JP3412001B2 - バルブシートの接合方法 - Google Patents
バルブシートの接合方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、抵抗熱接合法によ
ってバルブシートをシリンダヘッドに金属学的に接合す
る方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】４サイクルエンジンにおいては、燃焼室
に開口する吸・排気ポートが吸・排気バルブによってそ
れぞれ適当なタイミングで開閉されて所要のガス交換が
なされるが、シリンダヘッドの吸・排気ポートの周縁に
は、吸・排気バルブが間欠的に着座すべきバルブシート
が一般には圧入によって組み付けられていた。 【０００３】ところで、圧入型バーブシートは必要強度
及び剛性を確保する必要からその厚さが比較的厚く設定
されており、又、所定の圧入代を要するためにその高さ
寸法も比較的大きく設定されている。このため、複数の
バルブを備える多バルブエンジンにあっては、バルブ間
の距離が大きくなり、バルブの大径化或はバルブの燃焼
ドーム中心近傍への配置に限界があり、吸入ガス量の増
大を図ることができなかった。 【０００４】そこで、バルブシートを例えばＦｅ燒結材
で構成し、これを抵抗熱接合法によってシリンダヘッド
の吸・排気ポートの周縁に接合する提案がなされてい
る。この抵抗熱接合法は、接合界面に固相拡散層を形成
するとともに、同接合界面の少なくともシリンダヘッド
側に塑性変形層を形成することによってバルブシートを
シリンダヘッドに金属学的に接合する方法である。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に抵抗熱接合法によってシリンダヘッドに接合されるバ
ルブシートには実用に耐え得る十分な接合強度が要求さ
れる他、接合後にクラックが発生しないことが求められ
る。又、シリンダヘッドにはバルブシートからの熱を効
率良く伝達することができるよう高い熱伝達率が要求さ
れる。 【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とする処は、バルブシートに高い接合強度
を確保しつつ、該バルブシートにクラックが発生するの
を防ぐとともに、シリンダヘッドに高い熱伝達率を確保
することができるバルブシートの接合方法を提供するこ
とにある。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、初晶と共晶の双方を含む組
織を有する亜共晶のＡｌ−Ｓｉ合金から成るシリンダヘ
ッドとこれよりも高い融点を有するＦｅ系燒結材から成
るバルブシートとの接合界面に固相拡散層を形成すると
ともに、同接合界面の少なくともシリンダヘッド側に塑
性変形層を形成することによって、バルブシートをシリ
ンダヘッドに金属学的に接合するバルブシートの接合方
法において、前記バルブシートを電極により前記シリン
ダヘッドに加圧しながら、電極からバルブシートを介し
てシリンダヘッドに通電することによってバルブシート
とシリンダヘッドの接合界面付近を加熱し、その加熱温
度を、Ａｌ−Ｓｉ合金の固相線温度を超えず、接合界面
付近においてＡｌの初晶α層の融点よりも低く、且つ、
Ａｌ−Ｓｉの共晶組織の融点よりも高い値に設定すると
ともに、通電時間を、Ａｌの初晶α層が接合界面付近に
おいて固相のまま流動し得るに必要十分な値に設定する
ことによって、接合後のバルブシートとシリンダヘッド
との接合界面近傍の接合界面に沿ったシリンダヘッド側
断面に、Ａｌ−Ｓｉ合金の共晶組織が消失した組織を部
分的に形成することを特徴とする。 【０００８】 【０００９】本発明によれば、シリンダヘッドを構成す
るＡｌ−Ｓｉ合金において共晶凝固で晶出した共晶組織
の融点はＡｌの初晶α層のそれよりも低いため、該共晶
組織は接合過程の昇温によって優先的に溶融するが、固
相状態を保っているＡｌの初晶α層は接合中の加圧によ
って塑性変形し、この塑性変形によって、融点的に溶融
した共晶組織の層は接合界面外に排出され、溶融に至ら
なかったＡｌの初晶α層は塑性変形した状態で接合界面
近傍に残存する。この結果、接合後の接合界面近傍の接
合界面に沿ったシリンダヘッド側断面においてはＡｌ−
Ｓｉ合金の共晶組織が消失し、Ａｌの初晶α層のみが存
在することとなる。 【００１０】従って、接合界面のシリンダヘッド側は純
Ａｌの組成に近くなって延性に富むため、エンジン運転
中の接合界面での熱応力が緩和され、接合後のバルブシ
ートにクラックが発生することがない。 【００１１】又、溶融したＡｌ−Ｓｉ合金の共晶組織が
接合界面外に排出される過程で、バルブシートとシリン
ダヘッドの表面に被着されていた酸化皮膜や不純物等が
破壊されて接合界面外に同時に排出されるため、バルブ
シートに高い接合強度が確保される。 【００１２】更に、熱伝導率の低いＡｌ−Ｓｉ合金の共
晶組織が接合界面近傍から消失することによって、純Ａ
ｌの組成に近いシリンダヘッドの接合界面近傍の熱伝導
率が高くなり、バルブシートからの熱がシリンダヘッド
