JP2005509522A - バルブシートの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、内燃機関のシリンダヘッド用バルブシート（５）の製造の方法に関する。前記方法により、付加材料は、バルブシート（５）が形成される位置にエネルギーを加えることによってシリンダヘッドと共に溶融される。アルミニウム−鉄合金と少なくとももう一種の成分とからなる合金または混合物が付加材料として使用される。
Description
本発明は、請求項１、１６、２３、２９の前文においてより詳細に定義されるタイプの内燃機関のシリンダヘッドのバルブシートを製造する方法に関する。さらに、本発明は、内燃機関のシリンダヘッドのバルブシート構造に関する。
特許文献１は、バルブシートを製造する一般的な方法について説明する。この方法において、付加材料、すなわちアルミニウム−シリコン合金とニッケルの合金または混合物は、レーザビームによってシリンダヘッドの基礎材料と融合される。
特許文献２は、好ましくはニッケル基またはコバルト基超合金からなる被覆材料がバルブディスクにおける輪状凹所に導入される、ガス交換バルブのバルブシート面を被覆する方法を開示する。
パウダーまたはワイヤ状である付加材料で金属被加工部分の表面を被覆する方法が特許文献３で記述される。
このタイプの他の方法は、特許文献４に記載されている。この場合のシリンダヘッドの基礎材料は、実質的に、アルミニウムを含み、その主成分として鉄またはニッケル、またはこれらの２種類の材料のうち一方を含有する合金がバルブシートを形成する付加材料として使用される。
このような方法の欠点は、アルミニウムからなるシリンダヘッドよりも鉄およびニッケルが著しく高い融点を有することにある。これは、シリンダヘッドが、レーザビームの照射で、付加材料がまさに溶融し始めるときにはもうすでに溶融してしまっていることを意味する。さらに、先に液状であった鉄は、アルミニウムが未だ溶融状態にある間にもうすでに凝固してしまっていることもある。これは、非常に脆い微細構造を与え得る鉄材とアルミニウム材の間の境界領域内の金属間相の形成につながる。従って、製造されるバルブシートと、シリンダヘッドの基礎材料の間に均一な結合をもたらすことは難しく、これらの材料の表面張力が異なることもこれに関する大きな役割を果たす。
特許文献５は、アルミニウム合金からなるシリンダヘッドを説明する。このシリンダヘッドのバルブシートは、銅合金メッキ層から形成される。
但し、銅がバルブシートの材料として使用される場合、特にディーゼル機関の場合、ディーゼル燃料に含有する硫黄分が銅を侵し、結果的にエミッションや腐食に関わる問題が生じる不都合が起こる。従って、バルブシートに銅を使用するのは、点火式内燃機関にしか適していないので、経済的に採算が合わず、採用できない。
特許文献６は、レーザ照射によって合金化されるパウダー状付加材料によるシリンダライナの内部被覆の方法を説明する。
補強及び／又は耐摩耗性付加材料を用いる、軽金属構成成分の、特に内燃機関の軽金属ピストンの表面処理の方法が特許文献７で開示される。
内燃機関のシリンダヘッド用のバルブシートを製造する代替方法を提供することが本発明の目的である。
本発明に従い、この目的は、使用される付加材料がアルミニウム−鉄合金と少なくとも１種類の他の成分の合金または混合物であることによって達成される。
適当な構造のシリンダヘッドを考えると、このタイプの合金は、大抵アルミニウム−シリコン合金からなるシリンダヘッドの基礎材料と同タイプの合金である。これは、被覆または付加材料と基礎材料の間の界面における脆い金属結合の形成の無い非常に良好な金属接合を可能にする。その結果、亀裂が生じることがほとんどない。本発明による付加材料に使用される合金内の鉄含有分はその硬度を有利に増加させる。
本目的に対する別の解決策は、使用される付加材料がアルミニウムおよびチタンの合金または混合物であることから生まれる。
この場合もまた、基礎材料と同タイプの合金の使用に関連してすでに上述した、亀裂形成の可能性がほとんどないことに関する利点がある。チタンおよびアルミニウムの金属結合は、この合金の硬度、耐摩耗性および熱的安定性に関わる利益をもたらすように有利に形成される。
本目的に対するさらに別の解決策は、使用される付加材料が鉄−炭素合金と少なくとも１種類の他の構成成分からなる合金または混合物であることから生まれる。
