(57)【要約】【課題】エンジンバルブに対して安定した表面改質処理を低コストで行う。【解決手段】治具３０のブロック３６に、１つおきにエンジンバルブ１０のステム部１２を挿入して保持し、第１エンジンバルブ列４０を形成する。次に、エンジンバルブ１０の隣接するもの同士の間に新たなエンジンバルブ１０のステム部１２を通し、その第１テーパ部１８の側周壁面を、第１エンジンバルブ列４０のエンジンバルブ１０の円盤状部２２の上端面に当接させ、これを繰り返して第２エンジンバルブ列４２を設ける。グロー放電時には、通電開始後に所定時間が経過すると通電が停止され、さらに、通電停止から所定の時間が経過した後に通電が再開される。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部と、該軸部に比して大径な大径部とを有し、且つ鉄族系合金からなるエンジンバルブに対して表面改質処理を施すエンジンバルブの表面改質処理方法であって、
前記エンジンバルブの複数個を、該エンジンバルブの各大径部が上方を臨むようにして治具の網部に前記軸部を通し、且つ前記網部に前記大径部を当接させて堰止することで前記治具に装填して、エンジンバルブ列を設ける工程と、
前記治具を処理炉の内部に設置し、前記治具又は前記エンジンバルブを陰極として、ガスを流通しながら前記陰極と陽極との間で通電を行うことにより前記ガスを源とするプラズマを発生させる工程と、
を有し、
前記プラズマを発生させる工程で、前記通電を間欠的に行い且つ１回の通電時間を１０００μ秒未満とすることを特徴とするエンジンバルブの表面改質処理方法。
【請求項２】
請求項１記載の表面改質処理方法において、前記治具に装填された前記エンジンバルブ列中の隣接したエンジンバルブ同士の間に別のエンジンバルブの軸部を挿入することで前記エンジンバルブ列の上方に上方エンジンバルブ列を積層するとともに、前記エンジンバルブ列をなすエンジンバルブの大径部の主面と、前記上方エンジンバルブ列をなすエンジンバルブの大径部の背面とを当接させる工程をさらに有することを特徴とするエンジンバルブの表面改質処理方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の表面改質処理方法において、通電時間に比して通電停止時間が５０〜２００μ秒長いことを特徴とするエンジンバルブの表面改質処理方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面改質処理方法において、前記プラズマが発生した雰囲気中で、前記エンジンバルブに対して水素スパッタリング又はプラズマ窒化処理の少なくともいずれか一方を行うことを特徴とするエンジンバルブの表面改質処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のエンジンバルブの表面を改質するためのエンジンバルブの表面改質処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、吸気・排気ポートを開閉するためのエンジンバルブを具備する。このエンジンバルブは、鉄族系合金から構成されるのが一般的であり、前記内燃機関のシリンダヘッドに保持される軸部（ステム部）と、該ステム部に比して大径な大径部（ヘッド部）とを有する。この中のステム部は、吸気・排気ポートの開閉時にシリンダヘッドに対して高速で摺動変位するため、該ステム部には、その耐摩耗性を向上させるべく、窒化処理等の表面改質処理が施されている。
【０００３】
このようなエンジンバルブに施される窒化処理としては、例えば、エンジンバルブをアンモニアガス中で加熱させるガス窒化法や、シアン酸ソーダ又はシアン酸カリを含む混合塩によって塩浴させる塩浴窒化法（タフトライド法）、プラズマを連続照射するプラズマ窒化法（イオン窒化法）が知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、複数個のエンジンバルブに対してプラズマ窒化処理を施すことがその手順とともに説明されている。すなわち、複数個のエンジンバルブを治具に装填した後、隣接するエンジンバルブ同士の間に別のエンジンバルブを介在させてこれらのエンジンバルブも前記治具に装填する。従って、この場合、エンジンバルブが２列に積層された状態となる。
