JP7258601B2 - 熱引け性に優れた内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート - Google Patents
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(1)アルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入される内燃機関用バルブシートであって、
鉄基焼結合金製で、機能部材側層のみの単層からなり、該機能部材側層の空孔にはCuが溶浸されてなり、さらに、前記バルブシートの少なくとも外周面にはめっき膜を有し、熱引け性に優れることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(2)(1)において、前記機能部材側層には、バルブ当たり面が形成され、該機能部材側層の300℃における熱伝導率が25W/m・K以上であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(3)アルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入される内燃機関用バルブシートであって、
鉄基焼結合金製で、機能部材側層と支持部材側層との2層を一体化してなり、前記機能部材側層および前記支持部材側層の空孔にはCuが溶浸されてなり、さらに、前記バルブシートの少なくとも外周面にはめっき膜を有し、熱引け性に優れることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(4)(3)において、前記機能部材側層には、バルブ当たり面が形成され、該機能部材側層の300℃における熱伝導率が25W/m・K以上で、かつ前記支持部材側層の300℃における熱伝導率が60W/m・K以上であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(5)(1)ないし(4)のいずれかにおいて、前記めっき膜が、厚さ:1~100μmで、ビッカース硬さHVで硬さ:50~300HVを有するめっき膜であり、かつ該めっき膜の硬さが、ビッカース硬さHVで、前記シリンダヘッドの硬さの1.05~4.5倍の範囲を満足することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(6)(5)において、前記めっき膜の表面粗さが、JIS B 6010-1994の規定に準拠して算術平均粗さRaで、0.1~1.6μmであることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(7)(1)ないし(6)のいずれかにおいて、前記めっき膜が、銅めっき膜または錫めっき膜であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(8)(1)ないし(7)のいずれかにおいて、前記バルブシートの外周面の少なくとも1箇所に粗面化領域として、円周方向に延在する凹部と凸部とが隣接してなる凹凸を前記円周方向に垂直な方向に複数列有する凹凸混合部を有し、前記粗面化領域を、前記外周面の全域に対する面積率で合計で0.3%以上有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(9)(8)において、前記凹凸混合部が、前記外周面に対し垂直な方向から観察して、圧入方向に三角形状を呈し、かつ圧入方向に向く該三角形状の頂点が、頂角:10~150°であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(10)(3)ないし(9)のいずれかにおいて、前記機能部材側層が、バルブシート全量に対する体積%で、10~40%であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(11)(1)ないし(10)のいずれかにおいて、前記機能部材側層が、基地相中に硬質粒子を分散させた基地部と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記基地相が、基地相全量に対する体積%で、15%以上の微細炭化物析出相と、0%を含み80%未満の焼戻マルテンサイト相、またはパーライト、マルテンサイト相および高合金相とからなる基地相組織を有し、前記基地部が、前記基地相中に、ビッカース硬さで600~1200HVの硬さを有する前記硬質粒子を、基地部全量に対する体積%で、10~30%分散させてなる基地部組織と、該基地部全量に対する質量%で、C:0.5~2.0%を含み、Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、Ca、F、Cu、Mgのうちから選ばれた1種または2種以上を合計で45%以下含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成と、を有し、さらに前記空孔に溶浸で充