JP2007064009A - Cylinder head for internal combustion engine and padding method of valve seat to cylinder head - Google Patents

Cylinder head for internal combustion engine and padding method of valve seat to cylinder head Download PDF

Info

Publication number
JP2007064009A
JP2007064009A JP2005247762A JP2005247762A JP2007064009A JP 2007064009 A JP2007064009 A JP 2007064009A JP 2005247762 A JP2005247762 A JP 2005247762A JP 2005247762 A JP2005247762 A JP 2005247762A JP 2007064009 A JP2007064009 A JP 2007064009A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mass
cylinder head
valve seat
internal combustion
mixed powder
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.)
Withdrawn
Application number
JP2005247762A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akihiko Tsuboi
昭彦 坪井
Takemitsu Ogawa
剛充 小川
Kunitake Jo
国建 徐
Minoru Kawasaki
稔 河崎
Kojiro Kobayashi
紘二郎 小林
Keisuke Uenishi
啓介 上西
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LASERX KK
Toyota Motor Corp
Original Assignee
LASERX KK
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LASERX KK, Toyota Motor Corp filed Critical LASERX KK
Priority to JP2005247762A priority Critical patent/JP2007064009A/en
Publication of JP2007064009A publication Critical patent/JP2007064009A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a valve seat having sufficient abrasion resistance by segregating an Fe rich phase in an upper part of a padding layer without forming a fragilely hard Al-Fe-based intermetallic compound in the vicinity of an interface between a Cu rich phase and aluminum alloy of a lower part of the padding layer. <P>SOLUTION: Mixed powder comprises Fe, Cu and a two-phase separate alloy element, and is supplied to the opening end of an intake port and an exhaust port in a cylinder head for an internal combustion engine. The mixed powder is melted by irradiating to the mixed powder with a laser beam by using a semiconductor laser. The valve seat 16 is formed by performing laser padding of copper group alloy powder by solidifying the melted mixed powder. At this time, the mass ratio of the Fe, the Cu and the two-phase separate alloy element in the mixed powder is set so that the Fe is 15 to 85 mass%, and the two-phase separate alloy element is, for example, 0.02 to 2.0 mass% in C and a combination of one kind or two or more kinds among 4 to 30 mass% in Cr, and Cu is a residual part. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関の吸気バルブや排気バルブが着座した際に混合気や燃焼ガスのシールを行うバルブシートが備えられるシリンダヘッド、シリンダヘッドへのバルブシートの肉盛方法に関するものである。   The present invention relates to a cylinder head provided with a valve seat that seals an air-fuel mixture or combustion gas when an intake valve or an exhaust valve of an internal combustion engine is seated, and a method for overlaying the valve seat on the cylinder head.

従来より、内燃機関のシリンダヘッドには、軽量化及び成形性の点からアルミニウム合金が用いられている。しかしながら、内燃機関の稼動中、シリンダヘッドに備えられるバルブシートには、吸気バルブや排気バルブが繰り返し着座することになるし、燃焼室内での混合気の爆発によって発生する熱に晒されることになる。このため、アルミニウム合金に耐久性がある他の金属を肉盛することが行われている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, an aluminum alloy has been used for a cylinder head of an internal combustion engine from the viewpoint of weight reduction and formability. However, during operation of the internal combustion engine, the valve seat provided in the cylinder head is repeatedly seated with the intake valve and the exhaust valve, and is exposed to the heat generated by the explosion of the air-fuel mixture in the combustion chamber. . For this reason, it is practiced to build up another metal having durability in an aluminum alloy (for example, see Patent Document 1).

具体的には、耐熱性、耐摩耗性及び耐食性に優れた銅合金を用いて、レーザクラッド法により、クラッドシート層からなるバルブシートをシリンダヘッドに肉盛により形成している。このクラッドシート層を有するバルブシートは、シリンダヘッドの基材(アルミニウム合金)に対して溶着し、あるいは母材との間で合金化しているので、バルブシートからシリンダヘッドへの熱伝導が良好となる。そのため、バルブシートやバルブの熱負荷を軽減して耐久性能を向上させることが可能となる。
特開平2−196117号公報
Specifically, a valve seat made of a clad sheet layer is formed on the cylinder head by overlaying by a laser clad method using a copper alloy having excellent heat resistance, wear resistance and corrosion resistance. The valve seat having this clad sheet layer is welded to the base material (aluminum alloy) of the cylinder head or alloyed with the base material, so that heat conduction from the valve seat to the cylinder head is good. Become. Therefore, it becomes possible to reduce the thermal load of the valve seat and the valve and improve the durability performance.
JP-A-2-196117

上記のようなクラッドシート層を形成するに当たり、例えば、FeおよびCu合金元素を含む肉盛材料を用いることができる。このような合金を用いる場合、Feリッチ相が肉盛層の下部、Cuリッチ相が肉盛層の上部になると、Feリッチ相とアルミニウム合金の界面近傍で脆硬なAl−Fe系金属間化合物によって、この界面近傍で割れが発生する可能性がある。また、肉盛層の上部がCuリッチ相の場合、Feリッチ相と比べて耐摩耗性に劣ってしまう。これらを解決するには、Cu合金層を予めアルミニウム合金表面に形成したのち、Cu合金層の表面にFe合金層を形成するという手法を採ることができる。ところが、このような手法によると、Cu合金層およびFe合金層を別々のプロセスで形成しなければならず、製品の製造工程の増加を招くことになり、引いては製造コストの増加の要因となる。   In forming the clad sheet layer as described above, for example, a cladding material containing Fe and Cu alloy elements can be used. When such an alloy is used, an Al-Fe intermetallic compound that is brittle and hard near the interface between the Fe-rich phase and the aluminum alloy when the Fe-rich phase is at the bottom of the overlay layer and the Cu-rich phase is at the top of the overlay layer May cause cracks in the vicinity of this interface. Moreover, when the upper part of the build-up layer is a Cu rich phase, it is inferior to abrasion resistance compared with a Fe rich phase. In order to solve these problems, it is possible to adopt a technique in which a Cu alloy layer is formed on the aluminum alloy surface in advance, and then an Fe alloy layer is formed on the surface of the Cu alloy layer. However, according to such a method, the Cu alloy layer and the Fe alloy layer must be formed by separate processes, resulting in an increase in the manufacturing process of the product, which in turn increases the manufacturing cost. Become.

このため、上記のようなクラッドシート層を形成するために、銅基合金を構成する各種合金元素の混合粉末からなるクラッド材料を用い、このクラッド材料に対してレーザ照射を行うことで肉盛を行うレーザクラッディングを実施することが有効である。つまり、銅基合金を構成する各種合金元素の混合粉末からなるクラッド材料をレーザ照射により溶融させ、溶融した銅基合金粉末でバルブシートの肉盛を行うのである。   For this reason, in order to form the cladding sheet layer as described above, a cladding material made of a mixed powder of various alloy elements constituting a copper base alloy is used, and the cladding material is laid by performing laser irradiation. It is effective to perform laser cladding. That is, a cladding material made of a mixed powder of various alloy elements constituting a copper base alloy is melted by laser irradiation, and the valve seat is built up with the molten copper base alloy powder.

しかしながら、このような銅基合金を構成する各種合金元素の混合粉末からなるクラッド材料を用いたレーザ照射による肉盛を行うと、下記の問題が発生することが確認された。図5は、例えば、銅基合金粉末として、FeおよびCuを所定割合で混合した粉末を用いて、レーザクラッディングを行った場合の肉盛部分の断面図である。   However, it has been confirmed that the following problems occur when building up by laser irradiation using a clad material made of a mixed powder of various alloy elements constituting such a copper-based alloy. FIG. 5 is a cross-sectional view of a built-up portion when laser cladding is performed using, for example, a powder in which Fe and Cu are mixed at a predetermined ratio as a copper-based alloy powder.

図5に示されるように、FeおよびCuを混合した粉末を用いてレーザクラッディングを行った場合、粉末が溶融したときにFeリッチ相J1が肉盛層J3の下部に偏析し、Cuリッチ相J2が肉盛層J3の上部に偏析してしまい、結局、Feリッチ相J1とアルミニウム合金J4の界面近傍に脆硬なAl−Fe系金属間化合物J5が形成されるという問題や、耐摩耗性が悪くなるという問題が生じることが確認された。   As shown in FIG. 5, when laser cladding is performed using a powder in which Fe and Cu are mixed, the Fe rich phase J1 is segregated at the lower part of the overlay layer J3 when the powder is melted, and the Cu rich phase J2 segregates in the upper part of the built-up layer J3, and eventually a brittle Al—Fe intermetallic compound J5 is formed in the vicinity of the interface between the Fe rich phase J1 and the aluminum alloy J4, and wear resistance. It has been confirmed that the problem of worsening occurs.

