JP2015528053A - 高熱伝導バルブシートリング - Google Patents

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Abstract

発明は、キャリア層及び機能層を有する、粉末冶金法で作製されたバルブシートリングに関する。発明の目的は、かなり高い熱伝導率特性を与える、上述したタイプのバルブシートリングを提供することである。この目的を達成するため、及び初めに上述したタイプのバルブシートリングに基づいて、発明は、キャリア層のキャリア材料が、２５重量％より多く、４０重量％までの範囲にある総銅含有率において５５Ｗ/ｍ・Ｋより高い熱伝導率を有することを提案する。

Description

本発明は、粉末冶金法によって作製され、キャリア材料及び機能材料のいずれをも含む、バルブシートリングに関する。
初めに上述したタイプのバルブシートリングは、例えば、特許文献により、既知である。特許文献１は、内燃機関のための、Ｃｏ及びＭｏを成分として含む銅溶浸多層バルブシートリングを説明している。
原理的に、従来技術のバルブシートリングは、優れた強度を示す点において利点を有する。これは特に、２つの異なる材料が提供され、この場合はキャリア材料が顕著な強度特性を示すという事実による。しかし、そのような上述したタイプの従来技術のバルブシートリングは、熱伝導特性が劣るから、内燃機関の益々高まる要求にもはや応えることができないという点において欠点を有する。従来のキャリア材料の熱伝導率は一般に４５Ｗ/ｍ・Ｋより低い。
特開平６−１４５７２０Ａ号公報
本発明の課題は、かなり高い熱伝導度を与える、上述したタイプのバルブシートリングを提供することにある。さらに、そのバルブシートは、当然のことながら、気密性、寸法精度及び強度に関する従来の要件を満たすであろう。
上記課題を達成するため、及び上述したタイプのバルブシートリングに基づいて、本発明は、２５重量％より多く、４０重量％までの範囲にある総銅含有量において、５５Ｗ/ｍ・Ｋより高い熱伝導率を有するキャリア層（２）のキャリア材料を提案する。本発明の総銅含有量は、鉄―銅合金、添加銅粉末及び溶浸銅からなることが好ましい。
以下に示される比率は全て重量％である。
本発明にしたがうバルブシートリングは、高い強度と組み合わされた高い熱伝導率を特徴とし、最新の内燃機関における使用に適する。本バルブシートリングは以下の利点、
− シリンダヘッドにおけるより高速の熱伝導、
− より低いバルブ温度、
− より低いバルブ温度による、内燃機関のノッキング傾向の軽減、
− バルブシートリング内のより一様な温度分布、
− 非一様な温度分布によって生じるバルブシートリングの変形の低減、及び
− バルブシートリングの改善された変形抵抗による、燃焼空間のリークの低減、
を提供する。
バルブシートリングの好ましい実施形態は６５Ｗ/ｍ・Ｋより高い熱伝導率を有するキャリア材料を含む。この実施形態はターボチャージャーシステムを備えるエンジンにおける使用に特に適する。ガソリンエンジンの燃焼温度はディーゼルエンジンの燃焼温度より高い。他方で、ディーゼルエンジンの点火温度はガソリンエンジンの点火温度より約２００℃から３００℃高い。いずれの場合にも、エンジンブロックの損傷を防止するため、可能な限り迅速な高温度の除去が必須である。
バルブシートリングの特に好ましい実施形態は７０Ｗ/ｍ・Ｋより高い熱伝導率を有するキャリア材料を含む。この実施形態は高馬力エンジン、例えば、エンジンの能力がフルに利用される、スポーツカーの、またはモータースポーツ用の、エンジンに必要である。そのような状況下では、高められた熱伝導率がエンジンの寿命を向上させるであろう。
キャリア材料は鉄−銅合金を含むことが好ましい。この組合せにおいては、鉄の高強度及び銅の優れた熱伝導率の結果、所要の用途に対して特に好ましいキャリア材料特性が得られる。
粉末冶金法で作製されたバルブシートリングは、鉄−銅合金の銅含有量が５重量％をこえていれば、特に１０重量％であれば、特に優れた特性を示す。この合金構成により、鉄及び銅の利点を特に利用することが可能になる。１０９４℃におけるオーステナイト内の銅の最大溶解度は８.５重量％である。しかし、銅は鉄−銅合金に、合金化添加材として、及び拡散接合法により、組み込まれ得る。拡散接合法によって、８.５重量％を大きくこえる銅比率を達成することができる。本発明の範囲内において、語「鉄−銅合金」は銅が拡散接合されている鉄も包含するとされる。
