CN105452507A - 烧结合金制阀导承及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

为了提供能够用于基于小型化、直接喷射高增压化的热载荷大的发动机的阀导承的具有高传热性和优异的耐摩耗性的烧结合金制阀导承，该烧结合金的组成以质量％计含有Cu：10～90％、Cr：0～10％、Mo：0～6％、V：0～8％、W：0～8％、C：0.5～3％，余量由Fe及不可避免的杂质构成，且上述Cr、Mo、V及W的总量为2％以上，并且该烧结合金的组织由以Fe为主成分的Fe基合金相、Cu相或以Cu为主成分的Cu基合金相、及石墨相构成。

Description

烧结合金制阀导承及其制造方法
技术领域
本发明涉及引导发动机的阀的开闭的阀导承及其制造方法，尤其涉及能够抑制阀温度的上升的高传热阀导承及其制造方法。
背景技术
汽车发动机用阀导承以往为铸造物，但是活用粉末冶金工艺法的准精化(nearnetshape)、无加工的特征而取代之的是烧结合金部件，其生产量也显示出高增长率。作为烧结合金制阀导承的一例，日本特开平6－306554了在具有如下组成且以珠光体为主体的基体中分散有Fe-C-P化合物和游离石墨的烧结合金制阀导承，所述组成以重量％计含有C：1～4％、Cu：1.5～6％、P：0.1～0.8％、且余量由Fe及不可避免的杂质构成。
另一方面，在近年的汽车用汽油发动机中，面向低燃耗、低排放、高输出功率而通过小型化、直接喷射高增压等各种技术的组合来实现燃烧效率的改善。燃烧效率的改善会降低各种损失，尤其损失比例大的排气损失受到注目，作为该降低技术，尝试了高压缩化。高压缩化必然会带来发动机温度的上升，并伴有产生爆震(knocking)等异常燃烧的风险，因此需要燃烧室内的冷却对策。尤其在周边温度处于高温的排气侧阀周边，需要进行冷却改善，对担负阀冷却功能的阀导承也要求高阀冷却能力。
作为阀冷却能力高的阀导承材，可列举例如黄铜制的阀导承，但是存在耐摩耗性的不足等材料物性上的问题、与以往一直使用的铁基的阀导承相比加工费用增加等成本上的问题。因此，需要具有高阀冷却能力和耐摩耗性且还能满足成本的烧结合金制阀导承。
日本特开平11－323512公开了一种铁基烧结合金制阀导承，其作为在近年的高性能化、高燃耗化的发动机中具有比以往更优异的耐摩耗性的铁基烧结合金制阀导承，通过将Fe粉末、C粉末及Cu-Ni合金粉末混合并进行成形、烧结而得到，该铁基烧结合金制阀导承具有如下组织：以重量％计含有Cu：20～40％、Ni：0.6～14％、C：1.0～3.0％，且余量由Fe及不可避免的杂质构成，该铁基烧结合金制阀导承具有如下组织：在将以Fe为主成分的Fe基合金相用以Cu为主成分的Cu基合金相接合而成的基体中析出分散有平均粒径：30μm以下的微细的游离石墨相。
发明内容
发明要解决的课题
鉴于上述问题，本发明的课题在于提供能够用于基于小型化、直接喷射高增压化的热载荷大的发动机的阀导承的具有高传热性和优异的耐摩耗性的烧结合金制阀导承。进而，其课题还在于提供该烧结合金制阀导承的制造方法。
用于解决课题的手段
本发明人对发动机用烧结合金制阀导承进行深入研究，结果想到：通过在包含选自Cr、Mo、W、V的元素的Fe基合金粉末中使用经过Cu涂敷的粉末，从而得到兼具耐摩耗性和高导热性两者的烧结合金制阀导承。
