JPH06346110A - 耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブガイド部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブ
ガイド部材を提供する。 【構成】 内燃機関のバルブガイド部材が重量％で、
Ｃ：１〜４％、Ｃｕ：１．５〜６％、Ｐ：０．１〜０．
８％、Ｎｉ：０．１〜４％、Ｃｒ：０．１〜４％を含有
し、さらに必要に応じて（ａ）Ｍｏ：０．０５〜２％、
（ｂ）Ｍｎ：０．２〜４％およびＳ：０．０５〜１％、
前記（ａ）および（ｂ）のいずれか、または両方を含有
し残りがＦｅと不可避不純物からなる組成、並びにパー
ライトを主体とする素地に、硬質のＦｅ−Ｃ−Ｐ系化合
物、炭化物、および遊離黒鉛、さらに必要に応じてＭｎ
Ｓが分散分布した組織を有するＦｅ基焼結合金からな
り、かつ一方側端部または両側端部の理論密度比を８７
〜９７％とし、他方側部分または中央部分の理論密度比
を７９〜８５％としてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、すぐれた耐摩耗性を
発揮する内燃機関のＦｅ基焼結合金製バルブガイド部材
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関のバルブガイド部材の製
造に、多くのＦｅ基焼結合金が適用されていることは良
く知られるところである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年の内燃機関
の高出力化および高速化はめざましく、これに伴ない、
これの構造部材の使用条件は一段と苛酷さを増し、特に
中心孔に挿通されて往復動するバルブとの間ではげしい
摺動摩耗を受けるバルブガイド部材には、より一層の耐
摩耗性の向上が要求されるが、従来の多くのＦｅ基焼結
合金製バルブガイド部材はこれに対応できる十分な耐摩
耗性を示すものではなく、すぐれた耐摩耗性を安定的に
発揮するバルブガイド部材の開発が望まれている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結
合金製バルブガイド部材を開発すべく研究を行なった結
果、内燃機関のバルブガイド部材を、重量％で（以下、
％は重量％を示す）、Ｃ：１〜４％、 Ｃ
ｕ：１．５〜６％、Ｐ：０．１〜０．８％、 Ｎｉ：
０．１〜４％、Ｃｒ：０．１〜４％、を含有し、さらに
必要に応じて、（ａ） Ｍｏ：０．０５〜２％、（ｂ）
Ｍｎ：０．２〜４％およびＳ：０．０５〜１％、以上
（ａ）および（ｂ）のいずれか、または両方、を含有
し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成、並びにパ
ーライトを主体とする素地に、硬質のＦｅ−Ｃ−Ｐ系化
合物、炭化物、および遊離黒鉛が分散分布し、さらに加
えてＭｎおよびＳを含有する場合には硫化マンガン（以
下ＭｎＳで示す）が分散分布する組織を有するＦｅ基焼
結合金で構成すると共に、これの一方側端部または両側
端部、望ましくは一方側端部の場合（すなわちバルブシ
ート側のみの場合）には全長の１／５〜１／２、両側端
部の場合にはそれぞれ全長の１／５〜１／３の長さ部分
の理論密度比を相対的に８７〜９７％の高密度とし、か
つ他方側部分または中央部分の理論密度比を７９〜８５
％の低密度とした構造をもったものにすると、この結果
のＦｅ基焼結合金製バルブガイド部材は、素地に分散す
る硬質のＦｅ−Ｃ−Ｐ系化合物および炭化物、並びに一
方側端部または両側端部に形成した高密度部分による硬
さ向上と、同じく素地に分散する遊離黒鉛、さらにＭｎ
Ｓによる自己潤滑性の向上と、前記高密度部分以外の低
密度部分による保油効果の向上とが相まって、苛酷な条
件下での実用に際してもすぐれた耐摩耗性を発揮すると
いう研究結果を得たのである。

