(57)【要約】【課題】疎な皮膜が形成されるのを抑制することができるコールドスプレー式の成膜方法を提供する。【解決手段】環状バルブシート部１６ｃを有するシリンダヘッド粗材３とコールドスプレー装置２のノズル２３ｄとを、前記環状バルブシート部１６ｃに対する成膜軌跡Ｔに沿って相対的に移動させ、原料粉末供給部２２から供給される原料粉末を前記ノズル２３ｄから噴射しながら、前記環状バルブシート部１６ｃに皮膜を形成する成膜方法において、前記原料粉末供給部２２は、前記原料粉末が投入されるホッパー２２１と、前記ホッパー２２１からの原料粉末を時間的に異なる体積に計量する計量部２２ｂと、を備え、前記計量部２２ｂは、前記成膜軌跡Ｔに沿った膜体積に相関した形状とされている。【選択図】  図１６
2020164935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被成膜部を有するワークとコールドスプレー装置のノズルとを、前記被成膜部に対する成膜軌跡に沿って相対的に移動させ、原料粉末供給部から供給される原料粉末を前記ノズルから噴射しながら、前記被成膜部に皮膜を形成する成膜方法において、
前記原料粉末供給部は、前記原料粉末が投入されるホッパーと、前記ホッパーからの原料粉末を時間的に異なる体積に計量する計量部と、を備え、
前記計量部は、前記成膜軌跡に沿った膜体積に相関した形状とされている成膜方法。
【請求項２】
前記計量部は、
ディスクと、
前記ディスクを一定の回転速度で回転させる駆動部と、
前記ディスクの上面に形成され、前記被成膜部の成膜軌跡の一単位に対応し、前記ホッパーからの原料粉末を受容する環状溝部と、を備える請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
前記環状溝部の底面が、前記成膜軌跡に沿った膜体積に相関する深さとされている請求項２に記載の成膜方法。
【請求項４】
前記ワークと前記ノズルとの相対的な移動軌跡は、一の成膜軌跡と他の成膜軌跡とを接続する接続軌跡を含み、
前記接続軌跡に対応する前記環状溝部の体積は、他の成膜軌跡に対応する体積より小さく設定されている請求項２又は３に記載の成膜方法。
【請求項５】
前記計量部は、前記環状溝部の開口上縁を水平に均して余剰の原料粉末を擦り切り除去する請求項２〜４のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項６】
前記ワークがエンジンのシリンダヘッド粗材、前記被成膜部が環状バルブシート部であり、
前記成膜軌跡は、前記環状バルブシート部の上の所定位置を成膜始点及び成膜終点とする円形軌跡であり、
前記成膜軌跡のうち、膜が重なる成膜始点及び成膜終点を含む所定距離の範囲の計量部の体積の総和は、膜が重ならない範囲のうち前記所定距離に相当する範囲の計量部の体積を目標体積とするように設定されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレー法による成膜方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンバルブの着座部に、コールドスプレー法により金属等の原料粉末を吹き付けることにより、優れた高温耐磨耗性を有するバルブシートを形成できるようにした摺動部材の製造方法が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１７／０２２５０５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
自動車用エンジンは、マルチバルブ化により複数の吸気バルブ及び排気バルブを備える。そのため、複数のバルブの着座部に、コールドスプレー法によってバルブシートを形成する場合には、シリンダヘッドとコールドスプレー装置のノズルとを相対的に移動させて、複数の着座部とノズルとを順次に対向させるとともに、ノズルに対向された着座部にノズルから原料粉末を吐出して吹き付ける必要がある。
【０００５】
コールドスプレー装置は、原料粉末の噴射を中断すると、再び原料粉末が安定して吹き付けられるようになるまでに数分間の待機時間を必要とする。そのため、原料粉末の噴射を中断することなくできる限り連続して行うようにすることが望ましい。しかしながら、一つのバルブシート膜を形成する場合、３６０°の円を描くようにノズルとシリンダヘッドとを相対移動させるが、円軌跡の成膜始点と成膜終点でラップ部分が生じたり、成膜始点又は成膜終点にノズルの移動速度がゼロになる折り返し点が生じたりする。
【０００６】
ここで、ラップ部分の１層目に折り返し点が生じる軌跡では、１層目の成膜始点の端部傾斜が急峻となり、ここに２層目を噴射すると原料粉末の偏平化が阻害され、疎な皮膜となる。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、疎な皮膜が形成されるのを抑制することができるコールドスプレー式の成膜方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、被成膜部とノズルとを成膜軌跡に沿って相対的に移動させ、原料粉末供給部から供給される原料粉末をノズルから噴射しながら、被成膜部に皮膜を形成する成膜方法において、原料粉末供給部を、原料粉末が投入されるホッパーと、ホッパーからの原料粉末を時間的に異なる体積に計量する計量部と、を備えるように構成し、計量部を、成膜軌跡に沿った膜体積に相関した形状とすることによって上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、計量部が成膜軌跡に沿った膜体積に相関した形状とされているので、ノズルの相対的移動速度の変動に応じて原料粉末の供給量が変動する。その結果、１層目の成膜始点に端部傾斜が急峻になるのが抑制されるので、疎な皮膜が形成されるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係るコールドスプレー装置を用いてバルブシート膜を形成するシリンダヘッドを示す断面図である。
【図２】図１のバルブ周辺の拡大断面図である。
【図３】本発明に係るコールドスプレー装置の一実施の形態を示す構成図である。
【図４】本発明に係るコールドスプレー装置の一実施の形態のスプレーガンを示す正面図である。
【図５】図４のV-V線に沿う断面図である。
【図６】図４のスプレーガンをオフセットした状態を示す正面図である。
【図７】本発明に係るコールドスプレー装置を含む成膜工場を示す正面図である。
【図８】図７の平面図である。
【図９】本発明に係るコールドスプレー装置を用いてシリンダヘッドを製造する手順を示す工程図である。
【図１０】本発明に係るコールドスプレー装置を用いてバルブシート膜が形成されるシリンダヘッド粗材の斜視図である。
【図１１】図１０のXI-XI線に沿う吸気ポートを示す断面図である。
【図１２】図１１の吸気ポートに切削工程で環状バルブシート部を形成した状態を示す断面図である。
