(57)【要約】【課題】  弁座の生産方法を提供する。【解決手段】  本発明は、内燃機関のシリンダーヘッド用の弁座を生産する方法に関するものであり、この方法において、弁座が形成される位置にエネルギーが投入されることで添加材がシリンダーヘッドに融着され、ここで使用される添加材は、銅に加えて、鉄  ５重量％未満、マンガン  １０〜２０重量％、コバルト  ５〜１０重量％、モリブデン  ５重量％未満、ニッケル  ９重量％未満、シリコン  ５重量％未満、ボロン  １〜３重量％、クロム  ３重量％未満、の元素を含む銅合金である。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダーヘッド用の弁座を生産する方法であって、前記弁座が形成される位置にエネルギーが投入されることで添加材が前記シリンダーヘッドに融着され、使用される前記添加材が、銅に加えて、
鉄            ５重量％未満
マンガン      １０〜２０重量％
コバルト      ５〜１０重量％
モリブデン    ５重量％未満
ニッケル      ９重量％未満
シリコン      ５重量％未満
ボロン        １〜３重量％
クロム        ３重量％未満
の元素を含む銅合金である方法。
【請求項２】
前記添加材が、前記銅に加えて、
鉄            ２〜４重量％
マンガン      １１．５〜１４重量％
コバルト      ５〜１０重量％
モリブデン    ２〜４重量％
ニッケル      ３〜６重量％
シリコン      ２〜４重量％
ボロン        １．５〜２．５重量％
クロム        １〜２重量％
の元素、および不可避的不純物
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記添加材が、前記銅に加えて、
鉄            ３重量％
マンガン      １２重量％
コバルト      ５重量％
モリブデン    ３重量％
ニッケル      ３重量％
シリコン      ２重量％
ボロン        １重量％
クロム        １重量％
の元素、および不可避的不純物
を含む、請求項１あるいは２に記載の方法。
【請求項４】
前記添加材が、錫を０〜１５重量％含有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記添加材が、燐を０．０５〜０．３重量％含有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記エネルギーがレーザー光線によって投入され、前記レーザー光線と前記添加材とが共に、同軸ノズルを通って前記弁座上に行き渡る、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文に記載のシリンダーヘッド用弁座を生産する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１はシリンダーヘッド用の弁座を生産する方法について記載している。この方法では、ノズルを通って弁開口部の周囲に添加材が塗布され、別個のレーザー要素によって、この弁開口部に沿ってエネルギーがさらに投入され、粉末状の添加材とシリンダーヘッドの材料とがこの位置で部分的に溶融され、これらが一緒に融着される。そして添加材により、シリンダーヘッドの材料と共に合金が形成され、結果としてこの領域に局部的補強材、すなわち弁座を形成する。
【０００３】
この方法に使用する材料は銅合金からなり、この合金はニッケルを６〜９重量％、シリコンを１〜５重量％、モリブデンを１〜５重量％、さらにタングステン、タンタルおよびニオブを含有する。
【０００４】
内燃機関のシリンダーヘッドにおける弁座は、周囲環境に対して燃焼室を密封する目的を有する。弁は弁座を押圧し、この弁座は高度に磨耗するので、この領域においては高度に耐磨耗性の材料を使用する必要がある。同時に、最大可能熱量が、密封表面と燃焼室からウォータージャケットへと放散されなければならない。
【０００５】
特許文献２に記載の方法および合金は、銅合金を使用することで少なくとも良好な熱伝導性を達成し、その要求を満たしているが、弁座における耐磨耗性はまだ不十分である。
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第  １  １２０  ４７２  Ａ１号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第  １  １２０  ４７２  Ａ２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、弁座を生産する方法であって、その弁座が高い熱伝導性を有し、先行技術に比べて顕著に向上した耐磨耗性をさらに有する生産方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的の解決策は、請求項１の前文に記載の弁座を生産する方法にある。
