JP2002242621A

JP2002242621A - バルブシート形成用電極とこれを用いたバルブシート形成方法

Info

Publication number: JP2002242621A
Application number: JP2001041075A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kobayashi; 雅彦小林
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2001-02-19
Publication date: 2002-08-28
Anticipated expiration: 2021-02-19
Also published as: JP3832719B2

Abstract

(57)【要約】【課題】バルブシートフェイス面全体に均一な合金層
を形成するバルブシートの形成用電極と、これを用いた
バルブシート形成方法を簡単でかつ低コストで提供する
ことを目的とする。【解決手段】先端部の外周に、バルブシート形成面と
対応した傾斜面を設けたことを特徴とする、バルブシー
ト形成用電極を提供する。前記先端部が、円筒状に形成
されていることが好ましい。バルブシート形成面に含ま
れる元素と反応して、金属間化合物や合金を形成できる
金属を含む材料を用いて形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリンダーブロッ
クの頭部に一体化されてエンジン本体を構成するシリン
ダヘッドのバルブシートを形成するためのバルブシート
形成用電極と、これを用いたバルブシートを形成する方
法に関する。さらに詳細には、本発明は、アルミ合金製
シリンダヘッドのバルブシートの形成用電極とバルブシ
ート形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のバルブシートは、図５（ａ）に示
すように、シリンダヘッド１００にバルブシートリング
１０１を圧入した構造になっている。この構造によっ
て、シリンダヘッド１００と、バルブシートフェース面
１０３を有するバルブシート１０１との間に空気の断熱
層が生じている。この空気の断熱層によって、バルブシ
ート１０１からシリンダヘッド１００への熱の伝導が妨
げられている。このため、バルブシート１０１の温度が
上昇し、バルブシート１０１の耐熱摩耗性が低下してい
た。さらに同様に、バルブ１０２からバルブシート１０
１への熱の伝導と、バルブシート１０１からシリンダヘ
ッド１００への熱の伝導も、空気の断熱層により妨げら
れる。このため、バルブ１０２の温度も上昇し、正常な
点火、爆発を害することがあった。

【０００３】従来、この空気の断熱層の問題を解決する
ために、電気めっきや溶射によるバルブシート１０１を
形成する試みもされている。しかし、電気めっきや溶射
は、シリンダヘッド１００のアルミ母材との密着性が悪
いことから、バルブ１０２から受ける衝撃により剥離す
るという問題がある。

【０００４】また、他のバルブシート形成方法として、
図５（ｂ）に示すように、シリンダヘッド２００のバル
ブ２０２が当たる部分であるバルブシート形成面２０４
にレーザ肉盛による合金層を形成することにより、バル
ブシートリングを圧入しないでバルブシート形成を行う
ことも開発されている（特許番号第２９６４８１９
号）。しかし、このレーザ肉盛によるバルブシート２０
１の形成法は、レーザ照射点をシート形状に沿って円運
動させてリング状の合金層を形成するため、レーザ照射
の開始点と終了点とが重なる。このため、バルブシート
フェース面２０３を構成する均一な合金層が得られにく
いという問題がある。さらに、照射中のシリンダヘッド
２００のアルミ母材の場所ごとの温度が変化するため、
同じ出力でレーザ照射を行うと、合金層の溶け込み方に
差が生じるという問題がある。また、レーザ肉盛法を利
用したバルブシート２０１の形成方法を実施する装置は
構造が複雑であり、しかも施工が困難であるため、イニ
シャルコストが高いという問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題を
鑑みてなされたものであり、従来からの技術上の問題点
であるバルブシートフェイス肉盛層の不均一をなくし、
バルブシートフェース面全体に均一な合金層を形成する
ためのバルブシートの形成用電極と、これを用いたバル
ブシート形成方法を簡単でかつ低コストで提供すること
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、本発明にかかるバルブシート形成用電極は、先端部
の外周に、バルブシート形成面と対応した傾斜面を設け
たことを特徴とする、好適には、この電極の先端部が、
円筒状に形成されていることが好ましい。本発明にかか
るバルブシート形成用電極は、バルブシート形成面に含
まれる元素と反応して、金属間化合物や合金を形成でき
る金属を含む材料を用いて形成できる。本発明にかかる
バルブシート電極は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚ
ｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａ、ＣｏおよびＮｉからなるグ
ループから選択される一以上の金属を含む材料を用いて
形成できる。好ましくは、本発明にかかるバルブシート
形成用電極は、これらの金属の材料に加え、Ａｌ、Ｚ
ｎ、ＳｎおよびＣｕからなるグループから選択される一
以上の金属を含む材料をさらに用いて形成することが好
適である。

