(57)【要約】【課題】肉盛欠陥の発生を抑制してバルブシートを有するシリンダヘッドを製造する技術を提供する。【解決手段】本発明に係る製造方法は、鋳造工程と、研削工程と、肉盛工程と、バルブシート形成工程を有する。鋳造工程は、吸排気ポートの開口部周縁に肉盛用の溝を有するシリンダヘッド鋳造粗材２を鋳造する。研削工程は、１ｍｍ以下の厚みＤで溝４の表層を除去する。肉盛工程は、表層が除去された溝１６に金属を肉盛する。バルブシート形成工程は、肉盛部の表面を研削してバルブシートを形成する。金属の鋳造品は、鋳造時の冷却速度が速いほど組織が微細化するので、このシリンダヘッド鋳造粗材は、肉盛する溝１６の表層に従来よりも微細化された組織を残すことができる。従って、溝１６の近傍には残存油分や水分が少なく、肉盛欠陥の発生を抑制することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸排気ポートの開口部周縁に沿って肉盛用の溝が鋳造によって形成されていることを特徴とするシリンダヘッド鋳造粗材。
【請求項２】
前記溝の底面と側面の表層に、肉盛前に研削される均一な厚みの余肉が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッド鋳造粗材。
【請求項３】
前記余肉の厚みが１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のシリンダヘッド鋳造粗材。
【請求項４】
吸排気ポートの開口部周縁に沿って肉盛用の溝を有するシリンダヘッド鋳造粗材を鋳造する鋳造工程と、
鋳造工程によって形成された溝の表層を除去する研削工程と、
表層が除去された溝に金属を肉盛する肉盛工程と、
肉盛部の表面を研削してバルブシートを形成するバルブシート形成工程と、
を含むことを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【請求項５】
切削工程は、鋳造によって形成された溝の底面と側面で同じ厚みの表層を除去することを特徴とする請求項４に記載のシリンダヘッドの製造方法。
【請求項６】
切削工程は、鋳造によって形成された溝の表層を、１ｍｍ以下の厚みで削除することを特徴とする請求項５に記載のシリンダヘッドの製造方法。
【請求項７】
鋳造工程は、前記開口部周縁に接する金型部位を冷却しながらシリンダヘッド鋳造粗材を鋳造することを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載のシリンダヘッドの製造方法。
【請求項８】
吸排気ポートの開口部周縁に沿って肉盛用の溝を有するシリンダヘッド鋳造粗材を鋳造するための金型であり、前記溝に対向する位置に前記溝を形成するための突条部が設けられているとともに、前記突条部に沿って伸びている冷却媒体通路が設けられていることを特徴とする金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンのシリンダヘッド鋳造粗材、シリンダヘッドの製造方法、及び、シリンダヘッド鋳造粗材を鋳造するための金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのシリンダヘッドは、吸排気ポートの開口部周縁に、バルブの背面の外周部が当接するバルブシートを設けている。バルブシートを備えるシリンダヘッドは、次の工程を経て製造される。まず、シリンダヘッドの粗材（鋳造粗材）を鋳造する。次に、機械加工により、鋳造粗材の吸排気ポートの開口部周縁（バルブシートとなるべき部位）を一巡する肉盛用の溝を形成する。溝に金属を肉盛する。最後に、肉盛部の表面を研削する。研削された肉盛部表面がバルブシートとなる。肉盛加工には、金属粉体を供給しながらレーザビームを照射して肉盛部を形成するレーザクラッド法と呼ばれる方法が採用されることが多い。そのようなバルブシートの肉盛方法が、例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５２９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シリンダヘッド鋳造粗材の肉盛予定部位の組成が良好でないと、レーザクラッド法により肉盛したときにクラックや気泡などの欠陥が発生し易いことが知られている。