【０００５】この発明は、上記の研究結果にもとづいて
なされたものであって、Ｃ：１〜４％、 Ｃ
ｕ：１．５〜６％、Ｐ：０．１〜０．８％、 Ｎｉ：
０．１〜４％、Ｃｒ：０．１〜４％、を含有し、さらに
必要に応じて、（ａ） Ｍｏ：０．０５〜２％、（ｂ）
Ｍｎ：０．２〜４％およびＳ：０．０５〜１％、以上
（ａ）および（ｂ）のいずれか、または両方、を含有
し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成、並びにパ
ーライトを主体とする素地に、硬質のＦｅ−Ｃ−Ｐ系化
合物、炭化物、および遊離黒鉛、さらに必要に応じて、
ＭｎＳが分散分布した組織を有するＦｅ基焼結合金から
なり、かつ一方側端部または両側端部の理論密度比を８
７〜９７％とし、他方側部分または中央部分の理論密度
比を７９〜８５％としてなる、耐摩耗性のすぐれたバル
ブガイド部材に特徴を有するものである。

【０００６】つぎに、この発明のバルブガイド部材にお
いて、これを構成するＦｅ基焼結合金の組成および理論
密度比を上記の通りに限定した理由を説明する。 Ａ．組成 （ａ） Ｃ Ｃ成分には、素地のパーライトを形成してこれを強化す
るほか、硬質のＦｅ−Ｃ−Ｐ系化合物および炭化物を形
成して硬さを向上させ、さらに遊離黒鉛としても素地に
分布して自己潤滑性を改善し、もって部材の耐摩耗性を
向上させる作用があるが、その含有量が１％未満では前
記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が
４％を越えると、脆化し、所望の強度を得ることができ
なくなることから、その含有量を１〜４％と定めた。

【０００７】（ｂ） Ｃｕ Ｃｕ成分には、素地に固溶して、これを強化すると共
に、パーライト素地を安定化する作用があるが、その含
有量が１．５％未満では前記作用に所望の改善効果が得
られず、一方その含有量が６％を越えても前記作用によ
り一層の向上効果は得られず、かえって脆化するように
なることから、その含有量を１．５〜６％と定めた。

【０００８】（ｃ） Ｐ Ｐ成分には、焼結性を向上させ、もって強度向上に寄与
するほか、上記の通りＦｅ−Ｃ−Ｐ化合物を形成して耐
摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が０．１
％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方その
含有量が０．８％を越えると、素地が硬化しすぎると共
に、粗大なＦｅ−Ｃ−Ｐ化合物が析出するようになって
被削性が著しく悪化することからその含有量を０．１〜
０．８％と定めた。

【０００９】（ｄ） Ｎｉ Ｎｉ成分には、素地に固溶して、部材がさらされる加熱
雰囲気における耐腐食性を向上させる作用があるが、そ
の含有量が０．１％未満では前記作用に所望の向上効果
が得られず、一方その含有量が４％を越えると、オース
テナイト相が残留するようになり、耐摩耗性が低下する
ことから、その含有量を０．１〜４％と定めた。

【００１０】（ｅ） Ｃｒ Ｃｒ成分には、素地に固溶して耐熱性を向上させるほ
か、炭化物を形成して硬さを向上させる作用があるが、
その含有量が０．１％未満では前記作用に所望の向上効
果が得られず、一方その含有量が４％を越えると急激に
靭性が低下するようになることから、その含有量を０．
１〜４％と定めた。

【００１１】（ｆ） Ｍｏ Ｍｏ成分には、素地に固溶して、これを強化するほか、
炭化物を形成して硬さを向上させ、もって耐摩耗性を向
上させる作用があるので必要に応じて含有されるが、そ
の含有量が０．０５％未満では前記作用に所望の向上効
果が得られず、一方その含有量が２％を越えると被削性
が低下するようになることから、その含有量を０．０５
〜２％と定めた。

