(57)【要約】【課題】プレスなどの塑性加工し易い金属材料は、一般に耐摩耗性が低いため、塑性加工によって、軽量化した中空バルブを製造することは困難であった。【解決手段】合成樹脂からなる芯材１０を準備し、この芯材１０に対して非加熱状態の微細金属粒を高速で噴射して、芯材１０表面に金属皮膜２０を形成する。さらに、溶射を施すことにより、金属皮膜２０上に補強被膜３０を形成して、所定部位の耐摩耗性を高めると共に、所定の膜厚を得る。この後、加熱処理を施し、芯材１０のみを溶融・除去する。【選択図】　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空バルブの製造方法であって、
後に形成される中空部に対応する形状を呈し、かつ低融点材料からなる芯材を準備する工程と、
前記芯材に対して、非加熱状態の微細金属粒を噴射することにより、前記芯材の表面に前記芯材よりも融点の高い金属皮膜を形成する工程と、
前記金属皮膜を形成した芯材に熱処理を施し、前記芯材を前記金属皮膜から溶融・除去する工程とを備える中空バルブの製造方法。
【請求項２】
前記金属皮膜の表面に溶射を施し、この金属皮膜上に補強皮膜をさらに形成する工程を含む請求項１記載の中空バルブの形成方法。
【請求項３】
前記補強皮膜は、前記金属皮膜に比べて耐摩耗性の高い材料で形成される請求項２記載の中空バルブの製造方法。
【請求項４】
前記中空バルブは、内燃機関用の吸排気バルブである請求項１、２又は３記載の中空バルブの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載された方法で製造された中空バルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば内燃機関で用いられる吸排気用の中空バルブ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば内燃機関などで用いられる吸気バルブや排気バルブでは、内部を中空にして軽量化を図った中空バルブが知られている。この中空バルブのような底を有した継ぎ目のない形を成形する金属加工法としては、内部を中空に切削する切削加工やプレス加工などが知られており、機械や電気部品の製造において広く採用されている。
【０００３】
一例として、プレス加工における典型的な深絞り法の例が、特開平１１−２１０４２９号に開示されている。この製造方法は、まず柱状のプランジャによって偏平な金属円板をプレスして凹状のカップ部材を形成する。そして、この後、より細く長い形状を有するプランジャに順次代えつつ、このカップ部材をプレスすることで、最終的に所望の形に深絞りするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
先述した切削加工の場合には、形状が複雑化するに連れて内部の切削が困難になる欠点がある。また、プレス加工のような塑性加工が施し易い金属材料は、その性質上、一般的に耐摩耗性が低いため、耐摩耗性の向上と軽量化との双方を、プレス加工によって達成することは困難であり、プレス加工によって軽量化した中空バルブを実用に供することは困難であった。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決すべくなされたものであり、その目的は、例えば内燃機関などに適用された場合にも、比較的容易な製法で実用に供し得る、中空バルブ及びその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる中空バルブの製造方法方は、中空バルブの製造方法であって、後に形成される中空部に対応する形状を呈し、かつ低融点材料からなる芯材を準備する工程と、芯材に対して、非加熱状態の微細金属粒を噴射することにより、芯材の表面に芯材よりも融点の高い金属皮膜を形成する工程と、金属皮膜を形成した芯材に熱処理を施し、芯材を金属皮膜から溶融・除去する工程とを備える。
【０００７】
このように微細金属粒を高速で芯材表面に吹き付けて金属皮膜を形成し、その後、芯材のみを溶融・除去する方法を採用することで、プレス加工のような塑性加工以外の方法によって、薄肉・軽量の中空バルブを製造することが可能となる。また、中子となる芯材を用いるため、この芯材の形状を適宜形成することで、複雑な形状を有する中空バルブを製造することが可能となる。
【０００８】
請求項２にかかる中空バルブの製造方法は、請求項１記載の中空バルブの製造方法において、金属皮膜の表面に溶射を施し、この金属皮膜上に補強皮膜をさらに形成する工程を含む。
【０００９】
金属皮膜の一部の膜厚を上げる場合などに、このように金属皮膜上に補強皮膜をさらに形成することも可能である。
【００１０】
請求項３にかかる中空バルブの製造方法は、請求項２記載の中空バルブの製造方法において、補強皮膜は、金属皮膜に比べて耐摩耗性の高い材料で形成される。
【００１１】
このように、補強皮膜を金属皮膜に比べて耐摩耗性の高い材料で形成することで、金属皮膜において所定部位の耐摩耗性を、任意に高めることができる。
【００１２】
請求項４にかかる中空バルブの製造方法は、請求項１、２又は３記載の中空バルブの製造方法において、中空バルブは、内燃機関用の吸排気バルブである。
【００１３】
このような中空バルブの製造方法を、内燃機関用の吸排気バルブの製造方法に適用することができる。
