(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向一方に向かうにつれて小径となる被取付け面（２６）を有する被取付け部材（１３）に、前記被取付け面（２６）に少なくとも外周部を対向させる対向端面（２７）を軸方向一端に有するとともに横断面円形の外側面（２８）を有する取付け部材（２５）を、前記対向端面（２７）および前記外側面（２８）の連設部（２９）を被取付け面（２６）に最初に接触させつつ両部材（１３，２５）の加熱状態で被取付け部材（１３）側に加圧する拡散接合方法において、
取付け部材（２５）の被取付け部材（１３）への接合前に、前記連設部（２９）を被取付け部材（１３）側に膨らんだ曲面状に形成するとともに、前記対向端面（２７）および外側面（２８）のうち被取付け部材（１３）に接合される部分（２７ａ，２８ａ）を前記連設部（２９）よりも曲率半径を大きくした曲面状に形成しておく一方、前記被取付け部材（１３）の被取付け面（２６）に、前記対向端面（２７）の外周部に対向する環状の底面（３４ａ）と、該底面（３４ａ）の外周縁から取付け部材（２５）側に立ち上がって該取付け部材（２５）の外側面（２８）に対向する内側面（３４ｂ）とで構成される接合凹部（３４）を設けておき、
前記取付け部材（２５）の前記被取付け部材（１３）側への加圧時に、前記連設部（２９）を前記底面（３４ａ）の外周部に接触させる第１のステップと、前記対向端面（２７）を前記底面（３４ａ）に半径方向外方側から順次接触させる第２のステップと、前記外側面（２８）を前記内側面（３４ｂ）に軸方向内方側から順次接触させて加圧抵抗値を立ち上がらせる第３のステップとを、順次実行することを特徴とする拡散接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の拡散接合方法において、取付け部材（２５）の被取付け部材（１３）への接合前に、前記対向端面（２７）のうち被取付け部材（１３）に接合される部分（２７ａ）よりも半径方向内方に、被取付け面（２６）および対向端面（２７）の接合界面から排出される塑性流動物を受け入れる環状の凹部（３２）を形成しておくことを特徴とする拡散接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸方向一方に向かうにつれて小径となる被取付け面を有する被取付け部材に、前記被取付け面に少なくとも外周部を対向させる対向端面を軸方向一端に有するとともに横断面円形の外側面を有する取付け部材を、前記対向端面および前記外側面の連設部を被取付け面に最初に接触させつつ両部材の加熱状態で被取付け部材側に加圧する拡散接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような方法による拡散接合構造は、たとえば特開平７−１０３０７０号公報、特開平７−１８９６２８号公報および特開平９−１２２９２４号公報等により既に知られており、これらの公報には、被取付け部材としてのシリンダヘッドに、該シリンダヘッドとは異なる材料から成る取付け部材としてのバルブシートが拡散接合される構造とその方法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の拡散接合方法では、取付け部材のうち被取付け部材に接合される部分の接合前の外面が、直線の組み合わせから成る横断面形状を有しているために、前記直線部分で充分な塑性流動が生じないことにより、充分な接合強度が得られない。これは、取付け部材の被取付け部材側への加圧時に被取付け部材に最初に接触する先端部は鋭角に形成されているので、この部分では充分な塑性流動が生じて拡散接合層は充分に形成されるのであるが、直線状の断面形状を有して前記先端部に連なる部分では、前記先端部と比較して塑性流動物の滑り速度や塑性流動物の量が明らかに低下し、充分な拡散接合層が形成されないからであると思料される。
【０００４】