側へ効率良く伝達され、バルブシートの過熱が防がれ
る。 【００１３】 【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。 【００１４】先ず、４サイクルエンジンのシリンダヘッ
ド構造を図１及び図２に基づいて説明する。 【００１５】図１は４サイクル５バルブエンジンのシリ
ンダヘッドの縦断面図、図２は図１のＡ部（吸気側のバ
ルブシート部）の拡大詳細図であり、該４サイクルエン
ジンは各気筒について３つの吸気バルブ１−１，１−２
（１−１は両側の吸気バルブ、１−２は中央の吸気バル
ブ（センターバルブ））と２つの排気バルブ２を備えて
いる。そして、軽量な亜共晶（初晶α層と共晶α層を含
む）Ａｌ−Ｓｉ合金で構成されるシリンダヘッド３に形
成された３つの吸気ポート４と２つの排気ポート５はそ
れぞれ前記吸気バルブ１−１，１−２、排気バルブ２に
よって適当なタイミングで開閉され、これによって所要
のガス交換がなされる。尚、シリンダヘッド３の材料で
あるＡｌ−Ｓｉ合金としては、ＪＩＳ：ＡＣ２Ｂ，ＡＣ
４Ｂ，ＡＣ４Ｃ等が選定される。 【００１６】ところで、前記シリンダヘッド３の下面に
は、燃焼室１６を構成する凹状の燃焼ドーム３ａが形成
されており、同シリンダヘッド３に形成された前記吸気
ポート４と排気ポート５の燃焼室１６への開口部周縁に
は、前記吸気バルブ１−１，１−２、排気バルブ２がそ
れぞれ間欠的に着座すべきバルブシート６，７が各々装
着されている。 【００１７】而して、吸気バルブ１−１，１−２と排気
バルブ２はそれぞれバルブガイド８，９に摺動自在に挿
通しており、これらはバルブスプリング１０，１１によ
って閉じ方向に付勢されている。そして、吸気バルブ１
−１，１−２と排気バルブ２は、バルブリフタ１２，１
３に摺接しながら回転するカム１４，１５によってそれ
ぞれ適当なタイミングで駆動される。尚、図１におい
て、１７，１８，１９はシリンダヘッド３の吸気ポート
４と排気ポート５の周辺に形成されたウォータジャケッ
トである。 【００１８】ここで、バルブシート６，７について説明
する。 【００１９】本実施の形態においては、バルブシート
６，７は接合型バルブシートであって、これらは耐衝撃
性、耐摩耗性及び高温強度に優れたＦｅ系燒結材によっ
てリング状に成形されており、抵抗熱接合法によってシ
リンダヘッド３に金属学的に接合されている。尚、バル
ブシート６，７に高い熱伝導性や耐衝撃性等を付与する
ため、該バルブシート６，７の材質であるＦｅ系焼結材
にはＣｕ等の金属が溶浸処理によって充填されている。 【００２０】ここで、吸気側のバルブシート６の接合部
の詳細を図２に示すが、該バルブシート６とシリンダヘ
ッド３との接合界面を境としてシリンダヘッド３側には
後述の塑性変形層２５が形成されている。 【００２１】そして、バルブシート６の内周部には３つ
のテーパ面６ａ，６ｂ，６ｃが形成されており、テーパ
面６ｂが前記吸気バルブ１−１，１−２の当り面（着座
面）となっている。又、バルブシート６の外周面には２
つのテーパ面６ｄ，６ｅが形成され、両テーパ面６ｄ，
６ｅが交わる部分は鈍角の突起部６ｆを構成している。
尚、排気側のバルブシート７の断面形状も吸気側のバル
ブシート６のそれと同様であるため、これについての説
明は省略する。 【００２２】次に、吸気側のバルブシート６のシリンダ
ヘッド３への接合プロセスを図３乃至図１０に基づいて
説明する。尚、図３は抵抗溶接機の概略構成図、図４乃
至図９はバルブシートの接合プロセスを説明するための
部分断面図、図１０は図６のＢ部拡大詳細図である。 【００２３】図３に示す抵抗溶接機２０は、加圧装置２
１と、該加圧装置２１によって加圧される電極２２と、
該電極２２に給電するための不図示の給電装置を含んで
構成されている。電極２２はＣｕ又はその合金で構成さ
れ、その中心部には円孔２２ａが貫設されており、該円
孔２２ａには丸棒状のガイドバー２３が摺動自在に嵌装
されている。 【００２４】而して、上記構成を有する抵抗溶接機２０
にはシリンダヘッド３とシートリング材６’が図示のよ
うにセットされる。即ち、シリンダヘッド３は、これに
形成されたバルブガイド孔３ｂに抵抗溶接機２０の前記
ガイドバー２３が嵌合されることによって位置決めさ
れ、該シリンダヘッド３に形成された吸気ポート４の開
口部周縁が電極２２に対して正確に位置決めされる。
尚、シートリング材６’はバルブシート６の素材であっ
て、これはＦｅ系燒結材によってリング状に成形され、
その断面形状の詳細は図４に示される。 【００２５】上記シートリング材６’のシリンダヘッド
３への接合に際しては、図４に示すように、該シートリ
ング材６’はその外周の突起部６ａ’がシリンダヘッド
３の吸気ポート４の開口部周縁に当接する状態でセット
され、その後、図３に示す加圧装置２１によって電極２
２がガイドバー２３に沿って下動されてシートリング材
６’の内周テーパ面６ｂ’に嵌合され、シートリング材
６’が電極２２によって所定の加圧力Ｐで加圧され始め
る。 【００２６】上述のようにシートリング材６’を電極２
２によって加圧しながら、電極２２によってシートリン
