(57)【要約】【課題】銅系材料のバルブシートを適用した場合であっても、鉄系材料を母材としたエンジンバルブとの金属接触時に、バルブシートの凝着摩耗を抑制することができるエンジンバルブを提供する。【解決手段】銅系材料のバルブシートに組み合わせて用いる、鉄系材料を母材としたエンジンバルブであって、前記バルブシートに接触するバルブフェースの表面には、厚さ０．８〜４．５μｍ、ビッカース硬さＨｖ１４００〜２０００の窒化クロム皮膜を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅系材料のバルブシートに組み合わせて用いる、鉄系材料を母材としたエンジンバルブであって、
前記バルブシートに接触するバルブフェースの表面には、厚さ０．８〜４．５μｍ、ビッカース硬さＨｖ１４００〜２０００の窒化クロム皮膜を有することを特徴とするエンジンバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブシートに組み合わせるエンジンバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンでは、吸気バルブや排気バルブのエンジンバルブがシリンダヘッドに組み付けられ、エンジンバルブによって、吸気ポートまたは排気ポートのポートと、燃焼室とが連通・遮断される。
【０００３】
具体的には、エンジンバルブは、バルブスプリングによってポートを閉鎖する方向に付勢されており、エンジンバルブの閉弁時には、シリンダヘッドのバルブシートに当接し、ポートと、燃焼室とが遮断される。エンジンバルブは、バルブシートと繰り返し当接するため、摩耗し易い。
【０００４】
このような点を鑑みて、例えば特許文献１には、鉄系材料からなるエンジンバルブのバルブフェースに、母材よりもＣｒおよびＭｏを多く含有したリッチ層を形成し、リッチ層に、浸硫窒化処理により、硫化物を含む窒化層を形成したエンジンバルブが提案されている。このエンジンバルブによれば、バルブフェースの表面に硫化物を含む窒化層を形成することにより、バルブフェースの耐摩耗性を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１０７７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、エンジンバルブのバルブフェースに当接するバルブシートに適用する銅系材料は、鉄系材料よりも酸化し難い。例えば、図４に示すように、銅系材料からなるバルブシートおよび鉄系材料からなるバルブシートを１００時間、熱処理炉内に加熱した場合、銅系材料からなるバルブシートの重量増加率に比べて、鉄系材料からなるバルブシートの重量増加率の方が大きくなる。
【０００７】
このような点から、バルブシートの使用環境下では、銅系材料を適用したバルブシートは、鉄系材料を適用したものに比べて、酸化皮膜が形成され難い。これにより、酸化皮膜が形成され難い銅系材料を適用したバルブシートが、閉弁時にエンジンバルブに高温環境下で繰り返し金属接触する際に、凝着摩耗し易くなる。
【０００８】
本発明は、このような点を鑑みて、その目的とするところは、銅系材料からなるバルブシートを適用した場合であっても、エンジンバルブと高温環境下で繰り返し金属接触する際に、バルブシートが凝着摩耗することを抑制することができるエンジンバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を鑑みて、本発明に係るエンジンバルブは、銅系材料のバルブシートに組み合わせて用いる、鉄系材料を母材としたエンジンバルブであって、前記バルブシートに接触するバルブフェースの表面には、厚さ０．８〜４．５μｍ、ビッカース硬さＨｖ１４００〜２０００の窒化クロム皮膜を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高温環境下でバルブシートとの接触時に、熱によって窒化クロム皮膜の表面の窒化クロムが、クロムと窒素に分解する。エンジンバルブの分解したクロムは、バルブシートの銅と相互溶解度がない（合金化しない）。
【００１１】
このような結果、銅系材料からなるバルブシートを適用した場合であっても、エンジンバルブと高温環境下で繰り返し金属接触する際に、バルブシートが凝着摩耗することを抑制することができる。なお、窒化クロム皮膜の厚さおよびビッカース硬さの範囲を、本発明の如く規定した理由については、以下の実施形態および実施例において説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例および比較例で使用した摩耗試験の模式的概念図。
【図２】実施例１〜３および比較例１〜３に係る摩耗試験の結果を示した図。
【図３】（ａ）実施例３に係るエンジンバルブのバルブフェース近傍の断面写真、（ｂ）比較例２に係るエンジンバルブのバルブフェース近傍の断面写真。
