JPH0772284B2 - 管状部品の含浸方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、内燃エンジン用弁案内を製造する方法に関す
るものである。

従来技術、および発明が解決しようとする課題 弁案内はポペット弁の運動を支持しかつ整合して共働す
る弁ステムに対して最低潤滑状態において動作する。弁
ステムは、高温燃焼排気ガスとの接触により極めて高い
温度に達し、したがって弁案内材料には、周囲のシリン
ダヘッドに熱を伝達して弁案内穴における最高温度を可
及的に低くする良好な伝熱性が必要である。

弁ステムは、一般的に合金鋼からそのまま（無垢のも
の）、またはCrメッキして製造される。無垢の鋼製吸気
弁の場合、これらは例えば、Cr9重量％、Si4重量％を含
むマルテンサイト鋼（商標名：シルクローム）であり、
排気弁の場合、それらは高Crオーステナイト鋼たとえば
21:4Nである。したがって、弁案内穴の自己潤滑性が必
要である。しかも、エンジン組立て過程で、リーマ仕上
げにより概ね約0.25〜2mmだけ穴直径を拡大するエンジ
ン製造業者の慣習により、製造状態の弁案内穴からかな
りの深さに亘って斯様な潤滑性を有していなければなら
ない。この要求はまた良好な寸法制御、予想しうる表面
性質および工具の低摩耗を実現するため良好な切削性が
望ましい。

さらに、弁案内材料は、弁ステムとの適合性を与えるた
めに相対的に高い硬度特性を有することが望まれる。そ
のような硬度は、材料のマイクロ組織中に硬い耐摩耗相
が存在することによって達成される。

自動車の歴史を通じて、良好な熱伝導性（合金および温
度に応じて、35〜60W/m/゜Ｋ）、マイクロ組織を構成す
るパーライトとステダイトによって得られる適度に高い
硬度、およびマイクロ組織中の黒鉛によって得られる潤
滑性と良好な切削性により、弁案内材としてねずみ鋳鉄
が使用されている。

とりわけ、弁案内に使用される十分に大きい密度の材料
として、低温吸気弁案内用快削性テルル銅（Te−Cu）
と、排気弁案内用高張力黄銅を挙げることができる。こ
れらについては、優れた熱伝導度（それぞれ250、100W/
m/゜Ｋ）と良好な切削性が、低潤滑性、相対的に低い硬
度および低軟化温度によって相殺され、それらが相俟っ
て使用中のスカッフィングおよび早期摩耗を生じる。

粉末冶金（PM）法によって製造された弁案内は公知であ
り、そのような弁案内の例が、ポズニャック他による19
75年３月発行のPoroshkovaya Metallurgiya No.3（14
7）第93〜96頁、およびエンドー等による米国特許第434
4795号に記載されている。PM法による弁案内に使用され
る金属成分の性質のため、熱伝導度は30W/m/゜Ｋ未満に
低くなる傾向がある。PM法による弁案内材料の切削性は
低く、切削の結果は弁案内内部の密度の変動によって悪
くなり、寸法と切削された穴表面の状態との調整は調和
しない。

公知のPM法による弁案内において、共働する弁ステム
は、弁案内材料が比較的摩耗性であるため、通常Cr鍍金
面を必要とする。

PM法による合金（PM合金）の伝導性を改善するとともに
一層調和した材料を製造する公知の方法は、PM部品に銅
または銅基合金を含浸させることである。そのような含
浸は、たとえば銅がPM部品の切削性をよくする弁座挿入
片（インサート）において公知である。

しかしながら、長い管状PM部品に含浸をさせるには大き
い困難がある。弁案内の形状からして、そのような部品
を、通常銅または銅合金PM成形品を、被含浸部品の頂部
外表面上に置くことを含む通常の技術によって、長い管
状PM部品に対する含浸を行うことはできない。弁案内を
その一端で立たせて銅圧粉体を頂部および底部に設置す
ることは、安定性と支持の問題からして経済的に可能で
なく、そのための治具に要する経費と人件費は、かかる
弁案内に許容されない。弁案内のような縦横比（直径に
対する長さの比）の大きな管状部品に含浸を行うための
唯一の信頼性ある方法は、銅含浸材を管状部品の穴内に
置くことである。この場合、使用する同部品の重量が被
含浸材である鉄系PM部品の気孔容積に極めて近くなけれ
ばならないという、重大は経済的課題を有する。例え
ば、銅棒を切削することが技術的に可能であるとして
も、それは経済的でなく、また含浸材の重量を正確に設
定するために銅管を切削することの可能性はさらに少な
い。自動車用の弁案内に適する壁厚を有する引抜き加工
による、銅管または銅合金管を製造することは高価に過
ぎる。

