JP2004353088A - エンジン用途向けの高温腐食/酸化抵抗性弁案内 - Google Patents

エンジン用途向けの高温腐食/酸化抵抗性弁案内 Download PDF

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Abstract

【課題】高温応用の弁案内として使用するのに特に適した粉末金属構成部品を提供すること。
【解決手段】第1の実施形態に基づく粉末金属構成部品は、重量パーセントベースで、C約0.1〜2.0%と、Cr約8.0〜18.0%と、Mo約1.0〜15.0%と、S約0.1〜3.5%と、Si約0.1%〜2.0%と、その他の元素最高約5.0%と、実質的に鉄である残部とからなる化学組成を有する。本発明に基づく第2の実施形態はCo約8.0〜16.0%を含む。
【選択図】図3

Description

本発明は一般に粉末金属エンジン構成部品に関し、詳細には、高温用途向けの新規の改良型粉末金属弁案内に関する。
弁案内は一般に、内燃機関内のエンジンポペット弁の弁棒を受け取るように構築された管状構造体である。このエンジン構成部品の構造は当業者に周知である。
粉末金属(P/M)弁案内は、ケイ酸塩、遊離黒鉛、硫化マンガン、硫化銅、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を含有するフェライト/パーライトミクロ組織を含む低合金鋼から作られる。従来技術のP/M弁案内は、低〜中程度の密度にプレス成形し、従来の焼結温度、例えば約1,150℃未満の温度を使用して焼結させ、次いで両端を機械加工する。内部ボアはリーミングによって形成する。弁案内の寿命を延ばすため、弁案内に含油することが知られている。内燃機関の動作は弁案内に油を補給する。弁案内の寿命は、弁棒と弁案内の間の界面を潤滑するエンジン油に依存する。近年、弁棒と弁案内の間の界面を通して燃焼室内へ漏れるエンジン潤滑油によって引き起こされる大気汚染の問題に対処するため、「オイルスターブド(oil starved)」弁案内と呼ばれる弁案内を設計する努力が続けられている。
本発明の譲受人が2001年10月2日に提出した米国特許出願第09/969716号は、潤滑がほとんどないかまたは全くない状況で高温に耐える能力を有するこのような弁案内を対象としている。この出願は参照によって本明細書に組み込まれる。この発明に基づく弁案内は特に、内燃機関の冷却されたシリンダブロックの中で使用することを意図したものである。
弁案内の他の応用は、冷却されていないシステム中で弁案内が高温、例えば約1000°F(約538℃)を超える高温にさらされる位置を含むことができる。例えば、エンジン排気マニホルドとエンジン吸気マニホルドの間に排気ガス再循環(EGR)弁が配置される。EGR弁は、エンジンの排気側から吸気側への排気ガスの再循環を可能にするポペット弁(これは弁案内を含む)を使用する。当業者には周知のとおり、このような排気ガスの再循環は、さまざまなエンジン排出物質の低減に役に立つ。
エンジン性能を最適化し、同時に排出物質をできるだけ低く抑えるため、EGR弁を、エンジン制御ユニット(ECU)からの制御信号に応答した連続可変モードで動作させることが望ましくなった。その結果、EGR弁のポペット弁および弁案内は、高温および腐食性の排気ガスに長時間、絶え間なくさらされる。
この過大な温度は、構成部品の性能、特に弁案内の中での弁棒の往復運動の性能に、例えば弁案内の内部での弁のスティッキング(焼付)、シージングなどの不利な影響を及ぼす。さらに、排気流中に見られる腐食性の材料は構成部品の寿命に不利な影響を与える。
したがって、EGR弁応用、および弁案内に潤滑または冷却がほとんどまたはまたく提供されないその他の高温応用に見られるかなりの高温に耐える能力を有する粉末金属弁案内が求められている。
したがって本発明の目的は、高温および腐食環境に耐える能力を有する改良型の粉末金属エンジン構成部品を提供することにある。
