(57)【要約】  本発明は、内燃機関用のマルチピース複合バルブであって、バルブステム（２）及びバルブヘッド（４）が別々に製造されて、重なり領域（６）で互いに接合される、マルチピース複合バルブに関する。本発明は、重なり領域（６）において、バルブステム（２）の少なくとも一部に中間層（８）が設けられることを特徴とする。前記中間層（８）は、バルブステム（２）及びバルブヘッド（４）の両方と化学結合の形態で一体的な接合を形成し、バルブヘッド（４）はバルブステム（２）上に鋳造される。
2007504384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用のマルチピース複合バルブ（１）であり、バルブステム（２）及びバルブヘッド（４）が別々に製造されて、重なり領域（６）で互いに接合され、前記バルブヘッド（４）が前記バルブステム（２）上に鋳造されるバルブであって、
前記重なり領域（６）において、前記バルブステム（２）に少なくとも部分的に少なくとも１つの中間層（８）が設けられ、該中間層は、前記バルブステム（２）及び前記バルブヘッド（４）の両方と化学結合の態様で材料間結合されることを特徴とするバルブ。
【請求項２】
前記中間層（８）が、段階層（１０）又は多重層（１２）の形態にあることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項３】
前記バルブステム（２）が、前記重なり領域（６）において、目で見える程度のアンダカット（１４）を有することを特徴とする請求項１あるいは２に記載のバルブ。
【請求項４】
前記バルブステム（２）が、前記重なり領域（６）において、非常に小さなアンダカット（１４）を形成するために、機械的又は化学的に粗面加工されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項５】
前記中間層又は粗面加工された層が、前記バルブヘッドの鋳造の前に、前記バルブステム（２）の前記重なり領域（６）に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項６】
前記バルブヘッド（４）が、アルミニウム−チタン化合物から構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項７】
前記バルブステム（２）が鋼から構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項８】
前記少なくとも１つの中間層（８）が、Ａｇ系合金、Ｎｉ系合金、Ｔｉ系合金、及び／又は、Ｃｕ系合金であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項９】
前記少なくとも１つの中間層（８）が、金属酸化物をベースとして構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項１０】
前記中間層（８）が、前記バルブヘッド（４）の鋳造の前に、１％〜７５％の開放気孔率を示すことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段に記載の、内燃機関用のマルチピース複合バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の高出力機関において、高い熱負荷がかかる排気バルブに課される要求はますます高まっている。特にバルブヘッドは、高い機械的負荷及び熱負荷を受ける。このため、異なる材料からなるバルブステム及びバルブヘッドを製造して、この２つの部品を接合することが、様々な形で提案されてきた。ここで、バルブステムは、延性材料から製造することができ、バルブヘッドは、耐熱性かつ耐摩耗性の材料から構成される。
【０００３】
特許文献１から、鍛造金属製のステムと鋳造金属製のバルブヘッドとから構成される、金属製のバルブが知られている。バルブヘッドを備えたステムを鋳造するように構成がなされている。
【０００４】
特許文献２には、上述のように、バルブステムとバルブヘッドとを接合することによって製造される内燃機関用のマルチピース複合バルブが記載されている。しかし、この発明は、たとえばナトリウムを使用して冷却される中空のバルブステムを使用するという目的に特に向けられたものである。この構成では、好ましくは、バルブステム及びバルブヘッドが、レーザ溶接、硬質はんだ付け、又は、ろう付けによって互いに接合される。しかし、このプロセスでは、全ての個々の部品を別々に製造して、その後複雑な接合装置で互いに接合しなければならない。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８８１，１９１号明細書
