(57)【要約】  本発明は、中央部、カムに面した末端部及びダクトに面した末端部を備えている、粉末冶金法によって製造された、燃焼機関のためのバルブガイドに関する。中央部は第１の材料からなり、ダクトに面した末端部は第２の材料からなり、カム及び／又はダクトに面した末端部には、銅が含浸されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部、カムに面した末端部、及びダクトに面した末端部を備えた、燃焼機関のための粉末冶金法によって製造されたバルブガイドであって、
前記中央部が第１の材料からなり、前記ダクト側の末端部が第２の材料からなり、前記カム側及び／又はダクト側の末端部に銅が含浸されていることを特徴とする、バルブガイド。
【請求項２】
前記カム側の末端部が、前記第１、前記第２又は第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、含浸させた銅を考慮に入れずに、７８〜９５％ｗ／ｗのＦｅ、３〜２０％ｗ／ｗのＣｕ、０．８〜３％ｗ／ｗのＭｎ、０．４〜０．６％のＳ、０．８〜１％ｗ／ｗのＣ、及び最大で４％ｗ／ｗのさらなる元素からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載のバルブガイド。
【請求項４】
前記第２の材料が、含浸させた銅を考慮に入れずに、８０〜８６％ｗ／ｗのＦｅ、１．１〜１．３％ｗ／ｗのＣｒ、１２〜１６％ｗ／ｗのＣｕ、０．６〜０．８％ｗ／ｗのＭｎ、０．４〜０．６％ｗ／ｗのＳ、０．５〜０．７％ｗ／ｗのＣ、及び０．９〜１．１％ｗ／ｗのＳｎからなることを特徴とする、請求項１又は２に記載のバルブガイド。
【請求項５】
前記中央部のための前記第１の材料が、２１〜４８Ｗ／（ｍＫ）の範囲の熱伝導率を有する、及び／又は、前記第２の材料が、４０〜８０Ｗ／（ｍｋ）の熱伝導率を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバルブガイド。
【請求項６】
前記第１の材料が、１０〜２０％、好ましくは１５〜２０％の範囲の多孔率を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のバルブガイド。
【請求項７】
前記第１の材料が、１０〜４００μｍの範囲の細孔径において１５〜２０％の多孔率を有する、及び／又は、前記第２の材料が、１０〜４００μｍの範囲の細孔径において８〜１５％の多孔率を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のバルブガイド。
【請求項８】
前記第１の材料の多孔率が、１００〜３５０μｍの範囲の細孔径において１７〜２０％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１〜８のいずれか一項に記載のバルブガイドの製造方法であって、最初に、前記バルブガイドの個々の部位のための粉末が、パンチと同軸上に配置されたダイ内に順次に充填され、その後、前記ダイにおける前記バルブガイド全体が押圧冶具によって圧縮され、ここで、前記圧縮成形体の形状が特に前記ダイ及び前記パンチの形状によって決定され、かつ、前記バルブガイド全体が最終的な作業工程において焼結されることを特徴とする、方法。
【請求項１０】
前記充填工程のうちの少なくとも１つについて、予備圧縮工程が行わ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１〜８のいずれか一項に記載のバルブガイドの製造方法であって、前記バルブガイドの個々の部位が、圧縮及び焼結によって粉末冶金的な方法で生産され、摩擦溶接によって結合されて、前記バルブガイドを形成することを特徴とする、方法。
【請求項１２】
機械及びエンジン工学の分野における粉末冶金的に製造されたガイドの使用であって、前記ガイドが、中央部、頂部及び足部を有する三層構造からなり、前記頂部及び／又は足部には銅が含浸されている、使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼機関のための粉末冶金法によって製造されたバルブガイドに関し、該ガイドは、中央部、カムに面した末端部、及びダクトに面した末端部を備えている。
