CN113891774A - 发动机阀及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种发动机阀及其制造方法，其不需要去毛刺等，接合部的强度高，接合部以外的金属组织的变质少。所述发动机阀的制造方法为包括彼此接合的第1构件(11)和第2构件(12)的发动机阀的制造方法，通过通电扩散接合将第1构件(11)的接合面和第2构件(12)的接合面接合。由此，能够提供第1构件(11)和第2构件(12)经由5μm以内的扩散层(13)而彼此接合的发动机阀。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机阀及其制造方法。
背景技术
近年来，从地球环境问题或节能的观点出发，比以往更要求使内燃机、特别是汽车用发动机轻量化，并且使发动机以更高的燃烧温度高效地工作。
为了使发动机以更高的燃烧温度高效地工作，需要采用耐热性构造材料来构成发动机用部件，进一步需要使用不过量地蓄积热且轻量的部件形状及构造。
特别是，在苛刻的条件下工作的发动机用部件、例如暴露在高温下高速地往复运动的发动机阀在轻量化、减少热容量、提高散热性及耐热性等方面需要优异的形状及构造。
因此，提供有发动机阀中设为中空、或者为了减轻热负荷而在设为中空的轴部内封入金属钠等各种方案。
另外，构成发动机阀的阀头、阀面、阀杆、阀杆端部等各部件根据轻量化、减少热容量、提高散热性及耐热性等各目的被单独制造，然后通过将各部件彼此接合来制造作为完成品的发动机阀(例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004-25198
发明内容
发明要解决的问题
以往，上述部件彼此的接合使用摩擦压接接合。但是，在摩擦压接接合中，如图4所示，在接合部1413形成有无法忽略的毛刺，因此在后续加工中去毛刺工序是需要且不可欠缺的。另外，在中空部件的情况下，在内部会残留有毛刺。但是，毛刺是一种缺陷，存在使发动机阀的耐疲劳强度下降等问题。另外，在无法目视的部分会残留有毛刺，因而在机械特性上不优选。因此，也通过扩散接合来进行接合。但是，在以往的扩散接合中，由于以真空炉内的气氛温度进行扩散接合，所以部件整体达到扩散温度，存在部件整体的金属组织发生变质的可能性。
因此，在本发明中，其目的在于提供一种发动机阀及其制造方法，其不需要去毛刺等，接合部14的强度高，接合部以外的金属组织的变质少。
解决问题的技术手段
为了实现上述目的，本发明的发动机阀具有彼此接合的第1构件和第2构件，所述发动机阀的特征在于，所述第1构件和所述第2构件经由5μm以内的扩散层接合。
在这种情况下，也可以具有将所述第1构件和所述第2构件连通的中空部。
另外，所述扩散层的形状可以在所述第1构件和所述第2构件中的至少某一方形成为凸状，优选地，可以在所述第1构件和所述第2构件中的电阻较高的一方形成为凸状。
能够使用所述第1构件采用第1金属形成并且所述第2构件采用材质与所述第1构件不同的第2金属形成。
另外，本发明的发动机阀的制造方法为由彼此接合的第1构件和第2构件形成的发动机阀的制造方法，所述发动机阀的制造方法的特征在于：通过通电扩散接合将所述第1构件的接合面和所述第2构件的接合面接合。
在这种情况下，可以将所述第1构件和所述第2构件中的至少某一方的接合面设为凸状，优选地，可以将所述第1构件和所述第2构件中的电阻较低的一方的接合面设为凸状。
另外，所述通电扩散接合优选以用上升斜率(Upslope)控制电源输出的方式向所述第1构件和所述第2构件的接合面通电。
