レーザクラッドバルブシート用
Co フリー Cu 合金の開発
大島
河崎

.

正1
加藤元2
田 中 浩 司1)))稔1) 杉 山 夏 樹2) 青 山 宏 典3)

は じ め に

近年の自動車エンジンには，優れた燃費・排ガス性能に加え，高い動力性能が求められる．そのため，熱効率と比出力を両立させる高速燃焼への取り組みが行われている．高速燃
焼には吸気抵抗の低減と，強いタンブル流の形成を可能にする吸気ポート設計が必要となる(1)．しかし，他部品との兼ね合いからポート設計には制限があり，これまでのエンジンで

図1

バルブシートによるポート形状比較(2)．

開発は理想とするポート形状を実現できなかった．その 1 つの理由がバルブシートである．
バルブシートとはバルブが着座する耐摩耗部品であり，一般的にはリング状の Fe 系焼結部品をシリンダヘッドに圧入.

経緯し形成している．所望の特性を満たすためには，焼結部品の現状以上の薄肉化は難しい．これに対し，レーザクラッドバ

レーザクラッドバルブシートには，シリンダヘッドへの肉ルブシートは Cu 合金をアルミシリンダヘッド上にレーザで盛り性，肉盛り時の耐割れ性，加工時の被削性など生産性に直接肉盛りし形成する．そのため，バルブシートの薄肉化が関する特性に加え，燃焼雰囲気下での耐摩耗性，アルコール可能となり，ポート口周辺の設計自由度が大きく向上する．

混合燃料に対する耐食性など，グローバルな使用環境に対す

図に各バルブシートを採用した時のポート形状を示す．

る優れた耐久性が求められる．これらの要求特性を満たすに

レーザクラッドバルブシートの採用により，焼結バルブシーは，Cu 合金中に耐摩耗性を付与する粗大な硬質粒子の分散トでは不可能なストレートポート(吸気抵抗低減)とエッジ形した組織形成が有効である．レーザクラッディングという極成(タンブル流強化)が可能となり，高速燃焼が実現できる(2)．

めて短時間の溶融凝固過程で，粗大な硬質粒子を均一分散

本稿では，レーザクラッドバルブシート用に新開発したさせる手法として，二液相分離の活用が挙げられる．水中のCo フリー Cu 合金の開発経緯とその諸特性について紹介す

油滴のように 2 つの液体に分離するこの反応を利用するこる．とにより，マトリクス中に球状の粗大な硬質粒子の分散が可能となる(図)．
筆者らのグループでは，レーザクラッドバルブシート用合株式会社豊田中央研究所
機能創製特任研究部 粉体創製研究室1)主任研究員 2)一般
トヨタ自動車株式会社
生技開発部 エンジン本体グループ 1 )スキルドパートナー
2)主幹 3)エンジン設計部 第 1 基盤技術設計室主任
Development of New CobaltFree Copper Based Alloys forLaserClad Valve Seats; Tadashi Oshima, Hajime Kato,
Kouji Tanaka, Minoru Kawasaki, Natsuki SugiyamaandHironori Aoyama(Toyota Central R&D Labs., Inc.
Toyota Motor Corporation)
2017年10月30日受理[doi:10.2320/materia.57.17]

ま て り あ 第57巻 第 1 号(2018)Materia Japan

金として， Co を必須元素とした 7 元系の二液相分離合金(CuLS50)を開発している(3)．図に300°Cにおける CuLS50の高温すべり摩耗試験結果を示す．硬質粒子量の増加により耐摩耗性は向上するが，粒子の凝集を招き，凝集した粒子を起点とした割れが発生する傾向があるため，耐摩耗性の向上には限界があった．そこで，コストや環境負荷の観点も含め，高温におけるさらなる耐摩耗性向上の実現に向け， Co
フリー Cu 合金を新たに開発することにした．

図2

二液相分離による硬質粒子分散の模式図．
図4

CuFe6Mo 計算状態図．

際に肉盛りした合金の組織を調査すると，Ni, Si の増量は硬質粒子の粗大化を強く抑制する傾向を示した．このことから，Ni, Si の増量は L1 / L2 の界面張力の減少に寄与すると考えられる．つまり， Fe, Mo と Ni, Si との量比により， L2 液滴のダイナミクスを通じ，硬質粒子のサイズを制御できる可能性がある．以上から，新たな合金系として，CuFeMo
NiSi の 5 元系合金を選定し開発を進めた．

本合金の L2 から生成する硬質相としては，各遷移金属元素からなる多様なシリサイドが予想される．最新の CuNi
Si 系アセスメント(6) 等を利用し，本合金系で生成する硬質

図3

CuLS50 の摩耗特性．

相を計算した結果， L2 は初晶として m 相を生じ，さらに g(Ni5Si2)，r(Mo3Si)，s 相などを生じることが予想された．
また，m 相は Laves 相に変化し，硬質粒子の主相となる可能.

