JP2020111788A - Combination structure of valve seat and engine valve - Google Patents

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公彦 安藤
Kimihiko Ando
公彦 安藤
雄貴 鴨
Yuki Kamo
雄貴 鴨
山田 貴之
Takayuki Yamada
貴之 山田
夏樹 杉山
Natsuki Sugiyama
夏樹 杉山
加藤 元
Hajime Kato
元 加藤
大島 正
Tadashi Oshima
正 大島
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Abstract

To provide a combination structure of a valve seat and an engine valve, capable of suppressing an abrasion by a contact of the valve seat and the engine valve.SOLUTION: In a combination structure of a valve seat and an engine valve having contact with the valve seat, a contact part of the valve seat having contact with the engine valve is composed of a copper base alloy containing a prescribed element, an overlay metal part of the valve seat having contact with the engine valve is composed of a cobalt-chromium-molybdenum base alloy containing a prescribed element, and an average particle diameter of hard particles contained in the copper base alloy is larger than a soft matrix interval (DAS value) of the cobalt-chromium-molybdenum base alloy.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、バルブシート及びエンジンバルブの組み合わせ構造、具体的には、銅基合金で形成又は肉盛されているバルブシートとコバルト−クロム−モリブデン基合金で肉盛されているエンジンバルブとの組み合わせ構造に関する。 The present invention relates to a combined structure of a valve seat and an engine valve, specifically, a combination of a valve seat formed or built up with a copper-based alloy and an engine valve built up with a cobalt-chromium-molybdenum-based alloy. Regarding the structure.

従来の銅基合金は凝着の問題を回避するために、金属表面に酸化膜を形成させる等の何らかの表面処理がなされてきた。例えば、200℃を超える高温の摩擦摩耗条件下において、特に融点の低い材料においては金属同士の接触により高い確率で凝着摩耗が発生する。しかし、その表面処理は、通常熱処理工程により実施されるのが一般的であり、かつ時間も製造コストもかかるという問題があった。 Conventional copper-based alloys have been subjected to some surface treatment such as forming an oxide film on the metal surface in order to avoid the problem of adhesion. For example, under frictional wear conditions of high temperature exceeding 200° C., particularly in a material having a low melting point, cohesive wear occurs with a high probability due to contact between metals. However, the surface treatment is generally performed by a heat treatment process, and there is a problem that it takes time and manufacturing cost.

特に銅基合金をガソリン等のエタノール含有燃料の排気バルブシートの肉盛材料として用いる場合には、水素の還元作用が強く働く還元雰囲気下に置かれるため、耐摩耗性に寄与するモリブデン、タングステン及びバナジウムのいずれか一種と炭化ニオブ等から形成される硬質粒子の酸化膜形成が促進されず、金属接触による凝着摩耗が生じやすい。このように耐摩耗性が低下すると、バルブシートが機能する限界を超えるような摩耗が発生する場合もある。 In particular, when a copper-based alloy is used as a build-up material for an exhaust valve seat of an ethanol-containing fuel such as gasoline, it is placed in a reducing atmosphere in which hydrogen has a strong reducing action, and therefore molybdenum, tungsten and Formation of an oxide film on hard particles formed of any one of vanadium and niobium carbide is not promoted, and cohesive wear due to metal contact is likely to occur. If the wear resistance is reduced in this way, wear may occur that exceeds the limit at which the valve seat functions.

また、耐食性を向上させる目的でクロムを添加した場合、銅基合金の材料表面にクロム不動態酸化膜が形成されることにより耐食性は向上するものの、前記と同様に硬質粒子の酸化膜が形成されにくくなり、耐摩耗性が低下するという問題があった。 Further, when chromium is added for the purpose of improving the corrosion resistance, although the corrosion resistance is improved by forming a chromium passivation oxide film on the material surface of the copper-based alloy, an oxide film of hard particles is formed as described above. There is a problem that it becomes difficult and wear resistance is reduced.

そこで、例えば、特許文献1には、モリブデン、タングステン及びバナジウムからなる群から選択される少なくとも1種と炭化ニオブを含み、クロムの含有量が質量%で1.0%未満であり、マトリックスとマトリックスに分散した硬質粒子とを備えており、硬質粒子が、炭化ニオブと、その周辺にNb−C−Mo、Nb−C−W及びNb−C−Vからなる群から選択される少なくとも1種とを含む、耐摩耗性銅基合金が記載されている。 Therefore, for example, in Patent Document 1, at least one selected from the group consisting of molybdenum, tungsten, and vanadium and niobium carbide are contained, and the content of chromium is less than 1.0% by mass. And hard particles dispersed therein, wherein the hard particles are niobium carbide and at least one selected from the group consisting of Nb-C-Mo, Nb-C-W, and Nb-C-V. Abrasion resistant copper-based alloys are described, including.

特開2017−36470号公報JP, 2017-36470, A

一方で、バルブシートとエンジンバルブとの接触において、バルブシートの接触部分の銅基合金に含まれる硬質粒子がエンジンバルブの摺動面の酸化膜を摩耗させることもまた、耐摩耗性の低下の一因であった。 On the other hand, in the contact between the valve seat and the engine valve, hard particles contained in the copper-based alloy in the contact portion of the valve seat may wear the oxide film on the sliding surface of the engine valve, which also causes deterioration of wear resistance. It was a factor.

したがって、本発明は、バルブシートとエンジンバルブとの接触による摩耗が抑制されるバルブシート及びエンジンバルブの組み合わせ構造を提供することを課題とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a combined structure of a valve seat and an engine valve in which wear due to contact between the valve seat and the engine valve is suppressed.

バルブシートの接触部分の銅基合金に含まれる硬質粒子によるエンジンバルブ摺動面の酸化膜の摩耗は、バルブシート及びエンジンバルブの組織の組み合わせに影響を受ける。エンジンバルブの肉盛合金が硬質相及び軟質相の2相を含む場合、バルブシートの接触部分の銅基合金に含まれる硬質粒子の粒子サイズが大きいと、当該バルブシートの硬質粒子は、エンジンバルブの硬質相及び軟質相と同時に接触しやすいのに対し、バルブシートの接触部分の銅基合金に含まれる硬質粒子の粒子サイズが小さいと、当該バルブシートの硬質粒子は、エンジンバルブの軟質相のみと接触しやすくなり、軟質相に生成した酸化膜を摩耗して、その結果、金属同士の接触、さらに凝着摩耗が生じる。 The wear of the oxide film on the sliding surface of the engine valve due to the hard particles contained in the copper-based alloy in the contact portion of the valve seat is affected by the combination of the structure of the valve seat and the engine valve. When the hardfacing alloy of the engine valve includes two phases, a hard phase and a soft phase, if the particle size of the hard particles contained in the copper-based alloy in the contact portion of the valve seat is large, the hard particles of the valve seat are The hard particles contained in the copper-based alloy in the contact portion of the valve seat have a small particle size, whereas the hard particles of the valve seat are only the soft phase of the engine valve. And the oxide film formed in the soft phase is abraded, resulting in metal-to-metal contact and cohesive wear.

本発明者らは、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、特定の元素から構成されている銅基合金で形成又は肉盛されているバルブシート及びバルブシートと接触している特定の元素から構成されているコバルト−クロム−モリブデン基合金で肉盛されているエンジンバルブの組み合わせ構造において、銅基合金に含まれる硬質粒子の平均粒径を、コバルト−クロム−モリブデン基合金の軟質マトリックス間隔(DAS値)よりも大きくすることにより、当該組み合わせ構造の摩耗量を低減できることを見出し、本発明を完成した。 As a result of various studies on means for solving the above-mentioned problems, the present inventors have found that a valve seat formed or built up from a copper-based alloy composed of a specific element and a valve seat that is in contact with the valve seat are specified. In a combined structure of an engine valve built up with a cobalt-chromium-molybdenum-based alloy composed of the elements described above, the average particle diameter of the hard particles contained in the copper-based alloy is set to the softness of the cobalt-chromium-molybdenum-based alloy. The inventors have found that the wear amount of the combined structure can be reduced by making it larger than the matrix interval (DAS value), and completed the present invention.

