JP4223817B2

JP4223817B2 - Valve seat for light metal alloy casting

Info

Publication number: JP4223817B2
Application number: JP2003002109A
Authority: JP
Inventors: 公志大重; 輝夫高橋; 寛滝口; 輝幸小田
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd; Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp; Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2023-01-08
Also published as: JP2004211653A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用のバルブシートに係り、とくに内燃機関（エンジン）のアルミニウム合金等の軽金属合金製シリンダヘッドに鋳包まれて使用されるバルブシートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
バルブシートは、燃焼ガスのシールとバルブを冷却する役割を担ってエンジンのシリンダヘッドに圧入されて使用されてきた。しかし、圧入されたバルブシートは、実際にはシリンダヘッドの全ての面と接触しているわけではなく、接触が不十分なものとなっている。
【０００３】
このような問題に対し、例えば、特許文献１には、エンジンのシリンダヘッドを鋳造すると同時にバルブシートを鋳包み、バルブシートとシリンダヘッドとを溶着した鋳鉄製シリンダヘッドが提案されている。
最近は、エンジンの軽量化および放熱性を高める目的から、軽金属合金の１種である、アルミニウム合金製のエンジンが一般化しつつある。そして、このようなアルミニウム合金製シリンダヘッドに鉄系焼結合金製のバルブシートを鋳包んで装着することが実用化されつつある。例えば、特許文献２には、排気系のバルブシートと吸気系バルブシートとをおのおの耐衝撃性に富む鉄系焼結合金で形成させるとともに、プラグシートを伝熱性に富む鉄系焼結合金で形成させ、これらを互いに一体的に結着した状態で鋳込み結着するエンジンのシリンダヘッドの製造方法が提案されている。
【０００４】
しかしながら、特許文献２等に記載された技術では、バルブシートとシリンダヘッドとが金属的に結合されておらず、バルブシートとシリンダヘッドとの間に隙間が存在する場合が多い。このため、熱伝導性が低下してバルブシート温度を低下できないとともに、バルブシートとシリンダヘッド間の接合強度が低下するという問題があった。
【０００５】
このような問題に対し、例えば、特許文献３には、バルブシート表面に、好ましくはバルブシートおよびシリンダヘッドと親和性の良い金属をコーティングしたのち、フッ化物系フラックスを塗布して鋳ぐるむ、エンジンバルブシートの鋳ぐるみ方法が提案されている。
また、特許文献４には、バルブシートの外周面に互いに偏心した上下２つの円周面で形成したバルブシートが提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭52-122712 号公報
【特許文献２】
特開昭58-74266号公報
【特許文献３】
特開平８-232616 号公報
【特許文献４】
実公昭63-29130号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献３に記載された技術では、バルブシート表面に金属や特殊なコーティングを施す必要があり、製造工程が複雑となり製造コストが高騰するという問題があった。また、特許文献４に記載された技術では、バルブシートとシリンダヘッドとの間に隙間が存在し、熱引け性が低下するという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題を解決し、軽金属合金で鋳包んでも容易に脱落しない高い接合強度を保持できる、バルブシートを提案することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、鉄系焼結体製のバルブシートと軽金属合金との接合性（以下、「軽金属合金鋳包み性」ともいう）に及ぼす要因について鋭意検討した。その結果、本発明者らは、体積率で５〜50％の空孔を有し、あるいはさらに空孔のうち直径５μm を超える空孔を、全空孔量に対し80％以上有する焼結体とすることにより鉄系焼結体の軽金属合金鋳包み性が顕著に向上することを見出した。そして、このような軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体をシリンダヘッドと接する側に配置することにより、軽金属合金で鋳包んでも容易に脱落しない高い接合強度を保持できる、軽金属合金鋳包み用バルブシートとすることができることを知見した。
【００１０】
またさらに、本発明者らは、シリンダヘッドと接する側に軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体を、一方、バルブと接触するフェース面側には耐摩耗性に優れた鉄系焼結体を配置した複合型焼結体とすることにより、軽金属合金鋳包み性と耐摩耗性を兼備したバルブシートが得られることを見出し、本発明を成すに至った。
【００１１】
すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）軽金属合金製シリンダヘッドに鋳包まれるバルブシートであって、該バルブシートが、前記軽金属合金製シリンダヘッドと接する外周面側領域とバルブと接触するフェース面側領域とで空孔率を変化させた空孔率傾斜型鉄系焼結体からなるバルブシートであり、前記外周面側領域が前記フェース面側領域にくらべ高い空孔率を有し、前記軽金属合金製シリンダヘッドに接する全域に亘り外周面から内側に少なくとも0.1mm の断面Ｌ型の領域が、体積率で５〜50％の空孔を有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
（２）（１）において、前記空孔が、該空孔のうち直径５μm を超える空孔を、全空孔量に対し80％以上有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
（３）（１）または（２）において、前記空孔率傾斜型鉄系焼結体が、質量％で、Ｃ：0.1 〜2.0 ％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地組成を有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
（４）（３）において、前記基地組成に加えてさらに、質量％で、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
（５）（３）または（４）において、前記空孔率傾斜型鉄系焼結体が、粒径：150 μm 以下のMnS 、CaF₂、BNおよびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上からなる被削性改善用微細粒子を0.1 〜５質量％含有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
（６）軽金属合金製シリンダヘッドに鋳包まれるバルブシートであって、該バルブシートが、前記軽金属合金製シリンダヘッドと接する外周面側領域を軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体で、バルブと接触するフェース面側領域を耐摩耗性に優れた鉄系焼結体で構成し、これら鉄系焼結体が拡散接合されてなる複合型鉄系焼結体からなり、前記軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体が、体積率で５〜 50 ％の空孔を有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
（７）軽金属合金製シリンダヘッドに鋳包まれるバルブシートであって、該バルブシートを上下２層からなる２層型鉄系焼結体製とし、軽金属合金製シリンダヘッドと接する上層を軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体からなる層とし、バルブと接触する下層を耐摩耗性に優れた鉄系焼結体からなる層とし、前記軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体が、体積率で５〜 50 ％の空孔を有する２層型鉄系焼結体であることを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
（８）（６）または（７）において、前記空孔が、該空孔のうち直径５μm を超える空孔を、全空孔量に対し80％以上有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
（９）（６）ないし（８）のいずれかにおいて、前記軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体が、質量％で、Ｃ：0.1 〜2.0 ％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地組成を有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
（１０）（９）において、前記基地組成に加えてさらに、質量％で、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
（１１）（９）または（１０）において、前記軽合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体が、さらに粒径：150 μm 以下のMnS 、CaF₂、BNおよびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上からなる被削性改善用微細粒子を0.1 〜５質量％含有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
（１２）（６）ないし（１１）のいずれかにおいて、前記耐摩耗性に優れた鉄系焼結体が、質量％で、Ｃ：0.1 〜2.0 ％を含み、さらに、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地組成を有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
（１３）（１２）において、前記耐摩耗性に優れた鉄系焼結体が、さらに粒径：150 μm 以下のMnS 、CaF₂、BNおよびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上からなる被削性改善用微細粒子を0.1 〜５質量％含有することを特徴とする軽金属合金鋳包み用バルブシート。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のバルブシートは、鉄系焼結体で構成され、アルミニウム合金等の軽金属合金製のシリンダヘッドに鋳包まれて使用に供される。
本発明のバルブシート１は、軽金属合金製シリンダヘッド２と接する外周面12側領域と、バルブと接触するフェース面11側領域とで空孔率のみを変化させた空孔率傾斜型鉄系焼結体からなるバルブシート１であり、図１に示すように、外周面12から内側に少なくとも0.1mm の領域1Aが、体積率で５〜50％の空孔を有する。
【００１３】
空孔の体積率が５％未満では、アルミニウム合金等の軽金属合金製シリンダヘッドに鋳包むとき、軽金属合金の溶湯が焼結体の空孔内に含浸せず、シリンダヘッドとバルブシートとの密着が不十分となる。一方、空孔の体積率が50％を超えると、空孔が多すぎてバルブシートの強度が低下して、バルブシートの製造が困難となる。このため、バルブシート外周面12から内側に少なくとも0.1mm の領域では、空孔は、体積率で５〜50％の範囲に限定した。なお、体積率で５〜50％の空孔を含む領域が、外周面から１mm未満では、軽金属合金溶湯の含浸深さが不足しシリンダヘッドとバルブシートとの接合が不十分となる。
【００１４】
なお、本発明のバルブシートでは、バルブシート外周面から内側に少なくとも0.1mm の領域に存在する全空孔のうち80％以上が、直径５μm を超える空孔であることが好ましい。直径５μm を超える空孔が全空孔量に対し80％未満では、すなわち、直径５μm 以下の空孔が全空孔量に対し20％を超えると微細空孔が増加し、接合強度が低下する。このため、直径５μm を超える空孔を、全空孔量に対し80％以上に限定することが好ましい。なお、本発明におけるバルブシートを構成する鉄系焼結体中の空孔の体積率（空孔率）は、アルキメデス法により測定された密度から換算した値（体積率）を用いるものとする。
【００１５】
本発明のバルブシートに使用する空孔率傾斜型鉄系焼結体は、Ｃ：0.1 〜2.0 質量％を含み、あるいはさらに、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50質量％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地組成を有することが好ましい。つぎに、空孔率傾斜型鉄系焼結体の基地組成の限定理由について説明する。
【００１６】
Ｃ：0.1 〜2.0 質量％
Ｃは、焼結体の強度、硬さを増加させる元素であり、本発明では強度確保のために、0.1 質量％以上含有することが好ましい。一方、2.0 質量％を超えて含有すると炭化物が粗大化し、却って被削性が低下する。このため、Ｃは0.1 〜2.0 質量％に限定することが好ましい。
【００１７】
Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50質量％以下
Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖはいずれも、焼結体の強度を増加し、さらに、耐摩耗性、高温強度を向上させる作用を有する元素であり、必要に応じ１種または２種以上含有できる。なお、これらの元素の含有量合計が50質量％を超えると、成形性が低下し強度が低下する。
【００１８】
本発明のバルブシートに使用する空孔率傾斜型鉄系焼結体の基地組成では、上記した成分以外、残部はFeおよび不可避的不純物である。
なお、本発明のバルブシートで使用する空孔率傾斜型鉄系焼結体では、基地中に、被削性改善のため、被削性改善用微細粒子を分散させることが好ましい。分散させる被削性改善用微細粒子としては、MnS 、CaF₂、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。MnS 、CaF₂、BN、およびエンスタタイトはいずれも、被削性を改善する粒子であり、必要に応じて選択して含有できる。
【００１９】
このような被削性改善用微細粒子を基地中に均一分散させることにより、切削中の切粉は、これらの微細粒子と微細粒子間の距離で決定される大きさに分断されるため、切削抵抗は低く維持される。
