JP2006307347A - 弁ガイド - Google Patents

Abstract

【課題】粉末金属部品、特に、弁棒と弁ガイドの界面にほとんどまたは全くエンジンオイル潤滑剤がない運転に特に適した、内燃機関用の弁ガイドを提供すること。
【解決手段】内燃機関用の弁ガイドであって、前記弁ガイドが、粉末金属部品であって端から端までボアのある実質上円筒形を有し、前記弁ガイドの一端部を内燃機関の燃焼室に向けて配置して組立て、前記弁ガイドの前記端部から、前記弁ガイドの全長の約３分の１までの距離に銅を溶浸した弁ガイド。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、粉末金属ブレンド、より具体的には、弁ガイドなどの改良されたエンジン部品を製作するために有用な、新しい改良された粉末金属ブレンドに関する。

環境についての最近の懸念は、いわゆる「ゼロエミッションエンジン」の開発に関する新たな関心を引き起こした。理想的には、これは、どんな汚染物質も放出または排出しない内燃機関である。内燃機関における空気汚染の一供給源および一因は、エンジンの潤滑油である。潤滑油は、摩耗した弁棒と弁ガイドの界面から燃焼室内へ漏れる恐れがある。これは、弁が、弁ガイド内で往復運動を行いながら係合している場所である。燃焼によってそれ自体が汚染物質となる上、漏れた潤滑油に硫黄が含まれていると、触媒毒によって触媒コンバータを傷める恐れがあり、さらに窒素酸化物の形で大気汚染を引き起こす恐れもある。

内燃機関の運転サイクルは、当技術分野でよく知られている。吸気および排気弁、弁ガイド、および弁座埋め金が、燃焼室をシールする上で効果的に相互作用するための物理的必要条件は、広範囲に研究されてきた。弁座埋め金および弁ガイドは、機械的、熱的、および腐食性条件の点で非常に過酷な環境下で動作し、その厳しさは、特定のエンジン用途で左右されることが知られている。

内燃機関では、エンジンオイルを、弁棒のシールを通って弁ガイドへ制御しつつ漏らして、弁ガイド界面の潤滑を行う。漏れの問題は摩耗によって発生するが、場合によっては、ただ単に弁棒と弁ガイドの間の加熱の差を吸収するのに必要な運転用のクリアランスからも起こる。十分な運転用のクリアランスがないと、弁棒が過熱して、弁ガイド内で焼付いたりくっつく恐れがある。

一方、消費者は、やはり自分の車のエンジンにはより高い性能を期待し、かつ車の駆動系にはより長くより良い保証を期待している。その結果、多くのメーカは、駆動系の保証を少なくとも１００，０００マイルまで伸ばしている。自動車業界は、燃料節約の改善、馬力対重量比の上昇、オイル消費量の低下、および自動車エンジンへの信頼性の向上を絶えず求めている。

粉末冶金の最近の進歩を用いて、適切な機械加工性とともに、良好な耐摩耗性、ならびに良好な耐熱性および耐腐食性等の要求に対処している。粉末冶金（Ｐ／Ｍ）は、広範囲の合金系を選択する自由、ならびに柔軟なデザインを提供する自由をもたした。さらに、粉末冶金は、自滑性のための制御された気孔率を提供し、最終寸法または最終に非常に近い寸法での複雑または特有な形状の製造を容易にしている。

一般に、Ｐ／Ｍ弁ガイドは、フェライト／パーライト微細構造、およびケイ酸塩、フリーの黒鉛、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む比較的低い合金鋼から製作される。Ｐ／Ｍ弁ガイドは、低〜中密度にプレスされ、通常の焼結温度、すなわち、約１１５０℃未満で焼結され、次いで両端部が機械加工される。内部のボアは、リーマ加工で形成される。当技術分野では、弁ガイドにオイルを含浸させることが知られているが、含浸したオイルは、エンジンの動作中に補給される。弁ガイドの耐用年数は、弁棒と弁ガイド間の界面を潤滑するエンジンオイルが頼りである。

