JP2003201548A

JP2003201548A - 鉄系焼結合金製内燃機関用バルブガイド

Info

Publication number: JP2003201548A
Application number: JP2002004915A
Authority: JP
Inventors: Katsunao Chikahata; 克直近畑; Koichiro Hayashi; 幸一郎林; Katsuaki Sato; 克明佐藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Resonac Corp
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2003-07-18
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: US7040601B2; CN1612946A; JP4193969B2; CN1297679C; DE10297567B4; US20050040358A1; DE10297567T5; WO2003060173A1

Abstract

(57)【要約】【課題】軟窒化処理が施されていないバルブステムに
対しても優れた耐久性を有する鉄系焼結合金製の内燃機
関用バルブガイドを提供する。【解決手段】Ｃｕ：８〜２０質量％、Ｃ：０．８〜
１．５質量％、ＭｎＳ、ＷＳ_２およびＭｏＳ_２の少なく
とも１種：０．５〜２質量％を含有し、残部がＦｅの組
成で、気孔を有し、鉄のパーライト基地に銅相が分散し
た金属組織を有するとともに、基地および銅相の粒子間
に金属硫化物が分散している鉄系焼結合金製内燃機関用
バルブガイドである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗性に優れた
鉄系焼結合金製内燃機関用バルブガイドに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の吸気弁や排気弁に用いられて
いるバルブガイドは、多くが鉄系焼結合金製である。例
えば、特公昭５５−３４８５８号公報に記載されている
ように、炭素：１．５〜４質量％、銅：１〜５質量％、
錫：０．１〜２質量％、りん：０．１〜０．３質量％、
および鉄残部の組成で、鉄のパーライト基地中にＦｅ−
Ｃ−Ｐ三元合金の白色板結晶が析出し、黒鉛が分散した
焼結合金が挙げられる。この合金は切削加工性および耐
摩耗性に優れているため、自動車等のエンジンに使用さ
れている。また、吸排気弁のバルブステムの多くは、鉄
基耐食耐熱超合金(Corrosion-resisting and heat-resi
sting superalloy：ＪＩＳ記号ＮＣＦ)、耐熱鋼(Heat-r
esisting steel：ＪＩＳ記号ＳＵＨ)、高速度工具鋼（H
ight speed tool steel：ＪＩＳ記号ＳＫＨ）のような
合金、およびこれらの合金に軟窒化処理を施したものが
用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】バルブステムは、耐熱
耐摩耗性に加え、疲れ特性を向上させるために軟窒化処
理を施したものが好ましいものの、この処理は、毒性を
有するシアン化合物を含む溶融塩が用いられるので、取
り扱いや廃棄等に特段の管理を必要とし、環境衛生の問
題があることから、できれば軟窒化処理を施さない方が
望ましい。しかしながら、軟窒化処理を施さないバルブ
ステムは、処理したものより比較的耐摩耗性が低いの
で、鉄系焼結合金製バルブガイドおよびバルブステムに
摺動傷(scuffing)が生じ易く、摩耗が比較的速くなるお
それがある。特に、吸気側(intake)は、バルブガイドと
バルブステムの摺動部の摩耗を防ぐために多量の潤滑油
を供給すると、その潤滑油が下方の燃焼室に流れ込む
“オイル下がり”と呼ばれる現象が生じて潤滑油の消費
が多くなる。このため、エミッションへの悪影響が生
じ、これを回避するには潤滑油の量が適度になるように
焼結合金の多孔性や潤滑油の供給量を調整する必要があ
り、その結果、摩擦環境が比較的厳しくなっている。

【０００４】よって本発明は、軟窒化処理が施されてい
ないバルブステムに対しても優れた耐久性を有する鉄系
焼結合金製の内燃機関用バルブガイドを提供することを
目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｃｕ：８〜２
０質量％、Ｃ：０．８〜１．５質量％、ＭｎＳ、ＷＳ _２
およびＭｏＳ_２の少なくとも１種：０．５〜２質量％を
含有し、残部がＦｅの組成で、気孔を有し、鉄のパーラ
イト基地に銅相が分散した金属組織を有するとともに、
基地および銅相の粒子間に金属硫化物が分散しているこ
とを特徴としている。以下、本発明の構成の限定理由を
説明する。

【０００６】・鉄基地鉄基地は材料の強度、耐摩耗性等の基本的な性質を形成
するものであり、本発明では、純鉄粉に黒鉛粉の形で添
加された炭素が焼結中に拡散した鉄のパーライト組織と
する。鉄基地の結合炭素量は、鉄と炭素の共析の約０．
８％程度であり、大きなセメンタイトが析出しているよ
うなものは好ましくない。添加された黒鉛粉の一部は遊
離炭素として残留しているものも包含される。

