JP3573817B2

JP3573817B2 - 内燃機関用焼結合金製バルブガイド

Info

Publication number: JP3573817B2
Application number: JP06200695A
Authority: JP
Inventors: 幸一郎林; 克直近畑; 正雄石田; 知生岡; 信介望月
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 1995-02-24
Filing date: 1995-02-24
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: JPH08232619A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、耐摩耗性と耐焼付き性に優れ、含浸油の流出が少ない焼結合金製の内燃機関用バルブガイドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車など内燃機関のバルブガイドには、主として鉄炭素系焼結合金が用いられている。この鉄炭素系焼結合金は、全体組成が重量比でＣｕ１〜２％、結合炭素約０.６％、残部Ｆｅからなり、密度比８５〜９０％程度のものである。更に耐摩耗性が優れた合金としては、特開昭５１−１１９４１９号公報に記載された、Ｃｕ１〜５％、Ｓｎ０.１〜２％、Ｐ０.１〜０.３％、Ｃ１.５〜４％、残部Ｆｅからなり、鉄のパーライトマトリックスにＦｅ−Ｐ−Ｃ三元共晶合金相および遊離黒鉛が分散した組織の焼結合金がある。また、特開昭５８−１７７４３５号公報に記載されたＣｒ０.４〜２％、Ｍｏ０.１〜１％、Ｍｎ０.１〜１％、Ｃｕまたは銅合金１〜１０％、Ｐ０.０５〜１.５％、Ｃ１.５〜４％、残部Ｆｅからなる焼結合金や、前記組成に加えて、Ｓ０.０５〜１％を含む前記と同様な金属組織のものがあり、さらに、特開昭６１−２４３１５６号公報に記載されているように、Ｃｒ１.８〜４％、Ｍｎ０.０６〜１％、Ｍｏ０.０７〜１％、Ｐ０.００６〜１.５％、ＣｕまたはＣｕ合金１〜１０％、Ｃ１.５〜４％、残部Ｆｅからなり、Ｃｒ・Ｍｎ・Ｍｏを含む鉄素地中に、素地よりもＣｒ量が多い鉄基硬質粒子５〜２０％と銅または銅合金粒子１〜１０％が分散した組織の合金などが挙げられる。
これらの焼結合金からなるバルブガイドは、各元素の粉末または合金粉を所定量混合し、円筒形状に圧粉成形し、焼結を行った後、切削加工を施して寸法や形状を整えると共に、潤滑油を含浸し、エンジンのヘッドに圧入装着して、リーマ加工により軸芯を調整した後、バルブを装着することによって使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近時の自動車用エンジンの高性能化指向に伴って、出力性能の向上や使用環境温度の上昇などに対応すべく、従来よりも更に耐久性が優れたバルブガイドが要求されている。
また、バルブガイドに含浸されている潤滑油の消費量は、高温ガスに曝される排気側のバルブガイドの方が多く、その消費分は動弁機構側から補給されるが、バルブガイドの潤滑性を良くして耐久性を高めるために、焼結合金の通油性を高めると、潤滑油が排気ガス側に染み出して白煙になって放出量が増加すると共に、補給する潤滑油の消費量が多くなる。
この発明は、潤滑油の消費量を増加させることなく、耐焼付き性および耐摩耗性を改善したバルブガイドを提供し、内燃機関の性能向上に寄与することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、本発明者らは鋭意検討を行なった結果、バルブガイド用焼結合金の性状を特定の範囲に調節することのよって、従来よりも性能の優れた製品が得られることを見出し本発明に到達した。