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
(1)バルブシート及びバルブシートと接触しているエンジンバルブの組み合わせ構造であって、
エンジンバルブと接触しているバルブシートの接触部分が、Ni:5質量%〜18質量%、Si:0.5質量%〜3質量%、Fe:3質量%〜10質量%、Mo:6質量%〜20質量%、Nb:0.2質量%以下、並びに残部:Cu及び不可避不純物を含む銅基合金であり、
バルブシートと接触しているエンジンバルブの盛金部が、Cr:22質量%〜27質量%、Mo:11質量%〜30質量%、W:2.0質量%〜6.0質量%、C:0.40質量%〜1.3質量%、Si:3.0質量%以下、Ni:15質量%以下、Fe:30質量%以下、Mn:1.0質量%以下、並びに残部:Co及び不可避不純物を含むコバルト−クロム−モリブデン基合金であり、
銅基合金に含まれる硬質粒子の平均粒径が、コバルト−クロム−モリブデン基合金の軟質マトリックス間隔(DAS値)よりも大きい
組み合わせ構造。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A combined structure of a valve seat and an engine valve in contact with the valve seat,
The contact portion of the valve seat that is in contact with the engine valve has Ni: 5% by mass to 18% by mass, Si: 0.5% by mass to 3% by mass, Fe: 3% by mass to 10% by mass, Mo: 6% by mass. % To 20 mass %, Nb: 0.2 mass% or less, and the balance: Cu and a copper-based alloy containing inevitable impurities,
The metal deposit of the engine valve in contact with the valve seat has Cr: 22% by mass to 27% by mass, Mo: 11% by mass to 30% by mass, W: 2.0% by mass to 6.0% by mass, C : 0.40% by mass to 1.3% by mass, Si: 3.0% by mass or less, Ni: 15% by mass or less, Fe: 30% by mass or less, Mn: 1.0% by mass or less, and the balance: Co and A cobalt-chromium-molybdenum-based alloy containing inevitable impurities,
A combined structure in which the average particle size of the hard particles contained in the copper-based alloy is larger than the soft matrix spacing (DAS value) of the cobalt-chromium-molybdenum-based alloy.

本発明によって、バルブシートとエンジンバルブとの接触による摩耗が低減されるバルブシート及びエンジンバルブの組み合わせ構造が提供される。 According to the present invention, there is provided a combined structure of a valve seat and an engine valve, in which wear due to contact between the valve seat and the engine valve is reduced.

バルブシートの組織を示す走査型顕微鏡写真である。It is a scanning micrograph which shows the structure of a valve seat. バルブシートの銅基合金に含まれる硬質粒子の平均粒径と√硬質粒子最大径の関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between the average particle diameter of hard particles contained in the copper-based alloy of the valve seat and the maximum diameter of √ hard particles. 単体摩耗試験機の模式的概念図である。It is a typical conceptual diagram of a single-body abrasion tester. バルブシートの銅基合金に含まれる硬質粒子の√硬質粒子最大径と摩耗量の関係を示すグラフである。3 is a graph showing the relationship between the maximum diameter of √ hard particles of hard particles contained in the copper-based alloy of the valve seat and the wear amount. エンジンバルブの盛金部の組織を示す走査型顕微鏡写真である。It is a scanning micrograph which shows the structure of the heap part of an engine valve.

以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本明細書では、適宜図面を参照して本発明の特徴を説明する。図面では、明確化のために各部の寸法及び形状を誇張しており、実際の寸法及び形状を正確に描写してはいない。それ故、本発明の技術的範囲は、これら図面に表された各部の寸法及び形状に限定されるものではない。なお、本発明のバルブシート及びエンジンバルブの組み合わせ構造は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
In the present specification, features of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. In the drawings, the dimensions and shapes of the respective parts are exaggerated for clarity, and the actual dimensions and shapes are not accurately depicted. Therefore, the technical scope of the present invention is not limited to the size and shape of each part shown in these drawings. The combination structure of the valve seat and the engine valve of the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications and improvements can be made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Can be carried out.

本発明は、バルブシート及びバルブシートと接触しているエンジンバルブの組み合わせ構造であって、エンジンバルブと接触しているバルブシートの接触部分が、特定の元素を含む銅基合金であり、バルブシートと接触しているエンジンバルブの盛金部が、特定の元素を含むコバルト−クロム−モリブデン基合金であり、銅基合金に含まれる硬質粒子の平均粒径が、コバルト−クロム−モリブデン基合金の軟質マトリックス間隔(DAS値)よりも大きい組み合わせ構造に関する。 The present invention provides a combined structure of a valve seat and an engine valve in contact with the valve seat, wherein a contact portion of the valve seat in contact with the engine valve is a copper-based alloy containing a specific element. The engine metal part of the engine valve that is in contact with is a cobalt-chromium-molybdenum-based alloy containing a specific element, and the average particle diameter of the hard particles contained in the copper-based alloy is the cobalt-chromium-molybdenum-based alloy. It relates to a combined structure that is larger than the soft matrix spacing (DAS value).

(バルブシート)
本発明におけるエンジンバルブと接触しているバルブシートの接触部分は、銅基合金からなり、当該銅基合金では、Niが、5質量%〜18質量%、好ましくは5質量%〜16質量%であり、Siが、0.5質量%〜3質量%、好ましくは0.5質量%〜2.2質量%であり、Feが、3質量%〜10質量%、好ましくは4質量%〜8質量%であり、Moが、6質量%〜20質量%、好ましくは9質量%〜15質量%であり、Nbが、0.2質量%以下、好ましくは0.1質量%以下である。当該銅基合金の残部は、Cu及び不可避不純物を含む。
(Valve seat)
The contact portion of the valve seat in contact with the engine valve in the present invention is made of a copper-based alloy, and in the copper-based alloy, Ni is 5% by mass to 18% by mass, preferably 5% by mass to 16% by mass. Yes, Si is 0.5% by mass to 3% by mass, preferably 0.5% by mass to 2.2% by mass, and Fe is 3% by mass to 10% by mass, preferably 4% by mass to 8% by mass. %, Mo is 6% by mass to 20% by mass, preferably 9% by mass to 15% by mass, and Nb is 0.2% by mass or less, preferably 0.1% by mass or less. The balance of the copper-based alloy contains Cu and inevitable impurities.

さらに、当該銅基合金では、Cが、通常0.05質量%以下、好ましくは0.02質量%以下である。 Further, in the copper-based alloy, C is usually 0.05 mass% or less, preferably 0.02 mass% or less.

本発明におけるエンジンバルブと接触しているバルブシートの接触部分の銅基合金(単に「銅基合金」ともいう)の各成分量を前記範囲にすることによって、銅基合金に含まれる硬質粒子の√硬質粒子最大径を一定範囲に制御することが可能になる。 By adjusting the amount of each component of the copper-based alloy (also simply referred to as “copper-based alloy”) in the contact portion of the valve seat that is in contact with the engine valve in the present invention, the hard particles contained in the copper-based alloy √ It becomes possible to control the maximum diameter of hard particles within a certain range.

これは、銅基合金に含まれる硬質粒子の√硬質粒子最大径が、銅基合金の各成分量から、以下の式により推定できることに基づく。 This is based on the fact that the maximum hard particle diameter of the hard particles contained in the copper-based alloy can be estimated by the following formula from the amount of each component of the copper-based alloy.