【背景技術】
【０００２】
燃焼機関のためのバルブガイドは、シリンダーヘッドに位置しており、揺動弁がバルブ用シートリングと緊密に接触し、それによってガスダクトを遮断することができるような方法で、揺動弁を案内するという目的に役立つ。
【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いる。製造プロセスに固有の理由による多孔性は、それによって細孔がバルブガイドとバルブステムとの間の潤滑効果を高める油で満たされることから、とりわけ、特に有利である。振動運動によって摩擦が生じるため、これらの構成要素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たバルブガイドは、中央部、カム側の末端部、及びダクト側の末端部に細分することができる。これらの部位はすべて、異なる周囲条件に晒され、かつ、異なる機能を果たさなければならない。
【０００５】
例えば、ダクト側の末端部（特に出口バルブ）は高温に晒され、その理由から、温度耐性、並びに、耐腐蝕性かつ耐磨耗性でなければならない。それはまた、放熱のために良好な熱伝導率も有していなければならない。
【０００６】
本質的にはバルブガイドの中央領域を包含する中央部は、一方では、ダクト側の末端部から熱を伝導し、それをシリンダーヘッド（冷却される）に渡すという目的を果たす。他方では、中央部はまた、ガイドとバルブステムとの間の良好な潤滑を保証しなければならない。さらには、エンジン製造業者が必要とされる機械加工工程を終えた後に、バルブアライメントに必要な高い寸法精度がシリンダーヘッドにおいて確実になるように、中央部の良好な作業性もまた確実にする必要がある。
【０００７】
周囲温度が低いため、摩耗及び接着などの摩耗機構の影響はダクト側の末端部の場合よりも深刻ではないが、シリンダーヘッドから突出するカム側の末端部も耐摩耗性であるべきである。理想的には、油及びガスがカム側のシリンダーヘッドから流出しないことを確実にする。
【０００８】
単一の材料で作られたバルブガイドは、３つの異なる部位のすべての機能要件を満たすことができない。例えば、高多孔性の材料は、油の吸収を助長する。他方では、その細孔に起因して、特に腐食の影響を受け易い。多孔性はまた、機械的性質も弱めうる。このような材料は、中央部分には好適に用いることができるが、ダクト側にはあまり適していないであろう。油は、細孔を通って継続的に出て行ってしまう可能性がある。別の例は、とりわけ耐摩耗性の材料であり、これはダクト側の材料にも言えることであるが、この材料は機械加工に困難が伴う可能性がある。
【０００９】
本問題に対する１つの解決策は、冶金プロセスによって製造されたバルブガイドにおける酸化及び腐食を回避することを目的とした特許文献１に記載されている。これは、バルブガイド又はその部品をコーティングすることによって施された耐腐食性の金属カバーを設けることによってもたらされる。
【００１０】
特許文献２には、カム側末端に銅を含浸させることによって、油及びガスに対するバルブガイドの気密性を高めることを目的とした解決策が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】英国特許出願公開第７８００７３号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０３４３６８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述の刊行物は、バルブガイドの３つの部位が満たさなければならない様々な要求に対して部分的な解決策しか提示していない。さらには、上述の対策はすべて、非固有のバルブガイド特性を包含する。実際、所望の効果をもたらすためには、バルブガイド上に耐腐食性カバー又は銅スリーブを設ける又は配置するための、追加の作業工程が必要とされる。
【００１３】