なお、以下では、肉盛時に発生するクラックや気泡などの欠陥を肉盛欠陥と称する。特許文献１には、肉盛欠陥の発生を低減する肉盛方法が開示されている。特許文献１に開示された肉盛方法は、肉盛工程に先立って、シリンダヘッド鋳造粗材の肉盛予定部位を加熱して溶融・再凝固させる。この方法は、溶融・再凝固させることによって、肉盛予定部位に残存するガス、油分、水分を事前に放出させる。そうすることによって、残存するガス、油分、水分に起因する肉盛欠陥の発生を低減する。しかしながら、特許文献１に開示された技術は、加熱工程を新たに加える必要があるためにコスト増を招く。
本発明は、肉盛予定部位を溶融・再凝固するための加熱工程を要することなく、肉盛欠陥の発生を抑制してバルブシートを有するシリンダヘッドを製造する技術を提供する。本発明は、バルブシートとなるべき部位へ肉盛するのに適したシリンダヘッド鋳造粗材を提供する。また本発明は、肉盛欠陥の発生を抑制しつつバルブシートを形成することのできるシリンダヘッド製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前述したように、肉盛工程に先立って、シリンダヘッド鋳造粗材の吸排気ポートに開口部周縁（即ち、バルブシートとなるべき部位）に金属を肉盛するための溝が形成される。溝は、開口部周縁に均一な肉盛層を形成するために機械加工によって形成される。従来は、機械加工によって肉盛用の溝を形成すればよいと考えられていたので、シリンダヘッド鋳造粗材には肉盛用の溝を形成する必要がなかった。即ち、シリンダヘッド鋳造粗材のポート開口部周縁には、肉盛用の溝が形成されていなかった。
【０００６】
ところで、金属の鋳造品は、鋳造時の冷却速度が速いほど組織が微細化する。アルミニウムの鋳造品の場合、組織内に不純物として生成される酸化物は冷却速度が速いほど微細化する。鉄の鋳造品の場合、組織内に不純物として生成される黒鉛は冷却速度が速いほど微細化する。冷却速度は、鋳造品の深部よりも表層の方が速いので、表層の方が深部よりも組織が微細化する。不純物の組織が微細化されると、残存する油分や水分の量が低減される。従って、シリンダヘッド鋳造粗材のポート開口部周縁において組織が微細化されていれば、ポート開口部周縁へ肉盛する際に肉盛欠陥の発生を抑制することができる。
【０００７】
本発明は、上記の知見に基づいて創作された。本発明に係るシリンダヘッド鋳造粗材は、吸排気ポートの開口部周縁に沿って肉盛用の溝が鋳造によって形成されていることを特徴とする。即ち、本発明は、鋳造粗材を鋳造する際に、肉盛用の溝を同時に鋳造する。この鋳造粗材は、肉盛する溝の表層に従来よりも微細化された組織を残すことができるので、残存油分や水分が少なく、肉盛欠陥が発生し難いという利点を有する。このシリンダヘッド鋳造粗材を採用することによって、特許文献１に開示された加熱工程を要することなく肉盛欠陥の発生を抑制することができる。
【０００８】
肉盛加工に先立って、鋳造粗材に形成された上記の溝を肉盛に適した寸法精度に仕上げる切削加工が実施される場合がある。鋳造によって予め溝を形成しておくと、研削加工によって削除する溝表層の余肉を薄くすることができる。
余肉の厚みＤは、溝の底面と側面で同じであることが好ましい。即ち、溝の底面と側面に、肉盛前に研削される均一な厚みの余肉が設けられていることが好ましい。削除される余肉の厚みを均一にすることによって、余肉を削除した後の溝の表層に均一な組成を残すことができる。これによって、均質な肉盛部、即ち、均質なバルブシートを形成することができる。
【０００９】
発明者らの検討によると、鋳造品の表層において表面からの深さが１ｍｍまでの領域が、肉盛に適する程に微細化することが判明した。従って、鋳造によって形成された溝の表層に、肉盛前に研削される厚み１ｍｍ以下、好ましくは０．３ｍｍ以下の余肉が設けられていることが好ましい。
【００１０】