本発明の他の目的は、冷却をほとんどまたは全く実施しない高温用途向けの改良型の粉末金属弁案内を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、EGR弁応用で使用するのに適した粉末金属弁案内を提供することにある。
本発明の上記の目的およびその他の目的は、重量パーセントベースで、炭素約0.1から約2.0%と、クロム約8.0から約18.0%と、モリブデン約1.0から約15.0%と、硫黄約0.1から約3.5%と、ケイ素約0.1%から約2.0%と、その他の元素最高約5.0%と、実質的に鉄である残部とを含む化学組成を有する粉末金属エンジン構成部品を提供することによって達成される。
本発明のこれらの目的はさらに、重量パーセントベースで、炭素約0.1から約2.0%と、クロム約8.0から約18.0%と、モリブデン約1.0から約15.0%と、硫黄約0.1から約3.5%と、コバルト約8.0から約16.0%と、ケイ素約0.1から約2.0%と、その他の元素最高約5.0%と、実質的に鉄である残部とを含む化学組成を有するコバルトベースの粉末金属エンジン構成部品を提供することによって達成される。
本発明を特徴づけるさまざまな新規の特徴は、本開示に添付され本開示の一部を構成する請求項に詳細に示されている。本発明、本発明の利点、および本発明の使用によって達成される特定の目的の理解を深めるためには、本発明の好ましい実施形態が示された付随する実施例、図面および記述内容を参照されたい。
次に図面を参照する。これらの図面は本発明を限定することを意図したものではない。図1に、全体が10で示された排気ガス再循環(EGR)システムを示す。EGRシステム10は、当技術分野で周知の装置であり、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第6102016号に記載されている。この特許は参照によって本明細書に組み込まれる。本発明は、内燃機関のエンジン構成部品としての応用を含むがこれに限定されない任意の高温応用で有用であることを理解されたい。
弁案内または粉末金属エンジン構成部品としての本発明の使用は、特定のタイプのエンジンまたはEGRシステムなどのエンジンシステムに限定されないが、本発明の使用は、本明細書で簡単に説明するポペット弁および弁案内を使用するEGRシステムに関して特に有利である。その理由は後に明らかにする。本明細書に示し説明するEGRシステム10は一例に過ぎないのであって、本発明がこのタイプのシステムだけに限定されないことはすぐに明らかになるはずである。
EGRシステム10は、マニホルド部分12およびアクチュエータ部分14を含む複数のセクションを含む。図2に示すように、マニホルド部分12は、通路20およびボア22を画定するマニホルドハウジング18を含む。その内部の弁案内25の中には、全体が24で示された弁部材が、その中で軸方向に往復運動するように支持されている。弁部材24は、弁棒28と一体に形成されたポペット弁部分26を含む。
マニホルドハウジング18はさらに、弁部材24が閉じたときにポペット弁部分26が着座する弁座30を画定する。これによって弁座30は「クローズストップ(close stop)」の働きをする。分かりやすくするために、図では、ポペット弁部分26が弁座30からわずかに離れて示されてはいるが、図2に示した状態が弁部材24の閉位置を表す。一例として、マニホルドハウジング18は、排気マニホルド(図示せず)に接続するためのフランジ32を含み、その結果、図2のポペット弁部分26よりも下の領域が排気ガス通路Eを構成する。EGRシステム10の動作および構造の詳細については、先に本明細書に組み込んだ米国特許第6102016号を参照されたい。EGRシステムの以上の説明は単に、本発明の新規の材料のよりよい理解および使用を容易にするために提供したものでである。
当業者には周知のことであるが、排気ガス通路(E)から吸気通路(I)へ流れる高温の排気ガスにマニホルドハウジング18が接触すると、マニホルドハウジング18は相当に高温となり、例えば1000°F(約538℃)を超える。その結果、弁部材24および弁案内25は、高温および排気ガスの腐食環境に絶えずさらされる。
