(57)【要約】  本発明は、無機物固体潤滑剤を含む鉄ベースのマトリクスを有するバルブ・ガイドまたはバルブ・シート・リングの形態で粉末冶金によって製造された部品に関し、マトリクスは、理論的密度の７５〜９０％の範囲の密度を有し、無機物固体潤滑剤は、マトリクスの焼結温度よりも低い融点を有し、部品のマトリクスの残りの孔容積は、固体潤滑剤で溶融浸透される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機物固体潤滑剤を含む鉄ベースのマトリクスを有するバルブ・ガイドまたはバルブ・シート・リングの形態で粉末冶金によって製造された部品であって、
前記マトリクスが、理論的密度の７５〜９０％の範囲の密度を有し、
前記無機物固体潤滑剤が、前記マトリクスの焼結温度よりも低い融点を有し、前記部品の前記マトリクスの残りの孔容積が、前記固体潤滑剤で溶融浸透される、
ことを特徴とする、部品。
【請求項２】
前記固体潤滑剤が、３００超〜１６００℃、特に４５０〜１３００℃の範囲の融点を有することを特徴とする、請求項１に記載の部品。
【請求項３】
前記固体潤滑剤が、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の２つ以上の塩を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の部品。
【請求項４】
前記固体潤滑剤が、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、および／またはＳｒの塩を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の部品。
【請求項５】
前記部品が、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、およびＢａ塩から選択される少なくとも２つの塩を含むことを特徴とする、請求項４に記載の部品。
【請求項６】
前記固体潤滑剤が、２つの塩の共融混合物からなることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の部品。
【請求項７】
前記固体潤滑剤が、ＣａＦ２／ＢａＦ２の共融混合物からなることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の部品。
【請求項８】
以下の工程：
Ａ１  前記焼結部品の前記マトリクスのための前記粉末混合物を提供する工程；
Ａ２  Ａ１について述べられた前記粉末混合物をコンパクトに圧縮成形する工程；
Ｂ１  前記固体潤滑剤のための粉末を提供する工程；
Ｂ２  Ｂ１について述べられた前記粉末をコンパクトに圧縮成形する工程；
Ｃ１  Ａ２について述べられた前記コンパクトを、Ｂ２について述べられた前記コンパクトの存在下で、好ましくはそれと接触して、焼結する工程、あるいは、
Ｄ１  Ａ２について述べられた前記コンパクトを、第１の温度Ｔ１における第１の工程で焼結する工程；
Ｄ２  温度Ｔ２における第２の工程で、Ｄ１について述べられた前記焼結体を、Ｂ２について述べられた前記コンパクトの存在下で、好ましくはそれと接触して、浸透させる工程、
を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のトライボロジー部品を製造する方法。
【請求項９】
前記固体潤滑剤のコンパクトのための粉末が、１００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下の平均粒径を有することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記焼結部品のマトリクスのための粉末混合物が、７．２ｇ／ｃｍ３以下、好ましくは６．５〜６．９５ｇ／ｃｍ３の密度を達成するために圧縮されることを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記固体潤滑剤の粉末が、フッ化カルシウムおよびフッ化バリウムの粉末混合物であることを特徴とする、請求項８から１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記固体潤滑剤のための粉末混合物が、３８質量％のフッ化カルシウムおよび６２質量％のフッ化バリウムからなることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
