(57)【要約】【課題】要求される疲労強度と耐摩耗性を確保することのできるチタン部材の表面処理方法とその表面処理方法を適用したエンジンバルブを提供する。【解決手段】チタン系材料からなるチタン部材１０の表面に酸化処理を施すチタン部材１０の表面処理方法である。酸化処理によってチタン部材１０の表面に形成される酸化硬化層１８の厚さと硬度との関係から必要な硬度に応じた有効厚さを求める。酸化硬化層１８の面粗度と硬度との関係から必要な硬度に応じた有効面粗度を求める。有効厚さと有効面粗度との両条件を満たす酸化処理温度及び酸化処理時間によりチタン部材１０に酸化処理を施すようにする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン系材料からなるチタン部材の表面に酸化処理を施すチタン部材の表面処理方法であって、前記酸化処理によって前記チタン部材の表面に形成される酸化硬化層の厚さと硬度との関係から必要な硬度に応じた有効厚さを求めるとともに、前記酸化硬化層の面粗度と硬度との関係から必要な硬度に応じた有効面粗度を求め、前記有効厚さと前記有効面粗度との両条件を満たす酸化処理温度及び酸化処理時間により前記チタン部材に酸化処理を施すようにしたことを特徴とするチタン部材の表面処理方法。
【請求項２】
前記酸化硬化層の表面に面粗度を向上するための処理を施すことを特徴とする請求項１に記載のチタン部材の表面処理方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のチタン部材の表面処理方法を適用したエンジンバルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チタン部材の表面処理方法とその表面処理方法を適用したエンジンバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
チタン系材料からなるチタン部材の表面に酸化処理を施すことによって、耐摩耗性に優れる酸化硬化層を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、α＋β型チタン合金製エンジンバルブに酸化処理を施すと疲労強度が低下するので、準安定β型チタン合金製に酸化処理を施すようにした技術が提案されている。また、一般的には、チタン部材の酸化硬化層は、例えば３０μｍ以上というように厚い方が好ましいとされてきた。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１１７０５６号公報（第３−５頁、表１、図１参照）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本件出願人は、種々の実験を行ない、酸化処理条件と疲労強度、耐摩耗性の関係を調査することにより、要求される疲労強度と耐摩耗性を確保することのできるチタン部材の表面処理方法とその表面処理方法を適用したエンジンバルブを開発するに至った。
そこで、本発明は、要求される疲労強度と耐摩耗性を確保することのできるチタン部材の表面処理方法とその表面処理方法を適用したエンジンバルブを提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、本発明の特許請求の範囲の欄に記載された構成を要旨とするチタン部材の表面処理方法とその表面処理方法を適用したエンジンバルブにより解決することができる。
すなわち、特許請求の範囲の請求項１に記載されたチタン部材の表面処理方法によると、チタン部材に対し酸化硬化層の必要な硬度に応じた有効厚さと有効面粗度との両条件を満たす酸化処理温度及び酸化処理時間により酸化処理を施すことによって、要求される疲労強度と耐摩耗性を確保することができる。
【０００６】
また、特許請求の範囲の請求項２に記載されたチタン部材の表面処理方法によると、酸化硬化層の表面に面粗度を向上するための処理を施すことにより、疲労強度を一層向上することができる。
【０００７】
