JPH03502216A - 銅ベースの焼結材料、その用途並びに該焼結材料から成形部材を製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 銅ベースの焼結材料、その用途並びに該焼結材料から成形部材を製造する方法 本発明は、成形部材を製造する為の、ベースメタル粉末から製造される、熱およ び機械的負荷、特に衝撃および摩擦に対して耐久性のある焼結材料に関する。更 に、本発明は初めに挙げた焼結材料の用途並びに該焼結材料から成形部材を製造 する方法に関する。

この種の焼結材料からは、例えば熱いガスまたはガス混合物、例えば燃焼ガスに 曝される機械の為の成形部材が製造される。これにはピストン装置の部材、例え ば嵌め込み弁座がある。

ドイツ特許第２，１１４，１６０号明細書からは、炭素および鉛並びに他の合金 用成分が混入されている鉄ベースの材料より成る焼結材料が公知である。

この焼結材料は更に前に知られているものに比べて向上した熱伝導性を持ってい るそうである。この焼結材料から製造される嵌め込み弁座の耐熱性および耐蝕性 も同様に向上されているそうである。

しかし熱伝導性並びに耐蝕性の向上は、ベース材料が鉄をベースとする材料であ ることによって限界が比較的に低くにある。

ピストン往復機関の為の嵌め込み弁座はドイツ特許出願公開第３．５２８．５２ ６号明細書から公知である。その明細書では、該弁座は二つのリングで形成され ており、その内の一方が粉末冶金学的に製造されていない耐熱性の高硬度材料よ り成る、弁の座面に配置された内側弁リングであり、もう一方が同様に粉末冶金 学的に製造されていない良好な熱伝導性の材料より成る、座部に配置された外側 座リングである。しかしながら、最も高い熱は弁の座面の域、従って内側弁リン グの座面の域で生じることに注意すべきである。その熱はそこから最初に内側弁 リングを介して、次いで外側座リングを介して伝達排除されるそうである。この 目的の為には、内側弁リングの為に用意された高い硬度の耐熱性材料は、通例の 熱伝導性しか有していないので制限的にしか適していない。

本発明の課題は、熱および機械的負荷、例えば衝撃および摩擦に対する耐久性が 公知の焼結材料のそれよりも非常に高い焼結材料を創造することである。この場 合、本発明には、嵌め込み弁座を製造するのに適する焼結材料を見出すという特 別な課題がある。該焼結材料を用いて耐熱性および耐摩耗性成形部材、特に嵌め 込み弁座を製造する方法も創造されるはずである。

焼結材料に関する課題は、ベースメタル粉末が約７０〜１００重量％の銅の銅成 分と０〜３０重量％のコバルトおよび／またはクロムおよび／または鉄および／ またはマンガンおよび／またはニッケルおよび／またはタングステンおよび／ま たは炭素の合金成分とで組成されていることによって、本発明に従って解決され る。この焼結材料は一公知の焼結材料の様に一製法に起因する不純物を含有して いる。

鉄をベースとする焼結材料に比べて本発明の焼結材料は数倍の高い熱伝導性を有 している。このことが、高い熱のもとでの機械的負荷、例えば衝撃および／また は摩擦がある場合に核熱を非常に良好に搬出し得る結果をもたらす。相応する温 度およびガスまたはガス混合物、例えば燃焼ガスのもとで、滑性効果を発揮する 酸化物が生じる。このことから、機械的負荷に対して、例えば滑剤を用いずに金 属と金属とが直接的に接触する際のそれに対して焼結材料は結果として耐久性が ある。

一種以上の酸化物が、焼結材料が他の金属材料と直接的に接触する際に短時間で 且つ局所的に限定的に溶着するのを確実に防止する滑性層を形成する。また本発 明の焼結材料は、いつでも自然に再生する自己滑性特性を有している。

この作用は第一に、他の金属材料に比べて非常に高い熱伝導性を持ち並びに十分 な分離−および滑性効果を持つ酸化物を生じる銅ベース材料にょって達成される 。これには、同様に加熱した際に酸化物を生じる一種以上の合金成分が属する。

熱挙動は、本発明の特別な構成要件によって、内燃機関、特にエンジンの燃焼空 間を支配しているようなそれに該当し得る。次いで本発明の焼結材料は特に低い 摩擦係数を有している。比較的に軟質の焼結材料が使用されているにもかかわら ず、この焼結材料はその他の性質の為に顕著な耐摩耗性を有している。このもの は、それによって高い硬度を有する鉄ベースの公知の焼結材料よりもより高温の もとて持続性をもって機械的負荷に耐えることができる。