グ６’に通電がなされると、該シートリング材６’から
シリンダヘッド３へと電流が流れ、両者の接触部及びそ
の周辺が加熱される。すると、シリンダヘッド３を構成
する亜共晶のＡｌ−Ｓｉ合金において共晶凝固で晶出し
た共晶Ｓｉの融点はＡｌの初晶α層のそれよりも低いた
め、該共晶Ｓｉは接合過程の昇温によって優先的に溶融
するが、固相状態を保っているＡｌの初晶α層は接合中
の加圧によって塑性変形し、図５に示すようにシートリ
ング材６’がシリンダヘッド３に沈み込んでいく。 【００２７】ところで、本実施の形態においては、低融
点材料であるＡ１−Ｓｉ合金製のシリンダヘッド３の接
合プロセスにおける加熱温度はＡ１−Ｓｉ合金の固相線
温度を超えないよう制御され、Ａ１−Ｓｉ合金における
Ａｌの初晶α層が接合界面付近において固相のまま塑性
流動し得る温度範囲内に設定される。尚、抵抗溶接機２
０の電極２２への通電時間は、Ａ１の初晶α層が接合界
面付近において固相のまま塑性流動し得るに必要十分な
通電時間とされる。 【００２８】そして、シリンダヘッド３を構成するＡｌ
−Ｓｉ合金において前述のようにＡｌの初晶α層が塑性
変形すると、優先的に溶融した共晶Ｓｉの層は接合界面
外に排出され、溶融に至らなかったＡｌの初晶α層は塑
性変形した状態で接合界面近傍に残存する。この結果、
図１１に示すように、シリンダヘッド３とシートリング
材６’の接合界面近傍の接合界面に沿ったシリンダヘッ
ド３側の断面（図１１の領域ａ）においては、Ａｌ−Ｓ
ｉ合金の共晶Ｓｉ組織が消失し、Ａｌの初晶α層のみが
存在することとなる。尚、図１１は図７のＣ部拡大（５
００倍に拡大）断面図であり、図示の領域ａを除く領域
ｂには共晶Ｓｉが存在している。 【００２９】ところで、実際にはＡｌの共晶α層と初晶
α層の区別はつきにくいため、接合界面のシリンダヘッ
ド３側では共晶Ｓｉのみが消失したような様相を呈す
る。 【００３０】ここで、シリンダヘッド３を構成するＡｌ
−Ｓｉ合金としてＡＣ４Ｃ，ＡＣ４Ｂ，ＡＣ２Ｂを選定
したときの各母材と排出部（接合界面外に排出された部
分）に含有されるＳｉ成分量（ｗｔ％）をそれぞれ実測
した結果を図１２に示すが、何れの材質（ＡＣ４Ｃ，Ａ
Ｃ４Ｂ，ＡＣ２Ｂ）についても排出部のＳｉ成分量が母
材のそれよりも多くなっており、このことは図１１に示
す領域ａに存在していた共晶Ｓｉが接合界面外に排出さ
れたことを意味している。 【００３１】而して、前述の温度範囲で前述のようにシ
ートリング材６’とシリンダヘッド３との接触部及びそ
の周辺が加熱されると、温度上昇によって活発化した原
子運動の結果、図１０に示すようにＦｅ原子とＡ１原子
の固相拡散が起き、この固相拡散によってシートリング
材６’がシリンダヘッド３に金属学的に強固に接合さ
れ、接合界面にはＦｅ−Ａ１合金塑性を有する非常に薄
い不図示の固相拡散層が形成される。 【００３２】又、同時にシリンダヘッド３を構成するＡ
１−Ｓｉ合金におけるＡｌの初晶α層のシートリング材
６’との接合界面での図１０の矢印方向の塑性流れによ
って、両金属材料の表面に被着されていた酸化皮膜や不
純物等は破壊されて接合界面外へ押し出されるため、酸
化皮膜や不純物が接合界面に巻き込まれることがない。 【００３３】而して、図７に示すようにシートリング材
６’がシリンダヘッド３に所定量だけ沈み込むと、電極
２２への通電が終了し、シートリング材６’はシリンダ
ヘッド３の吸気ポート４の開口部周縁に強固に接合され
る。そして、図７乃至図１０に示すように接合界面を境
としてシリンダヘッド３側（Ａ１−Ｓｉ合金側）には所
定厚さの塑性変形層２５が形成される。 【００３４】以上のようにしてシートリング材６’がシ
リンダヘッド３の吸気ポート４の開口部周縁に金属学的
に接合されると、図８に示すように、電極２２を取り除
いてシートリング材６’への加圧を解除し、最後に図９
に示すようにシートリング材６’を機械加工によって所
定の形状に仕上加工してバルブシート６として仕上げれ
ば、該バルブシート６のシリンダヘッド３への接合作業
が完了し、バルブシート６はシリンダヘッド３の吸気ポ
ート４の開口部周縁に強固に接合されて一体化される。 【００３５】尚、以上は吸気側のバルブシート６の接合
プロセスについて説明したが、排気側のバルブシート７
も同様にしてシリンダヘッド３に強固に接合される。 【００３６】以上のように、本実施の形態においては、
接合後のシリンダヘッド３とバルブシート６との接合界
面近傍の接合界面に沿ったシリンダヘッド３側の断面
（図１１の領域ａ）においてはＡｌ−Ｓｉ合金の共晶Ｓ
ｉが消失し、Ａｌの初晶α層のみが存在することとなる
ため、その部分は純Ａｌの組成に近くなって延性に富
み、従って、エンジン運転中の接合界面での熱応力が緩
和され、接合後のバルブシート６にクラックが発生する
ことがない。 【００３７】又、溶融した共晶Ｓｉが接合界面外に排出
される過程で、シートリング材６’とシリンダヘッド３
の表面に被着されていた酸化皮膜や不純物等が破壊され
て接合界面外に同時に排出されるため、バルブシート６
に高い接合強度が確保される。 【００３８】更に、熱伝導率の低い共晶Ｓｉが接合界面