また取付け部材の被取付け部材への接合深さは、取付け部材の被取付け部材への没入によって生じる塑性流動物の量に対応した抵抗値ならびに排出された前記塑性流動物が被取付け面および対向端面間に噛込むことで生じる抵抗値の和と、加圧力とのバランスで定まるものであるが、前記噛込みによる抵抗値のバラツキは非常に大きく、接合深さを精度よくコントロールするのが困難であった。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、拡散接合時に取付け部材および被取付け部材間に生じる塑性流動物の滑り速度および塑性流動物の量の増大を図り、充分な接合強度を得ることができるようにするとともに、塑性流動物の噛込みによる抵抗値のバラツキを抑えて接合深さを精度よくコントロールし得るようにした拡散接合方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、軸方向一方に向かうにつれて小径となる被取付け面を有する被取付け部材に、前記被取付け面に少なくとも外周部を対向させる対向端面を軸方向一端に有するとともに横断面円形の外側面を有する取付け部材を、前記対向端面および前記外側面の連設部を被取付け面に最初に接触させつつ両部材の加熱状態で被取付け部材側に加圧する拡散接合方法において、取付け部材の被取付け部材への接合前に、前記連設部を被取付け部材側に膨らんだ曲面状に形成するとともに、前記対向端面および外側面のうち被取付け部材に接合される部分を前記連設部よりも曲率半径を大きくした曲面状に形成しておく一方、前記被取付け部材の被取付け面に、前記対向端面の外周部に対向する環状の底面と、該底面の外周縁から取付け部材側に立ち上がって該取付け部材の外側面に対向する内側面とで構成される接合凹部を設けておき、前記取付け部材の前記被取付け部材側への加圧時に、前記連設部を前記底面の外周部に接触させる第１のステップと、前記対向端面を前記底面に半径方向外方側から順次接触させる第２のステップと、前記外側面を前記内側面に軸方向内方側から順次接触させて加圧抵抗値を立ち上がらせる第３のステップとを、順次実行することを特徴とする。
【０００７】
このような請求項１記載の発明の構成によれば、取付け部材および被取付け部材間に生じる塑性流動物の滑り速度および塑性流動物の量を増大し、良好な拡散接合により充分な接合強度を得ることができる。すなわち取付け部材のうち被取付け部材に接合される部分の接合前の外面形状が曲面であるものは、平坦面であるものに比べて、ストロークに対する塑性流動物の滑り速度を増大することが可能であり、取付け部材の被取付け部材側への加圧時に被取付け部材に被取付け面に最初に接触する連設部が、曲率半径を比較的小さくした曲面に形成されているので、その連設部の被取付け部材への没入により生じる塑性流動物の量を大とすることができ、また対向端面および外側面のうち被取付け部材に接合される部分が前記連設部よりも曲率半径を大きくした曲面状にそれぞれ形成されているので、塑性流動物の滑り速度を増大して塑性流動物を積極的に排出することができる。そして、前記取付け部材の前記被取付け部材側への加圧時の第１ステップでは、取付け部材の連設部が被取付け部材に没入することで塑性流動物が発生するのに応じて抵抗値が急激に増大するが、第２ステップでは取付け部材の対向端面が接合凹部の底面に半径方向外方側から順次接触することで前記抵抗値が徐々に増大し、さらに第３ステップでは、前記連設部および対向端面に加えて取付け部材の外側面が接合凹部の内側面に没入することで、前記抵抗値が大きく立上がることになるから、取付け部材の被取付け部材側への加圧時に、各ステップ毎に抵抗値の変化特性を異ならせ、目標接合深さ直前の接合終期に、抵抗値を大きく立ち上がらせる設定とすることで、加圧を停止するタイミングを精度よく定めることが可能となり、接合深さのコントロール精度を向上することができる。
【０００８】
また請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明の構成に加えて、取付け部材の被取付け部材への接合前に、前記対向端面のうち被取付け部材に接合される部分よりも半径方向内方に、被取付け面および対向端面の接合界面から排出される塑性流動物を受け入れる環状の凹部を形成しておくことを特徴とする。
【０００９】
このような請求項２記載の発明の構成によれば、対向端面のうち被取付け部材に接合される部分よりも半径方向内方に環状の凹部が形成されているので、対向端面および被取付け面間から前記半径方向内方側に排出される塑性流動物を前記凹部内に逃がすことができ、排出された前記塑性流動物が被取付け面および対向端面間に噛込むことで生じる加圧抵抗値のバラツキを最少限に抑え、接合深さをより精度よくコントロールすることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の一実施例に基づいて説明する。
【００１１】
図１〜図７は本発明の一実施例を示すものであり、図１は４サイクルエンジンの要部縦断面図、図２はバルブシート素材のシリンダヘッドへの拡散接合直前の状態を示す縦断面図、図３は図２の要部拡大図、図４は拡散接合過程終了時の図３に対応した断面図、図５は拡散接合過程を順次説明するための断面図、図６は塑性流動物の滑り速度を説明するための図、図７は拡散接合過程での抵抗値の変化を示す図である。
