JP2009138594A - 中空エンジンバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】中空部形状と厚みの設計が容易であり、かつ高品質な中空エンジンバルブとその製造方法を提供する。
【解決手段】バルブ傘部３とバルブ軸部２とを一体的に備え、エンジンバルブ１の外形と略同じ形状の中空部９を有する。中空部９の封止部はバルブ軸部２に設けられている。エンジンバルブ１の表層部２１を脱炭し、メッキ層１１で被覆する。それを適切な温度で加熱して内層部２２のみを溶出させて中空化すると共に、メッキ層１１を熱処理する。その後中空部９に冷媒１０を封入した後、中空部９を封止して得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの燃焼室へ給排気するためのエンジンバルブに関し、特に、エンジンバルブの冷却効率を高めるため、内部に形成された中空部に冷媒が封入された中空エンジンバルブに関する。

エンジンバルブは、そのフェース面がエンジンの燃焼室に直接面しているので、燃焼室からの熱をまともに受ける。そのため、燃焼室からの熱によってエンジンバルブが破損したり早期劣化したりすることを回避するため、従来からエンジンバルブの内部を中空とし、当該中空部に冷媒を封入することで、冷却効率が高められている。この種の中空エンジンバルブとして、特許文献１及び特許文献２がある。特許文献１のエンジンバルブは、バルブ傘部とバルブ軸部とを一体連続して有し、その内部には軸端部からバルブ傘部に亘って直線状に穿設された中空部を有する。当該中空部には、ナトリウムが封入されている。特許文献２のエンジンバルブは、バルブ傘部と、該バルブ傘部から連続するバルブ軸部とを有し、中空部はエンジンバルブの外形と略同一形状に形成されている。ここでは、バルブ傘部のフェース面に形成された開口から中空部内へナフタレンを封入しており、フェース面の開口は別途用意された蓋部材を溶接することで封止されている。

また、自動車部品として使用される鋳鉄部品の軽量化を図るために、内部を中空化した鋳鉄部品に関する技術として特許文献３がある。特許文献３では、鋳造により所定形状に形成した鋳鉄部品を、その表層部を脱炭処理して高融点化し、表層部より融点が低い内層部に達する深さの流出孔を穿設したうえで、この流出孔が最下部に位置した状態で、表層部の融点よりも低く内層部の融点よりも高い温度で鋳鉄部品を加熱して、内層部を流出孔から溶出させることで、鋳鉄部品の外形と略同じ形状の中空部を形成している。
特開平５−１４１２１４号公報 特開２００５−４８６３５号公報 特開２００５−２１９０８３号公報

特許文献１の中空エンジンバルブは、中空部が直線状に穿設されている。特許文献１には中空部の具体的穿設方法が記載されていないが、その形状等からドリルにより切削していることは明らかである。これでは、エンジンバルブの厚みを高精度に制御することは難しく、しかもバルブ傘部にいたっては外周部にまで中空部を形成できない。つまり、中空部をエンジンバルブの外形と略同じ形状に形成できない。これでは、冷媒がエンジンバルブの隅々にまで行き渡らず、冷却効果に課題が残る。

これに対し特許文献２では、一応中空部がエンジンバルブの外形と略同じ形状に形成されているので、上記課題は生じない。しかし、特許文献２にも中空部の具体的形成方法が開示されていないが、当該分野での一般常識から考えると、切削加工により形成していることが容易に推測される。したがって、やはりエンジンバルブの厚み制御に難があると共に、エンジンバルブの外形に的確に沿う形状に切削することは容易ではない。しかも、特許文献２ではバルブ傘部に開口を有し、別個用意された蓋部材を溶接することで開口を閉塞している。これでは、燃焼室の熱をまともに受け高い応力が作用するバルブ傘部に他部材との接合部を有するので、その接合性や機械的性能等の信頼性に劣る。

特許文献３では、鋳造した部材に融点の違いを利用した溶融により中空部を形成しているので、上記問題は生じない。しかし、ネジ付パイプを製造することに関して記載されているのみであり、エンジンバルブに関する具体的な方法や構成は記載されていない。これでは、単に特許文献３の技術をエンジンバルブに適用したとしても、例えば内層部流出孔の穿設位置など、当該エンジンバルブに特有の問題点などには対応できない。