√硬質粒子最大径推定値(√μm)=12.044+0.953×Mo量(質量%)−6.475×Nb量(質量%)+1.458×C量(質量%)−0.117×Ni量(質量%)−0.882×Si量(質量%)−0.084×Fe量(質量%) √ Hard particle maximum diameter estimated value (√μm) = 12.044 + 0.953 x Mo amount (mass %)-6.475 x Nb amount (mass %) + 1.458 x C amount (mass %) -0.117 x Ni content (mass %)-0.882 x Si content (mass %)-0.084 x Fe content (mass %)

銅基合金の成分量により硬質粒子の√硬質粒子最大径を推定できる理由として、以下で説明する実施例の実験結果に加え、以下の理論が考えられるが、本発明の範囲は、以下の理論に拘束されない。 As a reason that the hard particle maximum diameter of the hard particles can be estimated by the amount of components of the copper-based alloy, in addition to the experimental results of the examples described below, the following theory is considered, but the scope of the present invention is the following theory. Not be bound by.

銅基合金は、Cu基のマトリックス中に2液分離反応により主成分FeMoSiの硬質粒子が分散している組織を有する。 The copper-based alloy has a structure in which hard particles of the main component FeMoSi are dispersed in a Cu-based matrix by a two-liquid separation reaction.

銅基合金は、所定の温度になると、Cuを含む合金液相(「Cu系合金液相」ともいう)と、Mo、W及びNbの一種以上の元素(単に「第2元素」ともいう)を含む合金液相(「第2液相」ともいう)とが分離した状態(「2液相分離状態」という)となる。この2液相分離状態時に強撹拌されて急冷凝固されると、Cu系合金液相が凝固したマトリックス(「Cu基マトリックス」という)中に、第2液相が凝固した硬質粒子がほぼ均一的に分散した複合組織が得られる。したがって、硬質粒子は、主に第2元素の合金(化合物)からなり、その硬質相は、Ni、Si及びFeを多く含むラーベス(Laves)相、又はμ相などと考えられる。 The copper-based alloy has an alloy liquid phase containing Cu (also referred to as “Cu-based alloy liquid phase”) and one or more elements of Mo, W and Nb (also simply referred to as “second element”) at a predetermined temperature. The alloy liquid phase (also referred to as “second liquid phase”) containing is separated (referred to as “two liquid phase separated state”). When the two liquid-phase separated states are vigorously stirred and rapidly solidified, the hard particles in which the second liquid phase is solidified are substantially uniform in the matrix in which the Cu-based alloy liquid phase is solidified (referred to as “Cu-based matrix”). A composite structure dispersed in is obtained. Therefore, the hard particles are mainly composed of an alloy (compound) of the second element, and the hard phase is considered to be a Laves phase containing a large amount of Ni, Si and Fe, a μ phase, or the like.

このように形成される銅基合金の各成分量と、銅基合金に含まれる硬質粒子の√硬質粒子最大径との関係を多変量解析すると、前記式の関係を得ることができる。 Multivariate analysis of the relationship between the amount of each component of the copper-based alloy formed in this manner and the maximum diameter of the hard particles contained in the copper-based alloy can be obtained by the multivariate analysis.

なお、銅基合金に含まれる硬質粒子の√硬質粒子最大径は、以下のように測定することができる。 The maximum diameter of the hard particles of the hard particles contained in the copper-based alloy can be measured as follows.

(1)バルブシートを樹脂に埋め込み、研磨する。
(2)(1)で研磨した試料について、走査型顕微鏡の反射電子像(倍率:200倍)を撮影し、撮影された画像を、解析ソフト、例えばWinROOFを用いて2値化して、主にFe、Mo及びSiからなる硬質粒子を選別する。
(3)(2)で選別された各硬質粒子について、円相当径を求める。
(4)(3)で得られた各硬質粒子の円相当径の中から最大値を求める。
(5)(1)〜(4)までのステップを2回〜4回繰り返す。
(6)(5)で得られたそれぞれの画像における硬質粒子の円相当径の最大値を平均化し、硬質粒子最大径とする。
(7)(6)で得られた硬質粒子最大径の平方根を計算することで、√硬質粒子最大径を求める。
(1) The valve seat is embedded in resin and polished.
(2) For the sample polished in (1), a backscattered electron image (magnification: 200) of a scanning microscope is photographed, and the photographed image is binarized by using analysis software, for example, WinROOF, and is mainly used. Hard particles consisting of Fe, Mo and Si are selected.
(3) For each hard particle selected in (2), the equivalent circle diameter is calculated.
(4) The maximum value is obtained from the equivalent circle diameters of the hard particles obtained in (3).
(5) Steps (1) to (4) are repeated 2 to 4 times.
(6) The maximum values of the equivalent circle diameters of the hard particles in the respective images obtained in (5) are averaged to obtain the hard particle maximum diameter.
(7) By calculating the square root of the hard particle maximum diameter obtained in (6), the √ hard particle maximum diameter is obtained.

銅基合金に含まれる硬質粒子の√硬質粒子最大径測定値は、前記式により推定される√硬質粒子最大径推定値とほぼ同等の値になる。 The √ hard particle maximum diameter measured value of the hard particles contained in the copper-based alloy is approximately the same as the √ hard particle maximum diameter estimated value estimated by the above formula.

したがって、繰り返しになるが、本発明における銅基合金の各成分量を前記範囲にすることによって、銅基合金に含まれる硬質粒子の√硬質粒子最大径を一定範囲に制御することが可能になる。 Therefore, again, by setting the amount of each component of the copper-based alloy in the present invention within the above range, it is possible to control the √ hard particle maximum diameter of the hard particles contained in the copper-based alloy within a certain range. ..

言い換えれば、本発明における銅基合金の各成分量は、銅基合金に含まれる硬質粒子の√硬質粒子最大径推定値が、通常6√μm以上、例えば10√μm〜20√μm、好ましくは15√μm〜20√μmになるように決定することもできる。 In other words, the amount of each component of the copper-based alloy in the present invention is such that the √ hard particle maximum diameter estimated value of the hard particles contained in the copper-based alloy is usually 6√μm or more, for example, 10√μm to 20√μm, preferably It can also be determined so as to be 15 √μm to 20 √μm.

さらに、銅基合金に含まれる硬質粒子の√硬質粒子最大径は、当該硬質粒子の平均粒径と比例関係にある。 Further, the maximum hard particle diameter of the hard particles contained in the copper-based alloy is proportional to the average particle diameter of the hard particles.

銅基合金に含まれる硬質粒子の平均粒径は、通常8μm以上、例えば8μm〜16μm、好ましくは12μm〜16μmである。 The average particle diameter of the hard particles contained in the copper-based alloy is usually 8 μm or more, for example 8 μm to 16 μm, preferably 12 μm to 16 μm.

なお、銅基合金に含まれる硬質粒子の平均粒径は、以下のように測定することができる。 The average particle size of the hard particles contained in the copper-based alloy can be measured as follows.

