(57)【要約】【課題】バルブシート皮膜の厚膜化が容易でバルブシート部とバルブシート皮膜との界面で十分な接合強度を確保することができるバルブシート皮膜形成方法およびバルブシート皮膜を提供する。【解決手段】バルブシート部７に対し、厚膜化の阻害要因となる炭化物の生成が少ない銅を主成分とするバルブシート皮膜形成用圧粉体電極１を用いて銅を主成分とする金属皮膜１１を形成し、更に、チタンを主成分とするバルブシート皮膜形成用圧粉体電極１’を用いて耐熱性や耐磨耗性に優れた炭化チタンを主成分とする金属皮膜１２を形成し、これらの金属皮膜１１，１２を以ってバルブシート皮膜１３とする。銅の金属皮膜１１を厚膜化することでバルブシート皮膜１３の厚膜化を達成し、また、最外郭の層を炭化チタンを主成分とする金属皮膜１２とすることで耐熱性や耐磨耗性を保証する。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドのバルブシート部の形状に倣った外周形状を備えたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極とバルブシート部との間で間欠的に絶縁破壊を励起し、この際に生じる放電エネルギーによって前記バルブシート皮膜形成用圧粉体電極の圧粉体成分を溶融し、加工槽中の加工液の炭素原子と反応させ、硬質の炭化物を生成して前記バルブシート部に移着させて積層するバルブシート皮膜形成方法であって、
炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極を用いて前記バルブシート部に金属皮膜を形成した後、これに重合させて、炭化物を生成し易い金属元素を主成分としたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極を用いて前記バルブシート部に金属皮膜を形成することを特徴としたバルブシート皮膜形成方法。
【請求項２】
前記炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極によって生成される金属皮膜の熱膨張係数が、前記炭化物を生成し易い金属元素を主成分としたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極によって生成される金属皮膜の熱膨張係数と、前記シリンダヘッドのバルブシート部の熱膨張係数との間の中間的な値となるように、前記炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の成分が調整されていることを特徴とした請求項１記載のバルブシート皮膜形成方法。
【請求項３】
前記炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の主成分が熱伝導率の高い金属元素によって構成されていることを特徴とした請求項１または請求項２記載のバルブシート皮膜形成方法。
【請求項４】
前記炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の主成分が銅、前記炭化物を生成し易い金属元素を主成分としたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の主成分がチタンによって構成されていることを特徴とした請求項１記載のバルブシート皮膜形成方法。
【請求項５】
シリンダヘッドのバルブシート部に形成されるバルブシート皮膜であって、
複数の層の金属皮膜から成り、そのうち、少なくとも、前記バルブシート部に結合した金属皮膜は炭化物の少ない金属皮膜によって形成され、最外郭の層の金属皮膜は炭化物の多い金属皮膜によって形成されていることを特徴としたバルブシート皮膜。
【請求項６】
前記バルブシート部に結合した金属皮膜の熱膨張係数が、前記最外郭の層の金属皮膜の熱膨張係数と、前記シリンダヘッドのバルブシート部の熱膨張係数との間の中間的な値となるように前記バルブシート部に結合した金属皮膜の成分が調整されていることを特徴とした請求項５記載のバルブシート皮膜。
【請求項７】
前記バルブシート部に結合した金属皮膜の主成分が熱伝導率の高い金属元素によって構成されていることを特徴とした請求項５または請求項６記載のバルブシート皮膜。
【請求項８】
