CN106457401B

CN106457401B - 烧结阀座及其制造方法

Info

Publication number: CN106457401B
Application number: CN201580034132.9A
Authority: CN
Inventors: 桥本公明
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2019-04-23
Anticipated expiration: 2035-06-17
Also published as: JP2017025921A; JPWO2015198932A1; EP3162475A1; JP6026015B2; US10344636B2; EP3162475B1; EP3162475A4; WO2015198932A1; CN106457401A; US20170145875A1

Abstract

本发明的目的是提供一种高效率发动机所使用的具有高的阀冷却能力和耐磨耗性的压入型烧结阀座及其制造方法，即使调合比较大量的由Co基合金构成的硬质粒子，为了形成网络状连接的Cu基体，仍使用平均粒径为45μm以下，纯度为99.5％以上的Cu粉末，此外使用Fe‑P合金粉末，由此实现由液相烧结所带来的致密化。

Description

烧结阀座及其制造方法

技术领域

本发明涉及发动机的阀座及其制造方法，特别是涉及能够抑制阀温度的上升的压入型高传热烧结阀座及其制造方法。

背景技术

近年来，作为汽车发动机应对环境而使燃油效率提高和高性能化并立的手段，使发动机的排气量降低20～50％的所谓小型化(downsizing)推进，此外，作为实现高压缩比的技术，进行的是在直喷发动机上组合涡轮增压(增压进气)。这些发动机的高效率化必然带来发动机温度的上升，温度的上升招致关系到输出功率降低的爆震，因此，特别需要使阀周围的零件的冷却能力提高。

作为使冷却能力提高的手段，关于发动机阀，日本特开平7-119421 公开有一种发动机阀的制造方法，其是使阀的轴部中空化并在该中空部分封入金属钠(Na)的方法。另外，关于阀座，日本特开平3-60895示范有一种堆焊用分散强化Cu基合金，其采取使用激光这样的高密度加热能，对于铝(Al)合金制的汽缸盖直接进行堆焊(以下称为“激光包覆法”。)的手段，作为该阀座合金而在铜(Cu)基体中分散Fe-Ni系的硼化物和硅化物的粒子，且在Cu基初晶中固溶Sn和Zn中的一者或两者。

上述的金属Na封入发动机阀与实心阀相比，可以使发动机驱动时的阀温度降低约150℃左右(作为阀温度约为600℃)，另外，由激光包覆法形成的Cu基合金阀座中，可以使实心阀的阀温度降低约50℃左右(作为阀温度约为700℃)，从而可以防止爆震。但是，金属Na封入发动机阀在制造成本这一点上有困难，除了一部分的车以外并未达到广泛使用。由激光包覆法形成的Cu基合金阀座，因为也有硬质粒子，所以在敲击磨耗下发生粘合，存在耐磨耗性不充分这样的课题，此外，因为对于汽缸盖直接堆焊，所以也会产生汽缸盖加工线的大幅的重建和设备投资这样的课题。

另一方面，被压入汽缸盖这种类型的阀座中，作为改善导热的手段，日本特开平10-184324公开的是，使调合有Cu粉末或含Cu粉末的阀抵接层(Cu含量为3～20％)与阀座主体层(Cu含量为5～25％)双层化，日本特开2004-124162公开的是，在分散有硬质粒子的Fe基烧结合金中熔渗 Cu或Cu合金。

此外，特表2001-500567中公开有一种Cu基合金制烧结阀座，其是在导热优异的分散硬化型Cu基合金中再分散有硬质粒子的阀座。具体来说，示范的是如下合金粉末：初始粉末混合物由含有50～90重量％Cu的基础粉末和含有10～50重量％Mo的粉末状合金添加材构成，作为所述含 Cu基础粉末而具有Al₂O₃分散硬化的Cu粉末，作为含Mo粉末状合金添加材而具有28～32重量％Mo、9～11重量％Cr、2.5～3.5重量％Si、余量 Co。

