JP2022035265A - バルブシート及びバルブシートの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
その一方で、バルブまわりの温度低下がノッキング防止などエンジン出力に大きく影響する特性であることから、近年は、バルブシートに対する熱伝導性の要求も高くなっている。
また、他の従来のバルブシートは、銅基合金からなる銅基地中に硬質粒子を分散した銅基焼結合金から形成することにより、熱伝導率の向上を図っていた(例えば、特許文献2参照)。
また、特許文献2のバルブシートは、バルブシート全体が鉄系材料からなりフェイス面側相は硬質粒子を分散した鉄基焼結合金からなるので、バルブに対する十分な耐摩耗性はあっても十分な熱伝導率を得ることができないという問題があった。
前記フェイス面側層が鉄基焼結合金からなり、
前記支持部材側層が銅基焼結合金からなることを特徴とする。
(2)さらに、本発明は、前記支持部材側層は、Cu-Ni-Siを含む構成としても良い。
(3)さらに、本発明は、前記支持部材側層は、Cu-Ni-Siを含み、質量%でNi:0.5~2.4%、Si:0.14~0.60%とする構成としても良い。
(4)さらに、本発明は、前記支持部材側層は、少なくともSnとPのいずれかを含む構成としても良い。
(5)さらに、本発明は、前記支持部材側層は、質量%でSn:0~0.74%、P:0~0.8%を
含む構成としても良い。
(6)さらに、本発明は、前記支持部材側層は、ビッカース硬さ100HV以上とする構成としても良い。
(7)さらに、本発明は、前記フェイス面側層は、体積率で9~17%の気孔率と6.50~7.20[g/cm3]の焼結後密度とを有し、基地相中に硬質粒子を分散させた鉄基焼結合金材からなる構成としても良い。
(8)さらに、本発明は、前記硬質粒子がCr、Mo、Co、Si、Niのうちから選ばれた1種または2種以上の元素からなる粒子であり、面積率で5~40%分散している構成としても良い。
(9)さらに、本発明は、前記フェイス面側層は、前記基地相と前記硬質粒子を含む基地部の組成が、質量%で、Ni:1.0~5.0%、Cr:0.4~10.0%、Mo:3.0~15.0%、Cu:0~1.0%、Co:3.0~30.0%、V:0~2.0%、Mn:0.01~2.0%、W:0~6.0%、C:0.5~2.0%、Si:0.1~1.5%、S:0~1.0%のうちから選ばれた1種または2種以上を合計で13.0~50.0%含有し、残部が実質的にFeからなる組成を有する鉄基焼結合金材である構成としても良い。
(10)さらに、本発明は、上記バルブシートの製造方法であって、
前記鉄基焼結合金及び前記銅基焼結合金を1000~1060[℃]で焼結する構成としても良い。
(11)さらに、本発明は、鉄基焼結合金は、粒度-325メッシュの鉄系粉末を用いる構成としても良い。
(12)さらに、本発明は、前記焼結後、真空又は還元雰囲気中で450℃~500℃の処理温度で1~3時間の時効処理を行う構成としても良い。
なお、本発明及び後述する本発明の実施形態において、「A~B」(A,Bは任意の数値)と記載する場合には、「A以上B以下」の意味であるものとする。
バルブシート10は、内燃機関等のシリンダヘッドに装着され、開閉を行うバルブのバルブフェイスと接触して燃焼室の気密性を保つリング状の部品である。当該リング状のバルブシート10の中心線であるバルブシート軸Cに沿った方向の一端部には、外周から内周にかけて一又複数の円錐面が形成され、その一部がバルブフェイスに接触するバルブ当り面15となっている。また、バルブシート10のバルブシート軸Cに沿った方向の他端部には、バルブシート軸Cに垂直な平坦面からなる着座面13が形成されている。
2は、バルブフェイスに繰り返し当接し、支持部材側層11は、シリンダヘッドのバルブシート圧入孔の底面及び内周面に当接する。
