JP2009079488A

JP2009079488A - アルミニウム合金製バルブスプリングリテーナ

Info

Publication number: JP2009079488A
Application number: JP2007247313A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Sekine; 関根哲也; Kazuki Kanda; 神田和紀; Yasuhiro Ogawa; 小川泰洋; Satoshi Yamazaki; 敏山崎
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れ、且つ高い強度と靱性を有し、高回転数域で使用されることが多い高回転内燃機関、特に二輪車用エンジンに適用可能なアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナを提供する。
【解決手段】析出硬化型アルミニウム合金を基材とするバルブスプリングリテーナの表面に、ジルコニウム含有酸化物を含む硬化層を形成することにより、摺動部の耐摩耗性を向上させ、高強度及び高靱性でバルブスプリングとの衝撃にも耐え、軽量で、且つ高出力化及び高燃費化に対応可能なバルブスプリングリテーナを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の動弁機構部品であるバルブスプリングリテーナに関し、特に二輪車用エンジンに用いられるアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナに関する。

内燃機関の動弁機構部品であるバルブスプリングリテーナ１は、図２に示すように、カム３による回転運動を、バルブ開閉のための上下運動に変換するバルブのバルブステム２の軸端部に二つ割り構造のコッタ５を介して固定され、バルブスプリング４の反発力をバルブステム２に伝達し、バルブの上下運動をカム３に追従させている。

このようなバルブスプリングリテーナ１としては、従来、炭素鋼やクロム鋼などの鉄系材料に浸炭焼入処理などを施したものが用いられていた。近年は、内燃機関の高出力化や燃費向上のため、鉄系材料に代えてアルミニウム合金やチタン合金などの軽合金を使用して軽量化が図られている。

鉄系材料に比べて比重の低いアルミニウム合金を用いたバルブスプリングリテーナでは、軽量化により慣性重量が低減されるとともに、スプリング荷重が軽減できることから、低フリクション化に優位性を有している。一方、アルミニウム合金材料は耐摩耗性や剛性が鉄系材料には及ばない。このため、アルミニウム合金材料のバルブスプリングリテーナへの適用においては、アルマイト処理によって表面に酸化アルミニウム皮膜を形成したり、セラミック粒子等の硬質材をアルミニウム合金中に分散することにより、耐摩耗性及び剛性を向上させている（特許文献１）。

また、冷間又は熱間で鍛造加工した後、熱処理して時効硬化する方法により、アルマイト処理したり、硬質材を分散することなく、低コストで耐摩耗性の優れたアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナが得られることも報告されている（特許文献１）。

上記アルミニウム合金製バルブスプリングリテーナを用いることにより、動弁機構の軽量化やエンジンの出力向上、さらには摩擦抵抗の低減によるエンジンのエネルギー損出の低減が図られている。

特開平７−６３０２０号公報特開平８−２８２２４号公報

しかしながら、近年、内燃機関には一層の高出力化と燃費の向上が求められ、エンジンはより高回転数域で使用されるようになり、動弁機構部品への負荷は非常に高くなっている。特に、二輪車用内燃機関のようにエンジンの最高回転数（ｒｐｍ）が１万半ばから１万後半となるような高回転内燃機関においては、高回転数域で使用されることが多い。このため、アルミニウム合金材料では耐摩耗性や疲労強度などが問題となる。

特許文献１や特許文献２に示されるアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナでも、高出力を得るために高回転数域で使用した場合には、耐摩耗性や疲労強度が不足し、バルブスプリングとの衝撃が加わることにより破損するおそれがある。このため、エンジンの最高回転数が１万回転を大きく上回る二輪車用エンジン等、近年の高回転の内燃機関に、従来のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナを適用することは困難とされている。

一方、鉄鋼材料やチタン合金材料は、アルミニウム合金材料に比べて耐摩耗性に優れ、疲労強度が高いが、アルミニウム合金材料より比重が高いため、エンジンの動弁機構の動作時に慣性重量が大きくなって追従性が損なわれるおそれがある。また、騒音発生や動力損失の増加による燃費の低下などの問題があり、高回転の内燃機関への適用には課題が多い。