【００１４】
請求項５にかかる中空バルブは、請求項１〜３のいずれかに記載された方法により製造された中空バルブである。
【００１５】
このような製造方法を採用することで、軽量で、耐摩耗性に優れた中空バルブが得られ、また、芯材の形状を適宜形成することで、複雑な形状を呈する中空バルブが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態となる中空バルブの製造方法を、添付図面を参照して順に説明する。
【００１７】
まず、図１に示すように、低融点材料としての合成樹脂によって形成された芯材１０を準備する。この芯材１０は、中空バルブ内に形成される中空部に対応する形状に予め形成しておく。
【００１８】
また、図２に示すように、モータ（図示せず）によって回転駆動されるチャック１００を準備し、このチャック１００に対して芯材１０の基端部を固定する。そして、モータを回転駆動することで、このチャック１００と芯材１０とを一体的に回転させ、この状態で、芯材１０の近傍に配設した噴射ノズル２００から芯材１０の表面に向けて、非加熱状態の微細金属粒を、圧縮空気を利用して高速で噴射する。微細金属粒が芯材１０の表面に衝突すると、その際の衝突エネルギーによって発熱が生じ、この発熱による温度上昇によって、芯材１０の表面に金属皮膜２０が形成される。
【００１９】
この金属皮膜２０が形成される過程を概略的に説明すると、微細金属粒が芯材１０の表面に衝突すると、衝突時の運動エネルギーが熱に変換され、衝突部位において瞬間的に高温となり、その温度が当該金属の結晶を一度溶かしてしまう程度の高温（例えばＡ３変態点よりも高温）となる。そして、衝突によって温度が急激に上昇した後に、急激に温度が低下する状態となるが、このように一度溶けた金属が急冷されると金属の結晶が非常に細かくなって、結晶の表面積が大きく、結晶同士の結びつきが強くなる。このような作用によって、芯材１０の表面には、クラック等が入り難い極めて高い表面強度と耐疲労強度とを有する金属皮膜２０が形成される。
【００２０】
従って、このように、非加熱状態の金属粒が衝突によってその結晶が一度溶ける程度の高温となるような条件で、微細金属粒の吹き付け工程を行うことが必要であり、例えば、微細金属粒の粒径が３０〜５０μｍ程度で、噴射ノズル２００と芯材１０との距離が１５０〜２００ｍｍ程度の場合、噴射速度１００ｍ／ｓ以上、好ましくは１５０ｍ／ｓ以上で噴射することが必要である。なお、噴射ノズル２００から圧縮空気によって微細金属粒を噴射する方式では、圧縮空気を高速（例えば音速程度）で噴射することは比較的容易であり、金属粒径を小さくするなどにより、例えば２００ｍ／ｓ程度の噴射速度を得ることも十分に可能である。
【００２１】
また、微細金属粒としては、例えば鉄を主体とし、重量で２０重量％程度のＣｒと、４重量％程度のＮｉとの混合金属粒を用いることができ、これにより、芯材１０の表面には鉄系耐熱合金の金属皮膜２０が形成される。
【００２２】
このような微細金属粒の吹き付け工程を、噴射ノズル２００を移動させつつ、或いは、噴射ノズル２００に対して芯材１０側を移動させつつ、芯材２０の表面に対して全体的に実施し、厚さ０．１５〜０．５ｍｍ程度の金属皮膜（被膜）２０を形成する。
【００２３】
なお、図２に示したように芯材１０の基端部をチャック１００によって支持しているため、芯材１０のチャック側端部には、微細金属粒が吹き付けられていない状態である。
【００２４】
このようにして、芯材１０の表面に金属皮膜２０を形成した後、さらに金属皮膜２０の全表面に所定材料の金属を溶射することにより、金属皮膜２０上に補強皮膜３０をコーティングして、皮膜の膜厚を増加させ０．５〜１．０ｍｍ程度の膜厚とする（図３）。
【００２５】
なお、この溶射は、例えばプラズマ溶射などによって行う。このプラズマ溶射では、補強皮膜３０の材料となる金属粉粒を、例えば最高３００００℃にもなるプラズマ炎のジェット噴流中に供給する。これにより、プラズマ炎によって加熱されることで、溶融もしくは軟化状態の金属粉粒が、金属皮膜２０表面に衝突し、これが凝固・堆積することで皮膜（補強皮膜３０）が形成される。
【００２６】
また、この補強皮膜３０を形成する際、吹き付ける部位に応じて、金属材料の成分を変えることで、部分的に耐摩耗性を高めることができる。例えば内燃機関の吸排気バルブの場合には、図３に示す領域Ａがステム部分をガイドするステムガイドと、また、同図に示す領域Ｂがバルブシートと、それぞれバルブの開閉動作の際に接触して摩耗するため、この部位に溶射を施す際に、吹き付ける金属材料の成分を耐摩耗性の高い材料に変えることで、中空バルブの耐摩耗性を向上させることができる。
【００２７】
このようにして補強皮膜３０を形成した後、金属皮膜２０及び補強皮膜３０が形成された芯材１０を、チャック１００から取り外す。そして、チャック１００に固定されていた芯材１０の基端部１０ａを下にした状態で、所定の加熱装置５００によって、合成樹脂よりなる芯材１０に対し、その溶融温度よりも高温で、かつ、金属皮膜２０及び補強皮膜３０の溶融点よりも低い温度となる、例えば３００℃程度に加熱する熱処理を施す（図４）。このような温度に加熱することで、金属皮膜２０及び補強皮膜３０が溶融することなく、その内部の芯材１０が溶融して、基端部１０ａから下方に流出する。このような熱処理によって、金属皮膜２０及び補強皮膜３０から芯材１０のみを除去することができ、これにより金属皮膜２０の内側に中空部１２が形成される。
