JP2004043969A - 粉末金属弁座インサート - Google Patents
粉末金属弁座インサート Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004043969A JP2004043969A JP2003183964A JP2003183964A JP2004043969A JP 2004043969 A JP2004043969 A JP 2004043969A JP 2003183964 A JP2003183964 A JP 2003183964A JP 2003183964 A JP2003183964 A JP 2003183964A JP 2004043969 A JP2004043969 A JP 2004043969A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- powder metal
- engine component
- state
- powder
- metal engine
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C33/00—Making ferrous alloys
- C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C33/0207—Using a mixture of prealloyed powders or a master alloy
- C22C33/0228—Using a mixture of prealloyed powders or a master alloy comprising other non-metallic compounds or more than 5% of graphite
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C33/00—Making ferrous alloys
- C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/42—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/46—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
- F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
- F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
- F01L2301/00—Using particular materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
- F01L2301/00—Using particular materials
- F01L2301/02—Using ceramic materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
- F01L2303/00—Manufacturing of components used in valve arrangements
Abstract
【解決手段】軽荷重および重荷重の両方の内燃機関への応用において、弁座インサートとしての使用に特に適した粉末金属エンジン構成要素。この粉末金属エンジン構成要素は、コバルトベースまたは鉄ベースの両合金に対してラーベス相(Laves phase)等の金属間化合物相(intermetallic phase)を含む。
【選択図】 なし
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に粉末金属エンジン構成要素に関し、さらに詳細には、軽荷重と重荷重の両方の内燃機関への応用において有用な新規の改良された粉末金属弁座インサートに関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関の運転サイクルは従来の技術でよく知られている。燃焼状態の密閉を効果的に行うために吸排気弁、バルブガイトおよび弁座インサートに対して要求される物理的条件が長い間研究されてきた。エンジンおよび車両メーカーは、長期間運転する経済性に優れたエンジンを提供するために、より厳しくなる摩耗と、エンジン構成要素製造時のコスト低減の課題に適合する方法を常に捜している。最近、エンジン構成要素の製造に粉末冶金が用いられており、これによって多様な金属組成あるいはセラミック組成ですら選択の自由が可能になり、設計に自由度を持たせている。粉末冶金法は高度に開発された、鉄製および非鉄製各構成要素の製造方法である。粉末冶金法のいくつかの利益として、これに限らないが、スクラップ損失の最小化、機械加工の最小化、厳重な寸法公差の維持、自己潤滑用または浸潤用の制御された小孔を備えた材料の提供、複雑な形状の製造などがある。
【0003】
内燃機関用の弁座インサートには、長期間にわたる高温での運転に対して耐磨耗性が高い材料が要求される。さらに、弁座インサートは、高温での繰り返し衝撃荷重下でも高クリープ強度と高熱疲労強度を必要とする。一般に、高合金粉末から作製されるこの弁座インサートの材質は圧縮性が低い。したがって、所望の水準の密度を得るために、二度押し成形、2回焼結、高温焼結、銅浸潤、および熱間鍛造などの方法が使用されている。残念なことに、これらの付加的工程によって、材料のコストが極めて高くなる可能性がある。内燃機関は多種多様な燃料、たとえば、有鉛ないしは無鉛両方の燃料のガソリン、軽油、または、CNG(圧縮天然ガス)などの代替燃料で運転できる。重荷重すなわちトラックエンジンの用途は、軽荷重すなわち乗用車の用途より高い燃焼圧力で運転し、そのため耐磨耗性がより良好な材料が必要とされる。さらに、排気弁の弁座インサートは吸気弁の弁座インサートより高い温度下で運転されることが知られている。これらの多様な用途に対して異なるタイプの弁座インサートをすべて提供することは技術的に非実際的であり、経済的に耐えがたいほどの負担となる。
【0004】
内燃機関で使用される弁座インサートに要求される主要な条件がアブレシブおよび凝着の両方の耐摩耗性であることが知られている。良好な耐熱性と耐腐食性、ならびに良好な耐磨耗性と結びついた機械加工性の組合せを達成しようとする取り組みにおいて、弁座インサートはコバルト、ニッケル、またはマルテンサイト系鉄ベースの合金の鋳造で作製されてきた。これらの合金は一般に、鋳造合金中に耐磨耗性のカーバイドが存在するのでクロムおよびニッケルの含有量が多いオーステナイト系耐熱鋼より好ましかった。しかしながら、コバルトまたはニッケルベースの合金は一般に他よりコスト高である。
