JP3639779B2 - 内燃機関及び内燃機関に用いられる部品 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関及び内燃機関に用いられる部品に係る。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用内燃機関には、気化したガソリンを含んだ混合気の燃焼筒(シリンダ)内への給気と、その混合気の燃焼後のガスをシリンダ内のピストンの動きでシリンダ外へ排気することを司るバルブが、いずれもシリンダヘッドに加工された給気及び排気の口に装備されている。
【０００３】
そのバルブの大多数は、従来より鋼で作られており、そのバルブと組み合わされるバルブシート部には耐蝕性，耐摩耗性に優れたＣｏ基合金を肉盛している。さらには、そのバルブの動弁機構を構成する部品にバルブリフタがあるが、そのバルブリフタには運転中の面荒れによる摺動抵抗の増加に伴うエンジン効率の低下防止のために耐摩耗性を目的に同様にＣｏ基合金を肉盛している。
【０００４】
しかし、近年、エンジン出力の向上及び省エネルギーのために内燃機関の構成部品に耐摩耗性の向上及び摺動抵抗の低減に対する必要性がクローズアップされて来た。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、内燃機関の出力の向上及び省エネルギーのために内燃機関の構成部品に耐摩耗性の向上及び摺動抵抗の低減に対する必要性がクローズアップされて来た。
【０００６】
特に、内燃機関にあっては、その内燃機関の燃料中に含まれる腐食性成分である硫黄分（硫黄酸化物），窒素酸化物，溶存酸素等の腐食要因に起因するバルブやバルブシート部の耐蝕性を向上させ、エンジンのエネルギー効率向上及び耐久性の向上をはかる必要性あることを本発明の発明者等が知見した。
【０００７】
本発明の目的は、機器の耐摩耗性や耐蝕性を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１手段は、ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、前記バルブの前記バルブシートへの接触部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を装着して有る内燃機関のバルブであり、内燃機関の燃焼筒に対する給気又は排気を司るバルブのバルブシートへの接触部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を採用して、そのバルブの耐摩耗性と耐腐食性を向上させ、そのバルブの性能を維持するという作用効果が得られる。
【０００９】
第２手段は、ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、前記バルブが接触する前記バルブシート部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を装着して有る内燃機関のバルブシートであり、内燃機関の燃焼筒に対する給気又は排気を司るバルブが接触するバルブシート部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を採用して、そのバルブシートの耐摩耗性と耐腐食性を向上させてそのバルブシートの性能を維持するという作用効果が得られる。
【００１０】
第３手段は、ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、前記動弁機構を構成している部品の摺動部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を装着して有る内燃機関の動弁機構であり、前記摺動部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を採用してその摺動部位の摩擦を低減した上で耐摩耗性と耐腐食性を向上して、少ない消費動力で動弁機構の円滑な動作を長期にわたって維持出来るという作用効果が得られる。
【００１１】
第４手段は、ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、前記バルブと前記バルブシートとの双方の接触部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を装着して有る内燃機関であり、内燃機関の燃焼筒に対する給気又は排気を司るバルブとバルブシートとの双方の接触部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を採用して、そのバルブとバルブシートの耐摩耗性と耐腐食性を向上させ、加えて摩擦を低減することでそのバルブとバルブシートとによるシール機能の向上及び維持、並びに軽快なバルブ開閉を達成して、内燃機関の性能の向上と性能の維持を達成するという作用効果が得られる。
【００１２】
第５手段は、ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、前記動弁機構を構成している部品の摺動部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を装着して有る内燃機関であり、内燃機関の動弁機構を構成している部品の摺動部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を採用して、その動弁機構の作動時の摩擦の低減及び耐摩耗性と耐腐食性の向上を達成して、その動弁機構を少ない動力で効率良く駆動出来るようにし、内燃機関の性能の向上と性能の維持を達成するという作用効果が得られる。