弁案内25の弁案内材料は、この苛酷なエンジン環境に耐えて、内径(ID)の表面に生じる酸化および/または腐食に抵抗する能力を有していなければならない。こういった能力がなければ、弁棒28のスカッフィング、スティッキングまたはシージングが生じる可能性がある。
本発明の本質は、軟質ステンレス鋼マトリックス中の金属間ラーベス相と、固体潤滑剤と、含浸油の貯蔵場所として機能する細孔の体積および形態とを含むミクロ組織を有する新規の材料にある。
本明細書では特に明記しない限り、全てのパーセンテージが重量パーセントに基づく。粉末冶金プロセスは、ニア・ネェット・シェイプでの経済的な生産を可能にし、さらに材料選択および焼結後処理の融通性をもたらす。本発明の新規の材料は、研磨/粘着摩耗抵抗性、スカッフィング抵抗性などの優れた特性を提供し、クロムめっき弁棒、窒化弁棒を含むさまざまなタイプの弁棒および弁棒コーティングに対して使用することができる。
本発明の第1の実施形態によれば、粉末金属構成部品を形成するために、硬質相金属間材料(hard phase intermetallic material)と、黒鉛と、固体潤滑剤と、一過性潤滑剤(fugitive lubricant)と、ステンレス鋼材料とからなる混合物を含む粉末金属ブレンドを混合する。
硬質相金属間材料は、North American Hoganas社から入手可能なタイプのT−10鉄Tribaloy材料であることが好ましく、粉末金属ブレンドの約5%から約50%を構成する。T−10は粉末金属ブレンドの約7.0%を構成することが好ましい。
黒鉛は、粉末金属ブレンドの約0.1%から約2.0%を構成し、粉末金属ブレンドの約0.5%であることが好ましい。黒鉛は、Asburry Graphite社から入手可能なSW1651黒鉛であることが好ましい。他のグレードの天然または合成黒鉛を使用することもできる。
固体潤滑剤は粉末金属ブレンドの約0.2%から約8.0%、好ましくは約2.5%を構成する。好ましい固体潤滑剤は二硫化モリブデンMoS2である。他の適当な固体潤滑剤には、二硫化タングステン(WS2)、窒化ホウ素(BN)、タルク、フッ化カルシウム(CaF2)またはこれらの組合せが含まれる。ただしこれらに限定されるわけではない。
一過性潤滑剤は粉末金属ブレンドの約0.2%から約1.5%、好ましくは約0.6%を構成する。この粉末潤滑剤を本明細書で一時的ないし一過性潤滑剤と呼ぶのは、この潤滑剤が焼結ステップの間に燃え尽き、または熱分解するからである。好ましい一過性潤滑剤は、North American Hoganas社から入手可能な潤滑剤の一銘柄であるKenolube材料であり、ステアリン酸亜鉛とエチレンステアルアミドの混合物である潤滑剤である。他の適当な一過性潤滑剤には、ステアリン酸亜鉛、エチレンステアルアミド、またはGlyco Chemical Company社から入手可能なAcrawax Cが含まれる。ただしこれらに限定されるわけではない。
ステンレス鋼(ss)材料は、North American Hoganas社から市販されている434Lステンレス鋼材料であることが好ましく、粉末金属ブレンドの残りの部分を構成する。409、410および430を含むがこれに限定されない400シリーズの他のステンレス鋼材料、あるいは303、304または316を含むがこれに限定されない300シリーズのステンレス鋼を使用することもできる。これらは全て市販材料である。
本発明の第1の実施形態に基づく好ましい粉末金属ブレンドは、434ss材料をおよそ87%、T−10材料を約7%、黒鉛を約0.5%、MoS2を約2.5%、Kenolubeを約0.6%含む。
