(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末冶金プロセスで製造される燃焼エンジン用のバルブガイドであって、前記ガイドが中央区画、カムに面する端末部品及びダクトに面する端末部品を有する、バルブガイドにおいて、
前記中央区画が第１の材料からなり、前記ダクト側端末部品が第２の材料からなり、前記第２の材料が７０ＨＲＢをこえる（ロックウエル）硬度を有し、前記第１の材料が前記第２の材料の硬度より少なくとも１０ＨＲＢは低い硬度を有し、前記第１の材料が、少なくとも１０重量％の焼結された銅を含み溶侵銅を含まないこと、及び、前記第１の材料の多孔度が１５％と２０％の間にあることを特徴とするバルブガイド。
【請求項２】
前記カム側端末部品が前記第１の材料、前記第２の材料または第３の材料からなることを特徴とする請求項１に記載のバルブガイド。
【請求項３】
前記第１の材料が、７８から８８重量％のＦｅ、１０から２０重量％のＣｕ、０.８から１重量％のＭｎ、０.４から０.６重量％のＳ、０.８から１重量％のＣ、及び４重量％までの別の元素からなることを特徴とする請求項１または２に記載のバルブガイド。
【請求項４】
前記第２の材料が、８２から８６重量％のＦｅ、１.１から１.３重量％のＣｒ、１２から１６重量％のＣｕ、０.６から０.８重量％のＭｎ、０.４から０.６重量％のＳ、０.５から０.７重量％のＣ、及び０.９から１.１重量％のＳｎからなることを特徴とする請求項１または２に記載のバルブガイド。
【請求項５】
前記中央区画用の前記第１の材料が２１Ｗ/(ｍＫ)と４８Ｗ/(ｍＫ)の間の範囲にある熱伝導率を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のバルブガイド。
【請求項６】
オイル及びガスに対する気密性を向上させるための、前記バルブガイドの前記カム側端末部品の外面の銅溶浸を特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のバルブガイド。
【請求項７】
前記銅溶浸が前記カム側端末部品の外面から壁体中心までの領域を占めることを特徴とする請求項６に記載のバルブガイド。
【請求項８】
前記領域が、深さが１から３ｍｍの表面層領域であることを特徴とする請求項７に記載のバルブガイド。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載のバルブガイドの製造のための方法において、初めに前記バルブガイドの前記中央区画、前記カムに面する端末部品、及び前記ダクトに面する端末部品のための粉末がパンチと同軸に配置されたダイに逐次詰め込まれ、続いて前記ダイ内の前記バルブガイド全体がプレス工具を用いて圧密され、前記圧密体の形状は前記ダイ及び前記パンチの形状によって決定され、最終作業工程において前記バルブガイド全体が焼結されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記詰め込む工程の内の少なくとも１つに対して予備圧密工程が実施されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれか１項に記載のバルブガイドの製造方法において、前記バルブガイドの前記中央区画、前記カムに面する端末部品、及び前記ダクトに面する端末部品が、圧密及び焼結による粉末冶金法で作製され、前記バルブガイドを形成するために摩擦圧接によって接合されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粉末冶金プロセスで製造される燃焼機関用のバルブガイドに関する。バルブガイドは中央区画、カムに面している端末部品及びダクトに面している端末部品を有する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼機関用バルブガイドはシリンダヘッド内に配置され、往復運動するバルブがバルブシートリングと密接し、そのようにしてガスダクトを閉塞することができるような態様でバルブを案内する目的のためにはたらく。
