燒結閥座及其製造方法與流程

2023-06-02 01:00:07

本發明涉及發動機的閥座及其製造方法，特別是涉及能夠抑制閥溫度的上升的壓入型高傳熱燒結閥座及其製造方法。

背景技術：

近年來，作為汽車發動機應對環境而使燃油效率提高和高性能化並立的手段，使發動機的排氣量降低20～50％的所謂小型化(downsizing)推進，此外，作為實現高壓縮比的技術，進行的是在直噴發動機上組合渦輪增壓(增壓進氣)。這些發動機的高效率化必然帶來發動機溫度的上升，溫度的上升招致關係到輸出功率降低的爆震，因此，特別需要使閥周圍的零件的冷卻能力提高。

作為使冷卻能力提高的手段，關於發動機閥，日本特開平7-119421公開有一種發動機閥的製造方法，其是使閥的軸部中空化並在該中空部分封入金屬鈉(Na)的方法。另外，關於閥座，日本特開平3-60895示範有一種堆焊用分散強化Cu基合金，其採取使用雷射這樣的高密度加熱能，對於鋁(Al)合金制的汽缸蓋直接進行堆焊(以下稱為「雷射包覆法」。)的手段，作為該閥座合金而在銅(Cu)基體中分散Fe-Ni系的硼化物和矽化物的粒子，且在Cu基初晶中固溶Sn和Zn中的一者或兩者。

上述的金屬Na封入發動機閥與實心閥相比，可以使發動機驅動時的閥溫度降低約150℃左右(作為閥溫度約為600℃)，另外，由雷射包覆法形成的Cu基合金閥座中，可以使實心閥的閥溫度降低約50℃左右(作為閥溫度約為700℃)，從而可以防止爆震。但是，金屬Na封入發動機閥在製造成本這一點上有困難，除了一部分的車以外並未達到廣泛使用。由雷射包覆法形成的Cu基合金閥座，因為也有硬質粒子，所以在敲擊磨耗下發生粘合，存在耐磨耗性不充分這樣的課題，此外，因為對於汽缸蓋直接堆焊，所以也會產生汽缸蓋加工線的大幅的重建和設備投資這樣的課題。

另一方面，被壓入汽缸蓋這種類型的閥座中，作為改善導熱的手段，日本特開平10-184324公開的是，使調合有Cu粉末或含Cu粉末的閥抵接層(Cu含量為3～20％)與閥座主體層(Cu含量為5～25％)雙層化，日本特開2004-124162公開的是，在分散有硬質粒子的Fe基燒結合金中熔滲Cu或Cu合金。

此外，特表2001-500567中公開有一種Cu基合金制燒結閥座，其是在導熱優異的分散硬化型Cu基合金中再分散有硬質粒子的閥座。具體來說，示範的是如下合金粉末：初始粉末混合物由含有50～90重量％Cu的基礎粉末和含有10～50重量％Mo的粉末狀合金添加材構成，作為所述含Cu基礎粉末而具有Al2O3分散硬化的Cu粉末，作為含Mo粉末狀合金添加材而具有28～32重量％Mo、9～11重量％Cr、2.5～3.5重量％Si、餘量Co。

但是，特表2001-500567示範的是，關於Al2O3分散硬化的Cu粉末，能夠通過對於由Cu-Al合金熔融金屬霧化後的Cu-Al合金粉末，在用於Al的選擇氧化的氧化氣氛中進行熱處理而製造，但實際上，實際情況是由Al固溶的Cu-Al合金提高分散有Al2O3的Cu基體的純度存在界限。

技術實現要素：

鑑於上述問題，本發明的課題在於，提供一種高效率發動機所使用的具有高的閥冷卻能力和耐磨耗性的壓入型燒結閥座及其製造方法。

本發明者對於導熱優異的Cu基合金中分散有硬質粒子的燒結閥座進行了銳意研究，其結果想到，通過使用比硬質粒子微細度具有規定的純度的Cu粉末，即使調合比較大量的硬質粒子，也能夠形成網絡狀的Cu基體，通過使之與液相燒結組合，便能夠得到維持著Cu基體的高導熱率，並且耐磨耗性優異的閥冷卻能力高的壓入型燒結閥座。

即，本發明的閥座，其特徵在於，是在Cu基體中分散有由Co基合金構成的硬質粒子的燒結閥座，所述燒結閥座除了構成所述Cu基體和所述硬質粒子的組成之外，以質量％計還含有Fe：2.1～6.0％、P：0.8～2.2％。所述燒結閥座，優選還含有5質量％以下的Ni。