上記のオイル漏れの問題は、従来、シールの改良によって弁棒シール経由のオイル漏れを制御しようとの試み、および／または、弁ガイドの潤滑による適切な耐用年数の実現と、オイル燃焼で生成した望ましくない排気ガスの排気系への放出との妥協点を見出す試みによって対処してきた。

弁ガイドとして使用するための粉末金属ブレンドまたは混合物へのニーズは、依然として存在する。これは、弁棒および弁ガイドが、ほとんどまたは全く潤滑なしに露出される著しい高温に耐えうるものである。粉末金属ブレンドは、熱伝導性が良好であって、弁ガイドが熱を弁棒から周囲のシリンダヘッドへ伝導させて、弁ガイド内での弁棒の焼付きまたはくっつきを防止できなければならない。粉末金属ブレンドは、耐研摩および耐凝着摩耗性、耐擦り傷性などの優れた特性、ならびに、それだけに限らないが、クロムめっきおよび窒化処理弁棒を含めた様々な種類の弁棒材料および弁棒コーティングへの対応性を備えていなければならない。

したがって、本発明の目的は、エンジン部品を製作するために有用な、改良された粉末金属ブレンドを提供することである。

本発明の他の目的は、粉末金属弁ガイドを製作するための、改良された粉末金属ブレンドを提供することである。

本発明の他の目的は、オイル不足環境での運転に特に適した、改良された粉末金属弁ガイドを提供することである。

本発明の他の目的は、より良いヒートシンクとして機能する、優れた熱伝導性を有する、改良された粉末金属弁ガイドを提供することである。

本発明の他の目的は、耐研摩および耐凝着摩耗性、耐擦り傷性などの優れた特性、ならびに、様々な弁棒材料および弁棒コーティングへの対応性を備えた、改良された粉末金属弁ガイドを提供することである。

本発明の他の目的は、弁棒／弁ガイド界面にほとんどまたは全く潤滑剤がない場合、弁棒および弁ガイドの焼付きを防止する粉末金属弁ガイドを提供することである。

本発明の上記および他の目的は、過酷なエンジン環境での運転に適した、改良された粉末金属ブレンドによって達成される。本発明は、化学組成が、重量パーセントベースで、約２から約１０パーセントの範囲の量の銅、約０．５から約５．０パーセントの範囲の量の固体潤滑剤、約１．０から約３．０パーセントの範囲の量の黒鉛、約１．０から約８．０パーセントの範囲の量の青銅、約０．２から約１．５パーセントの範囲の量の燐鉄および／または燐銅、約０．３から約１．０パーセントの範囲の量の一時的潤滑剤を含み、残りが、約０．３から約１．０パーセントの範囲の量のマンガンを含有する低合金鋼粉末である、改良された粉末金属ブレンドを含む。

本発明を特徴づける新規性の様々な態様は、頭記され本開示の一部を形成する特許請求の範囲に詳細に示されている。本発明、その運転時のメリット、およびそれを使用して達成される特定の目的を、よりよく理解するために、本発明の好ましい実施形態を例証する以下の実施例、図面、および説明に言及する。

本発明は、内燃機関用弁ガイドなどのエンジン部品に特に適した新規な改良された粉末金属ブレンドに関する。本発明の粉末金属ブレンドは、どんな車両部品の製造にも使用でき、単に弁ガイドに限られるものではないことを理解されたい。明細書では、特に指示しない限り、すべての温度は摂氏（℃）であり、すべての百分率（％）は重量パーセントベースである。

粉末冶金プロセスは、費用対効果が大きいニアネットシェイプの生産を提供することができ、多様な材料選択および焼結後処理が可能である。本発明の新規材料ブレンドは、耐研摩および耐凝着摩耗性、耐擦り傷性などの優れた特性を提供し、クロムめっきおよび窒化処理弁棒を含めた様々な種類の弁棒および棒コーティングに対応することができる。

本発明の粉末金属ブレンドは、軽および重負荷どちらの用途でも、加鉛および無鉛ガソリン、ディーゼル、および天然ガスエンジンのエンジン部品として適用できる。さらに、本発明によって製造された粉末部品は、優れた機械加工性を有し、吸気および排気弁ガイドとして使用することもできる。

