(57)【要約】  内燃機関においてバルブシートインサートなどに使用される焼結材料が提供される。上記材料は、加圧されたベース粉末金属混合物と、ベース粉末金属混合物の孔に溶浸させたＣｕ豊富相とを含む。ベース粉末金属混合物は、ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種と、Ｂ、Ｎ、および／またはＣなどの少なくとも１種の添加剤とを含む。Ｍｏおよび／またはＷの量は、上記材料の総重量に基づいて５０重量％〜８５重量％である。少なくとも１種の添加剤の総量は、上記材料の総重量に基づいて０．２〜２５重量％であり、Ｃｕ豊富相の量は、上記材料の総重量に基づいて１５重量％〜５０重量％である。また、上記材料の熱伝導率は、少なくとも７０Ｗ／ｍＫである。
2019536896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブシートインサートであって、
ベース粉末金属混合物とＣｕ豊富相とを含む材料を含み、
前記ベース粉末金属混合物は、ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種を含み、
前記ベース粉末金属混合物は、複数の孔を含み、
前記Ｃｕ豊富相は、前記ベース粉末金属混合物の前記孔の中に配置されている、バルブシートインサート。
【請求項２】
前記ベース粉末金属混合物は、少なくとも１種の添加剤を含み、前記少なくとも１種の添加剤は、Ｂ、Ｎ、およびＣのうち少なくとも１種を含む、請求項１に記載のバルブシートインサート。
【請求項３】
前記少なくとも１種の添加剤は、Ｂ、Ｎ、およびＣのうち少なくとも１種を、前記ベース粉末金属混合物の総重量に基づいて０．２〜５．０重量％の量で含む、請求項２に記載のバルブシートインサート。
【請求項４】
前記材料の熱伝導率は、少なくとも７０Ｗ／ｍＫである、請求項１に記載のバルブシートインサート。
【請求項５】
前記Ｂ、Ｎ、およびＣのうち少なくとも１種は、前記ベース粉末金属混合物中における溶解度が、前記ベース粉末金属混合物の総重量に基づいて０．１重量％未満である、請求項２に記載のバルブシートインサート。
【請求項６】
前記少なくとも１種の添加剤は、任意で、ケイ素（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）のうち少なくとも１種を含み、
前記少なくとも１種の添加剤の総量は、前記材料の総重量に基づいて０．２〜２５重量％である、請求項２に記載のバルブシートインサート。
【請求項７】
前記ベース粉末金属混合物は、ＭｏとＶとＮとの組み合わせ、ＭｏとＣとの組み合わせ、ＷとＣとの組み合わせ、ＭｏとＷとＢとの組み合わせ、ＭｏとＭｏＣとの組み合わせ、およびＭｏとＶとＮとの組み合わせからなる群より選択される組み合わせを含む、請求項１に記載のバルブシートインサート。
【請求項８】
前記ベース粉末金属混合物はＭｏを含み、かつ、前記少なくとも１種の添加剤はＣおよびＮを含む、請求項１に記載のバルブシートインサート。
【請求項９】
前記ベース粉末混合物はＭｏを含み、かつ、前記少なくとも１種の添加剤はＳｉとＣとＮとを含む、請求項１に記載のバルブシートインサート。
【請求項１０】
前記ベース粉末金属混合物の前記ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種の量は、前記材料の総重量に基づいて５０重量％〜８５重量％であり、かつ、前記Ｃｕ豊富相の量は、前記材料の総重量に基づいて１５重量％〜５０重量％である、請求項１に記載のバルブシートインサート。
【請求項１１】
前記Ｃｕ豊富相は、純銅、銅合金、または銅系材料であり、かつ、前記Ｃｕ豊富相の２１℃における熱伝導率は、少なくとも７０Ｗ／ｍＫである、請求項１に記載のバルブシートインサート。
【請求項１２】
前記ベース粉末金属混合物の多孔度は、前記ベース粉末金属混合物の総体積に基づいて１０体積パーセント（体積％）〜５０体積％であり、かつ、前記Ｃｕ豊富相は前記孔の容積を満たす、請求項１に記載のバルブシートインサート。
