JP2021139365A

JP2021139365A - バルブガイド

Info

Publication number: JP2021139365A
Application number: JP2021031469A
Authority: JP
Inventors: 礼人及川; Ayato Oikawa; 清諏訪; Kiyoshi Suwa; 賢一佐藤; Kenichi Sato; 勝明小川; Katsuaki Ogawa
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2021-03-01
Publication date: 2021-09-16

Abstract

【課題】熱引け性に優れたバルブガイドを提供する。【解決手段】内燃機関のシリンダヘッドに圧入されて、バルブを摺動可能に支持するバルブガイドであって、少なくとも外周面にめっき膜を有する。外周面に形成されるめっき膜は、銅めっき膜または銅合金めっき膜とすることが好ましく、厚さ：1〜100μｍで、ビッカース硬さHVで硬さ：50〜300HVを有し、かつめっき膜の硬さがシリンダヘッドの硬さの1.05〜4.5倍の範囲を満足するめっき膜とすることが好ましい。また、めっき膜は、JIS B 0601-1994の規定に準拠した算術平均粗さRaで、0.1〜1.6μmである表面粗さを有することが好ましい。このようなめっき膜をバルブガイドの少なくとも外周面に形成することにより、優れた熱伝導性（熱引け性）を有する内燃機関用バルブガイドを容易に得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用バルブガイドに係り、とくに熱伝導性（以下、熱引け性ともいう）を向上させたバルブガイドに関する。

バルブガイドは、内燃機関のシリンダヘッドに圧入され、バルブの軸部を支持し、バルブの開閉運動を支える部品であり、高速で往復運動するバルブと摺動するため優れた耐摩耗性が要求される。バルブガイド用材料としては、従来、鋳鉄や高力黄銅が用いられてきたが、近年では、耐摩耗性に優れた鉄基焼結合金も用いられるようになってきている。

最近では、内燃機関の高効率化・高負荷化の促進にともない、燃焼室周りの温度がさらに上昇する傾向にあり、ノッキングの発生が懸念されている。ノッキングの発生を抑制し、内燃機関の更なる高効率化を達成するためには、燃焼室周りの温度を低下することが重要なポイントであり、バルブやバルブシート等の燃焼室周りの部品に対し、熱伝導性（熱引け性）を向上させることが強く要求されている。バルブの冷却を担うバルブガイドに対しても、更なる熱伝導性（熱引け性）向上の要求がある。

このような要求に対し、例えば特許文献１には、「焼結合金製バルブガイド」が提案されている。特許文献１に記載された焼結合金製バルブガイドは、質量％で、Cu：10〜90％、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W：0〜8％、C：0.5〜3％、残部Feおよび不可避的不純物からなり、Cr、Mo、V、及びWの合計が2％以上である組成を有し、耐摩耗性を有するFeを主成分とするFe基合金相と、熱伝導性に優れたCu相又はCuを主成分とするCu基合金相、及び自己潤滑性に優れた黒鉛相からなる組織を有する焼結合金製バルブガイドである。この焼結合金製バルブガイドは、質量％で、Cr：0〜10％、Mo：0〜6％、V：0〜8％、W：0〜8％、C：0.5〜3％、残部Feおよび不可避的不純物からなり、Cr、Mo、V、及びWの合計が2％以上である組成を有する合金粉末にCuのコーティングを施し、C粉末を混合し、成形、焼結して製造するとしている。これにより、耐摩耗性に優れ、バルブ冷却能の高いバルブガイドとすることが可能であるとしている。

また、特許文献２には、「耐摩耗性銅基焼結合金」が記載されている。特許文献２に記載された耐摩耗性銅基焼結合金は、バルブガイド用の焼結合金であり、全体組成が、質量比で、Ni：2.0〜16.0％、Si：0.2〜4.0％、および残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成と、気孔と、銅もしくは銅―ニッケル合金からなる基地と、基地中に分散する粒状のニッケル珪化物とからなる金属組織とを有し、ニッケル珪化物は2μm以上の大きさのものを含む耐摩耗性銅基焼結合金である。この耐摩耗性銅基焼結合金は熱伝導性にも優れており、この焼結合金を、バルブガイドとして使用した場合には、摺動相手であるバルブと良好な摺動を維持できるとともに、バルブの熱をバルブガイドを介して放散することができる、としている。