また、特許請求の範囲の請求項３に記載されたエンジンバルブによると、要求される疲労強度と耐摩耗性を確保することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。チタン部材としてエンジンバルブを例示する。図１に示すように、エンジンバルブ１０は、チタン系材料からなるチタン部材であって、例えば、強度と靭性のバランスが良く、耐食性も優れている「α＋β型チタン合金」である「Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ」を鍛造することによって形成されている。
【０００９】
前記エンジンバルブ１０は、軸部１２と、その軸部１２の一端部（図１において下端部）に連続するほぼ傘状の弁フェース部１４と、前記軸部１２の他端部（図１において上端部）に連続する軸端部１６とを有している。軸部１２と軸端部１６との連接部分の外周面には、研削加工によって溝１７が形成されている。溝１７は、リテーナ取付用のコッタ（図示省略）を嵌合するための溝である。弁フェース部１４の外周面、軸部１２の外周面、軸部１２の外周面及び軸端面には、研削加工が施されている。さらに、切削加工等の機械加工を終えたエンジンバルブ１０の表面全体には、耐摩耗性の向上のために酸化処理を施すことによって酸化硬化層１８が形成されている（図２参照）。図２におけるエンジンバルブ１０の母材部分に符号、１０ａを付した。なお、酸化処理は、例えば、酸素を有する加熱処理炉中においてエンジンバルブ１０を加熱することによって行なわれる。
【００１０】
次に、酸化処理温度、酸化処理時間を種々変えて酸化条件の異なる酸化処理を施したエンジンバルブ１０（図１参照）の試料を用意し、その試料の実体での疲労強度試験を実施した。エンジンバルブの疲労強度試験の実施方法は、図３に示すように、エンジンバルブ１０の弁フェース部１４を支持した固定治具２１に対して、エンジンバルブ１０が有する共振周波数に応じた振動（図３中、矢印２２Ｙ参照）を振動発生装置２２により付与する。そうすると、エンジンバルブ１０の軸部１２は、振動方向に揺すられること（図３中、矢印１２Ｙ参照）により撓み変形を繰り返す。軸部１２が撓み変形を繰り返すと、軸部１２の弁フェース部１４側の端部１３に応力集中が発生する。その応力集中が発生する部分に歪ゲージ２４を貼り付けておき、その歪ゲージ２４によって歪を計測し、パーソナルコンピュータ等のコンピュータ２６によりクラックの発生した応力振幅を演算して表示する。本実施の形態では、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの酸化処理の疲労強度が３００℃等の温度よりも常温の方が低いことを踏まえ、常温において試験を実施した。なお、振動発生装置２２には、市販の振動試験機を用いることができる。また、上記したエンジンバルブ１０の疲労強度試験によれば、従来の一般的なテストピースによる回転曲げ疲労試験と異なり、実際の鍛造組織、熱処理組織、表面処理層（酸化硬化層１８）、表面性状を有する実体（エンジンバルブ１０、図１参照）の疲労強度を試験しかつ評価することができる。
【００１１】
上記した疲労強度試験（図３参照）による試験結果が図４に示されている。図４において、横軸はサイクル数（回数）、縦軸は応力振幅（ＭＰａ）を示している。
図４中、特性線Ｌ４１は、酸化処理を施していないエンジンバルブの測定値である。
また、特性線Ｌ４２は、酸化処理温度が６７０℃で、酸化処理時間が１時間の酸化処理を施したエンジンバルブの測定値である。
また、特性線Ｌ４３は、酸化処理温度が６７０℃で、酸化処理時間が１６時間の酸化処理を施したエンジンバルブの測定値である。
また、特性線Ｌ４４は、酸化処理温度が７３０℃で、酸化処理時間が８時間の酸化処理を施したエンジンバルブの測定値である。
また、特性線Ｌ４５は、酸化処理温度が８２０℃で、酸化処理時間が１時間の酸化処理を施したエンジンバルブの測定値である。
また、特性線Ｌ４６は、酸化処理温度が８２０℃で、酸化処理時間が４時間の酸化処理を施したエンジンバルブの測定値である。
なお、本明細書でいう「酸化処理温度」には±２〜３℃の誤差が含まれるものとする。
【００１２】
図４から明らかなように、酸化処理条件がエンジンバルブの疲労強度に及ぼす影響は、酸化処理温度が高く、酸化処理時間が長い方に疲労強度が低下する傾向が認められた。例えば、特性線Ｌ４１に比べ、特性線Ｌ４２の疲労強度の比率は、｛（５００−４７５）／５００｝×１００で５％となった。また同様に、特性線Ｌ４３は６％、特性線Ｌ４４は２０％、特性線Ｌ４５は３４％、特性線Ｌ４６は５４％となった。
