JPH0666117A

JPH0666117A - 内燃機関のバルブガイド

Info

Publication number: JPH0666117A
Application number: JP21294092A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Ito; 与志彦伊藤; Yoshio Fuwa; 良雄不破
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-08-10
Filing date: 1992-08-10
Publication date: 1994-03-08

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は内燃機関の給排気バルブの耐摩耗性
および耐焼き付き性を向上させる内燃機関のバルブガイ
ドに関し、熱伝導率が高く、かつ十分な空孔を有し、バ
ルブの耐摩耗性および耐焼き付き性を向上させることを
目的とする。【構成】バルブガイド１０を、鉄系合金粉１１、銅系
合金粉１２および硬質粒子１３の焼結体で構成する。鉄
系合金１１と銅系合金１２との間に十分な結合が得られ
る焼結温度より、銅系合金粉１２の融点を高くするため
約２８wt％のＮｉを銅系合金粉１２中に添加する。バル
ブガイド１０は固相焼結で形成され、摺動面に多数の空
孔を有する。また、鉄系合金粉１１と銅系合金粉１２と
の重量配合比を６：４〜４：６とする。このため、バル
ブガイドは良好な含油率と熱伝導率を兼ね備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関のバルブガイド
に係り、特に給排気バルブのバルブステム部の耐摩耗性
および耐焼き付き性を向上させる内燃機関のバルブガイ
ドに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関を高回転化させるには、吸排気
バルブ等の動弁系を軽量化するのが一般的な手法とされ
ている。このため、従来より吸排気バルブの母材にチタ
ン（Ｔｉ）合金を用いたものが注目されている。

【０００３】しかし、給排気バルブの形状に成形したま
まのＴｉ合金では、バルブとしての表面硬さが不足して
いる。すなわち、成形したままのＴｉ合金では、バルブ
ガイドとして一般に使用されている鋳鉄または鉄系焼結
材に対して十分な耐摩耗性および耐焼き付き性が確保で
きない。

【０００４】このため、一般には図９（Ａ）に示すよう
に、Ｔｉ合金製給排気バルブ１のバルブステム部１ａ表
面にモリブデンを溶射したり、窒化処理やクロムメッキ
処理を施す方法が採られている。このような処理を施す
ことによりＴｉの表面硬度が高まり、給排気バルブとし
て十分な硬度を得ることができる。

【０００５】しかし、これらの処理はいずれも、高価な
原料を用い、かつその工程が量産向きでないことから、
給排気バルブの大幅なコストアップを引き起こしてしま
い、Ｔｉ合金バルブ１の量産車両への適用の障害となっ
ている。

【０００６】そこで、このようなバルブとしてＴｉ合金
バルブを低コストで実用化するため、バルブガイド側を
改質して、耐摩耗性等の向上を図った動弁系構造が多数
提案されている（特開昭６２−１９９７０４号公報
等）。

【０００７】図９（Ｂ）は、動弁系の構成断面図を示
す。同図中、符号２は内燃機関の本体を示し、また符号
３は、吸排気バルブ１を摺動可能に保持するバルブガイ
ドを示している。このバルブガイド３は主に鉄系合金の
焼結材で構成され、例えば銅系合金を溶浸させたり、銅
系合金粉を混合して焼結したりすることにより、Ｔｉ合
金バルブの耐摩耗製等の向上が図られている。

【０００８】つまり、バルブガイド３に、熱伝導性に優
れた銅系合金を含有させると、バルブガイド３の放熱性
が向上し、定常運転時におけるバルブ１の温度を低く保
持することができる。このため、バルブ１の摩耗が抑制
されると共に、バルブ１とバルブガイド３との焼き付き
も起こりにくくなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の構
造のバルブガイドのうち、例えばバルブガイドに銅系合
金を溶浸させたものは、バルブガイドの主材である鉄系
合金の焼結材が有する空孔が、銅系合金で埋められた状
態となる。このため、バルブガイドの含油効果が著しく
低下し、バルブとバルブガイドとの間に十分な潤滑油を
保持することができなくなる場合がある。