本発明は上記点に鑑みて、Cuリッチ相とアルミニウム合金の界面近傍で脆硬なAl−Fe系金属間化合物が形成されず、耐摩耗性が十分なバルブシートが備えられるシリンダヘッドおよびシリンダヘッドへのバルブシートの肉盛方法を提供することを目的とする。   In view of the above, the present invention provides a cylinder head and a cylinder head provided with a valve seat having sufficient wear resistance without forming a brittle Al-Fe intermetallic compound near the interface between the Cu-rich phase and the aluminum alloy. An object of the present invention is to provide a method for overlaying a valve seat.

上記目的を達成するため、本発明者らは、FeおよびCu合金元素などの混合粉末を用いたレーザクラッディングについて、鋭意検討を行った。その結果、FeおよびCuの混合率により、混合粉末を溶融してマランゴニ効果によって液相としたときの組織が異なったものとなるために、上記のような現象が発生するという結論に至った。   In order to achieve the above object, the present inventors have intensively studied laser cladding using a mixed powder of Fe and Cu alloy elements. As a result, it came to a conclusion that the above phenomenon occurred because the structure of the mixed powder was melted and made into a liquid phase by the Marangoni effect depending on the mixing ratio of Fe and Cu.

具体的には、本発明者らは、混合粉末を溶融して液相としたときの組織を調べるという実験を行った。ただし、二相分離構造を実現するためには、二相分離を促進させる合金元素(二相分離合金元素)を添加することが重要である。この二相分離合金元素は、Fe合金相(Feリッチ相)を形成し、Feリッチ相を肉盛層の上部に導かれ易くする。このため、FeおよびCuなどの合金元素の混合粉末に二相分離合金元素、例えばCrやCを添加して本実験を行った。   Specifically, the present inventors conducted an experiment of examining the structure when the mixed powder was melted to form a liquid phase. However, in order to realize a two-phase separation structure, it is important to add an alloy element (two-phase separation alloy element) that promotes two-phase separation. This two-phase separation alloy element forms an Fe alloy phase (Fe rich phase), and makes the Fe rich phase easy to be guided to the upper part of the built-up layer. For this reason, this experiment was performed by adding a two-phase separation alloy element such as Cr or C to a mixed powder of alloy elements such as Fe and Cu.

図6(a)〜(c)は、そのときの様子を模式的に示した図である。図6(a)に示される例では、中心部にFeリッチ相J1が形成され、Feリッチ相J1を囲むように外周部がCuリッチ相J2となっている。図6(b)に示される例では、図6(a)とは逆に、中心部がCuリッチ相J2が形成され、Cuリッチ相J2を囲むように外周部がFeリッチ相J1となっている。図6(c)に示される例では、Cuリッチ相J2を中心としてFeリッチ相J1が配置され、さらにFeリッチ相J1を囲むようにCuリッチ相J2が配置された三重構造粉末粒子となっている。   FIGS. 6A to 6C are diagrams schematically illustrating the state at that time. In the example shown in FIG. 6A, an Fe-rich phase J1 is formed at the center, and the outer periphery is a Cu-rich phase J2 so as to surround the Fe-rich phase J1. In the example shown in FIG. 6 (b), contrary to FIG. 6 (a), a Cu rich phase J2 is formed at the center, and the outer peripheral portion is an Fe rich phase J1 so as to surround the Cu rich phase J2. Yes. In the example shown in FIG. 6C, a triple-structured powder particle in which the Fe-rich phase J1 is disposed around the Cu-rich phase J2 and the Cu-rich phase J2 is disposed so as to surround the Fe-rich phase J1. Yes.

これらの例で示した各構造は、上述したように、FeおよびCuの混合率によって決まってくる。そして、Feリッチ相J1が肉盛層の上部に偏析し、Cuリッチ相J2が肉盛層の下部に偏析する二相分離構造を実現するためには、図6(a)に示す組織、つまり中心部にFeリッチ相J1が形成され、Feリッチ相J1を囲むように外周部がCuリッチ相J2となるように、FeおよびCuの混合率を選択する必要がある。   Each structure shown in these examples is determined by the mixing ratio of Fe and Cu as described above. In order to realize a two-phase separation structure in which the Fe-rich phase J1 is segregated at the upper part of the built-up layer and the Cu-rich phase J2 is segregated at the lower part of the built-up layer, the structure shown in FIG. It is necessary to select the mixing ratio of Fe and Cu so that the Fe rich phase J1 is formed in the center and the outer peripheral portion is the Cu rich phase J2 so as to surround the Fe rich phase J1.

これについて調べたところ、Fe、Cuおよび二相分離合金元素の混合粉末における各合金元素の質量比が以下のようになっていれば図6(a)に示す構造となることが判った。   As a result of investigation, it was found that the structure shown in FIG. 6A is obtained if the mass ratio of each alloy element in the mixed powder of Fe, Cu and the two-phase separation alloy element is as follows.

(1)Fe:15〜85質量%、(2)二相分離合金元素C:0.02〜2.0質量%、Cr:4〜30質量%、Mo:2〜20質量%、Nb:2〜20質量%、V:4〜20質量%、W:2〜20質量%、Si:4〜20質量%、B:0.2〜10質量%、S:0.2〜10質量%、Ta:2〜20質量%、Bi:1〜20質量%、Ag:2〜20質量%、Sn:2〜20質量%(ただし、二相分離合金元素は、ここに示した複数の材料のうちの1種類もしくは2種類以上の組み合わせ)(3)Cu:残部。   (1) Fe: 15 to 85 mass%, (2) Two-phase separation alloy element C: 0.02 to 2.0 mass%, Cr: 4 to 30 mass%, Mo: 2 to 20 mass%, Nb: 2 -20 mass%, V: 4-20 mass%, W: 2-20 mass%, Si: 4-20 mass%, B: 0.2-10 mass%, S: 0.2-10 mass%, Ta : 2 to 20% by mass, Bi: 1 to 20% by mass, Ag: 2 to 20% by mass, Sn: 2 to 20% by mass (however, the two-phase separation alloy element is one of a plurality of materials shown here) (1) or a combination of two or more) (3) Cu: remainder.

ただし、Cuの質量の割合が多過ぎると、ブローホール(気孔)が増加する傾向が見られる。また、Cuの質量の割合を多くしてFeの質量の割合を少なくすれば、混合粉末を溶融したときにFeリッチ相J1が肉盛層の上部に凝集し易すくなるが、Feリッチ相J1を囲むCuリッチ相J2の量が多くなるために、耐摩耗性を考慮すると、あまり好ましくない。   However, when the ratio of the mass of Cu is too large, a tendency to increase blow holes (pores) is observed. Moreover, if the proportion of the mass of Cu is increased and the proportion of the mass of Fe is reduced, the Fe-rich phase J1 is likely to agglomerate at the upper part of the built-up layer when the mixed powder is melted, but the Fe-rich phase J1. In view of wear resistance, the amount of Cu-rich phase J2 surrounding the substrate increases, which is not preferable.

逆に、Feの質量の割合を多くしてCuの質量の割合を少なくすれば、耐磨耗性を向上させられるものの、Feの質量の割合が多過ぎると、肉盛層の下部に偏析したFeリッチ相とアルミニウム合金の界面近傍に脆硬なAl−Fe系金属間化合物J5が形成される可能性が高くなる。   Conversely, if the proportion of Fe is increased to reduce the proportion of Cu, the wear resistance can be improved, but if the proportion of Fe is too large, it segregates at the bottom of the overlay layer. There is a high possibility that brittle and hard Al—Fe-based intermetallic compound J5 is formed in the vicinity of the interface between the Fe-rich phase and the aluminum alloy.

また、二相分離合金元素に関しても、混合粉末中にその含有量が多過ぎるのは好ましくないと考えられる。例えば、Crの含有量が多過ぎると、高温における脆化が懸念され、Cの含有量が多過ぎると、オースナイト組織による高温割れが発生する。   In addition, it is considered that it is not preferable that the content of the two-phase separated alloy element is too large in the mixed powder. For example, if the Cr content is too high, embrittlement at high temperatures is a concern, and if the C content is too high, hot cracking due to the austenite structure occurs.

そこで、本発明者らは、以下の図7の図表に示したように、Fe、Cr、Cu、Cで構成される混合粉末の各合金元素の混合質量比を変えた試料を用いて、Cuリッチ相J2を肉盛層の下部に偏析でき、Feリッチ相J1を肉盛層の上部に偏析できる条件を調べた。   Therefore, as shown in the chart of FIG. 7 below, the present inventors used a sample in which the mixed mass ratio of each alloy element of the mixed powder composed of Fe, Cr, Cu, and C was changed, and Cu was used. The conditions under which the rich phase J2 can be segregated in the lower part of the built-up layer and the Fe rich phase J1 can be segregated in the upper part of the built-up layer were investigated.