上記バルブシート10は、フェイス面側層12と支持部材側層11との境界面14を、バルブ当り面15の幅方向の中央位置で、バルブ当り面15に垂直な方向にバルブ当り面15から支持部材側に0.5[mm](図1に示すt=0.5mm)だけ離れた線A1を含み、バルブシート軸Cとのなす角度が45°である面Aと、バルブシート10の内周面16とバルブシート10の着座面13との交線B1と、バルブシート10の外周面17上で、バルブシート10の着座面13からの距離がバルブシート高さの1/2である線B2とを含む面Bと、に囲まれる領域内に形成している。
さらに、バルブシート10は、フェイス面側層12が鉄基焼結合金からなり、支持部材側層11が銅基焼結合金からなることを特徴としている。
なお、ここでいう「鉄基焼結合金」とは、Feの含有量が質量%で50%以上又はFeが最多の含有物であるものを示す。
同様に、「銅基焼結合金」とは、Cuの含有量が質量%で50%以上又はCuが最多の含有物であるものを示す。
また、境界面14が、B面より支持部材側では、フェイス面側層12が厚すぎるのでバルブシート10の熱伝導性が低下する。
さらに、バルブシート10は、レーザーフラッシュ法で測定された20~300℃における熱伝導率が、支持部材側層11で125~200[W/m・k]、フェイス面側層12で10~22[W/m・k]を満足する。支持部材側層11は、熱伝導率100[W/m・k]を超えるような組成とすることが好ましい。
フェイス面側層12は、後述するフェイス面側相に示す合金元素量が多くなると、フェイス面側層12の熱伝導率が10[W/m・k]未満と、低くなる。一方、フェイス面側層12を、熱伝導率が22[W/m・k]を超えるような組成とすると、後述するフェイス面側層12に示す合金元素量が少なくなり所望の耐摩耗性を確保できなくなる。
る耐摩耗性に有効な酸化鉄の生成が不充分となるうえ、密度向上のために工程が複雑となり、製造コストの高騰を招く。このため、本発明では焼結後密度を6.5~7.2[g/cm3]の範囲に限定した。なお、焼結後密度はアルキメデス法により測定した値を用いるものとする。
NiとSiは、焼結体の強度、硬さを増加させる元素であり、バルブシートの支持部材側層11として所望の強度、硬さを確保するために、Niは質量%で0.5%~2.4%、Siは質量%
で0.14%~0.6%を含有することがより望ましい。一方、熱伝導性の観点からは、上記範囲内とすることが好ましい。
Sn、Pは、いずれも、焼結体の強度、硬さを増加させる元素である。これらの含有により強度、硬さの向上を図るためには、Snは0.2~0.74%、Pは0.6~0.8%含有することが望ましいが、熱伝導性の観点からは、これらは例示の範囲内とすることが好ましい。
支持部材側層11では、上記した以外の残部は、Cu及び不可避的不純物である。
支持部材側層11は、上記した組成を有し、さらに、ビッカース硬さで100HV~200HVの範囲の硬さを有することが好ましい。
上記したバルブシート10は、ダイ100、コアロッド101、上パンチ(図示略)、下パンチ102と、互いに独立して駆動可能な2種のフィーダー(図示略)と、独立して駆動可能な仮押しパンチ103とを有するプレス成形機(図示せず)を用いて2層構造の圧粉体に成形される。ダイ100、コアロッド101、上パンチ及び下パンチ102により、バルブシート10を成形する金型が構成される。
支持部材側層用混合粉は、原料粉として、銅系粉末と他の合金元素粉末等の合金用粉末と、潤滑剤粒子粉末と、を上記した所望の支持部材側層組成となるように、所定量配合し、混合、混練して支持部材側層用混合粉とすることが好ましい。
また、フェイス面側層用混合粉は、原料粉としては、鉄系粉末と、黒鉛粉末、他の合金元素粉末等の合金用粉末と、硬質粒子粉末と、潤滑剤粒子粉末と、あるいはさらに固体潤滑剤粒子粉末と、を上記した所望のフェイス面側層組成となるように、所定量配合し、混合、混練してフェイス面側層用混合粉とすることが好ましい。
