JP2019520475A - バルブシートリング - Google Patents

Abstract

本発明は、キャリア層２と機能性層３とを含む、高熱伝導率のバルブシートリング１に関するものである。キャリア層２は、０．１０から２０％ ｗ／ｗの固化用成分を含む、固化された銅マトリックスからなる。機能性層３は、固化された銅マトリックスからなり、その固化された銅マトリックスは、銅マトリックスを基準として５から３５％ ｗ／ｗの１つ以上の硬質相をさらに含む。

Description

本発明は、キャリア層および機能性層であって、それぞれが非常に高い熱伝導率を呈する各層を有する、バルブシートリングに関するものである。キャリア層および機能性層はそれぞれ、銅ベースを有する。本発明は、特に、粉末冶金法により作製されたバルブシートリングに関するものである。

上記で最初に述べた種類のバルブシートリングは、たとえば、特許文献１から知られている。この特許文献１には、内燃機関のための、ＣｏおよびＭｏ構成成分を伴う銅含浸多層バルブシートリングが記載されている。

原理上、この先行技術に係るバルブシートリングは、優れた強度を呈するという点において利点を有する。この利点は、とりわけ２つの異なる材料層が設けられていることに起因しており、その場合におけるキャリア材料は、十分な強度値を有し、一方、機能性材料は、耐摩耗性等の封止機能に欠かせない特性を有する。

しかしながら、そのような上記に述べた種類の先行技術に係るバルブシートリングは、その熱伝導率特性の貧弱さのため、ますます増大する内燃機関の要求にもはや応えることができないという点において不利である。従来型のキャリア材料の熱伝導率は、一般に、４５Ｗ／ｍＫ未満である。高い熱伝導率は、バルブ温度を下げるのに役立ち、環境に優しい動作に寄与する。

バルブシートリングの熱伝導率を改善するために、粉末冶金法により作製されたリングに、銅を含浸させることが知られている。銅の含有は熱伝導率を増大させるが、材料の細孔が銅を吸収する収容量は限られている。

特許文献２より、バルブシートリングが、熱伝導率に関して著しく改善されたことが知られている。それらのリングは、キャリア材料内において増大させられた銅含有量を有し、かかる増大させられた銅含有量は、キャリアマトリックス内に銅を合金化することにより、焼結された銅粉末を導入することにより、および含浸させられた銅により、実現される。銅の含有量は、キャリアマトリックスの最大４０％ ｗ／ｗまでを占め得る。この材料によれば、最大８０Ｗ／ｍＫまでの熱伝導率が実現され得る。機能性層内では、増大させられた銅含有量のために、約５０Ｗ／ｍＫの最大熱伝導率を実現することができる。

特開平６−１４５７２０号公報 独国特許出願公開第１０２０１２０１３２２６号明細書

従来の材料および方法では、熱伝導率のさらなる増大をもたらすことは、もはや不可能である。とりわけキャリア材料について、より高い熱伝導率を有する材料への変更がされなくてはならない。

従来のバルブシートリングに係る別の１つの問題は、シリンダーヘッド内への熱放散に関する問題である。この問題は、熱流の最適化を必要とし、それは一方では、シリンダーヘッド上におけるバルブシートリングの接触面、とりわけシリンダーヘッドに対するキャリア材料の接触に依存し、他方では、材料の構造にも依存する。材料構造における障害のみならず、高い多孔性も、良好な熱流に対しては悪影響を与える。

しかしながら、原則としては、キャリアマトリックスと機能性層とを含むバルブシートリングの二層構造は、その価値を示してきた。とりわけ、かかる二層構造は、高い熱伝導率を有するキャリアマトリックスを介して、熱が適切に放散されることを可能とする。しかしながら、機能性コーティングに使用される従来の材料をそのまま用いたのでは、改善可能性は出し尽くされていた。

ここで生じている問題は、機能性層からシリンダーヘッド内への熱放散である。機能性層自体は、シリンダーヘッドとの接触面として限られた接触面しか有さず、そのため、この点において熱が累積し得る。この理由のため、キャリア層を介したシリンダーヘッド内への熱放散を許容する必要、すなわち、一方では機能性層とキャリア層との間の接触面を、さらに他方ではキャリア層とシリンダーヘッドとの間の接触面を、熱の伝達に利用する必要がある。この点において、材料の熱伝導率に関し、それらの材料を互いに整合させることに意義がある。

機能性層は通常、硬質相を含有し、この硬質相は、熱伝導率を著しく減少させる。一般的には、５０Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率が実現される。

かかるバルブシートリングの個々の層に対しては、銅は、高い熱伝導率を有する材料として提供される。しかしながら、純粋な銅自体は、その延性および低い強度のため、目的に合っていない。

