(57)【要約】【課題】  高温時の耐クリープ性及び疲労強度の向上を図りつつ、更なる信頼性及び生産性の向上を可能としたチタン合金製のエンジンバルブを提供する。【解決手段】  軸部２と、この軸部２の一端に設けられた傘部３とがチタン合金により一体に形成されてなるエンジンバルブ１であって、傘部３から軸部２の中途部まで針状組織を主体に形成され、この中途部から軸部２の他端まで等軸組織を主体に形成されると共に、軸部２を摺動可能に案内するバルブガイドの摺動範囲内に針状組織と等軸組織との境界部Ｂを設けた。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部と、この軸部の一端に設けられた傘部とがチタン合金により一体に形成されてなるエンジンバルブであって、
前記傘部から前記軸部の中途部まで針状組織を主体に形成され、この中途部から前記軸部の他端まで等軸組織を主体に形成されると共に、
前記軸部を摺動可能に案内するバルブガイドの摺動範囲内に前記針状組織と前記等軸組織との境界部を設けたことを特徴とするエンジンバルブ。
【請求項２】
前記針状組織は、前記等軸組織を主体とするチタン合金をβ変態点を超えない温度で熱間鍛造して前記軸部の一端に前記傘部を形成した後に、前記傘部から前記軸部の中途部までをβ変態点を超える温度で高周波加熱することによって形成されることを特徴とする請求項１に記載のエンジンバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用エンジンなどの内燃機関に使用されるチタン合金製のエンジンバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、エンジンの性能を向上させる目的から、エンジンの高速回転化が図られている。エンジンの許容回転数を高める上で最も障害となるのは、動弁系の慣性質量の増加である。すなわち、動弁系の慣性質量の増加は、エンジンが高速で回転するほど、エンジンバルブのカムに対する追従性を低下させるため、エンジン出力の低下等を招くことになる。したがって、エンジンの高速回転化を図るためには、動弁系の慣性質量の低減が重要である。特に、動弁系を構成する部品の中で大きな質量を占める吸気バルブや排気バルブといったエンジンバルブの軽量化は、エンジンの高速回転化に極めて効果が大きい。
【０００３】
そこで、最近では、エンジンバルブの軽量化を図るため、従来の耐熱鋼に代えて、軽量且つ強度の高いチタン合金によりエンジンバルブを形成することが行われている。例えば、下記特許文献１には、軸部と傘部とが一体に形成されたチタン合金製のエンジンバルブを熱間鍛造により製造する技術が開示されている。具体的に、特許文献１では、等軸α組織からなる軸部の一端に、β変態点を超える温度で拡径部を形成した後に、この拡径部を直ちに熱間鍛造することで、軸部の一端に針状α組織からなる傘部を形成する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−２３４３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した特許文献１に記載される製造方法では、軸状部材の一端を電気鍛縮装置により据込み（アップセット）鍛造することで、針状組織化された拡径部を形成し、その直後に拡径部の鍛造を行っている。このため、アップセット時に拡径部に皺が生じやすく、この拡径部を鍛造する際にも、成形される傘部に皺や割れ、巻き込み等の鍛造欠陥が生じやすくなるといった課題があった。
【０００５】
また、この製造方法により作製されたエンジンバルブでは、その形状から応力が集中しやすい軸部と傘部との境目（首部）に、上述した針状組織と等軸組織との境界部が形成されるため、この首部における強度低下といった課題も生じてしまう。この応力が集中しやすい首部の強度を確保するためには、首部の径を拡大するなどの対策が必要となるが、エンジンバルブの重量増加を招くことになる。
【０００６】
さらに、このエンジンバルブの製造方法では、針状組織と等軸組織との境界部の位置精度も高くないため、作製されるエンジンバルブの部品強度のばらつきが大きくなるといった課題もある。
【０００７】
そこで、本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、高温時の耐クリープ性及び疲労強度の向上を図りつつ、更なる信頼性及び生産性の向上を可能としたチタン合金製のエンジンバルブ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】
【０００８】
上記課題の解決手段として、請求項１に記載の発明は、軸部と、この軸部の一端に設けられた傘部とがチタン合金により一体に形成されてなるエンジンバルブであって、傘部から軸部の中途部まで針状組織を主体に形成され、この中途部から軸部の他端まで等軸組織を主体に形成されると共に、軸部を摺動可能に案内するバルブガイドの摺動範囲内に針状組織と等軸組織との境界部を設けたことを特徴とするエンジンバルブである。