前記バルブシート部に結合した金属皮膜の主成分が銅、前記最外郭の層の金属皮膜の主成分が炭化チタンによって構成されていることを特徴とした請求項５記載のバルブシート皮膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの一部を構成するシリンダヘッドのバルブシート部に設けられるバルブシート皮膜の形成方法およびバルブシート皮膜の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリンダヘッドのバルブシート部にはシリンダヘッドと別の部材から成るバルブシートリングを圧入して取り付け、このバルブシートリングによってバルブ周辺の機密性を確保するのが一般的であった。
【０００３】
また、シリンダヘッドと別の部材から成るバルブシートリングに代え、レーザー加工を利用してバルブシート部に肉盛りを施すようにした技術が特許第２９６４８１９号等として既に提案されている。
【０００４】
また、これに近似する技術として、電気メッキや溶射を利用して肉盛りを施すものが特開平９−１２５９２１号として提案されている。
【０００５】
しかし、何れのものも、肉盛りによって形成されるバルブシート皮膜の均一性を保証することが難しく、バルブシート部に対するバルブシート皮膜の密着性が不十分であるといった欠点があり、また、施工用の装置が大型化したり複雑化したりする弊害があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本出願人らは、前述の不都合を解消すべく、レーザー加工や電気メッキおよび溶射を利用した肉盛りに代わるバルブシート皮膜の構成について研究を重ね、放電エネルギーを用いてバルブシート皮膜を形成するバルブシート皮膜形成技術を特願２００１−０４１０７５として既に提案した。
【０００７】
このバルブシート皮膜形成技術は、簡潔に言えば、バルブシート皮膜形成用圧粉体電極とシリンダヘッドのバルブシート部との間に所定の放電ギャップを維持した状態で両者間に間欠的な絶縁破壊を励起し、この際に生じる放電エネルギーでバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の圧粉体成分を溶融し、更に、シリンダヘッドを浸漬した加工液中の炭素原子と反応させ、硬質の炭化物を生成してバルブシート部に移着させ積層することでバルブシート部の表面にバルブシート皮膜を形成するものである。
【０００８】
バルブシート皮膜としては、耐熱性や耐磨耗性の点から炭化チタン等を始めとする硬質の炭化物の使用が適するが、燃焼ガスやエキゾーストバルブからの高熱がシリンダヘッドに過剰に流入するのを防止するためには、或る程度、バルブシート皮膜を厚膜化する必要がある。
【０００９】
バルブシート皮膜を厚膜化するための現実的な手段としては、皮膜形成の施工時間を長くすることが考えられる。しかし、バルブシート部の表面に炭化物を含んだ金属を移着させて行くと、炭化物の影響により徐々に皮膜表面の導電性が低下して放電が起こり難くなり、皮膜の形成速度が低下し、遂には、皮膜の表面が殆ど炭化物のみとなって皮膜の生成が停止してしまので、バルブシート皮膜の厚膜化が難しいといった問題がある。
【００１０】
ここで、このバルブシート皮膜形成技術を高出力エンジンのシリンダヘッドに適用して実機試験を行った結果、インテーク側のバルブシート皮膜には何らの異常も認められなかったが、エキゾースト側のバルブシート皮膜に多少の異常が認められることが分かった。
【００１１】
その原因としては、エキゾースト側の燃焼ガスやエキゾーストバルブからの高熱でアルミニウム合金等からなるシリンダヘッドの母材が柔らかくなり、バルブシート皮膜が剥がれ易くなって、シリンダヘッドのバルブシート部とバルブシート皮膜との界面で接合強度が低下したことが考えられる。
【００１２】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の欠点を解消し、バルブシート皮膜の厚膜化が容易で、また、バルブシート部とバルブシート皮膜との界面で十分な接合強度を確保することができるバルブシート皮膜形成方法およびバルブシート皮膜を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のバルブシート皮膜形成方法は、シリンダヘッドのバルブシート部の形状に倣った外周形状を備えたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極とバルブシート部との間で間欠的に絶縁破壊を励起し、この際に生じる放電エネルギーによってバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の圧粉体成分を溶融し、加工槽中の加工液の炭素原子と反応させ、硬質の炭化物を生成してバルブシート部に移着させて積層するバルブシート皮膜形成方法であり、前記目的を達成するため、特に、
炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極を用いてバルブシート部に金属皮膜を形成した後、これに重合させて、炭化物を生成し易い金属元素を主成分としたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極を用いてバルブシート部に金属皮膜を形成することを特徴とした構成を有する。
【００１４】
まず、炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極を用いてバルブシート部に金属皮膜を形成するようにしているので、バルブシート部の表面に炭化物が移着して皮膜の形成が阻害される問題が解消され、バルブシート皮膜の厚膜化が容易に達成される。
そして、更に、この金属皮膜に重合させて、炭化物を生成し易い金属元素を主成分としたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極を用いて金属皮膜を形成するようにしているので、バルブシート皮膜全体としての耐熱性や耐磨耗性を確保することができる。
しかも、このようにして十分な厚みを有するバルブシート皮膜が形成される結果、燃焼ガスやエキゾーストバルブからの高熱がシリンダヘッドに過剰に流入することが防止され、高温によってシリンダヘッドの母材が柔らかくなることで生じる弊害、即ち、シリンダヘッドのバルブシート部とバルブシート皮膜との界面での接合強度が低下してバルブシート皮膜が剥がれ易くなるといった異常の発生が未然に防止され、耐久性の高いバルブシート皮膜を提供することが可能となる。
【００１５】
ここで、炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の成分は、このバルブシート皮膜形成用圧粉体電極によって生成される金属皮膜の熱膨張係数が、炭化物を生成し易い金属元素を主成分としたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極によって生成される金属皮膜の熱膨張係数と、シリンダヘッドのバルブシート部の熱膨張係数との間の中間的な値となるように調整されていることが望ましい。
【００１６】
このように、バルブシート部、および、バルブシート部に形成される各層の金属皮膜の熱膨張係数が、バルブシート部から外郭の層に向けて徐々に変化するような構成とすることにより、材質の異なるバルブシート部とバルブシート皮膜との間の熱膨張係数の相違、更には、材質の異なる金属皮膜間の熱膨張係数の相違によって生じる応力歪みが軽減化され、バルブシート部とバルブシート皮膜との界面での接合強度を更に向上させることが可能となる。
【００１７】
また、炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の主成分は、熱伝導率の高い金属元素によって構成されていることが望ましい。
【００１８】
バルブシート部に直接的に結合される金属皮膜、つまり、専らバルブシート皮膜の厚膜化のために利用される金属皮膜を熱伝導率の高い金属元素によって形成することで、バルブシート部の局所的な熱の偏在や異常な高温化が防止される。これは、金属皮膜の良好な熱伝導でバルブシート部の温度が均等になると共に、放熱面積も増えるためである。
また、シリンダヘッドのバルブシート近傍に冷却水通路等の冷却機構がある場合には、金属皮膜の良好な熱伝導でバルブシート部の熱を冷却機構に伝え、バルブシート部の異常加熱を防止することができる。従って、特に、バルブシート部の構造やポート形状等の制約で冷却機構がバルブシート全体を均等に冷却することが困難であるような場合、例えば、冷却水通路がバルブシート部に対して偏在しているような場合において有効である。
また、高温によってシリンダヘッドの母材が柔らかくなることで生じる弊害を的確に防止することが可能となる。
【００１９】