【０００５】
そして、２列に積層されたエンジンバルブが前記治具ごと処理炉内に収容された後（特許文献１の図５参照）、水素スパッタリングが実施されてエンジンバルブ表面の不動態膜が除去され、さらに、プラズマ窒化処理が連続的に行われることによって各エンジンバルブの表面に硬化層が形成される。
【０００６】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ０１／０３４８６７号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１記載の技術では、下方のエンジンバルブと上方のエンジンバルブとが互いに当接することなく治具に装填される。このような場合、下方のエンジンバルブから上方のエンジンバルブ、又はその逆方向に電流が流れることがないので、エンジンバルブ自体を陰極とすることができない。従って、別の陰極をエンジンバルブに接触させる必要が生じるが、この場合、陰極を設けるための設備投資が必要となり、処理コストを高騰させてしまう。
【０００８】
また、治具と下方のエンジンバルブとが互いに当接した当接部位、さらに、エンジンバルブを陰極とするべく下方と上方のエンジンバルブを互いに当接させた場合にはエンジンバルブ同士の当接部位に、いわゆる放電荒れが生じ、その結果、硬化層の深さにバラツキが生じたり、エンジンバルブに起伏が形成されてしまうことがある。このような事態が生じると、エンジンバルブの製造歩留まりが低下する。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、エンジンバルブの各々に対して安定した表面改質処理を施すことが可能であり、例えば、窒化処理を行った場合には、均一の深さからなる硬化層を形成することが可能なエンジンバルブの表面改質処理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】
【００１０】
本発明者は、グロー放電を行った際にエンジンバルブに放電荒れ等が発生する原因につき考察を行う過程で、例えば、下方のエンジンバルブと上方のエンジンバルブとが互いに点状に当接し、このために当接面積が小さいことに着目した。そして、当接面積が小さいと電流が流れ難いことから、当接部位で電流が滞留して電流の供給過多が生じていると推察し、電流の供給過多、ひいては電流の滞留を解消するべく鋭意検討を行い、本発明をするに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、軸部と、該軸部に比して大径な大径部とを有し、且つ鉄族系合金からなるエンジンバルブに対して表面改質処理を施すエンジンバルブの表面改質処理方法であって、
前記エンジンバルブの複数個を、該エンジンバルブの各大径部が上方を臨むようにして治具の網部に前記軸部を通し、且つ前記網部に前記大径部を当接させて堰止することで前記治具に装填して、エンジンバルブ列を設ける工程と、
前記治具を処理炉の内部に設置し、前記治具又は前記エンジンバルブを陰極として、ガスを流通しながら前記陰極と陽極との間で放電を行うことにより前記ガスを源とするプラズマを発生させる工程と、
を有し、
前記プラズマを発生させる工程で、前記通電を間欠的に行い且つ１回の通電時間を１０００μ秒未満とすることを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、１０００μ秒未満の通電を行った後に通電停止を行うので、この通電停止の間に、網部と大径部との当接部位に滞留していた電流の略全てが流れ終わる。勿論、この間に新たな電流が供給されることはない。
【００１３】
従って、通電と通電停止とを繰り返す、いわゆるパルスパターン通電を行う本発明によれば、当接部位に電流が滞留することが回避され、このため、該当接部位に温度上昇や通電異常が引き起こされた結果、放電荒れ等が発生することを回避することができる。
【００１４】