另外，在所述通电扩散接合中，优选向所述第1构件和所述第2构件通电的时间为90秒以下，更优选为30秒以下。
另外，能够使用所述第1构件采用第1金属形成并且所述第2构件采用材质与所述第1构件不同的第2金属形成。
另外，所述扩散接合也可以是对所述第1金属和所述第2金属的接合面通电，通过所述第1金属和所述第2金属的电阻发热而以固相进行扩散接合，也可以是以液相进行扩散接合。
发明效果
根据本发明的发动机阀，由于接合部14通过通电扩散接合进行接合，所以接合部14以外的金属组织的变质少。另外，接合部14的强度非常高。
附图说明
图1是表示本发明的发动机阀的侧视图。
图2是表示本发明的发动机阀的接合前的状态的侧视图和局部放大图。
图3是表示本发明的发动机阀的侧视图和局部放大图。
图4是表示通过摩擦压接接合进行接合而成的发动机阀的侧视图。
附图标记说明
1 发动机阀
11 第1构件
11a 接合面
12 第2构件
12a 接合面
13 扩散层
14 接合部
15 中空部
具体实施方式
使用图1～图3对本发明的发动机阀1进行说明。如图1所示，本发明的发动机阀1至少具有彼此接合的第1构件11和第2构件12。这里，第1构件11和第2构件12是构成发动机阀1的构件，只要彼此接合，就可以是任意的组合。例如有阀头和阀面、阀面和阀杆、阀杆和阀杆端部等组合。图1的(a)是使第1构件11为阀面、第2构件12为阀杆的图。另外，图1的(b)是第1构件11为阀杆、第2构件12为阀杆端部的图。另外，发动机阀1也可以具有3个以上接合的部件。
第1构件11和第2构件12经由5μm以内的扩散层13接合。通过使扩散层13为5μm以内，能够提供接合部14以外的金属组织的变质少、各部件的功能保持不变而接合部14的强度高的发动机阀。关于该接合，使扩散层13的厚度可以为5μm以下，优选3μm以下，进一步优选为1μm以下。此外，该接合方法只要能够使扩散层13的厚度为5μm以下，就可以是任意的方法，例如能够使用后述的通电扩散接合。
在使用通电扩散接合的情况下，需要控制电流的流动。因此，接合之前的第1构件11的接合面11a和第2构件12的接合面12a优选如下的形状：使至少某一方设为凸状，初始以点或线进行接触，电流流通时扩散层13逐渐扩张而进行接合。在这种情况下，另一方的接合面优选如平面或镜面那样在扩散接合时至少不会产生空隙这种程度的光滑形状。例如，如图2所示，接合之前的第1构件11的接合面11a和第2构件12的接合面12a的形状能够采用一方形成为凸状、另一方形成为平面状的结构。通过像这样进行接合，扩散层13从与平面接触的凸部的顶点逐渐良好地扩张，因此能够形成平坦的均匀的扩散层13。因此，能够提高接合部14的破坏强度。此外，当然也能够将接合面11a和接合面12a双方均设为凸状。
另外，由于电阻较高的部件更容易发热，所以将第1构件11和第2构件12中的电阻较低的一方的接合面设为凸状更容易形成均匀的扩散层。
此外，接合面设为凸状是指接合面的顶端为点状或线状，例如能够设为锥状或球面状、或者将接合面的截面设为三角状或拱门状。另外，凸状部分在接合面既可以仅形成1个，也可以形成多个。在接合面形成多个凸状部分的情况下，例如能够使用喷砂处理、喷丸处理、蚀刻处理、激光处理等以往已知的方法。
像这样形成的第1构件11和第2构件12进行接合时，如图3所示，在接合部14具有下述部分：扩散层13的形状在第1构件11和第2构件12中的某一侧形成为凸状。更优选的是如上述的那样在第1构件11和第2构件12中的电阻较低的一方的接合面为凸状、电阻较高的一方的接合面为平面状进行接合的情况下形成的形状，具体而言，优选扩散层13的形状在第1构件11和第2构件12中的电阻较高的一方形成为凸状。此外，形成于扩散层13的凸状部分也可以是多个。
