(57)【要約】本発明は、内燃機関のシリンダヘッド用の弁座であって、シリンダヘッドの基材に融着される付加的材料を含む弁座に関する。付加的材料は、上下に互いに置かれる少なくとも２つの層を備え、シリンダヘッドに面する内層は、シリンダヘッドの基材に対する優れた接合特性を有し、シリンダヘッドから離れた外層は、優れた強度及び磨耗特性を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダヘッド用の弁座であって、前記シリンダヘッドの基材に融着される付加的材料を備える弁座において、前記付加的材料は、上下に互いに重なる少なくとも２つの層（６、７）を備え、前記シリンダヘッド（１）に面する前記内層（６）は、前記シリンダヘッド（１）の前記基材に対して良好な接合特性を有し、前記シリンダヘッド（１）から離れた前記外層（７）は、良好な強度と耐磨耗性を有することを特徴とする弁座。
【請求項２】
前記内層（６）は、良好な熱伝導特性を有することを特徴とする請求項１に記載の弁座。
【請求項３】
前記内層（６）は、銅又は銅合金を含むことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の弁座。
【請求項４】
前記銅合金は、アルミニウムを合金成分として含むことを特徴とする請求項３に記載の弁座。
【請求項５】
前記銅合金は、鉄を合金成分として含むことを特徴とする請求項３あるいは４に記載の弁座。
【請求項６】
前記外層（７）は、ニッケル、鉄、及び／又はコバルト、又はこれらの材料の少なくとも１つを含む合金を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の弁座。
【請求項７】
前記ニッケル、鉄及び／又はコバルト合金は、クロムを合金成分として含むことを特徴とする請求項６に記載の弁座。
【請求項８】
前記ニッケル、鉄、及び／又はコバルト合金は、シリコンを合金成分として含むことを特徴とする請求項６あるいは７に記載の弁座。
【請求項９】
前記ニッケル、鉄、及び／又はコバルト合金は、モリブデンを合金成分として含むことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の弁座。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の内燃機関のシリンダヘッド用の弁座を製造する方法であって、付加的材料が、エネルギーの導入によって、前記シリンダヘッドの前記弁座が形成される箇所に融着される方法において、前記内層（６）が前記シリンダヘッド（１）の前記基材に融着された後に、前記外層（７）が、エネルギーの導入によって、前記内層（６）に融着されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記付加的材料は、レーザビーム（９、９’）によって、前記シリンダヘッド（１）に融着されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記付加的材料は、電子ビームによって、前記シリンダヘッド（１）に融着されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記内層（６）は、固体リングの形態で前記シリンダヘッド（１）に配置され、前記外層（７）は、粉体の形態で前記内層（６）に施されることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記内層（６）及び前記外層（７）は、粉体の形態で施されることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記内層（６）及び前記外層（７）は、固体リングの形態で施されることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文により詳細に定義される種類の内燃機関のシリンダヘッド用の弁座に関する。さらに、本発明は、請求項１０の前文により詳細に定義される種類の内燃機関のシリンダヘッド用の弁座を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、一般的な種類の弁座及びそれを製造するための一般的な種類の方法を記載している。この場合、付加的材料、すなわち、アルミニウム−シリコン合金とニッケルの合金又は混合物は、レーザビームによって、シリンダヘッドの基材に融着される。
【０００３】
特許文献２は、ガス置換弁の弁座表面を補強する方法であって、好ましくはニッケル又はコバルト基超合金からなる強化用板材料が、バルブ板の一周する凹部内に導入される方法を開示している。
【０００４】
金属加工品の表面を、粉体又はワイヤの形態にある付加的材料によって被覆する方法が、特許文献３に記載されている。
【０００５】
この種のさらに他の方法が、特許文献４によって知られている。この場合、シリンダヘッドの基材は、実質的にアルミニウムを含み、鉄又はニッケル、又はこれら２つの金属の１つを含む合金が、弁座を形成するための付加的材料の主成分として用いられている。
【０００６】
