(57)【要約】  内燃機関用のシリンダヘッドであって、Ｃｏ基又はＣｏ／Ｍｏ基合金を熱溶射した均質な層から形成される金属バルブシートリングを含むシリンダヘッドが開示される。合金中のＣｏ含有量及びＭｏ含有量の合計は５０重量パーセントを超え、一方Ｆｅ含有量は５重量パーセント未満である。又、前記バルブシートリングを、少なくとも２本の充填ワイヤ及び／又は複合ワイヤを用いて、アークワイヤ溶射法によって熱溶射する方法も開示される。この場合、溶着層におけるＣｏの主要部分は充填ワイヤの外皮及び／又は複合ワイヤの母材から供給される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属のバルブシートリングを有する内燃機関用のシリンダヘッドであって、
前記バルブシートリングが、熱溶射されたＣｏ基又はＣｏ／Ｍｏ基合金の均質な層から形成され、Ｃｏ及びＭｏ含有量の合計が５０重量％を超え、Ｆｅ含有量が５重量％未満であることを特徴とする、シリンダヘッド。
【請求項２】
前記Ｃｏ／Ｍｏ基合金が５〜３０重量％のＣｒ含有量を含むことを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項３】
基準化学組成が、重量％で、Ｍｏ：２５〜３５％、Ｓｉ：１〜４％、Ｆｅ：３％未満、Ｃｒ：５〜２０％、Ｃ：０．０５〜１％、Ｃｏ：残部であり、微量の構成成分は１％未満であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項４】
前記Ｃｏ／Ｍｏ基合金の中に結合されていない遊離のＭｏ及び／又はＣｏ成分が１０容積％未満であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項５】
前記溶射された層の多孔率が５％未満であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項６】
前記溶射された層のビッカース硬度が６５０ＨＶを超えていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項７】
前記溶射された層の厚さが０．５〜２ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項８】
前記溶射された層における金属酸化物又は金属窒化物の含有量が２重量％未満であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項９】
熱溶射されたバルブシートリングの製造方法であって、
前記バルブシートリングが、少なくとも２本の充填ワイヤ及び／又は複合ワイヤを用いるアークワイヤ溶射法によって、基体材料の上にＣｏ／Ｍｏ基合金の均質な層として溶着され、前記溶着層中のＣｏの主要構成成分が、前記充填ワイヤの外皮及び／又は前記複合ワイヤの母材によって供給されることを特徴とする、バルブシートリングの製造方法。
【請求項１０】
熱溶射されたバルブシートリングの製造方法であって、
前記バルブシートリングが、高Ｃｏ含有量の充填ワイヤと、高Ｃｒ含有量及び／又は高Ｎｉ含有量の充填ワイヤもしくはソリッドワイヤとのアークワイヤ溶射法によって、基体材料の上にＣｏ／Ｍｏ基合金の均質な層として溶着され、前記溶着層中のＣｏの主要構成成分が、前記充填ワイヤの外皮によって供給されることを特徴とする、バルブシートリングの製造方法。
【請求項１１】
前記高Ｃｏ含有量の充填ワイヤの外皮もしくは前記高Ｃｏ含有量の複合ワイヤの母材が、９０重量％を超えるＣｏ含有量と、０．５〜５重量％の範囲のＦｅ含有量を有することを特徴とする請求項９あるいは１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記高Ｃｏ含有量の充填ワイヤのコアが、主としてＭｏ、Ｃｒ、Ｎｉ及び／又はＳｉの構成成分によって形成されることを特徴とする請求項９あるいは１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記充填ワイヤがＣｏの帯状片又はＣｏのパイプから製造されること、及び、他の金属構成成分は粉末形態であることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記充填ワイヤ、複合ワイヤ、又はソリッドワイヤの材料の９５％より多くの部分が、前記アークワイヤ溶射法の間に溶融相に移行することを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記アークワイヤ溶射法のキャリアガスがＮ２またはＡｒであることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属のバルブシートリングを有する内燃機関用のシリンダヘッドであって、そのバルブシートリングがアークワイヤ溶射されたＣｏ／Ｍｏ基合金からなるシリンダヘッドと、１本以上の金属の充填ワイヤによるアークワイヤ溶射法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリンダヘッドは、特にそのバルブシートにおいて、その熱的又は機械的能力の限界に至るまでの応力を局所的な部分に受ける。この結果、例えば亀裂及び／又は摩擦摩耗によって認めることができる局所破壊が生じる可能性がある。