【０００７】・Ｃ焼結合金中の全炭素量は、バルブガイドの圧環強さ、切
削性、バルブガイドおよびバルブステムの摩耗量に影響
をおよぼす。バルブガイドの切削性は全炭素量が少ない
ほど良い結果となる。圧環強さは全炭素量が約１質量％
のとき最も高くなり、これよりも含有量が多くても少な
くても低くなり、１．５％を超える含有量は好ましくな
い。バルブガイドおよびバルブステムの摩耗量は、全炭
素量の約１質量％のとき最も少なく、０．８質量％より
少ないと摩耗が増加する。これらのことから、摩耗量が
少なく、圧環強さが高く、切削性が良い全炭素量の範囲
は、０．８〜１．５質量％とする。

【０００８】・Ｃｕ銅は焼結合金の鉄基地の間に斑点状に分散した状態と
し、バルブステムとのなじみ性、耐摩耗性を良くする。
銅は銅粉の形で添加されると好ましい。そのために用い
る銅粉は、銅の分散状態を得るために、粒度が比較的粗
いものが好ましい。例えば、粒度が１００メッシュ篩下
でサブシーブ粉の量が１０〜３０質量％のものである。
銅は、焼結によって鉄粒子に僅かには拡散するが、組織
上は実質純銅を形成させる。焼結温度は、強度を確保す
る上で銅の融点よりやや高い１１００〜１１３０℃程度
とし、保持時間によって、銅が鉄に多く拡散することを
抑制するとともに、前記した炭素が鉄に約０．８質量％
程度固溶させるようにする。銅の含有量もまた、各種特
性に影響を及ぼす。切削性は、銅の含有量が多いほど良
くなる。圧環強さは銅の含有量が多いほど低下する。バ
ルブガイドおよびバルブステムの摩耗量は、銅の含有量
が約１５質量％において最も良く、５質量％では摩耗量
が増加する。これらのことから、摩耗量が少なく、圧環
強さが実用上充分で、切削性が良い範囲として、銅の含
有量は８〜２０質量％とする。

【０００９】・金属硫化物（ＭｎＳ、ＷＳ_２、Ｍｏ
Ｓ_２）前記したパーライト組織の鉄基地に銅が８〜２０質量％
分散した組織を有する鉄系焼結合金製バルブガイドで
も、従来の鉄系焼結合金製バルブガイドよりも圧環強さ
が高く、焼き付き摩耗を生じないが、耐摩耗性や被削性
が従来の鉄系焼結合金より劣る。これを改善するには、
潤滑物質を含有させると良い。潤滑物質として、硫化マ
ンガン（ＭｎＳ）、二硫化タングステン（ＷＳ_２）、二
硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、エンスタタイト（ＭｇＳ
ｉＯ_３）、窒化棚素（ＢＮ）、弗化カルシウム（Ｃａ
Ｆ）等が挙げられるが、これらを比較すると、圧環強さ
の低下が少なく、耐摩耗性が最も優れているのは金属硫
化物であり、特に硫化マンガンが優れている。金属硫化
物の含有量が増加すると、切削性が向上し、圧環強さが
低下する。バルブガイドおよびバルブステムの摩耗量
は、金属硫化物の含有量が約１〜１．５質量％では少な
く、０．５質量％より少ないと増加する。また、金属硫
化物の含有量が３％でも摩耗量が増加する。これらのこ
とから、摩耗量が少なく、圧環強さが実用上充分で、切
削性が良い範囲として、金属硫化物の含有量は０．５〜
２質量％とする。

【００１０】・バルブガイドの密度含油能がある気孔と強度を満足する密度としては、６．
４〜６．８ｇ／ｃｍ^３である。

【００１１】

【実施例】以下、実施例を示して本発明をより詳細に説
明する。（１）焼結合金試料の作製および性能試験［実施例］ａ）原料粉末・鉄粉：川崎製鉄製ＫＩＰ−３００Ａ粒度−１００
メッシュ篩下・銅粉：ジャパンエナジー製＃３５粒度−１００メ
ッシュ篩下・黒鉛粉：日本黒鉛工業製ＣＰＢ粒度−１５０メッ
シュ篩下・固体潤滑剤粉：硫化マンガン（ＭｎＳ）、二硫化タン
グステン（ＷＳ_２）、二硫化モリプデン（ＭｏＳ_２）、
エンスタタイト（ＭｇＳｉＯ_３）、窒化棚素（ＢＮ）、
弗化カルシウム（ＣａＦ）・ステアリン酸亜鉛粉