(1)バルブシートを樹脂に埋め込み、研磨する。
(2)(1)で研磨した試料について、走査型顕微鏡の反射電子像(倍率:200倍)を撮影し、撮影された画像を、解析ソフト、例えばWinROOFを用いて2値化して、主にFe、Mo及びSiからなる硬質粒子を選別する。
(3)(2)で選別された各硬質粒子について、円相当径を求める。
(4)(3)で得られた各硬質粒子の円相当径の平均値を求める。
(5)(1)〜(4)までのステップを2回〜4回繰り返す。
(6)(5)で得られたそれぞれの画像における硬質粒子の円相当径の平均値を平均化し、硬質粒子の平均粒径とする。
(1) The valve seat is embedded in resin and polished.
(2) For the sample polished in (1), a backscattered electron image (magnification: 200) of a scanning microscope is photographed, and the photographed image is binarized by using analysis software, for example, WinROOF, and is mainly used. Hard particles consisting of Fe, Mo and Si are selected.
(3) For each hard particle selected in (2), the equivalent circle diameter is calculated.
(4) The average value of the equivalent circle diameters of the hard particles obtained in (3) is calculated.
(5) Steps (1) to (4) are repeated 2 to 4 times.
(6) The average value of the equivalent circle diameters of the hard particles in each image obtained in (5) is averaged to obtain the average particle diameter of the hard particles.

したがって、本発明における銅基合金の各成分量を前記範囲にすることによって、銅基合金に含まれる硬質粒子の平均粒径を一定範囲に制御することでき、結果として、当該硬質粒子の平均粒径を、下記で説明するコバルト−クロム−モリブデン基合金の軟質マトリックス間隔(DAS値)よりも大きくすることができる。 Therefore, by setting the amount of each component of the copper-based alloy in the present invention in the above range, the average particle size of the hard particles contained in the copper-based alloy can be controlled within a certain range, and as a result, the average particle size of the hard particles. The diameter can be made larger than the soft matrix spacing (DAS value) of the cobalt-chromium-molybdenum-based alloy described below.

本発明におけるエンジンバルブと接触しているバルブシートの接触部分の銅基合金は、対象物に肉盛される肉盛合金として用いることができる。肉盛方法としては、レーザビーム、電子ビーム、アーク等の高密度エネルギ熱源を用いて溶着して肉盛する方法が挙げられる。肉盛の場合には、本発明における銅基合金を粉末化して肉盛用素材とし、その粉末を被肉盛部に集合させた状態で、前記したレーザビーム、電子ビーム、アーク等の高密度エネルギ熱源を用いて溶着して肉盛することができる。また前記した銅基合金は、粉末化に限らず、ワイヤ化、棒状化した肉盛用素材としてもよい。レーザビームとしては炭酸ガスレーザビーム、YAGレーザビーム等の高エネルギ密度をもつものが例示される。肉盛される対象物の材質としてはアルミニウム、アルミニウム系合金、鉄又は鉄系合金、銅又は銅系合金等が例示される。対象物を構成するアルミニウム合金の基本組成としては鋳造用のアルミニウム合金、例えば、Al−Si系、Al−Cu系、Al−Mg系、Al−Zn系等のいずれかを例示できる。対象物としては内燃機関等の機関が例示される。内燃機関の場合には動弁系材料が例示される。この場合には、排気ポートを構成するバルブシートに適用してもよく、また吸気ポートを構成するバルブシートに適用してもよい。この場合には、本発明における銅基合金でバルブシート自体を構成してもよく、また本発明における銅基合金をバルブシートに肉盛することにしてもよい。本発明における銅基合金は、亜鉛やスズを積極的元素として含まないため、肉盛する場合であっても、ヒューム等の発生を抑えることができる。本発明における銅基合金は、アルミニウムを積極的元素として含まないため、Cu及びAl間で化合物が生成することが抑制され、これにより延性を維持することができる。 The copper-based alloy in the contact portion of the valve seat which is in contact with the engine valve in the present invention can be used as a build-up alloy to be built up on an object. Examples of the surfacing method include a method of surfacing by welding using a high-density energy heat source such as a laser beam, an electron beam, or an arc. In the case of build-up, the copper-based alloy of the present invention is powdered into a material for build-up, and the powder is collected in the build-up portion, and the high density of the laser beam, electron beam, arc, etc. described above. It can be welded and built up using an energy heat source. Further, the above-mentioned copper-based alloy is not limited to powder, and may be a wire-forming or rod-shaped material for build-up. As the laser beam, a laser beam having a high energy density such as a carbon dioxide laser beam or a YAG laser beam is exemplified. Examples of the material of the object to be overlaid include aluminum, aluminum-based alloys, iron or iron-based alloys, copper or copper-based alloys, and the like. As the basic composition of the aluminum alloy constituting the object, an aluminum alloy for casting, for example, any of Al-Si system, Al-Cu system, Al-Mg system, Al-Zn system, etc. can be exemplified. Examples of the object include an engine such as an internal combustion engine. In the case of an internal combustion engine, valve train materials are exemplified. In this case, it may be applied to the valve seat that constitutes the exhaust port, or may be applied to the valve seat that constitutes the intake port. In this case, the valve seat itself may be made of the copper-based alloy of the present invention, or the copper-based alloy of the present invention may be built up on the valve seat. Since the copper-based alloy in the present invention does not contain zinc or tin as a positive element, it is possible to suppress generation of fumes and the like even in the case of overlaying. Since the copper-based alloy in the present invention does not contain aluminum as a positive element, it is possible to suppress the formation of a compound between Cu and Al, thereby maintaining ductility.

(エンジンバルブ)
本発明におけるエンジンバルブでは、バルブ本体に盛金部が形成されており、盛金部の表面は、バルブシートに接触するバルブフェースとなっている。盛金部は、プラズマ肉盛方法等で、下記で詳述する特定の組成を含む肉盛用合金粉末を溶融し、溶融した肉盛用合金粉末(盛金材)が肉盛られた部分である。
(Engine valve)
In the engine valve according to the present invention, the valve body is formed with the metal deposit, and the surface of the metal deposit is the valve face that contacts the valve seat. The deposit portion is a portion in which an alloy powder for overlay deposition containing a specific composition described in detail below is melted by a plasma overlay method or the like, and the melted alloy powder for overlay deposition (overlay metal material) is overlayed.

本発明において、エンジンバルブのバルブ本体は、金属材料として鋳鉄又は鋼材等を挙げることができ、好ましくは、オーステナイト系耐熱鋼(JIS規格:SUH35、SUH36、SUH660、NCF750、NCF751、NCF800)、マルテンサイト系耐熱鋼(JIS規格:SUH1、SUH4、SUH11)等を挙げることができる。 In the present invention, the valve body of the engine valve may include cast iron or steel material as the metal material, and preferably austenitic heat resistant steel (JIS standard: SUH35, SUH36, SUH660, NCF750, NCF751, NCF800), martensite. Examples include heat-resistant steels (JIS standards: SUH1, SUH4, SUH11) and the like.

なお、バルブ本体の全体を100質量%とした場合、バルブ本体のCrの含有量は16%質量%以上が好ましく、18質量%以上がより好ましい。ここで、Crの含有量が16質量%未満であると、盛金部の成形時に、バルブ本体に盛金部のCrが固溶・拡散し、盛金部のCr含有量が低下する。これにより、盛金部のCo基のマトリックスに固溶するCrの量が低下するので、盛金部の表面に、Cr酸化膜の安定的な形成を確保することができないことがある。 When the entire valve body is 100% by mass, the Cr content in the valve body is preferably 16% by mass or more, and more preferably 18% by mass or more. Here, if the content of Cr is less than 16% by mass, Cr of the deposit portion is solid-dissolved and diffused in the valve body during the molding of the deposit portion, and the content of Cr in the deposit portion decreases. As a result, the amount of Cr that forms a solid solution in the Co-based matrix of the heap metal portion decreases, so that it may not be possible to ensure the stable formation of the Cr oxide film on the surface of the metal heap portion.