近傍から消失することによって、純Ａｌの組成に近いシ
リンダヘッド３の接合界面近傍（図１１の領域ａ）の熱
伝導率が高くなり、バルブシート６からの熱がシリンダ
ヘッド３側へ効率良く伝達され、バルブシート６の過熱
が防がれる。 【００３９】 【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、初晶と共晶の双方を含む組織を有する亜共晶の
Ａｌ−Ｓｉ合金から成るシリンダヘッドとこれよりも高
い融点を有するＦｅ系燒結材から成るバルブシートとの
接合界面に固相拡散層を形成するとともに、同接合界面
の少なくともシリンダヘッド側に塑性変形層を形成する
ことによって、バルブシートをシリンダヘッドに金属学
的に接合するバルブシートの接合方法において、前記バ
ルブシートを電極により前記シリンダヘッドに加圧しな
がら、電極からバルブシートを介してシリンダヘッドに
通電することによってバルブシートとシリンダヘッドの
接合界面付近を加熱し、その加熱温度を、Ａｌ−Ｓｉ合
金の固相線温度を超えず、接合界面付近においてＡｌの
初晶α層の融点よりも低く、且つ、Ａｌ−Ｓｉの共晶組
織の融点よりも高い値に設定するとともに、通電時間
を、Ａｌの初晶α層が接合界面付近において固相のまま
流動し得るに必要十分な値に設定することによって、接
合後のバルブシートとシリンダヘッドとの接合界面近傍
の接合界面に沿ったシリンダヘッド側断面に、Ａｌ−Ｓ
ｉ合金の共晶組織が消失した組織を部分的に形成するよ
うにしたため、バルブシートに高い接合強度を確保しつ
つ、該バルブシートにクラックが発生するのを防ぐとと
もに、シリンダヘッドに高い熱伝導率を確保することが
できるという効果が得られる。
ってバルブシートをシリンダヘッドに金属学的に接合す
る方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】４サイクルエンジンにおいては、燃焼室
に開口する吸・排気ポートが吸・排気バルブによってそ
れぞれ適当なタイミングで開閉されて所要のガス交換が
なされるが、シリンダヘッドの吸・排気ポートの周縁に
は、吸・排気バルブが間欠的に着座すべきバルブシート
が一般には圧入によって組み付けられていた。 【０００３】ところで、圧入型バーブシートは必要強度
及び剛性を確保する必要からその厚さが比較的厚く設定
されており、又、所定の圧入代を要するためにその高さ
寸法も比較的大きく設定されている。このため、複数の
バルブを備える多バルブエンジンにあっては、バルブ間
の距離が大きくなり、バルブの大径化或はバルブの燃焼
ドーム中心近傍への配置に限界があり、吸入ガス量の増
大を図ることができなかった。 【０００４】そこで、バルブシートを例えばＦｅ燒結材
で構成し、これを抵抗熱接合法によってシリンダヘッド
の吸・排気ポートの周縁に接合する提案がなされてい
る。この抵抗熱接合法は、接合界面に固相拡散層を形成
するとともに、同接合界面の少なくともシリンダヘッド
側に塑性変形層を形成することによってバルブシートを
シリンダヘッドに金属学的に接合する方法である。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に抵抗熱接合法によってシリンダヘッドに接合されるバ
ルブシートには実用に耐え得る十分な接合強度が要求さ
れる他、接合後にクラックが発生しないことが求められ
る。又、シリンダヘッドにはバルブシートからの熱を効
率良く伝達することができるよう高い熱伝達率が要求さ
れる。 【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とする処は、バルブシートに高い接合強度
を確保しつつ、該バルブシートにクラックが発生するの
を防ぐとともに、シリンダヘッドに高い熱伝達率を確保
することができるバルブシートの接合方法を提供するこ
とにある。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、初晶と共晶の双方を含む組
織を有する亜共晶のＡｌ−Ｓｉ合金から成るシリンダヘ
ッドとこれよりも高い融点を有するＦｅ系燒結材から成
るバルブシートとの接合界面に固相拡散層を形成すると
ともに、同接合界面の少なくともシリンダヘッド側に塑
性変形層を形成することによって、バルブシートをシリ
ンダヘッドに金属学的に接合するバルブシートの接合方
法において、前記バルブシートを電極により前記シリン
ダヘッドに加圧しながら、電極からバルブシートを介し
てシリンダヘッドに通電することによってバルブシート
とシリンダヘッドの接合界面付近を加熱し、その加熱温
度を、Ａｌ−Ｓｉ合金の固相線温度を超えず、接合界面
付近においてＡｌの初晶α層の融点よりも低く、且つ、
Ａｌ−Ｓｉの共晶組織の融点よりも高い値に設定すると
ともに、通電時間を、Ａｌの初晶α層が接合界面付近に
おいて固相のまま流動し得るに必要十分な値に設定する
ことによって、接合後のバルブシートとシリンダヘッド
との接合界面近傍の接合界面に沿ったシリンダヘッド側
断面に、Ａｌ−Ｓｉ合金の共晶組織が消失した組織を部