【００１０】同様に、一般的な鉄系合金粉と銅系合金粉
との混合粉を焼結させた場合も、焼結材に十分な空孔を
確保することが難しい。すなわち、鉄系合金の融点と銅
系合金の融点との間には一般に大きな差があり、これら
の粉末を混合して焼結する場合、両者の結合を十分に確
保できる焼結温度は、銅系合金の融点より高い温度とな
るからである。

【００１１】つまり、一般的な鉄系合金粉と銅系合金粉
との焼結反応は、銅系合金が溶融した状態で行われる液
相焼結となり、焼結後の空孔率が、鉄系合金単独の焼結
材に比べて著しく低下する。このため、上記の銅系合金
を溶浸した場合と同様に、バルブガイドの含油率が低下
し、バルブとバルブガイドとの間に十分な潤滑作用が得
られなくなる場合がある。

【００１２】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、熱伝導率が高く、かつ十分な空孔を有し、バル
ブの耐摩耗性および耐焼き付き性を向上させる内燃機関
のバルブガイドを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、鉄系合金
粉と、２６乃至３０wt％のＮｉを含有する銅系合金粉と
が重量配合比４：６乃至６：４の割合で混合された焼結
材からなる内燃機関のバルブガイドにより解決される。

【００１４】

【作用】上記の構成によれば、前記銅系合金粉の融点
は、前記鉄系合金粉と前記銅系合金粉との間に十分な原
子間結合を生じさせる焼結温度より高温となる。このた
め前記鉄系合金粉と前記銅系合金粉とは、共に固相状態
で焼結される。従って、前記バルブガイドは、前記鉄系
合金の相と前記鉄系合金の相とが均一に分散した焼結体
で構成される。

【００１５】このため、前記バルブガイドの表面には多
数の空孔が存在し、十分な含油率が確保されることか
ら、バルブステムとバルブガイドの金属接触による摺動
抵抗が小さく抑えられる。また、バルブステムとバルブ
ガイドが金属接触して凝着しても、凝着が異種合金相に
は拡大しないため、摺動方向にその凝着が拡大すること
がなく、バルブステムとバルブガイドとの焼き付きが防
止される。

【００１６】

【実施例】図１は本発明に係る内燃機関のバルブガイド
の一実施例の構成図を示す。以下、同図に沿って本実施
例のバルブガイドの構成について説明する。

【００１７】同図（Ａ）の概略図に示すように、本実施
例のバルブガイド１０は、上記した従来のバルブガイド
３と同様に、内燃機関本体２内の所定の部位に設けられ
た筒状の部材で、その内部にはＴｉ合金バルブ１のバル
ブステム部１ａが挿入される。

【００１８】また、同図（Ｂ）は、Ｔｉ合金バルブ１を
バルブガイド１０に挿入した際の、両者の界面（同図
（Ａ）中、Ｂ部）の拡大図である。同図に示すように、
バルブガイド１０は、鉄系合金粉１１、銅系合金粉１
２、硬質粒子１３がそれぞれ独立した相として存在して
いる。

【００１９】この鉄系または銅系合金および硬質粒子の
各相は、それぞれの粒子自体で形成され、本実施例にお
いては、その大きさが約１５０μm とされている。この
ようにバルブガイド１０は、鉄系合金粉１１、銅系合金
粉１２および硬質粒子１３が均一に分散された構造の焼
結物で構成されている。尚、バルブガイド１０のＴｉ合
金バルブ１との摺動面は、１０μmRz 以下に処理されて
いる。

【００２０】従って、同図（Ｂ）に示すように、バルブ
ガイド１０の内部および表面には多数の空孔が存在し、
その中には潤滑油１４が浸透している。このため、Ｔｉ
合金バルブ１とバルブガイド１０との間には、摺動面全
面に渡って潤滑油１４の膜が形成される。

【００２１】この潤滑油１４の膜は、Ｔｉ合金バルブ１
がバルブガイド１０内を摺動する際の金属接触を抑制
し、両者の間に生じる摩擦を少なくするように作用す
る。この結果、従来のバルブガイド３を用いた動弁系と
比べて内燃機関の運転時におけるＴｉ合金バルブ１の温
度が低く維持される。