【００１２】
先ず図１において、４サイクルエンジンのシリンダブロック１１に設けられたシリンダ孔１２に摺動可能に嵌合されるピストン（図示せず）と、シリンダブロック１１に結合される被取付け部材としてのシリンダヘッド１３との間には、燃焼室１４が形成されており、シリンダヘッド１３には、燃焼室１４に通じ得る吸気ポート１５および排気ポート１６が設けられる。
【００１３】
吸気ポート１５および排気ポート１６の燃焼室１４への開口端で、シリンダヘッド１３にはバルブシート１７，１８が接合されており、それらのバルブシート１７，１８に着座可能なシート部１９ａ，２０ａを備える吸気バルブ１９および排気バルブ２０のステム部１９ｂ，２０Ｂが、シリンダヘッド１３に設けられたガイド筒２１，２２にそれぞれ摺動可能に嵌合される。しかも前記各ステム部１９ｂ，２０ｂはガイド筒２１，２２から上方に突出するものであり、各ステム部１９ｂ，２０ｂの上端およびシリンダヘッド１３間に、吸気バルブ１９および排気バルブ２０を上方、すなわちシート部１９ａ，２０ａをバルブシート１７，１８に着座させて吸気ポート１５および排気ポート１６を閉じる方向に付勢するばね２３，２４が設けられる。また各ステム部１９ｂ，２０ｂの上端には図示しない動弁装置が連結されており、該動弁装置で吸気バルブ１９および排気バルブ２０が開閉駆動される。
【００１４】
ところでバルブシート１７，１８は、一般的には圧入によりシリンダヘッド１３に組付けられるのであるが、近年のエンジンレイアウトでは、吸気バルブ１９および排気バルブ２０が近接して配置されており、従来の圧入式では、より大きなバルブ径としたり、高圧縮比化を図ったりするために燃焼室１４の周囲のレイアウトを変更するにあたっての自由度が殆どない状態である。そこで上記圧入式に代えて、シリンダヘッド１３にバルブシート１７，１８を直接接合すると、バルブシート１７，１８の薄肉化によって前記レイアウトの自由度を大幅に向上させたり、バルブシート１７，１８を介しての熱伝達性が改善されることによる吸気および排気バルブ１９，２０、バルブシート１７，１８および燃焼室１４の温度を低減することが可能であり、エンジン性能の大幅向上を期待することができる。この際、バルブシート１７，１８が、シリンダヘッド１３とは異なる金属であっても拡散接合することで充分な接合強度を得ることが可能である。
【００１５】
図２において、シリンダヘッド１３には、取付け部材としてのバルブシート素材２５が拡散接合され、接合後のバルブシート素材２５に機械加工を施すことでバルブシート１７，１８が形成される。
【００１６】
而してシリンダヘッド１３としては、軽量かつ熱伝達性に優れた金属であるアルミニウム合金鋳物が用いられ、バルブシート素材２５としては、たとえば耐摩耗性に優れた鉄系の焼結合金や、冷却・熱伝導性に優れたＣｕ−Ｂｅ合金等が用いられる。
【００１７】
シリンダヘッド１３における吸気および排気ポート１５，１６の燃焼室１４側開口端には、軸方向に沿って燃焼室１４から離反するにつれて小径となる被取付け面２６が形成される。一方、バルブシート素材２５は、前記被取付け面２５に外周部を対向させる対向端面２７を軸方向一端に有するとともに横断面円形の外側面２８を有してリング状に形成される。
【００１８】
バルブシート素材２５は、該バルブシート素材２５およびシリンダヘッド１３の加熱状態でシリンダヘッド１３の被取付け面２６側に一定の加圧力で加圧されることにより、被取付け面２６に拡散接合される。而して前記加熱状態は、バルブシート素材２５をシリンダヘッド１３の被取付け面２６に接触させつつバルブシート素材２５およびシリンダヘッド１３に短時間に大電流を通電することにより、バルブシート素材２５およびシリンダヘッド１３の接触面がジュール発熱で発熱することにより得られる。
【００１９】
図３において、バルブシート素材２５は、該バルブシート素材２５のシリンダヘッド１３側への加圧時に前記対向端面２７および外側面２８の連設部２９をシリンダヘッド１３に最初に接触させるものであり、対向端面２７の外周側の部分２７ａならびに外側面２８の対向端面２７側の部分２８ａと、前記連設部２９とがシリンダヘッド１３に拡散接合される。
【００２０】
而してバルブシート素材２５のうちシリンダヘッド１３に接合される前に、前記連設部２９は、シリンダヘッド１３側に曲率半径Ｒ１で膨らんだ曲面状に形成され、対向端面２７の外周側の部分２７ａは前記連設部２９よりも大きな曲率半径Ｒ２でシリンダヘッド１３側に膨らんだ曲面状に形成され、外側面２８の対向端面２７側の部分２８ａも前記連設部２９よりも大きな曲率半径Ｒ３でシリンダヘッド１３側に膨らんだ曲面状に形成される。