そこで本発明は、中空部形状と厚みの設計が容易であり、かつ高品質な中空エンジンバルブとその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の中空エンジンバルブは、バルブ傘部とバルブ軸部とを備え、内部に中空部を有する。前記中空部は、前記バルブ傘部とバルブ軸部とに亘って前記エンジンバルブの外形と略同じ形状に形成されている。中空部がエンジンバルブの外形と略同じ形状とは、中空部の基本的形状がエンジンバルブと同じであることを意味し、ある特性を向上させるために部分的に又は最終的に異なっている場合も含まれる。そのうえで、前記バルブ傘部と前記バルブ軸部とは一体形成された一部材であって、前記中空部を封止する封止部が前記バルブ軸部に設けられていることを特徴とする。すなわち、少なくとも他部材との接合部はバルブ傘部に存在しない。前記中空部は空気層とすることもできるが、冷媒を封入していることが好ましい。

前記バルブ傘部は、平坦なフェース面と該フェース面から前記バルブ軸部へ亘って先窄まり状の曲面とを有し、前記バルブ傘部の曲面の厚みは、前記バルブ軸部の厚みより大きくすることが好ましい。なお、前記曲面の厚みは、前記中空部が前記エンジンバルブの外形と略同じ形状に形成されていること前提としながら、前記バルブ軸部の厚みより大きくする。

また、前記中空部の内面には、軸方向に延びる凹凸を形成しておくことが好ましい。

また、本発明の中空エンジンバルブの製造方法は、バルブ傘部とバルブ軸部とを非中空状に一体鋳造する鋳造工程と、熱処理により表層部を内層部に比べて高融点化処理する高融点化工程と、前記バルブ軸部の一部において前記内層部を外面へ露出させる露出工程と、前記表層部の融点より低く前記内層部の融点より高い温度で熱処理することにより、前記内層部を前記露出部から溶出させて中空部を形成する中空部形成工程と、前記中空部を封止する封止工程と、を有することを特徴とする。前記中空部形成工程と前記封止工程との間には、前記中空部に冷媒を封入する封入工程を有することが好ましい。

本発明の中空エンジンバルブは、鋳造により得られる鋳鉄製である。バルブ傘部とバルブ軸部とが一体となって製造され、バルブ傘部を別部材で溶接するようなことはない。表層部を熱処理すると、当該表層部が脱炭されることで融点が上昇する。このとき、熱処理の影響が少なくともエンジンバルブの中心部にまで及ばないようにする。これにより、所定量の内層部は脱炭されることがなく融点に変化はないので、結果として融点の高い表層部とこれより融点の低い内層部とが形成されることになる。また、このときの熱はエンジンバルブの外面から均一に作用するので、高融点化された表層部はどの部分においても厚みは同じである。内層部を外面へ露出させる手段は特に限定されず、要は表層部の一部を除去して内層部が露出されればよい。例えば、内層部存在部分においてバルブ軸部を径方向に切断したり、内層部にまで至る孔を穿設したり、表層部の一部を切削したりすることができる。この露出部が、後の熱処理において溶融した内層部が溶出する部位（開口）となる。そして、表層部の融点より低く内層部の融点より高い温度で熱処理することで内層部のみが溶融し、当該溶融した内層部が露出部から溶出されると同時に、表層部がエンジンバルブの外壁として残る。このとき、上述のように表層部の厚みは全体に亘って均一なので、内層部が溶出することで形成された中空部の形状はエンジンバルブの外形が的確に転写された相似関係にある。中空部に冷媒を封入する場合は、内層部が溶出することで形成された開口から封入してもよいし、別途封入用の孔を穿設してもよい。

前記高融点化工程と前記中空部形成工程との間に、外表面をメッキ処理するメッキ処理工程を有することが好ましい。

部分的に高融点化された表層部の厚みを異ならせたい場合は、前記エンジンバルブの外表面の一部に脱炭防止剤を付与したうえで、高融点化処理することが好ましい。脱炭防止剤が付与された部位は脱炭が抑制されるので、高融点化された表層部が他の部位よりも薄肉になる。

