(57)【要約】【課題】エンジンバルブにつき、信頼性を確保しつつ比較的低コストで軽量化を図ること。【解決手段】エンジンバルブ１は、芯材１１が軽量材料よりなり、芯材１１を覆う外皮材１２が軽量材料以外の他の材料より構成される。軽量材料は低融点の材料特性を有し、他の材料は高融点の材料特性を有する。軽量材料として、アルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料が使用され、他の材料として耐熱鋼が使用される。エンジンバルブ１を製造するために、先ず、軽量材料を他の材料で包み込んで２層ビレットを成形し、次に、２層ビレットを冷間鍛造により押出成形することで原形を成形する。次に、原形に冷間鍛造により傘部３を成形し、次に、外皮材１２に熱処理を施し、熱処理後の外皮材１２及び芯材１１に機械加工を施し、機械加工後の外皮材１２に表面処理を施すことで完成品を得る。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯材が軽量材料よりなり、前記芯材を覆う外皮材が前記軽量材料以外の他の材料よりなるエンジンバルブであって、
前記軽量材料は低融点の材料特性を有し、前記他の材料は高融点の材料特性を有することを特徴とするエンジンバルブ。
【請求項２】
前記軽量材料はアルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料であり、前記他の材料は耐熱鋼であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンバルブ。
【請求項３】
芯材が低融点の材料特性を有する軽量材料よりなり、前記芯材を覆う外皮材が高融点の材料特性を有する前記軽量材料以外の他の材料よりなるエンジンバルブの製造方法であって、
前記軽量材料を前記他の材料により包み込んで２層ビレットを成形する第１の工程と、
前記２層ビレットを冷間鍛造により押出成形することで、前記軽量材料を前記芯材とし前記他の材料を前記外皮材とする原形を成形する第２の工程と、
前記原形に冷間鍛造により傘部を成形する第３の工程と、
前記傘部成形後の前記外皮材に熱処理を施す第４の工程と、
前記熱処理後の前記外皮材及び前記芯材に機械加工を施す第５の工程と、
前記機械加工後の前記外皮材に表面処理を施す第６の工程と
を備えたことを特徴するエンジンバルブの製造方法。
【請求項４】
前記熱処理は低温焼鈍であることを特徴とする請求項３に記載のエンジンバルブの製造方法。
【請求項５】
前記軽量材料はアルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料であり、前記他の材料は耐熱鋼であることを特徴とする請求項３又は４に記載のエンジンバルブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エンジンの吸気バルブ又は排気バルブとして使用されるエンジンバルブ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のエンジンバルブとして、例えば、下記の特許文献１乃至３に記載された技術が知られている。その中で、例えば、特許文献１に記載の軽量エンジンバルブは、内部に軽量芯材が装填され、熱間鍛造により成形されるエンジンバルブが記載されている。このエンジンバルブは、少なくとも傘部分が単一の素材から成形される。ここでは、素材として、耐熱鋼又はチタン合金が使用される。軽量芯材は、素材に比べて軽量でかつ熱膨張係数が小さい物質であること、熱間鍛造において溶融せず流動変形しやすい物質であることが必要である。そこで、軽量芯材として、例えば、高融点でかつ低比重の材料特性を有するチタン合金（素材がチタン合金である場合を除く）、黒鉛、炭素、鋳物砂あるいはセラミックス粉末等を使うことが考えられる。
【０００３】
【特許文献１】特公平６−５６０８８号公報
【特許文献２】特開２００１−１７２７５１号公報
【特許文献３】特開０９−１８９２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載の軽量エンジンバルブでは、軽量芯材として、高融点でかつ低比重の材料特性を有するチタン合金、黒鉛、炭素、鋳物砂あるいはセラミックス粉末等が使用されるので、コスト高になる懸念があった。ここで、軽量芯材として、比較的安価なアルミニウムやマグネシウム等を使用することが考えられる。しかし、アルミニウムやマグネシウム等は、低融点でかつ低比重の材料特性を有することから、熱間鍛造によって溶融してしまう懸念があった。このため、軽量芯材として低融点でかつ低比重の材料を使用することで、エンジンバルブの軽量化は達成できるものの、熱間鍛造により軽量芯材が溶融したのでは、エンジンバルブとして必要な信頼性を確保できないという問題があった。
