JPH05141213A - 内燃機関用吸・排気バルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バルブ材質としての要求性能に沿う軽量性、
耐熱性および耐久性を備える内燃機関用吸・排気バルブ
を提供する。 【構成】 円柱形状の軸部２と該軸部に連続して形成さ
れる円錐形状のフェース部３を備えたエンジンバルブに
おいて、軸部２およびフェース部３がチタニウムアルミ
ナイドからなり、軸部２にＴｉＮ８、フェース部３にＮ
ｉ合金７がコーティングされ、軸端部に鋼製キャップ８
を被着した構造。軸部２およびフェース部３を構成する
チタニウムアルミナイドは、反応焼結により成形された
ＴｉＡｌ金属間化合物であることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、優れた耐摩耗性および
耐熱性を有する内燃機関用吸・排気バルブに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車の軽量化要求に伴って、装
備される内燃機関用の部材に対しても高性能化に加えて
軽量化が求められている。とくにエンジンバルブにおい
ては、軽量化することによりバルブの慣性質量が小さく
なって内燃機関の回転数を高めることが可能となるた
め、その軽量化が自動車の性能を向上させる大きな要因
となっている。

【０００３】エンジンバルブは吸気で 200〜450 ℃、排
気で600〜800 ℃の高温かつ酸化腐食性雰囲気に曝され
ながら高応力下で作動する関係で、材質として高度の機
械的強度と耐熱性が要求される。このため、従来、鋼あ
るいはＮｉ合金等の金属材料で構成されているが、これ
ら材料は軽量化の要求に対しては満足しない。これより
軽量なバルブ材料としては、作動温度が低い吸気バルブ
として一部Ｔｉ合金が使用されているに過ぎない。

【０００４】チタニウムアルミナイド（Ｔｉ−Ａｌ系金
属間化合物）は高温強度に優れた軽量材料であり、排気
バルブの作動温度 800℃付近での高温強度はバルブ鋼で
あるＳＵＨ35とほぼ同等で、密度は約1/2 である。この
ため、内燃機関の部材として有用性が期待されている
が、チタニウムアルミナイドの硬さはＨv 230 程度であ
ってバルブ材料としては耐久性の点で必ずしも十分では
ない。

【０００５】耐久性の付与については、従来から使用さ
れている排気バルブにおいてもバルブの各部位に種々の
表面処理を施す手段が講じられている。通常、軸部には
タフトライト処理が施され、フェース部にはＣｏ合金が
盛金され、更に軸端部には浸炭処理がなされている。し
たがって、チタニウムアルミナイド(TiAl)をエンジンバ
ルブとして適用する場合にも各部位に適切な表面処理を
施すことにより耐久性の向上を図ることが期待される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ＴｉＡｌに
表面処理を施す有効な手段は未だに知られておらず、こ
のためチタニウムアルミナイドをエンジンバルブに適用
した例はこれまで見当たらない。

【０００７】本発明は基材にチタニウムアルミナイド(T
iAl)を用いてエンジンバルブに好適な表面処理を施す技
術について多角的に検討を加えた結果として開発された
もので、その目的はバルブの各部位にそれぞれ最適な表
面処理を施し、バルブ材質としての要求性能を十分満足
する軽量性、耐熱性および耐久性を付与したＴｉＡｌ製
の内燃機関用吸・排気バルブを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による内燃機関用吸・排気バルブは、円柱形
状の軸部と該軸部に連続して形成される円錐形状のフェ
ース部を備えた内燃機関用吸・排気バルブにおいて、軸
部およびフェース部がチタニウムアルミナイドからな
り、軸部にＴｉＮ、フェース部にＮｉ合金がコーティン
グされ、軸端部に鋼製キャップを被着してなることを構
成上の特徴とする。

【０００９】図１に示したように、本発明の内燃機関用
吸・排気バルブ１は溝部４および軸端部５を備える円柱
形状の軸部２の先端に円錐形状を有するフェース部３を
一体形成した形状を呈しており、バルブの基体は好まし
くは反応焼結により成形されたチタニウムアルミナイド
により構成されている。そして、各部位は表面加工によ
り軸部２にはＴｉＮが被覆され、フェース部３にはＮｉ
合金が被覆され、軸端部５には鋼製キャップが被着され
ている点に構造的な要部がある。

