JP2018039037A

JP2018039037A - エンジンバルブ用コバルト基盛金合金およびエンジン

Info

Publication number: JP2018039037A
Application number: JP2016175665A
Authority: JP
Inventors: 雄貴鴨; Yuki Kamo; 公彦安藤; Kimihiko Ando; 伸幸篠原; Nobuyuki Shinohara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-03-15
Also published as: CN107803611A; EP3293277A1; TW201816139A; CA2978101A1; BR102017018455A2; US20180066342A1; KR20180028376A

Abstract

【課題】エタノール混合ガソリン等を使用した場合であっても、高い耐食性と耐凝着性を発揮することのできるエンジンバルブ用コバルト基盛金合金と、このコバルト基盛金合金からなる盛金材が肉盛りされてなるエンジンバルブを備えたエンジンを提供する。【解決手段】質量％で、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％以下を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物元素（ただし、Ｃｏ量は３０％以上）からなることを特徴とするエンジンバルブ用コバルト基盛金合金である。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンバルブ用コバルト基盛金合金と、このコバルト基盛金合金からなる盛金材が肉盛りされたエンジンバルブを備えたエンジンに関するものである。

エンジンバルブのバルブフェースには、耐食性と耐摩耗性に優れたコバルト基盛金合金が採用されている。

たとえば、特許文献１には、重量比でＣｒ；１０〜４０％、Ｍｏ；１０を越え３０％、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％以下を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物元素（但し、Ｃｏ量は３０〜７０重量％）からなるコバルト基盛金合金が開示されている。

特開平５−８４５９２号公報

特許文献１に記載のコバルト基盛金合金によれば、Ｆｅを３０％以下含有したことで、靱性を向上させるとともに酸化物を形成し、潤滑材としての効果を発揮し、含有されるＣｒ、ＭｏおよびＷがＣｏリッチマトリクスを固溶強化するとともに、Ａｌを添加してＯ含有量を規制したことで盛金性を改善することができる。また、高負荷運転されるエンジンバルブのバルブフェースに盛金されることでエンジンバルブの耐摩耗性が向上し、同時に相手攻撃性をも満足し、盛金性に優れたコバルト基盛金合金となる。

ところで、環境影響負荷低減等を目的として、エンジン用の燃料にエタノールおよびエタノール混合ガソリンやＣＮＧ、ＬＰＧ等が適用されており、エタノールおよびエタノール混合ガソリンを燃料とした車両はフレキシブル・フューエル・ビークル（ＦＦＶ）と称されている。

これらエタノール混合ガソリン等を使用した場合、環境影響負荷を低減できるものの、従来のガソリンに比して厳しい腐食環境や凝着環境となることから、バルブシートに過大な摩耗が生じることが懸念される。したがって、性能に優れた特許文献１に記載のコバルト基盛金合金を有するエンジンバルブを備えたエンジンであっても、エタノール混合ガソリン等を使用した場合において、高い耐食性と耐凝着性を発揮するのは難しい。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、エタノール混合ガソリン等を使用した場合であっても、高い耐食性と耐凝着性を発揮することのできるエンジンバルブ用コバルト基盛金合金と、このコバルト基盛金合金からなる盛金材が肉盛りされてなるエンジンバルブを備えたエンジンを提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるエンジンバルブ用コバルト基盛金合金は、質量％で、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％以下を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物元素（ただし、Ｃｏ量は３０％以上）からなることを特徴とするものである。

特許文献１に記載されるコバルト基盛金合金のＣ量が０．０５〜３質量％であるのに対して、本発明のエンジンバルブ用コバルト基盛金合金のＣ量は０．０４質量％以下であり、この点で双方は大きく相違している。

すなわち、特許文献１に記載されるコバルト基盛金合金はＣ量が０．０５質量％以上であることから、硬質な炭化物相を生成し易く、炭化物相が多くなることで相手攻撃性が高くなるといった課題が懸念される。盛金の相手攻撃性が高くなり過ぎることは、相手のバルブシートの摩耗の増加に直結する。

また、炭化物生成によって固溶Ｃｒ、Ｍｏが減少し、耐凝着性や耐食性が低下するといった課題も懸念される。

これに対し、本発明のコバルト基盛金合金のＣ量は０．０４質量％以下であることから、相手攻撃性を低減することができ、相手のバルブシートの摩耗を抑制することが可能になる。

