JP5225683B2 - 銅−亜鉛合金の使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載された銅−亜鉛合金の使用に関する。

銅−亜鉛合金または焼結鋼合金は、内燃機関のバルブガイドとして使用されている。しかしながら、Ｃｕ−Ｚｎ合金の特性は、新しいＦＳＩエンジンにおいて使用されるバルブガイドに課される要求をもはや満足していない。これらのエンジンでは、バルブガイドの使用温度は３００℃を超える。しかしながら、現在使用されている銅−亜鉛合金は、この温度において軟化する。同じような不都合な影響が焼結鋼合金にもみられる。焼結鋼合金は、同様に３００℃を超える温度において軟化し、加えて、硬度が大幅に変化する。さらに、焼結鋼合金を生産する費用は、粉末冶金製造法となるため、高くなる。

このため、これらの要因が与えられることにより、本発明はバルブガイドとして使用される銅−亜鉛合金を供給する問題に基づいている。銅−亜鉛合金は、生産するために単一相をもつ間、特に高温において、バルブガイドの材料に課された要求を満足している。

本発明によれば、バルブガイドとして以下の銅−亜鉛合金を使用することにより、目的は達成される。この合金は、５９％以上７３％以下の銅と、２．７％以上８．３％以下のマンガンと、１．５％以上６％以下のアルミニウムと、０．２％以上４％以下のケイ素と、０．２％以上３％以下の鉄と、０％以上２％以下の鉛と、０％以上２％以下のニッケルと、０％以上０．２％以下の錫とを含有し、残部は亜鉛および不可避的不純物からなっている。

上述の％と以下に述べる％は、詳しくは重量％（質量％）である。

そのため、本発明は、銅−亜鉛合金の新しい使用を特徴としている。ＤＥ ２９ １９ ４７８ Ｃ２で述べられた類似する合金は、シンクロナイザーリング合金として使用され、高い摩擦係数を有している。この使用においては、できる限り摩擦力を低くすることが必要とされるため、これまで、バルブガイドとして使用される材料にとって、摩擦係数が高いことは障害になると考えられていた。

良好な耐熱性に加えて、上述した銅−亜鉛合金は意外に高温強度が高く、この高温強度が、良好な耐摩耗性と組み合わせられることにより、バルブガイドとして使用されることが実質的に可能となる。材料の特性のこの意外な組み合わせにより、バルブガイドとしての新しい方法において公知の合金を使用することがオプションとして提供される。最新のエンジンにおいてバルブガイドとして使用するためには、３００℃を超えても高い耐熱性と良好な耐摩耗性との組み合わせが要求され、このうち耐摩耗性は、バルブタペットに負荷される横方向の力を受けるために必要とされる。これら他の特性が優れているために、摩擦係数が高いということを無視することができる。このため、これまで専門分野において共通認識とされていた先入観が、本発明により乗り越えられる。

バルブガイドが、半連続的または完全連続的な鋳造、押し出し加工、および引き抜き加工、すなわち熱間成形および冷間成形によってロッド形状に製造されることにより、製造を成功させ容易にさせる要求が考慮される。

合金は、α固溶体成分とβ固溶体成分とを含む微細構造を有している。

利点を有する改良において、バルブガイドとして使用される銅−亜鉛合金は、７０％以上７３％以下の銅と、６％以上８％以下のマンガンと、４％以上６％以下のアルミニウムと、１％以上４％以下のケイ素と、１％以上３％以下の鉄と、０．５％以上１．５％以下の鉛と、０％以上０．２％以下のニッケルと、０％以上０．２％以下の錫とを含有し、残部は亜鉛および不可避的不純物からなっている。

ＤＥ ２９ １９ ４７８ Ｃ２に従って製造され精製された合金の微細構造は、６０％以上８５％以下のα相を含むαおよびβ固溶体母材からなり、体心立方β相は基部母材を呈し、面心立方α相は微細に分散された形状となるように分配している。また、微細構造は、硬質の金属間化合物、例えば、鉄−マンガンのケイ素化合物を含んでいる。このα相により合金の安定性が決まる。

この合金から製造されるバルブガイドは、意外に高い耐摩耗性を有し、焼結鋼よりもさらに高い耐摩耗性を有している。特に、前述の合金から製造されるバルブガイドは、その乾燥摩擦摩耗によって、高純度燃料、すなわち、鉛または硫黄が含まれない燃料を必要とするエンジンに使用することが可能になる。それは、これらの添加物が含まれないことを理由として摩耗を減少させる効果を付加させることが、不要となるからである。このことは、ＦＳＩエンジンにおけるバルブガイドの使用温度となる３００℃付近の温度において特に好都合となる。

バルブガイドとしてこの合金を使用するさらなる利点は、今まで使用されていた銅−亜鉛合金は、早ければ１５０℃で軟化が始まる一方で、４３０℃を超えた温度において合金が軟化する。このため、安定した硬度レベルが、３００℃を超える要求動作範囲においても達成されるということである。硬度に関連する降下は、１５０℃から始まり、焼結鋼合金の硬度の降下は、３００℃から開始する。