この場合の１つの欠点は、鉄及びニッケルが、アルミニウムからなるシリンダヘッドよりも著しく高い融点を有する点にある。これによって、付加的材料が溶融を開始したばかりのときに、シリンダヘッドは、すでにレーザビームの作用によって、溶融の形態にあるという結果が生じ得る。さらにアルミニウムはまだ溶融形態にある間に、以前に液状の鉄がすでに凝固しているという場合が生じ得る。これによって、鉄とアルミニウム材料間の界面領域に金属間相が形成され、極めて脆弱な微細組織が生じ得る。その結果、生成される弁座とシリンダヘッドの基材との間に均質な接合を達成するのが困難である。なお、これに関連して、これらの材料の異なる表面張力も大きな役割を果たす。
【０００７】
特許文献５は、アルミニウム合金からなるシリンダヘッドを記載している。このシリンダヘッドの弁座は、板上の銅合金層によって、形成されている。
【０００８】
しかし、もし銅が弁座の材料として用いられる場合、特に、ディーゼル内燃機関の場合、ディーゼル燃料に含まれる硫黄が銅を侵食するという欠点が生じ、これによって、生成される排気ガス及び腐食に関連する問題が生じる。従って、弁座に対する銅の使用は、火花点火内燃機関に対してのみ適切であり、これは、この解決策が経済的に用いられ得ないことを意味している。
【０００９】
特許文献６は、レーザ放射によって合金化される粉体状の付加的材料によるシリンダライナーの内部被膜のための方法を記載している。
【００１０】
特許文献７は、強度及び／又は耐摩耗性を増大させる付加的材料を有する、特に、内燃機関の軽金属ピストンの軽金属成分の表面処理のための方法を開示している。
【００１１】
さらに、内燃機関用の弁座及びそれらを製造する方法に関連する他の先行技術に関して、以下の文献、すなわち、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５、特許文献１６、特許文献１７、特許文献１８、特許文献１９、特許文献２０、特許文献２１、特許文献２２、特許文献２３、及び特許文献２４が引用される。
【特許文献１】独国特許出願公開第１９９  １２  ８８９  Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許発明第３５  １７  ０７７  Ｃ１号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１９９  １２  ８９４  Ａ１号明細書
【特許文献４】欧州特許第０  ０９２  ６８３  Ｂ１号明細書
【特許文献５】欧州特許第０  ２２８  ２８２  Ｂ１号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１９６  ３９  ４８０  Ａ１号明細書
【特許文献７】独国特許出願公開第２２  ００  ００３  Ａ１号明細書
【特許文献８】米国特許第４，０５９，８７６号明細書
【特許文献９】特開平５−２５６１９０号公報
【特許文献１０】特開平７−２８４９７０号公報
【特許文献１１】特開平８−４７７８７号公報
【特許文献１２】特開平８−２２４６８０号公報
【特許文献１３】特開平８−２２４６８１号公報
【特許文献１４】特開平８−２２４６８２号公報
【特許文献１５】特開平８−２２４６８３号公報
【特許文献１６】特開平１０−１４１１３２号公報
【特許文献１７】特開平１０−１７６５１１号公報
【特許文献１８】特開平１１−２１５４号公報
【特許文献１９】欧州特許出願公開第０  ２０９  ３６６  Ａ１号明細書
【特許文献２０】米国特許第４，７２３，５１８号明細書
【特許文献２１】特開平２−１９６１１７号公報
【特許文献２２】特開平４−１２３８８５号公報
【特許文献２３】特開平６−４２３２０号公報
【特許文献２４】特開平８−１７４２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
もし弁座が、付加的材料としてシリンダヘッドの基材に融着される場合、この付加的材料は、シリンダヘッドの基材に対する接合とガス置換弁によって導入される力を吸収する強度特性及び弁座の表面の磨耗を可能な限り小さくするのに必要な摩擦特性を確保しなければならないという課題が生じる傾向にある。これは、ある材料の使用に関してなされてきた極めて広い範囲の提案によって先行技術において反映されている、材料の選択に、極めて複雑な境界条件を与える。しかし、これまでに、実際に長い間にわたって用いられてきた弁座のリングを適切な場所に押込む方法と置き換わることができることを確信させるような解決策は、存在しない。
【００１３】
従って、本発明の目的は、シリンダヘッドの基材への良好な接合及び良好な強度と磨耗特性の両方を有する、内燃機関のシリンダヘッド用の弁座及びそれを製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、この目的は、請求項１に挙げられる特徴によって、達成される。
【００１５】
本発明による上下に互いに重なる２つの層は、有利に、弁座が果たさねばならない様々な役割が分割されることを可能にする。例えば、本発明によれば、シリンダヘッドに面する内層は、弁座をシリンダヘッドの基材に接合する役割を果たすことができ、シリンダヘッドから離れた外層は、それが弁座用の良好な強度と磨耗特性を有するように設計されるようにすることができる。