【００２１】
また前記対向端面２７のうちシリンダヘッド１３に接合される部分２７ａよりも半径方向内方には環状の凹部３２が形成され、この凹部３２には、図４で示すように、被取付け面２６および対向端面２７の接合界面から排出される塑性流動物３３を受け入れることが可能である。
【００２２】
図３に注目して、バルブシート素材２５のシリンダヘッド１３への接合前に、シリンダヘッド１３の被取付け面２６には、バルブシート素材２５における対向端面２７の外周部に対向する環状の底面３４ａと、該底面３４ａの外周縁からバルブシート素材２５側に立ち上がって該バルブシート素材２５の外側面２８に対向する内側面３４ｂとで構成される接合凹部３４が設けられる。
【００２３】
しかも前記底面３４ａおよび前記内側面３４ｂは、バルブシート素材２５の被取付け面２６側への加圧時に、図５（ａ）で示すように、前記連設部２９を前記底面３４ａの外周部に接触させる第１のステップと、図５（ｂ）で示すように、前記対向端面２７を前記底面３４ａに半径方向外方側から順次接触させる第２のステップと、図５（ｃ）で示すように、前記外側面２８を前記内側面３４ｂに軸方向内方側から順次接触させて加圧抵抗値を立ち上がらせる第３のステップとが、順次実行されるように形成される。
【００２４】
次にこの実施例の作用について説明すると、バルブシート素材２５を、該バルブシート素材２５およびシリンダヘッド１３の加熱状態でシリンダヘッド１３側に加圧すると、バルブシート素材２５およびシリンダヘッド１３の接触面で滑り変形が生じ、バルブシート素材２５およびシリンダヘッド１３の表面の酸化皮膜、異物および金属間化合物が、図４で示すように塑性流動物３３として接合界面から排出されることになり、前記接合界面での微細凹凸や原子間空孔が消失し、極めて清浄で雰囲気ガスのない接触面が形成されることになる。しかも加熱状態での清浄面同士の接触により金属内自由電子が活性化され、バルブシート素材２５およびシリンダヘッド１３間での原子の粒内・粒界拡散が生じることで、バルブシート素材２５がシリンダヘッド１３に拡散接合される。
【００２５】
ところで、バルブシート素材２５のうちシリンダヘッド１３に接合される部分の接合前の外面形状が曲面で形成されるものは、平坦面であるものに比べて、加圧ストロークに対する塑性流動物３３の滑り速度を増大することが可能である。すなわち塑性流動物３３が、図６（ａ）で示す曲面を滑るときの滑り距離Ｌ１は、図６（ｂ）で示す平坦面を滑るときの滑り距離Ｌ２に対して、同一の加圧ストロークＳでは大（Ｌ１＞Ｌ２）となるものであり、バルブシート素材２５のうちシリンダヘッド１３に接合される部分の接合前の外面形状が曲面で形成されるものは、平坦面であるものに比べて滑り速度が大となるのである。
【００２６】
しかるにバルブシート素材２５のシリンダヘッド１３側への加圧時に最初にシリンダヘッド１３に接触する連設部２９が、曲率半径Ｒ１を比較的小さくして形成されているので、その先端側の連設部２９のシリンダヘッド１３への没入により生じる塑性流動物３３の量を大とすることができ、また前記連設部２９に連なる部分２７ａ，２８ａも曲面状に形成されているので、塑性流動物３３の滑り速度を増大して塑性流動物３３を積極的に排出することができる。したがってバルブシート素材２５をシリンダヘッド１３に良好に拡散接合して充分な接合強度を得ることが可能となる。
【００２７】
またバルブシート素材２５のシリンダヘッド１３への接合深さは、バルブシート素材２５のシリンダヘッド１３への没入によって生じる塑性流動物３３の量に対応した抵抗値ならびに排出された前記塑性流動物３３が被取付け面２６および対向端面２７間に噛込むことで生じる抵抗値の和と、加圧力とのバランスで定まるものであるが、前記噛込みによる抵抗値のバラツキは非常に大きく、そのバラツキを放置したままでは接合深さを精度よくコントロールするのが困難である。
【００２８】
しかるに対向端面２７のうちシリンダヘッド１３に接合される部分よりも半径方向内方には環状の凹部３２が形成され、この凹部３２には、塑性流動物３３を受け入れることが可能である。したがって対向端面２７および被取付け面２６間から内方側に排出される塑性流動物３３を凹部３２内に逃がすことができ、排出された前記塑性流動物３３が被取付け面２６および対向端面２７間に噛込むことで生じる加圧抵抗値のバラツキを最少限に抑え、接合深さをより精度よくコントロールすることが可能となる。