本発明は、また、肉盛欠陥の発生を抑制しつつ、バルブシートを有するシリンダヘッドの製造方法を提供する。本発明による製造方法は、吸排気ポートの開口部周縁に開口部を一巡している肉盛用の溝を有するシリンダヘッド鋳造粗材を鋳造する鋳造工程と、鋳造工程によって形成された溝の表層を除去する研削工程と、表層が除去された溝に金属を肉盛する肉盛工程と、肉盛部の表面を研削してバルブシートを形成するバルブシート形成工程を含むことを特徴とする。この製造方法によれば、肉盛前の溝に、微細化された表層を残すことができる。従ってこの製造方法によれば、肉盛欠陥を発生し難くすることができる。肉盛工程は、前述したレーザクラッド法であってよい。研削工程は、鋳造によって形成された溝の底面と側面で同じ厚みの表層を除去することが好ましい。さらに研削工程は、鋳造によって形成された溝の表層を１ｍｍ以下の厚みで削除することが好ましい。
【００１１】
前述したように、鋳造工程では、冷却速度が速いほど組織が微細化する。従って鋳造工程は、開口部周縁に接する金型部位を冷却しながらシリンダヘッド鋳造粗材を鋳造することが好ましい。金型の冷却は、例えば、開口部周縁に接する金型部位に冷却媒体通路を設けた金型によって行なえばよい。
本発明は、上記したシリンダヘッド鋳造粗材を形成するための金型に具現化することもできる。その金型は、溝に対向する位置に溝を形成するための突条部が設けられているとともに、その突条部に沿って伸びている冷却媒体通路が設けられているとよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、肉盛予定部位を溶融・再凝固するための加熱工程を要することなく肉盛欠陥の発生を抑制して、バルブシートを有するシリンダヘッドを製造することができる。
【実施例】
【００１３】
本発明の説明に先立って、シリンダヘッドについて説明する。図１に、シリンダヘッド１０の部分断面図を示す。図１は、シリンダヘッド１０のうち、バルブシート２０の近傍のみを示している。符号１２と１４は、夫々燃焼室２２に開口している吸気ポートと排気ポートを示している。吸気ポート１２と排気ポート１４の構造は基本的に同じであるので、以下では吸気ポート１２を例に説明する。
吸気ポート１２の開口部の周縁には、バルブシート２０が形成されている。バルブシート２０は、バルブ（不図示）閉鎖時にバルブの背面の外周が密着する部位であり、高い耐摩耗性が要求される。バルブシート２０は、シリンダヘッド１０のポート開口部の周縁に開口部を一巡している溝１６に金属粉を供給しながらレーザを照射し、金属粉を溶着させた後にその表面を研削して形成される。金属粉を溶着する工程は肉盛工程と呼ばれている。前述したように、金属粉を供給しながらレーザを照射して金属粉を溶着する方法はレーザクラッド法と呼ばれている。図１に示す符号１８は、金属粉を溶着した肉盛部を示している。
【００１４】
図２から図５を参照して本発明に係るシリンダヘッドの製造方法を説明する。なお、図２から図５は、図１において破線で囲んだ領域を拡大して示している。図１において破線で囲んだ領域（及び図１において破線で囲んだ領域に対応する排気ポート１４の開口部周辺の領域）以外の部分については従来の方法で形成されてよいので説明を省略する。なお、図２から図５において、図１で用いた符号と同じ符号は、図１と同じ部位を示している。
【００１５】
（鋳造工程）
図２は、シリンダヘッド鋳造粗材を鋳造する鋳造工程を説明する図である。金型３０に溶融した金属（アルミニウム或いは鉄）を流し込んでシリンダヘッド鋳造粗材を鋳造する。以下では、シリンダヘッド鋳造粗材を単に鋳造粗材２と称する。ここで、「鋳造粗材（シリンダヘッド鋳造粗材）」とは、鋳造された後に何らの機械加工を施されていないシリンダヘッドを意味する。
図２において、符号１６が示す破線は、図１における溝１６の表面境界を示している。鋳造粗材２の段階では、本来の溝１６よりも厚みＤだけ余肉を残した初期溝４がポート開口部の周縁に形成されている。初期溝４は、開口部を一巡している。厚みＤは、溝の底面と側面で同じである。即ち、初期溝４には、その底面と側面に同じ厚みＤの余肉が設けられている。また、厚みＤは、１ｍｍ以下であり、好ましくは０．３ｍｍ以下である。厚みＤの余肉は、次の研削工程で除去される。
【００１６】