【００１３】
第６手段は、第１手段から第５手段までのいずれか一手段において、前記接触部位又は摺動部位に前記合金を液相拡散接合して装着してあることを特徴とする内燃機関又は内燃機関のバルブ又はバルブシート又は動弁機構であり、前記接触部位又は摺動部位に前記合金を液相拡散接合して装着し、その接合時における熱影響で前記合金が溶融しないようにする。このようにして前記接触部位又は摺動部位に前記合金を装着させると、その接合前と接合後の前記合金中の共晶化炭化物の球状又は粒状の形状形態が変化しない。そのため、第１手段から第５手段までのいずれか一手段による作用効果に加えて、接合後も球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を採用したことに起因する摩擦の低減や耐摩耗性と耐腐食性の向上を保証出来るという作用効果が得られる。
【００１４】
第７手段は、第１手段から第６手段までのいずれか一手段において、前記合金はＣｏ基合金又はＮｉ基合金又はＦｅ基合金であることを特徴とする内燃機関又は内燃機関のバルブ又はバルブシート又は動弁機構であり、前記合金としてＣｏ基合金又はＮｉ基合金又はＦｅ基合金を選択使用して、第１手段から第６手段までのいずれか一手段による作用効果を達成出来るという作用効果が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、タービン，ポンプ，送風機，トルクコンバータ，油圧伝動装置，水車，ポンプ水車，風車，油圧ポンプ等の流体機械，自動車用ガソリン機関，航空用ガソリン機関，二輪自動車用ガソリン機関，小型汎用ガソリン機関，ディーゼル機関，石油機関，ガス機関，ガスタービン，ジェットエンジン等の内燃機関の各摺動部に適用することができる。
【００１６】
それらの適用対象は摺動運動を受けたり硫黄分を含んだ雰囲気等の腐食環境にさらされることがあるので耐腐食性や耐摩耗性が強く要求されている。特に、ガソリンを燃料とする自動車の内燃機関にあっては、燃料中に含まれる硫黄分等に起因する腐食環境下での耐エロージョン・コロージョン性能の向上と低摩擦係数による摺動抵抗の低減に伴う作動効率の向上が図ることが要求される。
【００１７】
本発明の実施例として、自動車の内燃機関に本発明を適用した例を以下に説明する。
【００１８】
自動車の内燃機関（以下、単にエンジンという。）は燃焼筒（以下、単にシリンダという。）に気化したガソリンと空気を混合して給気し、それをシリンダ内で爆発的に燃焼させることでシリンダ内のピストンを駆動し、そのピストンの動きがエンジンの出力とされる。シリンダ内の燃焼ガスはピストンの動きにより排気される。
【００１９】
そのエンジンにおける給気と排気は、図１のように、シリンダの上部に装備されたシリンダヘッド１に設けた給気又は排気の口を通じて行われる。その給気と排気の口の開閉制御はシリンダヘッド１に備えた給気用又は排気用のバルブ５を開閉して行っている。その給気と排気の各バルブ５の開閉制御を行うために動弁機構が構成されている。
【００２０】
その動弁機構にあっては、給気と排気の各バルブ５の開閉タイミングを制御するために、エンジンの出力の一部をタイミングベルト９を用いて動弁機構のカム２に伝えて、そのカム２を回転させる。そのカム２の動きで動弁機構のバルブリフタ３を動弁機構のばね７に抗してアジャステングシム４を介して押し下げる。その押し下げによって、バルブ５はバルブシート６から下方へ離れてバルブ５が開く。
【００２１】
カム２の回転が進むと逆にバルブ５はバルブシート６に接触してバルブ５が閉じる。その接触部分がシール部分として機能してシリンダ１０内のガスが漏れないように成っている。
【００２２】
このような動きが有る動弁機構にあっては、バルブリフタ３とその周辺の部材８との間で摺動運動による摩擦が生じる。バルブ５とバルブシート６間にも摩擦がある。これらの摩擦に抗して動弁機構を駆動するからエンジンの出力は損失を受け、エンジン効率が低下する。
【００２３】
バルブ５の大多数は、鋼で作られており、バルブシート６部には耐蝕性，耐摩耗性に優れたＣｏ基合金を肉盛したり、バルブリフタ３の摺動面にも運転中の面荒れによる摺動抵抗の増加に伴うエンジン効率の低下防止のために耐摩耗性を目的に同様にＣｏ基合金を肉盛したりすることが考えられていたが、単にＣｏ基合金を肉盛りすると、図４（ａ）（ｂ）に示すように基材部１２とともに網目状に組成されている共晶炭化物１１が発生した。
【００２４】
この場合には、図５に示すように、硫黄を起源とする腐食環境にさらされた共晶炭化物１１が腐食し、引き続いて基材部１２が脱落するエロージョンが発生し、その結果再度表面に共晶炭化物１１が表れて腐食を受けるという、腐食・エロージョンの繰り返によりＣｏ基合金の損傷が生じたものと本発明の発明者等は認識した。このような認識は、硫黄を起源とする硫黄酸化物，窒素酸化物，溶存酸素等の腐食要因を含む腐食環境下でも同様である。
【００２５】
従って、本発明の発明者等は、一層のエンジン出力の向上及び省エネルギーのためにエンジンの構成部品に耐摩耗性の向上及び摺動抵抗の低減に対する対策の必要性がクローズアップされて来ると確信して以下のような対策をエンジンに施した。