【請求項１３】
前記材料の摩擦係数は０．８までであり、かつ、前記材料の２１℃〜５００℃までにおける硬度は、５５ＨＲＡよりも大きい、請求項１に記載のバルブシートインサート。
【請求項１４】
前記ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種の量は、前記ベース粉末金属混合物の総重量に基づいて７５．０重量％〜９９．８重量％であり、
前記ベース粉末金属混合物の前記ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種の量は、前記材料の総重量に基づいて５０重量％〜８５重量％であり、
前記ベース粉末金属混合物は、少なくとも１種の添加剤を含み、
前記少なくとも１種の添加剤は、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、および炭素（Ｃ）のうち少なくとも１種を含み、
前記Ｂ、Ｎ、およびＣのうち少なくとも１種の量は、前記ベース粉末金属混合物の総重量に基づいて０．２〜５．０重量％であり、
前記Ｂ、Ｎ、およびＣのうち少なくとも１種は、前記ベース粉末金属混合物中における溶解度が、前記ベース粉末金属混合物の総重量に基づいて０．１重量％未満であり、
前記少なくとも１種の添加剤は、任意で、ケイ素（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）のうち少なくとも１種を含み、
前記少なくとも１種の添加剤の総量は、前記材料の総重量に基づいて０．２〜２５重量％であり、
前記ベース粉末金属混合物の多孔度は、前記ベース粉末金属混合物の総体積に基づいて１０体積パーセント（体積％）〜５０体積％であり、
前記ベース粉末金属混合物は加圧され、
前記Ｃｕ豊富相は、純銅、銅合金、または銅系材料であり、
前記Ｃｕ豊富相の２１℃における熱伝導率は、少なくとも７０Ｗ／ｍＫであり、
前記Ｃｕ豊富相は前記孔の容積を満たし、
前記Ｃｕ豊富相の量は、前記材料の総重量に基づいて１５重量％〜５０重量％であり、
前記材料の熱伝導率は、少なくとも７０Ｗ／ｍＫであり、
前記材料の摩擦係数は０．８までであり、
前記材料の２１℃〜５００℃までにおける硬度は、５５ＨＲＡよりも大きく、
前記材料は焼結される、請求項１に記載のバルブシートインサート。
【請求項１５】
内燃機関において使用される材料であって、
ベース粉末金属混合物とＣｕ豊富相とを含み、
前記ベース粉末金属混合物は、ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種を含み、
前記ベース粉末金属混合物は、少なくとも１種の添加剤を含み、前記少なくとも１種の添加剤は、Ｂ、Ｎ、およびＣのうち少なくとも１種を含み、
前記ベース粉末金属混合物は、複数の孔を含み、
前記Ｃｕ豊富相は、前記ベース粉末金属混合物の前記孔の中に配置されている、材料。
【請求項１６】
前記材料の熱伝導率は、少なくとも７０Ｗ／ｍＫであり、かつ、前記Ｃｕ豊富相の熱伝導率は、少なくとも７０Ｗ／ｍＫである、請求項１５に記載の材料。
【請求項１７】
前記材料の熱伝導率は、少なくとも９０Ｗ／ｍＫであり、かつ、前記Ｃｕ豊富相の熱伝導率は、少なくとも９０Ｗ／ｍＫである、請求項１６に記載の材料。
【請求項１８】
前記材料の熱伝導率は、少なくとも１００Ｗ／ｍＫであり、かつ、前記Ｃｕ豊富相の熱伝導率は、少なくとも１１０Ｗ／ｍＫである、請求項１７に記載の材料。
【請求項１９】
前記ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種の量は、前記ベース粉末金属混合物の総重量に基づいて７５．０重量％〜９９．８重量％であり、
前記ベース粉末金属混合物の前記ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種の量は、前記材料の総重量に基づいて５０重量％〜８５重量％であり、