開発アプローチ

性 が あ る ． CuLS50 の 硬 質 粒 子 は ， 主 に Co3Mo2Si 型 のLaves 相で構成されており(3) ，類似の Laves 相で構成され可視化が困難な急冷凝固時の二液相分離の挙動や，肉盛り後の組織構成を予測し， Co を含まない新たな二液相分離合る硬質粒子の生成が予想される本合金には，高い耐摩耗性が期待された．

金を開発するため，CALPHAD(CALculation of PHAse Diagrams)法を活用した(4)．

図に CuFe6Mo の計算状態図を示す．マトリクスを形成する Cu 液相を L1，硬質相を形成する第 2 液相を L2 と表記する．包晶型の Cu Fe 系合金に，液相中での Fe の活.

開発合金の特徴

ミクロ組織図に新クラッド工法で肉盛りした CuLS50 と開発材の量を増加させる Mo を添加することで，二液相分離域(L1＋合金組織を示す．開発材には，CuLS50 より粗大で多くの球L2)が出現する(5)．

状硬質粒子が分散していることがわかる．図に開発材の製品形状に加工するために必要な被削性は，耐摩耗性と相EPMA 分析結果を示す． Co フリー化した開発材は， Cu 固反関係にある．耐摩耗性の向上には，硬質粒子量の増加が有溶体中に NiFeSi 化合物が分散したマトリクス中に，Mo

効であるが，単なる増加では被削性を悪化させてしまう．耐Ni FeSi 系の硬質粒子が分散した組織を形成する．この硬摩耗性と被削性を両立させるためには，硬質粒子量に加え，質粒子は， Morich 相の周囲に Mopoor 相が微細分布した硬質粒子のサイズを抑制する必要がある．硬質粒子の量は，二相から形成される．TEM による電子線回折の結果，MoL2 量と相関があると予想されるが，硬質粒子のサイズを制poor 相が予想した Laves 相であることを確認している(7)．

御するためには，分離した L2 液滴のダイナミクスを検討する必要がある．



耐摩耗性

L2 への分配比の大きい Fe, Mo の増量は，L2 量を増加さ

図に200°Cにおける弁座試験結果を示す．開発材では，せるだけでなく， L1 / L2 の濃度差に起因する界面張力を駆

肉盛り時に割れが発生することなく， 20 を超える硬質粒動力とした L2 液滴の対流(マランゴニ対流)を活発にし，衝子を分散させることが可能となった．これにより，耐摩耗性突と合体による粗大化を促進すると考えられる(4)．一方，実は大きく向上した．



新技術・新製品図5

図6

CuLS50と開発材の合金組織．

図8

バルブシートの耐食性．

図9

熱効率と比出力の関係(1)．

開発材の EPMA 分析結果．
食性などの耐久性に優れたレーザクラッドバルブシート用
Co フリー Cu 合金を新開発した．開発した合金は， 2017 年に日本および米国で発売した新型カムリに搭載されたTNGA(Toyota New Global Architecture)用 2.5 L エンジンに採用され，期待通りの性能を発揮している．今後もエンジンの高効率化と優れた動力性能を両立する基盤機能材料として，TNGA エンジン群に広く採用されることが期待される．

.
図7


バルブシートの摩耗特性．

特許

本開発に関わる特許を国内外で 40 件以上出願しており，このうち No.6210093, No.4114922 などすでに 8 件が登録されている．

耐食性

図にエタノール混合燃料を想定した凝縮水による腐食試

文

献

験結果を示す．Cu 系合金である開発材および CuLS50 は，Fe 系合金である焼結材よりも腐食減量が非常に少なく，高い耐食性を有することを確認した．これにより，グローバル燃料種の使用環境下での耐久性も確保できると考えられる．


効果

図に市販車の最大熱効率と比出力の関係を示す．開発材を採用した理想的なポート形状を有する新型エンジンは，目標とする世界トップレベルの熱効率 40と比出力 60 kW/ Lを達成している(8)．

.

まとめ

CALPHAD 法を活用し，使用環境における耐摩耗性，耐ま て り あ 第57巻 第 1 号(2018)Materia Japan( 1 ) 坂田邦彦，戸田忠司，坂井光人，秤谷雅史，加藤寿一自動車技術会 春季大会学術講演会講演予稿集，( 2017 ) , 1887 1892.
( 2 ) TOYOTA Global Newsroom: http://newsroom.toyota.co.jp/jp/powertrain/engine/( 3 ) 森 和彦，村瀬博之，河崎 稔，斎藤 卓，志村芳男日本金属学会会報，33(1994), 429431.
( 4 ) K. Tanaka, H. Kato and T. Oshima: CALPHAD, 58(2017),
5057.
( 5 ) 大島 正，加藤 元，田中浩司，河崎 稔，杉山夏樹，青山宏典日本金属学会 秋期講演大会概要集，(2017), 69.
( 6 ) C. Wang, J. Zhu, Y. Lu, Y. Guo and X. Liu: J. Phase Equilibiriaand diffusion, 35(2014), 93104.
( 7 ) 加藤 元，大島 正，田中浩司，河崎 稔，杉山夏樹，青山宏典日本金属学会 秋期講演大会概要集，(2017), 70.
( 8 ) 青山宏典ほか自動車技術会 春季大会学術講演会講演予稿集，(2017), 1854
1859.

