(57)【要約】【課題】  肉盛層の下部のＣｕリッチ相とアルミニウム合金との界面近傍に脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が形成されず、肉盛層の上部にＦｅリッチ相が偏析し、耐摩耗性が十分なバルブシートとする。【解決手段】  内燃機関用シリンダヘッドにおける吸気ポートおよび排気ポートの開口端に、Ｆｅ、Ｃｕおよび二相分離合金元素を含んで構成される混合粉末を供給し、半導体レーザを用いて、混合粉末に対してレーザ光を照射することで、該混合粉末を溶融させる。そして、溶融させた混合粉末を凝固させることで銅基合金粉末のレーザ肉盛を行い、バルブシート１６を形成する。このとき、混合粉末におけるＦｅ、Ｃｕおよび二相分離合金元素の質量比を、Ｆｅが１５〜８５質量％、二相分離合金元素が、例えばＣ：０．０２〜２．０質量％、Ｃｒ：４〜３０質量％等のうちの１種類もしくは２種類以上の組み合わせ、Ｃｕが残部とする。【選択図】        図３
2007064009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金を基材として構成され、吸気ポート（３）および排気ポート（４）が形成されていると共に、これら吸気ポート（３）と排気ポート（４）における燃料室（２）側の開口端に吸気バルブ（５）および排気バルブ（６）が当接されるバルブシート（１６）が形成されている内燃機関用シリンダヘッドであって、
前記バルブシート（１６）は、Ｆｅ、Ｃｕおよび二相分離合金元素を含む銅基合金粉末の肉盛層によって構成され、該肉盛層の上部に球状のＦｅリッチ相（１６ａ）が形成されていると共に、該肉盛層の下部および前記Ｆｅリッチ相（１６ａ）を囲むようにＣｕリッチ相（１６ｂ）が単レーザプロセスで形成された傾斜機能肉盛層となっていることを特徴とする内燃機関用シリンダヘッド。
【請求項２】
前記Ｆｅ、Ｃｕおよび二相分離合金元素の質量比は、前記Ｆｅが１５〜８５質量％、前記二相分離合金元素がＣ：０．０２〜２．０質量％、Ｃｒ：４〜３０質量％、Ｍｏ：２〜２０質量％、Ｎｂ：２〜２０質量％、Ｖ：４〜２０質量％、Ｗ：２〜２０質量％、Ｓｉ：４〜２０質量％、Ｂ：０．２〜１０質量％、Ｓ：０．２〜１０質量％、Ｔａ：２〜２０質量％、Ｂｉ：１〜２０質量％、Ａｇ：２〜２０質量％、Ｓｎ：２〜２０質量％のうちの１種類もしくは２種以上の組み合わせ、前記Ｃｕが残部となっていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用シリンダヘッド。
【請求項３】
前記二相分離合金元素はＣｒであり、該Ｃｒ＋Ｆｅの質量比が５５質量％以下となっていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用シリンダヘッド。
【請求項４】
アルミニウム合金を基材として構成され、吸気ポート（３）および排気ポート（４）が形成されていると共に、これら吸気ポート（３）と排気ポート（４）における燃料室（２）側の開口端に吸気バルブ（５）および排気バルブ（６）が当接されるバルブシート（１６）が形成されている内燃機関用シリンダヘッド（１）への前記バルブシート（１６）の肉盛方法であって、
前記内燃機関用シリンダヘッド（１）における前記吸気ポート（３）および前記排気ポート（４）の開口端に、Ｆｅ、Ｃｕおよび二相分離合金元素を含む肉盛用混合粉末を供給する工程と、
半導体レーザ（２０）を用いて、前記混合粉末を供給しながらレーザ光を照射することによって、該混合粉末を溶融させる工程と、
前記溶融させた混合粉末を凝固させることにより銅基合金粉末の肉盛を行い、前記バルブシート（１６）を形成する工程と、を含み、
前記混合粉末の質量比を、前記Ｆｅ基が１５〜８５質量％、前記二相分離合金元素がＣ：０．０２〜２．０質量％、Ｃｒ：４〜３０質量％、Ｍｏ：２〜２０質量％、Ｎｂ：２〜２０質量％、Ｖ：４〜２０質量％、Ｗ：２〜２０質量％、Ｓｉ：４〜２０質量％、Ｂ：０．２〜１０質量％、Ｓ：０．２〜１０質量％、Ｔａ：２〜２０質量％、Ｂｉ：１〜２０質量％、Ａｇ：２〜２０質量％、Ｓｎ：２〜２０質量％のうちの１種類もしくは２種以上の組み合わせ、Ｃｕが残部とすることを特徴とする内燃機関用シリンダヘッドへのバルブシートの肉盛方法。
【請求項５】
前記二相分離合金元素としてＣｒを用い、該Ｃｒ＋Ｆｅの質量比を５５重量％以下とすることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用シリンダヘッドへのバルブシートの肉盛方法。
【請求項６】