前記鋳造工程では、外表面に軸方向の凹凸を有する形状に鋳造され、前記中空部形成工程の後、外表面を平面化する表面加工工程を有することが好ましい。

本発明の中空エンジンバルブは、中空部がエンジンバルブの外形と略同じ形状に形成されているので、全体的に効率よく熱交換できる。中空部が空気層であっても、エンジンバルブの熱負荷は低減される。バルブ傘部とバルブ軸部とが一体形成されていることで、高い応力の作用するバルブ傘部に他部材との接合部は存在せず、接合部からエンジンバルブが破損などの問題なく信頼性が向上する。機械的性能に不安が生じ得る封止部をバルブ軸部に設けていれば、燃焼室からの熱の影響を小さくできる。中空部に冷媒を封入していればエンジンバルブの冷却効果が向上する。

バルブ傘部の曲面は応力集中により破損や変形し易い。そこで、曲面の厚みをバルブ軸部より大きくしていれば、強度が向上し破損や変形を有効に防止できる。

凹凸が形成してあれば表面積が増えるので、エンジンバルブと中空部との熱交換性が向上すると共に、断面係数が大きくなり強度が高くなる。当該凹凸を軸方向延設していれば、エンジンバルブの軸運動に対して有効に強度を発揮できる。

また、本発明の中空エンジンバルブの製造方法によれば、エンジンバルブを鋳造により製造しているので安価であり、切削加工も不要である。高融点化処理した表層部の形状に合わせて中空にできるため、厚みが均一な中空エンジンバルブを複数部材の接合無しに製造できる。外形の転写性に優れるので、中空部形状の設計は鋳造時の形状を設計することで容易に行える。バルブ傘部の厚みを均一にできるので、バルブ傘部の細部に亘って中空部を形成できる。これにより、冷媒もバルブ傘部の隅々にまで行き渡らせることができる。熱処理時間を調整することで厚みを容易かつ確実に制御できる。

外表面をメッキ処理していれば、エンジンバルブの耐熱性や耐食性を向上できる。このメッキ処理を高融点化工程と中空部形成工程との間に行えば、形成されたメッキ層の元素を中空部形成工程の熱を有効利用して基材側へ拡散させることができ、基材の改質も可能となる。

脱炭防止剤を付与するだけで高融点化された表層部の厚みを部分的に異ならせることができるので、肉厚制御が容易であると共に、わざわざ厚みを異ならせるための機械加工も不要であり生産性も高い。

中空部の形状は、エンジンバルブの外形からの転写性に優れるので、外表面に軸方向の凹凸を有する形状に鋳造することで容易確実に中空部内に軸方向の凹凸を形成できる。その後バルブ軸部の外表面を平面化しておけば、エンジンバルブ本来の機能が阻害されることはない。

（実施例１）
以下、本発明の実施例につき適宜図面を参照しながら説明するが、これに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。エンジンバルブ１は、自動車のエンジンの燃焼室へ給排気するための吸気バルブや排気バルブとして使用される鋳造部材であって、図１に示すごとく円柱形のバルブ軸部２と、そのバルブ軸部２の一端に一体連続するバルブ傘部３と、バルブ軸部２の他端側の軸端部４とを備える。符号５は、図示していないバルブコッタを介してバルブリフタへ係合される、コッタ溝である。バルブ傘部３は、エンジン燃焼室に直接臨む平坦なフェース面６と、該フェース面６からバルブ軸部２へ亘って先窄まり状の曲面７とを有し、エンジンバルブ１はポペットバルブと呼ばれる茸状を呈している。エンジンバルブ１の内部には、バルブ軸部２のフェース面６とバルブ傘部３の軸端部４とに亘る中空部９が形成されており、当該中空部９内に冷媒１０が封入されている。詳細は後述するが、中空部９を形成する際に形成された開口を封止する封止部は、バルブ軸部２の軸端部４にある。中空部９は、エンジンバルブ１の外形と相似関係にある略同一形状に形成されている。エンジンバルブ１の厚みは、バルブ傘部３の曲面７を除いて全体的に均一となっている。バルブ傘部３の曲面７部分は、その他の部分よりも厚みが大きい。また、エンジンバルブ１の外表面には、耐熱性や耐食性等に優れる被覆層１１を有する。