粉末冶金によって製造されるバルブ・ガイドおよびバルブ・シート・リングの浸透のための、３８質量％のフッ化カルシウムおよび６２質量％のフッ化バリウムの粉末混合物のコンパクトの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手術中にトライボロジー応力（tribological stresses）を受ける粉末冶金によって製造される部品に関し、この部品は、マトリクスおよびマトリクス中に含まれる固体潤滑剤を含む。好ましくは、そのような焼結された部品は、バルブ・シート・リングであるが、バルブ・ガイド部品でもよい。
【背景技術】
【０００２】
燃焼機関において、バルブ・シート・リング−各バルブと連動して−の主なタスクは、燃焼機関を確実にかつ安全に密封することである。この密封は、何百万もの負荷サイクルの後でも維持され確保されなければならない。この理由のため、トライボロジーバルブ・シートリング／バルブシステムにおける摩耗は、最小限に維持されなければならない。
【０００３】
概して、現在はバルブ・シート・リングは、粉末冶金処理によって製造される、なぜならば、一方でネットシェイプに近い製造が可能となり、他方で関連する部品の追加によってバルブ・シート・リングの特性の狙った調整が可能となるからである。これらの部品は、マトリクスを形成するベース金属またはベース合金の粉末に加えられ、焼結処理によって結合される。摩耗抵抗を増加させるために、例えば、硬質相（合金相またはセラミック相）が加えられる。しかしながら、この性質の硬質相を加えることによって、生じるより高い研磨応力によってより速いバルブ摩耗が生じうる。したがって、バルブ・シート・リング／バルブシステムの全体の摩耗を低減するために、ＭｎＳ、ＭｏＳ２、ＣａＦ２、ＢＮ（六方晶）またはＷＳ２のような固体潤滑剤も加えられる。焼結によって、金属マトリクス、硬質相および固体潤滑剤からなる複合材料が生成される。しかしながら、この処理において、機械的特性を損なうことなく約２質量％以上の固体潤滑剤を加えることはほとんど不可能であり、その結果、部品の摩耗行動における影響はしたがって限定的なものとのみ考えられる。
【０００４】
すべての焼結体と同様に、粉末冶金によって製造されるバルブ・シート・リング−並びにバルブ・ガイド−は、孔を有する。材料の強度および熱伝導率を増加するために、金属焼結体中のこれらの孔に銅を浸透させることがよく知られる方法である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、特に一体化された硬質相を有する、粉末冶金により生成されるバルブ・シート・リング、およびさらに、例えばバルブ・ガイド部品のような、熱応力にさらされるトライボロジーシステムのための他の粉末冶金によって製造される焼結された部品の摩耗耐性をさらに改良することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、上記で最初に述べた種類の粉末冶金によって製造される部品によって達成され、ここで固体潤滑剤は、マトリクスの焼結温度内にある融点を有し、部品のマトリクスの孔容積に無機物固体潤滑剤が溶融浸透される。
【０００７】
本発明は、以下において、粉末冶金によって製造されるバルブ・シート・リングに基づいて記載される。しかしながら、本発明は、トライボロジー応力にさらされる他の部品、例えばバルブ・ガイドでも同様に達成できることが明示される。
【０００８】
本発明により提案される粉末冶金によって生成されるバルブ・シート・リングは、従来の金属マトリクス、例えば、低い炭素含有量を有する低合金の鉄をベースにした合金を含む。通常のアグリゲート（aggregates）をこのマトリクスに焼結してもよく、例えば、合金またはセラミック相を有する硬質相金属粉末、および／または、以下に記載するような高速度鋼に基づく粉末、熱伝導率を増加するための銅粉末、および、すでに上述した固体潤滑剤である。このマトリクスは、浸透に利用できる孔容積を含み、例えば、従来の方法により銅で、および、本発明によって提案されるように無機物固体潤滑剤で充填されてもよい。
【０００９】