【０００５】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、比較的低コストで軽量化を図ることを可能としたエンジンバルブを提供することにある。この発明の第２の目的は、必要な信頼性を確保しつつ比較的低コストで軽量化を図ることを可能としたエンジンバルブの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記第１の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、芯材が軽量材料よりなり、芯材を覆う外皮材が軽量材料以外の他の材料よりなるエンジンバルブであって、軽量材料は低融点の材料特性を有し、他の材料は高融点の材料特性を有することを趣旨とする。
【０００７】
上記発明の構成によれば、芯材に軽量材料が使用されるので全体の軽量化が可能となる。ここで、軽量材料が低融点の材料特性を有するので、軽量材料として比較的安価な材料を選択可能となる。
【０００８】
上記第１の目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、軽量材料はアルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料であり、他の材料は耐熱鋼であることを趣旨とする。
【０００９】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、軽量材料としてアルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料が使用されるので、低コストとなる。また、芯材を覆う外皮材が耐熱鋼より形成されるので、耐熱性及び耐久性が得られる。
【００１０】
上記第２の目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、芯材が低融点の材料特性を有する軽量材料よりなり、芯材を覆う外皮材が高融点の材料特性を有する軽量材料以外の他の材料よりなるエンジンバルブの製造方法であって、軽量材料を他の材料により包み込んで２層ビレットを成形する第１の工程と、２層ビレットを冷間鍛造により押出成形することで、軽量材料を芯材とし他の材料を外皮材とする原形を成形する第２の工程と、原形に冷間鍛造により傘部を成形する第３の工程と、傘部成形後の外皮材に熱処理を施す第４の工程と、熱処理後の外皮材及び芯材に機械加工を施す第５の工程と、機械加工後の外皮材に表面処理を施す第６の工程とを備えたことを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、芯材に軽量材料が使用されるので全体の軽量化が可能となる。
ここで、軽量材料が低融点の材料特性を有するので、軽量材料として比較的安価な材料を選択することが可能となる。また、軽量材料を他の材料で包み込んだ２層ビレットが冷間鍛造により押出成形されるので、芯材に高温加熱による溶融のおそれがない。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、熱処理は低温焼鈍であることを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成によれば、請求項３に記載の発明の作用に加え、熱処理が低温焼鈍であることから、ここでも芯材に高温加熱による溶融のおそれがない。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の発明において、軽量材料はアルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料であり、他の材料は耐熱鋼であることを趣旨とする。
【００１５】