但是，特表2001-500567示范的是，关于Al₂O₃分散硬化的Cu粉末，能够通过对于由Cu-Al合金熔融金属雾化后的Cu-Al合金粉末，在用于 Al的选择氧化的氧化气氛中进行热处理而制造，但实际上，实际情况是由 Al固溶的Cu-Al合金提高分散有Al₂O₃的Cu基体的纯度存在界限。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的课题在于，提供一种高效率发动机所使用的具有高的阀冷却能力和耐磨耗性的压入型烧结阀座及其制造方法。

本发明者对于导热优异的Cu基合金中分散有硬质粒子的烧结阀座进行了锐意研究，其结果想到，通过使用比硬质粒子微细度具有规定的纯度的Cu粉末，即使调合比较大量的硬质粒子，也能够形成网络状的Cu基体，通过使之与液相烧结组合，便能够得到维持着Cu基体的高导热率，并且耐磨耗性优异的阀冷却能力高的压入型烧结阀座。

即，本发明的阀座，其特征在于，是在Cu基体中分散有由Co基合金构成的硬质粒子的烧结阀座，所述烧结阀座除了构成所述Cu基体和所述硬质粒子的组成之外，以质量％计还含有Fe：2.1～6.0％、P：0.8～2.2％。所述烧结阀座，优选还含有5质量％以下的Ni。

所述硬质粒子优选由平均粒径为5～100μm的Co-Mo-Cr-Si合金或 Co-W-Cr-C合金构成，更优选所述Co-Mo-Cr-Si合金，以质量％计由Mo： 27.5～30.0％、Cr：7.5～10.0％、Si：2.0～4.0％、余量Co及不可避免的杂质构成，优选所述Co-W-Cr-C合金，以质量％计由W：3.0～10.0％、Cr： 25.0～31.0％、C：1.0～2.0％、余量Co及不可避免的杂质构成。另外，所述硬质粒子的维氏硬度优选为500～800HV0.1，所述硬质粒子的量优选为 30～70质量％。

另外，本发明的烧结阀座的制造方法，是在Cu基体中分散有由Co 基合金构成的硬质粒子的烧结阀座的制造方法，其特征在于，具有对于在 Cu粉末和合金元素粉末中混合有所述硬质粒子粉末的混合粉末进行压缩、成形、烧结的工序，所述Cu粉末使用平均粒径为45μm以下，纯度为99.5％以上的Cu粉末，所述合金元素粉末使用Fe-P合金粉末。

所述烧结工序的烧结温度优选为850～1070℃。

本发明的烧结阀座，因为Cu粉末原料使用微细的Cu粉末，所以，即使存在比较大量的硬质粒子，例如即使存在高于50质量％这种量的硬质粒子，也能够形成网络状的Cu基体，另外通过由液相烧结而实现致密化，能够维持高导热率，显示出优异的耐磨耗性。因此，可以使阀冷却能力提高，由于爆震等的发动机的异常燃烧减少，从而能够有助于高压缩比、高效率发动机的性能提高。

附图说明

图1是表示实施例1的烧结阀座的显微镜组织的SEM照片。

图2是表示实施例1的烧结阀座的放大的显微镜组织的SEM照片。

图3(a)是图2的显微镜组织的来自EPMA的Si-Kα像。

图3(b)是图2的显微镜组织的来自EPMA的Cr-Kα像。

图3(c)是图2的显微镜组织的来自EPMA的Co-Kα像。

图3(d)是图2的显微镜组织的来自EPMA的Mo-Kα像。

图3(e)是图2的显微镜组织的来自EPMA的P-Kα像。

图3(f)是图2的显微镜组织的来自EPMA的Fe-Kα像。

图3(g)是图2的显微镜组织的来自EPMA的Cu-Kα像。

图4是表示实施例2的烧结阀座的放大的显微镜组织的SEM照片。

图5是表示台架试验机的概略图。

具体实施方式

本发明的烧结阀座特征在于，具有在Cu基体中分散有由Co基合金构成的硬质粒子的组织，除了构成所述Cu基体和所述硬质粒子的组成之外，以质量％计，还含有Fe：2.1～6.0％、P：0.8～2.2％。该Fe、P，主要是来自为了液相烧结而添加的Fe-P合金粉末的合金元素，出于致密化的目的而导入烧结体。若Fe低于2.1％、P低于0.8％，则致密化不充分，若Fe高于6.0％、P高于2.2％，则向Co基合金硬质粒子的扩散量增加，使硬质粒子劣化，因此Fe为2.1～6.0％，P为0.8～2.2％。另外，关于Ni，也可以为了提高基底强度而添加，但与Cu形成固溶体而使导热率降低，因此使其上限为5.0％。优选Ni粉末的平均粒径处于3～7μm的范围，纯度优选为99.5％以上。