エンジンバルブ１は、炭素を２．１４〜６．６７％程度含む鋳鉄部品である。一般的に、従来のエンジンバルブは鉄鋼材料の鍛造により成形されていたが、鋳造可能な鋳鉄とすれば安価である。その鋳鉄としては、例えば球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）、強靭鋳鉄、ねずみ鋳鉄，白鋳鉄，まだら鋳鉄などの普通鋳鉄、黒心可鍛鋳鉄（ＦＣＭＢ），白心可鍛鋳鉄（ＦＣＭＷ），パーライト可鍛鋳鉄（ＦＣＭＰ）などの可鍛鋳鉄、高クロム鋳鉄，高ケイ素鋳鉄，二レジストなどの他Ｎｉ，Ｍｏなどを高配合した合金鋳鉄などが挙げられる。中でも、機械的強度や靭性に優れる球状黒鉛鋳鉄が好ましい。

中空部９に封入する冷媒１０としては、エンジンバルブ１が使用される環境にて液状となり得る低融点のものであれば特に限定されず、代表的には金属ナトリウムやナフタレンなどが挙げられる。冷媒１０が封入されていることで、エンジンバルブ１の熱交換率が向上すると共に、冷媒１０の気化熱によって冷却効率も向上する。

被覆層１１としては、メッキ処理により形成されたメッキ層、熱処理によりメッキ層が拡散した拡散層、表面処理により形成された表面処理層などが含まれる。これらはエンジンバルブ１の耐熱性や耐食性を向上するためのものであって、１種のみを形成してもよいし、２種以上を複合して形成してもよい。メッキ層としては、代表的にはニッケルメッキ層やクロムメッキ層が挙げられる。中でもクロムメッキ層が好ましく、ニッケルメッキ層とクロムメッキ層とを積層することがより好ましい。拡散層は、エンジンバルブ１の外表面にメッキ層を形成した後に熱処理することで、メッキ層中の元素がエンジンバルブ１の基材中に拡散することで形成される層である。したがって、クロムメッキ層を形成しておけば、これがエンジンバルブ１の基材中へ拡散することで、エンジンバルブ１の外表面にはステンレス化した拡散層が形成され、耐食性が向上する。ニッケルメッキ層も形成されている場合は、オーステナイト系ステンレス組成にできる。表面処理としては、代表的には窒化処理が挙げられる。好ましくは、拡散層を形成した後に表面処理する。

次に、図２を参照しながらエンジンバルブ１の製造方法について説明する。図２は、エンジンバルブ１の各製造工程を示す工程図である。エンジンバルブ１の製造方法の概略は、鋳鉄製エンジンバルブ１の表面を脱炭（高融点化）し、その後ニッケルメッキ２４やクロムメッキ２５を施す。それを適当な温度で加熱すると、内層部２２のみが溶け出して中空化されると共に、表面にステンレス化されたＮｉ−Ｃｒ層１１が形成される。その後必要な機械加工を施し、中空部９に冷媒１０を封入した後に開口を封止して得られる。安価な鋳鉄製中空エンジンバルブである点、エンジンバルブ１（基材）の外形が中空部９に的確に転写される点、及び必要部の肉厚が自由に制御可能な点が大きな特徴である。以下、各工程について詳しく説明する。

エンジンバルブ１の製造工程としては、バルブ軸部２とバルブ傘部３とを非中空状に一体鋳造する鋳造工程（図２（Ａ））と、熱処理により表層部２１を内層部２２に比べて高融点化処理する高融点化工程（図２（Ｂ））と、外表面をメッキ処理するメッキ処理工程（図２（Ｃ））と、バルブ軸部２の一部において内層部２２を外面へ露出させる露出工程と、表層部２１の融点より低く内層部２２の融点より高い温度で熱処理する中空部形成工程（図２（Ｄ））と、中空部９に冷媒１０を封入する封入工程（図２（Ｅ））と、中空部を封止する封止工程（図２（Ｆ））とを有する。

［鋳造工程］
適当な組成に調整された金属溶湯を鋳型に鋳込む周知の鋳造により、図２（Ａ）に示すごとくバルブ軸部２とバルブ傘部３とを一体的に有する鋳鉄製のエンジンバルブ原体２０を作製する。このとき、黒鉛の球状化を阻害する酸素を除く脱酸剤や、黒鉛の球状化を促進するマグネシウム、ケイ素、カルシウム、アルミニウム、セリウムなどの非鉄金属を適量加えてグラファイトを球状化させた球状黒鉛鋳鉄とすることが好ましい。なお、本実施例１では、鋳造工程で得られるエンジンバルブ原体２０にコッタ溝５は形成されていない。

