(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結材料で作られた弁座リングと、
少なくともシート領域がＦステライトでめっきまたは窒化された弁、または被覆されていないまたは未処理であって、重量％で、０．０４〜０．１のＣ、１．０以下のＳｉ、１．０以下のＭｎ、０．０２以下のＰ、０．０１５以下のＳ、１８．０〜２１．０のＣｒ、６５．０以上のＮｉ、３．０以下のＦｅ、２．０以下のＣｏ、１．０〜１．８のＡｌ、および１．８〜２．７のＴｉの組成を有する弁と
を含むトライボロジーシステムであって、
上記焼結材料は、
ａ）５０．８〜６０．３重量％のＦｅ、０．１〜０．３重量％のＣ、２０．１〜２８．５重量％のＭｏ、８．５〜１７．５重量％のＣｒ、および２．４〜３．４重量％のＳｉの組成、或いは３０重量％のＦｅ、７０重量％のＭｏの組成を有する、１０重量％のＦｅベース硬質相と、
ｂ）０．３重量％のグラファイト粒子、および８５重量％のＦｅと１５重量％のＰの組成を有する、０．３重量％のＦｅＰ粉末と、
ｃ）５重量％のＣｕ粉末と、
ｄ）０．６重量％の成形助剤と、
ｅ）１６．０重量％のＣｒ、１．５重量％のＣ、０．５重量％のＳｉ、１．０重量％のＶ、１．５重量％のＷ、および１．５重量％のＭｏの組成を有する、８４重量％の高速度鋼と、
ｆ）１．５重量％未満の製造関連不純物と、の組成を有する粉末混合物を成形および焼結することによって得られ、
上記焼結材料における特殊炭化物の平均径が４．０μｍである
ことを特徴とするトライボロジーシステム。
【請求項２】
前記製造関連不純物が、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｃａおよび／またはＭｎであることを特徴とする請求項１に記載のトライボロジーシステム。
【請求項３】
請求項１において、
上記弁の少なくとも上記シート領域の窒化層は、５１０ＨＶ以上の硬度および１０μｍ以上の厚みを有する
ことを特徴とするトライボロジーシステム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、
上記弁の少なくとも上記シート領域のめっき層は、２００μｍ以上の層厚みおよび４０％以上のＣｏおよび／またはＦｅ含有量を有する
ことを特徴とするトライボロジーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結材料で作られた弁座リングと、少なくともシート領域が未処理のまたは硬化および／またはめっきされた弁とを含むトライボロジーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの新たな開発において、それらが小型化される場合には、出力密度および利用可能性の向上や耐用年数の延長に加えて、エンジン効率を絶えず向上させる一方で排気ガスを低減することに一定の注意が払われる。これらの側面を満たすために、個々のエンジン部品は、耐久性および耐摩耗性に関して以前よりも高い要求にさらされることが多い。
【０００３】
この例は、エンジン燃焼室の領域における流入および流出弁要素、すなわち弁と対応する弁座リングである。これらは、共にトライボロジーシステムを構成する。弁および弁座リングは、燃焼室をシールして、エンジン内のガスの交換を制御する。相互作用しかつ互いに影響し合う当該システムの表面は、燃焼エンジン内に広く存在する機械的、熱的、摩擦的、および化学的なストレスからなる累積的な負荷によって生じる極めて複雑なストレスにさらされる。
【０００４】
同時に、上述したトライボロジーシステムにおける各パートナーは、各々にのみ適用されるいくつかの条件を満たすことも必要である。
【０００５】