【００２２】また、上記したように、バルブガイド１０
の摺動面には３種の異種合金が均一に分散されている。
このため、仮にＴｉ合金バルブ１とバルブガイド１０と
が凝着しても、Ｔｉ合金バルブ１の摺動時にその凝着が
拡大することはない。つまり、異種合金相間にまたがっ
た凝着の拡大は起こり難く、凝着の拡大は異種合金の境
界で遮断される。

【００２３】このように、本実施例のバルブガイド１０
によれば、Ｔｉ合金バルブ１とバルブガイド１０との摩
擦を少なくすることにより、Ｔｉ合金バルブ１の摩耗量
および温度上昇が抑制されると共に、凝着の拡大も抑制
される。従って、このバルブガイド１０を用いることに
より、良好な耐摩耗性および耐焼き付き性を確保するこ
とができる。尚、本実施例においては、Ｔｉ合金バルブ
１のバルブステム部１ａは、２μmRz 以下の表面粗さに
仕上げられている。

【００２４】次に、上記のバルブガイド１０を構成する
各合金組成等について説明する。上記の鉄系合金粉１１
は、鉄（Ｆｅ）、０．６〜１．１wt％の炭素（Ｃ）およ
び７〜１０wt％のコバルト（Ｃｏ）で構成される。

【００２５】ここで、鉄と固溶して鉄を硬化させる元素
として知られるＣの含有率は、焼結によりＴｉ合金バル
ブ１を形成する際に、鉄系合金粉の内部に微細なパーラ
イトまたはベイナイト組織を形成し、かつそれらの中に
オーステナイト相を形成させるため、Ｆｅ−Ｃの共析点
である０．８wt％近傍に設定している。

【００２６】また、鉄系合金の高温強度を向上させる元
素として知られるＣｏの含有率は、上記のオーステナイ
ト相中にＣｏを固溶させるための必要量として公知の量
である７wt％を下限とし、Ｃｏ添加による強度向上効果
の飽和傾向と価格との兼ね合いから、１０wt％を上限と
している。

【００２７】次に、銅系合金粉１２の成分について説明
する。銅系合金粉１２は、銅（Ｃｕ）、２６〜３０wt％
のニッケル（Ｎｉ）、０．５〜１．５wt％のシリコン(
Ｓｉ) 及び０．０５〜０．５wt％のリン（Ｐ）で構成さ
れる。

【００２８】ところで、本実施例のバルブガイド１０に
おいては、上記の鉄系合金粉１１を良好に焼結させるた
め、焼結温度を１１００〜１１５０℃に設定している。
このため、Ｔｉ合金バルブ１を固相焼結で得るために
は、銅系合金粉１２の融点を１１５０℃より高い温度に
設定する必要がある。

【００２９】また、図２は、Ｃｕ−Ｎｉ系合金の状態図
を示す。同図に示すように、ＮｉはＣｕ中に全率固溶
し、Ｎｉの固溶率が高いほど融点が上昇し、２８wt％程
度Ｎｉを含有する銅系合金の融点は、約１１５０℃とな
る。

【００３０】つまり、銅系合金１２が約２８wt％のＮｉ
を含有する場合、その融点がバルブガイド１０の焼結温
度の上限である１１５０℃より低くなり、固相状態が維
持されたまま焼結が行われる。一方、後述する理由によ
り、銅系合金中のＮｉ含有率は、できるだけ低い方が強
度上有利であるため、本実施例の銅系合金粉におけるＮ
ｉ含有率は、２８wt％を中央値として２６〜３０wt％に
設定されている。

【００３１】図３は、Ｃｕ−Ｎｉ₂Ｓｉ系合金の状態図
を示す。同図中、固相線（破線）と全率固溶線（一点鎖
線）とに囲まれたα相は、Ｃｕ中にＮｉ₂Ｓｉを構成す
るＮｉとＳｉとが全率固溶する領域である。このため、
同図中、矢線に示すように、Ｃｕに対するＮｉ₂Ｓｉの
割合が８．２wt％以下の領域で、銅系合金を液相から急
冷すると、この合金はα相を経た後にα＋Ｎｉ₂Ｓｉ相
に到達する。

