氣門座及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及氣門座及其制造方法。本發(fā)明提供高效率發(fā)動機中使用的具有高的氣門冷卻能力和耐磨損性的壓入型氣門座。在由熱導(dǎo)率為100W/(m·K)以上的Cu或Cu基合金構(gòu)成的基材環(huán)的工作面部上直接堆焊由Co基合金構(gòu)成的薄片層。
【專利說明】氣門座及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及發(fā)動機的氣門座及其制造方法，特別是涉及能夠抑制氣門溫度上升的 壓入型高傳熱氣門座及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，作為兼顧汽車發(fā)動機的因應(yīng)對環(huán)境而產(chǎn)生的燃燒效率的提高和高性能化 的手段，正在推進使發(fā)動機的排氣量降低20?50%的所謂小型化，并且在直噴發(fā)動機中組 合渦輪增壓作為實現(xiàn)高壓縮比的技術(shù)。這些發(fā)動機的高效率化必然帶來發(fā)動機溫度的上 升，但是溫度的上升會引起導(dǎo)致輸出功率下降的爆震，因此，特別需要提高氣門周邊部件的 冷卻能力。
[0003] 作為提高冷卻能力的方法，關(guān)于發(fā)動機氣門，專利文獻1公開了使氣門的軸部空 心化并在其空心部分中封入金屬鈉（Na)的發(fā)動機氣門的制造方法。另外，關(guān)于氣門座，專 利文獻2采用了使用激光這樣的高密度加熱能量直接堆焊到鋁（Al)合金制氣缸蓋上（以 下稱為"激光熔覆法"）這樣的提高氣門冷卻能力的方法，并教導(dǎo)了在銅（Cu)基基體中分散 有Fe-Ni系硅化物和硅化物的粒子并且在Cu基初晶中固溶有Sn和Zn中的一種或兩種的 堆焊用分散強化Cu基合金作為該氣門座合金。
[0004] 上述封入有金屬鈉的發(fā)動機氣門與實心氣門相比，使發(fā)動機驅(qū)動時的氣門溫度降 低約150°c的程度（作為氣門溫度為約600°C)，另外，通過激光熔覆法得到的Cu基合金氣 門座使實心氣門的氣門溫度降低約50°C的程度（作為氣門溫度為約700°C)，能夠防止爆 震。然而，封入有金屬鈉的發(fā)動機氣門在制造成本方面存在困難，除了部分車輛以外尚未得 到廣泛使用。Cu基合金氣門座還存在Cu基合金由于撞擊磨損而優(yōu)先凝結(jié)、因而耐磨損性不 充分的問題，進而還會產(chǎn)生由于直接堆焊在氣缸蓋上而需要氣缸蓋加工生產(chǎn)線的大幅修改 和設(shè)備投資的問題。
[0005] 專利文獻3的目的在于提供能夠?qū)忾T、燃燒氣體的熱量高效地傳遞至冷卻系統(tǒng) 從而提高發(fā)動機性能的耐久性高的氣門座作為壓入型氣門座，并公開了一種在由熱導(dǎo)率高 且剛性高的材料構(gòu)成的底座環(huán)的工作面部接合有由耐磨損性高的材料構(gòu)成的薄壁的耐磨 損環(huán)的氣門座。具體而言，教導(dǎo)了Cu合金和Al合金作為底座環(huán)的材料，并教導(dǎo)了Fe基燒 結(jié)合金、Fe基鑄造合金作為耐磨損環(huán)的材料，但是對于將該耐磨損環(huán)接合到底座環(huán)上的方 法沒有任何教導(dǎo)。
[0006] 專利文獻1 :日本特開平7-119421號公報
[0007] 專利文獻2 :日本特開平3-60895號公報