【図４】銅系材料または鉄系材料からなるバルブシートの酸化による重量増加率を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明の実施形態に係るエンジンバルブを説明する。
本実施形態に係るエンジンバルブは、銅系材料のバルブシートに組み合わせて用いる、鉄系材料を母材としたエンジンバルブである。エンジンバルブの母材である鉄系材料には、例えば、オーステナイト系耐熱鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＨ３５，ＳＵＨ３６，ＳＵＨ６６０，ＮＣＦ８００，ＮＣＦ７５０，またはＮＣＦ７５１など）、または、マルテンサイト系耐熱鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＨ１，ＳＵＨ３，ＳＵＨ４，ＳＵＨ１１など）の耐熱性を有した鉄合金を挙げることができ、エンジンの使用環境に合わせて選択される。
【００１４】
エンジンバルブのバルブフェースの表面には、ＣｒＮまたはＣｒＮ２からなる窒化クロム皮膜が形成されている。具体的には、窒化クロム皮膜は、厚さ０．８〜４．５μｍ、ビッカース硬さＨｖ１４００〜２０００の範囲で形成されている。
【００１５】
ここで、窒化クロム皮膜の厚さが０．８μｍ未満では、凝着摩耗を低減するに十分ではない。窒化クロム皮膜の厚さが４．５μｍを超えると、成膜した窒化クロム皮膜が母材から剥離することがある。したがって、窒化クロム皮膜の厚さは、０．８〜４．５μｍの範囲であり、好ましくは、１．０〜４．０μｍの範囲である。
【００１６】
窒化クロム皮膜のビッカース硬さがＨｖ１４００未満では、耐摩耗性が十分ではなく、窒化クロム皮膜のビッカース硬さがＨｖ２０００を超えると、バルブシートに対する攻撃性が高まる。
【００１７】
窒化クロム皮膜がＣｒＮからなる場合には、窒化クロム皮膜のビッカース硬さは、Ｈｖ１８００〜２０００の範囲にある。窒化クロム皮膜がＣｒＮ２からなる場合、窒化クロム皮膜のビッカース硬さは、Ｈｖ１４００〜１８００の範囲にある。
【００１８】
ここで、本実施形態の如く、銅系材料のバルブシートを用いた場合には、エンジンバルブに低相手攻撃性を有することが好ましいため、窒化クロム皮膜がＣｒＮ２からなることが好ましい。したがって、好ましい窒化クロム皮膜のビッカース硬さは、Ｈｖ１４００〜１８００の範囲である。
【００１９】
このような窒化クロム皮膜は、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法などにより、バルブフェースに成膜することができる。例えばＰＶＤ法の場合には、窒化クロムのターゲットの材質、バイアス電圧等を変更することにより、上述した硬さの範囲にすることができる。
【００２０】
バルブシートの素材は、銅系材料であれば、特に限定されるものではなく、たとえば、Ｃｕを主材とした合金、銅合金にＦｅ−Ｍｏからなる硬質粒子が銅合金に分散された材料、銅合金の基地にＮｉ−Ｓｉが分散された材料などを挙げることができる。
【００２１】
本実施形態に係るエンジンバルブによれば、バルブフェースの表面に窒化クロム皮膜を形成することにより、エンジンバルブとバルブシートが繰り返し接触することで生じる、バルブシートの凝着摩耗を抑制し、バルブシートの耐摩耗性を向上させることができる。
【００２２】
具体的には、エンジンバルブとバルブシートが摺動する際に、これらは、高温（９００℃以上）の燃料ガスに触れ、入熱されるとともに摩擦熱が発生する。この発生した熱により、エンジンバルブのバルブフェースの表面の窒化クロムが、クロム（Ｃｒ）と窒素（Ｎ）に分解する。分解したクロムは、バルブシートの銅（Ｃｕ）と相互溶解度がない（合金化しない）ので、Ｃｕ合金製のバルブシートは、バルブフェースの表面にほとんど凝着しない。このような結果、バルブシートの凝着摩耗を抑制し、バルブシートの耐摩耗性を向上させることができる。
【００２３】
なお、本実施形態では、エンジンバルブのバルブフェースに窒化クロム皮膜を形成したが、窒化クロム皮膜の代わり、クロム皮膜を形成した場合には、上述した高温環境下では、軟化してしまうため、耐摩耗性が低下するおそれがある。
【実施例】
【００２４】
以下に、本発明を具体的に実施した実施例について比較例と共に説明する。
〔実施例１〕
鉄合金として耐熱鋼からなるエンジンバルブの母材を準備した。次に、ＣｒＮ２からなる窒化クロムターゲットを準備し、エンジンバルブのバルブフェースに、厚さ１．０μｍの窒化クロム皮膜をＰＶＤ（具体的にはスパッタリング）で成膜することで、エンジンバルブの試験片を作製した。得らえた窒化クロム皮膜のビッカース硬さは、Ｈｖ１５８０であった。なお、ビッカース硬さは、測定荷重０．１ｋｇｆのマイクロビッカース硬度計を用いて測定した値である。
【００２５】
〔実施例２〕