有利な代替手段において、本発明の請求項にかかる銅−亜鉛合金は、６９．５％以上７１．５％以下の銅と、６．５％以上８％以下のマンガンと、４．５％以上６％以下のアルミニウムと、１％以上２．５％以下のケイ素と、１％以上２．５％以下の鉄と、０．５％以上１％以下の鉛と、０％以上０．２％以下のニッケルと、０％以上０．２％以下の錫とを含有し、残部は亜鉛および不可避的不純物からなっている。

慣習的な方法において製造された合金の微細構造は、微細に分散された形状に分配されたα相が最大８０％を占めるαおよびβ固溶体母材を含んでいる。また、微細構造は、硬質の金属間化合物、例えば鉄―マンガンのケイ素化合物を含んでいる。

バルブガイドとして前述の合金を使用することは、これまでバルブガイドとして使用されていた従来の銅−亜鉛合金の２倍となる高温引張り強さを有しているため、特に好都合である。さらに、高い軟化温度、高い強度および高い耐摩耗性を含む好都合な特性がある。

バルブガイドとして使用される好都合な銅−亜鉛合金は、６０％以上６１．５％以下の銅と、３％以上４％以下のマンガンと、２％以上３％以下のアルミニウムと、０．３％以上１％以下のケイ素と、０．２％以上１％以下の鉄と、０％以上０．５％以下の鉛と、０．３％以上１％以下のニッケルと、０％以上０．２％以下の錫とを含有し、残部は亜鉛および不可避的不純物からなっている。

類似の方法において製造された前記合金の微細構造は、β固溶体の基部母材を含み、β固溶体に針状およびリボン状に形成されたα析出物が埋め込まれている。また、微細構造は、不規則に分散されたマンガン−鉄のケイ素化合物を含んでいてもよい。

この合金からなるバルブガイドは、焼結鋼よりもさらに著しく高い耐摩耗性を有している。特に、前述の合金からなるバルブガイドは、その乾燥摩擦摩耗により、高純度の燃料、すなわち、鉛または硫黄が含まれない燃料を必要とするエンジンに使用することが可能になる。それは、これらの添加物が含まれないことを理由として摩耗を減少させる効果を付加させることが、不要となるからである。このことは、ＦＳＩエンジンにおけるバルブガイドの使用温度となる３００℃付近の温度において特に好都合となる。

さらに、バルブガイドとしての使用にとって好都合な前記合金の特性には、軟化温度が高いことおよび高温引張り強さが高いことが含まれる。

利点を有する改良において、クロム、バナジウム、チタン、あるいはジルコニウム元素のうちの少なくとも一つを最大０．１％だけ付加的に含む銅−亜鉛合金が、バルブガイドとして使用される。

銅−亜鉛合金にこれらの元素を付加すると、結晶粒が微細化される。

さらに、バルブガイドとして使用される銅−亜鉛合金は、濃度が０．０００５％以下のホウ素、０．０３％以下のアンチモン、０．０３％以下のリン、０．０３％以下のカドミウム、０．０５％以下のクロム、０．０５％以下のチタン、０．０５％以下のジルコニウム、０．０５％以下のコバルト元素のうちの少なくとも一つを付加的に含有していても良い。

多くの典型的な実施例について、表１を参照しながら以下に詳細に説明する。

現在、焼結鋼、および、５６％以上６０％以下の銅と、０．３％以上１％以下の鉛と、０．２％以上１．２％以下の鉄と、０％以上０．２％以下の錫と、０．７％以上２％以下のアルミニウムと、１％以上２．５％以下のマンガンと、０．４％以上１％以下のケイ素とを含有し、残部は亜鉛および不可避的不純物によりおおよそ構成された銅−亜鉛合金は、熱応力が比較的低いとされるバルブガイドの材料として使用される。以下では、このタイプの合金を標準合金とする。合金１は、７０％以上７３％以下の銅と、６％以上８％以下のマンガンと、４％以上６％以下のアルミニウムと、１％以上４％以下のケイ素と、１％以上３％以下の鉄と、０．５％以上１．５％以下の鉛と、０％以上０．２％以下のニッケルと、０％以上０．２％以下の錫と、を含有し、残部は亜鉛および不可避的不純物からなる銅−亜鉛合金に該当する。合金２は、６０％以上６１．５％以下の銅と、３％以上４％以下のマンガンと、２％以上３％以下のアルミニウムと、０．３％以上１％以下のケイ素と、０．２％以上１％以下の鉄と、０％以上０．５％以下の鉛と、０．３％以上１％以下のニッケルと、０％以上０．２％以下の錫と、を含有し、残部は亜鉛および不可避的不純物からなる銅−亜鉛合金に該当する。