［高融点化工程］
この工程は、エンジンバルブ原体２０を電気式加熱炉などで熱処理することにより、エンジンバルブ原体２０の表層部２１を脱炭処理する工程である。その条件としては、熱処理により炭素が良好に拡散する温度以上とする。具体的には、８５０℃以上であり、好ましくは９００℃以上、より好ましくは１０００℃以上である。炭素は比較的拡散し易い元素であり、熱処理によって拡散することで酸素と反応して基材中から脱炭され、拡散変態によりフェライト量が増加していくと共に、マルテンサイト組織が熱的に安定なオーステナイト組織へ変態することで耐熱性も向上する。熱処理の上限は、表層部の融点以下である。鋳鉄の炭素含有量は約２％以上あり、そのときの融点は約１１５３℃なので、熱処理温度の上限は１１５０℃程度、好ましくは１１００℃程度とする。基材が脱炭されるにつれて融点が上昇し、炭素含有量が約１％では融点が１３５０℃となり、炭素含有量が約０．５％では融点が１４５０℃に達する。熱処理雰囲気は、プロパンガスを変性したガス雰囲気とすればよい。脱炭ガス組成はＣＯ／（ＣＯ＋ＣＯ₂）×１００＝７５％となる。

脱炭されることで形成される高融点の表層部２１の厚みは、熱処理の時間経過に伴い増加する。例えば熱処理温度が１０６０℃の場合。脱炭処理を１２時間行えば表層部２１の厚みは１．９ｍｍとなる。同様に、２４時間では２．３ｍｍ、３６時間では２．８ｍｍ、６０時間では４．３ｍｍに達する。このように熱処理時間を適宜調整することで、表層部２１の厚み、延いてはエンジンバルブ１の厚みを容易に制御できる。エンジンバルブ１の強度と軽量化を考慮すると、表層部２１（エンジンバルブ１）の厚みは０．５〜４．０ｍｍ程度とすればよい。この範囲よりも厚みが小さいと、求められるエンジンバルブ１の強度を確保できない。一方、この範囲よりも厚みが大きいと、エンジンバルブ１の重量が増す。好ましくは０．８〜３．０ｍｍ程度、より好ましくは１．０〜２．５ｍｍ程度である。脱炭されなかった内層部２２は、結果的に表層部２１よりも低融点となる。なお、エンジンバルブ原体２０は、その外表面全体が均等に脱炭されるので、表層部２１の厚みはどの部分でも基本的に均一である。

部分的に表層部２１の厚みを異ならせたい場合は、エンジンバルブ原体２０の外表面の一部に、周知の脱炭防止剤を付与したうえで高融点化処理すればよい。脱炭防止剤を付与した部位では脱炭効果が抑制されるので、高融点化された表層部２１の厚みは、脱炭防止剤を付与していない部位よりも薄くなる。ここで、バルブ傘部３の曲面７は、応力集中によって負荷が大きい。そこで、バルブ傘部３の曲面７のみは厚肉にすることが好ましい。そこで、高融点化工程において、バルブ軸部２の外表面と、バルブ傘部３のフェース面６に脱炭防止剤を付与した上で脱炭処理する。これにより、図１や図２に良く示されるように、バルブ傘部３の曲面７が他の部位よりも厚肉になる。バルブ傘部３の曲面７の厚みは、その他の部位の厚みに対して１．２〜３．０倍程度とすればよい。程度曲面７の厚みがこの範囲より小さいと、厚みを異ならせたことによる効果が小さい。一方、曲面７の厚みがこの範囲より大きいと、エンジンバルブ１の重量が増す。好ましくは１．５〜２．５倍程度、より好ましくは１．８〜２．３倍である。

脱炭処理後は、徐冷する。このとき、オーステナイト変態点である７２７℃付近まではガス雰囲気中で徐冷し、その後は放冷すればよい。ガス雰囲気中で徐冷する温度の下限は、オーステナイト変態点＋１０℃程度、好ましくはオーステナイト変態点＋２０℃程度である。

