【手続補正書】
【提出日】平成16年7月30日(2004.7.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  内燃機関用バルブ及びその製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】  軸部の一端に傘部が設けられ、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金により形成された内燃機関用バルブにおいて、
前記傘部における、バルブシートと当接しうる弁フェース部の表層部を熱硬化層とするとともに、その下層部を強化元素を含む合金層とし、前記合金層は、アルミニウムと強化元素であるＴi、Ｃr、Ｎi、Ｃu、Ｍn、Ｆe、Ｃoのいずれか１種又は２種以上とを含む合金であり、前記熱硬化層は、前記合金層の表層部を加熱して、再溶融させることにより形成されたものであり、前記合金層の硬度より高い高度を有するものであることを特徴とする内燃機関用バルブ。
【請求項２】  合金層の硬度が２５０〜３００Ｈvであり、かつ熱硬化層の硬度が３００Ｈv以上である請求項１記載の内燃機関用バルブ。
【請求項３】  アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金により形成された内燃機関用バルブの傘部における、バルブシートと当接しうる弁フェース部に強化元素を供給し、この強化元素を、高密度エネルギ加熱手段によって溶融させて前記弁フェース部を合金化し、合金化された弁フェース部をさらにＴ６処理した後、弁フェース部の最表層部を高密度エネルギ加熱手段によって再び溶融させて熱硬化層を形成することを特徴とする内燃機関用バルブの製造方法。
【請求項４】  強化元素を、Ｔi、Ｃr、Ｎi、Ｃu、Ｍn、Ｆe、Ｃoのいずれか１種又は２種以上の混合物としたことを特徴とする請求項３記載の内燃機関用バルブの製造方法。
【請求項５】  高密度エネルギ加熱手段として、ＹＡＧレーザ、ＣＯ2レーザ、又は電子ビームを用いることを特徴とする請求項３又は４記載の内燃機関用バルブの製造方法。
【請求項６】  予め、弁フェース部の表面を酸性又はアルカリ性の物質によって腐食させて梨地の状態にしておくことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の内燃機関用バルブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金で形成された内燃機関用バルブ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関に用いられる吸排気バルブには、マルテンサイト又はオーステナイト系の耐熱鋼が一般に使用されている。
また、近年においては、比較的熱負荷の小さい吸気バルブを、アルミニウム合金により形成する試みもなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
耐熱鋼製のバルブは、機械的強度が高く、耐久性、信頼性に優れている反面、慣性質量が大きく、かつ熱伝導性も悪いという問題がある。
【０００４】
一方、アルミニウム合金製の吸気バルブは、軽量であるため、動弁系の慣性質量の低減が図られ、エンジン性能を向上させうるとともに、熱伝導性にも優れ、シリンダヘッドへの放熱性が高く、エンジンの冷却性能の向上をもたらすという利点がある。
しかし、アルミニウム合金は、機械的強度が小さいために、特に、弁フェース部の耐摩耗性が劣り、耐久性や信頼性に欠けるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、アルミニウム合金製の吸気バルブの強度の向上を図ることができ、特に、弁フェース部の機械的強度を向上させることのできる内燃機関用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。
【０００６】
【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。
(１) 軸部の一端に傘部が設けられ、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金により形成された内燃機関用バルブにおいて、前記傘部における、バルブシートと当接しうる弁フェース部の表層部を熱硬化層とするとともに、その下層部を強化元素を含む合金層とし、前記合金層は、アルミニウムと強化元素であるＴi、Ｃr、Ｎi、Ｃu、Ｍn、Ｆe、Ｃoのいずれか１種又は２種以上とを含む合金であり、前記熱硬化層は、前記合金層の表層部を加熱して、再溶融させることにより形成されたものであり、前記合金層の硬度より高い高度を有するものとする。