本発明は、本発明の焼結部品の固体潤滑剤の少なくとも一部が、部品のマトリクスの孔中に浸透されることを提案する。このために、孔の中に入れるように固体潤滑剤を溶融することが必要である。これは、部品の焼結温度では、固体潤滑剤は必ず流動性の粘度を有しなければならないことを意味する。固体潤滑剤は、部品の焼結温度以下の溶融温度を有しなければならない。
【００１０】
好ましくは、固体潤滑剤の融点は、３００℃超〜１６００℃、特に４５０℃〜１３００℃の範囲である。焼結温度および溶融温度の近接した調整が便宜である、すなわち、固体潤滑剤の融点は、部品の焼結温度に近い。固体潤滑剤が使用される場合、その融点は、焼結温度よりもずっと低く、再加熱により別個の工程で完成した焼結部品を浸透させることが理解できるかもしれない。
【００１１】
本発明によって求められるように、固体潤滑剤は、無機物をベースとするものであることが理解され、無機物なる用語は、金属塩または金属酸化物を指す。炭化水素をベースとする潤滑剤と接触する部品については特に、良好な潤滑特性を有するのに加えて、さらに炭化水素について特定の親和性を示す、すなわち、それらと両立しうる、塩および酸化物が適切であると考えられる。これは特に、アルカリおよびアルカリ土類金属のいくつかの化合物、例えばそれらの酸化物、フッ化物および塩化物の場合に当てはまる。特に、アルカリおよびアルカリ土類金属のフッ化物および塩化物が好ましい。これに関連して、本発明により提案される無機物固体潤滑剤は、アルカリおよびアルカリ土類金属の酸化物、フッ化物および塩化物のみであり、特に、ＣａＦ２およびＢａＦ２の共融混合物であるが、銅、鉛、硫化マンガンまたは硫化モリブデンのような従来の固体潤滑剤ではない。
【００１２】
便宜上、固体潤滑剤は、上述のアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の塩の２つ以上を含む。これらの物質のうち、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、バリウムおよびストロンチウムの塩が好ましく、リチウム、カルシウムおよびバリウムの塩が特に好ましい。
【００１３】
有利な変異体にしたがって、共晶を構成できる塩の混合物が用いられる。共晶は、明確な組成を有し、無機物成分によって妨げられない溶融物の均一な流れを形成する。さらに、共晶は通常、そのベースとなる純粋な塩よりも低い融点を有し、本発明に従って適切であると考えられるものよりも高い融点をしばしば有する。ＬｉＦおよびＣａＦ２、ＣａＦ２およびＭｇＦ２並びにＣａＦ２およびＢａＦ２の共融混合物は、特に適切であることが証明され、３８質量％のＣａＦ２を有するＣａＦ２およびＢａＦ２を含む共融混合物は、約１１００℃の焼結温度を有するバルブ・シート・リングに特に適切である。２０．６％のＬｉＦを含むＬｉＦおよびＣａＦ２の共融混合物は、約７７０℃の融点を有し、５０．４質量％のＭｇＦ２を含むＭｇＦ２およびＣａＦ２の共融混合物は、９７４℃の融点を有し、ＣａＦ２およびＢａＦ２共晶の融点は１０５０℃である。ＣａＦ２／ＢａＦ２系の状態図が、図１に示される。
【００１４】
本発明に従って、粉末冶金による焼結体の孔骨格に、高温固体潤滑剤でほぼ完全に浸透させることができる。硬質相を有する鉄ベースの合金から作製されるバルブ・シート・リングの製造のために、内部に焼結される固体潤滑剤と共に適用できる場合および内部に焼結される銅粉末と共に適用できる場合、浸透される固体潤滑剤は特に、３８〜６２質量％の割合のＣａＦ２／ＢａＦ２からなる。１１００〜１１５０℃の範囲の従来の焼結温度において、フッ化混合物は完全に溶融して孔骨格に浸透し、毛管力の影響下で分配される。
【００１５】
本発明により請求されるように用いられる無機物固体潤滑剤、特にＣａＦ２およびＢａＦ２を含む共融混合物は、焼結混合物中に組み入れられないが、溶融物から焼結中またはその後に焼結体中にのみ浸透される。したがって、無機物固体潤滑剤は、表面から接触可能な焼結体の孔およびチャンネル中にのみ位置する。
【００１６】
本発明により提供されるように、このマイ委部品は、マトリクスとして鉄ベースの合金から作製され、これは、妥当な場合、７５〜９０％、特に８０〜８５％の範囲の密度で、１つまたは複数の硬質相および／または銅と混合されてもよい。残った孔容積は、浸透された固体潤滑剤で実質的に充填される。
【００１７】
本発明はさらに、上述されるような、トライボロジー応力を受けた焼結部品の製造のための方法に関する。この方法は、以下の工程を含む：
