリブデン（Ｍｏ）粉末９．５重量％、電解銅（Ｃｕ）粉末（−３２５メッシュ）７重量％および残部鉄（Ｆｅ）粉末からなるバルブ当接層用の原料粉末（配合組成Ｎｏ．１）と、黒鉛（Ｃ）粉末１．０重量％、モリブデン（Ｍｏ）粉末０．８重量％、電解銅（Ｃｕ）粉末（−３２５メッシュ）７重量％および残部鉄（Ｆｅ）粉末からなるバルブシート本体層用の原料粉末（配合組成Ｎｏ．４）とを調製した。
【００２６】
原料粉末の組成を表１に示す。
【００２７】
【表１】
0003579561.tif 000002
次いで、これらの原料粉末に金型成形時の型抜けを良くするための潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０．７５重量％添加して焼結用粉末を調製した。
【００２８】
得られたバルブ当接層用の焼結用粉末とバルブシート本体層用の焼結用粉末とにより各々の層の厚さを同一にした２層圧粉体を８ｔ／ｃｍ２の成形圧力にて加圧成形し、４５０℃で３０分間の脱ろう処理を行い、次いで、１１６０℃で３０分間の焼結処理を行った後、６４０℃で２時間の焼き戻し処理を行うことにより本発明の鉄系焼結合金製バルブシートを得た。
【００２９】
この試料について、バルブ当接層とバルブシート本体層とを合わせた２層密度、バルブシート摩耗量およびバルブ摩耗量を測定した。得られた結果を表２に示す。
【００３０】
【表２】
0003579561.tif 000003
なお、バルブシート摩耗量およびバルブ摩耗量の測定は、図１に示すバルブシート摩耗試験機を使用して下記の条件で排気バルブおよびバルブシートの摩耗を測定することにより行った。ここで、図１に示したバルブシート摩耗試験機において、１０は熱源、２０はバルブ、３０はバルブシートである。
【００３１】
摩耗試験の条件
バルブ材質    ：ＳＵＨ−３５
バルブシート着座面温度：３００℃
カム回転数    ：３０００ｒｐｍ
バルブ回転数  ：２０ｒｐｍ
バルブリフト量：７ｍｍ
スプリング荷重：セット時１８．９ｋｇｆ、リフト時３８．５ｋｇｆ
試験時間    ：４．５時間
実施例２〜１２
他の実施例においては、表１に示す配合組成を有するバルブ当接層用の実施例用原料粉末（配合組成Ｎｏ．１〜３）とバルブシート本体層用の実施例用原料粉末（配合組成Ｎｏ．４〜７）を組み合わせた。ここで、バルブ当接層用の配合組成は、Ｎｏ．１からＮｏ．３になるにしたがってクロムを減少させ、銅を増加させた。また、バルブシート本体層用の配合組成は、Ｎｏ．４からＮｏ．７になるにしたがって銅を増加させた。
【００３２】
前記したように配合組成を変えた原料粉末を組み合わせ、前記実施例１と同様にして鉄系焼結合金製バルブシートを作製し、各試料について前記実施例１と同様にして２層密度、バルブシート摩耗量およびバルブ摩耗量を測定した。得られた結果を表２に示す。
【００３３】
なお、実施例１、実施例２および実施例８で得られたバルブシートの当接層側と本体層側の金属組織の顕微鏡写真（２００倍、ナイタル腐食）をそれぞれ図２、図３および図４に示す。また、図６、図７および図８はそれぞれの金属組織を模式的に示す説明図であり、１は残留銅、２は硬質粒子である。これらの図面において、（ａ）は当接層側の金属組織、（ｂ）は本体層側の金属組織を示している。
【００３４】
比較例１
表１に示すように、銅成分を含まない配合組成Ｎｏ．８のバルブ当接層用の原料粉末と、黒鉛（Ｃ）粉末１．０重量％と残部鉄（Ｆｅ）粉末のみからなる配合組成Ｎｏ．１１のバルブシート本体層用の原料粉末とを、前記実施例１と同様にして鉄系焼結合金製バルブシートを作製し、前記実施例１と同様にして２層密度、バルブシート摩耗量およびバルブ摩耗量を測定した。得られた結果を表２に示す。
【００３５】
比較例２
表１に示すように、黒鉛（Ｃ）粉末１．４重量％、ニッケル（Ｎｉ）粉末２．０重量％、コバルト（Ｃｏ）粉末６．０重量％、クロム（Ｃｒ）粉末７．０重量％および残部鉄（Ｆｅ）粉末からなるバルブ当接層用の原料粉末（配合組成Ｎｏ．９）と、黒鉛（Ｃ）粉末１．０重量％と残部鉄（Ｆｅ）粉末のみからなる配合組成Ｎｏ．１１のバルブシート本体層用の原料粉末とを調製し、実施例１と同様に、潤滑剤を添加して焼結用粉末を調製した。
【００３６】
次いで、実施例１と同様に、これらを加圧成形、脱ろう処理し、１１３０℃で３０分間の焼結処理を行った後、焼き戻し処理を行わずに比較例２の鉄系焼結合金製バルブシートを得た。
【００３７】