【００１０】このような構成を備える内燃機関用吸・排
気バルブは、次の工程によって製造される。まず、バル
ブ形状のチタニウムアルミナイド基体を、Ｔｉ地金とＡ
ｌ地金とを所定の組成になるように配合し、アーク溶解
炉で溶解して鋳塊を作製したのち、高温鍛造、押出加工
等の塑性加工を施し、これを切削して加工形成すること
によって成形する。別の基体成形手段としては、Ｔｉ粉
末とＡｌまたはＡｌ−Ｍｎ合金、Ａｌ−Ｃｒ合金などの
Ａｌ合金粉末を所定のＴｉ−Ａｌ配合組成となるように
混合し、ＣＩＰ処理により圧粉体とし、該圧粉体をＡｌ
缶に封入して脱気したのちホットプレスによりビレット
を作製し、押出加工等による塑性加工および切削加工を
施して略バルブ形状に成形する。ついで、これを高温、
高圧、非酸化性雰囲気の下でＨＩＰ処理し、反応焼結を
介してチタニウムアルミナイドに転化させたのち切削加
工を施してバルブ形状に成形する方法を採ることができ
る。

【００１１】成形されたバルブ形状のチタミウムアルミ
ナイド基体は、図２〜６に示す段階で所定部分に表面処
理加工をおこなう。まず、基材のフェース部３に図２に
示すような凹部６を形成する一次加工を施し、該凹部６
の上面に高温下の耐食性および耐摩耗性を付与するため
にＮｉ合金７を溶射してコーティングする〔図３〕。フ
ェース部３に溶射された余分なＮｉ合金部分を平滑に切
削する二次加工〔図４〕をおこなったのち、軸端部５に
鋼製キャップ８を圧入もしくはろう材等により接合して
被着する（図５）。この鋼製キャップ８には、必要に応
じて耐摩耗性を付与するために被着前後に浸炭、窒化、
焼入れ等の処理を施すことができる。ついで、バルブガ
イドとの焼付き防止等を図るため軸部２にイオンプレー
ティング等の手段によりＴｉＮをコーティングして表面
にＴｉＮ層９を形成し、内燃機関用吸・排気バルブ１を
完成する〔図６〕。なお、これら表面処理における工程
段階の順序は固定的ではなく、適宜に変更することがで
きる。

【００１２】

【作用】本発明の内燃機関用吸・排気バルブは、基体が
軽量で高温強度に優れるチタニウムアルミナイドで構成
され、各部位にそれぞれの要求性能に応じた適切な表面
処理が施されているため、高度の耐熱性、耐摩耗性およ
び耐食性が付与される。したがって、全体として極めて
耐久性の高いものとなる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。

【００１４】実施例１ Ｔｉ−33.5％Ａｌ−2.5 ％Ｍｎ(mass ％、以下同じ) の
組成となるようにＴｉ粉末（粒径 150μm 以下) とＡｌ
−Ｍｎ合金粉末（粒径 150μm 以下) を混合し、ＣＩＰ
により充填率80％の圧粉体とした。この圧粉体をＡｌ缶
に封入し、400℃で24時間脱気したのち、その温度でホ
ットプレスにより充填率 100％の押出し用ビレットを作
製した。

【００１５】このビレットを 400℃で押出加工し、所定
の形状に切断して冷間鍛造をおこない、図１に近い形状
に鍛造加工した。得られた鍛造材をＨＩＰ処理により反
応焼結し、ＴｉＡｌ金属間化合物からなるバルブ素材を
形成した。この際のＨＩＰ条件は、温度1300℃、圧力16
0MPa、時間５h とした。ついで、切削加工を施してバル
ブ形状の基体を成形した。

【００１６】前記のチタニウムアルミナイドからなる基
体のフェース部３に凹部６を設け、Ｎｉ合金７を溶射し
て肉盛りしたのち余分な肉盛り部分を平滑に切削除去し
てＮｉ合金のコーティング層を形成した（図２〜４参
照）。ついで、軸端部５に浸炭処理を施したマルテンサ
イト鋼製キャップ８を圧入して被着した（図５参照）。
引き続き、軸部２の表面にイオンプレーティング法を用
いてＴｉＮをコーティングし、膜厚２μm のＴｉＮ層９
を形成した（図６参照）。

【００１７】このようにして成形された内燃機関用吸・
排気バルブにつき各部位の硬度を測定したところ、Ｎｉ
合金コーティング部はＲc ＝50以上、鋼製キャップ端面
ではＨv ＝600 以上、ＴｉＮ層はＨv ＝1000以上であっ
た。

【００１８】実施例２ Ｔｉ−33.5％Ａｌ−2.5 ％Ｍｎの組成となるようにＴｉ
地金、Ａｌ地金およびＡｌ−Ｍｎ中間合金を配合してア
ーク溶解炉で溶解し、押出し用ビレットに鋳造した。こ
のビレットを1200℃の温度で押出加工したのち切削して
ＴｉＡｌ製のバルブ基体を作製した。この基体に実施例
１と同一の表面処理加工を施して内燃機関用吸・排気バ
ルブを成形し、表面処理した各部位の硬度を測定した結
果、Ｎｉ合金コーティング部はＲc ＝50以上、ＴｉＮ層
はＨv ＝1000以上、鋼製キャップ端面はＨv ＝600 以上
であることが認められた。