また、基地中に分散させる被削性改善用微細粒子は、粒径：150 μm 以下の微細粒子とすることが好ましい。微細粒子の粒径が150 μm を超えると、接合強度が低下する。なお、好ましくは５〜100 μｍである。
【００２０】
また、鉄系焼結体の基地中に分散させる被削性改善用微細粒子の含有量は、0.1 〜５質量％とすることが好ましい。被削性改善用微細粒子の含有量が、0.1 質量％未満では被削性改善の効果が認められない。一方、５質量％を超えて含有すると、基地との密着強度が低下する。このため、粒径：150 μm 以下の被削性改善用微細粒子は、0.1 〜５質量％の範囲で含有することが好ましい。
【００２１】
上記した空孔率傾斜型鉄系焼結体からなるバルブシートの製造方法について説明する。
本発明のバルブシートは、原料とする鉄系粉末と、黒鉛粉と、あるいはさらに合金元素用粉末と、潤滑剤と、あるいはさらに切削性改善用微細粒子粉と、を混合した混合粉をプレス等で所定の形状に圧粉成形し圧粉体としたのち、焼結して鉄系焼結体とし、仕上加工してバルブシート（製品）とされる。
【００２２】
本発明では、原料粉として使用する鉄系粉末を、60メッシュの篩を通過し（以下、60メッシュアンダー、あるいは−60メッシュともいう）、350 メッシュの篩を通過しない（以下、350 メッシュオーバー、あるいは＋350 メッシュともいう）粒度分布に調整した粉末とすることが好ましい。
＋100 メッシュ（＃100 メッシュの篩を通過しない）の粒子が存在すると、混合粉の圧粉性が低下し、所望の密度の圧粉体とすることが難しくなる場合があるが、−60〜＋100 メッシュの粒子が、全体の粉末の40％未満であれば、成形可能であり、所望の空孔率を有する圧粉体とするためには有利となる。一方、−350 メッシュ（＃350 メッシュの篩を通過する）の粒子が存在すると、直径５μm 未満の微細空孔の存在量が増加し、軽金属合金鋳包み性が低下する傾向となる。
【００２３】
上記した粒度分布を有する鉄系粉末は、純鉄粉および／または合金鋼粉とすることが好ましい。
黒鉛粉は、鉄系焼結体の強度を増加させる合金元素として必要に応じ添加する。このためには、混合粉全量（鉄系粉、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対しＣ含有量が0.1 〜2.0 質量％となるように、調整して配合することが好ましい。混合粉中の黒鉛粉の配合量が0.1 質量％未満では、所望の強度確保が困難となり、一方、2.0 質量％を超えると、炭化物が増加し、焼結体の特性を劣化させるとともに、焼結時に液相が生じ、独立空孔が多く発生して軽金属合金鋳包み性が低下する。なお、黒鉛粉末の粒径は、0.1 〜10μm とすることが好ましい。0.1 μm 未満では取り扱いが困難となり、10μm を超えると均一分散が困難となる。
【００２４】
また、潤滑剤粉末は、圧粉成形時の成形性を向上し、圧粉密度を増加させるために混合粉中に含有される。潤滑剤粉末としては、ステアリン酸亜鉛が好ましい。なお、混合粉中の潤滑剤粉末の混合量は、混合粉全量( 鉄系粉、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計）100 重量部に対し0.2 〜2.0 重量部とすることが好ましい。
【００２５】
本発明では、上記した鉄系粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末に加えてさらに、混合粉には、被削性改善のために、被削性改善用微細粒子粉末を含有することができる。被削性改善用微細粒子粉としては、MnS 、CaF₂、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。MnS 、CaF₂、BN、およびエンスタタイトはいずれも、被削性を改善する粒子であり、必要に応じて選択して含有できる。また、混合粉に添加する被削性改善用微細粒子粉は、粒径：150 μm 以下の微細粒子粉とすることが好ましい。微細粒子粉の粒径が150 μm を超えると、境界強度が低下する。なお、好ましくは５〜100 μm である。混合粉中に被削性改善用微細粒子粉を含有する場合には、被削性改善用微細粒子粉の含有量は混合粉全量（鉄系粉、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対し0.1 〜５質量％とすることが好ましい。0.1 質量％未満では、被削性改善効果が少なく、一方、５質量％を超えると接合強度が低下する。
【００２６】
また、本発明では、上記した混合粉に、さらに合金元素用粉として、Ni粉、Co粉、Cr粉、Mo粉、Ｗ粉、Si粉、Ｖ粉、あるいはNi、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちの１種または２種以上を含むFe基合金粉、あるいはFe−Mo硬質粒子粉、Cr−Mo−Co−Si系硬質粒子粉、Ｃ−Cr−Ｗ−Co系硬質粒子粉を、単独または複合して、混合粉全量（鉄系粉、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対し、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちの１種または２種以上の合計で50質量％以下含有するように配合することが好ましい。Ni粉、Co粉、Cr粉、Mo粉、Ｗ粉、Si粉、Ｖ粉、あるいはFe基合金粉、あるいは硬質粒子粉は、いずれも耐摩耗性向上のために配合するものであり、合計が50質量％以下、好ましくは２質量％以上となるように配合することが好ましい。配合量が２質量％未満では、上記した効果が顕著に認められず、一方、50質量％を超えて配合すると、成形性が劣化する。
【００２７】
なお、混合方法は、とくに限定する必要はないが、Ｖミルを用いることが経済上から好ましい。
上記した混合粉を、金型に装入し圧粉成形して所定形状の圧粉体とする。
なお、本発明では、混合粉を圧粉成形するに際し、バルブと接触するフェイス面側をテーパ付パンチやテーパ付コアを用いて成形する。なお、テーパ角度は10〜70°とすることが好ましい。フェイス面側をテーパ付パンチやテーパ付コアを用いて成形することにより、フェイス面側が、シリンダヘッドと接する外周面側に比べ圧縮される。なお、バルブシート外周面から内側に少なくとも0.1mm の領域の圧粉体の密度が6.3 〜7.3 g/cm³となるように、加圧成形条件を調整することが好ましい。これにより、焼結体において、バルブシート外周面から内側に少なくとも0.1mm の領域の空孔が５〜50体積％とすることができる。なお、混合粉の成形方法は、特に限定されないが、プレス等を用いることが好ましい。
【００２８】
ついで、圧紛体を1100〜1300℃で焼結して焼結体とする。なお、焼結雰囲気は還元雰囲気とすることが焼結促進の観点から好ましい。
鉄系焼結体（空孔率傾斜型鉄系焼結体）は、所定形状に加工され、バルブシート（製品）とされる。
また、本発明のバルブシート１は、複合型鉄系焼結体からなるバルブシートとしてもよい。例えば複合型鉄系焼結体は図２に示すように、軽金属合金製シリンダヘッド２と接する外周面12側領域とバルブと接触するフェース面11側領域とが、組成・組織の異なる鉄系焼結体1a,1b で構成することが好ましい。
【００２９】
本発明では、外周面12側領域は、軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体1bで、フェース面11側領域は、耐摩耗性に優れた鉄系焼結体1aで構成することが好ましい。これにより、軽金属合金との密着性が向上し、しかも耐摩耗性も向上したバルブシートとすることができる。なお、これら鉄系焼結体は拡散接合で一体化されることは言うまでもない。
【００３０】
なお、外周面12側領域を構成する鉄系焼結体1bは、シリンダヘッドと接するバルブシートの外周面側をすべて軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体とするために、Ｌ型断面を有するリング形状に形成することが好ましい。一方、バルブと接触するフェース面側領域を構成する鉄系焼結体1aは、耐摩耗性に優れた鉄系焼結体で構成することが好ましい。なお、フェース面側領域を構成する鉄系焼結体1aは、リング形状に形成され、鉄系焼結体1bのＬ型断面のリングの内側に配置され拡散接合により一体化してバルブシート形状となすことが好ましい。
【００３１】
本発明の複合型鉄系焼結体で構成されるバルブシートは、外周面側領域用の金型、およびフェイス面側領域用の金型に、原料粉として鉄系粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末、あるいはさらに被削性改善用微細粒子粉末、あるいはさらに合金元素用粉末をそれぞれ異なる量配合し混合した混合粉を装入し、それぞれ圧粉成形し、別々の圧粉体としたのち、一体化して焼結し複合型鉄系焼結体とし、ついで仕上加工されてバルブシート（製品）とされる。なお、外周面側領域用の圧粉体は、Ｌ型断面を有するリング状圧粉体とし、フェース面側領域用の圧粉体は、その内側に嵌め込まれるリング状圧粉体とすることが好ましい。なお、外周面側領域用の圧粉体は、軽金属合金鋳包み性に優れた鉄基焼結体となるように、一方、フェース面側領域用の圧粉体は、耐摩耗性に優れた鉄基焼結体となるように、原料粉を配合し混合した混合粉をそれぞれ使用し、圧粉成形して得られる。
【００３２】
また、本発明のバルブシート１は、２層型鉄系焼結体からなるバルブシートとしてもよい。例えば図３に示すように、軽金属合金製シリンダヘッド２と接する上層1dを軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体からなる層とし、バルブと接触する下層1cを耐摩耗性に優れた鉄系焼結体からなる層とすることが好ましい。これにより、軽金属合金との密着性が向上し、しかも耐摩耗性も向上したバルブシートを容易に製造することができる。
【００３３】
本発明の２層型鉄系焼結体で構成されるバルブシート１は、まず、バルブシート用金型の、シリンダヘッドと接する側（上層）に相当する部位に軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体となるように、原料粉として鉄系粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末、あるいはさらに被削性改善用微細粒子粉末、あるいはさらに合金元素用粉末を配合し混合した混合粉を、装入し、ついでバルブと接するフェース面側（下層）に相当する部位に耐摩耗性に優れた鉄系焼結体となるように、原料粉として鉄系粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末、合金元素用粉末、あるいはさらに被削性改善用微細粒子粉末を配合し混合した混合粉を装入し、２層としたのち、所定の圧力で圧粉成形し圧粉体とし、ついで焼結し、仕上加工して製品（バルブシート）とすることが好ましい。
【００３４】
つぎに、各鉄系焼結体の組成、組織限定理由について説明する。
本発明のバルブシートを構成する軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体は、体積率で５〜50％の空孔を有することを特徴とする鉄系焼結体である。
空孔の体積率が５％未満では、アルミニウム合金等の軽金属合金製シリンダヘッドに鋳包むとき、軽金属合金の溶湯が焼結体の空孔内に含浸せず、シリンダヘッドとバルブシートとの密着が不十分となる。一方、空孔の体積率が50％を超えると、空孔が多すぎてバルブシートの強度が低下して、バルブシートの製造が困難となる。このため、軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体では、空孔は、体積率で５〜50％の範囲に限定した。
【００３５】
なお、本発明のバルブシートを構成する軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体では、全空孔のうち80％以上が、直径５μm を超える空孔とすることが好ましい。直径５μm を超える空孔が全空孔量に対し80％未満では、すなわち、直径５μm 以下の空孔が全空孔量に対し20％を超えると微細空孔が増加し、接合強度が低下する。このため、直径５μm を超える空孔を、全空孔量に対し80％以上に限定することが好ましい。
【００３６】
また、本発明のバルブシートを構成する軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体は、Ｃ：0.1 〜2.0 質量％を含み、あるいはさらに、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50質量％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地組成を有することが好ましい。
軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体の基地組成の限定理由について説明する。
【００３７】
Ｃ：0.1 〜2.0 質量％
Ｃは、焼結体の強度、硬さを増加させる元素であり、本発明では強度確保のために、0.1 質量％以上含有することが好ましい。一方、2.0 質量％を超えて含有すると炭化物が粗大化し、却って被削性が低下する。このため、Ｃは0.1 〜2.0 質量％に限定することが好ましい。
【００３８】
Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50質量％以下
Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖはいずれも、焼結体の強度を増加し、さらに、耐摩耗性、高温強度を向上させる作用を有する元素であり、必要に応じ１種または２種以上含有できる。これらの元素の含有量合計が50質量％を超えると、成形性が低下し強度が低下する。
【００３９】
本発明のバルブシートを構成する軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体の基地組成では、上記した成分以外、残部はFeおよび不可避的不純物である。
なお、本発明のバルブシートを構成する軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体では、前記した空孔率傾斜型鉄系焼結体と同様に基地中に、被削性改善のため、被削性改善用微細粒子を分散させることが好ましい。
【００４０】
一方、本発明のバルブシートを構成する耐摩耗性に優れた鉄系焼結体は、質量％で、Ｃ：0.1 〜2.0 ％を含み、さらに、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地組成を有することが好ましい。
本発明のバルブシートを構成する耐摩耗性に優れた鉄系焼結体の基地組成限定理由について説明する。
【００４１】
Ｃ：0.1 〜2.0 質量％
Ｃは、焼結体の強度、硬さを増加させる元素であり、本発明では強度確保のために、0.1 質量％以上含有することが好ましい。一方、2.0 質量％を超えて含有すると炭化物が粗大化し、被削性を低下させるとともに、液相が発生して独立空孔となり鋳包み性が低下する。このため、Ｃは0.1 〜2.0 質量％に限定することが好ましい。
【００４２】
Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50質量％以下
Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖはいずれも、焼結体の強度を増加し、さらに、耐摩耗性、高温強度を向上させる作用を有する元素であり、１種または２種以上含有することが好ましい。なお、これらの元素の含有量合計が50質量％を超えると、成形性および被削性が低下する。
【００４３】
なお、本発明のバルブシートを構成する耐摩耗性に優れた鉄系焼結体では、前記した空孔率傾斜型鉄系焼結体と同様に基地中に、被削性改善のため、被削性改善用微細粒子を分散させることが好ましい。
本発明のバルブシートを構成する耐摩耗性に優れた鉄系焼結体の基地組成では、上記した成分以外、残部はFeおよび不可避的不純物である。
【００４４】
ついで、バルブシートの製造方法について説明する。
まず、複合型鉄系焼結体で構成されるバルブシートの製造方法について説明する。
原料粉として、鉄系粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末、あるいはさらに合金元素用粉末、被削性改善用微細粒子粉末をそれぞれ異なる量配合した混合粉を、それぞれ圧粉成形し、別々の圧粉体としたのち、一体化して、焼結し複合型焼結体とし、ついで仕上加工してバルブシート（製品）とする。
【００４５】
外周面側領域用となる軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体用の圧粉体では、原料粉として使用する鉄系粉末を、60メッシュの篩を通過し（以下、60メッシュアンダー、あるいは−60メッシュともいう）、350 メッシュの篩を通過しない（以下、350 メッシュオーバー、あるいは＋350 メッシュともいう）粒度分布に調整した粉末とすることが好ましい。
【００４６】
＋100 メッシュ（＃100 メッシュの篩を通過しない）の粒子が存在すると、混合粉の圧粉性が低下し、所望の密度の圧粉体とすることが難しくなる場合があるが、−60〜＋100 メッシュの粒子が、全体の粉末の40％未満であれば、成形可能であり、所望の空孔率を有する圧粉体とするためには有利となる。一方、−350 メッシュ（＃350 メッシュの篩を通過する）の粒子が存在すると、直径５μm 未満の微細空孔の存在量が増加し、軽金属合金鋳包み性が低下する傾向となる。
【００４７】
上記した粒度分布を有する鉄系粉末は、純鉄粉および／または合金鋼粉とすることが好ましい。
黒鉛粉は、鉄系焼結体の強度を増加させる合金元素として必要に応じ添加する。このためには、混合粉全量（鉄系粉、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対しＣ含有量が0.1 〜2.0 質量％となるように、調整して配合することが好ましい。混合粉中の黒鉛粉の配合量が0.1 質量％未満では、所望の強度確保が困難となり、一方、2.0 質量％を超えると、炭化物が増加し、焼結体の特性を劣化させるとともに、焼結時に液相が生じ、独立空孔が多く発生して軽金属合金鋳包み性が低下する。なお、黒鉛粉末の粒径は、0.1 〜10μm とすることが好ましい。0.1 μm 未満では取り扱いが困難となり、10μm を超えると均一分散が困難となる。
【００４８】
また、潤滑剤粉末は、圧粉成形時の成形性を向上し、圧粉密度を増加させるために混合粉中に含有される。潤滑剤粉末としては、ステアリン酸亜鉛が好ましい。なお、混合粉中の潤滑剤粉末の混合量は、混合粉全量( 鉄系粉、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計100 重量部）に対し0.2 〜2.0 重量部とすることが好ましい。
【００４９】
本発明では、上記した鉄系粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末に加えてさらに、混合粉には、被削性改善のために、空孔率変化型鉄系焼結体と同様に、被削性改善用微細粒子粉末を含有することができる。被削性改善用微細粒子粉としては、MnS 、CaF₂、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。混合粉中に被削性改善用微細粒子粉を含有する場合には、被削性改善用微細粒子粉の含有量は混合粉全量（鉄系粉、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対し0.1 〜５質量％とすることが好ましい。0.1 質量％未満では、被削性改善効果が少なく、一方、５質量％を超えると接合強度が低下する。
【００５０】
また、本発明では、上記した混合粉に、さらに合金元素用粉として、Ni粉、Co粉、Cr粉、Mo粉、Ｗ粉、Si粉、Ｖ粉、あるいはNi、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちの１種または２種以上を含むFe基合金粉、あるいはFe−Mo硬質粒子粉、Cr−Mo−Co−Si系硬質粒子粉、Ｃ−Cr−Ｗ−Co系硬質粒子粉を、単独または複合して、混合粉全量（鉄系粉、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対し、質量％で、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちの１種または２種以上の合計で50質量％以下含有するように配合することが好ましい。Ni粉、Co粉、Cr粉、Mo粉、Ｗ粉、Si粉、Ｖ粉、あるいはFe基合金粉、あるいは硬質粒子粉は、いずれも耐摩耗性向上のために配合するものであり、合計が50質量％以下、好ましくは２質量％以上となるように配合することが好ましい。配合量が２質量％未満では、上記した効果が顕著に認められず、一方、50質量％を超えて配合すると、成形性が劣化する。
【００５１】
なお、混合方法は、とくに限定する必要はないが、Ｖミルを用いることが経済上から好ましい。
ついで、これら混合粉を、例えば、図２に示すＬ型断面の1b形成の圧粉体を形成できる金型に装入し、圧粉成形することが好ましい。
なお、混合粉の圧粉成形は、圧粉体の密度が6.3 〜7.3 g/cm³となるように、加圧成形条件を調整することが好ましい。これにより、焼結体において、空孔が５〜50体積％とすることができる。なお、混合粉の成形方法は、特に限定されないが、プレス等を用いることが好ましい。
【００５２】
一方、フェース面側領域用となる耐摩耗性に優れた鉄系焼結体用の圧粉体では、鉄系粉末に、黒鉛粉末、合金元素用粉末、あるいはさらに被削性改善用微細粒子粉末と、を配合し、混合して得た混合粉を用い、圧粉成形する。
使用する鉄系粉末は純鉄粉、あるいはCr鋼粉、Mo鋼粉とすることが好ましい。
また、黒鉛粉は、鉄系焼結体の強度を増加させる合金元素として必要に応じ添加する。このためには、混合粉全量（鉄系粉、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対しＣ含有量が0.1 〜2.0 質量％となるように、調整して配合することが好ましい。なお、黒鉛粉末の粒径は、0.1 〜10μm とすることが好ましい。0.1 μm 未満では取り扱いが困難となり、10μm を超えると均一分散が困難となる。
【００５３】
また、潤滑剤粉末は、圧粉成形時の成形性を向上し、圧粉密度を増加させるために混合粉中に含有される。潤滑剤粉末としては、ステアリン酸亜鉛が好ましい。なお、混合粉中の潤滑剤粉末の混合量は、混合粉全量（鉄系粉、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計100 重量部）に対し0.2 〜2.0 重量部とすることが好ましい。
【００５４】
本発明では、上記した鉄系粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末に加えてさらに、混合粉には、被削性改善のために、空孔率変化型鉄系焼結体と同様に、被削性改善用微細粒子粉末を含有することができる。被削性改善用微細粒子粉としては、MnS 、CaF₂、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。混合粉中に被削性改善用微細粒子粉を含有する場合には、被削性改善用微細粒子粉の含有量は混合粉全量（鉄系粉、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対し0.1 〜５質量％とすることが好ましい。
【００５５】
上記した混合粉に、さらに合金元素用粉として、Ni粉、Co粉、Cr粉、Mo粉、Ｗ粉、Si粉、Ｖ粉、あるいはNi、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちの１種または２種以上を含むFe基合金粉、あるいはFe−Mo硬質粒子粉、Cr−Mo−Co−Si系硬質粒子粉、Ｃ−Cr−Ｗ−Co系硬質粒子粉を、単独または複合して、混合粉全量（鉄系粉、黒鉛粉、合金元素用粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対し、質量％で、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちの１種または２種以上の合計で50質量％以下含有するように配合することが好ましい。Ni粉、Co粉、Cr粉、Mo粉、Ｗ粉、Si粉、Ｖ粉、あるいはFe基合金粉、あるいは硬質粒子粉は、いずれも耐摩耗性向上のために配合するものであり、合計が50質量％以下、好ましくは２質量％以上となるように配合することが好ましい。配合量が２質量％未満では、上記した効果が顕著に認められず、一方、50質量％を超えて配合すると、成形性が劣化する。
【００５６】
上記した混合粉を例えば、図２に示す1a形状の金型に装入し圧粉成形して所定形状の圧粉体とする。
なお、本発明では、混合粉を圧粉成形するに際し、圧粉体の密度が6.3 〜7.3 g/cm³となるように、加圧成形条件を調整することが好ましい。
ついで、これら圧紛体を一体化してのち、1100〜1300℃で焼結して複合型焼結体とする。なお、焼結雰囲気は還元雰囲気とすることが焼結促進の観点から好ましい。ついで、複合型鉄系焼結体は、所定形状に加工され、バルブシート（製品）とされる。
【００５７】
ついで、２層型鉄系焼結体で構成されるバルブシートの製造方法について、説明する。
まず、バルブシート用金型の、シリンダヘッドと接する側（上層）に相当する部位に軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体となるように、原料粉として鉄系粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末、あるいはさらに被削性改善用微細粒子粉末、あるいはさらに合金元素用粉末を配合し混合した混合粉を、一方、バルブと接するフェース面側（下層）に相当する部位に耐摩耗性に優れた鉄系焼結体となるように、原料粉として鉄系粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末、合金元素用粉末、あるいはさらに被削性改善用微細粒子粉末を配合し混合した混合粉を、それぞれ装入し、図３に示すように２層としたのち、所定の圧力で圧粉成形し圧粉体とし、ついで焼結し、仕上加工して製品（バルブシート）とすることが好ましい。
【００５８】
なお、上層を形成する混合粉は、軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体となるように原料粉を配合し混合する。軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体となる混合粉の配合は、前記した複合型鉄系焼結体の製造方法と同様とする。また、下層を形成する混合粉は、耐摩耗性に優れた鉄系焼結体となるように原料粉を配合し混合する。耐摩耗性に優れた鉄系焼結体となる混合粉の配合もまた、前記した複合型鉄系焼結体の製造方法と同様でよく、ここでは特に説明しない。
【００５９】
なお、圧粉成形に際しては、上層を形成する圧粉体の密度が6.3 〜7.3 g/cm³となるように圧粉成形の圧力を調整することが好ましい。
また、焼結条件は、上記した複合型鉄系焼結体の場合と同様とすることが好ましい。
本発明のバルブシートは、エンジンのシリンダヘッド用鋳型の対応部位に装着されたのち、その鋳型内に軽金属合金（例えば、アルミニウム合金）溶湯を注入し、低圧ダイキャストして、バルブシートが鋳包れたシリンダヘッドとすることができる。本発明のバルブシートを使用すれば、シリンダヘッドとバルブシートとの境界が隙間なく密着し、接合強度が向上する。
【００６０】
【実施例】
(実施例１）
表１に示す鉄系粉末に、黒鉛粉と、あるいはさらに合金元素粉（合金粉）と、潤滑剤粉末としてのステアリン酸亜鉛粉と、あるいはさらに被削性改善用微細粒子粉を、混合し混練して混合粉とした。混合粉における各粉末の配合量を表２に示す。
【００６１】
これら混合粉を、金型に充填し、テーパ角度45°のパンチを用いた成形プレスにより面圧：588MPa（6000kgf/cm²）で加圧成形して、バルブシート（寸法：32×22×7.5 mm）形状の圧粉体とした。なお、鉄系粉末および合金元素粉末は、表１に示すように、予め分級し、粒度分布を調整した。
ついで、これら圧粉体を1160℃で焼結し、図１に示すような空孔を含む鉄系焼結体とした。
【００６２】
得られた鉄系焼結体について、組成、空孔率、焼結後の密度を測定した。
空孔率は、全空孔率、および外周面から内側に0.1mm の領域の空孔率を求めた。なお、全空孔率は、アルキメデス法により密度を測定し、得られた密度から空孔率（体積％）を求めた。外周面から内側に0.1mm の領域の空孔率は、金属顕微鏡を用いて該領域の組織を撮像し、画像解析により空孔の面積を求め空孔率とした。
【００６３】
また、外周面から内側に0.1mm の領域の全空孔に対する微細空孔の比率は、鉄系焼結体のプレス方向断面について、金属顕微鏡により該領域の組織を撮像し、画像解析により直径５μm 以下の微細空孔の全面積と全空孔の面積をもとめ、（直径５μm 以下の微細空孔の全面積）／（全空孔の面積）により求めた。なお、測定個所は円周上３個所とした。
【００６４】
ついで、これら鉄系焼結体を切削・研削加工により、所定の寸法（寸法：29×23×6.3 mm）のバルブシートとした。得られたバルブシートをシリンダヘッド相当鋳型の所定部位に装着した。ついで該鋳型にアルミニウム合金（ADC 8A）溶湯を注入し、低圧ダイカストし、バルブシートが鋳包まれたシリンダヘッド相当材とした。なお、比較例として、鉄系焼結体製バルブシートに代えて、鋳鉄（溶製材）製バルブシートを同様に鋳包んだ。従来例として、鋳鉄製バルブシートをシリンダーヘッド相当材に圧入した。鉄系焼結体製バルブシートの一部についても圧入した。
【００６５】
これらシリンダーヘッド相当材について、図５に示すように抜き治具３を用いて、鋳包んだバルブシートあるいは圧入したバルブシート１を押圧して、シリンダヘッド２から離脱する時の抜き荷重Ｌを測定した。得られた抜き荷重Ｌについて、圧入した鋳鉄製バルブシート（試料No.6) の場合の抜き荷重を基準（100 ）として、各バルブシートの接合性を評価した。
【００６６】
得られた結果を表３、および図４に示す。
【００６７】
【表１】