【０００３】
バルブガイドは、何十年もの間、粉末冶金手段によって製造されてきた。とりわけ、製造プロセスに固有の理由による多孔性により細孔がオイルで満たされ、これがバルブガイドとバルブステムの間の潤滑効果を高めるから、特に有益である。往復運動により摩擦が生じるから、これらのコンポーネントの間の良好な潤滑が必要である。
【０００４】
基本的に、燃焼機関に取り付けられるバルブガイドは、中央区画、カム側端末部品及びダクト側端末部品に分割され得る。これらの区画のそれぞれが異なる環境条件にさらされ、異なる機能を果たさなければならない。
【０００５】
例えば、ダクト側端末部品は（特に排出バルブにおいて）高温にさらされ、この理由のため、耐熱性でなければならず、非腐食性及び耐摩耗性でもなければならない。
【０００６】
本質的にバルブガイドの中間領域を占める中央区画は、一方で、ダクト側端末部品から熱を伝え、（冷却される）シリンダヘッドに流す目的を果たす。他方で、中央区画は、バルブガイドとバルブステムの間の良好な潤滑も保証しなければならない。さらに、エンジンビルダーが機械加工プロセスを完了した後に、シシリンダヘッド内におけるバルブ位置合わせに必要な高い寸法確度／精度が保証されるように、中央区画の良好な加工性も保証されなければならない。
【０００７】
シリンダヘッドから突き出すカム側端末部品も耐摩耗性であるべきであるが、周囲温度が低いことから、融蝕（アブレーション）及び付着のような摩耗機構の影響はダクト側端末部品の場合ほど激しくはないであろう。理想的には、オイル及びガスがカム側でシリンダヘッドから漏れ出ないことが保証される。
【０００８】
単一材料でつくられたバルブガイドでは３つの異なる区画の機能要件の全てを満たすことはできない。例えば、高多孔性材料はオイル吸収に寄与するが、同時に、存在する細孔の結果として特に腐蝕を受け易い。そのような材料は中間領域での使用に適し得るであろうが、ダクト側にはほとんど適していないであろう。オイルは細孔を通して漏れ続けることができるであろう。別の例は、ダクト側材料に当てはまる、加工が困難でしかない、特に耐摩耗性の材料である。
【０００９】
この問題への解決策は、冶金プロセスによって製造されるバルブガイドにおける酸化及び腐蝕の回避を提案している、特許文献１に説明されている。これはバルブガイドまたはバルブガイドのパーツをコーティングすることで施される耐腐食性金属シェルの装着によって得られるはずである。
【００１０】
特許文献２は、銅によるカム側端末の溶侵による、オイル及びガスに対するバルブガイドの気密性向上を目的とした解決策を開示している。
【００１１】
上記文献はバルブガイドの３つの区画が満たさなければならない様々な要件に対して部分的な解決策しか提供していない。さらに、上に挙げられた手段は全て非固有のバルブガイド特性を含んでいる。事実上、所望の効果を得るには、バルブガイド上に耐腐食性シェルまたは銅スリーブを装着または配置するために追加の作業工程が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】英国特許第７８００７３Ａ号明細書
【特許文献２】独国特許第１０３４３６８０Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の課題は、粉末冶金プロセスで製造されるバルブガイドであって、バルブガイドが複数の区画からなり、それぞれの区画がそれぞれの区画の異なる特別な要件の全てを同時に満たすために異なる材料でつくられる、バルブガイドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題は、粉末冶金プロセスで製造される、中央区画が第１の材料からなり、ダクト側端末部品が第２の材料からなり、第２の材料は７０ＨＲＢをこえる（ロックウエル）硬度を有し、第１の材料が第２の材料の硬度より少なくとも１０ＨＲＢは低い硬度を有する、初めに上述したタイプのバルブガイドによって達成される。