【図１３】図１２の吸気ポートにバルブシート膜を形成する状態を示す断面図である。
【図１４】バルブシート膜が形成された吸気ポートを示す断面図である。
【図１５】図９の仕上工程後の吸気ポートを示す断面図である。
【図１６】図３の原料粉末供給部を示す断面図である。
【図１７】図１６の計量部を示す斜視図である。
【図１８】図１７のXVIII−XVIII線に沿う断面図である。
【図１９】本発明に係る成膜方法において、コールドスプレー装置のノズルが吸気ポート及び排気ポートの開口部上を移動する際の移動軌跡の一例を示すシリンダヘッド粗材の平面図である。
【図２０】図１９の一つの吸気ポートに対する移動軌跡を示す平面図である。
【図２１】図２０の移動軌跡に対応する計量部（ディスク）の形状を示す平面図である。
【図２２】図２１のXXII−XXII線に沿う展開断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。初めに、本実施形態の成膜方法及びコールドスプレー装置を適用して好ましい、バルブシート膜を備える内燃機関１について説明する。図１は、内燃機関１の断面図であり、主にシリンダヘッド周りの構成を示す。
【００１２】
内燃機関１は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上部に組み付けられたシリンダヘッド１２とを備える。この内燃機関１は、例えば、直列４気筒のガソリンエンジンであり、シリンダブロック１１は、図面奥行き方向に配列された４つのシリンダ１１ａを有する。各シリンダ１１ａは、図中の上下方向に往復移動するピストン１３を収容し、各ピストン１３は、コネクティングロッド１３ａを介して、図面奥行き方向に延びるクランクシャフト１４と連結している。
【００１３】
シリンダヘッド１２のシリンダブロック１１への取付面１２ａであって、各シリンダ１１ａに対応する位置には、各気筒の燃焼室１５を構成する４つの凹部１２ｂが形成されている。燃焼室１５は、燃料と吸入空気との混合気を燃焼させるための空間であり、シリンダヘッド１２の凹部１２ｂと、ピストン１３の頂面１３ｂと、シリンダ１１ａの内周面とで構成される。
【００１４】
シリンダヘッド１２は、燃焼室１５と、シリンダヘッド１２の一方の側面１２ｃとを連通する吸気ポート１６を備える。吸気ポート１６は、屈曲した略円筒形状とされ、側面１２ｃに接続したインテークマニホールド（不図示）からの吸入空気を燃焼室１５内へ案内する。また、シリンダヘッド１２は、燃焼室１５と、シリンダヘッド１２の他方の側面１２ｄとを連通する排気ポート１７を備える。排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に屈曲した略円筒形状とされ、燃焼室１５で生じた排気を、側面１２ｄに接続したエキゾーストマニホールド（不図示）へ排出する。なお、本実施形態の内燃機関１は、１つのシリンダ１１ａに対し、吸気ポート１６と排気ポート１７とを２つずつ備える。
【００１５】
シリンダヘッド１２は、燃焼室１５に対して吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１８と、燃焼室１５に対して排気ポート１７を開閉する排気バルブ１９とを備える。吸気バルブ１８及び排気バルブ１９のそれぞれは、丸棒状のバルブステム１８ａ，１９ａと、バルブステム１８ａ，１９ａの先端に設けられた円盤状のバルブヘッド１８ｂ，１９ｂと、を備える。バルブステム１８ａ，１９ａは、シリンダヘッド１２に組み付けた略円筒形状のバルブガイド１８ｃ，１９ｃにスライド自在に挿通されている。これにより、吸気バルブ１８及び排気バルブ１９のそれぞれは、燃焼室１５に対し、バルブステム１８ａ，１９ａの軸方向に沿って移動自在となる。
【００１６】
図２に、燃焼室１５と、吸気ポート１６及び排気ポート１７との連通部分を拡大して示す。吸気ポート１６は、燃焼室１５との連通部分に略円形の開口部１６ａを備える。この開口部１６ａの環状縁部に、吸気バルブ１８のバルブヘッド１８ｂと当接する環状のバルブシート膜１６ｂが形成されている。そして、吸気バルブ１８が、バルブステム１８ａの軸方向に沿って上方に移動すると、バルブヘッド１８ｂの上面がバルブシート膜１６ｂに当接して吸気ポート１６を閉塞する。逆に、吸気バルブ１８が、バルブステム１８ａの軸方向に沿って下方に移動すると、バルブヘッド１８ｂの上面とバルブシート膜１６ｂとの間に隙間が形成されて吸気ポート１６を開放する。
【００１７】
排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に燃焼室１５との連通部分に略円形の開口部１７ａを備え、この開口部１７ａの環状縁部に、排気バルブ１９のバルブヘッド１９ｂと当接する環状のバルブシート膜１７ｂが形成されている。そして、排気バルブ１９が、バルブステム１９ａの軸方向に沿って上方に移動すると、バルブヘッド１９ｂの上面がバルブシート膜１７ｂに当接して排気ポート１７を閉塞する。逆に、排気バルブ１９が、バルブステム１９ａの軸方向に沿って下方に移動すると、バルブヘッド１９ｂの上面とバルブシート膜１７ｂとの間に隙間が形成されて排気ポート１７を開放する。なお、吸気ポート１６の開口部１６ａの直径は、排気ポート１７の開口部１７ａの直径より大きく設定されている。
【００１８】
４サイクルの内燃機関１においては、ピストン１３の下降時に吸気バルブ１８のみを開き、これにより吸気ポート１６からシリンダ１１ａ内に混合気を導入する（吸気行程）。続いて、吸気バルブ１８および排気バルブ１９を閉じた状態とし、ピストン１３を略上死点まで上昇させてシリンダ１１ａ内の混合気を圧縮する（圧縮行程）。そして、ピストン１３が略上死点に達したときに、点火プラグにより圧縮した混合気に点火することで当該混合気が爆発する。この爆発によりピストン１３は下死点まで下降し、連結されたクランクシャフト１４を介して爆発を回転力に変換する（燃焼・膨張行程）。最後に、ピストン１３が下死点に達し、再び上昇を開始すると、排気バルブ１９のみを開き、シリンダ１１ａ内の排気を排気ポート１７へ排出する（排気行程）。内燃機関１は、以上のサイクルを繰り返し行うことにより出力を発生する。
【００１９】
バルブシート膜１６ｂ，１７ｂは、シリンダヘッド１２の開口部１６ａ，１７ａの環状縁部にコールドスプレー法によって直接形成したものである。コールドスプレー法とは、原料粉末の融点又は軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速流とし、作動ガス中に搬送ガスによって搬送された原料粉末を投入してノズル先端より噴射し、固相状態のまま基材に衝突させ、原料粉末の塑性変形により皮膜を形成するものである。このコールドスプレー法は、材料を溶融させて基材に付着させる溶射法に比べ、大気中で酸化のない緻密な皮膜が得られ、材料粒子への熱影響が少ないので熱変質が抑えられ、成膜速度が速く、厚膜化が可能であり、付着効率が高いといった特性を有する。特に成膜速度が速く、厚膜が可能なことから、内燃機関１のバルブシート膜１６ｂ，１７ｂのような構造材料としての用途に適している。
