JP2000240504A - バルブシート付きシリンダヘッド - Google Patents

バルブシート付きシリンダヘッド

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JP2000240504A
JP2000240504A JP11046054A JP4605499A JP2000240504A JP 2000240504 A JP2000240504 A JP 2000240504A JP 11046054 A JP11046054 A JP 11046054A JP 4605499 A JP4605499 A JP 4605499A JP 2000240504 A JP2000240504 A JP 2000240504A
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JP
Japan
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valve seat
cylinder head
press
high frequency
valve
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JP11046054A
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English (en)
Inventor
Satoshi Kurihara
諭史 栗原
Akiyoshi Ishibashi
章義 石橋
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Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 バルブシートとシリンダヘッドとの接合強度
を高める。 【解決手段】 アルミ合金のシリンダヘッド(1,5)
に鉄系の焼結金属からなるバルブシート(2,6)を高
周波コイル(7)を用いて加熱接合させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、バルブシートの取
付を改良したバルブシート付きシリンダヘッドに関す
る。
【0002】
【従来の技術】図1に示すようにシリンダヘッド1に
は、吸排気用のバルブ3、3が配され、このバルブ3、
3が各ポート4、4とそのガス流通を制御する。各ポー
ト4、4にバルブシート2、2を埋込み、バルブ閉時バ
ルブ3、3とバルブシート2、2とが直接接触してい
る。自動車エンジンに使用されるバルブシート2、2
は、バルブ3、3の開閉による燃焼時のガスのシールと
バルブフェースからの熱伝達によるバルブの冷却の機能
をはたし、従来より、焼きばめや冷しばめなどの圧入法
により、ヘッド1に組付けられて使用されている。この
様な圧入法により組み付けられるバルブシートは、脱落
性の問題から強度および剛性の確保が必要であり、厚さ
や圧入深さが比較的大きく設定されている。これによ
り、シリンダヘッド側も強度を維持するために肉厚を厚
くしているため、バルブ間隔を大きくとる必要があり、
ポート径の設定に制約をあたえ、設計面でのマイナスと
なっている。また、圧入法によるバルブシートとシリン
ダヘッドは、接触面での熱抵抗が大きいため熱伝導性が
低下し、バルブシートの過熱による耐摩耗性の低下や変
形を引き起こすことになる。更に、バルブフェース面か
らの熱伝達が悪く、冷却効率が低下し、バルブの過熱に
よる破損等を引き起こすことになる。
【0003】これに対して、圧入法によるバルブシート
の問題を解決するための手段として、耐摩耗性や耐熱
性、耐腐食性といったバルブシートに要求される性能を
満たす材料の粉末をシリンダヘッドに肉盛するクラッド
法等が提案されている。これにより、バルブシート肉厚
を抑え、熱伝導性の向上が可能となるが、クラッド時に
アルミ合金材が再溶融凝固して発生したガスがクラッド
材凝固時に内部に残留して多数のガス巣となり、長時間
使用時にガス巣が繋がり、剥離、脱落する問題があり、
また、クラッド後の後加工部分が多いことからコストが
高く、品質上の問題を抱えている。
【0004】これとは別に、ワークへの通電による抵抗
熱と加圧タイミングの制御による抵抗溶接法が提案され
ているが、バルブシート材の大幅な硬度の変化や接合時
に生じるスラッジの後処理といった煩わしさがあり、界
面での電流密度の制御によって、ひけ巣等の欠陥が発生
することもあって、コストが高く、品質上の問題を抱え
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述した従
来技術の不具合を解消させることを解決すべき課題とす
る。本発明は、さらに、バルブシートを薄肉化させ、シ
リンダヘッドとバルブシートとの接合部の高強度と良好
な熱伝導性を保障し、材料の硬度変化を抑えた接合手段
によるバルブシート付きシリンダヘッドを提供すること
を解決すべき課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述した課題
を解決するために、基本的には、高周波加熱により、バ
ルブシートをシリンダヘッドのポートの縁に接合させた
シリンダヘッドを提供する。高周波数、高出力とするこ
とで、バルブシート材を融点以下、且つシリンダヘッド
材境界面温度を融点付近まで上昇させ、境界部を拡散接
合させる。
【0007】具体的には、本発明は、アルミ合金製のシ
リンダヘッドのバルブポートに、鉄を主成分とする焼結
合金からなるバルブシートを、圧入させた後、高周波加
熱により接合させたことを特徴とするバルブシート付き
シリンダヘッドを提供する。焼結合金として、Fe、C
を必須とし、W、Mo、Cr、Ni、Co、Cu等の何
れか一種類以上を含むものを用いることができる。
【0008】本発明によれば、従来の圧入法により作ら
れたものに比べて、バルブシートの耐脱落性、熱伝導性
が向上し、バルブシートの薄肉軽量化からエンジンシリ