［メッキ処理工程］
この工程は、エンジンバルブ原体２０の外表面にメッキ層を形成する工程である。本実施例１では、図２（Ｃ）に示すごとくエンジンバルブ原体２０の外表面全体にニッケルメッキ層２４を形成し、当該ニッケルメッキ層２４の外面全体にクロムメッキ層２５を形成している。メッキ層は、エンジンバルブ１の耐食性などを向上するために形成される層であり、耐食性を向上させるにはクロムメッキ層２５のみでも構わない。しかし、クロムメッキ層２５は、通常多数のマイクロクラックが存在しかつ脆いため、これのみでは過酷な環境に晒されるエンジンバルブ１の品質向上には課題が残る。具体的には、クロムメッキ層２５を形成しただけの状態で熱処理すると、クロムメッキ層２５のマイクロクラックを通って基材中の鉄が表面にまで拡散移動し、耐食性の向上効果が良好に得られない部分が生じるおそれがある。そこで、ニッケルメッキ層２４をクロムメッキ層２５の下地として形成しておけば、基材中の鉄が表面にまで拡散することがないので、有意にエンジンバルブ１の耐食性を向上できる。

このメッキ層２４・２５は、後述の中空部形成工程における熱処理により拡散し、拡散層１１となる。したがって、メッキ層２４・２５の膜厚を設計することで、拡散層１１の組成も設計することができる。例えば、クロム含有量の多い拡散層１１としたい場合には、ニッケルメッキ層２４の厚みよりもクロムメッキ層２５の厚みを大きくすればよい。一般的な１８Ｃｒ−８Ｎｉのステンレス組成としたい場合は、ニッケルメッキ層２４の厚みとクロムメッキ層２５の厚みを８：１８にすればよい。

［露出工程］
エンジンバルブ原体２０にメッキ層２４・２５を形成したら、後述の中空部形成工程において内層部２２を溶出させるための溶出口２７と、封入工程において冷媒１０を中空部９内へ封入するための貫通孔３０とを確保するため、内層部２２の一部を外面に露出させる。本実施例１では、図２（Ｄ）に示すごとく、内層部２２存在部分においてバルブ軸部２の軸端部４を径方向に切断することで内層部２２を外面へ露出させた。当該露出部分が、後の溶出口２７となる。また、バルブ傘部３のフェース面６にも内層部２２に至る孔を穿設することで、内層部２２を外面へ露出させた。この孔が、後の貫通孔３０となる。

［中空部形成工程］
次いで、再度エンジンバルブ原体２０を熱処理する。ここでの熱処理は、バルブ軸部２の軸端部４に形成した内層部２２の露出部が下方にある状態で、表層部２１の融点より低く内層部２２の融点より高い温度で熱処理する。すると、図２（Ｄ）に示すごとく内層部２２のみが溶融し、軸端部４において内層部２２が外部へ露出した部分が溶出口２７となってエンジンバルブ原体２０外へ溶出すると共に、フェース面６に貫通孔３０が形成される。内層部２２の溶出に伴い貫通孔３０も同時に形成されることで、当該貫通孔３０が空気孔としても機能し、内層部２２が円滑に溶出し易くなる。最後に、溶融せずに残った表層部２１が、エンジンバルブ１の外壁となる。このとき、高融点化工程の脱炭処理により曲面７を除く表層部２１は均一な厚みであり、曲面７自体も外面から均等な厚みを有する。したがって、内層部２２が溶出して形成された中空部９の形状は、エンジンバルブ原体２０の外形が的確に転写されているので、必然的にエンジンバルブ１の外形と略同一形状の中空部９が形成される。また、中空部形成工程の熱処理温度により、ニッケルメッキ層２４とクロムメッキ層２５が拡散した拡散層１１が形成される。拡散層１１には表層部２１中の鉄も拡散してくるのでステンレス組成となり、耐食性などが向上する。

中空部形成工程における熱処理は、原則として内層部２２を溶出させるための工程なので、その雰囲気は表層部２１に悪影響を与えない雰囲気であれば特に限定されない。しかし、同時にメッキ層２４・２５の熱処理も兼ねていることから、アルゴンガス雰囲気、窒素ガス−水素ガス雰囲気、若しくは水素ガス雰囲気で行う。中でも、拡散層１１の厚みが増し易い水素ガス雰囲気や、窒素化処理も兼ねられる窒素ガス−水素ガス雰囲気が好ましい。この拡散層１１が被覆層となる。