另外，第1构件11和第2构件只要能够发挥各构件的功能，就可以是任意的形状，能够采用以往已知的一般形状。例如，第1构件11和第2构件12也可以具有连通的中空部15。中空部15是以使发动机阀1轻量化或减少热容量等为目的而使内部为空洞的部分。
另外，第1构件11的材料由金属(第1金属)形成。第1构件11只要能够发挥该部件的功能，就可以是任意的金属，例如能够使用奥氏体系不锈钢或马氏体系不锈钢等钢材、镍合金、钛及钛合金等。作为具体例，例如能够列举SUH3等作为阀面(第1构件11)的材料。
另外，第2构件12的材料由材质与第1构件11不同的金属(第2金属)形成。例如，能够使用奥氏体系不锈钢或马氏体系不锈钢等钢材、镍合金、钛及钛合金等。另外，材质不同的金属不仅是指成分不同的金属，还包含因淬火不同而形成的金属等、即使成分相同性质也不同的金属。如果第1构件11和第2构件12是同种金属，则具有如下优点：几乎看不到接合界面，与以往的摩擦压接接合相比抗破坏强度优异。作为具体例，在使用SUH3作为阀面(第1构件11)的材料的情况下，能够使用SUH35作为阀杆(第2构件12)。
接着，对本发明的发动机阀1的制造方法进行说明。本发明的发动机阀1的制造方法中，通过通电扩散接合将上述的第1构件11的接合面11a和第2构件12的接合面12a接合。
这里，通电扩散接合是指向第1构件11和第2构件12的接合面通电，通过其电阻发热以固相或液相进行扩散接合。在通电扩散接合中，具有如下优点：第1构件11和第2构件12的接合部14的变形小，能够实现精密的接合。另外，还具有接合部14以外的金属组织的变质几乎没有的优点。
在使用通电扩散接合的情况下，需要控制电流的流动。因此，接合之前的第1构件11的接合面11a和第2构件12的接合面12a优选如下的形状：将至少某一方设为凸状，初始以点或线进行接触，电流流通时扩散层13逐渐扩张而进行接合。在这种情况下，另一方的接合面优选如平面或镜面那样在扩散接合时至少不会产生空隙这种程度的光滑形状。例如，如图2所示，接合之前的第1构件11的接合面11a和第2构件12的接合面12a的形状能够采用一方形成为凸状、另一方形成为平面状的结构。通过像这样进行接合，扩散层13与平面接触的凸部的顶点逐渐良好地扩张，因此能够形成平坦的均匀的扩散层13。因此，能够提高接合部14的抗破坏强度。此外，当然也能够将接合面11a和接合面12a双方均设为凸状。
另外，由于电阻较高的部件更容易发热，所以将第1构件11和第2构件12中的电阻较低的一方的接合面设为凸状更容易形成均匀的扩散层。
此外，接合面设为凸状是指接合面的顶端为点状或线状，例如能够设为锥状或球面状、或者将接合面的截面设为三角状或拱门状。另外，凸状部分在接合面既可以仅形成1个，也可以形成多个。在接合面形成多个凸状部分的情况下，例如能够使用喷砂处理、喷丸处理、蚀刻处理、激光处理等以往已知的方法。
像这样形成的第1构件11和第2构件12进行接合时，如图3所示，在接合部14具有下述部分：扩散层13的形状在第1构件11和第2构件12中的某一侧形成为凸状。更优选地，如上述的那样在第1构件11和第2构件12中的电阻较低的一方的接合面为凸状、电阻较高的一方的接合面为平面状进行接合的情况下形成的形状，具体而言，优选扩散层13的形状在第1构件11和第2构件12中的电阻较高的一方形成为凸状。此外，形成于扩散层13的凸状部分也可以是多个。
在通电扩散接合中，例如能够使用以下所示的通电扩散接合装置。通电扩散接合装置是向使接合面抵接的第1构件11和第2构件12通电来进行扩散接合的装置，主要由电极、电源、温度信息提供部、输出控制部和加压部构成。