ここで、例えば、エンジンバルブに要求される疲労強度を３００ＭＰａとすれば、特性線Ｌ４６のものでは満足できないが、その他のもの（特性線Ｌ４１〜Ｌ４５）であれば満足できることになる。さらに高い疲労強度が要求された場合には、要求強度に応じた特性線のものを選択すればよい。
【００１３】
また、図５には酸化硬化層の厚さと疲労強度の関係が示されている。図５において、横軸は酸化硬化層の厚さｔ（μｍ）、縦軸は疲労強度ＭＳ（ＭＰａ）を示している。なお、横軸の酸化硬化層の厚さｔ（図２参照）は、必要な硬度（ビッカース硬さで５００Ｈｖ以上）のものを対象としている。
図５中、特性線Ｌ５１は、酸化処理温度が６７０℃で、酸化処理時間が１〜１６時間の酸化処理を施した場合の測定値である。
また、特性線Ｌ５２は、酸化処理温度が７００℃で、酸化処理時間が１〜１６時間の酸化処理を施した場合の測定値である。
また、特性線Ｌ５３は、酸化処理温度が７３０℃で、酸化処理時間が１〜１６時間の酸化処理を施した場合の測定値である。
また、特性線Ｌ５４は、酸化処理温度が７６０℃で、酸化処理時間が１〜１６時間の酸化処理を施した場合の測定値である。
また、特性線Ｌ５５は、酸化処理温度が７９０℃で、酸化処理時間が１〜１６時間の酸化処理を施した場合の測定値である。
また、特性線Ｌ５６は、酸化処理温度が８２０℃で、酸化処理時間が１〜１６時間の酸化処理を施した場合の測定値である。
【００１４】
図５から明らかなように、酸化処理条件がエンジンバルブ１０の疲労強度ＭＳに及ぼす影響は、酸化処理温度が高く、酸化処理時間が長いほど、酸化硬化層の厚さｔが厚くなり、疲労強度ＭＳが低下する傾向が認められた。その傾向は、前記図４の場合と同様である。なお、酸化処理温度が高く、酸化処理時間が長いほど、酸化硬化層の厚さｔが厚くなるのは、酸化硬化層に侵入した酸素の固溶強化によるものである。
【００１５】
ここで、例えば、エンジンバルブの疲労強度ＭＳの低下を２０％以下（４００ＭＰａ以上）に抑えるものとすれば、特性線Ｌ５３（約１１時間以上）のものと特性線Ｌ５４、Ｌ５５、Ｌ５６のものでは満足できないが、その他のもの（特性線Ｌ５１、Ｌ５２、Ｌ５３（約１１時間以下））であれば満足できることになる。言い換えれば、酸化硬化層の厚さｔを約１４μｍ以下とすることにより、酸化処理による疲労強度ＭＳの低下を約２０％以下に抑えることができる。
【００１６】
前記酸化硬化層が厚くなるほど疲労強度ＭＳの低下が大きく、前記酸化硬化層が薄くなるほど疲労強度ＭＳの低下が小さくなる理由を考察する。図６は、例えば酸化処理温度が８２０℃で、酸化処理時間が４時間の酸化処理を施すことによって得られる厚い酸化硬化層の表面性状を示す部分断面図である。また、図７は、例えば酸化処理温度が６７０℃で、酸化処理時間が１６時間の酸化処理を施すことによって得られる薄い酸化硬化層の表面性状を示す部分断面図である。
図６に示すように、酸化処理温度が８２０℃で酸化処理を施すと、その酸化硬化層１８の表面性状が悪化し、面粗度が大きくなるため、応力集中を引き起こすことにより、クラックＣが発生しやすくなる。また、酸化硬化層１８はクラックＣが進展しやすいため、酸化硬化層１８の厚さｔが厚いほど、初期クラックＣが長くなる。その結果、クラックＣの先端部Ｄのところに集中する応力が高くなるため、クラックＣは母材１０ａの中に進展することになる。このようなクラックＣの発生、進展によって疲労強度が低下することになる。なお、前記酸化硬化層１８の表面性状の悪化については、酸化硬化層１８の表面の溝状部１８ｄへの酸素の侵入に伴う体積膨張や、酸化処理後の冷却時の熱収縮が原因と考えられる。
【００１７】
一方、図７に示すように、酸化処理温度が６７０℃で酸化処理を施すと、その酸化硬化層１８の表面性状の悪化が抑えられ、面粗度が小さくなくなるため、クラックＣ（図６参照）が発生しにくい。また、たとえクラックが発生しても、酸化硬化層１８が薄ければ、初期クラックが短いため、応力集中が小さく、クラックが母材１０ａまで進展しにくいため、疲労強度ＭＳの低下が抑えられる。