分的に形成することを特徴とする。 【０００８】 【０００９】本発明によれば、シリンダヘッドを構成す
るＡｌ−Ｓｉ合金において共晶凝固で晶出した共晶組織
の融点はＡｌの初晶α層のそれよりも低いため、該共晶
組織は接合過程の昇温によって優先的に溶融するが、固
相状態を保っているＡｌの初晶α層は接合中の加圧によ
って塑性変形し、この塑性変形によって、融点的に溶融
した共晶組織の層は接合界面外に排出され、溶融に至ら
なかったＡｌの初晶α層は塑性変形した状態で接合界面
近傍に残存する。この結果、接合後の接合界面近傍の接
合界面に沿ったシリンダヘッド側断面においてはＡｌ−
Ｓｉ合金の共晶組織が消失し、Ａｌの初晶α層のみが存
在することとなる。 【００１０】従って、接合界面のシリンダヘッド側は純
Ａｌの組成に近くなって延性に富むため、エンジン運転
中の接合界面での熱応力が緩和され、接合後のバルブシ
ートにクラックが発生することがない。 【００１１】又、溶融したＡｌ−Ｓｉ合金の共晶組織が
接合界面外に排出される過程で、バルブシートとシリン
ダヘッドの表面に被着されていた酸化皮膜や不純物等が
破壊されて接合界面外に同時に排出されるため、バルブ
シートに高い接合強度が確保される。 【００１２】更に、熱伝導率の低いＡｌ−Ｓｉ合金の共
晶組織が接合界面近傍から消失することによって、純Ａ
ｌの組成に近いシリンダヘッドの接合界面近傍の熱伝導
率が高くなり、バルブシートからの熱がシリンダヘッド
側へ効率良く伝達され、バルブシートの過熱が防がれ
る。 【００１３】 【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。 【００１４】先ず、４サイクルエンジンのシリンダヘッ
ド構造を図１及び図２に基づいて説明する。 【００１５】図１は４サイクル５バルブエンジンのシリ
ンダヘッドの縦断面図、図２は図１のＡ部（吸気側のバ
ルブシート部）の拡大詳細図であり、該４サイクルエン
ジンは各気筒について３つの吸気バルブ１−１，１−２
（１−１は両側の吸気バルブ、１−２は中央の吸気バル
ブ（センターバルブ））と２つの排気バルブ２を備えて
いる。そして、軽量な亜共晶（初晶α層と共晶α層を含
む）Ａｌ−Ｓｉ合金で構成されるシリンダヘッド３に形
成された３つの吸気ポート４と２つの排気ポート５はそ
れぞれ前記吸気バルブ１−１，１−２、排気バルブ２に
よって適当なタイミングで開閉され、これによって所要
のガス交換がなされる。尚、シリンダヘッド３の材料で
あるＡｌ−Ｓｉ合金としては、ＪＩＳ：ＡＣ２Ｂ，ＡＣ
４Ｂ，ＡＣ４Ｃ等が選定される。 【００１６】ところで、前記シリンダヘッド３の下面に
は、燃焼室１６を構成する凹状の燃焼ドーム３ａが形成
されており、同シリンダヘッド３に形成された前記吸気
ポート４と排気ポート５の燃焼室１６への開口部周縁に
は、前記吸気バルブ１−１，１−２、排気バルブ２がそ
れぞれ間欠的に着座すべきバルブシート６，７が各々装
着されている。 【００１７】而して、吸気バルブ１−１，１−２と排気
バルブ２はそれぞれバルブガイド８，９に摺動自在に挿
通しており、これらはバルブスプリング１０，１１によ
って閉じ方向に付勢されている。そして、吸気バルブ１
−１，１−２と排気バルブ２は、バルブリフタ１２，１
３に摺接しながら回転するカム１４，１５によってそれ
ぞれ適当なタイミングで駆動される。尚、図１におい
て、１７，１８，１９はシリンダヘッド３の吸気ポート
４と排気ポート５の周辺に形成されたウォータジャケッ
トである。 【００１８】ここで、バルブシート６，７について説明
する。 【００１９】本実施の形態においては、バルブシート
６，７は接合型バルブシートであって、これらは耐衝撃
性、耐摩耗性及び高温強度に優れたＦｅ系燒結材によっ
てリング状に成形されており、抵抗熱接合法によってシ
リンダヘッド３に金属学的に接合されている。尚、バル
ブシート６，７に高い熱伝導性や耐衝撃性等を付与する
ため、該バルブシート６，７の材質であるＦｅ系焼結材
にはＣｕ等の金属が溶浸処理によって充填されている。 【００２０】ここで、吸気側のバルブシート６の接合部
の詳細を図２に示すが、該バルブシート６とシリンダヘ
ッド３との接合界面を境としてシリンダヘッド３側には
後述の塑性変形層２５が形成されている。 【００２１】そして、バルブシート６の内周部には３つ
のテーパ面６ａ，６ｂ，６ｃが形成されており、テーパ
面６ｂが前記吸気バルブ１−１，１−２の当り面（着座
面）となっている。又、バルブシート６の外周面には２
つのテーパ面６ｄ，６ｅが形成され、両テーパ面６ｄ，
６ｅが交わる部分は鈍角の突起部６ｆを構成している。
尚、排気側のバルブシート７の断面形状も吸気側のバル
ブシート６のそれと同様であるため、これについての説
明は省略する。 【００２２】次に、吸気側のバルブシート６のシリンダ
ヘッド３への接合プロセスを図３乃至図１０に基づいて
説明する。尚、図３は抵抗溶接機の概略構成図、図４乃
至図９はバルブシートの接合プロセスを説明するための
部分断面図、図１０は図６のＢ部拡大詳細図である。 【００２３】図３に示す抵抗溶接機２０は、加圧装置２
１と、該加圧装置２１によって加圧される電極２２と、