上記発明の構成によれば、請求項３又は４に記載の発明の作用に加え、軽量材料としてアルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料が使用されるので、低コストとなる。また、芯材を覆う外皮材が耐熱鋼より形成されるので、耐熱性及び耐久性が得られる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、芯材を低融点の軽量材料としたことで、エンジンバルブにつき比較的低コストで軽量化を図ることができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、外皮材を耐熱鋼としたことで、エンジンバルブとしての必要な信頼性を確保することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、芯材を低融点の軽量材料として冷間鍛造により成形するので、エンジンバルブにつき必要な信頼性を確保しながら比較的低コストで軽量化を図ることができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果に加え、高温の熱処理が行われない分だけエンジンバルブとしての信頼性を確保することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、芯材をアルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料に、外皮材を耐熱鋼にそれぞれ特定することにより、請求項３又は４に記載の発明と同等の効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明のエンジンバルブ及びその製造方法を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１に、この実施形態のエンジンバルブ１を正面図により示す。このエンジンバルブ１は、エンジンの吸気バルブ又は排気バルブとして使用される。エンジンバルブ１は、軸部２、傘部３、溝部４及び軸端部５を備える。
【００２３】
図２に、エンジンバルブ１を断面図により示す。エンジンバルブ１は、芯材１１とその芯材１１を包む外皮材１２とから構成される。軽量化を図るために、芯材１１は軽量材料より構成され、外皮材１２は軽量材料以外の他の材料より構成される。この実施形態で、芯材１１を構成する軽量材料として、アルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料が使用される。この材料は、従来技術で芯材として使用されるチタンを主成分とする材料に比べて低融点でかつ低比重の材料特性を有する。また、外皮材１２を構成する他の材料として、耐熱鋼（ＳＵＨ３）が使用される。この材料は、高融点でかつ高比重の材料特性を有する。
【００２４】
図３に、上記した各種材料の融点と比重を表に比較して示す。耐熱鋼は、「１４７０℃」という高融点で、かつ「７．６」という高比重の材料特性を有する。アルミニウムは、「５９５℃」という低融点で、かつ「２．７」という低比重の材料特性を有する。マグネシウムは、「６１５℃」という低融点で、かつ「１．８」という低比重の材料特性を有する。これに対し、参考のチタンは、「１８２０℃」という高融点で、かつ「４．５」という耐熱鋼に比べて低比重の材料特性を有する。従って、この実施形態では、アルミニウムとマグネシウムの融点及び比重を基準に、低融点の範囲を「常温〜６５０℃」程度とし、低比重の範囲を「１〜３」程度としている。この実施形態では、芯材１１となる軽量材料として、融点及び比重につき、上記範囲内の特性を有する材料を選択することができる。
【００２５】
次に、上記したエンジンバルブ１の製造方法について説明する。図４（ａ）〜（ｄ）に、一連の製造工程を概念図により示す。
【００２６】
先ず、第１の工程では、図４（ａ）に示すように、芯材１１となる軽量材料２１を、外皮材１２となる他の材料２２により包み込んで棒状の２層ビレット２３を成形する。この実施形態では、軽量材料２１からなるコイル材（線材）を、所定長さの棒材に切断しておく。また、他の材料２２からなるコイル材を、所定長さに切断して有底筒材に加工する。そして、他の材料２２からなる筒材内部に軽量材料２１からなる棒材を嵌め入れることにより図４（ａ）に示す２層ビレット２３を成形する。ここで、筒材の外周部厚みＴ２に対する底部厚みＴ１の比を「１〜３」の範囲の値、好ましくは「２」に設定する。この実施形態では、上記の比を「１」に設定している。また、２層ビレット２３の外径Ｄ１に対する筒材の外周部厚みＴ２の割合を「１／８〜１／４」の範囲の値、好ましくは「１／６」に設定する。
【００２７】
