JP2015025169A - 焼結合金製バルブガイド及びその製造方法 - Google Patents

焼結合金製バルブガイド及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ダウンサイジングや直噴高過給化による熱負荷の大きいエンジンのバルブガイドに使用することが可能な高伝熱性と優れた耐摩耗性を有する焼結合金製バルブガイド及びその製造方法を提供する。
【解決手段】質量％で、Cu：10〜90％、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W：0〜8％、C：0.5〜3％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記Cr、Mo、V及びWの合計が2％以上である組成を有し、かつFeを主成分とするFe基合金相、Cu相又はCuを主成分とするCu基合金相、及び黒鉛相からなる組織とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンのバルブの開閉を案内するバルブガイド及びその製造方法に関し、特に、バルブ温度の上昇を抑制できる高伝熱バルブガイド及びその製造方法に関する。
自動車エンジン用バルブガイドは、従来鋳物であったが、粉末冶金工法のニアネットシェイプ、加工レスの特徴を活かし、焼結合金部品がとって代わり、その生産量も高い伸び率を示してきた。焼結合金製バルブガイドの一例として、特許文献１は、重量％で、C：1〜4％、Cu：1.5〜6％、P：0.1〜0.8％を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有し、パーライトを主体とする素地に、Fe-C-P化合物と遊離黒鉛が分散したものを開示している。
一方、近年の自動車用ガソリンエンジンにおいては、低燃費、低エミッション、高出力を指向し、ダウンサイジング、直噴高過給などの様々な技術の組合せにより燃焼効率の改善が図られている。燃焼効率の改善は各種損失を低減することであり、特に損失割合の大きい排気損失が注目され、その低減技術として高圧縮化が試みられている。高圧縮化は必然的にエンジン温度の上昇をもたらしノッキング等の異常燃焼発生のリスクを伴うため、燃焼室内の冷却対策が必要となってくる。特に周辺温度が高温となる排気側バルブ周辺では、冷却改善が必須であり、バルブの冷却機能を担うバルブガイドにも高いバルブ冷却能が求められている。
バルブ冷却能の高いバルブガイド材として、例えば、真鍮製のバルブガイドが挙げられるが、材料物性上、耐摩耗性の不足や従来用いられてきた鉄基のバルブガイドに比べて加工費用などコスト上の課題がある。そのため、高いバルブ冷却能と耐摩耗性を有し、さらにはコストも満足できる焼結合金製バルブガイドが求められている。
特許文献２は、近年の高性能化、高燃費化したエンジンで、従来よりも耐摩耗性に優れた鉄基焼結合金製バルブガイドとして、Fe粉末、C粉末及びCu-Ni合金粉末を混合し、成形し、焼結することにより得られ、重量％で、Cu：20〜40％、Ni：0.6〜14％、C：1.0〜3.0％を含有し、残りがFe及び不可避不純物からなる組成を有し、Feを主成分とするFe基合金相をCuを主成分とするCu基合金相で接合してなる素地中に平均粒径：30μm以下の微細な遊離黒鉛相が析出分散している組織を有する鉄基焼結合金製バルブガイドを開示している。
特開平６−３０６５５４号公報 特開平１１−３２３５１２号公報
上記問題に鑑み、本発明は、ダウンサイジングや直噴高過給化による熱負荷の大きいエンジンのバルブガイドに使用することが可能な高伝熱性と優れた耐摩耗性を有する焼結合金製バルブガイドを提供することを課題とする。さらに、当該焼結合金製バルブガイドの製造方法を提供することを課題とする。
本発明者は、エンジン用焼結合金製バルブガイドについて鋭意研究の結果、Cr、Mo、W、Vから選択された元素を含んだFe基合金粉末にCuコーティングした粉末を使用することによって、耐摩耗性と高熱伝導性の両方を兼ね備えた焼結合金製バルブガイドが得られることに想到した。
すなわち、本発明の焼結合金製バルブガイドは、質量％で、Cu：10〜90％、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W：0〜8％、C：0.5〜3％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記Cr、Mo、V及びWの合計が2％以上である組成を有し、かつFeを主成分とするFe基合金相、Cu相又はCuを主成分とするCu基合金相、及び黒鉛相からなる組織を有することを特徴とする。前記Fe基合金相はFe-Mo-C合金、Fe-Cr-Mo-V-C合金、Fe-Cr-V-W-C合金、又はFe-Cr-Mo-V-W-C合金からなることが好ましく、質量％で、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W:0〜8％、C：0.5〜1％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記Cr、Mo、V及びWの合計が2％以上である組成を有することが好ましい。