【００１２】（ｇ） ＭｎおよびＳ これら両成分は、主として素地に分散分布するＭｎＳと
して存在して自己潤滑性を高め、もって部材の耐摩耗性
向上に寄与するほか、被削性を改善する作用をもつの
で、必要に応じて含有されるが、その含有量がそれぞれ
Ｍｎ：０．２％未満およびＳ：０．０５％未満では、素
地への僅かな固溶は避けられないので、ＭｎＳとしての
割合が０．２％未満となってしまい、前記作用に所望の
効果が得られず、一方その含有量がそれぞれＭｎ：４％
およびＳ：１％を越えると、ＭｎＳの分布割合が多くな
りすぎてしまい、この結果部材の強度が低下するように
なることから、その含有量をＭｎ：０．２〜４％、Ｓ：
０．０５〜１％と定めた。

【００１３】Ｂ．理論密度比 バルブガイド部材の一方側端部または両側端部を高密度
化することによりこの部分の硬さを一段と高め、一方他
方側部分または中央部分の低密度部分で十分な保油効果
を発揮せしめ、もって耐摩耗性の向上に寄与せしめる
が、前記高密度部分の理論密度比が８７％未満では、十
分な硬さ向上が得られず、一方これを９７％を越えて高
くするには、圧粉体の成形圧を高くすると共に、焼結温
度を高くする必要があり、これは成形金型の使用寿命の
短命化および焼結後の寸法精度低下の原因となるもので
あり、また前記低密度部分の理論密度比が７９％未満で
は、バルブガイド部材の強度が低下し、シリンダーヘッ
ドへの圧入取付け時に割れなどが発生し易くなり、一方
その理論密度比が８５％を越えて高くなると所望の保油
効果が得られなくなり、摩耗進行が促進するようになる
ことから、前記高密度部分の理論密度比を８７〜９７
％、前記低密度部分のそれを７９〜８５％と定めた。

【００１４】

【実施例】つぎに、この発明のバルブガイド部材を実施
例により具体的に説明する。原料粉末として、粒度：−
８０meshのＦｅ粉末、同−１５０meshの炭素粉末、同−
１００meshのＣｕ粉末、同−１５０meshのＦｅ−２７％
Ｐ合金粉末、同−２００meshのＣｕ−８％Ｐ合金粉末、
いずれも−１００meshの粒度をもち、ＮｉおよびＣｒ、
さらにＭｏの含有量を種々変化させた各種のアトマイズ
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末、同Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ
合金粉末、さらに同−１５０meshのＭｎＳ粉末を用意
し、これら原料粉末を、所定の配合割合に配合し、１％
のステアリン酸亜鉛を加えてＶ型ミキサにて３０分間混
合した後、これら混合粉末を、図１（ａ）に概略縦断面
図で示される通り、ダイ１の中心孔と、この中心孔に下
方から嵌装された下パンチ２の上面と、この下パンチ２
の中心孔を通ってダイ１内に挿入されたコアロッド３の
外周面によって形成されたキャビティ内に装入し、つい
で片側端部に高密度部分を形成する場合には、同（ｂ）
に示される通り圧力を５〜７ton ／cm² の範囲内で調整
すると共に、ストロークも調節した状態で、上パンチ４
をダイ１の中心孔内に圧入し、また両側端部に高密度部
分を形成する場合には、同（ｃ）に示される通り同じく
圧力およびストロークを調整しながら、下パンチ２を固
定し、上パンチ４、ダイ１、およびコアロッド３をそれ
ぞれ所定のストロークで下降させて圧粉体Ｓ，Ｓ′をそ
れぞれプレス成形し、これら圧粉体を、天然ガスの分解
ガス雰囲気中、温度：６５０℃に２０分間保持して脱脂
し、引続いて１０５０〜１１５０℃の範囲内の所定温度
に昇温し、この温度に６０分間保持して焼結し、焼結後
仕上加工を施すことにより表１，２に示される成分組成
を有すると共に、パーライトを主体とする素地に、硬質
のＦｅ−Ｃ−Ｐ系化合物、炭化物、および遊離黒鉛が分
散分布し、さらに必要に応じてこれに加えてＭｎＳが分
布する組織をもったＦｅ基焼結合金で構成され、かつ一
方側端部または両側端部を表３，４に示される理論密度
比とし、さらに長さ：５０mm×外径：１２mm×内径：
６．６mmの寸法をもった本発明Ｆｅ基焼結合金製バルブ
ガイド部材（以下、本発明焼結バルブガイドという）１
〜２１、並びに合金構成成分のうちのいずれかの成分含
有量、あるいは一方側端部または両側端部の理論密度比
がこの発明の範囲から外れた比較Ｆｅ基焼結合金製バル
ブガイド部材（以下、比較焼結バルブガイドという）１
〜７をそれぞれ製造した。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】