そこで、本発明は、耐摩耗性に優れ、且つ高い強度と靱性を有し、高回転数域で使用されることが多い高回転内燃機関、特に二輪車用エンジンに適用可能なアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナは、アルミニウム合金を基材とするバルブスプリングリテーナの表面に、ジルコニウム含有酸化物を含む硬化層を形成したことを特徴とする。アルミニウム合金としては、金属粉末の押出成形により形成された析出硬化型アルミニウム合金を用いることができ、析出硬化型アルミニウム合金に硬質粒子を分散させたアルミニウム合金を用いることもできる。また、硬化層に、アルミナを分散させてもよい。

本発明に用いられるアルミニウム合金材料としては、溶製材を用いてもよく、急冷凝固したアルミニウム粉末などを押出成形したものを用いてもよい。具体的なアルミニウム合金材料としては、Ａｌ−Ｃｕ系合金（ＡＡ２０００系合金）やＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（ＡＡ７０００系合金）などの析出硬化型アルミニウム合金が挙げられる。また、本発明ではアルミニウム合金中に、硬質粒子として微細なアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などを５〜７質量％均一に分散した材料がより好適に用いられる。

本発明のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナの表面に形成されるジルコニウム含有酸化物を含む硬化層は、ジルコニウムを含んだ電解液中でプラズマ放電を行うプラズマ酸化処理などの手段により形成することができる。硬化層には、微細なアルミナを均一に分散させてもよく、耐摩耗性や強度などの摺動特性が向上して好適に用いることができる。

本発明のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナの製造方法は、アルミニウム合金を鍛造加工によりバルブスプリングリテーナの形状に成形する工程と、成形体を溶体化及び時効硬化させる熱処理工程と、熱処理工程の後にプラズマ酸化処理によりバルブスプリングリテーナの表面にジルコニウム含有酸化物を含む硬化層を形成する工程を含むことを特徴とする。

本発明によれば、最高回転数が高く、高回転数域で使用される動弁機構部品のバルブスプリングリテーナ、特に二輪車用エンジンのバルブスプリングリテーナとしても充分な耐摩耗性を有し、高い強度及び靱性によりバルブスプリングとの衝撃などにも耐え得る、軽量で、高出力化及び高燃費化に対応可能なバルブスプリングリテーナを得ることができる。

以下に図を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は本発明のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナの一実施例の概略を示す断面図であり、図２は本発明のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナを組み付けた動弁機構の概要を示す断面図である。バルブスプリングリテーナ１の表面にはジルコニウム含有酸化物を含む硬化層が形成されている。

本発明のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナのアルミニウム合金材料としては、Ａｌ−Ｃｕ系合金（ＡＡ２０００系合金）やＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（ＡＡ７０００系合金）などの析出硬化型アルミニウム合金が用いられる。例えば質量％で、Ｃｕ：１．９〜２．７％、Ｍｇ：１．３〜１．８％、Ｚｎ：０．１％以下、Ｆｅ：０．９〜１．３％、Ｎｉ：０．９〜１．２％、Ｔｉ：０．０４〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜０．２５％、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるＡｌ−Ｃｕ系合金（ＡＡ２０００系合金）や、Ｃｕ：１．１〜１．８％、Ｍｇ：２．０〜３．０％、Ｚｎ：５．８〜７．１％、Ｆｅ：０．３％以下、Ｃｏ：０．２〜０．４％、Ｓｉ：０．１２％以下、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（ＡＡ７０００系合金）などの高強度なアルミニウム合金が好適に用いられる。
また、アルミニウム合金は、溶製材を用いてもよく、急冷凝固粉末法によるアルミニウム粉末を圧粉成形体として、熱間押出により成形したものを用いてもよい。さらに、アルミニウム粉末から成形するアルミニウム合金中に、＃１５００〜＃３０００（粒径１〜３０μm）の微細なアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を５〜７質量％均一に分散し、アルミニウム合金全体の強度を向上させることもできる。

