(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンバルブ用の粉末材料を圧縮成形して成形体を成形し、成形体を加熱、焼結して焼結体を形成するエンジンバルブの製造方法において、エンジンバルブ用の粉末材料を１０００°Ｃ以上に加熱して鍛造し、真密度に対する相対密度が焼結後９５％以上になるように弁傘部を形成し、エンジンバルブの形状のキャビティを有する装置を用いて、キャビティの弁傘部形状の部分に弁傘部を装着し、キャビティの残りの部分にエンジンバルブ用の粉末材料を充填して圧縮成形し、弁傘部と弁軸部とが一体になった成形体を１２００°Ｃ〜１４００°Ｃに加熱して焼結し、弁傘部の成形体に結合した弁軸部を弁軸部の真密度に対する相対密度を焼結後９０％以上となるようにしたことを特徴とするエンジンバルブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用等に用いられる内燃機関のエンジンバルブ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の内燃機関に装着されるエンジンバルブは、高温の燃焼雰囲気にさらされながら相当大きな荷重を受けるので、高温下での強度や当たり面の耐磨耗性にすぐれていることが求められている。更に、自動車の高速性能指向に伴い、エンジンバルブの軽量化が求められている。そして、エンジンバルブの軽量化のためには、弁軸部を細くし、弁軸部の軸径に比べて弁傘部の径を大きくすることが必要である。
【０００３】
弁軸部の軸径に比べて弁傘部の径が大きいエンジンバルブの製造方法が、特公平６−９６１７７号公報に記載されている。この従来技術の第１の加工方法は、耐熱鋼の棒素材の一端を電気鍛縮工法（アップセット工法）によって高温高圧下で変形させて弁頭部を成形した後、熱間プレス加工により弁頭部を所定形状の弁傘部に成形する。そして、棒素材に冷間軸絞り加工を施して軸径を減少させ、細い弁軸部を形成する。
【０００４】
従来技術の第２の加工方法は、径の大きな耐熱鋼の素材を熱間押出工法によって、所望の軸径を有するステム部分を形成し、ステム部分の一端に押し出しされない弁頭部を残しておく。そして、弁頭部を熱間プレス加工によって弁傘部となし、ステム部分に冷間軸絞り加工を施して軸径を減少させ、細い弁軸部を形成する。この従来技術による第１，第２の加工方法は、弁軸部の軸径が５ｍｍ以下になると、冷間軸絞り加工用の金型の寿命が極端に短くなり、また軸長が長い場合は絞り加工が不可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、弁軸部の軸径に比べて弁傘部の径が大きいエンジンバルブを、低コストで生産することを第１課題とし、このエンジンバルブの弁軸部の軸径が５ｍｍ以下であってもエンジンバルブを効率よく生産することを第２課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンバルブ用の粉末材料を圧縮成形して成形体を成形し、成形体を加熱、焼結して焼結体を形成するエンジンバルブの製造方法において、エンジンバルブ用の粉末材料を１０００°Ｃ以上に加熱して鍛造し、真密度に対する相対密度が焼結後９５％以上になるように弁傘部を形成し、エンジンバルブの形状のキャビティを有する装置を用いて、キャビティの弁傘部形状の部分に弁傘部を装着し、キャビティの残りの部分にエンジンバルブ用の粉末材料を充填して圧縮成形し、弁傘部と弁軸部とが一体になった成形体を１２００°Ｃ〜１４００°Ｃに加熱して焼結し、弁傘部の成形体に結合した弁軸部を弁軸部の真密度に対する相対密度を焼結後９０％以上となるようにしたことを第１の製造方法とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のエンジンバルブの製造方法の実施の形態第１を示す。実施の形態第１は、弁軸部１と弁頭部２が一体で真密度に対する相対密度が９０％以上の焼結体を形成し（図１(a) 参照）、焼結体の弁頭部２を鍛造して弁傘部３を成形し、弁傘部３の真密度に対する相対密度を９５％以上とした（図１(b) 参照）製造方法である。弁軸部１及び弁傘部３の相対密度は、それぞれの全体を略均一とする。