【００１５】
本発明はバルブガイドの個々の区画が異なる（材料）要件にしたがうように適合されているという利点を提供する。
【００１６】
カム側端末部品は第１、第２または第３の材料で製造することができる。第１または第２の材料を用いれば、製造プロセスが特に容易になる。そうすることで、特にプレス工程を簡単にし、短縮することができる。カム側端末部品も第２の材料からなることが好ましい。
【００１７】
上で挙げた材料は、例えば、それぞれの場合に要求される特性を有する焼結鋼種である。
【００１８】
例えば、第１の材料は、
−  ７８から８８重量％のＦｅ、
−  １０から２０重量％のＣｕ、
−  ０.８から１重量％のＭｎ、
−  ０.４から０.６重量％のＳ、及び
−  ０.８から２重量％のＣ、
を含む。
【００１９】
組成は焼結材料の分析に基づく。
【００２０】
別の元素／合金成分は総量で４重量％まで存在し得る。
【００２１】
第１の材料の具体的組成例は、
−  ８４重量％のＦｅ、
−  １２重量％のＣｕ、
−  ０.８重量％のＭｎ、
−  ０.５重量％のＳ、
−  ０.９重量％のＣ、及び
−  必要であれば、１００重量％になるまでの別の元素／合金成分、
の通りであり、第１の材料の銅含有量は溶侵銅を含まない。
【００２２】
少なくとも１０％の銅含有量により、高い熱伝導度が保証される。このようにすれば、ダクト側及びバルブで生じる高温を中央区画がカム側に流すことができる。銅はプレス工程の前に銅または銅合金の粉末の形態で混合物に加えられる。イオウ（Ｓ）及び軟質硫化マンガン（ＭｎＳ）は固体潤滑剤としてはたらき、潤滑に十分な量のエンジンオイルを使用できない場合のバルブガイドとステムのトライボロジ系の緊急動作特性を強化する。第１の材料の組成は良好な加工性を保証する。
【００２３】
例えば、第２の材料は、
−  ８２から８６重量％のＦｅ、
−  １.０から１.５重量％のＣｒ、
−  １２から１６重量％のＣｕ、
−  ０.６から０.８重量％のＭｎ、
−  ０.４から０.６重量％のＳ、
−  ０.５から２.０重量％のＣ、及び
−  必要であれば、総量で３.５重量％までとすることができる、別の元素／合金成分、
からなる。
【００２４】
組成は焼結材料の分析に基づく。
【００２５】
第２の材料の具体的組成例は、
−  ８４重量％のＦｅ、
−  １.２重量％のＣｒ、
−  １２重量％のＣｕ、
−  ０.７重量％のＭｎ、
−  ０.５重量％のＳ、
−  ０.６重量％のＣ、及び
−  必要であれば、１００重量％になるまでの別の元素／合金成分。
の通りであり、第２の材料の銅含有量は溶侵銅を含まない。
【００２６】
第１の材料と比較しての違いは、炭化クロムの形成により耐摩耗性を高めるクロム含有量である。さらに、第２の材料は長時間にわたり高温に耐えることができる。ダクト側端末部品がさらされる一層高い温度により、ダクト側端末部品は、一般に、カム側端末部品よりも激しい摩耗を受け易い。この理由のため、第２の材料は優れた耐摩耗性を特徴とする。
【００２７】
燃焼機関用バルブガイドコンポーネントにおける摩耗機構として、付着及び融蝕に遭遇することが多い。これらはバルブガイドとバルブステムの間に生じ、カム側におけるよりダクト側において一層顕著であることが分かっている。摩耗による大きな問題は排出バルブガイドシステムにおいておこる。これらの結果として、バルブガイドとバルブステムの間のギャップ幅／クリアランスが広がることとなり、最終的にバルブステムを詰まらせ、この結果、エンジン故障をおこさせ得る、摺動領域への粒子の侵入を可能にする。したがって、第２の材料の銅含有量は、硬度及び強度のような機械的特性の向上にさらに寄与する。
【００２８】
第１及び第２の材料は硬度に関して異なり、ダクト側端末部品の第２の材料に比較して低い中央区画の第１の材料の硬度は良好な加工性を保証し、ダクト側端末部品のさらに硬い材料は耐摩耗性を、また耐熱性も、大きく強化する。
【００２９】