前記アルミニウム合金は、冷間又は熱間鍛造加工によりバルブスプリングリテーナの形状に成形された後、ＪＩＳ規格によるＴ６熱処理（JISH0001：’98）などを行うことで、常温での０．２％耐力をＡＡ２０００系合金で３００ＭＰａ以上、ＡＡ７０００系合金で５００ＭＰａ以上として用いるのが好ましい。

本発明のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナの表面に形成されるジルコニウム含有酸化物を含む硬化層は、ジルコニウムを含んだ電解液中でプラズマ放電を行うプラズマ酸化処理などの手段により形成することができる。硬質層に含まれるジルコニウム含有酸化物には、例えばジルコニア（ＺｒＯ_２）などが挙げられる。また、前記のジルコニウム含有酸化物を含む硬化層には、アルミナを均一に分散させてもよく、硬質層にジルコニウム含有酸化物とアルミナの両方を含むことで、硬質層自体の耐摩耗性などの摺動特性がさらに向上し、好適に用いることができる。

バルブスプリングリテーナの表面に形成されたジルコニウム含有酸化物を含む硬化層の厚さが、２μm未満では使用開始時の初期摺動などにより摩滅して所定の摺動特性が得られないことがあり、１５μmよりも厚いと硬化層の内部から剥離が発生する可能性がある。このため、硬化層の厚さは２〜１５μmが好ましく、５〜１５μmとするとより好ましい。
また、硬化層の表面粗さは、中心線平均粗さ（JISB0601：’82）でＲａ０．３〜１．５μmが好ましい。プラズマ酸化処理などの硬質層形成方法により表面粗さをＲａ０．３μm未満とすることは困難であり、表面粗さがＲａ１．５μmより大きいと相手材の摩耗が過大となる可能性がある。中心線平均粗さをＲａ０．５〜０．８μmとすると摩擦損失（フリクション）の低減効果が得られより好適である。
更に、硬化層を形成したアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナの表面硬度は、ビッカース硬度でＨｖ５００〜１２００が好ましい。表面硬度がＨｖ５００未満では摺動により硬化層自体が摩滅する可能性があり、Ｈｖ１２００よりも硬いと相手材の摩耗が過大となる可能性がある。

以下、本発明の実施例についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態に係るアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナの一例を示す概略断面を示した図であり、アルミニウム合金からなるバルブスプリングリテーナ１の表面には、ジルコニウム含有酸化物を含む硬化層６が形成されている。

質量％で、Ｃｕ：１．１〜１．８％、Ｍｇ：２．０〜３．０％、Ｚｎ：５．８〜７．１％、Ｆｅ：０．３％以下、Ｃｏ：０．２〜０．４％、Ｓｉ：０．１２％以下、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（ＡＡ７０００系合金）の急冷凝固粉末法から得られた粉末を、プレス成形により圧粉成形体とし、熱間押し出し加工を行い、ブランク形状に加工し熱処理を行った。その後、鍛造加工により外径寸法が２０ｍｍのバルブスプリングリテーナの形状に成形し、溶体化処理（４９０±１０℃、１１０分以上）及び時効硬化処理（１６５±１０℃、８〜１０時間）を行うことにより基材Ａを作製した。

上記基材Ａと同様の方法で、基材Ｂ〜Ｄを作製した。基材Ｂは、上記アルミニウム合金粉末に、硬質粒子として＃１５００（中心粒径で約８μm）のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を５〜７質量％となるように添加した混合粉末を用いたことのみ基材Ａと異なる。また、基材Ｃは、質量％で、Ｃｕ：１．９〜２．７％、Ｍｇ：１．３〜１．８％、Ｚｎ：０．１％以下、Ｆｅ：０．９〜１．３％、Ｎｉ：０．９〜１．２％、Ｔi：０．０４〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜０．２５％、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるＡｌ−Ｃｕ系合金（ＡＡ２０００系合金）の急冷凝固粉末法による粉末を用いていることのみ基材Ａとは異なる。更に、基材Ｄは、質量％で、Ｃｕ：１．９〜２．７％、Ｍｇ：１．３〜１．８％、Ｚｎ：０．１％以下、Ｆｅ：０．９〜１．３％、Ｎｉ：０．９〜１．２％、Ｔｉ：０．０４〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜０．２５％、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるＡｌ−Ｃｕ系合金（ＡＡ２０００系合金）の急冷凝固粉末法による粉末に、硬質粒子として＃３０００（中心粒径で約４μm）のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を５〜７質量％となるように添加した混合粉末を用いたことが基材Ａと異なる。基材Ａ〜Ｄの構成成分を表１に示す。