すなわち、本発明は、密度比が８０〜８６.５％の鉄炭素系焼結合金からなり、合金マトリックスの粉末粒子径の大部分が７４〜２５０μmで、通気度が２０〜４５×１０^-3 μ m ² (darcy)であり、かつ潤滑油を気孔に含浸したことを特徴とする内燃機関用焼結合金製バルブガイドに関するものである。
さらに、本発明は、密度比が８０〜８６％で、合金マトリックスの粉末粒子径の大部分が７４〜２５０μmである鉄炭素系焼結合金の、少なくとも表層部の気孔内に、シリコーン樹脂または固体潤滑剤粒子を分散させたシリコーン樹脂を固着させることによって気孔を狭隘化し、かつ通気度が２０〜４５×１０^-3 μ m ²である部材の気孔に潤滑油を含浸したことを特徴とする内燃機関用焼結合金製バルブガイドに関するものである。
【０００５】
【作用】
通常、焼結合金の密度比はその材料強度と相関関係を有する。本発明の対象であるバルブガイドの強度としては、圧環強さとして約５０kgf/mm²以上の値が必要であり、それに対応する密度比は約８０％以上（気孔率２０体積％以下）である。
また、通気度は４５×１０^-3 μｍ ^２より大きいと、通油性がよすぎるために、エンジンの排気ガス中に潤滑油が漏出し白煙が増加すると共に、潤滑油の消費量が増大する。一方、通気度が２０×１０^-3 μｍ ^２より小さいと、摺動面に潤滑油の供給が少なくなり、バルブガイドの摩耗および焼付きが生じ易くなる。
【０００６】
合金の製造に用いる鉄粉の粒度は、従来の通常のものでは、−８０〜１４５メッシュ（約１０５〜１７７μｍ未満）が約２０重量％、−１４５〜３２５メッシュ（約４４〜１０５μｍ未満）が約５５重量％、−３２５メッシュ（約４４μｍ未満）が２５重量％程度である。このような鉄粉を用いた焼結体の通気度は、密度６.０g/cm³で約６０×１０^-3 μｍ ^２、６.２g/cm³で約３０×１０^-3 μｍ ^２、６.６g/cm³で約８×１０^-3 μｍ ^２となる。
鉄粉の微粉を少なくした粗粒の粉末を用いると、気孔の通路が大きくなり、通気度が高くなる。例えば、従来の粒度２００メッシュ篩上の鉄粉のみを用いた焼結合金は、密度６.２g/cm³で通気度が約５０×１０^-3 μｍ ^２となる。また、６０メッシュと１２０メッシュの間の粒度（約１２５〜２５０μｍ）の鉄粉を用いたものは、密度６.０g/cm³で通気度が約１８０×１０^-3 μｍ ^２、６.４g/cm³で約６０×１０^-3 μｍ ^２、さらに６.６g/cm³で約３０×１０^-3 μｍ ^２なる。
【０００７】
このように、鉄炭素系焼結合金のスケルトンは、大きい気孔を形成するために粗い粉末粒子で構成される。但し、過度に粗い鉄粉を用いると、焼結体の表面が粗くなり過ぎ、焼結において添加元素と合金化させるための時間が長くなり、また、焼結体の強度も低下するので、２５０μｍ以下（６０メッシュ篩下）とすることが望ましい。従って、鉄粉末の粒度は７４μｍ以上（２００メッシュ篩上）から２５０μｍ以下（６０メッシュ篩下）の間とし、好ましくは約１０５μｍ以上（１４５メッシュ篩上）から２５０μｍ以下（６０メッシュ篩下）とする。なお工業上は細粉の混入を避け得ないので、７４μｍ未満の鉄粉が５％程度含まれていても、前記と同様な通気性を得るためには許容される。上述の鉄粉の粒径は、焼結合金マトリックスの粉末粒子径にほぼ対応するが、焼結合金の断面顕微鏡組織では、切断面が粒子の中心付近を通らないものは径が小さく観察されるので、細粉の量と合わせて７４μｍ以下の粒子は合金マトリックスの約１０面積％程度に観察されることがある。
【０００８】