前記Cu相又はCuを主成分とするCu基合金相は連続した組織を形成していることが好ましく、また、前記Cu相又はCuを主成分とするCu基合金相は200 W/(m・K)以上の熱伝導率を有していることが好ましい。
また、本発明の焼結合金製バルブガイドは、質量％で、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W:0〜8％、C：0.5〜1％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記Cr、Mo、V及びWの合計が2％以上である組成を有するプレアロイ合金粉末にCuのコーティングを施し、C粉末を混合し、成形し、焼結することを特徴とする。
本発明の焼結合金製バルブシートは、耐摩耗性を有するFe基合金相と、熱伝導に優れたCu相又はCuを主成分とするCu基合金相、及び自己潤滑性に優れた黒鉛相を有することによって、耐摩耗性に優れ、バルブ冷却能の高い焼結合金製バルブシートとすることが可能となる。これにより、高性能化及び高負荷化したエンジンにおいてもノッキング等の異常燃焼を回避することが可能となり、高性能エンジンの性能向上に貢献することができる。
実施例１の焼結合金製バルブガイドの光学顕微鏡による組織写真である。 摩耗試験の概要を示した図である。
本発明の焼結合金製バルブガイドは、質量％で、銅(Cu)：10〜90％、クロム(Cr)：0〜10％、モリブデン(Mo)：0〜6％、バナジウム(V)：0〜8％、タングステン(W)：0〜8％、炭素(C)：0.5〜3％、残部鉄(Fe)及び不可避的不純物からなり、前記Cr、Mo、V及びWの合計が2％以上である組成を有する。同時に、本発明の焼結合金製バルブガイドの組織は、Fe基合金相、Cu相又はCu基合金相、及び黒鉛相から構成され、それぞれ、耐摩耗性、熱伝導性、及び自己潤滑性を担っている。なお、Fe基合金相はFeを主成分とし、Cu基合金相はCuを主成分としている。
本発明の焼結合金製バルブガイドに含まれるCuは、高熱伝導性を付与する上で欠かせない合金成分である。熱伝導率は、焼結合金製バルブガイドとしては50 W/(m・K)以上が好ましい。Cuが10質量％未満では液相の発生が十分でなく、またCu相又はCu基合金相の形成が不十分となって緻密で所定の熱伝導特性を得ることができない。一方、Cuが90質量％を超えるとFe基合金相が少なくなりすぎて耐摩耗性に問題を生じる。よって、Cuは10〜90質量％とする。Cuは30質量％以上、80質量％以下が好ましく、75質量％以下がより好ましい。また、金属においては、熱伝導率は主に結晶粒内の自由電子の運動に支配されるため、固溶元素の少ないほど熱伝導率は向上するので、Cuに固溶する元素を含有しないようにすることが重要である。その点、Mo、V、W、CはCuに殆ど固溶しないため、またCrとFeは高温で僅かにCuに固溶するが冷却されればCuとCr及び／又はFeとの混合組織となり、いずれもCuの熱伝導率に悪影響することはない。よって、本発明におけるCu基合金相は、Cu-Cr合金、Cu-Fe合金、又はCu-Cr-Fe合金であり得る。これらのCu基合金相であれば、単体で200 W/(m・K)以上の熱伝導率をもつことができる。本発明には含まれないが、NiはCuと全率固溶体を形成するため、NiのCuへの固溶が熱伝導率を著しく低下させ好ましくない。
Cr、Mo、V、Wは、Fe基合金相中に固溶し、強度及び硬度の向上に寄与する。さらに炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる。Cr、Mo、V及びWの合計が2.0質量％未満では良好な耐熱性、耐摩耗性を得ることができない。一方、Crが10質量％を超えるか、Moが6質量％を超えるか、V及びWがそれぞれ8質量％を超えるかすると、析出物の析出過多や粗大化によりFe基合金相自体が脆弱化し、相手攻撃性の増加や、シリンダヘッドへの圧入時の折損が懸念される。したがって、Cr、Mo、V、Wの含有量は、質量％で、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W：0〜8％とし、前記Cr、Mo、V及びWの合計は2％以上とする。Cr、Mo、V及びWの合計の上限は32質量％であるが、相手攻撃性という観点では16質量％以下が好ましい。
Cは、Fe基合金相中に固溶し、あるいは炭化物を形成して強度及び硬度を向上させる。また黒鉛として単体分散することで自己潤滑性を付与する。Cが0.5質量％未満では、炭化物が十分に析出されず、前述の効果が得られない。一方、3質量％を超えて含有させると、炭化物の析出過多や粗大化することで靱性の低下により製品機能の低下を招く。したがって、Cは0.5〜3質量％とする。