[0008] 專利文獻3 :日本特開平7-279627號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 鑒于上述問題，本發(fā)明的課題在于提供在高效率發(fā)動機中使用的具有高的氣門冷 卻能力和耐磨損性的壓入型氣門座，具體而言，本發(fā)明的課題在于提供具有可與通過激光 熔覆法得到的Cu基合金氣門座相匹敵的氣門冷卻能力的壓入型氣門座。本發(fā)明的課題還 在于提供該壓入型氣門座的制造方法。
[0010] 本發(fā)明人對壓入到Al合金制氣缸蓋的壓入型氣門座進行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 通過形成在熱導(dǎo)率高的基材環(huán)的工作面部上直接堆焊有耐磨損性高的硬質(zhì)合金的薄片層 的結(jié)構(gòu)并且選擇Cu或Cu基合金作為基材環(huán)且選擇Co基合金作為薄片層，能夠避免在基材 環(huán)與薄片層的界面形成復(fù)雜的中間層，能夠得到氣門冷卻能力高的壓入型氣門座。
[0011] S卩，本發(fā)明的氣門座為壓入到Al合金制氣缸蓋的氣門座，其特征在于，在由熱導(dǎo) 率為IOOWAm·K)以上的Cu或Cu基合金構(gòu)成的基材環(huán)的工作面部上直接堆焊有由Co基 合金構(gòu)成的薄片層。上述Cu基合金優(yōu)選以質(zhì)量％計含有Cr:0. 5?1. 5 %且余量由Cu和 不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，上述Co基合金優(yōu)選以質(zhì)量％計含有Cr:20. 0?35. 0%、W:2. 0? 15. 0%、C:0. 8?2. 0%且余量由Co和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成或者以質(zhì)量％計含有Cr:5. 0? 20. 0%、M〇 :25. 0?30. 0%、C:大于0且小于0· 08%、Si:2· 2?3. 6%且余量由Co和不可 避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
[0012] 另外，上述氣門座的高度h相對于厚度a的比（h/a)優(yōu)選為1.5?4,另外，上述薄 片層的厚度t優(yōu)選為0· 05?0· 2mm。
[0013] 此外，本發(fā)明的氣門座的制造方法為壓入到Al合金制氣缸蓋的氣門座的制造方 法，其特征在于，通過高速火焰噴涂法或激光金屬沉積法在由熱導(dǎo)率為IOOWAm·Κ)以上的 Cu或Cu基合金構(gòu)成的基材環(huán)的工作面部上直接堆焊由Co基合金構(gòu)成的薄片層。
[0014] 發(fā)明效果
[0015] 對于本發(fā)明的氣門座而言，通過在由熱導(dǎo)率為IOOWAm·Κ)以上的Cu或Cu基合 金構(gòu)成的基材環(huán)的工作面部上直接堆焊由Co基合金構(gòu)成的薄片層，能夠避免在基材環(huán)與 薄片層的界面形成復(fù)雜的中間層，即能夠形成熱傳遞特性高的薄片層/基材環(huán)界面，從而 能夠制成氣門冷卻能力高的壓入型氣門座。另外，通過限定薄片層的合金組成，能夠形成耐 熱性和耐磨損性優(yōu)良的工作面部。進而,通過調(diào)節(jié)氣門座的高度h相對于厚度a的比（h/a) 和由硬質(zhì)合金構(gòu)成的薄片層的厚度t，能夠提高氣門冷卻能力。由此，能夠得到具有與通過 激光熔覆法得到的Cu基合金氣門座相匹敵的氣門冷卻能力的壓入型氣門座，特別是能夠 在不采用昂貴的封入有金屬Na的氣門或不修改氣缸蓋加工生產(chǎn)線的情況下通過減少爆震 等發(fā)動機的異常燃燒而有助于高壓縮比、高效率發(fā)動機的性能提升。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是表示壓入到氣缸蓋的本發(fā)明的氣門座與發(fā)動機氣門的工作面彼此接觸的 狀態(tài)的局部截面圖。
