JP2002097914A - チタン合金製エンジンバルブ及びその製造方法 - Google Patents
チタン合金製エンジンバルブ及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 チタン合金よりなるバルブ本体の表面の耐摩
耗性を、窒化やメッキ等の表面処理によることなく、向
上させることができるようにしたチタン合金製エンジン
バルブ及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 軸部２の一端に傘部３が連設されたチタ
ン合金よりなるバルブ本体４における少なくとも耐摩耗
性が要求される表面に、酸素拡散層または酸素拡散及び
浸炭層を形成する。
耗性を、窒化やメッキ等の表面処理によることなく、向
上させることができるようにしたチタン合金製エンジン
バルブ及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 軸部２の一端に傘部３が連設されたチタ
ン合金よりなるバルブ本体４における少なくとも耐摩耗
性が要求される表面に、酸素拡散層または酸素拡散及び
浸炭層を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、他の動弁部品と接
触する部分等の耐摩耗性を向上させたチタン合金製エン
ジンバルブ及びその製造方法に関する。
触する部分等の耐摩耗性を向上させたチタン合金製エン
ジンバルブ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、動弁系の慣性質量を軽減して、エ
ンジン性能を向上させる目的から、エンジンの吸、排気
バルブを、従来の耐熱鋼に代えて、チタン合金により形
成する試みがなされている。しかし、チタンは、活性を
有するため、他の金属と凝着を起こし易く、また耐摩耗
性も十分ではない。
ンジン性能を向上させる目的から、エンジンの吸、排気
バルブを、従来の耐熱鋼に代えて、チタン合金により形
成する試みがなされている。しかし、チタンは、活性を
有するため、他の金属と凝着を起こし易く、また耐摩耗
性も十分ではない。
【０００３】そのため、チタン合金製のバルブの表面
に、窒化や酸化(例えば特許第３０２２０１５号公報参
照)又は浸炭処理(例えば特許第２９０９３６１号公報参
照)を施したり、Ｎiメッキ等による表面処理を施すなど
して、その耐摩耗性を向上させているのが通例である。
に、窒化や酸化(例えば特許第３０２２０１５号公報参
照)又は浸炭処理(例えば特許第２９０９３６１号公報参
照)を施したり、Ｎiメッキ等による表面処理を施すなど
して、その耐摩耗性を向上させているのが通例である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記窒化や酸化処理を
施したバルブは、充分な耐摩耗性を有しているが、硬質
となり過ぎるため、相手側部材に対する攻撃性が大き
い。そのため、バルブと接触する他の動弁系部品の材質
を変更するなどの対策を講じなくてはならず、コスト高
となる。
施したバルブは、充分な耐摩耗性を有しているが、硬質
となり過ぎるため、相手側部材に対する攻撃性が大き
い。そのため、バルブと接触する他の動弁系部品の材質
を変更するなどの対策を講じなくてはならず、コスト高
となる。
【０００５】また、酸化処理は、通常、空気又は酸素が
十分に供給された雰囲気においてワークを高温（７５０
〜８５０℃）に保持して行われるため、酸素の拡散浸透
速度が早く、表面には硬くて脆い酸化物層(ＴiＯ２、Ｔ
ｉ２Ｏ３等)が生成され、それが剥離し易くなる。
十分に供給された雰囲気においてワークを高温（７５０
〜８５０℃）に保持して行われるため、酸素の拡散浸透
速度が早く、表面には硬くて脆い酸化物層(ＴiＯ２、Ｔ
ｉ２Ｏ３等)が生成され、それが剥離し易くなる。
【０００６】バルブの表面に単に浸炭処理を施したのみ
では、十分な耐摩耗性を得ることは難しい。Ｎiメッキ
等の表面処理を施したバルブは、耐熱性が十分ではな
く、排気バルブとして使用するには不適当である。
では、十分な耐摩耗性を得ることは難しい。Ｎiメッキ
等の表面処理を施したバルブは、耐熱性が十分ではな
く、排気バルブとして使用するには不適当である。
【０００７】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、雰囲気の酸素量を最適に調整することにより、酸
化物を生成することなく、表面の耐摩耗性を大幅に向上
させうるようにした、チタン合金製エンジンバルブ及び
その製造方法を提供することを目的としている。
ので、雰囲気の酸素量を最適に調整することにより、酸
化物を生成することなく、表面の耐摩耗性を大幅に向上
させうるようにした、チタン合金製エンジンバルブ及び
その製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題は次のようにして解決される。
題は次のようにして解決される。
【０００９】(１) チタン合金製エンジンバルブにおい
て、軸部の一端に傘部が連設されたチタン合金よりなる