【０００７】
(２) 上記(１)項において、合金層の硬度を２５０〜３００Ｈvとし、かつ熱硬化層の硬度を３００Ｈv以上とする。
【０００８】
(３) 内燃機関用バルブの製造方法において、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金により形成された内燃機関用バルブの傘部における、バルブシートと当接しうる弁フェース部に強化元素を供給し、この強化元素を、高密度エネルギ加熱手段によって溶融させて前記弁フェース部を合金化し、合金化された弁フェース部をさらにＴ６処理した後、弁フェース部の最表層部を高密度エネルギ加熱手段によって再び溶融させて熱硬化層を形成する。
【０００９】
(４) 上記(３)項において、強化元素を、Ｔi、Ｃr、Ｎi、Ｃu、Ｍn、Ｆe、Ｃoのいずれか１種又は２種以上の混合物とする。
【００１０】
(５) 上記(３)又は(４)項において、高密度エネルギ加熱手段として、ＹＡＧレーザ、ＣＯ2レーザ、又は電子ビームを用いる。
【００１１】
(６) 上記(３)〜(５)項のいずれかにおいて、予め、弁フェース部の表面を酸性又はアルカリ性の物質によって腐食させて梨地の状態にしておく。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関用バルブ及びその製造方法の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、本実施の形態の内燃機関用バルブのうち、吸気バルブの傘部のフェース部付近の断面を示している。同図に示す吸気バルブ(10)は、アルミニウム合金、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系の材料により形成され、軸部(10ａ)の下端部には、傘部(10ｂ)が設けられている。
【００１４】
軸部(10ａ)の下端から傘裏部(10ｃ)にかけてテーパ状に形成された弁フェース部(12)は、表層部(12ａ)が熱硬化層になっており、さらにその下層部(12ｂ)がＴi、Ｃr、Ｎi、Ｃu、Ｍn、Ｆe、Ｃo等の強化元素か、又はこれらの強化元素を２種以上、混合した合金層となっている。この結果、表層部(12ａ)は、３００Ｈv以上の硬度が得られている。また、合金層は、２５０〜３００Ｈvの硬度となっており、母材であるアルミニウムの硬度である１２０〜１５０Hvを大幅に上回っている。
【００１５】
下層部(12ｂ)に形成された合金層は、アルミニウム母材と強化元素との金属間化合物も含まれ、これにより、下層部(12ｂ)の機械的強度は向上し、アルミニウム合金製の吸気バルブの実用化への可能性が高くなる。
なお、熱硬化層及び合金層の形成の仕方については、後述する。
【００１６】
次に、上記のように構成した本実施形態の吸気バルブの動作及び使用態様について説明する。
【００１７】
図２は、シリンダヘッドに取り付けられた本実施形態の吸気バルブ(10)を示している。同図に示すように、吸気バルブ(10)は、その軸部(10ａ)をシリンダヘッド(14)のバルブガイド(16)に沿って上下に摺動可能に貫通して保持されている。
吸気バルブ(10)の弁フェース部(12)は、吸気ポート(18)の下端のバルブシート(20)のシート部(20ａ)と当接して、吸入行程以外は、吸気ポート(18)を閉じている。
【００１８】
弁フェース部(12)には、バルブシート(20)との当接によって大きな衝撃力が加わるが、前述したように、表層部(12ａ)を硬化層とし、さらに下層部(12ｂ)を合金層としているので、衝撃に対する耐久性は、大幅に向上している。
【００１９】
吸気バルブ(10)の軸部(10ａ)の上端部には、スプリングリテーナ(22)が、１対のコッタ（図示せず）を介して止着されている。スプリングリテーナ(22)とシリンダヘッド(14)の上面との間には、バルブスプリング(24)が縮設され、吸気バルブ(10)を上向きに付勢している。
【００２０】
吸気バルブ(10)の上方には、図示しないカムにより上下に揺動するロッカーアーム(26)が配置され、ロッカーアーム(26)の先端に螺着されたアジャスタボルト(28)の下端が、吸気バルブ(10)の上端を押圧することによって、吸気バルブ(10)の開弁動作が行われる。
【００２１】
次に、本実施形態の内燃機関用バルブの製造方法について説明する。
【００２２】