本発明のエンジン部品への適用をさらに良く理解するために、一般に１０で示す、エンジン用の弁アセンブリを図示した、図１および２を参照する。弁アセンブリ１０は、各々弁ガイド１４の内部ボア内に往復運動しながら収容された複数の弁１２を備える。弁ガイド１４は、シリンダヘッド２４内に挿入された管状構造である。弁１２は、弁１２のヘッド２６およびフィレット２８の間に入れた弁座面１６を有する。弁棒３０は、一般にフィレット２８の上部に位置し、通常、弁ガイド１４内に収容される。弁座埋め金１８は、通常、エンジンのシリンダヘッド２４内に設けられる。これらのエンジン部品の構造は、当分野の技術者には良く知られた機構である。改造および代替構造またはデザインが様々なメーカによって提供されるので、本発明は、どんな特定の構造にも限定されないものである。これらの弁アセンブリの図は、本発明のよりよい理解に役立てるために、例証の目的でのみ提供されるものである。

本発明の粉末金属ブレンドは、銅、固体潤滑剤、黒鉛、青銅、燐銅、一時的潤滑剤を含み、残りがマンガン含有低合金鋼粉末である混合物を含む。本発明の粉末金属ブレンドは、約２から約１０パーセントの範囲の量の銅、約０．５から約５パーセントの範囲の量の固体潤滑剤、約１から約３パーセントの範囲の量の黒鉛、約１から約８パーセントの範囲の量の青銅、約０．２から約１．５パーセントの範囲の量の燐銅および／または燐鉄、約０．３から約１．０パーセントの範囲の量の一時的潤滑剤を含み、残りが、約０．３パーセントから約１．０パーセントの範囲の量のマンガンを含有する低合金鋼粉末である混合物を含む。

より好ましくは、金属粉末ブレンドは、銅（Ｃｕ）約５パーセント、固体潤滑剤約２パーセント、黒鉛約２パーセント、青銅約２パーセント、燐銅約１．０パーセント、一時的潤滑剤約０．６パーセントを含み、残りが、好ましくは約０．６パーセントのマンガンを含有する低合金鋼粉末である混合物を含む。

本発明の粉末金属ブレンドの合金レベルは、オイルがないかほとんどない環境下の、特に高温用途の耐摩耗性のために、硬質相および固体潤滑を強化するようなレベルである。

元素状の銅の添加は、固溶体の強化をもたらし、耐摩耗性を向上させる。フリーな銅は、機械加工性も改善する。本願で用いる銅には、それだけに限らないが、実質上純粋な銅粒子、合金元素との混和材中の銅粒子、および／または他の強化元素、および／またはプレ−アロイ銅の粒子などの任意の銅含有粉末が含まれる。

固体潤滑剤は、耐凝着性をもたらし、機械加工性を高める。適当な固体潤滑剤には、それだけに限らないが、粉末状水和ケイ酸マグネシウム（一般に滑石と呼ばれる）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）、フッ化カルシウム（ＣａＦ₂）、窒化ボロン（ＢＮ）、二硫化タングステン（ＷＳ₂）、黒鉛、ケイ酸塩潤滑剤、硫化物潤滑剤、フッ化物潤滑剤、テルル化物潤滑剤、および雲母が含まれる。勿論、本発明の混合物とともに、それだけに限らないが、任意の他の二硫化物またはフッ化物型の固体潤滑剤を含めた、任意の通常の固体潤滑剤を使用することもできる。

本発明の粉末金属ブレンドには、マトリックス強度、硬質相、および固体潤滑を与えるために黒鉛が用いられ、これにより耐摩耗性および機械加工性の改善がもたらされる。黒鉛の一部は溶体中に入り、パーライト微細構造中で一次炭化物および共晶炭化物になる。残りの黒鉛は固体潤滑剤になる。約２．０％を超えるフリーの黒鉛がプリミックス中にあると、圧縮性および圧粉体強さが失われる。本願で使用する用語「フリー黒鉛」は、残りの黒鉛、すなわち、溶体中に入らない黒鉛のことである。黒鉛粉末の一つの適当な供給源はＳｏｕｔｈｗｅｓｔｅｒｎ１６５１級であり、これは、Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄの製品である。

