CN104279019B - 气门座及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气门座及其制造方法。本发明提供高效率发动机中使用的具有高的气门冷却能力和耐磨损性的压入型气门座。在由热导率为100W/(m·K)以上的Cu或Cu基合金构成的基材环的工作面部上直接堆焊由Co基合金构成的薄片层。

Description

气门座及其制造方法
技术领域
本发明涉及发动机的气门座及其制造方法，特别是涉及能够抑制气门温度上升的压入型高传热气门座及其制造方法。
背景技术
近年来，作为兼顾汽车发动机的因应对环境而产生的燃烧效率的提高和高性能化的手段，正在推进使发动机的排气量降低20～50％的所谓小型化，并且在直喷发动机中组合涡轮增压作为实现高压缩比的技术。这些发动机的高效率化必然带来发动机温度的上升，但是温度的上升会引起导致输出功率下降的爆震，因此，特别需要提高气门周边部件的冷却能力。
作为提高冷却能力的方法，关于发动机气门，专利文献1公开了使气门的轴部空心化并在其空心部分中封入金属钠(Na)的发动机气门的制造方法。另外，关于气门座，专利文献2采用了使用激光这样的高密度加热能量直接堆焊到铝(A1)合金制气缸盖上(以下称为“激光熔覆法”)这样的提高气门冷却能力的方法，并教导了在铜(Cu)基基体中分散有Fe-Ni系硅化物和硅化物的粒子并且在Cu基初晶中固溶有Sn和Zn中的一种或两种的堆焊用分散强化Cu基合金作为该气门座合金。
上述封入有金属钠的发动机气门与实心气门相比，使发动机驱动时的气门温度降低约150℃的程度(作为气门温度为约600℃)，另外，通过激光熔覆法得到的Cu基合金气门座使实心气门的气门温度降低约50℃的程度(作为气门温度为约700℃)，能够防止爆震。然而，封入有金属钠的发动机气门在制造成本方面存在困难，除了部分车辆以外尚未得到广泛使用。Cu基合金气门座还存在Cu基合金由于撞击磨损而优先凝结、因而耐磨损性不充分的问题，进而还会产生由于直接堆焊在气缸盖上而需要气缸盖加工生产线的大幅修改和设备投资的问题。
专利文献3的目的在于提供能够将气门、燃烧气体的热量高效地传递至冷却系统从而提高发动机性能的耐久性高的气门座作为压入型气门座，并公开了一种在由热导率高且刚性高的材料构成的底座环的工作面部接合有由耐磨损性高的材料构成的薄壁的耐磨损环的气门座。具体而言，教导了Cu合金和Al合金作为底座环的材料，并教导了Fe基烧结合金、Fe基铸造合金作为耐磨损环的材料，但是对于将该耐磨损环接合到底座环上的方法没有任何教导。
专利文献1：日本特开平7-119421号公报
专利文献2：日本特开平3-60895号公报
专利文献3：日本特开平7-279627号公报
发明内容
鉴于上述问题，本发明的课题在于提供在高效率发动机中使用的具有高的气门冷却能力和耐磨损性的压入型气门座，具体而言，本发明的课题在于提供具有可与通过激光熔覆法得到的Cu基合金气门座相匹敌的气门冷却能力的压入型气门座。本发明的课题还在于提供该压入型气门座的制造方法。
本发明人对压入到Al合金制气缸盖的压入型气门座进行了深入研究，结果发现，通过形成在热导率高的基材环的工作面部上直接堆焊有耐磨损性高的硬质合金的薄片层的结构并且选择Cu或Cu基合金作为基材环且选择Co基合金作为薄片层，能够避免在基材环与薄片层的界面形成复杂的中间层，能够得到气门冷却能力高的压入型气门座。