より具体的には、炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の主成分としては銅、また、炭化物を生成し易い金属元素を主成分としたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の主成分としてはチタンが好適である。
【００２０】
前述した通り、バルブシート皮膜の厚膜化が容易に達成され、同時に、バルブシート皮膜全体としての耐熱性や耐磨耗性を確保することができる。
また、熱膨張係数の点から見ても、シリンダヘッドの母材となるアルミニウム合金と金属皮膜を形成する銅および炭化チタンとの間には、アルミニウム合金の熱膨張係数＞銅の熱膨張係数＞炭化チタンの熱膨張係数の関係があるので、材質の異なるバルブシート部とバルブシート皮膜との間の熱膨張係数の相違、更には、材質の異なる金属皮膜間の熱膨張係数の相違によって生じる応力歪みが軽減化され、バルブシート部とバルブシート皮膜との界面での接合強度が向上する。
更に、熱伝導率の点から見ても、専らバルブシート皮膜の厚膜化のために利用される銅皮膜の熱伝導率が高いため、バルブシート部の局所的な熱の偏在や異常な高温化が防止され、前記と同様、バルブシート部の構造やポート形状等の制約で冷却機構がバルブシート全体を均等に冷却することが困難であるような場合であっても、金属皮膜の良好な熱伝導でバルブシート部の熱を冷却機構に伝え、バルブシート部の異常加熱を防止することができる。
【００２１】
本発明のバルブシート皮膜は、シリンダヘッドのバルブシート部に形成されるバルブシート皮膜であり、前記と同様の目的を達成するため、特に、
複数の層の金属皮膜から成り、そのうち、少なくとも、前記バルブシート部に結合した金属皮膜は炭化物の少ない金属皮膜によって形成され、最外郭の層の金属皮膜は炭化物の多い金属皮膜によって形成されていることを特徴とした構成を有する。
【００２２】
このバルブシート皮膜は、前述したバルブシート皮膜形成方法による結果物として得られるものである。つまり、炭化物の少ない金属によってバルブシート部に密着する層の金属皮膜が形成されているので、バルブシート皮膜の厚膜化が容易であり、同時に、炭化物の多い金属皮膜によって最外郭の層が形成されているため、バルブシート皮膜全体としての耐熱性や耐磨耗性を確保することができるといった構造上の特徴を有する。
つまり、炭化物の少ない厚めの金属皮膜によってバルブシート部の局所的な熱の偏在や異常な高温化を防止することができ、バルブシート部の構造やポート形状等の制約で冷却機構がバルブシート全体を均等に冷却することが困難であるような場合であっても、金属皮膜の良好な熱伝導でバルブシート部の熱を冷却機構に伝えてバルブシート部の異常加熱を防止することが可能となり、また、高温によってシリンダヘッドの母材が柔らかくなることで生じる弊害、即ち、シリンダヘッドのバルブシート部とバルブシート皮膜との界面での接合強度が低下するといった問題も防止される。
【００２３】
ここで、バルブシート部に結合した金属皮膜の成分は、この金属皮膜の熱膨張係数が、最外郭の層の金属皮膜の熱膨張係数とシリンダヘッドのバルブシート部の熱膨張係数との間の中間的な値となるように調整されていることが望ましい。
【００２４】
各層の金属皮膜の熱膨張係数が、バルブシート部から外郭の層に向けて徐々に変化するような構成とすることで、材質の異なるバルブシート部とバルブシート皮膜との間の熱膨張係数の相違、更には、材質の異なる金属皮膜間の熱膨張係数の相違によって生じる応力歪みが軽減化され、バルブシート部とバルブシート皮膜との界面での接合強度を更に向上させることが可能である。
【００２５】
また、バルブシート部に結合する金属皮膜の主成分は、熱伝導率の高い金属元素によって構成されていることが望ましい。
【００２６】
バルブシート部に直接的に結合される金属皮膜、つまり、専らバルブシート皮膜の厚膜化のために利用される金属皮膜を熱伝導率の高い金属元素によって形成することにより、バルブシート部の局所的な熱の偏在や異常な高温化が防止され、バルブシート部の構造やポート形状等の制約で冷却機構がバルブシート全体を均等に冷却することが困難であるような場合であっても、金属皮膜の良好な熱伝導でバルブシート部の熱を冷却機構に伝え、バルブシート部の異常加熱を防止することができる。
【００２７】
具体的には、バルブシート部に結合する金属皮膜の主成分を銅、また、最外郭の層の金属皮膜の主成分を炭化チタンとすることが可能である。
【００２８】