【0005】
そのため、重荷重のトラック用途あるいは乗用車などの軽荷重用途を問わず吸気弁と排気弁の両方に対し、新規の粉末金属エンジン構成要素、特に大部分の内燃機関への応用に適した弁座インサートの必要性が依然として存在している。このような粉末金属弁座インサートは、これに限定はされないが有鉛ないしは無鉛のガソリン、軽油、または、天然ガスなどの任意の代替燃料を含むどのような種類の内燃機関燃料についても使用できることが好ましい。この粉末金属弁座インサートは、様々なタイプの弁材質に対して、耐アブレシブ磨耗性でかつ耐凝着摩耗性の優れた特性を示さなければならない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、内燃機関用の新規の粉末金属エンジン構成要素を提供することにある。
【0007】
本発明の他の目的は、広範囲の内燃機関応用で使用するのに適した新規の粉末金属弁座インサートを提供することにある。
【0008】
本発明のさらに別の目的は、特に重荷重トラックエンジン用途で動作するのに適した改良された粉末金属弁座インサートを提供することにある。
【0009】
本発明のさらに別の目的は、これに限定されるものではないが有鉛ないしは無鉛燃料のガソリン、軽油、または、CNGやアルコールベースの燃料ないしはこれらの混合物などの代替乾燥燃料を含む多様な燃料のいずれでも運転できる内燃機関で動作するのに適した改良された粉末金属弁座インサートを提供することにある。
【0010】
本発明のさらに別の目的は、硬度、熱間硬度、耐アブレシブ磨耗および耐凝着摩耗に優れた特性を持つ改良された粉末金属弁座インサートを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記およびその他の目的は、ラーベス相(Laves phase)などの金属間化合物相(intermetallic phase)を含み、組成がトリバロイ合金と同様の、特にコバルトベースまたは鉄ベースのどちらかの合金である合金材を含む改良された粉末金属エンジン構成要素によって達成される。トリバロイはDeloroStellite社の登録商標である。本発明による鉄ベース粉末金属のエンジン構成要素は、重量パーセントで、約0.5〜約1.5%の炭素(C)と、約1.0〜約4.0%のクロム(Cr)と、約2.0〜約8.0%のモリブデン(Mo)と、約0.2〜約0.9%のマンガン(Mn)と、約0.1〜約0.8%のバナジウム(V)と、約0〜約20.0%の銅(Cu)と、約0.2〜約3.5%のニッケル(Ni)と、約0.2〜約0.8%の硫黄(S)と、約0.2〜約0.6%のタングステン(W)と、実質的に鉄(Fe)である残りとを含む化学組成を有する。
【0012】
本発明による粉末金属構成要素の別の実施形態は、重量パーセントで、約0.7〜約1.4%の炭素(C)と、約1.0〜約4.0%のクロム(Cr)と、約6.0〜約12.0%のモリブデン(Mo)と、約0.1〜約1.0%のケイ素(Si)と、約0.5〜約3.5%のニッケル(Ni)と、約0.2〜約1.0%の硫黄(S)と、約4.0〜約15.0%のコバルト(Co)と、約20.0%までの銅(Cu)と、実質的に鉄(Fe)である残りとを含む化学組成を有する。
【0013】
本発明を特徴づける様々な新規の特徴について、本開示に添付され、本開示の一部をなす請求項の中の特別な例でもって指摘した。本発明、その運転上の利益、およびそれを使用することによって達成される特別な目的をさらによく理解するために、添付して実施例、図面および本発明の好ましい実施形態を例示した説明事項について参照する。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明は弁座インサートとしての使用に特に適した改良された粉末金属エンジン構成要素に属する。本発明による粉末金属弁座インサートは、耐アブレシブ磨耗および耐凝着摩耗、耐高温性、熱間硬度および機械加工性について優れた特性を示す。本発明による粉末金属弁座インサートは、重荷重のトラック用途あるいは場合によっては軽荷重の乗用車用途などの広範囲の内燃機関応用に有用である。これは表面硬化処理および窒化処理した弁を含む様々なタイプの弁材質に用いることができる。本発明による粉末金属弁座インサートは、多様な燃料源、すなわち、これに限定されるものではないが有鉛ないしは無鉛燃料の両方のガソリン、軽油、または、アルコールベースの燃料、CNGないしはプロパン、またはこれらの混合物などの代替乾燥燃料を含む任意の燃料で運転する内燃機関に使用することができる。
【0015】
本明細書では、特に記述のない限り、温度はすべて摂氏(℃)であり、パーセンテージ(%)はすべて重量パーセントである。
【0016】
始めに、図1および図2について説明すると、エンジンで使用するように一般的に設計された弁アッセンブリ10が示されている。これらの弁アッセンブリの図は、ただ単に本発明をよりよく理解できるように説明する目的のために与えられている。弁アッセンブリ10は、往復動によってそれぞれがバルブステムガイド14の内部の穴の中に収納される複数の弁12を備えている。このバルブステムガイド14はシリンダヘッド24内部に挿入された基本的に管構造である。これらのエンジン構成要素は当業者によく知られた装置であり、その運転に関して本明細書で詳細に説明する必要はない。変更形態や別の構造が種々のメーカーによって提供されているので、本発明はある特定の構造に限定しようとするものではない。
【0017】
弁12は、バルブヘッドと弁12の隅肉部28の間に介在する弁座面16を含む。バルブステム30は普通首の部分28の上方に配置され、通常バルブステムガイド14内に収納されている。弁座インサート18は通常エンジンのシリンダヘッド24内部に取り付けられる。この弁座インサート18は、図示した断面を備えて形が実質的に環状であり、弁座面16との係合で封止するように弁座面16と協力してこれを収納することが好ましい。
【0018】