本発明におけるバルブシートと接触しているエンジンバルブの盛金部は、コバルト−クロム−モリブデン基合金からなり、当該コバルト−クロム−モリブデン基合金では、Crが、22質量%〜27質量%であり、Moが、11質量%〜30質量%であり、Wが、2.0質量%〜6.0質量%であり、Cが、0.40質量%〜1.3質量%であり、Siが、3.0質量%以下であり、Niが、15質量%以下であり、Feが、30質量%以下であり、Mnが、1.0質量%以下である。当該コバルト−クロム−モリブデン基合金の残部は、Co及び不可避不純物を含む。 The metal deposit of the engine valve in contact with the valve seat in the present invention is made of a cobalt-chromium-molybdenum-based alloy, and in the cobalt-chromium-molybdenum-based alloy, Cr is 22% by mass to 27% by mass. , Mo is 11% by mass to 30% by mass, W is 2.0% by mass to 6.0% by mass, C is 0.40% by mass to 1.3% by mass, and Si is , 3.0 mass% or less, Ni is 15 mass% or less, Fe is 30 mass% or less, and Mn is 1.0 mass% or less. The balance of the cobalt-chromium-molybdenum-based alloy contains Co and unavoidable impurities.

以下に、エンジンバルブの盛金部の各元素と元素の数値範囲の根拠について、詳細に説明する。 Hereinafter, the basis of each element and the numerical range of the element in the engine valve helix will be described in detail.

・Cr(クロム):22質量%〜27質量%
Crは、盛金部のCo基のマトリックスの表面に、Cr酸化膜(不動態酸化膜)を形成することにより、エンジンバルブの耐食性を発揮する元素である。また、このCr酸化膜は、盛金部とバルブシートとの凝着を防止する。ここで、Crが22質量%未満であると、Co基のマトリックスの表面にCr酸化膜の安定的な形成を確保できず、耐食性が発揮されない。よって、本実施形態では、Crの下限値を22質量%に規定している。一方、Crが27質量%を超えると、肉盛用合金粉末の盛金性が悪化するばかりでなく、盛金部の靭性が低下する。よって、本実施形態では、Crの上限値を27質量%に規定している。なお、本発明でいう「盛金性」とは、肉盛時に、バルブ本体に対する濡れ性、及び溶融状態の盛金部の形状安定性のことをいい、盛金性の悪化とは、肉盛時に盛金部の形状(具体的にはビードの形状)を所望の形状に保てないことをいう。
・Cr (chrome): 22% by mass to 27% by mass
Cr is an element that exerts the corrosion resistance of the engine valve by forming a Cr oxide film (passive oxide film) on the surface of the Co-based matrix of the metal deposit. Further, this Cr oxide film prevents adhesion between the metal deposit and the valve seat. Here, if Cr is less than 22% by mass, stable formation of a Cr oxide film cannot be ensured on the surface of the Co-based matrix, and corrosion resistance is not exhibited. Therefore, in the present embodiment, the lower limit of Cr is set to 22% by mass. On the other hand, when Cr exceeds 27 mass %, not only the build-up property of the alloy powder for build-up deteriorates, but also the toughness of the build-up part deteriorates. Therefore, in the present embodiment, the upper limit value of Cr is specified to be 27% by mass. In the present invention, "metallurgy" means wettability with respect to the valve body during overlaying, and shape stability of the molten deposit in the molten state. Sometimes it means that the shape of the metal deposit (specifically, the shape of the bead) cannot be maintained in a desired shape.

・Mo(モリブデン):11質量%〜30質量%
Moは、盛金部のCo基のマトリックスに固溶することで、Cr酸化膜の形成を促進し、Cr酸化膜が破壊された場合は、Cr酸化膜の再生を促進する元素である。これにより盛金部の耐食性を確保するとともに、相手材であるバルブシートの凝着を抑えることができる。ここで、Moが11質量%未満であると、盛金部の表面に、安定してCr酸化膜を形成することができず、この結果、盛金部の耐食性が低下する。よって、本実施形態では、Moの下限値を11質量%に規定している。一方、Moが30質量%を超えると、盛金性が悪化するばかりでなく、盛金部の靭性が低下することから、本実施形態では、Moの上限値を30質量%に規定している。
Mo (molybdenum): 11% by mass to 30% by mass
Mo is an element that promotes the formation of the Cr oxide film by forming a solid solution in the Co-based matrix of the heap metal portion, and promotes the regeneration of the Cr oxide film when the Cr oxide film is destroyed. As a result, the corrosion resistance of the metal deposit can be ensured and the adhesion of the valve seat, which is the mating material, can be suppressed. Here, when Mo is less than 11 mass %, the Cr oxide film cannot be stably formed on the surface of the metal deposit, and as a result, the corrosion resistance of the metal deposit decreases. Therefore, in this embodiment, the lower limit of Mo is specified to be 11 mass %. On the other hand, when Mo exceeds 30% by mass, not only the metal forming property is deteriorated but also the toughness of the metal forming part is deteriorated. Therefore, in the present embodiment, the upper limit of Mo is specified to be 30% by mass. ..

・W(タングステン):2.0質量%〜6.0質量%
Wは、盛金部の耐凝着性の向上に寄与する元素である。ここで、Wが2.0質量%未満であると、盛金部に存在する炭化タングステンの量が十分でなく、Cr酸化皮膜の下地の硬さを十分に確保することができない。そのため、Cr酸化皮膜が破壊されやすい。この結果、盛金部とバルブシートとの金属部分が凝着し、これらの摩耗が促進される。よって、本実施形態では、Wの下限値を、2.0質量%に規定している。一方、Wが6.0質量%を超えると、肉盛用合金粉末の盛金性が悪化するばかりでなく、盛金部の靭性が低下する。よって、本実施形態では、Wの上限値を6.0質量%に規定している。
*W (tungsten): 2.0 mass%-6.0 mass%
W is an element that contributes to the improvement of the adhesion resistance of the metal deposit. Here, if W is less than 2.0 mass %, the amount of tungsten carbide present in the metal deposit is not sufficient, and the hardness of the base of the Cr oxide film cannot be sufficiently secured. Therefore, the Cr oxide film is easily broken. As a result, the metal parts of the metal deposit and the valve seat adhere to each other, and their wear is promoted. Therefore, in the present embodiment, the lower limit value of W is set to 2.0% by mass. On the other hand, when W exceeds 6.0 mass %, not only the build-up property of the alloy powder for build-up is deteriorated, but also the toughness of the build-up portion is reduced. Therefore, in this embodiment, the upper limit of W is specified to be 6.0% by mass.

・C(炭素):0.40質量%〜1.3質量%
Cは、盛金部に炭化物を形成し、盛金部の強度及び耐摩耗性を向上させる元素である。ここで、Cが0.40質量%未満であると、盛金部に硬質な炭化物相が形成されないため、Cr酸化皮膜の下地の硬さを十分に確保することができず、盛金部が摩耗し易い。これに加えて、この下地の硬さが確保できないため、バルブシートとCr酸化皮膜が接触した際に、Cr酸化皮膜が破壊されやすい。これにより、盛金部とバルブシートとの金属部分が凝着し、バルブシートの摩耗が促進される。よって、本実施形態では、Cの下限値を、0.40質量%に規定している。一方、Cが1.3質量%を超えると、炭化物相の形成が過多となり、Co基のマトリックスに固溶するCr及びMoが減少するため、Cr酸化膜が十分に形成されず、盛金部の耐食性が低下する。その結果、盛金部の表面が粗くなり、バルブシートに対する相手攻撃性が増加する。よって、本実施形態では、Cの上限値を1.3質量%に規定している。
C (carbon): 0.40% by mass to 1.3% by mass
C is an element that forms a carbide in the heap portion and improves the strength and wear resistance of the heap portion. Here, if C is less than 0.40% by mass, a hard carbide phase is not formed in the metal deposit, so that the hardness of the base of the Cr oxide film cannot be sufficiently secured and the metal deposit is Easy to wear. In addition to this, since the hardness of the base cannot be ensured, the Cr oxide film is easily broken when the valve seat and the Cr oxide film come into contact with each other. As a result, the metal portion of the metal deposit and the valve seat adheres to each other, and wear of the valve seat is promoted. Therefore, in the present embodiment, the lower limit value of C is set to 0.40 mass %. On the other hand, when C exceeds 1.3% by mass, the carbide phase is excessively formed, and Cr and Mo dissolved in the Co-based matrix are reduced, so that the Cr oxide film is not sufficiently formed and the metal deposit portion is not formed. Corrosion resistance is reduced. As a result, the surface of the metal deposit becomes rough, and the attacking power against the valve seat increases. Therefore, in the present embodiment, the upper limit value of C is set to 1.3% by mass.