バルブシートリングの有益な実施形態は、鉄−銅合金及び銅粉末の混合物からなるキャリア材料を含む。この場合、銅は鉄成分の膠着、よって凝集マトリックスの形成のためにはたらく。高められた銅含有量によって、特に良好な熱の材料通過が可能になる。これはバルブシートリングの領域に含まれる機械要素の長耐用寿命を保証する。銅粉末の比率が８重量％と１２重量％の間の範囲にある場合、特に１０重量％までである場合に、熱伝導率と強度の特に良好な組合せを達成することができる。銅によりこのように形成されたマトリックスは、この場合、鉄のキャリア機能を著しく損なうことなく、特に良好な熱伝導率を与える。エンジンの高まり続ける性能により、及びさらに高い動作温度の観点から、このようにバルブシートリングの熱伝導率を高めることは、バルブシートリングの耐用寿命に有利な影響を与え、したがって耐用寿命も向上させることになる。
本発明のバルブシートリングの特に好ましい一実施形態に対し、キャリア材料及び／または機能材料が、溶浸によって添加される、銅をさらに含む実施形態が提案される。溶浸は未焼結粉末圧密品の細孔を満たす目的に役立つ。溶浸は、焼結プロセス中の、液体銅が毛管作用によって細孔に引き込まれるときにおこる。焼結品内の細孔は通常断熱効果を有するが、基礎材料、この場合はキャリア材料及び機能材料、に比較して熱伝導率がかなり高められる。これは工作物の体積が、必要に応じて、熱伝送特性を最適化するために用いられ得ることを意味する。
粉末冶金法によって作製され、溶浸された銅の含有量がほぼ２０重量％である、バルブシートリングは、それ自体は既知である。それにもかかわらず、キャリア材料の銅含有量が２５重量％より多く、特に２５重量％と４０重量％の間の範囲にあれば、バルブシートリングの熱伝導性が特に有利であり、この場合、鉄の強度特性は損なわれないままであることが分かった。鉄の強度特性は銅の強度特性より高いが、銅の熱伝導率は鉄の熱伝導率より高い。キャリア材料の上述した合金組成により、両金属の利点を、それぞれの難点を表に出す必要なしに、組み合わせることができる。キャリア材料のそのような高い銅含有量には、銅の溶浸に加えて、鉄−銅合金形成粉末がキャリア材料に用いられ、銅粉末に混合されれば、達することができる。
本発明のバルブシートリングの総銅含有量は、２８重量％より多く、４０重量％までの範囲にあることが好ましい。
キャリア材料の特に有利な組成を挙げると：
０.５〜１.８重量％の Ｃ；
０.１〜０.５重量％の Ｍｎ；
０.１〜０.５重量％の Ｓ；
＞２５〜４０重量％の Ｃｕ（合計）；及び
残余（重量％）の Ｆｅ；
である。
好ましい実施形態において、機能材料の合金形成組成は以下の通り：
０.５〜１.２重量％の Ｃ；
６.０〜１２.０重量％の Ｃｏ；
１.０〜３.５重量％の Ｍｏ；
０.５〜３.０重量％の Ｎｉ；
１.５〜５.０重量％の Ｃｒ；
０.１〜１.０重量％の Ｍｎ；
０.１〜１.０重量％の Ｓ；
８.０〜２２.０重量％の Ｃｕ（溶浸）；及び
残余（重量％）の Ｆｅ；
である。
この場合の機能材料は従来タイプの材料である。合金形成元素は大きな費用がかかる材料であるから、バルブシートリング全体において機能層の占有率の、それぞれ、最適化及び最小化が試みられる。バルブシートリングは大量生産品であることを念頭におけば、このことは、高価な材料の比率が小さくなるという事実によって、巨額の費用低減を意味する。
機能層の代替実施形態は以下の機能材料：
０.５〜１.５重量％の Ｃ；
５.０〜１２.０重量％の Ｍｏ；
１.５〜４.５重量％の Ｗ；
０.２〜２.０重量％の Ｖ；
２.２〜２.８重量％の Ｃｒ；
０.１〜１.０重量％の Ｍｎ；
０.１〜０.５重量％の Ｓ；
１２.０〜２４.０重量％の Ｃｕ（溶浸）；及び
残余（重量％）の Ｆｅ；
からなる。
機能層のための材料の選択はバルブシートリングが満たさなければならない要件に依存する。機能材料が要求特性を有していれば、より安価な代替材料が選ばれることになる。
さらに、本発明は、キャリア材料からなるキャリア層を、また機能材料の機能層も、含むバルブシートリングを、粉末冶金法によって製造する：
− 鉄−銅合金からなるキャリア材料を用いてキャリア層を作製する工程、
− 必要な場合、キャリア層の粉末をプレス成形して半完成品にする工程、
− 従来の粉末機能材料を用いて機能層を作製する工程、
− 粉末をプレス成形して未焼結粉末圧密品にする工程；及び
− 未焼結粉末圧密品末を銅と接触させて焼結する工程；