よって、弁座リングは、特に流出弁が１秒あたり７０回以上弁座にぶつかるため、高い強度、特に中程度に高い温度での耐変形性（クリープ抵抗）および高い高温硬度を有する必要がある。シリンダヘッドにおける迅速な熱放散を実現して弁温度を低めるために、弁座リングは、高い熱伝導性を有することも必要である。最後に、良好な潤滑性および耐摩耗性が、弁座リングに重要なものとして要求される。
【０００６】
上述した特性を有する弁座リングは、通常、焼結用に設計された材料の焼結によって作られる。粉末組成物（表２）は、典型的に、高速度鋼粉末と、Ｆｅベース、必要に応じてＣｏベースの１つまたは複数の硬質相と、その他の成分、例えば固体潤滑剤、例えば硫化物、例えばＭｏＳ2またはＫ１３、および／またはグラファイト、および／または銅、および／またはＣａＦ2との組合せからなる。そのような弁座リングは、より高い熱伝導率を実現しかつより容易に加工可能となるように、加えて銅が含浸されていることが多い。これらの弁座リング材料の欠点は、それらが相手方の要素に対して非常に浸食的であることが多く、そのために弁の摩耗を増大させることである。
【０００７】
弁、特に弁ディスクは、１，０００℃に及ぶ温度にさらされるため良好な耐熱性を、また優れた耐摩耗性を有する必要がある。このために、弁、特に弁ディスクをめっき、硬化、および／または窒化して、システムのトライボロジー特性を向上させるのが一般的である。また、弁ディスクが全く表面処理されていないトライボロジーシステムも存在する。
【０００８】
特許文献１には、弁座リングと弁とからなるトライボロジーシステムが記載されている。弁座リングは、鉄ベースの焼結材料と、１０〜５０重量％のＣｏＭｏＣｒベースの金属間硬質相、例えばＴ８００およびＴ４００の微細な含有物とから作られている。固体潤滑剤（硫化物、窒化物、フッ化物、グラファイト）が添加され、銅の含浸も記載されている。焼結は、真空中で行われる。このことは、大量の連続焼結プロセスに対して大きな欠点となる。
【０００９】
オーステナイト鋼（ＳＵＨ３５（ＪＩＳ Ｇ ４３１ １：２１％Ｃｒ−４％Ｎｉ−９％Ｍｎ−０．４％Ｎ−０．５％Ｃ−Ｆｅ（残り）））は、耐摩耗性を高めるために窒化またはステライトＦ，６もしくは１２またはＫ８，Ｋ１０でめっきされていて、それによりシステムのトライボロジー特性を向上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６３１８３２７号明細書
【特許文献２】国際公開第２００９／０２４８０９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
問題は、特に他の弁材料が考慮されていないために、特定のトライボロジーシステムに対して最適な特性に到達しないことである。このことは、また重要である。なぜなら、システムの信頼性が弁ディスクと弁座リングとの間の相互作用によって決まるのみでなく、当該考慮に弁ガイドも含まれる必要があるためである。ここで、弁材料のただ１つのグループへの限定は、材料の組合せの最適化に対する制限につながる。
【００１２】
特許文献２には、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの炭化物のレベルが低減された鉄ベース合金が使用される弁座リング用の材料が開示されている。この粉末は、処理のための粉末混合物の大部分を構成する。加えて、それは依然として、改善された処理、焼結のための従来的な添加物、固体潤滑剤、硬質相、および銅を含む。
【００１３】
各弁および弁座リングの個々の特性に加えて、トライボロジーシステムにとっては、パートナーの機械的、物理的、および／または化学的な相互作用を可能な限り小さく維持することが重要である。これは、通常、燃料、燃焼生成物、またはエンジンオイルを介した外部潤滑によって実現される。もしこの外部潤滑が大幅に低減されまたは完全になくなったら、それまで流体摩擦または混合摩擦にさらされていたトライボロジーシステムは、だんだんと固体摩擦にさらされ、それが大きな全摩耗につながる。
【００１４】
