(57)【要約】【課題】凹溝の開口端側でのクラック発生と中央部での内部欠陥発生の両方を抑制する。【解決手段】  シリンダヘッド１のバルブシート形成予定部９に凹溝１１を形成し、該凹溝１１にレーザ光を照射しながら金属粉末１５を供給して肉盛りし、バルブシート７を形成するシリンダヘッド１の製造方法において、前記凹溝１１を、開口幅よりも狭い溝底面３１を有し両側面３３Ａ、３３Ｂの成す角θが９０度を超えて１２０度以下の断面台形状とした。【選択図】図３
2010223013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドのバルブシート形成予定部に凹溝を形成し、該凹溝にレーザ光を照射しながら金属粉末を供給して肉盛りし、バルブシートを形成するシリンダヘッドの製造方法において、
前記凹溝を、開口幅よりも狭い溝底面を有し両側面の成す角が９０度を超えて１２０度以下の断面台形状としたことを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。
【請求項２】
前記シリンダヘッドのポートの開口縁に面する側の前記凹溝の側面を、少なくとも肉盛りの高さよりも延長させて駄肉部を形成したことを特徴とする請求項１に記載のシリンダヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブシートを備えたシリンダヘッドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用シリンダヘッドへのバルブシートの形成方法として、バルブシート形成予定部にレーザを照射して金属粉末（クラッド材料）を溶融させながら肉盛りを行うレーザクラッド（レーザ肉盛とも呼ばれる）を用いた方法が知られている。レーザクラッドを用いることで、高硬度の異種金属層を肉盛層として形成できるため、耐摩耗性に優れたバルブシートが得られる。
一般に、レーザクラッドによりバルブシートを形成する場合、バルブシート形成予定部に凹溝を形成し、当該凹溝に肉盛層を形成する。また、この凹溝を、座ぐり加工によって隅Ｒ部をつけたＲ形状凹部とすることで、空孔等の内部欠陥を抑制した技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−２５６１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、レーザクラッドでは、クラッド材料へのレーザによる入熱に対し、母材であるシリンダヘッドへの入熱量を制御して、肉盛層表面でのクラック発生やブローホール等の内部欠陥を制御することが重要である。
しかしながら従来のＲ形状凹部においては、凹部の中央部に比べ開口端側でクラッド材料が少な過ぎるため、レーザによる入熱時にシリンダヘッドが溶けすぎて材料希釈によるクラック（割れ）が発生してしまう。この開口端側のクラッド材料にレーザの入熱量を合せた場合には、中央部においてクラッド材料の量に対して入熱が足りなくなり、クラッド材料の溶融不足によるブローホール等の内部欠陥が発生してしまう。このように、従来のＲ形状凹部では、開口端側のクラックと中央部の内部欠陥の両方を抑制することは困難であった。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、凹溝の開口端側でのクラック発生と中央部での内部欠陥発生の両方を抑制することができるシリンダヘッドの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、シリンダヘッドのバルブシート形成予定部に凹溝を形成し、該凹溝にレーザ光を照射しながら金属粉末を供給して肉盛りし、バルブシートを形成するシリンダヘッドの製造方法において、前記凹溝を、開口幅よりも狭い溝底面を有し両側面の成す角が９０度を超えて１２０度以下の断面台形状としたことを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、肉盛りをする凹溝を断面台形状としたため、従来のＲ形状に比べて開口端側での金属粉末の量を増加させることができる。これにより、金属粉末の量に対して入熱量が過多になる事がなく、開口端側での母材の希釈によるクラックの発生を防止できる。また、凹溝の中央部においては、溝底面により凹溝の深さが断面Ｖ字形状に比べて浅くできるため、金属粉末の量に対して入熱量が足りなくなる事がなく、中央部での内部欠陥の発生を防止できる。このように、本発明によれば、凹溝に形成した肉盛層の開口端側でのクラック発生と中央部の内部欠陥発生の両方を抑制することができる。