本発明の焼結合金製バルブガイドの製造においては、質量％で、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W：0〜8％、C：0.5〜1％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記Cr、Mo、V及びWの合計が2％以上である組成を有するFe基合金粉末を原料粉末として使用する。Cu成分は、Cu粉末又はCu基合金粉末を前記Fe基合金粉末に混合しても、前記Fe基合金粉末にCuをコーティングして加えてもよい。Cuコーティングには、Fe基合金粉末へのCuめっき処理、Fe基合金粉末とCu粉末のメカニカルアロイング処理等が使用できるが、Cuめっき処理が好ましい。前記Fe基合金粉末を水アトマイズにより作製し、その表面に所定量のCu成分を無電解めっき液中で置換めっき処理を施すことが好ましい。C粉末としては、平均粒径1〜20μmの黒鉛粉末を使用することが好ましい。また、原料粉末には離型剤としてステアリン酸塩等を配合してもよい。
上記原料粉末を混合した後、混合粉末は金型に充填され、成形プレス等により圧縮、成形され、必要により脱脂処理した後、真空雰囲気中、900〜1050℃で焼結される。焼結温度が900℃未満ではCu又はCu合金からの液相発生量が不足して所定の組織の焼結体が得られず、一方、1050℃を超える温度ではCu又はCu合金からの液相が多すぎて所定の形状を維持できなくなる。焼結温度は900〜1050℃とする。
実施例1
成分組成が、質量％で、Cr：1.33％、Mo：2.67％、V：4.00％、C：0.57％を含有するFe基のプレアロイ合金粉末に、Cuの無電解めっき処理（Cu量が全体の45.5質量％）を施したCuコーティング粉末と、黒鉛粉末（C量が全体の約2％）を配合した混合粉末に、さらに前記混合粉末の総量に対して0.5質量％のステアリン酸亜鉛を配合して混練した混合粉末を原料粉末とした。この原料粉末を金型に充填して成形プレスにより6.5t/cm2の面圧で圧縮成形した成形体を脱脂処理後、真空雰囲気において1000℃で焼結し、径15 mmφ×高さ50 mmの円柱状焼結体を作製した。
図１は、実施例1の焼結体組織の光学顕微鏡写真である。焼結体組織は、比較的粗大なFe基合金相粒子1と、Cu（基合金）相2と、比較的微細な黒鉛相3から構成され、気孔4もわずかに観察されるが、比較的緻密な組織を呈している。特に、Cu（基合金）相2が連続的に繋がっていることが特徴的である。
[1] 摩耗試験
前記円柱状焼結体から10 mm×50 mm×10 mmのバルブガイド試験片に加工し、またSUH合金製のバルブ材から切り出したφ8 mm×30 mm（一方の端部が8 mm Rの円柱側面状に加工する）のバルブ試験片を摺動相手材として、図２に示すように、一定荷重でバルブ試験片6を往復動するバルブガイド試験片5に押し付けながら耐摩耗性を評価した。試験条件は以下の通りである。
押付荷重：50 N
試験温度：200℃
潤滑：無潤滑(ドライ)
ストローク：25 mm 摺動速度：166 mm/秒
試験時間：3時間
摩耗量は、試験前後のバルブガイド試験片とバルブ試験片の当たり面の後退量として算出した結果、実施例1のバルブガイド試験片の摩耗量は2.0μm、バルブ試験片の摩耗量は21.5μmであった。
[2] 熱伝導率の測定
前記円柱状焼結体から径5.0mm×厚さ1.0 mmの円板状試験片を切り出し、両面を鏡面研磨して、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。実施例1の熱伝導率は50 W/(m・K)であった。
実施例2〜8、比較例1〜5
Fe基プレアロイ合金組成、無電解Cuめっき量、C粉末配合量を表１に示す化学成分に変更した以外は、実施例1と同様にして焼結体を作製した。得られた各焼結体から、摩耗試験用のバルブガイド試験片と熱伝導率測定用の円板状試験片を作製し、実施例1と同様に、摩耗試験と熱伝導率測定を行った。得られた結果を、実施例1の結果も含め、表１に示す。
実施例から、Cr、Mo、V及びWの合金元素合計量が2質量％以上であれば、バルブガイド材の摩耗量は低減する。一方、合金元素合計量が16質量％を超えると、バルブ材の摩耗量が急激に増加することが分かる。熱伝導率はCu含有量を増やすことで向上するが、合金相の組成にも影響され、合金元素量の多い実施例4及び実施例6では熱伝導率が低下している。また、実施例7はC含有量が少ないため、黒鉛の自己潤滑効果が小さく、バルブガイド材の摩耗量が増加傾向にある。しかし、Cu含有量の多い実施例5よりも熱伝導率が高くなっている。その理由としては、Cが連続したCu組織中に介在して熱伝導率を低下させる影響が小さいと考えられる。合金元素合計量が2質量％未満の比較例1及び2は、摺動相手のバルブ材の摩耗量は少ないが、バルブガイド材自体の摩耗が増大する。特に合金元素合計量が少なくCu成分が90質量％超の比較例2では、強度及び硬度が十分ではないことからバルブガイド材自体の摩耗が大幅に増大している。比較例3〜5は、合金元素いずれかが規定量を超えている（比較例3はCr、Mo、V及びWの全てにおいて、比較例4はWにおいて、比較例5はCrにおいて規定量を超えている）ため、バルブガイド材の摩耗が少ないものの相手材のバルブ材の摩耗量が増大している。さらに、熱伝導率が20W/(m・K)以下と、十分な熱伝導率が得られていない。