前記Ｃｒを９質量％以下の質量比とし、前記Ｆｅ基を４５質量％以下の質量比とすることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関用シリンダヘッドへのバルブシートの肉盛方法。
【請求項７】
前記レーザ出力（Ｐ）を１ｋＷ、該溶接速度（Ｖ）を１５ｍｍ／ｓとすることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用シリンダヘッドへのバルブシートの肉盛方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の吸気バルブや排気バルブが着座した際に混合気や燃焼ガスのシールを行うバルブシートが備えられるシリンダヘッド、シリンダヘッドへのバルブシートの肉盛方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関のシリンダヘッドには、軽量化及び成形性の点からアルミニウム合金が用いられている。しかしながら、内燃機関の稼動中、シリンダヘッドに備えられるバルブシートには、吸気バルブや排気バルブが繰り返し着座することになるし、燃焼室内での混合気の爆発によって発生する熱に晒されることになる。このため、アルミニウム合金に耐久性がある他の金属を肉盛することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
具体的には、耐熱性、耐摩耗性及び耐食性に優れた銅合金を用いて、レーザクラッド法により、クラッドシート層からなるバルブシートをシリンダヘッドに肉盛により形成している。このクラッドシート層を有するバルブシートは、シリンダヘッドの基材（アルミニウム合金）に対して溶着し、あるいは母材との間で合金化しているので、バルブシートからシリンダヘッドへの熱伝導が良好となる。そのため、バルブシートやバルブの熱負荷を軽減して耐久性能を向上させることが可能となる。
【特許文献１】特開平２−１９６１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようなクラッドシート層を形成するに当たり、例えば、ＦｅおよびＣｕ合金元素を含む肉盛材料を用いることができる。このような合金を用いる場合、Ｆｅリッチ相が肉盛層の下部、Ｃｕリッチ相が肉盛層の上部になると、Ｆｅリッチ相とアルミニウム合金の界面近傍で脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物によって、この界面近傍で割れが発生する可能性がある。また、肉盛層の上部がＣｕリッチ相の場合、Ｆｅリッチ相と比べて耐摩耗性に劣ってしまう。これらを解決するには、Ｃｕ合金層を予めアルミニウム合金表面に形成したのち、Ｃｕ合金層の表面にＦｅ合金層を形成するという手法を採ることができる。ところが、このような手法によると、Ｃｕ合金層およびＦｅ合金層を別々のプロセスで形成しなければならず、製品の製造工程の増加を招くことになり、引いては製造コストの増加の要因となる。
【０００５】
このため、上記のようなクラッドシート層を形成するために、銅基合金を構成する各種合金元素の混合粉末からなるクラッド材料を用い、このクラッド材料に対してレーザ照射を行うことで肉盛を行うレーザクラッディングを実施することが有効である。つまり、銅基合金を構成する各種合金元素の混合粉末からなるクラッド材料をレーザ照射により溶融させ、溶融した銅基合金粉末でバルブシートの肉盛を行うのである。
【０００６】
しかしながら、このような銅基合金を構成する各種合金元素の混合粉末からなるクラッド材料を用いたレーザ照射による肉盛を行うと、下記の問題が発生することが確認された。図５は、例えば、銅基合金粉末として、ＦｅおよびＣｕを所定割合で混合した粉末を用いて、レーザクラッディングを行った場合の肉盛部分の断面図である。
【０００７】
図５に示されるように、ＦｅおよびＣｕを混合した粉末を用いてレーザクラッディングを行った場合、粉末が溶融したときにＦｅリッチ相Ｊ１が肉盛層Ｊ３の下部に偏析し、Ｃｕリッチ相Ｊ２が肉盛層Ｊ３の上部に偏析してしまい、結局、Ｆｅリッチ相Ｊ１とアルミニウム合金Ｊ４の界面近傍に脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物Ｊ５が形成されるという問題や、耐摩耗性が悪くなるという問題が生じることが確認された。