前記少なくとも１種の添加剤は、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、および炭素（Ｃ）のうち少なくとも１種を含み、
前記Ｂ、Ｎ、およびＣのうち少なくとも１種の量は、前記ベース粉末金属混合物の総重量に基づいて０．２〜５．０重量％であり、
前記Ｂ、Ｎ、およびＣのうち少なくとも１種は、前記ベース粉末金属混合物中における溶解度が、前記ベース粉末金属混合物の総重量に基づいて０．１重量％未満であり、
前記少なくとも１種の添加剤は、任意で、ケイ素（Ｓｉ）、銀（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）のうち少なくとも１種を含み、
前記少なくとも１種の添加剤の総量は、前記材料の総重量に基づいて０．２〜２５重量％であり、
前記ベース粉末金属混合物の多孔度は、前記ベース粉末金属混合物の総体積に基づいて１０体積パーセント（体積％）〜５０体積％であり、
前記ベース粉末金属混合物は加圧され、
前記Ｃｕ豊富相は、純銅、銅合金、または銅系材料であり、
前記Ｃｕ豊富相の２１℃における熱伝導率は、少なくとも７０Ｗ／ｍＫであり、
前記Ｃｕ豊富相は前記孔の容積を満たし、
前記Ｃｕ豊富相の量は、前記材料の総重量に基づいて１５重量％〜５０重量％であり、
前記材料の熱伝導率は、少なくとも７０Ｗ／ｍＫであり、
前記材料の摩擦係数は０．８までであり、
前記材料の２１℃〜５００℃までにおける硬度は、５５ＨＲＡよりも大きく、
前記材料は焼結される、請求項１６に記載の材料。
【請求項２０】
バルブシートインサートの製造方法であって、
ベース粉末金属混合物を加圧する工程であって、前記ベース粉末金属混合物は、ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種を含む、工程と、
前記ベース粉末金属混合物にＣｕ豊富相を溶浸させる工程と、
前記溶浸後のベース粉末金属混合物を焼結させる工程とを含む、バルブシートインサートの製造方法。
【請求項２１】
内燃機関において使用される材料の製造方法であって、
ベース粉末金属混合物にＣｕ豊富相を溶浸させる工程であって、前記ベース粉末金属混合物は、ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種を含む、工程と、
前記溶浸後のベース粉末金属混合物を焼結させる工程とを含む、内燃機関において使用される材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
この米国実用特許出願は、２０１６年９月２８日付で提出された米国仮特許出願第６２／４００，８６７号および２０１７年８月３日付で提出された米国実用特許出願第１５／６６８，３６８号に基づく優先権を主張するものであり、それらの内容全体を引用により本明細書に援用する。
【０００２】
発明の背景
１．発明の背景
本発明は、概して、バルブガイド用およびバルブシートインサート用の粉末金属材料などの粉末金属材料、ならびにバルブガイド用およびバルブシートインサート用の粉末金属材料などの粉末金属材料の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
粉末金属材料は、バルブガイドおよびバルブシートインサートといった自動車用途において、耐摩耗性および／または熱伝導率が改善された部品を形成するために使用されることが多い。エンジンの作動中、典型的な排気バルブシートインサートは、温度が４００℃〜５００℃に達し得る。このように、エンジンには厳しい条件が求められるため、バルブガイドおよびバルブシートインサートの形成に使用される材料は、高い高温硬度と潤滑性とを併せ持つ材料であることが好ましい。近年では、さらに、高い熱伝導率を有するバルブシートインサートおよびガイドの提供が望まれている。こうした材料は、さらに、エンジン始動時のような低温下から、エンジンの高速作動中および最大定格出力での稼働中のような高温下において、十分な耐摩耗性を有することが求められる。厳しい条件が求められる内燃機関用途において、特にバルブシートインサートに使用する粉末金属系材料などには、高温および低温の双方において非常に優れた硬度、熱伝導率、および耐摩耗性を有する材料が、依然として求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