【０００９】
本発明による内燃機関のシリンダーヘッド用の弁座を生産する方法において、添加材がシリンダーヘッドに塗布され、エネルギーが投入される結果、弁座が形成される位置でシリンダーヘッドの材質に融着される。本発明によると、この方法で使用される添加材は銅合金で、銅に加えて以下の元素
鉄            ５重量％未満
マンガン      １０〜２０重量％
コバルト      ５〜１０重量％
モリブデン    ５重量％未満
ニッケル      ９重量％未満
シリコン      ５重量％未満
ボロン        １〜３重量％
クロム        ３重量％未満
および不可避的不純物を含む合金である。
【００１０】
本発明による合金組成物に対して、主要な元素である銅は、良好な熱伝導性を生じさせ基材に接着させる効果を十分に備えている。合金元素の鉄は、強度を増加させる効果を備えているが、銅中における鉄の最大濃度（溶解限度）５重量％を超えてはならない。合金元素のマンガンは、合金の強度増加に特に有効である。マンガンが合金の１０〜２０重量％を形成する場合、熱強度についてプラスの作用を有し、またより硬度な耐磨耗性をもたらす上部構造が形成される。
【００１１】
合金元素のコバルトは、同様に磨耗に対するより高い耐性を生じさせ、さらに、細粒化の効果をもたらす。合金元素としてのモリブデンは、固体の潤滑剤として作用する。潤滑作用は、モリブデン化合物ＭｏＳ２およびＭｏＯ３によって確保される。同時に、モリブデンはシリコンと反応して、その結果有効な珪化物を形成する。合金元素のニッケルもまた、珪化物を形成し、さらに、銅母材中に完全に可溶性のニッケルを基に、銅と共に固溶体を形成する。
【００１２】
既に述べたように、合金元素のシリコンは、合金元素のニッケルおよびモリブデンと共に化合物を形成し、珪化物と呼ばれるものを生成する。シリコンは、部分的に溶けた基材と共に添加材の湿潤性を向上させる。合金元素のボロンもまた湿潤性の向上に貢献する。なお、追加のアルミニウムが、シリコンの部分溶融の結果として、基材のアルミ−シリコン合金からシステムに供給される。
【００１３】
合金元素クロムは、銅中ではわずかしか溶解しない。これは、合金中で、Ｃｒ２Ｃ３や珪化物といった硬質の材料を形成する。これらの化合物は、弁座の硬度に貢献する。しかし、クロム含有量は、化学量論的にシリコン含有量に一致しなければならない。
【００１４】
本発明の１つの好ましい実施形態において、添加材は、銅に加えて以下の元素
鉄            ２〜４重量％
マンガン      １１．５〜１４重量％
コバルト      ５〜１０重量％
モリブデン    ２〜４重量％
ニッケル      ３〜６重量％
シリコン      ２〜４重量％
ボロン        １．５〜２．５重量％
クロム        １〜２重量％
および不可避的不純物を含む。
【００１５】
１１．５〜１４重量％のマンガンの含有は、他の合金元素の作用に対する悪影響もなく、特に強度と耐磨耗性の増加におおいに効果をもたらすことが明らかとなっている。
【００１６】
本発明の別の実施形態においては、添加材は、銅に加えて以下の元素
鉄            ３重量％
マンガン      １２重量％
コバルト      ５重量％
モリブデン    ３重量％
ニッケル      ３重量％
シリコン      ２重量％
ボロン        １重量％
クロム        １重量％
および不可避的不純物を含む。
【００１７】
合金元素を示すパーセンテージは、それぞれ製造上の精度という意味合いで理解されたい。合金を生成する際、各合金用元素につき、それぞれ±０．５％の誤差が想定されている。
【００１８】
本発明に照らしてみると、添加材に錫（Ｓｎ）を１５重量％まで含むことは好都合であり、この錫は銅と共にＣｕＳｎ母材を形成し、このようにして材料の基礎的強度を向上させる。また燐（Ｐ）の添加もＣｕＦｅＰ固溶体を形成し、これによって熱強度の増加をもたらす。
【００１９】
本発明の１つの実施形態では、エネルギーはレーザー光線によって投入される。レーザー光線と添加材とは、焦点レンズと同軸ノズルを備えた共通のユニットを通って作用位置へ供給される。このことにより、エネルギーの投入と材料の供給とが、確実に常に局部的に互いに一致する。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態は、以下の図面に基づき、より詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は内燃機関のシリンダーヘッド１の一部を示しており、全体は図示されていない。シリンダーヘッド１は吸気ダクト２を有し、それ自体自明のように、この場合は勿論排気ダクトとしても形成されている。吸気ダクト２は、ガス交換弁３（以下説明を簡潔にするために弁３とする）によって開閉され、これによって空気または燃料／空気混合物が、吸気ダクト２からシリンダーヘッド１の燃焼室４に流入する。