填されたCuを、機能部材側層全量に対する体積%で、10~35%含む層であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(12)(3)ないし(11)のいずれかにおいて、前記支持部材側層が、基地相と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記基地相が、該基地相全量に対する質量%で、C:0.5~2.0%を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地相組成を有し、さらに前記空孔に溶浸で充填されたCuを、支持部材側層全量に対する体積%で、15~35%含む層であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(13)(11)において、前記機能部材側層が、前記基地部組織に加えてさらに、固体潤滑剤粒子を前記基地部全量に対する体積%で、0.1~5.0%分散させてなる基地部組織を有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(14)(12)において、前記支持部材側層が、前記基地相組成に加えてさらに、前記基地相全量に対する質量%で、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、Cu、Coのうちから選ばれた1種または2種以上を合計で10%以下含む基地相組成を有することを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
(15)(12)において、前記支持部材側層に代えて、前記支持部材側層が、基地相と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記基地相中に固体潤滑剤粒子を分散させてなる基地部を有し、該固体潤滑剤粒子を、該基地部全量に対する体積%で、0.1~4.0%分散させてなる基地部組織と、前記基地部全量に対する質量%で、C:0.5~2.0%を含み、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、Ca、F、Cu、Co、Mgのうちから選ばれた1種または2種以上を合計で15%以下含む基地部組成を有し、さらに前記空孔に溶浸で充填されたCuを支持部材側層全量に対する体積%で、15~35%含む層であることを特徴とする内燃機関用鉄基焼結合金製バルブシート。
Cは、バルブシート(焼結体)の強度を増加させ、焼結時に金属元素の拡散を容易にする元素であり、本発明バルブシートの機能部材側層では、0.5%以上含有させることが好ましい。一方、2.0%を超える含有は、基地中にセメンタイトを生成しやすくするとともに、焼結時に液相が発生しやすくなり、寸法精度が低下する。このようなことから、Cは0.5~2.0%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.75~1.75%である。
Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、Ca、F、Cu、Mgはいずれも、バルブシート(焼結体)の強度を増加させ、さらには耐摩耗性を向上させる元素であり、基地相、硬質粒子、あるいはさらには固体潤滑剤粒子を含め、必要に応じて1種又は2種以上、好ましくは合計で10%以上、含有できる。一方、これらの元素を、合計で45%を超えて含有すると、成形性が低下し、さらにバルブシートの圧環強さが低下する。このため、機能部材側層では、Co、Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、Ca、F、Cu、Mg のうちから選ばれた1種または2種以上を合計で45%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは35%以下である。
Cは、バルブシート(焼結体)の強度、硬さを増加させる元素であり、本発明バルブシートとして所望の強度、硬さを確保するために、0.5%以上含有させることが好ましい。一方、2.0%を超える含有は、基地中にセメンタイトを生成しやすくするとともに、焼結時に液相が発生しやすくなり、寸法精度が低下する。このようなことから、Cは0.5~2.0%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.75~1.75%である。
Mo、Si、Cr、Ni、Mn、W、V、S、Cu、Coはいずれも、支持部材側層の強度、硬さを増加させる元素であり、必要に応じて選択してさらに1種または2種以上含有できる。このような効果を得るためには、合計で10%以下、含有することが好ましい。これら元素の含有量が合計で10%を超えると、成形性が低下し、また強度も低下する。これらの元素は、熱伝導性を阻害するため、熱伝導性向上の観点からはできるだけ含有しないことが好ましい。このため、含有する場合は、合計で10%以下に限定した。