本発明の特に有利な実施形態は、銅成分が９５〜１００重量％でそして合金成分 が５〜Ｏ重Ｉχであることを特徴としている。本発明の合金の金属成分が１〜３ 重量２のコバルトより成るのが有利である。製法に起因する不純物の割合は、最 高０．５重量％である０本発明によれば最大粒度が約１５０μｍでありそして平 均粒度が約４５〜６０μ層である。

本発明は、ベースメタル粉末に高度に合金化された添加メタル粉末が硬質成分と して混入されており、その際硬質相の割合が最高３０重量％であるように構成す ることができる。しかしながら経済的理由から硬質成分の割合は、最高１０重量 ％であるように減らずこともできる。最高３０あるいは１０特表千３−５０２２ １６　（３） 重量％の硬質相の割合はベースメタル粉末と添加メタル粉末との合計を基準とし ている。以上のことに基づいて、銅成分と、ベースメタル粉末と添加メタル粉末 との合計の僅かな割合に相当する、ベースメタル粉末中の合金成分とで構成され ている０本発明に従って冶金学的な方法を用いた場合には、それによって高度な 熱伝達性のベース材料物中に多かれ少なかれ微細に分散した摩耗低下用組織成分 が埋め込まれている組織が生じる。

本発明の実施形態においては硬質相の組成（重量％）は２４〜２８重量％のクロ ム、２１〜２５重量％のニッケル、１０〜１４重量％のタングステン、１．５〜 ２゜０重量％の炭素および残量のコバルトである。硬質相は本発明によれば以下 の組成を有していてもよい８２８〜３２重量％のクロム、５〜１０重量％のタン グステン、０．３〜２．５重量％の炭素、残量のコバルト、上記の両方の硬質相 組成の場合には、ベースメタル粉末が純粋の非合金化銅粉末であってもよい、そ の時にベース材料は焼結の間にコバルトの拡散によって合金化される。

本発明の別の実施形態によれば、硬質相は重量％で以下の組成を有している８２ ３〜２７重量％のクロム、８〜１２重量％のニッケル、８〜１２重量％のマンガ ン、０．４〜０．６重量％の炭素、残量の鉄。

焼結材料そのものおよびそれの種々の実施形態は、熱いガスまたはガス混合物、 例えば燃焼ガスに曝される耐熱性−および／または耐摩耗性成形部材を製造する のに本発明に従って使用できる。

この場合、本発明の実施形態においては、パツキン−５案内手段−１軸受け−ま たは弁要素を対象とし得る。これらは、内燃機関およびその補助骨材の如き機械 部材として使用される。同様に、タービン式過給機または排ガス案内系および排 ガス還流系で用いることが可能である。

本発明の特別な実施形態によれば、内燃機関の為の嵌め込み弁座、特にエンジン の為の嵌め込み弁座を製造する為に焼結材料を用いることができる。焼結材料ま たはそれの種々の実施形態から製造される嵌め込み弁座は、燃焼によって発生す る熱を良好に伝達搬出することができる。このことは、従来よりも高温で燃焼を 行える可能性を提供している。これによって内燃機関の出力が高められる。

熱は弁の最も外側の熱い座面から嵌め込み弁座を介して伝達搬出される。これに よって、僅かな耐熱性で且つそれ故に公知の弁よりも安価な材料より成る弁を製 造することが可能である。場合によっては、弁の為の公知の材料を用いた場合に 、弁が損傷を受けることなく、より高い燃焼温度を実現することを可能とする。

本発明の焼結材料に従う酸化物は、冒頭に記載した分離−および滑性効果を発生 させる。これによって摩耗量が低く維持される。これに対して公知の嵌め込み弁 座は摩耗を減らす為に高い硬度の材料から製造されている。公知の弁は一方にお いては、接触面に過度の摩耗は受けることがないので、公知の硬い嵌め込み弁座 を、公知の弁座の域に高硬度の保護層を費用を掛けて設けている弁と対にされる 。公知の耐熱性の高硬度材料は熱伝導性が低く、弁から嵌め込み弁座への熱の流 れに対する遮蔽物である。

この欠点は本発明の嵌め込み弁座によって排除される０本発明の焼結材料は比較 的に軟らかいにもかかわらず、このものから製造された弁リングの耐摩耗性は高 い。その理由は、嵌め込み弁座の上に酸化によって生じた層が分離−および滑性 特性を発揮することにもある。

本発明の別の実施形態においては内燃機関の為の弁座を製造する為の焼結材料を 座部に配置すべき座リングおよび弁の座面の所に配置すべき弁リングと一緒に用 いる場合には、何れの場合にも、弁の座面の所に配置すべき弁リングが本発明の 焼結材料で構成されているべきである。特に有利な解決法は、弁の特別な熱が、 最初に弁の座面の所に配置された弁リングが高い熱伝導性を有している場合に、 搬出できるという知見に基づいている。