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、Ｃｕリッチ相とアルミニウム合金の界面近傍で脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が形成されず、耐摩耗性が十分なバルブシートが備えられるシリンダヘッドおよびシリンダヘッドへのバルブシートの肉盛方法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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明者らは、ＦｅおよびＣｕ合金元素などの混合粉末を用いたレーザクラッディングについて、鋭意検討を行った。その結果、ＦｅおよびＣｕの混合率により、混合粉末を溶融してマランゴニ効果によって液相としたときの組織が異なったものとなるために、上記のような現象が発生するという結論に至った。
【００１０】
具体的には、本発明者らは、混合粉末を溶融して液相としたときの組織を調べるという実験を行った。ただし、二相分離構造を実現するためには、二相分離を促進させる合金元素（二相分離合金元素）を添加することが重要である。この二相分離合金元素は、Ｆｅ合金相（Ｆｅリッチ相）を形成し、Ｆｅリッチ相を肉盛層の上部に導かれ易くする。このため、ＦｅおよびＣｕなどの合金元素の混合粉末に二相分離合金元素、例えばＣｒやＣを添加して本実験を行った。
【００１１】
図６（ａ）〜（ｃ）は、そのときの様子を模式的に示した図である。図６（ａ）に示される例では、中心部にＦｅリッチ相Ｊ１が形成され、Ｆｅリッチ相Ｊ１を囲むように外周部がＣｕリッチ相Ｊ２となっている。図６（ｂ）に示される例では、図６（ａ）とは逆に、中心部がＣｕリッチ相Ｊ２が形成され、Ｃｕリッチ相Ｊ２を囲むように外周部がＦｅリッチ相Ｊ１となっている。図６（ｃ）に示される例では、Ｃｕリッチ相Ｊ２を中心としてＦｅリッチ相Ｊ１が配置され、さらにＦｅリッチ相Ｊ１を囲むようにＣｕリッチ相Ｊ２が配置された三重構造粉末粒子となっている。
【００１２】
これらの例で示した各構造は、上述したように、ＦｅおよびＣｕの混合率によって決まってくる。そして、Ｆｅリッチ相Ｊ１が肉盛層の上部に偏析し、Ｃｕリッチ相Ｊ２が肉盛層の下部に偏析する二相分離構造を実現するためには、図６（ａ）に示す組織、つまり中心部にＦｅリッチ相Ｊ１が形成され、Ｆｅリッチ相Ｊ１を囲むように外周部がＣｕリッチ相Ｊ２となるように、ＦｅおよびＣｕの混合率を選択する必要がある。
【００１３】
これについて調べたところ、Ｆｅ、Ｃｕおよび二相分離合金元素の混合粉末における各合金元素の質量比が以下のようになっていれば図６（ａ）に示す構造となることが判った。
【００１４】
（１）Ｆｅ：１５〜８５質量％、（２）二相分離合金元素Ｃ：０．０２〜２．０質量％、Ｃｒ：４〜３０質量％、Ｍｏ：２〜２０質量％、Ｎｂ：２〜２０質量％、Ｖ：４〜２０質量％、Ｗ：２〜２０質量％、Ｓｉ：４〜２０質量％、Ｂ：０．２〜１０質量％、Ｓ：０．２〜１０質量％、Ｔａ：２〜２０質量％、Ｂｉ：１〜２０質量％、Ａｇ：２〜２０質量％、Ｓｎ：２〜２０質量％（ただし、二相分離合金元素は、ここに示した複数の材料のうちの１種類もしくは２種類以上の組み合わせ）（３）Ｃｕ：残部。
【００１５】
ただし、Ｃｕの質量の割合が多過ぎると、ブローホール（気孔）が増加する傾向が見られる。また、Ｃｕの質量の割合を多くしてＦｅの質量の割合を少なくすれば、混合粉末を溶融したときにＦｅリッチ相Ｊ１が肉盛層の上部に凝集し易すくなるが、Ｆｅリッチ相Ｊ１を囲むＣｕリッチ相Ｊ２の量が多くなるために、耐摩耗性を考慮すると、あまり好ましくない。
【００１６】
逆に、Ｆｅの質量の割合を多くしてＣｕの質量の割合を少なくすれば、耐磨耗性を向上させられるものの、Ｆｅの質量の割合が多過ぎると、肉盛層の下部に偏析したＦｅリッチ相とアルミニウム合金の界面近傍に脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物Ｊ５が形成される可能性が高くなる。
【００１７】
また、二相分離合金元素に関しても、混合粉末中にその含有量が多過ぎるのは好ましくないと考えられる。例えば、Ｃｒの含有量が多過ぎると、高温における脆化が懸念され、Ｃの含有量が多過ぎると、オースナイト組織による高温割れが発生する。
【００１８】
そこで、本発明者らは、以下の図７の図表に示したように、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃで構成される混合粉末の各合金元素の混合質量比を変えた試料を用いて、Ｃｕリッチ相Ｊ２を肉盛層の下部に偏析でき、Ｆｅリッチ相Ｊ１を肉盛層の上部に偏析できる条件を調べた。
【００１９】