本発明による粉末金属混合物の鉄ベースの第1の実施形態は、重量パーセントで以下のものを含む材質の混合物を使用する。すなわち、約5%から約15%、好ましくは約10%の、トリバロイT10に含まれているものと同様のラーベス相(Laves phase)などの金属間化合物相(intermetallic phase)を含む鉄ベースの合金、約3%から約10%、好ましくは約5%の、Powdrex社が市販しているM3工具鋼粉末などの工具鋼粉末、約1%から約2%、好ましくは約1.5%の、フッ化カルシウムと二硫化モリブデン、またはそれらの混合物などの固体潤滑材、約0.2%から約0.8%、好ましくは約0.5%の、滑石(Talc)などの固体潤滑材、約0.2%から約0.8%、好ましくは約0.5%の、AcrawaxCなどの浮遊性の潤滑材、約0.5%から約1.2%、好ましくは約0.8%のグラファイト、および残りが実質的に、約0%から約3%、好ましくは約0.5%のクロム(Cr)、約0%から約4%、好ましくは約1%のニッケル(Ni)、約0.5%から約1.5%、好ましくは約1%のモリブデン(Mo)、0%から約0.8%、好ましくは約0.25%のバンジウム(V)および実質的に鉄(Fe)である残りを含む低合金粉末であるものである。本発明による粉末金属混合物のコバルト含有の第2の実施形態は、重量パーセントで、約10%から約40%、好ましくは約35%のT−400トリバロイ粉末(またはこれと同等のCoMoCrSi粉末)、約1%から約5%、好ましくは約3%の、二硫化モリブデンなどの固体潤滑材、約1%から約2%、好ましくは約1.5%のグラファイト、および実質的に、Hoeganaes社が市販しているDistaloy AEなどの低合金ベースの粉末である残りの混合物を含む。
【0019】
本発明での使用に適した工具鋼粉末には、これに限定するものではないが、Powdrex社が市販しているMシリーズ鋼の粉末があり、M3粉末が好ましい。
【0020】
二硫化モリブデンは本発明にとって好ましい固体潤滑材であるが、フッ化カルシウムまたは滑石(talc)またはこれらの二硫化モリブデンとの混合物などの他の潤滑材を用いることもできる。適切な固体潤滑材には、これに限定するものではないが、粉末にした含水ケイ酸マグネシウム(一般に滑石(talc)と呼ばれる)であるAcrawaxC、および従来技術で知られた二硫化物またはフッ化物タイプの固体潤滑材がある。
【0021】
グラファイト粉末源として適切なのは、Southwestern Industries社の製品であるSouthwestern1651等級品である。
【0022】
市販の銅粉末源として適切なのはOMG Americas社のものである。この会社は、本発明の第2の実施形態によるコバルトを含んだ粉末金属混合物に使用される、434Powderなどの低合金粉末の供給源としても適している。
【0023】
本発明の第1の実施形態による鉄ベースの粉末金属混合物で用いられる低合金粉末は、Quebec Metal Powders社が市販しているQMP4701粉末が好ましい。
【0024】
この粉末金属混合物は、均一な混合を得るために十分な時間をかけて完全に混合される。この混合物は通常約30分間〜2時間、好ましくは約1時間混合されて均一な混合物になる。ボールミキサーや二重コーンブレンダなどの適切な混合手段を用いることができる。
【0025】
混合物はその後、従来のプレス機で、約50トン/平方インチ(TSI)〜75トン/平方インチ(TSI)(約760〜約1140MPa)の範囲の従来の圧縮圧力、好ましくは約65TSI(約988MPa)より低い圧力で圧縮される。約65TSIを超える圧力は、効果はあるが、極端に費用が掛かる可能性がある。反対に、50TSI未満の圧力を用いることができるが、約35TSI未満の圧力はどのような圧力もほとんど使用されたことがない。この圧縮圧力は、立方センチメートル当たり約6.5グラム(g/cm3)から約7.4g/cm3の範囲の望ましい密度を有する正味に近い形あるいは正味の形に圧縮したものをプレス、成形するのに十分である。密度は6.8g/cm3が好ましい。粉末金属エンジン構成要素が、重荷重トラック用途におけるような厳しいエンジン環境下で作用するために、粉末金属エンジン構成要素は6.5g/cm3の最小の密度に圧縮することができなければならない。圧縮は一般に所定の形の金型で行われる。この圧縮は一軸方向またはアイソタクチックな方法のどちらかで遂行することができる。未焼結の圧縮品は、圧縮品の焼結が行われる際に従来の焼結炉に搬送される。焼結処理は、圧縮品中の多数成分の液相線温度以下の圧縮品を加熱することによって、圧縮品中の各隣接面を接合することである。
【0026】
本発明で用いる焼結条件では、一般に約1040℃〜約1150℃の範囲にある従来の焼結温度、好ましくは約1100℃の温度を使用している。別法として、約1250℃〜約1350℃の範囲のより高温の焼結温度を用いることができ、約1300℃の温度で約20分間〜約1時間、あるいはより好ましくは約30分間、1気圧以下の、制限なしに窒素(N2)、水素(H2)、またはアルゴン(Ar)を含めた不活性ガスまたは混合ガスのもとで、ないしは真空下で焼結することが好ましい。本発明の合金は、「焼結されたまま」の状態、または熱処理された状態のいずれでも使用することが可能である。粉末冶金の熱処理方法は従来技術でよく知られたものを用いる。
【0027】
本発明の粉末金属材料は常温で鋳造加工するか、または熱間鍛造加工するかして表面硬化した製作品を成形する、あるいは耐磨耗性を上げるために密度を増加させることができる。さらに、本発明の粉末金属材料は、銅を浸潤させて密度を増加させ耐磨耗性を上げることができる。
【0028】
上記の組成および方法に従って製造された第1の実施形態の鉄ベースの粉末金属エンジン構成要素は、重量パーセントで、約0.5〜約1.5%の炭素(C)と、約1.0〜約4.0%のクロム(Cr)と、約0.3〜約0.9%のマンガン(Mn)と、約3.0〜約7.0%のモリブデン(Mo)と、約0.1〜約0.5%のバナジウム(V)と、約0.2〜約2.0%のニッケル(Ni)と、約0.2〜約0.8%の硫黄(S)と、約0.2〜約0.6%のタングステン(W)と、約0〜約20.0%の銅(Cu)と、およびおおむね鉄(Fe)である残りとを含む化学組成を有する。この粉末金属エンジン構成要素は、ロックウェルBスケールで約100〜約120HRBの範囲の見掛け硬度を有する。
【0029】
鉄ベースのラーベス相(Laves phase)粉末金属エンジン構成要素の好ましい化学組成は、1.05%の炭素(C)、2.0%のクロム(Cr)、11.0%の銅(Cu)、0.1%のマグネシウム(Mg)、0.58%のマンガン(Mn)、4.23%のモリブデン(Mo)、0.72%のニッケル(Ni)、0.47%の硫黄(S)、0.33%のバナジウム(V)、0.36%のタングステン(W)、およびおおむね鉄(Fe)である残りを含む。
【0030】
本発明の第2のコバルト含有の実施形態による粉末金属エンジン構成要素は、重量パーセントで、約0.7〜約1.4%の炭素(C)と、約1.0〜約3.0%のクロム(Cr)と、約6.0〜約12.0%のモリブデン(Mo)と、約0.5〜約3.0%のニッケル(Ni)と、約0.1〜約1.0%のケイ素(Si)と、約0.2〜約0.8%の硫黄(S)と、約4.0〜約15.0%のコバルト(Co)と、約20.0%までの銅(Cu)と、およびおおむね鉄(Fe)である残りとを含む化学組成を有する。この粉末金属エンジン構成要素は、ロックウェルBスケールで約100〜約120HRBの範囲の見掛け硬度を有する。