【０００３】
特に、軽金属又は重金属技術におけるシリンダヘッドにおいては、耐久性のある材料のバルブシートリングを、高応力部分へ圧入することによって形状適合させて導入する。このバルブシートリング用の材料として、Ｃｏ基及びＣｏ／Ｍｏ基合金は特に関心を呼ぶものである。これらの合金は、部分的に並はずれた高い硬度ときわめて高い耐摩耗性の点で際立っている。このため、これらの合金の適用分野の１つは装甲技術である。この利用方式の１つの大きな課題は、バルブシートリングを個々に製造し調整することが必要な点である。特に、非常に硬いＣｏ／Ｍｏ基合金については、所要の製造精度を達成するには広範な加工段階が必要である。
【０００４】
この加工段階を低減するため、特許文献１には、バルブとバルブシートとの間の特別に予備処理された接触表面上に保護層を被覆する方法が提案されている。これは、セラミック及び金属粒子の粉末混合物を熱溶射することによって行われる。この場合、形成された層は組成勾配を示し、準セラミックの被覆層が形成されるが、それは、最適の材料組成を有するものではない。
【０００５】
特許文献２から、粉末粒子として少なくとも３種の粉末成分の粉末混合物を用いる保護層形成法を知ることができる。第１の粉末成分はＦｅ基、Ｃｏ基又はＮｉ基合金からなり、第２の粉末成分は主としてＭｏ又は耐火金属の硫化物から形成され、第３の粉末成分は主にＣｕ、Ａｌ又はＡｇを含む。提示された加工法については、あるいは場合によってはそれによって形成された層については、個々の粉末成分が相互に溶解し合わないことと、異なる粉末成分の合金が形成されないこととが必須である。この必須点によってのみ、使用した構成成分の個々の機能特性（硬度、潤滑性及び熱伝導性）を層内で保持することができる。粉末は、例えばＨＶＯＦ法又はガス圧縮法によって溶着される。負荷又は応力が最大の部分においては、層の硬度は部分的に不十分であることが判明している。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，６６１，３７１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１００  ４１  ９７４  Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の課題は、高硬度と耐摩耗性を備えた金属バルブシートリングであって、簡単な方法でシリンダヘッドに直接被覆可能な金属バルブシートを提供すること、並びに、金属バルブシートリングを均質な合金として基礎材料もしくは基体材料の上に溶着する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、Ｃｏ基又はＣｏ／Ｍｏ基合金であって、そのＣｏ及びＭｏ含有量の合計が５０重量％より大きくかつＦｅ含有量が０．５〜５重量％の範囲にある合金を熱溶射した層によって形成されるバルブシートリングと、１本以上の金属の充填ワイヤであって、溶着されるＣｏの主要部分がその外皮に含まれる金属充填ワイヤを用いたアークワイヤ溶射法とによって解決される。
【０００９】
本発明に従って、非常に硬くかつ耐摩耗性の高い（耐久性のある）Ｃｏ基及び／又はＣｏ／Ｍｏ基合金から作製されるバルブシートリングが提供され、その場合、バルブシートリングを、従来の方法で個別に製造してシリンダヘッドの中に嵌め込むのではなく、シリンダヘッドの基礎材料もしくはコア材料上に直接溶着するのである。溶着法としてはアークワイヤ溶射法（ＬＤＳ）が用いられ、その際、スタート材料として、合金ではなく、溶着工程中に所要の合金を形成するその構成成分が用いられる。
【００１０】
本発明に従って溶着されるバルブシートリング用の特に好ましい合金は、Ｃｏ及び／又は（Ｃｏ＋Ｍｏ）が６５重量％を超えるＣｏ基又はＣｏ／Ｍｏ基合金を含んでいる。Ｃｏ／Ｍｏ基合金という用語には、Ｃｏ以外に、それぞれ２０〜４０重量％の範囲のＭｏ含有量を有する組成が含まれると理解し、Ｃｏ基合金には、Ｃｏ以外に、１０重量％より少ないＭｏ含有量をも含むことができると理解するものとする。
【００１１】
さらに特有の合金成分として、この合金は、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎの群の少なくとも１つの元素を、０．１〜２０重量％の量で含んでもよい。さらに、対応する金属に通常見られる不純物又は重要でない微量成分が存在してもよい。