ただし、母材となるアルミニウム合金が多く溶融されると、脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物Ｊ５が形成され易くなることから、ビードを形成できる最低入熱条件でのレーザクラッディングを行っており、試料（１）〜（３）についてはレーザ出力Ｐを１ｋＷ、溶接速度Ｖを１５ｍｍ／ｓ、母材への入熱量（Ｐ／Ｖ）を約６．６７ｋｊ／ｃｍとし、試料（４）〜（８）についてはレーザ出力Ｐを１．５ｋＷ、溶接速度Ｖを２０ｍｍ／ｓ、母材への入熱量（Ｐ／Ｖ）を７．５ｋｊ／ｃｍとしている。
【００２０】
なお、ここで用いた試料は単なる一例を挙げたものに過ぎず、Ｆｅ、Ｃｕ、二相分離合金元素が上述した質量比であれば、二相分離構造を得ることが可能である。
【００２１】
上記図表から判るように、Ｃｒが９質量％の場合にはＦｅが３０〜４５質量％の範囲のとき、Ｃｒが１８質量％の場合には、Ｆｅが３０〜３５質量％の範囲のときに、それぞれ、Ｆｅリッチ相Ｊ１が肉盛層の上部に偏析するようにできた。
【００２２】
また、ここではＣｒが９質量％の場合と１８質量％の場合とに関して調べたが、これらの結果から、Ｃｒの質量％が多いほど脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物Ｊ５が形成される可能性が高くなることが判る。したがって、その可能性を低くするためには、Ｃｒの質量％を低くした方が良く、１８質量％よりも９質量％の方が良いし、９質量％以下にすれば更にＦｅ質量％が多くなったとしても、界面近傍で脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が形成される可能性が低くなると言える。
【００２３】
さらに、上記各試料について、銅合金とアルミニウム合金との界面近傍での欠陥率（界面欠陥率）についても調べた。その結果を図８に示す。
【００２４】
図８（ａ）は、Ｃｒを９質量％としたときの界面欠陥率、図８（ｂ）は、Ｃｒを１８質量％としたときの界面欠陥率を示したものである。なお、界面近傍欠陥には、割れと穴があるが、割れ率と穴率を加算したものを総合的な界面欠陥率として表してある。
【００２５】
この図に示されるように、Ｃｒを９質量％とした試料中、試料（３）は、界面近傍に脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物Ｊ５が形成されていないものの中で最もＦｅの質量％が多く、界面欠陥率が低いという結果が得られた。これに対して、試料（４）は、界面近傍に脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の影響で界面欠陥率が高くなっていることが判る。このため、試料（３）に示されるＦｅとＣｒの質量％の合計が５５質量％であることから、この値以下であれば、界面欠陥率の低い二相分離構造を得ることが可能になると言える。
【００２６】
また、この図に示されるように、Ｃｒが９質量％の場合の方が１８質量％の場合と比べて、界面欠陥率が低くなっている。この結果からも、Ｃｒが９質量％の場合の方が１８質量％の場合よりも好ましいと言える。
【００２７】
続いて、このように形成された二相分離構造の肉盛層の耐磨耗性を検証すべく、ボールオンプレート方式により、二相分離構造を構成できる試料（Ｃｕ−３５Ｆｅ−１８Ｃｒ−０．４とＦｅ−３０Ｃｒ−０．７Ｃ−４０Ｃｕ）と、Ａｌ合金そのもの（Ａ５０４２）、ＳＵＳ材（ＳＵＳ３０４）および実用されているＣｕ基合金粉末（Ｃｕ−７．８Ｆｅ−１９．６Ｎｉ−２．７Ｓｉ−１．３Ｂ）の肉盛層について耐摩耗性およびビッカース硬さを調べた。その結果を図９に示す。
【００２８】
この結果のように、上記のような２層分離構造を構成した場合に、実用されているＣｕ基合金粉末の肉盛層と比べると、ビッカース硬さが低いが、だいたい同程度の比磨耗量を得ることができた。比磨耗量が小さいほど耐磨耗性が良くなる。また、二相分離構造（傾斜機能）を有する肉盛層の硬さが低いが、硬いＦｅリッチ相｛（Ｆｅ、Ｃｒ合金相｝の肉盛層の上部に偏析することによって、実用されているＣｕ基合金粉末と同等程度の耐磨耗性を得ることが可能であると言える。
【００２９】
以上に基づき、請求項１に記載の発明では、アルミニウム合金を基材として構成され、吸気ポート（３）および排気ポート（４）が形成されていると共に、これら吸気ポート（３）と排気ポート（４）における燃料室（２）側の開口端に吸気バルブ（５）および排気バルブ（６）が当接されるバルブシート（１６）が形成されてなる内燃機関用シリンダヘッドであって、バルブシート（１６）は、Ｆｅ、Ｃｕおよび二相分離合金元素を含む銅基合金粉末の肉盛によって構成され、該肉盛層の上部に球状のＦｅリッチ相（１６ａ）が形成されていると共に、該肉盛層の下部およびＦｅリッチ相（１６ａ）を囲むようにＣｕリッチ相（１６ｂ）が形成された構造となっていることを特徴としている。