【表３】

【００１８】

【表４】

【００１９】ついで、この結果得られた各種の焼結バル
ブガイドを、排気量：２０００ccのＤＯＨＣ型エンジン
のＡｌ鋳物製シリンダヘッドに圧入取付けし、燃料とし
て無鉛ガソリンを用い、回転数：６５００rpm で４００
時間運転の実機試験を行ない、バルブシート側の端縁か
ら長さ方向５mmの内面位置での内径を測定し、試験前の
内径に対する試験後の内径変化量を摩耗量として測定し
た。これらの測定結果を表３，４に示した。

【００２０】

【発明の効果】表１〜４に示される結果から、本発明焼
結バルブガイド１〜２１は、いずれもきわめて高速の長
時間連続運転にもかかわらず、すぐれた耐摩耗性を示す
のに対して、比較焼結バルブガイド１〜７に見られるよ
うに、これを構成するＦｅ基焼結合金の成分組成および
理論密度比のうちのいずれかでもこの発明の範囲から外
れると所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができな
いことが明らかである。上述のように、この発明のＦｅ
基焼結合金製バルブガイド部材は、苛酷な条件下での使
用に際してもすぐれた耐摩耗性を発揮し、内燃機関の高
性能化および高速化に十分対応できる特性をもつもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧粉体のプレス成形工程を示す概略縦断面図で
ある。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ：１〜４％、 Ｃｕ：１．５〜６％、 Ｐ：０．１〜０．８％、 Ｎｉ：０．１〜４％、 Ｃｒ：０．１〜４％、を含有し、残りがＦｅと不可避不
   純物からなる組成、並びにパーライトを主体とする素地
   に、硬質のＦｅ−Ｃ−Ｐ系化合物、炭化物、および遊離
   黒鉛が分散分布した組織を有するＦｅ基焼結合金からな
   り、かつ一方側端部の理論密度比を８７〜９７％とし、
   他方側部分の理論密度比を７９〜８５％としたことを特
   徴とする耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブガ
   イド部材。
2. 【請求項２】 重量％で、 Ｃ：１〜４％、 Ｃｕ：１．５〜６％、 Ｐ：０．１〜０．８％、 Ｎｉ：０．１〜４％、 Ｃｒ：０．１〜４％、を含有し、残りがＦｅと不可避不
   純物からなる組成、並びにパーライトを主体とする素地
   に、硬質のＦｅ−Ｃ−Ｐ系化合物、炭化物、および遊離
   黒鉛が分散分布した組織を有するＦｅ基焼結合金からな
   り、かつ両側端部の理論密度比を８７〜９７％とし、中
   央部分の理論密度比を７９〜８５％としたことを特徴と
   する耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブガイド
   部材。
3. 【請求項３】 重量％で、 Ｃ：１〜４％、 Ｃｕ：１．５〜６％、 Ｐ：０．１〜０．８％、 Ｎｉ：０．１〜４％、 Ｃｒ：０．１〜４％、を含有し、さらに、 Ｍｏ：０．０５〜２％、を含有し、残りがＦｅと不可避
   不純物からなる組成、並びにパーライトを主体とする素
   地に、微細なＦｅ−Ｃ−Ｐ系化合物、炭化物、および遊
   離黒鉛が分散分布した組織を有するＦｅ基焼結合金から
   なり、かつ一方側端部の理論密度比を８７〜９７％と
   し、他方側部分の理論密度比を７９〜８５％としたこと
   を特徴とする耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バル
   ブガイド部材。
4. 【請求項４】 重量％で、 Ｃ：１〜４％、 Ｃｕ：１．５〜６％、 Ｐ：０．１〜０．８％、 Ｎｉ：０．１〜４％、 Ｃｒ：０．１〜４％、を含有し、さらに、 Ｍｏ：０．０５〜２％、を含有し、残りがＦｅと不可避