所述硬質粒子優選由平均粒徑為5～100μm的Co-Mo-Cr-Si合金或Co-W-Cr-C合金構成，更優選所述Co-Mo-Cr-Si合金，以質量％計由Mo：27.5～30.0％、Cr：7.5～10.0％、Si：2.0～4.0％、餘量Co及不可避免的雜質構成，優選所述Co-W-Cr-C合金，以質量％計由W：3.0～10.0％、Cr：25.0～31.0％、C：1.0～2.0％、餘量Co及不可避免的雜質構成。另外，所述硬質粒子的維氏硬度優選為500～800HV0.1，所述硬質粒子的量優選為30～70質量％。

另外，本發明的燒結閥座的製造方法，是在Cu基體中分散有由Co基合金構成的硬質粒子的燒結閥座的製造方法，其特徵在於，具有對於在Cu粉末和合金元素粉末中混合有所述硬質粒子粉末的混合粉末進行壓縮、成形、燒結的工序，所述Cu粉末使用平均粒徑為45μm以下，純度為99.5％以上的Cu粉末，所述合金元素粉末使用Fe-P合金粉末。

所述燒結工序的燒結溫度優選為850～1070℃。

本發明的燒結閥座，因為Cu粉末原料使用微細的Cu粉末，所以，即使存在比較大量的硬質粒子，例如即使存在高於50質量％這種量的硬質粒子，也能夠形成網絡狀的Cu基體，另外通過由液相燒結而實現緻密化，能夠維持高導熱率，顯示出優異的耐磨耗性。因此，可以使閥冷卻能力提高，由於爆震等的發動機的異常燃燒減少，從而能夠有助於高壓縮比、高效率發動機的性能提高。

附圖說明

圖1是表示實施例1的燒結閥座的顯微鏡組織的SEM照片。

圖2是表示實施例1的燒結閥座的放大的顯微鏡組織的SEM照片。

圖3(a)是圖2的顯微鏡組織的來自EPMA的Si-Kα像。

圖3(b)是圖2的顯微鏡組織的來自EPMA的Cr-Kα像。

圖3(c)是圖2的顯微鏡組織的來自EPMA的Co-Kα像。

圖3(d)是圖2的顯微鏡組織的來自EPMA的Mo-Kα像。

圖3(e)是圖2的顯微鏡組織的來自EPMA的P-Kα像。

圖3(f)是圖2的顯微鏡組織的來自EPMA的Fe-Kα像。

圖3(g)是圖2的顯微鏡組織的來自EPMA的Cu-Kα像。

圖4是表示實施例2的燒結閥座的放大的顯微鏡組織的SEM照片。

圖5是表示臺架試驗機的概略圖。

具體實施方式

本發明的燒結閥座特徵在於，具有在Cu基體中分散有由Co基合金構成的硬質粒子的組織，除了構成所述Cu基體和所述硬質粒子的組成之外，以質量％計，還含有Fe：2.1～6.0％、P：0.8～2.2％。該Fe、P，主要是來自為了液相燒結而添加的Fe-P合金粉末的合金元素，出於緻密化的目的而導入燒結體。若Fe低於2.1％、P低於0.8％，則緻密化不充分，若Fe高於6.0％、P高於2.2％，則向Co基合金硬質粒子的擴散量增加，使硬質粒子劣化，因此Fe為2.1～6.0％，P為0.8～2.2％。另外，關於Ni，也可以為了提高基底強度而添加，但與Cu形成固溶體而使導熱率降低，因此使其上限為5.0％。優選Ni粉末的平均粒徑處於3～7μm的範圍，純度優選為99.5％以上。

分散在Cu基體中的Co基合金硬質粒子，在500℃以下幾乎不會在Cu中固溶。該Co基合金，優選同樣幾乎不會在Cu中的固溶的Mo、Cr、W等經合金化的ステライト(註冊商標)和トリバロイ(註冊商標)所代表的Co基合金。具體來說，作為トリバロイ(註冊商標)T-400，可以從市場獲取的，以質量％計，由Mo：27.5～30.0％、Cr：7.5～10.0％、Si：2.0～4.0％、餘量Co及不可避免的雜質構成的Co-Mo-Cr-Si合金，作為ステライト(註冊商標)#6及#12，可以從市場獲取的，以質量％計由W：3.0～10.0％、Cr：25.0～31.0％、C：1.0～2.0％、餘量Co及不可避免的雜質構成的Co-W-Cr-C合金都可以方便使用。