ついで、仮押しパンチ103を下方へ移動させて、充填された支持部材側層用混合粉11aを仮押して、フェイス面側層12との境界面となる上面を形成する。この状況を図2に示す。バルブシート10の成形には、この仮押しに際し、成形面が、バルブシート軸とのなす角度で20~50°の範囲の角度βを有する円錐面形状に形成された仮押しパンチ103を使用する。この角度βは、バルブシート軸Cを含む断面でバルブシート10のフェイス面側層12と支持部材側層11との境界面14の傾き(バルブシート軸Cとのなす角度:α)に対して、20~40%小さい角度とすることが好ましい。
いて、0.01~3[ton/cm2]の範囲の成形圧に調整して、仮押しする。仮押し時の成形圧が3[ton/cm2]を超えて大きすぎると、境界面の強度は増加するが、フェイス面側層用混合粉を充填し成形した後に、支持部材側層11とフェイス面側層12との密着力が低下する。一方、0.01[ton/cm2]未満と小さすぎると、境界面14がバルブシート10の周方向や径方向でばらつき、所望の境界面精度を確保できなくなる。
充填後、上パンチを下降させて、該上パンチを面圧が5~10[ton/cm2]の範囲で、かつ仮押し成形圧に対する比率で3.3~500となるように、フェイス面側層用混合粉および支持部材側層用混合粉とを一体的に加圧成形して、圧粉体とする。これにより、得られる圧粉体の密度を6.0~8.7[g/cm3]とすることができる。なお、圧粉体の密度が、6.0[g/cm3]未満では、得られる製品が、所望の強度を確保できなくなる。
上パンチの面圧が、5[ton/cm2]未満では、圧粉体の密度が低下し所望の焼結体密度を確保できなくなったり、製品(バルブシート)のフェイス面側層12と支持部材側層11の境界面14が、所望の傾きの境界面を形成できなくなり、バルブシート10の耐摩耗性や、熱伝導性が低下する。
バルブシート10は、支持部材側層11に銅基焼結合金材料を使用し、フェイス面側層12に鉄基焼結合金材料を使用することから、鉄基焼結合金材料に適した焼結温度(1100~1200[℃])で焼結を行うと、銅基焼結合金材料の銅成分がフェイス面側層12に溶浸を生じ、フェイス面側層12の耐摩耗強度が著しく低下を生じる。
このため、バルブシート10の焼結温度は、鉄基焼結合金材料の焼結温度1100~1200[℃]よりも低温であって、鉄基焼結合金材料の変態点(910[℃])を超える温度範囲、例えば、1000~1060[℃]の範囲内、より好ましくは、1040[℃]とする。
このように、バルブシート10は、鉄基焼結合金材料の焼結温度よりも低温で焼結を行うことから、フェイス面側層12の鉄基焼結合金材料に純鉄粉を含む場合は、鉄基焼結合金材料のみからなるバルブシートに含まれる純鉄粉よりも粒度が小さいものを使用することが好ましい。例えば、好適な粒度の範囲は、粒度-100~-325メッシュである。
例えば、鉄基焼結合金材料のみからなるバルブシートに含まれる純鉄粉の粒度が-100メッシュ(150[μm])であるのに対して、バルブシート10のフェイス面側層12の鉄基焼結合金材料に含まれる純鉄粉の粒度は-325メッシュ(44[μm])(より微細粒)としている。
この時効処理により、バルブシート10は、硬度が高くなり、強度が向上する。
なお、表1に示す銅系粉末「い」、「ろ」、「は」、「に」、「ほ」は、欄外に記載された複数元素のそれぞれの比率によるプレアロイ型銅粉末の配合量を示している。
また、同様に、混合粉1A~1Mについて、表1に示す原料粉と配合で混合して支持部材側層用混合粉とした。なお、混合に際しては、銅系粉末、合金元素粉末の合計100質量部に対し、潤滑剤粒子粉末として、ステアリン酸亜鉛粉末を1.0質量部配合した。
まず、下パンチ102を相対的に下降させ、下パンチ102とダイ100とコアロッド101とで支持部材側層用の充填空間を形成し、該充填空間に、第1のフィーダーを移動させ、支持部材側層用混合粉を充填した。ついで、仮押しパンチ103を移動させて、充填した支持部材側層用混合粉を仮押し、フェイス面側層12との境界面となる上面を成形した。