結果として、根底にある本発明の目的は、粉末冶金法によって製造されたバルブガイドを提供することであり、該バルブガイドは、それぞれの部位の異なる特別な要件のすべてを同時に満たすことを目的として、異なる材料で作られた部位からなる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的は、最初に上で述べた種類の粉末冶金的に製造されたバルブガイドによって達成され、その基体は第１の材料でできており、ダクト側の末端部は第２の材料でできており、カム側及び／又はダクト側の末端部には銅が含浸されている。焼結する材料がすでに銅を含んでいる限り、含浸された銅が加えられる。好ましくは、両方の末端部に銅を追加的に含浸させる。一方では、これは、この重要な領域における熱伝導率を増加させるという利点を有するが、しかしながら、他方では、これらの領域における高い銅含有量が摺動性を向上させる。純粋な銅の他に、含浸に用いられる銅は、主に、９０％ｗ／ｗ超の銅含有量を有する銅合金として定義づけられる。
【００１５】
好都合には、第２の材料は第１の材料よりも硬い。この観点から、第２の材料は、好ましくは、７０ＨＲＢを超える硬度を有するのに対し、第１の材料は、それより少なくとも１０ＨＲＢ低い硬度を有する。
【００１６】
本発明は、バルブガイドの個々の部位が、様々なニーズ、並びに用いられる材料にも適合するという利点を与える。
【００１７】
その一方、中央部は依然として、含浸させた銅を本質的に含まないままである。一方では、これは、バルブガイドの３つのセグメントを個別に製造し、次に、結合工程の前に末端部に銅を含浸させた後に、それらを互いに結合することによって、あるいは、特別な仕上げ加工又は処理、若しくは中央部のための材料の選択によって、達成することができる。したがって、含浸による銅のさらなる吸収は、マンガンの含有量によって制御されうる。銅は、細孔の毛管作用によって吸収される。平均細孔径の増加は、毛管現象の低下につながり、銅を吸収する能力を低下させる。例えば、上述の領域における銅の取り込みは、例えば第１及び／又は第２の材料のそれぞれの組成によってなど、表面の湿潤性を調整することによって、若しくは、化学処理又は酸化を用いて焼結工程の間の酸化又は還元挙動を制御することによって、あるいは、酸化物形成剤の適用によって、影響を受ける可能性がある。これらの対策の随意的な組合せが可能である。
【００１８】
カム側の末端部は、第１、第２、又は第３の材料から製造されうる。第１又は第２の材料を使用することにより、とりわけ、製造工程が容易になる。したがって、特に、押圧動作を簡略化及び短縮化することができる。好ましくは、カム側の末端部もまた、第２の材料からなる。
【００１９】
前述の材料は、例えば各事例において必要とされる特性を有する、焼結鋼等級のものである。
【００２０】
例えば、第１の材料は、
・７８〜９５％ｗ／ｗのＦｅ、
・３〜２０％ｗ／ｗのＣｕ、
・０．８〜２％ｗ／ｗのＭｎ、
・０．４〜０．６％ｗ／ｗのＳ、及び
・０．８〜２％ｗ／ｗのＣ
から構成される。
【００２１】
組成は、焼結された材料に関するものであり、添加されていてもよい含浸させた銅は含まれない。
【００２２】
さらなる元素／合金構成成分は、最大で総量の４％ｗ／ｗまで存在しうる。
【００２３】
第１の材料の１つの具体的な組成の例は以下の通りである：
・８４％ｗ／ｗのＦｅ、
・１２％ｗ／ｗのＣｕ、
・１．５％ｗ／ｗのＭｎ、
・０．５％ｗ／ｗのＳ、
・０．９％ｗ／ｗのＣ
・１００％ｗ／ｗまでの追加の元素／合金構成成分、
ここで、第１の材料の銅含有量には、含浸させた銅は含まれない。
【００２４】
焼結によって加えられた銅含有量により、ある特定の熱伝導率が確保される。このように、中央部は、ダクト側及びバルブに生じた高温をカム側に伝達することができる。銅は、押圧動作の前に、銅又は銅合金の粉末の形態で混合物に加えられる。例えば硫化マンガン（ＭｎＳ）などの金属硫化物の形態の硫黄（Ｓ）のみならず、プラスチックもまた、固体潤滑剤として働き、潤滑のために利用可能なエンジン油が不十分な量しかない場合に、ガイド及びステムのトライボロジーシステムの非常時動作特性を向上させる。第１の材料の組成によって、良好な被削性が保証される。
【００２５】
例えば、第２の材料は、
・８０〜８６％ｗ／ｗのＦｅ、