即，本发明的气门座为压入到Al合金制气缸盖的气门座，其特征在于，在由热导率为100W/(m·K)以上的Cu或Cu基合金构成的基材环的工作面部上直接堆焊有由Co基合金构成的薄片层。上述Cu基合金优选以质量％计含有Cr：0.5～1.5％且余量由Cu和不可避免的杂质构成，上述Co基合金优选以质量％计含有Cr：20.0～35.0％、W：2.0～15.0％、C：0.8～2.0％且余量由Co和不可避免的杂质构成或者以质量％计含有Cr：5.0～20.0％、Mo：25.0～30.0％、C：大于0且小于0.08％、Si：2.2～3.6％且余量由Co和不可避免的杂质构成。
另外，上述气门座的高度h相对于厚度a的比(h/a)优选为1.5～4，另外，上述薄片层的厚度t优选为0.05～0.2mm。
此外，本发明的气门座的制造方法为压入到Al合金制气缸盖的气门座的制造方法，其特征在于，通过高速火焰喷涂法或激光金属沉积法在由热导率为100W/(m·K)以上的Cu或Cu基合金构成的基材环的工作面部上直接堆焊由Co基合金构成的薄片层。
发明效果
对于本发明的气门座而言，通过在由热导率为100W/(m·K)以上的Cu或Cu基合金构成的基材环的工作面部上直接堆焊由Co基合金构成的薄片层，能够避免在基材环与薄片层的界面形成复杂的中间层，即能够形成热传递特性高的薄片层/基材环界面，从而能够制成气门冷却能力高的压入型气门座。另外，通过限定薄片层的合金组成，能够形成耐热性和耐磨损性优良的工作面部。进而，通过调节气门座的高度h相对于厚度a的比(h/a)和由硬质合金构成的薄片层的厚度t，能够提高气门冷却能力。由此，能够得到具有与通过激光熔覆法得到的Cu基合金气门座相匹敌的气门冷却能力的压入型气门座，特别是能够在不采用昂贵的封入有金属Na的气门或不修改气缸盖加工生产线的情况下通过减少爆震等发动机的异常燃烧而有助于高压缩比、高效率发动机的性能提升。
附图说明
图1是表示压入到气缸盖的本发明的气门座与发动机气门的工作面彼此接触的状态的局部截面图。
图2是将本发明的气门座与现有的气门座比较并示意性地表示从气门中心至水冷气缸盖的温度分布的图。
图3是将图1的一部分放大的截面图。
图4是示意性地表示高速火焰喷涂的枪的结构的截面图。
图5是示意性地表示激光金属沉积法中的喷嘴前端部的截面图。
图6是表示台架试验机的概要的图。
标号说明
1 基材环
2 薄片层
3 气门
4 气缸盖
5 粉末喷射器
6 内嵌件
7 壳
8 气帽
9 激光束
10 原料粉末流
11 保护气体
21 燃烧器
22 凸轮
23 气门
24 气门座支架
25 热电偶
26 温度记录器
具体实施方式
如图1所示，本发明的气门座的特征在于，被压入到经水冷后的Al合金制气缸盖4，在由热导率为100W/(m·K)以上的Cu或Cu基合金构成的基材环1的工作面部上直接堆焊有由Co基合金构成的薄片层2。气门3的热被传递至气门座的薄片层2，从薄片层2内、薄片层2与基材环1的界面、基材环1内、基材环1与气缸盖4的界面通过而传导、传递至经水冷后的气缸盖4内。基材1基本上由热导率高的Cu或Cu基合金构成，薄片层2也是热导率越高越优选，但是薄片层2要求更高的耐热性和耐磨损性，因此由Co基合金构成。对于金属而言，热导率主要受晶粒内的自由电子的运动所支配，因此，固溶元素越少，则热导率越高。从这一点而言，即使Cu和Co在高温下部分固溶，在400℃以下也几乎不会相互固溶，因而成为优选的组合。在由Cu或Cu基合金构成的基材环1上堆焊Co基合金时，即使形成了基材的熔融区域，也不会形成复杂的中间层，而是成为Cu与Co的混合组织，不会使Cu或Cu基合金的热导率显著下降。由Cu基合金构成的基材环1的热导率为100W/(m·K)以上。当然优选为150W/(m·K)以上，如果为200W/(m·K)则更为优选。
