JP2005299549A - バルブシート付シリンダヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブシート付シリンダヘッドの製造歩留まりを向上させるとともに、バルブシート耐久性を向上させる。
【解決手段】鋳造加工されたシリンダヘッドに対し、先ず、溶体化処理を施す。次に、レーザ肉盛によって肉盛部を設け、その後、前記肉盛部が設けられたシリンダヘッドに対して時効処理を施す。この時効処理によって、肉盛部の引張残留応力が著しく低減される。さらに、前記肉盛部に対して機械加工を施し、所定寸法・形状のバルブシートとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダヘッドの孔部の開口に形成されたシート面に、金属粉末を原材料とするバルブシートを設けるバルブシート付シリンダヘッドの製造方法に関する。

自動車の内燃機関を構成するシリンダヘッドの穴部には、前記内燃機関の運転に伴って、バルブが繰り返し摺接する。このため、該穴部に耐摩耗性を付与するべく、該穴部の端面にバルブシートを設けることが一般的に行われている。

従来、バルブシートは、リング状の焼結体を前記穴部に圧入することによって設けられているが、近年、穴部端面に金属の粉末を供給しながら、この粉末に沿って環状に走査されるレーザで溶融し、自然冷却によって固化させて肉盛部を設け、該肉盛部を所定形状に機械加工することによってバルブシートとすることが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。レーザ肉盛と呼称される工程を有するこの製造方法では、バルブシートがシリンダヘッドに冶金的に接合するので、接合強度が大きくなる。このため、バルブシートからシリンダヘッドへの熱伝達の効率が向上し、その結果、バルブへの熱負荷が低減するので、内燃機関の耐久性や出力性能が向上するという利点がある。

特公平２−５８４４４号公報 特開平１１−３３３５７４号公報

レーザ肉盛によってバルブシート付シリンダヘッドを製造するに際しては、特許文献２にも記載されているように、鋳造加工された後、洗浄、切削されたシリンダヘッドに対して溶体化処理、時効処理等の各種熱処理を施し、次に、肉盛部を設け、さらに、この肉盛部に対して切削加工等の機械加工を施してバルブシートとする手順で行うことが一般的である。

しかしながら、シリンダヘッドの材質をアルミニウム合金とした場合、上記の手順でバルブシート付シリンダヘッドを作製しようとすると、肉盛部に対して機械加工を施している最中や、自動車車体に搭載する最中に肉盛部ないしバルブシートにクラックが発生することがある。このような事態が生じた場合、当然にバルブシートの耐摩耗性が小さくなるので、内燃機関の耐久性や出力性能が比較的乏しくなるという不具合を招くため、製品として供することができない。

すなわち、シリンダヘッドがアルミニウム合金製であるバルブシート付シリンダヘッドを従来技術に係る製造方法で製造した場合、該バルブシート付シリンダヘッドの製造歩留まりが小さくなるという不具合がある。

また、機械加工を施す最中や自動車車体に搭載する最中にクラックが生じなかったバルブシートであっても、内燃機関の運転に伴う耐久性が懸念される。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、肉盛部ないしバルブシートにクラックが発生することを回避することが可能であり、このためにバルブシート付シリンダヘッドの製造歩留まりを向上させることが可能で、しかも、耐久性の高いバルブシートを有するバルブシート付シリンダヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、アルミニウム合金からなるシリンダヘッドの孔部の開口に形成されたシート面に、溶融した金属粉末を固化させることによってバルブシートを設けるバルブシート付シリンダヘッドの製造方法において、
シリンダヘッドに対して溶体化処理を施す工程と、
溶体化処理された前記シリンダヘッドの溝部に、銅合金となる粉末を供給しながらレーザ光を照射することによって前記金属粉末を溶融及び固化させ、肉盛部とする工程と、
前記肉盛部が形成された前記シリンダヘッドに対して時効処理を施す工程と、
前記肉盛部に対して機械加工を施し、銅合金からなるバルブシートとする工程と、
を有することを特徴とする。

すなわち、本発明においては、肉盛部が設けられた後に時効処理が行われる。肉盛部を設けた後に時効処理を施すことによって、レーザ肉盛時に固化する肉盛部に残留した引張残留応力が著しく低減する。このため、該肉盛部に対して機械加工を施す際においても、該肉盛部にクラックが発生することが著しく困難となる。従って、バルブシート付シリンダヘッドの製造歩留まりを向上させることができる。

勿論、この肉盛部に対して機械加工が施されることによって設けられたバルブシートにおいても、クラックが発生し難い。すなわち、耐久性の高いバルブシートを有するバルブシート付シリンダヘッドを得ることができる。