【００１２】
本発明に従って溶着されるバルブシートリングにおける金属酸化物又は金属窒化物の比率あるいは含有量は２容積％未満である。この合金の酸素含有量は好ましくは１重量％未満である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
特に好ましいＣｏ基合金の基準組成（重量％）は次のとおりである。
Ｃ：０．１〜３％、
Ｃｒ：５〜３０％、
Ｗ：０〜２０％、
Ｎｉ：１〜２５％、
Ｆｅ：０．１〜５％、
Ｓｉ：０〜４％、
Ｍｏ：０．５〜３％、
Ｍｎ：０〜１％、
Ｃｏ：残部、しかし少なくとも５０％。
【００１４】
特に好ましいＣｏ／Ｍｏ基合金の基準組成（重量％）は次のとおりである。
Ｃ：０．０５〜１％、
Ｃｒ：５〜３０％、
Ｗ：０〜２０％、
Ｎｉ：０〜１０％、
Ｆｅ：０．１〜４％、
Ｓｉ：０〜４％、
Ｍｎ：０〜１％、
Ｍｏ：５〜３５％、
Ｃｏ：残部、しかし少なくとも４５％。
【００１５】
特に好ましい合金組成の中には、特に、トリバロイ（登録商標）、ステライト（登録商標）又はコルモノイ（登録商標）として知られる合金が含まれる。
【００１６】
合金組成のさらに他の好ましい実施形態は、Ｃｏの他に、７〜１５重量％のＣｒ、２０〜３０重量％のＭｏ及び１〜４重量％のＳｉ、あるいは、２５〜３２重量％のＣｒ、２〜２．５重量％のＣ、１〜４重量％のＮｉ及び１０〜１５重量％のＷを含む。
【００１７】
本発明に従って製造される合金は、一般的に、対応する鋳造合金よりも粗い微細構造を呈する。
【００１８】
基体上の溶射粒子の溶着に生じるきわめて急速な冷却によって、硬度と耐摩耗性との増大が有利な形で実現される。溶着されたバルブシートリングのビッカース硬度は一般的に６５０ＨＶを超えている。金属バルブシートリングとしては７５０ＨＶを超える硬度を呈するものが特に好ましい。
【００１９】
耐摩耗性に関しては、化学組成以外に表面層の微細構造が特に重要である。これについては多孔性の開口も重要な意味を有している。本発明による溶着層は、好ましいことに５％未満の開及び／又は閉多孔率を示す。
【００２０】
シリンダヘッドにおけるバルブシートリングの形状設計については、周知の寸法を普通に採用することができる。しかし、溶着されたバルブシートリングの良好な適合と接合とに基づいて、その厚さは、個別に製造かつ調整されるリングに比べて大幅に低減することも可能である。溶射された材料層の厚さは好ましくは０．１〜２ｍｍである。
【００２１】
従来用いられてきた鋳造シートリングに比べて、本発明による溶射バルブシートリングは、著しく軽くしかも薄い。このため、相対的に高価な原材料のＣｏ及びＭｏを有利に節減することができる。
【００２２】
本発明のさらに他の様態は、Ｃｏ基及び／又はＣｏ／Ｍｏ基合金の熱溶射法による製造方法に関係している。本発明によれば、合金を形成する構成成分をアークワイヤ法によって溶射して、バルブシートリングをシリンダヘッド上に直接溶着する。この場合、１本のスタートワイヤ、あるいは場合によっては複数本のスタート又は供給ワイヤの相応する個別又は混合構成成分によって、溶射加工中に合金が最初に形成されることが想定されている。その際、個別成分又は非合金化成分は、１本以上の金属充填ワイヤによって周知の方法でアークの中に供給される。これによって、個々の成分の混合と、所要の合金の形成とが生起する。
【００２３】
本発明における好ましいＣｏ及びＣｏ／Ｍｏ合金の場合、高融点の材料を対象にしているので、その材料を熱ワイヤ溶射法に適したワイヤ形状においてはほとんど利用することができない。
【００２４】
従って、本発明によれば、合金を、溶射加工中に、少なくとも２つの構成成分から形成することを想定している。これは充填ワイヤ技術によって行われるが、その場合、各充填ワイヤは少なくとも２つの構成成分から形成される。本発明によれば、この少なくとも２つの構成成分の１つは基本的にＣｏ金属である。この構成成分のＣｏ含有量は９５％より高いことが望ましい。この構成成分が、Ｃｏ以外にＦｅをも、０．５〜５％の量で含んでいるとさらに好ましい。
【００２５】
この高Ｃｏ含有量の構成成分は、通常、粉末充填材料を充填した充填ワイヤの外皮を形成する。しかし、場合によっては、高Ｃｏ含有量の母材に他の構成成分が分散された材料から構成される複合ワイヤを用いることも有用であり得る。この複合ワイヤは、Ｃｏ外皮を有する充填ワイヤとは異なって、その全断面に金属Ｃｏ又はＣｏ合金が分布している。この場合、他の合金成分の主要部分は、Ｃｏ母材に取り囲まれるか又は被包され、あるいは少なくとも部分的にそれと接触している。
【００２６】