电极用于使从电源向第1构件11和第2构件12输出的电导通。为了向第1构件11和第2构件12导电，通电扩散接合装置至少具有2个电极，例如设置于夹着第1构件11和第2构件12的接合面相向的部分。当然，根据第1构件11和第2构件12的材质或形状等，也可以具有3个以上的电极。作为电极的材质，只要能够向第1构件11和第2构件12导电，就可以是任意的材质，例如能够使用铜、钼、钨等。另外，电极经由电缆与电源连接。
电源用于向多个电极输出电力。作为该电源，只要能够使施加于多个电极的输出连续地变更，就可以是任意的电源，例如能够使用公知的逆变器电源。
温度信息提供部用于向输出控制部提供第1构件11、第2构件12、电极的温度信息。此外，温度信息是指与第1构件11、第2构件12、电极的温度相关的信息，也可以是温度本身的信息，也可以是例如决定电源电压的电压值等基于温度通过计算而被转换得到的信息。作为温度信息提供部，例如能够使用对第1构件11、第2构件12、电极的温度进行检测的温度传感器。温度传感器只要能够检测接合部件14或电极的温度，就可以是任意的部件，例如可以使用如红外线辐射温度计等那样以非接触方式检测温度的非接触式传感器、或者与第1构件11、第2构件12、电极接触来检测温度的热电偶等接触式传感器。另外，也能够一并使用非接触式传感器和接触式传感器。
这里，本发明涉及的通电扩散接合优选以用上升斜率控制电源的输出的方式向第1构件11和第2构件12的接合面通电。因此，输出控制部优选基于来自温度信息提供部的温度信息用上升斜率控制电源的输出。以往，使恒定的电流流通恒定时间、或者用ON/OFF控制使恒定的电流流通，因此存在电流集中部位的温度急剧上升的情况。在这种情况下，该部位的接合状态成为液相结合等，接合面的接合状态变得不均匀，导致接合状态不规则。与此相对，在上升斜率控制中，由于电流逐渐上升，所以能够抑制电流急剧集中，使接合面的温度变得均匀。因此，能够在接合面生成均匀的扩散层13，能够实现强度的均匀化。特别是，如上述的那样，在使接合之前的第1构件11的接合面11a和第2构件12的接合面12a中的一方形成为凸状、另一方形成为平面状进行接合的情况下，能够抑制电流的集中，生成更均匀的扩散层13。
另外，输出控制部也能够基于由温度传感器检测出的温度信息，实时地用上升斜率连续控制电源的输出，能够实现第1构件11和第2构件12的细致的温度管理。因此，能够进行使接合部件14彼此的接合面的接合强度高、偏差小的接合。进而，这样的连续控制与ON/OFF控制相比能够将热膨胀维持恒定，因此能够减少由热膨胀引起的压力变动的影响。
作为输出控制部，只要能够基于来自温度信息提供部的温度信息用上升斜率控制电源的输出，就可以是任意的装置，例如能够使用由CPU、ROM、RAM、I/O等构成且电连接有操作部与显示部的装置。具体而言，能够使用如高速采样温度调节计那样的公知的PID温度控制装置。此外，这里，操作部由具备起动开关、启动开关等各种操作开关、触摸面板等的输入板等构成。从操作部输入的信息被发送至输出控制部。另外，显示部从输出控制部接收基于向输出控制部的输入或者基于在输出控制部的运算结果所得到的信息并显示该信息。这里，显示部由数字显示面板、灯等构成。