【０００７】本発明は、上記に挙げたバルブシート形成
用電極を用い、この電極の先端部の傾斜面をバルブシー
ト形成面に対峙して配置し、この電極の先端部とバルブ
シート形成面とを油液中に浸漬させ、この電極の先端部
とバルブシート形成面との間で油中放電し、電極の成分
である金属と油中の溶融成分とを反応させてバルブシー
トを形成できる。好適には、上記の油中放電の条件が、
パルス幅を８〜１０２４マイクロ秒にし、放電電流を
０．０３〜０．０８Ａ／ｍｍ²にし、デューティ比を
０．０３〜０．５にしたことが好ましい。また、油中の
溶融成分が炭素原子であることが好ましい。放電条件の
ひとつのデューティ比とは、１サイクル（パルス通電時
間と無通電時間）におけるパルス通電時間の割合であ
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に、図面にもとづいて、本発明
にかかるバルブシート形成用電極と、これを用いたバル
ブシート形成方法との好適な実施の形態を説明する。

【０００９】図１は、本発明にかかるバルブシート形成
用電極の一実施の形態を示している。本実施の形態のバ
ルブシート形成用電極１は棒状に形成されている。この
バルブシート形成用電極１の先端部２の外周には、シリ
ンダヘッド４のバルブシート形成面５と対応した傾斜面
３が設けられている。この先端部２の傾斜面３は、バル
ブシート形成面５と実質的に同じ傾きで傾斜をするよう
に、先端部２の先端に向かうにつれて先細りするように
傾斜されている。

【００１０】なお、本実施の形態のバルブシート形成用
電極１は、シリンダヘッド４を形成する金属と反応し
て、金属間化合物や合金を形成する金属粉体で形成され
ている。例えば、シリンダヘッド４がアルミ合金性であ
る場合、バルブシート形成用電極１は、シリンダヘッド
４の主成分であるアルミニウム合金と炭化して硬質の炭
化物を生成する金属（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚ
ｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｎｉなどや、これら
の一以上の金属の混合物の金属）の粉体を混合して作成
されている。本実施の形態のバルブシート形成用電極１
は、バルブシートを形成するときに放電を行う放電装置
（図に示さず）に電気的につながっている。この放電装
置は、アルミニウム合金製シリンダヘッド４とも電気的
につながっている。つまり、この放電装置には２つの電
極が備えられている。ひとつの電極としてはバルブシー
ト形成用電極１が用いられており、またもうひとつの電
極としてはシリンダヘッド４が用いられている。

【００１１】次に、本実施の形態にかかるバルブシート
形成用電極１を用いたバルブシート形成方法を説明す
る。図１のように、バルブシート形成用電極１の先端部
２の傾斜面３を、アルミニウム合金製シリンダヘッド４
のバルブシート形成面５に対峙して配置する。そして、
バルブシート形成用電極１の先端部２とバルブシート形
成面５とを油液中に浸漬させる。次にバルブ形成用電極
１の先端部２とバルブシート形成面５との間で油中放電
６をさせる。この油中放電６よる放電エネルギーによっ
て、バルブシート形成用電極１中の圧粉体などの金属成
分が溶融する。この溶融した金属成分と、油液中に溶融
させた炭素原子とが反応して硬質の炭化物ができる。こ
の炭化物が、バルブシート形成面５の全面に炭化物形成
と同時に固着され、バルブシート形成面５の全面に金属
炭化物を含んだ耐摩耗性に優れ、均一に積層してなる積
層膜７ができる。その後、バルブシート形成面５に形成
された積層膜７を必要な形状および表面粗さであるシー
ト形状に仕上げ加工してバルブシートとして用いる。こ
のようにして、本発明にかかるバルブシート形成用電極
１を用いた油中放電によって、バルブシート形成面５の
全面に均一な合金層である積層膜７のバルブシート８を
形成できる。