[0017] 圖2是將本發(fā)明的氣門座與現(xiàn)有的氣門座比較并示意性地表示從氣門中心至水 冷氣缸蓋的溫度分布的圖。
[0018] 圖3是將圖1的一部分放大的截面圖。
[0019] 圖4是示意性地表示高速火焰噴涂的槍的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0020] 圖5是示意性地表示激光金屬沉積法中的噴嘴前端部的截面圖。
[0021] 圖6是表示臺架試驗機的概要的圖。
[0022] 標(biāo)號說明
[0023] 1 基材環(huán)
[0024] 2 薄片層
[0025] 3 氣門
[0026] 4 氣缸蓋
[0027] 5 粉末噴射器
[0028] 6 內(nèi)嵌件
[0029] 7 殼
[0030] 8 氣帽
[0031] 9 激光束
[0032]10原料粉末流
[0033]11保護氣體
[0034] 21燃燒器
[0035] 22 凸輪
[0036] 23 氣門
[0037] 24氣門座支架
[0038] 25熱電偶
[0039] 26溫度記錄器

【具體實施方式】
[0040] 如圖1所示，本發(fā)明的氣門座的特征在于，被壓入到經(jīng)水冷后的Al合金制氣缸蓋 4,在由熱導(dǎo)率為IOOWAm·Κ)以上的Cu或Cu基合金構(gòu)成的基材環(huán)1的工作面部上直接堆 焊有由Co基合金構(gòu)成的薄片層2。氣門3的熱被傳遞至氣門座的薄片層2,從薄片層2內(nèi)、 薄片層2與基材環(huán)1的界面、基材環(huán)1內(nèi)、基材環(huán)1與氣缸蓋4的界面通過而傳導(dǎo)、傳遞至經(jīng) 水冷后的氣缸蓋4內(nèi)?；?基本上由熱導(dǎo)率高的Cu或Cu基合金構(gòu)成，薄片層2也是熱 導(dǎo)率越高越優(yōu)選，但是薄片層2要求更高的耐熱性和耐磨損性，因此由Co基合金構(gòu)成。對 于金屬而言，熱導(dǎo)率主要受晶粒內(nèi)的自由電子的運動所支配，因此，固溶元素越少，則熱導(dǎo) 率越高。從這一點而言，即使Cu和Co在高溫下部分固溶，在400°C以下也幾乎不會相互固 溶，因而成為優(yōu)選的組合。在由Cu或Cu基合金構(gòu)成的基材環(huán)1上堆焊Co基合金時，即使 形成了基材的熔融區(qū)域，也不會形成復(fù)雜的中間層，而是成為Cu與Co的混合組織，不會使 Cu或Cu基合金的熱導(dǎo)率顯著下降。由Cu基合金構(gòu)成的基材環(huán)1的熱導(dǎo)率為IOOWAm·Κ) 以上。當(dāng)然優(yōu)選為150WAm·Κ)以上，如果為200WAm·Κ)則更為優(yōu)選。
[0041] 基材環(huán)1的Cu基合金優(yōu)選熱導(dǎo)率高、高溫硬度優(yōu)良的Cu-Cr合金，此時，Cr以質(zhì) 量％計優(yōu)選為0. 5?1. 5%。Cr在高溫下也會輕微地固溶在Cu中，但如果被冷卻則成為Cu 與Cr的混合組織，不會對Cu的熱導(dǎo)率產(chǎn)生不良影響。另外，從耐磨損性的觀點出發(fā)，薄片 層2的Co基合金優(yōu)選為Co-Cr-W-C系合金或Co-Cr-Mo-C-Si系合金，在Co-Cr-W-C系合金 的情況下，優(yōu)選以質(zhì)量％計含有Cr:20. 0?35. 0%、W:2. 0?15. 0%、C:0. 8?2. 