上記のように、第１の発明の焼結合金製バルブガイドは、合金マトリックスの粉末粒径の９５％以上が７４〜２５０μｍの鉄炭素系焼結合金であり、必要な強度にするために密度比は８０％以上であり、通気度は潤滑性の観点から２０×１０^-3 μｍ ^２以上で、かつ潤滑油の消耗防止の観点から４５×１０^-3 μｍ ^２以下であって、さらに通気度２０×１０^-3 μｍ ^２以上の条件を満足し、かつ密度比が８６.５％以下のものである。
【０００９】
次に第２の発明は、前記と同様の合金マトリックスの粉末粒径の９５％以上が７４〜２５０μｍで、気孔が従来より大きく、必要な強度を有する密度比８０％以上の鉄炭素系焼結合金に、樹脂をある程度含浸させて気孔内で固化し、通気度を前記と同様に２０〜４５×１０^-3 μｍ ^２に調整したバルブガイドに係るものであり、潤滑油の消耗を少なくし排気ガスの白煙化を防止すると共に、樹脂が固体潤滑剤の作用を呈し耐焼付き性を向上させることができる。
樹脂としては、耐熱性、耐油性および摺動特性に優れたシリコーン樹脂が好適である。シリコーン樹脂は溶剤で溶解した液状のものを使用し、それを含浸させ常温または加熱して固化させる。シリコーン樹脂はバルブガイド部材全体に含浸させてもよいが、含浸する樹脂液の粘度、含浸圧力および時間を調節して、表面層のみに含浸しても同様な効果が得られる。
樹脂は、アルキド、ポリエステル、エポキシ、ウレタン樹脂などで変性した変性シリコーン樹脂でもよい。また、樹脂溶液中に二硫化モリブデン、二硫化タングステン、黒鉛、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの固体潤滑剤粒子を分散させ、同様に含浸、固化させたものは、耐焼付き性が一層良好となる。
【００１０】
合金マトリックスの粒子径が大きく気孔も大きい焼結合金は、樹脂含浸の作業性や通気度の制御が容易である。
樹脂を含浸すると、焼結合金の気孔が狭隘になり通気性が低下する。樹脂を含浸する焼結合金製バルブガイドの密度比が８６.５％以上では、合金マトリックスの粒子径を大きくしても、通気度が２０×１０^-3 μｍ ^２未満となり、これに樹脂含浸しても通気度の値が不適当である。従って、耐摩耗性の効果が認められる樹脂量の０.５体積％以上を含むことができ、且つ通気度が２０×１０^-3 μｍ ^２以上となるような焼結合金の密度比は８６％以下である。
上記のような第２の発明のバルブガイドは、合金マトリックスの粉末粒径、密度比の下限値および通気度等は第１の発明と同一であって、通気度が２０〜４５×１０^-3 μｍ ^２になるように、気孔内に樹脂を充填したものである。
【００１１】
【実施例】
以下に、実施例により本発明をさらに説明する。なお、配合比、組成などは重量基準で表す。
＜試料の作製＞
−１００メッシュのＣｕ−１０％Ｓｎアトマイズ合金粉、２５０メッシュのＦｅ−２０％Ｐ搗砕粉、天然黒鉛粉、ステアリン酸亜鉛粉および鉄粉を用意した。
鉄粉は、市販の通常の−１００メッシュの粒度のアトマイズ鉄粉（以下Ａ鉄粉）と、前記アトマイズ鉄粉を２００メッシュ篩で分篩して篩下を除去した粗粉（粒度が約７４〜１４９μｍ、以下Ｂ鉄粉）、およびアトマイズ鉄粉の６０メッシュと１４５メッシュとの間の更に粗い粉末（粉末粒度が約１０５〜２５０μｍ、以下Ｃ鉄粉）の３種類である。
各鉄粉毎に焼結体の組成が、Ｃ２％、Ｃｕ４.５％、Ｓｎ０.５％、Ｐ０.３％、残部Ｆｅになるようにそれぞれの粉末を混合し、各種の密度になるように円筒形状に圧粉成形し、還元性ガス中で、温度１０００℃で焼結した。焼結体マトリックスの金属組織は、前述の特開昭５１−１１９４１９号公報に記載された合金と同様であり、通常の鉄粉Ａを用いた材料の粒子および気孔の大きさに比べ、鉄粉の粒度が粗いものほど粒子および気孔が大きく、気孔と気孔とが連通した部分も多い。