【００１２】ｂ）混合粉末上記原料粉末を用い、下記の試料１〜７の混合粉末を調
製した。添加量は質量％である。また、ステアリン酸亜
鉛は全ての試料に添加するものとし、追加で０．７５％
とした。・試料１：８９％鉄粉＋１０％銅粉＋１％黒鉛・試料２：９９％試料１＋１％ＭｎＳ・試料３：９９％試料１＋１％ＷＳ_２・試料４：９９％試料１＋１％ＭｏＳ_２・試料５：９９％試料１＋１％ＭｇＳｉＯ_３・試料６：９９％試料１＋１％ＢＮ・試料７：９９％試料１＋１％ＣａＦ

【００１３】ｃ）粉末成形、焼結上記試料粉末１〜７を、円筒状のバルブガイド形状に圧
縮成形し、成形体を、還元性ガス中にて加熱最高温度１
１３０℃で焼結した。性能を評価するための各試料の密
度を６．６ｇ／ｃｍ^３とした。各焼結体は、全炭素量が
０．９５質量％で、顕微鏡組織による鉄は全面がパーラ
イト（結合炭素量が約０．８％）であり、斑点状に銅が
認められた。

【００１４】［比較例］前記した従来の焼結合金製のバ
ルブガイドを比較例の試料とした。比較例の試料は、鉄
粉、銅錫合金粉、りん鉄合金粉、黒鉛粉がそれぞれ所定
量配合された混合粉を圧縮成形、焼結したものである。
比較例の焼結体は、炭素：２質量％、銅：３質量％、
錫：１質量％、りん：０．２質量％、および鉄残部の組
成で、鉄のパーライト基地中にＦｅ−Ｃ−Ｐ三元合金の
白色板結晶が析出し、黒鉛が分散していた。

【００１５】上記試料１〜７および比較例の焼結体から
なるバルブガイドにつき、以下の試験を行った。・圧環強さ（ＭＰａ）ＪＩＳＺ２５０７−１９７９焼結含油軸受の圧環強さ
試験法によって圧環強さを測定した。・被削性試験内径寸法が６．４ｍｍの各バルブガイドに、４００℃に
おける動粘度が５６ｃＳｔのタービン油を含浸させ、こ
れをハウジングの孔に圧入して、ボール盤の基台に固定
する。ボール盤には外径７ｍｍの超硬製のリーマを装着
し、リーマの回転数１０００ｒｐｍ、荷重３１Ｎで焼結
体の内孔に挿入する。被削性は、軸方向距離１０ｍｍを
リーマ加工できる切削時間（秒）で評価した。・摩耗試験リーマ加工したバルブガイドを試験機に固定し、マルテ
ンサイト系耐熱鋼ＳＵＨ１１（ＪＩＳＧ４３１１）
で軟窒化処理を施さないバルブステムを用い、外周環境
温度５００℃、バルブステム回転数３０００ｒｐｍ、ラ
ジアル荷重３ｋｇｆで１０時間運転した後のバルブガイ
ドの内径摩耗量（μｍ）およびバルブステムの摩耗量
（μｍ）を測定した。

【００１６】表１に、圧環強さと摩耗量の結果を示す。
表１では、比較例の試料の特性を１００とした場合の指
数で実施例の各試料の特性を示している。なお、ＶＧは
バルブガイド、ＶＳはバルブステムである。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１によれば、比較例の試料のバルブガイ
ドに比べて、金属硫化物を含む実施例の試料の特性が優
れていることが認められる。特に試料２のＦｅ−１０％
Ｃｕ−０．８５％Ｃ−１％ＭｎＳ材料が最も優れてい
る。なお、被削性試験のリーマ加工時間は、比較例の試
料を指数１００としたとき試料２が指数７８であり、試
料２の方が優れている。

【００１９】（２）Ｃｕ、ＣおよびＭｎＳの含有量の比
較次に、上記試料２におけるＣｕ、ＣおよびＭｎＳのそれ
ぞれの含有量の違いとバルブガイドの特性について比較
し、Ｃｕ、Ｃおよび金属硫化物の含有量の適正値を決定
した。そのための圧環強さおよび被削性試験の方法は上
記と同様であるが、摩耗試験は上記の条件より荷重を高
く、かつ時間を長くしており、ラジアル荷重を５ｋｇｆ
とし、運転時間が３０時間とした。また、比較にあたっ
ては、上記試料２を１００とする指数で示す。ここで、
発明の限定範囲決定基準は、切削時間が指数１２０以
下、圧環強さが指数６０以上、バルブガイドの摩耗量が
指数１４０以下、バルブステムの摩耗量が指数２５０以
下とする。このうち、バルブステムの摩耗量は数μｍ程
度なので、指数が比較的大きくても許容されるものとす
る。