青銅は、固体潤滑性および耐擦り傷性をもたらす青銅相を作るために添加される。青銅粉末は、銅９０パーセントおよび錫１０パーセントの一般の３０１級が好ましく、これは通常９０−１０青銅と呼ばれ、一般の粒子サイズは約８０メッシュである。これは、任意の非鉄粉末供給業者、例えば、ＡｃｕＰｏｗｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＬＬＣから市販されている。

燐銅は、孔の丸み付けとマトリックス強度をもたらし、焼結助剤である。燐銅は、燐約８パーセントを含み、残りが銅であるプレ−アロイ粉末であることが好ましい。燐銅の商業的供給源は、ＡｃｕＰｏｗｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＬＬＣである。

一時的潤滑剤は粉末状潤滑剤であり、焼結段階で燃え尽きるか、熱分解するので、当技術分野で「暫定的」または「一時的」として知られている。適当な潤滑剤には、それだけに限らないが、ステアリン酸エステル、ステアルアミド、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸亜鉛、ワックスなどの通常のワックス状または脂肪性材料、または市販されているが特許権付きのエチレンステアルアミド組成物または焼結時に蒸発する金型潤滑剤が含まれる。好ましい一時的潤滑剤は、Ｇｌｙｃｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙが販売している、ＡｃｒａｗａｘＣである。Ａｃｒａｗａｘ Ｃは、圧縮時の道具のかじりを防止する。

本発明用の適当な低合金鋼粉末は、ＤｏｍｆｅｒからＭＰ３７Ｒ、またはＫｏｂｅｌｃｏから３００ＭＡ、またはＨｏｅｇａｎａｅｓからＡ１００、またはＮｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａｎ ＨｏｅｇａｎａｅｓからＡＳＣ１００．２９として市販されている。

本発明の粉末金属ブレンドまたは混合物は、均質な混合物を実現するために、十分な時間徹底的に混合される。混合物は、約３０分から約２時間、好ましくは約１時間ブレンドされて、均質な混合物が得られる。任意の混合手段、例えば、ボールミキサーを使用することができる。

混合物は、次いで、１平方インチあたり約４０トン（ＴＳＩ）から１平方インチあたり約６０トンの通常の圧縮圧力で、かつ好ましい圧力約５０ＴＳＩで圧縮される。メートル法では、これは、約６０８から約９１１ＭＰａ、または好ましくは約７６０ＭＰａである。圧縮圧力は、約６．２ｇ／ｃｍ³から約７．２ｇ／ｃｍ³の範囲、好ましくは約６．５ｇ／ｃｍ³の所望の圧粉密度（ｇｒｅｅｎ ｄｅｎｓｉｔｙ）を有するニアネットシェイプ、さらにはネットシェイプの圧粉体を、プレスし形成するのに適当なものでなければならない。圧縮は、一般に、所望の形状のダイを用いて行う。通常、約３５ＴＳＩ未満の圧力は、ほとんど使用されず、約６５ＴＳＩを超える圧力は、有用ではあるが、法外に高価であろう。圧縮は、単軸または静水圧で行うことができる。

圧粉体は、次いで、約１０００℃から約１１５０℃の範囲、好ましくは約１０２０℃の通常の焼結温度を用いて、焼結炉で焼結される。別法として、約１２５０℃から約１３５０℃の範囲、好ましくは約１３００℃のより高い焼結温度を、約２０分から約１時間、または好ましくは約３０分、窒素（Ｎ₂）と水素（Ｈ₂）のガス混合物の減圧雰囲気で用いることもできる。焼結は、成形体中の大部分の成分の液化温度未満に成形体を加熱することによって、成形体中の隣接する表面を接着させることである。焼結は、粉末粒子がその接触点で固相接着（diffusion bonding）し、一体の焼結体を形成するのに十分な時間、約１１００℃の温度で行われる。焼結は、窒素と水素の混合物、または露点が約−４０℃程度の乾燥付随アンモニアなどの減圧雰囲気で行われることが好ましい。焼結は、アルゴンなどの不活性ガスで、または真空中でも行うことができる。

