CN107803611A - 发动机阀用钴基堆焊合金和发动机 - Google Patents

Abstract

一种发动机阀用钴基堆焊合金，其特征在于，以质量％计，含有Cr：13～35％、Mo：5～30％、Si：0.1～3.0％、C：0.04％以下、Ni：15％以下、W：9％以下、Fe：30％以下、Mn：3％以下、S：0.4％以下，余量包含Co和不可避免的杂质元素，其中，Co量为30％以上。

Description

发动机阀用钴基堆焊合金和发动机

技术领域

本发明涉及发动机阀用钴基堆焊合金和具备采用由该钴基堆焊合金构成的堆焊材料堆焊而成的发动机阀的发动机。

背景技术

作为发动机阀的阀面，采用了耐蚀性和耐磨性优异的钴基堆焊合金。

例如，在日本特开平5－84592中公开了一种钴基堆焊合金，以重量比计，含有Cr：10～40％、Mo：超过10％且为30％以下、W：1～20％、Si：0.5～5％、C：0.05～3％、Al：0.001～0.12％、O：0.001～0.1％、Fe：30％以下、Ni：20％以下、Mn：3％以下，余量由Co以及不可避免的杂质元素构成，其中，Co量为30～70重量％。

发明内容

根据日本特开平5－84592所记载的钴基堆焊合金，通过含有30％以下的Fe，使韧性提高，并且形成氧化物，发挥作为润滑材料的效果，所含有的Cr、Mo以及W对富Co基质进行固溶强化，并且通过添加Al来限制O含量，能够改善堆焊性。另外，通过在高负荷运转的发动机阀的阀面堆焊，发动机阀的耐磨性提高，同时也满足攻击对手性，成为堆焊性优异的钴基堆焊合金。

可是，以降低影响环境负荷等为目的，乙醇、混合有乙醇的汽油(乙醇混合汽油：ethanol-blended gasoline)、以及CNG(压缩天然气：compressed natural gas)、LPG(液化石油气：liquefied petroleum gas)等被应用于发动机用的燃料，将乙醇以及混合有乙醇的汽油作为燃料的车辆被称为机动燃料车(FFV)。

在使用了这些乙醇混合汽油等的情况下，虽然能够降低影响环境负荷，但是成为比以往的汽油严酷的腐蚀环境、粘着环境(adhesive environment)，因此担心阀座产生过大的磨损。因此，即使是具备具有性能优异的、日本特开平5－84592所记载的钴基堆焊合金的发动机阀的发动机，在使用了乙醇混合汽油等的情况下也难以发挥高的耐蚀性和耐粘着性。

本发明提供即使是使用了乙醇混合汽油等的情况也能够发挥高的耐蚀性和耐粘着性的发动机阀用钴基堆焊合金、和采用由该钴基堆焊合金构成的堆焊材料堆焊来形成的发动机阀。

本发明的第一技术方案的发动机阀用钴基堆焊合金，以质量％计，含有Cr：13～35％、Mo：5～30％、Si：0.1～3.0％、C：0.04％以下、Ni：15％以下、W：9％以下、Fe：30％以下、Mn：3％以下、S：0.4％以下，余量包含Co和不可避免的杂质元素，其中，Co量为30％以上。

日本特开平5－84592所记载的钴基堆焊合金的C量为0.05～3质量％，而本发明的技术方案的发动机阀用钴基堆焊合金的C量为0.04质量％以下，在这一点上两者大大不同。

即，日本特开平5－84592所记载的钴基堆焊合金，C量为0.05质量％以上，因此容易生成硬质的碳化物相，担心由于碳化物相变多而导致攻击对手性变高这样的问题。堆焊部的攻击对手性变得过高，这会影响到作为对手的阀座的磨损的增加。