【００３０】
このように、Ｆｅ、Ｃｕおよび二相分離合金元素を含む混合粉末を用いて二相分離構造を形成した場合、肉盛層の上部に球状のＦｅリッチ相（１６ａ）が形成され、肉盛層の下部およびＦｅリッチ相（１６ａ）を囲むようにＣｕリッチ相（１６ｂ）が形成された構造となる。このような構造によれば、肉盛層の上部のＦｅリッチ相（１６ａ）によって良い耐磨耗性を得ることが可能になると共に、肉盛層の下部のＣｕリッチ相（１６ａ）によってアルミニウム合金との接合を行うことが可能となる。このため、耐摩耗性もあり、かつ、銅合金とアルミニウム合金との界面近傍に脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が抑制できる良好な接合となるバルブシートが形成された内燃機関用シリンダヘッドとすることができる。
【００３１】
例えば、請求項２に示されるように、Ｆｅ、Ｃｕおよび二相分離合金元素の質量比は、Ｆｅが１５〜８５質量％、二相分離合金元素がＣ：０．０２〜２．０質量％、Ｃｒ：４〜３０質量％、Ｍｏ：２〜２０質量％、Ｎｂ：２〜２０質量％、Ｖ：４〜２０質量％、Ｗ：２〜２０質量％、Ｓｉ：４〜２０質量％、Ｂ：０．２〜１０質量％、Ｓ：０．２〜１０質量％、Ｔａ：２〜２０質量％、Ｂｉ：１〜２０質量％、Ａｇ：２〜２０質量％、Ｓｎ：２〜２０質量％のうちの１種類もしくは２種類以上の組み合わせ、Ｃｕが残部とすることができる。
【００３２】
この場合、請求項３に示すように、二相分離合金元素がＣｒで、Ｃｒ＋Ｆｅの質量比が５５質量％以下となるようにすれば、Ｆｅの質量比を他の場合と比べて多くできるため、より耐摩耗性を得ることができる。
【００３３】
請求項４ないし７に記載の発明は、上記請求項１ないし３に記載の発明の製造方法に関するものである。
【００３４】
請求項４に記載の発明では、内燃機関用シリンダヘッド（１）における吸気ポート（３）および排気ポート（４）の開口端に、Ｆｅ、Ｃｕおよび二相分離合金元素を含む混合粉末を供給する工程と、半導体レーザ（２０）を用いて、混合粉末に対してレーザ光を照射することによって、該混合粉末を溶融させる工程と、溶融させた混合粉末を凝固させることにより銅基合金粉末のレーザ肉盛を行い、バルブシート（１６）を形成する工程と、を含み、混合粉末の質量比を請求項２に示したものとすることを特徴としている。
【００３５】
このように、請求項２に示した質量比の混合粉末に対して半導体レーザにより、混合粉末が溶融して液相になったときに、液相から固相に変化するまでの凝固中に、Ｆｅリッチ相（１６ａ）が温度勾配と逆方向、つまり中心部に凝集しようとする力（凝集力）を受け、引き寄せられる。これにより、Ｆｅリッチ相（１６ａ）が上部に偏析し、Ｃｕリッチ相（１６ｂ）が下部に偏析する肉盛層が形成され、請求項１に記載のバルブシート（１６）を構成することが可能となる。
【００３６】
請求項７に記載の発明では、レーザ出力（Ｐ）を１ｋＷ、溶接速度（Ｖ）を１５ｍｍ／ｓとすることを特徴としている。
【００３７】
これにより、基材となるアルミニウム合金が多く溶融されないようにできる。このため、界面近傍に脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が形成されることを抑制できる。
【００３８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。図１に、本発明の一実施形態が適用されたバルブシートが設けられた多気筒（４気筒）内燃機関におけるシリンダヘッド１の断面図を示す。また、図２に、図１に示すシリンダヘッド１における矢印Ａ方向から見たときの部分拡大図を示す。以下、これらの図を参照してバルブシートが備えられたシリンダヘッド１の構成について説明する。
【００４０】
シリンダヘッド１は、アルミニウム合金で構成されており、シリンダヘッド１の下部には、気筒数に応じた数の燃焼室２が形成されている。このシリンダヘッド１には、１気筒毎に、吸気ポート３と排気ポート４とがそれぞれ２つずつ形成されている。
【００４１】
吸気ポート３は、シリンダヘッド１の一側面（図１の右側面）から燃焼室２に向かって延設され、燃焼室２に連通した構成となっている。この吸気ポート３は、シリンダヘッド１に取付けられた吸気バルブ５によって開閉される。