【００３２】このとき、α相においてはＮｉもＳｉも全
率固溶しているため、当然Ｎｉ₂Ｓｉは生成されない。
α相から更に冷却されると、全率固溶線に沿ってＮｉ₂
Ｓｉが析出するはずであるが、この冷却が急冷である
と、Ｎｉ₂Ｓｉの析出が間に合わず、Ｃｕ中にＮｉとＳ
ｉが過飽和に固溶した状態で凝固が行われる。

【００３３】このため、次いで、この銅系合金を固相領
域内の所定温度に昇温して焼き戻しを行うと、過飽和に
固溶していたＮｉとＳｉとが微細に析出して、銅系合金
中全域にＮｉ₂Ｓｉ粒子が均一に分散された状態とな
る。

【００３４】一般に、金属の変形は、金属結晶格子が金
属内を移動することで起こる。このため、上記の銅系合
金のように、多数の析出物を均一に含有する金属では、
金属結晶格子がずれるのに余分なエネルギを必要とす
る。従って、Ｎｉ₂Ｓｉの析出物を含有する銅系合金
は、それらを含有しないものに比べて変形しにくい固い
合金となる。

【００３５】尚、上記したように本実施例の銅系合金に
おいては、Ｎｉ含有率を２６〜３０wt％として、所望の
融点を得るための最小限の量としている。これは、仮
に、Ｎｉを必要以上に添加すると、全体としてＣｕの割
合が減り、急冷時に過飽和するＮｉとＳｉの割合が減る
と共に、銅系合金１２中にＮｉ単体の相が生成してしま
うためである。

【００３６】また、液相状態の銅系合金のＮｉ₂Ｓｉ含
有率が、８．２wt％を越えている場合は、急冷時にα相
を経ずにα＋Ｎｉ₂Ｓｉ相に移行するため、余分なＮｉ
₂Ｓｉが析出して、銅系合金中にＮｉ₂Ｓｉ単体の相が
生成してしまう。

【００３７】このように、銅系合金中にＮｉやＮｉ₂Ｓ
ｉ単体の相が生成されると、合金としての均一性が悪化
し、所望の熱伝導率が得られなくなったり、焼結材の強
度不良等の原因となることがある。

【００３８】さて、上記した理由から、銅系合金中に含
まれるＮｉ₂Ｓｉは８．２wt％以内にしなければならな
い。すでに、Ｎｉの含有率は決まっているので、Ｎｉ₂
Ｓｉの含有率が８．２wt％以内になるように、Ｓｉの含
有率を適当に設定する必要がある。

【００３９】図４は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ三元合金系の状
態図を示す。同図に示すように、２６〜３０wt％のＮｉ
を含有する場合、Ｎｉ₂Ｓｉの生成量が８．２wt％以下
となるＳｉ含有量は１．５wt％以下となる。また、Ｓｉ
の含有量が微量すぎると、Ｎｉ₂Ｓｉの析出による銅系
合金の焼き戻し効果が得られないため、本実施例の銅系
合金粉１２においては、Ｓｉ含有量の下限値を０．５wt
％としている。

【００４０】また、上記したように銅系合金粒子１２に
は、更に、０．０５〜０．５wt％のＰが混入されてい
る。このＰは、Ｃｕ中に固溶してＣｕを硬化させると共
に、Ｃｕ₃Ｐを生成、分散してＣｕを硬化させる元素と
して知られており、従来より上記の範囲でＣｕ中に添加
することにより効果的に銅系合金の強度を高め得ること
が知られている。

【００４１】尚、本実施例の銅系合金粉１２は、合金の
内部にＮｉ₂Ｓｉを析出させるため、まず１２５０℃で
焼き入れされ、次いで、常温領域まで急冷された後５０
０℃で１h 焼き戻しが行われる。

【００４２】上記したように、鉄系合金粉１１および銅
系合金粉１２には、それぞれ硬度を高めるための処理が
施されている。このため、これらの合金１１、１２に
は、高温環境下でバルブと摺動するバルブガイドの材料
に適した良好な耐摩耗性が確保される。