另外，也担心固溶Cr、Mo由于碳化物的生成而减少从而耐粘着性、耐蚀性下降这样的问题。

与此相对，本发明的技术方案的钴基堆焊合金的C量为0.04质量％以下，因此能够降低攻击对手性，能够抑制作为对手的阀座的磨损。

另外，通过C量变少，可抑制碳化物的生成，由此也能抑制固溶Cr、Mo的减少，结果成为具备高的耐蚀性和耐粘着性的钴基堆焊合金。

这样，C量的差异极其重要，在使用上述的乙醇混合汽油等的情况下，由该C量的差异带来的效果的差异变得更加显著。

另外，本发明的第二技术方案涉及一种发动机，其具备采用堆焊材料堆焊来形成的发动机阀，所述堆焊材料由所述钴基堆焊合金构成。发动机用的燃料由乙醇、混合有乙醇的汽油、CNG、LPG中的任一种构成。

本发明的第二技术方案的发动机，通过具备采用由C量被设定为0.04质量％以下的钴基堆焊合金构成的堆焊材料堆焊来形成的发动机阀，能抑制发动机阀的对手即阀座的磨损，成为具有高耐久性的发动机。

从以上说明可以理解，根据本发明的第二技术方案的发动机阀用钴基堆焊合金，通过C量被设定为0.04质量％以下来降低攻击对手性，抑制硬质的碳化物的生成，由此得到具备高的耐蚀性和耐粘着性的钴基堆焊合金，能够抑制作为对手的阀座的磨损。

另外，能够提供将乙醇、混合有乙醇的汽油、CNG、LPG作为燃料来使用，从而即使在严酷的腐蚀环境、粘着环境下也具有高耐久性的发动机。

附图说明

下面参照附图描述本发明的例示性实施例的特征、优点、以及技术和产业显著性，附图中相同的标记表示相同的部件，其中：

图1是具有由本发明的实施方式的钴基堆焊合金构成的堆焊部的发动机阀的纵截面图。

图2是示出了磨损试验的结果的图，是特别地示出了发动机阀和阀座的合计磨损量与钴基堆焊合金的C量的关系的图。

图3是将图2中的C量为0～0.05质量％的范围放大后的图。

图4是腐蚀试验前后的实施例和参考例的SEM图像图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式的发动机阀用钴基堆焊合金的实施方式。

(发动机阀用钴基堆焊合金的实施方式)

图1是具有由本发明的实施方式的钴基堆焊合金构成的堆焊部的发动机阀的纵截面图。如图示那样，作为发动机阀10的阀面，环状地形成有由钴基堆焊合金构成的堆焊部20，在发动机阀10被装载于气缸盖时，在堆焊部20以高压触接的对手侧配设有未图示的阀座。

在此，钴基堆焊合金，以质量％计含有Cr：13～35％、Mo：5～30％、Si：0.1～3.0％、C：0.04％以下、Ni：15％以下、W：9％以下、Fe：30％以下、Mn：3％以下、S：0.4％以下，余量包含Co和不可避免的杂质元素，其中，Co量为30％以上。

通过在能形成Cr钝态膜的合金中添加适量的Mo，能够促进Cr钝态膜的再生。因而，即使由于堆焊部20的腐蚀、滑动导致Cr钝态膜发生破坏，由Cr和Mo带来的Cr钝态膜的再生的速度也高于该破坏的速度，结果成为即使在反复进行的滑动和高腐蚀的环境下也具有高的耐蚀性和耐粘着性的钴基堆焊合金。

以下详细地说明各金属元素的数值范围的根据。

＜Cr：13～35质量％＞

当Cr小于13质量％时，没有形成钝态氧化膜，不能发挥耐蚀性，因此将Cr的下限值规定为13质量％。另外，当Cr超过35质量％时，堆焊性恶化，因此将Cr的上限值规定为35质量％。

＜Mo：5～30质量％＞

当Mo小于5质量％时，耐蚀性的提高效果不够，因此将Mo的下限值规定为5质量％。另外，当Mo超过30质量％时，堆焊性恶化，因此将Mo的上限值规定为30质量％。

＜Si：0.1～3.0质量％＞

当Si小于0.1质量％时，堆焊性(润湿性)下降，因此将Si的下限值规定为0.1质量％。另外，当Si超过3.0质量％时，攻击对手性增加，因此将Si的上限值规定为3.0质量％。

