烧结阀座的制作方法

发明领域

本发明涉及用于发动机的阀座，特别是涉及能够抑制阀温度升高的压入型、高导热性的烧结阀座。

发明背景

为了用于环境保护而提供具有改善的燃料效率和更高的性能的汽车发动机，近年来加快了所谓的小型化用以将发动机排量缩减20-50％。此外，直喷式发动机与涡轮增压器相结合，以增加压缩比。发动机效率的提高不可避免地导致了更高的发动机温度，这可能引起功率降低爆震。因此，特别是在阀周围的部件的冷却能力的改善已经变得必要。

作为用于改善冷却能力的手段，专利文献1公开了一种用于制造发动机阀的方法，该方法包括将金属钠(na)密封在中空阀杆的中空部分中。关于阀座，专利文献2教导了一种通过高密度加热能量(诸如激光束)将阀座直接堆焊在铝(al)合金气缸盖上以改善阀的冷却能力的方法，其被称为“激光熔覆法”。作为用于堆焊阀座的合金，专利文献2教导了分散强化的cu基合金，其包含分散于铜(cu)基基体中的fe-ni的硼化物和硅化物粒子，其中sn和/或zn溶于最初的cu基晶体中。

发动机运转期间的阀温度在上述金属钠填充的阀中(阀温度：约600℃)比在固体阀中低约150℃，并且通过激光熔覆法生产的cu基合金阀座将固体阀的温度(约700℃)降低了约50℃，这防止了爆震。然而，金属钠填充的阀具有如此高的生产成本，以至于它们除了一些车辆以外未被广泛地使用。通过激光熔覆法生产的cu基合金阀座(其不含有硬质粒子)具有不足的耐磨损性，因冲击磨损而发生咬死。此外，气缸盖上的直接堆焊需要气缸盖生产线的大幅改变和大型设备投资。

关于压入到气缸盖中的阀座，专利文献3公开了一种双层结构，其包括由cu粉或含cu粉末形成的阀邻接层(含有7-17％cu的烧结铁合金层)和阀座体层(含有7-20％cu的烧结铁合金层)以提高导热性，并且专利文献4公开了一种通过分散的硬质粒子而具有10-20％的孔隙率的烧结fe基合金，其用cu或其合金浸渍。

另外，专利文献5公开了一种烧结cu基合金阀座，其中将硬质粒子分散在具有优异导热性的分散固化的cu基合金中。具体而言，起始粉末混合物包含50-90重量％的含cu基体粉末和10-50重量％的粉末状含mo合金添加剂，所述含cu基体粉末是al2o3分散固化的cu粉，并且所述粉末状含mo合金添加剂包含28-32重量％的mo、9-11重量％的cr和2.5-3.5重量％的si，余量为co。

然而，专利文献3和4中最多约20％的cu含量不能充分地改善导热性。尽管专利文献5教导了通过在氧化气氛中对从cu-al合金熔体雾化的cu-al合金粉末进行热处理以选择性氧化al，可以生产al2o3分散固化的cu粉，但是实际上存在对增加由溶有al的cu-al合金形成的分散有al2o3的cu基体的纯度的限制。包含较多的硬质粒子(例如，40-50重量％)增加了对阀、配合件的攻击性，并且包含较少的硬质粒子(例如，10-20重量％)使阀座的耐变形性和耐磨损性劣化，这导致在硬质粒子的量的方面存在显著矛盾的倾向。

现有技术文献

专利文献1：jp7-119421a

专利文献2：jp3-60895a

专利文献3：jp3579561b

专利文献4：jp3786267b

专利文献5：jp4272706b

发明目的

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种压入型烧结阀座，其具有优异的阀冷却能力以适用于高效发动机，以及具有优异的耐变形性和耐磨损性。

发明概述

作为对含有分散在具有优异导热性的cu或其合金中的硬质粒子的烧结阀座进行深入研究的结果，发明人已经发现，以能够防止cu或其合金变形的量使用硬质粒子，其中它们中的一部分由具有较低硬度的粒子代替，可以获得具有优异的耐变形性和耐磨损性以及高阀冷却能力、同时保持cu或其合金的高导热性的压入型烧结阀座。