図３及び図４は、図１で示した吸気バルブ(10)に、熱硬化層、合金層を形成する場合の各行程における弁フェースの状態を示している。
まず、弁フェース部(12)の表面に、Ｔi、Ｃr、Ｎi、Ｃu、Ｍn、Ｆe、Ｃo等の強化元素の粉体を付着させて、ＹＡＧレーザ、ＣＯ2レーザ、電子ビーム等の高密度エネルギ加熱手段によって加熱する。そうすると、図３に示すように、弁フェース部(10)の最表層部(12ａ)に合金層及び金属間化合物が形成され、２５０〜３００Ｈvの硬度が得られる。
【００２３】
なお、高密度エネルギ加熱手段としては、ＹＡＧレーザが好適であるが、ＣＯ2レーザの場合は、母材のアルミニウムの反射率が高いために、やや効率が低下する。このため、予め、弁フェース部(10)の表面を酸性又はアルカリ性の物質によって腐食させて梨地の状態にして、熱エネルギの吸収を促進させるようにしておく。
【００２４】
図３の状態では、合金層である表層部(11ａ)の下層部(11ｂ)に、硬度の低い焼きなまされた熱影響部ができ、バルブ(10)の動作時に座屈を起こす可能性がある。このため、さらに弁フェース部(10)に対してＪＩＳに定めるＴ６処理を行って下層部(11ｂ)の硬度を回復させておく。なお、このＴ６処理によって合金層の硬度は、約２００Ｈvまで一旦、低下する。
一方、母材であるアルミニウムは、Ｔ６処理によって、１２０Ｈvから１５０Ｈｖまで、硬度が上昇する。
【００２５】
ここで、Ｔ６処理とは、５００℃前後で数時間加熱後、水焼入れで急冷し、その後１００〜２００℃で数時間加熱する熱処理のことをいう。
【００２６】
次いで、ＹＡＧレーザ等の高密度エネルギ加熱手段によって、弁フェース部(10)を再び加熱して表層を再溶融させ、熱硬化層を弁フェース部(10)の最表層部(11ｃ)に形成する。これにより、弁フェース部(10)の最表層部(11c)の硬度は、３００Ｈv以上に上昇する。この結果、弁フェース部(10)は、表層部(11ａ)に形成された合金層とあいまって機械的強度が大幅に向上し、吸気バルブ(10)の耐久性、信頼性が高まる。
【００２７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、吸気弁(10)の動作時に、バルブシートと当接して応力が集中する弁フェース部(10)の機械的強度、耐摩耗性を大幅に高めることができるので、内燃機関のバルブの母材としてアルミニウムを使用することが可能となる。これにより、動弁系の慣性質量を軽くすることができ、エンジンの高出力化、低燃費化に対応することが可能となる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、高密度エネルギ加熱手段として、レーザ等を使用しているが、効率的な加熱が可能であれば、これに限らず、プラズマアーク等、どのような加熱手段を用いてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１及び２の発明によれば、弁フェース部の表層部を硬化層、さらにその下層部を合金層としているので、衝撃に対する耐久性が大幅に向上し、アルミニウムを母材とするバルブの機械的強度を向上させることができる。
【００３０】
請求項３〜６の発明によれば、アルミニウムを母材とする内燃機関のバルブの弁フェース部の硬度及び強度を大幅に向上させることができる。これにより、従来の耐熱鋼の吸気バルブをアルミニウム製の吸気バルブへ変更することができるので、動弁系の慣性質量の低減を図ることができ、エンジン性能の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の一実施形態に係る内燃機関用バルブの傘部のフェース部付近を切り欠いた一部断面図である。
【図２】
本発明の一実施形態に係る内燃機関用バルブが適用された吸気側の動弁機構の中央縦断面正面図である。
【図３】
本発明の一実施形態に係る内燃機関用バルブの製造方法によって製造される吸気バルブのフェース部付近の一部拡大断面図で、製造工程の一部を示している。
【図４】
同じく、吸気バルブのフェース部付近の一部拡大断面図で、製造工程の一部を示している。
【符号の説明】
(10)吸気バルブ
(10ａ)軸部
(10ｂ)傘部
(10ｃ)傘裏部
(11ａ)表層部
(11ｂ)下層部
(11ｃ)最表層部
(12)弁フェース部
(12a)表層部
(12b)下層部
(14)シリンダヘッド
(16)バルブガイド
(18)吸気ポート
(20)バルブシート
(20ａ)シート部
(22)スプリングリテーナ
(24)バルブスプリング
(26)ロッカーアーム
(28)アジャスタボルト