この試料について、前記実施例１と同様にして２層密度、バルブシート摩耗量およびバルブ摩耗量を測定した。得られた結果を表２に示す。
【００３８】
比較例３
比較例２で得られた鉄系焼結合金製バルブシートに、１１３０℃で３０分間の銅の溶浸処理を行うことによって、比較例３の鉄系焼結合金製バルブシートを得た。
【００３９】
この試料について、前記実施例１と同様にして２層密度、バルブシート摩耗量およびバルブ摩耗量を測定した。得られた結果を表２に示す。
【００４０】
なお、得られたバルブシートの金属組織の顕微鏡写真（２００倍、ナイタル腐食）を図５に示す。また、図９はこの金属組織を模式的に示す説明図であり、１は残留銅、２は硬質粒子である。
【００４１】
結果の検討
表２から明らかなように、実施例１〜１２のバルブシートは、溶浸していない比較例１〜２のバルブシートと比べて何れもバルブシート摩耗量および相手材であるバルブ摩耗量が減少していることから、耐摩耗性が大幅に向上していることがわかる。また、比較例３の溶浸したバルブシートと同等の優れた耐摩耗性を有していた。
【００４２】
これより、本発明の鉄系焼結合金製バルブシートは、あらかじめ銅粉末を配合して焼結することにより、溶浸処理を行わなくても銅溶浸処理を行った焼結合金製バルブシートと同等の優れた耐摩耗性を有していることが確認された。
【００４３】
本発明に係る図６〜図８の金属組織の模式図において、バルブ当接層（図６（ａ）、図７（ａ）および図８（ａ））には、粒状の硬質粒子２と糸状の残留銅１とが、従来のバルブシート（図９）と同様に、均一に存在しているのが確認できる。また、バルブシート本体層（図６（ｂ）、図７（ｂ）および図８（ｂ））には、糸状の残留銅１が均一に存在しているのが確認でき、従来の焼結工程で生じるバルブシート本体層からバルブ当接層への銅の溶浸に起因する空隙が無い。このため、バルブシート当接層のの耐摩耗性と強度は従来と同等であり、尚且つ、従来のようなバルブシート本体層の強度低下が起こらないため、バルブシート全体の強度、耐摩耗性が向上する。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、あらかじめバルブ当接層とバルブシート本体層の各々の圧粉体中に銅粉末を配合することにより、溶浸処理を行わなくても銅溶浸処理を行った焼結合金と同等の優れた耐摩耗性を付与することができる。さらに、溶浸処理を必要としない従来の２層バルブシートの製造時に生じていたバルブシート本体層からバルブ当接層への銅の溶浸が起こらないため、バルブシート本体層の強度を低下させずに十分な耐摩耗性を有する鉄系焼結合金製バルブシートを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例および比較例で使用した摩耗試験機の概略を示す説明図である。
【図２】実施例１で得られた鉄系焼結合金製バルブシートの当接層と本体層の金属組織を示す図面代用写真である。
【図３】実施例２で得られた鉄系焼結合金製バルブシートの当接層と本体層の金属組織を示す図面代用写真である。
【図４】実施例８で得られた鉄系焼結合金製バルブシートの当接層と本体層の金属組織を示す図面代用写真である。
【図５】比較例３で得られた鉄系焼結合金製バルブシートの金属組織を示す図面代用写真である。
【図６】実施例１で得られた鉄系焼結合金製バルブシートの当接層と本体層の金属組織を模式的に示す説明図である。
【図７】実施例２で得られた鉄系焼結合金製バルブシートの当接層と本体層の金属組織を模式的に示す説明図である。
【図８】実施例８で得られた鉄系焼結合金製バルブシートの当接層と本体層の金属組織を模式的に示す説明図である。
【図９】比較例３で得られた鉄系焼結合金製バルブシートの金属組織を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・残留銅
２・・・硬質粒子
１０・・・熱源
２０・・・バルブ
３０・・・バルブシート
【図１】
0003579561.tif 000004
【図２】
0003579561.tif 000005
【図３】
0003579561.tif 000006
【図４】
0003579561.tif 000007
【図５】
0003579561.tif 000008
【図６】
0003579561.tif 000009
【図７】
0003579561.tif 000010
【図８】
0003579561.tif 000011
【図９】
0003579561.tif 000012