即，本发明的烧结合金制阀导承，其特征在于，其具有如下组成：以质量％计Cu：10～90％、Cr：0～10％、Mo：0～6％、V：0～8％、W：0～8％、C：0.5～3％、余量由Fe及不可避免的杂质构成，且上述Cr、Mo、V及W的总量为2％以上，并且其具有如下组织：由以Fe为主成分的Fe基合金相、Cu相或以Cu为主成分的Cu基合金相、及石墨相构成。上述Fe基合金相优选包含Fe-Mo-C合金、Fe-Cr-Mo-V-C合金、Fe-Cr-V-W-C合金、或Fe-Cr-Mo-V-W-C合金构成，并且优选具有如下组成：以质量％计Cr：0～10％、Mo：0～6％、V：0～8％、W:0～8％、C：0.5～1％、余量由Fe及不可避免的杂质构成，且上述Cr、Mo、V及W的总量为2％以上。
上述Cu相或以Cu为主成分的Cu基合金相优选形成连续的组织，并且，上述Cu相或以Cu为主成分的Cu基合金相优选具有200W/(m·K)以上的导热率。
另外，本发明的烧结合金制阀导承，其特征在于，对预制合金粉末实施Cu的涂敷，并混合C粉末，进行成形、烧结，所述预制合金粉末具有如下组成：以质量％计Cr：0～10％、Mo：0～6％、V：0～8％、W:0～8％、C：0.5～1％、余量由Fe及不可避免的杂质构成，且上述Cr、Mo、V及W的总量为2％以上。
发明效果
本发明的烧结合金制阀导承具备具有耐摩耗性的Fe基合金相、导热优异的Cu相或以Cu为主成分的Cu基合金相及自润滑性优异的石墨相，由此能够成为耐摩耗性优异、阀冷却能力高的烧结合金制阀导承。由此即使在高性能化及高载荷化的发动机中也能避免爆震等异常燃烧，能够有助于提高高性能发动机的性能。
附图说明
图1为利用光学显微镜得到的实施例1的烧结合金制阀导承的组织照片。
图2为显示摩耗试验的概况的图。
具体实施方式
本发明的烧结合金制阀导承具有如下组成：以质量％计铜(Cu)：10～90％、铬(Cr)：0～10％、钼(Mo)：0～6％、钒(V)：0～8％、钨(W)：0～8％、碳(C)：0.5～3％、余量由铁(Fe)及不可避免的杂质构成，且上述Cr、Mo、V及W的总量为2％以上。同时，本发明的烧结合金制阀导承的组织由Fe基合金相、Cu相或Cu基合金相、及石墨相构成，分别担负耐摩耗性、导热性及自润滑性。予以说明，Fe基合金相以Fe为主成分，Cu基合金相以Cu为主成分。
本发明的烧结合金制阀导承中所含的Cu为在赋予高导热性方面不可或缺的合金成分。烧结合金制阀导承的导热率优选为30W/(m·K)以上、更优选为50W/(m·K)以上。在Cu不足10质量％时，液相的产生不充分，并且Cu相或Cu基合金相的形成变得不充分，无法得到致密且规定的导热特性。另一方面，若Cu超过90质量％，则Fe基合金相变得过少，在耐摩耗性上产生问题。因此，Cu为10～90质量％。Cu优选为30质量％以上且80质量％以下，更优选为75质量％以下。另外，在金属中，导热率主要支配晶粒内的自由电子的运动，因此固溶元素越少，则导热率越高，因而重要的是不含固溶于Cu的元素。这一点，Mo、V、W、C几乎不固溶于Cu，并且Cr和Fe虽然仅在高温固溶于Cu，但是若被冷却，则成为Cu与Cr和/或Fe的混合组织，均不会对Cu的导热率造成不良影响。因此，本发明中的Cu基合金相可以为Cu-Cr合金、Cu-Fe合金、或Cu-Cr-Fe合金。若为这些Cu基合金相，则单体即可具有200W/(m·K)以上的导热率。在本发明中虽然不含Ni，但由于Ni与Cu百分百形成固溶体，因此Ni在Cu中的固溶会显著降低导热率，故不优选。