【００２６】
エンジンのバルブ５とバルブシート６との接触部に、図２，図３のように、耐蝕・耐摩耗合金としてＣｏ基合金１３を装着する。装着方法は後述の液相拡散接合によって行う。Ｃｏ基合金は鍛造され、鍛造組織として図６に示すような基材部１２に粒状又は球状に組成されている共晶炭化物１１を有する金属組織のＣｏ基合金１３とされる。
【００２７】
このような鍛造組織のＣｏ基合金１３をリング形状にして採用する。リング形状のＣｏ基合金１３とバルブ５の外周囲の接合界面間、及びリング形状のＣｏ基合金とバルブシート６の内周囲の接合界面間に、それぞれインサート材を挿入して液相拡散接合１４によって、図３に示すようにバルブ５とバルブシート６とにリング形状のＣｏ基合金１３を接合した。同様に、バルブリフタ３の外周面にも接合した。
【００２８】
表１に示すような化学成分を持つ粒状又は球状の共晶炭化物１１をもつリング状のＣｏ基合金１３とインサート材を用いた。液相拡散接合条件は、接合温度：１１００℃，保持時間：１時間，真空度：１〜２×１０-4Torr，加圧力：１５kg／cm2 とした。また、接合後の冷却は１１００℃から６５０℃を約１５０℃／ｈ，６５０℃から４２５℃までを約１００℃／ｈ，４２５℃以下を空冷による自然冷却とした。
【００２９】
【表１】
【００３０】
これにより、接合後にあっても、図６や図７に示すようにＣｏ基合金１３内部や表面に共晶炭化物１１が粒状又は球状のまま存在できる。このように、Ｃｏ基合金１３に共晶炭化物１１が粒状又は球状のまま存在し、その共晶炭化物１１の露出が限定的となり、その結果、損傷が抑制される。
【００３１】
即ち、図７のように、共晶炭化物１１が粒状又は球状のまま存在しているＣｏ基合金１３が硫黄分による腐食環境にさらされると、腐食環境に接触した粒状又は球状の共晶炭化物１１は腐食や摺動作用を受けて表面から脱落して腐食環境に接触する表面には共晶炭化物１１が存在しない基材部１２のみの表面となる。従って、腐食と脱落が交互且つ繰り返し連続して起こる現象が防止されて損傷が抑制される。
【００３２】
粒状又は球状に組成されている共晶炭化物１１を有するＣｏ基合金１３の摩擦係数を常温、高面圧（約２０００kg／cm2 ）負荷した条件で測定して開発材と表示してグラフにしたところ、図８に示すように、従来の網目状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金（ステライト＃６）の摩擦係数の約１／２〜２／３と低いことが確認されている。
【００３３】
エンジンのバルブ５は高温下（最大約５００〜６００℃），高摺動回数下での使用が想定されるが、この試験条件における高面圧下での試験結果により低摩擦係数が確認されていること、また、摩擦係数は剪断強さ／硬度の比に支配されるが、本材料は剪断強さ／硬度の比の温度依存性がほとんどなく材料の組成が同じであれば変化がないと考えられるため、高温下，高摺動回数下でも低摩擦の効果が得られると考えられる。
【００３４】
また、耐蝕性能の比較のため、ストラウス試験，希硫酸中エロージョン試験を行った。結果として、粒状又は球状に組成されている共晶炭化物１１を有するＣｏ基合金１３（開発材）は、ストラウス試験では、表２に示すように網目状に組成されている共晶炭化物１１を有するＣｏ基合金にくらべ、３０倍以上の耐蝕性を示し、希硫酸中のエロージョン試験では、図９に示す開発材の特性曲線のように従来のステライト＃６に比べて２０〜３０倍の耐久性能を示した。
【００３５】
【表２】
【００３６】
これにより、耐蝕・耐摩耗合金を動弁機構に接合して適用することにより、高耐蝕化，低摩耗性の向上及び低摩擦化を実現することで動弁系の耐久性向上，動力損失低減が図れ、エンジン全体の効率向上，出力向上と共に耐久力向上を図ることが出来る。
【００３７】
表１に示すような化学成分を持つＮｉ基合金やＦｅ基合金を鍛造して球状又は粒状の共晶炭化物を有するＮｉ基合金やＦｅ基合金を作って前述の球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金に置き換えて採用しても、前述の球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金と同様な特性によってエンジン全体の効率向上，出力向上と共に耐久力向上を図ることが出来る。
【００３８】
この場合も、バルブやバルブシートにＮｉ基合金やＦｅ基合金を接合するに際して、接合後もＮｉ基合金やＦｅ基合金に共晶炭化物が球状又は粒状に存在出来るように接合手段や接合条件を選択する。選択すべき接合手段は、液相拡散接合が好ましい。
【００３９】
このようにして、エンジンのバルブとバルブシートの内、シール機能を有する部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金，Ｎｉ基合金又はＦｅ基合金を用いたバルブとバルブシートを採用することで、摺動部に肉盛による線状又は網目状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金を採用したものに比べて、同等以上に高い硬度を維持しながら、強靭かつ耐摩耗性及び耐蝕性に富み、且つ低摩擦のシール面を提供できる。
【００４０】