因此，本发明的烧结阀座包含分散在cu或其合金的基体中的硬质粒子；

所述硬质粒子由选自第一硬质粒子群的至少一种类型的第一硬质粒子和选自第二硬质粒子群的至少一种类型的第二硬质粒子构成；

第一和第二硬质粒子的总量为25-70质量％；

所述第二硬质粒子的硬度为300-650hv0.1，低于所述第一硬质粒子的硬度；并且

所述烧结阀座含有0.08-2.2质量％的p(磷)。

优选的是硬度为550-2400hv0.1的第一硬质粒子以10-35质量％的量分散在烧结阀座中。第一硬质粒子更优选具有550-900hv0.1的硬度。第一硬质粒子中的最低硬度粒子与第二硬质粒子中的最高硬度粒子之间的硬度差优选为30hv0.1以上。

硬粒子优选具有10-150μm的中值直径。

烧结阀座优选含有多达7质量％的sn。

烧结阀座优选含有多达1质量％的固体润滑剂。固体润滑剂优选为选自由c、bn、mns、caf2、ws2和mo2s组成的组的至少一种固体润滑剂。

第一硬质粒子优选地由选自由以下组成的组的至少一种构成：包含以质量计27.5-30.0％的mo、7.5-10.0％的cr和2.0-4.0％的si、余量为co和不可避免的杂质的co-mo-cr-si合金；包含以质量计27.5-30.0％的mo、7.5-10.0％的cr和2.0-4.0％的si、余量为fe和不可避免的杂质的fe-mo-cr-si合金；包含以质量计27.0-32.0％的cr、7.5-9.5％的w和1.4-1.7％的c、余量为co和不可避免的杂质的co-cr-w-c合金；包含以质量计27.0-32.0％的cr、4.0-6.0％的w和0.9-1.4％的c、余量为co和不可避免的杂质的co-cr-w-c合金；和包含以质量计28.0-32.0％的cr、11.0-13.0％的w和2.0-3.0％的c、余量为co和不可避免的杂质的co-cr-w-c合金。除上述硬质粒子以外，优选进一步含有选自由以下组成的组的至少一种：包含以质量计40-70％的mo和0.4-2.0％的si、余量为fe和不可避免的杂质的fe-mo-si合金；和sic。

第二硬质粒子优选地由选自由以下组成的组的至少一种构成：包含以质量计1.4-1.6％的c、0.4％以下的si、0.6％以下的mn、11.0-13.0％的cr、0.8-1.2％的mo和0.2-0.5％的v、余量为fe和不可避免的杂质的合金工具钢；包含以质量计0.35-0.42％的c、0.8-1.2％的si、0.25-0.5％的mn、4.8-5.5％的cr、1-1.5％的mo和0.8-1.15％的v、余量为fe和不可避免的杂质的合金工具钢；包含以质量计0.8-0.88％的c、0.45％以下的si、0.4％以下的mn、3.8-4.5％的cr、4.7-5.2％的mo、5.9-6.7％的w和1.7-2.1％的v、余量为fe和不可避免的杂质的高速工具钢；和包含以质量计0.01％以下的c、0.3-5.0％的cr和0.1-2.0％的mo、余量为fe和不可避免的杂质的低合金钢。发明效果

在本发明的烧结阀座中，相对大量的彼此接触或彼此接近的硬质粒子形成骨架结构以抑制cu或其合金的变形，并且一部分硬质粒子被较低硬度的粒子代替以防止烧结阀座具有太高的硬度，从而提供良好平衡的耐变形性和耐磨损性。第一硬质粒子可以呈确保高填充密度的粒子形状，优选呈确保致密化的球形。具有较低硬度的第二硬质粒子呈不规则形状，其增加硬质粒子的接触，从而有助于形成致密的骨架结构。当然，可以将细铜粉用于形成网络状cu基体，并且致密化提供了优异的耐磨损性，同时保持高导热性。因此，阀的冷却能力得以改善，以减少诸如爆震等发动机的异常燃烧，从而改善了高压缩比、高效率发动机的性能。