本発明の目的は、弁座リングと、未処理のまたは硬化および／またはめっきされた弁とを含み、従来技術の欠点を回避し、特により高い耐摩耗性および低減された全摩耗を示すトライボロジーシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
私たちは、特許請求項に記載されたトライボロジーシステムによってこの目的を達成した。
【００１６】
請求項１によると、本発明に係るトライボロジーシステムは、第１トライボロジーパートナー、すなわち焼結材料で作られた弁座リングを含んでおり、当該トライボロジーシステムは、当該焼結材料が、５〜４５重量％の１つまたは複数のＦｅベース硬質相と、０〜２重量％のグラファイト粒子、および／または０〜２重量％のＭｎＳ粉末、および／または０〜２重量％のＭｏＳ2粉末、および／または２重量％以下のＦｅＰ粉末と、および／または０〜７重量％のＣｕ粉末、および／または０〜４重量％のＣｏ粉末と、０〜１．０重量％の成形助剤と、１４〜１８重量％のＣｒ、１．２〜１．９重量％のＣ、０．１〜０．９重量％のＳｉ、０．５〜２．５重量％のＶ、０．５〜２．５重量％のＷ、および０．５〜２．５重量％のＭｏの組成を有する高速度鋼と、残りのＦｅ、および１．５重量％未満の製造関連不純物、特にＮｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｃａおよび／またはＭｎと、を含む各粉末成分の混合物を成形および焼結することによって得られることを特徴とする。
【００１７】
また、第２トライボロジーパートナー、すなわち弁は、表面が未処理である。
【００１８】
あるいは、第２トライボロジーパートナーは、少なくともシート領域が硬化および／またはめっきおよび／または窒化された弁である。トライボロジーシステムの摩耗の低減に加えて、シートのめっきおよび／または窒化は、動作時における弁のシール作用を改善する。したがって、弁は、シート領域が窒化および／またはＦｅベースまたはＣｏベース材料でめっきされていることが好ましい。
【００１９】
請求項２によると、本発明に係るトライボロジーシステムは、第１トライボロジーパートナー、すなわち焼結材料で作られた弁座リングを含んでおり、当該トライボロジーシステムは、当該焼結材料が、０〜０．２重量％のＣ、２６〜３２重量％のＭｏ、８〜１２重量％のＣｒ、および２．２〜３重量％のＳｉの組成を有する５〜４５重量％の１つまたは複数のＦｅベース硬質相と、０〜２重量％のグラファイト粒子、および／または０〜２重量％のＭｎＳ粉末、および／または０〜２重量％のＦｅＰ粉末、および／または０〜２重量％のＭｏＳ2粉末と、および／または０〜７重量％のＣｕ粉末、および／または０〜４重量％のＣｏ粉末と、０〜１．０重量％の成形助剤と、１４〜１８重量％のＣｒ、１．２〜１．９重量％のＣ、０．１〜０．９重量％のＳｉ、０．５〜２．５重量％のＶ、０．５〜２．５重量％のＷ、および０．５〜２．５重量％のＭｏの組成を有する高速度鋼と、残りのＦｅ、および１．５重量％未満の製造関連不純物、特にＮｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｃａおよび／またはＭｎと、を含む各粉末成分の混合物を成形および焼結することによって得られることを特徴とする。
【００２０】
また、第２トライボロジーパートナー、すなわち弁は、表面が未処理である。
【００２１】
あるいは、第２トライボロジーパートナーは、少なくともシート領域が硬化および／またはめっきおよび／または窒化された弁である。トライボロジーシステムの摩耗の低減に加えて、シートのめっきおよび／または窒化は、動作時における弁のシール作用を改善する。したがって、弁は、シート領域が窒化および／またはＦｅベースまたはＣｏベース材料でめっきされていることが好ましい。
【００２２】