このとき、凹溝の開口幅を一定にしたまま、両側面の成す角を大きくし過ぎると、凹溝が浅くなって肉盛層の厚みが薄くなってしまい、耐摩耗性の向上効果が少なくなり、加工性も低下する。これとは逆に、両側面の成す角度を小さくし過ぎると、凹溝が深く成り過ぎて内部欠陥が生じ易くなる。
これに対して、本発明によれば、凹溝の両側面の成す角度を９０度を超えて１２０度以下としているため、内部欠陥の発生を抑えつつ十分な厚みの肉盛層が形成できる。
【０００７】
上記発明において、前記シリンダヘッドのポートの開口縁に面する側の前記凹溝の側面を、少なくとも肉盛りの高さよりも延長させて駄肉部を形成しても良い。
シリンダヘッドのポートの開口縁に面する側の凹溝の側面は、他方の側面に比べて面積が狭くヒートマスが小さいため、両側面への入熱量が同じ場合には、ポートの開口縁側の側面で入熱量が過多となり材料希釈によるクラックが発生する。
本発明によれば、ポートの開口縁側の側面に形成した駄肉部の分だけヒートマスが増えるため、凹溝の両側面でヒートマスが等しくなり、ポート側の側面でのクラック発生を防止することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、シリンダヘッドのバルブシート形成予定部に形成する凹溝を、開口幅よりも狭い溝底面を有し両側面の成す角が９０度を超えて１２０度以下の断面台形状としたため、この凹溝に形成した肉盛層の開口端側でのクラック発生と中央部の内部欠陥発生の両方を抑制することができる。
また、凹溝の両側面の成す角度を９０度を超えて１２０度以下としているため、内部欠陥の発生を抑えつつ十分な厚みの肉盛層が形成できる。
また本発明において、シリンダヘッドのポートの開口縁に面する側の凹溝の側面を、少なくとも肉盛りの高さよりも延長させて駄肉部を形成することで、凹溝の両側面でヒートマスを等しくさせ、ポート側の側面でのクラック発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るシリンダヘッド１の製造工程を示す図であり、図１（Ａ）はバルブシート形成前、図１（Ｂ）は肉盛層形成後、図１（Ｃ）はバルブシート形成後をそれぞれ示している。
シリンダヘッド１は、燃焼室３に連通する吸気ポート５Ａ及び排気ポート５Ｂを備え、これら吸気ポート５Ａ及び排気ポート５Ｂの開口が、それぞれ吸気バルブ及び排気バルブ（図示せず）で開閉される。なお、以下の説明では、これら吸気ポート５Ａ及び排気ポート５Ｂを区別する必要が無いときは単にポート５と称する。
図１（Ｃ）に示すように、ポート５の開口縁には、吸気／排気バルブに密着して燃焼室３を気密に維持するためのバルブシート７が形成されている。
【００１０】
シリンダヘッド１の素材にはアルミ合金が使用されて軽量化が図られるとともに、バルブシート７については、吸気／排気バルブに繰り返し接触し、そのシート面のヘルツ面圧が高負荷で、なおかつ、この高負荷が連続的に付与される部位であることから、レーザクラッドにより、シリンダヘッド１の素材と異なる金属で肉盛形成されることで耐摩耗性及び耐熱性の向上が図られている。
【００１１】
本製造工程においては、レーザクラッドに用いる金属粉末１５は、シリンダヘッド１の素材の金属とは異なる銅及びニッケルをベースとする合金のアトマイズ粉末が用いられ、高硬度の異種金属層が肉盛層１９として形成される。
レーザクラッドに用いるレーザ光１７の波長は、金属粉末１５のエネルギー吸収が大きい波長範囲に設定されており、金属粉末１５の溶融効率が高められている。具体的には、金属粉末１５が銅−ニッケル合金の場合、８００〜９５０［ｎｍ］の波長範囲の所定値が用いられる。この波長範囲のレーザ光１７の光源には、例えばモジュール式でＧａａＡｌｂＡｓ型（ａ，ｂは固相比）のレーザ発振部を有し、半導体のＰＮ接合部からレーザ光１７を発する半導体レーザが好適に用いられ、半導体の成分を調整することで上記所定値の波長のレーザ光１７が得られる。
上述したレーザ光１７の波長設定により金属粉末１５の溶融効率が高められているため、半導体レーザとしては１．２〜２．０［ｋＷ］程度の低出力の装置を使用して、例えば、５［ｍｍ］の肉厚の肉盛層１９を形成することができる。