本発明においては、前記エンジンバルブ列の上方にさらなるエンジンバルブ列を設けるようにしてもよい。すなわち、前記エンジンバルブ列を設けた後、前記治具に装填された前記エンジンバルブ列中の隣接したエンジンバルブ同士の間に別のエンジンバルブの軸部を挿入することで前記エンジンバルブ列の上方に上方エンジンバルブ列を積層するとともに、前記エンジンバルブ列をなすエンジンバルブの大径部の主面と、前記上方エンジンバルブ列をなすエンジンバルブの大径部の背面とを当接させる工程を行うようにしてもよい。
【００１５】
この場合、下方のエンジンバルブの大径部における主面を、上方のエンジンバルブの大径部における背面に当接させるようにしているので、２列に積層されたエンジンバルブの各々を陰極とすることも可能となる。従って、別の陰極を設ける必要は特になく、このため、設備投資の低廉化、ひいては処理コストの低減を図ることができる。
【００１６】
しかも、通電と通電停止が上記したように制御されるので、下方のエンジンバルブの大径部の主面と、上方のエンジンバルブの大径部の背面との当接部位に放電荒れが生じることも回避される。
【００１７】
いずれの場合においても、電流が滞留している最中に新たな電流が供給されることを回避するべく、通電停止時間は、通電時間に比して長いことが好ましい。通電停止時間は、例えば、通電時間に比して５０〜２００μ秒長く設定すればよい。
【００１８】
なお、エンジンバルブに対する表面改質処理の具体例としては、水素スパッタリングやプラズマ窒化処理を挙げることができる。
【００１９】
プラズマが発生した雰囲気中で、エンジンバルブに対して水素スパッタリングを行うことにより、エンジンバルブの表面に生成された不動態膜（酸化皮膜）を除去することができる。一方、プラズマ窒化処理を行った場合、エンジンバルブの表面に安定して均一の深さとなる硬化層を形成することができる。なお、水素スパッタリングを行った直後にプラズマ窒化処理を行うようにしてもよいし、水素スパッタリングとプラズマ窒化処理とを同時に行うようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、いわゆるパルスパターン通電が行われるので、エンジンバルブと治具との当接部位、エンジンバルブを積層した場合には積層されたエンジンバルブ同士の当接部位に滞留した電流が通電停止時に略全て流れ終わり、その後に新たな電流が供給される。このため、電流の供給過多が解消され、その結果、該エンジンバルブに放電荒れや起伏が生じることを回避することができる。
【００２１】
特に、エンジンバルブを積層した場合、下方のエンジンバルブの大径部における主面を、上方のエンジンバルブの大径部の背面に当接させるようにしているので、２列に積層されたエンジンバルブの各々を陰極とすることが可能となり、エンジンバルブとは別の陰極を設けるための設備投資が低廉化し、処理コストが低減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係るエンジンバルブの表面改質処理方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態に係る表面改質処理方法が施されるエンジンバルブ１０の概略全体側面図である。この場合、エンジンバルブ１０は、直線状に延在する軸部としてのステム部１２と、該ステム部１２の一端部に設けられて該ステム部１２に比して大径なヘッド部（大径部）１４とを有する。この中のヘッド部１４が、図示しない内燃機関におけるシリンダヘッドの吸気・排気ポートに着座・離間する。
【００２４】
ここで、ステム部１２とヘッド部１４との間には、曲率半径が比較的大きな湾曲部１６が設けられている。換言すれば、ヘッド部１４は、湾曲部１６を介してステム部１２に連なっている。
【００２５】
そして、ヘッド部１４は、湾曲部１６に連なってテーパ状に拡径した第１テーパ部１８と、該第１テーパ部１８に連なるとともに該第１テーパ部１８と別角度で傾斜してテーパ状に拡径した第２テーパ部２０と、該第２テーパ部２０に連なって略等径な円盤状部２２とを有し、この中の第２テーパ部２０が、前記内燃機関の吸気・排気ポートに着座する着座部として機能する。
【００２６】
また、円盤状部２２の隅部は、面取りが施されることで湾曲されている。この円盤状部２２の上端面がヘッド部１４の主面に該当し、第１テーパ部１８、第２テーパ部２０及び円盤状部２２の側周壁面がヘッド部１４の背面に該当する。