この粉末金属ブレンドを、例えばダブルコーンブレンダの中でおよそ30分から60分、好ましくは30分完全に混合して均一な混合物を得、次いで所望の形状のダイに入れて圧縮成形する。この成形は、約40TSI(トン/平方インチ=155kg/cm2)から約65TSI、好ましくは約50TSIの成形圧力で実行し、圧粉体の密度が少なくとも6.0g/cm3になるまで圧縮する。好ましい圧力は6.2g/cm3である。この密度が約6.3から約6.7g/cm3であるとより好ましい。この成形は単軸成形またはアイソスタティック成形とすることができる。
次いでこの生の圧粉体を、従来のメッシュベルト焼結炉内の約2050°F(約1121℃)から約2150°F(約1177℃)の窒素/水素(N2/H2)雰囲気中で、少なくともおよそ20分間、焼結させる。より好ましくは焼結温度がおよそ2100°F(約1149℃)であり、およそ75%H2/25%N2(体積ベース)の雰囲気中で約30分間実施する。焼結温度は約2050°F(約1121℃)から約2350°F(約1288℃)とすることができ、焼結時間は、約30分から約2時間とすることができ、当技術分野で周知の真空焼結技法またはプッシャ炉(Pusher furnace)焼結技法によって実施することができる。不活性雰囲気を利用することができ、雰囲気であるN2/H2ガスの比は、N2ガス100%からH2ガス100%までとすることができる。本発明は、「焼結したまま」の状態または熱処理した状態で使用することができる。粉末冶金の熱処理法は当技術分野では周知である。この粉末金属構成部品は約45〜95HRBの見掛硬さを有し、好ましい最小硬さは約50HRBである。
弁案内の形成では、材料を当技術分野で周知の方法で端からコイニング(圧印加工)することができる。これには2つの目的、すなわちボアの内径(ID)をまっすぐにしてボアのIDと弁棒のODの間の同心性を維持する目的と、摩耗表面をさらに高密度化して抗スカッフィング特性をさらに高める目的がある。端部のコイニングは任意選択であり、約30TSIの最小コイニング圧で実施することができる。好ましいコイニング圧は約50TSIである。このコイニングプロセスの代替プロセスは、構成部品の端部をコイニングする代わりに端部のリードチャムファーを機械加工するプロセスである。
この構成部品に、最小含油時間約10分、最小含油率約0.75重量パーセントの当技術分野で周知の高温油の含油を施すことができる。含油時間は約20分、含油率は約1.0重量パーセントであることが好ましい。この油は、粉末金属構成部品の細孔を満し、適用時に潤滑を継続的に提供し、製造時の機械加工性を高めるリザーバの働きをする。
弁案内の製作時には、粉末金属構成部品を機械加工して、約10ミクロンから約20ミクロンのOD公差まで外径(O.D.)を研削する。OD公差は約16ミクロンであることが好ましい。
以上に説明したプロセスを用いて作られた粉末金属構成部品は、重量パーセントベースで以下の化学組成を有する。
C(炭素)約0.1%から約2.0%
Cr(クロム)約8.0%から約18.0%
Mo(モリブデン)約1.0%から約15.0%
S(硫黄)約0.1%から約3.5%
Si(ケイ素)約0.1%から約2.0%
その他の元素最高約5.0%(W約0%から約0.6%、Ni約0%から約2.0%、V約0%から0.5%、Cu約0%から約1.9%を含む。ただしこれらに限定されるわけではない)
実質的にFe(鉄)である残部
本発明の第1の実施形態に基づく粉末金属弁案内は、重量パーセントベースで以下の好ましい化学組成を有する。
C約0.5%
Cr約16.6%
Mo約4.0%
S約1.0%
Ni約0.2%
Si約1.0%
実質的にFe(鉄)である残部
本発明に基づくコバルトベースの第2の実施形態は、硬質相金属間材料と、黒鉛と、固体潤滑剤と、一過性潤滑剤と、ステンレス鋼材料とを含む粉末金属ブレンドを使用する。
このコバルトベースの実施形態は、硬質相金属間材料が、North American Hoganas社から市販されているコバルトベースのCold40材料、またはTribaloy400またはT−400材料を含む他は、第1の実施形態と同様である。Cold40材料は、重量パーセントベースで粉末金属ブレンドの約5%から約50%を構成し、好ましくは粉末金属ブレンドの約20%である。