0%，余 量由Co和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成；在Co-Cr-Mo-C-Si系合金的情況下，優(yōu)選以質(zhì)量％計含有 Cr:5. 0 ?20. 0%、M〇 :25. 0 ?30. 0%、C:大于 0 且小于 0· 08%、Si:2· 2 ?3. 6%，余量由 Co和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。對于這些合金而言，在固溶有Cr的Co基體中分散有硬質(zhì)碳化 物相，顯示出優(yōu)良的耐磨損性。
[0042] 圖2示意性地示出了從氣門的中心至Al合金制氣缸蓋的水冷端的溫度分布。將本 發(fā)明的氣門座與現(xiàn)有的鐵基燒結(jié)合金的氣門座進行了對比，在此，在直到氣缸蓋側(cè)的氣門 座與氣缸蓋之間的界面為止，其冷卻能力視為相同。從氣門座的溫度梯度來看，對于現(xiàn)有的 氣門座而言，熱導(dǎo)率為約20WAm*K)，冷卻能力低，因此溫度梯度增大，對于本發(fā)明的氣門 座而言，熱導(dǎo)率為IOOWAm·Κ)以上，冷卻能力高，因此溫度梯度減小。由該差異導(dǎo)致的氣 門工作面的溫度的差為氣門中心溫度的差。本發(fā)明的氣門座由薄片層2和基材環(huán)1構(gòu)成， 因此，溫度梯度也為兩段。
[0043] 氣門座的薄片層2和基材環(huán)1的熱導(dǎo)率當(dāng)然期望是高的熱導(dǎo)率，但是為了提高氣 門的冷卻能力，如圖3所示，期望薄片層2與基材環(huán)1的界面I1以及基材環(huán)1與氣缸蓋4的 界面I2的熱傳遞是高效的（圖2的I1與I2之間的間隙小）。界面I1和界面I2處的熱傳遞 由下式表示。
[0044]Q1 =Ii1S1AT1 (1)
[0045]Q2 =h2S2ΔT2 (2)
[0046] 此處，Q1 (W)、Ill (WAm2 ·K) )、S1 (m2)、ΛT1⑷分別表示從界面I1轉(zhuǎn)移的熱量、傳熱 系數(shù)、傳熱面積、溫度差，Q2 (W)、h2 (WAm2 ·K))、S2(m2)、AT2(K)分別表示從界面I2轉(zhuǎn)移的熱 量、傳熱系數(shù)、傳熱面積、溫度差。傳熱系數(shù)h越大，薄片層2與基材環(huán)1的界面I1處的傳 熱量Q1越多。從這一點而言，若存在中間層、擴散層，則傳熱系數(shù)Ii1顯著下降，因此，為了將 薄片層2直接堆焊在基材環(huán)1上并且不使基材環(huán)1與薄片層2相互固溶而使熱導(dǎo)率下降， 將它們分別設(shè)定為由Cu基合金和Co基合金構(gòu)成。另外，從溫度差ΛT1的觀點考慮，可認 為基材1的熱導(dǎo)率越高，則ΛT1越大，引起傳熱量Q1增加。
[0047] 另一方面，由式（2)可知，如果使傳熱系數(shù)h2恒定（在壓入型氣門座的情況下，傳 熱系數(shù)還受到壓入面的表面狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)影響，但此處設(shè)為恒定），則基材環(huán)1與氣缸蓋 4的界面I2的傳熱量Q2與傳熱面積S2和溫度差ΛT2成比例。界面I2的傳熱面積S2和溫 度差A(yù)T2均為越大越優(yōu)選，但若基材環(huán)1的體積減小，則傳熱面積減小，溫度差A(yù)T2增加。 若考慮到工作面，則基材環(huán)1的厚度a不能太小，因此，就對傳熱量Q2的影響而言，基材環(huán)1 的高度h越小，則溫度差ΛT2越大，溫度差ΛT2的增加所引起的傳熱量Q2的增加量在傳熱 面積S2的減少所引起的傳熱量Q2的減少量以上。對于本發(fā)明的氣門座而目，基材環(huán)1的商 度h相對于厚度a的比（h/a)優(yōu)選為1. 25?4。比（h/a)更優(yōu)選為1. 5?4,進一步優(yōu)選 為1. 5?2。