【００１６】
これは、有利には、弁座のシリンダヘッドへの接合を改良し、これによって、弁座の全体がシリンダヘッドから分離されるのを防ぐ。にもかかわらず、外層の構成によって、比較的高い負荷が、比較的低摩耗率で、本発明による弁座に加えられるようにすることができる。このように達成された包括的な結果として、特に火花点火及びディーゼル内燃機関に与えられる異なる要求に関して、著しく広い範囲の材料を用いることができる。
【００１７】
もし本発明の有利な構成において、内層が良好な熱伝導特性を有していれば、弁座表面からシリンダヘッドへの熱の散逸が、有利に改良される。何故なら、溶融された冶金的な接合によって、弁座とシリンダヘッドとの間の空隙がなくされるからである。
【００１８】
特に、アルミニウムから作製されるシリンダヘッドの場合、内層が銅又は銅合金を含むと有利であることがわかっている。何故なら、この種の材料は、シリンダヘッドのアルミニウム材料に良好に接合され得るからである。これに関連して、外層は、内層の銅材料が硫黄含有燃料又は排ガス成分と化合し、排ガスレベルに悪影響を与えるのを防ぐ。
【００１９】
さらに、ニッケル、鉄、及び／又はコバルト、又はこれらの材料の少なくとも１つを含む合金を含む外層を設けることができる。これらの材料は、特に硬質で、耐摩耗性があり、極めて高い強度を有することがわかっている。これらの材料のさらに他の利点は、内層に用いられ得る銅材料に対する良好な接合能力を有することにある。
【００２０】
方法に関する解決策は、請求項１０の特徴によって、与えられる。
【００２１】
この連続的な方法は、本発明による少なくとも２つの層が、前述の弁座の有利な特性を維持しながら、プロセス工学の観点から特に簡単かつ確実に、シリンダヘッドの基材に接合されることを可能にする。
【００２２】
もし内層が、中実のリングの形態で、シリンダヘッドに配置され、外層が、粉体の形態で、内層に与えられる場合、製造技術の観点から特に経済的な方法が得られる。
【００２３】
本発明のさらに他の有利な構成及び改良は、従属請求項の残りから、及び図面を参照して以下に概説される例示的実施形態から、明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、全体は示されていない内燃機関のシリンダヘッド１の部分を示している。シリンダヘッド１は、それ自体が知られている方法で、ガス置換弁３によって開閉され得る吸気口２を有している。ガス置換弁３が開くと、燃料／空気混合気は、それ自体が知られている方法によって、吸気口２からシリンダヘッド１の下方に配置された燃焼室４内に入ることができる。さらに、シリンダヘッド１は、弁座５を有し、この弁座５に対して、ガス置換弁３が閉位置において着座し、このようにして、吸気口２を燃焼室４から分離する。
【００２５】
また、図１から分かるように、弁座５は、それぞれの付加的材料から形成される２つの層６と７、すなわち、シリンダヘッド１に面する下層又は内層６と、シリンダヘッド１から離れてガス置換バルブ３に面する上層又は外層７とを有している。内層６は、弁座５をシリンダヘッド１に接合するのに用いられ、従って、シリンダヘッド１の基材に対して良好な接合特性を有している。対照的に、外層７は、ガス置換弁３から弁座５に作用する力を吸収することができるために、良好な強度と磨耗特性を有している。
【００２６】
この場合、シリンダヘッド１は軽合金、特に、アルミニウムから成るので、銅又は銅合金が内層６に用いられる。何故なら、この材料は、アルミニウムに対して特に良好な親和性を有しているからである。この場合、特に、合金ＣｕＡｌ10、すなわち、１０重量％のアルミニウムを含む銅合金を用いるとき、内層６は、シリンダヘッド１の材料に固く結合される。さらに、鉄も、内層用の適切なさらに他の合金成分であることがわかっている。しかし、純銅を内層６に用いることもできる。
【００２７】
シリンダヘッド１の基材に対する良好な結合特性に加えて、内層６は、弁座５の表面からシリンダヘッド１への熱の放散を改良するために、良好な熱伝導特性も有する。これは、弁座５とシリンダヘッド１との間の空隙が、溶融された冶金的接合によって、なくされるからである。これに関連して、２０℃の銅の熱伝導性は、略３５０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋであり、２０℃のアルミニウムの熱伝導性は、略２００〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、２０℃の内層６に用いられる合金の熱伝導性は、略２００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００２８】
外層７の必要とされる強度、磨耗、又は硬度特性を達成するために、ニッケル、鉄、及び／又はコバルト、又はこれらの材料の少なくとも１つを含む合金が、この外層に用いられると好ましい。この種の材料は、シリンダヘッド１のアルミニウムに接合されると、ある状況下において、クラックの生成をもたらし得る金属間相を形成する傾向にあるが、内層６の存在によって、外層７は、シリンダヘッド１に接合されず、その結果、この種の金属間相は生じない。