充填した後、上パンチを下降させて、フェイス面側層用混合粉および前記支持部材側層用混合粉を一体的に、加圧成形(面圧:9[ton/cm2]、但し、焼結体No.44は面圧:5[ton/cm2])して、2層構造のバルブシート用圧粉体を得た。
さらに、各焼結体は、真空又は還元雰囲気中で450℃~500℃の処理温度の条件下で1~3時間の時効処理を行った。時効処理後の支持部材側層11のビッカース硬度を表3~表6に示す。測定荷重は0.05HVにて行った。
各焼結体の支持部材側層11及びフェイス面側層12に相当する測定用サンプル材を作成し、レーザーフラッシュ法を利用して20~300℃における熱伝導率を測定し、表3~表6に併記した。なお、表3~表6において「VSI」はバルブシートを示す。
また、各焼結体の支持部材側層11及びフェイス面側層12のトータルの熱伝導率については、支持部材側層11及びフェイス面側層12の体積比率に基づいて算出した。
単体リグ摩耗試験機は、バルブシート10を圧入可能なシリンダヘッド相当品の治具2と、駆動源からカムクランク機構を介して上下動を行うバルブ4と、バルブ4およびバルブシート10を加熱する熱源(LPG+Ar)3とを備えており、任意のバルブシート面温度下で、任意のバルブ回転数で、バルブシート10にバルブ4を繰り返し当接させることができる。
この単体リグ摩耗試験機により、下記の試験条件で試験を行い、バルブ沈み量により摩耗量を測定した。この試験により測定された摩耗量について、「基準」の焼結体の摩耗量を1とし、各焼結体No.のバルブシートについて測定された摩耗量から求められた摩耗量比を表3~表6に併記した。
試験時間:9[hr]
カム回転数:3000[rpm]
バルブ回転数:10[rpm]
スプリング荷重:35[kgf](345[N])(セット時)
リフト量:7.5[mm]
バルブ材質:SUH35
なお、LPG+Air量、冷却水量は一定とした。
50g又は100gの各焼結体No.について測定されたビッカース硬さを表3~表6に併記した。
また、焼結体No.1は、支持部材側層11及びフェイス面側層12が銅系の混合粉1Aのみからなり、境界面14を有さないバルブシートからなる。
また、焼結体No.17は、支持部材側層11が銅粉末のみからなるバルブシートからなる。
即ち、「基準」の焼結体と焼結体No.1は、いずれも二層構造を有しておらず、焼結体No.17は、銅基焼結合金ではないので、これらは全て、本願発明の実施例には該当しない、比較例である(表4,表6の「備考」参照)。
即ち、「耐摩耗性」が基準以下であれば可、「熱伝導率(トータル)」が基準以上であれば可、「変形比」が基準以下であれば可とし、これら三つが全て「可」であれば「○」と評価し、一つでも「可」に持たないものがあれば「×」とした。これらの評価も表3~表6に示した。
れた冷却性能を有するバルブシートとなっている。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、熱伝導性が低いか、耐摩耗性が低下するか、変形比が許容範囲を超えている。
発明の実施形態にかかるバルブシート10は、フェイス面側層12が鉄基焼結合金からなり、支持部材側層11が銅基焼結合金から構成されている。
このため、フェイス面側層12の鉄基焼結合金によって高い耐摩耗性を獲得し、支持部材側層11の銅基焼結合金によって高い熱伝導性を確保することができ、高耐摩耗性と高熱伝導性とが両立する優れたバルブシート10を提供することが可能となる。
これにより、内燃機関に上記バルブシート10を使用した場合に、バルブ温度の上昇を有効に抑制し、ノッキングなどの出力低下を抑制でき、内燃機関の燃費向上に寄与することが可能となる。
さらに、支持部材側層11に、SnとPのいずれかを含む構成とした場合には、支持部材側層11の強度をさらに向上させることができ、さらに変形性を低く抑えることが可能となる。
また、支持部材側層11は、いずれもビッカース硬さ100HV以上を確保しているので、バルブシートの圧入時、さらに、使用時におけるバルブとの接触が繰り返し行われる環境下において、変形性を低く抑えることができ、高い密閉性を維持することができる。