【００１２】
＜試験１：密度比と圧環強さ＞
これらの焼結体の密度比および圧環強さを表１に示す。
表１に示す結果から解るように、密度比が高くなると圧環強さは増大する。また、圧環強さは鉄粉の粒度が変化しても大きな差を示さない。さらに、必要強度を５０kgf/mm²としたときの密度比は８０％であり、これを密度比の下限値とする。
【００１３】
【表１】

【００１４】
＜試験２：密度比と通気度の関係＞
前記焼結体の通気度を測定した結果を図１に示す。
同図から解るように、粒度が粗い鉄粉を用いた焼結体ほど、通気性が良い。また、密度比が高くなると通気度が低下する。さらに、目標とする通気度２０×１０ ^-3 μｍ ^２以上とするには、鉄粉 C の場合に密度比を８６ . ５％以下とすればよいことが解る。
【００１５】
＜試験３：通気度と油透過性の関係＞
図２は油透過量測定装置の概略縦断面図である。
前記の焼結体に潤滑油を含浸したバルブガイド試料１の一端の内径を栓２で閉鎖し、ホルダー３に圧入して、油４を入れた油槽５にセットした。油槽５の下には減圧タンク６を取り付けて、圧力を４００mmHgにして所定の時間保持し、試料１から垂れ落ちた油を容器７に受け、その重量を測定した。
試料の通気度と油透過量との関係を表２に示す。鉄粉の粒度に関係なく、通気度と油透過量とはほぼ比例関係にある。また、通気度が２０×１０^-3 μｍ ^２より低いものは油の透過性が甚だしく悪いことが解る。以上より、通気度２０×１０ ^-3 μｍ ^２以上の効果が確認された。
【００１６】
【表２】

【００１７】
＜試験４：耐焼付き性＞
次に、前記の各焼結体試料をリーマで内径寸法を整え、バルブステムを装着して回転しながら荷重を加え、試料に焼付きを生じたときの荷重を求めた。
試験方法は、７×１２×５０ｍｍの円筒状のバルブガイドを水冷ジャケットが付いたハウジングに圧入固定し、バルブガイドの一端側をガスバーナーで加熱して温度を５５０℃とし、バルブガイドの他端側にはタービン油を注いだ。バルブステムは３０００ｒｐｍで回転させながら軸と直角方向に荷重を加え、試料の摺動面に焼付きを生じているものの荷重を焼付き荷重とした。
図３に各試料の焼結体の通気度と焼付き荷重の関係を示す。鉄粉の粒径が大きく通気度の高いものが焼付き荷重が高く、表２に示した油透過量に基づく油潤滑性能と相関関係があることが解る。
図３によれば、通気度が２０×１０^-3 μｍ ^２より低くなると焼付き荷重が急に低下することから、通気度は２０×１０^-3 μｍ ^２以上でなければならないことが解る。また、鉄粉Ａの試料の通気度２０×１０^-3 μｍ ^２と３０×１０^-3 μｍ ^２のものは、焼付き荷重が高いが、通気度が僅かに変化しても焼付き荷重が急に低下する不安定な状態であり好ましくない。
一方、焼付き荷重が高くても、通気度が４５×１０^-3 μｍ ^２を越える試料は、表２で示したように潤滑油消費量が多いので好ましくない。
【００１８】
＜試験５：模擬エンジン試験＞
表１に示した試料のうち、密度が６.２g/cm³と６.６g/cm³の鉄粉Ａ、Ｂ、Ｃの夫々を、バルブガイドの所定寸法形状に加工し、夫々を４気筒ガソリンエンジンの排気側に組み込んで運転を行なった。前記の試験結果と同様に、通気度が２０×１０^-3 μｍ ^２より低い鉄粉Ａと鉄粉Ｂの密度６.６g/cm³のものは、通気度の高い他の試料よりも摩耗量が大きくなった。また、通気度４７×１０^-3 μｍ ^２の鉄粉Ｂの密度６.２g/cm³のものはオーバーヘッド側から供給する油の消費量が多く、更に通気度が高い鉄粉Ｃの密度６.２g/cm³のものは排気ガスの白煙が目立った。