【００２０】
図３は、上記のバルブシート膜１６ｂ，１７ｂの形成に用いられる本実施形態のコールドスプレー装置２を模式的に示した図である。本実施形態のコールドスプレー装置２は、作動ガス及び搬送ガスを供給するガス供給部２１と、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂの原料粉末を供給する原料粉末供給部２２と、原料粉末をその融点以下の作動ガスを用いて超音速流として噴射するスプレーガン２３と、ノズル２３ｄを冷却する冷媒循環回路２７と、を備える。
【００２１】
ガス供給部２１は、圧縮ガスボンベ２１ａ、作動ガスライン２１ｂ及び搬送ガスライン２１ｃを備える。作動ガスライン２１ｂ及び搬送ガスライン２１ｃは、それぞれ圧力調整器２１ｄ、流量調節弁２１ｅ、流量計２１ｆ及び圧力ゲージ２１ｇを備える。圧力調整器２１ｄ、流量調節弁２１ｅ、流量計２１ｆ及び圧力ゲージ２１ｇは、圧縮ガスボンベ２１ａからの作動ガス及び搬送ガスのそれぞれの圧力及び流量の調整に供される。
【００２２】
作動ガスライン２１ｂには、テープヒータなどのヒータ２１ｉが設置され、当該ヒータ２１ｉは、電力源２１ｈから電力供給線２１ｊ，２１ｊを介して電力が供給されることにより、作動ガスライン２１ｂを加熱する。作動ガスは、ヒータ２１ｉによって原料粉末の融点又は軟化点より低い温度に加熱された後、スプレーガン２３のチャンバ２３ａ内に導入される。チャンバ２３ａには、圧力計２３ｂと温度計２３ｃが設置され、それぞれの信号線２３ｇ，２３ｇを介して検出された圧力値と温度値がコントローラ（不図示）に出力され、圧力及び温度のフィードバック制御に供される。
【００２３】
一方、原料粉末供給部２２は、原料粉末供給装置２２ａと、これに付設される計量部２２ｂ及び原料粉末供給ライン２２ｃを備える。圧縮ガスボンベ２１ａからの搬送ガスは、搬送ガスライン２１ｃを通り、原料粉末供給装置２２ａに導入される。計量部２２ｂにより計量された所定量の原料粉末は、原料粉末供給ライン２２ｃを経て、チャンバ２３ａ内に搬送される。
【００２４】
スプレーガン２３は、搬送ガスによりチャンバ２３ａ内に搬送された原料粉末Ｐを、作動ガスにより超音速流としてノズル２３ｄの先端から噴射し、固相状態又は固液共存状態で基材２４に衝突させて皮膜２４ａを形成する。本実施形態では、基材２４としてシリンダヘッド１２を適用し、このシリンダヘッド１２の開口部１６ａ，１７ａの環状縁部にコールドスプレー法によって原料粉末Ｐを噴射することにより、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂを形成する。
【００２５】
ノズル２３ｄは、その内部に水などの冷媒が流れる流路（不図示）を備える。ノズル２３ｄは、その先端に、流路へ冷媒を導入する冷媒導入部２３ｅを備え、その基端に、流路内の冷媒を排出する冷媒排出部２３ｆを備える。ノズル２３ｄは、冷媒導入部２３ｅから流路に冷媒を導入し、流路内に冷媒を流し、冷媒排出部２３ｆから冷媒を排出することにより、ノズル２３ｄを冷却する。
【００２６】
ノズル２３ｄの流路に冷媒を循環させる冷媒循環回路２７は、冷媒を貯留するタンク２７１と、上述した冷媒導入部２３ｅに接続された導入管２７４と、導入管２７４に接続され、タンク２７１とノズル２３ｄとの間で冷媒を流動させるポンプ２７２と、冷媒を冷却する冷却器２７３と、冷媒排出部２３ｆに接続された排出管２７５と、を備える。冷却器２７３は、例えば、熱交換機等からなり、ノズル２３ｄを冷却して温度が上昇した冷媒を空気や水、ガスなどの冷媒との間で熱交換させて、冷媒を冷却する。
【００２７】
冷媒循環回路２７は、ポンプ２７２によってタンク２７１に貯留された冷媒を吸引し、冷却器２７３を介して冷媒導入部２３ｅに冷媒を供給する。冷媒導入部２３ｅに供給された冷媒は、ノズル２３ｄ内の流路を先端側から後端側に向かって流動し、その間にノズル２３ｄと熱交換することでノズル２３ｄを冷却する。流路の後端側まで流れた冷媒は、冷媒排出部２３ｆから排出管２７５に排出され、タンク２７１に戻る。このように、冷媒循環回路２７は、冷媒を冷却しながら循環させてノズル２３ｄを冷却するので、ノズル２３ｄの噴射通路への原料粉末Ｐの付着を抑制することができる。
【００２８】
シリンダヘッド１２のバルブシートには、燃焼室１５内におけるバルブからの叩き入力に耐え得る高い耐熱性及び耐磨耗性と、燃焼室１５の冷却のための高い熱伝導性とが要求される。これらの要求に対し、例えば、析出硬化型銅合金の粉末により形成したバルブシート膜１６ｂ，１７ｂによれば、鋳物用アルミ合金で形成したシリンダヘッド１２よりも硬く、耐熱性及び耐磨耗性に優れたバルブシートを得ることができる。
【００２９】
また、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂは、シリンダヘッド１２に直接形成しているので、ポート開口部に別部品のシートリングを圧入して形成する従来のバルブシートに比べ、高い熱伝導性を得ることができる。さらには、別部品のシートリングを利用する場合に比べ、冷却用のウォータジャケットとの近接化を図ることができる他、吸気ポート１６及び排気ポート１７のスロート径の拡大、ポート形状の最適化によるタンブル流の促進などの副次的効果も得ることができる。
【００３０】
バルブシート膜１６ｂ，１７ｂの形成に用いる原料粉末Ｐとしては、鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性及び熱伝導性が得られる金属であることが好ましく、例えば、上述した析出硬化型銅合金を用いることが好ましい。また、析出硬化型銅合金としては、ニッケル及びケイ素を含むコルソン合金や、クロムを含むクロム銅、ジルコニウムを含むジルコニウム銅等を用いてもよい。さらに、例えば、ニッケル、ケイ素及びクロムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型合金、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金等を適用することもできる。
【００３１】
また、複数種類の原料粉末、例えば、第１の原料粉末と第２の原料粉末とを混合してバルブシート膜１６ｂ，１７ｂを形成してもよい。この場合、第１の原料粉末には、鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性及び熱伝導性が得られる金属を用いることが好ましく、例えば、上述した析出硬化型銅合金を用いることが好ましい。また、第２の原料粉末としては、第１の原料粉末よりも硬質な金属を用いることが好ましい。この第２の原料粉末には、例えば、鉄基合金、コバルト基合金、クロム基合金、ニッケル基合金、モリブデン基合金等の合金や、セラミックス等を適用してもよい。また、これらの金属の１種を単独で、または２種以上を適宜組み合わせて用いてもよい。