概要
本発明の一態様は、ベース粉末金属混合物とＣｕ豊富相とを含む材料を含むバルブシートインサートを提供する。ベース粉末金属混合物は、ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種を含む。ベース粉末金属混合物は、さらに、複数の孔を含み、Ｃｕ豊富相は、ベース粉末金属混合物の孔の中に配置されている。
【０００５】
本発明の別の一態様は、内燃機関において使用される、ベース粉末金属混合物とＣｕ豊富相とを含む材料を提供する。ベース粉末金属混合物は、ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種を含む。ベース粉末金属混合物は、さらに、少なくとも１種の添加剤を含み、この少なくとも１種の添加剤は、Ｂ、Ｎ、およびＣのうち少なくとも１種を含む。ベース粉末金属混合物は複数の孔を含み、Ｃｕ豊富相は、ベース粉末金属混合物の孔の中に配置されている。
【０００６】
本発明のさらに別の一態様は、バルブシートインサートの製造方法を提供する。この方法は、ベース粉末金属混合物を加圧する工程であって、ベース粉末金属混合物は、ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種を含む、工程と、ベース粉末金属混合物にＣｕ豊富相を溶浸させる工程と、溶浸後のベース粉末金属混合物を焼結させる工程とを含む。
【０００７】
本発明のまたさらに別の一態様は、内燃機関において使用される材料の製造方法を提供する。この方法は、ベース粉末金属混合物にＣｕ豊富相を溶浸させる工程であって、ベース粉末金属混合物は、ＭｏおよびＷのうち少なくとも１種を含む、工程と、溶浸後のベース粉末金属混合物を焼結させる工程とを含む。
【０００８】
上記材料は、高温および低温の双方において非常に優れた硬度、熱伝導率、および耐摩耗性を提供し得る。したがって、上記材料は、内燃機関のバルブガイドおよびバルブシートインサートに使用するのに好ましい。より具体的には、上記材料は、エンジン始動時の約０℃〜約１００℃のような低温下から、エンジンの高速作動中および最大定格出力での稼働中の３００℃〜５００℃のような高温下において、耐摩耗性および熱伝導率をバランス良く提供する。
【０００９】
上記以外の本発明の利点は、添付の図面に関連して以下の詳細な説明を参照することによってよく理解でき、したがって容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る材料で形成されたバルブシートインサートを備える内燃機関の一部分の例である。
【図２】本発明の実施形態に係る例示用の材料の耐摩耗性を、比較用の材料の耐摩耗性と比較して示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態に係る材料の熱伝導率を、比較用の材料の熱伝導率と比較して示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る材料の高温硬度を、比較用の材料の高温硬度と比較して示すチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係る材料の高温硬度を、比較用の材料の高温硬度と比較して示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る材料の硬度（ＨＶ１０）を、比較用の材料の硬度と比較して示すチャートである。
【図７】比較用の材料２種（合金Ａおよび合金Ｂ）と、本発明の例示的な一実施形態に係る材料（合金Ｃ）とを、アルミナを相手材として摩耗試験に供して比較した結果を示す表およびグラフを含む。
【図８】合金Ａおよび合金Ｂと、合金Ｃとを、ステライト６を相手材として摩耗試験に供して比較した結果を示す、４つのグラフを含む。