ただし、母材となるアルミニウム合金が多く溶融されると、脆硬なAl−Fe系金属間化合物J5が形成され易くなることから、ビードを形成できる最低入熱条件でのレーザクラッディングを行っており、試料(1)〜(3)についてはレーザ出力Pを1kW、溶接速度Vを15mm/s、母材への入熱量(P/V)を約6.67kj/cmとし、試料(4)〜(8)についてはレーザ出力Pを1.5kW、溶接速度Vを20mm/s、母材への入熱量(P/V)を7.5kj/cmとしている。   However, when a large amount of the aluminum alloy as a base material is melted, the brittle Al—Fe intermetallic compound J5 is easily formed. Therefore, laser cladding is performed under the minimum heat input condition capable of forming a bead. In the samples (1) to (3), the laser output P is 1 kW, the welding speed V is 15 mm / s, the heat input to the base material (P / V) is about 6.67 kj / cm, and the sample (4) In (8) to (8), the laser output P is 1.5 kW, the welding speed V is 20 mm / s, and the heat input to the base material (P / V) is 7.5 kj / cm.

なお、ここで用いた試料は単なる一例を挙げたものに過ぎず、Fe、Cu、二相分離合金元素が上述した質量比であれば、二相分離構造を得ることが可能である。   The sample used here is merely an example, and a two-phase separation structure can be obtained if the mass ratio of Fe, Cu, and the two-phase separation alloy element is as described above.

上記図表から判るように、Crが9質量%の場合にはFeが30〜45質量%の範囲のとき、Crが18質量%の場合には、Feが30〜35質量%の範囲のときに、それぞれ、Feリッチ相J1が肉盛層の上部に偏析するようにできた。   As can be seen from the above chart, when Cr is 9% by mass, Fe is in the range of 30 to 45% by mass, and when Cr is 18% by mass, when Fe is in the range of 30 to 35% by mass. The Fe-rich phase J1 was segregated at the upper part of the overlay layer.

また、ここではCrが9質量%の場合と18質量%の場合とに関して調べたが、これらの結果から、Crの質量%が多いほど脆硬なAl−Fe系金属間化合物J5が形成される可能性が高くなることが判る。したがって、その可能性を低くするためには、Crの質量%を低くした方が良く、18質量%よりも9質量%の方が良いし、9質量%以下にすれば更にFe質量%が多くなったとしても、界面近傍で脆硬なAl−Fe系金属間化合物が形成される可能性が低くなると言える。   Moreover, although the case where Cr was 9 mass% and the case where it was 18 mass% was investigated here, from these results, the more brittle and hard Al—Fe-based intermetallic compound J5 is formed. It turns out that the possibility becomes high. Therefore, in order to reduce the possibility, it is better to reduce Cr mass%, 9 mass% is better than 18 mass%, and if it is 9 mass% or less, Fe mass% is further increased. Even if it becomes, it can be said that the possibility that a brittle and hard Al—Fe intermetallic compound is formed in the vicinity of the interface is reduced.

さらに、上記各試料について、銅合金とアルミニウム合金との界面近傍での欠陥率(界面欠陥率)についても調べた。その結果を図8に示す。   Furthermore, the defect rate (interface defect rate) in the vicinity of the interface between the copper alloy and the aluminum alloy was also examined for each sample. The result is shown in FIG.

図8(a)は、Crを9質量%としたときの界面欠陥率、図8(b)は、Crを18質量%としたときの界面欠陥率を示したものである。なお、界面近傍欠陥には、割れと穴があるが、割れ率と穴率を加算したものを総合的な界面欠陥率として表してある。   FIG. 8 (a) shows the interface defect rate when Cr is 9% by mass, and FIG. 8 (b) shows the interface defect rate when Cr is 18% by mass. In addition, although the interface vicinity defect has a crack and a hole, what added the crack rate and the hole rate is represented as a comprehensive interface defect rate.

この図に示されるように、Crを9質量%とした試料中、試料(3)は、界面近傍に脆硬なAl−Fe系金属間化合物J5が形成されていないものの中で最もFeの質量%が多く、界面欠陥率が低いという結果が得られた。これに対して、試料(4)は、界面近傍に脆硬なAl−Fe系金属間化合物の影響で界面欠陥率が高くなっていることが判る。このため、試料(3)に示されるFeとCrの質量%の合計が55質量%であることから、この値以下であれば、界面欠陥率の低い二相分離構造を得ることが可能になると言える。   As shown in this figure, among the samples in which Cr was 9% by mass, sample (3) had the largest Fe mass among those in which brittle Al—Fe intermetallic compound J5 was not formed in the vicinity of the interface. %, And the interface defect rate was low. On the other hand, it can be seen that Sample (4) has a high interface defect rate due to the influence of a brittle and hard Al—Fe intermetallic compound in the vicinity of the interface. For this reason, since the total of the mass% of Fe and Cr shown in the sample (3) is 55 mass%, if it is below this value, a two-phase separation structure with a low interface defect rate can be obtained. I can say that.

また、この図に示されるように、Crが9質量%の場合の方が18質量%の場合と比べて、界面欠陥率が低くなっている。この結果からも、Crが9質量%の場合の方が18質量%の場合よりも好ましいと言える。   Further, as shown in this figure, the interface defect rate is lower when Cr is 9% by mass than when 18% by mass. Also from this result, it can be said that the case where Cr is 9 mass% is more preferable than the case where 18 mass%.

続いて、このように形成された二相分離構造の肉盛層の耐磨耗性を検証すべく、ボールオンプレート方式により、二相分離構造を構成できる試料(Cu−35Fe−18Cr−0.4とFe−30Cr−0.7C−40Cu)と、Al合金そのもの(A5042)、SUS材(SUS304)および実用されているCu基合金粉末(Cu−7.8Fe−19.6Ni−2.7Si−1.3B)の肉盛層について耐摩耗性およびビッカース硬さを調べた。その結果を図9に示す。   Subsequently, in order to verify the wear resistance of the built-up layer having the two-phase separation structure formed as described above, a sample (Cu-35Fe-18Cr-0. 4 and Fe-30Cr-0.7C-40Cu), Al alloy itself (A5042), SUS material (SUS304), and practical Cu-based alloy powder (Cu-7.8Fe-19.6Ni-2.7Si-) The build-up layer of 1.3B) was examined for wear resistance and Vickers hardness. The result is shown in FIG.

この結果のように、上記のような2層分離構造を構成した場合に、実用されているCu基合金粉末の肉盛層と比べると、ビッカース硬さが低いが、だいたい同程度の比磨耗量を得ることができた。比磨耗量が小さいほど耐磨耗性が良くなる。また、二相分離構造(傾斜機能)を有する肉盛層の硬さが低いが、硬いFeリッチ相{(Fe、Cr合金相}の肉盛層の上部に偏析することによって、実用されているCu基合金粉末と同等程度の耐磨耗性を得ることが可能であると言える。   As shown in this result, when the two-layer separation structure as described above is configured, the Vickers hardness is low compared with the built-up layer of the Cu-based alloy powder that is practically used, but the specific wear amount is almost the same. Could get. The smaller the specific wear amount, the better the wear resistance. Moreover, although the hardness of the built-up layer having a two-phase separation structure (gradient function) is low, it is put into practical use by segregating on the upper part of the built-up layer of the hard Fe-rich phase {(Fe, Cr alloy phase)] It can be said that it is possible to obtain wear resistance equivalent to that of the Cu-based alloy powder.

以上に基づき、請求項1に記載の発明では、アルミニウム合金を基材として構成され、吸気ポート(3)および排気ポート(4)が形成されていると共に、これら吸気ポート(3)と排気ポート(4)における燃料室(2)側の開口端に吸気バルブ(5)および排気バルブ(6)が当接されるバルブシート(16)が形成されてなる内燃機関用シリンダヘッドであって、バルブシート(16)は、Fe、Cuおよび二相分離合金元素を含む銅基合金粉末の肉盛によって構成され、該肉盛層の上部に球状のFeリッチ相(16a)が形成されていると共に、該肉盛層の下部およびFeリッチ相(16a)を囲むようにCuリッチ相(16b)が形成された構造となっていることを特徴としている。   Based on the above, in the invention described in claim 1, the aluminum alloy is used as a base material, the intake port (3) and the exhaust port (4) are formed, and the intake port (3) and the exhaust port ( 4) A cylinder head for an internal combustion engine, in which a valve seat (16) with which an intake valve (5) and an exhaust valve (6) are brought into contact is formed at an opening end on the fuel chamber (2) side in 4). (16) is constituted by build-up of a copper-based alloy powder containing Fe, Cu and a two-phase separation alloy element, and a spherical Fe-rich phase (16a) is formed on the top of the build-up layer, A Cu rich phase (16b) is formed so as to surround the lower part of the overlay layer and the Fe rich phase (16a).