【００３２】
第１の原料粉末と、第１の原料粉末よりも硬質な第２の原料粉末とを混合して形成したバルブシート膜は、析出硬化型銅合金のみで形成したバルブシート膜よりも優れた耐熱性、耐磨耗性を得ることができる。このような効果が得られるのは、第２の原料粉末により、シリンダヘッド１２の表面に存在する酸化皮膜が除去されて新生界面が露出形成され、シリンダヘッド１２と金属皮膜との密着性が向上するためと考えられる。また、第２の原料粉末がシリンダヘッド１２にめり込むことによるアンカー効果により、シリンダヘッド１２と金属皮膜との密着性が向上するためとも考えられる。さらには、第１の原料粉末が第２の原料粉末に衝突したときに、その運動エネルギの一部が熱エネルギに変換され、あるいは第１の原料粉末の一部が塑性変形する過程で発生する熱により、第１の原料粉末として用いた析出硬化型銅合金の一部における析出硬化がより促進されるためとも考えられる。
【００３３】
本実施形態のコールドスプレー装置２は、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂが形成されるシリンダヘッド１２を基台４５に固定する一方、スプレーガン２３のノズル２３ｄの先端を、シリンダヘッド１２の開口部１６ａ，１７ａの環状縁部に沿って回転させることで原料粉末を噴射する。シリンダヘッド１２は回転させないので、大きい占有スペースは不要になるとともに、シリンダヘッド１２に比べてスプレーガン２３の方が、慣性モーメントが小さいので、回転の過渡特性や応答性に優れる。ただし、スプレーガン２３には、図３に示すように、作動ガスライン２１ｂを構成する高圧配管（高圧ホース）が接続されるので、スプレーガン２３を回転させたときの作動ガスライン２１ｂのホースの捩れによる変形剛性が回転の過渡特性や応答性を阻害する可能性がある。そこで、本実施形態のコールドスプレー装置２は、図４〜図８に示すように構成することで、回転の過渡特性や応答性を高めるようにしている。
【００３４】
図４は、本発明に係るコールドスプレー装置２の一実施の形態のスプレーガン２３を示す正面図、図５は、図４のVI-VI線に沿う断面図、図６は、図４のスプレーガン２３をオフセットした状態を示す正面図、図７は、本発明に係るコールドスプレー装置２を含む成膜工場を示す正面図、図８は、図７の平面図である。
【００３５】
ワークであるシリンダヘッド１２は、図７〜図８に示す成膜工場４の成膜ブース４２の基台４５に所定の姿勢で載置される。たとえば、図１０に示すように、シリンダヘッド１２の凹部１２ｂが上面になるようにシリンダヘッド１２を基台４５に固定し、吸気ポート１６の開口部１６ａの中心線又は排気ポート１７の開口部１７ａの中心線が鉛直方向になるように基台４５を傾斜させる。
【００３６】
なお、成膜工場４は、成膜処理を実行する成膜ブース４２と、搬送ブース４１とを備え、成膜ブース４２に、シリンダヘッド１２を載置する基台４５と、スプレーガン２３を保持する産業用ロボット２５が設置されている。そして、成膜ブース４２の前段に搬送ブース４１を設け、外部とのシリンダヘッド１２の搬入・搬出はドア４３により行い、搬送ブース４１と成膜ブース４２との間のシリンダヘッド１２の搬入・搬出はドア４４により行う。たとえば、成膜ブース４２において一つのシリンダヘッド１２に対する成膜処理を行っている間に、その前に処理を終了したシリンダヘッド１２を搬送ブース４１から外部へ搬出する。コールドスプレー装置２による成膜処理は、超音速流の衝撃波による騒音が発生したり、原料粉末が飛散したりするため、搬送ブース４１を設置して、ドア４４を閉めて成膜処理を行うことで、処理後のシリンダヘッド１２の搬出や、処理前のシリンダヘッド１２の搬入など、成膜処理と同時に他の作業を行うことができる。
【００３７】
スプレーガン２３は、図７〜図８に示す成膜工場４の成膜ブース４２に設置された産業用ロボット２５のハンド２５１に固定されたベースプレート２６に回転可能に装着されている。以下、本実施形態のスプレーガン２３の構成について、図４〜図６を参照しながら説明する。まず図４に示すように、産業用ロボット２５のハンド２５１にはブラケット２５２が固定され、当該ブラケット２５２に対して回転可能にベースプレート２６が取り付けられ、当該ベースプレート２６にスプレーガン２３が固定されている。
【００３８】
より詳細には、図４及び図５に示すように、産業用ロボット２５のハンド２５１にはブラケット２５２が固定され、このブラケット２５２にモータ２９の本体が固定され、モータ２９の駆動軸２９１は、図示しないプーリ及びベルトを介して第１ベースプレート２６１に接続され、当該第1ベースプレート２６１をブラケットに対して回転させる。モータ２９は、たとえば最大３６０°の範囲を往復回転する。たとえば、一つの吸気ポート１６の開口部１６ａに対して、時計回りに３６０°駆動軸２９１を回転させることで原料粉末を噴射したら、反時計回りに３６０°駆動軸２９１を回転させて元の位置に戻し、次の吸気ポート１６の開口部１６ａに対しては、再び時計回りに３６０°駆動軸２９１を回転させることで原料粉末を噴射し、以降、これを繰り返す。
【００３９】
ベースプレート２６は、第１ベースプレート２６１と第２ベースプレート２６２からなり、これら第１ベースプレート２６１と第２ベースプレート２６２は、リニアガイド２８１を介して回転軸Ｃに直交する方向（図４の左右方向）にスライド可能に設けられている。そして、流体圧シリンダ２８２を駆動することにより、第１ベースプレート２６１に対する第２ベースプレート２６２のオフセット量を調節し、膜形成材料の噴射径Ｄを設定する。
【００４０】
第２ベースプレート２６２には、カバー２６３が装着され、その下端部にスプレーガン２３が固定されている。スプレーガン２３は、ノズル２３ｄの噴射方向が回転軸Ｃに向かうように、カバー２６３を介して第２ベースプレート２６２に固定されている。ただし、第２ベースプレート２６２は、上述したリニアガイド２８１及び流体圧シリンダ２８２により、第１ベースプレート２６１に対してオフセット可能であるため、スプレーガン２３のノズル２３ｄの先端の位置を、回転軸Ｃに対して水平方向に調節することができる。
【００４１】
このように、ノズル２３ｄの先端の位置を、図４に示す回転軸Ｃの線上から、図６に示すように回転軸Ｃから離れた位置に設定すると、ガン距離が同じである場合に、噴射径Ｄが小さくなる。吸気ポート１６の開口部１６ａは、排気ポート１７の開口部１７ａに比べて大径であるため、吸気ポート１６の開口部１６ａにバルブシート膜１６ｂを形成する場合には図４に示す回転軸Ｃ側の位置とし、排気ポート１７の開口部１７ａにバルブシート膜１７ｂを形成する場合には図６に示す回転軸Ｃから離れた位置とすればよい。
【００４２】