しかも、この場合、シリンダヘッドとバルブシートとの接合部には、合金層が形成される。換言すれば、バルブシートがシート面に冶金的に接合する。このため、該接合部の接合強度が著しく大きくなり、結局、シート面からバルブシートを脱落し難くすることもできる。

なお、本発明において、肉盛部が設けた後に行われる時効処理は、加熱を伴う人工時効である。

時効処理時の温度は、シリンダヘッドとバルブシートとの接合部に形成される合金層の融点に比して低温とすることが好ましい。融点以上として時効処理を行うと、合金層が一旦溶融する。その後に再固化する際に収縮を伴うので、合金層に引張圧縮応力が残留し易くなる。この場合、機械加工を施す等の際、接合部にクラックが発生することが懸念されるからである。

本発明によれば、レーザ肉盛によって肉盛部をシリンダヘッドのシート面に設けた後、該シリンダヘッドに対して時効処理を施すようにしている。この時効処理の際に肉盛部の引張残留応力が低減されるので、その後に該肉盛部に対して機械加工を施す等の際、該肉盛部にクラックが発生し難くなる。このため、バルブシート付シリンダヘッドの製造歩留まりを向上させることができる。

また、前記肉盛部に対して機械加工が施されることによって設けられたバルブシートにおいてもクラックが発生し難いので、耐久性の高いバルブシートを有するバルブシート付シリンダヘッドを構成することができる。

以下、本発明に係るバルブシート付シリンダヘッドの製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

本実施の形態に係るバルブシート付シリンダヘッドの製造方法をフローチャートにして図１に示す。この製造方法は、鋳造加工によって作製されたシリンダヘッドに対して溶体化処理を施す第１工程Ｓ１と、前記シリンダヘッドのシート面に肉盛部を設ける第２工程と、前記シリンダヘッドに対して時効処理を施す第３工程Ｓ３と、前記肉盛部をバルブシートとする第４工程Ｓ４とを備える。

先ず、鋳造加工によって、図２にその要部を拡大して示すシリンダヘッド１０を設ける。すなわち、アルミニウム合金の溶湯を鋳造加工装置のキャビティに導入した後に冷却固化して、シリンダヘッド１０を作製する。そして、バリを切削除去したり、給排気用バルブ孔１２（穴部）の開口近傍をテーパ状に拡径してシート面１４を設ける等の加工を施し、シリンダヘッド１０を所定の形状とする。

次に、第１工程Ｓ１において、前記シリンダヘッド１０に対して溶体化処理を施す。すなわち、アルミニウム合金の構成元素が均一固溶体となる温度、具体的には、５１０〜５３０℃程度に加熱して合金元素を固溶させ、一定時間の保持の後に急冷する。この熱処理により、常温であっても構成元素が固溶体として存在するシリンダヘッド１０が得られる。なお、保持時間は、例えば、数十分程度とすればよい。

次に、第２工程Ｓ２において、図２に示すように、シリンダヘッド１０に設けられた前記シート面１４に、レーザ肉盛によって肉盛部１６を設ける。

この場合、シリンダヘッド１０は４気筒型内燃機関用であり、図２に示される４個の給排気用バルブ孔１２は、各気筒毎に設けられている。これら給排気用バルブ孔１２の各開口には、上記したように、該開口をテーパ状に拡径するように形成されたシート面１４が存在する。換言すれば、シート面１４は、テーパ面を有する円環溝である。

このシート面１４に、フィーダ１８を介して原材料粉末２０を供給しながら、図示しない半導体レーザ照射源からレーザ光Ｌを照射する。原材料粉末２０は、このレーザ光照射によって溶解し、液相と固相とが混在するスラリーとなる。なお、前記半導体レーザ照射源は、レーザ光Ｌを照射すると同時に、シールドガス（図示せず）としての不活性ガスを噴出することが可能である。

ここで、原材料粉末２０としては、例えば、銅粉末及びニッケル粉末を主成分とし、且つ溶融した後に冷却固化すると銅合金となる組成の混合金属粉を選定すればよい。又は、銅合金の粉末を選定するようにしてもよい。

フィーダ１８及び前記半導体レーザ照射源の双方をシート面１４に沿って円環状に走査すると、シート面１４全体にわたって原材料粉末２０が順次供給され、その後、レーザ光Ｌの作用下に迅速に溶融されてスラリーとなる。その一方で、前記半導体レーザ照射源が移動してレーザ光Ｌが照射されなくなった部位ではスラリーの冷却固化が起こり、これにより肉盛部１６が形成される。