また、Ｃ量が少なくなることで炭化物の生成が抑制され、このことによって固溶Ｃｒ、Ｍｏの減少も抑制される結果、高い耐食性と耐凝着性を備えたコバルト基盛金合金となる。

このように、Ｃ量の違いは極めて重要であり、上記するエタノール混合ガソリン等を使用する場合において当該Ｃ量の違いによる効果の違いは一層顕著になる。

また、本発明によるエンジンは、前記コバルト基盛金合金からなる盛金材が肉盛りされてなるエンジンバルブを備えたエンジンであって、エンジン用の燃料が、エタノールおよびエタノール混合ガソリン、ＣＮＧ、ＬＰＧのいずれか一種からなる。

本発明によるエンジンは、Ｃ量が０．０４質量％以下に設定されたコバルト基盛金合金からなる盛金材が肉盛りされてなるエンジンバルブを備えていることで、エンジンバルブの相手のバルブシートの摩耗が抑制され、高い耐久性を有するエンジンとなる。

以上の説明から理解できるように、本発明のエンジンバルブ用コバルト基盛金合金によれば、Ｃ量が０．０４質量％以下に設定されていることで、相手攻撃性が低減され、硬質な炭化物の生成が抑制されることで、高い耐食性と耐凝着性を備えたコバルト基盛金合金が得られ、相手のバルブシートの摩耗を抑制することができる。

また、エタノールおよびエタノール混合ガソリンやＣＮＧ、ＬＰＧを燃料として使用し、したがって、厳しい腐食環境や凝着環境の下にあっても、高耐久なエンジンを提供することができる。

本発明のコバルト基盛金合金からなる盛金部を有するエンジンバルブの縦断面図である。摩耗試験の結果を示した図であって、特に、エンジンバルブおよびバルブシートの合計摩耗量とコバルト基盛金合金のＣ量の関係を示した図である。図２においてＣ量が０〜０．０５質量％の範囲を拡大した図である。腐食試験前後の実施例および参考例のＳＥＭ画像図である。

以下、図面を参照して本発明のエンジンバルブ用コバルト基盛金合金の実施の形態を説明する。

（エンジンバルブ用コバルト基盛金合金の実施の形態）
図１は本発明のコバルト基盛金合金からなる盛金部を有するエンジンバルブの縦断面図である。図示するように、エンジンバルブ１０のバルブフェースに環状にコバルト基盛金合金からなる盛金部２０が形成され、エンジンバルブ１０がシリンダヘッドに搭載された際に、盛金部２０が高圧で当接する相手側に不図示のバルブシートが配設されている。

ここで、コバルト基盛金合金は、質量％で、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％以下を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物元素（ただし、Ｃｏ量は３０％以上）からなる。

Ｃｒ不動態膜を形成する合金にＭｏが適量添加されることで、Ｃｒ不動態膜の再生を促進することができる。そのため、盛金部２０の腐食や摺動によってＣｒ不動態膜が破壊しても、この破壊よりもＣｒおよびＭｏによるＣｒ不動態膜の再生の方が上回る結果、繰り返しの摺動と高腐食の環境下においても高い耐食性と耐凝着性を有するコバルト基盛金合金となる。

各金属元素の数値範囲の根拠について、以下詳細に説明する。

＜Ｃｒ；１３〜３５質量％＞
Ｃｒが１３質量％未満であると不動態酸化膜が形成されず、耐食性が発揮されないことから、Ｃｒの下限値を１３質量％に規定している。
また、Ｃｒが３５質量％を超えると盛金性が悪化することから、Ｃｒの上限値を３５質量％に規定している。

＜Ｍｏ；５〜３０質量％＞
Ｍｏが５質量％未満であると耐食性の向上効果が不足することから、Ｍｏの下限値を５質量％に規定している。
また、Ｍｏが３０質量％を超えると盛金性が悪化することから、Ｍｏの上限値を３０質量％に規定している。

＜Ｓｉ；０．１〜３．０質量％＞
Ｓｉが０．１質量％未満であると盛金性（濡れ性）が低下することから、Ｓｉの下限値を０．１質量％に規定している。
また、Ｓｉが３．０質量％を超えると相手攻撃性が増加することから、Ｓｉの上限値を３．０質量％に規定している。