図３に示す圧縮ガスボンベ２１ａから供給される３〜１０ＭＰａの高圧ガスをスプレーガン２３へ案内する作動ガスライン２１ｂは、後述する他の配管類とともに一つの管束２０とされ、図７に示すように産業用ロボット２５のハンド２５１に装着されたベースプレート２６の上部から垂下され、スプレーガン２３に至る。その間のベースプレート２６の近傍において、図４に示すように、スイベルジョイントなどの回転継手２１ｋを介して分離接続され、その下部にヒータ２１ｉが設けられている。図４に示す回転継手２１ｋからチャンバ２３ａに至る作動ガスライン２１ｂは、３〜１０ＭＰａの高圧に耐え得る高圧ホースから構成され、同図に示すように、回転軸Ｃに沿ってこれを包囲するように配策されている。作動ガスライン２１ｂは、回転軸Ｃを包囲するように、予め、たとえば螺旋状に成形加工してもよいが、３〜１０ＭＰａの高圧に耐え得る高圧ホースは硬くて形状保持性を有するので、高圧ホースが螺旋形状に倣うように形状保持型を外周に設けてもよい。
【００４３】
図３に示す原料粉末供給装置２２ａから供給される原料粉末をスプレーガン２３へ案内する原料粉末供給ライン２２ｃは、図７に示す管束２０として産業用ロボット２５の周囲に配策され、ベースプレート２６の上部から垂下され、スプレーガン２３に至る。その間のベースプレート２６の下方において、原料粉末供給ライン２２ｃは、図４に示すように、金属管と金属継手を含む配管にて構成され、スプレーガン２３のチャンバ２３ａに接続されている。
【００４４】
図３に示す電力源２１ｈから供給される電力をヒータ２１ｉへ導く電力供給線２１ｊ，２１ｊは、図７に示す管束２０として産業用ロボット２５の周囲に配策され、ベースプレート２６の上部から垂下され、ヒータ２１ｉに接続されている。また、図３に示す圧力計２３ｂからの検出信号をコントローラ（不図示）に出力する信号線２３ｇ及び温度計２３ｃからの検出信号をコントローラ（不図示）に出力する信号線２３ｈは、スプレーガン２３のチャンバ２３ａから、金属管と金属継手を含む配管の中を挿通した状態で、スプレーガン２３のチャンバ２３ａから第２ベースプレート２６２へ導かれ、他の作動ガスライン２１ｂ、原料粉末供給ライン２２ｃ、電力供給線２１ｊなどとともに、ベースプレート２６の上部から産業用ロボット２５の周囲へ配策されている。
【００４５】
図３に示す冷媒循環回路２７から供給される冷媒をスプレーガン２３のノズル２３ｄに案内する導入管２７４及び排出管２７５は、図７に示す管束２０として産業用ロボット２５の周囲に配策され、ベースプレート２６の上部から垂下され、ノズル２３ｄの先端の冷媒導入部２３ｅと、ノズル２３ｄの基端の冷媒排出部２３ｆに接続されている。その間のベースプレート２６の下方において、導入管２７４及び排出管２７５は、図４に示すように、金属管と金属継手を含む配管にて構成され、スプレーガン２３のノズル２３ｄに接続されている。
【００４６】
上述したように、硬くて変形剛性の高い高圧ホースで構成される作動ガスライン２１ｂは、その回転継手２１ｋが、図４に示すように回転軸Ｃの線上に配置され、回転継手２１ｋより下方が回転軸Ｃに沿ってこれを包囲するように配策されている。また、作動ガスライン２１ｂ以外の、電力供給線２１ｊ，２１ｊ、原料粉末供給ライン２２ｃ、冷媒の導入管２７４及び排出管２７５、信号線２３ｇ，２３ｈは、図５に示すように、回転軸Ｃの周りであって作動ガスライン２１ｂを包囲する位置に配置されている。
【００４７】
次に、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂを備えるシリンダヘッド１２の製造方法を説明する。図９は、本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法におけるバルブ部位の加工工程を示す工程図である。同図に示すように、本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法は、鋳造工程Ｓ１と、切削工程Ｓ２と、被覆工程Ｓ３と、仕上工程Ｓ４とを備える。なお、バルブ部位以外の加工工程は、説明の簡略化のため省略する。
【００４８】
鋳造工程Ｓ１では、砂中子がセットされた金型に鋳物用アルミ合金を流し込み、本体部に吸気ポート１６や排気ポート１７等が形成されたシリンダヘッド粗材を鋳造成形する。吸気ポート１６及び排気ポート１７は砂中子で形成され、凹部１２ｂは金型で形成される。図１０は、鋳造工程Ｓ１で鋳造成形したシリンダヘッド粗材３を、シリンダブロック１１への取付面１２ａ側から見た斜視図である。シリンダヘッド粗材３は、４つの凹部１２ｂと、各凹部１２ｂに２つずつ設けた吸気ポート１６及び排気ポート１７を備える。各凹部１２ｂの２つの吸気ポート１６及び２つの排気ポート１７は、シリンダヘッド粗材３内で１本に集合し、シリンダヘッド粗材３の両側面に設けた開口にそれぞれ連通している。
【００４９】
図１１は、図１０のXI-XI線に沿うシリンダヘッド粗材３の断面図であり、吸気ポート１６を示す。吸気ポート１６には、シリンダヘッド粗材３の凹部１２ｂ内に露呈された円形の開口部１６ａが設けられている。
【００５０】
次の切削工程Ｓ２では、シリンダヘッド粗材３にエンドミルやボールエンドミル等によるフライス加工を施し、図１２に示すように、吸気ポート１６の開口部１６ａに環状バルブシート部１６ｃを形成する。環状バルブシート部１６ｃは、バルブシート膜１６ｂのベース形状となる環状溝であり、開口部１６ａの外周に形成される。本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法では、環状バルブシート部１６ｃにコールドスプレー法によって原料粉末Ｐを噴射して皮膜を形成し、この皮膜を基にしてバルブシート膜１６ｂを形成する。そのため、環状バルブシート部１６ｃは、バルブシート膜１６ｂよりも一回り大きなサイズで形成されている。
【００５１】
被覆工程Ｓ３では、シリンダヘッド粗材３の環状バルブシート部１６ｃに、本実施形態のコールドスプレー装置２を利用して原料粉末Ｐを噴射し、バルブシート膜１６ｂを形成する。より具体的には、この被覆工程Ｓ３では、図１３に示すように、環状バルブシート部１６ｃと、スプレーガン２３のノズル２３ｄとを同じ姿勢で一定距離に保ちながら、原料粉末Ｐが環状バルブシート部１６ｃの全周に吹き付けられるように、シリンダヘッド粗材３を固定する一方で、スプレーガン２３を一定速度で回転する。
【００５２】
スプレーガン２３のノズル２３ｄの先端は、基台４５に固定されたシリンダヘッド１２の上方で、産業用ロボット２５のハンド２５１に保持されている。基台４５又は産業用ロボット２５は、図４に示すように、バルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｚが垂直になって、回転軸Ｃに重なるようにシリンダヘッド１２又はスプレーガン２３の位置を設定する。この状態でノズル２３ｄから環状バルブシート部１６ｃに原料粉末Ｐを吹き付けながら、モータ２９によりスプレーガン２３をＣ軸周りに回転することにより、環状バルブシート部１６ｃの全周に皮膜を形成する。