【００２９】
特に、クロム、シリコン、及びモリブデンは、外層７に用いられる材料のさらに他の合金成分として特に適していることがわかっている。外層７に用いられ得るいくつかの合金が、例として、以下に挙げられる。前述の３つの元素に加えて、他の元素を、さらに他の合金成分として、用いることができる。すなわち、Ｃｏ２５Ｃｒ１０Ｎｉ７Ｗ０．５Ｃ、Ｃｏ２８Ｍｏ８Ｃｒ２Ｓｉ、Ｃｏ２８Ｍｏ１７Ｃｒ３Ｓｉ、Ｎｉ１７Ｃｒ６Ａ１０．５Ｙ、Ｎｉ２２Ｃｒ１０Ａｌ１．０Ｙ、Ｎｉ２５Ｃｒ６Ａｌ０．４Ｙ、Ｎｉ３１Ｃｒ１１Ａｌ０．６Ｙ、Ｎｉ２３Ｃｏ２０Ｃｒ８．５Ａｌ４Ｔａ０．６Ｙ、Ｎｉ１５Ｃｒ４Ｓｉ３ＦｅＢ０．７５Ｃ、Ｎｉ２１．５Ｃｒ８．５Ｍｏ３Ｆｅ０．５Ｃｏ、Ｎｉ１９Ｃｒ１８Ｆｅ３Ｍｏ１Ｃｏ１Ｔｉ、又は、Ｎｉ８．５Ｃｒ７Ａｌ５Ｍｏ２Ｓｉ２Ｂ２Ｆｅ３ＴｉＯ２を用いることができる。勿論、この一覧が完全であることはなく、市販されている弁座リングに用いられている材料を用いることができる。材料の選択は、とりわけ、シリンダヘッド１が火花点火内燃機関に用いられるか又はディーゼル内燃機関に用いられるかにも依存する。
【００３０】
もし他の材料がシリンダヘッド１に用いられる場合、勿論、２つの層６と７を、内層６がシリンダヘッド１の基材に対して良好な接合特性を有し、外層７が良好な強度と磨耗特性を有することを確実とする他の材料から、構成することができる。
【００３１】
図２と図３は、前述した付加的材料をシリンダヘッド１に融着することによって、弁座５を製造するのに用いられる２つの異なるプロセスを示している。ただし、内層６をシリンダヘッド１に施す手順のみが示されている。
【００３２】
図２に示される実施形態において、シリンダヘッド１に向かって、内層６を形成するための付加的材料を放出するノズル８が、形成されるべき弁座５の領域に配置されている。付加的材料がシリンダヘッド１と接触するか又はそこに形成された溝内に入ると、同時に、その材料は、シリンダヘッド１に溶融材料１０を生成するために、レーザビーム９によって、シリンダヘッド１の基材の外層に融着される。溝の作成中、機械加工行程は、塗布プロセスと整合される。前述のレーザビーム９の代替形態として、電子ビーム（図示せず）又はエネルギーの印加又は導入によって付加的材料７から溶融材料１０を生成する適切な装置を、エネルギー源として用いることもできる。この場合、付加的な材料７は、粉体の形態で施されるが、帯片の形態で与えられてもよい。
【００３３】
連続的なプロセスを達成するために、ノズル８とレーザビーム９は、弁座５の輪郭に対応する円形経路に沿って、連続的に進められる。レーザビーム９が、矢印Ａに対応する前進方向において、溶融材料１０から離れて移動すると、溶融材料は凝固し、内層６を形成する。これは、単一段階プロセスとして知られているプロセスである。
【００３４】
図３は、弁座５を製造する代替的プロセスを示している。このプロセスでは、付加的材料は、ペースト、ワイヤ、焼結体、又は粉体予成形体の形態で、好ましくは、リングの形状で、シリンダヘッド１の溝に配置されるか又はシリンダヘッド１上に配置され、次いで、レーザビーム９又は電子ビームによって、溶融材料１０を形成するように融着される。この場合も、弁座５の内層６は、レーザビーム９を矢印Ａの方向に取り外した後、溶融材料１０から形成される。このプロセスは、２段階プロセスとして知られている。
【００３５】
外層７は、上記の両方の方法と極めて類似した方法で、施され得る。但し、勿論、外層７は、シリンダヘッド１ではなく、内層６に融着される。これらの２つのプロセスの組合せ、例えば、内層６がシリンダヘッド１にリングの形態で配置され、次いで、外層７が粉体の形態で内層６に接合され得る組合せも可能である。
【００３６】
図４は、弁座５を製造する方法を実施するさらに可能な手法を極めて概略的に示している。この場合、２つのレーザビーム又は電子ビーム９と９’が配置され、第１レーザビーム９は、内層６をシリンダヘッド１に接合するのを担い、第２レーザビーム９’は、外層７を内層６に接合するのを担う。内層６の溶融材料１０は、矢印Ａの方向において、レーザビーム９が数ｍｍ移動しただけで、すぐに凝固するので、第２レーザビーム９’は、比較的短い距離だけ離れて第１レーザビーム９を追跡することができ、その結果、弁座５を製造するプロセスは、全体として、弁座５が１層のみからなる場合よりもわずかに長い時間しか掛からない。このプロセスは、もし外層７が、粉体の形態で施されると、有利に実施され、その場合、内層６用の材料は、前述した手法によって、施され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】内燃機関のシリンダヘッド用の本発明による弁座の断面を示す図である。
【図２】本発明による方法を実施するための実施形態を示す図である。
【図３】本発明による方法を実施するためのさらに他の実施形態を示す図である。
【図４】本発明による方法のさらに他の実施形態を示す図である。
【図１】
2006516313.tif 000003
【図２】
2006516313.tif 000004
【図３】
2006516313.tif 000005