そのため、エンジンの燃料中に含まれる硫黄分等に起因する腐食と腐食部を起点とする割れの進行，エロージョンによるシール性能の劣化を防止することで、内燃機関のエンジンの耐久性を向上させ、エンジン効率の低下を防止できるばかりか、さらに、低摩擦のシール面を提供することで摩擦によるエンジン効率低下を防止でき、エンジンの出力向上に寄与することが出来る。
【００４１】
エンジンの動弁機構を構成するバルブリフタ又はそのバルブリフタの摺動面に球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金，Ｎｉ基合金又はＦｅ基合金を用いると、バルブリフタの摺動面に従来から用いているニクロム被覆にくらべ、高耐蝕性，高硬度でかつ、低摩擦の摺動部を提供することができ、エンジンの耐久性を向上させると共に、エンジン効率の低下を防止できる。さらに低摩擦のバルブリフタの摺動面を提供することで、エンジンの動力損失を低減して、特にアイドリングや低速運転時のエンジンの低回転域における動弁機構における動力損失を低減することで、エンジンの出力向上に寄与することが出来る。
【００４２】
バルブやバルブシートやバルブリフタに球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金，Ｎｉ基合金及びＦｅ基合金を接合する際には、接合される両者の母材よりも低融点のインサート材を接合界面に挿入し、融点降下元素をその母材中に拡散させ、凝固，接合を進行させる液相拡散接合とした。
【００４３】
そのために、Ｃｏ基合金を単に肉盛する場合と比べ、母材接合域と硬化肉盛材の温度を一様とすることが出来るため、残留応力を低減でき、硬化肉盛部の溶着割れを防止すると共に応力除去に必要な焼もどし，焼なまし，焼ならし作業を省くことが可能となり、エンジンのバルブやバルブシート加工に必要なエネルギーを低減でき、かつ製品の信頼性が向上する。
【００４４】
又、液相拡散接合により母材に接合した硬化肉盛材の表面は母材接合前の状態が保持できるため、硬化肉盛部は、切削加工を必要とせず、そのまま仕上げのための研削を行うことが出来る為、作業工数を低減する事が出来る。
【００４５】
このように、本発明の実施例によれば、エンジンの耐久性向上，動力損失低減により、エンジンの効率向上，出力向上と共に耐久力向上をはかることが出来る。特に、重油を燃料として用いている船舶用エンジン等に対しては、燃料中に含まれる硫黄分が多いことから、その腐食とエロージョン・コロージョンに対する効果は大きい。又、本発明は、内燃機関以外の流体機械，風力機械，油空圧機械にも適用が可能であり、腐食環境下で用いられてその耐久性や低摩擦性能が期待される機器に本発明を適用してその期待が達成出来る効果がある。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、機器の腐食や摩擦抵抗の低減と耐久性の向上に優れた効果が発揮出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する自動車のエンジンの全体を一部断面表示にて示した図である。
【図２】本発明による自動車のエンジンの直動駆動方式バルブの駆動機構の縦断面図である。
【図３】図２の要部拡大図である。
【図４】（ａ）図は網目状の共晶炭化物の組成を有する従来のＣｏ基合金（ステライト＃６）の金属組織を示すＳＥＭ写真であり、（ｂ）図はその（ａ）図の金属組織の一部分を拡大して模式化して図示した模式図である。
【図５】従来のＣｏ基合金（ステライト＃６）の網目状の共晶炭化物のエロージョン・コロージョン現象を表した模式図である。
【図６】（ａ）図は粒状又は球状の共晶炭化物の組成を有する本発明によるＣｏ基合金の金属組織を示すＳＥＭ写真であり、（ｂ）図はその（ａ）図の金属組織の一部分を模式化して図示した模式図である。
【図７】粒状又は球状の共晶炭化物の組成を有する本発明によるＣｏ基合金のエロージョン・コロージョン抑止現象を表した模式図である。
【図８】本発明の粒状又は球状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金（開発材）と線状又は網目状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金（ステライト＃６）の摩擦係数の特性曲線を表したグラフ図である。
【図９】本発明の粒状又は球状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金（開発材）と線状又は網目状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金（ステライト＃６）のエロージョン試験での質量減量の特性曲線を表したグラフ図である。
【符号の説明】
１…シリンダヘッド、２…カム、３…バルブリフタ、５…バルブ、６…バルブシート、１０…シリンダ、１１…共晶炭化物、１２…基材部、１３…粒状又は球状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金。
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関及び内燃機関に用いられる部品に係る。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用内燃機関には、気化したガソリンを含んだ混合気の燃焼筒(シリンダ)内への給気と、その混合気の燃焼後のガスをシリンダ内のピストンの動きでシリンダ外へ排気することを司るバルブが、いずれもシリンダヘッドに加工された給気及び排気の口に装備されている。