必要な硬度および強度を有する銅合金は、多くの量のベリリウムを含んでいる。ベリリウムは、有毒性の高い金属であり、モーターレース等の特殊な用途を除いては、可能であれば使用されるべきでない金属である。加えて、酸化アルミニウムが、固化用／強度向上用の添加物として知られている。

本発明の目的は、上記で述べた種類のバルブシートリングであって、その材料を通じて顕著に高められた熱伝導率特性をもたらすバルブシートリングを、提供することである。同時に、この材料は、高い熱流量を許容するべきである。さらに、バルブシートリングは、密閉性、寸法精度および強度に関する通例的な要求も、満足するべきである。

上記の目的は、粉末冶金法により作製される上記で述べたタイプのバルブシートリングであって、そのバルブシートリング中のキャリア層が、０．１０から２０％ ｗ／ｗの固化用／強度向上用成分を含む固化された銅マトリックスからなり、さらに機能性層も、５から３５％ ｗ／ｗの硬質相（好ましくは５から２５％ ｗ／ｗの硬質相）を含む固化された銅マトリックスからなるような、バルブシートリングを提供することにより達成される。

キャリア層は、基本的には、シリンダーヘッドに用いられる材料の熱伝導率を上回る熱伝導率、とりわけ５００℃において１２０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を有する。機能性層は、シリンダーヘッド材料の熱伝導率、すなわち５００℃において５０Ｗ／ｍＫを超える（好ましくは７０Ｗ／ｍＫを超える）熱伝導率に、可能な限り近くなる熱伝導率を有するべきである。しかしながら、本発明により提案されるように、このことは他の材料を用いても実現することができる。

キャリア層と機能性層とに使用される固化用成分は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。

本発明により提案されるバルブシートリングは、ベースを形成するキャリア層に、機能性層が重畳されている、いわゆる二層バルブシートリングである。本発明によれば、キャリア層は、１つ以上の固化用成分を０．１０から２０％ ｗ／ｗ、好ましくは０．２５から１５％ ｗ／ｗ含む、固化された銅マトリックスからなる。固化用成分としては、酸化物および金属間相が特に適している。

たとえば、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、および酸化イットリウムが、固化用酸化物として使用され得る。加えて、希土類金属の酸化物や、二酸化チタンも、目的に適している。

好ましい固化用成分は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、および酸化チタン（ＴｉＯ₂）であり、これらは、０．１％ ｗ／ｗと２．５％ ｗ／ｗとの間の範囲であることが好ましい量において、銅に添加され得る。そのような少量の添加でも、銅の高温強度を増大させるには既に十分であり、そして同時に、熱伝導率をわずかしか低下させない。金属間相は、特に、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｎｉ、ＺｒおよびＳｉに基づくものとされる。これに関連する例としては、Ｃｒ₂Ｎｂ、Ｃｕ₅Ｚｒ、Ｃｒ₂Ｚｒ、Ｎｉ₂Ｓｉ、Ｎｉ₃Ｓｉ、Ｎｉ₃₁Ｓｉ₁₂、およびＣｕＺｒが挙げられる。そのような金属間相は、冷却中において、過飽和マトリックスからの沈殿によって、微細分散した形態で形成される。

好適なのは、クロムおよびニオブの金属間相、たとえばＣｒ₂Ｎｂであって、これはたとえば、２％ ｗ／ｗと１５％ ｗ／ｗとの間の範囲の量で使用することができる。０．５％ ｗ／ｗと５％ ｗ／ｗとの間の量のクロムおよびジルコンも、類似の利点をもたらす。

別の好適な成分は、Ｎｉ₂Ｓｉ、Ｎｉ₃ＳｉまたはＮｉ₃₁Ｓｉ₁₂のようなニッケル−ケイ素相であり、これはたとえば、０．５から５％ ｗ／ｗの量とされる。

最後に、Ｃｕ₅ＺｒまたはＣｕＺｒのような銅−ジルコニウム相を、５％ ｗ／ｗまでの量で用いることも、所望の固化をもたらす目的に資する。いずれの場合においても、銀も添加されてもよく、かかる銀の添加は、熱伝導率にプラスに寄与するという利点を有する。銀は、１０％ ｗ／ｗまでの量で添加され得る。

上記で述べたような固化された銅マトリックスは、機能性層にも採用されるが、このマトリックスにはさらに、５から３５％ ｗ／ｗ、好ましくは５から２５％ ｗ／ｗの量で、硬質相が付与される。かかる硬質相は、たとえば合金化粉末として銅粉末と混合され、それにより、合金化粉末は金属間相を形成し得る。硬質相の割合は、機能性層の固化された銅マトリックスの重量を基準としたものである。

硬質相は、特に、鉄、ニッケルまたはコバルトに基づくものであってもよい。炭化物、酸化物セラミック、または窒化物セラミックも採用され得る。必須の点として、硬質相は、固化された銅マトリックス内に包含されており、必要な耐摩耗性を付与する。