【0031】
コバルトベースのラーベス相(Laves phase)粉末金属エンジン構成要素の好ましい化学組成は、1.29%の炭素(C)、15%のコバルト(Co)、2.2%のクロム(Cr)、0.89%の銅(Cu)、9.51%のモリブデン(Mo)、2.67%のニッケル(Ni)、0.7%の硫黄(S)、0.86%のケイ素(Si)、およびおおむね鉄(Fe)である残りを含む。
【0032】
図3は、EMS554MCuIという表示の市販の材質およびEXP1451という表示の第1の実施形態によって作られた弁座インサートについて行った弁座インサートリグテスト結果を示すグラフである。このリグ摩耗テストの手順については、WERA誌201(1196)のY.S.Wang等による論文、「The Effect of Operating Conditions on Heavy Duty Engine Valve Seat Wear」、および本発明の被譲渡人に譲渡され、本発明の参考文献として記載した米国特許第5271823号に記載されている。このテストでは、21−2N材から作製した弁は、約273キログラム(kg)の側荷重を受けるステムを有し、サイクル速度20ヘルツ(Hz)で概略1440000サイクルの運転を行った。弁座は約677℃まで加熱された。
【0033】
図4は、「工具摩耗一次」および「工具摩耗二次」で表示される2つの条件下における図3の各材質の機械加工性の比較を示す。この機械加工性のテスト手順の説明は、バルブトレインシステムと設計材質に関する国際シンポジウム(1997年)の議事録のH.Rodriguesによる論文「Sintered Valve Seat Inserts and Valve Guide:Factory Affecting Design,Performance and Machinability」に与えられている。このテストの操作パラメータには、回転速度約1550rpm、供給速度9.3ipmで運転する冷却材を備えたCBN(Cubic Boron Nitride)機械が含まれていた。
【0034】
これらの図を注意深く見ると、本発明によって従来技術を上回る望ましい特性の改良が達成されていることがわかる。
【0035】
図5は、鋳造T−400トリバロイ材と本発明の第2の実施形態によるコバルト含有PM材についての弁座インサートのリグテスト結果を示すグラフである。鋳造T−400トリバロイ製のインサートはプレミアム重荷重ディーゼルエンジン用途用のものである。これらのリグテストは塩浴の窒化ケイ素(nitrided Sil)1バルブについて行った。弁座の温度は約510℃である。バルブステムは、サイクル速度約10ヘルツ(Hz)で概略864000サイクルの間、約1814キログラム(kg)の側荷重を受ける。この図でも、本発明によって鋳造T−400トリバロイ材を上回る改良がなされていることが明確に示されている。機械加工が困難で通常は事前仕上げ加工の形で使用する鋳造T−400インサートに対して本発明が著しく機械加工性を向上していることを表わしている。
【0036】
図6は本発明の粉末金属混合材の微細構造を示すスケッチ図である。本発明の両方の実施形態において金属間化合物相(intermetallic phase)またはラーベス相(Laves phase)の存在が認められる。このラーベス相(Laves phase)は耐熱性および耐磨耗性をもたらす。焼戻しされたマルテンサイト母地(matrix)中に潤滑性および機械加工性のための固体潤滑材、カーバイドおよび銅合金が充填された小孔も示されている。微細構造の中には保持されたオーステナイト相も認められる。
【0037】
有利なことに、本発明は、100%よりはるかに少ない、トリバロイまたはT−400合金と同様の鉄ベースの金属間化合物質の量を効果的に用いて、重荷重および軽荷重の用途で耐磨耗性を十分に持たせることができることを発見した。固体潤滑材と結合したこの新奇な金属間化合物の微細構造は、弁座インサートに耐磨耗性の向上と競争力のある価格で製造することができる優れた機械加工性をもたらす。
【0038】
費用がより安い、トリバロイT10粉末金属混合物と同じ鉄ベースの金属間化合物質は、特に大量生産の乗用車用途に使用する場合に対してコスト上の利益をもたらす。
【0039】
本発明のT−400粉末金属混合物のコバルトベース金属間化合物相は、重荷重用途に対する耐磨耗性を与える。その機械加工性あるいはコストは第1の実施形態ほど魅力的ではないが、第2の実施形態はトラックエンジンの用途で特に有用性がある。
【0040】
【実施例】
実施例I
本発明による鉄ベースの粉末は、下記の処方を用いて二重コーンブレンダで約30分間混合される。この混合物は、100kgの鉄ベース金属間化合物粉末と50kgのM3粉末、15kgの二硫化モリブデンと、5kgの滑石(talc)と、10kgのグラファイト粉末と、6kgのAcrawaxCと、814kgのQMP4701粉末から成る。この混合物はその後、密度6.8g/cm3に圧縮される。窒素が90%、残りが水素のガス中、圧力が1気圧以下、温度が2100゜Fで20〜30分間焼結を行った。焼結に続いて、1600゜Fで2時間、1.0カーボンポテンシャルで浸炭処理を行い、オイル冷却し、その後続いて窒素雰囲気中で、800゜Fで1時間焼戻しを行った。必要に応じて、この物質を焼結時に銅浸潤させることもできる。
【0041】
実施例II
本発明によるコバルト含有混合物は実施例1と同様にして処理されるが、この混合物は次の物質と重量、すなわち、350kgのT400粉末、16kgのグラファイト粉末、30kgの二硫化モリブデン、10kgの滑石(talc)、5kgのAcrawaxC、および589kgのDistaloy AEを含んでいる。
【0042】
ある程度特別な例について本発明を説明してきたが、好ましい実施形態の説明は例としてあげただけのものであること、また特許請求の範囲で述べるような本発明の精神と範囲を逸脱することなく数多の変更が可能であることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】エンジンの一部である弁アッセンブリを示す断面図である。
【図2】弁座インサートを含む弁アッセンブリの一部をさらに詳細に示す断面図である。
【図3】市販の弁座材質と本発明による第1の鉄ベースの実施形態についての弁座インサートのリグテスト結果を示すグラフである。
【図4】図3の本発明の第1の鉄ベースの実施形態と市販の材質の機械加工性の比較を示すグラフである。