【００２２】
シリンダーヘッド１には弁座５が設けられており、弁３は弁座５に対して閉鎖位置にあり、吸気ダクト２を燃焼室４から遮断している。
【００２３】
弁座５は、シリンダーヘッドの弁開口部６の周囲に環状に配置されている。
【００２４】
弁座５を生成するために、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーからのレーザー光が、焦点レンズ（ここでは詳細に図示せず）へとガラスファイバを通過する。ガラスファイバの使用により、レーザー光の加工位置への誘導を容易にし、その結果、加工コストとシステム経費の削減が可能となる。
【００２５】
レーザー光線の焦点レンズは、図３に示すとおり同軸ノズル８に接続される。同軸ノズル８は２つの排出口、内側開口部１２および外側開口部１４を備えている。レーザー光線１０は内側開口部１２を通って誘導される。添加材１６は外側開口部１４を通って誘導される。この配置は、エネルギー源であるレーザー光線１０と、弁座５を形成する添加材とが、常に同じ位置に誘導されるという利点を有する。これにより、加工作業は方向性の影響を受けなくなり、レーザー光線と添加材とが好ましい方向を形成する場合には、追加設備の出費を節減できる。
【００２６】
焦点レンズは、シリンダーヘッド１上に直径約２〜５ｍｍの焦点を有するように、レーザー光線１０を成形する。この焦点でシリンダーヘッド１に作用するエネルギーの量は、好ましくは、この位置でシリンダーヘッド材が部分的に融けるように計られる。この焦点の広がりは、弁座の全体幅がレーザーの１つの軌道で形成可能なように設計される。この場合、加工パラメーターとなるエネルギー密度、焦点の直径、弁開口部６周辺のレーザーまたは同軸ノズルの送り速度、および添加材の供給量は、複合的効果を有する。これらのパラメーターは、所望の溶融が達成可能となるように設定されなければならない。したがって、レーザー光線１０と添加材１６とを含む同軸ノズル８は、弁開口部６に沿って円形に動かされる。送り速度はこの場合、毎分３００〜１０００  ｍｍである。この方法において、シリンダーヘッド１の表面は、弁開口部６の領域で部分的に溶融される。添加材１６は、同軸ノズル８の外側開口部１４から供給されるが、レーザーエネルギーによって同様に部分的に溶融される。溶融されたシリンダーヘッド材および添加材は合金を形成する。図４は、シリンダーヘッド１の表面を示す線（シリンダーヘッド表面）２０と共に、溶融軌道の断面を示している。
【００２７】
加工の送り速度は、生産技術規模では、毎分３００〜１０００ｍｍである。送り速度はこの場合、弁開口部６におけるシリンダーヘッド１の配置による。
【００２８】
シリンダーヘッド表面の混合深度は、図４の特徴部によって以下の方法で求められる。
混合深度＝（シリンダーヘッド表面２０下の断面２４／溶融軌道１８の全体断面２６）×１００％
【００２９】
溶融シリンダーヘッド材および溶融添加材は、転移層（混合層）で互いに結合される。転移層の厚さは通常１０００μｍ未満である。転移層は、図４には図示していないが、必ずしもシリンダーヘッド表面２０と一致する必要はなく、より高いかまたは低い位置でも良い。したがって、添加材のみが溶融軌道1８の表面、すなわち弁座５の表面を形成する。よって弁座５の機能的特性は、添加材１６のみによって生じる。シリンダーヘッド表面２０の部分的溶融は、実質的に添加材とシリンダーヘッド１との冶金的接着（固定した、非脆性接着）を確実にする。
【００３０】
シリンダーヘッド材の性質の変化を避けるため、特に非常に薄い金属板の場合、弁開口部６の領域でも起こるように、深すぎる混合は避けるべきである。上述のように計算した関係によると、混合深度は３０％未満であるべきであり、２０％未満が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】弁座領域にあるシリンダーヘッドから抜粋した図である。
【図２】弁と弁座を抜粋して拡大した図である。
【図３】添加材の塗布と同軸ノズルを通るレーザー光線の照射を示す図である。
【図４】シリンダーヘッド表面の溶融軌道の断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  シリンダーヘッド
２  吸気ダクト
３  ガス交換弁
４  燃焼室
５  弁座
６  弁開口部
８  同軸ノズル
１０  レーザー光線
１２  内側開口部
１４  外側開口部
１６  添加材
１８  溶融軌道
２０  シリンダーヘッド表面
２４  断面（シリンダーヘッド表面下の断面）
２６  全体表面（溶融軌道の全体断面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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