【図４】
2006516313.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成16年12月8日(2004.12.8)
【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】
内燃機関のシリンダヘッド用の弁座であって、前記シリンダヘッドの基材に融着される付加的材料を備え、上下に互いに重なる少なくとも２つの層（６、７）を備え、前記シリンダヘッド（１）に面する前記内層（６）は、銅又は銅合金を含み、前記シリンダヘッド（１）の前記基材に対して良好な接合特性を有する、弁座において、前記シリンダヘッド（１）から離れた前記外層（７）は、ニッケル、鉄、及び／又はコバルトをその主成分として含む合金を含むことを特徴とする弁座。
【請求項２】
前記内層（６）は、良好な熱伝導特性を有することを特徴とする請求項１に記載の弁座。
【請求項３】
前記内層（６）の前記銅合金は、アルミニウムを合金成分として含むことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の弁座。
【請求項４】
前記内層（６）の前記銅合金は、鉄を合金成分として含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の弁座。
【請求項５】
前記外層（７）の前記ニッケル、鉄及び／又はコバルト合金は、クロムを合金成分として含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の弁座。
【請求項６】
前記外層（７）の前記ニッケル、鉄及び／又はコバルト合金は、シリコンを合金成分として含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の弁座。
【請求項７】
前記外層（７）の前記ニッケル、鉄及び／又はコバルト合金は、モリブデンを合金成分として含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の弁座。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の内燃機関のシリンダヘッド用の弁座を製造する方法であって、付加的材料が、エネルギーの導入によって、前記シリンダヘッドの前記弁座が形成される箇所に融着され、前記内層が、前記シリンダヘッドの前記基材に融着された後に、前記外層が、エネルギーの導入によって、前記内層に融着される方法において、前記内層（６）は、固体リングの形態で前記シリンダヘッド（１）に配置され、前記外層（７）は、粉体形態で前記内層（６）に施されることを特徴とする方法。
【請求項９】
前記付加的材料は、レーザビーム（９、９’）によって、前記シリンダヘッド（１）に融着されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記付加的材料は、電子ビームによって、前記シリンダヘッド（１）に融着されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文により詳細に定義される種類の内燃機関のシリンダヘッド用の弁座に関する。さらに、本発明は、請求項８の前文により詳細に定義される種類の内燃機関のシリンダヘッド用の弁座を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、一般的な種類の弁座及びそれを製造する方法を開示している。この場合、粉体の形態にある銅材料がシリンダヘッドに施され、ＣＯ2レーザによる融着のあと、弁座を形成する上下に互いに重なる２つの層を形成する。銅材料は、この場合、略２５％のニッケルを含んでいてもよい。
【０００３】
特許文献２は、排気弁と、複数の個々の層を備える、層によって被覆されてもよい、その弁座を記載している。用いられる最外層は、各場合において、セラミック材料であり、弁又は弁座の内部の方向に、このセラミック成分の度合いは減少し、金属成分の度合いが増加する。
【０００４】
内燃機関のシリンダヘッドを被覆するための銅合金が、特許文献３に記載されている。この文献は、耐摩耗性弁座をもたらすと考えられる多数の異なる合金組成を記載している。
【０００５】
しかし、もし銅が弁座の材料として用いられる場合、特に、ディーゼル内燃機関の場合、ディーゼル燃料に含まれる硫黄が銅を侵食するという欠点が生じ、これによって、生成される排気ガス及び腐食に関連する問題が生じる。従って、弁座に対する銅の使用は、火花点火内燃機関に対してのみ適切であり、これは、この解決策が経済的に用いられ得ないことを意味している。
【０００６】
特許文献４は、さらに他の弁座及びそれを製造するための対応する方法を記載している。この場合、付加的材料、すなわち、アルミニウム−シリコン合金とニッケルの合金又は混合物は、レーザビームによって、シリンダヘッドの基材に融着される。
【０００７】
特許文献５は、ガス置換弁の弁座表面を補強する方法であって、好ましくはニッケル又はコバルト基超合金からなる強化用板材料が、バルブ板の一周する凹部内に導入される方法を開示している。
【０００８】