該電極２２に給電するための不図示の給電装置を含んで
構成されている。電極２２はＣｕ又はその合金で構成さ
れ、その中心部には円孔２２ａが貫設されており、該円
孔２２ａには丸棒状のガイドバー２３が摺動自在に嵌装
されている。 【００２４】而して、上記構成を有する抵抗溶接機２０
にはシリンダヘッド３とシートリング材６’が図示のよ
うにセットされる。即ち、シリンダヘッド３は、これに
形成されたバルブガイド孔３ｂに抵抗溶接機２０の前記
ガイドバー２３が嵌合されることによって位置決めさ
れ、該シリンダヘッド３に形成された吸気ポート４の開
口部周縁が電極２２に対して正確に位置決めされる。
尚、シートリング材６’はバルブシート６の素材であっ
て、これはＦｅ系燒結材によってリング状に成形され、
その断面形状の詳細は図４に示される。 【００２５】上記シートリング材６’のシリンダヘッド
３への接合に際しては、図４に示すように、該シートリ
ング材６’はその外周の突起部６ａ’がシリンダヘッド
３の吸気ポート４の開口部周縁に当接する状態でセット
され、その後、図３に示す加圧装置２１によって電極２
２がガイドバー２３に沿って下動されてシートリング材
６’の内周テーパ面６ｂ’に嵌合され、シートリング材
６’が電極２２によって所定の加圧力Ｐで加圧され始め
る。 【００２６】上述のようにシートリング材６’を電極２
２によって加圧しながら、電極２２によってシートリン
グ６’に通電がなされると、該シートリング材６’から
シリンダヘッド３へと電流が流れ、両者の接触部及びそ
の周辺が加熱される。すると、シリンダヘッド３を構成
する亜共晶のＡｌ−Ｓｉ合金において共晶凝固で晶出し
た共晶Ｓｉの融点はＡｌの初晶α層のそれよりも低いた
め、該共晶Ｓｉは接合過程の昇温によって優先的に溶融
するが、固相状態を保っているＡｌの初晶α層は接合中
の加圧によって塑性変形し、図５に示すようにシートリ
ング材６’がシリンダヘッド３に沈み込んでいく。 【００２７】ところで、本実施の形態においては、低融
点材料であるＡ１−Ｓｉ合金製のシリンダヘッド３の接
合プロセスにおける加熱温度はＡ１−Ｓｉ合金の固相線
温度を超えないよう制御され、Ａ１−Ｓｉ合金における
Ａｌの初晶α層が接合界面付近において固相のまま塑性
流動し得る温度範囲内に設定される。尚、抵抗溶接機２
０の電極２２への通電時間は、Ａ１の初晶α層が接合界
面付近において固相のまま塑性流動し得るに必要十分な
通電時間とされる。 【００２８】そして、シリンダヘッド３を構成するＡｌ
−Ｓｉ合金において前述のようにＡｌの初晶α層が塑性
変形すると、優先的に溶融した共晶Ｓｉの層は接合界面
外に排出され、溶融に至らなかったＡｌの初晶α層は塑
性変形した状態で接合界面近傍に残存する。この結果、
図１１に示すように、シリンダヘッド３とシートリング
材６’の接合界面近傍の接合界面に沿ったシリンダヘッ
ド３側の断面（図１１の領域ａ）においては、Ａｌ−Ｓ
ｉ合金の共晶Ｓｉ組織が消失し、Ａｌの初晶α層のみが
存在することとなる。尚、図１１は図７のＣ部拡大（５
００倍に拡大）断面図であり、図示の領域ａを除く領域
ｂには共晶Ｓｉが存在している。 【００２９】ところで、実際にはＡｌの共晶α層と初晶
α層の区別はつきにくいため、接合界面のシリンダヘッ
ド３側では共晶Ｓｉのみが消失したような様相を呈す
る。 【００３０】ここで、シリンダヘッド３を構成するＡｌ
−Ｓｉ合金としてＡＣ４Ｃ，ＡＣ４Ｂ，ＡＣ２Ｂを選定
したときの各母材と排出部（接合界面外に排出された部
分）に含有されるＳｉ成分量（ｗｔ％）をそれぞれ実測
した結果を図１２に示すが、何れの材質（ＡＣ４Ｃ，Ａ
Ｃ４Ｂ，ＡＣ２Ｂ）についても排出部のＳｉ成分量が母
材のそれよりも多くなっており、このことは図１１に示
す領域ａに存在していた共晶Ｓｉが接合界面外に排出さ
れたことを意味している。 【００３１】而して、前述の温度範囲で前述のようにシ
ートリング材６’とシリンダヘッド３との接触部及びそ
の周辺が加熱されると、温度上昇によって活発化した原
子運動の結果、図１０に示すようにＦｅ原子とＡ１原子
の固相拡散が起き、この固相拡散によってシートリング
材６’がシリンダヘッド３に金属学的に強固に接合さ
れ、接合界面にはＦｅ−Ａ１合金塑性を有する非常に薄
い不図示の固相拡散層が形成される。 【００３２】又、同時にシリンダヘッド３を構成するＡ
１−Ｓｉ合金におけるＡｌの初晶α層のシートリング材
６’との接合界面での図１０の矢印方向の塑性流れによ
って、両金属材料の表面に被着されていた酸化皮膜や不
純物等は破壊されて接合界面外へ押し出されるため、酸
化皮膜や不純物が接合界面に巻き込まれることがない。 【００３３】而して、図７に示すようにシートリング材
６’がシリンダヘッド３に所定量だけ沈み込むと、電極
２２への通電が終了し、シートリング材６’はシリンダ
ヘッド３の吸気ポート４の開口部周縁に強固に接合され
る。そして、図７乃至図１０に示すように接合界面を境
としてシリンダヘッド３側（Ａ１−Ｓｉ合金側）には所
定厚さの塑性変形層２５が形成される。 【００３４】以上のようにしてシートリング材６’がシ