【０００９】
この構成によれば、軸部のバルブガイドと摺動する摺動範囲内に針状組織と等軸組織との境界部を設けることで、この境界部に応力が集中することを防ぎ、信頼性の向上を図ることができる。
また、軸部を等軸組織を主体に形成し、傘部を針状組織を主体に形成することで、エンジンバルブに要求される高温時の耐クリープ性及び疲労強度の更なる向上を図ることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、針状組織が、等軸組織を主体とするチタン合金をβ変態点を超えない温度で熱間鍛造して、軸部の一端に傘部を形成した後に、傘部から軸部の中途部までをβ変態点を超える温度で高周波加熱することによって形成されることを特徴とする請求項１に記載のエンジンバルブである。
【００１１】
この構成によれば、傘部を針状組織化する前に、等軸組織を主体とするチタン合金を鍛造して軸部の一端に傘部を形成するため、エンジンバルブの加工成形が容易なものとなる。
また、傘部から軸部の中途部までを高周波加熱することにより、針状組織と等軸組織との境界部を所望の位置に容易に設定することができるため、作製されるエンジンバルブの部品強度のばらつきを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明によれば、高温時の耐クリープ性及び疲労強度の向上を図りつつ、更なる信頼性及び生産性の向上を可能とした軽量且つ安価なチタン合金製のエンジンバルブを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を適用したエンジンバルブについて、図面を参照して詳細に説明する。
先ず、例えば図１に示すエンジン（内燃機関）の動弁系を構成するシリンダヘッド５０について説明する。
シリンダヘッド５０には、シリンダブロック（図示せず。）の燃焼室に通じる吸気ポート５１及び排気ポート５２が設けられている。そして、吸気ポート５１からは、燃料と空気との混合ガスが燃焼室内に吸入され、一方、排気ポート５２からは、燃焼室内の燃焼した排気ガスが排出される。また、シリンダヘッド５０の吸気ポート５１と排気ポート５２との間には、燃焼室内に臨む点火プラグ５３が取り付けられている。
【００１４】
シリンダヘッド５０には、これら吸気ポート５１及び排気ポート５２の燃焼室側の開口を開閉する吸気バルブ５４及び排気バルブ５５が取り付けられている。本発明を適用したエンジンバルブは、これら吸気バルブ５４と排気バルブ５５との一方又は両方に好適に用いられるものである。したがって、以下の説明では、これら吸気バルブ５４及び排気バルブ５５をまとめて図２に示すエンジンバルブ１として扱うものとする。
【００１５】
エンジンバルブ１は、図２に示すように、軸部（バルブステム）２と、この軸部２の一端に設けられた傘部３とを備えている。また、軸部２の他端（バルブエンド）側には、環状のコッタ溝４が設けられている。
【００１６】
このようなエンジンバルブ１からなる吸気バルブ５４及び排気バルブ５５は、図１に示すように、シリンダヘッド５０に圧入されたバルブガイド５６の孔部５６ａに軸部２が挿入されることによって、上下方向（バルブ５４，５５が開閉する方向）に摺動可能となっている。また、吸気ポート５１及び排気ポート５２の燃焼室側の開口には、それぞれ吸気バルブ５４及び排気バルブ５５の傘部３が当接されるバルブシート５７が取り付けられている。一方、エンジンバルブ１の傘部３には、このバルブシート５７に気密に接するようフェース部３ａが設けられている。
【００１７】
シリンダヘッド５０には、吸気バルブ５４及び排気バルブ５５を上方（バルブ５４，５５が閉じる方向）に付勢するバルブスプリング５８が設けられている。このバルブスプリング５８は、シリンダヘッド５０側の座面５９と、吸気バルブ５４及び排気バルブ５５の軸部２の上端部に取り付けられたバルブリテーナ６０との間で圧縮した状態で配置されている。バルブリテーナ６０は、コッタ溝４に嵌め込まれたコッタ６１によって軸部２の上端部から外れないよう固定されている。
【００１８】
吸気バルブ５４及び排気バルブ５５の上端部には、それぞれバルブリフタ６２が取り付けられている。さらに、このバルブリフタ６２の上方には、吸気側及び排気側のカムシャフト（図示せず。）が回転可能に設けられている。これら吸気側及び排気側のカムシャフトは、それぞれ吸気側及び排気側のバルブリフタ６２に当接されるカムを有しており、回転するカムの動きに追従してバルブリフタ６２をバルブスプリング５８の付勢に抗して押し下げる。これにより、吸気バルブ５１及び排気バルブ５２は、所定のタイミングで吸気ポート５１及び排気ポート５２の燃焼室側の開口を開閉することになる。
【００１９】
ところで、本発明を適用したエンジンバルブ１は、軸部２と傘部３とがチタン合金により一体に形成されてなるものである。