分散在Cu基体中的Co基合金硬质粒子，在500℃以下几乎不会在 Cu中固溶。该Co基合金，优选同样几乎不会在Cu中的固溶的Mo、Cr、 W等经合金化的ステライト(注册商标)和トリバロイ(注册商标)所代表的Co基合金。具体来说，作为トリバロイ(注册商标)T-400，可以从市场获取的，以质量％计，由Mo：27.5～30.0％、Cr：7.5～10.0％、Si： 2.0～4.0％、余量Co及不可避免的杂质构成的Co-Mo-Cr-Si合金，作为ステライト(注册商标)#6及#12，可以从市场获取的，以质量％计由W： 3.0～10.0％、Cr：25.0～31.0％、C：1.0～2.0％、余量Co及不可避免的杂质构成的Co-W-Cr-C合金都可以方便使用。

硬质粒子的平均粒径优选为5～100μm。更优选平均粒径为20～ 95μm，进一步优选平均粒径为25～90μm。另外，为了确保耐磨耗性，优选硬质粒子的维氏硬度为500～800HV0.1。更优选为600～800HV0.1，进一步优选为650～800HV0.1。此外，分散在Cu基体中的硬质粒子的量优选为30～70质量％。更优选为40～70质量％，进一步优选为高于50质量％并在65质量％以下。通过使上述的硬质粒子分散在Cu基体中，本发明的烧结阀座以洛氏硬度计能够具有50～90HRB。更优选为55～85HRB，进一步优选为60～80HRB。

在本发明的烧结阀座的制造方法中，使用平均粒径45μm以下，纯度 99.5％以上的Cu粉末。从粉末填充的观点出发，通过使用比硬质粒子的平均粒径相对小的Cu粉末，即使硬质粒子比较大量地存在，仍可以形成网络状连接的Cu基体。例如，优选硬质粒子的平均粒径为30μm以上，Cu 粉末的平均粒径为20μm以下。基于这一点，Cu粉末优选为球状的雾化粉末。另外，在Cu粉末之间容易纠缠的有着细小的突起的树枝状的电解Cu 粉末也形成网络状的连接的基体之后，能够优选使用。

另外，为了实现烧结体的致密化，而使用Fe-P合金粉末。或者，可以使用Ni-P合金粉末，也可以使用Fe-P合金粉末和Ni-P合金粉末两者。 Fe-P合金的共晶点为1048℃，另一方面Ni-P合金的共晶点为870℃，因此从液相烧结的观点出发，优选使用Ni-P合金粉末，但Ni与Cu形成无限固溶体而降低导热率，因此从导热率的观点出发，优选使用在500℃以下几乎不会固溶于Cu的作为与Fe的合金的Fe-P合金粉末。结果是，Fe 和P在Co中容易固溶，扩散到Co基合金的硬质粒子中，可维持Cu基体的纯度。

在制造本发明的烧结阀座的方法中，调合Cu粉末、Fe-P合金粉末、 Co基合金的硬质粒子粉末，对于混合的混合粉末进行压缩、成形、烧结。为了提高成形性，对于混合粉末，作为脱模剂也可以调合硬脂酸盐0.5～2 质量％。另外，烧结对于成形压粉体在真空或非氧化性或还原性的气氛中，以850～1070℃的温度范围进行。

【实施例】

实施例1

在平均粒径22μm，纯度99.8％的电解Cu粉末中，作为硬质粒子，调合平均粒径29μm，以质量％计由Mo：28.5％、Cr：8.5％、Si：2.6％、余量Co和不可避免的杂质构成的Co-Mo-Cr-Si合金粉末52质量％，作为烧结助剂，调合P含量为26.7质量％的Fe-P合金粉末3质量％，以混合机混匀而制作混合粉末。还有，为了使成形工序的脱模性良好，在原料粉末中相对于原料粉末的质量而添加硬脂酸锌0.5质量％。