この組成は、基本的に独立部品として取り付けられるバルブシートリングの試行された材料に基づくが、同様に本発明による溶融方法によって加えることができ、高硬度および非常に優れた摩耗特性を有する。
本目的に対する他の代替な解決策は、使用される付加材料がニッケル−クロム合金と少なくとも１種類の他の構成成分からなる合金または混合物であることから生まれる。
このタイプの合金は、温度および摩耗に対する高耐性の達成を可能にし、他の構成成分の適当な選択が行われると、非常に良好な摩擦学的特性を有する。
記述された解決策の全てに共通の特徴は、シリンダヘッドへのバルブシートの接合が非常に耐久性があり、ゆえに実用レベルで非常に首尾よく使用できることにある。さらに、説明した混合物および合金は、製造方法の信頼性を著しく高めることに寄与する。
内燃機関のシリンダヘッドのバルブシート構造は、請求項４６に記載されている。
バルブシートを拡大し、部分的に互いにオーバーラップする本発明による環状領域は、バルブランドと称される実バルブシート間の領域を意味し、バルブシートに使用される高品質の材料から構成される。これは、これらのバルブランドやシリンダヘッドのそれぞれの燃焼室の関連領域の亀裂し易い可能性を著しく減少させる利点がある。その結果、シリンダヘッドのより高い熱的および機械的負荷もこの領域で耐えられるようになる。
本発明の有利な構成や改良形態は、従属請求項からと、図面を参照して以下で概説される例示的実施形態から明らかとなる。
図１は、内燃機関のシリンダヘッド１の一部を示し、その他は示されない。シリンダヘッド１は、それ自体が周知の方法で、当然、排気ポートとも形成されるが、ここでは吸気ポート２を示す。吸気ポート２は、以下では単にバルブ３と称されるガス交換バルブ３によって開閉されるので、燃料／空気混合気は吸気ポート２からシリンダヘッド１の燃焼室４に入ることができる。
シリンダヘッド１は、バルブシート５を備え、それにバルブ３がその閉状態で当接し、それによって吸気ポート２を燃焼室４から遮断する。
図２〜６は、バルブシート５の多様な実施形態を例示するが、対応バルブシート５を製造するために使用される方法は、図７および８を参照して、本文でさらに説明する。
シリンダヘッド１の輪状溝６内に収納され、約ｄ＝１〜６ｍｍの厚さを有する図２で示されるバルブシート５は、シリンダヘッド１内部に完全に位置するコーナポイントにおいて半径ｒを有し、バルブ３の長手方向軸に対するバルブシート５とシリンダヘッド１の接合面によって形成される角度αは、約α＝０゜〜４５゜である。記載の構造、特に示される厚さｄは、例えば、修理が必要な場合の、いかなる再機械加工のための十分な削りしろとなる。
図３は、図２で示されたものと同一であるバルブシート５の他の実施形態を例示する。図２と異なるのは、バルブ３の長手方向軸に対して接合面の角度αは負であることであり、すなわち、バルブシート５は、シリンダヘッド１内の溝６に対して約α＝２〜１５゜の角度の切り取った部分（アンダーカット）を有し、上盛りまたはバルブシート５がくさび状にされるので、バルブシート５が溝６から落下しない。
図４で示されたバルブシート５の、バルブ３の長手方向軸に対する厚さｄは、約ｄ＝０．５〜５ｍｍであり、この場合直線となるように設計されるバルブシート５とシリンダヘッド１の間の接続表面の角度αは、約α＝４５゜であるが、当然僅かな偏りの可能性がある。
図２、３、４で示された全ての実施形態では、幾何学的空間の節約が、従来のシートリング形状と比べて可能となる。
バルブシート５の他の実施形態は、図５および６で示されており、これらの場合、バルブシート５は、上述の実施形態の場合よりもはるかに大きな面積を占める。つまり、バルブシート５は、環状領域５ａだけ拡大される。個々の領域５ａは、部分的に互いにオーバーラップするので、実バルブシート５間の領域、つまりバルブランドと称されるものも、バルブシート５用高品質材料からなる。これは、バルブランドおよびシリンダヘッド１のそれぞれの燃焼室４の関連領域の亀裂し易い可能性を著しく減少させるので、この領域では、シリンダヘッド１のより高い熱的および機械的負荷に耐えられるようになる。バルブシート５の厚さｄは、ｄ＝１〜１０ｍｍである。
図７および図８は、バルブシート５を製造する２つの異なる方法を示す。パウダー状の付加材料７は、例えばアルミニウム−シリコン合金のような、例えば、軽金属合金製の、シリンダヘッド１の基礎材料に加えられる。付加材料７の構成成分については、以下でより詳細に説明する。シリンダヘッド１の基礎材料としてのアルミニウム−シリコン合金に代わるものとしては、当然、他の軽金属合金、および適当であればネズミ鋳鉄または他の合金を使用することも考えられる。