もしも、銅含浸材の重量が被含浸部品の重量に対して比
較的近い限界内になければ、いくつかの悪い結果が生ず
る。過剰な銅は隣接する部品との溶着を惹起し、被含浸
部品上の過剰な材料は切削によってこれを除去する必要
があり、このことも経済的に問題である。仮に、銅含浸
材が不十分であれば、含浸が不完全であり、使用中の弁
案内の性能に悪影響を与え、また切削性についての問題
もある。

課題を解決するための手段 本発明者等は、比較的大きい縦横比（直径に対する長さ
の比）を有する管状部品に対する含浸を行うに当たっ
て、含浸材の重量を容易に制御する方法を見い出した。

本発明の第１の観点によれば、連続した気孔を有する管
状部品を粉末冶金法によって鉄系材料から製造する工程
を含み、貫通穴を有するとともに、直径に対する長さの
比が1.5を越える管状部品の含浸方法において、前記気
孔の容積に適合する所定重量の銅または銅合金のシート
を準備する工程と、シートを概略円筒形に形成して前記
管状部品の貫通穴に嵌合する直径を有するものになす工
程と、銅または銅合金が溶融して管状部品の少なくとも
貫通穴に隣接する部分に含浸するように、管状部品およ
び嵌合された円筒形シートに熱処理操作を施す工程とを
含む管状部品の含浸方法が得られる。圧粉体としての管
状部品の密度は、適宜選択設定可能であり、後で行われ
る銅または銅合金の含浸に関連する気孔率が前記密度に
応じて定まる。

本明細書において、「比較的大きい縦横比」とは、外径
に対する長さの比が概ね1.5を超えることを意味する。

熱処理作業は、好ましくは、焼結と含浸の同時作業とす
るか、または管状部品の焼結を前もって行なっておいて
もよい。

大寸法の管状部品に対して、銅または銅合金管を穴内の
含浸材として使用することが経済的である。

巻回シートは、必要に応じて、たとえば点溶接、シーム
溶接、鑞接またはかしめによって管に形成することがで
きる。これは、たとえば、巻回された帯材の取扱いに有
利であり、管状部品への組付けが容易である。

本発明方法の利点は、含浸材の重量を容易に制御できる
ことである。所定の厚さと幅が与えられた銅帯材は、単
に所定長に切断すればよい。また、含浸材の重量は、必
要に応じて、弁案内穴に隣接する領域にのみ含浸が行わ
れるように制御することができる。PM法による要素の穴
内で釈放されたとき銅含浸材料は、そのばね特性によっ
て、含浸が先立って所定位置に保持可能であり、取扱い
が簡単である。

本発明の別の利点は、鉄系PM部品の穴の僅かなエロージ
ョンは、内燃エンジンのシリンダヘッドに装着される際
に所定量切削除去されるため、重要ではなく、自由に利
用可能な普通の銅を含浸材として使用できることであ
る。

同時含浸のさらに別の利点は、含浸材、特に錫を含有す
る含浸材が鉄マトリックスと添加された自由黒鉛との間
での炭化物の生成を抑制することを本発明者らが見い出
したことである。すなわち、自由黒鉛がマトリックスに
存在するだけでなく気孔中に含まれる含浸材にも存在
し、支承に関して、従って摩耗特性に関して有益な効果
を有するようなマイクロ組織を焼結された弁案内が有す
る。また、炭化物の生成が抑制されるため、弁案内の機
械加工性も結果的に改善される。

巻回された帯材は、含浸材本体を形成するため使用され
るとき、もし必要ならば、穴のエロージョンを最小にす
るため、および（または）含浸面の摺動および摩耗特性
を改善するために、その組成を調整することができる。
実際に、経済的に帯材を製造しうる合金種類の範囲は、
経済的に管を製造しうる合金種類の範囲を遥かに超えて
いる。

含浸材を作る特に有利な材料は、重量％で、Sn:2〜11
％、P:0.02〜0.5％、Cu:残部の範囲にある成分を有する
錫青銅合金である。

錫量が２％より少ない場合には、銅中の鉄の固溶度がこ
の成分範囲で温度に強く依存するので、含浸中に案内穴
のエロージョンに抵抗するには、固相温度が高過ぎる。
銅の融点における銅中の鉄の溶解度が４％であるのに対
して、1000℃での溶解度は2.6％である。案内穴が、下
限値である約0.25mmまたはその近傍のサイズでリーマ加
工される場合、もしも、含浸中のエロージョンの程度が
大き過ぎると、表面がきれいに仕上げられない可能性が
ある。さらに、錫青銅の軸受特性は低い錫含有量のとき
に低下する。