【００１８】
したがって、酸化硬化層１８のクラックの発生を防ぐためには、酸化硬化層１８の表面性状を良くする、すなわち面粗度を小さくする必要があることがわかった。なお、試験から得られた面粗度は、例えば酸化処理前のエンジンバルブ１０の母材１０ａの面粗度を１．５Ｒｚとした場合、疲労強度ＭＳの低下を抑えることのできる面粗度は３Ｒｚ以下であった。
【００１９】
また、酸化処理条件が耐摩耗性に及ばす影響を調査するため、弁座試験機（図８参照）を用いて摩耗試験を行った。図８の弁座試験機３０は、エンジンの吸気側のエンジンバルブ及び弁シートを再現して両者の摩耗状態を試験するものである。弁座試験機３０の支持体３２内には、バルブホルダ３３が設けられている。支持体３２には、バルブホルダ３３の一端部（図８において上端部）及び他端部（図８において下端部）に冷却水が循環するウォータジャケット３４が形成されている。バルブホルダ３３の一端部には、焼結合金製の弁シート３６がシート保持体３５を介して組込まれている。シート保持体３５には、熱電対３７が設けられている。熱電対３７によって弁シート３６の温度を計測し、ガスバーナ４９（後述する）のガス燃焼量を調整する。また、バルブホルダ３３内には、バルブガイド３８が設けられている。バルブガイド３８内には、エンジンバルブ１０の軸部１２が軸方向（図８において上下方向）にスライド可能に設けられている。エンジンバルブ１０のスライドによって、弁フェース部１４が弁シート３６に対して当接したり離れたりする。
【００２０】
前記エンジンバルブ１０の軸端部１６には、コッタ４０を介してスプリングリテーナ４１が取付けられている。軸端部１６には、カム摺動部材４３を設けたリフタ部材４２が取付けられている。リフタ部材４２と前記バルブホルダ３３との間には、エンジンバルブ１０を常には後退方向（図８において下方）へ付勢するバルブスプリング４４が介在されている。リフタ部材４２のカム摺動部材４３には、電動モータ４５によって回転駆動される駆動軸４６に設けられた偏心カム４７の外周面が摺動可能に当接されている。電動モータ４５の回転によって、駆動軸４６と共に偏心カム４７が回転することにより、エンジンバルブ１０に往復運動が与えられる。一方、バルブホルダ３３の先端部には、筒状部材４８が接続されている。筒状部材４８内には、ガスバーナ４９からＬＰガスの燃焼炎（図８中、矢印５０参照）が噴出される。
【００２１】
上記弁座試験機３０において、ガス燃焼量が調整されるガスバーナ４９の燃焼炎（図８中、矢印５０参照）によって、エンジンバルブ１０の弁フェース部１４の温度を約３５０℃、弁シート３６の温度を約２００℃に維持する。この状態で、電動モータ４５によって駆動軸４６を例えば３５００ｒｐｍで駆動させることにより、エンジンの吸気側のエンジンバルブ１０及び弁シート３６が再現される。この状態を４時間継続し、弁座試験機３０からエンジンバルブ１０及び弁シート３６を取り外して両者の摩耗量を測定する。この試験を一試料につき２回行ない、平均摩耗量を求めた。
【００２２】
上記した弁座試験機３０による試験結果が図９に示されている。図９において、隣り合う２つの棒のうち、左棒は弁フェース部１４の摩耗量Ｗ（μｍ）、右棒は弁シート３６の摩耗量Ｗ（μｍ）を示している（図８参照）。
図９中、試料１は、酸化処理温度が７３０℃で、酸化処理時間が８時間の酸化処理を施したエンジンバルブの測定値である。
また、試料２は、酸化処理温度が６７０℃で、酸化処理時間が１６時間の酸化処理を施したエンジンバルブの測定値である。
また、試料３は、酸化処理を施していないエンジンバルブの測定値である。
【００２３】
図９から明らかなように、弁フェース部の摩耗量Ｗに関しては、試料１，２は、試料３に比べて約５〜７％に減少している。このため、試料１，２の弁フェース部ひいてはエンジンバルブは、良好な耐摩耗性を有していることが確認された。
また、弁シートの摩耗量Ｗでは、試料１，２は、試料３に比べて約７２〜７８％に減少している。
このため、試料１，２のエンジンバルブ１０の弁フェース部１４は、弁シート３６の摩耗量Ｗを改善する効果も認められた。
【００２４】
上記した種々の試験から、チタン系材料からなるエンジンバルブ１０（チタン部材）の表面に酸化処理を施す表面処理方法において、