これに対して弁からの熱搬出は、座部に配置すべき座リングが弁の座面に配置す べき弁リングよりも高い熱伝導性を有する場合には、僅かな程度でしか可能でな い。

嵌め込み弁座を製造する為には、本発明に従って焼結材料の上記の実施形態のい ずれも用いることができる。特に有利な実施形態は、銅ベースの材料の場合には 、合金の金属要素の割合が１〜３重量％のコバルトより成ることを本質としてい る。

本発明は、耐熱性で且つ耐摩耗性の成形部材、特に嵌め込み弁座を本発明の焼結 材料を用いて製造する方法にも関する。この場合、金属粉末を滑材と混合し、こ の混合物をプレス成形して成形部材としそして約１ｏｏｏ°Ｃのもとて保護ガス 雰囲気で焼結する。本発明の実施形態においては硬質相を加工する場合、この方 法はベース粉末としての金属粉末に滑材の他に高合金化添加メタル粉末を硬質相 として混入し、この混合物をプレス成形して成形部材としそして約１０００℃の もとで保護ガス雰囲気で焼結することを本質としている。

滑材は公知のプレス成形助剤が適している。このものは、プレス成形性を改善す る為に金属粉末または金属粉末混合物に０．５〜１重量％の含有量で混入される 。滑材は本来の焼結工程の前に約４特表千３−５０２２１６　（４） ００℃の温度で残留物を含まなくなるまで分解し飛ばす、焼結後に焼結材料中に 滑材はもはや検出できない、それ故に混入される滑材の種類および量は焼結材料 の性質に影響を及ぼさない、滑材としてはステアリン酸亜鉛を用いる。

本発明の方法にて、合金より成る高い熱伝導性ベース材料中に多かれ少なかれ細 かく分布した摩耗低下用組織成分が埋め込まれている組織が生じ得る。成形部材 、特に嵌め込み弁座を製造する為に粉末金属冶金学的方法を用いることは、部材 の耐摩耗性を向上させることを可能とするだけでない、このことは、後で後処理 を必要としないかまたは更に僅かしか後処理を必要としないリング状グリンボデ ィーをこのようにして価格的に非常に有利に予備成形することを可能とするので 、特に価格的に有利に製造する長所ももたらす、プレス場合には成形部材を焼結 後に検査（ｋａｌｉｂｒｉｅｒｔ）してもよい。

本発明に従う嵌め込み弁座を用いることが弁からの上述の高い熱搬出をもたらす 、このことは、弁が僅かしか熱くならない結果をもたらす、これによって、入口 弁の溝に、公知の嵌め込み弁座を用いた場合に必ず認められる沈着物が生じない 。

そこでは沈着物が結果的に、熱の堰によって非常に熱い、弁座の溝の領域におい てガソリンと空気との混合気の早すぎる制御不能の燃焼をもたらす。

本発明の嵌め込み弁座を用いることで、不所望の沈着物でのこのような炭化が避 けられる。即ち、その時に弁の温度が炭化を生ずるのに必要とされる最低温度よ り下にある。

本発明の別の特徴および長所を、図面を引用して以下の記載の実施例によって説 明するが、本発明はこれによって制限されない。

第１図は粉末冶金学的に製造される本発明の粗二相焼結材料の概略的組織図であ る。

第２図は第１図の焼結材料の、１２５倍に拡大した微小写真としての本物の組織 図である。

第３図はシリンダーヘッドの部分断面図としての嵌め込み弁座リングを持つ弁座 を示しておりそして 第４図はシリンダーヘッドの部分断面図として座リングと弁リングとを有する本 発明の弁座を示している。

第１図に従う粗−二相焼結材料の場合には、ベース材料、即ち銅ベース材料（１ ２）中に多かれ少なかれ細かく分散した摩耗低下用組織成分、即ち硬質相（１１ ）が埋めこまれている。この場合硬質相（１１）は前述の組成の一つを有してい るのが好ましい。

この場合硬質相（１１）の割合は最高３０重量％であり、他方、銅ベース材料（ １２）のそれは少なくとも７０重量％である。

第３図は、通路（１４）がある内燃機関のシリンダーヘッド（２２）を図示して いる。通路（１４）はその下側領域に座部（１５）を有している。座部（１５） には、本発明の焼結材料より成る唯一の嵌め込み弁座（２１）が配置されている だけである。弁（１８）は弁座（１９）の所に形成された座面（２０）を持つ図 示された開口部に嵌め込み弁座（２１）から距離を置いて存在している。