公知の解決策、すなわちトライボロジーシステムの個々のパートナーの特性を最適化しようとするものと比較して、本発明は、選択される出発粉末の混合によって得られる弁座リングの上述した材料組成および弁の巧みな選択により、弁座リング−弁システムでの固体摩擦が最小化され得るトライボロジーのパートナーを実現することができ、それにより全摩耗も大幅に低減され得る。
【００２３】
厳密に言えば、弁座リングとディスクおよびステムを有する弁とに加えて、トライボロジーシステムは弁ガイドにも及ぶ。特に弁座および弁ステムが未処理である、すなわち硬化も被覆もめっきも全くされていない場合、弁ガイドの適合が無視できない。ここで、弁ステムおよび弁ガイドの適切な材料の組合せが必要とされる。
【００２４】
高比率のＣｏと混ぜられた焼結材料（後述の比較例２を参照）と比較しても、本発明のトライボロジーシステムでは摩耗が低減されることが見出された。また、標準的な商用の焼結材料（後述の比較例１および比較例３を参照）と比較して、摩耗の大幅な低減が見られる。しかし、本発明に係るトライボロジーシステムは、個々のトライボロジーパートナーの摩耗が大幅に低減されることによって特徴付けられるものであって、未処理の弁、またはシート領域において窒化および／またはＦｅベースまたはＣｏベース材料でめっきされた弁と焼結材料との巧みな組合せによってのみ到達可能である。
【００２５】
さらに、本発明に係るトライボロジーシステムの耐摩耗性は、少なくとも弁のシート領域に形成された窒化拡散層の硬度および厚みに特に左右されることが見出された。最良の結果は、５１０ＨＶ以上の硬度および１９μｍ以上の厚みによって得られる。また、本発明に係るトライボロジーシステムの耐摩耗性は、少なくとも弁のシート領域に形成されためっき層の被覆タイプおよび被覆厚さに特に左右されることが見出された。最良の結果は、４００μｍ以上のめっき層厚みおよび４０％以上のＣｏおよび／またはＦｅ含有量によって得られる。
【００２６】
また、研究によると、最適な熱処理後における、標準的な混合物Ｎｉｒｅｖａ３０１５（重量％で、０．０８以下のＣ、０．５以下のＳｉ、０．５以下のＭｎ、０．０１５以下のＰ、０．０１以下のＳ、１３．５〜１５．５のＣｒ、３０．０〜３３．５のＮｉ、０．４〜１．０のＭｏ、１．６〜２．２のＡｌ、２．３〜２．９のＴｉ、０．４〜０．９のＮｂ、および残りのＦｅの組成を有する）または標準的な混合物Ｎｉｍｏｎｉｃ８０（重量％で、０．０４〜０．１のＣ、１．０以下のＳｉ、１．０以下のＭｎ、０．０２以下のＰ、０．０１５以下のＳ、１８．０〜２１．０のＣｒ、６５．０以上のＮｉ、３．０以下のＦｅ、２．０以下のＣｏ、１．０〜１．８のＡｌ、および１．８〜２．７のＴｉの組成を有する）と、弁座リングのための本発明に係る材料との組合せは、窒化またはめっきのような表面処理を伴うことなく全摩耗の低減を呈することが示された。
【００２７】
Ｆｅベース硬質相は、ＮｉおよびＣｏベース合金よりも廉価であり、かつ熱処理によって特定の用途に向けて適合可能である。ここで、炭素は、マトリクスを硬化させ、耐摩耗性を向上させる硬質炭化物を形成する。Ｆｅベース硬質相が２６〜３２重量％のＭｏ、８〜１２重量％のＣｒ、および２．２〜３重量％のＳｉ、好ましくは２６〜３２重量％のＭｏ、１４〜２０重量％のＣｒ、および２．９〜４．２重量％のＳｉを含む場合、さらなる摩耗の低減が実現され得る。
【００２８】
実際の様々な用途における耐摩耗性に関する種々のエンジン特有の要求に言及すると、Ｆｅベース硬質相に加えて、他のＣｏベース硬質相を焼結材料に加えることが有利であり得る。本発明に係るトライボロジーシステムの好ましい実施形態では、したがって、Ｃｏベース硬質相が、好ましくは０．５〜９．９重量％の比率で、焼結材料に加えられる。
【００２９】
好ましいＦｅベース硬質相（表２）は、Ｋ１１、Ｋ６、Ｋ７、およびＫ４である。特に好ましいのは、Ｋ６およびＫ７である。好ましいＣｏベース硬質相は、上述のトライボロジーシステムでの使用に適していて、Ｋ８、Ｋ９、およびＫ１０であり、ここでＫ８およびＫ９が特に好ましい。硬質相の組成については後述する。