【００６８】
【表２】

【００６９】
【表３】

【００７０】
本発明例は、いずれも鋳鉄製バルブシートを圧入した場合と同等以上の高い抜き荷重を示し、接合性が高いことがわかる。一方、本発明範囲を外れる比較例では低い抜き荷重しか示さず、接合性が低下している。なお、溶製材製バルブシートを鋳包んだ場合は、圧入した場合にくらべ抜き荷重は低下している。
(実施例２）
表１に示す鉄系粉末に、黒鉛粉と、あるいはさらに合金元素粉（合金粉）と、潤滑剤粉末としてのステアリン酸亜鉛粉と、あるいはさらに被削性改善用微細粒子粉を、混合し混練して混合粉とした。混合粉は、軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体用混合粉と、耐摩耗性に優れた鉄系焼結体用混合粉とし、各混合粉１〜３種用意した。混合粉における各粉末の配合量を表２に示す。
【００７１】
これら混合粉を、図２、または図３に示す形状のバルブシートが得られるような形状とされた金型に充填し、成形プレスで圧粉成形し圧粉体とした。
図２に示す形状のバルブシートでは、シリンダヘッドに接する外周面を形成する外周面側領域用と、フェース面側領域用の金型を用意し、外周面側領域用には軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体用混合粉を、フェース面側領域用には耐摩耗性に優れた鉄系焼結体用混合粉をそれそれ装入し、成形プレスにより面圧：588MPa（6000kgf/cm²）で加圧成形して、バルブシート（寸法：32×22×7.5 mm）形状の圧粉体とした。ついで、これら圧粉体を嵌め合い一体化したのち、1160℃で焼結し、拡散接合により互いに接合させた複合型鉄系焼結体とした。外周面側領域はＬ型断面を有するリング状、フェース面側領域は、その内側に嵌め込まれるリング状である。
【００７２】
図３に示す形状のバルブシートでは、シリンダヘッドに接する上層として、軽金属合金鋳包み性に優れた鉄系焼結体用混合粉を金型の相当する部位に装入したのち、バルブと接する下層として、耐摩耗性に優れた鉄系焼結用混合粉を金型の相当する位置に装入し、成形プレスにより面圧：588MPa（6000kgf/cm²）で加圧成形して、バルブシート（寸法：32×22×7.7 mm）形状の圧粉体とした。これら圧粉体を1160℃で焼結し、２層型鉄系焼結体とした。
【００７３】
ついで、これら複合型鉄系焼結体、または２層型鉄系焼結体を、切削・研削加工により、所定の寸法（寸法：29×23×6.3 mm）のバルブシートとした。得られたバルブシートを実施例１と同様に、シリンダヘッド相当鋳型の所定部位に装着した。ついで該鋳型にアルミニウム合金（ADC 12）溶湯を注入し、低圧ダイカストし、バルブシートが鋳包まれたシリンダヘッド相当材とした。
【００７４】
これらシリンダーヘッド相当材について、実施例１と同様に、図５に示すように抜き治具３を用いて、鋳包んだバルブシートあるいは圧入したバルブシート１を押圧して、シリンダヘッド２から離脱する時の抜き荷重Ｌを測定した。得られた抜き荷重Ｌについて、圧入した鋳鉄製バルブシート（試料No.6) の場合の抜き荷重を基準（100 ）として、各バルブシートの接合性を評価した。なお、各鉄系焼結体の組成、空孔率、密度を実施例１と同様に測定した。なお、空孔率は、プレス方向断面について、金属顕微鏡により焼結体の各領域の組織を撮像し、画像解析により空孔の面積を測定し空孔率に換算した。また、密度は、アルキメデス法によった。
【００７５】
得られた結果を表４、および図４に示す。
【００７６】
【表４】