基材环1的Cu基合金优选热导率高、高温硬度优良的Cu-Cr合金，此时，Cr以质量％计优选为0.5～1.5％。Cr在高温下也会轻微地固溶在Cu中，但如果被冷却则成为Cu与Cr的混合组织，不会对Cu的热导率产生不良影响。另外，从耐磨损性的观点出发，薄片层2的Co基合金优选为Co-Cr-W-C系合金或Co-Cr-Mo-C-Si系合金，在Co-Cr-W-C系合金的情况下，优选以质量％计含有Cr：20.0～35.0％、W：2.0～15.0％、C：0.8～2.0％，余量由Co和不可避免的杂质构成；在Co-Cr-Mo-C-Si系合金的情况下，优选以质量％计含有Cr：5.0～20.0％、Mo：25.0～30.0％、C：大于0且小于0.08％、Si：2.2～3.6％，余量由Co和不可避免的杂质构成。对于这些合金而言，在固溶有Cr的Co基体中分散有硬质碳化物相，显示出优良的耐磨损性。
图2示意性地示出了从气门的中心至Al合金制气缸盖的水冷端的温度分布。将本发明的气门座与现有的铁基烧结合金的气门座进行了对比，在此，在直到气缸盖侧的气门座与气缸盖之间的界面为止，其冷却能力视为相同。从气门座的温度梯度来看，对于现有的气门座而言，热导率为约20W/(m·K)，冷却能力低，因此温度梯度增大，对于本发明的气门座而言，热导率为100W/(m·K)以上，冷却能力高，因此温度梯度减小。由该差异导致的气门工作面的温度的差为气门中心温度的差。本发明的气门座由薄片层2和基材环1构成，因此，温度梯度也为两段。
气门座的薄片层2和基材环1的热导率当然期望是高的热导率，但是为了提高气门的冷却能力，如图3所示，期望薄片层2与基材环1的界面I1以及基材环1与气缸盖4的界面I2的热传递是高效的(图2的I1与I2之间的间隙小)。界面I1和界面I2处的热传递由下式表示。
Q1＝h1S1ΔT1 (1)
Q2＝h2S2ΔT2 (2)
此处，Q1(W)、h1(W/(m2·K))、S1(m2)、ΔT1(K)分别表示从界面I1转移的热量、传热系数、传热面积、温度差，Q2(W)、h2(W/(m2·K))、S2(m2)、ΔT2(K)分别表示从界面I2转移的热量、传热系数、传热面积、温度差。传热系数h1越大，薄片层2与基材环1的界面I1处的传热量Q1越多。从这一点而言，若存在中间层、扩散层，则传热系数h1显著下降，因此，为了将薄片层2直接堆焊在基材环1上并且不使基材环1与薄片层2相互固溶而使热导率下降，将它们分别设定为由Cu基合金和Co基合金构成。另外，从温度差ΔT1的观点考虑，可认为基材1的热导率越高，则ΔT1越大，引起传热量Q1增加。
另一方面，由式(2)可知，如果使传热系数h2恒定(在压入型气门座的情况下，传热系数还受到压入面的表面状态、应力状态影响，但此处设为恒定)，则基材环1与气缸盖4的界面I2的传热量Q2与传热面积S2和温度差ΔT2成比例。界面I2的传热面积S2和温度差ΔT2均为越大越优选，但若基材环1的体积减小，则传热面积减小，温度差ΔT2增加。若考虑到工作面，则基材环1的厚度a不能太小，因此，就对传热量Q2的影响而言，基材环1的高度h越小，则温度差ΔT2越大，温度差ΔT2的增加所引起的传热量Q2的增加量在传热面积S2的减少所引起的传热量Q2的减少量以上。对于本发明的气门座而言，基材环1的高度h相对于厚度a的比(h/a)优选为1.25～4。比(h/a)更优选为1.5～4，进一步优选为1.5～2。
另外，薄片层2要求具备耐热性和耐磨损性，但考虑到热传导，则在能够保持耐磨损性的范围内，优选薄片层2的厚度t薄。上述薄片层2的厚度t优选为0.05～0.2mm。更优选为0.05～0.17mm，进一步优选为0.05～0.14mm。
在本发明的气门座的制造方法中，通过高速火焰喷涂法或激光金属沉积法在由热导率为100W/(m·K)以上的Cu或Cu基合金构成的基材环的工作面部上直接堆焊由Co基合金构成的薄片层。上述基材环在进行堆焊时也可以进行预热，预热温度优选为150～300℃，更优选为180～250℃。