がとらえる方法にも関する。
この場合の機能層及びキャリア層は異なる特性を有する。バルブシートリングの機能層は熱応力に関して設計されることが好ましいが、キャリア層は必要な強度及び熱伝導率を特徴とする。さらに、キャリア材料は鉄−銅合金粉末からなる。
キャリア層は鉄−銅合金粉末で構成される。鉄は強度を付与し、銅はキャリア層の熱伝導率特性を向上させる。キャリア層の粉末は次いでプレス成形されて半完成品にされる。半完成バルブシートリングの内縁端に関し、リングの表面傾きは該当要件に合わせて調節することができる。本発明の教示にしたがえば、水平レベルに対する傾斜角は２０°と４０°の間の範囲にある。したがって、どの点において機能層をより強く、またはそれほど強くはないように、設計するかを決定することができる。キャリア層のあらかじめ定められたテーパ付外形の結果として、機能層の比率、したがってコストを最小限に抑えることができる。この半完成品は粉末機能材料で覆われ、次いでプレス成形されて未焼結粉末圧密品にされる。この未焼結粉末圧密品は焼結プロセス中、銅と接触させられる。プレス成形された未焼結圧密品の細孔は液体銅の毛管作用による工作品内への進入を可能にする。このようにして工作品内の銅を豊富にすることで、熱伝導度がかなり高められ、一方で、キャリア層及び機能層の支持機能は維持される。
本方法の好ましい実施形態はキャリア層の鉄−銅合金粉末の銅粉末との組合せを含み、総合金内の銅粉末の比率は１５重量％より大きくなる。意外にも、本明細書で先述した手順にしたがうことで、鉄の支持／キャリア特性は損なわれないであろうが、銅の熱伝導率は常に高くなることが分かった。銅粉末は鉄−銅粒子を膠着させ、銅粉末の１５重量％までの含有量は比較的低いから、材料の強度に許容できない影響を与えることはないであろう。
本方法の特に好ましい実施形態は鉄−銅合金粉末の黒鉛粉末との組合せを含み、総合金内の黒鉛含有量は０.５重量％と１.５重量％の間になる。黒鉛の減摩効果はキャリア層表面のシージングを防ぎ、この結果バルブシートリングの耐用寿命を延ばす。
本方法の有用な実施形態は、キャリア層が、６.５ｇ/ｃｍ３と７.５ｇ/ｃｍ３の間の密度を有する半完成コンポーネントを形成するため、４５０ＭＰａと７００ＭＰａの間の範囲にあるプレス圧力を印加することにより圧密されることを提案する。銅の溶浸に関し、これらのパラメータは思いがけなくも、細孔の大きさがこの目的に理想的であるから、必要な毛管作用に最も有利な影響を与えることが分かった。溶浸する銅は、そのように形成された細孔ダクトを通って工作品内に入ることができる。圧力及び密度が高すぎると、工作品への銅の侵入が妨げられ、圧力及び密度が低すぎると必要なバルブシートリング強度要件を満たすことができない。本発明の教示にしたがう印加されるべきプレス圧力は従来のプレス圧力より小さく、したがって、密度がより低い未焼結圧密品が得られる。密度がより低いことで、より多くの細孔が形成され、細孔は次いで銅溶浸によって埋められる。このようにすれば、溶浸による銅吸収量はこれまでに達成され得た吸収量より大きくなるであろう。
本方法は、緻密化された未焼結圧密品が多層構成を有することで、特定の及び複雑な、バルブシートリング特性の実現を可能にする。多層構成は以下の２つの利点を提供する。一方で、バルブシートリングの低応力しか生じない領域には費用効率の高い材料が用いられる。他方で、様々な場所において合金組成及び層厚を適切に変えることで、それぞれの場合における特性を所与の要求に合わせて調整することができる。
焼結プロセスは銅の融点をこえる温度で行われる。銅溶浸は、焼結中に溶融銅が毛管作用によって工作品の開放細孔内に進入する態様で行われ得る。
溶浸のため、層はリングとして未焼結圧密品に与えることができる。
本発明の実施形態例が以下の図面によって示される。
図１はバルブシートリングの断面図である。 図２は旧キャリア層の顕微鏡写真である。 図３は新キャリア層の顕微鏡写真である。 図４は、従来技術にしたがうバルブシートリング及び本発明の教示にしたがうバルブシートリングのそれぞれの、全体の熱伝導率のグラフである。 図５は、従来技術にしたがうキャリア層及び本発明の教示にしたがうキャリア層のそれぞれの、熱伝導率のグラフである。