金属加工品の表面を、粉体又はワイヤの形態にある付加的材料によって被覆する方法が、特許文献６に記載されている。
【０００９】
この種のさらに他の方法が、特許文献７によって知られている。この場合、シリンダヘッドの基材は、実質的にアルミニウムを含み、鉄又はニッケル、又はこれら２つの金属の１つを含む合金が、弁座を形成するための付加的材料の主成分として用いられている。
【００１０】
この場合の１つの欠点は、鉄及びニッケルが、アルミニウムからなるシリンダヘッドよりも著しく高い融点を有する点にある。これによって、付加的材料が溶融を開始したばかりのときに、シリンダヘッドは、すでにレーザビームの作用によって、溶融の形態にあるという結果が生じ得る。さらに、アルミニウムはまだ溶融形態にある間に、以前に液状の鉄がすでに凝固しているという場合が生じ得る。これによって、鉄とアルミニウム材料間の界面領域に金属間相が形成され、極めて脆弱な微細組織が生じ得る。その結果、生成される弁座とシリンダヘッドの基材との間に均質な接合を達成するのが困難である。なお、これに関連して、これらの材料の異なる表面張力も大きな役割を果たす。
【００１１】
特許文献８は、アルミニウム合金からなるシリンダヘッドを記載している。このシリンダヘッドの弁座は、板上の銅合金層によって、形成されている。
【００１２】
特許文献９は、レーザ放射によって合金化される粉体状の付加的材料によるシリンダライナーの内部被膜のための方法を記載している。
【００１３】
特許文献１０は、軽金属物の、特に、強度及び／又は耐摩耗性を増大させる付加的材料を有する、内燃機関の軽金属ピストンの、表面処理のための方法を開示している。
【００１４】
さらに、内燃機関用の弁座及びそれらを製造する方法に関連する他の先行技術に関して、以下の文献、すなわち、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５、特許文献１６、特許文献１７、特許文献１８、特許文献１９、特許文献２０、特許文献２１、特許文献２２、特許文献２３、及び特許文献２４が引用される。
【特許文献１】米国特許第４，７２３，５１８号明細書
【特許文献２】米国特許第４，５３０，３２２号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第０  ９３９  １３９  Ａ２号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１９９  １２  ８８９  Ａ１号明細書
【特許文献５】独国特許発明第３５  １７  ０７７  Ｃ１号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１９９  １２  ８９４  Ａ１号明細書
【特許文献７】欧州特許第０  ０９２  ６８３  Ｂ１号明細書
【特許文献８】欧州特許第０  ２２８  ２８２  Ｂ１号明細書
【特許文献９】独国特許出願公開第１９６  ３９  ４８０  Ａ１号明細書
【特許文献１０】独国特許出願公開第２２  ００  ００３  Ａ１号明細書
【特許文献１１】米国特許第４，０５９，８７６号明細書
【特許文献１２】特開平５−２５６１９０号公報
【特許文献１３】特開平７−２８４９７０号公報
【特許文献１４】特開平８−４７７８７号公報
【特許文献１５】特開平８−２２４６８０号公報
【特許文献１６】特開平８−２２４６８１号公報
【特許文献１７】特開平８−２２４６８３号公報
【特許文献１８】特開平１０−１４１１３２号公報
【特許文献１９】特開平１０−１７６５１１号公報
【特許文献２０】欧州特許出願公開第０  ２０９  ３６６  Ａ１号明細書
【特許文献２１】特開平２−１９６１１７号公報
【特許文献２２】特開平４−１２３８８５号公報
【特許文献２３】特開平６−４２３２０号公報
【特許文献２４】特開平８−１７４２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
もし弁座が、付加的材料としてシリンダヘッドの基材に融着される場合、この付加的材料は、シリンダヘッドの基材に対する接合とガス置換弁によって導入される力を吸収する強度特性及び弁座の表面の磨耗を可能な限り小さくするのに必要な摩擦特性を確保しなければならないという課題が生じる傾向にある。これは、ある材料の使用に対してなされてきた極めて広い範囲の提案によって先行技術において反映されている、材料の選択に、極めて複雑な境界条件を与える。しかし、これまでに、実用として長い間にわたって用いられてきた弁座のリングを適切な場所に押込む方法と置き換わることができることを確信させるような解決策は、存在しない。
【００１６】
従って、本発明の目的は、シリンダヘッドの基材への良好な接合及び良好な強度と磨耗特性の両方を保証する、内燃機関のシリンダヘッド用の弁座及びそれを製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、この目的は、請求項１に挙げられる特徴によって、達成される。
【００１８】