将这些混合粉末填充在成形模具中，通过成形冲压以表面压力640 MPa进行压缩·成形后，在温度1050℃的真空气氛中进行烧结，制作外径内径厚度8mm的环状烧结体，再通过机械加工，制作具有从轴向倾斜45°的表面加工面(フェイス面)的外径内径高6mm的阀座试样。烧结体的洛氏硬度为60.5HRB，对于阀座的Fe和P的组成进行化学分析的结果是，Fe：2.2％，P：0.8％。

图1和图2是实施例1的烧结体的断面的来自扫描电子显微镜(SEM) 的组织照片。烧结体由深暗色的Co基合金硬质粒子1，比硬质粒子1浅的灰色的Cu基体2和黑色的气孔3构成，虽然致密化不完全，但没有重大的缺陷，Cu基体2中组织整体连通，与硬质粒子1也密接接合的部分大量形成。另外，硬质粒子1的维氏硬度为715HV0.1。

图3(a)-3(g)表示对于图2的组织的特征X射线像，图3(a)是Si-Kα像，图3(b)是Cr-Kα像，图3(c)是Co-Kα像，图3(d)是Mo-Kα像，图3(e)是 P-Kα像，图3(f)是Fe-Kα像，图3(g)是Cu-Kα像。由图3(e)的P-Kα像可知，作为Fe-P合金粉末而残存的地方也随处可见，但由图3(f)的Fe-Kα像可知，Fe不在Cu基体2中，而是扩散到Co基合金硬质粒子1中。

实施例2

除了使作为烧结助剂的Fe-P合金粉末为7质量％以外，其他均与实施例1同样而制作阀座试样。烧结体的洛氏硬度为71.5HRB，对于阀座的 Fe及P的组成进行化学分析的结果为，Fe：5.2％，P：1.9％。

图4是实施例2的烧结体的断面的来自扫描电子显微镜(SEM)的组织照片。与实施例1的烧结体相比而相当致密化，可知Cu基体的连通的程度提高。虽然未图示，但根据P-Kα像和Fe-Kα像，P和Fe不在Cu基体2中，而是在Co基合金硬质粒子1之中扩散至更微细的Co基合金硬质粒子1中。另外，硬质粒子1的维氏硬度为679HV0.1。

比较例1

使用含有由Fe-Mo-Si合金构成的硬质粒子10质量％的Fe基烧结合金，制作与实施例1同形状的阀座试样。烧结体的洛氏硬度为90.5HRB。

[1]阀冷却能力(阀温度)的测量

使用图5所示的台架试验机测量阀温度，评价阀冷却能力。阀座试样 10压入相当于汽缸盖材(Al合金、AC4A材)的阀座夹14而设置在试验机上，台架试验中，通过一边由燃烧器11加热阀13(SUH合金，JIS G4311)，一边与凸轮12的转动联动来使阀13上下而进行。阀冷却能力通过如下方式进行计测，即，使燃烧器11的空气和气体的流量与燃烧器位置一定，使线能量一定，而通过自记温度计16计测阀的伞中心部的温度。燃烧器 11的空气和气体的流量(L/min)分别为90、5.0，凸轮转速为2500rpm。运转开始15分钟后，测量饱和的阀温度。还有，在本申请实施例中，阀冷却能力，根据比较例1的从阀温度的温度降低量(降低以-表示)进行评价，以之取代根据加热条件等而变化的饱和阀温度进行评价。比较例1的饱和阀温度是高于800℃的高温，但是实施例1和2的饱和阀温度低于 800℃，阀冷却能力分别为-48℃和-32℃。