アルミニウム合金基材Ａの表面の付着物等をバレル処理により除去した後、ジルコニウムを含む電解液中でプラズマ放電を行い、プラズマ酸化処理することにより、基材Ａの表面に厚さ２〜１５μmのジルコニウム含有酸化物を含む硬化層を形成した。この基材にて外形寸法が２０ｍｍのアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナを作製した（実施例１及び実施例２）。硬化層の厚さは、プラズマ酸化処理の電流および電圧を適宜変更して調整した。実施例１では、硬化層厚さが１１μm、表面粗さがＲａ１．０μm、表面硬度がＨｖ１１００であり、実施例２では、硬化層厚さが１３μm、表面粗さがＲａ１．２μm、表面硬度がＨｖ１１００であった。

上記と同様に、アルミニウム合金基材Ｂ〜Ｄについても、表面の付着物等をバレル処理により除去した後、ジルコニウムを含んだ電解液中でプラズマ放電を行うプラズマ酸化処理を行うことにより、基材Ｂ〜Ｄの表面に厚さ２〜１５μmのジルコニウム含有酸化物を含む硬化層を形成し、実施例３〜８のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナを作製した。各実施例の硬化層厚さ、表面粗さ及び表面硬度は表２に記載の通りであった。

比較例として、アルミニウム合金基材Ａ〜Ｄの表面の付着物等をバレル処理により除去した後、アルマイト処理を行うことにより、基材Ａ〜Ｄの表面に処理層を形成し、外形寸法が２０ｍｍのアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナを作製した（比較例１〜４）。各比較例の処理層の厚さ、表面粗さ及び表面硬度は表２に記載の通りであった。

実施例及び比較例の各アルミニウム合金製バルブスプリングリテーナを、バルブに組み付けた後、実機エンジンに装着して評価試験を行い、耐摩耗性及び破損の状況について評価を行った。バルブは一般的に用いられるJIS規格によるSUH3材、コッタは鉄系材を使用し、スプリングにはJIS規格によるSWOSC−V材を用いた。実機エンジンの試験条件は、エンジン回転数を１５０００ｒｐｍ、試験時間を３００時間として評価した。

全ての実施例とも、比較例に比べて摩耗量が非常に少なかった。実施例の硬化層の厚さは比較例の硬化層の２４％〜６２％程度であるにも関わらず、比較例の硬化層が完全に摩滅する条件においても、実施例では硬化層が残存し、優れた耐摩耗性が維持されていることがわかった。また、従来のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナでは、破損が生じるおそれのある条件においても、本発明の実施例では破損の発生は全く認められなかった。以上の結果、本発明のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナは従来に比べ、耐摩耗性及び強度が向上したことが確認された。

本発明のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナの一実施例の概略を示した断面図である。本発明のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナを組み付けた動弁機構の概要を示した断面図である。

符号の説明

１バルブスプリングリテーナ
２バルブステム
３カム
４バルブスプリング
５コッタ
６硬化層

Claims

アルミニウム合金を基材とするバルブスプリングリテーナの表面に、ジルコニウム含有酸化物を含む硬化層を形成したことを特徴とするアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナ。
前記アルミニウム合金が、金属粉末の押出成形により形成された析出硬化型アルミニウム合金であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナ。
前記析出硬化型アルミニウム合金が、硬質粒子を分散した析出硬化型アルミニウム合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナ。
前記硬化層に、アルミナが分散していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナ。
アルミニウム合金を鍛造加工により成形する工程と、成形体を溶体化及び時効硬化させる熱処理工程と、前記熱処理工程後にプラズマ酸化処理によりジルコニウム含有酸化物を含む硬化層を形成する工程を含むことを特徴とするアルミニウム合金製バルブスプリングリテーナの製造方法。