バルブ本体の表面に、Ｔｉ−Ｏ固溶体よりなる酸素拡散
層を形成する。
て、軸部の一端に傘部が連設されたチタン合金よりなる
バルブ本体の表面に、Ｔｉ−Ｏ固溶体よりなる酸素拡散
層を形成する。
【００１０】(２) 軸部の一端に傘部が連設されたチタ
ン合金よりなるバルブ本体の表面に、Ｔｉ−Ｏ−Ｃ固溶
体よりなる酸素及び炭素の拡散層を形成する。
ン合金よりなるバルブ本体の表面に、Ｔｉ−Ｏ−Ｃ固溶
体よりなる酸素及び炭素の拡散層を形成する。
【００１１】(３) 上記(１)または(２)項において、拡
散層の厚さを、バルブ本体の表面から少なくとも５０μ
ｍとする。
散層の厚さを、バルブ本体の表面から少なくとも５０μ
ｍとする。
【００１２】(４) 上記(１)〜(３)項のいずれかにおい
て、拡散層における酸素濃度(全原子数に対する酸素原
子の割合)を、４〜１２％とする。
て、拡散層における酸素濃度(全原子数に対する酸素原
子の割合)を、４〜１２％とする。
【００１３】(５) 上記(２)、または(２)に従属する
(３)または(４)において、拡散層における炭素濃度を、
４〜６％とする。
(３)または(４)において、拡散層における炭素濃度を、
４〜６％とする。
【００１４】(６) 上記(１)〜(５)項のいずれかにおい
て、バルブ本体を、α相、α＋β相又はβ相のいずれか
よりなるチタン合金により形成する。
て、バルブ本体を、α相、α＋β相又はβ相のいずれか
よりなるチタン合金により形成する。
【００１５】(７) チタン合金製エンジンバルブの製造
方法において、軸部の一端に傘部が連設された形状とし
たチタン合金よりなるバルブ本体を、チタン酸化物を形
成する化学量論的量より少ない酸素を含む雰囲気におい
て、チタン合金のβ変態点より低い温度で所定時間加熱
することにより、バルブ本体の表面より酸素原子を浸透
させて、Ｔi-Ｏ固溶体よりなる酸素拡散層を形成し、バ
ルブ本体の表面を強化する。
方法において、軸部の一端に傘部が連設された形状とし
たチタン合金よりなるバルブ本体を、チタン酸化物を形
成する化学量論的量より少ない酸素を含む雰囲気におい
て、チタン合金のβ変態点より低い温度で所定時間加熱
することにより、バルブ本体の表面より酸素原子を浸透
させて、Ｔi-Ｏ固溶体よりなる酸素拡散層を形成し、バ
ルブ本体の表面を強化する。
【００１６】(８) 上記(７)項において、雰囲気中の酸
素の濃度を、バルブ本体の表面積に対して、1.10×10
−７ g/cm２ 〜1.47×10−６g/cm２とし、かつ雰囲気を
真空に近い状態とする。
素の濃度を、バルブ本体の表面積に対して、1.10×10
−７ g/cm２ 〜1.47×10−６g/cm２とし、かつ雰囲気を
真空に近い状態とする。
【００１７】(９) 上記(７)または(８)項において、バ
ルブ本体の加熱温度を、７００〜８４０℃とする。
ルブ本体の加熱温度を、７００〜８４０℃とする。
【００１８】(１０) 上記(７)〜(９)項のいずれかにお
いて、加熱時間を、１〜４時間とする。
いて、加熱時間を、１〜４時間とする。
【００１９】(１１) 軸部の一端に傘部が連設された
形状としたチタン合金よりなるバルブ本体を、チタン酸
化物を形成する化学量論的量より少ない酸素と、浸炭ガ
スとを含むプラズマ真空炉内において、チタン合金のβ
変態点より低い温度で所定時間加熱保持することによ
り、バルブ本体の表面より酸素原子と炭素原子とを浸透
させて、Ｔi-Ｏ−Ｃ固溶体よりなる酸素及び炭素の拡散
層を形成し、バルブ本体の表面を強化する。
形状としたチタン合金よりなるバルブ本体を、チタン酸
化物を形成する化学量論的量より少ない酸素と、浸炭ガ
スとを含むプラズマ真空炉内において、チタン合金のβ
変態点より低い温度で所定時間加熱保持することによ
り、バルブ本体の表面より酸素原子と炭素原子とを浸透
させて、Ｔi-Ｏ−Ｃ固溶体よりなる酸素及び炭素の拡散
層を形成し、バルブ本体の表面を強化する。
【００２０】上記(３)〜(５)項のようにしたのは、少な
くともそれらの値としたときの効果が実験により確認さ
れているからである。
くともそれらの値としたときの効果が実験により確認さ
れているからである。
【００２１】上記(７)項及び(１１)項において、雰囲気
中に含める酸素の量を、チタン酸化物を形成する化学量
論的量より少なくしたのは、チタン酸化物を形成させな
いようにするためであり、また、加熱温度をチタン合金
のβ変態点より低い温度としたのは、チタン合金の組織
が針状化して靭性が低下するのを防止するためである。
中に含める酸素の量を、チタン酸化物を形成する化学量
論的量より少なくしたのは、チタン酸化物を形成させな
いようにするためであり、また、加熱温度をチタン合金
のβ変態点より低い温度としたのは、チタン合金の組織
が針状化して靭性が低下するのを防止するためである。
【００２２】上記(８)項のように、酸素濃度を、1.10×
10−７g/cm２〜1.47×10−６g/cm２としたのは、1.10×
10−７g/cm２以下であると、表面の硬さが十分でなく、
1.47×10−６ g/cm２以上であると、酸素がＴiと化合し
て、チタン酸化物を生成し、表面に酸化膜を形成してし
まうからである。