原料粉として、表1に示す原料粉(鉄系粉末、合金元素用粉末、硬質粒子粉末、固体潤滑剤粒子粉末)を、表1に示す配合量で配合し、混合、混錬し、各種の機能部材側層用の混合粉とした。また、表2に示す原料粉(鉄系粉末、合金元素用粉末、固体潤滑剤粒子粉末)を、表2に示す配合量で配合し、混合、混錬し、各種の支持部材側層用の混合粉とした。なお、使用した各種鉄系粉末の組成を表3に、また、使用した各種硬質粒子粉末の組成を表4に示す。
試験温度 :270℃、
試験時間 :8hr、
カム回転数 :3000rpm、
バルブ回転数 :20rpm、
バルブ材質 :窒化バルブ、
熱源 :LPG。
得られたバルブシートを、図2に示す単体リグ試験機に装着し、所定の温度に加熱し、バルブとバルブシートとを下記条件で接触させながら、当り面の温度を、図3に示す位置のバルブ側で測定した。温度測定は熱電対を用いた。なお、熱源をバルブシートNo.1の着座面の温度が250℃となる条件に調整して、各バルブシートを加熱した。なお、試験開始から1h経過したのちの温度で比較した。
カム回転数 :1000rpm、
バルブ回転数 :無、
バルブ材質 :窒化バルブ、
熱源 :LPG。
(実施例2)
実施例1で作製した焼結体No.1~No.3、No.6を用いた。なお、使用した焼結体の組成および組織は表5、表6に示す。これら焼結体に、切削、研削を施し、外径28.7mmφ×内径24.3mmφ×厚さ6.0mmのバルブシートとした。バルブシートの表面粗さは、Raで0.2μm狙いとした。
試験温度 :270℃、
試験時間 :8hr、
カム回転数 :3000rpm、
バルブ回転数 :20rpm、
バルブ材質 :窒化バルブ、
熱源 :LPG。
得られたバルブシートを、図2に示す単体リグ試験機に装着し、所定の温度に加熱し、バルブとバルブシートとを下記条件で接触させながら、当り面の温度を、図3に示す位置のバルブ側で測定した。温度測定は熱電対を用いた。なお、熱源をバルブシートNo.A1の着座面の温度が250℃となる条件に調整して、各バルブシートを加熱した。なお、試験開始から1h経過したのちの温度で比較した。
カム回転数 :1000rpm、
バルブ回転数 :無、
バルブ材質 :窒化バルブ、
熱源 :LPG。
3 熱源
4 バルブ
10 バルブシート
11 機能部材側層
12 支持部材側層
13 めっき膜
20 シリンダヘッド相当材
30 押し冶具
40 加熱手段
Claims (11)
- アルミニウム合金製シリンダヘッドと該アルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入される内燃機関用バルブシートとからなる内燃機関用構造体であって、
前記内燃機関用バルブシートが、鉄基焼結合金製で、機能部材側層のみの単層からなり、該機能部材側層の空孔にはCuが溶浸されてなり、さらに、前記バルブシートの少なくとも外周面にはめっき膜を有し、
前記めっき膜が、厚さ:1~100μmで、ビッカース硬さHVで硬さ:50~300HVを有するめっき膜であり、かつ該めっき膜の硬さが、ビッカース硬さHVで、前記シリンダヘッドの硬さの1.05~4.5倍の範囲を満足し、
前記機能部材側層が、基地相中に硬質粒子を分散させた基地部と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記基地相が、基地相全量に対する体積%で、15%以上の微細炭化物析出相と、0%を含み80%未満の焼戻マルテンサイト相、またはパーライト、マルテンサイト相および高合金相とからなる基地相組織を有し、前記基地部が、前記基地相中に、ビッカース硬さで600~1200HVの硬さを有する前記硬質粒子を、基地部全量に対する体積%で、10~30%分散させ、さらに、固体潤滑剤粒子を前記基地部全量に対する体積%で、0.1~5.0%分散させてなる基地部組織と、該基地部全量に対する質量%で、C:0.5~2.0%を含み、Co:11.75~20.79%、Mo:7.68~11.74%、Si:0.68~1.52%、Cr:3.25~4.58%、Mn:1.34~1.64%、W:2.38~3.81%、V:0.70~1.24%、S:0.64~0.73%を合計で44.14%以下含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成と、を有し、さらに前記空孔に溶浸で充填されたCuを、機能部材側層全量に対する体積%で、10~35%含む層であることを特徴とする内燃機関用構造体。 - 前記機能部材側層には、バルブ当たり面が形成され、該機能部材側層の300℃における熱伝導率が25W/m・K以上であることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用構造体。
- アルミニウム合金製シリンダヘッドと該アルミニウム合金製シリンダヘッドに圧入される内燃機関用バルブシートとかなる内燃機関用構造体であって、
前記内燃機関用バルブシートが、鉄基焼結合金製で、機能部材側層と支持部材側層との2層を一体化してなり、前記機能部材側層および前記支持部材側層の空孔にはCuが溶浸されてなり、さらに、前記バルブシートの少なくとも外周面にはめっき膜を有し、