これにより、バルブシート皮膜の厚膜化が容易に達成され、同時に、バルブシート皮膜全体としての耐熱性や耐磨耗性が確保される。
また、熱膨張係数の点から見ても、シリンダヘッドの母材となるアルミニウム合金と金属皮膜を形成する銅および炭化チタンとの間には、アルミニウム合金の熱膨張係数＞銅の熱膨張係数＞炭化チタンの熱膨張係数の関係があるので、材質の異なるバルブシート部とバルブシート皮膜との間の熱膨張係数の相違、更には、材質の異なる金属皮膜間の熱膨張係数の相違によって生じる応力歪みを軽減化して、バルブシート部とバルブシート皮膜との界面での接合強度を向上させることができる。
更に、熱伝導率の点から見ても、専らバルブシート皮膜の厚膜化のために利用される銅皮膜の熱伝導率が高いため、バルブシート部の局所的な熱の偏在や異常な高温化が防止され、バルブシート部の構造やポート形状等の制約で冷却機構がバルブシート全体を均等に冷却することが困難であるような場合であっても、金属皮膜の良好な熱伝導でバルブシート部の熱を冷却機構に伝えてバルブシート部の異常加熱を防止することができるメリットがある。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したバルブシート皮膜形成方法およびバルブシート皮膜について幾つかの実施形態を挙げて説明する。
【００３０】
まず、皮膜形成装置として利用される型彫り放電加工機の主要部の構成について図３を参照して簡単に説明する。
【００３１】
図３はバルブシート皮膜形成用圧粉体電極を用いてバルブシート皮膜を形成する際に使用する型彫り放電加工機２の主要部の構造を簡略化して示した模式図である。
【００３２】
サーボヘッド３は、型彫り放電加工機２のコラム部分に固設されており、図示しないＮＣ装置により設定された加工電圧や加工電流およびパルス幅やデューティ比等の加工条件に基いて加工用のパルス電源４から電力を供給され、電極ホルダ５を介してバルブシート皮膜形成用圧粉体電極に通電する。
【００３３】
バルブシート皮膜形成用圧粉体電極は、自動車エンジンの一部を構成するシリンダヘッド６のバルブシート部７の形状に倣った外周形状を備え、電極ホルダ５のチャック部分にネジ等を介して着脱自在に装着されるようになっている。
【００３４】
シリンダヘッド６のバルブシート部７の形状については図１（ａ）等に詳細に示す。
【００３５】
実際の加工に際しては、アルミニウム合金製のシリンダヘッド６が、バルブシート部７を上方に向けてバルブシート皮膜形成用圧粉体電極に対向させた状態で、図３のようにして型彫り放電加工機２のテーブル８上に固定される。テーブル８にはサーボヘッド３と逆の極性でパルス電源４が接続されている。
【００３６】
そして、テーブル８を覆う加工槽９に満たされた加工液（油）１０によってバルブシート皮膜形成用圧粉体電極とシリンダヘッド６との間が絶縁される。
【００３７】
サーボヘッド３は、図示しないＮＣ装置によって、バルブシート皮膜形成用圧粉体電極の先端と被加工物となるシリンダヘッド６のバルブシート部７との間の離間距離が一定となるようにして上下方向の送りを掛けられ、放電ギャップを一定の値に保持するようになっている。これは、放電加工の分野でサーボ送りと呼ばれる制御方式であり、実際には、放電電流の値を予め決められた設定値に保持するようにＺ軸のサーボモータをフィードバック制御することで両者間の放電ギャップが一定の値に保持される。
【００３８】
また、バルブシート皮膜形成用圧粉体電極の交換に際しては、手動制御装置からのジョグ送り指令等によってコラム自体を上方に退避させ、上下方向に十分な作業スペースを確保してバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の交換作業を行うことが可能である。
【００３９】
本実施形態では、図３に示したような型彫り放電加工機２を皮膜形成装置として利用し、バルブシート皮膜形成用圧粉体電極とバルブシート部７との間で間欠的に絶縁破壊を励起し、この際に生じる放電エネルギーによってバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の圧粉体成分を溶融して加工槽９中の加工液（油）１０の炭素原子と反応させ、硬質の炭化物を生成してバルブシート部７に移着させることでバルブシート皮膜を形成することを前提とする。
【００４０】
次に、この実施形態で使用されるバルブシート皮膜形成用圧粉体電極の構成について説明する。