【図5】鋳造T400材と本発明の第2のコバルト含有の実施形態についての弁座インサートのリグテスト結果を示すグラフである。
【図6】本発明によって作製した粉末金属構成要素の微細構造断面を示す図である。
【符号の説明】
10 弁アッセンブリ
12 弁
14 バルブステムガイド
16 弁座面
18 弁座インサート
28 隅肉部
30 バルブステム
Claims (19)
- 重量パーセントで、
約0.5〜約1.5%の炭素(C)と、
約1.0〜約4.0%のクロム(Cr)と、
約0.3〜約0.9%のマンガン(Mn)と、
約3.0〜約7.0%のモリブデン(Mo)と、
約0.1〜約0.5%のバナジウム(V)と、
約0.2〜約2.0%のニッケル(Ni)と、
約0.2〜約0.8%の硫黄(S)と、
約0.2〜約0.6%のタングステン(W)と、
約0〜約20.0%の銅(Cu)と、
実質的に鉄(Fe)である残りとを含む化学組成を有する粉末金属エンジン構成要素。 - 前記エンジン構成要素が弁座インサートを含む請求項1に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記粉末金属エンジン構成要素が、圧縮されて最小密度が約6.5g/cm3である粉末金属材を含む請求項1に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記圧縮された粉末金属材が、約100から約120の範囲にあるロックウェルBスケールの硬さを有する請求項3に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記圧縮された粉末金属材は、焼き戻されたマルテンサイト、パーライト、ベイナイトおよびオーステナイトを含有する母地(matrix)中で、ラーベス相(Laves phase)、カーバイドおよび固体潤滑材が分散している微細構造を有する請求項4に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記構成要素が焼結されたままで焼戻しされた状態にあることを含む請求項5に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記構成要素が銅を浸潤させた状態にあることを含む請求項5に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記構成要素が水蒸気処理した状態にあることを含む請求項5に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記構成要素が、浸炭処理と焼戻し処理を行った状態および浸炭窒化処理と焼戻し処理を行った状態から成る群から選択されたもののいずれかの状態にあることを含む請求項5に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 重量パーセントで、
約0.7〜約1.4%の炭素(C)と、
約1.0〜約3.0%のクロム(Cr)と、
約6.0〜約12.0%のモリブデン(Mo)と、
約0.1〜約1.0%のケイ素(Si)と、
約0.5〜約3.0%のニッケル(Ni)と、
約0.2〜約0.8%の硫黄(S)と、
約4.0〜約15.0%のコバルト(Co)と、
約20.0%までの銅(Cu)と、
実質的に鉄(Fe)である残りとを含む化学組成を有する粉末金属エンジン構成要素。 - 前記エンジン構成要素が弁座インサートを含む請求項10に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記粉末金属エンジン構成要素が、圧縮されて最小密度が約6.5g/cm3である粉末金属材を含む請求項10に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記圧縮された粉末金属材が、約100から約120の範囲にあるロックウェルBスケールの硬さを有する請求項10に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記圧縮された粉末金属材が、焼き戻されたマルテンサイト母地(matrix)中で、ラーベス相(Laves phase)、カーバイドおよび固体潤滑材が分散している微細構造を有する請求項10に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記固体潤滑材が、二硫化モリブデン、フッ化カルシウム、滑石(タルク)、グラファイト、および二硫化モリブデン、滑石、グラファイトおよびフッ化カルシウムの混合物から成る群から選択された要素を含む請求項10に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記構成要素が焼結されたままで焼戻しされた状態にあることを含む請求項15に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記構成要素が銅を浸潤させた状態にあることを含む請求項15に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記構成要素が水蒸気処理した状態にあることを含む請求項15に記載の粉末金属エンジン構成要素。
- 前記構成要素が、浸炭処理と焼戻し処理を行った状態および浸炭窒化処理と焼戻し処理を行った状態から成る群から選択されたもののいずれかの状態にあることを含む請求項15に記載の粉末金属エンジン構成要素。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US10/183,289 US6676724B1 (en) | 2002-06-27 | 2002-06-27 | Powder metal valve seat insert |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009258981A Division JP5551413B2 (ja) | 2002-06-27 | 2009-11-12 | 粉末金属弁座インサート |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004043969A true JP2004043969A (ja) | 2004-02-12 |
Family
ID=29717934
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003183964A Pending JP2004043969A (ja) | 2002-06-27 | 2003-06-27 | 粉末金属弁座インサート |