10−７g/cm２〜1.47×10−６g/cm２としたのは、1.10×
10−７g/cm２以下であると、表面の硬さが十分でなく、
1.47×10−６ g/cm２以上であると、酸素がＴiと化合し
て、チタン酸化物を生成し、表面に酸化膜を形成してし
まうからである。
【００２３】上記(９)項のように、バルブ本体の加熱温
度を、７００〜８４０℃としたのは、700℃以下である
と、酸素の拡散浸透が十分に行われないため、硬さが十
分でなく、850℃以上であると、エンジンバルブが変形
してしまうので、実用に適さないからである。そのう
ち、750℃〜800℃とするのが好ましい。
度を、７００〜８４０℃としたのは、700℃以下である
と、酸素の拡散浸透が十分に行われないため、硬さが十
分でなく、850℃以上であると、エンジンバルブが変形
してしまうので、実用に適さないからである。そのう
ち、750℃〜800℃とするのが好ましい。
【００２４】上記(１０)項のように、加熱時間を、１〜
４時間としたのは、１時間以下であると、硬さが十分で
なく、４時間以上であると、処理時間が長くなり、バル
ブの生産性が低下するからである。そのうち、２〜３時
間とするのがより好ましい。
４時間としたのは、１時間以下であると、硬さが十分で
なく、４時間以上であると、処理時間が長くなり、バル
ブの生産性が低下するからである。そのうち、２〜３時
間とするのがより好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を、図面
に基づいて説明する。図１は、本発明のチタン合金製エ
ンジンバルブ(１)を示すもので、軸部(２)の下端に傘部
(３)が連設されたバルブ本体(４)は、α＋β相よりなる
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖであるチタン合金で作られている。
その他に、α相よりなるＴｉ−５Ａｌ−２.５Ｓｎ系合
金、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓ
ｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ系合金、β相を少量（１０％以下）
含有するα＋β相（Ｎearα）よりなるＴｉ−６Ａｌ−
２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ
系合金、又はβ相よりなるＴｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３
Ａ１、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａ１系合金により形
成されていてもよい。
に基づいて説明する。図１は、本発明のチタン合金製エ
ンジンバルブ(１)を示すもので、軸部(２)の下端に傘部
(３)が連設されたバルブ本体(４)は、α＋β相よりなる
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖであるチタン合金で作られている。
その他に、α相よりなるＴｉ−５Ａｌ−２.５Ｓｎ系合
金、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓ
ｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ系合金、β相を少量（１０％以下）
含有するα＋β相（Ｎearα）よりなるＴｉ−６Ａｌ−
２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ
系合金、又はβ相よりなるＴｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３
Ａ１、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａ１系合金により形
成されていてもよい。
【００２６】バルブ本体(４)における耐摩耗性が要求さ
れる部分、すなわち、弁フェース部(５)、軸部(２)にお
けるバルブガイド（図示略）との摺接部(６)、コッタ溝
(７)、及び軸端面(８)の表面を硬化するために、次のよ
うにして表面処理を施した。
れる部分、すなわち、弁フェース部(５)、軸部(２)にお
けるバルブガイド（図示略）との摺接部(６)、コッタ溝
(７)、及び軸端面(８)の表面を硬化するために、次のよ
うにして表面処理を施した。
【００２７】図２に示すように、上述した各種のチタン
合金により形成したエンジンバルブ(１)を、真空加熱炉
(９)内に挿入し、酸素濃度、時間、温度を、表１に示す
ように定めて、バルブ本体(４)の表面に酸素拡散層が形
成されるようにした。酸素濃度は、チタン酸化物を形成
させないようにするため、チタン酸化物を形成する化学
量論的量より少なく設定した。また、加熱温度は、チタ
ン合金のβ変態点（９９５℃）より低い温度に設定し
た。それは、チタン合金の組織が針状化して靭性が低下
するのを防止するためである。
合金により形成したエンジンバルブ(１)を、真空加熱炉
(９)内に挿入し、酸素濃度、時間、温度を、表１に示す