粉末冶金プロセスで製造されたバルブガイドの中央区画の一般的な熱伝導度は２１Ｗ/(ｍＫ)と４８Ｗ/(ｍＫ)の間の範囲にある。
【００３０】
他のバルブガイドシステム（例えば、鋳造構造）に比較して、粉末冶金で製造されたバルブガイドはいくらかの量のオイルを吸収できる細孔を有するという利点を提供する。オイル含有量が多くなるほど、バルブガイドの潤滑効率は向上する。バルブガイドとバルブステムの間に常時生じている摩擦を考えると、これはかなりの利点であると見なされるべきである。
【００３１】
粉末冶金プロセスで製造されたＦｅベースのバルブガイドの密度は６.５ｇ/ｃｍ３と７ｇ/ｃｍ３の間の範囲にある。この結果、多孔度はほぼ１０から２０％になる。中央区画には高い多孔度が必要であるから、第１の材料に対する多孔度は１５％と２０％の間の、好ましくは１７％と２０％の間の、範囲にある。中央区画の多孔度は、オイル吸収能力に関連し、トライボロジ特性に強く影響する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は本発明で提案されるようなバルブガイド１の実施形態を例として示している断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の一実施形態において、粉末冶金プロセスで作製されたバルブガイドはカム側に施される銅溶侵をさらに備えることができる。溶侵はカム側端末部品の外面及び／または前面になされることが好ましい。これはオイル及びガスに対する気密性を高め、さらに、環境に有害なエンジンオイルの消費量を低減する。銅溶浸は最大でカム側端末部品の外面から壁体中心まで伸びる領域内ではあるが、好ましくは厚さが１〜３ｍｍの表面層帯の領域内に届く。
【００３４】
本発明のバルブガイドの製造は５工程で行うことができる。第１の工程において、第２の材料からなるダクト側端末部品用粉末がパンチと同軸に配置されたダイに詰め込まれ、有益であれば、プレス用工具を用いて予備圧密される。第２の工程において、第１の材料からなる中央区画用粉末がダイに詰め込まれ、有益であれば、プレス用工具を用いて予備圧密される。第３の工程において、第２または第３の材料からなるカム側端末部品用粉末がダイに詰め込まれ、有益であれば、プレス用工具を用いて予備圧密される。第４の工程において、バルブガイド全体がプレス用工具を用いてダイ内で圧密され、圧密体の形状は特にダイ及びパンチの形状によって決定される。第５の工程において、バルブガイド全体が焼結される。しかし、バルブガイドの各区画の圧密の順序は、初めにダクト側端末部品、次いで中央区画、最後にカム側端末部品が圧密されるように、逆にすることもできる。中央区画とカム側端末部品が同じ材料からなる場合は作業工程が省略され得ることは言うまでも無い。さらに、カム側端末部品は第３の材料で製造することもできる。個々の圧密工程は、中間圧密工程を省略できるように、合体させて単一工程にすることができる。
【００３５】
圧密体の結合を向上させるため、プレス添加剤、例えばワックスを粉末混合物に加えることができる。以降の焼結プロセス中に、ワックスは完全に蒸発するであろうし、このようにして焼結バルブガイド内にはもはや存在しないであろう。
【００３６】
単一材料で製造されるバルブガイドを提供する方法とは異なり、本発明の方法は中央区画の密度及び多孔度がプレス工程によって十分に調節され得るという利点を提供する。
【００３７】
本方法の特別な実施形態において、圧密バルブガイドと銅構造体を焼結合体させることができ、銅構造体は圧密バルブガイドのカム側に密接するかまたはカム側の上に載り、その重量に関しては、溶侵されるべき銅の量に適合するように適切に調節される。銅構造体はスリーブであることが好ましい。いくつかの材料からなるバルブガイドとオイル及びガスに対する気密性を高める銅構造体が単一の作業工程−焼結工程−によって相互に接合されることは有益であると見なされるべきである。
【００３８】