【００１９】実施例３ Ｔｉ−34％Ａｌの組成になるようにＴｉ地金とＡｌ地金
を配合してアーク溶解炉で溶解し、押出し用ビレットを
鋳造した。このビレットを1200℃の温度で押出加工した
のち切削してＴｉＡｌ製のバルブ基体を作製した。この
基体に実施例１と同一の表面処理加工を施して内燃機関
用吸・排気バルブを成形し、表面処理した各部位の硬度
を測定した結果、Ｎｉ合金コーティング部はＲc＝50以
上、鋼製キャップ端面はＨv ＝600 以上、ＴｉＮ層はＨ
v ＝1000以上であった。

【００２０】実施例４ 実施例１と同一のＴｉＡｌ金属間化合物からなるバルブ
基体のフェース部３に凹部６を切削加工し、この部分に
Ｎｉ合金を溶射したのち余分の肉盛り部分を除去してＮ
ｉ合金のコーティングをおこなった（図２〜４参照）。
該コーティング部の硬度を測定したところ、Ｒc ＝50以
上であった。

【００２１】次に軸端部５に浸炭処理を施したマルテン
サイト鋼製キャップ８をろう付けにより接合した（図５
参照）。ろう付けはＴｉ−Ｚｒ−Ｃｕ−Ｎｉ合金をろう
材とし、温度 900℃、時間10分の条件で真空中でおこな
った。このようにして被着したキャップ端面の硬度は、
Ｈv ＝600 以上であった。

【００２２】ついで、軸部２の表面にイオンプレーティ
ングによりＴｉＮ層９を形成した（図６参照）。形成し
たＴｉＮ層９の厚さは２μm で、硬度はＨv ＝1000以上
であった。

【００２３】実施例５ 実施例１〜４の内燃機関用吸・排気バルブを乗用車用ガ
ソリンエンジンに装着し、回転数3000rpm 、時間50h の
条件でエンジン試験をおこなった。試験後のバルブにつ
き摩耗状況を調査した結果、質量減量は全く認められ
ず、試験前と同一の形状寸法を保持していた。

【００２４】比較例１〜２ 実施例１および３と同一方法でチタニウムアルミナイド
からなるバルブ基体を作製し、この基体を表面処理加工
を施すことなくそのまま切削加工して内燃機関用吸・排
気バルブを形成した。これらのバルブを乗用車用ガソリ
ンエンジンに装着し、実施例５と同一条件でエンジン試
験をおこなった。試験後のバルブを取り出して調査した
ところ、いずれも軸端部で150mg の質量減量が測定さ
れ、軸部およびフェース部には多数の擦過痕が発生して
かなりの摩耗が認められた。

【００２５】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば軸部、フ
ェース部および軸端部の各部位に耐久性を与えるための
最適な表面加工を施すことにより、軽量で耐熱性に優れ
るチタニウムアルミナイド（ＴｉＡｌ金属間化合物）を
内燃機関用吸・排気バルブの構成材料として利用するこ
とが可能となる。したがって、車両の高性能化および軽
量化の要求を満たすエンジンバルブを工業的に供給する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内燃機関用吸・排気バルブを示した斜
視図である。

【図２】本発明の内燃機関用吸・排気バルブを作製する
段階における一次加工工程後の形態を示した断面図であ
る。

【図３】本発明の内燃機関用吸・排気バルブを作製する
段階におけるＮｉ合金溶射工程後の形態を示した断面図
である。

【図４】本発明の内燃機関用吸・排気バルブを作製する
段階における二次加工工程後の形態を示した断面図であ
る。

【図５】本発明の内燃機関用吸・排気バルブを作製する
段階におけるキャップ被着工程後の形態を示した断面図
である。

【図６】本発明の内燃機関用吸・排気バルブを作製する
段階におけるＴｉＮコーティング工程後の完成形態を示
した断面図である。

【符号の説明】

１ 内燃機関用吸・排気バルブ ２ 軸部 ３ フェース部 ４ 溝部 ５ 軸端部 ６ 凹部 ７ Ｎｉ合金 ８ 鋼製キャップ ９ ＴｉＮ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 直栄 東京都港区新橋５丁目11番３号 住友軽金 属工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円柱形状の軸部と該軸部に連続して形成
   される円錐形状のフェース部を備えた内燃機関用吸・排
   気バルブにおいて、軸部およびフェース部がチタニウム
   アルミナイドからなり、軸部にＴｉＮ、フェース部にＮ
   ｉ合金がコーティングされ、軸端部に鋼製キャップを被
   着してなることを特徴とする内燃機関用吸・排気バル
   ブ。
2. 【請求項２】 軸部およびフェース部が反応焼結により
   成形されたチタニウムアルミナイドからなる請求項１記
   載の内燃機関用吸・排気バルブ。