Cr、Mo、V、W固溶于Fe基合金相中，有助于提高强度及硬度。进而，形成碳化物而使耐摩耗性提高。若Cr、Mo、V及W的总量不足2.0质量％，则无法得到良好的耐热性、耐摩耗性。另一方面，若Cr超过10质量％、或者Mo超过6质量％、或者V及W分别超过8质量％，则因析出物的析出过多、粗大化而使Fe基合金相本身变得脆弱，并且担心对象材料攻击性的增加、向气缸盖压入时的折损。因此，Cr、Mo、V、W的含量以质量％计为Cr：0～10％、Mo：0～6％、V：0～8％、W：0～8％，上述Cr、Mo、V及W的总量为2％以上。Cr、Mo、V及W的总量的上限为32质量％，但是从对象材料攻击性的观点出发，优选为16质量％以下。
C固溶于Fe基合金相中或形成碳化物而使强度及硬度提高。另外，通过以石墨的形式进行单体分散，从而赋予自润滑性。若C不足0.5质量％，则碳化物不会充分析出，无法得到上述的效果。另一方面，若含有超过3质量％的C，则碳化物的析出过多、粗大化而使韧性降低，从而招致制品功能降低。因此，C为0.5～3质量％。
在本发明的烧结合金制阀导承的制造中，使用具有如下组成的Fe基合金粉末作为原料粉末，该组成为：以质量％计Cr：0～10％、Mo：0～6％、V：0～8％、W：0～8％、C：0.5～1％、余量由Fe及不可避免的杂质构成，且上述Cr、Mo、V及W的总量为2％以上。就Cu成分而言，可以将Cu粉末或Cu基合金粉末混合于上述Fe基合金粉末中，也可以对上述Fe基合金粉末涂敷Cu。在Cu涂敷中可以使用对Fe基合金粉末的Cu镀敷处理、Fe基合金粉末与Cu粉末的机械合金化处理等，但优选Cu镀敷处理。优选的是：利用水雾化制作上述Fe基合金粉末，并对其表面在化学镀液中将规定量的Cu成分进行置换镀敷处理。作为C粉末，优选使用平均粒径1～20μm的石墨粉末。另外，在原料粉末中可以配合硬脂酸盐等作为脱模剂。
将上述原料粉末混合后，将混合粉末填充于模具中，利用成形压制等进行压缩、成形，并根据需要进行脱脂处理后，在真空气氛中以900～1050℃进行烧结。若烧结温度不足900℃，则来自Cu或Cu合金的液相产生量不足，无法得到规定组织的烧结体，另一方面，若为超过1050℃的温度，则来自Cu或Cu合金的液相过多，无法维持规定的形状。烧结温度为900～1050℃。
实施例
实施例1
在配合有对成分组成以质量％计含有Cr：1.33％、Mo：2.67％、V：4.00％、C：0.57％的Fe基的预制合金粉末实施Cu的化学镀处理(Cu量为整体的45.5质量％)后的Cu涂敷粉末、和石墨粉末(C量约为整体的2％)的混合粉末中，进一步配合相对于上述混合粉末的总量为0.5质量％的硬脂酸锌，并对其混炼，将所得的混合粉末作为原料粉末。将该原料粉末填充于模具中，将利用成形压制以6.5t/cm2的面压压缩成形的成形体进行脱脂处理后，在真空气氛中以1000℃进行烧结，制作成直径15mmφ×高50mm的圆柱状烧结体。
图1为实施例1的烧结体组织的光学显微镜照片。烧结体组织由较粗大的Fe基合金相粒子1、Cu(基合金)相2和较微细的石墨相3构成，虽然还略微观察到气孔4，但呈现较致密的组织。尤其Cu(基合金)相2的特征在于连续连接。
[1]摩耗试验
从上述圆柱状烧结体加工成10mm×50mm×10mm的阀导承试验片，并且将从SUH合金制的阀材切割的φ8mm×30mm(一个端部加工为8mmR的圆柱侧面状)的阀试验片作为滑动对象材料，如图2所示，在以一定载荷将阀试验片6按压于往返运动的阀导承试验片5的同时，评价了耐摩耗性。试验条件如以下所述。
按压载荷：50N
试验温度：200℃
润滑：无润滑(干燥)
冲程(stroke)：25mm滑动速度：166mm/秒
试验时间：3小时
关于摩耗量，作为试验前后的阀导承试验片与阀试验片的碰撞面的后退量而算出的结果：实施例1的阀导承试验片的摩耗量为2.0μm、阀试验片的摩耗量为21.5μm。