バルブガイドの個々の要素または区画は、粉末冶金プロセスで個別に製造し、続いて摩擦圧接によって相互に接合することもできる。
【００３９】
図１は本発明で提案されるようなバルブガイド１の実施形態を例として示している断面図である。バルブガイドは、カム側端末部品２、中央区画３及びダクト側端末部品４からなる。バルブステムがその中を動く内腔には参照数字５が与えられている。この実施形態において、中央区画は第１の材料７からなり、カム側端末部品及びダクト側端末部品は第２の材料６からなる。
【００４０】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００４１】
実施形態１
粉末冶金プロセスで製造される燃焼エンジン用のバルブガイドであって、前記ガイドが中央区画、カムに面する端末部品及びダクトに面する端末部品を有する、バルブガイドにおいて、
前記中央区画が第１の材料からなり、前記ダクト側端末部品が第２の材料からなり、前記第２の材料が７０ＨＲＢをこえる（ロックウエル）硬度を有し、前記第１の材料が前記第２の材料の硬度より少なくとも１０ＨＲＢは低い硬度を有することを特徴とするバルブガイド。
【００４２】
実施形態２
前記カム側端末部品が前記第１の材料、前記第２の材料または第３の材料からなることを特徴とする実施形態１に記載のバルブガイド。
【００４３】
実施形態３
前記第１の材料が、７８から８８重量％のＦｅ、１０から２０重量％のＣｕ、０.８から１重量％のＭｎ、０.４から０.６重量％のＳ、０.８から１重量％のＣ、及び４重量％までの別の元素からなることを特徴とする実施形態１または２に記載のバルブガイド。
【００４４】
実施形態４
前記第２の材料が、８２から８６重量％のＦｅ、１.１から１.３重量％のＣｒ、１２から１６重量％のＣｕ、０.６から０.８重量％のＭｎ、０.４から０.６重量％のＳ、０.５から０.７重量％のＣ、及び０.９から１.１重量％のＳｎからなることを特徴とする実施形態１または２に記載のバルブガイド。
【００４５】
実施形態５
前記中央区画用の前記第１の材料が２１Ｗ/(ｍＫ)と４８Ｗ/(ｍＫ)の間の範囲にある熱伝導率を有することを特徴とする実施形態１から３のいずれかに記載のバルブガイド。
【００４６】
実施形態６
前記第１の材料が１０％と２０％の間の、好ましくは１５％と２０％の間の、範囲にある多孔度を有することを特徴とする実施形態１から３のいずれかに記載のバルブガイド。
【００４７】
実施形態７
オイル及びガスに対する気密性を向上させるための、前記バルブガイドの前記カム側端末部品の外面及び／または前面の銅溶浸を特徴とする実施形態１から６のいずれかに記載のバルブガイド。
【００４８】
実施形態８
前記銅溶浸が前記カム側端末部品の外面から壁体中心までの領域、好ましくは深さが１から３ｍｍの表面層領域、を占めることを特徴とする実施形態７に記載のバルブガイド。
【００４９】
実施形態９
実施形態１から８のいずれかに記載のバルブガイドの製造のための方法において、初めに前記バルブガイドの個々の区画のための粉末がパンチと同軸に配置されたダイに逐次詰め込まれ、続いて前記ダイ内の前記バルブガイド全体がプレス工具を用いて圧密され、前記圧密体の形状は特に前記ダイ及び前記パンチの形状によって決定され、最終作業工程において前記バルブガイド全体が焼結されることを特徴とする方法。
【００５０】
実施形態１０
前記詰め込む工程の内の少なくとも１つに対して予備圧密工程が実施されることを特徴とする実施形態９に記載の方法。
【００５１】
実施形態１１
実施形態１から８のいずれかに記載のバルブガイドの製造方法において、前記バルブガイドの前記個々の区画が、圧密及び焼結による粉末冶金法で作製され、前記バルブガイドを形成するために摩擦圧接によって接合されることを特徴とする方法。
【符号の説明】
【００５２】
１    バルブガイド
２    カム側端末部品
３    中央区画
４    ダクト側端末部品
５    内腔
６    第２の材料
７    第１の材料
【図１】
0006722105.tif 000002