【００２７】
図２に示すように、第１テーパ部１８の仮想延長線Ｌ１とステム部１２の中心線Ｍとは、角度θ１をなすように交わる。一方、第２テーパ部２０の傾斜は、該仮想延長線Ｌ２とステム部１２の中心線Ｍとが交わる角度θ２が、角度θ１に比して小さくなるように設定されている。
【００２８】
その一方で、エンジンバルブ１０の延在方向、すなわち、高さ方向において、第２テーパ部２０の寸法Ｘ１は、第１テーパ部１８の寸法Ｘ２に比して小さく設定されている（図１参照）。
【００２９】
エンジンバルブ１０は、図３に示す治具３０に装填される。この治具３０は、互いに直交するように橋架された複数本の断面略円形状の線材３２に外枠３４が外嵌されることで構成され、該治具３０には、前記線材３２、３２同士の直交に伴い、格子状のブロック３６（網部）が複数形成されている。各ブロック３６の開口寸法は、ステム部１２の直径に比して大きく、且つ第１テーパ部１８の高さ方向略中腹部における直径と同等に設定されている。
【００３０】
本実施の形態に係る表面改質処理は、上記の治具３０を用い、以下のようにして実施される。
【００３１】
先ず、鉄族系合金の軸材から鍛造成形（アプセット鍛造）によってその先端部を拡径し、ステム部１２とヘッド部１４とを有するエンジンバルブ１０を成形する。上記した湾曲部１６や、ヘッド部１４を構成する第１テーパ部１８及び円盤状部２２も、この鍛造成形時に同時に設けられる。なお、鍛造成形の最中、エンジンバルブ１０の表面には、鍛造成形を行うために付与した熱や、塑性変形による加工熱をエネルギ源として不動態膜（酸化皮膜）が自発的に生成する。
【００３２】
次に、ヘッド部１４における前記吸気・排気ポートに当接する部位に対して機械加工（例えば、切削加工）を施し、第１テーパ部１８と円盤状部２２との間に第２テーパ部２０を設ける。研削加工は、ステム部１２や円盤状部２２の隅部にも施され、これにより、第２テーパ部２０及びステム部１２に存在していた不動態膜の一部が除去される一方、円盤状部２２に対する面取りがなされる。
【００３３】
このようにして得られたエンジンバルブ１０は、次に、前記治具３０に装填される。すなわち、図４に示すように、エンジンバルブ１０のステム部１２が該治具３０に形成されたブロック３６の開口に通され、最終的に、第１テーパ部１８が線材３２に当接する。
【００３４】
この装填は、ブロック３６の１つおきに繰り返される。要するに、エンジンバルブ１０は、先にエンジンバルブ１０が装填されたブロック３６に隣接するブロック３６に装填されるのではなく、先にエンジンバルブ１０が装填されたブロック３６から２つ目のブロック３６に装填される。このようにしてブロック３６に装填された複数個のエンジンバルブ１０により、第１エンジンバルブ列４０が形成される。
【００３５】
なお、第１エンジンバルブ列４０をなすエンジンバルブ１０のヘッド部１４同士は、ステム部１２の直径を上回る所定の間隔で離間しており、従って、ヘッド部１４同士、又はヘッド部１４以外の別部位同士が互いに当接することはない。
【００３６】
次に、図５及び図６に示すように、第１エンジンバルブ列４０をなすエンジンバルブ１０の中の隣接するもの同士の間に、新たなエンジンバルブ１０を介在させる。この新たなエンジンバルブ１０のステム部１２は、隣接するヘッド部１４同士の間を通り、治具３０のブロック３６に通される。最終的に、図６に示すように、新たなエンジンバルブ１０の第１テーパ部１８の側周壁面（ヘッド部１４の背面）が、第１エンジンバルブ列４０の円盤状部２２の上端面（ヘッド部１４の主面）に当接する。これにより、新たなエンジンバルブ１０が装填されるに至る。
【００３７】
この作業を繰り返すことにより、第１エンジンバルブ列４０上に複数個の新たなエンジンバルブ１０が積層され、その結果、第２エンジンバルブ列４２が形成される。
【００３８】
このようにしてエンジンバルブ１０が縦方向に２列に積層・装填された治具３０を、処理炉に収容する。表面改質処理としてプラズマ窒化（イオン窒化）処理を行う場合には、治具３０が設置された処理炉内に窒素ガスを導入し、窒素ガス雰囲気中において前記処理炉が陽極、各エンジンバルブ１０が陰極となるように通電を行う。この通電により、前記処理炉と各エンジンバルブ１０との間でグロー放電を発生させる。