チタン合金としては、α＋β型や、ニアα型、α型のチタン合金として、例えばTi-6Al-2Sn-4Zr-1Nb-1Mo-0.2Siや、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-72SiCNなどを用いることができ、本発明が適用可能なチタン合金であれば、これらに特に限定されるものではない。また、チタン合金の耐摩耗性や曲げ強度等を高めるために、例えばＴｉＢ（硼化チタン）等の硬質粒子をチタン合金に分散させたものなどを用いることもできる。
【００２０】
また、チタン合金の耐摩耗性の向上を図るために、酸素を含む雰囲気中でエンジンバルブ１を熱処理（但し、β変態点以下）し、このエンジンバルブ１の表面を酸化拡散(ＯＤ:oxygen diffused)処理することができる。その他にも、エンジンバルブ１の表面には、例えば窒化処理や、プラズマ浸炭法等による浸炭処理を施すことができ、さらに、ＣｒＮやＴｉＮ等を含むイオンプレーティング法によるめっき処理などを施すことができる。
【００２１】
本発明を適用したエンジンバルブ１は、図１及び図２に示すように、傘部３から軸部２の中途部まで、図３に示すような針状組織を主体に形成され、この中途部から軸部２の他端まで、図４に示すような等軸組織を主体に形成されると共に、軸部２を摺動可能に案内するバルブガイド５６の摺動範囲Ｔ内に針状組織と等軸組織との境界部Ｂを設けたことを特徴としている。
【００２２】
具体的に、エンジンバルブ１の軸部２には、バルブガイド５６と摺動される領域Ｓとして、閉弁時にバルブガイド５６の摺動範囲Ｔに位置する領域Ｓclと、開弁時にバルブガイド５６の摺動範囲Ｔに位置する領域Ｓopとがある。バルブガイド５６の摺動範囲Ｔは、このバルブガイド５６の孔部５６ａが形成された領域であり、上述した針状組織と等軸組織との境界部Ｂは、少なくとも閉弁時にバルブガイド５６の摺動範囲Ｔに位置する領域Ｓclに設けることが好ましい。
【００２３】
これにより、エンジンバルブ１は、針状組織と等軸組織との境界部Ｓに応力が集中することを防ぐことができる。すなわち、このエンジンバルブ１の形状から応力が集中しやすい軸部２と傘部３との境目（首部）Ｎに、上述した針状組織と等軸組織との境界部Ｓが位置することを避けることによって、応力が集中する首部Ｎでのエンジンバルブ１の強度低下を防止することができる。
【００２４】
さらに、針状組織と等軸組織との境界部Ｂは、閉弁時にバルブガイド５６の摺動範囲Ｔに位置する領域Ｓclと、開弁時にバルブガイド５６の摺動範囲Ｔに位置する領域Ｓopとが重なる領域Ｓ’に設けることが好ましい。
【００２５】
この場合、針状組織と等軸組織との境界部Ｂは、バルブ開閉時にバルブガイド５６の摺動範囲Ｔ内に常に位置することになる。また、この場合には、針状組織と等軸組織との境界部Ｓに剪断応力が加わることがないため、エンジンバルブ１の更なる信頼性及び耐久性の向上を図ることができる。
【００２６】
また、本発明を適用したエンジンバルブ１では、軸部２を等軸組織とし、傘部３を針状組織とすることで、このエンジンバルブ１に要求される高温時の耐クリープ性及び疲労強度を向上させることができる。
一般に、チタン合金の材料特性には、強い組織依存性があり、針状組織にすると耐クリープ性が向上する。一方、等軸組織にすれば、鍛造性及び疲労強度が向上することになる。したがって、軸部２を等軸組織とし、傘部３を針状組織とすることで、エンジンバルブ１に要求される高温時の耐クリープ性及び疲労強度を両立することができる。特に、排気バルブ５５において問題となる高温（７００℃以上）での傘部３における耐クリープ特性を良好なものとすることができる。
【００２７】
なお、本発明では、上述した針状組織と等軸組織との境界部Ｂを、開弁時のみバルブガイド５６の摺動範囲Ｔに位置する領域（Ｓop−Ｓ’の領域）に設けることも考えられる。しかしながら、この場合、エンジンバルブ１の軸部２において、針状組織となる領域が多くなり、この針状組織よりもバルブガイド５６との摺動抵抗が小さい等軸組織となる領域が逆に少なくなるため、エンジンバルブ１の摺動性の低下を招くことになる。
【００２８】
このことから、上述した境界部Ｂを設けるのに好ましいとされる領域Ｓ’においても、この境界部Ｂを領域Ｓ’内の傘部３側に設けることによって、軸部２のバルブガイド５６と摺動される領域Ｓ内における等軸組織の割合を増やし、エンジンバルブ１の摺動性をより良好なものとすることができる。なお、この境界部Ｂは、軸部２のバルブガイド５６と摺動される領域Ｓを全て等軸組織とし、エンジンバルブ１の摺動性を更に良好なものとするならば、首部Ｎよりも上の領域、すなわち領域Ｓの傘部３側の端部と応力が集中する首部Ｎとの間の領域に設けることもできる。
【００２９】
次に、本発明を適用したエンジンバルブ１の製造方法について説明する。