たとえば、既知の鉄ベースの硬質相が、コバルト、炭素、モリブデン、バナジウムおよびタングステンと共に、硬質相として使用され得る。あるいは、コバルト硬質相が、モリブデン、ケイ素およびクロムと共に、さらに必要であればニッケルとも共に、使用され得る。

以下の炭化物材料は特に適している：炭化タングステン、炭化ケイ素、炭化チタンおよび炭化クロム。たとえば、酸化アルミニウムが、酸化物セラミックとして採用されてもよいし、窒化チタン、窒化クロムおよび立方晶窒化ホウ素が、窒化物セラミック材料として採用されてもよい。

機能性層は、慣用される固体潤滑剤を含んでいてもよく、たとえば、ＭｎＳ、ＭｏＳ₂、ＷＳ₂、ＣａＦ₂または六方晶窒化ホウ素を、固化された銅マトリックスを基準として通常０．１％ ｗ／ｗと５％ ｗ／ｗとの間の範囲の量において、含んでいてもよい。

使用される材料の概要は、表１（キャリア材料）および表２（機能性材料のための硬質相）において見て取れる。

銅マトリックスを固化するための好ましい材料はＡｌ₂Ｏ₃であり、それにより、少量の使用でさえも、所望の固化を実現することができる。

好ましい硬質相は、鉄、ニッケルまたはコバルトに基づくものであり、とりわけ、Ｔ４００およびＴ８００のようなトリバロイ（Ｔｒｉｂａｌｏｙ）型のものである。

いずれの場合においても、本発明により提案されるバルブシートリングは、二層構造を有する。層間の境界線は、多かれ少なかれ水平な構成、すなわち、２つの層が互いに寄り添い、圧力および温度の影響下において接触領域内で結び付いている構成とされてもよい。しかしながら、最大６５°までの角度、特に３５°から６５°までの角度を有する、境界層の傾斜構成であって、キャリア層が外側に向かって拡張し、したがって機能性層に対してのみならずシリンダーヘッドに対しても広い接触面を生成しているような構成が好ましい。特に好ましいのは、４０°と５５°との間の範囲の角度である。

本発明のバルブシートリングのキャリア層は、５００℃において１２０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは５００℃において２２０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する。従来実現可能であった熱伝導率の３〜４倍に匹敵する、５００℃において３００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率も実現可能である。

機能性層では、５００℃において、７０から２５０Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を実現することができ、これもまた、これまで実現可能であった値よりもはるかに高いものである。

熱伝導率を増大させるため、本発明に係るバルブシートリングでは、キャリア層内と機能性層内との両方において含浸が行われていてもよい。機能性層はさらに、その機能を促進するための他の添加物、たとえば、硫化モリブデン等の潤滑剤、またはモリブデンもしくはニオブ等の金属添加物を、含んでいてもよい。そのような添加物は、機能性層の重量を基準として、最大１５％ ｗ／ｗまでの大きさのオーダで存在し得る。焼結される未処理圧縮体に対して粉末の形態で添加されるモリブデンおよびニオブは、表面酸化し、摩擦の低減を促進する。

含浸には、たとえば銅合金が使用され得るが、銀および銀合金も使用され得る。

本発明に係るバルブシートリングは、とりわけ、粉末冶金法により製造される。本発明により提案されるバルブシートリングは、いくつかの工程による関連粉末の圧縮および焼結を包含するプロセスに従って製造することができ、それらいくつかの工程とは、すなわち以下である：
− 粉末を混合する工程、
− キャリア層の粉末を、成形ダイに充填する工程、
− 必要であれば、キャリア層の粉末を予備圧縮する工程、
− 機能性層の粉末を、成形ダイに充填する工程、
− ダイの中の粉末を圧縮する工程、
− 粉末を焼結する工程、および
− 焼結されたリングに、熱的および／または機械的な後処理を施す工程。

粉末の圧縮には、一軸加圧成形が適用されてもよいが、たとえば冷間静水圧プレス（ＣＩＰ；ｃｏｌｄ ｉｓｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｉｎｇ）も、代替策として可能である。

焼結に続いて、熱間静水圧処理（ＨＩＰ；ｈｏｔ ｉｓｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ）が行われてもよいし、あるいはこの工程が置き換えられてもよい。焼結工程は、たとえば８５０℃以上の温度で行われる。

最初の焼結工程後に粉末を再度圧縮して、必要であれば焼結を繰り返すことが推奨されるかもしれない。

別途述べない限り、すべての重量の数値表示は、それぞれの層の重量に基づいている。

本発明に係る１つのバルブシートリングの断面図 本発明に係る別の１つのバルブシートリングの断面図 本発明の範囲内にある異なる複数の材料の熱伝導率を示したグラフ

以下、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１は、本発明により提案されるバルブシートリング１を断面図で示しており、このバルブシートリング１は、下側のキャリア層２と、その上に配された機能性層３とを有している。２つの層の間の境界線は、基本的に水平である。