・１．０〜１０％ｗ／ｗのＣｒ、
・５〜１６％ｗ／ｗのＣｕ、
・０．６〜０．８％ｗ／ｗのＭｎ、
・０．４〜０．６％ｗ／ｗのＳ、及び
・０．５〜２．０％ｗ／ｗのＣ、並びに
・必要に応じて、最大で３．５％ｗ／ｗに達しうる、さらなる元素／合金構成成分
から構成される。
【００２６】
組成は、含浸させた銅を含めない、焼結された材料に関するものである。
【００２７】
第２の材料の１つの具体的な組成の例は、以下の通りである：
・８４％ｗ／ｗのＦｅ、
・１．２％ｗ／ｗのＣｒ、
・１２％ｗ／ｗのＣｕ、
・０．７％ｗ／ｗのＭｎ、
・０．５％ｗ／ｗのＳ、
・０．６％ｗ／ｗのＣ、及び
・１００％ｗ／ｗまでの追加の元素／合金構成成分、
ここで、第２の材料の銅含有量には含浸させた銅は含まれない。
【００２８】
第１の材料と比較した差異はクロムの含有であり、その結果、クロム炭化物の生成に起因した高い耐摩耗性と、固溶体の凝固とがもたらされる。さらには、第２の材料は、長期間にわたって、高温に耐えることができ、かつ、高い摩耗性を有しうる。より高い温度に晒されるため、ダクト側の末端部は、原則として、カム側の末端部よりも深刻な摩耗を被る傾向にある。その理由から、第２の材料は、優れた耐摩耗性を特徴とする。
【００２９】
燃焼機関のためのバルブガイド構成要素の摩耗機構として、接着及び摩耗がしばしば生じる。これらは、バルブガイドとバルブステムとの間に生じ、カム側よりもダクト側において、より顕著であることが分かっている。摩耗に関する主な問題は、出口バルブガイドシステムにおいて生じる。これらは、バルブガイドとバルブステムとの間のギャップ幅の増加につながる。よって、粒子が摺動領域に入り、バルブステムに詰まりを生じうる。これは、結果的にエンジンの故障につながる。したがって、第２の材料の銅含有量は、硬度及び強度などの機械的特性の改善にさらに寄与する。銅の含浸は、熱的特性及び機械的特性をさらに改善する。
【００３０】
第１及び第２の材料は、硬度に関して異なっていてもよく、ダクト側の末端部の第２の材料と比較して中央部の第１の材料の硬度が低いことにより、良好な被削性が保証される一方、ダクト側の末端部の硬い材料により、耐摩耗性と耐熱性が大幅に向上する。
【００３１】
粉末冶金的法によって製造されたバルブガイドの中央部の典型的な熱伝導率は、２１〜４８Ｗ／（ｍＫ）の範囲である。対照的に、末端部は、好ましくは、より高い、４０〜８０Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を有する。
【００３２】
他のバルブガイドシステム（例えばキャスト設計のもの）と比較して、粉末冶金的に製造されたバルブガイドは、ある特定の量の油を吸収可能な細孔を有するという利点を与える。油の含有量が高くなると、バルブガイドの潤滑効率の改善につながる。バルブガイドとバルブステムとの間に生じる一定の摩擦を考慮すると、これは重要な利点と考えられる。
【００３３】
粉末冶金的に製造されたバルブガイドの密度は、Ｆｅ基準で、通常、約７ｇ／ｃｍ３である。これは、結果的に約１０％の多孔率を生じる。中央部は高い多孔率を必要とすることから、第１の材料の多孔率は、１０〜２０％、好ましくは１５〜２０％の範囲にあるべきであり、特に１７〜２０％が好ましい。中央部の多孔率は、吸油能力に関して重要であり、トライボロジー特性に影響を与える。
【００３４】
中央部の細孔径は、好適には、１０〜４００μｍの範囲、好ましくは５０〜４００μｍの範囲、特に１００〜３５０μｍの範囲にある。この細孔径範囲では、細孔化合物の毛管作用は減少し、銅の含浸の間に大量の銅を本体に吸収するには十分ではない。同時に、細孔径及び細孔容積は、バルブガイドの油の吸収にとっては好ましい。
【００３５】
好都合には、第２の材料は、８〜１５％、好ましくは８〜１２％の多孔率を有する。細孔径は、例えば１０〜４００μｍ、好ましくは１０〜３５０μｍ、特に５０〜２５０μｍの範囲である。この観点において、銅の含浸のための毛管現象は重要な役割を果たしている。
【００３６】