【００７７】
本発明例は、いずれも鋳鉄材製バルブシートを圧入した場合と同等以上の高い抜き荷重を示し、接合性が高いことがわかる。一方、本発明範囲を外れる比較例では低い抜き荷重しか示さず、接合性が低下している。なお、鋳鉄材製バルブシートを鋳包んだ場合は、圧入した場合にくらべ抜き荷重は低下している。
【００７８】
【発明の効果】
本発明によれば、バルブシートと軽金属合金製シリンダヘッドとの接合強度が顕著に増加し、エンジン運転中のバルブシートの脱落を防止でき、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバルブシートの形状の一例を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明のバルブシートの形状の一例を模式的に示す説明図である。
【図３】本発明のバルブシートの形状の一例を模式的に示す説明図である。
【図４】実施例における抜き荷重の変化を示すグラフである。
【図５】バルブシートの抜き荷重測定方法を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１バルブシート
２シリンダヘッド
11 フェース面
12 外周面
1a フェース面側領域
1b 外周面側領域
1c 下層
1d 上層
1A 外周面から内側0.1mm 以上の領域
1B それ以外の領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a valve seat for an internal combustion engine, and more particularly to a valve seat used by being cast into a cylinder head made of a light metal alloy such as an aluminum alloy of an internal combustion engine (engine).
[0002]
[Prior art]
The valve seat has been used by being pressed into the cylinder head of the engine, with the role of sealing the combustion gas and cooling the valve. However, the press-fitted valve seat is not actually in contact with all the surfaces of the cylinder head, and the contact is insufficient.
[0003]
For example, Patent Document 1 proposes a cast iron cylinder head in which a valve seat is cast at the same time as a cylinder head of an engine is cast and the valve seat and the cylinder head are welded.
Recently, an engine made of an aluminum alloy, which is a kind of light metal alloy, is becoming popular for the purpose of reducing the weight of the engine and improving heat dissipation. And it is being put into practical use that a valve seat made of an iron-based sintered alloy is cast and mounted on such an aluminum alloy cylinder head. For example, in Patent Document 2, an exhaust system valve seat and an intake system valve seat are formed of an iron-based sintered alloy having high impact resistance, and a plug sheet is formed of an iron-based sintered alloy having high heat conductivity. In addition, a method of manufacturing a cylinder head of an engine in which these are cast and bonded in a state where they are integrally bonded to each other has been proposed.
[0004]
However, in the technique described in Patent Document 2 and the like, the valve seat and the cylinder head are not metallicly coupled, and there are many cases where a gap exists between the valve seat and the cylinder head. For this reason, there was a problem that the thermal conductivity was lowered and the valve seat temperature could not be lowered, and the bonding strength between the valve seat and the cylinder head was lowered.
[0005]
For such a problem, for example, in Patent Document 3, the valve seat surface is preferably coated with a metal having good affinity with the valve seat and the cylinder head, and then a fluoride-based flux is applied and cast. An engine valve seat casting method has been proposed.
Patent Document 4 proposes a valve seat formed of two upper and lower circumferential surfaces that are eccentric to each other on the outer circumferential surface of the valve seat.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 52-122712 A
[Patent Document 2]
JP 58-74266 A
[Patent Document 3]
JP-A-8-232616
[Patent Document 4]
Japanese Utility Model Publication No. 63-29130
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique described in Patent Document 3, it is necessary to apply metal or a special coating to the valve seat surface, which has a problem that the manufacturing process becomes complicated and the manufacturing cost increases. Moreover, in the technique described in Patent Document 4, there is a problem that a gap exists between the valve seat and the cylinder head, resulting in a decrease in heat shrinkability.
[0008]
An object of the present invention is to solve such problems of the prior art and to propose a valve seat that can maintain a high bonding strength that does not easily fall off even when cast with a light metal alloy.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned problems, the present inventors diligently examined factors affecting the bondability between a valve seat made of an iron-based sintered body and a light metal alloy (hereinafter also referred to as “light metal alloy cast-in performance”). did. As a result, the present inventors have 5 to 50% of voids in volume ratio, or, moreover, voids exceeding 5 μm in diameter among the voids are all voids.amountIn contrast, it has been found that the light metal alloy castability of the iron-based sintered body is remarkably improved by using a sintered body having 80% or more. And by arranging such an iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability on the side in contact with the cylinder head, it is possible to maintain a high bonding strength that does not easily fall off even when cast with light metal alloy. It was found that a valve seat for wrapping can be obtained.
[0010]
Furthermore, the present inventors have made an iron-based sintered body excellent in light metal alloy casting on the side in contact with the cylinder head, while the iron-based sintered body excellent in wear resistance on the face surface side in contact with the valve. It has been found that a valve seat having both light metal alloy cast-in and wear resistance can be obtained by using a composite sintered body in which a bonded body is disposed, and the present invention has been achieved.
[0011]
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A valve seat cast in a light metal alloy cylinder head, wherein the valve seat has a porosity between an outer peripheral surface side region in contact with the light metal alloy cylinder head and a face surface side region in contact with the valve. A valve seat comprising a changed porosity gradient iron-based sintered body, wherein the outer peripheral surface side region has a higher porosity than the face surface side region,Over the entire area in contact with the cylinder head made of light metal alloyAt least 0.1mm inward from the outer peripheryL-shaped cross sectionA valve sheet for light metal alloy casting, wherein the region has pores of 5 to 50% by volume.
(2) In (1), the hole is a hole having a diameter exceeding 5 μm.amountValve sheet for light metal alloy casting, characterized by having 80% or more of
(3) In (1) or (2), the porosity gradient iron-based sintered body contains C: 0.1 to 2.0% by mass, and has a base composition composed of the remainder Fe and inevitable impurities. A valve seat for light metal alloy casting.
(4) In addition to (3), in addition to the matrix composition, 50% in total of one or more selected from Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, V in mass% A valve sheet for light metal alloy casting, characterized by comprising:
(5) In (3) or (4), the porosity gradient iron-based sintered body has a particle diameter of 150 μm or less of MnS, CaF₂A valve sheet for casting a light metal alloy, comprising 0.1 to 5% by mass of a machinability improving fine particle composed of one or more selected from BN and enstatite.
(6) A valve seat casted in a light metal alloy cylinder head, wherein the valve seat is an iron-based sintered body having an excellent light metal alloy castability in an outer peripheral surface side region in contact with the light metal alloy cylinder head. The region on the face side that contacts the valve is made of an iron-based sintered body having excellent wear resistance, and the composite-type iron-based sintered body is formed by diffusion bonding these iron-based sintered bodies.The iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability is 5 to 5 in volume ratio. 50 % Of holesA valve seat for light metal alloy casting.
(7) A valve seat cast in a light metal alloy cylinder head, wherein the valve seat is made of a two-layered iron-based sintered body composed of two upper and lower layers, and the upper layer in contact with the light metal alloy cylinder head is cast with a light metal alloy. A layer made of an iron-based sintered body with excellent enveloping properties, and a layer made of an iron-based sintered body with excellent wear resistance on the lower layer in contact with the valveAnd, the iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability is 5 to 5 in volume ratio. 50 % With holesValve sheet for light metal alloy casting, characterized by being a two-layer iron-based sintered body.
(8)(6) or (7)In the above, the hole is a hole having a diameter exceeding 5 μm among the holes.amountValve sheet for light metal alloy casting, characterized by having 80% or more of
(9(6) to (8), The iron-based sintered body excellent in light metal alloy cast-in property includes, in mass%, C: 0.1 to 2.0%, and has a base composition composed of the balance Fe and inevitable impurities. Valve seat for light metal alloy casting.
(10) (9) In addition to the matrix composition, the composition further contains, in mass%, one or more selected from Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, and V in a total of 50% or less. Characteristic valve seat for light metal alloy casting.
(11) (9) Or (10), The iron-based sintered body having excellent light alloy castability is further obtained with MnS, CaF having a particle size of 150 μm or less.₂A valve sheet for casting a light metal alloy, comprising 0.1 to 5% by mass of a machinability improving fine particle composed of one or more selected from BN and enstatite.
(12(6) to (11), The iron-based sintered body having excellent wear resistance is, in mass%, C: 0.1 to 2.0%, and among Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, and V A valve sheet for casting a light metal alloy, characterized in that it contains a total of 50% or less of one or more selected from the group consisting of the balance Fe and inevitable impurities.
(13)(12)In the above, the iron-based sintered body having excellent wear resistance is further provided with MnS, CaF having a particle size of 150 μm or less.₂A valve sheet for casting a light metal alloy, comprising 0.1 to 5% by mass of a machinability improving fine particle composed of one or more selected from BN and enstatite.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The valve seat according to the present invention is made of an iron-based sintered body, and is cast for use in a cylinder head made of a light metal alloy such as an aluminum alloy.
The valve seat 1 of the present invention has a porosity gradient type iron-based firing in which only the porosity is changed between the outer peripheral surface 12 side region in contact with the light metal alloy cylinder head 2 and the face surface 11 side region in contact with the valve. As shown in FIG. 1, a region 1A of at least 0.1 mm inside from the outer peripheral surface 12 has pores of 5 to 50% by volume.
[0013]
When the volume ratio of the pores is less than 5%, the molten metal of the light metal alloy does not impregnate into the pores of the sintered body when cast in a light metal alloy cylinder head such as an aluminum alloy, and the cylinder head and the valve seat are in close contact with each other. Is insufficient. On the other hand, if the volume ratio of the holes exceeds 50%, the number of the holes is so large that the strength of the valve seat is lowered, and the manufacture of the valve seat becomes difficult. For this reason, in the region at least 0.1 mm inward from the outer peripheral surface 12 of the valve seat, the voids are limited to the range of 5 to 50% by volume ratio. In addition, when the area | region containing the hole of 5 to 50% by volume ratio is less than 1 mm from an outer peripheral surface, the impregnation depth of a light metal alloy molten metal is insufficient, and joining with a cylinder head and a valve seat becomes inadequate.
[0014]
In the valve seat of the present invention, it is preferable that 80% or more of all the holes present in the region at least 0.1 mm inward from the outer peripheral surface of the valve seat are holes having a diameter exceeding 5 μm. If the number of holes exceeding 5 μm in diameter is less than 80% of the total amount of holes, that is, if the number of holes having a diameter of 5 μm or less exceeds 20% of the total amount of holes, the number of fine holes increases and the bonding strength decreases. . For this reason, it is preferable to limit the pores having a diameter exceeding 5 μm to 80% or more with respect to the total amount of pores. In addition, the value (volume ratio) converted from the density measured by Archimedes method shall be used for the volume ratio (void ratio) of the void | hole in the iron-type sintered compact which comprises the valve seat in this invention.
[0015]
The porosity gradient type iron-based sintered body used for the valve seat of the present invention contains C: 0.1 to 2.0% by mass, or further selected from Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, and V. It is preferable to have a matrix composition containing one or two or more of these in a total of 50% by mass or less, the balance being Fe and inevitable impurities. Next, the reason for limiting the base composition of the porosity gradient iron-based sintered body will be described.
[0016]
C: 0.1-2.0 mass%
C is an element that increases the strength and hardness of the sintered body. In the present invention, C is preferably contained in an amount of 0.1% by mass or more in order to ensure the strength. On the other hand, if the content exceeds 2.0% by mass, the carbides become coarse, and on the contrary, the machinability decreases. For this reason, it is preferable to limit C to 0.1-2.0 mass%.
[0017]
50% by mass or less of one or more selected from Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, and V
Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, and V are all elements that increase the strength of the sintered body and further improve the wear resistance and high temperature strength. It can contain 2 or more types. If the total content of these elements exceeds 50% by mass, the moldability is lowered and the strength is lowered.
[0018]
In the matrix composition of the porosity gradient iron-based sintered body used in the valve seat of the present invention, the balance is Fe and inevitable impurities other than the above-described components.
In the porosity gradient iron-based sintered body used in the valve seat of the present invention, it is preferable to disperse the machinability improving fine particles in the base for improving machinability. Fine particles for improving machinability to be dispersed include MnS, CaF₂, BN, and enstatite are preferably selected from one or more. MnS, CaF₂, BN, and enstatite are all particles that improve machinability and can be selected and contained as necessary.
[0019]
By uniformly dispersing such fine particles for improving machinability in the base, the chips during cutting are divided into sizes determined by the distance between these fine particles and the fine particles. The resistance is kept low.
The machinability improving fine particles dispersed in the matrix are preferably fine particles having a particle size of 150 μm or less. When the particle size of the fine particles exceeds 150 μm, the bonding strength decreases. In addition, Preferably it is 5-100 micrometers.
[0020]
Moreover, it is preferable that content of the fine particle for machinability improvement disperse | distributed in the base of an iron-type sintered compact shall be 0.1-5 mass%. If the content of the fine particles for improving machinability is less than 0.1% by mass, the effect of improving machinability is not recognized. On the other hand, when it contains exceeding 5 mass%, adhesive strength with a base will fall. For this reason, it is preferable to contain the machinability improving fine particles having a particle size of 150 μm or less in the range of 0.1 to 5 mass%.
[0021]
A method for manufacturing a valve seat made of the above-described porosity gradient iron-based sintered body will be described.
The valve seat of the present invention is a mixed powder obtained by mixing iron-based powder as raw material, graphite powder, or further powder for alloying elements, lubricant, or further fine particle powder for improving machinability, etc. Then, after compacting into a predetermined shape to form a green compact, it is sintered to form an iron-based sintered body and finished to a valve seat (product).