前記めっき膜が、厚さ:1~100μmで、ビッカース硬さHVで硬さ:50~300HVを有するめっき膜であり、かつ該めっき膜の硬さが、ビッカース硬さHVで、前記シリンダヘッドの硬さの1.05~4.5倍の範囲を満足し、
前記機能部材側層が、基地相中に硬質粒子を分散させた基地部と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記基地相が、基地相全量に対する体積%で、15%以上の微細炭化物析出相と、0%を含み80%未満の焼戻マルテンサイト相、またはパーライト、マルテンサイト相および高合金相とからなる基地相組織を有し、前記基地部が、前記基地相中に、ビッカース硬さで600~1200HVの硬さを有する前記硬質粒子を、基地部全量に対する体積%で、10~30%分散させてなり、さらに、固体潤滑剤粒子を前記基地部全量に対する体積%で、0.1~5.0%分散させてなる基地部組織と、該基地部全量に対する質量%で、C:0.5~2.0%を含み、Co:11.75~20.79%、Mo:7.68~11.74%、Si:0.68~1.52%、Cr:3.25~4.58%、Mn:1.34~1.64%、W:2.38~3.81%、V:0.70~1.24%、S:0.64~0.73%を合計で44.14%以下含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成と、を有し、さらに前記空孔に溶浸で充填されたCuを、機能部材側層全量に対する体積%で、10~35%含む層であ
ることを特徴とする内燃機関用構造体。 - 前記機能部材側層には、バルブ当たり面が形成され、該機能部材側層の300℃における熱伝導率が25W/m・K以上で、かつ前記支持部材側層の300℃における熱伝導率が60W/m・K以上であることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関用構造体。
- 前記めっき膜の表面粗さが、JIS B 6010-1994の規定に準拠して算術平均粗さRaで、0.1~1.6μmであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の内燃機関用構造体。
- 前記めっき膜が、銅めっき膜または錫めっき膜であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の内燃機関用構造体。
- 前記バルブシートの外周面の少なくとも1箇所に粗面化領域として、円周方向に延在する凹部と凸部とが隣接してなる凹凸を前記円周方向に垂直な方向に複数列有する凹凸混合部を有し、前記粗面化領域を、前記外周面の全域に対する面積率で合計で0.3%以上有することを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の内燃機関用構造体。
- 前記凹凸混合部が、前記外周面に対し垂直な方向から観察して、圧入方向に三角形状を呈し、かつ圧入方向に向く該三角形状の頂点が、頂角:10~150°であることを特徴とする請求項7に記載の内燃機関用構造体。
- 前記機能部材側層が、バルブシート全量に対する体積%で、10~40%であることを特徴とする請求項3ないし8のいずれかに記載の内燃機関用構造体。
- 前記支持部材側層が、基地相と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記支持部材側層の前記基地相が、該基地相全量に対する質量%で、C:0.5~2.0%を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地相組成を有し、さらに前記支持部材側層の前記空孔に溶浸で充填されたCuを、前記支持部材側層全量に対する体積%で、15~35%含む層であることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関用構造体。
- 前記支持部材側層が、基地相と溶浸でCuが充填された空孔を含み、前記支持部材側層の前記基地相中に固体潤滑剤粒子を分散させてなる基地部を有し、前記支持部材側層の前記固体潤滑剤粒子を、前記支持部材側層の前記基地部全量に対する体積%で、0.1~4.0%分散させてなる基地部組織と、前記支持部材側層の前記基地部全量に対する質量%で、C:0.5~2.0%を含み、Mn:0.64~0.65%、S:0.34~0.36%を合計で1.01%以下含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地部組成を有し、さらに前記支持部材側層の前記空孔に溶浸で充填されたCuを前記支持部材側層全量に対する体積%で、15~35%含む層であることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関用構造体。
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