本発明の実施形態では、粉末冶金的に生産されたバルブガイドに、カム側に適用された銅の含浸を追加的にもたらすことができる。これにより、油及びガスに対する気密性が向上し、さらに、環境に有害なエンジン油の消費が低減される。銅の含浸は、最大で外面からカム側の末端部の壁芯に至るまで延在する領域に達するが、好ましくは１〜３ミリメートルの厚さを有する表層ゾーンの領域まで達する。
【００３７】
本発明に係るバルブガイドの製造は、５つの工程で行われうる。第１の工程では、第２の材料からなるダクト側の末端部のための粉末が、パンチに対して同軸上に配置されたダイ内に充填され、好都合であれば、押圧冶具によって予備圧縮され、第２の工程では、第１の材料からなる中央部のための粉末がダイ内に充填され、適切な場合には、押圧冶具によって予備圧縮され、第３の工程では、第２又は第３の材料からなるカム側の末端部のための粉末がダイ内に充填され、好都合であれば、押圧冶具によって予備圧縮され、第４の工程では、押圧冶具を使用してバルブガイド全体がダイ内で圧縮され、ここで、圧縮成形体の形状は、特に、ダイ及びパンチの形状によって決定され、第５の工程では、バルブガイド全体が焼結される。しかしながら、バルブガイドの部位の圧縮順序は、最初にダクト側の末端部、次に中央部、最後にカム側の末端部が圧縮されるように、逆順にすることもできる。言うまでもなく、中央部及びカム側の末端部が同一の材料からなる場合には、１つの作業工程を省略してもよい。さらには、カム側の末端部も同様に、第３の材料から製造することができる。個別の圧縮工程は、中間の圧縮工程を省くことができるように、単一の工程に統合することができる。
【００３８】
例えばワックスなどの押圧用添加剤を粉末混合物に加えて、圧縮成形体の凝集性を向上させることができる。その後の焼結工程の間に、ワックスは、完全に蒸発し、したがって焼結されたバルブガイド内には、もはや存在しない。
【００３９】
単一の材料で製造されるバルブガイドを提供する方法とは対照的に、本方法は、押圧動作によって中央部の密度及び多孔率を良好に調整することができるという利点を与える。
【００４０】
本方法の特別な実施形態では、圧縮されたバルブガイドと銅ボディ（Kupferkoerper）とを一緒に焼結してもよく、ここで、銅ボディは、圧縮されたバルブガイドのカム側及び／又はダクト側と緊密に接触するか、又は圧縮されたバルブガイドのカム側及び／又はダクト側に取り付けられ、かつ、その重量に関しては、含浸される銅の量に合わせて適宜調整される。好ましくは、銅ボディは、プレート、スリーブ又は棒状の形態で提供される。銅を含浸させた結果として、末端部は、最大で４０％ｗ／ｗの総銅含有量に達しうる。対照的に、中央部の総銅含有量は、依然として、３０％ｗ／ｗ未満、好ましくは２０％ｗ／ｗ未満に保たれる。
【００４１】
また、バルブガイドの個別の要素又は部位を別々に製造して、その後に摩擦溶接によって互いに結合させてもよい。この場合、末端部を中央部に結合する前に、末端部に銅を個別に含浸させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明が提案するバルブガイド１の実施形態を例として示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００４３】
バルブガイドは、カム側の末端部２、中央部３、及びダクト側の末端部４からなる。内部をバルブステムが動くボアには、参照番号５が与えられている。この実施形態では、中央部は第１の材料７からなり、カム側及びダクト側の末端部は第２の材料６からなる。
【００４４】
本発明はまた、エンジン及び機械工学の分野における粉末冶金的に製造されたガイドの使用にも関し、該ガイドは、第１の材料でできた中央部、第２の材料でできた頂部、並びに足部を有する、上述の三層構造からなり、頂部及び／又は足部には銅が含浸されている。
【符号の説明】
【００４５】
１  バルブガイド
２  カム側の末端部
３  中央部
４  ダクト側の末端部
５  ボア
６  第２の材料
７  第１の材料
【図１】
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【国際調査報告】
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