［封入工程］
中空部９を形成できたら、図２（Ｅ）に示すごとく、内層部２２の溶出口２７に、コッタ溝５を有する封止部材２９を溶接することで溶出口２７を塞ぐ。封止部材２９は、溶接可能な素材であれば特に限定されず、鋳鉄でもよいし鋼材でもよい。このように、エンジンバルブ１の軸端部４に、ある程度の厚みを有する封止部材２９を溶接していることで、軸端部４の厚みが確保される。軸端部４は、図外のカム機構によって昇降されるバルブリフタからの荷重が直接作用する部位であるが、当該軸端部４が有意な厚みを有することで強度が増し、カム側からの荷重に対して破損や変形が有効に防止される。そして、溶出口２７を塞いだ後に、貫通孔３０から冷媒１０を中空部９内に封入する。冷媒１０は、その気化熱によってエンジンバルブ１の冷却効率を向上させるものなので、冷媒１０を中空部９内へ封入したとき、一定の蒸発空間を確保しておく必要がある。具体的な冷媒１０の封入量は、中空部９の容積に対して３０〜８０ｖｏｌ％、好ましくは４０〜７０ｖｏｌ％、より好ましくは４５〜６０ｖｏｌ％である。冷媒１０の封入量が中空部９の容積に対して３０ｖｏｌ％未満では、冷媒１０による熱交換率向上効果が得られ難い。一方、冷媒１０の封入量が中空部９の容積に対して８０ｖｏｌ％を超えると、冷媒１０の蒸発量が減少して冷却効率が得られ難い。

［封止工程］
最後に、図２（Ｆ）に示すごとく中空部９の貫通孔３０を溶接により塞ぐことで、中空部９を密閉状に封止し、エンジンバルブ１が得られる。

（実施例２）
図３に本発明の実施例２を示す。図３は、実施例２におけるエンジンバルブ１の各製造工程を示す工程図である。本実施例２は実施例１の変形例であって、得られるエンジンバルブ１は実施例１と同じであって図１に示す構成となっているが、その製造工程の一部である鋳造工程、露出工程、封入工程、及び封止工程が実施例１と異なる。

具体的には、図３（Ａ）に示す鋳造工程において、コッタ溝５を形成してある。露出工程において内層部２２を外面へ露出する手段として、バルブ軸部２の軸端部４の端面のみに、内層部２２に至る穿孔３１を形成した。フェース面６には、露出部を形成していない。図３（Ｄ）に示す中空部形成工程では、溶融した内層部２２が穿孔３１から溶出される。次いで、図３（Ｅ）に示す封入工程では、エンジンバルブ１を上下反転させて、中空部９に至る貫通孔となった穿孔３１から冷媒１０を封入する。最後に、図３（Ｆ）に示す封止工程にて穿孔３１を溶接封止することで、エンジンバルブ１が得られる。この方法によれば、中空部９に至る開口を１箇所のみに形成するだけでよく、封入工程にてエンジンバルブ１を上下反転させることで、穿孔３１を内層部２２の溶出口と冷媒１０の封入口とに兼用できるので、効率的である。また、開口が１つのみなので封止処理も１回で済むと共に、封止部材が不要となるので、部品点数も削減できる。しかも、フェース面６には加工部位が存在しないので、フェース面６の性能が高い。その他は実施例１と同様なので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。

（実施例３）
図４に本発明の実施例３を示す。図４は、実施例３におけるエンジンバルブ１の製造工程の一部を示す概略工程図である。実施例３のエンジンバルブ１は、中空部９の形状が実施例１や実施例２と異なる。具体的には、中空部９の内面には、軸方向に延びるリブ状の凹凸３６が、全周に亘って多数形成されている。これにより、中空部９の表面積が増大することで熱交換率が向上すると共に、断面係数も大きくなるので強度も高くなる。このリブ状の凹凸３６は、エンジンバルブ１の外形の良好な転写性を有効利用して簡単かつ高精度に形成できる。

実施例３のエンジンバルブ１の製造方法について説明する。まず、図４（Ａ）に示すごとく、鋳造工程において外面に軸方向に延びるリブ状の凹凸３５を有するエンジンバルブ原体２０を鋳造する。次いで、図４（Ｂ）に示すごとく実施例１と同様に高融点化工程において表層部２１を脱炭処理する。このとき、表層部２１は、外表面からの厚みが均一なので、表層部２１と内層部２２との界面も、エンジンバルブ原体２０の外形と同じように凹凸形状となっている。そして、実施例１と同様の露出工程を経てから、図４（Ｃ）に示すごとく実施例１と同様に中空部形成工程において内層部２２を溶出させて中空部９を形成する。すると、均一な厚みでエンジンバルブ原体２０の外形と同じ形状の表層部２１がエンジンバルブ１の外壁として残ることで、中空部９は必然的にエンジンバルブ原体２０の外形が的確に転写された凹凸３６を有する形状に形成される。次いで、実施例１や実施例２ではなかった表面加工工程にて、図４（Ｄ）に示すごとくエンジンバルブ１の外表面を切削又は研削することで平面化する。その後は、実施例１と同様に封入工程、封止工程が行われる。