付加材料７を加えるために、付加材料７をシリンダヘッド１に向かって放出するノズル８が、形成されるバルブシート５の領域に配置される。図７で示された実施形態において、付加材料７がシリンダヘッド１に当たると、シリンダヘッド１において溶融体１０を生成するためにレーザビーム９によって、シリンダヘッド１の基礎材料の外部層と共に、同時に溶融される。エネルギー源としてレーザビーム９を使用することに代わるものとしては、エネルギーの導入によって付加材料７から溶融体１０を生成させるために電子ビーム（図示せず）を使用することも可能である。
連続処理を達成するために、ノズル８およびレーザビーム９は円を描くように絶え間なく進められる。レーザまたは電子ビーム９が矢印Ａで示された進行方向に溶融体１０から除去されると、その溶融体が凝固して、バルブシート５を形成する層１１を形成する。
図８は、バルブシート５を製造する代替方法を示し、ここでは、付加材料７が例えばペースト、ワイヤ、焼結体またはパウダープレフォームの形で、シリンダヘッド１に加えられるかまたは溝６に導入され、次に、レーザビーム９によるか、または代わりに電子ビームによって溶融されて溶融体１０を形成する。この場合もまた、バルブシート５を形成する層１１は、レーザビーム９が矢印Ａで示される方向に除去された後のその溶融体１０から形成される。この方法は２段法と称される。
付加材料７がもうすでに加熱されているか、またはシリンダヘッド１の表面に当たる前でも、それがエネルギーの吸収によって部分的または完全に溶融されている場合、一次エネルギー源、すなわちレーザビーム９または電子ビームによって導入されるエネルギー量を低減することが可能となる。その結果、シリンダヘッド１の基礎材料が僅かしか溶融されず、結果的に、シリンダヘッド１とバルブシート５の間の界面内での脆性相の発生や亀裂の形成が低減される。これにより、従来比較的不適当であると見なされた材料も付加材料７として使用できるようになる。この処理手順は、上述の２段法に特に適している。
例示されない方法では、付加材料７に輪郭を与え、及び／又は付加材料７及び／又は付加材料７から形成される溶融体１０を均一に混合するための磁界が、バルブシート５の領域に印加され、溶融体１０内での物質のより均一な分布をもたらすようにしても良い。さらに、溶融体１０内に存在するいかなる孔隙もガスの排除を通じて除去されることがこのような方法で可能となる。
多様なタイプの混合物や合金が、図７で示された方法と図８で示された方法との両方での付加材料７に使用でき、これらの混合物や合金を以下に挙げる。
使用される付加材料７は、アルミニウム−鉄合金および少なくとも１種類の他の構成成分の合金または混合物であっても良い。アルミニウム−鉄合金は、６〜１３重量パーセントの鉄および８７〜９４重量パーセントのアルミニウムを含有する。
他の合金構成成分としては、付加材料７は、１〜３重量パーセントのバナジウム及び／又は１〜３重量パーセントのシリコンを含有する。
さらに、付加材料７が３０〜５５重量パーセントのニッケル、次に適切であれば約３〜１５重量パーセントの銅を含有することも考えられる。
あるいは、付加材料７は、５〜２０重量パーセントのニッケル、次に適切であれば約３５〜４５重量パーセントの銅をも含有する。
ニッケルおよび銅の使用は、バルブシート５の硬度を増すニッケル−アルミニウム及び／又は銅／アルミニウム相を生み出す。
付加材料７の他の構成成分は、０．２〜１重量パーセントのマグネシウムおよび、０．２〜２重量パーセントのボロン、チタン及び／又はスカンジウムであっても良い。これは、より精細な金属間相の形成と微細構造均一性の改良をもたらす。
さらに、適切であれば付加材料７が、炭素、酸素または窒素との金属の化合物からなる硬質材料成分を含有することも考えられる。このタイプの硬質材料は、バルブシート５の耐摩耗性を著しく増加させる。
硬質材料成分は、任意にバルブシート５の体積を通して均一に分布されるか、または存在する硬質材料成分のレベルがシリンダヘッド１からバルブシート５の表面に向かって増加するように、硬質材料成分がバルブシート５の体積を通して不均一に分布されることも可能である。後者の代替例、すなわち勾配層として知られるものは、バルブシート５の表面に向かって硬質構成成分の濃度の増加をもたらし、それによって硬度特性を、ゆえにバルブシート５の摩耗特性を増加させる。同時に、但し、これも接合ゾーンにおける、すなわちバルブシート５とシリンダヘッド１の間の接続表面における亀裂し易い可能性を低減する。