ように定めて、バルブ本体(４)の表面に酸素拡散層が形
成されるようにした。酸素濃度は、チタン酸化物を形成
させないようにするため、チタン酸化物を形成する化学
量論的量より少なく設定した。また、加熱温度は、チタ
ン合金のβ変態点（９９５℃）より低い温度に設定し
た。それは、チタン合金の組織が針状化して靭性が低下
するのを防止するためである。
【００２８】（実施例１）1.10×10−７g/cm２の酸素濃
度及び750℃の温度で、４時間加熱したのち、窒素ガス
により常温まで、強制冷却した。硬度は、良で、変形は
小であった。 （実施例２)1.83×10−７g/cm２の酸素濃度及び800℃の
温度で、３時間加熱したのち、窒素ガスにより常温ま
で、強制冷却した。硬度は、良で、変形は小であった。 （実施例３）1.42×10−６g/cm２の酸素濃度及び700℃
の温度で、２時間加熱したのち、窒素ガスにより常温ま
で、強制冷却した。硬度は、良で、変形は小であった。 （実施例４）1.47×10−６g/cm２の酸素濃度及び800℃
の温度で、３時間加熱したのち、窒素ガスにより常温ま
で、強制冷却した。硬度は、良で、変形は小であった。
度及び750℃の温度で、４時間加熱したのち、窒素ガス
により常温まで、強制冷却した。硬度は、良で、変形は
小であった。 （実施例２)1.83×10−７g/cm２の酸素濃度及び800℃の
温度で、３時間加熱したのち、窒素ガスにより常温ま
で、強制冷却した。硬度は、良で、変形は小であった。 （実施例３）1.42×10−６g/cm２の酸素濃度及び700℃
の温度で、２時間加熱したのち、窒素ガスにより常温ま
で、強制冷却した。硬度は、良で、変形は小であった。 （実施例４）1.47×10−６g/cm２の酸素濃度及び800℃
の温度で、３時間加熱したのち、窒素ガスにより常温ま
で、強制冷却した。硬度は、良で、変形は小であった。
【００２９】以下は比較例である。 （比較例１）1.08×10−７g/cm２の酸素濃度及び700℃
の温度で、２時間加熱したのち、窒素ガスにより常温ま
で、強制冷却した。変形は小であったが、硬度が不適で
あった。 （比較例２）1.50×10−６g/cm２の酸素濃度及び800℃
の温度で、３時間加熱したのち、窒素ガスにより常温ま
で、強制冷却した。変形は小であったが、酸素濃度が高
過ぎたために、ＯがＴiと化合し、バルブ表面にＴiＯ２
よりなる酸化膜が形成された。 （比較例３）1.40×10−６g/cm２の酸素濃度及び850℃
の温度で、２時間加熱したのち、窒素ガスにより常温ま
で、強制冷却した。温度が高過ぎたために、バルブの変
形量が大きく、実用に適さなかった。
の温度で、２時間加熱したのち、窒素ガスにより常温ま
で、強制冷却した。変形は小であったが、硬度が不適で
あった。 （比較例２）1.50×10−６g/cm２の酸素濃度及び800℃
の温度で、３時間加熱したのち、窒素ガスにより常温ま
で、強制冷却した。変形は小であったが、酸素濃度が高
過ぎたために、ＯがＴiと化合し、バルブ表面にＴiＯ２
よりなる酸化膜が形成された。 （比較例３）1.40×10−６g/cm２の酸素濃度及び850℃
の温度で、２時間加熱したのち、窒素ガスにより常温ま
で、強制冷却した。温度が高過ぎたために、バルブの変
形量が大きく、実用に適さなかった。
【００３０】
【表１】
【００３１】図３は、本発明による実施例１〜４におい
て、電界放射型オージェ電子分光装置により、各深さに
おいて測定した酸素濃度の平均値を示している。横軸
は、エンジンバルブの表面からの深さを、縦軸は酸素濃
度を示している。酸素濃度の単位「atomic%」とは、
「分析された全原子数に対しての酸素原子の割合」を意
味する。
て、電界放射型オージェ電子分光装置により、各深さに
おいて測定した酸素濃度の平均値を示している。横軸
は、エンジンバルブの表面からの深さを、縦軸は酸素濃
度を示している。酸素濃度の単位「atomic%」とは、
「分析された全原子数に対しての酸素原子の割合」を意
味する。
【００３２】また、微小部Ｘ線回析装置によるＸ線回析
の結果から、チタンの酸化物は確認されず、酸素原子が
チタンと化合せずに、酸素原子のままで、チタン原子と
侵入型固溶体を形成していることが確認されている。
の結果から、チタンの酸化物は確認されず、酸素原子が
チタンと化合せずに、酸素原子のままで、チタン原子と
侵入型固溶体を形成していることが確認されている。
【００３３】図６は、実施例１〜４のエンジンバルブ
(１)における軸部の断面の硬度分布と、同一素材よりな
る未処理バルブにおける軸部の断面の硬度分布とをマイ
クロビッカース硬度計（島津製作所社製）により測定し
たときの測定結果を示す。
(１)における軸部の断面の硬度分布と、同一素材よりな
る未処理バルブにおける軸部の断面の硬度分布とをマイ
クロビッカース硬度計（島津製作所社製）により測定し
たときの測定結果を示す。
【００３４】この硬度分布図から明らかなように、未処
理バルブの、深さ５０μｍまでの硬さが、概ね３５０HV
前後であるのに対し、本発明のバルブ(１)の硬さは全体
的に高く、特に、ほぼ１５μｍまでの表層の硬さは、約
５００〜６３０HV前後あり、極めて高い硬度を有するこ