附图简述

图1是示意性显示台架测试机的示意图。

图2是显示本发明中实施例1的烧结体的横截面结构的扫描电子显微照片(1000倍)。

优选实施方案的描述

本发明的烧结阀座具有其中硬度不同的第一和第二硬质粒子分散在cu或其合金的基体中的结构。由于硬质粒子改善了阀座的耐磨损性，并且通过在cu或其合金的软基体中形成骨架来保持阀座的形状，所以第一和第二硬质粒子的总量为25-70质量％。当硬质粒子的总量小于25质量％时，难以保持阀座的形状。另一方面，超过70质量％的硬质粒子的总量为阀座提供了过小的cu或其合金的基体的百分比以致无法获得所需的导热性，并且增加了其对阀的攻击性，从而使阀磨损。硬质粒子的总量优选为30-65质量％，更优选为35-60质量％。第二硬质粒子的硬度为300-650hv0.1，低于第一硬质粒子的硬度。300hv0.1的硬度不能为第二硬质粒子提供足够作为硬质粒子的作用，并且超过650hv0.1的硬度会像第一硬质粒子那样增加对阀的攻击性。第二硬质粒子的硬度优选为400-630hv0.1，更优选550-610hv0.1。在全部硬质粒子中，第二硬质粒子的分散量优选为5-35质量％，更优选为15-35质量％，进一步优选为21-35质量％。

本发明的烧结阀座含有0.08-2.2质量％的p，这是因为添加fe-p合金粉末以使烧结体致密化。市售的fe-p合金粉末含有15-32质量％的p。例如，当使用含有26.7质量％的p的fe-p合金时，fe-p合金的添加量为0.3-8.2质量％。当p小于0.08质量％时，烧结体未充分致密化。由于p与co、cr、mo等形成化合物，所以p含量的上限为2.2质量％。p含量的上限优选为1.87质量％，更优选1.7质量％以下，进一步优选1.0质量％以下。

为了通过液相烧结进行致密化，可以使用共晶点为870℃的ni-p合金粉末代替共晶点为1048℃和1262℃的fe-p合金粉末。然而，由于ni以任意混合比例与cu形成固溶体，降低了导热性，所以优选的是使用fe-p合金的粉末，从导热性方面来看其是在500℃以下与cu基本上不形成固溶体的fe合金。

本发明的烧结阀座可以含有多达7质量％的sn，即0-7质量％的sn，用于使如fe-p合金粉末的烧结体致密化。通过在烧结期间形成液相，将少量的sn添加到cu基体中有助于致密化。然而，添加过多的sn会降低cu基体的导热性，并且增加具有低韧性和强度的cu3sn化合物，这使得耐磨损性劣化。因此，sn的上限为7质量％。sn的添加量优选为0.3-2.0质量％，更优选0.3-1.0质量％。

用于本发明的烧结阀座的第一硬质粒子需要比第二硬质粒子更硬，并且第一硬质粒子的硬度优选为550-2400hv0.1。随着它们的硬度从550-1200hv0.1变为550-900hv0.1和600-850hv0.1、并且特别是650-800hv0.1，烧结阀座变得更优选。分散在基体中的第一硬质粒子的量优选为10-35质量％，更优选13-32质量％，进一步优选15-30质量％。关于与第二硬质粒子的关系，第一硬质粒子中的最低硬度粒子与第二硬质粒子中的最高硬度粒子之间的硬度差优选为30hv0.1以上，更优选60hv0.1或更多，进一步优选90hv0.1以上。

因为上述硬质粒子在cu或其合金的软基体中形成骨架，所以它们的中值直径优选为10-150μm。中值直径可以例如通过使用购自microtracbelcorp的mt3000ii系列来确定，其对应于相对于直径在累积体积曲线(通过在等于或小于特定直径的直径范围中累积粒子体积获得)中50％累积体积处的直径d50。中值直径更优选为50-100μm，进一步优选65-85μm。