このレーザ光１７は、その照射範囲内（光軸に対して垂直な面内）でのエネルギー分布が略一様な強度分布特性を有することで、レーザ光１７の照射位置で偏り無く入熱される。
【００１２】
バルブシート形成前のシリンダヘッド１には、図１（Ａ）に示すように、各ポート５の開口縁に沿ってバルブシート形成予定部９が形成されており、このバルブシート形成予定部９に上述のレーザクラッドにより肉盛層１９が形成される。
さらに詳述すると、バルブシート形成予定部９には、断面台形状の台形凹溝１１がポート５の開口縁に沿って環状に形成されている。
【００１３】
肉盛層形成時には、図１（Ｂ）に示すように、台形凹溝１１に粉末供給ノズル１３から金属粉末１５を供給しつつ半導体レーザのレーザ光１７を照射することで金属粉末１５を溶融し、レーザ光１７の照射位置に肉盛層１９を形成する。そして、シリンダヘッド１を回転させる等してレーザ光１７の照射位置を台形凹溝１１に沿って環状に移動させることで、ポート５の開口縁の全周に亘って肉盛層１９を形成する。
【００１４】
肉盛層１９を形成した後、このバルブシート形成予定部９に対して仕上げ加工を施すことで、図１（Ｃ）に示すバルブシート７を形成する。
この仕上げ加工では、図２に示すように、所定幅Ｗ１のバルブシート７が得られるように、破線で示す加工線Ｄに沿って肉盛層１９の表層部を削り落とすとともに、バルブのかさ部分のファンネル形状に合せて台形凹溝１１の両側面３３Ａ、３３Ｂを削り落とす切削加工が施される。バルブシート７の所定幅Ｗ１は、少なくともバルブのかさ部分との間で所定の気密性が得られる幅とされており、この所定幅Ｗ１を確保可能にするために上記台形凹溝１１の開口幅が所定幅Ｗ１よりも広く形成されている。
【００１５】
図３は、台形凹溝１１を拡大して示す図である。
台形凹溝１１は開口幅よりも狭い幅Ｗ２の溝底面３１を有する、いわゆる逆台形状とされており、上述の通り、開口幅が所定幅Ｗ１よりも広く形成されている。この台形凹溝１１の開口面からの深さＨ１は、少なくとも肉盛層１９の所定の厚みＨ２よりも深く形成されている。
すなわち、肉盛層形成時には、台形凹溝１１に収まる程度の金属粉末１５が供給されつつ、レーザ光１７が少なくとも所定幅Ｗ１よりも広い幅Ｗ３に亘って、台形凹溝１１の溝底面３１に対して略垂直に照射されることで、当該幅Ｗ３の照射範囲に対して均一な入熱が行われて肉盛層１９が形成される。
【００１６】
このとき、肉盛層１９を形成する凹溝が断面台形状の台形凹溝１１とされているため、断面Ｒ形状の凹溝に比べて開口端側でも十分な量の金属粉末１５が確保される。これにより、金属粉末１５の量に対して入熱量が過多になる事がないため、開口端側で肉盛層１９にクラックが発生することが抑制される。
これに加え、台形凹溝１１の中央部においては、溝底面３１により台形凹溝１１の深さがＶ溝等に比べて浅くなるため、金属粉末１５の量が抑えられる。これにより、金属粉末１５の量に対して入熱量が足りなくなる事がないため、台形凹溝１１の中央部で肉盛層１９にブローホール等の内部欠陥が発生することが抑制される。
さらに、バルブシート７の所定幅Ｗ１よりも広い幅Ｗ３に亘って肉盛層１９を形成するため、図３に示すように、肉盛層１９の両側に幅Ｍ（＝（Ｗ３−Ｗ１）／２）のマージンを得ることができる。
【００１７】
また台形凹溝１１の両側面３３Ａ、３３Ｂが成す角θ（以下、「開き角θ」と言う）は、バルブシート７として得るべき所定幅Ｗ１及び厚みＨ３により規定される。
詳述すると、図４に示すように、台形凹溝１１の開き角θが大きくなるほど、台形凹溝１１が浅くなるため肉盛層１９の厚みが薄くなってしまいバルブシート７の耐摩耗性の向上効果が少なくなる。さらに、上記加工線Ｄに沿って平面を切り出す際の加工性も悪くなる。
【００１８】
これとは逆に、開き角θを小さくするほど、台形凹溝１１が深くるため、レーザ光１７による入熱が最深部である中央部で不足してブローホール等の内部欠陥が生じ易くなる。これに加え、レーザクラッドにおいては、通常、図５に示すように、肉盛層１９の両側に溶湯の表面張力によって凹む、いわゆる、ひけ変形部１９Ａが生じる。ひけ変形部１９Ａの凹み量は、開き角θが小さくなるほど大きくなるため、このように開き角θを小さくし過ぎると、バルブシート７として使用可能な厚みＨ４が減少してしまい、上記所定幅Ｗ１を確保できなくなる虞もある。