とが確認された。
理バルブの、深さ５０μｍまでの硬さが、概ね３５０HV
前後であるのに対し、本発明のバルブ(１)の硬さは全体
的に高く、特に、ほぼ１５μｍまでの表層の硬さは、約
５００〜６３０HV前後あり、極めて高い硬度を有するこ
とが確認された。
【００３５】エンジンバルブ(１)に要求される耐摩耗性
及び硬度は、ほぼ５０μｍ程度の深さまでであり、図３
と図４から、表面から約５０μｍまでの深さの部分にお
ける酸素濃度を、約１２〜４％の範囲とすれば、十分な
耐摩耗性及び硬度が得られることがわかる。
及び硬度は、ほぼ５０μｍ程度の深さまでであり、図３
と図４から、表面から約５０μｍまでの深さの部分にお
ける酸素濃度を、約１２〜４％の範囲とすれば、十分な
耐摩耗性及び硬度が得られることがわかる。
【００３６】なお、表面の酸素濃度を１２％を超えるよ
うにすると、硬度は向上するが、脆くなるため、その数
値を上限とするのが好ましい。
うにすると、硬度は向上するが、脆くなるため、その数
値を上限とするのが好ましい。
【００３７】次に、バルブ本体(４)の表面に、酸素拡散
と浸炭とが共存する層を形成する表面処理方法について
説明する。この方法は、軸部の一端に傘部が連設された
形状としたチタン合金よりなるバルブ本体を、チタン酸
化物を形成する化学量論的量より少ない酸素と、浸炭ガ
スとを含むプラズマ真空炉内において、チタン合金のβ
変態点より低い温度で所定時間加熱保持することによ
り、バルブ本体の表面より酸素原子と炭素原子とを浸透
させて、Ｔi-Ｏ−Ｃ固溶体よりなる酸素と炭素との拡散
層(以下酸素拡散及び浸炭層という)を形成し、バルブ本
体の表面を強化する方法である。
と浸炭とが共存する層を形成する表面処理方法について
説明する。この方法は、軸部の一端に傘部が連設された
形状としたチタン合金よりなるバルブ本体を、チタン酸
化物を形成する化学量論的量より少ない酸素と、浸炭ガ
スとを含むプラズマ真空炉内において、チタン合金のβ
変態点より低い温度で所定時間加熱保持することによ
り、バルブ本体の表面より酸素原子と炭素原子とを浸透
させて、Ｔi-Ｏ−Ｃ固溶体よりなる酸素と炭素との拡散
層(以下酸素拡散及び浸炭層という)を形成し、バルブ本
体の表面を強化する方法である。
【００３８】（実施例５）Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ系チタン
合金を熱間鍛造して、上記形状のバルブ本体(４)を成形
した後、これを図４に示すようなプラズマ真空浸炭炉(1
0)に挿入し、炉内を上記実施例２と同様の酸素濃度、す
なわち1.83×10−７g/cm２の酸素濃度とし、約800℃の
温度で、３時間加熱する。
合金を熱間鍛造して、上記形状のバルブ本体(４)を成形
した後、これを図４に示すようなプラズマ真空浸炭炉(1
0)に挿入し、炉内を上記実施例２と同様の酸素濃度、す
なわち1.83×10−７g/cm２の酸素濃度とし、約800℃の
温度で、３時間加熱する。
【００３９】次いで、炉内に浸炭ガスとしてプロパンガ
スを導入し、炉内でグロー放電させて、イオン浸炭処理
を行ない、その後窒素ガスにより常温まで強制冷却し
た。硬度は、良で、変形は小であった。
スを導入し、炉内でグロー放電させて、イオン浸炭処理
を行ない、その後窒素ガスにより常温まで強制冷却し
た。硬度は、良で、変形は小であった。
【００４０】このようにして得られたエンジンバルブ
(１)の表面からの深さと酸素濃度及び炭素濃度の関係を
図５に、また軸部の断面硬度分布を図７に示している。
(１)の表面からの深さと酸素濃度及び炭素濃度の関係を
図５に、また軸部の断面硬度分布を図７に示している。
【００４１】微小部Ｘ線回析装置のＸ線回析の結果によ
ると、バルブ本体(４)の表面には炭化チタンは確認され
ているが、チタンの酸化物は確認されていないことか
ら、それと図５とから、酸素原子はチタンと化合せず
に、酸素原子のままで、また炭素原子も一部はチタンと
化合して炭化チタンとなるが、残部は炭素原子のまま
で、チタン原子と侵入型固溶体を形成していることがう
かがえる。
ると、バルブ本体(４)の表面には炭化チタンは確認され
ているが、チタンの酸化物は確認されていないことか
ら、それと図５とから、酸素原子はチタンと化合せず
に、酸素原子のままで、また炭素原子も一部はチタンと
化合して炭化チタンとなるが、残部は炭素原子のまま
で、チタン原子と侵入型固溶体を形成していることがう
かがえる。
【００４２】また、図７から、実施例５のものでは、比
較例である同一素材よりなる未処理バルブに比して、全
体的に硬度が高く、特に、表面からほぼ１５μｍまでの
深さの硬さを、ほぼ５３０ＨＶの均一な値に維持できて
いることがわかる。これによって、相手攻撃性の緩和
と、耐摩耗性の向上との両方を達成することができた。
較例である同一素材よりなる未処理バルブに比して、全
体的に硬度が高く、特に、表面からほぼ１５μｍまでの
深さの硬さを、ほぼ５３０ＨＶの均一な値に維持できて
いることがわかる。これによって、相手攻撃性の緩和
と、耐摩耗性の向上との両方を達成することができた。
【００４３】さらに、図６と図７とを比較すると、表層