図１はバルブシートリング１の断面図である。キャリア層２がバルブシートリング１の体積の最大部分を形成し、機能層３がバルブシートリング１の上部に配置され、基本的にバルブに対する支持面としてはたらく。キャリア層２と機能層の間をバルブシートリングに沿ってバルブの支持面に対して可能な限り平行に伸びる傾斜を明白に見ることができる。キャリア層２と機能層３が出合う点に拡散層４が形成される。この拡散層４は、特に先に緻密化された未焼結圧密品の焼結中に、形成される。
図２及び３にバルブシートリング１のキャリア層２の顕微鏡写真が示されている。図２は従来技術にしたがう従来のキャリア層２の微細構造を示し、図３は本発明の範囲内の、撮られたバルブシートリング１のキャリア層２の顕微鏡写真を示す。はっきり分かるように、図３のキャリア層の顕微鏡写真はかなり高い銅含有率を示す。図２及び３において、明るい点／空間は銅成分を表し、暗点はそれぞれ鉄−銅成分の鉄の領域を示す。
図４及び５に、それぞれ、バルブシートリング１及びキャリア層２の熱伝導率を示すグラフが示されている。グラフにおいて、バルブシートリング１の（従来技術にしたがう）旧作製方法（ＳｄＴ）が（本発明の教示の）新作製方法（ＬｄＥ）と比較される。熱伝導率は独国ＲＷＴＨ Ａａｃｈｅｎ（アーヘン工科大学）においてレーザフラッシュ法を用いて測定した。
図４は完成バルブシートリング１の熱伝導率のグラフを示す。第１形態の機能層３の組成は第２形態の組成と異なる。従来技術にしたがう機能層３は既知であると想定される。キャリア層の組成に関し、区別は従来技術及び本発明の教示にしたがってなされる。本発明の教示にしたがう第１形態及び第２形態の熱伝導率が従来技術を表す第１形態及び第２形態の熱伝導率をかなり上回ることは極めて明白である。
図５はバルブシートリング１の機能層３の２つの異なる形態についてのキャリア層２の熱伝導率のグラフを示す。従来技術のキャリア層２の４８Ｗ/ｍ・Ｋに始まる熱伝導率は温度の上昇にともなって低下することが分かる。対照的に、本発明の教示にしたがう第１形態及び第２形態のいずれについても、熱伝導率は平均して７０Ｗ/ｍ・Ｋより若干高い。５００℃の温度において、本発明の教示にしたがう第１形態及び第２形態の熱伝導率（ほぼ７０Ｗ/ｍ・Ｋ）は、従来技術にしたがう第１形態及び第２形態の熱伝導率（ほぼ３８Ｗ/ｍ・Ｋ）より４６％高い。
以下の実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。
半完成品を得るために、キャリア材料からなるキャリア層を５５０ＭＰａでプレス成形した。この場合のキャリア材料は銅粉末と鉄−銅合金粉末からなる。キャリア層はリング形をとり、リングは内側に向かう大きな傾斜を有する。半完成品を続いてさらさらした粉末の機能材料で覆い、次いでプレス成形して未焼結圧密品にし、よって機能層を作製した。未焼結圧密品を、ワイア形態の銅を添えて、１１００℃で焼結した。添えた銅は、焼結プロセス中に、溶解して毛管作用により未焼結圧密品内に進入した。完成バルブシートリングのキャリア層の合金組成は、１.２重量％のＣ，０.３重量％のＭｎ，０.２重量％のＳ及び３５重量％のＣｕであり、機能層の合金組成は、１.１重量％のＣ．９.７重量％のＣｏ，１.４重量％のＭｏ，２.５重量％のＮｉ，３.０重量％のＣｒ，０.５重量％のＭｎ，０.５重量％のＳ及び１９.０重量％のＣｕであり、ここで、鉄−銅合金の銅含有量、銅粉末及び銅溶浸は総合してある。
作製したバルブシートリングは、高い強度、優れた熱伝導性、及び減摩性を特徴とする。
１ バルブシートリング
２ キャリア層
３ 機能層
４ 拡散層

Claims (17)

  1. キャリア層（２）及び機能層（３）を有する、粉末冶金法で作製されたたバルブシートリングにおいて、前記キャリア層（２）のキャリア材料が、２５重量％より多く、４０重量％までの範囲にある、総銅含有率において５５Ｗ/ｍ・Ｋをこえる熱伝導率を有することを特徴とする粉末冶金法で作製されたバルブシートリング。
  2. 前記キャリア層（２）の前記キャリア材料が、６５Ｗ/ｍ・Ｋをこえる、特に７０Ｗ/ｍ・Ｋより高い、熱伝導率を有することを特徴とする請求項１に記載の粉末冶金法で作製されたバルブシートリング。
  3. 前記キャリア材料が鉄−銅合金を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の粉末冶金法で作製されたバルブシートリング。
  4. 前記鉄−銅合金の銅含有率が５重量％をこえ、特にほぼ１０重量％になることを特徴とする請求項３に記載の粉末冶金法で作製されたバルブシートリング。