Ａ１  焼結部品のマトリクスのための粉末混合物を提供する工程；
Ａ２  Ａ１について述べられた粉末混合物をコンパクトに圧縮成形する工程；
Ｂ１  固体潤滑剤のための粉末を提供する工程；
Ｂ２  Ｂ１について述べられた粉末をコンパクトに圧縮成形する工程；
Ｃ１  Ａ２について述べられたコンパクトを、Ｂ２について述べられたコンパクトの存在下で、好ましくはそれと接触して、焼結する工程、あるいは、
Ｄ１  Ａ２について述べられたコンパクトを、第１の温度Ｔ１における第１の工程で焼結する工程；
Ｄ２  温度Ｔ１より低い温度Ｔ２における第２の工程で、Ｄ１について述べられた焼結体を、Ｂ２について述べられたコンパクトの存在下で、好ましくはそれと接触して、浸透させる工程。
【００１８】
原則として、固体潤滑剤の浸透は、熱伝導率を増加することを意図される動の浸透と同様に行われる。焼結温度に達すると、固体潤滑剤は液化し、毛管作用によって焼結中のまたはすでに焼結されたコンパクトの孔組織中に入る。固体潤滑剤の均一な分布が焼結体において行われ、次いで、潤滑剤は、熱応力下で作用中に潤滑の目的で利用できる。
【００１９】
工程Ｂ１のために、固体潤滑剤の粉末は、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、および特に３０μｍ以下の平均粒径である。この場合、個々の粒子間の接触は、溶融のための共融混合物の形成に十分である。特に小さい粒径を必要とする場合に、圧縮性を改良するために、例えば噴霧凝集によって、圧縮が生じる前に粉末を凝集することが望ましい。
【００２０】
焼結を行う前に、マトリクスのコンパクトは、７．２ｇ／ｃｍ３以下および特に６．５〜６．９５ｇ／ｃｍ３の密度を便宜上有する。鉄に基づくマトリクスおよびその中に分散される硬質相を含むコンパクトの場合、完成した焼結部品に関して５〜１５質量％超の程度における固体潤滑剤の吸収のために、十分な孔容積が利用できることが意味される。
【００２１】
さらに、本発明は、固体潤滑剤による焼結体の浸透のために、フッ化アルカリ土類とのフッ化アルカリのおよびフッ化アルカリ土類の共融混合物を含むコンパクトの使用に関する。特に、２つのフッ化物の共融混合物の使用が好ましく、ＣａＦ２およびＢａＦ２の共融混合物の使用が特に好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ＣａＦ２／ＢａＦ２系の状態を示す図
【図２】摩耗試験の結果を示す図
【図３】材料２の化学組成
【発明を実施するための形態】
【００２３】
バルブ・シート・リング材料の高温摩耗作用の改良に関して、フッ化物浸透の有効性を示すために、Ｏｐｔｉｍｏｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＧｍｂＨからのタイプＳＲＶ４のトライボメータを用いて、トライボロジー検査を行った。このために、２つの異なる材料のピンを、通常のバルブ材料１．４８８２から作製されるディスクにこすりつけた（周波数：１０Ｈｚ、時間：２時間、温度：５００℃、負荷：１００Ｎ、振幅：２ｍｍ）。材料１は、重金属硫化物に基づき内部に焼結された潤滑剤を含む通常のバルブ・シート・リング材料であった。材料２は同じベースであったが、６２質量％のＢａＦ２および銅の代わりに３８質量％のＣａＦ２の混合物で浸透された。摩耗試験の結果が図２に示される。図示されるように、フッ化物で浸透された材料のみが、銅で浸透された材料の約半分の摩耗を示す。材料２の化学組成は、図３の表１に示される。摩耗作用の著しい改良に加えて、バルブ・シート・リングの製造における実質的なコスト削減が本発明に従って達成できる。さらに、フッ化物、例えばＣａＦ２は、材料の加工性を改良するための添加剤としてしばしば使用されるので、処理可能性の改良もまた期待される。バルブ・シート・リング、および、場合に応じて他の焼結部品は、従来の組成を有してもよいことが明らかである。１つ以上の硬質相の添加剤の他に、加工性を改良するための内部に焼結された固体潤滑剤、熱伝導率を上昇するための内部に焼結された銅粉末、エアロゾルのような可塑剤、および焼結前に圧縮性を改良するためのワックス添加剤のような、他の添加剤を加えてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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