付近の硬度が図７の方が図６よりも低下しており、この
ことから、酸素拡散層に浸炭を施すと、表層が硬質とな
り過ぎるのが防止され、相手攻撃性が緩和されることが
うかがえる。
付近の硬度が図７の方が図６よりも低下しており、この
ことから、酸素拡散層に浸炭を施すと、表層が硬質とな
り過ぎるのが防止され、相手攻撃性が緩和されることが
うかがえる。
【００４４】本願の発明者らは、上記の要領で、酸素拡
散層を形成したものと、酸素拡散及び浸炭層を形成した
試験片を、上記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ系合金と、ニアα相
のＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ系合金とを素
材として２種類製作し、摩耗試験を行った。
散層を形成したものと、酸素拡散及び浸炭層を形成した
試験片を、上記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ系合金と、ニアα相
のＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ系合金とを素
材として２種類製作し、摩耗試験を行った。
【００４５】まず、摩耗試験機の概略と試験方法につい
て説明する。図８は、クロスバー摩耗試験機と称されて
いるもので、水平をなすモータ(11)と、その回転軸(11
a)の先端の直上に、軸線同士が直交するように上下動可
能に設けられた、試験片の固定治具(12)と、この固定治
具(12)上に載置される錘(13)とからなっている。
て説明する。図８は、クロスバー摩耗試験機と称されて
いるもので、水平をなすモータ(11)と、その回転軸(11
a)の先端の直上に、軸線同士が直交するように上下動可
能に設けられた、試験片の固定治具(12)と、この固定治
具(12)上に載置される錘(13)とからなっている。
【００４６】試験方法としては、まず回転軸(11a)の先
端部に、相手部材としてのスチール製（例えば焼結金
属）の円板状のチップ(14)を、外周面を平滑に研摩する
とともに、脱脂処理を施して同心状に取付ける。
端部に、相手部材としてのスチール製（例えば焼結金
属）の円板状のチップ(14)を、外周面を平滑に研摩する
とともに、脱脂処理を施して同心状に取付ける。
【００４７】ついで、固定治具(12)の下面に、脱脂処理
された、下端面が平滑な軸状の試験片(15)を取付けたの
ち、その下端面の外周部寄りを、チップ(14)の上端面に
接触させる。
された、下端面が平滑な軸状の試験片(15)を取付けたの
ち、その下端面の外周部寄りを、チップ(14)の上端面に
接触させる。
【００４８】ついで、固定治具(11)の上面に１Ｋｇの錘
(13)を載せてモータ(11)を作動させ、チップ(14)を一定
速度で回転させる。錘(13)は、チップ(14)と試験片(15)
との摺接部が、５０ｍに相当する距離を摺動する毎（モ
ータの回転数とチップの外径により検出する）に、５０
０ｇずつ追加していく。
(13)を載せてモータ(11)を作動させ、チップ(14)を一定
速度で回転させる。錘(13)は、チップ(14)と試験片(15)
との摺接部が、５０ｍに相当する距離を摺動する毎（モ
ータの回転数とチップの外径により検出する）に、５０
０ｇずつ追加していく。
【００４９】試験は、試験片(15)におけるチップ(14)と
の接触面に焼き付きやかじり等が発生するか、又は３５
０ｍ摺動したところで終了する。
の接触面に焼き付きやかじり等が発生するか、又は３５
０ｍ摺動したところで終了する。
【００５０】上記試験方法により得られた結果を図９に
示す。図９において、比較例１である(Ａ)及び(Ｂ)は、
それぞれ、表面処理を施していないＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ
系合金とＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ系合
金、比較例２である(Ｃ)及び(Ｄ)は、それぞれ、上記と
同じ合金に酸化処理を施したもの、本発明の(Ｅ)及び
(Ｆ)は、同じく上記と同一合金に酸素拡散層のみを形成
したもの、本発明の(Ｇ)及び(Ｈ)は、同じく上記と同一
合金に酸素拡散及び浸炭層を形成したものを示してい
る。
示す。図９において、比較例１である(Ａ)及び(Ｂ)は、
それぞれ、表面処理を施していないＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ
系合金とＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ系合
金、比較例２である(Ｃ)及び(Ｄ)は、それぞれ、上記と
同じ合金に酸化処理を施したもの、本発明の(Ｅ)及び
(Ｆ)は、同じく上記と同一合金に酸素拡散層のみを形成
したもの、本発明の(Ｇ)及び(Ｈ)は、同じく上記と同一
合金に酸素拡散及び浸炭層を形成したものを示してい
る。
【００５１】図９から明らかなように、本発明を適用し
て製作した試験片(Ｅ)〜(Ｈ)における焼き付き等発生摺