錫含有量が11％を超えると、固相温度が低過ぎ、それは
含浸材が融解する前に起こる鉄マトリックスの焼結を殆
ど無効にすることがある。また、含浸材の流動性はそれ
が弁案内のマトリックス内に完全に保持されるには過大
になり、外径に含浸材の塊が生じることになる。

また、含浸材の錫含有量は焼結中に炭化物の生成を抑制
する助けをする。

燐の含有量は、脱酸のために錫青銅のそれと一致してい
る。

銅または銅合金含浸材を使用する本発明のさらに別の利
点は、弁案内の使用温度がマトリックスの伝導性の改善
により著しく低下することである。含浸材の使用は含浸
された弁案内の伝導度が50W/m/゜Ｋ以下の通常の鋳鉄製
弁案内の伝導度に一層近く付くことである。公知の非含
浸鉄系弁案内材料の伝導度は低く、通常約20〜30W/m/゜
Ｋである。

本発明の第２の観点によれば、本発明の第１の観点によ
って作られた含浸された弁案内が提供される。

本発明を一層完全に理解するため、巻回された銅または
銅基合金箔含浸材挿入片を焼結前に穴に挿入した弁案内
の略図を示す、第１図を参照して、単に例示として実施
例を以下に説明する。

第１図は、その全長に亘って延びる、内部穴12を有する
弁案内10を示す。穴の内側には、巻回によって管14にな
され、端部16,18が重ねられた銅合金シート材料片が設
けられている。材料の自然のばね特性により、巻回され
た管14は、焼結および含浸がなされる前の取扱い操作過
程で、穴内に保持される。

実施例１ 高圧縮性の鉄、0.9重量％の黒鉛、４重量％のマイナス3
00メッシュ銅、0.5重量％の固体潤滑剤および0.5重量％
の変性潤滑材よりなる混合物が、約600MPaの加圧力で、
長さ43.5mm、内径6.25mm、外径12.85mmの円筒管体に圧
縮された。

厚さ0.55mmのタフピッチ銅（可鍛銅）帯材が、幅17.7mm
に切断され、公称直径6.25mmの管状断面体に巻回され
た。管は、長さ43.5mmに切断され、上記管状圧粉体に挿
入された。

比較のために、上記管状圧粉素体の他の穴に市販の銅基
含浸粉末が充填され、該銅基含浸粉末塊を穴内に保持す
るために、突き固められた。

次いで、管状圧粉体が水素と窒素からなる雰囲気中で11
00℃で30分間焼結された。

焼結された管状体の試験によれば、巻かれた銅帯材を含
む管状体の含浸が完全であり、試験用薄片は穴において
最大の銅相容積率を示し、外径に向かってある程度低下
していた。穴には残留物が存在せず、穴における鋼マト
リックスの最大エロージョン深さ測定値は0.3mmであっ
た。

それに対して、含浸粉末を詰め込まれた管状圧粉体で
は、過剰な粉末がこぼれ落ちたが、さらに重大なこと
に、大きい球状の銅粒子および多孔性含浸残留物が焼結
された素材の穴に付着して穴面の直接のリーマ加工を阻
止することとなった。

巻回された銅帯材を挿入した焼結された管状体のリーマ
加工は、予め穴を清掃することなく、六溝型リーマを使
用して実施された。1.0μmRaにおける、リーマ加工され
た面の仕上げは弁案内用に適していると見做された。リ
ーマ加工された穴は、その長さ方向の弛緩が無視され得
ることを示した。

実施例２ 炭素1.5〜2.5％、Cu3〜６％、Sn0.3〜0.7％、Ｐ（燐）
0.2〜0.5％、Mn0.1〜0.5％、Ｓ（硫黄）0.05〜0.25％、
その他の成分最大２％、残部としてのFeから成る範囲の
各重量％の成分を有する鉄基粉末から、密度6.9Mg/m³、
公称長さ51mm、内径6.2mmおよび外径11mmの管状部品が
プレス成形された。

厚さ0.3mmで公称成分Cu−5Sn−0.3Pの、英国規格燐青銅
合金Pb102の箔が、圧粉体の穴にぴったり挿入するため
円筒形に巻回され、所定の長さに切断され、弁案内圧粉
体の穴内に挿入された。