・Si(シリコン):3.0質量%以下
Siは、盛金性を改善する元素である。Siが3.0質量%を超えると、肉盛用合金粉末の盛金性が悪化するばかりでなく、盛金部の靭性が低下する。また、盛金部のバルブシートへの攻撃性が増加する。よって、本実施形態では、Siの上限値を3.0質量%に規定している。
-Si (silicon): 3.0 mass% or less Si is an element that improves the metallurgy. When Si exceeds 3.0 mass %, not only the build-up property of the alloy powder for build-up deteriorates, but also the toughness of the build-up part deteriorates. In addition, the aggressiveness of the valve seat to the valve seat increases. Therefore, in this embodiment, the upper limit of Si is specified to be 3.0% by mass.

・Ni(ニッケル):15質量%以下
Niは、盛金部の靭性及び耐食性の向上に寄与する元素である。ここで、Niが15質量%を超えると、肉盛用合金粉末の盛金性が悪化するばかりでなく、盛金部の耐摩耗性が低下する。よって、本実施形態では、Niの上限値を15質量%に規定している。
-Ni (nickel): 15 mass% or less Ni is an element that contributes to the improvement of the toughness and corrosion resistance of the metal deposit. Here, when Ni exceeds 15 mass %, not only the build-up property of the alloy powder for build-up is deteriorated but also the wear resistance of the build-up part is deteriorated. Therefore, in the present embodiment, the upper limit value of Ni is defined as 15% by mass.

・Fe(鉄):30質量%以下
Feは、盛金部の靭性の向上に寄与する元素である。ここで、Feが30質量%を超えると耐食性が低下する。よって、本実施形態では、Feの上限値を30質量%に規定している。
-Fe (iron): 30% by mass or less Fe is an element that contributes to the improvement of the toughness of the metal deposit. Here, if Fe exceeds 30 mass %, the corrosion resistance decreases. Therefore, in this embodiment, the upper limit of Fe is specified to be 30 mass %.

・Mn(マンガン):1.0質量%以下
Mnは、盛金性の改善に寄与する元素であり、必要に応じて添加される元素である。Mnが1.0質量%を超えると、耐摩耗性が低下する。よって、本実施形態では、Mnの上限値を1.0質量%に規定している。
-Mn (manganese): 1.0 mass% or less Mn is an element that contributes to the improvement of the metallurgy and is an element that is added as necessary. If Mn exceeds 1.0% by mass, the wear resistance decreases. Therefore, in this embodiment, the upper limit of Mn is specified to be 1.0% by mass.

・Co(コバルト):残部
Coは、肉盛用合金粉末のマトリックスであり、上述した組成を含むことを前提に、残部として肉盛用合金粉末に含まれる。なお、残部には不可避不純物が含まれてもよい。
-Co (cobalt): balance Co is a matrix of the alloy powder for build-up, and is contained in the alloy powder for build-up as the balance on the assumption that the above composition is included. The balance may contain inevitable impurities.

本発明において、コバルト−クロム−モリブデン基合金の軟質マトリックス間隔(DAS値)とは、コバルト−クロム−モリブデン基合金の硬質相である共晶炭化物からなる相と軟質相である軟質マトリックス(Co固溶体)からなる相とを交互に含む組織(2次デンドライトアーム)における、硬質相と硬質相の間の最短距離、すなわち、軟質相の短辺の長さを意味する。 In the present invention, the soft matrix spacing (DAS value) of the cobalt-chromium-molybdenum-based alloy means the phase composed of the eutectic carbide which is the hard phase of the cobalt-chromium-molybdenum-based alloy and the soft matrix (Co solid solution) which is the soft phase. In a structure (secondary dendrite arm) that alternately includes a phase consisting of (1), it means the shortest distance between the hard phase and the hard phase, that is, the length of the short side of the soft phase.

本発明では、コバルト−クロム−モリブデン基合金のDAS値は、通常3μm〜6μm、好ましくは4μm〜5μmである。 In the present invention, the DAS value of the cobalt-chromium-molybdenum based alloy is usually 3 μm to 6 μm, preferably 4 μm to 5 μm.

DAS値は、5個以上連続した2次デンドライトアームを3組程度ランダムに選定し、それぞれのアーム間距離を求めて、その平均値をDAS値とする。肉盛用素材に粉末を用いると、棒状素材を用いた場合と比較して冷却速度が速くなり、DAS値が小さくなる。 As for the DAS value, about three sets of two or more secondary dendrite arms are randomly selected, the distance between the arms is determined, and the average value is used as the DAS value. When powder is used as the material for overlay, the cooling rate becomes faster and the DAS value becomes smaller than when a rod-shaped material is used.

(バルブシート及びエンジンバルブの組み合わせ構造)
本発明は、上述したバルブシートと、当該バルブシートと接触する部分(すなわちバルブフェース)に、肉盛用合金粉末を肉盛したエンジンバルブと、を組み合わせた組み合わせ構造に関する。
(Valve seat and engine valve combination structure)
The present invention relates to a combination structure in which the valve seat described above and an engine valve in which a portion in contact with the valve seat (that is, a valve face) is overlaid with an alloy powder for overlay welding are combined.

本発明では、上述したエンジンバルブと接触しているバルブシートの接触部分の銅基合金に含まれる硬質粒子の平均粒径は、上述したエンジンバルブの肉盛合金(盛金部)のコバルト−クロム−モリブデン基合金の軟質マトリックス間隔(DAS値)よりも大きい。例えば、当該銅基合金に含まれる硬質粒子の平均粒径は、当該コバルト−クロム−モリブデン基合金のDAS値よりも、通常5μm以上、好ましくは8μm以上大きい。 In the present invention, the average particle size of the hard particles contained in the copper-based alloy in the contact portion of the valve seat that is in contact with the engine valve described above is the cobalt-chromium of the overlay alloy (build-up part) of the engine valve described above. Greater than the soft matrix spacing (DAS value) of the molybdenum-based alloy. For example, the average particle diameter of the hard particles contained in the copper-based alloy is usually 5 μm or more, and preferably 8 μm or more, larger than the DAS value of the cobalt-chromium-molybdenum-based alloy.

上述したエンジンバルブと接触しているバルブシートの接触部分の銅基合金に含まれる硬質粒子の平均粒径が上述したエンジンバルブの肉盛合金(盛金部)のコバルト−クロム−モリブデン基合金のDAS値よりも大きくなることで、当該バルブシートの硬質粒子が当該エンジンバルブの硬質相である共晶炭化物と軟質相である軟質マトリックスと同時に接触するため、当該バルブシートの硬質粒子が当該エンジンバルブの軟質マトリックスのみに接触することが抑制される。したがって、当該バルブシートの硬質粒子による当該エンジンバルブの軟質相に生成した酸化膜の摩耗が抑えられ、凝着摩耗が抑制される。 The average particle size of the hard particles contained in the copper-based alloy in the contact portion of the valve seat that is in contact with the above-mentioned engine valve is the above-mentioned cobalt-chromium-molybdenum-based alloy of the built-up alloy (held portion) of the engine valve. When it becomes larger than the DAS value, the hard particles of the valve seat come into contact with the eutectic carbide that is the hard phase of the engine valve and the soft matrix that is the soft phase at the same time. The contact with only the soft matrix of is suppressed. Therefore, wear of the oxide film generated in the soft phase of the engine valve due to the hard particles of the valve seat is suppressed, and adhesive wear is suppressed.