また、特許文献３には、「Cu基焼結合金」が記載されている。特許文献３に記載されたCu基焼結合金は、Cu基地中又はCuを主成分とするCu基合金からなるCu基地中に、ビッカース硬さ300HV0.1以上のFe基合金である硬質粒子を3〜40質量％分散させたCu基焼結合金である。ここでいうFe基合金は、質量％で、Cr：0〜25％、Ni：0〜15％、Mo：0〜48％、V：0〜8％、W：0〜8％、Si：0〜5％、C：0.5〜3％、残部Feおよび不可避的不純物からなり、Cr、Ni、Mo、V及びWの合計が2％以上である組成を有する合金であるとしている。このCu基焼結合金は、バルブガイドに使用することができる高伝導性と優れた耐摩耗性を有する焼結合金であるとしている。

国際公開 WO2015／012249 A1号特開2015−160960号公報特開2016−60922号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載された技術はいずれも、バルブガイドの熱伝導性を高めるため、用いる素材の熱伝導率を高めることを主旨としており、用いる素材が高価な素材に限定されるという問題がある。内燃機関の高効率化・高負荷化に伴い、最近では、更なるバルブの熱引け性向上が要求されているが、特別なバルブガイドを用いることなく、従来と同様な素材のバルブガイドにおいて、熱引け性を向上させることが要望されている。

本発明は、かかる要望に鑑み、熱引け性に優れたバルブガイドを提供することを目的とする。ここで、「熱引け性に優れた」バルブガイドとは、従来のバルブガイドを用いた場合に比べ、バルブ温度が20℃を超えて低下する場合をいうものとする。

本発明者らは、上記した目的を達成するため、バルブガイドの熱引け性に及ぼす各種要因について鋭意検討した。その結果、バルブガイドの少なくとも外周面に、好ましくは適正な範囲の硬さと適正な膜厚とを有するめっき膜を形成することにより、バルブガイドが摺動接触するバルブの温度を顕著に低下することができることを見出した。

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次の通りである。
［１］内燃機関用のバルブガイドであって、該バルブガイドの少なくとも外周面にめっき膜を有し、熱引け性に優れることを特徴とするバルブガイド。
［２］前記めっき膜が、厚さ：1〜100μｍで、ビッカース硬さHVで硬さ：50〜300HVを有するめっき膜であり、かつ該めっき膜の硬さが前記内燃機関のシリンダヘッドの硬さの1.05〜4.5倍の範囲を満足することを特徴とする［１］に記載のバルブガイド。
［３］前記めっき膜の表面粗さが、JIS B 0601-1994の規定に準拠した算術平均粗さRaで、0.1〜1.6μmであることを特徴とする［１］または［２］に記載のバルブガイド。
［４］前記めっき膜が、銅めっき膜または銅合金めっき膜であることを特徴とする［１］ないし［３］のいずれかに記載のバルブガイド。

本発明によれば、内燃機関シリンダヘッドに圧入される内燃機関用バルブガイドに関し、複雑な工程を経ることなく、また、高価な合金元素の多量含有を行うことなく、従来と比べて耐摩耗性の著しい低下を伴うこともなく、優れた熱伝導性（熱引け性）を有する内燃機関用バルブガイドを安価にしかも容易に得ることができ、産業上格段の効果を奏する。

本発明バルブガイドの断面構造の１例を内燃機関のシリンダヘッドに組込まれた状態で模式的に示す説明図である。

内燃機関用バルブガイド１は、図１に示すように、内燃機関のシリンダヘッド２に圧入されて、バルブ（図示せず）を摺動可能に支持する。本発明バルブガイド１は、少なくとも外周面にめっき膜１１を有する。図１では、めっき膜１１は、バルブガイドの外周面に形成されているが、本発明ではそれに限定されることはない。

形成するめっき膜１１の膜種（種類）は、熱伝導性、密着性の観点から、銅（以下、Cuともいう）、銅合金（以下、Cu合金ともいう）とすることが好ましい。

また、形成するめっき膜１１の厚さとしては、1〜100μmとすることが好ましい。めっき膜１１の厚さが1μm未満では、所望の優れた熱引け性を確保できにくい。一方、100μmを超えて厚くなると、めっき膜１１の密着性が低下する。このため、少なくとも外周面に形成するめっき膜１１の厚さは、1〜100μmの範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは1〜50μm、さらに好ましくは1〜10μmである。