＜Ｃ；０．０４質量％以下＞
Ｃが０．０４質量％を超えると、耐食性が低下し、耐食性の低い共晶組織を形成して腐食することで相手のバルブシートに対する相手攻撃性が増加し、さらには、固溶Ｃｒ，Ｍｏが減少することで耐食性が低下することから、Ｃの上限値を０．０４質量％に規定している。

＜Ｎｉ；１５質量％以下＞
Ｎｉは、盛金の靭性および耐食性の向上に寄与する元素である。Ｎｉが１５質量％を超えると、耐摩耗性が低下し、盛金性が悪化することから、Ｎｉの上限値を１５質量％に規定している。

＜Ｗ；９質量％以下＞
Ｗは、盛金の耐摩耗性の向上に寄与する元素である。Ｗが９質量％を超えると融点が上昇し、融点の上昇に起因して盛金性が悪化することから、Ｗの上限値を９質量％に規定している。

＜Ｆｅ；３０質量％以下＞
Ｆｅは、盛金の靭性の向上に寄与する元素である。Ｆｅが３０質量％を超えると耐食性が低下することから、Ｆｅの上限値を３０質量％に規定している。

＜Ｍｎ；３質量％以下＞
Ｍｎは、盛金性の改善に寄与する元素である。Ｍｎが３質量％を超えると耐摩耗性が低下することから、Ｍｎの上限値を３質量％に規定している。

＜Ｓ；０．４質量％以下＞
Ｓは、盛金性（濡れ性）およびブローホール排出促進性の向上に寄与する元素である。Ｓが０．４質量％を超えると凝固割れが発生することから、Ｓの上限値を０．４質量％に規定している。

なお、既述する特許文献１に記載されるコバルト基盛金合金のＣ量が０．０５〜３質量％であるのに対して、本発明のエンジンバルブ用コバルト基盛金合金のＣ量は０．０４質量％以下である。

特許文献１に記載されるコバルト基盛金合金はＣ量が０．０５質量％以上であることから、硬質な炭化物相を生成し易く、炭化物相が多くなることで相手攻撃性が高くなる傾向にあり、盛金の相手攻撃性が高くなり過ぎることは、相手のバルブシートの摩耗の増加に直結する。また、炭化物生成によって固溶Ｃｒ、Ｍｏが減少し、耐凝着性や耐食性が低下する傾向にある。

これに対し、本発明のコバルト基盛金合金のＣ量は０．０４質量％以下であることから、相手攻撃性を低減することができ、相手のバルブシートの摩耗を抑制することが可能になる。また、Ｃ量が少なくなることで炭化物の生成が抑制され、このことによって固溶Ｃｒ、Ｍｏの減少も抑制される結果、高い耐食性と耐凝着性を備えたコバルト基盛金合金となる。

また、盛金部２０を有するエンジンバルブ１０を備えたエンジンでは、エンジン用の燃料として、エタノールおよびエタノール混合ガソリンやＣＮＧ、ＬＰＧのいずれか一種を適用するものが挙げられる。

このエンジンは、Ｃ量が０．０４質量％以下に設定されたコバルト基盛金合金からなる盛金材を肉盛りした盛金部２０を有するエンジンバルブ１０を備えていることから、厳しい腐食環境や凝着環境の下にあっても、エンジンバルブ１０の相手のバルブシートの摩耗が抑制され、高い耐久性を有するエンジンとなる。

（エンジンバルブの耐食性、エンジンバルブとバルブシートの耐摩耗性等を検証した実験とその結果）
本発明者等は、エンジンバルブの耐食性、エンジンバルブとバルブシートの耐摩耗性、盛金ビード等を検証する実験をおこなった。以下の表１に、本発明のコバルト基盛金合金（実施例１〜１１）と、比較例１〜１９の盛金合金のそれぞれの組成を示し、表２に、各コバルト基盛金合金の耐食性、耐摩耗性、盛金ビード、および実機摩耗に関する実験結果を示す。また、摩耗試験の結果に関し、特に、エンジンバルブおよびバルブシートの合計摩耗量とコバルト基盛金合金のＣ量の関係を以下の表３と図２，３に示し、腐食試験前後の実施例および参考例のＳＥＭ画像図を図４に示している。ここで、表３における参考例１，２は既述する特許文献１に開示のコバルト基盛金合金である。なお、エンジンバルブの相手のバルブシートは、Ｆｅ系バルブシートであり、Ｆｅ−１６Ｍｏ−２１Ｃｏ−２．４Ｍｎ−１．１Ｃ（いずれも質量％）である。