【００４１】
この実施形態では、放電による溶融および加工液（油）１０との反応過程で炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極１（図１（ａ）参照）と、放電による溶融および加工液（油）１０との反応過程で炭化物を生成し易い金属元素を主成分としたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極１’（図１（ｂ）参照）とを併用してバルブシート皮膜の形成作業を実施する。
【００４２】
具体的には、バルブシート皮膜形成用圧粉体電極１は、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｇから成る圧粉体電極で、その主成分は、熱伝導率が高く加工液（油）１０との反応過程で炭化物を生成し難い銅（Ｃｕ）である。銅を主成分としたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極１の成形時には、成形圧力が高いと圧粉体の結合力が強くなり過ぎ、放電時に銅粉末を分離することが難しくなるため、成形圧力を４０ＭＰａ〜８０ＭＰａ程度の範囲内とすることが望ましい。
【００４３】
これに対し、バルブシート皮膜形成用圧粉体電極１’は、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｃｏ，Ｎｉを含有した圧粉体電極で、その主成分は、加工液（油）１０との反応過程で炭化物を生成し易いチタン（Ｔｉ）である。
【００４４】
ここで、バルブシート部７を備えたシリンダヘッド６の母材であるアルミニウム合金と、バルブシート皮膜形成用圧粉体電極１の主成分を構成する銅、および、バルブシート皮膜形成用圧粉体電極１’の主成分であるチタンを炭化して得られる炭化チタンの熱膨張係数の関係について見ると、アルミニウム合金の熱膨張係数＞銅の熱膨張係数＞炭化チタンの熱膨張係数となり、バルブシート皮膜形成用圧粉体電極１の主成分となる銅の熱膨張係数は、炭化チタンの熱膨張係数とアルミニウム合金の熱膨張係数との間の中間的な値である。
【００４５】
次に、これらのバルブシート皮膜形成用圧粉体電極１および１’を用いたバルブシート皮膜の形成工程について説明する。
【００４６】
まず、型彫り放電加工機２の電極ホルダ５にバルブシート皮膜形成用圧粉体電極１を装着し、図１（ａ）および図３に示されるような要領でシリンダヘッド６のバルブシート部７に対する最初の金属皮膜の形成作業を実施する。銅を主成分とする金属皮膜の厚みは、概ね、５０μｍ〜２００μｍ程度とするのが適当である。この際、加工用のパルス電源４に設定するパルス幅を長めにしたり、或いは、加工電流を大きめに設定することで短時間のうちに銅皮膜を厚く形成することができるが、その反面、皮膜がポーラス（多孔質状）となる弊害も生じる。ここで、望ましい加工条件の一例を表１に示す。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
この最初の金属皮膜の形成工程により、バルブシート部７の表面には、図２（ａ）に示されるようにして、銅を主成分とした金属皮膜１１が形成されることになる。銅を主成分としたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極１による皮膜の形成工程では、炭化物の生成は殆どなく、導電性の低い炭化物がバルブシート部７に移着するといった問題もないので、皮膜の厚膜化は容易である。
【００４９】
次に、型彫り放電加工機２の電極ホルダ５からバルブシート皮膜形成用圧粉体電極１を取り外し、この電極ホルダ５に改めてバルブシート皮膜形成用圧粉体電極１’を装着した後、図１（ｂ）および図３に示されるような要領で、金属皮膜１１が既に形成されているバルブシート部７の表面に対して再び金属皮膜の形成作業を実施する。
【００５０】
または、上述のように単一の型彫り放電加工機２を使用してバルブシート皮膜形成用圧粉体電極を交換する代わりに、バルブシート皮膜形成用圧粉体電極１’を装着した別の型彫り放電加工機（図３と同様のもの）を予め準備しておき、シリンダヘッド６をこの型彫り放電加工機に積み替えてバルブシート皮膜形成用圧粉体電極１’による皮膜形成作業を実施することも可能である。
【００５１】