本発明による上下に互いに重なる２つの層は、有利に、弁座が果たさねばならない非常に様々な役割が分割されることを可能にする。例えば、本発明によれば、シリンダヘッドに面する内層は、弁座をシリンダヘッドの基材に接合する役割を果たすことができ、シリンダヘッドから離れた外層は、それが弁座用の良好な強度と磨耗特性を有するように設計されるようにすることができる。
【００１９】
これは、有利に、シリンダヘッド用弁座の接合を改良し、これによって、弁座の全体がシリンダヘッドから分離されるのを防ぐ。にもかかわらず、外層の構成によって、比較的高い負荷が、比較的低摩耗率で、本発明による弁座に加えられるようにすることができる。このように達成された包括的な結果として、特に火花点火及びディーゼル内燃機関に与えられる異なる要求に関して、著しく広い範囲の材料を用いることができる。
【００２０】
銅又は銅合金を含む内層は、極めて良好に、シリンダヘッドのアルミニウム材料に接合される。これに関連して、外層は、内層の銅材料が硫黄含有燃料又は排ガス成分と化合し、排ガス水準に悪影響を与えるのを防ぐ。
【００２１】
さらに、本発明によれば、シリンダヘッドから離れた外層が、ニッケル、鉄、及び／又はコバルトを主成分として含む合金を含むようにして、設けられる。これらの材料は、特に硬質で、耐摩耗性があり、極めて高い強度を有することがわかっている。これらの材料のさらに他の利点は、内層に用いられ得る銅材料に対する良好な接合能力を有することにある。
【００２２】
もし本発明の有利な構成において、内層が良好な熱伝導特性を有していれば、弁座表面からシリンダヘッドへの熱の散逸が、有利に改良される。何故なら、溶融された冶金的な接合によって、弁座とシリンダヘッドとの間の空隙がなくされるからである。
【００２３】
方法に関する解決策は、請求項８の特徴によって、与えられる。
【００２４】
この連続的な方法は、本発明による少なくとも２つの層が、前述の弁座の有利な特性を維持しながら、プロセス工学の観点から特に簡単かつ確実に、シリンダヘッドの基材に接合されることを可能にする。
【００２５】
内層が、固体リングの形態で、シリンダヘッドに配置され、外層が、粉体の形態で、内層に施される結果、製造技術の観点から特に経済的な方法が得られる。
【００２６】
本発明のさらに他の有利な構成及び改良は、従属請求項から、及び図面を参照して以下に概説される例示的実施形態から、明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、全体は示されていない内燃機関のシリンダヘッド１の部分を示している。シリンダヘッド１は、それ自体が知られている方法で、ガス置換弁３によって開閉され得る吸気口２を有している。ガス置換弁３が開くと、燃料／空気混合気は、それ自体が知られている方法によって、吸気口２からシリンダヘッド１の下方に配置された燃焼室４内に入ることができる。さらに、シリンダヘッド１は、弁座５を有し、この弁座５に対して、ガス置換弁３が閉位置において着座し、このようにして、吸気口２を燃焼室４から分離する。
【００２８】
また、図１から分かるように、弁座５は、それぞれの付加的材料から形成される２つの層６と７、すなわち、シリンダヘッド１に面する下層又は内層６と、シリンダヘッド１から離れてガス置換バルブ３に面する上層又は外層７とを有している。内層６は、弁座５をシリンダヘッド１に接合するのに用いられ、従って、シリンダヘッド１の基材に対して良好な接合特性を有している。対照的に、外層７は、ガス置換弁３から弁座５に作用する力を吸収することができるために、良好な強度と磨耗特性を有している。
【００２９】
この場合、シリンダヘッド１は軽合金、特に、アルミニウムから成るので、銅又は銅合金が内層６に用いられる。何故なら、この材料は、アルミニウムに対して特に良好な親和性を有しているからである。この場合、特に、合金ＣｕＡｌ10、すなわち、１０重量％のアルミニウムを含む銅合金を用いるとき、内層６は、シリンダヘッド１の材料に固く結合される。さらに、鉄も、内層用の適切なさらに他の合金成分であることがわかっている。しかし、純銅を内層６に用いることもできる。
【００３０】
シリンダヘッド１の基材に対する良好な結合特性に加えて、内層６は、弁座５の表面からシリンダヘッド１への熱の放散を改良するために、良好な熱伝導特性も有する。これは、弁座５とシリンダヘッド１との間の空隙が、溶融された冶金的接合によって、なくされるからである。これに関連して、２０℃の銅の熱伝導性は、略３５０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋであり、２０℃のアルミニウムの熱伝導性は、略２００〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋであり、２０℃の内層６に用いられる合金の熱伝導性は、略２００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００３１】
外層７の必要とされる強度、磨耗、又は硬度特性を達成するために、ニッケル、鉄、及び／又はコバルト、又はこれらの材料の少なくとも１つを含む合金が、この外層に用いられると好ましい。この種の材料は、シリンダヘッド１のアルミニウムに接合されると、ある状況下において、クラックの生成をもたらし得る金属間相を形成する傾向にあるが、内層６の存在によって、外層７は、シリンダヘッド１に接合されず、その結果、この種の金属間相は生じない。