【特許文献２】独国特許発明第１００  ２９  ２９９  Ｃ２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、現行技術に比べて、より少ない製造工程及びより単純な生産設備で済む、内燃機関用のマルチピース複合バルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、請求項１の特徴を有する、内燃機関用のバルブによって解決される。
【０００８】
請求項１に記載の内燃機関用マルチピース複合バルブは、バルブステム及びバルブヘッドを備えている。両部品は別工程で製造され、重なり領域で互いに接合される。本発明は、この重なり領域においてバルブステムに少なくとも部分的に中間層が設けられ、この中間層がバルブステム並びにバルブヘッドの両方と化学結合の態様で材料間結合を形成することを特徴とする。さらに、バルブヘッドはバルブステム上に鋳造される。
【０００９】
本明細書における「化学結合」という用語は、複数の層の材料が、反応、合金化又は拡散によって互いに結合される、材料間結合を意味するものと理解される。このタイプの材料間結合はまた、単に、バルブヘッドをバルブステム上に鋳造することによっても実現できる。しかし、今までは、この方法に用いられる材料によっては、接合作用が不十分であった。本発明で用いられる中間層は、バルブステムの材料並びにバルブヘッドの材料の両方と結合し、材料間結合を形成するように設計される。それによって、バルブステムとバルブヘッドとの間の一体的かつ堅固な結合が作製される。バルブヘッドが鋳造されるため、手間のかかる溶接及びろう付けプロセスはもはや必要なくなる。
【００１０】
バルブステム及びバルブヘッドの材料の性質及び組成によっては、中間層が段階層又は多重層の形態にある場合が有用である。この態様では、個々の部分的領域、すなわちバルブヘッド及びバルブステムの機械的特性（たとえば硬度、弾性率）、物理的特性（たとえば膨張率、熱伝導率）及び化学的特性を利用できる。
【００１１】
材料間結合を強化するために、バルブステムとバルブヘッドとの間に補完的にかみ合い接合部を設けることが有用であり得る。このかみ合い接合部は、たとえば、重なり領域に目で見える程度のアンダカットなどの構造を備えていてもよい。
【００１２】
同様に、重なり領域において非常に小さいアンダカットや窪みを形成するために、バルブステムを熱的又は機械的に粗面加工することが有用である。本明細書における「小さいアンダカット」という用語は、たとえば材料の表面処理又は表面加工によって設けられる小さな表面凹部を含む。鋳造バルブヘッドの液状の材料は、それ自体がこれらの小さな表面凹部に埋め込まれ、凝固し、堅固で密接なかみ合いを形成するか、又は場合によっては材料間結合を形成する。
【００１３】
好ましい態様では、バルブヘッドをバルブステムの重なり領域に鋳造する前に、中間層又は化学処理層が設けられる。本明細書における「化学処理層」という用語は、バルブヘッドの溶融中、又は後続の熱処理の際に、少なくとも部分的に化学組成が変化する層であるものと理解される。
【００１４】
本発明の１つの設計では、バルブヘッドは、アルミニウム−チタン複合物から構成される。このためには、一般に、チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）が好ましい。この材料は、チタンとアルミニウムとの金属間結合から構成される。この材料は極めて耐熱性が高く、それによって高い機械的強度及び摩擦強度を示す。
【００１５】
これに対して、本実施態様では、バルブステムは、鋼材料から製造されるのが好ましい。鋼は有利な特性及び低価格で知られ、かつ比較的高い延性を示す。
【００１６】
中間層又は少なくとも１つの層は銀系、ニッケル系、チタン系及び／又は銅系の合金から構成されることが好ましい。これらのタイプの合金は、たとえば硬ろう付け又ははんだ付けに適しており、公知の被覆法でバルブステムに容易に適用することができ、互いに合着して表面に合金を形成し、これは本発明によれば化学結合と考えられる。
【００１７】
同様に、少なくとも１つの中間層又は化学処理層は、好ましい態様では、金属酸化物をベースとして構成できる。この金属酸化物は、その鋳造中のバルブヘッドの合金元素の溶融の際に、反応、特に還元反応を起こすことができ、これにより、バルブヘッドと中間層の金属酸化物との間のより堅固な化学結合をもたらす。