【０００３】
そのバルブの大多数は、従来より鋼で作られており、そのバルブと組み合わされるバルブシート部には耐蝕性，耐摩耗性に優れたＣｏ基合金を肉盛している。さらには、そのバルブの動弁機構を構成する部品にバルブリフタがあるが、そのバルブリフタには運転中の面荒れによる摺動抵抗の増加に伴うエンジン効率の低下防止のために耐摩耗性を目的に同様にＣｏ基合金を肉盛している。
【０００４】
しかし、近年、エンジン出力の向上及び省エネルギーのために内燃機関の構成部品に耐摩耗性の向上及び摺動抵抗の低減に対する必要性がクローズアップされて来た。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、内燃機関の出力の向上及び省エネルギーのために内燃機関の構成部品に耐摩耗性の向上及び摺動抵抗の低減に対する必要性がクローズアップされて来た。
【０００６】
特に、内燃機関にあっては、その内燃機関の燃料中に含まれる腐食性成分である硫黄分（硫黄酸化物），窒素酸化物，溶存酸素等の腐食要因に起因するバルブやバルブシート部の耐蝕性を向上させ、エンジンのエネルギー効率向上及び耐久性の向上をはかる必要性あることを本発明の発明者等が知見した。
【０００７】
本発明の目的は、機器の耐摩耗性や耐蝕性を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１手段は、ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、前記バルブの前記バルブシートへの接触部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を装着して有る内燃機関のバルブであり、内燃機関の燃焼筒に対する給気又は排気を司るバルブのバルブシートへの接触部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を採用して、そのバルブの耐摩耗性と耐腐食性を向上させ、そのバルブの性能を維持するという作用効果が得られる。
【０００９】
第２手段は、ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、前記バルブが接触する前記バルブシート部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を装着して有る内燃機関のバルブシートであり、内燃機関の燃焼筒に対する給気又は排気を司るバルブが接触するバルブシート部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を採用して、そのバルブシートの耐摩耗性と耐腐食性を向上させてそのバルブシートの性能を維持するという作用効果が得られる。
【００１０】
第３手段は、ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、前記動弁機構を構成している部品の摺動部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を装着して有る内燃機関の動弁機構であり、前記摺動部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を採用してその摺動部位の摩擦を低減した上で耐摩耗性と耐腐食性を向上して、少ない消費動力で動弁機構の円滑な動作を長期にわたって維持出来るという作用効果が得られる。
【００１１】
第４手段は、ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、前記バルブと前記バルブシートとの双方の接触部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を装着して有る内燃機関であり、内燃機関の燃焼筒に対する給気又は排気を司るバルブとバルブシートとの双方の接触部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を採用して、そのバルブとバルブシートの耐摩耗性と耐腐食性を向上させ、加えて摩擦を低減することでそのバルブとバルブシートとによるシール機能の向上及び維持、並びに軽快なバルブ開閉を達成して、内燃機関の性能の向上と性能の維持を達成するという作用効果が得られる。
【００１２】
第５手段は、ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、前記動弁機構を構成している部品の摺動部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を装着して有る内燃機関であり、内燃機関の動弁機構を構成している部品の摺動部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を採用して、その動弁機構の作動時の摩擦の低減及び耐摩耗性と耐腐食性の向上を達成して、その動弁機構を少ない動力で効率良く駆動出来るようにし、内燃機関の性能の向上と性能の維持を達成するという作用効果が得られる。
【００１３】