  5. 前記キャリア材料が前記鉄−銅合金と銅の粉末の混合物を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の粉末冶金法で作製されたバルブシートリング。
  6. 前記銅粉末の寄与分が、５重量％と１５重量％の間の範囲にあり、特にほぼ１０重量％になることを特徴とする請求項５に記載の粉末冶金法で作製されたバルブシートリング。
  7. 前記キャリア材料及び／または前記機能層（２）の機能材料が溶浸によって加えられた銅を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の粉末冶金法で作製されたバルブシートリング。
  8. 総銅含有率が２５重量％より高いことを特徴とする請求項７に記載の粉末冶金法で作製されたバルブシートリング。
  9. 前記キャリア層（２）を形成する、
    ０.５〜１.８重量％の Ｃ；
    ０.１〜０.５重量％の Ｍｎ；
    ０.１〜０.５重量％の Ｓ；
    ＞２５〜４０重量％の Ｃｕ；及び
    残余（重量％）の Ｆｅ；
    を含むキャリア材料を有することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の粉末冶金法で作製されたバルブシートリング。
  10. 前記機能層（３）を形成する、
    ０.５〜１.２重量％の Ｃ；
    ６.０〜１２.０重量％の Ｃｏ；
    １.０〜３.５重量％の Ｍｏ；
    ０.５〜３.０重量％の Ｎｉ；
    １.５〜５.０重量％の Ｃｒ；
    ０.１〜１.０重量％の Ｍｎ；
    ０.１〜１.０重量％の Ｓ；
    ８.０〜２２.０重量％の Ｃｕ；及び
    残余（重量％）の Ｆｅ；
    を含む機能材料を有することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の粉末冶金法で作製されたバルブシートリング。
  11. 前記機能層（３）を形成する、
    ０.５〜１.５重量％の Ｃ；
    ５.０〜１２.０重量％の Ｍｏ；
    １.５〜４.５重量％の Ｗ；
    ０.２〜２.０重量％の Ｖ；
    ２.２〜２.８重量％の Ｃｒ；
    ０.１〜１.０重量％の Ｍｎ；
    ０.１〜０.５重量％の Ｓ；
    １２.０〜２４.０重量％の Ｃｕ；及び
    残余（重量％）の Ｆｅ；
    を含む機能材料を有することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の粉末冶金法で作製されたバルブシートリング。
  12. キャリア材料からなるキャリア層（２）を含み、機能材料の機能層（３）も含む、請求項１から１１のいずれかにしたがうバルブシートリングの粉末冶金法による作製のための方法において、
    − 鉄−銅合金粉末からなるキャリア材料を用いてキャリア層（２）を作製する工程、
    − 必要であれば、前記キャリア層（２）の前記粉末をプレス成形して半完成品にする工程、
    − 従来の粉末機能材料を用いて機能層を作製する工程、
    − 前記粉末をプレス成形して未焼結圧密品にする工程、及び
    − 前記未焼結圧密品を銅と接触させて焼結する工程、
    を有してなることを特徴とする方法。
  13. 前記キャリア層（２）の前記鉄−銅合金粉末が銅粉末と組み合わされ、前記キャリア層内の前記銅粉末の寄与分が５重量％と１５重量％の間になることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  14. 前記鉄−銅合金粉末が黒鉛と組み合わされ、前記キャリア層内の前記黒鉛の寄与分が０.５重量％と１.５重量％の間になることを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
  15. 前記キャリア層（２）が、６.５ｇ/ｃｍ３と７.５ｇ/ｃｍ３の間の密度を有する半完成品を形成するため、４５０〜７００ＭＰａのプレス圧力の印加によって圧密されることを特徴とする請求項１２から１４のいずれかに記載の方法。
  16. 前記未焼結圧密品が多層化及び緻密化されることを特徴とする請求項１２から１５のいずれかに記載の方法。
  17. 溶浸されるべき前記銅がリングとして加えられることを特徴とする請求項１２から１６のいずれかに記載の方法。
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