硬質材料成分の利点に関してなされた記述は、ニッケルおよび銅構成成分にも適合し、これらは、一方でバルブシート５の体積を通して均一に分布されるか、または他方で存在するニッケルおよび銅構成成分のレベルがシリンダヘッド１からバルブシート５の表面に向かって増加するように、バルブシート５の体積を通して不均一に分布されても良い。
アルミニウム−鉄合金またはこれらの金属の混合物での実施形態に代わるものとして、使用される付加材料７がアルミニウムおよびチタンの合金または混合物であることも可能である。この場合、付加材料７は、例えば、３０〜４０重量パーセントのアルミニウムと６０〜７０重量パーセントのチタンを含有する。あるいは、付加材料７が１３〜１７重量パーセントのアルミニウムと８３〜８７重量パーセントのチタンを含有することも可能である。
この場合、付加材料７は、脆化に向かう傾向を低減するのに好適な少なくとも１種類の他の構成成分、特に０．５〜５重量パーセントまたは１７〜５０重量パーセントのニオブを含有しても良い。付加材料７が０．５〜５重量パーセントのクロム、バナジウム、マンガン、モリブデン及び／又はタンタルを含有することも可能である。
付加材料７の形成に関する第３の選択肢は、鉄−炭素合金と付加材料の少なくとも１種類の他の構成成分との合金または混合物を使用することにある。
方法のこの実施形態では、付加材料は、他の構成成分として０．５〜４重量パーセントのニッケル及び／又は０．５〜４重量パーセントのクロム及び／又は０．５〜４重量パーセントのマンガン及び／又は５〜１５重量パーセントのモリブデン及び／又はコバルトを含有する。ニッケル及び／又はクロムを使用すると、バルブシート５の硬度を増すカーバイドを形成できる。さらに、この状況において、付加材料７が１０〜２５重量パーセントの銅を含有することも可能である。コバルト、銅およびモリブデンは、潤滑特性を改良し、銅は熱伝導率を改良する。
方法を実行する第４の選択肢は、使用される付加材料７がニッケル−クロム合金および少なくとも１種類の他の構成成分の合金または混合物であることにあり、その場合、ニッケル−クロム合金は１０〜３０重量パーセントのクロムと７０〜９０重量パーセントのニッケルとを含有する。
この実施形態では、３〜５重量パーセントのシリコンを他の合金化構成成分として使用することが可能である。他の可能性のある合金化構成成分は、３〜５重量パーセントのボロンおよび３〜５重量パーセントの鉄を含む。
適切である場合、１０〜４０重量パーセントのモリブデンが付加材料７内に存在しても良い。さらに、付加材料７が５〜１０重量パーセントの銅及び／又はコバルトを含有することも可能である。さらに、付加材料７が５〜１２重量パーセントのアルミニウムおよび０．１〜２重量パーセントの炭素及び／又はイットリウムを含有することも可能である。
Claims (46)
- バルブシートが形成される領域で、付加材料にエネルギーを加え、前記シリンダヘッドに融合させることにより、内燃機関のバルブシートを製造する方法において、
使用される前記付加材料（７）は、アルミニウム−鉄合金と少なくとも１種類の他の構成成分の合金または混合物であることを特徴とする方法。 - 前記アルミニウム−鉄合金は、６〜１３重量パーセントの鉄および８７〜９４重量パーセントのアルミニウムを含有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、他の合金化構成成分として１〜３重量パーセントのバナジウムを含有することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、他の合金化構成成分として１〜３重量パーセントのシリコンを含有することを特徴とする請求項１、２あるいは３に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は３０〜５５重量パーセントのニッケルを含有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は３〜１５重量パーセントの銅を含有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は５〜２０重量パーセントのニッケルを含有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、３５〜４５重量パーセントの銅を含有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、０．