【００４３】本実施例のバルブガイド１０は、上記の鉄
系合金粉１１、銅系合金粉１２をそれぞれ重量比６：４
乃至４：６で混合し、補強材としてＦｅＭｏ等からなる
硬質粒子１３を５〜１５wt％添加して得られた合金粉を
焼結させることにより得られる。また、この焼結は、上
記の混合粒子を密度約６．９g/cm³で所定形状に成形
し、１１００〜１１５０℃のアンモニア分解ガス中で１
５min 程度焼成することにより行われる。

【００４４】このように、バルブガイド１０の焼結が銅
系合金１２の融点より低い温度で行われるため、バルブ
ガイド１０の焼結中に銅系合金粉１２が溶融してしまう
ことがない。すなわち、本実施例のバルブガイド１０
は、鉄系合金と銅系合金の固相焼結により得ることがで
きる。

【００４５】従って、上記の図１に示すように、バルブ
ガイド１０は鉄系合金粉１１、銅系合金粉１２および硬
質粒子１３の集合体となり、表面および内部に多数の空
孔を有する構造となる。

【００４６】図５は、鉄系合金粉１１と銅系合金粉１２
の混合比を決めるために行った実験の結果を表す図を示
す。この実験は、鉄系合金１１と銅系合金１２とを焼結
させることにより得られた焼結材と、Ｔｉ合金バルブ１
の構成材であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖとを潤滑油の存在下
で摺動させ、焼き付き荷重を測定することにより行われ
ている。

【００４７】すなわち、まず、鉄系合金１１と銅系合金
１２の配合比を変えてリング状の焼結材を作成する。次
に、それぞれのリングを、潤滑油を給油しながらＴｉ−
６Ａｌ−４Ｖ製プレート上で一定回転速度で摺動回転さ
せる。そして、両者を押しつける荷重を徐々に上昇さ
せ、焼き付き発生時の荷重検出を行う。

【００４８】この結果、同図に示すように、鉄系合金粉
１１と銅系合金粉１２との重量配合比が７：３〜３：７
の範囲で、高いレベルの焼き付き発生荷重が得られ、特
にそれらの重量配合比が６：４〜４：６の範囲では安定
してピーク値近傍の焼き付き発生荷重が得られる。つま
り、高温強度に優れた鉄系合金１１と、放熱性に優れた
銅系合金１２とがほぼ等量均一に存在する場合に、良好
な耐焼き付き性が得られることが判明した。

【００４９】図６は、鉄系合金粉１１、銅系合金粉１２
および硬質粒子１３の配合比の異なる焼結材、およびバ
ルブガイドとして従来一般的に用いられている鋳鉄（Ｆ
Ｃ２０）の硬度と密度を、各合金粉の成分比率等と共に
表した図表を示す。

【００５０】この図表中、ＴＰ₁〜ＴＰ₄は鉄系合金１
１と銅系合金１２とが上記の配合比、つまり６：４〜
４：６の重量配合比内で調合されている。ＴＰ₅、ＴＰ
₆は上記の範囲から外れており、ＴＰ₇は鋳鉄を示して
いる。

【００５１】図７は、上記のＴＰ₁〜ＴＰ₇について、
焼き付き発生荷重検出試験を行った結果を表している。
同図に示すように、鉄系合金１１と銅系合金１２との配
合比が所定の範囲内にないＴＰ₅およびＴＰ₆は、ＴＰ
₇の鋳鉄に比べると焼き付き発生荷重が高いが、ＴＰ₁
〜ＴＰ₄と比較すると明らかに、低い荷重で焼き付きが
発生することが判る。

【００５２】上記の実験結果から、本実施例のバルブガ
イド１０における鉄系合金１１と銅系合金１２との重量
配合比は、６：４〜４：６に設定されている。このた
め、本実施例のバルブガイド１０と、Ｔｉ合金バルブ１
のバルブステム部１ａとの間には、良好な耐焼き付き性
が確保されている。

【００５３】また、図８は硬質粒子１３の添加量を決め
るために行った実験の結果を表す図を示す。硬質粒子１
３は、主にバルブガイド１０の耐摩耗性を調整するため
に添加される物質で、Ｔｉ合金バルブ１の硬度との兼ね
合いで、適当な添加量を決定する必要がある。