次に、第２の工程では、図４（ａ）に示す棒状の２層ビレット２３を常温による冷間鍛造により押出成形することで、図４（ｂ）に示すように、軽量材料２１を芯材１１とし他の材料２２を外皮材１２とする原形を成形する。この押出成形は、２層ビレット２３を、複数の工程を経て軸押出し、傘据え込みを行うことで鍛造する。この実施形態では、４つの工程を経て段階的に原形を成形する。これにより、２層ビレット２３の全長を引き延ばして軸部原形２４を成形し、その軸部原形２４の一端に傘部原形２５を成形する。この傘部原形２５は、軸径に近い棒材から複数の工程を経ることで鍛造する。この原形全体の長さＬ２は、２層ビレット２３の長さＬ１の約２倍となる。軸部原形２４の外径Ｄ２は、２層ビレット２３の外径Ｄ１の約半分となる。軸部原形２４の外皮材１２の厚みＴ３は、２層ビレット２３の外周部厚みＴ２の約半分となる。また、傘部原形２５の外皮材１２の底部厚みＴ４は、２層ビレット２３の底部厚みＴ１とほぼ同じとなる。
【００２８】
次に、第３の工程では、図４（ｂ）に示す原形に冷間鍛造により、図４（ｃ）に示す傘部３を成形する。すなわち、図４（ｂ）に示す傘部原形２５を冷間鍛造によりプレス成形することで、図４（ｃ）に示す傘部３を成形する。この工程の冷間鍛造は、常温で行うことも可能であるが、必要に応じて「３００℃」程度まで加熱して行うことも考えられる。
【００２９】
次に、第４の工程では、鍛造時に発生した残留応力を除去するために、傘部３を成形した後の外皮材１２の全体に熱処理を施す。この実施形態では、熱処理として、低温焼鈍を行う。具体的には、ＬＮＧ連続炉を使用して一次焼鈍を行う。併せて２次焼鈍を行う場合もある。この低温焼鈍は「４００℃」程度で行われる。
【００３０】
次に、第５の工程では、各部の寸法合わせなどをするために、低温焼鈍後の外皮材１２及び芯材１１に機械加工を施す。これにより、図４（ｄ）に示すように、軸部原形２４を軸部２とし、その軸部２の一端部に溝部４と軸端部５を形成する。具体的には、機械加工として、軸粗研、傘削り、溝研、端面研磨、フェース研又は軸精研を行う。
【００３１】
その後、第６の工程では、各部の耐摩耗性を向上させるために、機械加工後の外皮材１２に表面処理を施す。具体的には、窒化処理（タフトイド又はガス軟窒化）、Ｃｒメッキなどを行う。これにより、芯材１１と外皮材１２とからなるエンジンバルブ１の完成品が得られる。
【００３２】
以上説明したこの実施形態のエンジンバルブ１によれば、芯材１１に軽量材料２１が使用されるので、軽量材料２１にした分だけエンジンバルブ１が軽量化される。ここで、軽量材料２１が低融点の材料特性を有するので、軽量材料２１として比較的安価な材料を選択可能である。この実施形態では、軽量材料２１として、アルミニウム又はマグネシウムを主成分とする材料を選択しているので、材料費が比較的安価となる。この結果、エンジンバルブ１につき、比較的低コストで軽量化を図ることができる。
【００３３】
また、この実施形態では、芯材１１を覆う外皮材１２が耐熱鋼より形成されるので、耐熱性及び耐久性が得られる。このため、エンジンバルブ１としての必要な信頼性を確保することができる。
【００３４】
更に、この実施形態の製造方法によれば、軽量材料２１を他の材料２２で包み込んだ２層ビレット２３が冷間鍛造により押出成形されるので、芯材１１に低融点の軽量材料を使用しているにもかかわらず、芯材１１に加熱による溶融のおそれがない。このため、溶融により、芯材１１に空隙ができたり、芯材１１が密度不均一になったりすることがなく、エンジンバルブ１としての必要な信頼性を確保することができる。つまり、この実施形態の製造方法によれば、低融点でかつ低比重の軽量材料２１を芯材１１として冷間鍛造により成形するので、エンジンバルブ１につき、必要な信頼性を確保しながら比較的低コストで軽量化を図ることができる。
【００３５】
また、この製造方法における熱処理が低温焼鈍であることから、芯材１１に高温加熱による溶融のおそれがない。この意味でも、エンジンバルブ１としての必要な信頼性を確保することができる。
【００３６】
尚、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】エンジンバルブを示す正面図。
【図２】エンジンバルブを示す断面図。
【図３】各種材料の融点と比重を比較して示す表。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、一連の製造工程を示す概念図。
【符号の説明】
【００３８】
１    エンジンバルブ
３    傘部
１１    芯材
１２    外皮材
２１    軽量材料
２２    他の材料
２３    ２層ビレット
２４    軸部原形
２５    傘部原形
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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