【００３９】
ここで、グロー放電は、図７に示すように、通電と通電停止とを繰り返す、いわゆるパルスパターン通電の状況下で行う。
【００４０】
本発明者の鋭意検討によれば、通電時間が１０００μ秒以上である場合、放電荒れ等が発生する頻度が高くなり、エンジンバルブ１０の製造歩留まりが低くなる。この理由は、第１エンジンバルブ列４０と第２エンジンバルブ列４２とが互いに点状に当接しているために当接面積が小さく、このために該当接部位で電流が流れ難いので、通電時間を１０００μ秒以上とすると、該当接部位において電流が滞留するようになるからであると推察される。すなわち、局所的に滞留した電流によって当接部位に温度上昇や通電異常が引き起こされ、このことに起因して放電荒れ等が発生し易くなると考えられる。
【００４１】
そこで、本実施の形態においては、通電を開始して１０００μ秒未満に通電を停止する。この通電停止の間に、当接部位に滞留していた電流が略全て流れ終わる。この間に新たな電流が供給されることがないので、当接部位に温度上昇や通電異常が引き起こされることが回避される。
【００４２】
そして、所定時間が経過した後に通電を再開する。これにより、第１エンジンバルブ列４０から第２エンジンバルブ列４２に向かう電流、又はその逆方向に流れる電流が遮断されることがない。従って、グロー放電が継続して起こり、エンジンバルブ１０に対する表面改質処理が確実に進行する。
【００４３】
通電開始から通電停止までの時間は、例えば、２００μ秒に設定することができる。そして、通電停止から通電再開までの時間は、通電開始から通電停止までの時間に比して若干長くすること、具体的には、５０〜２００μ秒長くすることが好ましい。すなわち、通電開始から通電停止までの時間を２００μ秒とした場合、通電停止から通電再開までの時間は、例えば、３００μ秒とすればよい。
【００４４】
以上のようにパルスパターン通電を行うことにより、エンジンバルブ１０を陰極としてグロー放電を行った際、第１エンジンバルブ列４０と第２エンジンバルブ列４２との当接部位において、局所的な過電圧が印加されることが回避されるとともに、第１エンジンバルブ列４０と第２エンジンバルブ列４２にグロー放電の重なり合いが生じることが回避される。勿論、第１エンジンバルブ列４０と治具３０との間においても同様である。
【００４５】
結局、エンジンバルブ１０と治具３０との当接部位、及び第１エンジンバルブ列４０をなすエンジンバルブ１０と第２エンジンバルブ列４２をなすエンジンバルブ１０との当接部位に、過電圧及びグロー放電に起因する放電荒れ等が発生することを防止することができ、これに伴い、放電荒れによってエンジンバルブ１０の表面が凹凸状になること、換言すれば、起伏が生じることも防止することができる。
【００４６】
同時に、前記窒素ガスがプラズマ状態でイオン化されてエンジンバルブ１０を加熱すると同時に、該エンジンバルブ１０の表面に対して窒化処理が行われ、該エンジンバルブ１０の表面に所定深さの硬化層が形成される。
【００４７】
このように、パルスパターン通電を行うことにより、該エンジンバルブ１０の表面に対して略均一の深さとなる硬化層を形成することが可能となる。このような硬化層が形成されたエンジンバルブ１０では、耐摩耗性が向上する。
【００４８】
エンジンバルブ１０では、少なくとも、図示しないシリンダヘッドに対して摺動変位するステム部１２にのみ硬化層が設けられていればよく、その他の部位では硬化層を特に必要としない。そこで、ヘッド部１４の第２テーパ部２０及びステム部１２の端部に対して高周波焼入れを施し、これら第２テーパ部２０及びステム部１２の端部の強度を向上させる。
【００４９】
さらに、前記高周波焼入れが終了した後、第２テーパ部２０の寸法精度を向上させる目的で再び機械加工を行う。これにより、最終製品としてのエンジンバルブ１０（図１参照）が得られるに至る。
【００５０】
なお、上述したプラズマ窒化処理を実施する前に、エンジンバルブ１０に残存している不動態膜を除去する目的で水素スパッタリングを行うようにしてもよいし、水素スパッタリングとプラズマ窒化処理とを同時に行うようにしてもよい。