【００３２】
特に、クロム、シリコン、及びモリブデンは、外層７に用いられる材料のさらに他の合金成分として特に適していることがわかっている。外層７に用いられ得るいくつかの合金が、例として、以下に挙げられる。前述の３つの元素に加えて、他の元素を、さらに他の合金成分として、用いることができる。すなわち、Ｃｏ２５Ｃｒ１０Ｎｉ７Ｗ０．５Ｃ、Ｃｏ２８Ｍｏ８Ｃｒ２Ｓｉ、Ｃｏ２８Ｍｏ１７Ｃｒ３Ｓｉ、Ｎｉ１７Ｃｒ６Ａ１０．５Ｙ、Ｎｉ２２Ｃｒ１０Ａｌ１．０Ｙ、Ｎｉ２５Ｃｒ６Ａｌ０．４Ｙ、Ｎｉ３１Ｃｒ１１Ａｌ０．６Ｙ、Ｎｉ２３Ｃｏ２０Ｃｒ８．５Ａｌ４Ｔａ０．６Ｙ、Ｎｉ１５Ｃｒ４Ｓｉ３ＦｅＢ０．７５Ｃ、Ｎｉ２１．５Ｃｒ８．５Ｍｏ３Ｆｅ０．５Ｃｏ、Ｎｉ１９Ｃｒ１８Ｆｅ３Ｍｏ１Ｃｏ１Ｔｉ、又は、Ｎｉ８．５Ｃｒ７Ａｌ５Ｍｏ２Ｓｉ２Ｂ２Ｆｅ３ＴｉＯ２を用いることができる。勿論、この一覧が完全であることはなく、市販されている弁座リングに用いられている材料を用いることができる。材料の選択は、とりわけ、シリンダヘッド１が火花点火内燃機関に用いられるか又はディーゼル内燃機関に用いられるかにも依存する。
【００３３】
もし他の材料がシリンダヘッド１に用いられる場合、勿論、２つの層６と７を、内層６がシリンダヘッド１の基材に対して良好な接合特性を有し、外層７が良好な強度と磨耗特性を有することを確実とする他の材料から、構成することができる。
【００３４】
図２と図３は、前述した付加的材料をシリンダヘッド１に融着することによって、弁座５を製造するのに用いられる２つの異なるプロセスを示している。ただし、内層６をシリンダヘッド１に施す手順のみが示されている。
【００３５】
図２に示される実施形態において、シリンダヘッド１に向かって、内層６を形成するための付加的材料を放出するノズル８が、形成されるべき弁座５の領域に配置されている。付加的材料がシリンダヘッド１と接触するか又はそこに形成された溝内に入ると、同時に、その材料は、シリンダヘッド１に溶融材料１０を生成するために、レーザビーム９によって、シリンダヘッド１の基材の外層に融着される。溝の作成中、機械加工行程は、塗布プロセスと整合される。前述のレーザビーム９の代替形態として、電子ビーム（図示せず）又はエネルギーの印加又は導入によって付加的材料７から溶融材料１０を生成する適切な装置を、エネルギー源として用いることもできる。この場合、付加的な材料７は、粉体の形態で施されるが、帯片の形態で与えられてもよい。
【００３６】
連続的なプロセスを達成するために、ノズル８とレーザビーム９は、弁座５の輪郭に対応する円形経路に沿って、連続的に進められる。レーザビーム９が、矢印Ａに対応する前進方向において、溶融材料１０から離れて移動すると、溶融材料は凝固し、内層６を形成する。これは、単一段階プロセスとして知られているプロセスである。
【００３７】
図３は、弁座５を製造する代替的プロセスを示している。このプロセスでは、付加的材料は、ペースト、ワイヤ、焼結体、又は粉体予成形体の形態で、好ましくは、リングの形状で、シリンダヘッド１の溝に配置されるか又はシリンダヘッド１上に配置され、次いで、レーザビーム９又は電子ビームによって、溶融材料１０を形成するように融着される。この場合も、弁座５の内層６は、レーザビーム９を矢印Ａの方向に取り外した後、溶融材料１０から形成される。このプロセスは、２段階プロセスとして知られている。
【００３８】
外層７は、上記の両方の方法と極めて類似した方法で、施され得る。但し、勿論、外層７は、シリンダヘッド１ではなく、内層６に融着される。これらの２つのプロセスの組合せ、例えば、内層６がシリンダヘッド１にリングの形態で配置され、次いで、外層７が粉体の形態で内層６に接合され得る組合せも可能である。
【００３９】
図４は、弁座５を製造する方法を実施するさらに可能な手法を極めて概略的に示している。この場合、２つのレーザビーム又は電子ビーム９と９'が配置され、第１レーザビーム９は、内層６をシリンダヘッド１に接合するのを担い、第２レーザビーム９'は、外層７を内層６に接合するのを担う。内層６の溶融材料１０は、矢印Ａの方向において、レーザビーム９が数ｍｍ移動しただけで、すぐに凝固するので、第２レーザビーム９'は、比較的短い距離だけ離れて第１レーザビーム９を追跡することができ、その結果、弁座５を製造するプロセスは、全体として、弁座５が１層のみからなる場合よりもわずかに長い時間しか掛からない。このプロセスは、もし外層７が、粉体の形態で施されると、有利に実施され、その場合、内層６用の材料は、前述した手法によって、施され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】内燃機関のシリンダヘッド用の本発明による弁座の断面を示す図である。
【図２】本発明による方法を実施するための実施形態を示す図である。
【図３】本発明による方法を実施するためのさらに他の実施形態を示す図である。
【図４】本発明による方法のさらに他の実施形態を示す図である。
【国際調査報告】
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