図２は、本発明に係るバルブシートリング１であって、キャリア層２と機能性層３との間に傾斜した境界線が存在するバルブシートリング１の、断面図である。したがって、キャリア層２は外側エッジの方向に拡張し、そうすることにより、周囲を囲むシリンダーヘッドとの接触面を増大させる。この結果、冷却されたシリンダーヘッド内への改善された熱流量が実現される。層同士の間には移行領域４が存在し、その移行領域４内において、キャリア層２と機能性層３との間に境界線が走っている。

図３には、本発明の範囲内にある異なる複数の材料の熱伝導率の値が、異なる複数の温度において示されている。材料は、以下のとおりである：
１．酸化物により強化された銅からなるキャリア材料；
２．２０％の硬質相を有する機能性材料；
３．３０％の硬質相を有する機能性材料；
４．４０％の硬質相を有する機能性材料。

すべての機能性材料につき、キャリアマトリックスは、キャリア材料中のものと同様である。

１ バルブシートリング
２ キャリア層
３ 機能性層
４ 移行領域

Claims (19)

1. キャリア層（２）と機能性層（３）とを含むバルブシートリング（１）であって、
   前記キャリア層（２）が、０．１０から２０％ ｗ／ｗの固化用／強度向上用成分を含む固化された銅マトリックスからなり、
   前記機能性層（３）が、固化された銅マトリックスであって、該銅マトリックスを基準として５から３５％ ｗ／ｗの１つ以上の硬質相をさらに含む固化された銅マトリックスからなる、
   ことを特徴とするバルブシートリング。
2. 前記銅マトリックスの前記固化用成分が、酸化物、とりわけＡｌ₂Ｏ₃またはＹ₂Ｏ₃であることを特徴とする、請求項１に記載のバルブシートリング。
3. 前記銅マトリックスの前記固化用成分が、金属間相、とりわけ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｎｉ、および／またはＳｉを含む金属間相であることを特徴とする、請求項１に記載のバルブシートリング。
4. 前記固化用成分が、Ａｌ₂Ｏ₃またはＣｒ₂Ｎｂであることを特徴とする、請求項１に記載のバルブシートリング。
5. 前記機能性層の前記硬質相が、鉄、コバルト、ニッケル、炭化物、酸化物、および／または窒化物に基づく硬質相であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のバルブシートリング。
6. 前記硬質相が、鉄、ニッケル、またはコバルトに基づく硬質相であることを特徴とする、請求項５に記載のバルブシートリング。
7. 前記機能性層が、０．１から５％ ｗ／ｗの固体潤滑剤を含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のバルブシートリング。
8. 前記固体潤滑剤が、ＭｎＳ、ＭｏＳ₂、ＷＳ₂、ＣａＦ₂、または六方晶ＢＮであることを特徴とする、請求項７に記載のバルブシートリング。
9. 前記キャリア層（２）と前記機能性層（３）との間の境界線が、０°から６５°の角度で延在しており、前記キャリア層（２）が、外側に向かって拡張していることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のバルブシートリング。
10. 前記境界線が、３５°と６５°との間の角度で延在していることを特徴とする、請求項９に記載のバルブシートリング。
11. 前記キャリア層（２）の熱伝導率として、５００℃において１２０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載のバルブシートリング。
12. 前記キャリア層（２）の前記熱伝導率が、５００℃において２２０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする、請求項１１に記載のバルブシートリング。
13. 前記機能性層（３）の熱伝導率が、５００℃において７０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載のバルブシートリング。
14. 粉末冶金法により製造されることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載のバルブシートリング。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載のバルブシートリングの製造方法であって、
    − 粉末を混合する工程、
    − 前記キャリア層（２）の前記粉末を、成形ダイに充填する工程、
    − 必要であれば、前記キャリア層の前記粉末を予備圧縮する工程、
    − 前記機能性層（３）の前記粉末を、成形ダイに充填する工程、
    − 前記ダイの中の前記粉末を圧縮する工程、
    − 前記粉末を焼結する、もしくは前記粉末をＨＩＰに供する工程、および
    − 焼結されたリングに、熱的もしくは機械的な後処理を施す工程、
    を特徴とする製造方法。
16. 前記粉末が、第１の前記焼結する工程の後に、事後圧縮および／または事後焼結されることを特徴とする、請求項１５に記載の製造方法。
17. 前記焼結する工程が、８５０℃以上の温度で行われることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の製造方法。
18. 前記圧縮が、ＣＩＰによって行われることを特徴とする、請求項１５から１７のいずれか１項に記載の製造方法。
19. コーティングが設けられていることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載のバルブシートリング。

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