[0022]
In the present invention, the iron-based powder used as the raw material powder passes through a 60 mesh sieve (hereinafter also referred to as 60 mesh under or -60 mesh) and does not pass through a 350 mesh sieve (hereinafter 350 mesh over, It is also preferable to use a powder adjusted to a particle size distribution (also called +350 mesh).
When particles of +100 mesh (which does not pass through a # 100 mesh sieve) are present, the compactability of the mixed powder is reduced, and it may be difficult to obtain a compact with a desired density, but −60 to +100 If the mesh particles are less than 40% of the total powder, molding is possible, and it is advantageous to obtain a green compact having a desired porosity. On the other hand, when particles of −350 mesh (passing through a # 350 mesh sieve) are present, the amount of fine pores having a diameter of less than 5 μm increases, and the light metal alloy castability tends to decrease.
[0023]
The iron-based powder having the above particle size distribution is preferably pure iron powder and / or alloy steel powder.
Graphite powder is added as necessary as an alloy element that increases the strength of the iron-based sintered body. For this purpose, the C content is adjusted to 0.1 to 2.0 mass% with respect to the total amount of the mixed powder (the total amount of iron-based powder, graphite powder, alloy element powder, and machinability improving fine particle powder). It is preferable to mix them. If the blending amount of the graphite powder in the mixed powder is less than 0.1% by mass, it will be difficult to ensure the desired strength. On the other hand, if it exceeds 2.0% by mass, the carbide will increase and the properties of the sintered body will be deteriorated. Occasionally, a liquid phase is generated, and many independent voids are generated, so that the light metal alloy castability is lowered. The particle size of the graphite powder is preferably 0.1 to 10 μm. If it is less than 0.1 μm, handling becomes difficult, and if it exceeds 10 μm, uniform dispersion becomes difficult.
[0024]
Further, the lubricant powder is contained in the mixed powder in order to improve the moldability at the time of compacting and increase the compact density. As the lubricant powder, zinc stearate is preferable. The mixing amount of the lubricant powder in the mixed powder is 0.2 to 2.0 weight per 100 parts by weight of the total mixed powder (total of iron-based powder, graphite powder, alloy element powder, and fine particle powder for improving machinability). Part.
[0025]
In the present invention, in addition to the iron-based powder, graphite powder, and lubricant powder described above, the mixed powder can contain fine particle powder for improving machinability for improving machinability. MnS, CaF as fine particle powder for machinability improvement₂, BN, and enstatite are preferably selected from one or more. MnS, CaF₂, BN, and enstatite are all particles that improve machinability and can be selected and contained as necessary. The machinability improving fine particle powder to be added to the mixed powder is preferably a fine particle powder having a particle size of 150 μm or less. When the particle size of the fine particle powder exceeds 150 μm, the boundary strength decreases. In addition, Preferably it is 5-100 micrometers. When the mixed powder contains the fine particle powder for improving machinability, the content of the fine particle powder for improving machinability is the total amount of the mixed powder (iron powder, graphite powder, alloy element powder, machinability) The total amount of the fine particle powder for improvement is preferably 0.1 to 5% by mass. If it is less than 0.1% by mass, the machinability improving effect is small, while if it exceeds 5% by mass, the bonding strength is lowered.
[0026]
Further, in the present invention, Ni powder, Co powder, Cr powder, Mo powder, W powder, Si powder, V powder, or Ni, Co, Cr, Mo, and W are further added to the above mixed powder as alloy element powder. Fe-based alloy powder containing one or more of Si, V, Fe-Mo hard particle powder, Cr-Mo-Co-Si hard particle powder, C-Cr-W-Co hard particle Powder, single or combined, Ni, Co, Cr, Mo, W, mixed powder total amount (total amount of iron-based powder, graphite powder, alloy element powder, machinability improving fine particle powder) It is preferable to blend so as to contain 50% by mass or less in total of one or more of Si and V. Ni powder, Co powder, Cr powder, Mo powder, W powder, Si powder, V powder, Fe-based alloy powder, or hard particle powder are all added to improve wear resistance. It is preferable to blend so as to be 50% by mass or less, preferably 2% by mass or more. When the blending amount is less than 2% by mass, the above-described effects are not recognized remarkably. On the other hand, when the blending amount exceeds 50% by mass, the moldability deteriorates.
[0027]
The mixing method is not particularly limited, but it is preferable from the economical viewpoint to use a V mill.
The above mixed powder is charged into a mold and compacted to obtain a compact of a predetermined shape.
In the present invention, when compacting the mixed powder, the face surface side in contact with the valve is formed using a tapered punch or a tapered core. The taper angle is preferably 10 to 70 °. By molding the face surface side using a tapered punch or a tapered core, the face surface side is compressed compared to the outer peripheral surface side in contact with the cylinder head. The density of the green compact in the region of at least 0.1 mm inward from the outer peripheral surface of the valve seat is 6.3 to 7.3 g / cm.^ThreeIt is preferable to adjust the pressure molding conditions so that Thereby, in a sintered compact, the void | hole of the area | region of at least 0.1 mm inside from a valve seat outer peripheral surface can be 5-50 volume%. The method for forming the mixed powder is not particularly limited, but it is preferable to use a press or the like.
[0028]
Next, the compact is sintered at 1100 to 1300 ° C. to obtain a sintered body. The sintering atmosphere is preferably a reducing atmosphere from the viewpoint of promoting the sintering.
The iron-based sintered body (porosity gradient type iron-based sintered body) is processed into a predetermined shape to be a valve seat (product).
Moreover, the valve seat 1 of the present invention may be a valve seat made of a composite iron-based sintered body. For example, as shown in FIG. 2, in the composite iron-based sintered body, the outer peripheral surface 12 side region in contact with the light metal alloy cylinder head 2 and the face surface 11 side region in contact with the valve have different compositions and structures. It is preferable to form the ligations 1a and 1b.
[0029]
In the present invention, the outer peripheral surface 12 side region is composed of an iron-based sintered body 1b excellent in light metal alloy casting, and the face surface 11 side region is composed of an iron-based sintered body 1a excellent in wear resistance. Is preferred. Thereby, it can be set as the valve seat which improved adhesiveness with a light metal alloy, and also improved abrasion resistance. Needless to say, these iron-based sintered bodies are integrated by diffusion bonding.
[0030]
The iron-based sintered body 1b constituting the outer peripheral surface 12 side region is an L-shaped in order to make all the outer peripheral surface side of the valve seat in contact with the cylinder head excellent in light metal alloy castability. It is preferable to form a ring shape having a cross section. On the other hand, the iron-based sintered body 1a constituting the face surface side region in contact with the valve is preferably formed of an iron-based sintered body having excellent wear resistance. The iron-based sintered body 1a constituting the face side region is formed in a ring shape, and is disposed inside the L-shaped cross-section ring of the iron-based sintered body 1b and integrated by diffusion bonding to form a valve seat shape. It is preferable to make it.
[0031]
The valve seat composed of the composite iron-based sintered body of the present invention includes an iron-based powder, a graphite powder, and a lubricant as a raw material powder in a mold for an outer peripheral surface side region and a mold for a face surface side region. Charged powder, or further fine particle powder for improving machinability, or mixed powder mixed with different amounts of alloy element powders, mixed, mixed, compacted into separate green compacts, then integrated And sintered to form a composite iron-based sintered body, which is then processed into a valve seat (product). The green compact for the outer peripheral surface side region may be a ring-shaped green compact having an L-shaped cross section, and the green compact for the face surface side region may be a ring-shaped green compact fitted inside thereof. preferable. The green compact for the outer surface side region is an iron-based sintered body with excellent light metal alloy castability, while the green compact for the face surface side region has excellent wear resistance. Each of the mixed powders obtained by mixing and mixing the raw material powder so as to be an iron-based sintered body is obtained by compacting.
[0032]
The valve seat 1 of the present invention may be a valve seat made of a two-layer iron-based sintered body. For example, as shown in FIG. 3, the upper layer 1d in contact with the light metal alloy cylinder head 2 is made of an iron-based sintered body excellent in light metal alloy casting, and the lower layer 1c in contact with the valve is excellent in wear resistance. A layer made of an iron-based sintered body is preferable. Thereby, it is possible to easily manufacture a valve seat having improved adhesion to a light metal alloy and having improved wear resistance.
[0033]
The valve seat 1 composed of the two-layered iron-based sintered body of the present invention is excellent in light metal alloy casting in the portion corresponding to the side (upper layer) in contact with the cylinder head of the valve seat mold. To obtain an iron-based sintered body, a mixed powder obtained by mixing and mixing iron-based powder, graphite powder, lubricant powder, or further fine particle powder for improving machinability, or further powder for alloying element as raw material powder, Then, iron powder, graphite powder, lubricant powder, alloy as raw material powder so that it becomes an iron-based sintered body with excellent wear resistance in the part corresponding to the face side (lower layer) in contact with the valve The powder for the element or the mixed powder mixed with the fine particle powder for improving machinability is further charged and made into two layers, then compacted by a predetermined pressure to form a compact, and then sintered. It is preferable to finish it into a product (valve seat) .
[0034]
Next, the composition of each iron-based sintered body and the reason for limiting the structure will be described.
The iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability constituting the valve seat of the present invention is an iron-based sintered body having 5 to 50% of voids in volume ratio.
When the volume ratio of the pores is less than 5%, the molten metal of the light metal alloy does not impregnate into the pores of the sintered body when cast in a light metal alloy cylinder head such as an aluminum alloy, and the cylinder head and the valve seat are in close contact with each other. Is insufficient. On the other hand, if the volume ratio of the holes exceeds 50%, the number of the holes is so large that the strength of the valve seat is lowered, and the manufacture of the valve seat becomes difficult. For this reason, in the iron-based sintered body excellent in light metal alloy cast-in property, the pores are limited to a range of 5 to 50% by volume ratio.
[0035]
In the iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability that constitutes the valve seat of the present invention, it is preferable that 80% or more of all the holes are holes having a diameter exceeding 5 μm. If the number of holes exceeding 5 μm in diameter is less than 80% of the total amount of holes, that is, if the number of holes having a diameter of 5 μm or less exceeds 20% of the total amount of holes, the number of fine holes increases and the bonding strength decreases. . For this reason, it is preferable to limit the pores having a diameter exceeding 5 μm to 80% or more with respect to the total amount of pores.
[0036]
Further, the iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability constituting the valve seat of the present invention contains C: 0.1 to 2.0% by mass, or further, Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, It is preferable that one or two or more selected from V is contained in a total of 50% by mass or less, and has a base composition composed of the remaining Fe and inevitable impurities.
The reason for the limitation of the base composition of the iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability will be described.
[0037]
C: 0.1-2.0 mass%
C is an element that increases the strength and hardness of the sintered body. In the present invention, C is preferably contained in an amount of 0.1% by mass or more in order to ensure the strength. On the other hand, if the content exceeds 2.0% by mass, the carbides become coarse, and on the contrary, the machinability decreases. For this reason, it is preferable to limit C to 0.1-2.0 mass%.
[0038]
50% by mass or less of one or more selected from Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, and V
Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, and V are all elements that increase the strength of the sintered body and further improve the wear resistance and high temperature strength. It can contain 2 or more types. If the total content of these elements exceeds 50% by mass, the moldability is lowered and the strength is lowered.
[0039]
In the base composition of the iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability constituting the valve seat of the present invention, the balance other than the above components is Fe and inevitable impurities.
In addition, in the iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability that constitutes the valve seat of the present invention, in order to improve machinability in the base as in the case of the above-described porosity-gradient iron-based sintered body. It is preferable to disperse the machinability improving fine particles.
[0040]
On the other hand, the iron-based sintered body excellent in wear resistance constituting the valve seat of the present invention contains, in mass%, C: 0.1 to 2.0%, and Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, It is preferable that one or two or more selected from V is contained in a total of 50% or less, and has a base composition composed of the remaining Fe and inevitable impurities.
The reason for limiting the base composition of the iron-based sintered body excellent in wear resistance constituting the valve seat of the present invention will be described.
[0041]
C: 0.1-2.0 mass%
C is an element that increases the strength and hardness of the sintered body. In the present invention, C is preferably contained in an amount of 0.1% by mass or more in order to ensure the strength. On the other hand, if the content exceeds 2.0% by mass, the carbides become coarse and the machinability deteriorates, and a liquid phase is generated to form independent pores, resulting in a decrease in castability. For this reason, it is preferable to limit C to 0.1-2.0 mass%.
[0042]
50% by mass or less of one or more selected from Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, and V
Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, and V are all elements that have the effect of increasing the strength of the sintered body and further improving the wear resistance and high temperature strength. It is preferable to contain. Note that if the total content of these elements exceeds 50% by mass, the formability and machinability deteriorate.
[0043]
In addition, in the iron-based sintered body excellent in wear resistance constituting the valve seat of the present invention, as in the case of the above-described porosity-gradient-type iron-based sintered body, in order to improve machinability in the base, It is preferable to disperse the fine particles for improving machinability.