本発明のようなバルブシート及びエンジンバルブの組み合わせ構造を備えたエンジンでは、エンジン用の燃料として、ガソリン、エタノール、エタノール混合ガソリン、CNG(圧縮天然ガス)、又はLPG(液化石油ガス)のいずれか一種を適用してもよい。 In an engine having a combination structure of a valve seat and an engine valve as in the present invention, any one of gasoline, ethanol, ethanol mixed gasoline, CNG (compressed natural gas), or LPG (liquefied petroleum gas) is used as a fuel for the engine. You may apply one kind.

エタノール又はエタノール混合ガソリン等を使用した場合には、エタノールから生成するギ酸によるエンジンバルブ摺動面の酸化膜の還元等、ガソリンに比して厳しい腐食環境になるが、本発明におけるバルブシート及びエンジンバルブの組み合わせ構造を備えれば、このような環境下であっても、バルブシートとエンジンバルブとの間の凝着摩耗を抑制することができる。 When ethanol or gasoline mixed with ethanol is used, a severer corrosive environment than gasoline, such as reduction of an oxide film on the sliding surface of an engine valve by formic acid produced from ethanol, is generated. If the combined structure of the valves is provided, it is possible to suppress adhesive wear between the valve seat and the engine valve even under such an environment.

以下、本発明に関するいくつかの実施例につき説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, some examples of the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those examples.

1.バルブシートの銅基合金の各成分量とバルブシートの銅基合金に含まれる硬質粒子の√硬質粒子最大径との関係式の算出
表1及び2に示す組成を有する合金粉末をレーザ盛金することにより調製した各バルブシートにおける90度間隔の4断面について、以下に示す測定方法に基づいて、銅基合金の盛金組織から、主にFe、Mo及びSiからなる硬質粒子の√硬質粒子最大径を調査した。図1に代表例として、実施例1のバルブシートの銅基合金の盛金組織を示す。
1. Calculation of the relational expression between the amount of each component of the copper-based alloy of the valve seat and the maximum diameter of √ hard particles of the hard particles contained in the copper-based alloy of the valve seat Laser-plated alloy powder having the composition shown in Tables 1 and 2 For each of the four cross sections at 90 degree intervals in each valve seat prepared by the above, based on the measurement method shown below, from the gold-plated structure of the copper-based alloy, the hard particle maximum of hard particles mainly composed of Fe, Mo and Si was determined. The diameter was investigated. As a typical example, FIG. 1 shows a helix structure of a copper-based alloy of the valve seat of Example 1.

(1)バルブシートを樹脂に埋め込み、研磨した。
(2)(1)で研磨した試料の1断面について、走査型顕微鏡の反射電子像(倍率:200倍)を撮影し、撮影された画像を、WinROOF解析ソフトを用いて2値化して、主にFe、Mo及びSiからなる硬質粒子を選別した。
(3)(2)で選別された各硬質粒子について、円相当径を求めた。
(4)(3)で得られた各硬質粒子の円相当径の中から最大値を求めた。
(5)(1)〜(4)までのステップを残りの3断面について繰り返した。
(6)(5)で得られたそれぞれの画像における硬質粒子の円相当径の最大値を平均化し、硬質粒子最大径とした。
(7)(6)で得られた硬質粒子最大径の平方根を計算することで、√硬質粒子最大径を求めた。
(1) The valve seat was embedded in resin and polished.
(2) A backscattered electron image (magnification: 200 times) of a scanning microscope was photographed on one cross section of the sample polished in (1), and the photographed image was binarized using WinROOF analysis software to Hard particles consisting of Fe, Mo and Si were selected.
(3) The equivalent circle diameter was calculated for each hard particle selected in (2).
(4) The maximum value was obtained from the equivalent circle diameters of the hard particles obtained in (3).
(5) Steps (1) to (4) were repeated for the remaining three sections.
(6) The maximum values of the equivalent circle diameters of the hard particles in the images obtained in (5) were averaged to obtain the hard particle maximum diameter.
(7) The maximum hard particle diameter was calculated by calculating the square root of the maximum hard particle diameter obtained in (6).

各バルブシートの銅基合金の各成分量と得られた各バルブシートの銅基合金に含まれる硬質粒子の√硬質粒子最大径との関係を多変量解析し、下記式の関係を得た。 A multivariate analysis of the relationship between the amount of each component of the copper-based alloy of each valve seat and the √ hard particle maximum diameter of the hard particles contained in the obtained copper-based alloy of each valve seat was performed, and the relationship of the following formula was obtained.

√硬質粒子最大径(√μm)=12.044+0.953×Mo量(質量%)−6.475×Nb量(質量%)+1.458×C量(質量%)−0.117×Ni量(質量%)−0.882×Si量(質量%)−0.084×Fe量(質量%) √ Hard particle maximum diameter (√μm)=12.044+0.953×Mo amount (mass %)-6.475×Nb amount (mass %)+1.458×C amount (mass %)-0.117×Ni amount (Mass %)-0.882 x Si content (mass %)-0.084 x Fe content (mass %)

2.バルブシートの銅基合金に含まれる硬質粒子の√硬質粒子最大径と平均粒径の関係
表1におけるNo.7〜No.23のバルブシートにおける90度間隔の4断面について、以下に示す測定方法に基づいて、銅基合金の盛金組織から、主にFe、Mo及びSiからなる硬質粒子の平均粒径を調査した。
2. Relationship between the maximum diameter of the hard particles and the average particle diameter of the hard particles contained in the copper-based alloy of the valve seat. 7-No. The average particle diameter of hard particles mainly composed of Fe, Mo, and Si was investigated from the heavier texture of the copper-based alloy for the four cross sections at intervals of 90 degrees in the valve seat No. 23, based on the following measurement method.

(1)バルブシートを樹脂に埋め込み、研磨した。
(2)(1)で研磨した試料の1断面について、走査型顕微鏡の反射電子像(倍率:200倍)を撮影し、撮影された画像を、WinROOF解析ソフトを用いて2値化して、主にFe、Mo及びSiからなる硬質粒子を選別した。
(3)(2)で選別された各硬質粒子について、円相当径を求めた。
(4)(3)で得られた各硬質粒子の円相当径の平均値を求めた。
(5)(1)〜(4)までのステップを残りの3断面について繰り返した。
(6)(5)で得られたそれぞれの画像における硬質粒子の円相当径の平均値を平均化し、硬質粒子の平均粒径を求めた。
(1) The valve seat was embedded in resin and polished.
(2) A backscattered electron image (magnification: 200 times) of a scanning microscope was photographed on one cross section of the sample polished in (1), and the photographed image was binarized using WinROOF analysis software to Hard particles consisting of Fe, Mo and Si were selected.
(3) The equivalent circle diameter was calculated for each hard particle selected in (2).
(4) The average value of the equivalent circle diameters of the hard particles obtained in (3) was calculated.
(5) Steps (1) to (4) were repeated for the remaining three sections.
(6) The average value of the equivalent circle diameters of the hard particles in each image obtained in (5) was averaged to obtain the average particle diameter of the hard particles.