ンダ内壁の薄肉化によるポート径拡大による吸排気の効
率の向上が図れる。また、接合による材料の硬度変化お
よび後処理工程を抑えることができ、製造性の向上も図
ることが可能となる。
【0009】
【発明の実施の形態】図2に示すようにシリンダヘッド
に対応する部材としての円柱体5をAC2Bのアルミ鋳
物を用いて作成した。円柱体5の中央貫通孔の縁に、F
e、C、、Cr、Mo、Co、Wを成分とする焼結合金
からなるバルブシート6を作成した。圧入代を0〜12
0μm の範囲として、中央貫通孔の縁にバルブシート6
を圧入した。
【0010】図2に示すバルブシート6の内周内側に、
内周部に冷却水を流した高周波コイル7を設定する。こ
の状態で、バルブシートとシリンダヘッド断面の温度勾
配が図3となるような出力条件において、所定の時間高
周波装置を作動させ、異種材界面部での結合を促し、金
属学的に接合させる。尚、図3に示すように、接触熱抵
抗によりバルブシート材6とAl系のシリンダヘッド材
5の界面で温度が降下するため、出力条件と処理時間に
より対応する。短時間で温度勾配を大きく持たせて温度
上昇させるために、少なくとも3kHz以上の高周波で行
う必要があり、また、周波数450kHz以上では、電波
法による漏洩電波制限の問題があるため、本例では周波
数400kHz程度を用いた。このようにして、最適時間
高周波処理したバルブシート6およびシリンダヘッド材
5は放冷により冷却する。一般的に高周波を用いた焼入
等では噴射水などによる急冷を行うが、バルブシート材
の温度が一時的に高温となっているため、急冷による急
激な熱収縮により、接合界面に剥離を生じる可能性があ
るため放冷による冷却とする。
【0011】バルブシート6に、Cu系のめっき処理を
するとよい。勿論、Cu溶浸を行なってもよい。これ
は、焼結合金を封孔し、熱伝導性を向上させるととも
に、シリンダヘッドへの接合強度を高める働きがある。
【0012】図4に示す装置を用いてバルブシート6の
剥離テストをした。同装置は、シリンダヘッド相当の円
柱体5をベース台11にのせ、ステム8をバルブシート
6の縁に当接させた状態でボール9を介してプランジャ
10により負荷を加える。この結果を図5に示す。尚、
比較材は同材質のもので高周波処理することなく、従来
技術による圧入のみにより、バルブシート6を円柱体5
に取付けたものである。供試体のバルブシート6は、周
波数400kHzを用いて処理した前述の例によるもので
ある。高周波を繰返しパルスにより加えるときには、パ
ルス数の多い方が接合強度を高め得る。
【0013】実施例に用いた焼結合金を用いて、従来の
圧入法および抵抗溶接法により、バルブシートをシリン
ダヘッドに組み付けたときの、バルブシート材とシリン
ダヘッド材の硬度を図6に示す。これによると、本発明
である高周波接合法によるバルブシート材の処理後にお
ける硬度変化は、他の接合法に比べて小さく、従来から
バルブシート材として用いられている材料の特性を損な
うことなく使用が可能となる。また、シリンダヘッド側
の熱影響による強度の低下を抑えることができる。
【0014】本発明の接合法によるものは、十分な強度
を持って金属学的に接合していることで、従来の圧入法
に比べ強度が向上し、耐脱落性が向上している。また、
金属学的に接合しているため、熱伝導性も向上する。こ
れにより、バルブシートの薄肉軽量化が可能となり、エ
ンジンシリンダ内壁の薄肉化、ポート径拡大等による吸
排気の効率向上が図ることが可能となる。また、他の接
合法に比べて、処理時におけるガス巣等の欠陥の発生も
なく、材料への熱影響を抑えることができる。更に、二
次生成物の除去のための大幅な加工代等を必要としない
ため、後処理工程が不要となり、製造性も良好である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるシリンダヘッドの断面図の一例
である。
【図2】本発明に係わる接合法の実施法を示す一例図で
ある。
【図3】バルブシートおよびシリンダヘッドの断面の温
度勾配を示すグラフ図の一例である。
【図4】本発明に係わる接合法の強度の測定方法の一例
図である。
【図5】本発明に係わる接合法の高周波処理時間と接合
強度の関係データを示した図である。
【図6】バルブシートとシリンダヘッドの硬度変化を示
す図である。
【符号の説明】
1、5 シリンダヘッド 2、6 バルブシート 7 高周波コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F01L 3/02 F01L 3/02 F H 3/22 3/22 B // B23K 13/01 510 B23K 13/01 510 B23K 103:16 103:20 Fターム(参考) 3G016 AA05 AA15 BA02 BA05 CA12 EA02 EA10 FA22 FA29 FA33 GA01 GA02 GA06 3G024 AA14 AA15 EA01 FA00 FA06 FA13 FA14 GA01 GA08 GA18 GA31 GA32 HA03 HA07 HA20 4E067 AA02 AA05 AD09 BH02 DC01 DC05 4K018 AA25 JA09 KA08

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルミ合金製のシリンダヘッドのバルブ
    ポートに、鉄を主成分とする焼結合金からなるバルブシ
    ートを、圧入させた後、高周波加熱により接合させたこ
    とを特徴とするバルブシート付きシリンダヘッド。
  2. 【請求項2】 バルブシートにCu系のめっき処理をし
    ていることを特徴とする請求項1記載のバルブシート付
    きシリンダヘッド。
  3. 【請求項3】 バルブシートとシリンダヘッドとの界面
    に鉄とアルミの拡散層が形成されている請求項1又は2
    記載のバルブシート付きシリンダヘッド。
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