【００２９】
またバルブシート素材２５のシリンダヘッド１３への接合前に、シリンダヘッド１３の被取付け面２６には、環状の底面３４ａと、該底面３４ａの外周縁からバルブシート素材２５側に立ち上がる内側面３４ｂとで構成される接合凹部３４が設けられており、底面３４ａおよび内側面３４ｂは、バルブシート素材２５の被取付け面２６側への加圧時に、バルブシート素材２５の連設部２９を前記底面３４ａの外周部に接触させる第１のステップと、バルブシート素材２５の対向端面２７を前記底面３４ａに半径方向外方側から順次接触させる第２のステップと、バルブシート素材２５の外側面２８を前記内側面３４ｂに軸方向内方側から順次接触させる第３のステップとが順次実行されるように形成されており、このような接合凹部３４により、加圧を停止するタイミングを精度よく定めて接合深さのコントロール精度をより向上することができる。
【００３０】
図７において、第１ステップではバルブシート素材２５の連設部２９がシリンダヘッド１３に没入することで塑性流動物が発生するのに応じて抵抗値が急激に増大するが、第２ステップではバルブシート素材２５の対向端面２７が接合凹部３４の底面３４ａに半径方向外方側から順次接触することで前記抵抗値が徐々に増大し、さらに第３ステップでは、前記連設部２９および対向端面２７に加えてバルブシート素材２５の外側面２８が接合凹部３４の内側面３４ｂに没入するので、前記抵抗値が大きく立上がることになる。すなわちバルブシート素材２５をシリンダヘッド１３側に一定の加圧力で加圧する際に、各ステップ毎に抵抗値の変化特性を異ならせ、抵抗値が大きく立ち上がる最終の第３ステップでバルブシート素材２５を加圧する一定の加圧力と抵抗値（加圧に対する反力）とを釣合わせることにより、目標接合深さを精度よく得ることが可能となり、接合深さのコントロール精度をより向上することができる。
【００３１】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが可能である。
【００３２】
たとえば本発明は、バルブシート素材２５のシリンダヘッド１３への拡散接合構造に限定されるものではなく、取付け部材の被取付け部材への拡散接合構造に広く適用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の発明によれば、取付け部材および被取付け部材間に生じる塑性流動物の滑り速度および塑性流動物の量を増大し、良好な拡散接合により充分な接合強度を得ることができ、しかも、取付け部材の被取付け部材側への加圧時に目標接合深さ直前の接合終期に、抵抗値を大きく立ち上がらせる設定とすることで、加圧を停止するタイミングを精度よく定めることが可能となり、接合深さのコントロール精度をより向上することができる。
【００３４】
また請求項２記載の発明によれば、排出された塑性流動物が被取付け面および対向端面間に噛込むことで生じる加圧抵抗値のバラツキを最少限に抑え、接合深さをより精度よくコントロールすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ４サイクルエンジンの要部縦断面図である。
【図２】  バルブシート素材のシリンダヘッドへの拡散接合直前の状態を示す縦断面図である。
【図３】  図２の要部拡大図である。
【図４】  拡散接合過程終了時の図３に対応した断面図である。
【図５】  拡散接合過程を順次説明するための断面図である。
【図６】  塑性流動物の滑り速度を説明するための図である。
【図７】  拡散接合過程での抵抗値の変化を示す図である。
【符号の説明】
１３・・・被取付け部材としてのシリンダヘッド
２５・・・取付け部材としてのバルブシート素材
２６・・・被取付け面
２７・・・対向端面
２７ａ・・・対向端面のうち被取付け部材に接合される部分
２８・・・外側面
２８ａ・・・外側面のうち被取付け部材に接合される部分
２９・・・連設部
３２・・・凹部
３４・・・接合凹部前
３４ａ・・・底面
３４ｂ・・・内側面
【図１】
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【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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【図７】
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