リンダヘッド３の吸気ポート４の開口部周縁に金属学的
に接合されると、図８に示すように、電極２２を取り除
いてシートリング材６’への加圧を解除し、最後に図９
に示すようにシートリング材６’を機械加工によって所
定の形状に仕上加工してバルブシート６として仕上げれ
ば、該バルブシート６のシリンダヘッド３への接合作業
が完了し、バルブシート６はシリンダヘッド３の吸気ポ
ート４の開口部周縁に強固に接合されて一体化される。 【００３５】尚、以上は吸気側のバルブシート６の接合
プロセスについて説明したが、排気側のバルブシート７
も同様にしてシリンダヘッド３に強固に接合される。 【００３６】以上のように、本実施の形態においては、
接合後のシリンダヘッド３とバルブシート６との接合界
面近傍の接合界面に沿ったシリンダヘッド３側の断面
（図１１の領域ａ）においてはＡｌ−Ｓｉ合金の共晶Ｓ
ｉが消失し、Ａｌの初晶α層のみが存在することとなる
ため、その部分は純Ａｌの組成に近くなって延性に富
み、従って、エンジン運転中の接合界面での熱応力が緩
和され、接合後のバルブシート６にクラックが発生する
ことがない。 【００３７】又、溶融した共晶Ｓｉが接合界面外に排出
される過程で、シートリング材６’とシリンダヘッド３
の表面に被着されていた酸化皮膜や不純物等が破壊され
て接合界面外に同時に排出されるため、バルブシート６
に高い接合強度が確保される。 【００３８】更に、熱伝導率の低い共晶Ｓｉが接合界面
近傍から消失することによって、純Ａｌの組成に近いシ
リンダヘッド３の接合界面近傍（図１１の領域ａ）の熱
伝導率が高くなり、バルブシート６からの熱がシリンダ
ヘッド３側へ効率良く伝達され、バルブシート６の過熱
が防がれる。 【００３９】 【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、初晶と共晶の双方を含む組織を有する亜共晶の
Ａｌ−Ｓｉ合金から成るシリンダヘッドとこれよりも高
い融点を有するＦｅ系燒結材から成るバルブシートとの
接合界面に固相拡散層を形成するとともに、同接合界面
の少なくともシリンダヘッド側に塑性変形層を形成する
ことによって、バルブシートをシリンダヘッドに金属学
的に接合するバルブシートの接合方法において、前記バ
ルブシートを電極により前記シリンダヘッドに加圧しな
がら、電極からバルブシートを介してシリンダヘッドに
通電することによってバルブシートとシリンダヘッドの
接合界面付近を加熱し、その加熱温度を、Ａｌ−Ｓｉ合
金の固相線温度を超えず、接合界面付近においてＡｌの
初晶α層の融点よりも低く、且つ、Ａｌ−Ｓｉの共晶組
織の融点よりも高い値に設定するとともに、通電時間
を、Ａｌの初晶α層が接合界面付近において固相のまま
流動し得るに必要十分な値に設定することによって、接
合後のバルブシートとシリンダヘッドとの接合界面近傍
の接合界面に沿ったシリンダヘッド側断面に、Ａｌ−Ｓ
ｉ合金の共晶組織が消失した組織を部分的に形成するよ
うにしたため、バルブシートに高い接合強度を確保しつ
つ、該バルブシートにクラックが発生するのを防ぐとと
もに、シリンダヘッドに高い熱伝導率を確保することが
できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】接合型バルブシートを備える４サイクルエンジ
ンのシリンダヘッドの縦断面図である。 【図２】図１のＡ部（吸気側のバルブシート部）拡大断
面図である。 【図３】抵抗溶接機の概略構成図である。 【図４】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。 【図５】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。 【図６】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。 【図７】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。 【図８】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。 【図９】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。 【図１０】図６のＢ部拡大断面図である。 【図１１】図７のＣ部拡大断面図である。 【図１２】Ａｌ−Ｓｉ合金としてＡＣ４Ｃ，ＡＣ４Ｂ，
ＡＣ２Ｂを選定したときの各母材と排出部（接合界面外
に排出された部分）に含有されるＳｉ成分量（ｗｔ％）
を実測した結果を示す図である。 【符号の説明】 ３ シリンダヘッド ６，７ バルブシート ６’ シートリング材 ２０ 抵抗溶接機 ２１ 加圧装置 ２２ 電極 ２５ 塑性変形層
ンのシリンダヘッドの縦断面図である。 【図２】図１のＡ部（吸気側のバルブシート部）拡大断