何れの場合も、加工用のパルス電源４に設定する加工電流が大き過ぎると、バルブシート部７上に既に形成されている銅主体の金属皮膜１１が放電によって削り取られてしまうので、加工電流の大きさは０．０３Ａ／ｍｍ２〜０．０８Ａ／ｍｍ２の範囲に抑制するのが妥当である。
【００５２】
この２回目の金属皮膜の形成工程により、バルブシート部７の表面には、図２（ｂ）に示されるように、銅を主成分とした金属皮膜１１に重合して、更に、炭化チタンを主成分とする金属皮膜１２が形成されることになる。
【００５３】
本実施形態では、これらの金属皮膜１１，１２を以ってバルブシート部７のバルブシート皮膜１３としている。
【００５４】
このシリンダヘッド６をエンジンに組み込んで実際に使用する際には、バルブシート部７に形成されたバルブシート皮膜１３に燃焼ガスやエキゾーストバルブからの高熱が直接的に伝達されるが、バルブシート皮膜１３のうち最外郭の層の金属皮膜１２は硬度の高い炭化チタンを主成分として構成されているので、エキゾーストバルブの接離動作に対して十分な耐磨耗性を発揮することができる。
【００５５】
また、２層の金属皮膜１１，１２から成るバルブシート皮膜１３には十分な厚みがあり、しかも、このうちバルブシート部７に直接的に結合した金属皮膜１１の部分は熱伝導率の高い銅を主成分として構成されているので、金属皮膜１１の良好な熱伝導でバルブシート部７の温度が均等化され、同時に、放熱面積も増えるため、バルブシート部７の局所的な熱の偏在や異常な高温化を防止することができる。
また、シリンダヘッド６のバルブシートの近傍に冷却水通路等の冷却機構がある場合には、金属皮膜１１の良好な熱伝導でバルブシート部７の熱を冷却機構に伝え、バルブシート部７の異常加熱を防止することができる。従って、特に、バルブシート部７の構造やポート形状等の制約で冷却機構がバルブシート全体を均等に冷却することが困難であるような場合、例えば、冷却水通路がバルブシート部７に対して偏在しているような場合において有効である。
【００５６】
これにより、シリンダヘッド６の母材が高温で柔らかくなることによって生じる弊害、即ち、シリンダヘッド６のバルブシート部７とバルブシート皮膜１３との界面での接合強度が低下してバルブシート皮膜１３が剥がれ易くなるといった問題も未然に防止される。
【００５７】
しかも、バルブシート部７、および、バルブシート部７に形成される各層の金属皮膜１１，１２の熱膨張係数は、バルブシート部７から外郭の層に向けて徐々に小さくなるように構成されているので、例えば、熱膨張係数の大きなアルミニウム合金からなるバルブシート部７に熱膨張係数の小さな炭化チタンのバルブシート皮膜を直に形成したような場合と比べ、材質毎の熱膨張係数の相違によって生じる応力歪みを大幅に軽減化することができ、バルブシート部７とバルブシート皮膜１３との界面での接合強度、更には、金属皮膜１１，１２間の接合強度を向上させることが可能である。
【００５８】
前述した実施形態では、２層の金属皮膜によってバルブシート皮膜を形成したが、３層以上の金属皮膜によってバルブシート皮膜を形成するようにしてもよい。一例を図２（ｃ）に示す。
【００５９】
この例は、バルブシート部７の表面に銅を主成分とした金属皮膜１１を形成した後、耐熱性が高く炭化物を生成し難いニッケルを主成分とするバルブシート皮膜形成用圧粉体電極を用いてニッケルを主成分とする金属皮膜１４を形成し、更に、その上に炭化チタンを主成分とした金属皮膜１２を形成して、これらの３層からバルブシート皮膜１５を構成したものである。
【００６０】
以上の実施形態では、バルブシート皮膜形成用圧粉体電極を用いてバルブシート皮膜を形成する場合について述べたが、本発明のバルブシート皮膜は、圧粉体電極から溶融する金属粉に代えて予め加工液中に分散させた金属粉を放電を利用してバルブシート部に付着させて金属皮膜を生成する皮膜形成方法（特願２００２−２３４５４８）を適用して製造することも可能である。
【００６１】
その場合は、加工槽中の加工液にＣｕ，Ｆｅ，Ｍｇの金属粉を分散させてバルブシート部７の形状に倣った外周形状を備えた電極を装着した第一の型彫り放電加工機（皮膜形成装置）と、加工槽中の加工液にＴｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｃｏ，Ｎｉの金属粉を分散させてバルブシート部７の形状に倣った外周形状を備えた電極を装着した第二の型彫り放電加工機（皮膜形成装置）とを予め準備しておき、第一の型彫り放電加工機にシリンダヘッド６をセットしてバルブシート部７に銅を主成分とする金属皮膜を形成した後、シリンダヘッド６を第二の型彫り放電加工機に移し換えて、バルブシート部７に炭化チタンを主成分とする金属皮膜を形成するようにすればよい。同様にして、材質の異なる３層以上の金属皮膜を形成することも可能である。
