JP3304021B2 - 高温耐摩耗性に優れた銅合金 - Google Patents

高温耐摩耗性に優れた銅合金

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JP3304021B2 JP16829794A JP16829794A JP3304021B2 JP 3304021 B2 JP3304021 B2 JP 3304021B2 JP 16829794 A JP16829794 A JP 16829794A JP 16829794 A JP16829794 A JP 16829794A JP 3304021 B2 JP3304021 B2 JP 3304021B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高温での耐摩耗性に優
れた熱伝導率の大きい銅合金に関し、とくに、エンジン
用などの摺動部材、例えば、バルブシート(弁座),バ
ルブガイド(弁案内部材)などの素材として好適に利用
される耐酸化性および高温耐摩耗性に優れた銅合金に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、自動車のエンジンは、高性能化・
高出力化が進み、このため、エンジンのバルブシート,
バルブガイドが高温になり、摺動面圧も従来よりさらに
大きくなる傾向にある。加えて、高出力と良好な燃費と
を両立させるために、バルブシート,バルブガイドにお
いて良好な熱伝達が必要となってきている。
【0003】したがって、これらの部品の素材として
は、耐摩耗性と熱伝導率の良い材料が要求されるように
なってきている。
【0004】従来から、これらの材料は、Cu合金を中
心に研究開発されてきており、例えば、アルミニウム青
銅系にNi,Feを添加して強化したJIS Al B
C1〜4、とくに、Al BC 3(『非鉄金属材料』
椙山正孝著 コロナ社昭和53年 第14版 第73
頁)や、同系列のAISI C95500(『Meta
ls Handbook 9th Edition V
ol.2』American Society for
Metals 1979 第433頁)などがバルブ
シート等の素材として採用されている実績がある。
【0005】ところで、これらの従来合金では、近年の
上記したごとき特性が要求されるエンジンのバルブシー
ト,バルブガイドの素材として利用した場合、高温での
耐摩耗性が十分でないため、厳しい条件下の実用に際し
ては摩耗が著しく、十分に対応することができがたいと
いう問題点があった。
【0006】そこで、本発明者らは、先に、重量%で、
Al:1.0〜15.0%、元素周期表Va族元素であ
るV,Nb,Taのうち少なくとも1種:0.1〜5.
0%、残部Cuおよび不純物からなる組成を有し、A
l,Cuの1種以上とVa族元素の1種以上とからなる
金属間化合物のうち少なくとも1種が分散した組織を有
するものとした高温耐摩耗性に優れた銅合金を開発した
(特願平5−14772号明細書および図面)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記既発明に係わる銅
合金は、Alを含むCu合金中に、V等の元素周期表V
a族元素を含有させることにより、Al−V等の金属間
化合物を微細かつ均一に分散した組織としていることに
よって、高温での耐摩耗性に優れていると共に熱伝導率
も大きく、バルブシートやバルブガイド等の素材として
好適なものとなっていて、室温から400℃まで高い硬
度を示すものの、500℃において急激に軟化してしま
うために、高出力型エンジンの排気バルブシートに用い
た場合には、十分な耐摩耗性が得られないことも考えら
れるという課題があった。
【0008】
【発明の目的】本発明は、このような従来の課題にかん
がみてなされたものであって、とくに、高温での耐摩耗
性に優れていることが要求されるエンジンのバルブシー
トやバルブガイドの素材として好適であり、Siを必須
構成元素として含有させることで材料基地硬度を増加さ
せると同時に粒径が大きい金属間化合物を多量に分散析
出させた組織とすることにより高温軟化抵抗を改善さ
せ、さらには、デポジット等の噛み込みに起因するアブ
レーシブ摩耗に対しても優れた高温耐摩耗性銅合金を提
供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者らがなした先の
発明においては、アルミニウム青銅合金をベースに、重
量%で、Al:1.0〜15.0%、元素周期表Va族
元素であるV,Nb,Taのうち少なくとも1種:0.