【００１８】
バルブヘッドを鋳造する前の中間層又は化学処理層は、表面に、開放している孔を多数有する。この開放気孔率（表面上で開放する孔の占める割合）は、１％〜７５％を占める。好ましくは、この開放気孔率は、５％〜２５％、及び３０％〜６０％である。それによって、有利な態様では、後にバルブヘッドを形成する液状の金属は、中間層の孔に浸入でき、その表面上で反応することができる。表面の多孔性を利用することによって、バルブヘッドと中間層との結合に利用できる表面積が増大される。同時に、バルブステムの表面と同じように中間層の表面にも、機械的又は化学的処理によって微視的なアンダカットを設けることが有用である。
【００１９】
本発明を、添付の図面とともに、いくつかの実施形態に基づいて以下、詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１には、バルブ１の断面図が概略的に示され、このバルブ１はバルブステム２及びバルブヘッド４を有する。バルブステム２とバルブヘッド４との重なり領域６においては、バルブステム２に環状のアンダカット１４が設けられる。これに加えて、バルブステム２は、重なり領域６において中間層８を示している。
【００２１】
バルブヘッドはバルブステム２上に鋳造される。重なり領域６において、バルブヘッド４及びバルブステム２は、中間層８を介して互いに材料的に結合される。中間層８を介した材料間結合を強化するために、バルブヘッド４及びバルブステム２は、アンダカット１４によってさらにかみ合わされ、それによってさらに固定される。
【００２２】
図２には、バルブステム２及びバルブヘッド４を備えたバルブ１の類似の図が示されている。概念上、同じ部品には同じ参照符号が付される。また、図２のバルブ１は、先端が球状又はドロップ状になるアンダカット１４を示しており、このアンダカット１４は重なり領域６においてバルブステム２に接続している。同様に、この実施形態では、化学結合によってバルブヘッド４とバルブステム２とを互いに接合させるための中間層８が設けられる。
【００２３】
バルブステム２とバルブヘッド４との間の最適な接合を確保するための、図１及び２に示されたアンダカット１４の設置が必ず必要というわけではないが、場合によっては有用である。図１及び２に示されたアンダカット１４は、基本的には２つの任意の例である。これに加えて、バルブステム２の重なり領域６におけるアンダカット１４は、たとえばらせん形状をとることも考えられる。このために、好都合なことに、ねじ山を形成するのに用いるプロセスを流用することができる。さらに、重なり領域６におけるアンダカット１４の設計は、ノッチ、溝、波形、流路又は穴であっても良い。
【００２４】
バルブステム２は、たとえばサンドブラスト法又はグリットブラスト法によって、重なり領域６において機械的に処理される。それによって、重なり領域６における表面粗さが増大し、中間層８の適用及び被着が容易になる。
【００２５】
中間層８は、基本的に１つ以上の機能層から構成される。このため、結果として中間層８の個々の層ごとに、基本的に１つ以上の異なるタイプの適用プロセスを用いることができる。典型的な適用プロセスは、たとえば、プラズマ溶射、フレーム溶射、ワイヤアーク溶射又は動力学的低温ガス噴射法(kinetic cold gas compacting)などの溶射法である。さらに、ＣＶＤ（化学気相蒸着法）、ＰＶＤ（物理気相蒸着法）又はスパッタリングなどの薄膜技術、塗装及び吹き付け法あるいは電気めっき法を用いることができる。さらに、浸漬浴又ははんだ箔によって合金を適用して、それをはんだ炉中でさらに溶融させることも考えられる。
【００２６】
被覆用の材料としては、耐熱性の合金、特に銀系合金、ニッケル系合金、チタン系合金、又は銅系合金が考慮に入れられる。このタイプの合金は、硬質はんだ又はろう付けはんだとして用いることもできるが、本件では、重なり領域６において、たとえば薄層技術又は電気めっき技術、又は浸漬浴によって適用されるか、あるいは場合によっては後に溶融される箔被覆によって適用されてもよい。このタイプの合金は、外部エネルギーを加えると、バルブステム２の表面とさらに合金化する。それによって生成された合金又はアマルガムは定義上、化学結合物と考えられる。バルブヘッド４を溶融すると、上記材料は、この時点で溶融されているか又はそうでなくとも少なくとも軟化形態にあるバルブヘッドの材料と合金化して、合金の形態又は中間金属相の形態でバルブヘッドの材料と化学結合を形成する。
【００２７】