【００３０】
温度、雰囲気、または露点といった焼結パラメータの適切な選択により、弁座リングの微細構造が適合され得、例えば従来の高速度鋼よりもずっと粗く、焼結材料において特殊炭化物が形成される。より粗い炭化物にも関わらず、２５〜３００℃での圧縮試験で測定されかつ圧縮降伏Ｒｄ０．２によって表示される焼結材料の強度値は、同等のものである。しかしながら、高温硬度は、比較材料のそれよりも高い。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、「弁座リング−弁座」トライボロジーシステムにおけるエンジン試験後の全摩耗を示す図であって、比較材料で作られた弁座リング「比較１」、「比較２」、および「比較３」と、本発明にしたがって準備された弁座リング「本発明」とが検討されている。
【図２】図２は、１００時間にわたる全負荷でのエンジン試験後の全摩耗を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明について、実施形態に関連してより詳細に説明する。
【００３３】
《実施形態１》
表１には、本発明に係る粉末混合物の組成が「本発明」で示され、また比較混合物の組成が「比較３」で示されている。製造および用途関連の添加物（例えば、硫化物）は、「その他」に含まれる。本発明の範囲内で使用されたまたは使用可能な混合物の組成のいくつかの例が、表２にまとめられている（出発粉末）。
【００３４】
【表１】
0006767398.tif 000002
【００３５】
【表２】
0006767398.tif 000003
【００３６】
第１ステップでは、表１に列挙されかつ表２でより詳しく特定される粉末が、３０分間にわたってタンブルミキサで混合される。そして、当該混合物が７００ＭＰａの圧力で圧縮されて弁座リングが作られる（φａ：３０ｍｍ、φｉ：２３ｍｍ、高さ：６ｍｍ）。一部のリングは、連続炉にいて、１，１１０〜１，１２５℃の温度で（約３０分間）、Ｎ2−Ｈ2（１７〜２５体積％のＨ2）中で焼結される。他の一部は、１，１３２〜１，１４５℃（約３０分間）、Ｎ2−Ｈ2（１７〜２５体積％のＨ2）中での焼結にさらされる。
【００３７】
使用される焼結条件および実現される焼結密度が、表３にまとめられている（焼結密度）。
【００３８】
【表３】
0006767398.tif 000004
【００３９】
【表４】
0006767398.tif 000005
【００４０】
異なる焼結条件および焼戻し（表４を参照）のために、表１に示される平均径が、形成される特殊炭化物（ＭｏＣ、ＶＣ、Ｃｒ2Ｃ3）に対して得られる。
【００４１】
焼結における最高温度は、１，１３２〜１，１４５℃であった。上に示した温度における保持時間は、２０〜３０分であった。１７〜２５％のＨ2を含有するＮ2−Ｈ2の混合物が、焼結雰囲気のために使用された。
【００４２】
焼結の後、焼結材料は表４にまとめられた熱処理にかけられた（熱処理）。このために、５５０〜６２０℃の温度でのシンプルな焼戻しと、焼入れおよび焼戻しプロセス、すなわち８５０〜９５０℃での油焼入れおよび５１０〜６１０℃での焼戻しによる硬化との両方が使用された。特性、特に耐摩耗性、加工性、およびクリープ特性における差異が小さいため、焼戻し材料が使用される。
【００４３】
特殊炭化物の測定によって、従来的な比較材料における２．１μｍの平均径と、本発明に係る焼結材料における４．０μｍの平均径とが見出された。表５では、平均値に加えて、最小値および最大値が与えられる。
【００４４】
【表５】
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【００４５】