図2に、バルブシートの銅基合金に含まれる硬質粒子の平均粒径と√硬質粒子最大径の関係を示す。図2より、硬質粒子の平均粒径と√硬質粒子最大径は比例関係であることがわかる。 FIG. 2 shows the relationship between the average particle diameter of the hard particles contained in the copper-based alloy of the valve seat and the maximum diameter of the hard particles. It can be seen from FIG. 2 that the average particle diameter of the hard particles and the maximum diameter of the hard particles have a proportional relationship.

3.単体摩耗試験
図3に示す単体摩耗試験に係る摩耗試験機を使用して、表2に示す組成を有する合金粉末をレーザ盛金することにより調製したバルブシート及びエンジンバルブの組み合わせ構造における摩耗量を調査した。
3. Single Abrasion Test Using a wear tester according to a single abrasion test shown in FIG. 3, the wear amount in a combined structure of a valve seat and an engine valve prepared by laser plating alloy powder having the composition shown in Table 2 was measured. investigated.

なお、エンジンバルブとしては、Co、22質量%のCr、11.9質量%のMo、7.3質量%のNi、3.6質量%のW、0.77質量%のC、0.8質量%のSi、0.86質量%のFeの合金粉末をプラズマ盛金したバルブを使用した。 In addition, as an engine valve, Co, 22 mass% Cr, 11.9 mass% Mo, 7.3 mass% Ni, 3.6 mass% W, 0.77 mass% C, 0.8 A valve in which an alloy powder of mass% Si and 0.86 mass% Fe was plasma-plated was used.

試験では、プロパンガスバーナーを加熱源に用い、盛金部と、バルブシートとの摺動部をプロパンガス燃焼雰囲気とした。バルブシートの温度を200℃に制御し、スプリングにより盛金部とバルブシートとの接触時に25kgfの荷重を付与し、42回/分の割合で盛金部とバルブシートを接触させて2時間の摩耗試験を行った。この摩耗試験において、基準位置からのバルブの沈み量を測定した。このバルブの沈み量は、エンジンバルブがバルブシートと接触することによって双方が摩耗した摩耗量(摩耗深さ)に相当するものである。 In the test, a propane gas burner was used as a heating source, and the sliding portion between the metal deposit and the valve seat was set to a propane gas combustion atmosphere. The temperature of the valve seat is controlled to 200° C., a load of 25 kgf is applied by the spring at the time of contact between the deposit and the valve seat, and the deposit and the valve seat are contacted at a rate of 42 times/minute for 2 hours. A wear test was performed. In this abrasion test, the amount of depression of the valve from the reference position was measured. The sunk amount of the valve corresponds to the wear amount (wear depth) of the engine valve and the valve seat, both of which are worn.

結果を表2及び図4に示す。図4より、実施例1及び2における硬質粒子の√硬質粒子最大径は12√μm以上であり、実施例1及び2の摩耗量は、比較例1〜6の摩耗量と比較して小さいことがわかる。 The results are shown in Table 2 and FIG. From FIG. 4, the √ hard particle maximum diameter of the hard particles in Examples 1 and 2 is 12 √ μm or more, and the wear amount of Examples 1 and 2 is smaller than the wear amounts of Comparative Examples 1 to 6. I understand.

また、表2より、実施例1及び2における硬質粒子の平均粒径は、それぞれ14μm以上であることがわかるが、硬質粒子の平均粒径と√硬質粒子最大径の関係を示す図2からみても、硬質粒子の√硬質粒子最大径が12√μmであれば、硬質粒子の平均粒径は最小でも6μmであると推定することができる。 Further, it can be seen from Table 2 that the average particle diameter of the hard particles in each of Examples 1 and 2 is 14 μm or more, and it can be seen from FIG. 2 showing the relationship between the average particle diameter of the hard particles and the maximum diameter of the hard particles. Also, if the maximum value of √ hard particles of the hard particles is 12 √ μm, it can be estimated that the average particle diameter of the hard particles is at least 6 μm.

一方で、図5に示すエンジンバルブの盛金部の組織を示す顕微鏡写真より、エンジンバルブの軟質マトリックス間隔(DAS値)は約4μmと算出することができる。 On the other hand, the soft matrix spacing (DAS value) of the engine valve can be calculated to be about 4 μm from the micrograph showing the structure of the metal deposit of the engine valve shown in FIG.

以上の結果より、実施例1及び2では、バルブシート及びエンジンバルブの組み合わせ構造において、バルブシートに含まれる硬質粒子の平均粒径がエンジンバルブのDAS値より大きくなったため、当該バルブシートの硬質粒子が当該エンジンバルブの硬質相である共晶炭化物と軟質マトリックスと同時に接触しやすくなり、これにより、当該バルブシートの硬質粒子が当該エンジンバルブの軟質マトリックスのみと接触することが抑制され、当該バルブシートの硬質粒子により当該エンジンバルブの軟質マトリックスの酸化膜が削られにくくなり、凝着摩耗が減少したと考えられる。 From the above results, in Examples 1 and 2, in the combined structure of the valve seat and the engine valve, the average particle diameter of the hard particles contained in the valve seat became larger than the DAS value of the engine valve, and thus the hard particles of the valve seat. Is easily contacted simultaneously with the eutectic carbide which is the hard phase of the engine valve and the soft matrix, whereby the hard particles of the valve seat are prevented from contacting only with the soft matrix of the engine valve, and the valve seat. It is considered that the hard particles of (3) made it difficult for the oxide film of the soft matrix of the engine valve to be scraped off, and the adhesive wear was reduced.

Claims (1)

バルブシート及びバルブシートと接触しているエンジンバルブの組み合わせ構造であって、
エンジンバルブと接触しているバルブシートの接触部分が、Ni:5質量%〜18質量%、Si:0.5質量%〜3質量%、Fe:3質量%〜10質量%、Mo:6質量%〜20質量%、Nb:0.2質量%以下、並びに残部:Cu及び不可避不純物を含む銅基合金であり、
バルブシートと接触しているエンジンバルブの盛金部が、Cr:22質量%〜27質量%、Mo:11質量%〜30質量%、W:2.0質量%〜6.0質量%、C:0.40質量%〜1.3質量%、Si:3.0質量%以下、Ni:15質量%以下、Fe:30質量%以下、Mn:1.0質量%以下、並びに残部:Co及び不可避不純物を含むコバルト−クロム−モリブデン基合金であり、
銅基合金に含まれる硬質粒子の平均粒径が、コバルト−クロム−モリブデン基合金の軟質マトリックス間隔(DAS値)よりも大きい
組み合わせ構造。
A combination structure of a valve seat and an engine valve in contact with the valve seat,
The contact portion of the valve seat that is in contact with the engine valve has Ni: 5% by mass to 18% by mass, Si: 0.5% by mass to 3% by mass, Fe: 3% by mass to 10% by mass, Mo: 6% by mass. % To 20 mass %, Nb: 0.2 mass% or less, and the balance: Cu and a copper-based alloy containing inevitable impurities,
The metal deposit of the engine valve in contact with the valve seat has Cr: 22% by mass to 27% by mass, Mo: 11% by mass to 30% by mass, W: 2.0% by mass to 6.0% by mass, C : 0.40% by mass to 1.3% by mass, Si: 3.0% by mass or less, Ni: 15% by mass or less, Fe: 30% by mass or less, Mn: 1.0% by mass or less, and the balance: Co and A cobalt-chromium-molybdenum-based alloy containing inevitable impurities,
A combined structure in which the average particle size of the hard particles contained in the copper-based alloy is larger than the soft matrix spacing (DAS value) of the cobalt-chromium-molybdenum-based alloy.
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