弁案内圧粉体・含浸箔の組合せ体は、基礎合金の脱炭を
防止するため制御された炭素ポテンシャルを有する窒素
・水素雰囲気において、弁案内圧粉体の有効な焼結およ
び含浸を可能にする回数および温度で同時に焼結、含浸
された。

焼結、含浸された素材は7.2Mg/m³を超える密度と、HRB9
0を超える硬さを有していた。マイクロ組織は、粗大な
炭化物を有する十分に含浸された組織、微細な燐化物共
晶および非含浸合金に比較してレベルが上昇した自由黒
鉛を示した。自由黒鉛は、マトリックス組織、および銅
合金含浸材領域内にも存在していた。

これらの弁案内のサンプルは、２溝型ガン・リーマを使
用して、内径8.0mmにリーマ加工され、表面粗さ1.6μmR
aになされた。そのようなリーマ加工された弁案内は、
弁ステム・弁案内摺動摩擦摩耗をシミュレートするよう
に設計されたリグ上で、スカッフ摩耗試験を実施した。
試験では、弁ステムが、温度150℃で、弁案内の内面と
の接触関係で摺動せしめられた。その摺動は、両部材の
軸線に対して横方向から8.0kgの負荷が、1500ストロー
ク／分の周期で与えられた状態で行われた。試験は、平
坦な鍍金されていないシルクローム鋼（商標名）から成
る弁ステムを用いて行われた。弁案内は、1800分の連続
試験を受けたが、スカッフィングまたは摩耗の証拠はな
く、この結果は、試験された他の粉末冶金弁案内材料に
よって、また汎用の鋳鉄弁案内材料によっては得られな
かった。この試験は、含浸された弁案内の耐摩耗特性が
向上したことを示す。

別の試験において、リーマ加工された弁案内が、同じ方
法で、常温において、上記と同様に、毎分750サイク
ル、8.0kgの横方向負荷を加えて試験された。弁ステム
は、鍍金されない21:4N鋼製であった。これらの弁案内
に異常なく、スカッフィングまたは摩耗の証拠はなかっ
た。比較のため、通常使用された高張力黄銅弁案内が同
じ試験を実施され、約500〜600分の試験時間の後、次第
にスカッフィングが生じた。

上記すべての試験において、使用された唯一の潤滑は、
試験前に、垂直に立てた弁ステムに対して１時間に亘り
エンジンオイルを自由に流下させて、弁ステムに対する
オイル塗布を行うことによった。

発明の効果 本発明では、銅または銅合金のシートを巻回して、管状
部品の穴内に挿入した後、熱処理が加えられる。この手
法によれば、きわめて簡単かつ経済的に、正確な量の材
料を含浸することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、その全長に亘って延在する貫通穴を有する弁
案内を示す斜視図である。 10……弁案内、12……穴、14……管状に巻かれた銅また
は銅合金シート、16,18……重ねられた端部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−19703（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−203813（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−56851（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−250151（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】連続した気孔を有する管状部品を粉末冶金
   法によって鉄系材料から製造する工程を含み、貫通穴を
   有するとともに、直径に対する長さの比が1.5を超える
   管状部品の含浸方法において、 前記気孔の容積に適合する所定重量の銅または銅合金の
   シートを準備する工程と、 シートを概略円筒形に形成して前記管状部品の貫通穴に
   嵌合する直径を有するものになす工程と、 銅または銅合金が溶融して管状部品の少なくとも貫通穴
   に隣接する部分に含浸するように、管状部品および嵌合
   された円筒形シートに熱処理操作を施す工程とを含むこ
   とを特徴とする管状部品の含浸方法。
2. 【請求項２】前記円筒形に形成されたシートが、溶接、
   鑞付けおよびかしめ形成を含む群から選択された一手法
   によって管に製造されることを特徴とする請求項１に記
   載された管状部品の含浸方法。
3. 【請求項３】前記熱処理操作が、焼結と含浸の同時操作
   であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載
   された管状部品の含浸方法。
4. 【請求項４】前記管状部品が、溶融と含浸を行う熱処理
   の前に焼結操作を受けることを特徴とする請求項１に記
   載された管状部品の含浸方法。
5. 【請求項５】前記シートが、Sn2〜11％、P0.02〜0.5
   ％、残部としてのCu（数字はいずれも重量％）から成る
   組成範囲の燐青銅合金製であることを特徴とする請求項
   １から請求項４までのいずれか一項に記載された管状部
   品の含浸方法。