【図９】合金Ｃで形成されたバルブシートをダイナモメーター自動車エンジン試験に供した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
例示的な実施形態の詳細な説明
本発明の一態様は、ベース粉末金属混合物と、溶浸銅相またはネットワークとで形成される材料を提供する。この材料は、内燃機関内部で生じる温度域において、熱伝導率と耐摩耗性とのバランスが非常に優れる。上記材料は、たとえば図１中に示されるバルブシートインサートを形成する用途などの、バルブシートインサート用途において、好ましく使用される。また、上記材料は、バルブガイドを形成するため、または内燃機関の過酷な条件にさらされる別の部品を形成するためにも使用され得る。
【００１２】
ベース粉末金属混合物は、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）のうち少なくとも１種を含む。一実施形態において、ベース粉末金属混合物は、ＭｏおよびＷを両方含む。Ｍｏおよび／またはＷの量は、典型的には、ベース粉末金属混合物の総重量に基づいて７５．０重量％〜９９．８重量％である。
【００１３】
ベース粉末金属混合物は、さらに、少なくとも１種の、さらなる要素とも称される添加剤または化合物、硬質粒子、硬質相、またはトライボロジー成分を含む。少なくとも１種の添加剤は、ベース粉末金属混合物の耐摩耗性を改善し且つ最終的に得られる材料の熱伝導率を比較的高くし得るものが選択される。ベース粉末金属混合物中に使用される添加剤の量は、たとえば稼働中のエンジンでの用途のような高温下において、潤滑性のＭｏおよび／またはＷの酸化物が上記材料上に生成するのを妨げない量である。こうして生成する酸化物には、たとえば、ＭｏＯ３が含まれてよい。ＭｏＯ３は、摩擦係数が非常に小さいため、耐摩耗性の改善に寄与する化合物である。耐摩耗性は、温度の関数であり、複数の要因の組み合わせによって生じる。たとえば、少なくとも１種の添加剤は、低温下における耐摩耗性を改善し得るものが選択されてよく、潤滑性酸化物は、低温よりも高い温度下における摩耗性能を改善する。また、添加剤の量は、最終材料および銅相の熱伝導率が少なくとも７０Ｗ／ｍＫ、好ましくは最終材料および銅相の熱伝導率が少なくとも９０Ｗ／ｍＫ、より好ましくは最終材料の熱伝導率が少なくとも１００Ｗ／ｍＫかつ銅相の熱伝導率が少なくとも１１０Ｗ／ｍＫとなるように調整されてもよい。また、添加剤は、最終的に得られる材料の室温〜５００℃までにおける硬度が５５ＨＲＡよりも高くなるように選択されてもよい。
【００１４】
一実施形態によれば、少なくとも１種の添加剤は、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、および炭素（Ｃ）のうち少なくとも１種を含み、任意で、銀（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）のうち少なくとも１種を含む。ベース粉末金属混合物中、ベース粉末金属混合物の総重量に基づいて、添加剤の総量は０．２〜２５重量％、Ｂ、Ｎ、およびＣの総量は０．２〜５．０重量％である。Ｂ、Ｎ、およびＣのうち少なくとも１種の固溶体中における溶解度は、Ｃｕ、Ｗ、および／またはＭｏ中において、小さいことが好ましく、たとえば、ベース粉末金属混合物の総重量に基づいて０．１重量％未満であることが好ましい。好ましい一実施形態によれば、Ｍｏを含むベース粉末金属材料中に使用されて３００℃および４５０℃における耐摩耗性を実質的に改善し得る添加剤として、グラファイトが選択される。ベース金属混合物の形成に使用できる組成の例として、ＭｏとＶとＮとを含む組成、ＭｏとＣとを含む組成、ＷとＣとを含む組成、ＭｏとＷとＢとを含む組成、ＭｏとＭｏＣとを含む組成、およびＭｏとＶとＮとを含む組成が挙げられる。
【００１５】