第６手段は、第１手段から第５手段までのいずれか一手段において、前記接触部位又は摺動部位に前記合金を液相拡散接合して装着してあることを特徴とする内燃機関又は内燃機関のバルブ又はバルブシート又は動弁機構であり、前記接触部位又は摺動部位に前記合金を液相拡散接合して装着し、その接合時における熱影響で前記合金が溶融しないようにする。このようにして前記接触部位又は摺動部位に前記合金を装着させると、その接合前と接合後の前記合金中の共晶化炭化物の球状又は粒状の形状形態が変化しない。そのため、第１手段から第５手段までのいずれか一手段による作用効果に加えて、接合後も球状又は粒状の共晶炭化物を有する合金を採用したことに起因する摩擦の低減や耐摩耗性と耐腐食性の向上を保証出来るという作用効果が得られる。
【００１４】
第７手段は、第１手段から第６手段までのいずれか一手段において、前記合金はＣｏ基合金又はＮｉ基合金又はＦｅ基合金であることを特徴とする内燃機関又は内燃機関のバルブ又はバルブシート又は動弁機構であり、前記合金としてＣｏ基合金又はＮｉ基合金又はＦｅ基合金を選択使用して、第１手段から第６手段までのいずれか一手段による作用効果を達成出来るという作用効果が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、タービン，ポンプ，送風機，トルクコンバータ，油圧伝動装置，水車，ポンプ水車，風車，油圧ポンプ等の流体機械，自動車用ガソリン機関，航空用ガソリン機関，二輪自動車用ガソリン機関，小型汎用ガソリン機関，ディーゼル機関，石油機関，ガス機関，ガスタービン，ジェットエンジン等の内燃機関の各摺動部に適用することができる。
【００１６】
それらの適用対象は摺動運動を受けたり硫黄分を含んだ雰囲気等の腐食環境にさらされることがあるので耐腐食性や耐摩耗性が強く要求されている。特に、ガソリンを燃料とする自動車の内燃機関にあっては、燃料中に含まれる硫黄分等に起因する腐食環境下での耐エロージョン・コロージョン性能の向上と低摩擦係数による摺動抵抗の低減に伴う作動効率の向上が図ることが要求される。
【００１７】
本発明の実施例として、自動車の内燃機関に本発明を適用した例を以下に説明する。
【００１８】
自動車の内燃機関（以下、単にエンジンという。）は燃焼筒（以下、単にシリンダという。）に気化したガソリンと空気を混合して給気し、それをシリンダ内で爆発的に燃焼させることでシリンダ内のピストンを駆動し、そのピストンの動きがエンジンの出力とされる。シリンダ内の燃焼ガスはピストンの動きにより排気される。
【００１９】
そのエンジンにおける給気と排気は、図１のように、シリンダの上部に装備されたシリンダヘッド１に設けた給気又は排気の口を通じて行われる。その給気と排気の口の開閉制御はシリンダヘッド１に備えた給気用又は排気用のバルブ５を開閉して行っている。その給気と排気の各バルブ５の開閉制御を行うために動弁機構が構成されている。
【００２０】
その動弁機構にあっては、給気と排気の各バルブ５の開閉タイミングを制御するために、エンジンの出力の一部をタイミングベルト９を用いて動弁機構のカム２に伝えて、そのカム２を回転させる。そのカム２の動きで動弁機構のバルブリフタ３を動弁機構のばね７に抗してアジャステングシム４を介して押し下げる。その押し下げによって、バルブ５はバルブシート６から下方へ離れてバルブ５が開く。
【００２１】
カム２の回転が進むと逆にバルブ５はバルブシート６に接触してバルブ５が閉じる。その接触部分がシール部分として機能してシリンダ１０内のガスが漏れないように成っている。
【００２２】
このような動きが有る動弁機構にあっては、バルブリフタ３とその周辺の部材８との間で摺動運動による摩擦が生じる。バルブ５とバルブシート６間にも摩擦がある。これらの摩擦に抗して動弁機構を駆動するからエンジンの出力は損失を受け、エンジン効率が低下する。
【００２３】
バルブ５の大多数は、鋼で作られており、バルブシート６部には耐蝕性，耐摩耗性に優れたＣｏ基合金を肉盛したり、バルブリフタ３の摺動面にも運転中の面荒れによる摺動抵抗の増加に伴うエンジン効率の低下防止のために耐摩耗性を目的に同様にＣｏ基合金を肉盛したりすることが考えられていたが、単にＣｏ基合金を肉盛りすると、図４（ａ）（ｂ）に示すように基材部１２とともに網目状に組成されている共晶炭化物１１が発生した。
【００２４】
この場合には、図５に示すように、硫黄を起源とする腐食環境にさらされた共晶炭化物１１が腐食し、引き続いて基材部１２が脱落するエロージョンが発生し、その結果再度表面に共晶炭化物１１が表れて腐食を受けるという、腐食・エロージョンの繰り返によりＣｏ基合金の損傷が生じたものと本発明の発明者等は認識した。このような認識は、硫黄を起源とする硫黄酸化物，窒素酸化物，溶存酸素等の腐食要因を含む腐食環境下でも同様である。
【００２５】
従って、本発明の発明者等は、一層のエンジン出力の向上及び省エネルギーのためにエンジンの構成部品に耐摩耗性の向上及び摺動抵抗の低減に対する対策の必要性がクローズアップされて来ると確信して以下のような対策をエンジンに施した。
【００２６】
エンジンのバルブ５とバルブシート６との接触部に、図２，図３のように、耐蝕・耐摩耗合金としてＣｏ基合金１３を装着する。装着方法は後述の液相拡散接合によって行う。Ｃｏ基合金は鍛造され、鍛造組織として図６に示すような基材部１２に粒状又は球状に組成されている共晶炭化物１１を有する金属組織のＣｏ基合金１３とされる。
【００２７】
このような鍛造組織のＣｏ基合金１３をリング形状にして採用する。リング形状のＣｏ基合金１３とバルブ５の外周囲の接合界面間、及びリング形状のＣｏ基合金とバルブシート６の内周囲の接合界面間に、それぞれインサート材を挿入して液相拡散接合１４によって、図３に示すようにバルブ５とバルブシート６とにリング形状のＣｏ基合金１３を接合した。同様に、バルブリフタ３の外周面にも接合した。