このように、Fe、Cuおよび二相分離合金元素を含む混合粉末を用いて二相分離構造を形成した場合、肉盛層の上部に球状のFeリッチ相(16a)が形成され、肉盛層の下部およびFeリッチ相(16a)を囲むようにCuリッチ相(16b)が形成された構造となる。このような構造によれば、肉盛層の上部のFeリッチ相(16a)によって良い耐磨耗性を得ることが可能になると共に、肉盛層の下部のCuリッチ相(16a)によってアルミニウム合金との接合を行うことが可能となる。このため、耐摩耗性もあり、かつ、銅合金とアルミニウム合金との界面近傍に脆硬なAl−Fe系金属間化合物が抑制できる良好な接合となるバルブシートが形成された内燃機関用シリンダヘッドとすることができる。   Thus, when a two-phase separation structure is formed using a mixed powder containing Fe, Cu and a two-phase separation alloy element, a spherical Fe-rich phase (16a) is formed on the top of the built-up layer, and the built-up layer The Cu rich phase (16b) is formed so as to surround the lower portion of the metal and the Fe rich phase (16a). According to such a structure, it becomes possible to obtain good wear resistance by the Fe rich phase (16a) at the upper part of the built-up layer, and an aluminum alloy by the Cu rich phase (16a) at the lower part of the built-up layer. It becomes possible to join with. For this reason, the cylinder head for an internal combustion engine in which a valve seat that is wear resistant and has a good joint capable of suppressing a brittle Al—Fe intermetallic compound near the interface between the copper alloy and the aluminum alloy is formed. It can be.

例えば、請求項2に示されるように、Fe、Cuおよび二相分離合金元素の質量比は、Feが15〜85質量%、二相分離合金元素がC:0.02〜2.0質量%、Cr:4〜30質量%、Mo:2〜20質量%、Nb:2〜20質量%、V:4〜20質量%、W:2〜20質量%、Si:4〜20質量%、B:0.2〜10質量%、S:0.2〜10質量%、Ta:2〜20質量%、Bi:1〜20質量%、Ag:2〜20質量%、Sn:2〜20質量%のうちの1種類もしくは2種類以上の組み合わせ、Cuが残部とすることができる。   For example, as shown in claim 2, the mass ratio of Fe, Cu and the two-phase separation alloy element is 15 to 85 mass% for Fe, and C: 0.02 to 2.0 mass% for the two-phase separation alloy element. Cr: 4-30% by mass, Mo: 2-20% by mass, Nb: 2-20% by mass, V: 4-20% by mass, W: 2-20% by mass, Si: 4-20% by mass, B : 0.2-10 mass%, S: 0.2-10 mass%, Ta: 2-20 mass%, Bi: 1-20 mass%, Ag: 2-20 mass%, Sn: 2-20 mass% Of these, one or a combination of two or more, Cu may be the balance.

この場合、請求項3に示すように、二相分離合金元素がCrで、Cr+Feの質量比が55質量%以下となるようにすれば、Feの質量比を他の場合と比べて多くできるため、より耐摩耗性を得ることができる。   In this case, as shown in claim 3, if the two-phase separation alloy element is Cr and the mass ratio of Cr + Fe is 55% by mass or less, the mass ratio of Fe can be increased as compared with other cases. More wear resistance can be obtained.

請求項4ないし7に記載の発明は、上記請求項1ないし3に記載の発明の製造方法に関するものである。   The invention described in claims 4 to 7 relates to the manufacturing method of the invention described in claims 1 to 3.

請求項4に記載の発明では、内燃機関用シリンダヘッド(1)における吸気ポート(3)および排気ポート(4)の開口端に、Fe、Cuおよび二相分離合金元素を含む混合粉末を供給する工程と、半導体レーザ(20)を用いて、混合粉末に対してレーザ光を照射することによって、該混合粉末を溶融させる工程と、溶融させた混合粉末を凝固させることにより銅基合金粉末のレーザ肉盛を行い、バルブシート(16)を形成する工程と、を含み、混合粉末の質量比を請求項2に示したものとすることを特徴としている。   In the invention described in claim 4, the mixed powder containing Fe, Cu and the two-phase separation alloy element is supplied to the open ends of the intake port (3) and the exhaust port (4) in the cylinder head (1) for the internal combustion engine. A step of irradiating the mixed powder with laser light using a semiconductor laser (20), and melting the mixed powder; and solidifying the molten mixed powder to cause a laser of the copper-based alloy powder. And a step of forming a valve seat (16), and the mass ratio of the mixed powder is as shown in claim 2.

このように、請求項2に示した質量比の混合粉末に対して半導体レーザにより、混合粉末が溶融して液相になったときに、液相から固相に変化するまでの凝固中に、Feリッチ相(16a)が温度勾配と逆方向、つまり中心部に凝集しようとする力(凝集力)を受け、引き寄せられる。これにより、Feリッチ相(16a)が上部に偏析し、Cuリッチ相(16b)が下部に偏析する肉盛層が形成され、請求項1に記載のバルブシート(16)を構成することが可能となる。   In this way, when the mixed powder is melted into a liquid phase by the semiconductor laser with respect to the mixed powder having the mass ratio shown in claim 2, during solidification until the liquid powder changes to the solid phase, The Fe-rich phase (16a) is attracted by receiving a force (cohesive force) that tends to aggregate in the opposite direction to the temperature gradient, that is, in the center. Thereby, a built-up layer in which the Fe rich phase (16a) segregates in the upper part and the Cu rich phase (16b) segregates in the lower part is formed, and the valve seat (16) according to claim 1 can be configured. It becomes.

請求項7に記載の発明では、レーザ出力(P)を1kW、溶接速度(V)を15mm/sとすることを特徴としている。   The invention described in claim 7 is characterized in that the laser output (P) is 1 kW and the welding speed (V) is 15 mm / s.

これにより、基材となるアルミニウム合金が多く溶融されないようにできる。このため、界面近傍に脆硬なAl−Fe系金属間化合物が形成されることを抑制できる。   As a result, a large amount of the aluminum alloy serving as the base material can be prevented from being melted. For this reason, it can suppress that a brittle Al-Fe type intermetallic compound is formed in the interface vicinity.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。図1に、本発明の一実施形態が適用されたバルブシートが設けられた多気筒(4気筒)内燃機関におけるシリンダヘッド1の断面図を示す。また、図2に、図1に示すシリンダヘッド1における矢印A方向から見たときの部分拡大図を示す。以下、これらの図を参照してバルブシートが備えられたシリンダヘッド1の構成について説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a cylinder head 1 in a multi-cylinder (four-cylinder) internal combustion engine provided with a valve seat to which an embodiment of the present invention is applied. FIG. 2 is a partially enlarged view of the cylinder head 1 shown in FIG. Hereinafter, the configuration of the cylinder head 1 provided with the valve seat will be described with reference to these drawings.

シリンダヘッド1は、アルミニウム合金で構成されており、シリンダヘッド1の下部には、気筒数に応じた数の燃焼室2が形成されている。このシリンダヘッド1には、1気筒毎に、吸気ポート3と排気ポート4とがそれぞれ2つずつ形成されている。   The cylinder head 1 is made of an aluminum alloy, and a number of combustion chambers 2 corresponding to the number of cylinders are formed below the cylinder head 1. The cylinder head 1 has two intake ports 3 and two exhaust ports 4 for each cylinder.

吸気ポート3は、シリンダヘッド1の一側面(図1の右側面)から燃焼室2に向かって延設され、燃焼室2に連通した構成となっている。この吸気ポート3は、シリンダヘッド1に取付けられた吸気バルブ5によって開閉される。   The intake port 3 extends from one side surface (the right side surface in FIG. 1) of the cylinder head 1 toward the combustion chamber 2 and communicates with the combustion chamber 2. The intake port 3 is opened and closed by an intake valve 5 attached to the cylinder head 1.

排気ポート4は、シリンダヘッド1の他側面(図1の左側面)から燃焼室2に向かって延設され、燃焼室2に連通した構成となっている。この排気ポート4は、シリンダヘッド1に取付けられた排気バルブ6によって開閉される。   The exhaust port 4 extends from the other side surface (left side surface in FIG. 1) of the cylinder head 1 toward the combustion chamber 2 and communicates with the combustion chamber 2. The exhaust port 4 is opened and closed by an exhaust valve 6 attached to the cylinder head 1.