２〜１重量パーセントのマグネシウムを含有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、０．２〜２重量パーセントのボロン、チタン及び／又はスカンジウムを含有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、炭素、酸素または窒素との金属化合物からなる硬質材料成分を含有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記硬質材料成分は前記バルブシート（５）の体積を通して均一に分布されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
- 前記硬質材料成分は、存在する前記硬質材料成分のレベルが前記シリンダヘッド（１）から前記バルブシート（５）の表面に向かって増加するように、前記バルブシート（５）の体積を通して不均一に分布されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
- 前記ニッケルおよび銅構成成分は、前記バルブシート（５）の体積を通して均一に分布されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
- 前記ニッケルおよび銅構成成分は、存在する前記ニッケルおよび銅構成成分のレベルが前記シリンダヘッド（１）から前記バルブシート（５）の表面に向かって増加するように、前記バルブシート（５）の体積を通して不均一に分布されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
- バルブシートが形成される領域で、付加材料にエネルギーを加え、前記シリンダヘッドに融合させることにより、内燃機関のバルブシートを製造する方法において、
使用される前記付加材料（７）は、アルミニウムおよびチタンの合金または混合物であることを特徴とする方法。 - 前記付加材料（７）は、３０〜４０重量パーセントのアルミニウムおよび６０〜７０重量パーセントのチタンを含有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、１３〜１７重量パーセントのアルミニウムおよび８３〜８７重量パーセントのチタンを含有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、少なくとも１種類の他の構成成分を含有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
- ０．５〜５重量パーセントのニオブが他の構成成分として使用されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
- １７〜５０重量パーセントのニオブが他の構成成分として使用されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、０．５〜５重量パーセントのクロム、バナジウム、マンガン、モリブデン及び／又はタンタルを含有することを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の方法。
- バルブシートが形成される領域で、付加材料にエネルギーを加え、前記シリンダヘッドに融合させることにより、内燃機関のバルブシートを製造する方法において、
使用される前記付加材料（７）は、鉄−炭素合金と少なくとも１種類の他の構成成分の合金または混合物であることを特徴とする方法。 - ０．５〜４重量パーセントのニッケルが他の構成成分として使用されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
- ０．５〜４重量パーセントのクロムが他の構成成分として使用されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
- ０．５〜４重量パーセントのマンガンが他の構成成分として使用されることを特徴とする請求項２３、２４あるいは２５に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、５〜１５重量パーセントのモリブデン及び／又はコバルトを含有することを特徴とする請求項２３〜２６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、１０〜２５重量パーセントの銅を含有することを特徴とする請求項２３〜２７のいずれか一項に記載の方法。