【００１２】さらに、シリンダヘッド４のアルミ母材で
できたバルブシート形成面５と、このバルブシート形成
面５に形成された積層膜７との密着性確保のため、バイ
ンダーとなるＡｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕを圧粉体電極であ
るバルブシート形成用電極１に添加してもよい。このバ
インダーをバルブシート形成用電極１に添加したときに
得られる積層膜７は、積層膜７のバルブシート形成面５
の垂直方向（積層膜７の成長方向）で組成が変化する。
シリンダヘッド４のアルミ母材に近いところの積層膜７
においてはバインダーとなる金属成分の割合が高く、積
層膜７の表面にいくにしたがい硬質の炭化物の割合が高
くなる。この結果、バルブシート８は、積層膜７の表面
とバルブ（図に示さず）との界面での密着性に優れると
同時に耐摩耗性にも優れている。また、バルブシート８
は、シリンダヘッド４の母材であるアルミニウム材との
熱膨張係数の違いによる熱応力の発生も少ないため、バ
ルブ（図に示さず）からの衝撃に対し充分に耐える性能
を持つ。

【００１３】次に、本発明にかかるバルブシート形成用
電極とこれを用いたバルブシート形成方法の他の実施の
形態について説明する。図２は、本発明にかかるバルブ
シート形成用電極の他の実施の形態を示している。図２
に示すように、本実施の形態にかかるバルブシート形成
用電極２０は、バルブシート形成用電極２０の先端部２
１が円筒状に形成されている点で、上述の実施の形態で
あるバルブシート形成用電極１と異なる。すなわち、バ
ルブシート形成用電極２０の先端部２１の中心部が空間
部２７になっている。バルブシート形成用電極２０にお
ける他の構造は、上述のバルブシート形成用電極１と同
じである。

【００１４】図２に示すように、本実施の形態のバルブ
シート形成用電極２０は棒状に形成されている。このバ
ルブシート形成用電極２０の先端部２の外周には、シリ
ンダヘッド２４のバルブシート形成面２５と対応した傾
斜面２３が設けられている。この先端部２１の傾斜面２
３は、バルブシート形成面２５と実質的に同じ傾きで傾
斜をするように、先端部２の先端に向かうにつれて先細
りするように傾斜されている。バルブシート形成用電極
２０の先端部２１が空間部２７を設けた円筒状に形成さ
れている。このような先端部２１を円筒形状することで
歩留まりが良くなる。

【００１５】なお、本実施の形態のバルブシート形成用
電極２０は、シリンダヘッド２４を形成する金属と反応
して、金属間化合物や合金を形成する金属粉体で形成さ
れている。例えば、シリンダヘッド２４がアルミ合金性
である場合、バルブシート形成用電極２０は、シリンダ
ヘッド２４の主成分であるアルミニウム合金と炭化して
硬質の炭化物を生成する金属（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、
Ｍｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｎｉなど
や、これらの一以上の金属の混合物の金属）の粉体を混
合して作成されている。本実施の形態のバルブシート形
成用電極２０は、バルブシートを形成するときに放電を
行う放電装置（図に示さず）に電気的につながってい
る。この放電装置は、アルミニウム合金製シリンダヘッ
ド２４とも電気的につながっている。つまり、この放電
装置には２つの電極が備えられている。ひとつの電極と
してはバルブシート形成用電極１が用いられており、ま
たもうひとつの電極としてはシリンダヘッド２４が用い
られている。