さまざまな物質の軟化特性は、５００℃まで温度を上昇させて試験されている。これらの試験では、ちょうど１００℃の温度から始めて、バルブガイドの標準合金の硬度が、１９５ＨＶ５０からちょうど１５０ＨＶ５０へ、大幅にかつ連続的に減少している。焼結鋼の場合には、３００℃を超える対応する温度領域において、１９５から１３０ＨＶ５０という低いレベルまで硬度が大幅に減少し、温度が上昇するにつれて断続的に硬度が上昇したり下降したりして硬度が変動する。それに反して、合金２の硬度は、おおよそ１０％高く（２２４ＨＶ５０）なり、３５０℃を超えると約１７０ＨＶ５０に落ち込む。４５０℃を超えると焼結鋼の硬度は、室温における硬度となる。標準合金と比較すると、合金２の硬度は、通常、標準合金の高度を十分に超えている。それに反して、合金１は、温度が３５０℃へと上昇するにつれて、硬度が２２４から２８０ＨＶ５０へと著しく増大している。焼結鋼と比較すると、合金１は、１４０ＨＶ５０だけ高い硬度を有している。そのため、ＦＳＩエンジンにおけるバルブガイドの使用温度に相当する温度において合金１の硬度は最大になる。市場の材料と比較して合金１および合金２が有する硬度が高いことは、一方でより高い初期硬度に起因し、他方でさらなる硬化に起因している。

電気伝導率は、熱伝導率の一つの指標として使用され、良好な熱伝導率を示している。標準合金の電気伝導率は、１１ｍ／Ωｍｍ^２である。合金２は７．５ｍ／Ωｍｍ^２という良好な電気伝導率を有し、標準合金よりも約４分の１少ないだけである。合金１の電気伝導率は、４．６ｍ／Ωｍｍ^２である。これは、焼結鋼（３．１ｍ／Ωｍｍ^２）よりも電気伝導率または熱放散が約４８％高いことを示している。そのため、合金１および合金２の熱放散は、焼結鋼よりも著しく良好である。

摩耗特性は、潤滑した場合と潤滑しない場合とにおいて試験された。潤滑した場合には、焼結鋼が最も高い耐摩耗性（２５００ｋｍ／ｇ）を有している。合金１はさらに、１４７０ｋｍ／ｇという優れた耐摩耗性を有している。これは、１２６ｋｍ／ｇである標準合金の耐摩耗性よりも１０倍以上高い。潤滑した場合における合金２の耐摩耗性は、似たような大きさ（９４ｋｍ／ｇ）となっている。

しかしながら、潤滑しない場合における摩耗特性に関しては、合金１および合金２は、焼結鋼および標準合金よりも著しく好都合である。焼結鋼は３１２ｋｍ／ｇの摩耗特性を有し、標準合金の摩耗特性である３５７ｋｍ／ｇにおおよそ一致している。合金２の乾燥摩耗特性は４１７ｋｍ／ｇであり、標準合金および焼結鋼よりも著しく良好である。言い換えれば、摩耗は著しく低減されている。合金１は、さらに、焼結鋼の２倍となる６２５ｋｍ／ｇの耐摩耗性を有している。エンジンによって課される純度の増した燃料、すなわち、鉛または硫黄が含まれない燃料のために、”ブローバイ（blow by）“として知られている、つまり、将来、添加するレベルが減らされる燃料自体によって潤滑がなされ、摩耗を減らす効果が無くなることにより、乾燥摩耗特性が低いことによって、合金１および合金２は特有の効果をもつ。

高温引張り強さは、３５０℃における引張り試験により定められた。標準合金の高温引張り強さは、１８０Ｎ／ｍｍ^２である。比較として、合金１の高温引張り強さは２倍（３８４Ｎ／ｍｍ^２）になる。合金２の高温引張り強さは、標準合金よりも約３５％高く、２４３Ｎ／ｍｍ^２になる。

合金１および合金２は、半連続的または連続的な鋳造、押し出し加工、引き抜き加工、およびひずみ取りによって製造されることが好ましい。

合金２と、特に合金１は、バルブガイド合金として使われていた従来の標準合金よりも、また焼結鋼と比較しても明らかな利点を有している。これらの利点は、高温引張り強さ、軟化温度、強度、および耐摩耗性に関連している。さらに、伝導度も十分であり、その結果、これらの合金は、新世代エンジンに使用される高い使用温度において材料に課される要求を満たすことにより、バルブガイドとして使用するためにかなり改良されたことを意味する。

表１は、比較のために標準的な銅−亜鉛合金、焼結鋼合金、合金１および合金２の材料特性を示したものである。

Claims (2)

1. バルブガイド用の銅−亜鉛合金の使用方法において、
   銅−亜鉛合金は、７０質量％以上７３質量％以下の銅と、６質量％以上８質量％以下のマンガンと、４質量％以上６質量％以下のアルミニウムと、１質量％以上４質量％以下のケイ素と、１質量％以上３質量％以下の鉄と、０．５質量％以上１．５質量％以下の鉛と、０質量％以上０．２質量％以下のニッケルと、０質量％以上０．２質量％以下の錫と、を含有し、
   残部は亜鉛および不可避的不純物からなることを特徴とする銅−亜鉛合金の使用方法。
2. 銅−亜鉛合金は、クロム、バナジウム、チタン、あるいはジルコニウム元素のうちの少なくとも一つを最大０．１質量％だけ付加的に含むことを特徴とする請求項１に記載の銅−亜鉛合金の使用方法。