本発明の第2の実施形態の固体潤滑剤は、第1の実施形態と同様の組成および範囲を含み、粉末金属ブレンドの約3.50%を構成することが好ましい。
第2の実施形態に基づく好ましい粉末金属ブレンドは、重量パーセントベースで、434ss材料をおよそ77%、T−400をおよそ20%、黒鉛をおよそ0.5%、二硫化モリブデンをおよそ3.5%、Kenolubeをおよそ0.6%含む。
本発明の第2の実施形態に基づく粉末金属ブレンドは、第1の実施形態に関して先に説明した方法と全く同じ方法で処理する。
第2の実施形態の完成粉末金属構成部品の化学組成は重量パーセントベースで以下のとおりである:
炭素約0.1%から約2.0%、クロム約8.0%から約18.0%、モリブデン約1.0%から約15.0%、硫黄約0.1%から約3.5%、ケイ素約0.1%から約2.0%、コバルト約8.0%から約16.0%、その他の元素最高約5.0%、実質的にFe(鉄)である残部。
本発明に基づくコバルトベース材料の好ましい実施形態は、重量パーセントベースで、C約0.5%、Cr約16.0%、Mo約9.7%、S約1.9%、Ni約0.4%、Si約1.3%、Co約11.8%および実質的にFeである残部からなる化学組成を含む。この実施形態は、約6.2g/cm3の好ましい最小密度、および約50HRBの最小見掛硬さ値を有する。
次に図3を参照すると、異なる3種類の弁案内材料に対する平均弁案内摩耗(mm)のグラフが示されている。このEGR弁案内摩耗試験では、実際のEGRユニットを使用して往復弁運動を繰り返す。弁は、エンジン制御ユニット(ECU)によって制御し、実際の応用の一般的な振動数である振動数1Hzで作動させる。弁フェースおよび弁案内の高温端の弁−弁案内界面の高温は、弁フェースに当たるガスバーナからの炎によって得る。弁フェースは約1350°F(約732℃)に維持する。弁および弁案内のさまざまな位置に取り付けられた熱電対を用いて温度を監視する。摩耗を速めるため、高温に耐えるワイヤを用いて弁棒に取り付けた懸垂重りによって弁棒に約2ポンド(約900g)の側方負荷を適用する。試験は約20時間で終了とする。EGRユニットから弁案内を取り外し、弁案内の高温端の摩耗を測定し、弁案内の初期内径および表面仕上げと比較する。全ての試験で弁棒材料はクロムめっきしたInconel751材料とした。弁案内のベースライン材料は、当技術分野で使用される従来の弁案内材料であるEMS543材料である。この材料は一般に重量パーセントベースで以下の化学組成を有する:C約0.6〜1.0%、Mn約0.5〜1.0%、Cu約3.5〜5.5%、Mg約0.2〜0.6%、S約0.15−0.35%、P(最高)約0.05%、その他の元素最高4.0%、および残部のFe。ベースライン材料の最小密度は6.5g/cm3、見掛硬さは70〜85HRBである。
本発明の第1の実施形態に基づくV−605材料の摩耗量が最も小さい。本発明の第2の実施形態に基づくV−604材料も非常によい結果を示した。本発明の実施形態は両方ともに、ベースライン材料EMS543よりもかなり小さい摩耗を示した。
次に図4を参照すると、同じ3種類の材料の炉内暴露試験のグラフが示されている。炉内暴露試験を実施して、空気雰囲気中で約1400°F(約760℃)の高温に約24時間暴露したことによる内径の変化を測定した。試験の前後に弁案内試料の内径を3か所測定した。全ての試料は、最初の測定の後、加熱の前にAvion Carburization絶縁塗料でコーティングした。このコーティングは、加熱の後、加熱後測定の前に除去した。この場合もやはり、本発明の実施形態は両方ともに、ベースライン材料EMS543よりもかなり小さい弁案内IDの低減を示した。
有利には、本発明に従って作られた粉末金属構成部品は、以前に述べたとおり、焼結したままの状態および/または熱処理した状態で使用することができる。さらに、これらの粉末金属構成部品を、窒化、炭化、炭窒化または水蒸気処理を含む他の処理にかけることができる。ただし処理はこれらに限定されるわけではない。所望ならば熱伝導率を高めるために、得られた製品を銅で溶浸することができる。