[2]导热率的测定
从上述圆柱状烧结体切割直径5.0mm×厚1.0mm的圆板状试验片，对两面进行镜面研磨，利用激光闪光法测定导热率。实施例1的导热率为50W/(m·K)。
实施例2～8、比较例1～5
除了将Fe基预制合金组成、化学镀Cu量、C粉末配合量变更为表1所示的化学成分以外，与实施例1同样地制作了烧结体。从所得的各烧结体制作摩耗试验用的阀导承试验片和导热率测定用的圆板状试验片，与实施例1同样地进行摩耗试验和导热率测定。将所得的结果连同实施例1的结果一并示于表1中。
[表1]
由实施例可知，若Cr、Mo、V及W的合金元素总量为2质量％以上，则阀导承材的摩耗量降低。另一方面，若合金元素总量超过16质量％，则阀材的摩耗量急剧增加。导热率虽然会因Cu含量增加而提高，但是还会影响合金相的组成，在合金元素量多的实施例4及实施例6中，导热率降低。另外，在实施例7中，C含量少，因此石墨的自润滑效果小，阀导承材的摩耗量处于增加的倾向。但是，导热率比Cu含量多的实施例5更高。作为其理由，认为：C夹杂于连续的Cu组织中而使导热率降低的影响较小。在合金元素总量不足2质量％的比较例1及2中，滑动对象的阀材的摩耗量少，但是阀导承材自身的摩耗增大。尤其在合金元素总量少且Cu成分超过90质量％的比较例2中，强度及硬度不充分，由此使阀导承材自身的摩耗大幅增大。在比较例3～5中，合金元素均超过规定量(比较例3的Cr、Mo、V及W全部超过规定量、比较例4的W超过规定量、比较例5的Cr超过规定量)，因此虽然阀导承材的摩耗少，但是作为对象材料的阀材的摩耗量增大。进而，若导热率为20W/(m·K)以下，则无法得到充分的导热率。

Claims (6)

1.一种烧结合金制阀导承，其特征在于，具有如下组成：以质量％计Cu：10～90％、Cr：0～10％、Mo：0～6％、V：0～8％、W：0～8％、C：0.5～3％，余量由Fe及不可避免的杂质构成，且所述Cr、Mo、V及W的总量为2％以上，
并且其具有如下组织：由以Fe为主成分的Fe基合金相、Cu相或以Cu为主成分的Cu基合金相、及石墨相构成。
2.根据权利要求1所述的烧结合金制阀导承，其特征在于，所述Fe基合金相包含Fe-Mo-C合金、Fe-Cr-Mo-V-C合金、Fe-Cr-V-W-C合金、或Fe-Cr-Mo-V-W-C合金。
3.根据权利要求2所述的烧结合金制阀导承，其特征在于，所述Fe基合金相具有如下组成：以质量％计Cr：0～10％、Mo：0～6％、V：0～8％、W：0～8％、C：0.5～1％、余量由Fe及不可避免的杂质构成，且所述Cr、Mo、V及W的总量为2％以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的烧结合金制阀导承，其特征在于，形成有所述Cu相或以Cu为主成分的Cu基合金连续的组织。
5.根据权利要求4所述的烧结合金制阀导承，其特征在于，所述Cu相或以Cu为主成分的Cu基合金相具有200W/(m·K)以上的导热率。
6.一种烧结合金制阀导承的制造方法，其特征在于，对预制合金粉末实施Cu的涂敷，再混合C粉末，进行成形、烧结，
其中，预制合金粉末具有如下组成：以质量％计Cr：0～10％、Mo：0～6％、V：0～8％、W：0～8％、C：0.5～1％、余量由Fe及不可避免的杂质构成，且所述Cr、Mo、V及W的总量为2％以上。
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