まず、エンジンバルブの耐食性に関する実験は、平面寸法が２０ｍｍ×２０ｍｍで高さ２ｍｍの試験体の試験面（鏡面研磨した面）をｐＨ２．０の腐食液に２４時間浸漬し、試験面の断面をＳＥＭ観察し、試験面の最表層の腐食の有無を確認した。

また、耐摩耗性に関する実験は、プラズマ盛金法でエンジンバルブのバルブフェースに盛金し（出力１３０Ａ、処理速度８ｍｍ／秒）、単体摩耗試験を実施し、軸方向摩耗量１７０μｍを閾値とし、１７０μｍ以上を表２，３では不可（×）とした。

ここで、単体摩耗試験の概要を説明すると、この試験は、盛金材の相手攻撃性と耐摩耗性を調べるための試験である。具体的には、プロパンガスバーナーを加熱源に用い、肉盛されたバルブフェースと、Ｃｕ系材料およびＦｅ系焼結材料からなるバルブシートとの摺動部をプロパンガス燃焼雰囲気とした。バルブシートの温度を２００℃に制御し、スプリングによりバルブフェースとバルブシートとの接触時に１７６Ｎの荷重を付与し、２０００回／分の割合でバルブフェースとバルブシートを接触させて８時間の摩耗試験をおこなった。この摩耗試験において、基準位置からのバルブの沈み量を測定した。このバルブの沈み量は、エンジンバルブがバルブシートと接触することによって双方が摩耗した摩耗量（摩耗深さ）に相当するものである。

また、盛金ビードに関する実験は、盛金性が悪く、バルブフェースへの盛金加工が可能か否かを検証し、表２，３では、盛金加工できるもの可（○）、盛金加工できないものを不可（×）とした。

さらに、実機摩耗に関する実験は、２４００ｃｃのガソリンエンジンを用い、アルコール含有燃料を用いて３００時間の実機耐久試験を実施し、表２，３では、摩耗量（エンジンバルブとバルブシートの合計摩耗量）の限界値基準値を１００として示している。

[表１]

[表２]

[表３]

[表４]

表２より、実施例１〜１１はいずれも、耐食性、耐摩耗性、および盛金性に優れていることが分かった。

また、実機摩耗に関しては、実験対象の実施例１，９でいずれも摩耗量の限界基準値１００を下回り、良好な結果を示している。

対して、各比較例は、耐食性と耐摩耗性、盛金性のいずれかを満足せず、実施摩耗の実験対象である比較例２，３はいずれも摩耗量の限界基準値１００以上の結果になっている。

また、表３と図２，３より、Ｃ量が０．０５質量％以上の参考例１，２（特許文献１に開示のコバルト基盛金合金）はいずれも摩耗量の限界基準値１００以上の結果になっているのに対して、Ｃ量が０．０４質量％以下の実施例１，９，１２はいずれも摩耗量の限界基準値１００を下回り、良好な結果を示している。

また、図４より、腐食試験前後のＳＥＭ画像において、参考例２では腐食試験後に硬質相ができて腐食が確認されたのに対して、実施例６では腐食試験の前後でいずれも腐食がないことが観察されている。

さらに、表４より、Ｃ量が０．０４質量％以下、Ｓ量が０．４質量％以下の実施例１３，１４はいずれも、耐食性、耐摩耗性、および盛金性に優れているのに対して、Ｓ量が０．５質量％以上の比較例２０は凝固割れが生じ、盛金性に問題があることが確認されている。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１０…エンジンバルブ、２０…盛金部

Claims

質量％で、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％以下を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物元素（ただし、Ｃｏ量は３０％以上）からなることを特徴とするエンジンバルブ用コバルト基盛金合金。
請求項１に記載のコバルト基盛金合金からなる盛金材が肉盛りされてなるエンジンバルブを備えたエンジンであって、エンジン用の燃料が、エタノールおよびエタノール混合ガソリン、ＣＮＧ、ＬＰＧのいずれか一種からなるエンジン。