JP2009258981A Expired - Fee Related JP5551413B2 (ja) | 2002-06-27 | 2009-11-12 | 粉末金属弁座インサート |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009258981A Expired - Fee Related JP5551413B2 (ja) | 2002-06-27 | 2009-11-12 | 粉末金属弁座インサート |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6676724B1 (ja) |
EP (1) | EP1375841B1 (ja) |
JP (2) | JP2004043969A (ja) |
KR (2) | KR101160690B1 (ja) |
Families Citing this family (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4376687B2 (ja) * | 2004-04-21 | 2009-12-02 | イーグル工業株式会社 | 摺動部品 |
CA2514493C (en) * | 2004-09-17 | 2013-01-29 | Sulzer Metco Ag | A spray powder |
DE102005023581A1 (de) * | 2005-05-18 | 2006-11-23 | Fev Motorentechnik Gmbh | Verbrennungskraftmaschine mit reduzierter Zylinderkopfhöhe |
JP5125488B2 (ja) * | 2007-12-26 | 2013-01-23 | 大同特殊鋼株式会社 | 焼結体用硬質粒子粉末及び焼結体 |
US8733313B2 (en) * | 2008-03-31 | 2014-05-27 | Nippon Piston Ring Co., Ltd. | Iron-based sintered alloy for valve seat, and valve seat for internal combustion engine |
DE102008017023A1 (de) * | 2008-04-03 | 2009-10-08 | Schaeffler Kg | Bauteil für eine mit Alkoholkraftstoff betriebene Brennkraftmaschine |
US7754143B2 (en) * | 2008-04-15 | 2010-07-13 | L. E. Jones Company | Cobalt-rich wear resistant alloy and method of making and use thereof |
CN102274950A (zh) * | 2011-08-26 | 2011-12-14 | 昆明理工大学 | 一种原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备方法 |
KR101438602B1 (ko) * | 2012-04-02 | 2014-09-05 | 현대자동차 주식회사 | 밸브시트용 소결합금 및 이를 이용한 밸브시트 제조방법 |
DE102012013226A1 (de) * | 2012-07-04 | 2014-01-09 | Bleistahl-Produktions Gmbh & Co Kg | Hochwärmeleitender Ventilsitzring |
CN102994906B (zh) * | 2012-09-29 | 2016-03-23 | 铜陵创慧科技咨询服务有限公司 | 一种球阀阀体的方法 |
CN102994891A (zh) * | 2012-09-29 | 2013-03-27 | 铜陵国方水暖科技有限责任公司 | 一种旋塞阀的阀杆制备方法 |
CN102994907A (zh) * | 2012-09-29 | 2013-03-27 | 铜陵国方水暖科技有限责任公司 | 一种止回阀阀体铸造方法 |
CN102994889B (zh) * | 2012-09-29 | 2016-03-23 | 铜陵创慧科技咨询服务有限公司 | 一种隔膜阀阀体的铸造成型制备方法 |
CN102994910A (zh) * | 2012-09-29 | 2013-03-27 | 铜陵国方水暖科技有限责任公司 | 一种闸阀阀杆的铸造方法 |
RU2523648C1 (ru) * | 2013-06-05 | 2014-07-20 | Закрытое Акционерное Общество "Новомет-Пермь" | Порошковый износо- корозионно-стойкий материал на основе железа |
CN103600062B (zh) * | 2013-10-10 | 2016-01-13 | 铜陵新创流体科技有限公司 | 一种粉末冶金合金复合材料及其制备方法 |
CN106148847B (zh) * | 2016-08-25 | 2017-09-29 | 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 | 一种hm1粉末钢及其制备工艺 |
US20200216935A1 (en) * | 2019-01-04 | 2020-07-09 | Tenneco Inc. | Hard powder particles with improved compressibility and green strength |
CN110423955B (zh) * | 2019-07-29 | 2020-10-20 | 中国航发北京航空材料研究院 | 表层超硬化型超高强度耐热齿轮轴承钢及制备方法 |
CN113881903A (zh) * | 2021-09-01 | 2022-01-04 | 安徽金亿新材料股份有限公司 | 嫦娥钢在制备气门导管或多台阶复杂结构件中的应用、气门导管和多台阶复杂结构件及制备 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS4996912A (ja) * | 1973-01-20 | 1974-09-13 | ||
JPS5763658A (en) * | 1980-10-03 | 1982-04-17 | Kawasaki Steel Corp | Manufacture of sintered machine parts with superior specific strength |