在本发明的烧结阀座中，第一硬质粒子优选处于球形形状，并且第二硬质粒子优选处于不规则形状。特别地，因为具有较高硬度的第一硬质粒子具有较小的变形性，趋于阻碍致密化，所以为了较高的填充能力，它们优选呈球形。另一方面，由于硬度较低的第二硬质粒子容易变形，所以它们优选呈不规则的非球形形状，以形成具有较高的硬质粒子接触密度的骨架结构。球形硬质粒子可以通过气体雾化生产，并且不规则的非球形的粒子可以通过粉化或水雾化生产。

重要的是上述硬质粒子基本上不溶于形成基体的cu中。由于co和fe在500℃以下几乎不溶于cu，所以优选的是使用co基或fe基硬质粒子。另外，由于mo、cr、v和w在500℃以下也几乎不溶于cu，所以它们可以用作主要合金元素。作为具有较高硬度的第一硬质粒子，优选选择co-mo-cr-si合金粉末、fe-mo-cr-si合金粉末和co-cr-w-c合金粉末。特别是当强烈需要耐磨损性时，优选选择fe-mo-si合金粉末和sic。作为比第一硬质粒子更软的第二硬质粒子，优选选择fe基合金工具钢粉末、高速工具钢粉末和低合金钢粉末。尽管si和mn可溶于cu，但是可以避免硬质粒子的劣化和与基体的显著反应，只要将它们的量限制于预定水平即可。

如有需要，本发明的烧结阀座可以含有固体润滑剂。例如，在不具有燃料润滑的直喷式发动机中，需要添加固体润滑剂以增加自润滑性，从而保持耐磨损性。因此，本发明的烧结阀座可以含有多达1质量％(即0-1质量％)的固体润滑剂。固体润滑剂选自碳、氮化物、硫化物和氟化物，优选选自由c、bn、mns、caf2、ws2和mo2s组成的组的至少一种。

形成基体的cu粉优选具有45μm以下的平均直径和99.5％以上的纯度。通过使用平均直径小于硬质粒子的cu粉以得到高填充能力，即使使用相对大量的硬质粒子也能够形成网络状的cu基体。例如，硬质粒子的平均直径优选为45μm以上，并且cu粉的平均直径优选为30μm以下。cu粉优选为雾化的球形粉末。具有用于容易连接的微小突起的树枝状电解cu粉也优选可用于形成网络状基体。

在制造本发明的烧结阀座的方法中，将cu粉、fe-p合金粉末或fe-p合金粉末和sn粉末，以及第一和第二硬质粒子粉末，以及固体润滑剂(如有需要)进行混合，并且将所得混合物粉末压缩成型并烧结。为了更高的成型性，可以将0.5-2质量％的硬脂酸酯作为脱模剂添加到混合物粉末中。生坯的烧结在真空中或在非氧化或还原气氛中在范围为850℃至1070℃的温度下进行。

实施例1

将平均直径为22μm并且纯度为99.8％的电解cu粉与以下进行混合：35质量％的co-mo-cr-si合金粉末1a，所述co-mo-cr-si合金粉末1a具有72μm的中值直径并且包含以质量计28.5％的mo、8.5％的cr和2.6％的si，余量为co和不可避免的杂质，其为球形粒子和不规则形状粒子的混合物，作为第一硬质粒子；15质量％的高速工具钢粉末2a，所述高速工具钢粉末2a具有84μm的中值直径并且包含以质量计0.85％的c、0.3％的si、0.3％的mn、3.9％的cr、4.8％的mo、6.1％的w和1.9％的v，余量为铁和不可避免的杂质，其呈不规则形状，作为第二硬质粒子；和1.0质量％的含有26.7质量％的p的fe-p合金粉末作为烧结助剂，以在混合器中制备混合物粉末。顺便地，将0.5质量％的用于在成型步骤中良好脱模的硬脂酸锌添加到各起始材料粉末中。

将混合物粉末在压模中以640mpa进行压缩成型，并且在真空中在1050℃的温度下进行烧结，以制备外径为37.6mm、内径为21.5mm且厚度为8mm的环形烧结体。然后对环形烧结体进行机械加工，以提供外径为26.3mm、内径为22.1mm且高度为6mm的阀座样品，其具有从轴向倾斜45°的面。组成分析表明，阀座含有0.27质量％的p。该p含量的分析结果通过添加的fe-p合金粉末的量得以反映。