【００５３】
この被覆工程Ｓ３が実施されている間、ノズル２３ｄは、冷媒循環回路２７から供給された冷媒を、冷媒導入部２３ｅから流路に導入する。冷媒は、ノズル２３ｄの内部に形成された流路の先端側から後端側に向かって流れる間にノズル２３ｄを冷却する。流路の後端側まで流れた冷媒は、冷媒排出部２３ｆによって流路から排出されて回収される。
【００５４】
スプレーガン２３がＣ軸の周りに１回転してバルブシート膜１６ｂの形成が終了すると、スプレーガン２３の回転を一旦停止する。この回転停止中に、産業用ロボット２５は、次にバルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｚが産業用ロボット２５の基準軸に一致するように、スプレーガン２３を移動する。モータ２９は、産業用ロボット２５によるスプレーガン２３の移動終了後、スプレーガン２３の回転を再開させ、次の吸気ポート１６にバルブシート膜１６ｂを形成する。以降、この動作を繰り返すことにより、シリンダヘッド粗材３の全ての吸気ポート１６及び排気ポート１７にバルブシート膜１６ｂ、１７ｂが形成される。なお、吸気ポート１６と排気ポート１７との間でバルブシート膜の形成対象が切り替わる際には、基台４５によってシリンダヘッド粗材３の傾きが変更される。
【００５５】
さて、図１９は、本発明に係る成膜方法において、コールドスプレー装置２のノズル２３ｄが吸気ポート１６及び排気ポート１７の各開口部を移動する際の移動軌跡ＭＴの一例を示すシリンダヘッド粗材３の平面図である。図１９に示すシリンダヘッド粗材３の８つの吸気ポート１６の開口部１６ａ及び８つの排気ポート１７の開口部１７ａに対し、矢印にて示す移動軌跡ＭＴに沿ってノズル２３ｄを相対移動させる。なお、以下においては、吸気ポート１６に対する移動軌跡ＭＴを説明するが、排気ポート１７に対する移動軌跡も同様に設定される。
【００５６】
上述したとおり、ノズル２３ｄは、一つの吸気ポート１６に対して時計回りに３６０°回転したら、次の吸気ポート１６に移動するまでに反時計回りに３６０°回転して元の位置に戻り、次の吸気ポート１６に対しても時計回りに３６０°回転する。そして、ノズル２３ｄは、８つの吸気ポート１６のそれぞれに対して、時計回りに３６０°回転しながら原料粉末を噴射する。この円形の軌跡を成膜軌跡Ｔという。なお、図示する成膜軌跡Ｔは時計回りに３６０°の軌跡であるが、反時計回りに３６０°の軌跡であってもよい。
【００５７】
ここで、８つの吸気ポート１６に対する移動軌跡ＭＴは、各吸気ポート１６の環状バルブシート部１６ｃのそれぞれに対する円形の成膜軌跡Ｔと、隣接する円形の成膜軌跡Ｔ同士を接続する接続軌跡ＣＴとから構成され、一連の連続した軌跡とされている。そして、ノズル２３ｄから原料粉末を中断することなく連続して噴射しながら、ノズル２３ｄを移動軌跡ＭＴに沿って移動させる。なお、一つの環状バルブシート部１６ｃに対する円形の成膜軌跡Ｔは、成膜始点から始まり、時計回り又は反時計回りに移動したのち、成膜始点にてラップし、このラップ部を成膜終点とする。
【００５８】
図２０は、図１９の一つの吸気ポート１６の開口部１６ａ１〜１６ａ８に対する移動軌跡ＭＴを拡大して示す平面図である。この吸気ポート１６の開口部１６ａの環状バルブシート部１６ｃに対しては、ノズル２３ｄを時計回りに回転させるので、図２０に示す移動軌跡ＭＴは、同図の左から右に向かって、ノズル２３ｄを環状バルブシート部１６ｃまで直線状に移動させ（Ｐ１，接続軌跡ＣＴ）、ここを成膜始点Ｐ２として円形の成膜軌跡Ｔにてノズル２３ｄを時計回りに回転させたのち（Ｐ３〜Ｐ５）、成膜始点Ｐ２に重なる成膜終点Ｐ６において向きを変え、ノズル２３ｄを図２０の右方向に移動させる（Ｐ１，接続軌跡ＣＴ）ものである。このような移動軌跡ＭＴでは、環状バルブシート部１６ｃの成膜始点Ｐ２にてノズル２３ｄの移動速度がゼロになる１回目の折り返し点が発生し、成膜終点Ｐ６にてノズル２３ｄの移動速度がゼロになる２回目の折り返し点が発生する。なお、折り返し点とは、ノズル２３ｄの移動速度がゼロになる移動軌跡ＭＴ上の点をいい、移動軌跡が直角又は鋭角（≦９０°）に変化する点をいう。
【００５９】
成膜始点Ｐ２に発生する１回目の折り返し点では、ノズル２３ｄの速度が一時的にゼロになるが、原料粉末の噴射は継続されるため、１層目を構成するバルブシート膜１６ｂの端部傾斜が急峻になる。コールドスプレー法は、原料粉末を固相状態のまま超音速で基材に衝突させて塑性変形させるものであるから、端部傾斜が急峻な１層目の面上に２層目を噴射すると、２層目の原料粉末が充分に偏平化せず、２層目のバルブシート膜の層内の空孔径が大きくなる。この種の偏平率不足による空孔率の増加不具合は、１層目を構成するバルブシート膜の端部傾斜が急峻になることが原因とされる。換言すれば、被成膜部である環状バルブシート部１６ｃの円形の成膜軌跡Ｔのうち、成膜始点Ｐ２から成膜終点Ｐ６の範囲（端点を含む）であって１層目に折り返し点が含まれると、その点において端部傾斜が急峻になる。ただし、ラップ部の２層目の成膜軌跡に折り返し点が含まれても、１層目のバルブシート膜の端部傾斜が急峻でない限り、偏平率不足の問題は生じない。
【００６０】
そこで、本実施形態の成膜方法では、円形の成膜軌跡Ｔの１層目に折り返し点が含まれる場合には、少なくとも１層目の折り返し点を含む成膜軌跡Ｔの所定範囲に対する原料粉末の供給量を、他の成膜軌跡Ｔの範囲に対する原料粉末の供給量より少なく設定する。またこれに加えて、２層目に折り返し点が含まれる場合は、余剰皮膜の抑制の観点から、２層目の折り返し点を含む成膜軌跡Ｔの所定範囲に対する原料粉末の供給量を、他の成膜軌跡Ｔの範囲に対する原料粉末の供給量より少なく設定する。またこれに加えて、一の成膜軌跡Ｔと、これに隣接する成膜軌跡Ｔとを接続する接続軌跡ＣＴに対する原料粉末の供給量を、余剰皮膜の抑制の観点から、他の成膜軌跡Ｔの範囲に対する原料粉末の供給量より少なく設定する。
【００６１】
すなわち、本実施形態のコールドスプレー装置２及びこれを用いた成膜方法では、環状バルブシート部１６ｃのうち、成膜始点Ｐ２及び成膜終点Ｐ６を含む所定範囲については、その他の範囲に比べて原料粉末の供給量を少なく設定し、より好ましくは、成膜始点Ｐ２及び成膜終点Ｐ６において皮膜が重なる範囲については、重なった皮膜の厚さが、他の範囲の皮膜の厚さと等しくなるような原料粉末の供給量とする。また、接続軌跡ＣＴとなる点Ｐ１から成膜始点Ｐ２までの範囲と、成膜終点Ｐ６から次の成膜始点Ｐ２までの範囲については、原料粉末の供給量が最も少なくなるように設定する。
【００６２】
図１６〜図２２は、上述したとおり原料粉末の供給量を制御するための原料粉末供給部２２の具体的構成を示す図であり、図１６は、図３の原料粉末供給部２２を示す断面図、図１７は、図１６の計量部２２ｂを示す斜視図、図１８は、図１７のXVIII−XVIII線に沿う断面図である。
【００６３】