シリンダヘッド1の上方には、吸気側カムシャフト7及び排気側カムシャフト8がそれぞれ設けられている。これら吸気側カムシャフト7及び排気側カムシャフト8は、それぞれ、図1の紙面垂直方向を長手方向として延設され、回転可能に構成されている。両カムシャフト7、8にはそれぞれ偏心回転を行うカム7a、8aが一体に形成されている。シリンダヘッド1におけるカム7a、8aの直下にはガイド孔9が貫設され、ここにバルブリフタ11が摺動可能に挿入されている。   Above the cylinder head 1, an intake side camshaft 7 and an exhaust side camshaft 8 are provided. Each of the intake side camshaft 7 and the exhaust side camshaft 8 extends in the direction perpendicular to the sheet of FIG. 1 as a longitudinal direction, and is configured to be rotatable. Both camshafts 7 and 8 are integrally formed with cams 7a and 8a that perform eccentric rotation. A guide hole 9 is provided directly below the cams 7a and 8a in the cylinder head 1, and a valve lifter 11 is slidably inserted therein.

バルブリフタ11の上面にはアジャスティングシム12が嵌合され、その上面に前記カム7a、8aが当接している。   An adjusting shim 12 is fitted on the upper surface of the valve lifter 11, and the cams 7a, 8a are in contact with the upper surface thereof.

また、シリンダヘッド1には、吸気バルブ5及び排気バルブ6がそれぞれ摺動可能に挿入され、それらのバルブステム5a、6aの上端は前記バルブリフタ11の下面に当接している。バルブステム5a、6aの上端部にはコッタ13を介してリテーナ14が外嵌されている。   An intake valve 5 and an exhaust valve 6 are slidably inserted into the cylinder head 1, and the upper ends of the valve stems 5 a and 6 a are in contact with the lower surface of the valve lifter 11. A retainer 14 is fitted on the upper ends of the valve stems 5a and 6a via a cotter 13.

リテーナ14の下面とシリンダヘッド1の内底面1aとの間には、コイル状バルブスプリング15が圧縮状態で介装されている。バルブスプリング15は常に吸気バルブ5及び排気バルブ6を上方へ付勢している。この付勢方向は、吸気ポート3及び排気ポート4を閉じる方向である。一方、バルブステム5a、6aの上端は前記バルブリフタ11の下面に当接している。そのため、両カムシャフト7、8が回転し、カム7a、8aがバルブスプリング15の付勢力に抗しバルブリフタ11を周期的に押し下げると、同バルブリフタ11が吸気バルブ5および排気バルブ6を下方へ押圧して開閉動作させる。   A coiled valve spring 15 is interposed between the lower surface of the retainer 14 and the inner bottom surface 1a of the cylinder head 1 in a compressed state. The valve spring 15 always urges the intake valve 5 and the exhaust valve 6 upward. This biasing direction is a direction in which the intake port 3 and the exhaust port 4 are closed. On the other hand, the upper ends of the valve stems 5 a and 6 a are in contact with the lower surface of the valve lifter 11. Therefore, when both camshafts 7 and 8 rotate and the cams 7a and 8a periodically depress the valve lifter 11 against the urging force of the valve spring 15, the valve lifter 11 presses the intake valve 5 and the exhaust valve 6 downward. To open and close.

そして、吸気バルブ5の下動により吸気ポート3が開放されると、吸気及び燃料よりなる混合気が矢印で示すように、同吸気ポート3を通って燃焼室2に導かれる。この混合気は燃焼室2内で爆発・燃焼されて燃焼ガスとなる。この燃焼ガスは、排気バルブ6が下動して排気ポート4が開放されたとき、同排気ポート4から外部へ排出される。   When the intake port 3 is opened by the downward movement of the intake valve 5, the air-fuel mixture composed of intake air and fuel is guided to the combustion chamber 2 through the intake port 3 as indicated by arrows. This air-fuel mixture is exploded and burned in the combustion chamber 2 to become combustion gas. The combustion gas is discharged from the exhaust port 4 to the outside when the exhaust valve 6 moves down and the exhaust port 4 is opened.

シリンダヘッド1において、吸気ポート3の燃焼室側開口端及び排気ポート4の燃焼室側開口端にはバルブシート16が設けられている。これらのバルブシート16は、吸気バルブ5が吸気ポート3を閉塞したときや、排気バルブ6が排気ポート4を閉塞したときのシール性を確保するためのものである。それ以外にもバルブシート16は、吸気バルブ5および排気バルブ6の熱や燃焼室2の壁面の熱を冷却液としての冷却水に逃がす機能を有している。このバルブシート16は、図2に示されるように、吸気バルブ5や排気バルブ6の外縁部全周と接するように、吸気ポート3および排気ポート4の端部の外周全周に形成されている。   In the cylinder head 1, a valve seat 16 is provided at the combustion chamber side opening end of the intake port 3 and the combustion chamber side opening end of the exhaust port 4. These valve seats 16 are provided to ensure sealing properties when the intake valve 5 closes the intake port 3 or when the exhaust valve 6 closes the exhaust port 4. In addition, the valve seat 16 has a function of releasing the heat of the intake valve 5 and the exhaust valve 6 and the heat of the wall surface of the combustion chamber 2 to the cooling water as the cooling liquid. As shown in FIG. 2, the valve seat 16 is formed on the entire outer periphery of the end portions of the intake port 3 and the exhaust port 4 so as to be in contact with the entire outer periphery of the intake valve 5 and the exhaust valve 6. .

図3は、バルブシート16の一部を吸気バルブ5若しくは排気バルブ6の長手方向に沿って切断した場合の断面図である。   FIG. 3 is a cross-sectional view when a part of the valve seat 16 is cut along the longitudinal direction of the intake valve 5 or the exhaust valve 6.

図3に示すように、バルブシート16は、銅基合金粉末の肉盛層の高さを1.5mm程度としている。バルブシート16を構成する銅基合金粉末は、Cu、Fe、Cr、Cを含んだ構成となっており、例えば、Cu30Fe9Cr0.2Cの組成比となっている。このバルブシート16は、Feリッチ相16aとCuリッチ相16bのニ相が分離された構造(ニ相分離構造)で構成されている。具体的には、肉盛層の上部は主にFeリッチ相16a、肉盛層の下部は主にCuリッチ相16bで構成され、Feリッチ相16aが球状になってCuリッチ相16bに囲まれた状態となっている。   As shown in FIG. 3, the valve seat 16 has a height of the built-up layer of the copper-based alloy powder of about 1.5 mm. The copper-based alloy powder constituting the valve seat 16 includes Cu, Fe, Cr, and C, and has a composition ratio of Cu30Fe9Cr0.2C, for example. The valve seat 16 has a structure (two-phase separation structure) in which the two phases of the Fe-rich phase 16a and the Cu-rich phase 16b are separated. Specifically, the upper part of the built-up layer is mainly composed of the Fe-rich phase 16a, and the lower part of the built-up layer is mainly composed of the Cu-rich phase 16b, and the Fe-rich phase 16a becomes spherical and is surrounded by the Cu-rich phase 16b. It is in the state.

このような構造のバルブシート16では、肉盛層の上部に偏析するFeリッチ相16aによって耐磨耗性を確保することができる。また、肉盛層の下部に偏析するCuリッチ相16bがバルブシート16とシリンダヘッド1を構成するアルミニウム合金との界面に形成された構造となるため、脆硬なAl−Fe金属間化合物が形成された場合と比べ、この界面でバルブシート16に割れが発生し難い構造となる。   In the valve seat 16 having such a structure, the wear resistance can be ensured by the Fe rich phase 16a segregated on the upper part of the built-up layer. Further, since the Cu rich phase 16b segregating at the lower part of the build-up layer is formed at the interface between the valve seat 16 and the aluminum alloy constituting the cylinder head 1, a brittle Al—Fe intermetallic compound is formed. Compared with the case where it did, it becomes a structure where a crack is hard to generate | occur | produce in the valve seat 16 at this interface.

次に、上記のように構成されるシリンダヘッド1におけるバルブシート16の製造方法、つまりシリンダヘッド1への肉盛方法について説明する。図4に、肉盛装置を用いてシリンダヘッド1への肉盛を行っているレイアウトを示し、この図を参照して説明する。   Next, a method for manufacturing the valve seat 16 in the cylinder head 1 configured as described above, that is, a method for overlaying the cylinder head 1 will be described. FIG. 4 shows a layout in which the cylinder head 1 is built using a build-up device, and this will be described with reference to this figure.

図4に示されるように、肉盛装置は、半導体レーザ20、回転テーブル21、シールドガス供給器22、混合粉末供給装置23および制御装置24を備えて構成されている。このような半導体レーザ20を用いた肉盛装置を使用する。   As shown in FIG. 4, the build-up apparatus includes a semiconductor laser 20, a rotary table 21, a shield gas supply device 22, a mixed powder supply device 23, and a control device 24. A build-up apparatus using such a semiconductor laser 20 is used.