【００２８】
表１に示すような化学成分を持つ粒状又は球状の共晶炭化物１１をもつリング状のＣｏ基合金１３とインサート材を用いた。液相拡散接合条件は、接合温度：１１００℃，保持時間：１時間，真空度：１〜２×１０-4Torr，加圧力：１５kg／cm2 とした。また、接合後の冷却は１１００℃から６５０℃を約１５０℃／ｈ，６５０℃から４２５℃までを約１００℃／ｈ，４２５℃以下を空冷による自然冷却とした。
【００２９】
【表１】
これにより、接合後にあっても、図６や図７に示すようにＣｏ基合金１３内部や表面に共晶炭化物１１が粒状又は球状のまま存在できる。このように、Ｃｏ基合金１３に共晶炭化物１１が粒状又は球状のまま存在し、その共晶炭化物１１の露出が限定的となり、その結果、損傷が抑制される。
【００３１】
即ち、図７のように、共晶炭化物１１が粒状又は球状のまま存在しているＣｏ基合金１３が硫黄分による腐食環境にさらされると、腐食環境に接触した粒状又は球状の共晶炭化物１１は腐食や摺動作用を受けて表面から脱落して腐食環境に接触する表面には共晶炭化物１１が存在しない基材部１２のみの表面となる。従って、腐食と脱落が交互且つ繰り返し連続して起こる現象が防止されて損傷が抑制される。
【００３２】
粒状又は球状に組成されている共晶炭化物１１を有するＣｏ基合金１３の摩擦係数を常温、高面圧（約２０００kg／cm2 ）負荷した条件で測定して開発材と表示してグラフにしたところ、図８に示すように、従来の網目状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金（ステライト＃６）の摩擦係数の約１／２〜２／３と低いことが確認されている。
【００３３】
エンジンのバルブ５は高温下（最大約５００〜６００℃），高摺動回数下での使用が想定されるが、この試験条件における高面圧下での試験結果により低摩擦係数が確認されていること、また、摩擦係数は剪断強さ／硬度の比に支配されるが、本材料は剪断強さ／硬度の比の温度依存性がほとんどなく材料の組成が同じであれば変化がないと考えられるため、高温下，高摺動回数下でも低摩擦の効果が得られると考えられる。
【００３４】
また、耐蝕性能の比較のため、ストラウス試験，希硫酸中エロージョン試験を行った。結果として、粒状又は球状に組成されている共晶炭化物１１を有するＣｏ基合金１３（開発材）は、ストラウス試験では、表２に示すように網目状に組成されている共晶炭化物１１を有するＣｏ基合金にくらべ、３０倍以上の耐蝕性を示し、希硫酸中のエロージョン試験では、図９に示す開発材の特性曲線のように従来のステライト＃６に比べて２０〜３０倍の耐久性能を示した。
【００３５】
【表２】
これにより、耐蝕・耐摩耗合金を動弁機構に接合して適用することにより、高耐蝕化，低摩耗性の向上及び低摩擦化を実現することで動弁系の耐久性向上，動力損失低減が図れ、エンジン全体の効率向上，出力向上と共に耐久力向上を図ることが出来る。
【００３７】
表１に示すような化学成分を持つＮｉ基合金やＦｅ基合金を鍛造して球状又は粒状の共晶炭化物を有するＮｉ基合金やＦｅ基合金を作って前述の球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金に置き換えて採用しても、前述の球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金と同様な特性によってエンジン全体の効率向上，出力向上と共に耐久力向上を図ることが出来る。
【００３８】
この場合も、バルブやバルブシートにＮｉ基合金やＦｅ基合金を接合するに際して、接合後もＮｉ基合金やＦｅ基合金に共晶炭化物が球状又は粒状に存在出来るように接合手段や接合条件を選択する。選択すべき接合手段は、液相拡散接合が好ましい。
【００３９】
このようにして、エンジンのバルブとバルブシートの内、シール機能を有する部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金，Ｎｉ基合金又はＦｅ基合金を用いたバルブとバルブシートを採用することで、摺動部に肉盛による線状又は網目状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金を採用したものに比べて、同等以上に高い硬度を維持しながら、強靭かつ耐摩耗性及び耐蝕性に富み、且つ低摩擦のシール面を提供できる。
【００４０】
そのため、エンジンの燃料中に含まれる硫黄分等に起因する腐食と腐食部を起点とする割れの進行，エロージョンによるシール性能の劣化を防止することで、内燃機関のエンジンの耐久性を向上させ、エンジン効率の低下を防止できるばかりか、さらに、低摩擦のシール面を提供することで摩擦によるエンジン効率低下を防止でき、エンジンの出力向上に寄与することが出来る。
【００４１】
エンジンの動弁機構を構成するバルブリフタ又はそのバルブリフタの摺動面に球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金，Ｎｉ基合金又はＦｅ基合金を用いると、バルブリフタの摺動面に従来から用いているニクロム被覆にくらべ、高耐蝕性，高硬度でかつ、低摩擦の摺動部を提供することができ、エンジンの耐久性を向上させると共に、エンジン効率の低下を防止できる。さらに低摩擦のバルブリフタの摺動面を提供することで、エンジンの動力損失を低減して、特にアイドリングや低速運転時のエンジンの低回転域における動弁機構における動力損失を低減することで、エンジンの出力向上に寄与することが出来る。