図１６に示すように、原料粉末供給部２２は、原料粉末が投入されるホッパー２２１と、ホッパー２２１からの原料粉末を時間的に異なる体積に計量する計量部２２ｂと、を備える。計量部２２ｂは、ディスク２２２と、原料粉末の供給時にディスク２２２を一定の回転速度で回転させる駆動部２２６と、ディスク２２２の上面に形成され、ホッパー２２１からの原料粉末を受容する環状溝部２２３と、を備える。ホッパー２２１には、その上部から原料粉末が投入され、原料粉末は、自重により計量部２２ｂのディスク２２２の環状溝部２２３に受容される。
【００６４】
ホッパー２２１から自重によって原料粉末が供給される位置には、図１７及び図１８に示すように、ディスク２２２が回転した時に、環状溝部２２３の開口上縁を水平に均すことで、余剰の原料粉末を擦り切り除去する第１擦り切り材２２４が設けられている。また、ディスク２２２の環状溝部２２３に受容された原料粉末を原料粉末供給ライン２２ｃへ吸引する位置にも、ディスク２２２が回転した時に、環状溝部２２３の開口上縁を水平に均すことで、余剰の原料粉末を擦り切り除去する第２擦り切り材２２５が設けられている。これら第１擦り切り材２２４及び第２擦り切り材２２５により、環状溝部２２３によって計量された原料粉末の供給量がより正確に計量され、原料粉末供給ライン２２ｃを介して、スプレーガン２３へ供給される。
【００６５】
ディスク２２２の回転動作と、ノズル２３ｄの相対的移動動作は、コールドスプレー装置２の図示しないコントローラにより同期が採られている。たとえば、ノズル２３ｄの移動軌跡ＭＴの一単位と、ディスク２２２の一回転とが対応し、移動軌跡ＭＴの一単位に沿ってノズル２３ｄが移動するのに同期して、ディスク２２２が定速で回転する。ここで、ノズル２３ｄの移動軌跡ＭＴの一単位とは、これを繰り返すことで、図１９に示す８つの吸気ポート１６に対する成膜処理が完了する繰り返し単位をいう。ノズル２３ｄが一単位の移動軌跡ＭＴに沿って移動するのに同期してディスク２２２が一回転することで、ノズル２３ｄの位置に対する原料粉末の供給量がディスク２２２の環状溝部２２３の体積により定まることになる。
【００６６】
すなわち、図１７に示すように、ディスク２２２の環状溝部２２３は、全周に亘って幅が等しくされているが、環状溝部２２３の底面の深さは、環状バルブシート部１６ｃの成膜軌跡Ｔの一単位に対応した深さとされている。たとえば、一つの環状バルブシート部１６ｃに対する接続軌跡ＣＴと成膜軌跡Ｔとが、ディスク２２２の一回転に対応するものとすると、環状溝部２２３の１周の底面の深さは、図２２に示すように形成されている。、図２１は、図２０の移動軌跡ＭＴに対応する計量部２２ｂ（ディスク）の形状を示す平面図、図２２は、図２１のXXII−XXII線に沿う展開断面図である。
【００６７】
図２１にＰ２及びＰ６の符号で示すディスク２２２の環状溝部２２３の位置が、図２０の移動軌跡ＭＴの成膜始点Ｐ２及び成膜終点Ｐ６に対応し、ここから時計回りに移動したＰ３，Ｐ４及びＰ５の符号で示す環状溝部２２３の各位置が、図２０の移動軌跡ＭＴの各位置Ｐ３，Ｐ４及びＰ５に対応する。そして、接続軌跡ＣＴのＰ１から成膜始点Ｐ２に向かってノズル２３ｄを移動させると、成膜始点Ｐ２に近づくにつれてノズル２３ｄの移動速度が０に近づき、成膜始点Ｐ２にて０になる。その後、ノズル２３ｄは、徐々に速度を増し、位置Ｐ２´にて所定速度に達し、ここから位置Ｐ６ｓ´までは所定速度を維持しながら移動する。最後に、成膜終点Ｐ６に近づくにつれてノズル２３ｄの移動速度が０に近づき、成膜終点Ｐ６にて０になったのち、隣接する次の環状バルブシート部１６ｃに向かって徐々に速度を増す。
【００６８】
このようにノズル２３ｄを移動軌跡ＭＴに沿って移動させると、位置によって移動速度が異なるので、移動速度が遅い範囲では皮膜の膜厚が相対的に厚くなる。具体的には、図２１に示す成膜始点Ｐ２から位置Ｐ２´までの範囲と、位置Ｐ６´から成膜終点Ｐ６までの範囲のノズル２３ｄの移動速度が相対的に遅いので、皮膜の膜厚が相対的に厚くなる。そこで、図２２の展開断面図に示すように、位置Ｐ２´から時計回りに位置Ｐ６´までの範囲の環状溝部２２３の底面の深さＤ１を一定の深さとするのに対し、成膜始点Ｐ２及び成膜終点Ｐ６における環状溝部２２３の底面の深さＤ２を、深さＤ１よりも浅い値とする。また、成膜始点Ｐ２から位置Ｐ２´までの範囲の環状溝部２２３の底面の深さは、成膜始点Ｐ２における環状溝部２２３の底面（深さＤ２）から徐々に深さＤ１になるように傾斜する深さとし、同様に、成膜終点Ｐ６から反時計回りに位置Ｐ６´までの範囲の環状溝部２２３の底面の深さは、成膜終点Ｐ６における環状溝部２２３の底面（深さＤ２）から徐々に深さＤ１になるように傾斜する深さとする。
【００６９】
そして、好ましくは、成膜始点Ｐ２から位置Ｐ２´までの範囲の環状溝部２２３の体積で定まる原料粉末の供給量と、成膜終点Ｐ６から位置Ｐ６´までの範囲の環状溝部２２３の体積で定まる原料粉末の供給量との総和、すなわち皮膜のラップ部に供給される原料粉末の供給量が、同じ距離に相当する位置Ｐ２´から位置Ｐ６´までの範囲に対する原料粉末の供給量に等しい。これにより、ラップ部の皮膜の膜厚と、それ以外の皮膜の膜厚とが等しくなり、余剰皮膜の除去処理が容易になる。
【００７０】
ちなみに、移動軌跡ＭＴのうち成膜軌跡Ｔ同士を接続する接続軌跡ＣＴに沿ってノズル２３ｄを相対移動させる場合の原料粉末の供給量は、図２２に位置Ｐ１として示す如く最も少なくなるように、環状溝部２２３の底面の深さＤ３を最も浅く設定することが望ましい。こうすることで、シリンダヘッド粗材３の取付面１２ａに形成される余剰皮膜の膜厚が薄くなるので、仕上工程Ｓ４における余剰皮膜の除去深さを浅くすることができる。
【００７１】
図９に戻り、仕上工程Ｓ４では、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂと、吸気ポート１６及び排気ポート１７の仕上加工が行われる。バルブシート膜１６ｂ，１７ｂの仕上加工では、ボールエンドミルを用いたフライス加工によりバルブシート膜１６ｂ，１７ｂの表面を切削し、バルブシート膜１６ｂを所定形状に整える。また、吸気ポート１６の仕上加工では、開口部１６ａから吸気ポート１６内にボールエンドミルを挿入し、図１４に示す加工ラインＰＬに沿って吸気ポート１６の開口部１６ａ側の内周面を切削する。加工ラインＰＬは、吸気ポート１６内に原料粉末Ｐが飛散して付着した余剰皮膜ＳＦが比較的厚く形成される範囲、より具体的には、余剰皮膜ＳＦが吸気ポート１６の吸気性能に影響を及ぼす程度に厚く形成される範囲である。
【００７２】
このように、仕上工程Ｓ４により、鋳造成形による吸気ポート１６の表面荒れが解消されるとともに、被覆工程Ｓ３で形成された余剰皮膜ＳＦを除去することができる。図１５に、仕上工程Ｓ４後の吸気ポート１６を示す。なお、排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に、鋳造成形による排気ポート１７内への小径部の形成、切削加工による環状バルブシート部の形成、環状バルブシート部へのコールドスプレー、仕上加工を経てバルブシート膜１７ｂが形成される。そのため、排気ポート１７に対するバルブシート膜１７ｂの形成手順については、詳しい説明を省略する。