まず、混合粉末供給装置23では、Fe、Cu、Cr、Cを所定の質量比で混ぜ合わせた混合粉末を形成する。具体的には、各粉末を混合器23aにて混合することで混合粉末を形成している。このとき、混合粉末を構成する各合金元素の質量比に関して、Crを9質量%として、Feを30〜45質量%、Cを0.2〜0.4質量%とし、残部をCuとしている。   First, the mixed powder supply apparatus 23 forms a mixed powder in which Fe, Cu, Cr, and C are mixed at a predetermined mass ratio. Specifically, mixed powder is formed by mixing each powder with the mixer 23a. At this time, regarding mass ratio of each alloy element which comprises mixed powder, Cr is 9 mass%, Fe is 30-45 mass%, C is 0.2-0.4 mass%, and the remainder is Cu.

そして、粉末供給ノズル23bを通じて、バルブシート16として肉盛を行いたい部位、つまり吸気ポート3および排気ポート4のうちの燃焼室2側の開口端に生成した混合粉末を供給する。例えば、直径2mmの供給ノズル23bを吸気ポート3および排気ポート4のうちの燃焼室2側の開口端に対して45度傾斜させ、5mm程度開口端から離した状態で混合粉末を供給する。   And the mixed powder produced | generated is supplied to the site | part which wants to build up as the valve seat 16, ie, the opening end by the side of the combustion chamber 2 of the intake port 3 and the exhaust port 4, through the powder supply nozzle 23b. For example, the supply nozzle 23b having a diameter of 2 mm is inclined 45 degrees with respect to the opening end of the intake port 3 and the exhaust port 4 on the combustion chamber 2 side, and the mixed powder is supplied in a state separated from the opening end by about 5 mm.

また、制御部からの電源供給に基づいて半導体レーザ20からレンズ20aを通じてレーザ光が出射させ、そのレーザ光をシリンダヘッド1における肉盛を行いたい場所に照射すると共に、シールドガス供給器22からレーザ照射領域にシールドガスを供給する。これにより、肉盛金属がシールドガスより大気中から保護され、ポロシティおよび酸化の防止ができる。   Further, laser light is emitted from the semiconductor laser 20 through the lens 20a based on power supply from the control unit, and the laser light is irradiated to a place where the cylinder head 1 is desired to be built up. Shield gas is supplied to the irradiation area. As a result, the overlay metal is protected from the atmosphere by the shielding gas, and porosity and oxidation can be prevented.

この肉盛の際に、混合粉末を構成する合金元素の組成比が上記のようになっているため、液相から固相に変化するまでの凝固中に、Feリッチ相16aが温度勾配と逆方向、つまり中心部に凝集しようとする力(凝集力)を受け、引き寄せられる。この凝集力の詳細は明確ではないが、マランゴニ効果による液体の移動現象に起因するものと考えられ、これにより、図3に示すようにFeリッチ相16aが上部に析出し、Cuリッチ相16bが下部に析出する肉盛層が形成される。   During the build-up, the composition ratio of the alloy elements constituting the mixed powder is as described above, so the Fe-rich phase 16a is opposite to the temperature gradient during solidification until it changes from the liquid phase to the solid phase. It is attracted in the direction, that is, the force (cohesive force) that tends to aggregate in the center. Although the details of this cohesive force are not clear, it is considered to be caused by the liquid movement phenomenon due to the Marangoni effect. As a result, as shown in FIG. 3, the Fe rich phase 16a is deposited on the upper portion, and the Cu rich phase 16b is formed. A build-up layer that deposits at the bottom is formed.

そして、制御部にて回転テーブル21を回転させることにより、吸気ポート3および排気ポート4のうちの燃焼室2側の端部、つまりバルブシート16を形成する部分の中心線を軸としてシリンダヘッド1を回転させ、各場所のレーザ光の照射時間を調整する。   Then, the rotary table 21 is rotated by the control unit, whereby the cylinder head 1 is centered on the end of the intake port 3 and the exhaust port 4 on the combustion chamber 2 side, that is, the center line of the portion forming the valve seat 16. To adjust the irradiation time of the laser beam at each location.

これにより、低歪み、低応力および低希釈率の高品質な肉盛層が得られ、バルブシート16が形成される。このとき、例えば半導体レーザ20の出力Pを1.5kWとし、回転テーブル21を回転させることによる半導体レーザ20の相対的な溶接周速度Vが20mm/sというビードを形成する最低入熱条件でのレーザクラッディングが行われるようにすれば、母材となるアルミニウム合金が多く溶融されないようにできる。このため、界面近傍に脆硬なAl−Fe系金属間化合物が形成されることを抑制できる。   As a result, a high quality built-up layer with low strain, low stress and low dilution rate is obtained, and the valve seat 16 is formed. At this time, for example, the output P of the semiconductor laser 20 is 1.5 kW, and the relative welding peripheral speed V of the semiconductor laser 20 by rotating the turntable 21 is a minimum heat input condition that forms a bead of 20 mm / s. If laser cladding is performed, a large amount of the aluminum alloy serving as a base material can be prevented from being melted. For this reason, it can suppress that a brittle Al-Fe type intermetallic compound is formed in the interface vicinity.

このように、図4に示した肉盛装置を用いてバルブシート16を形成すると、その断面構造が図3に示したものとなり、肉盛層の上部がFeリッチ相16a、下部がCuリッチ相16bとなる二相分離構造となり、界面近傍に脆硬なAl−Fe系金属間化合物が形成されない構造となる。   As described above, when the valve seat 16 is formed using the overlay apparatus shown in FIG. 4, the cross-sectional structure thereof is as shown in FIG. 3, and the upper part of the overlay layer is Fe rich phase 16a and the lower part is Cu rich phase. The two-phase separation structure becomes 16b, and a brittle Al—Fe intermetallic compound is not formed in the vicinity of the interface.

これにより、Fe、Cu二元合金に二相分離合金元素を含有させた混合粉末を用いて、肉盛層の界面近傍に脆硬なAl−Fe系金属間化合物が形成されず、耐摩耗性が十分なバルブシートとすることができる。   As a result, a brittle Al-Fe intermetallic compound is not formed in the vicinity of the interface of the build-up layer using the mixed powder containing the binary phase separation alloy element in the Fe, Cu binary alloy, and wear resistance is improved. Can be a sufficient valve seat.

(他の実施形態)
上記実施形態では、Fe、Cu二元元素に二相分離合金元素を含有させた混合粉末の一例を挙げたが、下記の(1)〜(3)の組成のもので構成されていれば良い。
(Other embodiments)
In the said embodiment, although the example of the mixed powder which made the Fe and Cu binary element contain the two-phase-separation alloy element was given, it should just be comprised with the thing of the composition of following (1)-(3). .

(1)Fe:15〜85質量%、(2)二相分離合金元素C:0.02〜2.0質量%、Cr:4〜30質量%、Mo:2〜20質量%、Nb:2〜20質量%、V:4〜20質量%、W:2〜20質量%、Si:4〜20質量%、B:0.2〜10質量%、S:0.2〜10質量%、Ta:2〜20質量%、Bi:1〜20質量%、Ag:2〜20質量%、Sn:2〜20質量%(ただし、二相分離合金元素は、ここに示した複数のうちの1種類もしくは2種類以上の組み合わせ)(3)Cu:残部。   (1) Fe: 15 to 85 mass%, (2) Two-phase separation alloy element C: 0.02 to 2.0 mass%, Cr: 4 to 30 mass%, Mo: 2 to 20 mass%, Nb: 2 -20 mass%, V: 4-20 mass%, W: 2-20 mass%, Si: 4-20 mass%, B: 0.2-10 mass%, S: 0.2-10 mass%, Ta : 2 to 20% by mass, Bi: 1 to 20% by mass, Ag: 2 to 20% by mass, Sn: 2 to 20% by mass (however, the two-phase separation alloy element is one of a plurality of types shown here) Or a combination of two or more) (3) Cu: remaining.

特に、FeとCrの質量%の合計が55質量%以下となるようにすると、界面欠陥率の低い二相分離構造を得ることが可能になると言える。   In particular, it can be said that when the total mass% of Fe and Cr is 55 mass% or less, a two-phase separation structure with a low interface defect rate can be obtained.

また、上記実施形態では、二相分離合金元素としてCr、Cを混合粉末に含有させたが、CaF2のようなフラックスを添加することも可能である。上記のように、アルミニウム合金で構成される基材上にバルブシート16を肉盛するとき、水素による気孔が発生し易いが、このようにフラックスを添加すると、下記の化学反応により、肉盛金属中の水素を除去することができ、気孔の発生を抑制することができる。 Moreover, in the said embodiment, although Cr and C were contained in the mixed powder as a two-phase separation alloy element, it is also possible to add a flux such as CaF 2 . As described above, when the valve seat 16 is built up on a base material made of an aluminum alloy, pores due to hydrogen are likely to be generated. However, when flux is added in this way, the build-up metal is formed by the following chemical reaction. Hydrogen in the inside can be removed, and generation of pores can be suppressed.