此外，对在上述的温度信息提供部中使用温度传感器实时获取第1构件11、第2构件12、电极的温度并向输出控制部提供第1构件11、第2构件12、电极的温度信息的情况进行了说明。但是，在使用通电扩散接合装置在相同环境中将相同材料的第1构件11和第2构件12接合的情况下，经过时间与第1构件11、第2构件12、电极的温度之间的关系为同样的结果。因此，如果预先获取了表示经过时间与第1构件11、第2构件12、电极的温度之间的关系的温度信息，则即使不使用温度传感器，也能够提供该温度信息。因此，温度信息提供部也可以是温度信息存储部，其存储有表示第1构件11、第2构件12、电极的经过时间与第1构件11、第2构件12、电极的温度之间的关系的温度信息。由此，输出控制部能够基于存储在温度信息存储部中的温度信息来控制电源的输出。温度信息存储部只要能够存储用于决定经过时间与电源的输出之间的关系的温度信息，就可以是任意的装置，例如可以使用公知的存储器等。
加压部用于向第1构件11和第2构件12的接合面施加压力。加压部的构成只要能够向第1构件11和第2构件12的接合面施加压力，就可以是任意的，例如可以由固定有电极的加压构件、用于驱动加压构件的驱动源、以及传递驱动源的驱动力，使加压构件上下移动的滚珠丝杠机构构成。
加压构件只要符合第1构件11和第2构件12的形状地形成即可，也可以在其间夹着与第1构件11和第2构件12的形状相符的中间构件。作为加压构件的材质，只要针对加压压力具有刚性，就可以是任意的材质，例如可以使用不锈钢、铜、钼、钨等金属。
此外，加压构件也可以具有用于对第1构件11和第2构件12进行冷却的冷却单元。作为冷却单元，只要能够对第1构件11和第2构件12进行冷却，就可以是任意的，例如能够设为使自来水等冷却流体在流路中循环的构成。该流路既可以设置于加压构件自身，也可以将形成有流路的冷却块与加压构件密接地配置。
驱动源例如能够使用带减速器的伺服马达。伺服马达附设有编码器，配置于架台。
滚珠丝杠机构包括如下构件：丝杠轴，其沿上下方向延伸，在外周面形成有螺纹槽；螺母，其在内周面形成有螺纹槽；以及多个滚珠，其收容在这些螺纹槽间。螺母隔着采用电木等形成的绝缘体及压力传感器固定在加压构件的上部。丝杠轴经由减速器与伺服马达的旋转轴连接。通过伺服马达进行旋转驱动，使丝杠轴旋转，螺母乃至加压构件相对于丝杠轴相对地上下移动。另外，伺服马达的驱动停止时，维持加压构件的位置。此时，加压部限制第1构件11和第2构件12的位移，对接合面施加压力。
另外，加压部也可以具有对接合面的压力进行检测的压力传感器。压力传感器例如是测量上下方向的压力的一轴的测压仪，但也可以使用多轴的压力传感器。通过压力传感器，能够间接地检测被施加于第1构件11和第2构件12彼此的接合面上的压力。
另外，加压部也可以还具有对第1构件11和第2构件12彼此的接合面施加弹力的弹力施加单元。例如，在配置有加压构件的基座部件与通电扩散接合装置的基台之间配置有弹力施加单元。作为弹力施加单元，例如由弹簧、以及用于在与基座构件之间将弹簧限制为比自由长度短的预先设定的长度的块体构成。此外，从被弹力施加单元上推的基座构件向第1构件11和第2构件12作用的压力能够通过更换弹簧来改变。通过采用这样的结构，即使第1构件11和第2构件12产生热膨胀或热收缩，也能够缓和作用于接合面的压力的急剧变化。
此外，对如上所述的作为加压部的构成进行了说明，但加压部只要是用于通过接合面对第1构件11和第2构件12彼此进行按压的装置，就可以是其他构成。例如，也能够使用仅在第1构件11和第2构件12上放置重物来对第1构件11和第2构件12彼此进行按压的方式。
另外，通电加热接合装置也可以还具有用于对施加于接合面的压力进行控制的压力控制部。压力控制部例如由CPU、ROM、RAM、I/O等构成且电连接有操作部与显示部。这里，操作部由具备起动开关、启动开关等各种操作开关、触摸面板等的输入板等构成。从操作部输入的信息被发送至压力控制部。另外，显示部从压力控制部接收基于向压力控制部的输入或者基于压力控制部的运算结果所得到的信息并显示该信息。这里，显示部由数字显示面板、灯等构成。此外，该压力控制部也能够使用与上述的输出控制部共通的装置。