（１）酸化処理によってエンジンバルブ１０（図１参照）の表面に形成される酸化硬化層１８の厚さｔ（図２参照）と硬度との関係から必要な硬度に応じた有効厚さを求める。有効厚さは、前記した説明で例示した場合では、例えば１４μｍ以下となる（図５参照）。なお、有効厚さの最小値は、酸化硬化層１８を形成することのできる最小値とする。
（２）前記酸化硬化層１８の面粗度と硬度との関係から必要な硬度に応じた有効面粗度を求める。有効面粗度は、前記した説明で例示した場合では、例えば３Ｒｚ以下となる。なお、有効面粗度の最小値は、酸化硬化層１８の形成によってできる最小値とする。
（３）前記有効厚さと前記有効面粗度との両条件を満たす酸化処理温度及び酸化処理時間によりエンジンバルブ１０に酸化処理を施す。なお、図１０に酸化硬化層１８の有効厚さＴと有効面粗度Ｒとの両条件を満たす範囲を斜線部で示した。
【００２５】
上記したエンジンバルブ１０の表面処理方法によれば、要求される疲労強度と耐摩耗性を確保することができる。
【００２６】
さらに、前記エンジンバルブ１０（図１参照）の酸化硬化層１８の表面に面粗度を向上するための処理、ショットブラスト、バフ研摩等の処理を施すことにより、疲労強度を一層向上することができる。
さらに、酸化硬化層の表面の面粗度を向上することにより、エンジンバルブ１０の軸部１２（図１参照）に対し相対的に摺動する部品、例えばオイルシールの摩耗を低減することができる。
【００２７】
また、上記した表面処理方法を適用したエンジンバルブ１０によると、要求される疲労強度と耐摩耗性を確保することができる。
【００２８】
本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本発明は、エンジンバルブ１０に限らず、スプリングリテーナ４１やバルブスプリング４４（図８参照）、あるいは、ゴルフクラブのシャフトにも適用することができる。また、本発明のチタン部材のチタン系材料としては、強度と靭性のバランスが良く、耐食性も優れているＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ等の「α＋β型チタン合金」が好適であるが、それ以外の「α型チタン合金」、「β型チタン合金」を適用することも考えられる。また、複数の部品を接合してエンジンバルブ１０を構成する場合には、その少なくとも一つの部品に対しても本発明を適用し、その他の部品は適用しないチタン系材料、あるいはチタン系材料以外の材料（例えば、ＳＵＨ３等の鋼材料）で形成することができる。また、エンジンバルブ１０は、鍛造の他、機械加工、焼結等によって形成することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のチタン部材の表面処理方法とその表面処理方法を適用したエンジンバルブによれば、要求される疲労強度と耐摩耗性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるエンジンバルブを一部破断して示す側面図である。
【図２】エンジンバルブの酸化硬化層を示す部分断面図である。
【図３】エンジンバルブの疲労強度試験方法を示す説明図である。
【図４】図３の疲労強度試験方法による試験結果を示すグラフである。
【図５】酸化硬化層の厚さと疲労強度との関係を示すグラフである。
【図６】厚い酸化硬化層の表面性状を示す部分断面図である。
【図７】薄い酸化硬化層の表面性状を示す部分断面図である。
【図８】弁座試験機を示す断面図である。
【図９】図１０の弁座試験機による試験結果を示す棒グラフである。
【図１０】酸化硬化層の厚さと面粗度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  エンジンバルブ（チタン部材）
１８  酸化硬化層
【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】
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【図１０】
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