(化1)
CaF2+2H++O-=CaO+2HF↑
なお、上記実施形態では、銅基合金粉末として、Cuに対して主にFeを含有させたものを挙げたが、主にCrを含有させたものやCoを含有させたものに対しても同様の課題が発生し得る。このため、これらの銅合金を用いる場合にも、本発明を適用することが可能である。
(Chemical formula 1)
CaF 2 + 2H + + O = CaO + 2HF ↑
In the above embodiment, as the copper-based alloy powder, the one containing mainly Fe with respect to Cu was mentioned, but the same applies to the one containing mainly Cr or Co. This problem can occur. For this reason, it is possible to apply this invention also when using these copper alloys.

例えば、Cu基合金粉末に対して主にCrを含有させた銅合金を用いる場合、Cr、Cuに二相分離合金元素を含有させた混合粉末として、下記の(1)〜(3)の組成のもので構成されていれば良い。   For example, when using a copper alloy mainly containing Cr with respect to a Cu-based alloy powder, the following compositions (1) to (3) are used as a mixed powder containing Cr and Cu containing a two-phase separation alloy element. It only has to be made up of things.

(1)Cr:15〜85質量%、(2)二相分離合金元素C:0.02〜2.0質量%、Fe:4〜20質量%、Mo:2〜20質量%、Nb:2〜20質量%、V:4〜20質量%、W:2〜20質量%、Si:4〜20質量%、B:0.2〜10質量%、S:0.2〜10質量%、Ta:2〜20質量%、Ag:2〜20質量%、Sn:2〜20質量%、Co:2〜20質量%(ただし、二相分離合金元素は、ここに示した複数のうちの1種類もしくは2種類以上の組み合わせ)(3)Cu:残部。   (1) Cr: 15 to 85% by mass, (2) Two-phase separation alloy element C: 0.02 to 2.0% by mass, Fe: 4 to 20% by mass, Mo: 2 to 20% by mass, Nb: 2 -20 mass%, V: 4-20 mass%, W: 2-20 mass%, Si: 4-20 mass%, B: 0.2-10 mass%, S: 0.2-10 mass%, Ta : 2 to 20% by mass, Ag: 2 to 20% by mass, Sn: 2 to 20% by mass, Co: 2 to 20% by mass (however, the two-phase separation alloy element is one of a plurality of types shown here) Or a combination of two or more) (3) Cu: remaining.

また、Cu基合金粉末に対して主にCoを含有させた場合、Co、Cuに二相分離合金元素を含有させた混合粉末として、下記の(1)〜(3)の組成のもので構成されていれば良い。   Further, when Co is mainly contained in the Cu-based alloy powder, it is composed of the following compositions (1) to (3) as a mixed powder in which Co and Cu contain a two-phase separation alloy element. It only has to be done.

(1)Co:15〜85質量%、(2)二相分離合金元素C:0.02〜2.0質量%、Fe:4〜20質量%、Mo:2〜20質量%、Nb:2〜20質量%、V:4〜20質量%、W:2〜20質量%、Si:4〜20質量%、B:0.2〜10質量%、S:0.2〜10質量%、Ta:2〜20質量%、Ag:2〜20質量%、Sn:2〜20質量%、Cr:2〜20質量%(ただし、二相分離合金元素は、ここに示した複数のうちの1種類もしくは2種類以上の組み合わせ)(3)Cu:残部。   (1) Co: 15 to 85% by mass, (2) Two-phase separation alloy element C: 0.02 to 2.0% by mass, Fe: 4 to 20% by mass, Mo: 2 to 20% by mass, Nb: 2 -20 mass%, V: 4-20 mass%, W: 2-20 mass%, Si: 4-20 mass%, B: 0.2-10 mass%, S: 0.2-10 mass%, Ta : 2 to 20% by mass, Ag: 2 to 20% by mass, Sn: 2 to 20% by mass, Cr: 2 to 20% by mass (however, the two-phase separation alloy element is one of the plural types shown here) Or a combination of two or more) (3) Cu: remaining.

本発明の第1実施形態におけるバルブシートが設けられた多気筒(4気筒)内燃機関のシリンダヘッド1の断面図である。1 is a cross-sectional view of a cylinder head 1 of a multi-cylinder (four-cylinder) internal combustion engine provided with a valve seat in a first embodiment of the present invention. 図1に示すシリンダヘッド1における矢印A方向から見たときの部分拡大図である。It is the elements on larger scale when it sees from the arrow A direction in the cylinder head 1 shown in FIG. バルブシート16の一部を吸気バルブ5若しくは排気バルブ6の長手方向に沿って切断した場合の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view when a part of the valve seat 16 is cut along the longitudinal direction of the intake valve 5 or the exhaust valve 6. 肉盛装置を用いてシリンダヘッド1への肉盛を行っている様子を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed a mode that the overlaying to the cylinder head 1 was performed using the overlaying apparatus. 銅基合金粉末として、FeとCuを所定割合で混合した粉末を用いて、レーザクラッディングを行った場合の肉盛部分の断面図である。It is sectional drawing of the build-up part at the time of performing laser cladding using the powder which mixed Fe and Cu in the predetermined ratio as copper base alloy powder. FeとCuの混合粉末に二相分離合金元素、例えばCrやCを添加して肉盛層を形成したときの肉盛層の断面図である。It is sectional drawing of a built-up layer when a two-phase-separation alloy element, for example, Cr and C, is added to the mixed powder of Fe and Cu, and a built-up layer is formed. Fe、Cr、Cu、Cで構成される混合粉末の各合金の混合質量比を変えた試料の一覧を記した図表である。It is the table | surface which described the list of the sample which changed the mixing mass ratio of each alloy of the mixed powder comprised by Fe, Cr, Cu, and C. 銅基合金粉末を用いたアルミニウム合金への肉盛の界面近傍での欠陥率(界面欠陥率)を示した図である。It is the figure which showed the defect rate (interface defect rate) in the interface vicinity of the overlaying to the aluminum alloy using copper base alloy powder. 耐摩耗性およびビッカース硬さを調べた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having investigated abrasion resistance and Vickers hardness.

符号の説明Explanation of symbols

1…シリンダヘッド、1a…内底面、2…燃焼室、3…吸気ポート、4…排気ポート、5…吸気バルブ、6…排気バルブ、16…バルブシート、16a…Feリッチ相、16b…Cuリッチ相、20…半導体レーザ、21…回転テーブル、22…シールディングガス供給器、23…混合粉末供給装置、24…制御装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cylinder head, 1a ... Inner bottom surface, 2 ... Combustion chamber, 3 ... Intake port, 4 ... Exhaust port, 5 ... Intake valve, 16 ... Exhaust valve, 16 ... Valve seat, 16a ... Fe rich phase, 16b ... Cu rich Phase: 20 ... Semiconductor laser, 21 ... Rotary table, 22 ... Shielding gas supply device, 23 ... Mixed powder supply device, 24 ... Control device.

Claims (7)