また、形成するめっき膜１１の硬さは、ビッカース硬さHVで50〜300HVとすることが好ましい。めっき膜１１の硬さが、50HV未満ではめっき膜が軟らかすぎて、シリンダヘッドへの圧入に際しめっき膜の剥離等の問題が生じる。一方、300HVを超えて硬くなると、シリンダヘッドとの密着性が低下し、熱引け性が低下する。このため、めっき膜１１は、50〜300HVの範囲の硬さとすることが好ましい。なお、より好ましくは50〜200HV、さらに好ましくは50〜150HVである。さらに、形成するめっき膜１１は、上記した硬さの範囲内でかつシリンダヘッドの硬さの1.05〜4.5倍の範囲を満足するように調整することが好ましい。なお、好ましくは1.05〜4.50倍である。めっき膜１１の硬さが、シリンダヘッド２の硬さに対して上記した範囲を低く外れると、めっきが剥がれやすく、一方、上記した範囲を高く外れると、バルブガイド１のシリンダヘッド２への圧入不能が発生する。なお、めっき膜１１の形成に際しては、密着性の観点から、バルブガイド１表面をJIS B 0601-1994の規定に準拠した算術平均粗さRaで0.1〜1.6μmとすることが好ましい。めっき膜１１の表面粗さが、Raで、上記した範囲を外れると、シリンダヘッド２との密着性が低下し、バルブガイド１の熱引け性も低下する。なお、より好ましくはRaで0.10〜1.60μm、さらに好ましくは0.10〜0.50μmである。

上記した特性を有するめっき膜１１を形成するバルブガイド１の素材については、とくに限定する必要はないが、常用の溶製材製バルブガイドや、常用の焼結体製バルブガイドがいずれも適用できる。

常用の溶製材製バルブガイドとしては、例えば、高力黄銅等の銅基合金（高力黄銅）製のバルブガイドや鋳鉄等の鉄基合金製のバルブガイドが例示できる。また、常用の焼結体製バルブガイドとしては、例えば、4.5％Cu−2％C系等の鉄基焼結合金製のバルブガイドが例示できる。

つぎに、本発明のバルブガイドの好ましい製造方法について説明する。

本発明では、例えば上記した組成のバルブガイドに、さらに銅めっき処理あるいは銅合金めっき処理を施し、少なくともバルブガイドの外周面にめっき膜を形成する。めっき処理としては、常用の電解めっき処理、無電解めっき処理がいずれも好適であるが、めっき膜密着性の観点から、電解めっき処理とすることが好ましい。なお、めっき膜厚、めっき膜硬さの調整は、電解めっき処理であれば、常用にしたがって、電解液、電流値、電解時間等の調整によることが好ましい。なお、シリンダヘッドとの密着性向上の観点から、めっき処理後のめっき膜の表面粗さが、JIS B 0601-1994の規定に準拠した算術平均粗さRaで0.1〜1.6μm、好ましくは0.10〜1.60μmの範囲となるように、めっき処理条件を調整することが好ましい。

なお、本発明バルブガイドは、シリンダヘッドの所定の場所に圧入され、内燃機関用構造体を構成する。シリンダヘッドは、軽量化という観点から、アルミニウム合金製とすることが好ましい。シリンダヘッドに使用されるアルミニウム合金としては、JIS H 5202の規定に準拠した、例えばAC4B、AC2B、AC4D、AC5A等が好適である。なお、これらの合金は、シリンダヘッドに形成された状態では、通常、60〜90HV程度の硬さを示す。

シリンダヘッドに圧入するバルブガイドとしては、上記したように、少なくとも外周面に、めっき膜を有するバルブガイドとする。そして、少なくとも外周面に形成するめっき膜の硬さを、50〜300HVの範囲内で、かつシリンダヘッドの硬さ、すなわちシリンダヘッドを構成するアルミニウム合金の硬さの1.05〜4.5倍、好ましくは1.05〜4.50倍の範囲の硬さ、となるように、めっき膜の硬さを調整する。これにより、シリンダヘッドに圧入した後のバルブガイドが優れた熱引け性等の所望の特性を確保できるようになる。