溶着される合金の他の構成成分は、通常、粉末形態で、あるいは分散して充填ワイヤ中に存在している。この他の構成成分は、他の合金構成要素の１つ及び／又はいくつかを含むことができる。場合によっては、Ｃｏの約１０％までの少ない量の構成成分を、粉末形態で充填ワイヤ中に導入することも有用であり得る。これは、特に約８０％を超えるＣｏ構成成分を有する合金の場合に有用である。この方式によって、溶着された合金の均質性がさらに改善されるからである。
【００２７】
粉末成分が複数の合金構成要素を含む場合は、Ｎｉ及びＣｒ成分、及び／又はＣｒ及びＣ成分の少なくとも一部を対応する合金又は化合物にまとめることが好ましい。
【００２８】
本発明の特に好ましい実施形態においては、充填ワイヤの外皮は、Ｆｅ含有量１〜３％のＣｏ／Ｆｅ合金から構成され、コアは、粉末形態の違った種類の充填金属から構成される。
【００２９】
ワイヤの直径は用途によって変化するものであり、１．２ｍｍ〜３．６ｍｍとすることができる。使用する粉末粒子は、通常３〜１００μｍの範囲の大きさのものである。
【００３０】
本発明のさらに他の実施形態においては、２本のワイヤ、すなわち充填ワイヤ又は複合ワイヤとソリッドワイヤとが用いられる。この場合、ソリッドワイヤは充填ワイヤの充填物を構成する成分の少なくとも１つの成分から作られる。好ましくは、このソリッドワイヤはＮｉ又はＣｒ、あるいは場合によってはそれらの合金から構成される。
【００３１】
本発明に従って使用する充填ワイヤの好ましい形成法は、Ｃｏのシート又は帯状片から始められる。帯状のＣｏに粉末形態の構成成分及び場合によってはソリッドワイヤを載せ、その縦軸に平行に部分的に巻いて筒状にクリンプし、それから引き抜き加工して充填ワイヤを形成する。同様に、Ｃｏのパイプに追加構成成分を充填して、それをワイヤに引き抜き加工することも可能である。
【００３２】
さらに他の変形態様は、充填されたパイプをロールで帯状片に圧延し、これをともかくいくつかの平板ワイヤに分割する方式を想定している。例えば上記の複合ワイヤはこの加工法によって作られる。
【００３３】
代表的な実施形態においては、アークワイヤ溶射法が２本のワイヤによって実施される。その場合、好ましくは同じ直径と同一の組成とを有する２本の同じワイヤを用いることが特に好ましい。
【００３４】
しかし、又、金属原材料の利用可能性とバルブシートリングの合金の目標組成とに応じて、異なる構成の複数のワイヤを使用することも有利な場合がある。これは、特に、目標組成のＣｒ及び／又はＮｉ含有量が高い場合に当てはまり、この場合は、高Ｃｏ含有量の充填ワイヤ以外に、高Ｃｒ含有量のワイヤ及び高Ｎｉ含有量のワイヤを用いることも可能である。この場合、そのワイヤはソリッドワイヤとすることができるが、場合によっては充填ワイヤもしくは複合ワイヤであってもよい。
【００３５】
溶着中の酸化物又は他の不純物の形成を可能最大限抑制するために、アークワイヤ溶射用のプロセスガスとして、保護ガス又は不活性ガスを使用することが好ましい。この場合、特に好ましいのはＮ２又はＡｒである。
【００３６】
本発明に関わる溶着法によって予備処理なしのシリンダヘッド上に被覆されるバルブシートリング、あるいはＣｏ基及び／又はＣｏ／Ｍｏ基合金の被覆は、良好な付着特性又は接合特性を有している。特に、表面特性又は溶着されるバルブシートリングの付着性をさらに改善又は調整するために、シリンダヘッドの金属基体の表面を粗面化することは有利である。これは、通常のジェット又はビーム法、例えばサンドブラスト法によって行われる。これには、金属性で酸化物の、特にＳｉＣ粉末に基づくブラスト材が特に適している。
【００３７】
合金の組成と精細な微細構造とによって、層が薄くても、すでに必要な熱並びに機械負荷又は応力の許容度を有するバルブシーリングもしくは層が可能になる。しかし、本発明の加工方法の特別な利点は、準自己支持型の構造部品までの非常に厚い層を製造することができる点にある。これによって、比較的高く又は厚いタイプの応用も可能になる。本発明による方法は、例えば、基体における溝、凹部又は開口孔を埋めるのにも特に適しており、平面でない表面の補正にも適している。
【００３８】
提示したすべてのパーセント表示は、記載した正確な数値に限定されるのではなく、微小な変動をも含むものと解釈されるべきである。
【００３９】
２本の同一の充填ワイヤを用いてバルブシートリングを製造した。充填ワイヤの外皮はＦｅ含有量３％のＣｏ／Ｆｅ合金から構成し、コアは金属粉末からなるものである。この金属粉末は、８０重量％Ｍｏ、Ｓｉ、並びに他の粉末粒子を含んでいる。
【００４０】
使用した粉末粒子の粒子径は、約３〜１００μｍの範囲内である。
【００４１】
２本のワイヤのワイヤ径は３．６ｍｍである。
【００４２】
ワイヤは通常のワイヤ溶射装置に供給し、窒素の中で放電アーク中に溶解した。
【００４３】
溶着は、Ａｌ２Ｏ３を用いたサンドブラストによって粗面化した鋼製の基体に対して行った。
【００４４】