層材料のさらなる変形形態は、反応性の金属化合物、たとえば金属酸化物の適用を含む。このタイプの金属酸化物は、たとえば、溶射法又は適用されるセラミック片のレーザ焼結によって生成され得る。このタイプの溶射法は、生産技術の観点から見て特に経済的である。適した金属酸化物の例としては、１つには二酸化チタン（ＴｉＯ２）が挙げられるであろう。ＴｉＡｌをベースとしたバルブヘッド材料を使用する際には、ＴｉＯ２は、ＴｉＡｌ溶融物のうちのアルミニウムと発熱化学反応を起こす。この化学反応は以下の式に表されるように進行する。
ｘＴｉＯ２  ＋  ｙＡｌ  ＋  ｚＴｉ  →  Ａｌ２Ｏ３  ＋  ＴｉａＡｌｂ
上記の反応式は、化学量論的ではない。しかし、化学反応によって、溶融されたアルミニウムが酸化アルミニウムの形成に利用されることに留意されたい。Ｔｉ：Ａｌ＝１：１に基づく、バルブヘッド４の化学量論的な組成を確保するために、化学量論的に過剰なアルミニウムを溶融物として供給することが好ましい。
【００２８】
この反応に従い、中間層８を形成する、反応生成物である酸化アルミニウム及びＴｉａＡｌｂは、バルブヘッド４と化学結合される均一な緻密層を形成する。また、上記の反応中に放出される発熱エネルギーによって、バルブステム２の表面との表面反応が起こる。溶射された金属酸化物又は場合によってはレーザ焼結された金属酸化物は、中間層８のための化学的前駆体層と考えることができる。
【００２９】
上記の説明は、基本的に、化学結合されたつなぎとなる中間層８を生成することができる反応系の一例を示すことを意図している。バルブヘッド４の溶融された材料と発熱反応を起こす基本的に全ての他の反応系を、中間層８のための基礎材料及び化学的前駆体層として用いることができる。また、これらの例としては、たとえば、隣接する金属との炭化物、窒化物及びホウ化物も挙げられる。
【００３０】
基本的に、バルブヘッド４をバルブステム２上に鋳造した後、さらなる熱処理を行うことができ、この熱処理は、中間層８とバルブヘッド４との間の化学結合、又は場合によっては中間層８とバルブステム２との間の化学結合の形成を補助するのに役立ち得る。
【００３１】
バルブステム材料とバルブヘッド材料との様々な物理的材料特性のバランスを確保するために、多重層１２（図４）又は段階層１０（図３）をつなぎ層６として用いることが有用であり得る。ここで、層材料の適用のタイプ及びそれらの反応の態様の前述した基本原理について再び言及する。図３及び４には、段階層１０又は場合によっては多重層１２の例示的な例が示されている。
【００３２】
図３には、たとえば高温はんだＡｇＣｕ１３をベースとする、段階式のつなぎ層６が示されている。はんだ材料ＡｇＣｕ１３は、バルブステム２の重なり領域６に浸漬浴で適用される。液体溶融物が呈するエネルギーによって、領域１６において、合金化の形態で化学反応が起こる。これは、バルブステム２の鋼とＡｇＣｕ１３合金との表面合金化である。図３では、この領域１６は、２本の鎖線によって区切られ、斜線で示されたグレーの領域によって概略的に示される。ここで、バルブヘッド４の鋳造中、溶融物から非常に大量の熱エネルギーが加えられるため、ＡｇＣｕ１３層材料は、バルブヘッド４のＴｉＡｌ材料と合金化を起こす。ここでまた、結果として、個別の合金成分が中間金属相の形態又は合金の形態で存在する、段階式の重なり領域１６が得られる。この重なり領域の先には、バルブヘッド４の材料のそれ自体の純粋な層組成が続いている。
【００３３】
さらなる有用な合金系は、ニッケルをベースとして構成され、たとえば次の組成から構成される。７重量％のＣｒ、３重量％のＦｅ、４．５重量％のＳｉ、３．２重量％のＢ、並びに残りがニッケル。
【００３４】
この合金のクロム含量は、７重量％〜１９重量％の間で変動可能であり、ケイ素被覆は、４．５重量％〜７．５重量％の間で変動可能である。
【００３５】
上記材料は、好ましくは、膜又は箔の形態で適用され、バルブステム２の重なり領域６で溶融される。
【００３６】
バルブステム材料とバルブヘッド材料との化学結合は、たとえばＡｇＣｕ１３の形態で示される合金を結合することによって確保することができず、そこで、図４のように、さらなる補完層１８を酸化チタンの溶射層の形態で適用することが有用である。
【００３７】