面図である。 【図３】抵抗溶接機の概略構成図である。 【図４】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。 【図５】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。 【図６】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。 【図７】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。 【図８】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。 【図９】接合型バルブシートの接合プロセスを説明する
ための部分断面図である。 【図１０】図６のＢ部拡大断面図である。 【図１１】図７のＣ部拡大断面図である。 【図１２】Ａｌ−Ｓｉ合金としてＡＣ４Ｃ，ＡＣ４Ｂ，
ＡＣ２Ｂを選定したときの各母材と排出部（接合界面外
に排出された部分）に含有されるＳｉ成分量（ｗｔ％）
を実測した結果を示す図である。 【符号の説明】 ３ シリンダヘッド ６，７ バルブシート ６’ シートリング材 ２０ 抵抗溶接機 ２１ 加圧装置 ２２ 電極 ２５ 塑性変形層
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フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｆ０１Ｌ 3/02 Ｆ０１Ｌ 3/02 Ｆ
(56)参考文献 特開 平７−34965（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−193773（ＪＰ，Ａ)
特開 昭57−79087（ＪＰ，Ａ)
特開 昭56−62685（ＪＰ，Ａ)
特開 昭55−57388（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−189628（ＪＰ，Ａ)
特公 昭39−25472（ＪＰ，Ｂ１)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F02F 1/24
F01L 3/02
B23K 11/00
B23K 20/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 初晶と共晶の双方を含む組織を有する亜
共晶のＡｌ−Ｓｉ合金から成るシリンダヘッドとこれよ
りも高い融点を有するＦｅ系燒結材から成るバルブシー
トとの接合界面に固相拡散層を形成するとともに、同接
合界面の少なくともシリンダヘッド側に塑性変形層を形
成することによって、バルブシートをシリンダヘッドに
金属学的に接合するバルブシートの接合方法において、前記バルブシートを電極により前記シリンダヘッドに加
圧しながら、電極からバルブシートを介してシリンダヘ
ッドに通電することによってバルブシートとシリンダヘ
ッドの接合界面付近を加熱し、その加熱温度を、Ａｌ−
Ｓｉ合金の固相線温度を超えず、接合界面付近において
Ａｌの初晶α層の融点よりも低く、且つ、Ａｌ−Ｓｉの
共晶組織の融点よりも高い値に設定するとともに、通電
時間を、Ａｌの初晶α層が接合界面付近において固相の
まま流動し得るに必要十分な値に設定することによっ
て、 接合後のバルブシートとシリンダヘッドとの接合界
面近傍の接合界面に沿ったシリンダヘッド側断面に、Ａ
ｌ−Ｓｉ合金の共晶組織が消失した組織を部分的に形成
することを特徴とするバルブシートの接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16883796A JP3412001B2 (ja) | 1996-06-28 | 1996-06-28 | バルブシートの接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16883796A JP3412001B2 (ja) | 1996-06-28 | 1996-06-28 | バルブシートの接合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH109046A JPH109046A (ja) | 1998-01-13 |
| JP3412001B2 true JP3412001B2 (ja) | 2003-06-03 |
Family
ID=15875450
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16883796A Expired - Fee Related JP3412001B2 (ja) | 1996-06-28 | 1996-06-28 | バルブシートの接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3412001B2 (ja) |
-
1996
- 1996-06-28 JP JP16883796A patent/JP3412001B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH109046A (ja) | 1998-01-13 |
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |