JP3614237B2

JP3614237B2 - 内燃機関用バルブシート

Info

Publication number: JP3614237B2
Application number: JP06931996A
Authority: JP
Inventors: 輝夫高橋; 利明佐藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: US5759227A; JPH09242516A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関用バルブシートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車をはじめとする多くのエンジン（内燃機関）には、従来から鉄基焼結合金製等の各種バルブシートが用いられており、その耐摩耗性の向上が研究されている。
【０００３】
ガソリンや軽油等の液体燃料を使用するエンジンでは、燃料、燃焼生成物（例えばＣ）によってバルブとバルブシートの間の潤滑性が保たれるので、バルブシートの摩耗を抑制するのに好都合である。これに対して天然ガス等のガス燃料を使用するエンジンでは、液体燃料を使用する場合と比べて燃焼生成物が少ないので、バルブシートとバルブの間が金属間接触となり、バルブシートの摩耗が進行し易く、塑性フローや凝着摩耗が発生していた。排気側バルブシートは、特に厳しい使用条件にさらされるので、著しく摩耗する。
【０００４】
バルブシートの耐摩耗性を向上させる方法としては、バルブシートの基地中にＦｅ−ＭｏやＦｅ−Ｗ等の硬質粒子を分散させると言う方法がある。しかしながら、硬質粒子量を増やしてバルブシートの耐摩耗性を向上させると、相手部材であるバルブの摩耗が激しくなると言う問題が新たに生じる。
【０００５】
優れた耐摩耗性と低い相手攻撃性を兼ね備えたバルブシートとしては、特開平５−４３９１３号公報に、鉄基焼結合金の基地中にマイクロビッカース硬さが５００〜１８００の炭化物分散型硬質粒子及び／又は金属間化合物分散型硬質粒子を５〜２５重量％の割合で分散させると共に、硬質粒子を球形状とした鉄基焼結合金製バルブシートが記載されている。また、特開平５−４３９９８号公報には、鉄基焼結合金の基地中にマイクロビッカース硬さが５００〜１８００の炭化物分散型硬質粒子及び／又は金属間化合物分散型硬質粒子を５〜２５重量％の割合で分散させると共に、銅又は銅合金を溶浸した鉄基焼結合金製バルブシートが記載されている。しかしながら、これらの公報では、ガス燃料用エンジンのような金属間接触が多い場合についての検討が全くなされていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の実情に鑑みて成し遂げられたものであり、その目的は、過酷な使用条件、例えば、ガス燃料用エンジンに使用した場合などのようにバルブシートとバルブの間の金属間接触が起こり易い条件の下でも、優れた耐摩耗性と低い相手攻撃性を維持し得るバルブシートを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、鉄基合金の基地中にコバルト基硬質粒子が分散されてなる内燃機関用バルブシートであって、その基体中には、基地成分としてＣ：０．５〜１．５重量％、Ｎｉ、Ｃｏ及びＭｏよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素：合計２．０〜２０．０重量％、及び残部：Ｆｅが少なくとも含有されていると共に、コバルト基硬質粒子が２６〜５０重量％含有されていることを特徴とする内燃機関用バルブシートを提供する。
【０００８】
本発明において使用されるコバルト基硬質粒子は、従来の硬質粒子（Ｆｅ−Ｍｏ、Ｆｅ−Ｗ等）と異なり相手攻撃性が少なく自己潤滑性を有しているので、これをバルブシートの基体中に２６〜５０重量％と言う多量の割合で分散させた場合でも、相手攻撃性を低く抑えることができる。このため、本発明のバルブシートは、過酷な使用条件、特に、ガス燃料用エンジンに使用した場合などのようにバルブシートとバルブの間の金属間接触が起こり易い条件の下でも、優れた耐摩耗性と低い相手攻撃性を維持し得る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を更に詳しく説明する。本発明のバルブシートは鉄基合金の基地中にコバルト基硬質粒子が分散した組織を有しており、必須の基地成分は（１）Ｃ、（２）Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏのうちの少なくとも１種、及び（３）Ｆｅの各元素である。基体全体の重量を基準としたときの上記各成分の含有割合は次の通りである。
（１）基地成分としてのＣは０．５〜１．５重量％であり、好適には下限を０．８重量％以上、上限を１．２重量％以下とする。
（２）基地成分としてのＮｉ、Ｃｏ、Ｍｏは、それらの合計量が２．０〜２０．０重量％であり、好適には下限を５重量％以上、上限を１５重量％以下とする。
（３）コバルト基硬質粒子は２６〜５０重量％であり、好適には下限を３０重量％以上、上限を４０重量％以下とする。
（４）残部は基地成分としてのＦｅである。但し、残部には不可避不純物が含まれる。
【００１０】
基地成分としてのＣの含有量が０．５重量％未満になると、遊離フェライトが析出して耐摩耗性に有害である。また、基体が鉄基焼結合金の場合には焼結拡散も不十分となる。一方、この含有量が１．５重量％を超えると、遊離セメンタイトが析出して切削性が低下する。
【００１１】
基地成分としてのＮｉ、Ｃｏ、Ｍｏの合計含有量が２．０重量％未満になると、基地強化や耐熱性が不十分となる。一方、この含有量が２０．０重量％を超えると、残留オーステナイトが生成し、またコスト高にもなる。
【００１２】
コバルト基硬質粒子の含有量が２６重量％未満になると、耐摩耗性に十分寄与せず、特に、天然ガス等の代替燃料を使用するエンジンのようにバルブシートとバルブの間の金属間接触が大きい場合に耐摩耗性が不十分となり易い。一方、この含有量が５０重量％を超えると、粒子間結合力が低下し、またコスト高にもなる。
【００１３】
本発明で使用されるコバルト基硬質粒子とは、Ｃｏを主成分として耐熱、耐蝕元素（例えば、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｉなど）を含有し、ビッカース硬さがＨｖ５００以上、望ましくは７００以上である金属間化合物を言う。平均粒径は、通常５０〜２００μｍ、好適には１００〜１５０μｍである。形状は球形が好ましい。このようなコバルト基硬質粒子としては、例えば、商品名「トリバロイＴ−４００」、「トリバロイＴ−８００」（ニッコーシ株式会社製）を例示できる。
【００１４】
本発明のバルブシートには１種又は２種以上の自己潤滑材を分散させてもよい。自己潤滑材の添加はバルブシートとバルブの間の金属間接触を回避するので、耐摩耗性と相手攻撃性をさらに改善させることができる。自己潤滑材としては、硫化物（例えばＭｎＳ、ＭｏＳ_２等）、フッ化物（例えばＣａＦ_２等）、窒化物（例えばＢＮ等）、及びグラファイトなどを例示できる。自己潤滑材の含有量は、基体全体の重量を基準としたときに通常０．５〜５重量％、好適には２〜３重量％とする。この含有量が０．５重量％未満になると自己潤滑性に充分に寄与せず、一方、５重量％を超えると粒子間結合力や強度の低下に起因する耐摩耗性の低下が起こり易い。
【００１５】
本発明のバルブシートは鉄基焼結合金製とすることができる。焼結合金製バルブシートの製造時には、焼入れ処理を適宜省略することができる。この場合、基地用原料粉としては、鉄基合金粉、鉄基合金粉を主成分とする原料粉、或いは純鉄粉に他の基地成分元素を配合した非合金粉等のいずれを使用してもよいが、非合金粉を使用する場合には圧粉性が良く、またコスト的にも有利である。基地用原料粉が非合金粉の場合、得られるバルブシートの基地組織は、通常パーライト、マルテンサイト及び高合金相が混在した組織となる。
【００１６】
ここで言う高合金相とは、前述のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｏの拡散濃度が高く、且つ高硬度（望ましくはＨｖ５００〜７００）のオーステナイト相である。基地に占める各組織の比率は、硬質粒子を除いた基地の部分を１００面積率％とした時に、パーライトが３０〜６０％、マルテンサイトが５〜１５％、高合金相が３０〜６０％であり、好適には、パーライトが４０〜５０％、マルテンサイトが５〜１０％、高合金相が４０〜５０％である。
【００１７】
焼結合金製とした場合には、基体の空孔内に低融点金属を溶浸させてもよい。溶浸された低融点金属はバルブシートとバルブの間に介在して潤滑材として作用し、金属間接触を回避するので、バルブシートの耐摩耗性と相手攻撃性をさらに改善することができる。低融点金属としては、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕ、及びそれらのうちの少なくとも１種を含む合金を例示することができる。
【００１８】
焼結合金の空孔率は、通常５〜２０％とし、好適には１０〜１５％とする。空孔率が５％未満になると充分な量の低融点金属が溶浸されず、一方、２０％を超えると粒子間結合力や強度の低下に起因する耐摩耗性の低下が起こり易い。
【００１９】
第１表は、本発明のバルブシートのうち、鉄基焼結合金の基体にＰｂ溶浸を施す場合の最終的な化学成分組成を示したものである。基地組成と一致しないのは、コバルト基硬質粒子の成分が影響するからである。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【実施例】
実験例１（発明材）
純鉄粉（純鉄粉中、Ｃ：０．０２０重量％以下、Ｍｎ：０．１０〜０．３５重量％）に対して、原材料粉の全体重量を基準として、Ｃを１．０重量％、Ｎｉを６．０重量％、Ｃｏを４．０重量％、Ｍｏを２．０重量％、コバルト基硬質粒子粉末（硬質粒子中、Ｃ：０．０８重量％以下、Ｍｏ：２８．５重量％、Ｃｒ：１７．５重量％、Ｓｉ：３．４重量％、Ｃｏ：残部）（ニッコーシ株式会社製、商品名「トリバロイＴ−８００」）を３０．０重量％、及び潤滑材としてステアリン酸亜鉛を１．０重量％配合してなる粉末を、Ｖ型混合機で１０分間混合して原材料粉末を得た。
【００２２】
次いで、油圧プレス機にて上記原材料粉末を目的とするバルブシートの形状に圧縮成形し、得られた圧粉体をＡｘガス炉を使用して１１６０℃で４５分間焼結処理し、冷却速度４００℃／Ｈｒで冷却することによって、焼結合金製のバルブシートを完成させた。
【００２３】
実験例２〜６（発明材）及び実験例７〜１０（比較材）
硬質粒子粉末の種類と配合量を変え、自己潤滑材を適宜配合した以外は実験例１と同様に操作して、バルブシートを完成させた。また、一部の実験例においては、冷却後に得られた焼結体を真空容器に入れて空孔内の空気を抜き、次いで溶融Ｐｂ中に浸漬して加圧することで自己潤滑材としてのＰｂを充填させ、バルブシートを完成させた。配合成分と配合量は第２表に示した通りである。
【００２４】
耐摩耗性の評価
各実験例で得られたバルブシートについて、２０００ｃｃ、直列４気筒、４サイクル天然ガスエンジンを使用して耐久性試験を行った。耐久条件は、６０００ｒｐｍ／ＷＯＴ（全開運転）、試験時間２４Ｈｒであり、相手バルブ材は耐熱鋼ＳＵＨ３５を母材としバルブフェース面にのみステライト肉盛りを行ったものである。耐摩耗性の評価は、より条件の厳しい排気側においてバルブシートとバルブの摩耗後沈み量を測定することによって行った。
【００２５】
試験結果を第３表に示す。この結果を見ると、コバルト基硬質粒子の増加に伴い、バルブシート摩耗量が減少している（実験例７→８→１→２）。また、固体自己潤滑材であるＣａＦ_２の効果（１→３、２→４）、及びＰｂ溶浸の効果（１→５、２→６）が見られる。一方、従来のガソリンエンジンに使用していたＦｅＷやＦｅＭｏの硬質粒子を４０重量％添加した場合には、バルブシート、バルブが共に摩耗過大となっている（９、１０）。
【００２６】
【表２】

【００２７】
【表３】

金属組織の説明
また、実験例２、３、７、１０の金属組織写真を図１、３、５、７にそれぞれ示す。撮影条件は、ナイタル腐食４％、倍率１００倍である。
【００２８】
図１（実験例２）の写真を図２を参照しつつ説明すると、小さな黒い点は空孔であり、黒い部分はパーライト相及び一部マルテンサイト相であり、白い部分は高合金相である。また、白い斑点部分はコバルト基硬質粒子であり、４０％の割合で添加され、分散している。
【００２９】
図３（実験例３）の写真を図４を参照しつつ説明すると、小さな黒い点は空孔であり、空孔よりも大きな黒点は自己潤滑剤のＣａＦ_２である。基地はパーライト相（黒い部分）、マルテンサイト相（黒い部分）、及び高合金相（白い部分）の混在組織となっている。コバルト基硬質粒子（白い斑点部分）は、３０％の割合で添加され、分散している。
【００３０】
図５（実験例７）の写真を図６を参照しつつ説明すると、この写真においては図１（実験例２）と比較してコバルト基硬質粒子（白い斑点部分）の添加量が１０％と少なくなっている。
【００３１】
図７（実験例１０）の写真を図８を参照しつつ説明すると、基地はパーライト相（黒い部分）と高合金相（白い部分）の混在組織となっている。また、白い部分はＦｅ−Ｍｏ硬質粒子であり、４０％の割合で添加され、分散している。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の内燃機関用バルブシートは、優れた耐摩耗性と非常に低い相手攻撃性を兼ね備えており、各種の内燃機関において好適に使用される。特に、ガス燃料エンジンに代表される金属間接触摩耗の起き易い内燃機関や、使用条件の厳しい排気側バルブにおいて好適に使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験例２（発明材）のバルブシートの金属組織を示す図面代用写真である。
【図２】図１の写真を説明した図である。
【図３】実験例３（発明材）のバルブシートの金属組織を示す図面代用写真である。
【図４】図３の写真を説明した図である。
【図５】実験例７（比較材）の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】図５の写真を説明した図である。
【図７】実験例１０（比較材）のバルブシートの金属組織を示す図面代用写真である。
【図８】図７の写真を説明した図である。
【符号の説明】
１…空孔
２…パーライト相
３…マルテンサイト相
４…高合金相
５…コバルト基硬質粒子
６…ＣａＦ_２
７…Ｆｅ−Ｍｏ硬質粒子

Claims

鉄基焼結合金の基地中にコバルト基硬質粒子が分散されてなる内燃機関用バルブシートであって、その基体中には、基地成分としてＣ：０．５〜１．５重量％、Ｎｉ、Ｃｏ及びＭｏよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素：合計２．０〜１５．０重量％、及び残部：Ｆｅが少なくとも含有されていると共に、コバルト基硬質粒子が３０〜５０重量％含有されており、
基地は、硬質粒子を除いた基地の部分を１００面積率％とした時に、パーライトが３０〜６０％、マルテンサイトが５〜１５％、ビッカーズ硬さがＨｖ５００〜７００のオーステナイト相が３０〜６０％の混在組織を有することを特徴とする内燃機関用バルブシート。
基地は、純鉄粉と他の基地成分元素とを含有する非合金の基地用原料粉を用いて製造されたものであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用バルブシート。
基体の空孔率が５〜２０％であり、空孔内に低融点金属を溶浸させたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用バルブシート。
基体中に自己潤滑材が分散されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用バルブシート。
ガス燃料内燃機関に使用されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用バルブシート。
排気側バルブに使用されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用バルブシート。