【００５１】
この水素スパッタリングをエンジンバルブ１０に対して行う場合について以下に説明する。なお、ここでは、プラズマ窒化処理が行われる前に水素スパッタリングを行う場合について説明する。
【００５２】
先ず、機械加工が施されたエンジンバルブ１０を、上記と同様にして治具３０に装填し、第１エンジンバルブ列４０と、該第１エンジンバルブ列４０に積層された第２エンジンバルブ列４２とを設ける。勿論、この場合も、第１エンジンバルブ列４０は、図３に示すように、エンジンバルブ１０が、ステム部１２が下方側、ヘッド部１４が上方側となるようにしてブロック３６に１つおきに装填されることで形成される。
【００５３】
このように、治具３０上に第１エンジンバルブ列４０と第２エンジンバルブ列４２とを設けた状態で、前記治具３０を処理炉（図示せず）の内部に設置し、その後、前記処理炉内を真空状態として内部に水素ガスを導入する。そして、水素ガス雰囲気中において前記処理炉が陽極、エンジンバルブ１０が陰極となるように高電圧を印加すれば、前記水素ガスがグロー放電によってイオン化して高速でエンジンバルブ１０の表面に衝突する。その結果、エンジンバルブ１０の表面に生成されていた不動態膜が水素還元されて除去されるに至る。勿論、この場合にも、図７に示されるようなパルスパターン通電が行われ、その結果、エンジンバルブ１０と治具３０との当接部位、第１エンジンバルブ列４０と第２エンジンバルブ列４２との当接部位に対する過電圧の印加や、グロー放電の重なり合いによる放電荒れ等を回避することができる。
【００５４】
なお、上述した実施の形態では、水素スパッタリングとプラズマ窒化処理を例示して説明したが、エンジンバルブ１０に対する表面改質処理はこれらに限定されるものではなく、放電によってプラズマを発生させ、前記プラズマの雰囲気中で前記エンジンバルブ１０の表面改質を行う処理であればよい。
【００５５】
また、この実施の形態では、第１エンジンバルブ列４０上に第２エンジンバルブ列４２を積層するようにしているが、第１エンジンバルブ列４０のみを治具３０に充填して各種の表面改質処理を行うようにしてもよい。上記から諒解されるように、この場合においても、第１エンジンバルブ列４０と線材３２（治具３０）との当接部位に放電荒れが生じることを回避することができる。
【００５６】
いずれの場合においても、熱処理炉を陽極とすることに替えて、熱処理炉内に適宜の陽極を設置するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施の形態に係る表面改質処理が実施されるエンジンバルブ１０の単体側面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】図１のエンジンブロックを装填するための治具の平面図である。
【図４】図３の治具にエンジンバルブを保持して第１エンジンバルブ列を設けた状態を示す上方平面図である。
【図５】図３の治具にエンジンバルブが２列に積層されて装填された状態を示す上方平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。
【図７】グロー放電の際のパルスパターン通電の一例を示す通電パターン図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０…エンジンバルブ                １２…ステム部
１４…ヘッド部                      １６…湾曲部
１８…第１テーパ部                  ２０…第２テーパ部
２２…円盤状部                      ３０…治具
３２…線材                          ３６…ブロック
【図１】
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【図２】
2008045512.tif 000004
【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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