[0048] 另外，薄片層2要求具備耐熱性和耐磨損性，但考慮到熱傳導(dǎo)，則在能夠保持耐磨 損性的范圍內(nèi)，優(yōu)選薄片層2的厚度t薄。上述薄片層2的厚度t優(yōu)選為0.05?0.2mm。 更優(yōu)選為〇. 05?0. 17_，進一步優(yōu)選為0. 05?0. 14mm。
[0049] 在本發(fā)明的氣門座的制造方法中，通過高速火焰噴涂法或激光金屬沉積法在由熱 導(dǎo)率為IOOWAm·K)以上的Cu或Cu基合金構(gòu)成的基材環(huán)的工作面部上直接堆焊由Co基 合金構(gòu)成的薄片層。上述基材環(huán)在進行堆焊時也可以進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度優(yōu)選為150? 300°C，更優(yōu)選為180?250°C。
[0050] 高速火焰噴涂（高速氧火焰（HVOF)噴涂）使用如圖4所示的結(jié)構(gòu)的噴涂槍，以被 在粉末噴射器5與內(nèi)嵌件6之間和殼7與氣帽8之間流動的壓縮空氣夾著的形式使在內(nèi)嵌 件6與殼7之間流動的高壓丙烯氣體與氧氣的混合氣體燃燒而形成高速火焰。將以成為期 望組成的薄片層的方式配合的原料粉末與氮氣一起從粉末噴射器5投入其中，并從前端噴 射而形成噴涂薄片層。高速火焰噴涂與等離子體噴涂相比，火焰溫度低，因此，能夠以大致 維持原料尺寸的狀態(tài)進行噴涂，可以形成薄片層的厚度薄、微細且致密的組織。
[0051] 另外，如圖5所示，激光金屬沉積以激光束9為中心從周圍供給原料粉末10,從而 熔融堆焊期望組成的薄片層2。需要說明的是，在原料粉末的流路的外側(cè)流動有氬氣作為 保護氣體。激光金屬沉積法中，將激光束聚集得較細，因此，能夠以厚度薄至約〇. 2mm?約 0. 5mm的方式進行堆焊，并且熱輸入也少，因此，也可以將對基材環(huán)1產(chǎn)生的影響抑制得較 小。
[0052] 實施例
[0053] 實施例1
[0054] 由含有1.2質(zhì)量％的Cr的Cu基合金制作具有自軸向傾斜45°的工作面的外徑為 25mm(K內(nèi)徑為21mm(K高度為6mm的基材環(huán)，將具有以質(zhì)量％計為Cr:8. 5%、Mo:28· 5%、 Si:2. 5%、C:0.05%且余量由Co構(gòu)成的Co基合金（以下稱為"Co基合金A"）的組成、平 均粒徑為63μm的粉末通過激光輸出功率為I. 5kW的輸出功率的激光金屬沉積法直接堆焊 在基材環(huán)的工作面上，形成厚度約〇. 3_的薄片層。進而，將工作面的薄片層厚度加工至 0· 2mm，制成氣門座樣品。
[0055] [1]氣門冷卻能力（氣門溫度）的測定
[0056]使用圖6所示的臺架試驗機測定氣門溫度，對氣門冷卻能力進行評價。氣門座樣 品通過壓入到相當(dāng)于氣缸蓋的材料（Al合金、AC4A材料）的氣門座支架24而設(shè)置到試驗機 中，臺架試驗如下進行：利用燃燒器21對氣門23 (SUH合金、JISG4311)進行加熱的同時， 隨凸輪22的旋轉(zhuǎn)運動而使氣門23升降。氣門冷卻能力如下進行：通過使燃燒器21的空氣 及氣體的流量和燃燒器位置恒定而使熱輸入恒定，利用溫度記錄器測量氣門的傘中心部的 溫度。燃燒器21的空氣及氣體的流量（升/分鐘）分別設(shè)定為90、5. 0,凸輪轉(zhuǎn)速設(shè)定為 2500rpm。運轉(zhuǎn)開始15分鐘后，測定飽和的氣門溫度。