硬質粒子的平均粒徑優選為5～100μm。更優選平均粒徑為20～95μm，進一步優選平均粒徑為25～90μm。另外，為了確保耐磨耗性，優選硬質粒子的維氏硬度為500～800HV0.1。更優選為600～800HV0.1，進一步優選為650～800HV0.1。此外，分散在Cu基體中的硬質粒子的量優選為30～70質量％。更優選為40～70質量％，進一步優選為高於50質量％並在65質量％以下。通過使上述的硬質粒子分散在Cu基體中，本發明的燒結閥座以洛氏硬度計能夠具有50～90HRB。更優選為55～85HRB，進一步優選為60～80HRB。

在本發明的燒結閥座的製造方法中，使用平均粒徑45μm以下，純度99.5％以上的Cu粉末。從粉末填充的觀點出發，通過使用比硬質粒子的平均粒徑相對小的Cu粉末，即使硬質粒子比較大量地存在，仍可以形成網絡狀連接的Cu基體。例如，優選硬質粒子的平均粒徑為30μm以上，Cu粉末的平均粒徑為20μm以下。基於這一點，Cu粉末優選為球狀的霧化粉末。另外，在Cu粉末之間容易糾纏的有著細小的突起的樹枝狀的電解Cu粉末也形成網絡狀的連接的基體之後，能夠優選使用。

另外，為了實現燒結體的緻密化，而使用Fe-P合金粉末。或者，可以使用Ni-P合金粉末，也可以使用Fe-P合金粉末和Ni-P合金粉末兩者。Fe-P合金的共晶點為1048℃，另一方面Ni-P合金的共晶點為870℃，因此從液相燒結的觀點出發，優選使用Ni-P合金粉末，但Ni與Cu形成無限固溶體而降低導熱率，因此從導熱率的觀點出發，優選使用在500℃以下幾乎不會固溶於Cu的作為與Fe的合金的Fe-P合金粉末。結果是，Fe和P在Co中容易固溶，擴散到Co基合金的硬質粒子中，可維持Cu基體的純度。

在製造本發明的燒結閥座的方法中，調合Cu粉末、Fe-P合金粉末、Co基合金的硬質粒子粉末，對於混合的混合粉末進行壓縮、成形、燒成。為了提高成形性，對於混合粉末，作為脫模劑也可以調合硬脂酸鹽0.5～2質量％。另外，燒結對於成形壓粉體在真空或非氧化性或還原性的氣氛中，以850～1070℃的溫度範圍進行。

【實施例】

實施例1

在平均粒徑22μm，純度99.8％的電解Cu粉末中，作為硬質粒子，調合平均粒徑29μm，以質量％計由Mo：28.5％、Cr：8.5％、Si：2.6％、餘量Co和不可避免的雜質構成的Co-Mo-Cr-Si合金粉末52質量％，作為燒結助劑，調合P含量為26.7質量％的Fe-P合金粉末3質量％，以混合機混勻而製作混合粉末。還有，為了使成形工序的脫模性良好，在原料粉末中相對於原料粉末的質量而添加硬脂酸鋅0.5質量％。

將這些混合粉末填充在成形模具中，通過成形衝壓以表面壓力640MPa進行壓縮·成形後，在溫度1050℃的真空氣氛中進行燒結，製作外徑內徑厚度8mm的環狀燒結體，再通過機械加工，製作具有從軸向傾斜45°的表面加工面(フェイス面)的外徑內徑高6mm的閥座試樣。燒結體的洛氏硬度為60.5HRB，對於閥座的Fe和P的組成進行化學分析的結果是，Fe：2.2％，P：0.8％。

圖1和圖2是實施例1的燒結體的斷面的來自掃描電子顯微鏡(SEM)的組織照片。燒結體由深暗色的Co基合金硬質粒子1，比硬質粒子1淺的灰色的Cu基體2和黑色的氣孔3構成，雖然緻密化不完全，但沒有重大的缺陷，Cu基體2中組織整體連通，與硬質粒子1也密接接合的部分大量形成。另外，硬質粒子1的維氏硬度為715HV0.1。

圖3(a)-3(g)表示對於圖2的組織的特徵X射線像，圖3(a)是Si-Kα像，圖3(b)是Cr-Kα像，圖3(c)是Co-Kα像，圖3(d)是Mo-Kα像，圖3(e)是P-Kα像，圖3(f)是Fe-Kα像，圖3(g)是Cu-Kα像。由圖3(e)的P-Kα像可知，作為Fe-P合金粉末而殘存的地方也隨處可見，但由圖3(f)的Fe-Kα像可知，Fe不在Cu基體2中，而是擴散到Co基合金硬質粒子1中。