- バルブシートが形成される領域で、付加材料にエネルギーを加え、前記シリンダヘッドに融合させることにより、内燃機関のバルブシートを製造する方法において、
使用される前記付加材料（７）は、ニッケル−クロム合金と少なくとも１種類の他の構成成分の合金または混合物であることを特徴とする方法。 - 前記ニッケル−クロム合金は、１０〜３０重量パーセントのクロムおよび７０〜９０重量パーセントのニッケルを含有することを特徴とする請求項２９に記載の方法。
- ３〜５重量パーセントのシリコンが他の合金化構成成分として使用されることを特徴とする請求項２９あるいは３０に記載の方法。
- ３〜５重量パーセントのボロンが他の合金化構成成分として使用されることを特徴とする請求項２９、３０あるいは３１に記載の方法。
- ３〜５重量パーセントの鉄が他の合金化構成成分として使用されることを特徴とする請求項２９〜３２のいずれか一項に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、１０〜４０重量パーセントのモリブデンを含有することを特徴とする請求項２９に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、５〜１０重量パーセントの銅及び／又はコバルトを含有することを特徴とする請求項２９に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、５〜１２重量パーセントのアルミニウムを含有することを特徴とする請求項２９に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、０．１〜２重量パーセントの炭素及び／又はイットリウムを含有することを特徴とする請求項２９に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、レーザビーム（９）によって前記シリンダヘッド（１）と融合されることを特徴とする請求項１〜３７のいずれか一項に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、電子ビームによって前記シリンダヘッド（１）と融合されることを特徴とする請求項１〜３７のいずれか一項に記載の方法。
- 前記付加材料（７）または前記付加材料（７）から形成された溶融体（１０）に輪郭を与え、及び／又は前記付加材料（７）または前記溶融体（１０）を均質に混合する磁界が、前記バルブシート（５）の領域に印加されることを特徴とする請求項１〜３９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、エネルギーの導入と同時に前記シリンダヘッド（１）に加えられることを特徴とする請求項１〜４０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、パウダー状で前記シリンダヘッド（１）に加えられることを特徴とする請求項１〜４１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、ノズル（８）によって前記シリンダヘッド（１）に加えられることを特徴とする請求項１〜４２のいずれか一項に記載の方法。
- 前記付加材料（７）は、前記シリンダヘッド（１）に加えられ、次に前記エネルギーの印加によって前記シリンダヘッド（１）と融合されることを特徴とする請求項１〜４０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記付加材料（７）はパウダー状で前記シリンダヘッド（１）に加えられることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
- 請求項１〜４５のいずれか一項に記載の方法を利用して製造され、前記付加材料（７）からなる複数のバルブシート（５）を有し、それぞれの場合で前記バルブシート（５）は、同様に前記付加材料（７）からなる環状領域（５ａ）だけ、個々の前記環状領域（５ａ）が少なくとも部分的にオーバーラップするように、拡大される、内燃機械のシリンダヘッド用バルブシート構造。
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