本発明を適用したエンジンバルブ１の製造方法は、等軸組織からなるチタン合金をβ変態点を超えない温度で熱間鍛造し、軸部２の一端に傘部３を形成した後に、傘部２から軸部３の中途部までをβ変態点を超える温度で高周波加熱し、この加熱部分を針状組織化させることを特徴とする。
【００３０】
この方法によれば、傘部３を針状組織化する前に、針状組織からなるチタン合金を鍛造して軸部２の一端に傘部３を形成することから、エンジンバルブ１の加工成形が容易なものとなる。
また、傘部３から軸部２の中途部までを高周波加熱することにより、針状組織と等軸組織との境界部Ｓを所望の位置に容易に設定することができる。
これにより、作製されるエンジンバルブ１の部品強度のばらつきを抑えることができ、生産性の向上を図ることができる。
【００３１】
以上のように、本発明によれば、高温時の耐クリープ性及び疲労強度の向上を図りつつ、更なる信頼性及び生産性の向上を可能とした軽量且つ安価なチタン合金製のエンジンバルブ１を得ることができる。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例により本発明の効果を明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
本実施例では、図５に示すような棒材形成工程Ｓ１と、鍛造工程Ｓ２と、熱処理工程Ｓ３と、加工工程Ｓ４と、酸化処理工程Ｓ５とを経ることによって本発明のエンジンバルブを作製した。
このうち、棒材形成工程Ｓ１では、チタン合金からなる棒材を所定の長さに切断して、最終的にエンジンバルブとなる棒材を形成した。チタン合金には、Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Siを使用した。これは、等軸組織を有するα＋β型のチタン合金である。
鍛造工程Ｓ２では、棒材の一端をβ変態点(１０４５℃)よりも低い温度で熱間鋳造し、軸部となる棒材の一端に傘部を形成した後に、歪取り焼鈍を行った。
熱処理工程Ｓ３では、傘部から軸部の中途部までをβ変態点(１０４５℃)を超える温度で高周波誘導加熱することによって、この加熱部分を針状組織化させた。
加工工程Ｓ４では、切削、研削加工により軸部及び傘部を最終形状に仕上げた。
酸化処理工程Ｓ５では、大気雰囲気中で熱処理し、表面を酸素拡散（ＯＤ）処理した。
【００３３】
以上のように作製されたエンジンバルブの等軸組織なす軸部と、針状組織をなす傘部との機械的特性を測定した測定結果を図６に示す。
なお、図６中に示す各グラフのうち、（ａ）は、破断伸びを示し、（ｂ）は、衝撃値を示すし、（ｃ）は、酸素拡散処理前の高温疲労強度を示し、（ｄ）は、酸素拡散処理後の高温疲労強度を示す。
図６に示す測定結果から、破断伸び及び衝撃値は、等軸組織なす軸部の方が針状組織をなす傘部よりも大きいことがわかる。また、高温疲労強度は、酸素拡散処理を行うことによって、針状組織をなす傘部ではさほど変化しないものの、等軸組織なす軸部が針状組織をなす傘部に対して相対的に低くなることがわかる。
【００３４】
本実施例のエンジンバルブでは、軸部のバルブガイドと摺動する摺動範囲Ｔ内に針状組織と等軸組織との境界部を設けることによって、この境界部に応力が集中することを防ぎ、信頼性の向上を図ることができる。
また、高周波加熱による傘部の針状組織化を行う前に、等軸組織からなるチタン合金を熱間鍛造して軸部の一端に傘部を形成することから、エンジンバルブの加工成形が容易なものとなる。さらに、針状組織と等軸組織との境界部の設定も容易なことから、生産性を向上させることができる。
また、軸部を等軸組織とし、傘部を針状組織とすることで、エンジンバルブに要求される高温時の耐クリープ性及び疲労強度の更なる向上を図ることができる。特に、傘部における耐クリープ性の向上により、この傘部の変形限界を大幅に高めることができる。また、軸部のステムエンド側におけるコッタやシム等に対する耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、シリンダヘッドを示す断面図である。
【図２】図２は、エンジンバルブを示す平面図である。
【図３】図３は、チタン合金の針状組織を示す顕微鏡写真である。
【図４】図４は、チタン合金の等軸組織を示す顕微鏡写真である。
【図５】図５は、実施例におけるエンジンバルブの製造工程を示す工程図である。
【図６】図６は、実施例におけるエンジンバルブの等軸組織と針状組織との機械的特性を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…エンジンバルブ
２…軸部
３…傘部
５４…吸気バルブ
５５…排気バルブ
５６…バルブガイド
【図１】
2007092535.tif 000003
【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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