【００２８】
芯材１０を溶融・除去した後、開口状態の基端部１０ａに、バルブチップ５０を圧入し、基端部１０ａを閉塞させることで、中空バルブが完成する（図５）。なお、バルブチップ５０を圧入する際に、形成された中空部１２内に、気化しやすいナトリウム（Ｎａ）等の金属を封入して、中空バルブの熱伝達効率を高めることもできる。
【００２９】
このような方法により中空バルブを製造することで、従来のプレス成形によっては困難であったような複雑な形状の中空バルブであっても、まず、加工・成形が容易な樹脂材料等によって所望形状の芯材１０を形成することによって、薄肉・軽量な中空バルブを製造することが可能となる。
【００３０】
このような芯材の一例を図６に示す。図示した芯材３００は、バルブフェース面３１０に対し、深い凹部３２０を複数箇所に形成したタイプである。芯材３００をこのような形状として、前述したように非加熱状態の微細金属粒を芯材３００に対して高速で吹き付けて金属皮膜を形成し、さらに溶射によって補強皮膜を形成し、その後、熱処理を施して芯材３００を溶融・除去することで、図７に示す形状の中空バルブ３５０を製造することができる。
【００３１】
また、他の芯材の例を図８及び図９に示す。図示した芯材４００は、バルブフェース面４１０に、凸状のフィン４２０を備えたタイプであり、芯材４００をこのような形状とすることで、この芯材４００に対し、同様にして金属皮膜や補強皮膜を形成した後、熱処理によって芯材４００を溶融・除去することで、図１０に示すフィン４３０を有し、かつこのフィン４３０に対応する部位にも中空部４４０が形成された中空バルブ４５０を製造することができる。
【００３２】
また、芯材のステム部位の外周に、ステム軸方向に延びる凹凸部を形成することもでき、このような芯材を用いて中空バルブを形成した場合には、図１１に示すようにステムの内面側に、このステム軸方向に延びる襞状のリブ５１０を備えた中空バルブ５００を形成できる。このようにステムの内面側にリブ５１０を備えることで、軽量ながらステムの曲げ剛性が高められ、また、この中空部内にＮａを封入した場合には、表面積が増大することにより放熱性をより一層高めることができる。
【００３３】
以上説明した実施形態では、芯材１０を合成樹脂によって形成したが、必ずしも樹脂材料に限定するものでなく、金属製の材料など、金属皮膜２０及び補強皮膜３０に比べて低い温度で溶融する低融点材料であれば特に限定するものではない。
【００３４】
また、芯材１０に対して金属皮膜２０を形成した後、さらに補強被膜３０を形成する場合について例示したが、補強被膜３０を形成することなく、芯材１０の表面に、金属皮膜２０を所定の厚さ（０．５〜１．０ｍｍ程度）分形成してもよい。この場合も、非加熱状態の微細金属粒を高速で吹き付ける際に、図３に示した場合と同様に、吹き付ける部位に応じて、金属材料の成分を変えることで、部分的に耐摩耗性を高めることも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、各請求項にかかる中空バルブ及びその製造方法によれば、微細金属粒を高速で芯材表面に吹き付けて金属皮膜を形成し、その後、芯材のみを溶融・除去する方法を採用したので、従来のプレス加工等では製造が困難であった、複雑な形状を有する薄肉軽量の中空バルブを容易に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態にかかる芯材を示す断面図である。
【図２】芯材表面に金属被膜を形成した状態を示す工程図である。
【図３】芯材表面に、金属被膜及び補強被膜を形成した状態を示す工程図である。
【図４】図３の状態から、芯材を溶融・除去した状態を示す工程図である。
【図５】芯材を溶融・除去した後の開口端部に、バルブチップを圧入した状態を示す工程図である。
【図６】他の実施形態にかかる芯材のバルブフェース面付近を拡大して示す斜視図である。
【図７】図６のＩ−Ｉ線に沿うようにして、完成した中空バルブの断面をとって示す断面図である。
【図８】他の実施形態にかかる芯材のバルブフェース面付近を拡大して示す斜視図である。
【図９】図８で示した芯材のバルブフェース面付を示す平面図である。
【図１０】図８のＩＩ−ＩＩ線に沿うようにして、完成した中空バルブの断面をとって示す断面図である。
【図１１】他の実施形態にかかる中空バルブを概略的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…芯材、１２…中空部、２０…金属皮膜、３０…補強被膜、
５０…バルブチップ、１００…チャック、２００…噴射ノズル、
３００…芯材、３１０…バルブフェース面、３２０…凹部、
３５０…中空バルブ、４００…芯材、４１０…バルブフェース面、
４２０…フィン、４３０…フィン、４４０…中空部、４５０…中空バルブ
５００…中空バルブ、５１０…リブ。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004025252.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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