   不純物からなる組成、並びにパーライトを主体とする素
   地に、硬質のＦｅ−Ｃ−Ｐ系化合物、炭化物、および遊
   離黒鉛が分散分布した組織を有するＦｅ基焼結合金から
   なり、かつ両側端部の理論密度比を８７〜９７％とし、
   中央部分の理論密度比を７９〜８５％としたことを特徴
   とする耐摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブガイ
   ド部材。
5. 【請求項５】 重量％で、 Ｃ：１〜４％、 Ｃｕ：１．５〜６％、 Ｐ：０．１〜０．８％、 Ｎｉ：０．１〜４％、 Ｃｒ：０．１〜４％、を含有し、さらに、 Ｍｎ：０．２〜４％、 Ｓ：０．０５〜１％、を含
   有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成、並びに
   パーライトを主体とする素地に、微細なＦｅ−Ｃ−Ｐ系
   化合物、炭化物、遊離黒鉛、および硫化マンガンが分散
   分布した組織を有するＦｅ基焼結合金からなり、かつ一
   方側端部の理論密度比を８７〜９７％とし、他方側部分
   の理論密度比を７９〜８５％としたことを特徴とする耐
   摩耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブガイド部材。
6. 【請求項６】 重量％で、 Ｃ：１〜４％、 Ｃｕ：１．５〜６％、 Ｐ：０．１〜０．８％、 Ｎｉ：０．１〜４％、 Ｃｒ：０．１〜４％、を含有し、さらに、 Ｍｎ：０．２〜４％、Ｓ：０．０５〜１％、を含有し、
   残りがＦｅと不可避不純物からなる組成、並びにパーラ
   イトを主体とする素地に、硬質のＦｅ−Ｃ−Ｐ系化合
   物、炭化物、遊離黒鉛、および硫化マンガンが分散分布
   した組織を有するＦｅ基焼結合金からなり、かつ両側端
   部の理論密度比を８７〜９７％とし、中央部分の理論密
   度比を７９〜８５％としたことを特徴とする耐摩耗性の
   すぐれたＦｅ基焼結合金製バルブガイド部材。
7. 【請求項７】 重量％で、 Ｃ：１〜４％、 Ｃｕ：１．５〜６％、 Ｐ：０．１〜０．８％、 Ｎｉ：０．１〜４％、 Ｃｒ：０．１〜４％、を含有し、さらに、 Ｍｏ：０．０５〜２％と、 Ｍｎ：０．２〜４％およびＳ：０．０５〜１％、を含有
   し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成、並びにパ
   ーライトを主体とする素地に、硬質のＦｅ−Ｃ−Ｐ系化
   合物、炭化物、遊離黒鉛、および硫化マンガンが分散分
   布した組織を有するＦｅ基焼結合金からなり、かつ一方
   側端部の理論密度比を８７〜９７％とし、他方側部分の
   理論密度比を７９〜８５％としたことを特徴とする耐摩
   耗性のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブガイド部材。
8. 【請求項８】 重量％で、 Ｃ：１〜４％、 Ｃｕ：１．５〜６％、 Ｐ：０．１〜０．８％、 Ｎｉ：０．１〜４％、 Ｃｒ：０．１〜４％、を含有し、さらに、 Ｍｏ：０．０５〜２％と、 Ｍｎ：０．２〜４％およびＳ：０．０５〜１％、を含有
   し、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成、並びにパ
   ーライトを主体とする素地に、硬質のＦｅ−Ｃ−Ｐ系化
   合物、炭化物、遊離黒鉛、および硫化マンガンが分散分
   布した組織を有するＦｅ基焼結合金からなり、かつ両側
   端部の理論密度比を８７〜９７％とし、中央部分の理論
   密度比を７９〜８５％としたことを特徴とする耐摩耗性
   のすぐれたＦｅ基焼結合金製バルブガイド部材。