【００１６】次に、本実施の形態にかかるバルブシート
形成用電極２０を用いたバルブシート形成方法を説明す
る。図２のように、バルブシート形成用電極２０の先端
部２１の傾斜面２３を、アルミニウム合金製シリンダヘ
ッド２４のバルブシート形成面２５に対峙して配置す
る。そして、バルブシート形成用電極２０の先端部２１
とバルブシート形成面２５とを油液中に浸漬させる。次
にバルブ形成用電極２０の先端部２１とバルブシート形
成面２５との間で油中放電２６をさせる。この油中放電
２６よる放電エネルギーによって、バルブシート形成用
電極２０中の圧粉体などの金属成分が溶融する。この溶
融した金属成分と、油液中に溶融させた炭素原子とが反
応して硬質の炭化物ができる。この炭化物が、バルブシ
ート形成面２５の全面に炭化物形成と同時に固着され
る。バルブシート形成面２５全体に金属炭化物を含んだ
耐摩耗性に優れる均一に積層してなる積層膜２８ができ
る。その後、積層膜２８を必要な形状、表面粗さを有す
るシート形状に仕上げ加工してバルブシートとして用い
る。このようにして、本発明にかかるバルブシート形成
用電極２０を用いた油中放電２６によって、バルブシー
ト形成面２５の全面に均一な合金層である積層膜２８の
バルブシート２９を形成できる。

【００１７】さらに、シリンダヘッド２４のアルミ母材
でできたバルブシート形成面２５と、このバルブシート
形成面２５上に形成された積層膜２８との密着性確保の
ため、バインダーとなるＡｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕを圧粉
体電極であるバルブシート形成用電極２０に添加しても
よい。このバインダーをバルブシート形成用電極２０に
添加したときに得られる積層膜２８は、積層膜２８のバ
ルブシート形成面２５の垂直方向（積層膜２８の成長方
向）で組成が変化する。シリンダヘッド２４のアルミ母
材に近いところの積層膜２８においてはバインダーとな
る金属成分の割合が高く、積層膜２８の表面にいくにし
たがい硬質の炭化物の割合が高くなる。この結果、バル
ブシート２９は、積層膜２８の表面とバルブ（図に示さ
ず）との界面での密着性に優れると同時に耐摩耗性にも
優れる。また、バルブシート２９は、シリンダヘッド２
４の母材であるアルミニウム材との熱膨張係数の違いに
よる熱応力の発生も少ないため、バルブ（図に示さず）
からの衝撃に対し充分に耐える性能を持つ。

【００１８】また、バルブシート形成用電極２０の先端
部２１に空間部２７を設け、円筒形にしたことによっ
て、先端部２１とバルブシート形成面２５と間で、先端
部２１の傾斜面２３以外からの余分な放電も無くなる。
この結果、以前はバルブシート形成用電極２０の先端部
２１の先端（特に本実施の形態の空間部２７を設けた部
分）からも、バルブシート形成面２５へ放電してしま
い、必要な部分以外のバルブシート２９の積層膜２８が
できていたが、不必要な部分への積層膜２８の生成をな
くすことができる。

【００１９】

【実施例】アルミニウム合金であるＪＩＳＡＣ４Ｃ製
シリンダヘッドのバルブシート形成面５をシートフェイ
ス形状に加工した。次に、、Ｔｉ−Ａｌ（４７ａｔｍ
％：原子比でアルミニウムが４７％）の混合金属粉体か
らできた圧粉体電極であるバルブシート形成用電極１の
先端部２の傾斜面３をバルブシート形成面５に対峙して
配置させた。次に、バルブシート形成用電極１の先端部
２の傾斜面３と、バルブシート形成面５とを油液として
灯油中に浸漬させた。そして、バルブシート形成用電極
１の先端部２の傾斜面３と、バルブシート形成面５と間
で油中放電６をさせた。