【００２０】ａ）Ｃｕ含有量の比較Ｆｅ−１％Ｃ−１％ＭｎＳを一定とし、Ｃｕの含有量を
５％、１０％、１５％、２０％の４種類のバルブガイド
の試料を作製した。これら試料の試験結果を表２に示
す。

【００２１】

【表２】

【００２２】表２に示すように、Ｃｕ含有量は１０〜１
５質量％が良好である。Ｃｕ含有量が増加すると被削性
が良くなる一方、圧環強さは低くなる。また、バルブガ
イドの摩耗量はＣｕ含有量が１０〜１５質量％の場合に
少なくなり、それより多くても少なくても増加する。バ
ルブステムの摩耗量は全て許容範囲内にある。これらの
ことからＣｕ含有量は、バルブガイド摩耗量および被削
性を考慮し、８〜２０質量％の範囲とする。

【００２３】ｂ）Ｃ含有量の比較Ｆｅ−１０％Ｃｕ−１％ＭｎＳを一定とし、Ｃの含有量
が０．８％、１％、１．２％、１．５％の４種類のバル
ブガイドの試料を作製した。これら試料の試験結果を表
３に示す。

【００２４】

【表３】

【００２５】表３に示すように、Ｃ含有量は１〜１．２
質量％が良好である。Ｃ量が多くなると被削性が悪くな
る。圧環強さおよび耐摩耗性は１％Ｃのとき最も高く、
含有量がそれより多くても少なくても低下する傾向を示
す。組織上からみた鉄との結合炭素量は０．８％程度で
あるから、残部Ｃはセメンタイトおよび遊離炭素として
析出するが、セメンタイトは硬質で脆い組織であるた
め、炭素量の増加に伴い被削性が低下し、ステムを摩耗
させると同時に摩耗粉が研磨粒子として作用してバルブ
ガイド自体を摩耗させるものと考えられる。これらの特
性はそれぞれ許容範囲以内にあり、Ｃ含有量は、０．８
〜１．５質量％の範囲とする。

【００２６】ｃ）ＭｎＳ含有量の比較Ｆｅ−１０％Ｃｕ−１％Ｃを一定とし、ＭｎＳの含有量
を０．５％、１％、１．５％、２％および３％の５種類
のバルブガイドの試料を作製した。これら試料の試験結
果を表４に示す。

【００２７】

【表４】

【００２８】表４に示すように、ＭｎＳ含有量は１〜２
質量％が良好である。ＭｎＳの含有量が多くなると圧環
強さが低下し、被削性が向上する。耐摩耗性は、ＭｎＳ
含有量が１〜１．５質量％のとき良好で、それより多く
ても少なくても悪くなる傾向を示す。ＭｎＳの含有量が
３質量％ではバルブガイド、バルブステムともに摩耗量
が多くなる。このことからＭｎＳ含有量は、０．５〜２
質量％の範囲とする。

【００２９】以上のように、本発明のバルブガイドによ
れば、パーライト組織の鉄基地に比較的軟質な銅が適度
に分散していることにより、バルブステムとのなじみ性
が良くなり、摺動傷摩耗が起こり難くなるのに加え、金
属硫化物の潤滑効果によってバルブガイドの耐摩耗性お
よび相手材のバルブステムを攻撃しにくいものとなる。
これによって、軟窒化処理が施されていないバルブステ
ムにも適する特性を示しているものと考えられる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の鉄系焼結
合金製バルブガイドによれば、軟窒化処理が施されてい
ないバルブステムに対しても優れた耐久性を有し、した
がって、バルブステムの軟窒化処理が不要となって自然
環境を悪化させないといった効果が奏される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤克明埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｕ：８〜２０質量％、Ｃ：０．８〜
１．５質量％、ＭｎＳ、ＷＳ_２およびＭｏＳ_２の少なく
とも１種：０．５〜２質量％を含有し、残部がＦｅの組
成で、気孔を有し、鉄のパーライト基地に銅相が分散し
た金属組織を有するとともに、基地および銅相の粒子間
に金属硫化物が分散していることを特徴とする鉄系焼結
合金製内燃機関用バルブガイド。
【請求項２】軟窒化処理が施されていない鉄基耐食耐
熱超合金、耐熱鋼、または高速度工具鋼のバルブステム
との組み合わせで用いられる請求項１に記載の鉄系焼結
合金製内燃機関用バルブガイド。