図４の中間層８は多重層１２の形態にある。ここで、図３のように、まず、バルブステム２の重なり領域６において、この場合電気めっき被覆によって合金が適用され、次にその上に酸化チタン層が溶射法、この場合ワイヤアーク溶射によって適用できる。ここで、電気めっき適用法は、バルブステム２の材料と電気めっき適用された合金材料１７との間に、堅固で一体的な化学結合の形態で合金を形成する。酸化チタンから本質的に構成される溶射層１８は、所定の気孔率を示し、この気孔率はプロセスパラメータによって調整でき、この場合５５％である。バルブヘッド４の溶融中、液体ＴｉＡｌ材料は、毛管力によって多孔性層１８の孔に引き込まれ、又はこれによって上記の反応式に表されるように発熱反応が引き起こされる。層１８の領域では、酸化アルミニウム／ＴｉＡｌ材料が上記反応に従って形成され、その反応生成物は、バルブヘッド４のＴｉＡｌ材料と堅固に化学結合される。図４に示される中間層８には、多重層１２と段階層１０との組み合わせが示される。この複合構造は、バルブステム材料とバルブヘッド材料との間の物理的及び機械的特性のバランスをとるのに適している。この特性としては、特に熱膨張率が挙げられる。一方、電気化学特性のために、多重層を用いることが必要となることもある。たとえば溶射層を適用することによって、層の表面構造に影響を及ぼすことも可能である。溶射パラメータを調整することによって、好適には粗面加工された表面を、バルブヘッド４の溶融のために調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】重なり領域に中間層を示す、バルブステムと鋳造されたバルブヘッドとを備えたバルブの断面図を示す。
【図２】重なり領域に中間層を示す、バルブステムと鋳造されたバルブヘッドとを備えたバルブの断面図を示す。
【図３】段階層の形態の中間層の概略図を含めた図１の詳細ＩＩＩの拡大図を示す。
【図４】多重層の形態の中間層の概略図である図２の詳細ＩＶの拡大図を示す。
【図１】
2007504384.tif 000003
【図２】
2007504384.tif 000004
【図３】
2007504384.tif 000005
【図４】
2007504384.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月10日(2005.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用のマルチピース複合バルブ（１）であり、バルブステム（２）及びバルブヘッド（４）が別々に製造されて、重なり領域（６）で互いに接合され、前記バルブヘッド（４）が前記バルブステム（２）上に鋳造されるバルブであって、
前記重なり領域（６）において、前記バルブステム（２）は、前記鋳造の前に、少なくとも部分的に少なくとも１つの中間層（８）が設けられ、該中間層は、前記鋳造の後、前記バルブステム（２）及び前記バルブヘッド（４）の両方と化学結合の態様で材料間結合されることを特徴とするバルブ。
【請求項２】
前記中間層（８）が、段階層（１０）又は多重層（１２）の形態にあることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項３】
前記バルブステム（２）が、前記重なり領域（６）において、目で見える程度のアンダカット（１４）を有することを特徴とする請求項１あるいは２に記載のバルブ。
【請求項４】
前記バルブステム（２）が、前記重なり領域（６）において、非常に小さなアンダカット（１４）を形成するために、機械的又は化学的に粗面加工されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項５】
前記バルブヘッド（４）が、アルミニウム−チタン化合物から構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項６】
前記バルブステム（２）が鋼から構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの中間層（８）が、Ａｇ系合金、Ｎｉ系合金、Ｔｉ系合金、及び／又は、Ｃｕ系合金であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項８】
前記少なくとも１つの中間層（８）が、金属酸化物をベースとして構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項９】
前記中間層（８）が、前記バルブヘッド（４）の鋳造の前に、１％〜７５％の開放気孔率を示すことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のバルブ。
【国際調査報告】
2007504384.tif 000007
2007504384.tif 000008
2007504384.tif 000009
2007504384.tif 000010