【００２０】ここでの放電は、以下の表１に示すよう
に、パルス時間を８〜１０２４μ秒、デューティー比を
０．０３〜０．５、放電電流を０．０３〜０．５Ａ／ｍ
ｍ²にした放電条件において行った。

【表１】

【００２１】この油中放電６よる放電エネルギーによっ
て、バルブシート形成用電極１中の金属成分が溶融し
た。この溶融したＴｉおよびＡｌの金属成分と、灯油中
に溶融させた炭素原子とが反応して硬質の炭化チタンを
主成分とする炭化物ができた。この炭化物が、バルブシ
ート形成面５の全面に炭化チタンを主成分とする炭化物
形成と同時に固着された。バルブシート形成面５全体に
炭化チタンを主成分とする金属炭化物を含んだ耐摩耗性
に優れる均一に積層した積層膜７ができた。その後、積
層膜７を所定の形状、表面粗さのシート形状に仕上げ加
工してバルブシートとして用いた。

【００２２】次に、積層膜７の形成において放電条件で
あるパルス幅の最適値について説明する。図３は放電条
件であるパルス幅を変化させたときのＴｉＣの強度を示
したグラフである。ＴｉＣの強度の測定には、エックス
線回折を利用して測定した。縦軸は強度（エックス線の
計数管で測定された一分間あたりのカウント数）すなわ
ち積層膜７での濃度を示し、横軸はブラック角θ（度）
を示す。放電条件のひとつであるパルス幅を図３
（ａ）は５１２μｓ、図３（ｂ）は３２μｓ、図３
（ｃ）は８μｓのように変化させて行った。なお、図３
（ｄ）のピークは純ＴｉＣのピーク、図３（ｅ）のピー
クは純アルミニウムのピーク、図４（ｆ）のピークは純
シリコンのピークを示し、同定時のレファレンスとして
用いられた。パルス幅以外の放電は、表１で示された範
囲のデューティー比を０．０６にし、放電電流を０．０
６Ａ／ｍｍ²を一定にした放電条件で行った。図３の
（ａ）〜（ｃ）に示したようにパルス幅を長くした方が
ＴｉＣの割合が高くなり、バルブシート８の積層膜７は
より硬い皮膜となった。しかし、逆にＴｉＣの割合が高
くなると、脆性化してしまう欠点もある。このように鋭
意研究の結果、本発明の実施の形態によれば、パルス幅
により得られる積層膜７の性質を制御できることを見出
した。

【００２３】次に、積層膜７の形成において放電条件で
ある放電電流の最適値について説明する。放電電流は、
施工するバルブシート形成面５の面積に応じて電流値を
調節する必要がある。放電電流値が大きすぎると放電エ
ネルギーが大きすぎて、緻密な積層膜７を得にくい。ま
た、放電電流値が小さすぎると、圧粉体電極であるバル
ブシート形成用電極１とバルブシート形成面５との間で
局所的な放電状態になり均一な積層膜７が得られない。
よって鋭意研究の結果、バルブシート形成時には、放電
条件の範囲である表１の範囲が望ましいことが分かっ
た。

【００２４】以上述べたように、パルス幅を８〜１０２
４μｓにし、放電電流を０．０３〜０．０８Ａ／ｍｍ²
にし、デューティ比を０．０３〜０．５にする条件で放
電することが好ましいことが分かった。