動距離は、表面処理を施していない比較例１よりも大幅
に延びており、かつ酸化処理を施した比較例２のものと
同様、３５０ｍまで摺動させても、焼き付き等の発生は
なく、極めて高い耐摩耗性を有することが実証された。
従って、エンジンバルブ(１)についても、各部の耐摩耗
性が大幅に高まることは明らかである。
て製作した試験片(Ｅ)〜(Ｈ)における焼き付き等発生摺
動距離は、表面処理を施していない比較例１よりも大幅
に延びており、かつ酸化処理を施した比較例２のものと
同様、３５０ｍまで摺動させても、焼き付き等の発生は
なく、極めて高い耐摩耗性を有することが実証された。
従って、エンジンバルブ(１)についても、各部の耐摩耗
性が大幅に高まることは明らかである。
【００５２】また、本願の発明者らは、図１０に示すよ
うに、上述のような各処理を施した直径６mmの丸棒より
なる試験片(16)を製作し、その両端を支点として中央に
荷重を加え、その部分を約１mm撓ませる曲げ試験を行
い、そのときの表層の状態を調査した。
うに、上述のような各処理を施した直径６mmの丸棒より
なる試験片(16)を製作し、その両端を支点として中央に
荷重を加え、その部分を約１mm撓ませる曲げ試験を行
い、そのときの表層の状態を調査した。
【００５３】その結果、酸化処理を施した試験片(16)で
は、表層に剥離が生じ、酸素拡散層のみの試験片(16)で
は、表層にクラックが発生し、酸素拡散及び浸炭層を施
した試験片(16)の表層には、何ら異常が認められなかっ
た。
は、表層に剥離が生じ、酸素拡散層のみの試験片(16)で
は、表層にクラックが発生し、酸素拡散及び浸炭層を施
した試験片(16)の表層には、何ら異常が認められなかっ
た。
【００５４】この結果を考察すると、酸化処理を施した
試験片については、従来技術において説明したように、
表層に生成された硬くて脆い酸化物が剥離したものと考
えられ、酸素拡散層のみのものは、表層の硬度が高くな
り過ぎた結果のクラックと考えられ、また酸素拡散及び
浸炭層を施したものについては、表層の硬度が若干低下
したことによる効果と考えられる。
試験片については、従来技術において説明したように、
表層に生成された硬くて脆い酸化物が剥離したものと考
えられ、酸素拡散層のみのものは、表層の硬度が高くな
り過ぎた結果のクラックと考えられ、また酸素拡散及び
浸炭層を施したものについては、表層の硬度が若干低下
したことによる効果と考えられる。
【００５５】以上説明したように、本発明においては、
バルブ本体の表面に酸素拡散層、又は酸素拡散と浸炭と
をほぼ同時に行った酸素拡散及び浸炭層を形成すること
により、表層の硬度及び耐摩耗性を大幅に高めうるの
で、エンジンバルブの耐久性が向上し、かつ従来困難で
あった排気バルブにも使用可能となる。特に、酸素拡散
と浸炭とを同時に行うと、相手攻撃性の緩和と、エンジ
ンバルブに要求される耐摩耗性(硬さ)の向上とを両立さ
せることができる。なお、本発明は、バルブ本体の素材
がＴｉ−Ａｌの金属間化合物よりなるものにおいても適
用することができる。
バルブ本体の表面に酸素拡散層、又は酸素拡散と浸炭と
をほぼ同時に行った酸素拡散及び浸炭層を形成すること
により、表層の硬度及び耐摩耗性を大幅に高めうるの
で、エンジンバルブの耐久性が向上し、かつ従来困難で
あった排気バルブにも使用可能となる。特に、酸素拡散
と浸炭とを同時に行うと、相手攻撃性の緩和と、エンジ
ンバルブに要求される耐摩耗性(硬さ)の向上とを両立さ
せることができる。なお、本発明は、バルブ本体の素材
がＴｉ−Ａｌの金属間化合物よりなるものにおいても適
用することができる。
【００５６】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、従来のよ
うな窒化や酸化、浸炭、メッキ等の表面処理によること
なく、必要な部分の耐摩耗性を大幅に高めることがで
き、チタン合金製エンジンバルブの耐久性を向上させう
る。
うな窒化や酸化、浸炭、メッキ等の表面処理によること
なく、必要な部分の耐摩耗性を大幅に高めることがで
き、チタン合金製エンジンバルブの耐久性を向上させう
る。
【００５７】請求項２記載の発明によれば、上記請求項
１の効果に加えて、表層の硬度を酸素拡散層のみの場合
よりも若干低下させうるので、相手攻撃性の小さいバル
ブが得られる。
１の効果に加えて、表層の硬度を酸素拡散層のみの場合
よりも若干低下させうるので、相手攻撃性の小さいバル
ブが得られる。
【００５８】請求項３〜５記載の各発明によれば、請求
項１及び２の効果をより確実なものとすることができ
る。
項１及び２の効果をより確実なものとすることができ
る。
【００５９】請求項６記載の発明によれば、バルブ本体
の素材自体の引張延性や疲労強度が高いので、強靱で長
寿命のエンジンバルブが得られる。
の素材自体の引張延性や疲労強度が高いので、強靱で長
寿命のエンジンバルブが得られる。
【００６０】請求項７記載の発明によれば、バルブ本体
を針状組織化させたり、表面に酸化物（ＴｉＯ２等）を
形成させたりすることなく、表面に酸素拡散層を容易に
形成することができ、耐摩耗性に優れるエンジンバルブ
が得られる。