実施例１と同じようにして、エンジンバルブの試験片を作製した。実施例１と相違する点は、ＣｒＮからなる窒化クロムターゲットを準備し、エンジンバルブのバルブフェースに、厚さ２．３μｍの窒化クロム皮膜をＰＶＤで成膜することで、エンジンバルブを作製した点である。得らえた窒化クロム皮膜のビッカース硬さは、Ｈｖ１９２０であった。
【００２６】
〔実施例３〕
実施例１と同じようにして、エンジンバルブの試験片を作製した。実施例１と相違する点は、エンジンバルブのバルブフェースに、厚さ３．７μｍの窒化クロム皮膜をＰＶＤで成膜することで、エンジンバルブを作製した点である。得らえた窒化クロム皮膜のビッカース硬さは、Ｈｖ１６７０であった。
【００２７】
〔比較例１〕
実施例１と同じようにして、エンジンバルブの試験片を作製した。実施例１と相違する点は、ＣｒＮからなる窒化クロムターゲットを準備し、エンジンバルブのバルブフェースに、厚さ０．３μｍの窒化クロム皮膜をＰＶＤで成膜することで、エンジンバルブを作製した点である。得らえた窒化クロム皮膜のビッカース硬さは、Ｈｖ１８８０であった。
【００２８】
〔比較例２〕
実施例１と同じようにして、エンジンバルブの試験片を作製した。実施例１と相違する点は、ＣｒＮからなる窒化クロムターゲットを準備し、エンジンバルブのバルブフェースに、厚さ４．８μｍの窒化クロム皮膜をＰＶＤで成膜することで、エンジンバルブを作製した点である。得らえた窒化クロム皮膜のビッカース硬さは、Ｈｖ１９５０であった。
【００２９】
〔比較例３〕
実施例１と同じようにして、エンジンバルブの試験片を作製した。実施例１と相違する点は、エンジンバルブのバルブフェースに、窒化クロム皮膜を成膜せず、軟窒化酸化処理を行った点である。軟窒化酸化処理されたバルブフェースのビッカース硬さは、Ｈｖ１２００であった。
【００３０】
＜摩耗試験＞
図１の試験機を用いて、実施例１〜３および比較例１〜３に係るエンジンバルブの試験片に対して摩耗試験を行い、これらの耐摩耗性を評価した。銅系材料として、Ｃｕ−１７Ｎｉ−９Ｆｅ−７Ｍｏ−３Ｓｉ−１Ｎｂ−０．１Ｃからなる銅合金粉末を準備し、この粉末をシリンダヘッドに肉盛りすることにより、バルブシートを成形した。
【００３１】
この摩耗試験では、図１に示すように、プロパンガスバーナ１０を加熱源として用い、シリンダヘッド１７に成膜されたバルブシート１２と、エンジンバルブ（試験片）１３のバルブフェース１４との摺動部をプロパンガス燃焼雰囲気とした。バルブシート１２の温度を２５０℃に制御し、スプリング１６によりバルブシート１２とバルブフェース１４との接触時に２５ｋｇｆの荷重を付与して、３２５０回／分の割合で、バルブシート１２とバルブフェース１４とを接触させ、８時間の摩耗試験を行った。実施例１〜３および比較例１〜３において、摩耗試験後のバルブシート１２の摩耗深さを測定した。実施例１〜３および比較例１〜３に係るエンジンバルブの摩耗深さを所定の値で除算し、摩耗量比として算出した。この結果を表１および図２に示す。
【００３２】
さらに、摩耗試験後の実施例３および比較例２に係るエンジンバルブを切断し、バルブフェースの断面を走査型電子顕微鏡で観察した。この結果を、図３（ａ），（ｂ）に示す。図３（ａ）は、実施例３に係るエンジンバルブのバルブフェース近傍の断面写真であり、図３（ｂ）は、比較例２に係るエンジンバルブのバルブフェース近傍の断面写真である。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
（結果）
表１および図２に示すように、実施例１〜３のエンジンバルブを用いた場合には、比較例１〜３の場合に比べて、バルブシートの摩耗量比は小さかった。また、比較例１〜３のエンジンバルブのバルブフェースに接触したバルブシートの表面は、凝着摩耗していることが確認できた。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、実施例３に係るエンジンバルブのバルブフェースに形成された窒化クロム皮膜は、母材から剥離していなかったが、図３（ｂ）に示すように、比較例２に係るエンジンバルブのバルブフェースに形成された窒化クロム皮膜は、母材から剥離している部分があった。これにより、比較例２に係るエンジンバルブのバルブフェースは、面荒れが生じたと考えられ、比較例３のバルブシートの摩耗量比は大きくなったと考えられる。
【００３６】
以上のことから、バルブシートに接触するエンジンバルブのバルブフェースの表面に、窒化クロム皮膜を形成し、実施例１〜３の如く本願の発明の範囲の膜厚で窒化クロム皮膜を形成すれば、上述した理由により、バルブシートの凝着摩耗が低減されると考えられる。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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