以下、実施例に基づき、さらに本発明について説明する。

表１のＡに示す組成となるように、原料粉末を配合し、混合、混錬して混合粉とし、得られた混合粉を、金型に装入し、プレス成形機で圧縮成形し、円筒状圧粉体を得た。得られた円筒状圧粉体に、焼結処理を施し、円筒状焼結体とし、素材とした。

また、JIS H 3250に規定される表１のＢに示す組成の黄銅（市販材）を素材として準備した。
また、JIS G 5501に規定される表１のＣに示す組成の鋳鉄（市販材）を素材として準備した。

これら素材に、切削、研削を施して、外径11.0mmφ×内径5.5mmφ×長さ48.0mmのバルブガイドとした。なお、バルブガイドの表面粗さはRaで0.3μmであった。表面粗さRaの測定は、JIS B 0601-1994の規定に準拠して行った。

ついで、得られたバルブガイドに、めっき処理を施し、めっき膜を形成した。なお、めっき膜形成後、バルブガイド内周面のめっき膜は切削により削除し、図１に示すように、めっき膜は、バルブガイドの外周面のみに形成した。めっき膜の種類は、Cuとし、常用のCu電解めっき液（硫酸銅浴）を用いた電解処理を行って、めっき膜を形成した。めっき膜の厚さ、硬さ、表面粗さは、電解処理条件を変化して、表２（表２−１〜表２−３）に示すように調整した。また、一部のバルブガイド（バルブガイドNo.1、No.30、No.49）にはめっき処理を施さず、従来例とした。

得られたバルブガイドについて、発光分析により各成分の含有量を分析した。得られた結果を表１に示す。

また、得られたバルブガイドの断面を研磨し、腐食して、ビッカース硬さ計（荷重：10g）を用いて、めっき膜の硬さHVを測定した。得られた結果を表２（表２−１〜表２−３）に示す。なお、バルブガイドを圧入するアルミニウム合金製シリンダブロックの硬さも同様に測定した。

また、上記したバルブガイドから熱伝導率測定用サンプルを製造し、レーザフラッシュ法を利用して、20℃における熱伝導率を測定し、表３（表３−１〜表３−３）に示す。
また、上記したバルブガイドを試験片として、熱引け性を調査した。

熱引け性試験はつぎのとおりとした。
得られたバルブガイドを、所定の治具で支持したうえで、該バルブガイドに所定のバルブ（窒化バルブ）を挿入し、摺動させながら（摺動回数：1000回／min）、バルブを加熱して、バルブ首部の温度を熱電対で測定した。なお、熱源（LPG）を、基準のバルブガイドとの組み合わせで、バルブ温度が600℃になるような条件に調整して、バルブを加熱した。

得られた測定結果から、めっき膜なしの従来例を基準バルブガイド（バルブガイドNo.1、No.30、No.49）として、当該バルブガイドによるバルブ温度低下量ΔＴ（＝（当該バルブガイドによるバルブ温度）−（基準バルブガイドによるバルブ温度））を算出し、表３−１〜表３−３に示す。

本発明例はいずれも、基準バルブガイド（従来例）に比べて、バルブ温度の低下量が20℃を超えるほどに大きく、熱引け性が顕著に向上していることがわかる。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、バルブ温度の低下量が少なく、熱引け性の向上は認められない。

１バルブガイド
２シリンダヘッド
３燃焼室
４バルブシート
１１めっき膜

Claims

内燃機関用のバルブガイドであって、該バルブガイドの少なくとも外周面にめっき膜を有し、熱引け性に優れることを特徴とするバルブガイド。
前記めっき膜が、厚さ：1〜100μｍで、ビッカース硬さHVで硬さ：50〜300HVを有するめっき膜であり、かつ該めっき膜の硬さが前記内燃機関のシリンダヘッドの硬さの1.05〜4.5倍の範囲を満足することを特徴とする請求項１に記載のバルブガイド。
前記めっき膜の表面粗さが、JIS B 0601-1994の規定に準拠した算術平均粗さRaで、0.1〜1.6μmであることを特徴とする請求項１または２に記載のバルブガイド。
前記めっき膜が、銅めっき膜または銅合金めっき膜であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のバルブガイド。