1〜5.0%、残部Cuおよび不純物から構成され、場
合によってはさらに、Co:0.5〜10.0%を含有
させたり、FeおよびNiの1種または2種:0.5〜
12.0%を含有させたり、Mn:1.0〜10.0%
を含有させたりすることで、耐摩耗性の向上がはかられ
ていた。
【0010】しかしながら、これらの合金系において
は、500℃における高温硬度が著しく低下するため
に、高温での耐摩耗性悪化が問題として残されていた。
【0011】そこで、本発明においては、500℃での
高温硬度低下を抑制するための一連の合金開発を通じて
鋭意調べていった結果、以下の組成が全ての特性を満足
できることを見い出した。
【0012】すなわち、本発明の請求項1に係わる高温
耐摩耗性に優れた銅合金は、重量%で、Al:1.0〜
5.0%、元素周期表Va族元素であるV,Nb,Ta
のうち少なくとも1種:0.1〜5.0%、Si:1.
0〜5.0%、残部Cuおよび不純物から構成され、ま
た、本発明の請求項2に係わる高温耐摩耗性に優れた銅
合金は、Al:1.0〜5.0%、Co:5.0〜2
0.0%、元素周期表Va族元素であるV,Nb,Ta
のうち少なくとも1種:0.1〜5.0%、Si:1.
0〜5.0%、残部Cuおよび不純物から構成される。
【0013】また、本発明の請求項3および4に係わる
高温耐摩耗性に優れた銅合金は、請求項1および2の銅
合金にさらにFeおよびNiの1種または2種を5.0
〜20.0%含有したものである。
【0014】この組成からなる銅合金粉末においては、
各請求項にあるようにAlとVa族元素の1種以上とS
iとからなる金属間化合物や、AlまたはCuと、Co
と、Va族元素の1種以上と、Siとからなる金属間化
合物や、AlまたはCuと、Fe,Niの1種以上と、
Va族元素の1種以上と、Siとからなる金属間化合物
や、AlまたはCuと、Co,Fe,Niの1種以上
と、Va族元素の1種以上と、Siとからなる金属間化
合物、さらには請求項5にあるようにCuとVa族元素
の1種以上とSiとからなる金属間化合物などが、例え
ばレーザ肉盛り後の組織において、粒径5μm以上の硬
質析出物として、体積率で10%以上分散しているため
に、500℃における高温硬度低下の抑制ひいては高温
耐摩耗性の向上と共に、吸気バルブシートにおけるデポ
ジットによるアブレーシブ摩耗に対する改善といった大
きな効果が認められた。
【0015】そして、これらの銅合金は、Si元素が例
えばレーザ肉盛り時の脱酸剤としても作用するために、
従来よりも製造性がさらに向上し、優れた耐摩耗性を有
し、種々の高性能内燃機関用の摺動部材に適しているこ
とを確認し、なかでも、バルブフェースの着座部である
バルブシートやバルブステムと摺動するバルブガイドに
は、優れた性能を示すことが確かめられた。
【0016】次に、本発明に係わる銅合金の成分組成
(重量%)を上記の通りに限定した理由を説明する。
【0017】Al: 本発明の銅合金中におけるAlは、基地に固溶して室温
〜400℃までの高温強度および高温硬度を増大させる
とともに高温でAl2O3皮膜形成による耐酸化性の改
善によって、高温耐摩耗性を向上させる作用があり、さ
らに、後述の周期表Va族元素,Si,Co,Fe,N
i等と結合して複合金属間化合物を析出させ、これによ
って耐熱性,耐摩耗性を向上させる作用があるが、その
含有量が1.0%未満では前記作用が十分に得られな
い。一方、Alは融点が低いためにその含有量が5.0
%を超えると500℃の高温硬度が著しく低下するよう
になることから、Al含有量を1.0〜5.0%とし
た。
【0018】Si: 本発明の銅合金中におけるSiは、例えばレーザ肉盛り
時に材料が酸化脆化するのを防ぐ脱酸剤として作用し、
基地に固溶して硬さを向上させるだけでなく、Cu,A
l元素,Va族元素とともに種々の複合金属間化合物を
形成し、粒径5μm以上の大きな硬質析出物として、体
積率で15%を超える多量の析出物が均一分散した組織
を生み出す。この結果、500℃における高温硬度の低
下は抑制されるとともに、アブレーシブ摩耗に対しても