そして、この際、肉盛部１６の下端部とシート面１４とが冶金的に接合するとともに、該接合部に、肉盛部１６とシート面１４の各構成元素を含む合金層が生成する。

以上のようにして形成された肉盛部１６の表面には、第２工程Ｓ２が終了した時点で、引張残留応力が残留する。すなわち、この肉盛部１６には、該肉盛部１６を収縮させようとする比較的大きな応力が作用する。この理由は、溶融した原材料粉末２０が冷却固化する際に収縮しようとするのに対し、該肉盛部１６が冶金的に接合したシート面１４（シリンダヘッド１０）が収縮することがほとんどなく、このために肉盛部１６が収縮することが妨げられるためであると推察される。

次に、第３工程Ｓ３において、肉盛部１６が形成されたシリンダヘッド１０に対して時効処理を施す。この時効処理により、過飽和固溶体が平衡状態となる。すなわち、第１工程Ｓ１での溶体化処理において生成した固溶体のうちの過飽和固溶体から、過剰の溶質原子が放出される。その結果、シリンダヘッド１０が著しく硬化する。

また、この時効処理により、肉盛部１６の引張残留応力が著しく低減される。なお、引張残留応力が低減していることは、歪ゲージによって歪量を測定することで確認することができる。

第３工程Ｓ３における時効処理は、前記合金層の融点に比して低温で行うことが好ましい。この場合、合金層が再固化する際に収縮することが妨げられることがないので、肉盛部１６に引張残留応力が再度残留することを確実に回避することができる。具体的には、１００〜２００℃程度とすれば十分である。また、保持時間は、およそ４〜１０時間程度とすればよい。

最後に、第４工程Ｓ４において、肉盛部１６に対して所定の寸法となるまで切削加工を行う等の機械加工を施せば、図３に示すように、前記合金層を介してシート面１４に冶金的に接合されたバルブシート２２が設けられ、その結果、バルブシート付シリンダヘッドが得られるに至る。

上記したように、この肉盛部１６における引張残留応力は著しく低減されている。このため、第４工程Ｓ４で切削加工等の機械加工が施された場合であっても、クラックが極めて発生し難い。このため、バルブシート付シリンダヘッドの製造歩留まりが向上する。

勿論、バルブシート２２とした後における自動車車体搭載時や、搭載後に内燃機関を運転するに際しても同様にクラックが発生し難い。しかも、このバルブシート２２の下端部は、上記したように、シート面１４と合金層を介して冶金的に接合している。従って、シート面１４との接合強度が著しく大きい。すなわち、耐久性に優れ、且つシート面１４から脱落し難いバルブシート２２を構成することもできる。

このように、本実施の形態においては、肉盛部１６を設けた後に時効処理を行い、これにより該肉盛部１６の引張残留応力を低減した上で、該肉盛部１６に対して機械加工を施すようにしている。このため、該肉盛部１６や、該肉盛部１６から得られたバルブシート２２にクラックが発生し難くなるので、バルブシート付シリンダヘッドの製造歩留まりを向上させることができるとともに、耐久性に優れたバルブシート２２を有するバルブシート付シリンダヘッドを得ることができる。

なお、上記した実施の形態においては、第１工程Ｓ１（溶体化処理）の直後に第２工程Ｓ２（レーザ肉盛）を行うようにしているが、第１工程Ｓ１が終了した後にシリンダヘッド１０を室温で１昼夜程度放置してもよい。この場合、いわゆる常温時効が進行するが、この常温時効に関わらずクラックが発生し難い肉盛部１６ないしバルブシート２２を得ることができる。

本実施の形態に係るバルブシート付シリンダヘッドの製造方法のフローチャートである。 シリンダヘッドのシート面に肉盛部を形成する状態を模式的に示す要部拡大斜視図である。 肉盛部が機械加工されて形成されたバルブシートを示すバルブシート付シリンダヘッドの要部拡大斜視図である。

符号の説明

１０…シリンダヘッド １２…給排気用バルブ孔
１４…シート面 １６…肉盛部
２０…原材料粉末 ２２…バルブシート
Ｌ…レーザ光

Claims (2)

1. アルミニウム合金からなるシリンダヘッドの孔部の開口に形成されたシート面に、溶融した金属粉末を固化させることによってバルブシートを設けるバルブシート付シリンダヘッドの製造方法において、
   シリンダヘッドに対して溶体化処理を施す工程と、
   溶体化処理された前記シリンダヘッドの溝部に、銅合金となる粉末を供給しながらレーザ光を照射することによって前記金属粉末を溶融及び固化させ、肉盛部とする工程と、
   前記肉盛部が形成された前記シリンダヘッドに対して時効処理を施す工程と、
   前記肉盛部に対して機械加工を施し、銅合金からなるバルブシートとする工程と、
   を有することを特徴とするバルブシート付シリンダヘッドの製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法において、時効処理時の温度を、前記シリンダヘッドと前記バルブシートとの接合部に形成される合金層の融点に比して低温とすることを特徴とするバルブシート付シリンダヘッドの製造方法。

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