In the base composition of the iron-based sintered body excellent in abrasion resistance constituting the valve seat of the present invention, the balance is Fe and inevitable impurities other than the above-described components.
[0044]
Next, a method for manufacturing the valve seat will be described.
First, the manufacturing method of the valve seat comprised with a composite type iron-type sintered compact is demonstrated.
As raw material powder, iron powder, graphite powder, lubricant powder, or mixed powder containing different amounts of alloy element powder and machinability improving fine particle powder are compacted and separately compacted. After being formed into a body, they are integrated and sintered to form a composite sintered body, and then finished into a valve seat (product).
[0045]
In the green compact for iron-based sintered compacts with excellent light metal alloy castability for the outer peripheral side region, the iron-based powder used as raw material powder passes through a 60-mesh sieve (hereinafter referred to as 60-mesh under). Or a −60 mesh) and a powder adjusted to a particle size distribution that does not pass through a 350 mesh sieve (hereinafter also referred to as 350 mesh over or +350 mesh).
[0046]
When particles of +100 mesh (which does not pass through a # 100 mesh sieve) are present, the compactability of the mixed powder is reduced, and it may be difficult to obtain a compact with a desired density, but −60 to +100 If the mesh particles are less than 40% of the total powder, molding is possible, and it is advantageous to obtain a green compact having a desired porosity. On the other hand, when particles of −350 mesh (passing through a # 350 mesh sieve) are present, the amount of fine pores having a diameter of less than 5 μm increases, and the light metal alloy castability tends to decrease.
[0047]
The iron-based powder having the above particle size distribution is preferably pure iron powder and / or alloy steel powder.
Graphite powder is added as necessary as an alloy element that increases the strength of the iron-based sintered body. For this purpose, the C content is adjusted to 0.1 to 2.0 mass% with respect to the total amount of the mixed powder (the total amount of iron-based powder, graphite powder, alloy element powder, and machinability improving fine particle powder). It is preferable to mix them. If the blending amount of the graphite powder in the mixed powder is less than 0.1% by mass, it will be difficult to ensure the desired strength. On the other hand, if it exceeds 2.0% by mass, the carbide will increase and the properties of the sintered body will be deteriorated. Occasionally, a liquid phase is generated, and many independent voids are generated, so that the light metal alloy castability is lowered. The particle size of the graphite powder is preferably 0.1 to 10 μm. If it is less than 0.1 μm, handling becomes difficult, and if it exceeds 10 μm, uniform dispersion becomes difficult.
[0048]
Further, the lubricant powder is contained in the mixed powder in order to improve the moldability at the time of compacting and increase the compact density. As the lubricant powder, zinc stearate is preferable. The amount of lubricant powder in the mixed powder is 0.2 to 2.0 weight based on the total amount of the mixed powder (100 parts by weight of iron powder, graphite powder, alloy element powder, and fine particle powder for improving machinability). Part.
[0049]
In the present invention, in addition to the iron-based powder, graphite powder, and lubricant powder described above, the mixed powder has a machinability as well as a porosity-variable iron-based sintered body for improving machinability. The fine particle powder for property improvement can be contained. MnS, CaF as fine particle powder for machinability improvement₂, BN, and enstatite are preferably selected from one or more. When the mixed powder contains the fine particle powder for improving machinability, the content of the fine particle powder for improving machinability is the total amount of the mixed powder (iron powder, graphite powder, alloy element powder, machinability) The total amount of the fine particle powder for improvement is preferably 0.1 to 5% by mass. If it is less than 0.1% by mass, the machinability improving effect is small, while if it exceeds 5% by mass, the bonding strength is lowered.
[0050]
Further, in the present invention, Ni powder, Co powder, Cr powder, Mo powder, W powder, Si powder, V powder, or Ni, Co, Cr, Mo, and W are further added to the above mixed powder as alloy element powder. Fe-based alloy powder containing one or more of Si, V, Fe-Mo hard particle powder, Cr-Mo-Co-Si hard particle powder, C-Cr-W-Co hard particle Powder alone or in combination, the total amount of mixed powder (total amount of iron-based powder, graphite powder, alloy element powder, machinability improving fine particle powder) in mass%, Ni, Co, Cr, It is preferable to blend so as to contain 50% by mass or less in total of one or more of Mo, W, Si, and V. Ni powder, Co powder, Cr powder, Mo powder, W powder, Si powder, V powder, Fe-based alloy powder, or hard particle powder are all added to improve wear resistance. It is preferable to blend so as to be 50% by mass or less, preferably 2% by mass or more. When the blending amount is less than 2% by mass, the above-described effects are not recognized remarkably. On the other hand, when the blending amount exceeds 50% by mass, the moldability deteriorates.
[0051]
The mixing method is not particularly limited, but it is preferable from the economical viewpoint to use a V mill.
Next, it is preferable to insert these mixed powders into a mold capable of forming a green compact having an L-shaped cross section as shown in FIG.
Note that the density of the green compact is 6.3 to 7.3 g / cm.^ThreeIt is preferable to adjust the pressure molding conditions so that Thereby, a void | hole can be 5-50 volume% in a sintered compact. The method for forming the mixed powder is not particularly limited, but it is preferable to use a press or the like.
[0052]
On the other hand, in the green compact for iron-based sintered bodies with excellent wear resistance for the face side region, graphite powder, alloy element powder, or further fine particle powder for improving machinability is used for the iron-based powder. Then, the mixture powder obtained by mixing and mixing is compacted.
The iron-based powder used is preferably pure iron powder, Cr steel powder, or Mo steel powder.
Further, the graphite powder is added as necessary as an alloy element that increases the strength of the iron-based sintered body. For this purpose, the C content is adjusted to 0.1 to 2.0 mass% with respect to the total amount of the mixed powder (the total amount of iron-based powder, graphite powder, alloy element powder, and machinability improving fine particle powder). It is preferable to mix them. The particle size of the graphite powder is preferably 0.1 to 10 μm. If it is less than 0.1 μm, handling becomes difficult, and if it exceeds 10 μm, uniform dispersion becomes difficult.
[0053]
Further, the lubricant powder is contained in the mixed powder in order to improve the moldability at the time of compacting and increase the compact density. As the lubricant powder, zinc stearate is preferable. The mixed amount of lubricant powder in the mixed powder is 0.2 to 2.0 weight based on the total amount of the mixed powder (total 100 parts by weight of iron-based powder, graphite powder, alloy element powder, and fine particle powder for improving machinability). Part.
[0054]
In the present invention, in addition to the iron-based powder, graphite powder, and lubricant powder described above, the mixed powder has a machinability as well as a porosity-variable iron-based sintered body for improving machinability. The fine particle powder for property improvement can be contained. MnS, CaF as fine particle powder for machinability improvement₂, BN, and enstatite are preferably selected from one or more. When the mixed powder contains the fine particle powder for improving machinability, the content of the fine particle powder for improving machinability is the total amount of the mixed powder (iron powder, graphite powder, alloy element powder, machinability) The total amount of the fine particle powder for improvement is preferably 0.1 to 5% by mass.
[0055]
In addition to Ni powder, Co powder, Cr powder, Mo powder, W powder, Si powder, V powder, or Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, V Fe-based alloy powder containing one or more of these, Fe-Mo hard particle powder, Cr-Mo-Co-Si hard particle powder, C-Cr-W-Co hard particle powder, alone or in combination In addition, Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, in mass% with respect to the total amount of mixed powder (total amount of iron-based powder, graphite powder, alloy element powder, and machinability improving fine particle powder) It is preferable to blend so as to contain 50% by mass or less in total of one or more of V. Ni powder, Co powder, Cr powder, Mo powder, W powder, Si powder, V powder, Fe-based alloy powder, or hard particle powder are all added to improve wear resistance. It is preferable to blend so as to be 50% by mass or less, preferably 2% by mass or more. When the blending amount is less than 2% by mass, the above-described effects are not recognized remarkably. On the other hand, when the blending amount exceeds 50% by mass, the moldability deteriorates.
[0056]
For example, the above-mentioned mixed powder is charged into a 1a-shaped mold shown in FIG. 2 and compacted to obtain a compact of a predetermined shape.
In the present invention, when the mixed powder is compacted, the density of the compact is 6.3 to 7.3 g / cm.^ThreeIt is preferable to adjust the pressure molding conditions so that
Next, these powder compacts are integrated and then sintered at 1100 to 1300 ° C. to obtain a composite sintered body. The sintering atmosphere is preferably a reducing atmosphere from the viewpoint of promoting the sintering. Next, the composite iron-based sintered body is processed into a predetermined shape to obtain a valve seat (product).
[0057]
Next, a method for manufacturing a valve seat composed of a two-layer iron-based sintered body will be described.
First, iron-based powder, graphite powder as raw material powder so as to become an iron-based sintered body excellent in light metal alloy casting in a portion corresponding to the side (upper layer) in contact with the cylinder head of the valve seat mold, Lubricant powder, or fine powder for improving machinability, or mixed powder mixed with powder for alloying element is mixed and mixed. On the other hand, wear resistance is applied to the part corresponding to the face side (lower layer) in contact with the valve. In order to become an excellent iron-based sintered body, a mixed powder obtained by mixing and mixing iron-based powder, graphite powder, lubricant powder, alloy element powder, or even fine particle powder for improving machinability as a raw material powder, It is preferable that each is charged and formed into two layers as shown in FIG. 3 and then compacted by a predetermined pressure to form a compact, then sintered and finished to a product (valve seat).
[0058]
The mixed powder forming the upper layer is mixed and mixed with raw material powder so as to be an iron-based sintered body excellent in light metal alloy cast-in property. The blending of the mixed powder to be an iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability is the same as the above-described method for producing a composite iron-based sintered body. Further, the mixed powder forming the lower layer is mixed and mixed with the raw material powder so as to become an iron-based sintered body having excellent wear resistance. The blending of the mixed powder that becomes an iron-based sintered body excellent in wear resistance may also be the same as the above-described method for producing a composite iron-based sintered body, and is not particularly described here.
[0059]
In the compacting process, the density of the compact forming the upper layer is 6.3 to 7.3 g / cm.^ThreeIt is preferable to adjust the pressure of compacting so that
The sintering conditions are preferably the same as in the case of the composite iron-based sintered body described above.
The valve seat of the present invention is mounted on a corresponding part of a cylinder head mold of an engine, and then a light metal alloy (for example, aluminum alloy) molten metal is poured into the mold and die casted at a low pressure so that the valve seat is cast. Cylinder head. If the valve seat of the present invention is used, the boundary between the cylinder head and the valve seat adheres without any gap, and the bonding strength is improved.
[0060]
【Example】
Example 1
The iron-based powder shown in Table 1 is mixed and kneaded with graphite powder, or further alloying element powder (alloy powder), zinc stearate powder as lubricant powder, or further fine particle powder for improving machinability. To obtain a mixed powder. Table 2 shows the amount of each powder in the mixed powder.
[0061]
These mixed powders are filled into a mold and subjected to a surface pressure of 588 MPa (6000 kgf / cm) by a molding press using a punch with a taper angle of 45 °.²) To form a green compact with a valve seat (dimension: 32 × 22 × 7.5 mm) shape. In addition, as shown in Table 1, the iron-based powder and the alloy element powder were classified in advance and the particle size distribution was adjusted.
Subsequently, these green compacts were sintered at 1160 ° C. to obtain an iron-based sintered body containing pores as shown in FIG.
[0062]
About the obtained iron-type sintered compact, the composition, the porosity, and the density after sintering were measured.
As for the porosity, the total porosity and the porosity in a region 0.1 mm inward from the outer peripheral surface were obtained. The total porosity was determined by measuring the density by the Archimedes method, and the porosity (volume%) was obtained from the obtained density. The porosity of the region 0.1 mm inward from the outer peripheral surface was obtained by imaging the structure of the region using a metal microscope and obtaining the area of the pores by image analysis to obtain the porosity.
[0063]
In addition, the ratio of the fine pores to the total pores in the region 0.1 mm inward from the outer peripheral surface is obtained by imaging the structure of the region with a metal microscope on the cross section in the press direction of the iron-based sintered body, and analyzing the image with a diameter of 5 μm. The total area of the following fine vacancies and the area of all the vacancies were determined and determined by (total area of fine cavities having a diameter of 5 μm or less) / (area of all vacancies). There were three measurement points on the circumference.
[0064]
Next, these iron-based sintered bodies were cut and ground to obtain valve seats having predetermined dimensions (dimensions: 29 × 23 × 6.3 mm). The obtained valve seat was attached to a predetermined portion of the cylinder head equivalent mold. Next, a molten aluminum alloy (ADC 8A) was poured into the mold and subjected to low pressure die casting to obtain a cylinder head equivalent material in which a valve seat was cast. As a comparative example, a valve seat made of cast iron (melting material) was similarly cast instead of the valve seat made of an iron-based sintered body. As a conventional example, a cast iron valve seat was press-fitted into a cylinder head equivalent material. A part of the iron-based sintered body valve seat was also press-fitted.
[0065]
With respect to these cylinder head equivalent materials, as shown in FIG. 5, a punching jig 3 is used to press the cast valve seat or the press-fitted valve seat 1 to measure the punch load L when the cylinder head 2 is detached. did. With respect to the obtained punching load L, the bondability of each valve seat was evaluated using the punching load in the case of a press-fitted cast iron valve seat (Sample No. 6) as a reference (100).
[0066]
The obtained results are shown in Table 3 and FIG.
[0067]
[Table 1]