アルミニウム合金を基材として構成され、吸気ポート(3)および排気ポート(4)が形成されていると共に、これら吸気ポート(3)と排気ポート(4)における燃料室(2)側の開口端に吸気バルブ(5)および排気バルブ(6)が当接されるバルブシート(16)が形成されている内燃機関用シリンダヘッドであって、
前記バルブシート(16)は、Fe、Cuおよび二相分離合金元素を含む銅基合金粉末の肉盛層によって構成され、該肉盛層の上部に球状のFeリッチ相(16a)が形成されていると共に、該肉盛層の下部および前記Feリッチ相(16a)を囲むようにCuリッチ相(16b)が単レーザプロセスで形成された傾斜機能肉盛層となっていることを特徴とする内燃機関用シリンダヘッド。
An intake port (3) and an exhaust port (4) are formed using an aluminum alloy as a base material, and at the opening end of the intake port (3) and the exhaust port (4) on the fuel chamber (2) side. A cylinder head for an internal combustion engine in which a valve seat (16) with which an intake valve (5) and an exhaust valve (6) are in contact is formed,
The valve seat (16) is constituted by a build-up layer of copper-based alloy powder containing Fe, Cu and a two-phase separation alloy element, and a spherical Fe-rich phase (16a) is formed on the build-up layer. And an internal combustion layer characterized in that the Cu rich phase (16b) is a functionally graded layer formed by a single laser process so as to surround the lower part of the buildup layer and the Fe rich phase (16a). Cylinder head for engine.
前記Fe、Cuおよび二相分離合金元素の質量比は、前記Feが15〜85質量%、前記二相分離合金元素がC:0.02〜2.0質量%、Cr:4〜30質量%、Mo:2〜20質量%、Nb:2〜20質量%、V:4〜20質量%、W:2〜20質量%、Si:4〜20質量%、B:0.2〜10質量%、S:0.2〜10質量%、Ta:2〜20質量%、Bi:1〜20質量%、Ag:2〜20質量%、Sn:2〜20質量%のうちの1種類もしくは2種以上の組み合わせ、前記Cuが残部となっていることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用シリンダヘッド。 The mass ratio of the Fe, Cu and the two-phase separation alloy element is 15 to 85 mass% for the Fe, C: 0.02 to 2.0 mass% for the two-phase separation alloy element, and 4 to 30 mass% for Cr. , Mo: 2 to 20% by mass, Nb: 2 to 20% by mass, V: 4 to 20% by mass, W: 2 to 20% by mass, Si: 4 to 20% by mass, B: 0.2 to 10% by mass , S: 0.2 to 10% by mass, Ta: 2 to 20% by mass, Bi: 1 to 20% by mass, Ag: 2 to 20% by mass, Sn: 2 to 20% by mass or two types 2. The cylinder head for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the remaining portion is Cu in combination. 前記二相分離合金元素はCrであり、該Cr+Feの質量比が55質量%以下となっていることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関用シリンダヘッド。 The cylinder head for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the two-phase separation alloy element is Cr, and the mass ratio of Cr + Fe is 55 mass% or less. アルミニウム合金を基材として構成され、吸気ポート(3)および排気ポート(4)が形成されていると共に、これら吸気ポート(3)と排気ポート(4)における燃料室(2)側の開口端に吸気バルブ(5)および排気バルブ(6)が当接されるバルブシート(16)が形成されている内燃機関用シリンダヘッド(1)への前記バルブシート(16)の肉盛方法であって、
前記内燃機関用シリンダヘッド(1)における前記吸気ポート(3)および前記排気ポート(4)の開口端に、Fe、Cuおよび二相分離合金元素を含む肉盛用混合粉末を供給する工程と、
半導体レーザ(20)を用いて、前記混合粉末を供給しながらレーザ光を照射することによって、該混合粉末を溶融させる工程と、
前記溶融させた混合粉末を凝固させることにより銅基合金粉末の肉盛を行い、前記バルブシート(16)を形成する工程と、を含み、
前記混合粉末の質量比を、前記Fe基が15〜85質量%、前記二相分離合金元素がC:0.02〜2.0質量%、Cr:4〜30質量%、Mo:2〜20質量%、Nb:2〜20質量%、V:4〜20質量%、W:2〜20質量%、Si:4〜20質量%、B:0.2〜10質量%、S:0.2〜10質量%、Ta:2〜20質量%、Bi:1〜20質量%、Ag:2〜20質量%、Sn:2〜20質量%のうちの1種類もしくは2種以上の組み合わせ、Cuが残部とすることを特徴とする内燃機関用シリンダヘッドへのバルブシートの肉盛方法。
An intake port (3) and an exhaust port (4) are formed using an aluminum alloy as a base material, and at the opening end of the intake port (3) and the exhaust port (4) on the fuel chamber (2) side. A method for building up the valve seat (16) on a cylinder head (1) for an internal combustion engine in which a valve seat (16) against which an intake valve (5) and an exhaust valve (6) are in contact is formed,
Supplying an overlaying mixed powder containing Fe, Cu and a two-phase separation alloy element to the open ends of the intake port (3) and the exhaust port (4) in the cylinder head (1) for the internal combustion engine;
Melting the mixed powder by irradiating laser light while supplying the mixed powder using a semiconductor laser (20);
Forming the valve seat (16) by overlaying a copper-based alloy powder by solidifying the molten mixed powder,
The mixed powder has a mass ratio of 15 to 85 mass% for the Fe group, C: 0.02 to 2.0 mass% for the two-phase separation alloy element, 4 to 30 mass% for Cr, and 2 to 20 mass for Mo. % By mass, Nb: 2-20% by mass, V: 4-20% by mass, W: 2-20% by mass, Si: 4-20% by mass, B: 0.2-10% by mass, S: 0.2 10% by mass, Ta: 2-20% by mass, Bi: 1-20% by mass, Ag: 2-20% by mass, Sn: 2-20% by mass, or a combination of two or more, Cu A method for overlaying a valve seat on a cylinder head for an internal combustion engine, wherein the remaining portion is a remaining portion.
前記二相分離合金元素としてCrを用い、該Cr+Feの質量比を55重量%以下とすることを特徴とする請求項4に記載の内燃機関用シリンダヘッドへのバルブシートの肉盛方法。 5. The method of building a valve seat on a cylinder head for an internal combustion engine according to claim 4, wherein Cr is used as the two-phase separation alloy element, and the mass ratio of Cr + Fe is 55% by weight or less. 前記Crを9質量%以下の質量比とし、前記Fe基を45質量%以下の質量比とすることを特徴とする請求項5に記載の内燃機関用シリンダヘッドへのバルブシートの肉盛方法。 6. The method of building a valve seat on a cylinder head for an internal combustion engine according to claim 5, wherein the Cr is a mass ratio of 9% by mass or less and the Fe group is a mass ratio of 45% by mass or less. 前記レーザ出力(P)を1kW、該溶接速度(V)を15mm/sとすることを特徴とする請求項6に記載の内燃機関用シリンダヘッドへのバルブシートの肉盛方法。
The method of building a valve seat on a cylinder head for an internal combustion engine according to claim 6, wherein the laser output (P) is 1 kW and the welding speed (V) is 15 mm / s.
JP2005247762A 2005-08-29 2005-08-29 Cylinder head for internal combustion engine and padding method of valve seat to cylinder head Withdrawn JP2007064009A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005247762A JP2007064009A (en) 2005-08-29 2005-08-29 Cylinder head for internal combustion engine and padding method of valve seat to cylinder head

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005247762A JP2007064009A (en) 2005-08-29 2005-08-29 Cylinder head for internal combustion engine and padding method of valve seat to cylinder head

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2007064009A true JP2007064009A (en) 2007-03-15

Family

ID=37926509

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005247762A Withdrawn JP2007064009A (en) 2005-08-29 2005-08-29 Cylinder head for internal combustion engine and padding method of valve seat to cylinder head

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2007064009A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009214179A (en) * 2007-12-21 2009-09-24 Sulzer Markets & Technology Ag Method of manufacturing erosion protection layer and component with this erosion protection layer
JP2014161905A (en) * 2013-02-27 2014-09-08 Suzuki Denki Kogyo Kk Padding processing device
US9303321B2 (en) 2013-03-21 2016-04-05 Caterpillar Inc. Cladding composition with flux particles
JP2018158347A (en) * 2017-03-22 2018-10-11 トヨタ自動車株式会社 Method for producing build-up layer and device for producing the same

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009214179A (en) * 2007-12-21 2009-09-24 Sulzer Markets & Technology Ag Method of manufacturing erosion protection layer and component with this erosion protection layer
JP2014161905A (en) * 2013-02-27 2014-09-08 Suzuki Denki Kogyo Kk Padding processing device
US9303321B2 (en) 2013-03-21 2016-04-05 Caterpillar Inc. Cladding composition with flux particles
JP2018158347A (en) * 2017-03-22 2018-10-11 トヨタ自動車株式会社 Method for producing build-up layer and device for producing the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1726668B1 (en) Wear-resistant copper alloy for overlaying and valve sheet
EP2247833B1 (en) A movable wall member in form of an exhaust valve spindle or a piston for an internal combustion engine, and a method of manufacturing such a member
US4787736A (en) Laser clad valve for internal combustion engine
JPH0258444B2 (en)
CN1178017C (en) Multilayer coking-preventing heat-resisting metal pipe and its manufacturing method
JP2007064009A (en) Cylinder head for internal combustion engine and padding method of valve seat to cylinder head
JP3835694B2 (en) Manufacturing method of valve seat
CN1218538A (en) Movable wall member in form of exhaust valve spindle or piston is IC engine
JP2018150814A (en) Repair method for exhaust valve rod
JP4603808B2 (en) Overlay wear resistant copper base alloy
US20200040840A1 (en) Coated valve seat region of an internal combustion engine
US9404400B2 (en) Cylinder head with valve seat and method for the production thereof
JP5070920B2 (en) Overlay wear-resistant iron-base alloy
JP2005254283A (en) Method of repairing wear-resistant member
CN114807926A (en) Method for carrying out laser cladding on surface of valve seat of vermicular cast iron engine
JPH0577042A (en) Method for reforming surface of cast iron parts
Ando et al. Hardfaced valve and P/M valve seat system for CNG and LPG fuel engines
CN1080769C (en) A cylinder member and nickel-based facing
WO1992013179A1 (en) Valve with hard-facing
US4993382A (en) Insert for an indirect injection diesel engine
JPH01197067A (en) Manufacture of ti base alloy engine valve
CN115053059A (en) Cylinder head and method for improving corrosion resistance thereof
KR20110096362A (en) High heat-resistance exhaust valve spindle of marine engine having excellent wear resistance and corrosion resistance
JPH06277876A (en) Valve stem for diesel engine and its manufacture
JP2796582B2 (en) Overlay welding method of overlay material to engine valve

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20081104