高速火焰喷涂(高速氧火焰(HVOF)喷涂)使用如图4所示的结构的喷涂枪，以被在粉末喷射器5与内嵌件6之间和壳7与气帽8之间流动的压缩空气夹着的形式使在内嵌件6与壳7之间流动的高压丙烯气体与氧气的混合气体燃烧而形成高速火焰。将以成为期望组成的薄片层的方式配合的原料粉末与氮气一起从粉末喷射器5投入其中，并从前端喷射而形成喷涂薄片层。高速火焰喷涂与等离子体喷涂相比，火焰温度低，因此，能够以大致维持原料尺寸的状态进行喷涂，可以形成薄片层的厚度薄、微细且致密的组织。
另外，如图5所示，激光金属沉积以激光束9为中心从周围供给原料粉末10，从而熔融堆焊期望组成的薄片层2。需要说明的是，在原料粉末的流路的外侧流动有氩气作为保护气体。激光金属沉积法中，将激光束聚集得较细，因此，能够以厚度薄至约0.2mm～约0.5mm的方式进行堆焊，并且热输入也少，因此，也可以将对基材环1产生的影响抑制得较小。
实施例
实施例1
由含有1.2质量％的Cr的Cu基合金制作具有自轴向倾斜45°的工作面的外径为25mmφ、内径为21mmφ、高度为6mm的基材环，将具有以质量％计为Cr：8.5％、Mo：28.5％、Si：2.5％、C：0.05％且余量由Co构成的Co基合金(以下称为“Co基合金A”)的组成、平均粒径为63μm的粉末通过激光输出功率为1.5kW的输出功率的激光金属沉积法直接堆焊在基材环的工作面上，形成厚度约0.3mm的薄片层。进而，将工作面的薄片层厚度加工至0.2mm，制成气门座样品。
气门冷却能力(气门温度)的测定
使用图6所示的台架试验机测定气门温度，对气门冷却能力进行评价。气门座样品通过压入到相当于气缸盖的材料(Al合金、AC4A材料)的气门座支架24而设置到试验机中，台架试验如下进行：利用燃烧器21对气门23(SUH合金、JIS G4311)进行加热的同时，随凸轮22的旋转运动而使气门23升降。气门冷却能力如下进行：通过使燃烧器21的空气及气体的流量和燃烧器位置恒定而使热输入恒定，利用温度记录器测量气门的伞中心部的温度。燃烧器21的空气及气体的流量(升/分钟)分别设定为90、5.0，凸轮转速设定为2500rpm。运转开始15分钟后，测定饱和的气门温度。
比较例1
使用含有10体积％的由Fe-Mo-Si合金构成的硬质粒子的Fe基烧结合金制作形状与实施例1相同的气门座样品。另外，该Fe基烧结合金的热导率为约20W/(m·K)。与实施例1同样地通过台架试验进行气门温度的测定，结果为超过800℃的高温。
在先测定的实施例1的气门温度比比较例1的气门温度低53℃，显示出-50℃以上的气门冷却能力。气门温度的绝对温度因加热条件等而变化，因此，在本申请实施例中，代替用绝对温度进行评价，通过从比较例1的气门温度起算的温度下降量(用“-”表示下降)来评价气门冷却能力。
实施例2～7
如表1所示改变薄片层的材质和厚度、基材环的尺寸(高度、h/a，但是外径尺寸保持为25mmφ，厚度a的变更通过改变内径尺寸来进行)，除此以外，与实施例1同样地制作气门座样品，与实施例1同样地通过台架试验进行气门温度的测定。将其结果包括实施例1的结果在内一起示于表1中。可知，若减小气门座的高度h、即减小气门座的高度h相对于厚度a的比(h/a)，则气门冷却能力提高。另外，薄片层的材质A～D几乎不会使气门冷却能力产生差异。
表1
其中，“激光”表示激光金属沉积法，“材质A”表示Cr：8.5％、Mo：28.5％、Si：2.5％、C：0.05％、余量为Co，“材质B”表示Cr：28％、W：4％、C：1.1％、余量为Co，“材质C”表示Cr：30％、W：8％、C：1.6％、余量为Co，“材质D”表示Cr：18％、Mo：28％、Si：3.4％、C：0.03％、余量为Co。另外，各材质的粉末的平均粒径在60～70μm的范围内。