1 Fe基合金相
2 Cu（基合金）相
3 黒鉛相
4 気孔
5 バルブガイド試験片
6 バルブ試験片
すなわち、本発明の焼結合金製バルブガイドは、質量％で、Cu：10〜90％、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W：0〜8％、C：0.5〜3％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記Cr、Mo、V及びWの合計が2％以上16％以下である組成を有し、かつFeを主成分とするFe基合金相、Cu相又はCuを主成分とするCu基合金相、及び黒鉛相からなる組織を有することを特徴とする。前記Fe基合金相はFe-Mo-C合金、Fe-Cr-Mo-V-C合金、Fe-Cr-V-W-C合金、又はFe-Cr-Mo-V-W-C合金からなることが好ましく、質量％で、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W:0〜8％、C：0.5〜1％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記Cr、Mo、V及びWの合計が2％以上16％以下である組成を有することが好ましい。
また、本発明の焼結合金製バルブガイドは、質量％で、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W:0〜8％、C：0.5〜1％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記Cr、Mo、V及びWの合計が2％以上16％以下である組成を有するプレアロイ合金粉末にCuのコーティングを施し、C粉末を混合し、成形し、焼結することを特徴とする。

Claims (6)

  1. 質量％で、Cu：10〜90％、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W：0〜8％、C：0.5〜3％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記Cr、Mo、V及びWの合計が2％以上である組成を有し、かつ、Feを主成分とするFe基合金相、Cu相又はCuを主成分とするCu基合金相、及び黒鉛相からなる組織を有することを特徴とする焼結合金製バルブガイド。
  2. 請求項１に記載の焼結合金製バルブガイドにおいて、前記Fe基合金相がFe-Mo-C合金、Fe-Cr-Mo-V-C合金、Fe-Cr-V-W-C合金、又はFe-Cr-Mo-V-W-C合金からなることを特徴とする焼結合金製バルブガイド。
  3. 請求項２に記載の焼結合金製バルブガイドにおいて、前記Fe基合金相が、質量％で、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W：0〜8％、C：0.5〜1％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記Cr、Mo、V及びWの合計が2％以上である組成を有することを特徴とする焼結合金製バルブガイド。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の焼結合金製バルブガイドにおいて、前記Cu相又はCuを主成分とするCu基合金相が連続した組織を形成していることを特徴とする焼結合金製バルブガイド。
  5. 請求項４に記載の焼結合金製バルブガイドにおいて、前記Cu相又はCuを主成分とするCu基合金相が、200 W/(m・K)以上の熱伝導率を有していることを特徴とする焼結合金製バルブガイド。
  6. 質量％で、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W：0〜8％、C：0.5〜1％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、前記Cr、Mo、V及びWの合計が2％以上である組成を有するプレアロイ合金粉末にCuのコーティングを施し、C粉末を混合し、成形し、焼結することを特徴とする焼結合金製バルブガイドの製造方法。
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