JPS6196014A (ja) * | 1984-10-13 | 1986-05-14 | Toyota Motor Corp | 動弁系摺動部材とその製造方法 |
JPH108223A (ja) * | 1996-06-21 | 1998-01-13 | Nippon Piston Ring Co Ltd | 焼結合金製接合型バルブシートおよび接合型バルブシート用焼結合金材の製造方法 |
JP2000160307A (ja) * | 1998-11-19 | 2000-06-13 | Eaton Corp | 粉末冶金バルブシ―トインサ―ト |
Family Cites Families (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6038461B2 (ja) * | 1978-03-08 | 1985-08-31 | 住友電気工業株式会社 | 耐摩性に優れた焼結合金 |
US4241895A (en) | 1978-04-26 | 1980-12-30 | Fmc Corporation | Annular resilient metal valve seat |
GB2197663B (en) * | 1986-11-21 | 1990-07-11 | Manganese Bronze Ltd | High density sintered ferrous alloys |
US5007284A (en) | 1990-02-27 | 1991-04-16 | Slone Ralph J | Piston ring and liner wear simulator and method of using same |
US5271823A (en) | 1992-06-17 | 1993-12-21 | Eaton Corporation | Method of making a trivalent chromium plated engine valve |
US5358547A (en) | 1993-02-18 | 1994-10-25 | Holko Kenneth H | Cobalt-phosphorous-base wear resistant coating for metallic surfaces |
US5363821A (en) | 1993-07-06 | 1994-11-15 | Ford Motor Company | Thermoset polymer/solid lubricant coating system |
GB9405946D0 (en) * | 1994-03-25 | 1994-05-11 | Brico Eng | Sintered valve seat insert |
JP3469347B2 (ja) | 1995-03-24 | 2003-11-25 | トヨタ自動車株式会社 | 被削性に優れた焼結材料及びその製造方法 |
US5674449A (en) | 1995-05-25 | 1997-10-07 | Winsert, Inc. | Iron base alloys for internal combustion engine valve seat inserts, and the like |
JP3614237B2 (ja) | 1996-02-29 | 2005-01-26 | 日本ピストンリング株式会社 | 内燃機関用バルブシート |
US5934238A (en) | 1998-02-20 | 1999-08-10 | Eaton Corporation | Engine valve assembly |
US5960760A (en) | 1998-02-20 | 1999-10-05 | Eaton Corporation | Light weight hollow valve assembly |
JP2000064003A (ja) * | 1998-08-19 | 2000-02-29 | Hitachi Powdered Metals Co Ltd | 耐摩耗性焼結合金およびその製造方法 |
JP2000087177A (ja) * | 1998-09-16 | 2000-03-28 | Daido Steel Co Ltd | 被削性に優れた冷間工具鋼鋳鋼品とその製造方法 |
JP4352491B2 (ja) * | 1998-12-25 | 2009-10-28 | 大同特殊鋼株式会社 | 快削性冷間工具鋼 |
JP2001050020A (ja) * | 1999-05-31 | 2001-02-23 | Nippon Piston Ring Co Ltd | 内燃機関用の弁装置 |
AU3368101A (en) * | 2000-01-06 | 2001-07-16 | Bleistahl-Produktions Gmbh And Co. Kg | Powder metallurgy produced sinter shaped part |
JP2001234278A (ja) * | 2000-02-16 | 2001-08-28 | Daido Steel Co Ltd | 被削性に優れた冷間工具鋼 |
US6385847B1 (en) | 2000-09-13 | 2002-05-14 | Eaton Corporation | Seat faced engine valves and method of making seat faced engine valves |
-
2002
- 2002-06-27 US US10/183,289 patent/US6676724B1/en not_active Expired - Lifetime
-
2003
- 2003-06-23 KR KR1020030040593A patent/KR101160690B1/ko active IP Right Grant
- 2003-06-26 EP EP03014634.4A patent/EP1375841B1/en not_active Expired - Fee Related
- 2003-06-27 JP JP2003183964A patent/JP2004043969A/ja active Pending
-
2009
- 2009-11-12 JP JP2009258981A patent/JP5551413B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2010
- 2010-12-01 KR KR1020100121288A patent/KR101245069B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS4996912A (ja) * | 1973-01-20 | 1974-09-13 | ||