【００４２】
排気ポート４は、シリンダヘッド１の他側面（図１の左側面）から燃焼室２に向かって延設され、燃焼室２に連通した構成となっている。この排気ポート４は、シリンダヘッド１に取付けられた排気バルブ６によって開閉される。
【００４３】
シリンダヘッド１の上方には、吸気側カムシャフト７及び排気側カムシャフト８がそれぞれ設けられている。これら吸気側カムシャフト７及び排気側カムシャフト８は、それぞれ、図１の紙面垂直方向を長手方向として延設され、回転可能に構成されている。両カムシャフト７、８にはそれぞれ偏心回転を行うカム７ａ、８ａが一体に形成されている。シリンダヘッド１におけるカム７ａ、８ａの直下にはガイド孔９が貫設され、ここにバルブリフタ１１が摺動可能に挿入されている。
【００４４】
バルブリフタ１１の上面にはアジャスティングシム１２が嵌合され、その上面に前記カム７ａ、８ａが当接している。
【００４５】
また、シリンダヘッド１には、吸気バルブ５及び排気バルブ６がそれぞれ摺動可能に挿入され、それらのバルブステム５ａ、６ａの上端は前記バルブリフタ１１の下面に当接している。バルブステム５ａ、６ａの上端部にはコッタ１３を介してリテーナ１４が外嵌されている。
【００４６】
リテーナ１４の下面とシリンダヘッド１の内底面１ａとの間には、コイル状バルブスプリング１５が圧縮状態で介装されている。バルブスプリング１５は常に吸気バルブ５及び排気バルブ６を上方へ付勢している。この付勢方向は、吸気ポート３及び排気ポート４を閉じる方向である。一方、バルブステム５ａ、６ａの上端は前記バルブリフタ１１の下面に当接している。そのため、両カムシャフト７、８が回転し、カム７ａ、８ａがバルブスプリング１５の付勢力に抗しバルブリフタ１１を周期的に押し下げると、同バルブリフタ１１が吸気バルブ５および排気バルブ６を下方へ押圧して開閉動作させる。
【００４７】
そして、吸気バルブ５の下動により吸気ポート３が開放されると、吸気及び燃料よりなる混合気が矢印で示すように、同吸気ポート３を通って燃焼室２に導かれる。この混合気は燃焼室２内で爆発・燃焼されて燃焼ガスとなる。この燃焼ガスは、排気バルブ６が下動して排気ポート４が開放されたとき、同排気ポート４から外部へ排出される。
【００４８】
シリンダヘッド１において、吸気ポート３の燃焼室側開口端及び排気ポート４の燃焼室側開口端にはバルブシート１６が設けられている。これらのバルブシート１６は、吸気バルブ５が吸気ポート３を閉塞したときや、排気バルブ６が排気ポート４を閉塞したときのシール性を確保するためのものである。それ以外にもバルブシート１６は、吸気バルブ５および排気バルブ６の熱や燃焼室２の壁面の熱を冷却液としての冷却水に逃がす機能を有している。このバルブシート１６は、図２に示されるように、吸気バルブ５や排気バルブ６の外縁部全周と接するように、吸気ポート３および排気ポート４の端部の外周全周に形成されている。
【００４９】
図３は、バルブシート１６の一部を吸気バルブ５若しくは排気バルブ６の長手方向に沿って切断した場合の断面図である。
【００５０】
図３に示すように、バルブシート１６は、銅基合金粉末の肉盛層の高さを１．５ｍｍ程度としている。バルブシート１６を構成する銅基合金粉末は、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃを含んだ構成となっており、例えば、Ｃｕ３０Ｆｅ９Ｃｒ０．２Ｃの組成比となっている。このバルブシート１６は、Ｆｅリッチ相１６ａとＣｕリッチ相１６ｂのニ相が分離された構造（ニ相分離構造）で構成されている。具体的には、肉盛層の上部は主にＦｅリッチ相１６ａ、肉盛層の下部は主にＣｕリッチ相１６ｂで構成され、Ｆｅリッチ相１６ａが球状になってＣｕリッチ相１６ｂに囲まれた状態となっている。
【００５１】
このような構造のバルブシート１６では、肉盛層の上部に偏析するＦｅリッチ相１６ａによって耐磨耗性を確保することができる。また、肉盛層の下部に偏析するＣｕリッチ相１６ｂがバルブシート１６とシリンダヘッド１を構成するアルミニウム合金との界面に形成された構造となるため、脆硬なＡｌ−Ｆｅ金属間化合物が形成された場合と比べ、この界面でバルブシート１６に割れが発生し難い構造となる。
【００５２】
次に、上記のように構成されるシリンダヘッド１におけるバルブシート１６の製造方法、つまりシリンダヘッド１への肉盛方法について説明する。図４に、肉盛装置を用いてシリンダヘッド１への肉盛を行っているレイアウトを示し、この図を参照して説明する。
【００５３】