優れた銅合金が得られることになる。このSi含有量と
しては、1.0%未満では前記作用が十分に得られず、
一方、5.0%を超えると熱伝導性が低下するようにな
ることから、Si含有量を1.0〜5.0%とした。
【0019】Co: 本発明の銅合金中におけるCoは、基地に固溶して耐熱
性を向上させる作用があり、Cu,Al,Siと金属間
化合物を形成したり、Va族元素,SiとCu,Al元
素とともに種々の複合金属間化合物を形成して、耐熱
性,耐摩耗性を向上させる作用がある。しかし、その含
有量が5.0%未満では前記作用が十分に得られず、一
方、その含有量が20.0%を超えると熱伝導性が低下
するようになることから、Coを添加する場合はその含
有量を5.0〜20.0%と定めた。
【0020】Va族元素: 本発明の銅合金中におけるV,Nb,Ta等のVa族元
素成分は、Al,Si,Coと結合し、粒径が5μm以
上の球状ないしは粒状の金属間化合物を形成し、500
℃における高温硬度低下の抑制ならびにアブレーシブ摩
耗に対する改善に大きな効果を与える作用がある。ま
た、Va族元素の含有量が1.5%以上になると、上記
Alの金属間化合物に加えてさらにCuとVa族元素の
1種以上とSiとからなる1種以上の金属間化合物も生
成し、さらに耐摩耗性向上に寄与する。しかし、Va族
元素の合計含有量が0.1%未満では前記作用が十分に
得られず、一方、5.0%を超えると母材に溶けずに偏
析してしまうので、Va族元素の合計含有量を0.1〜
5.0%とした。
【0021】Fe,Ni: 本発明の銅合金中におけるFe,Niは、主として、A
l,SiやVa族元素と金属間化合物を形成して、銅合
金の耐熱性,耐摩耗性を向上させる作用がある。しか
し、その含有量が5.0%未満では前記作用が十分に得
られず、一方、20.0%を超えると熱伝導性が悪くな
りかつまた脆化するので、Fe,Niを添加する場合は
1種または2種の合計含有量を5.0〜20.0%と定
めた。
【0022】
【発明の作用】本発明に係わる銅合金は、重量%で、A
l:1.0〜5.0%、元素周期表Va族元素である
V,Nb,Taのうち少なくとも1種:0.1〜5.0
%、Si:1.0〜5.0%、場合によってはCo:
5.0〜20.0%、同じく場合によってはFeおよび
Niの1種または2種:5.0〜20.0%を含有し、
残部Cuおよび不純物からなる組成を有し、Al,Cu
の1種以上と、Va族元素の1種以上と、Siと、場合
によってはCo,Fe,Niの1種以上とからなる金属
間化合物、例えば、Al−V−Si,Cu−V−Si,
Al−Nb−Si,Cu−Nb−Si,Al−Ta−S
i,Cu−Ta−Si,Al−Cu−V−Si,Al−
V−Co−Si,Cu−V−Co−Si,Al−Cu−
Nb−Si,Al−Co−Nb−Si,Cu−Co−N
b−Si,Al−Cu−Ta−Si,Al−Co−Ta
−Si,Cu−Co−Ta−Si,Al−V−Co−F
e−Si,Cu−V−Co−Fe−Si,Cu−Al−
V−Nb−Co−Fe−Si等よりなる金属間化合物が
適宜分散した組織を有するものとなっているので、50
0℃における高温硬度低下が抑制されると共に、デポジ
ット等によるアブレーシブ摩耗に対しての改善が見ら
れ、Si含有により大気中(Arガスシールド雰囲気)
での例えばレーザ肉盛り性も大幅に改善されるといった
作用が得られることになり、バルブシートに限らずエン
ジン等の高温環境下での摺動部材等としても適したもの
となる。
【0023】
【実施例】先願(特願平5−14772号明細書および
図面)においては、各種銅合金のバルブシート試料を鋳
造,焼結あるいはレーザ肉盛りによって作製した場合を
示したが、本実施例においては、材料の熱伝導の違いを
バルブフェース温度にて測定するために、レーザ肉盛り
でのみバルブシート部を作製した場合を例にとって示
す。まず、肉盛り用粉末は、以下のプロセスによって作
製した。すなわち、高周波誘導溶解炉を用い、黒鉛るつ
ぼ内で、表1,表2の各実施例および比較例に示す組成
を有する銅合金溶湯を溶製し、各合金溶湯をガスアトマ
イズによって粉末化し、脱水処理および脱ガス処理なら