上記の方法で製造される粉末金属エンジン部品は、重量パーセントベースで、Ｃ約１．５％から約３．０％、Ｃｕ約４．０％から約１０．０％、Ｍｇ約０．５％まで、Ｍｎ約１．２％まで、Ｐ約０．８％まで、Ｓ約０．６％まで、Ｓｎ約０．８％までを含み、残りが実質上Ｆｅである化学組成を有する。総炭素含有量の内、炭素含有量の約１．０％から約１．８％は結合炭素である。本願で用いる用語「結合炭素」は、例えば、炭化物の形で他の元素とつながれた、または結合した炭素を言う。総炭素には、結合形の炭素、および元素状炭素、例えば、純黒鉛形状が含まれる。

有利には、得られる製品は、焼結のままの状態、および／または熱処理状態、およびオイル含浸状態のいずれかで使用することができる。適当な熱処理条件には、それだけに限らないが、圧縮した粉末金属部品の窒化、浸炭、浸炭窒化、または蒸気処理が含まれる。得られる製品には、銅を溶浸させて熱伝導性を改善することができる。この特徴について、本明細書中で、代替実施形態をより詳細に説明する。

弁ガイドの形成においては、材料は、当分野で知られた方法で、端部から圧印加工することができる。このプロセスは端部を形成するものであり、これは、同心度を維持するためのボア内径（ＩＤ）の矯正、および耐擦り傷性をさらに強化するための摩耗表面の更なる高密度化という２つの目的にかなうものである。任意選択で、弁ガイド材料に、薄膜または境界潤滑の形で作用する高温のオイルを含浸させることができる。オイルは、粉末金属弁ガイドの細孔に充填され、使用中は連続潤滑を提供し、製作中は機械加工性を改善するための液だめとして働く。含浸できるオイルの量には限度があるので、耐摩耗性を含浸オイルだけに依存することはできない。

本発明の代替実施形態では、弁ガイドの熱い端部に、焼結後、弁ガイド全長の約３分の１まで銅を溶浸させる。この領域があれば、弁から効果的に熱を伝達させるのに十分である。弁ガイドの「熱い端部」は、シリンダヘッド内で弁ヘッドに最も近い位置にある端部である。この場所は、燃焼室に最も近い。任意選択で、弁ガイドの端から端までボアの内径を中削り（当技術分野でよく知られたステップ）し、そこを通して希硫酸を溶出する。次いで、弁ガイドの端から端までボアの内径を窒化し、仕上げ、オイルを含浸させる。弁ガイド全長の約３分の１まで銅を溶浸するステップ、弁ガイドの端から端までボアの内径を窒化するステップ、および任意選択で、仕上げステップ前に内径を通して希硫酸を溶出するステップは、弁ガイドの熱伝導性を改善するために、本願記載の改良された粉末金属ブレンド以外の様々な粉末金属ブレンドで用いることができる。本発明のこの代替実施形態の製品および方法は、不適当な熱伝達によって、弁棒／弁ガイドのくっつき、擦り傷、または摩耗を悪化させる恐れがある中空弁棒、あるいはナトリウムまたはカリウムまたは他の液体冷却弁棒に特に適している。本発明の代替実施形態によって製造された好ましい弁ガイドは、炭素約０．５から約２．０パーセント、マンガン約０．５から約１．０パーセント、ケイ素約０．５パーセント以下、固体潤滑剤約５パーセント以下、銅（溶浸後）約７から約２０パーセントを重量パーセントベースで含み、残りが鉄である化学組成を有する。