另外，从编码器、压力传感器及温度传感器向压力控制部输入检测信号。压力控制部基于这些检测信号、从操作部输入的信息、以及存储在其存储部中的设定压力Ps、下限设定压力Ps1、设定温度Ts、设定保持时间Hs等控制信息，向电源及伺服马达输出控制信号。
这样，使用上述通电扩散接合装置进行的扩散接合，使第1构件11的接合面11a和第2构件12的接合面12a抵接，向第1构件11和第2构件12通电来进行加热。由此，能够在第1构件11和第2构件12的接合面生成扩散层13而进行接合。此外，为了尽量防止第1构件11、第2构件12的金属的组织变化，优选通电时间为90秒以下，进一步优选30秒以下。由此，能够使第1构件11和第2构件12的扩散层13的厚度为5μm以下。
Claims (14)
1.一种发动机阀，其具有彼此接合的第1构件和第2构件，所述发动机阀的特征在于，所述第1构件和所述第2构件经由5μm以内的扩散层接合。
2.根据权利要求1所述的发动机阀，其特征在于，
具有将所述第1构件和所述第2构件连通的中空部。
3.根据权利要求1或2所述的发动机阀，其特征在于，
所述扩散层的形状在所述第1构件和所述第2构件中的至少某一方形成为凸状。
4.根据权利要求3所述的发动机阀，其特征在于，
所述扩散层的形状在所述第1构件和所述第2构件中的电阻较高的一方形成为凸状。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的发动机阀，其特征在于，
所述第1构件采用第1金属形成，所述第2构件采用材质与所述第1构件不同的第2金属形成。
6.一种发动机阀的制造方法，该发动机阀包括彼此接合的第1构件和第2构件，所述发动机阀的制造方法的特征在于，
通过通电扩散接合将所述第1构件的接合面和所述第2构件的接合面接合。
7.根据权利要求6所述的发动机阀的制造方法，其特征在于，
将所述第1构件和所述第2构件中的至少某一方的接合面设为凸状。
8.根据权利要求7所述的发动机阀的制造方法，其特征在于，
将所述第1构件和所述第2构件中的电阻较低的一方的接合面设为凸状。
9.根据权利要求6～8中的任一项所述的发动机阀的制造方法，其特征在于，
所述通电扩散接合以用上升斜率控制电源输出的方式向所述第1构件和所述第2构件的接合面通电。
10.根据权利要求6～9中的任一项所述的发动机阀的制造方法，其特征在于，
在所述通电扩散接合中，向所述第1构件和所述第2构件通电的时间为90秒以下。
11.根据权利要求6～9中的任一项所述的发动机阀的制造方法，其特征在于，
在所述通电扩散接合中，向所述第1构件和所述第2构件通电的时间为30秒以下。
12.根据权利要求6～11中的任一项所述的发动机阀的制造方法，其特征在于，
所述第1构件采用第1金属形成，所述第2构件采用材质与所述第1构件不同的第2金属形成。
13.根据权利要求6～12中的任一项所述的发动机阀的制造方法，其特征在于，
所述扩散接合是对所述第1金属和所述第2金属的接合面通电，通过所述第1金属和所述第2金属的电阻发热而以固相进行扩散接合。
14.根据权利要求6～12中的任一项所述的发动机阀的制造方法，其特征在于，
所述扩散接合是对所述第1金属和所述第2金属的接合面通电，通过所述第1金属和所述第2金属的电阻发热而以液相进行扩散接合。
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