金型３０には、初期溝４を形成するための突条部が設けられている。図２に示す金型３０において、初期溝４に接している部分が突条部である。突条部は、吸気ポート１２の開口部に沿って一巡している。金型３０の突条部の内側に、冷却液通路３２が設けられている。冷却液通路３２は、初期溝４に対向する位置（より詳しくは初期溝４の底面に対向する位置）に設けられている。冷却液通路３２は、初期溝４に沿って伸びており、すなわち、突条部に沿って伸びており、吸気ポート１２の開口部周縁を一巡している。金型３０に流し込まれた溶融金属を冷却する際、冷却液通路３２に冷却液が流される。冷却液によって、初期溝４の付近は急速に冷却される。初期溝４の付近は、他の部位よりも急速に冷却されるので組織が微細化される。冷却液通路３２は初期溝４を形成する突条部に沿って伸びているので、初期溝４の表層がその全長に亘って均一に微細化される。
【００１７】
金型３０によって鋳造される鋳造粗材２は、次の特徴を有している。鋳造粗材２は、吸排気ポートの開口部周縁（バルブシートとなるべき部位）に開口部を一巡する初期溝４が形成されている。初期溝４の表層は、冷却液通路３２を流れる冷却液によって急速に冷却されて形成されているので、鋳造粗材２の内部よりも組成が微細化している。肉盛前に研削される溝表層の余肉の厚みＤが１ｍｍ以下である。余肉の厚みＤは、好ましくは０．３ｍｍ以下である。
【００１８】
（研削工程）
図３は、研削工程を説明する図である。研削工程では、鋳造粗材２に形成された初期溝４の表層を、厚みＤだけ研削して除去する。研削工程は、初期溝４の底面と側面で同じ厚みＤの余肉を削除する。その結果、図３に示すように、研削加工によって溝１６が形成される。なお、機械加工が施されるので、本工程以後は、鋳造粗材２を改めてシリンダヘッド１０と称する。
前述したように初期溝４の近傍は急速に冷却され、組織が微細化されている。研削工程で除去される初期溝４の表層の厚みＤは１ｍｍ以下であるので、溝１６の近傍に微細化された領域が残る。
【００１９】
（肉盛工程）
図４は、肉盛工程を説明する図である。肉盛工程では、研削工程で形成された溝１６に金属粉を供給しながらレーザを照射し、金属粉を溝１６に溶着させる。即ち、溝１６に金属を肉盛する。符号１８は肉盛部を示している。肉盛部１８内に描かれた破線は、後のバルブシート形成工程で形成されるバルブシートを示している。即ち肉盛工程では、バルブシートとなるべき表面よりも盛り上がるように金属が肉盛される。
【００２０】
（バルブシート形成工程）
図５は、バルブシート形成工程を説明する図である。バルブシート形成工程では、肉盛部１８の表面を研削し、望ましい形状のバルブシート２０を形成する。
以上の工程により、吸気ポート１２の開口部周縁を一巡する溝１６に金属が肉盛され、その肉盛部１８の表面にバルブシート２０が形成されたシリンダヘッド１０が完成する。排気ポート１４（図１参照）の開口部周縁にも同様のバルブシートが形成される。
なお、肉盛部１８の表面とそれに隣接する鋳造部分の表面が滑らかに連続するように、肉盛部１８に隣接している鋳造部分も肉盛部１８の表面とともに研削してもよい。
【００２１】
上記実施例のシリンダヘッド製造方法は、次の技術的特徴を有している。
（１）鋳造工程で製造されるシリンダヘッド鋳造粗材２は、吸排気ポート開口部周縁（バルブシートとなるべき部位）に初期溝４が形成されている。初期溝４の表層は、後の研削工程で削除される予定の余肉厚みＤが１ｍｍ以下（好ましくは０．３ｍｍ以下）である。別言すれば、研削工程において、初期溝４の表層を厚み１ｍｍ以下（好ましくは０．３ｍｍ以下）で除去する。これによって、肉盛される際の溝１６の表層に、微細化された組織が残すことができるので、肉盛欠陥を発生し難くすることができる。
なお、従来の技術において、シリンダヘッド鋳造粗材のポート開口部周縁（バルブシートとなるべき部位）は機械加工により溝を成形することを前提としているため、余肉の厚みを可能な限り小さくするという、いわゆるニアネットシェイプ技術をシリンダヘッド鋳造粗材のポート開口部周縁に適用する理由はなかった。
（２）余肉厚みＤは、溝の底面と側面で同じ厚みである。従って、余肉を削除した後の溝の表層には均一な組成が残るので、均質な肉盛部、即ち、均質なバルブシートを形成することができる。