ベース粉末金属混合物は、典型的なプロセスにより加圧されて、所望の形状とされる。上述される例示的な実施形態において、ベース粉末金属混合物は、加圧されて、バルブシートインサートの形状とされる。ベース粉末金属混合物の加圧後、ベース粉末金属混合物は複数の孔を含む。上述される例示的な実施形態において、ベース粉末金属混合物はスポンジ状の形態を有する。しかしながら、ベース粉末金属混合物は、スポンジ状の形態に限定されない。他の構造も可能である。典型的には、ベース粉末金属混合物の多孔度は、ベース粉末金属混合物の総体積に基づいて１０体積パーセント（体積％）〜５０体積％である。
【００１６】
ベース粉末金属混合物の骨格の孔は、典型的には焼結中の溶浸プロセスによって、銅相で満たされる。銅相は、純銅、銅合金、または銅系材料であってよい。銅相の熱伝導率は、２１℃（室温）において少なくとも７０Ｗ／ｍＫ、より好ましくは少なくとも９０Ｗ／ｍＫ、最も好ましくは少なくとも１１０Ｗ／ｍＫである。たとえば、銅相が純銅である場合、銅相の熱伝導率は室温で約３９０Ｗ／ｍＫである。典型的には、銅相は、孔の容積を満たす。
【００１７】
最終的に得られる材料は、加圧されたベース粉末金属混合物の孔に銅相が溶浸された、焼結された材料である。上述されたように、ベース粉末金属混合物はＭｏおよび／またはＷを含み、Ｍｏおよび／またはＷの量は、典型的には、最終的に得られる材料の総重量に基づいて５０重量％〜８５重量％である。
【００１８】
最終的に得られる材料に含まれるベース粉末金属混合物は、さらに、比較的高い熱伝導率を維持しつつ耐摩耗性を改善するための少なくとも１種の添加剤または化合物を含む。上述されたように、少なくとも１種の添加剤は、典型的には、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、および炭素（Ｃ）のうち少なくとも１種を含み、任意で、銀（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、およびジルコニウム（Ｚｒ）のうち少なくとも１種を含む。少なくとも１種の添加剤の量は、上記材料の総重量に基づいて、０．２重量％以上２５．０重量％以下である。また、Ｂ、Ｎ、およびＣすべての総量は、上記材料の総重量に基づいて０．２重量％〜５．０重量％であるべきである。
【００１９】
最終的に得られる材料は、さらに、ベース粉末金属混合物の孔の中に配置された銅相を含む。典型的には、銅相の量は、上記材料の総重量に基づいて１５重量％〜５０重量％である。
【００２０】
最終的に得られる材料は、優れた耐摩耗性と熱伝導率とを併せて提供する。耐摩耗性は、高温での作動中に、ＭｏＯ３および／またはＷＯ３などの潤滑性酸化物が上記材料中または上記材料上に生成することによって改善される。たとえば、上記材料の摩擦係数は、典型的には０．２〜０．５であり、上限は０．８であってよい。また、最終的に得られる材料の熱伝導率は、典型的には、少なくとも７０Ｗ／ｍＫ、好ましくは少なくとも９０Ｗ／ｍＫ、より好ましくは少なくとも１００Ｗ／ｍＫである。
【００２１】
上記材料の硬度は、典型的には、室温〜５００℃までにおいて５５ＨＲＡよりも高い。こうした有利な特性を有しているため、上記材料は、バルブシートインサートなどの内燃機関部品の形成に使用された際に、良好な性能を発揮する。
【００２２】
上述されたように、高温であり且つ酸素元素または酸素化合物が存在するという、燃焼機関特有の条件下において、Ｍｏおよび／またはＷが存在することによって、潤滑性酸化物ＭｏＯ３および／またはＷＯ３が、上記材料中または上記材料上に生成する。潤滑性酸化物の生成は、温度の上昇に伴って増加する。しかしながら、４００℃を超えると、こうした酸化物によって形成される酸化物層は安定ではなくなり、上記材料によって過度の酸化が引き起こされ得る。潤滑性酸化物により、上記材料の摩擦係数が改善される。
【００２３】
典型的な排気バルブシートインサートは、温度が４００℃〜５００℃に達し得る。しかしながら、排気用途に使用される銅溶浸高合金鋼・工具鋼の典型的な熱伝導率は、３０Ｗ／ｍＫ〜５０Ｗ／ｍＫ程度でしかない。本発明に係る材料は熱伝導率が高く、典型的には少なくとも７０Ｗ／ｍＫであるため、バルブシートインサートの温度を４００℃近くまでまたは４００℃以下にまで低下させるのに寄与し且つ耐摩耗性を許容範囲内に維持することができる。このような中程度の温度であれば、過剰に酸化物が生成されることなく、潤滑性酸化物が生成され得る。