【００５４】この実験は、所定の配合比で混合された鉄
系合金粉１１と銅系合金粉１２との混合物を基に、硬質
粒子１３の添加量を変えてリング状焼結物を作成し、そ
れらをＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ製プレート上で回転させ、リ
ングおよびプレートの摩耗量を測定することにより行わ
れる。

【００５５】尚、摩耗量の測定は、リングの回転速度お
よびリングとプレートとの押しつけ荷重を一定として、
１cc/minの割り合いで潤滑油を滴下しながら約３０min
回転摺動を行った後に行う。

【００５６】この結果、同図（Ａ）に示すように、硬質
粒子１３の添加量が５〜１５wt％の範囲にある場合は、
バルブガイド材の摩耗量が小さく抑制されることが判
る。また、同図（Ｂ）に示すように、バルブステム材の
摩耗量は、硬質粒子１３の添加量が増えるに従って増加
する傾向にあることが判る。

【００５７】そこで、本実施例のバルブガイド１０にお
いては、バルブガイド１０の摩耗量とバルブステム１ａ
の摩耗量との調和をとる必要があることから、銅系合金
粉１２中の硬質粒子１３を５〜１５wt％とした。このた
め、本実施例のバルブステム部１ａとバルブガイド１０
とは、互いに良好な耐摩耗性を有している。

【００５８】このように、本実施例のバルブガイド１０
は、主要構成物質として硬質の銅系合金を含有している
ため、良好な熱伝導性を耐摩耗性を有している。更に、
銅系合金を固相焼結させていることから、その表面およ
び内部に多数の空孔が存在し、含油効果に優れている。
このため、このバルブガイド１０と摺動するバルブステ
ム部の摩耗と昇温が抑制される。

【００５９】従って、本実施例のバルブガイドを用いる
ことにより、表面硬化処理を施していないＴｉ合金バル
ブ１を動弁系に適用することが可能となり、安価に動弁
系を軽量化することができる。

【００６０】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、バルブガ
イドが、鉄系合金粉と銅系合金粉との固相焼結により得
られた焼結材で構成される。このため、本発明に係るバ
ルブガイドは、鉄系のバルブガイドに比べて著しく優れ
た熱伝導性を有し、かつ、鉄系のバルブガイドを同等の
空孔を摺動面に有している。このため、本発明に係るバ
ルブガイドは、摺動するバルブの摩耗および昇温を抑制
し、バルブの耐摩耗性および耐焼き付き性が向上したの
と同様の効果を発揮する。

【００６１】従って、本発明に係るバルブガイドを用い
ることにより、表面硬化処理が施されていないＴｉ合金
バルブを動弁系に適用することが可能となり、Ｔｉ合金
バルブの適用による動弁系の軽量化を安価に行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関のバルブガイドの一実施
例の構成図である。

【図２】Ｃｕ−Ｎｉ系合金の二元状態図である。

【図３】Ｃｕ−Ｎｉ₂Ｓｉ系合金の二元状態図である。

【図４】Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金の三元状態図である。

【図５】本実施例のバルブガイドを構成する鉄系合金と
銅系合金との配合比と焼き付き発生荷重との関係を表す
図である。

【図６】本実施例のバルブガイドを構成する各合金の配
合比を決める実験に用いたテストサンプルにおける各合
金の配合比および成分比率を表す図表である。

【図７】本実施例のバルブガイドを構成する各合金の配
合比を決める実験の結果を表す図である。

【図８】本実施例のバルブガイド中に添加する硬質粒子
の添加量を決める実験の結果を表す図である。

【図９】従来のバルブおよびバルブガイドの構成を表す
図である。

【符号の説明】

１Ｔｉ合金バルブ１ａバルブステム部２内燃機関本体１０バルブガイド１１鉄系合金粉１２銅系合金粉１３硬質粒子１４潤滑油

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄系合金粉と、２６乃至３０wt％のＮｉ
を含有する銅系合金粉とが重量配合比４：６乃至６：４
の割合で混合された焼結材からなることを特徴とする内
燃機関のバルブガイド。