を針状組織化させたり、表面に酸化物（ＴｉＯ２等）を
形成させたりすることなく、表面に酸素拡散層を容易に
形成することができ、耐摩耗性に優れるエンジンバルブ
が得られる。
【００６１】請求項８〜１０記載の発明によれば、請求
項７の効果をより確実なものとすることができる。
項７の効果をより確実なものとすることができる。
【００６２】請求項１１記載の発明によれば、バルブ本
体を針状組織化させたり、表面に酸化物を形成させたり
することなく、表面に酸素拡散と浸炭とが共存し、単独
の酸素拡散層より優れた性質を有する層を簡単に形成す
ることができ、相手攻撃性の小さい、耐摩耗性に優れる
エンジンバルブが得られる。
体を針状組織化させたり、表面に酸化物を形成させたり
することなく、表面に酸素拡散と浸炭とが共存し、単独
の酸素拡散層より優れた性質を有する層を簡単に形成す
ることができ、相手攻撃性の小さい、耐摩耗性に優れる
エンジンバルブが得られる。
【図１】本発明のエンジンバルブの正面図である。
【図２】同じく、酸素拡散層を形成する要領を示す概略
図である。
図である。
【図３】同じく、拡散させる酸素濃度分布の一例を示す
グラフである。
グラフである。
【図４】同じく、酸素拡散及び浸炭層を形成する要領を
示す概略図である。
示す概略図である。
【図５】同じく、拡散させる酸素と炭素の濃度分布の一
例を示すグラフである。
例を示すグラフである。
【図６】同じく、酸素拡散層処理後の断面硬度分布を示
す図である。
す図である。
【図７】同じく、酸素拡散及び浸炭層処理後の断面硬度
分布を示す図である。
分布を示す図である。
【図８】摩耗試験機とそれによる本発明を適用して製作
した試験片の試験方法を示す正面図である。
した試験片の試験方法を示す正面図である。
【図９】酸素拡散層、及び酸素拡散及び浸炭層を形成し
た試験片の摩耗試験の結果を、比較例と共にグラフ化し
た図である。
た試験片の摩耗試験の結果を、比較例と共にグラフ化し
た図である。
【図１０】同じく、棒状試験片による曲げ試験の要領を
示す正面図である。
示す正面図である。
(１)エンジンバルブ (２)軸部 (３)傘部 (４)バルブ本体 (５)弁フェース部 (６)摺接部 (７)コッタ溝 (８)軸端面 (９)真空加熱炉 (10)プラズマ真空浸炭炉 (11)モータ (12)固定治具 (13)錘 (14)チップ (15)(16)試験片
Claims (11)
- 【請求項１】 軸部の一端に傘部が連設されたチタン合
金よりなるバルブ本体の表面に、Ｔｉ−Ｏ固溶体よりな
る酸素拡散層を形成したことを特徴とするチタン合金製
エンジンバルブ。 - 【請求項２】 軸部の一端に傘部が連設されたチタン合
金よりなるバルブ本体の表面に、Ｔｉ−Ｏ−Ｃ固溶体よ
りなる酸素及び炭素の拡散層を形成したことを特徴とす
るチタン合金製エンジンバルブ。 - 【請求項３】 拡散層の厚さを、バルブ本体の表面から
少なくとも５０μｍとした請求項１または２記載のチタ
ン合金製エンジンバルブ。 - 【請求項４】 拡散層における酸素濃度(全原子数に対
する酸素原子の割合)を、４〜１２％とした請求項１〜
３のいずれかに記載のチタン合金製エンジンバルブ。 - 【請求項５】 拡散層における炭素濃度を、４〜６％と
した請求項２、または請求項２に従属する請求項３また
は４に記載のチタン合金製エンジンバルブ。 - 【請求項６】 バルブ本体を、α相、α＋β相又はβ相
のいずれかよりなるチタン合金により形成した請求項１
〜５のいずれかに記載のチタン合金製エンジンバルブ。 - 【請求項７】 軸部の一端に傘部が連設された形状とし
たチタン合金よりなるバルブ本体を、チタン酸化物を形
成する化学量論的量より少ない酸素を含む雰囲気におい
て、チタン合金のβ変態点より低い温度で所定時間加熱
することにより、バルブ本体の表面より酸素原子を浸透
させて、Ｔi-Ｏ固溶体よりなる酸素拡散層を形成し、バ
ルブ本体の表面を強化することを特徴とするチタン合金
製エンジンバルブの製造方法。 - 【請求項８】 雰囲気中の酸素の濃度を、バルブ本体の
表面積に対して、1.10×10−７ g/cm２ 〜1.47×10−６
g/cmとし、かつ雰囲気を真空に近い状態とした請求項７
記載のチタン合金製エンジンバルブの製造方法。 - 【請求項９】 バルブ本体の加熱温度を、７００〜８４
０℃とした請求項７または８記載のチタン合金製エンジ
ンバルブの製造方法。 - 【請求項１０】 加熱時間を、１〜４時間とした請求項
７〜９のいずれかに記載のチタン合金製エンジンバルブ
の製造方法。 - 【請求項１１】 軸部の一端に傘部が連設された形状と
したチタン合金よりなるバルブ本体を、チタン酸化物を
形成する化学量論的量より少ない酸素と、浸炭ガスとを
含むプラズマ真空炉内において、チタン合金のβ変態点
より低い温度で所定時間加熱保持することにより、バル
ブ本体の表面より酸素原子と炭素原子とを浸透させて、
Ｔi-Ｏ−Ｃ固溶体よりなる酸素及び炭素の拡散層を形成
し、バルブ本体の表面を強化することを特徴とするチタ
ン合金製エンジンバルブの製造方法。
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