（その他の変形例）
上記各実施例では、曲面７とその他の部分との厚みを異ならせていたが、必ずしもその必要はなく、エンジンバルブ１の全体が均一な厚みとなっていてもよいし、フェース面６も曲面７と共にバルブ軸部２より肉厚にしておくことも好ましい。また、実施例２のような形態では、軸端部４の厚みも曲面７と同様に他の部分より肉厚にしておくとよい。上述のように、軸端部４はバルブリフタからの荷重が直接作用する部位であり、軸端部４を他の部分より肉厚にしておくことで、カム側からの荷重に対する破損や変形を防止できる。メッキ層１１も、必ずしも必要ではない。メッキ処理工程は、中空部形成工程の前でなく中空部形成工程の後に行い、別途熱処理しても構わない。また実施例１において、貫通溝３０は、中空部形成工程後に穿設することもできる。

エンジンバルブの一部破断正面図である。 実施例１におけるエンジンバルブの各製造工程を示す工程図である。 実施例２におけるエンジンバルブの各製造工程を示す工程図である。 実施例３におけるエンジンバルブの製造工程の一部を示す概略工程図である。

符号の説明

１ エンジンバルブ
２ バルブ軸部
３ バルブ傘部
６ フェース面
７ 曲面
９ 中空部
１０ 冷媒
１１ 被覆層（拡散層）
２０ エンジンバルブ原体
２１ 表層部
２２ 内層部
２４ ニッケルメッキ層
２５ クロムメッキ層
２７ 溶出口
２９ 封止部材
３０ 貫通孔
３１ 穿孔
３６ 凹凸

Claims (9)

1. バルブ傘部と、バルブ軸部とを備え、内部に中空部を有する中空エンジンバルブであって、
   前記中空部は、前記バルブ傘部とバルブ軸部とに亘って前記エンジンバルブの外形と略同じ形状に形成されており、
   前記バルブ傘部と前記バルブ軸部とは一体形成された一部材であって、前記中空部を封止する封止部が前記バルブ軸部に設けられていることを特徴とする中空エンジンバルブ。
2. 前記中空部に冷媒が封入されている請求項１に記載の中空エンジンバルブ。
3. 前記バルブ傘部は、平坦なフェース面と、該フェース面から前記バルブ軸部へ亘って先窄まり状の曲面とを有し、
   前記バルブ傘部の曲面の厚みは、前記バルブ軸部の厚みより大きい請求項１または請求項２に記載の中空エンジンバルブ。
4. 前記中空部の内面には、軸方向の凹凸が形成されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の中空エンジンバルブ。
5. バルブ傘部とバルブ軸部とを非中空状に一体鋳造する鋳造工程と、
   熱処理により表層部を内層部に比べて高融点化処理する高融点化工程と、
   前記バルブ軸部の一部において前記内層部を外面へ露出させる露出工程と、
   前記表層部の融点より低く前記内層部の融点より高い温度で熱処理することにより、前記内層部を前記露出部から溶出させて中空部を形成する中空部形成工程と、
   前記中空部を封止する封止工程と、を有することを特徴とする中空エンジンバルブの製造方法。
6. 前記中空部形成工程と前記封止工程との間に、前記中空部に冷媒を封入する封入工程を有する請求項５に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
7. 前記高融点化工程と前記中空部形成工程との間に、外表面をメッキ処理するメッキ処理工程を有する請求項５または請求項６に記載の中空エンジンバルブの製造方法。
8. 前記高融点化工程では、前記エンジンバルブの外表面の一部に脱炭防止剤を付与したうえで、高融点化処理する請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の中空エンジンバルブの製造方法。
9. 前記鋳造工程では、外表面に軸方向の凹凸を有する形状に鋳造され、
   前記中空部形成工程の後、外表面を平面化する表面加工工程を有する請求項５ないし請求項８のいずれかに記載の中空エンジンバルブの製造方法。
   

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