第４図は、内燃機関のシリンダーヘッド（２２）の部分断面図を示している。第 ３図の実施例に比較して、座部（１５）には弁リング（１７）と連結されて座リ ング（１６）が配置されている。座リング（１６）並びに弁リング（１７）は本 発明の焼結材料より成る。

本発明の焼結材料の性質および嵌め込み弁座にそれを用いることが高負荷の場合 にも使用することを可能とする。高負荷は例えばタービン過給機を備えたジーゼ ルエンジンの入口弁または鉛不含の燃料を用いる場合のガソリン機関の出口弁の 所で発生する０本発明の実施形態次第で、座面に弁座を特別に装着させる必要な しに、弁に要求される寿命を達成できる。それどころか、嵌め込み弁座および配 置された弁座の所での摩耗が減少する。

ＦＩＧ、Ｉ ＦＩＧ、２ 国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．成形部材を製造する為の、ベースメタル粉末から製造される、熱および機械 的負荷、特に衝撃および摩擦に対して耐久性のある焼結材料において、ベースメ タル粉末が約７０〜１００重量％の銅の銅成分と０〜３０重量％のコバルトおよ び／またはクロムおよび／または鉄および／またはマンガンおよび／またはニッ ケルおよび／またはタングステンおよび／または炭素の合金成分とで組成されて いることを特徴とする、上記焼結材料。 ２．銅成分が９５〜１００重量％で合金成分が５〜０重量％である請求項１に記 載の焼結材料。 ３．金属合金要素の成分が１〜３重量％のコバルトより成る請求項１に記載の焼 結材料。 ４．最大粒度が約１５０μｍでそして平均粒度が約４５〜６０μｍである請求項 １〜３のいずれか一つに記載の焼結材料。 ５．ベースメタル粉末に高合金化した添加メタル粉末が硬質相として混入されて おり、その際硬質相の割合が最高３０重量％である請求項１〜４のいずれか一つ に記載の焼結材料。 ６．硬質相が以下の組成である： ２４〜２８重量％のクロム、 ２１〜２５重量％のニッケル、 １０〜１４重量％のタングステン、 １．５〜２．０重量％の炭素、 残量のコバルト 請求項５に記載の焼結材料。 ７．硬質相が以下の組成である： ２８〜３２重量％のクロム、 ５〜１０重量％のタングステン、 ０．３〜２．５重量％の炭素、 残量のコバルト 請求項５に記載の焼結材料。 ８．ベースメタル粉末が純粋な非合金化銅粉末である請求項６または７項に記載 の焼結材料。 ９．硬質相が以下の組成である： ２３〜２７重量％のクロム、 ８〜１２重量％のニッケル、 ８〜１２重量％のマンガン、 ０．４〜０．６重量％の炭素、 残量の鉄 請求項５に記載の焼結材料。 １０．熱いガスまたはガス混合物、例えば燃焼ガスに曝される耐熱性および／ま たは耐摩耗性成形部材の製造に請求項１〜９のいずれか一つに記載の焼結材料を 用いる方法。 １１．パッキン−、案内手段−、軸受−および弁要素の製造に焼結材料を用いる 請求項１０に従う方法。 １２．内燃機関の弁座、特にエンジンの嵌め込み弁座の製造に焼結材料を用いる 請求項１１に記載の方法。 １３．座部に配置する座リングおよび弁の座面に配置される弁リングを持つ内燃 機関用弁座、少なくとも弁リングを製造する為に焼結材料を用いる請求項１２に 記載の方法。 １４．耐熱性で耐摩耗性の成形部材、特に嵌め込み弁座を請求項１〜４のいずれ か一つに記載の焼結材料を用いて製造するに当たって、ベースメタル粉末を滑材 と混合し、その混合物を成形体にプレス成形しそして約１０００℃のもとで保護 ガス雰囲気で焼結することを特徴とする、上記成形部材の製造方法。 １５．耐熱性で耐摩耗性の成形部材、特に嵌め込み弁座を請求項５〜９のいずれ か一つに記載の焼結材料を用いて製造するに当たって、ベースメタル粉末に滑材 の他に高合金化した添加メタル粉末を硬質相として混入し、その混合物を成形体 にプレス成形しそして約１０００℃のもとで保護ガス雰囲気で焼結することを特 徴とする、上記成形部材の製造方法。 １６．プレス成形を同軸ブレス技術で行う請求項１４または１５に記載の方法。 １７．成形部材を焼結後に検査する請求項１４〜１６のいずれか一つに記載の方 法。