【００６２】
【発明の効果】
本発明のバルブシート皮膜形成方法およびバルブシート皮膜は、シリンダヘッドのバルブシート部に厚膜化の阻害要因となる炭化物の少ない金属皮膜を形成した後、更に、これに重合させて炭化物が多く耐熱性や耐磨耗性に優れた金属皮膜を形成してバルブシート皮膜としているので、燃焼ガスやエキゾーストバルブからの高熱がシリンダヘッドに過剰に流入することを防止するに十分な厚みを有するバルブシート皮膜を容易に形成することが可能であり、高温によってシリンダヘッドの母材が柔らかくなることで生じる弊害、即ち、シリンダヘッドのバルブシート部とバルブシート皮膜との界面での接合強度が低下してバルブシート皮膜が剥がれ易くなるといった異常の発生を未然に防止することができ、同時に、耐熱性や耐磨耗性に優れた耐久性の高いバルブシート皮膜を提供することができる。
【００６３】
しかも、バルブシート部に結合した層の金属皮膜の成分は、この金属皮膜の熱膨張係数が、最外郭の層の金属皮膜の熱膨張係数とバルブシート部の熱膨張係数との間の中間的な値となるように調整されているので、材質の異なるバルブシート部とバルブシート皮膜との間、更には、バルブシート皮膜を形成する金属皮膜と金属皮膜との間の熱膨張係数の相違によって生じる応力歪みを軽減化することができ、バルブシート部とバルブシート皮膜との界面での接合強度を向上させることができる。
【００６４】
また、バルブシート部に結合する金属皮膜の主成分は、熱伝導率の高い金属元素によって構成されているため、この厚めの金属皮膜の良好な熱伝導でバルブシート部の温度が均等化され、同時に、放熱面積も増えるため、バルブシート部の局所的な熱の偏在や異常な高温化を防止することができる。更に、シリンダヘッドのバルブシートの近傍に冷却水通路等の冷却機構がある場合には、金属皮膜の良好な熱伝導でバルブシート部の熱を冷却機構に伝え、バルブシート部の異常加熱を効果的に防止することができる。従って、特に、バルブシート部の構造やポート形状等の制約で冷却機構がバルブシート全体を均等に冷却することが困難であるような場合、例えば、冷却水通路がバルブシート部に対して偏在しているような場合において有効である。また、これにより、高温化によってシリンダヘッドの母材が柔らかくなることで生じる弊害、つまり、シリンダヘッドのバルブシート部とバルブシート皮膜との界面での接合強度が低下してバルブシート皮膜が剥がれ易くなるといった異常の発生を一層効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極を用いた金属皮膜の形成過程について示した概念図、図１（ｂ）は炭化物を生成し易い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極を用いた金属皮膜の形成過程について示した概念図である。
【図２】図２（ａ）はバルブシート部の表面に銅を主成分とした金属皮膜が形成された状態を示した概念図、図２（ｂ）はバルブシート部の表面に銅を主成分とした金属皮膜と炭化チタンを主成分とした金属皮膜が重合して形成された状態を示した概念図、図２（ｃ）は３層の金属皮膜によってバルブシート皮膜を形成した実施形態の概念図である。
【図３】皮膜形成装置として利用される型彫り放電加工機の主要部の構成について示した機能ブロック図である。
【符号の説明】
１　炭化物を生成し難い金属元素から成るバルブシート皮膜形成用圧粉体電極１’　炭化物を生成し易い金属元素を主成分としたバルブシート皮膜形成用圧粉体電極
２　型彫り放電加工機（皮膜形成装置）
３　サーボヘッド
４　加工用のパルス電源
５　電極ホルダ
６　シリンダヘッド
７　バルブシート部
８　テーブル
９　加工槽
１０　加工液（油）
１１　銅を主成分とする金属皮膜
１２　炭化チタンを主成分とした金属皮膜
１３　バルブシート皮膜
１４　ニッケルを主成分とした金属皮膜
１５　バルブシート皮膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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