＜C：0.04质量％以下＞

当C超过0.04质量％时，耐蚀性下降，形成耐蚀性低的共晶组织而发生腐蚀，由此针对作为对手的阀座的攻击对手性增加，而且，固溶Cr、Mo会减少，由此耐蚀性下降，因此将C的上限值规定为0.04质量％。

＜Ni：15质量％以下＞

Ni是有助于堆焊部的韧性和耐蚀性提高的元素。当Ni超过15质量％时，耐磨性下降，堆焊性恶化，因此将Ni的上限值规定为15质量％。

＜W：9质量％以下＞

W是有助于堆焊部的耐磨性提高的元素。当W超过9质量％时，熔点上升，起因于熔点的上升，堆焊性恶化，因此将W的上限值规定为9质量％。

＜Fe：30质量％以下＞

Fe是有助于堆焊部的韧性提高的元素。当Fe超过30质量％时，耐蚀性下降，因此将Fe的上限值规定为30质量％。

＜Mn：3质量％以下＞

Mn是有助于堆焊性的改善的元素。当Mn超过3质量％时，耐磨性下降，因此将Mn的上限值规定为3质量％。

＜S：0.4质量％以下＞

S是有助于堆焊性(润湿性)以及气孔(blow hole)排出促进性的提高的元素。当S超过0.4质量％时，发生结晶裂纹(凝固裂纹：solidification cracking)，因此将S的上限值规定为0.4质量％。

再者，已叙述的日本特开平5－84592所记载的钴基堆焊合金的C量为0.05～3质量％，而本发明的实施方式的发动机阀用钴基堆焊合金的C量为0.04质量％以下。

由于日本特开平5－84592所记载的钴基堆焊合金的C量为0.05质量％以上，因此容易生成硬质的碳化物相，存在由于碳化物相变多而导致攻击对手性变高的倾向，堆焊部的攻击对手性变得过高，这会给予使作为对手的阀座的磨损增加的影响。另外，存在固溶Cr、Mo由于碳化物的生成而减少、耐粘着性和耐蚀性下降的倾向。

与此相对，由于本发明的实施方式的钴基堆焊合金的C量为0.04质量％以下，因此能够降低攻击对手性，能够抑制作为对手的阀座的磨损。另外，通过C量变少，能抑制碳化物的生成，由此也能抑制固溶Cr、Mo的减少，结果成为具备高的耐蚀性和耐粘着性的钴基堆焊合金。

另外，具备具有堆焊部20的发动机阀10的发动机，可列举出作为发动机用的燃料采用了乙醇、混合有乙醇的汽油、CNG、LPG中的任一种燃料的发动机。

该发动机具备具有堆焊部20的发动机阀10，该堆焊部20是采用堆焊材料堆焊而成的，所述堆焊材料由C量被设定为0.04质量％以下的钴基堆焊合金构成，因此即使在严酷的腐蚀环境、粘着环境下也能抑制发动机阀10的对手即阀座的磨损，成为具有高耐久性的发动机。

(检验发动机阀的耐蚀性、发动机阀和阀座的耐磨性等的实验及其结果)

本发明人进行了检验发动机阀的耐蚀性、发动机阀和阀座的耐磨性、堆焊焊道等的实验。在以下的表1中示出本发明的实施方式的钴基堆焊合金(实施例1～11)、和比较例1～19的堆焊合金的各自的组成，在表2中示出关于各钴基堆焊合金的耐蚀性、耐磨性、堆焊焊道、以及实机磨损的实验结果。另外，关于磨损试验的结果，特别地在以下的表3－1、表3－2和图2、图3中示出发动机阀和阀座的合计磨损量与钴基堆焊合金的C量的关系，在图4中示出腐蚀试验前后的实施例和参考例的SEM图像图。在此，表3－1、表3－2中的参考例1、2是已叙述的日本特开平5－84592所公开的钴基堆焊合金。再者，发动机阀的对手即阀座是Fe系阀座，为Fe－16Mo－21Co－2.4Mn－1.1C(均为质量％)。