【００７３】
以上のとおり、本実施形態のコールドスプレー装置２を用いた成膜方法は、環状バルブシート部１６ｃを有するシリンダヘッド粗材３と、コールドスプレー装置２のノズル２３ｄとを、成膜軌跡Ｔに沿って相対的に移動させ、原料粉末供給部２２から供給される原料粉末をノズル２３ｄから噴射しながら、環状バルブシート部１６ｃに皮膜を形成する成膜方法において、原料粉末供給部２２は、原料粉末が投入されるホッパー２２１と、ホッパー２２１からの原料粉末を時間的に異なる体積に計量する計量部２２ｂと、を備えるように構成し、計量部２２ｂは、成膜軌跡Ｔに沿った膜体積に相関した形状とする。これにより、バルブシート膜１６ｂの上に成膜終点となる２層目のバルブシート膜１６ｂが重なっても、衝突方向が１層目のバルブシート膜１６ｂの表面に対して略垂直となるため、２層目の原料粉末が充分に扁平化し、バルブシート膜１６ｂの層内の空孔径は充分小さくなる。
【００７４】
また、本実施形態のコールドスプレー装置２を用いた成膜方法においては、計量部２２ｂは、ディスク２２２と、ディスク２２２を一定の回転速度で回転させる駆動部２２６と、ディスク２２２の上面に形成され、環状バルブシート部１６ｃの成膜軌跡Ｔの一単位に対応し、ホッパー２２１からの原料粉末を受容する環状溝部２２３と、を備えるので、ノズル２３ｄの相対移動とディスク２２２の回転とを同期させれば、ディスク２２２を所定速度で回転させるだけで、計量部２２ｂは、成膜軌跡Ｔに沿った膜体積に相関した形状となる。
【００７５】
また、本実施形態のコールドスプレー装置２を用いた成膜方法においては、ディスク２２２の環状溝部２２３の底面が、成膜軌跡Ｔに沿った膜体積に相関する深さとされているので、簡単な構成で、計量部２２ｂを、成膜軌跡Ｔに沿った膜体積に相関した形状とすることができる。
【００７６】
また、本実施形態のコールドスプレー装置２を用いた成膜方法において、シリンダヘッド粗材３とノズル２３ｄとの相対的な移動軌跡ＭＴは、一の成膜軌跡Ｔと他の成膜軌跡Ｔとを接続する接続軌跡ＣＴを含み、接続軌跡ＣＴに対応する環状溝部２２３の体積は、他の成膜軌跡Ｔに対応する体積より小さく設定されているので、シリンダヘッド粗材３の取付面１２ａに形成される余剰皮膜の膜厚が薄くなる。その結果、仕上工程Ｓ４における余剰皮膜の除去深さを浅くすることができる。
【００７７】
また、本実施形態のコールドスプレー装置２を用いた成膜方法において、計量部２２ｂは、環状溝部２２３の開口上縁を水平に均して余剰の原料粉末を擦り切り除去するので、ノズル２３ｄに供給される原料粉末の供給量がより正確になる。
【００７８】
また、本実施形態のコールドスプレー装置２を用いた成膜方法において、ワークがエンジンのシリンダヘッド粗材３、被成膜部が環状バルブシート部１６ｃであり、成膜軌跡Ｔは、環状バルブシート部１６ｃの上の所定位置を成膜始点Ｐ２及び成膜終点Ｐ６とする円形軌跡であり、成膜軌跡Ｔのうち、膜が重なる成膜始点Ｐ２及び成膜終点Ｐ６を含む所定距離の範囲Ｐ２〜Ｐ２´，Ｐ６´〜Ｐ６の計量部の体積の総和は、膜が重ならない範囲Ｐ２´〜Ｐ６´のうち前記所定距離に相当する範囲の計量部の体積を目標体積とするように設定されているので、成膜軌跡Ｔ全体にわたって皮膜の厚さが均等になり、仕上工程Ｓ４における余剰皮膜の除去深さを浅くすることができる。
【００７９】
上記環状バルブシート部１６ｃは本発明に係る被成膜部に相当する。
【符号の説明】
【００８０】
１…内燃機関
１１…シリンダブロック
１１ａ…シリンダ
１２…シリンダヘッド
１２ａ…取付面
１２ｂ…凹部
１２ｃ，１２ｄ…側面
１３…ピストン
１３ａ…コネクティングロッド
１３ｂ…頂面
１４…クランクシャフト
１５…燃焼室
１６…吸気ポート
１６ａ…開口部
１６ｂ…バルブシート膜
１６ｃ…環状バルブシート部
１７…排気ポート
１７ａ…開口部
１７ｂ…バルブシート膜
１８…吸気バルブ
１８ａ…バルブステム
１８ｂ…バルブヘッド
１８ｃ…バルブガイド
１９…排気バルブ
１９ａ…バルブステム
１９ｂ…バルブヘッド
１９ｃ…バルブガイド
２…コールドスプレー装置
２１…ガス供給部
２１ａ…圧縮ガスボンベ
２１ｂ…作動ガスライン
２１ｃ…搬送ガスライン
２１ｄ…圧力調整器
２１ｅ…流量調節弁
２１ｆ…流量計
２１ｇ…圧力ゲージ
２１ｈ…電力源
２１ｉ…ヒータ
２１ｊ…電力供給線
２１ｋ…回転継手
２２…原料粉末供給部
２２ａ…原料粉末供給装置
２２ｂ…計量部
２２ｃ…原料粉末供給ライン
２２１…ホッパー
２２２…ディスク
２２３…環状溝部
２２４…第１擦り切り材
２２５…第２擦り切り材
２２６…駆動部
２３…スプレーガン
２３ａ…チャンバ
２３ｂ…圧力計
２３ｃ…温度計
２３ｄ…ノズル
２３ｅ…冷媒導入部
２３ｆ…冷媒排出部
２３ｇ…信号線
２４…基材
２４ａ…皮膜
２５…産業用ロボット
２５１…ハンド
２５２…ブラケット
２６…ベースプレート
２６１…第１ベースプレート
２６２…第２ベースプレート
２６３…カバー
２７…冷媒循環回路
２７１…タンク
２７２…ポンプ
２７３…冷却器
２７４…導入管
２７５…排出管
２８…オフセット機構
２８１…リニアガイド
２８２…流体圧シリンダ
２９…モータ
２９１…駆動軸
３…シリンダヘッド粗材
４…成膜工場
４１…搬送ブース
４２…成膜ブース
４３，４４…ドア
４５…基台
ＭＴ…移動軌跡
Ｔ…被成膜部の軌跡
ＣＴ…接続軌跡
【図１】
2020164935.tif 000003
【図２】
2020164935.tif 000004
【図３】
2020164935.tif 000005
【図４】
2020164935.tif 000006
【図５】
2020164935.tif 000007
【図６】
2020164935.tif 000008
【図７】
2020164935.tif 000009
【図８】
2020164935.tif 000010
【図９】
2020164935.tif 000011
【図１０】
2020164935.tif 000012
【図１１】
2020164935.tif 000013
【図１２】
2020164935.tif 000014
【図１３】
2020164935.tif 000015
【図１４】
2020164935.tif 000016
【図１５】
2020164935.tif 000017
【図１６】
2020164935.tif 000018
【図１７】
2020164935.tif 000019
【図１８】
2020164935.tif 000020
【図１９】
2020164935.tif 000021
【図２０】
2020164935.tif 000022
【図２１】
2020164935.tif 000023
【図２２】
2020164935.tif 000024