びに粒度調整を行うことにより、所望の肉盛り用粉末を
得た。そして、これらの粉末を5kWのCO2ガスレー
ザを用い、以下の諸条件に基づき、JIS AC2A材
よりなるアルミニウム合金製シリンダーヘッドの吸,排
気バルブシート部を加工した凹部に3mm以上の厚さで
肉盛りした。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】
【表3】
【0027】その後、機械加工を行うことによって所定
の寸法に仕上げ、耐久試験用シリンダーヘッドを作製し
た。このとき、各材料を用いて、1つの気筒の吸,排各
2ケ所のバルブシート部に肉盛り処理を行った。
【0028】各材料調査: 耐久用シリンダーヘッドにおける肉盛りと同一の条件に
て、JIS AC2Aアルミニウム合金板上に各材料を
肉盛りし、それより切り出したテストピースを用いて、
高温硬度測定および光学顕微鏡組織観察を行った。さら
に、光学顕微鏡組織より、金属間化合物の析出量として
画像解析により5断面部の面積率を測定し、その平均値
をもって金属間化合物の析出体積率として求めた。
【0029】また、金属間化合物の種類については、各
材料の電子顕微鏡を用いたEPMA分析とX線回折によ
る構造解析の結果から、主な構成合金成分系を求めた。
【0030】これらの各材料特性値については、次の実
機エンジン試験結果と一緒に後の表5〜表7中にまとめ
て示す。
【0031】実機エンジン試験 次に、各実施例および比較例の組成からなる銅合金レー
ザ肉盛りシート部を有するシリンダーヘッドを実機エン
ジンに組込み、表4に示す条件にてバルブ測温試験およ
び耐久試験を実施した。
【0032】
【表4】
【0033】バルブ測温については、排気バルブの軸部
より傘表部表面直下部分に穴を開け、熱電対を差し込ん
で直接測定した。この測温実験終了後、排気バルブを通
常の新品に取り替え、引き続き耐久試験を行った。
【0034】耐久試験後の吸,排気のバルブフェース部
およびバルブシート部の摩耗量(摩耗深さ)を3次元粗
さ計にて測定した。
【0035】以上の結果を表5〜表7にまとめて示す。
【0036】
【表5】
【0037】
【表6】
【0038】
【表7】
【0039】表5に示す結果より明らかなように、本発
明実施例1〜8のバルブシート部では、合金含有量の少
ない本発明実施例1〜3において若干摩耗が多くなって
はいるものの、バルブとシート部とのシール性不良に至
る可能性は低く、さらには、残りの本発明実施例4〜1
0においては、摩耗量が小さく良好な摩擦面が維持され
ている。
【0040】これらの本発明実施例に対して、各比較例
においては、シート部に著しい摩耗痕が形成され、エン
ジン機能や耐久性に支障をきたす危険性が高い状態であ
った。
【0041】次に、各比較例の問題点を材料成分系より
考察する。
【0042】比較例1:Al含有量が0.4%と少ない
ことにより室温硬度が低く、高温軟化はほぼ見られない
ものの、500℃高温硬度も低い値となっている。ま
た、Al−V−Si金属間化合物の析出量も少ないこと
も、硬度が低い一因となっている。これらの結果、デポ
ジット等によるアブレーシブ摩耗が支配的な吸気側シー
ト摩耗量が大きいうえに、高温にさらされる排気側シー
トではAl2O3皮膜の形成が不十分なために酸化が生
じて摩耗量も多くなっている。
【0043】比較例2:Va族元素であるV含有量が
0.03%と少ないために、Al−V−Si金属間析出
物が著しく少量となる結果、材料基地硬度自体は高くな
ったにもかかわらず、耐摩耗性不足であり、吸気側シー
ト,排気側シート共に大きく摩耗している。
【0044】比較例3:Si含有量が0.3%と少ない
ために、Al量が少ない成分系においては、室温〜50
0℃までの硬度レベル自体が低いうえに、金属間化合物
析出量も少ない。これらの結果、吸気側シート摩耗が大
きく、排気側シートはさらに大きな摩耗を生じている。
【0045】比較例4:Al含有量が5%を超えて含有
しているために、高温軟化抵抗が劣り、500℃高温硬
度が著しく低い値となっている。その結果、吸気側シー
ト摩耗は少ないものの、高温にさらされる排気側シート