首先，在关于发动机阀的耐蚀性的实验中，将平面尺寸为20mm×20mm且高度为2mm的试验体的试验面(进行了镜面研磨的表面)在pH2.0的腐蚀液中浸渍24小时，对试验面的截面进行SEM观察，来确认试验面的最外层有无腐蚀。

另外，在关于耐磨性的实验中，使用等离子体堆焊法，在发动机阀的阀面堆焊(输出130A，处理速度8mm/秒)，实施单体磨损试验，将轴向磨损量170μm作为阈值，在表2、表3－2中将170μm以上的情形判为不可(×)。

在此，说明单体磨损试验的概要，该试验是用于调查堆焊材料的攻击对手性和耐磨性的试验。具体而言，将丙烷气体燃烧器用作加热源，将堆焊而成的阀面与由Cu系材料以及Fe系烧结材料构成的阀座的滑动部设于丙烷气体燃烧气氛中。将阀座的温度控制在200℃，通过弹簧在阀面和阀座接触时施予176N的载荷，以2000次/分的比例使阀面和阀座接触来进行了8小时的磨损试验。在该磨损试验中，测定了自基准位置起算的阀的下沉量。该阀的下沉量相当于通过发动机阀与阀座接触而导致两者磨损了的磨损量(磨损深度)。

另外，在关于堆焊焊道的实验中，检验是否堆焊性差、是否能够对阀面堆焊加工，在表2、表3－2中，将能够堆焊加工的情况判为可(○)，将不能堆焊加工的情况判为不可(×)。

进而，在关于实机磨损的实验中，使用2400cc的汽油机，使用含乙醇的燃料来实施300小时的实机耐久试验，在表2、表3－2中，将磨损量(发动机阀和阀座的合计磨损量)的极限基准值设为100而示出。

表1

表2

表3-1

表3-2

表4-1

表4-2

从表2可知，实施例1～11均是耐蚀性、耐磨性和堆焊性优异的。

另外，关于实机磨损，作为实验对象的实施例1、9都低于磨损量的极限基准值100，显示出良好的结果。

与此相对，各比较例不满足耐蚀性、耐磨性、堆焊性中的某项，作为实施磨损的实验对象的比较例2、3都为磨损量的极限基准值100以上的结果。

另外，从表3－1、表3－2和图2、图3可知，C量为0.05质量％以上的参考例1、2(日本特开平5－84592所公开的钴基堆焊合金)都为磨损量的极限基准值100以上的结果，而C量为0.04质量％以下的实施例1、9、12都低于磨损量的极限基准值100，显示出良好的结果。

另外，从图4可知，在腐蚀试验前后的SEM图像中，参考例2在腐蚀试验后出现硬质相而确认到腐蚀，而观察得出实施例6在腐蚀试验前后都没有腐蚀。

进而，从表4－1、4－2可知，C量为0.04质量％以下、S量为0.4质量％以下的实施例13、14，均是耐蚀性、耐磨性和堆焊性优异的，而S量为0.5质量％以上的比较例20被确认到发生了结晶裂纹，堆焊性存在问题。

以上，使用附图详述了本发明的实施方式，但具体的构成并不限于该实施方式，即使有不脱离本发明的要旨的范围内的设计变更等，这些设计变更等也包含在本发明中。

Claims (2)

1.一种发动机阀用钴基堆焊合金，其特征在于，

以质量％计，含有Cr：13～35％、Mo：5～30％、Si：0.1～3.0％、C：0.04％以下、Ni：15％以下、W：9％以下、Fe：30％以下、Mn：3％以下、S：0.4％以下，余量包含Co和不可避免的杂质元素，其中，Co量为30％以上。

2.一种发动机，其特征在于，

具备采用堆焊材料堆焊而成的发动机阀，所述堆焊材料由权利要求1所述的钴基堆焊合金构成，

发动机用的燃料由乙醇、混合有乙醇的汽油、CNG、LPG中的任一种构成。