【００２４】
また、潤滑性酸化物が生成することにより、内燃機関内部で生じる中程度から高温という温度域における摩耗が、実質的に低減されやすくなり得る。しかしながら、上記材料は、バルブによって加えられる大きな衝撃に耐えることが要求される。軽い元素（Ｂ、Ｃ、およびＮ）を添加剤と組み合わせて存在させることにより、高温硬度を含む硬度が改善され、したがって、低温から中程度の温度における耐摩耗性が改善される。室温〜５００℃までにおける比較的高い硬度は、ＭｏＣ、Ｗ２Ｃ、ＭｏＢなどの硬質析出物が生成すること、またはＣｕ中にＮｉなどの固溶体増強物質が存在することによって得られる。また、組成中にＮが存在することにより、窒化物または炭窒化物が生成する。
【００２５】
上述されたように、上記材料は、慣習的な粉末金属プロセスによって形成され得る。また、Ｍｏおよび／またはＷマトリックスに銅溶浸させることにより、慣習的な粉末金属技術による大量製造が可能となる。しかしながら、こうした、高温硬度、潤滑性酸化物、および熱伝導率からなる独自の組み合わせは、バルブシートインサートのように厳しい条件が求められる用途に使用される材料独自のものである。当該用途においては、低温（エンジン始動時）から高温（高速かつ最大定格出力でのエンジン稼働）までの温度域において良好な耐摩耗性が必要とされる。低温においては、硬度が耐摩耗性に寄与する。温度の上昇に伴い、高温硬度がわずかに低下するが、生成する潤滑性酸化物が、耐摩耗性改善において中心的な機構となる。高い熱伝導率が、バルブシートインサートの温度上昇の抑制に寄与するため、バルブシートインサートの温度は、酸化物が過剰に生成するほどの高温には達しない。
【００２６】
図２は、本発明の実施形態に係る例示用の材料の耐摩耗性を、比較用の粉末金属材料の耐摩耗性と比較して示すグラフである。より具体的には、このグラフは、３００℃および４５０℃における各材料の摩耗を、毎時マイクロメートル単位にて測定した測定値を含む。Ｔｒｉｂａｌｏｙ  Ｔ４００およびＦＭ−３０１０は、高耐久性が求められるバルブシートインサート用途に使用できる２種の比較例材料である。ＭｏＣｕ材料は、発明の実施形態の例であり、予想されていなかった非常に優れた耐摩耗性を示す。粉末金属材料の組成の規格を、図１０中に示す。また、図９のダイナモメーター試験に加えて、本開示において検討される摩耗試験はいずれも、同一の試験手順によって行なわれた。この試験手順とは、加える力を４０Ｎ、規格摺動速度を５０ｍｍ／秒、かつ総摺動距離を７２０ｍとした摺動ボール試験である。
【００２７】
図３は、本発明の実施形態に係る材料の熱伝導率を、比較用の材料の熱伝導率と比較して示すグラフである。粉末金属材料の組成の規格を、図１０中に示す。発明の例示用の材料の熱伝導率は、ＶＳＩ用途のＣｕ合金が有する高い熱伝導率に近い。
【００２８】
図４は、本発明の実施形態に係る材料の、様々な温度における高温硬度（ＨＲＡ）を、比較用の材料の高温硬度と比較して示すチャートである。粉末金属材料の組成の規格を、図１０中に示す。見かけ硬度試験は、ＩＳＯ４４９８、ＭＰＩＦ  ４３、およびＡＳＴＭ  Ｅ１８を参照して実施される。
【００２９】
図５は、本発明の一実施形態に係る材料の、６００℃曝露前後の、２５℃における高温硬度（ＨＲＡ）を、比較用の材料の高温硬度と比較して示すグラフである。粉末金属材料の組成の規格を、図１０中に示す。見かけ硬度試験は、ＩＳＯ４４９８、ＭＰＩＦ  ４３、およびＡＳＴＭ  Ｅ１８を参照して実施される。試験に供した試料は、２５〜３０分間にわたり、空気中にて６００℃に曝露される。加熱速度の規格は約３．５℃／分であり、冷却速度の規格は約９．５℃／分であった。図５より、この例示的な実施形態に係る発明の材料が、高い熱伝導率を有するＣｕ系材料と比較して、高温曝露時に軟化しないことが示される。