JPS5763658A (en) * | 1980-10-03 | 1982-04-17 | Kawasaki Steel Corp | Manufacture of sintered machine parts with superior specific strength |
JPS6196014A (ja) * | 1984-10-13 | 1986-05-14 | Toyota Motor Corp | 動弁系摺動部材とその製造方法 |
JPH108223A (ja) * | 1996-06-21 | 1998-01-13 | Nippon Piston Ring Co Ltd | 焼結合金製接合型バルブシートおよび接合型バルブシート用焼結合金材の製造方法 |
JP2000160307A (ja) * | 1998-11-19 | 2000-06-13 | Eaton Corp | 粉末冶金バルブシ―トインサ―ト |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR101245069B1 (ko) | 2013-03-18 |
JP5551413B2 (ja) | 2014-07-16 |
US20040000283A1 (en) | 2004-01-01 |
KR101160690B1 (ko) | 2012-06-28 |
KR20040002642A (ko) | 2004-01-07 |
EP1375841A2 (en) | 2004-01-02 |
JP2010031385A (ja) | 2010-02-12 |
US6676724B1 (en) | 2004-01-13 |
KR20100133934A (ko) | 2010-12-22 |
EP1375841A3 (en) | 2008-08-27 |
EP1375841B1 (en) | 2016-04-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5551413B2 (ja) | 粉末金属弁座インサート | |
US6139598A (en) | Powdered metal valve seat insert | |
JP4368245B2 (ja) | 硬質粒子分散型鉄基焼結合金 | |
RU2280706C2 (ru) | Спеченное изделие на основе железа, содержащее медь, и способ его получения | |
EP1300481B1 (en) | Powder metal valve guide | |
KR20090039835A (ko) | 개선된 분말 야금 조성물 | |
JPH03170644A (ja) | 内燃機関用弁座インサートおよびその製造方法 | |
JP7086064B2 (ja) | 遊離黒鉛含有粉末 | |
EP0752015A1 (en) | A method of making a sintered article | |
EP1198601B1 (en) | Sintered steel material | |
JP6929313B2 (ja) | 高温耐摩耗用鐵系焼結合金 | |
WO2002072904A1 (en) | Sintered ferrous materials | |
JP2003166025A (ja) | 硬質粒子分散型焼結合金及びその製造方法 | |
CN104593668B (zh) | 耐磨损性铁基烧结金属及内燃机用阀座 | |
KR20070084359A (ko) | 캠 로브 및 다른 고 마모 물품용 소결 합금 | |
Lima et al. | Higher quality, better mechanical properties of PM valve seat inserts: By identifying key parameters in copper infiltration process | |
Hanejko et al. | Opportunities for Conversion of Powertrain Components from Malleable/Ductile Cast Irons to Powder Metallurgy | |
JPS5857505B2 (ja) | タイマモウセイトヒサクセイニスグレタ ハイキベンザヨウフクゴウザイリヨウ オヨビ ソノセイゾウホウホウ |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060623 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090512 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20090812 |
|
A602 | Written permission of extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602 Effective date: 20090817 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20091112 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101027 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20110127 |
|
A602 | Written permission of extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602 Effective date: 20110201 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110224 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110518 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20110818 |
|
A602 | Written permission of extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602 Effective date: 20110823 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120207 |