図４に示されるように、肉盛装置は、半導体レーザ２０、回転テーブル２１、シールドガス供給器２２、混合粉末供給装置２３および制御装置２４を備えて構成されている。このような半導体レーザ２０を用いた肉盛装置を使用する。
【００５４】
まず、混合粉末供給装置２３では、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃを所定の質量比で混ぜ合わせた混合粉末を形成する。具体的には、各粉末を混合器２３ａにて混合することで混合粉末を形成している。このとき、混合粉末を構成する各合金元素の質量比に関して、Ｃｒを９質量％として、Ｆｅを３０〜４５質量％、Ｃを０．２〜０．４質量％とし、残部をＣｕとしている。
【００５５】
そして、粉末供給ノズル２３ｂを通じて、バルブシート１６として肉盛を行いたい部位、つまり吸気ポート３および排気ポート４のうちの燃焼室２側の開口端に生成した混合粉末を供給する。例えば、直径２ｍｍの供給ノズル２３ｂを吸気ポート３および排気ポート４のうちの燃焼室２側の開口端に対して４５度傾斜させ、５ｍｍ程度開口端から離した状態で混合粉末を供給する。
【００５６】
また、制御部からの電源供給に基づいて半導体レーザ２０からレンズ２０ａを通じてレーザ光が出射させ、そのレーザ光をシリンダヘッド１における肉盛を行いたい場所に照射すると共に、シールドガス供給器２２からレーザ照射領域にシールドガスを供給する。これにより、肉盛金属がシールドガスより大気中から保護され、ポロシティおよび酸化の防止ができる。
【００５７】
この肉盛の際に、混合粉末を構成する合金元素の組成比が上記のようになっているため、液相から固相に変化するまでの凝固中に、Ｆｅリッチ相１６ａが温度勾配と逆方向、つまり中心部に凝集しようとする力（凝集力）を受け、引き寄せられる。この凝集力の詳細は明確ではないが、マランゴニ効果による液体の移動現象に起因するものと考えられ、これにより、図３に示すようにＦｅリッチ相１６ａが上部に析出し、Ｃｕリッチ相１６ｂが下部に析出する肉盛層が形成される。
【００５８】
そして、制御部にて回転テーブル２１を回転させることにより、吸気ポート３および排気ポート４のうちの燃焼室２側の端部、つまりバルブシート１６を形成する部分の中心線を軸としてシリンダヘッド１を回転させ、各場所のレーザ光の照射時間を調整する。
【００５９】
これにより、低歪み、低応力および低希釈率の高品質な肉盛層が得られ、バルブシート１６が形成される。このとき、例えば半導体レーザ２０の出力Ｐを１．５ｋＷとし、回転テーブル２１を回転させることによる半導体レーザ２０の相対的な溶接周速度Ｖが２０ｍｍ／ｓというビードを形成する最低入熱条件でのレーザクラッディングが行われるようにすれば、母材となるアルミニウム合金が多く溶融されないようにできる。このため、界面近傍に脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が形成されることを抑制できる。
【００６０】
このように、図４に示した肉盛装置を用いてバルブシート１６を形成すると、その断面構造が図３に示したものとなり、肉盛層の上部がＦｅリッチ相１６ａ、下部がＣｕリッチ相１６ｂとなる二相分離構造となり、界面近傍に脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が形成されない構造となる。
【００６１】
これにより、Ｆｅ、Ｃｕ二元合金に二相分離合金元素を含有させた混合粉末を用いて、肉盛層の界面近傍に脆硬なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が形成されず、耐摩耗性が十分なバルブシートとすることができる。
【００６２】
（他の実施形態）
上記実施形態では、Ｆｅ、Ｃｕ二元元素に二相分離合金元素を含有させた混合粉末の一例を挙げたが、下記の（１）〜（３）の組成のもので構成されていれば良い。
【００６３】
（１）Ｆｅ：１５〜８５質量％、（２）二相分離合金元素Ｃ：０．０２〜２．０質量％、Ｃｒ：４〜３０質量％、Ｍｏ：２〜２０質量％、Ｎｂ：２〜２０質量％、Ｖ：４〜２０質量％、Ｗ：２〜２０質量％、Ｓｉ：４〜２０質量％、Ｂ：０．２〜１０質量％、Ｓ：０．２〜１０質量％、Ｔａ：２〜２０質量％、Ｂｉ：１〜２０質量％、Ａｇ：２〜２０質量％、Ｓｎ：２〜２０質量％（ただし、二相分離合金元素は、ここに示した複数のうちの１種類もしくは２種類以上の組み合わせ）（３）Ｃｕ：残部。
【００６４】
特に、ＦｅとＣｒの質量％の合計が５５質量％以下となるようにすると、界面欠陥率の低い二相分離構造を得ることが可能になると言える。