以上に記載したような結果から、通気度は、油潤滑性および耐焼付き性の点から２０×１０^-3 μｍ ^２以上で、潤滑油消費の点から４５×１０^-3 μｍ ^２以下がよいことが解る。
【００１９】
＜試験６：樹脂含有試料の焼付き荷重＞
次に、表１に示した焼結体試料のうち、鉄粉Ａ、Ｂ、Ｃの密度が６.２g/cm³のものと、鉄粉Ｃの密度６.４g/cm³および６.６g/cm³のものにシリコーン樹脂液を含浸させ加熱硬化した試料を、前記の試験４と同様な方法で焼付き荷重を求めた。表３に通気度、樹脂含有量、焼付き荷重を示す。
樹脂の含有量は、部材の摺動面を研磨して顕微鏡で観察し、気孔を含む全視野中の樹脂部分の面積を測定し、それを体積％とした。
【００２０】
【表３】

【００２１】
試料１は、従来の合金に樹脂を含浸したものであるが、気孔が小さいために樹脂が気孔を封鎖し易く、含浸硬化後の通気度がすぐに低くなって、樹脂の潤滑効果が発揮されずに焼付きが却って起り易くなっている。
試料２から５において、樹脂を含浸した試料の通気度が２０×１０^-3 μｍ ^２以上になるように樹脂を含浸したものの焼付き荷重は、図３に示した樹脂を含まないものより焼付き荷重が２〜４kgf高くなっていることが解る。樹脂の潤滑効果と適度な油潤滑効果によるものである。
樹脂量は、試料３のように、通気度が最も高い焼結体で、樹脂含浸硬化後の通気度が最低限度の２０×１０^-3 μｍ ^２以上になる量が５体積％になる。また、試料５から、樹脂量が０.５体積％でも焼付き性荷重が増加することを示している。
従って、密度比の上限値８６％は、図１に示すように、最小の樹脂量０.５体積％を含んでも、通気度の下限値２０×１０^-3 μｍ ^２になるような気孔を持つ焼結体の密度比、すなわち８６ . ５−０ . ５＝８６％である。
【００２２】＜試験７：固体潤滑剤の効果＞表３の試料番号４と同じ焼結体に、二硫化タングステン粉を１０重量％分散させたシリコーン樹脂を２体積％含浸したバルブガイドについて耐焼付き性試験を行なった。焼付き荷重はシリコーン樹脂単体の場合よりも２kgf高くなった。
【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のバルブガイドは、適度な通油性があり、必要により気孔内にシリコーン樹脂を含むのであって、油潤滑と樹脂潤滑とによって焼付きが起こり難く、潤滑油の消費量が少ないものであるから、内燃機関の性能向上に寄与することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】焼結体の密度と通気度との関係を示すグラフである。
【図２】焼結体の油透過量測定装置の縦断面図である。
【図３】焼結体の通気度と焼付き荷重との関係を示すグラフである。
【符合の説明】
１試料
２栓
３ホルダー
４油
５油槽
６減圧タンク
７容器

Claims

密度比が８０〜８６.５％の鉄炭素系焼結合金からなり、合金マトリックスの粉末粒子径の９５％以上が７４〜２５０μmで、通気度が２０〜４５×１０^-3 μ m ²であり、かつ潤滑油が気孔に含浸されていることを特徴とする内燃機関用焼結合金製バルブガイド。
密度比が８０〜８６％で、合金マトリックスの粉末粒子径の９５％以上が７４〜２５０μmである鉄炭素系焼結合金の、少なくとも表層部の気孔内に、シリコーン樹脂または固体潤滑剤粒子を分散したシリコーン樹脂を固着することによって気孔を狭隘化してなり、かつ通気度が２０〜４５×１０^-3 μ m ²であり、潤滑油が気孔に含浸されていることを特徴とする内燃機関用焼結合金製バルブガイド。