[0057] 比較例1
[0058] 使用含有10體積％的由Fe-Mo-Si合金構(gòu)成的硬質(zhì)粒子的Fe基燒結(jié)合金制作形 狀與實施例1相同的氣門座樣品。另外，該Fe基燒結(jié)合金的熱導(dǎo)率為約20WAm*K)。與實 施例1同樣地通過臺架試驗進行氣門溫度的測定，結(jié)果為超過800°C的高溫。
[0059] 在先測定的實施例1的氣門溫度比比較例1的氣門溫度低53°C，顯示出-50°C以 上的氣門冷卻能力。氣門溫度的絕對溫度因加熱條件等而變化，因此，在本申請實施例中， 代替用絕對溫度進行評價，通過從比較例1的氣門溫度起算的溫度下降量（用表示下 降）來評價氣門冷卻能力。
[0060] 實施例2?7
[0061] 如表1所示改變薄片層的材質(zhì)和厚度、基材環(huán)的尺寸（高度、h/a，但是外徑尺寸保 持為25πιπιΦ，厚度a的變更通過改變內(nèi)徑尺寸來進行），除此以外，與實施例1同樣地制作 氣門座樣品，與實施例1同樣地通過臺架試驗進行氣門溫度的測定。將其結(jié)果包括實施例 1的結(jié)果在內(nèi)一起示于表1中?？芍?，若減小氣門座的高度K即減小氣門座的高度h相對 于厚度a的比（h/a)，則氣門冷卻能力提高。另外，薄片層的材質(zhì)A?D幾乎不會使氣門冷 卻能力產(chǎn)生差異。
[0062]表1
[0063]

【權(quán)利要求】
1. 一種氣門座，其為壓入到A1合金制氣缸蓋的氣門座，其特征在于，在由熱導(dǎo)率為 lOOWAm ·Κ)以上的Cu或Cu基合金構(gòu)成的基材環(huán)的工作面部上直接堆焊有由Co基合金構(gòu) 成的薄片層。
2. 如權(quán)利要求1所述的氣門座，其特征在于，所述Cu基合金以質(zhì)量％計含有Cr :0.5? 1.5%，余量由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的氣門座，其特征在于，所述Co基合金以質(zhì)量％計含有Cr : 20. 0?35. 0%、W :2· 0?15. 0%、C :0· 8?2. 0%，余量由Co和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的氣門座，其特征在于，所述Co基合金以質(zhì)量％計含有Cr : 5. 0 ?20. 0%、Mo :25· 0 ?30. 0%、C :大于 0 且小于 0· 08%、Si :2· 2 ?3. 6%，余量由 Co 和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
5. 如權(quán)利要求1所述的氣門座，其特征在于，所述氣門座的高度h相對于厚度a的比即 h/a 為 L 5 ?4〇
6. 如權(quán)利要求1或2所述的氣門座，其特征在于，所述薄片層的厚度t為0. 05? 0. 2mm〇
7. -種氣門座的制造方法，其為壓入到A1合金制氣缸蓋的氣門座的制造方法，其特征 在于，通過高速火焰噴涂法或激光金屬沉積法在由熱導(dǎo)率為lOOWArn · K)以上的Cu或Cu 基合金構(gòu)成的基材環(huán)的工作面部上直接堆焊由Co基合金構(gòu)成的薄片層。
【文檔編號】C23C24/10GK104279019SQ201410320435
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月5日
【發(fā)明者】橋本公明, 逸見浩二 申請人:株式會社理研