實施例2

除了使作為燒結助劑的Fe-P合金粉末為7質量％以外，其他均與實施例1同樣而製作閥座試樣。燒結體的洛氏硬度為71.5HRB，對於閥座的Fe及P的組成進行化學分析的結果為，Fe：5.2％，P：1.9％。

圖4是實施例2的燒結體的斷面的來自掃描電子顯微鏡(SEM)的組織照片。與實施例1的燒結體相比而相當緻密化，可知Cu基體的連通的程度提高。雖然未圖示，但根據P-Kα像和Fe-Kα像，P和Fe不在Cu基體2中，而是在Co基合金硬質粒子1之中擴散至更微細的Co基合金硬質粒子1中。另外，硬質粒子1的維氏硬度為679HV0.1。

比較例1

使用含有由Fe-Mo-Si合金構成的硬質粒子10質量％的Fe基燒結合金，製作與實施例1同形狀的閥座試樣。燒結體的洛氏硬度為90.5HRB。

[1]閥冷卻能力(閥溫度)的測量

使用圖5所示的臺架試驗機測量閥溫度，評價閥冷卻能力。閥座試樣10壓入相當於汽缸蓋材(Al合金、AC4A材)的閥座夾14而設置在試驗機上，臺架試驗中，通過一邊由燃燒器11加熱閥13(SUH合金，JIS G4311)，一邊與凸輪12的轉動聯動來使閥13上下而進行。閥冷卻能力通過如下方式進行計測，即，使燃燒器11的空氣和氣體的流量與燃燒器位置一定，使線能量一定，而通過自記溫度計16計測閥的傘中心部的溫度。燃燒器11的空氣和氣體的流量(L/min)分別為90、5.0，凸輪轉速為2500rpm。運轉開始15分鐘後，測量飽和的閥溫度。還有，在本申請實施例中，閥冷卻能力，根據比較例1的從閥溫度的溫度降低量(降低以-表示)進行評價，以之取代根據加熱條件等而變化的飽和閥溫度進行評價。比較例1的飽和閥溫度是高於800℃的高溫，但是實施例1和2的飽和閥溫度低於800℃，閥冷卻能力分別為-48℃和-32℃。

[2]磨耗試驗

使用圖5所示的臺架試驗機，在閥冷卻能力的評價之後，評價耐磨耗性。評價是使用埋入閥座10的熱電偶15，使閥座的工作面處於規定的溫度而調節燃燒器11的火力來進行。另外，磨耗量是通過測量試驗前後的閥座與閥的形狀，作為工作面的後退量計算。在此，閥13(SUH合金)使用的是適合上述閥座尺寸的以Co合金(Co-20％Cr-8％W-1.35％C-3％Fe)作為填充物(盛金)的。作為試驗條件為，溫度300℃(閥座工作面)，凸輪轉速2500rpm，試驗時間5小時。還有，磨耗量是通過將比較例1的磨耗量作為1的相對比率進行評價。實施例1和2的磨耗量，與比較例1相比較，閥座磨耗量分別為1.03和0.69，但閥磨耗量分別為1.02和0.83。

實施例3～6

在實施例3～6中，使硬質粒子的量分別為28質量％、40質量％、55質量％及65質量％，使作為燒結助劑的Fe-P合金粉末為5質量％，除此以外，均與實施例1同樣製作閥座試樣，與實施例1同樣，進行Fe和P的化學分析、洛氏硬度的測量、閥冷卻能力的測量、及磨耗試驗。

比較例2～3

在比較例2和3中，使作為燒結助劑的Fe-P合金粉末分別為2.5質量％和8.5質量％，除此以外，均與實施例1同樣製作閥座試樣，與實施例1同樣，進行Fe和P的化學分析、洛氏硬度的測量、閥冷卻能力的測量、及磨耗試驗。

實施例7～8

為了基底強化，添加平均粒徑處於5.6μm的範圍，純度99.7％的Ni粉末2質量％、4質量％，除此以外均與實施例1同樣製作閥座試樣。與實施例1同樣，進行Fe和P的化學分析、洛氏硬度的測量、閥冷卻能力的測量、及磨耗試驗。

實施例9

作為硬質粒子，使用平均粒徑85μm，以質量％計由W：4.0％、Cr：28.0％、C：1.1％、餘量Co及不可避免的雜質構成的Co-W-Cr-C合金粉末，除此以外均與實施例1同樣地製作閥座試樣。燒結體的洛氏硬度為60.0HRB。

實施例3～9和比較例2～3的結果，與實施例1、2及比較例1的結果一起顯示在表1和2中。

【表1】

*比較例1的硬質粒子是Fe-Mo-Si合金。

【表2】