实施例8～15
将基材环的材质变更为99.9％的Cu，按照表2所示的薄片层的材质和厚度以及基材环尺寸，与实施例1同样地制作气门座样品，与实施例1同样地通过台架试验进行气门温度的测定。其结果示于表2中。可以确认，将基材环的材质变为99.9％的Cu而使基材环的热导率提高至400W/(mK)，薄片层的厚度、气门座的尺寸(h/a)对气门冷却能力产生影响。
表2
实施例16
由与实施例1同样的含有1.2质量％的Cr的Cu基合金制作具有自轴向倾斜45°的工作面的外径为25mmφ、内径为21mmφ、高度为6mm的基材环，通过喷砂处理将工作面的表面粗糙度(Rzjis)调节为约20μm。接着，将具有以质量％计为Cr：30％、W：8％、C：1.6％且余量由Co构成的Co基合金(材质C)的组成、平均粒径为68μm的粉末通过火焰速度为1400m/秒的高速火焰喷涂直接堆焊在基材环的工作面上，形成厚度为约0.5mm的薄片层。进而将工作面的薄片层厚度加工至0.1mm而制成气门座样品。与实施例1同样地，通过台架试验进行气门温度的测定，结果，相对于比较例1显示出-60℃的气门冷却能力。
实施例17～19
按照表3所示变更薄片层的材质和厚度、基材环的材质和尺寸(高度、h/a)(薄片层的材质A和B与实施例1和2的材质相同)，除此以外，与实施例16同样地制作气门座样品，与实施例1同样地通过台架试验进行气门温度的测定。将其结果包括实施例16的结果在内一起示于表3中。
表3
发动机试验
对于实施例1、4、16和比较例1的气门座原材料，利用1.2L直列三缸、带有机械增压器的直喷式汽油发动机以4000rpm、满负荷的状态进行5小时的发动机试验。上述的气门座原材料压入铝气缸盖的排气口部，通过机械加工对工作面进行加工，使薄片层的厚度为约0.1mm。另外，在进气口部使用铁基烧结合金制气门座。在5小时的试验期间内，在使用比较例1的气门座的情况下，发生了多次因爆震现象导致的输出功率下降，与此相对，在实施例3、10、16的气门座的情况下，未发生因爆震等导致的输出功率下降。

Claims (6)

1.一种气门座，其为压入到Al合金制气缸盖的气门座，其特征在于，在由热导率为100W/(m·K)以上的Cu或Cu基合金构成的基材环的工作面部上直接堆焊有由Co基合金构成的薄片层，所述气门座的高度h相对于厚度a的比即h/a为1.5～4。
2.如权利要求1所述的气门座，其特征在于，所述Cu基合金以质量％计含有Cr：0.5～1.5％，余量由Cu和不可避免的杂质构成。
3.如权利要求1或2所述的气门座，其特征在于，所述Co基合金以质量％计含有Cr：20.0～35.0％、W：2.0～15.0％、C：0.8～2.0％，余量由Co和不可避免的杂质构成。
4.如权利要求1或2所述的气门座，其特征在于，所述Co基合金以质量％计含有Cr：5.0～20.0％、Mo：25.0～30.0％、C：大于0且小于0.08％、Si：2.2～3.6％，余量由Co和不可避免的杂质构成。
5.如权利要求1或2所述的气门座，其特征在于，所述薄片层的厚度t为0.05～0.2mm。
6.一种气门座的制造方法，其为压入到Al合金制气缸盖的气门座的制造方法，其特征在于，通过高速火焰喷涂法或激光金属沉积法在由热导率为100W/(m·K)以上的Cu或Cu基合金构成的基材环的工作面部上直接堆焊由Co基合金构成的薄片层，
所述气门座的高度h相对于厚度a的比即h/a为1.5～4。
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