【０００８】
十分に混合した所定組成のエンジンバルブ用の粉末材料を、圧縮成形して成形体を形成し、この成形体を加熱、焼結して、弁軸部１と弁頭部２を有する図１(a) の形状の焼結体（オニオン）を形成する。粉末材料として、耐熱鋼（例えば、ＪＩＳのＳＵＨ１１，ＳＵＨ３，ＳＵＨ３５，ＳＵＨ３６等）などの鋼（ＪＩＳのＳＣＭ４４０等の構造用鋼などを含む）、チタン合金（例えば、Ｔｉ６Ａ１４Ｖ，Ｔｉ６Ａ１２Ｓｎ４Ｚｒ２Ｍｏ等のほか、これらをマトリックスにしたＴｉＢもしくはＴｉＣを１〜３０質量％含む金属間複合材料など）、アルミ合金、Ｎｉ合金などの粉末が用いられる。
【０００９】
圧縮成形の方法として、ＣＩＰ（冷間静水圧プレス）、ＲＩＰ（ゴム型静水圧プレス）、射出成形法などの方法が選択されるが、図１(a) のエンジンバルブの素粗形材の成形には、ゴム型による成形法（例えばＣＩＰ）が適している。
【００１０】
例えば、粉末材料としてチタン粉末を用い、真密度に対する相対密度が９０％以上の焼結体を形成するための条件は次の通りである。成形圧力は、０．５トン／ｃｍ2 以上、望ましくは１トン／ｃｍ2 である。焼結温度は、１２００℃〜１４００℃であり、図４にデータを示すエンジンバルブは焼結温度１３００℃のものである。焼結時間は、２〜１０時間で材質に適した時間を選定することとし、図４にデータを示すエンジンバルブは焼結時間４時間のものである。
【００１１】
図１(a) の焼結体を鍛造温度まで加熱し、据込鍛造により焼結体の弁頭部２を弁傘部成形用の金型により塑性変形をさせ、図1(b)の粗形材の弁傘部３を成形する。加熱温度が高すぎると変形しやすくなるが、結晶粒が大きくなるなど材質の劣化をまねく。また、加熱温度が低いと残留応力が生じて内部割れなどの原因となる。鍛造により焼結体が高度に圧縮されるため、焼結により発生した焼結体内部の空孔が圧壊され、組織が緻密になって密度が高くなり、強度が向上する。
【００１２】
弁傘部３の真密度に対する相対密度を９５％以上にするための、熱間鍛造の条件は次の通りである。加熱温度は１０００℃以上であり、図４にデータを示すエンジンバルブは、チタン粉末の焼結体を１２００℃に加熱して鍛造したものである。なお、加熱方法は、高周波加熱，火炎加熱など１０００℃以上に加熱できる方法とする。また、図４にデータを示すエンジンバルブは、チタン粉末の焼結体を成形荷重１５０トンで鍛造したものである。図1(b)の粗形材を加工して、図１(c) に示すエンジンバルブの完成品を製造する。
【００１３】
図２・図３は、本発明のエンジンバルブの製造方法の実施の形態第２を示す。実施の形態第２は、真密度に対する相対密度が焼結後９５％以上になるように弁傘部の成形体を成形した後に、弁傘部の成形体に結合した弁軸部の成形体を弁軸部の真密度に対する相対密度を焼結後９０％以上となるようにする製造方法である。弁軸部１及び弁傘部３の相対密度は、それぞれの全体を略均一とする。
【００１４】
弁傘部３の成形体12の成形には、図３(a) に示す成形型４、成形型５及び成形型６からなり、中央に弁傘部の形状のキャビティ10を有する装置を用いる。十分に混合した所定組成のエンジンバルブ用の粉末材料をキャビティ10に充填し、成形型４、成形型５及び成形型６を用いて圧縮成形して（図２(a) 参照）、真密度に対する相対密度が焼結後９５％以上になるように弁傘部の成形体12を成形する。弁傘部３の成形体の粉末材料及び圧縮成形の方法は、実施の形態第１と同様である。なお、粉末材料としてチタン粉末を用い、真密度に対する相対密度を焼結後９５％以上の弁傘部３の成形体12を形成するための条件は、成形圧力が３トン／ｃｍ2 以上である。
【００１５】
エンジンバルブ成形体の成形には、図３(b) に示す成形型７、成形型８及び成形型９からなり、中央にエンジンバルブの形状のキャビティ11を有する装置を用いる。先に成形された弁傘部３の成形体12を、キャビティ11の弁傘部の形状の部分（図２(b) ではキャビティ11の上方部）に装着する。成形型７の一端部（図２(b) では上端部）に成形型８を嵌合し、成形体12の一端に成形型８の内側を接触させる。
【００１６】
キャビティ11の残りの部分（弁軸部の形状の部分）に、十分に混合した所定組成のエンジンバルブ用の粉末材料を充填し（粉末材料は成形体12の下面に接触している）、成形型７の他端部（図２(b) では下端部）に成形型９を嵌合する。成形型７、成形型８及び成形型９を用いて圧縮成形して（図２(b) 参照）、真密度に対する相対密度が焼結後９０％以上になるように弁軸部の成形体13を成形する。こうして、真密度に対する相対密度が焼結後９５％以上になるように成形された弁傘部３の成形体12と、真密度に対する相対密度を焼結後９０％以上になるように成形された弁軸部１の成形体13とが、一体になったエンジンバルブの成形体が成形される。弁軸部１の成形体13の粉末材料及び圧縮成形の方法は、実施の形態第１と同様である。
【００１７】
弁傘部３の成形体12と弁軸部１の成形体13とが一体になったエンジンバルブの成形体を焼結炉で焼結し、図２(c) に示す弁軸部１と弁傘部３とが一体の焼結体で形成される。焼結体を形成する条件は、実施の形態第１と同一である。弁傘部３の真密度に対する相対密度が９５％以上で、弁軸部の真密度に対する相対密度を焼結後９０％以上のエンジンバルブ粗形材が出来上がる。図２(c) の粗形材を加工して、図２(d) に示すエンジンバルブの完成品を製造する。
【００１８】
エンジンバルブは、その作動時、特に着座時に、エンジンバルブが傾いていること、相手シートが変形していること、異物が噛み込むこと等の原因により、弁傘部に曲げ応力が作用する。そのため、弁傘部には耐力が要求される。本発明によれば、相対密度に対する耐力は、図４に示すとおりであり、弁傘部の相対密度が９５％以上であると、耐力が約７２０ＭＰａ以上であり、弁傘部に要求される耐力を満たしている。また、図４によれば、弁軸部の相対密度が９０％以上であると、耐力が５５０ＭＰａ以上であり、弁軸部と弁傘部との耐力のバランスがよい。
【００１  ９】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、弁軸部の軸径に比べて弁傘部の径が大きいエンジンバルブを、低コストで生産することができ、このエンジンバルブの弁軸部の軸径が５ｍｍ以下であってもエンジンバルブを効率よく生産することができる。また、本発明のエンジンバルブは、弁傘部の耐力が十分であり、弁軸部と弁傘部との耐力のバランスがよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(a) 〜図１(c) は本発明のエンジンバルブの製造方法の実施の形態第１の説明図であり、図１(a) は弁軸部と弁頭部が一体の焼結体を示し、図１(b) は図１(a) の弁頭部を弁傘部に鍛造した状態を示し、図１(c) はエンジンバルブの完成品を示す。
【図２】図２(a) 〜図２(d) は本発明のエンジンバルブの製造方法の実施の形態第２の説明図であり、図２(a) は弁傘部の焼結体形成の状態を示し、図２(b) は弁傘部の焼結体に弁軸部の焼結体を一体に形成する状態を示し、図２(c) は弁軸部と弁傘部が一体の焼結体を示し、図２(d) はエンジンバルブの完成品を示す。
【図３】図３(a) は弁傘部の焼結体形成用の３個の成形型の断面図であり、図３(b) は弁傘部の焼結体に弁軸部の焼結体を一体に形成するための３個の成形型の断面図である。
【図４】本発明の製造方法によって製造されたチタン合金製のエンジンバルブの、相対密度と耐力との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  弁軸部
２  弁頭部
３  弁傘部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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