本発明の好ましい粉末金属ブレンドで製造された弁ガイドを、米国特許第５，２７１，８２３号に記載され図示されたリグ試験装置を用いて評価した。この特許は、本発明の譲渡人に譲渡されており、参照により本明細書に組み込まれる。リグ試験では、エンジン弁棒およびガイドの摩耗および焼付き特性を試験することができる。３種の弁ガイドを試験した。すなわち、ＥＭＳ５４３と呼ばれる市販の材料から製作された弁ガイド、高温オイル含浸のＥＭＳ５４３（ＥＭＳ５４３ＨＴＯと呼ばれる）から製作された弁ガイド、およびＥＸＰ１４３９と名づけられた、本発明の改良された粉末金属ブレンドから製作された弁ガイドである。ＥＭＳ５４３の化学組成は、炭素（Ｃ）約０．５から約０．９パーセント、マンガン（Ｍｎ）約０．５から約１．０、硫黄（Ｓ）約０．１５から約０．３５、銅（Ｃｕ）約３．５から約５．５、マグネシウム（Ｍｇ）約０．３から約０．６であり、残りは鉄および固体潤滑剤である。

リグ試験用の弁棒および弁ガイドの温度を約２０４℃に設定し、（弁の動きのシミュレーション用に）１０Ｈｚで作動させた。初めはオイル含浸が改良された結果をもたらすように見えるが、約２４時間ほどすると、オイル含浸弁ガイドは摩耗を示しはじめる。約５０時間後、ＥＭＳ５４３ＨＴＯの摩耗は、ＥＭＳ５４３弁ガイドの摩耗と同様の外観になる。本発明の粉末金属ブレンドで製作された弁ガイドでは、図３から分かるように、ＥＭＳ５４３と比べて著しい摩耗の低減が得られている。約２０時間後、ＥＭＳ５４３は、ＥＸＰ１４３９（本発明）の０．０２ｍｍと比べて、著しい量の摩耗、０．４２ｍｍを示す。すべての試験は、予潤滑を用いて行い、試験中は追加のオイルを添加しないで行った。

図４は、本発明の粉末金属弁ガイドの微細構造の説明図である。この微細構造を有する弁ガイドは、最適な耐摩耗性と許容し得る機械加工性を示す。微細構造マトリックスは、良好な強度と硬度をもたらす最大量のパーライト（pearlite）を示す。フェライト量が、機械加工性と摩耗特性の両方をうまく満足させている。本発明では、フェライト量はできるだけ少なくしてある。炭化物のネットワークが、耐摩耗性をできるだけ高くしている。それだけに限らないが、黒鉛、滑石、硫化マンガン、二硫化モリブデン、およびフッ化カルシウムを含めた様々な固体潤滑剤の組み合わせは、機械加工性と摩耗特性を最適化している。微細構造中の細孔は、銅溶浸およびオイル含浸に場所を提供して、機械加工性、耐摩耗性、および銅が溶浸された場合の熱伝導性を改良する。

本発明の原理の適用を例証するために、本発明の特定の実施形態を詳細に図示し説明したが、こうした原理から逸脱することなく、本発明を違ったふうに具現化できることを理解されたい。

弁アセンブリ、およびそれに関連した周囲状況を示す横断面図である。 弁アセンブリをより詳細に示す横断面図である。 材料、および棒／ガイド磨耗へのサイクル効果を示すグラフである。 本発明によって製作された粉末金属弁の微細構造の説明図である。

符号の説明

１０ 弁アセンブリ
１２ 弁
１４ 弁ガイド
１６ 弁座面
１８ 弁座埋め金
２４ シリンダヘッド
２６ 弁ヘッド
２８ 弁フィレット
３０ 弁棒

Claims (3)

1. 内燃機関用の弁ガイドであって、前記弁ガイドが、粉末金属部品であって端から端までボアのある実質上円筒形を有し、前記弁ガイドの一端部を内燃機関の燃焼室に向けて配置して組立て、前記弁ガイドの前記端部から、前記弁ガイドの全長の約３分の１までの距離に銅を溶浸した弁ガイド。
2. 前記弁ガイドが、重量パーセントベースで、
   Ｃ約０．５％から約２．０％、
   Ｍｎ約０．５％から約１．０％、
   Ｓｉ約０．５％以下、
   固体潤滑剤約５．０％以下、
   溶浸後、Ｃｕ約７．０％から約２０％、および
   残りがＦｅである化学組成を含む、請求項１に記載の弁ガイド。
3. 前記弁ガイドの前記ボアが窒化されている、請求項２に記載の弁ガイド。

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