（３）研削工程において除去する余肉厚みＤを１ｍｍ以下（好ましくは０．３ｍｍ以下）としたので、研削コストを低減できる。
（４）シリンダヘッド鋳造粗材を鋳造するための金型３０において、初期溝４を形成する部位（即ち突条部）の内側に冷却液通路３２が設けられている。冷却液通路３２は、突条部に沿ってポート開口部を一巡している。冷却液通路３２は、突条部の内側に設けられている。冷却液通路３２は、初期溝４の底面に対向する位置に設けられている。この冷却液通路３２によって、鋳造の際に、初期溝４の近傍の冷却速度を速めることができ、初期溝４近傍の組織を微細化できる。また、ポート開口部に沿って一巡している溝の表層を均一に微細化できる。冷却液通路を有する金型を採用することによって、肉盛欠陥の発生を一層抑制することができる。
突条部を設けることによって、研削工程後に露出する溝１６に相当する部位と金型との距離を、従来よりも短くすることができる。その突条部の内側に冷却液通路３２を設けることによって、冷却液通路３２と溝１６に相当する部位との距離を、突条部を有さない金型よりも短くすることができる。この金型４０は、突条部を有さない従来の金型に冷却液通路を設けた場合よりも開口部周縁を効率よく冷却することができる。
【００２２】
次に、余肉厚みと、余肉を除去した後の鋳造粗材の表層の組織との関係について説明する。ここにいう「余肉を除去した後の鋳造粗材の表層」は、肉盛用の溝１６の表層に相当する。
図６のグラフは、余肉厚みと、余肉除去後の粗材表面へレーザ肉盛したときに肉盛内に発生するピンホール（欠陥）の発生頻度の関係を示す。図６の縦軸は、肉盛長さ１０００ｍ当たりに平均して発生する直径１ｍｍ以上のピンホールの個数を示している。図６には、素材として鋳鉄（ＦＣ２５０）を用いた場合とアルミニウム（ＡＣ２Ｃ）を用いた場合のグラフを示す。レーザ肉盛の品質を評価する指標として、ピンホールの発生頻度が１．２５個／１０００ｍ以下であることがひとつの目安とされることがある。図６から明らかなとおり、余肉厚みを１．０ｍｍ以下にすることによって、上記の目安を達成することができる。さらに、余肉厚みを０．３ｍｍ以下とすることによって、ピンホールの発生をほぼゼロに抑えることができる。
【００２３】
図７のグラフは、余肉厚みと、余肉を除去した後の表層における粗材組織の粗さとの関係を示す。図７は、組織粗さを示す指標として、鋳鉄（ＦＣ２５０）の場合は鋳鉄黒鉛最大長さを採用し、アルミニウム（ＡＣ２Ｃ）の場合はアルミＤＡＳ（デンドライト）の５点測定平均の値を採用した。図７に示す鋳鉄黒鉛最大長及びアルミＤＡＳは、余肉を除去した後の表層を観察して計測した値である。これらの値が大きいほど、余肉を除去した後の表層の組織が粗いことを意味する。図７から明らかなとおり、余肉厚みが１．０ｍｍ以下の領域では鋳鉄黒鉛最大長、アルミＤＡＳともにほぼ一定である。余肉厚みが１．０ｍｍを超えると、鋳鉄黒鉛最大長、アルミＤＡＳともに急激に大きくなる。即ち、余肉厚みを１．０ｍｍ以下にすることによって、余肉除去後の鋳造粗材表層、すなわち、肉盛予定の溝１６表層の組織を微細に保つことができる。
【００２４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】シリンダヘッドの吸排気ポート周辺の模式的断面図を示す図である。
【図２】シリンダヘッド鋳造粗材の鋳造工程を説明する図である。
【図３】研削工程を説明する図である。
【図４】肉盛工程を説明する図である。
【図５】バルブシート形成工程を説明する図である。
【図６】余肉厚みとピンホール発生頻度の関係を示すグラフである。
【図７】余肉厚みと余肉除去後の表層組織の粗さとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
２：鋳造粗材
４：初期溝
１０：シリンダヘッド
１２：吸気ポート
１４：排気ポート
１６：溝
１８：肉盛部
２０：バルブシート
２２：燃焼室
３０：金型
３２：冷却液通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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