で著しい段付き摩耗を生じている。
【0046】比較例5:Va族元素であるV+Nb含有
量が5%を超えて含有するこの成分系においては、原材
料溶解時に用いるFe−VおよびFe−Nbの塊が溶け
きれずにアトマイズ粉末中に偏析して残存しているため
に、耐久中にこれらの粗大硬質部に割れが生じ、シート
面の所々にピットが形成されるとともに、脱落した硬質
物によりバルブフェースおよびシート部共に大きな摩耗
を生じている。
【0047】比較例6:Si含有量が5%を超えている
この成分系では、金属間化合物が多量に析出するもの
の、材料自体が脆くなるために、シートに欠けを生じる
とともに、欠けた硬質相がフェースとシート界面に噛み
込み、両者共に大きく摩耗している。
【0048】比較例7:本発明の成分系にCoを4.1
%添加したこの成分系においては、シート部,フェース
部共に摩耗状況は良好であるものの、Coを加えない本
発明実施例4に比べその効果が認められなくなってお
り、5%以上添加した本発明実施例5ではその効果が見
られるので、Co添加量としては5%以上が好ましい。
【0049】比較例8:本発明の成分系にCoを20%
を超えて含有させたこの成分系においては、金属間化合
物の析出量が大巾に増加するために、吸気側シートでは
優れた耐摩耗性を示すものの、材料の熱伝導性の悪化に
伴い排気バルブ温度が急上昇するために、排気シート部
は融着気味の摩耗となり、その量も増加している。
【0050】従って、Co添加量としては20%以下が
好ましい。
【0051】比較例9:本発明の成分系にFeを3.9
%添加したこの成分系においては、シート部,フェース
部共に摩耗状況は良好であるものの、本発明実施例6,
7と比べてFe添加の有意な効果が見られないため、効
果が顕著となる本発明実施例7のようにFe添加量とし
ては5%以上が好ましい。
【0052】比較例10:NiもFeと同様に耐摩耗性
向上効果が見られるが、この両者をFe+Niで20%
を超えて含有させたこの成分系においては、比較例8と
同様の理由で排気側シートが融着気味の摩耗を生ずるの
で、Fe+Niの含有量としては20%以下が好まし
い。
【0053】比較例11:この成分系はAlを全く添加
していないために、室温から500℃までの基地硬度が
著しく低下するとともに、金属間化合物の析出量も減少
している。この結果として、排気側シート部の摩耗が著
しく増加している。
【0054】比較例12:この成分系はVa族元素を全
く添加していないために、金属間化合物の析出量が著し
く減少している。この結果として、吸気側,排気側シー
ト部共に摩耗量が増大している。
【0055】比較例13:この成分系は、本発明実施例
8に対してSiを全く添加していないために、室温〜5
00℃までの基地硬度が著しく低下するとともに、金属
間化合物の析出量も少なくなり、特に粒径の大きな析出
物が消失している。本発明実施例8と比較例13との析
出物の分散状態の違いをそれぞれ図1と図2に示す。
【0056】これらの結果として、排気側シート部の摩
耗が著しく増大している。また、本発明実施例8におい
ては図1で見られる粒径10μmを超える大きな球状な
いしは粒状をなす析出物が存在しているので、そのよう
な大きな析出物の無い比較例13(図2)に比べて、ア
ブレーシブ摩耗の厳しい吸気側シート部についても耐摩
耗性向上が認められる。
【0057】このように、本発明実施例の各銅合金は、
高性能エンジンの排気バルブシートに要求される高温で
優れた耐摩耗性だけでなく、デポジット等の噛み込みに
よるアブレーシブ摩耗に厳しい吸気バルブシート側にお
いても優れた耐摩耗性を示した。
【0058】また、この実施例では、レーザ肉盛りした
バルブシート部を中心に例示して説明したが、鋳造や焼
結によってバルブシートリングを作製してシリンダーヘ
ッドに圧入したり、また、バルブガイドを作製したりす
ることもでき、その他同様の特性が要求されるエンジン
用の摺動部材等にも適用することができ、利用範囲は大
きい。
【0059】
【発明の効果】本発明に係わる銅合金は、重量%で、A
l:1.0〜5.0%、元素周期表Va族元素である