在对实施例1的烧结体的横截面进行镜面抛光之后，在第一硬质粒子1a、第二硬质粒子2a和基体中的每一个中在5个点处以0.98n的载荷对维氏硬度进行测量，并取平均值。结果，第一硬质粒子1a的硬度为720hv0.1，第二硬质粒子2a的硬度为632hv0.1，并且基体的硬度为121hv0.1。图2是显示实施例1的烧结体的横截面结构的扫描电子显微照片。

比较例1

使用含有10质量％的中值直径为78μm的fe-mo-si合金粉末并且包含以质量计60.1％的mo和0.5％的si、余量为fe和不可避免的杂质的烧结fe基合金作为硬质粒子(对应于到后述的第一硬质粒子1c)，制造与实施例1相同形状的阀座样品。fe-mo-si合金粒子的硬度为1190hv0.1，并且基体的硬度为148hv0.1。

[1]阀冷却能力的测量(阀温度)

使用图1所示的台架测试机，测量阀的温度以评价阀冷却能力。将阀座样品1压入到由气缸盖材料(al合金，ac4a)制成的阀座支架2中，并且将其放入测试机中。通过经由旋转凸轮5上下移动阀4(suh合金，jisg4311)同时经由燃烧器3加热阀4来进行台架测试。在通过将燃烧器3中的空气和气体的流速以及燃烧器的位置保持恒定进行恒定加热的情况下，通过用温度记录器6测量阀头中心部分的温度来确定阀冷却能力。燃烧器3中的空气和气体的流速分别为90l/min和5.0l/min，并且凸轮的转速为2500rpm。开始运行15分钟后，测量饱和阀温度。在该实施例中，代替根据加热条件等变化的饱和阀温度，由比较例1中的阀温度的下降(负值)表示阀冷却能力。尽管在比较例1中饱和阀温度高于800℃，但是在实施例1中其低于800℃，阀冷却能力为-32℃。

[2]磨损测试

在评价阀冷却能力之后，使用图1所示的台架测试机对耐磨损性进行评价。通过嵌入阀座1中的热电偶7进行评价，其中燃烧器3的功率经调节以将阀座的邻接表面保持在预定温度下。磨损通过测试前后测量阀座和阀的形状所确定的邻接表面的后退高度来表示。所使用的阀4(suh合金)由经堆焊以与上述阀座大小配适的co合金(co-20％cr-8％w-1.35％c-3％fe)形成。测试条件是温度为300℃(在阀座的邻接表面处)，凸轮转速为2500rpm，测试时间为5小时。磨损通过与比较例1中的磨损(假定为1)的比率表示。与比较例1中的1相比，实施例1中的磨损在阀座中为0.84，并且在阀中为0.85。

实施例2-21和比较例2-5

在实施例2-21和比较例2-5中，将表1中所示的选自第一硬质粒子群的第一硬质粒子和表2中所示的选自第二硬质粒子群的第二硬质粒子以表3中所述的量使用。表3显示了fe-p合金粉末、sn粉末、固体润滑剂粉末以及第一和第二硬质粒子的量。表1也显示了实施例1中的那些。

表1

表2

表3

^*含有26.7质量％的p的fe-p合金粉末

^**由“质量％”表示

制造实施例2-21和比较例2-5的阀座样品，并且以与实施例1相同的方式进行p的分析、第一和第二硬质粒子以及基体的维氏硬度的测量、阀冷却能力的测量和磨损测试。

将实施例2-21和比较例2-5的结果与实施例1和比较例1的结果一起显示于表4和5中。

表4

表5

随着硬质粒子的总量减少，以及随着fe-p和sn的量减少，即基体中cu的百分比增加，并且随着纯度变高，阀座冷却能力得到改善。在硬质粒子总量较小的情况下(比较例4中为20质量％)，尽管具有更高的阀座冷却能力，但是座和阀的磨损较大。这似乎是由于这样的事实：小至0.2质量％的fe-p提供不充分的致密化，导致阀攻击性增加。

标号说明

1：阀座

2：阀座支架

3：燃烧器

4：阀

5：凸轮

6：温度记录器

7：热电偶