これにより、銅基焼結合金からなる支持部材側層11に含まれるCuのフェイス面側層12側への溶浸を抑制することができ、バルブシート10の耐摩耗性の低下を抑制することが可能となる。
この焼結体No.5は、混合粉をフェイス面側層12の材料とする複数の焼結体No.2~7の中で摩耗比が非常に小さくなっていることが分かる(ハイス鋼の配合量を増量させている焼結体No.6を除く)。
このように、鉄基材料の好適な焼結温度よりも低温で焼結を行った場合でも、高い耐摩耗性を維持することが分かる。
11 支持部材側層
11a 支持部材側層用混合粉
12 フェイス面側層
13 着座面
14 境界面
15 バルブ当り面
16 内周面
17 外周面
A 面
A1 線
B 面
B1 交線
B2 線
C バルブシート軸
Claims (12)
- 内燃機関のシリンダヘッドに圧入され、バルブフェイスに繰り返し当接するフェイス面側層と、前記シリンダヘッドのバルブシート圧入孔の底面及び内周面に当接する支持部材側層との二層を一体化してなる焼結合金製のバルブシートであって、
前記フェイス面側層が鉄基焼結合金からなり、
前記支持部材側層が銅基焼結合金からなることを特徴とするバルブシート。 - 前記支持部材側層は、Cu-Ni-Siを含むことを特徴とする請求項1に記載のバルブシート。
- 前記支持部材側層は、Cu-Ni-Siを含み、質量%でNi:0.5~2.4%、Si:0.14~0.60%であることを特徴とする請求項2に記載のバルブシート。
- 前記支持部材側層は、少なくともSnとPのいずれかを含むことを特徴とする請求項2又は3に記載のバルブシート。
- 前記支持部材側層は、少なくともSnとPのいずれかを含み、質量%でSn:0~0.74%又はP:0~0.8%を含むことを特徴とする請求項2又は3に記載のバルブシート。
- 前記支持部材側層は、ビッカース硬さ100HV以上であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のバルブシート。
- 前記フェイス面側層は、体積率で9~17%の気孔率と6.50~7.20[g/cm3]の焼結後密度とを有し、基地相中に硬質粒子を分散させた鉄基焼結合金材からなることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のバルブシート。
- 前記硬質粒子が、Cr、Mo、Co、Si、Niのうちから選ばれた1種または2種以上の元素からなる粒子であり、面積率で5~40%分散していることを特徴とする請求項7に記載のバルブシート。
- 前記フェイス面側層は、前記基地相と前記硬質粒子を含む基地部の組成が、質量%で、Ni:1.0~5.0%、Cr:0.4~10.0%、Mo:3.0~15.0%、Cu:0~1.0%、Co:3.0~30.0%、V:0~2.0%、Mn:0.01~2.0%、W:0~6.0%、C:0.5~2.0%、Si:0.1~1.5%、S:0~1.0%のうちから選ばれた1種または2種以上を合計で13.0~50.0%含有し、残部が実質的にFeからなる組成を有する鉄基焼結合金材であることを特徴とする請求項7又は8に記載のバルブシート。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載のバルブシートの製造方法であって、
前記鉄基焼結合金及び前記銅基焼結合金を1000~1060[℃]で焼結することを特徴とするバルブシートの製造方法。 - 前記鉄基焼結合金は、粒度-325メッシュの鉄系粉末を用いることを特徴とする請求項10に記載のバルブシートの製造方法。
- 前記鉄基焼結合金及び前記銅基焼結合金の焼結後、真空又は還元雰囲気中で450℃~500℃の処理温度で1~3時間の時効処理を行うことを特徴とする請求項10又は11に記載のバルブシートの製造方法。
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