【００２５】図４は、バルブシート形成面５上に形成さ
れた積層膜７の断面のＥＰＭＡ（ｅｌｅｃｔｒｏｎｐ
ｒｏｂｅｍｉｃｒｏａｎａｌｙｚｅｒ:電子線プロー
ブマイクロアナライザー）分析結果を示したグラフであ
る。図４中の横軸のｌ領域は形成されたバルブシート８
の積層膜７を、ｍ領域はシリンダヘッド４のアルミ母材
の領域を示す。縦軸はある元素の割合を示す。バルブシ
ート形成面５の積層膜（ｌ領域）において、積層膜７の
アルミ母材（ｍ領域）の近傍、すなわちバルブシート形
成面５の近傍ではアルミニウムの割合が高く、積層膜７
の表面（グラフの左方向）になるに従い、Ｔｉの割合が
高くなっていた。積層膜７中のアルミニウムの割合が高
くなると、同じアルミニウム合金のバルブシート形成面
５との親和がよく密着性が良くなり、バルブシート形成
面５からはがれにくくなる。また、一般にＴｉの割合が
高くなると、硬くなり、耐摩耗性、耐サーマルショック
性に優れた層になる。このＴｉの割合が高くなっている
のは、積層膜７の表面である。この層における変化した
組成が積層膜７を有するバルブシート８とバルブとの優
れた密着性、耐摩耗性、耐サーマルショック性の原因と
考えられる。

【００２６】

【発明の効果】このようにして、従来からの技術上の問
題点であるバルブシートフェイス肉盛層の不均一をなく
し、バルブシートフェース面全体に均一でかつ耐摩耗性
のあるバルブシートが形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかるバルブシート形成
用電極とこれを用いたバルブシート形成方法を示した断
面図である。

【図２】本発明の他の実施の形態にかかるバルブシート
形成用電極とこれを用いたバルブシート形成方法を示し
た断面図である。

【図３】本発明の実施の形態にかかるバルブシート形成
用電極の放電時のパルス幅と、形成されたバルブシート
のＴｉＣ強度との関係を示した線図である。

【図４】本発明の実施の形態にかかるバルブシート形成
用電極で形成されたバルブシートの積層膜の組成変化を
示したグラフである。

【図５】（ａ）従来のバルブシートリングを圧入したバ
ルブシートを示す断面図である。（ｂ）従来のレーザ肉盛によって形成されたバルブシー
トを示す断面図である。

【符号の説明】

１バルブシート形成用電極２先端部３傾斜面４シリンダヘッド５バルブシート形成面６放電７積層膜８バルブシート２０バルブシート形成用電極２１先端部２３傾斜面２４シリンダヘッド２５バルブシート形成面２６放電２７空間部２８積層膜２９バルブシート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端部の外周に、バルブシート形成面と
対応した傾斜面を設けたことを特徴とする、バルブシー
ト形成用電極。
【請求項２】前記先端部が、円筒状に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のバルブシート形成用
電極。
【請求項３】バルブシート形成面に含まれる元素と反
応して、金属間化合物や合金を形成できる金属を含む材
料を用いて形成した請求項１または２に記載のバルブシ
ート形成用電極。
【請求項４】Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｍ
ｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａ、ＣｏおよびＮｉからなるグループ
から選択される一以上の金属を含む材料を用いて形成し
た請求項１〜３のいずれかに記載のバルブシート形成用
電極。
【請求項５】Ａｌ、Ｚｎ、ＳｎおよびＣｕからなるグ
ループから選択される一以上の金属を含む材料をさらに
用いて形成した請求項４に記載のバルブシート形成用電
極。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかのバルブシート
形成用電極を用い、該電極の先端部の傾斜面をバルブシ
ート形成面に対峙して配置し、前記電極の先端部とバル
ブシート形成面とを油液中に浸漬させ、前記電極の先端
部と前記バルブシート形成面との間で油中放電し、前記
電極の成分である金属と油中の溶融成分とを反応させて
バルブシートを形成するバルブシート形成方法。
【請求項７】前記油中放電の条件が、パルス幅を８〜
１０２４マイクロ秒にし、放電電流を０．０３〜０．０
８Ａ／ｍｍ²にし、デューティ比を０．０３〜０．５に
したことを特徴とする請求項６に記載のバルブシート形
成方法。
【請求項８】前記油中の溶融成分が炭素原子であるこ
とを特徴とする請求項６または７に記載のバルブシート
形成方法。