V,Nb,Taのうち少なくとも1種:0.1〜5.0
%、Si:1.0〜5.0%、場合によってはCo:
5.0〜20.0%、同じく場合によってはFeおよび
Niの1種または2種:5.0〜20.0%を含有し、
残部Cuおよび不純物からなる組成を有し、AlとVa
族元素の1種以上とSiとからなる金属間化合物の少な
くとも1種や、場合によってはCuとVa族元素の1種
以上とSiとからなる金属間化合物の少なくとも1種を
も分散した組織を有するものであるから、例えばバルブ
シートとして用いると、高温で優れた耐摩耗性と耐アブ
レーシブ摩耗性を有しながら、熱伝導性の低下が抑制さ
れるために、相手バルブ温度の上昇も小さく、その結
果、エンジンの高出力化と耐ノック性改善にも寄与する
ものとなり、その他同様の特性が要求される各種摺動部
材等の素材として適しており、高温耐摩耗性を改善する
ことが可能であるという著しく優れた効果がもたらされ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例8の銅合金における析出物の分散
状態(球状ないしは粒状部が金属間化合物)を示す断面
部光学顕微鏡組織写真の模写図である。
【図2】比較例13の銅合金における析出物の分散状態
(球状ないしは粒状部が金属間化合物)を示す断面部光
学顕微鏡組織写真の模写図である。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、Al:1.0〜5.0%、元
    素周期表Va族元素であるV,Nb,Taのうち少なく
    とも1種:0.1〜5.0%、Si:1.0〜5.0
    %、残部Cuおよび不純物からなる組成を有し、Alと
    Va族元素の1種以上とSiとからなる金属間化合物の
    うち少なくとも1種が分散した組織を有することを特徴
    とする高温耐摩耗性に優れた銅合金。
  2. 【請求項2】 重量%で、Al:1.0〜5.0%、元
    素周期表Va族元素であるV,Nb,Taのうち少なく
    とも1種:0.1〜5.0%、Si:1.0〜5.0
    %、Co:5.0〜20.0%、残部Cuおよび不純物
    からなる組成を有し、AlまたはCuと、Coと、Va
    族元素の1種以上と、Siとからなる金属間化合物のう
    ち少なくとも2種が分散した組織を有することを特徴と
    する高温耐摩耗性に優れた銅合金。
  3. 【請求項3】 重量%で、Al:1.0〜5.0%、元
    素周期表Va族元素であるV,Nb,Taのうち少なく
    とも1種:0.1〜5.0%、Si:1.0〜5.0
    %、FeおよびNiの1種または2種:5.0〜20.
    0%、残部Cuおよび不純物からなる組成を有し、Al
    またはCuと、Fe,Niの1種以上と、Va族元素の
    1種以上と、Siとからなる金属間化合物のうち少なく
    とも2種が分散した組織を有することを特徴とする高温
    耐摩耗性に優れた銅合金。
  4. 【請求項4】 重量%で、Al:1.0〜5.0%、元
    素周期表Va族元素であるV,Nb,Taのうち少なく
    とも1種:0.1〜5.0%、Si:1.0〜5.0
    %、Co:5.0〜20.0%、FeおよびNiの1種
    または2種:5.0〜20.0%、残部Cuおよび不純
    物からなる組成を有し、AlまたはCuと、Co,F
    e,Niの1種以上と、Va族元素の1種以上と、Si
    とからなる金属間化合物のうち少なくとも2種が分散し
    た組織を有することを特徴とする高温耐摩耗性に優れた
    銅合金。
  5. 【請求項5】 CuとVa族元素の1種以上とSiとか
    らなる金属間化合物のうち少なくとも1種が分散した組
    織を有する請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の
    高温耐摩耗性に優れた銅合金。
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