【００３０】
図６は、本発明の実施形態に係る材料の、様々な温度における硬度（ＨＶ１０）を、比較用の材料の硬度と比較して示すチャートである。第１の曲線（淡青）は、ストレスが緩和された（ｓｔｒｅｓｓ−ｒｅｌｉｅｖｅｄ）純モリブデンである。第２、第３、第４、および第５の点（赤、緑、紫、および濃青のドット）は、電子工学分野における熱管理に使用されるＭｏＣｕ系材料である。第２の点（赤）の材料は、モリブデン５０重量％および銅５０重量％である。第３の点（緑）の材料は、モリブデン７０重量％および銅３０重量％である。第４のドット（紫）の材料は、タングステン５０重量％および銅５０重量％である。第５のドット（濃青）の材料は、タングステン７０重量％および銅３０重量％である。第６の曲線（オレンジ）は、バルブシート用途に使用可能な、本発明の一実施形態に係る例示用の材料であり、混合物５Ｂと称される。
【００３１】
図７は、比較用の材料２種（合金Ａおよび合金Ｂ）と、本発明の例示的な一実施形態に係る材料（合金Ｃ）とを、アルミナを相手材として摩耗試験に供して比較した結果を示す。合金Ａおよび合金Ｂは、典型的な高合金Ｃｕ溶浸バルブシートインサート鋼である。合金Ｃは、潤滑性を有しているため、３００℃における耐摩耗性が有意に改善されている。合金Ａおよび合金Ｂは、熱伝導率が比較的低いため、一用途において、温度が４００〜５００℃に到達し得る。合金Ｃは、高い熱伝導率を有するため、エンジンに使用されると温度を実質的に低下させることが予期される。また、合金Ｃは、４５０℃などの高温において非常に良好な性能を発揮する。
【００３２】
図８は、合金Ａおよび合金Ｂと、合金Ｃとを、鋼を相手材としてさらなる摩耗試験に供して比較した結果を示す。粉末金属材料の組成の規格を、図１０中に示す。合金Ｃの潤滑性酸化物は、相手材の種類にかかわりなく生成する。鋼に対して、測定可能な量の鋼摩耗は生じず、一方、合金Ｃの摩耗量は非常に少量である。合金Ａおよび合金Ｂについては、摩耗が顕著であり、とりわけ鋼摩耗が顕著である。コバルト合金に対して、コバルトを相手材とした際の摩耗量は、合金Ｃに対しては極微量であるが、合金Ａおよび合金Ｂに対しては顕著である。
【００３３】
図９は、合金Ｃで形成されたバルブシートインサートをダイナモメーター自動車エンジン試験に供した結果を示す。この試験は、レース用途に使用される材料を対象として実施される。試験において、バルブシートインサートをチタン被覆バルブに対して滑らせた。試験結果から、試験後における合金Ｃの摩耗量が非常に少ないことが示される。試験された例示用のバルブシートインサートの最大摩耗量は約２５μｍであった。一方、許容される最大摩耗量の上限は５０μｍである。
【００３４】
上記材料がバルブシートインサートの形成に使用される際には、熱伝導率が高いために、バルブヘッドから水冷エンジンヘッド中への熱の移動と伝達とが改善され得る。これにより、燃焼力学が変化し、エンジン性能が改善され、摩耗が低減され、かつ／または他の部品のコストが低減されるため、エンジン設計者にとって一助となり得る。上記材料の熱伝導率は、鉄系材料の熱伝導率よりも高い。さらに、ベース粉末金属混合物に添加剤、硬質粒子、またはトライボロジー成分が含まれることにより、性能が改善され、たとえば耐摩耗性、熱伝導率、または他の利点が得られる。また、Ｍｏおよび／またはＷを含有するベース粉末金属混合物がスポンジ状の形態を有する場合には、このスポンジ状の構造により、製造性および銅溶浸性が改善される。
【００３５】
本発明は、上述した教示内容に鑑みて、多くの変更例および変形例が実施可能であり、特許請求の範囲の範囲内であれば、具体的に記載される態様とは異なる態様において実施されてもよい。また、すべての請求項およびすべての実施形態のすべての特徴は、矛盾が生じない限り、互いに組み合わせてもよいことが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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