これによって溶着されたバルブシートリングの一部の切断又は貫通断面を図１に示す。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】熱溶着されたバルブシートリングの貫通断面である。
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年6月27日(2005.6.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属のバルブシートリングを有する内燃機関用のシリンダヘッドであって、
前記バルブシートリングが、アークワイヤ溶射法によってシリンダヘッド上に均質な層として溶着されたＣｏ基又はＣｏ／Ｍｏ基合金から形成され、前記層の層厚は０．１〜２ｍｍであり、Ｃｏ及びＭｏ含有量の合計が５０重量％を超え、Ｆｅ含有量が５重量％未満であることを特徴とする、シリンダヘッド。
【請求項２】
前記Ｃｏ／Ｍｏ基合金が５〜３０重量％のＣｒ含有量を含むことを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項３】
基準化学組成が、重量％で、Ｍｏ：２５〜３５％、Ｓｉ：１〜４％、Ｆｅ：３％未満、Ｃｒ：５〜２０％、Ｃ：０．０５〜１％、Ｃｏ：残部であり、微量の構成成分は１％未満であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項４】
前記Ｃｏ／Ｍｏ基合金の中に結合されていない遊離のＭｏ及び／又はＣｏ成分が１０容積％未満であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項５】
前記溶射された層の多孔率が５％未満であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項６】
前記Ｃｏ／Ｍｏ基合金が少なくとも４５重量％のＣｏ含有量を有することを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項７】
前記溶射された層の厚さが０．５〜２ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項８】
前記溶射された層における金属酸化物又は金属窒化物の含有量が２重量％未満であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド。
【請求項９】
熱溶射されるバルブシートリングの製造方法であって、
前記バルブシートリングが、アークワイヤ溶射法によって、少なくとも２本の充填ワイヤ及び／又は複合ワイヤを用いて、シリンダヘッド上に、Ｃｏ／Ｍｏ基合金の均質な層として０．１〜２ｍｍの層厚になるまで溶着され、前記溶着層中のＣｏの主要構成成分が、前記充填ワイヤの外皮及び／又は前記複合ワイヤの母材によって供給されることを特徴とする、バルブシートリングの製造方法。
【請求項１０】
熱溶射されるバルブシートリングの製造方法であって、
前記バルブシートリングが、高Ｃｏ含有量の充填ワイヤと、高Ｃｒ含有量及び／又は高Ｎｉ含有量の充填ワイヤもしくはソリッドワイヤとのアークワイヤ溶射法によって、基体材料又は基材の上にＣｏ／Ｍｏ基合金の均質な層として溶着され、前記溶着層中のＣｏの主要構成成分が、前記充填ワイヤの外皮によって供給されることを特徴とする、バルブシートリングの製造方法。
【請求項１１】
前記高Ｃｏ含有量の充填ワイヤの外皮もしくは前記高Ｃｏ含有量の複合ワイヤの母材が、９０重量％を超えるＣｏ含有量と、０．５〜５重量％の範囲のＦｅ含有量を有することを特徴とする請求項９あるいは１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記高Ｃｏ含有量の充填ワイヤのコアが、主としてＭｏ、Ｃｒ、Ｎｉ及び／又はＳｉの構成成分によって形成されることを特徴とする請求項９あるいは１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記充填ワイヤがＣｏの帯状片又はＣｏのパイプから製造されること、及び、別の金属構成成分は粉末形態であることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記充填ワイヤ、複合ワイヤ、又はソリッドワイヤの材料の９５％より多くの部分が、前記アークワイヤ溶射法の間に溶融相に移行することを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記アークワイヤ溶射法のキャリアガスがＮ２またはＡｒであることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【国際調査報告】
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