[2]磨耗试验

使用图5所示的台架试验机，在阀冷却能力的评价之后，评价耐磨耗性。评价是使用埋入阀座10的热电偶15，使阀座的工作面处于规定的温度而调节燃烧器11的火力来进行。另外，磨耗量是通过测量试验前后的阀座与阀的形状，作为工作面的后退量计算。在此，阀13(SUH合金) 使用的是适合上述阀座尺寸的以Co合金(Co-20％Cr-8％W-1.35％C-3％Fe) 作为填充物(盛金)的。作为试验条件为，温度300℃(阀座工作面)，凸轮转速2500rpm，试验时间5小时。还有，磨耗量是通过将比较例1的磨耗量作为1的相对比率进行评价。实施例1和2的磨耗量，与比较例1相比较，阀座磨耗量分别为1.03和0.69，但阀磨耗量分别为1.02和0.83。

实施例3～6

在实施例3～6中，使硬质粒子的量分别为28质量％、40质量％、55 质量％及65质量％，使作为烧结助剂的Fe-P合金粉末为5质量％，除此以外，均与实施例1同样制作阀座试样，与实施例1同样，进行Fe和P 的化学分析、洛氏硬度的测量、阀冷却能力的测量、及磨耗试验。

比较例2～3

在比较例2和3中，使作为烧结助剂的Fe-P合金粉末分别为2.5质量％和8.5质量％，除此以外，均与实施例1同样制作阀座试样，与实施例1 同样，进行Fe和P的化学分析、洛氏硬度的测量、阀冷却能力的测量、及磨耗试验。

实施例7～8

为了基底强化，添加平均粒径处于5.6μm的范围，纯度99.7％的Ni 粉末2质量％、4质量％，除此以外均与实施例1同样制作阀座试样。与实施例1同样，进行Fe和P的化学分析、洛氏硬度的测量、阀冷却能力的测量、及磨耗试验。

实施例9

作为硬质粒子，使用平均粒径85μm，以质量％计由W：4.0％、Cr： 28.0％、C：1.1％、余量Co及不可避免的杂质构成的Co-W-Cr-C合金粉末，除此以外均与实施例1同样地制作阀座试样。烧结体的洛氏硬度为 60.0HRB。

实施例3～9和比较例2～3的结果，与实施例1、2及比较例1的结果一起显示在表1和2中。

【表1】

*比较例1的硬质粒子是Fe-Mo-Si合金。

【表2】

Claims

1.一种烧结阀座，其特征在于，是在Cu基体中分散有由Co基合金构成的硬质粒子的烧结阀座，所述硬质粒子的量为40质量％～70质量％，所述烧结阀座除了构成所述Cu基体和所述硬质粒子的组成以外，以质量％计还含有Fe：2.1％～6.0％、P：0.8％～2.2％。

2.根据权利要求1所述的烧结阀座，其特征在于，还含有5质量％以下的Ni。

3.根据权利要求1或2所述的烧结阀座，其特征在于，所述硬质粒子由平均粒径5μm～100μm的Co-Mo-Cr-Si合金或Co-W-Cr-C合金构成。

4.根据权利要求3所述的烧结阀座，其特征在于，所述Co-Mo-Cr-Si合金，以质量％计由Mo：27.5％～30.0％、Cr：7.5％～10.0％、Si：2.0％～4.0％、余量Co及不可避免的杂质构成。

5.根据权利要求3所述的烧结阀座，其特征在于，所述Co-W-Cr-C合金，以质量％计由W：3.0％～10.0％、Cr：25.0％～31.0％、C：1.0％～2.0％、余量Co及不可避免的杂质构成。

6.根据权利要求4或5所述的烧结阀座，其特征在于，所述硬质粒子的维氏硬度为500HV0.1～800HV0.1。

7.一种烧结阀座的制造方法，其特征在于，是权利要求1所述的烧结阀座的制造方法，具有对混合粉末进行压缩、成形、烧结的工序，所述混合粉末为在Cu粉末和合金元素粉末中混合有所述硬质粒子粉末的混合粉末，

所述Cu粉末使用平均粒径为45μm以下，纯度为99.5％以上的Cu粉末，所述合金元素粉末使用Fe-P合金粉末。

8.根据权利要求7所述的烧结阀座的制造方法，其特征在于，所述Cu粉末使用电解Cu粉末。

9.根据权利要求7或8所述的烧结阀座的制造方法，其特征在于，所述烧结工序的烧结温度为850℃～1070℃。