【００１９】
そこで本実施形態では、台形凹溝１１の開き角θを、９０度＜θ≦１２０度の範囲で設定されている。これにより、肉盛層１９に十分な厚みを確保しつつ、台形凹溝１１の中央部での内部欠陥発生を抑制可能とし、また、所定幅Ｗ１を確実に確保可能としている。
【００２０】
ところで、図３に示すように、バルブシート形成予定部９においては、ポート５の開口縁側に駄肉部４１が設けられている。
詳述すると、台形凹溝１１のポート５の開口縁側の側面３３Ａは、通常、ポート５の開口が図中一点鎖線Ｂで示すように形成されるため、他方の側面３３Ｂに比べ、肉盛層１９を受ける面積が狭く肉盛形成時の入熱を受ける容量が小さい。このため、ポート５の開口縁側の側面３３Ａに対して肉盛形成時の入熱量が他方の側面３３Ｂよりも相対的に過多となり、側面３３Ａの材料希釈により肉盛層１９にクラックが生じる虞がある。
そこで、本実施形態では、バルブシート形成予定部９には、台形凹溝１１のポート５の開口縁側の側面３３Ａを、少なくとも肉盛層１９の厚みＨ２よりも延長させて駄肉部４１を形成することで、側面３３Ａのヒートマスを増大させ、他方の側面３３Ｂとバランスさせている。
このように、台形凹溝１１の両側面３３Ａ、３３Ｂでのヒートマスが均等になることで、ポート５の開口縁側の側面３３Ｂで肉盛層１９にクラックが発生することを防止できる。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態に係るシリンダヘッド１の製造方法によれば、バルブシート形成予定部９に形成する凹溝を、開口幅よりも狭い溝底面３１を有し両側面３３Ａ、３３Ｂの成す角θが９０度を超えて１２０度以下の断面台形状としたため次のような効果を奏する。
すなわち、従来のＲ形状に比べて開口端側での金属粉末１５を増加させることができるため、金属粉末１５の量に対して入熱量が過多になる事がなく、開口端側での母材の希釈によるクラックの発生を防止できる。
また、台形凹溝１１の中央部においては、溝底面３１により断面Ｖ形状に比べて深さが制限されるため、金属粉末１５の量に対して入熱量が足りなくなる事がなく、中央部での内部欠陥の発生を防止できる。
このように、本実施形態によれば、肉盛層１９を形成する凹溝を台形凹溝１１とすることで、開口端側でのクラック発生と中央部の内部欠陥発生の両方を抑制することができる。
【００２２】
これに加え、本実施形態によれば、台形凹溝１１の両側面３３Ａ、３３Ｂが成す角θを、９０度＜θ≦１２０度の範囲で設定したため、肉盛層１９の厚みが薄くなりすぎることがなく十分な厚みを持たせることができ、また、台形凹溝１１の中央部での内部欠陥の発生が抑制できる。
【００２３】
また本実施形態によれば、シリンダヘッド１のポート５の開口縁に面する側の台形凹溝１１の側面３３Ｂを、少なくとも肉盛層１９の高さＨ２よりも延長させて駄肉部４１を形成したため、台形凹溝１１の両側面３３Ａ、３３Ｂでヒートマスが等しくなり、クラック発生を防止することができる。
【００２４】
なお、上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で任意に変形および応用が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係るシリンダヘッドの製造工程を示す図であり、（Ａ）はバルブシート形成前、（Ｂ）は肉盛層形成後、（Ｃ）はバルブシート形成後をそれぞれ示す。
【図２】肉盛層形成後のバルブシート形成予定部を拡大して示す図である。
【図３】バルブシート形成予定部を拡大して示す図である。
【図４】断面凹溝の両側面の成す角と断面凹溝の深さの関係を説明するための図である。
【図５】肉盛層に生じるひけ変形を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  シリンダヘッド
５  ポート
７  バルブシート
９  バルブシート形成予定部
１１  台形凹溝（凹溝）
１５  金属粉末
１７  レーザ光
１９  肉盛層
１９Ａ  ひけ変形部
３１  溝底面
３３Ａ、３３Ｂ  側面
４１  駄肉部
Ｄ  加工線
【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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