[0068]
[Table 2]

[0069]
[Table 3]

[0070]
Each of the examples of the present invention shows a high drawing load equal to or higher than that when a cast iron valve seat is press-fitted, and it can be seen that the bondability is high. On the other hand, the comparative example outside the scope of the present invention shows only a low drawing load, and the bondability is lowered. When the melted material valve seat is cast, the punching load is reduced as compared with the case where the melted material is seated.
(Example 2)
The iron-based powder shown in Table 1 is mixed and kneaded with graphite powder, or further alloying element powder (alloy powder), zinc stearate powder as lubricant powder, or further fine particle powder for improving machinability. To obtain a mixed powder. The mixed powder was prepared as a mixed powder for an iron-based sintered body excellent in light metal alloy casting and a mixed powder for an iron-based sintered body excellent in wear resistance. Table 2 shows the amount of each powder in the mixed powder.
[0071]
These mixed powders were filled into a mold having a shape such that a valve seat having the shape shown in FIG. 2 or FIG. 3 was obtained, and compacted with a molding press to obtain a compact.
In the valve seat having the shape shown in FIG. 2, molds for the outer peripheral surface side region forming the outer peripheral surface in contact with the cylinder head and the face surface side region are prepared, and light metal alloy castability is provided for the outer peripheral surface side region. The mixed powder for iron-based sintered compacts with excellent wear resistance and the mixed powder for iron-based sintered compacts with excellent wear resistance for the face side area are charged respectively. Surface pressure: 588MPa (6000kgf) by molding press /cm²) To form a green compact with a valve seat (dimension: 32 × 22 × 7.5 mm) shape. Next, these green compacts were fitted and integrated, and then sintered at 1160 ° C. to obtain a composite iron-based sintered body joined together by diffusion bonding. The outer peripheral surface side region is a ring shape having an L-shaped cross section, and the face surface side region is a ring shape fitted inside.
[0072]
In the valve seat having the shape shown in FIG. 3, as an upper layer in contact with the cylinder head, a mixed powder for iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability is inserted into a corresponding part of the mold, and then a lower layer in contact with the valve. As a result, the iron-based sintered mixed powder with excellent wear resistance was inserted into the corresponding position of the mold, and the surface pressure was 588 MPa (6000 kgf / cm) by the molding press.²) To form a green compact with a valve seat (dimension: 32 × 22 × 7.7 mm) shape. These green compacts were sintered at 1160 ° C. to form a two-layer iron-based sintered body.
[0073]
Subsequently, the composite iron-based sintered body or the two-layered iron-based sintered body was cut and ground to obtain a valve seat having a predetermined dimension (dimension: 29 × 23 × 6.3 mm). The obtained valve seat was attached to a predetermined portion of the cylinder head equivalent mold in the same manner as in Example 1. Next, a molten aluminum alloy (ADC 12) was poured into the mold and subjected to low pressure die casting to obtain a cylinder head equivalent material in which a valve seat was cast.
[0074]
These cylinder head equivalent materials are released from the cylinder head 2 by pressing the molded valve seat or the press-fitted valve seat 1 using a punching jig 3 as shown in FIG. The punching load L at the time was measured. With respect to the obtained punching load L, the bondability of each valve seat was evaluated using the punching load in the case of a press-fitted cast iron valve seat (Sample No. 6) as a reference (100). The composition, porosity and density of each iron-based sintered body were measured in the same manner as in Example 1. In addition, the porosity was obtained by imaging the structure of each region of the sintered body with a metal microscope on the cross section in the press direction, measuring the area of the pores by image analysis, and converting it to the porosity. The density was determined by the Archimedes method.
[0075]
The obtained results are shown in Table 4 and FIG.
[0076]
[Table 4]

[0077]
The examples of the present invention all show a high drawing load equal to or higher than that when a cast iron valve seat is press-fitted, and it can be seen that the joining property is high. On the other hand, the comparative example outside the scope of the present invention shows only a low drawing load, and the bondability is lowered. In addition, in the case of casting a cast iron valve seat, the punching load is reduced as compared with press fitting.
[0078]
【The invention's effect】
According to the present invention, the joint strength between the valve seat and the light metal alloy cylinder head is remarkably increased, and the valve seat can be prevented from falling off during operation of the engine, thereby achieving a remarkable industrial effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing an example of the shape of a valve seat of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view schematically showing an example of the shape of the valve seat of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory view schematically showing an example of the shape of the valve seat of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a change in a drawing load in an example.
FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a method for measuring a valve seat pulling load.
[Explanation of symbols]
1 Valve seat
2 Cylinder head
11 Face surface
12 Outer surface
1a Face side area
1b Outer peripheral surface area
1c Lower layer
1d upper layer
1A Area 0.1mm or more inside from the outer peripheral surface
1B Other area

Claims

A valve seat cast in a light metal alloy cylinder head, wherein the valve seat has a change in porosity between an outer peripheral surface side region in contact with the light metal alloy cylinder head and a face surface side region in contact with the valve. A valve seat comprising a porosity-gradient iron-based sintered body, wherein the outer peripheral surface side region has a higher porosity than the face surface side region, and the outer periphery over the entire area in contact with the light metal alloy cylinder head A valve seat for casting a light metal alloy, wherein an L-shaped region having a cross-section of at least 0.1 mm inward from the surface has pores of 5 to 50% by volume.

2. The valve seat for light metal alloy casting according to claim 1, wherein the holes have 80% or more of holes having a diameter of more than 5 .mu.m out of the holes.

The porosity graded iron-based sintered body has a matrix composition containing C: 0.1 to 2.0% by mass%, the balance being Fe and unavoidable impurities. Valve seat for light metal alloy casting.

In addition to the matrix composition, the composition further contains one or more selected from Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, and V in a mass% of 50% or less in total. The valve sheet for light metal alloy casting according to claim 3.

The porosity graded iron-based sintered body is a fine particle for improving machinability comprising one or more kinds selected from MnS, CaF ₂ , BN and enstatite having a particle size of 150 μm or less. The valve seat for light metal alloy casting according to claim 3 or 4, characterized by containing 0.1 to 5% by mass.

A valve seat cast in a light metal alloy cylinder head, wherein the valve seat is an iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability in an outer peripheral surface side region in contact with the light metal alloy cylinder head. the face surface side region contacting constituted excellent iron-based sintered body in wear resistance, these iron-based sintered body Ri Do from the complex-type iron-based sintered body formed by diffusion bonding, the light metal alloy cast excellent iron-based sintered body in gender, light metal alloy cast valve seat, characterized in Rukoto to have a 5 to 50% of the pore volume ratio.

A valve seat cast in a light metal alloy cylinder head, the valve seat being made of a two-layered iron-based sintered body consisting of two upper and lower layers, and the upper layer in contact with the light metal alloy cylinder head is made light metal alloy cast-in The layer made of an excellent iron-based sintered body, the lower layer in contact with the valve as a layer made of an iron-based sintered body having excellent wear resistance, and the iron-based sintered body having excellent light metal alloy castability , light metal alloy cast valve seat, characterized in that the perforated from 5 to 50% of the pore volume ratio.

8. The light metal alloy cast-in valve seat according to claim 6 or 7 , wherein the holes have 80% or more of holes having a diameter of more than 5 .mu.m among the holes.

The iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability includes mass ratio of C: 0.1 to 2.0%, and has a base composition composed of the balance Fe and inevitable impurities. The valve sheet for light metal alloy casting according to any one of claims 8 to 10.

In addition to the matrix composition, the composition further contains one or more selected from Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, and V in a mass% of 50% or less in total. The valve seat for light metal alloy casting according to claim 9 .

The iron-based sintered body excellent in light metal alloy castability further has machinability of one or more selected from MnS, CaF ₂ , BN and enstatite having a particle size of 150 μm or less. 11. The light metal alloy cast-in valve seat according to claim 9 or 10 , which contains 0.1 to 5% by mass of fine particles for improvement.

The iron-based sintered body having excellent wear resistance is, by mass, C: 0.2 to 2.0%, and one selected from Ni, Co, Cr, Mo, W, Si, and V The valve sheet for light metal alloy casting according to any one of claims 6 to 11 , further comprising a base composition comprising two or more kinds in total of 50% or less, the balance being Fe and inevitable impurities.

The above-mentioned iron-based sintered body having excellent wear resistance is used for improving machinability further comprising one or more selected from MnS, CaF ₂ , BN and enstatite having a particle size of 150 μm or less. The valve sheet for light metal alloy casting according to claim 12 , characterized in that it contains 0.1-5 mass% of fine particles.