後方から見たEGRシステム/アクチュエータアセンブリの透視図である。 正面から見た図1に示したEGRシステム/アクチュエータアセンブリの軸方向垂直断面図である。 ベースライン材料と比較した本発明の両実施形態の平均弁案内内径摩耗を示すグラフである。 図3と同じ材料での炉内暴露試験における時間の経過に伴う弁案内内径の低減を示すグラフである。
符号の説明
10 排気ガス再循環(EGR)システム
12 マニホルド部分
14 アクチュエータ部分
18 マニホルドハウジング
20 通路
22 ボア
24 弁部材
25 弁案内
26 ポペット弁部分
28 弁棒
30 弁座
32 フランジ
I 吸気通路
E 排気ガス通路

Claims (19)

  1. 重量パーセントベースで、
    C約0.1から約2.0%と、
    Cr約8.0から約18.0%と、
    Mo約1.0から約15.0%と、
    S約0.1から約3.5%と、
    Si約0.1から約2.0%と、
    その他の元素最高約5.0%と、
    実質的に鉄である残部と
    を含む化学組成を有する粉末金属構成部品。
  2. 弁案内を含む、請求項1に記載の粉末金属構成部品。
  3. 約6.2g/cm3から約7.2g/cm3までの範囲の密度に圧縮成形された、請求項1に記載の粉末金属構成部品。
  4. 約45HRBの最小硬さ値を有する、請求項1に記載の粉末金属構成部品。
  5. 前記化学組成が、重量パーセントベースで、
    C約0.5%と、
    Cr約16.6%と、
    Mo約4.0%と、
    S約1.0%と、
    Ni約0.2%と、
    Si約1.0%と、
    実質的に鉄である残部と
    を含む、請求項1に記載の粉末金属構成部品。
  6. 前記硬さ値が約45から約95HRBである、請求項4に記載の粉末金属構成部品。
  7. 重量パーセントベースで、
    C約0.1から約2.0%と、
    Cr約8.0から約18.0%と、
    Mo約1.0から約15.0%と、
    S約0.1から約3.5%と、
    Co約8.0から約16.0%と、
    Si約0.1から約2.0%と、
    その他の元素最高約5.0%と、
    実質的に鉄である残部と
    を含む化学組成を有する粉末金属構成部品。
  8. 弁案内を含む、請求項7に記載の粉末金属構成部品。
  9. 前記弁案内がEGR弁案内を含む、請求項8に記載の粉末金属構成部品。
  10. 約6.2g/cm3から約7.2g/cm3までの範囲の密度に圧縮成形された、請求項7に記載の粉末金属構成部品。
  11. 約45HRBから約95HRBまでの範囲の硬さ値を有する、請求項10に記載の粉末金属構成部品。
  12. 前記化学組成が、重量パーセントベースで、
    C約0.5%と、
    Cr約16.0%と、
    Mo約9.7%と、
    S約1.9%と、
    Ni約0.4%と、
    Si約1.3%と、
    Co約11.8%と、
    実質的に鉄である残部と
    を含む、請求項7に記載の粉末金属構成部品。
  13. 銅で溶浸されている、請求項7に記載の粉末金属構成部品。
  14. 含油されている、請求項7に記載の粉末金属構成部品。
  15. 前記弁案内がEGR弁案内を含む、請求項2に記載の粉末金属構成部品。
  16. 前記弁案内がターボ用途向けの弁案内を含む、請求項2に記載の粉末金属構成部品。
  17. 前記弁案内がターボ用途向けの弁案内を含む、請求項8に記載の粉末金属構成部品。
  18. 前記弁案内が銅で溶浸されている、請求項2に記載の粉末金属構成部品。
  19. 前記弁案内が含油されている、請求項2に記載の粉末金属構成部品。
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