表６では、室温および３００℃での硬度および０．２％圧縮降伏強度の両方が示されている。驚くべきことに、本発明に係る焼結材料の強度値は、より粗い炭化物にも関わらず、比較のための従来材料（例えば、比較３を参照）の強度値と同等である。
【００４６】
【表６】
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【００４７】
トライボロジーシステムにおいて、弁座リングとステライトＦでめっきされた弁の弁座との全摩耗に関連して性能が評価される。図１は、本発明に係る粉末混合物「本発明」と、比較用の比較混合物「比較３」および従来技術を反映した別の２つの混合物との、焼結／熱処理された弁座リング−弁の組合せに対応する結果を再現している。
【００４８】
図１は、本発明に係るトライボロジーシステム「本発明」の改善された性能を示している。本発明に係る焼結材料の製造および組成の巧みな組合せと、少なくともシート領域をステライトＦでめっきされた弁の組合せとにより、トライボロジーのパートナー間での固体摩擦が低減され、それにより摩耗が大幅に低減される。測定された全摩耗が、この場合において低減される。
【００４９】
「比較１」のトライボロジーシステムにおける弁座リングは、重量％で、Ｃ：１．５、Ｓ：０．６、Ｃｒ：３、Ｍｏ：５〜１５、Ｃｕ：１０〜２０、Ｖ：２、Ｆｅ：残り、その他：４から構成される。
【００５０】
「比較２」は、Ｃｏ含有材料であって、この高価な材料に加えてまた、耐火金属ＭｏおよびＷを高水準に含む。詳しくは、機能領域は、重量％で、Ｃ：０．５〜２、Ｍｎ：１、Ｃｒ：３〜６、Ｍｏ：８〜１５、Ｃｏ：１６〜２２、Ｗ：２〜５、Ｖ：１〜３、Ｃｕ：１２〜２２、Ｆｅ：残り、その他：３の要素から構成される。
【００５１】
トライボロジーシステム「比較３」では、弁座リングは、重量％で、Ｃ：０．５〜１．５、Ｓｉ：０．２〜１．０、Ｃｒ：２．５〜５、Ｍｏ：５〜８、Ｗ：３〜６、Ｖ：１〜４、Ｃｕ：１０〜２０、Ｆｅ：残り、その他：３の組成を有し、また「本発明」では、弁座リングは、Ｃ：１〜１．８、Ｓｉ：０．２〜１．８、Ｍｎ：０．６、Ｃｒ：１０〜１５、Ｍｏ：２．５〜４．５、Ｖ：０．４〜１．０、Ｃｕ：０．８〜１．５、Ｆｅ：残り、その他：３の組成を有する。
【００５２】
これらは、表２にしたがって上述した材料システムである（粉末混合物および出発粉末）。トライボロジーシステム「比較１」〜「比較３」は、従来の弁座リング材料に基づいており、ここで「比較１」は任意に１００％の全摩耗を有するものとして規定される。
【００５３】
「比較１」〜「比較３」とは異なり、弁座リング「本発明」は、高価な要素の含有量が極めて少なく、また極めて小さな全摩耗を実現する。
【００５４】
《実施形態２》
実施形態１（図１）（比較１、比較３、および本発明）において記載した材料を、めっき（Ｆステライト）および窒化されたＸ５０弁を摩擦パートナーとして使用する試験において比較すると、１００時間の試験の後において、窒化された流出弁の全摩耗（図２）は、本発明の材料でめっきされた弁の全摩耗よりも僅かにのみ大きいことが明らかになった。このトライボロジー組合せは、標準的な商用の比較材料の比較１および比較３よりもずっと優れている。
【００５５】
《実施形態３》
被覆されてないまたは未処理のＮｉｍｏｎｉｃ８０の流出弁を伴うエンジン試験（５００時間、高温および低温耐久性）では、実施形態１において記載した弁座材料（比較３および本発明）は、非常に低い全摩耗を示す。弁座リングおよび弁ディスクにおける摩耗は、低すぎて測定不能である。本発明に係る材料（本発明）では、元の加工痕が依然として視認できる。本発明に係る材料は特殊炭化物の使用量が少ないために特に経済的であるため、比較材料「比較３」に対して大きな経済的利点が、同等の技術的性能（測定不能な全摩耗）を伴いつつ得られる。
【図２】
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