【００６５】
また、上記実施形態では、二相分離合金元素としてＣｒ、Ｃを混合粉末に含有させたが、ＣａＦ2のようなフラックスを添加することも可能である。上記のように、アルミニウム合金で構成される基材上にバルブシート１６を肉盛するとき、水素による気孔が発生し易いが、このようにフラックスを添加すると、下記の化学反応により、肉盛金属中の水素を除去することができ、気孔の発生を抑制することができる。
【００６６】
（化１）
ＣａＦ2＋２Ｈ+＋Ｏ-＝ＣａＯ＋２ＨＦ↑
なお、上記実施形態では、銅基合金粉末として、Ｃｕに対して主にＦｅを含有させたものを挙げたが、主にＣｒを含有させたものやＣｏを含有させたものに対しても同様の課題が発生し得る。このため、これらの銅合金を用いる場合にも、本発明を適用することが可能である。
【００６７】
例えば、Ｃｕ基合金粉末に対して主にＣｒを含有させた銅合金を用いる場合、Ｃｒ、Ｃｕに二相分離合金元素を含有させた混合粉末として、下記の（１）〜（３）の組成のもので構成されていれば良い。
【００６８】
（１）Ｃｒ：１５〜８５質量％、（２）二相分離合金元素Ｃ：０．０２〜２．０質量％、Ｆｅ：４〜２０質量％、Ｍｏ：２〜２０質量％、Ｎｂ：２〜２０質量％、Ｖ：４〜２０質量％、Ｗ：２〜２０質量％、Ｓｉ：４〜２０質量％、Ｂ：０．２〜１０質量％、Ｓ：０．２〜１０質量％、Ｔａ：２〜２０質量％、Ａｇ：２〜２０質量％、Ｓｎ：２〜２０質量％、Ｃｏ：２〜２０質量％（ただし、二相分離合金元素は、ここに示した複数のうちの１種類もしくは２種類以上の組み合わせ）（３）Ｃｕ：残部。
【００６９】
また、Ｃｕ基合金粉末に対して主にＣｏを含有させた場合、Ｃｏ、Ｃｕに二相分離合金元素を含有させた混合粉末として、下記の（１）〜（３）の組成のもので構成されていれば良い。
【００７０】
（１）Ｃｏ：１５〜８５質量％、（２）二相分離合金元素Ｃ：０．０２〜２．０質量％、Ｆｅ：４〜２０質量％、Ｍｏ：２〜２０質量％、Ｎｂ：２〜２０質量％、Ｖ：４〜２０質量％、Ｗ：２〜２０質量％、Ｓｉ：４〜２０質量％、Ｂ：０．２〜１０質量％、Ｓ：０．２〜１０質量％、Ｔａ：２〜２０質量％、Ａｇ：２〜２０質量％、Ｓｎ：２〜２０質量％、Ｃｒ：２〜２０質量％（ただし、二相分離合金元素は、ここに示した複数のうちの１種類もしくは２種類以上の組み合わせ）（３）Ｃｕ：残部。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１実施形態におけるバルブシートが設けられた多気筒（４気筒）内燃機関のシリンダヘッド１の断面図である。
【図２】図１に示すシリンダヘッド１における矢印Ａ方向から見たときの部分拡大図である。
【図３】バルブシート１６の一部を吸気バルブ５若しくは排気バルブ６の長手方向に沿って切断した場合の断面図である。
【図４】肉盛装置を用いてシリンダヘッド１への肉盛を行っている様子を示した模式図である。
【図５】銅基合金粉末として、ＦｅとＣｕを所定割合で混合した粉末を用いて、レーザクラッディングを行った場合の肉盛部分の断面図である。
【図６】ＦｅとＣｕの混合粉末に二相分離合金元素、例えばＣｒやＣを添加して肉盛層を形成したときの肉盛層の断面図である。
【図７】Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃで構成される混合粉末の各合金の混合質量比を変えた試料の一覧を記した図表である。
【図８】銅基合金粉末を用いたアルミニウム合金への肉盛の界面近傍での欠陥率（界面欠陥率）を示した図である。
【図９】耐摩耗性およびビッカース硬さを調べた結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７２】
１…シリンダヘッド、１ａ…内底面、２…燃焼室、３…吸気ポート、４…排気ポート、５…吸気バルブ、６…排気バルブ、１６…バルブシート、１６ａ…Ｆｅリッチ相、１６ｂ…Ｃｕリッチ相、２０…半導体レーザ、２１…回転テーブル、２２…シールディングガス供給器、２３…混合粉末供給装置、２４…制御装置。
【図１】
2007064009.tif 000003
【図２】
2007064009.tif 000004
【図３】
2007064009.tif 000005
【図４】
2007064009.tif 000006
【図５】
2007064009.tif 000007
【図６】
2007064009.tif 000008
【図７】
2007064009.tif 000009
【図８】
2007064009.tif 000010
【図９】
2007064009.tif 000011