【００４２】
バルブやバルブシートやバルブリフタに球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金，Ｎｉ基合金及びＦｅ基合金を接合する際には、接合される両者の母材よりも低融点のインサート材を接合界面に挿入し、融点降下元素をその母材中に拡散させ、凝固，接合を進行させる液相拡散接合とした。
【００４３】
そのために、Ｃｏ基合金を単に肉盛する場合と比べ、母材接合域と硬化肉盛材の温度を一様とすることが出来るため、残留応力を低減でき、硬化肉盛部の溶着割れを防止すると共に応力除去に必要な焼もどし，焼なまし，焼ならし作業を省くことが可能となり、エンジンのバルブやバルブシート加工に必要なエネルギーを低減でき、かつ製品の信頼性が向上する。
【００４４】
又、液相拡散接合により母材に接合した硬化肉盛材の表面は母材接合前の状態が保持できるため、硬化肉盛部は、切削加工を必要とせず、そのまま仕上げのための研削を行うことが出来る為、作業工数を低減する事が出来る。
【００４５】
このように、本発明の実施例によれば、エンジンの耐久性向上，動力損失低減により、エンジンの効率向上，出力向上と共に耐久力向上をはかることが出来る。特に、重油を燃料として用いている船舶用エンジン等に対しては、燃料中に含まれる硫黄分が多いことから、その腐食とエロージョン・コロージョンに対する効果は大きい。又、本発明は、内燃機関以外の流体機械，風力機械，油空圧機械にも適用が可能であり、腐食環境下で用いられてその耐久性や低摩擦性能が期待される機器に本発明を適用してその期待が達成出来る効果がある。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、機器の腐食や摩擦抵抗の低減と耐久性の向上に優れた効果が発揮出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する自動車のエンジンの全体を一部断面表示にて示した図である。
【図２】本発明による自動車のエンジンの直動駆動方式バルブの駆動機構の縦断面図である。
【図３】図２の要部拡大図である。
【図４】（ａ）図は網目状の共晶炭化物の組成を有する従来のＣｏ基合金（ステライト＃６）の金属組織を示すＳＥＭ写真であり、（ｂ）図はその（ａ）図の金属組織の一部分を拡大して模式化して図示した模式図である。
【図５】従来のＣｏ基合金（ステライト＃６）の網目状の共晶炭化物のエロージョン・コロージョン現象を表した模式図である。
【図６】（ａ）図は粒状又は球状の共晶炭化物の組成を有する本発明によるＣｏ基合金の金属組織を示すＳＥＭ写真であり、（ｂ）図はその（ａ）図の金属組織の一部分を模式化して図示した模式図である。
【図７】粒状又は球状の共晶炭化物の組成を有する本発明によるＣｏ基合金のエロージョン・コロージョン抑止現象を表した模式図である。
【図８】本発明の粒状又は球状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金（開発材）と線状又は網目状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金（ステライト＃６）の摩擦係数の特性曲線を表したグラフ図である。
【図９】本発明の粒状又は球状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金（開発材）と線状又は網目状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金（ステライト＃６）のエロージョン試験での質量減量の特性曲線を表したグラフ図である。
【符号の説明】
１…シリンダヘッド、２…カム、３…バルブリフタ、５…バルブ、６…バルブシート、１０…シリンダ、１１…共晶炭化物、１２…基材部、１３…粒状又は球状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金。
Claims (7)
- ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、
前記バルブの前記バルブシートへの接触部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金又はＮｉ基合金を装着して有る内燃機関のバルブ。 - ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、
前記バルブが接触する前記バルブシート部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金又はＮｉ基合金を装着して有る内燃機関のバルブシート。 - ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、
前記動弁機構を構成している部品の摺動部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金又はＮｉ基合金を装着して有る内燃機関の動弁機構。 - ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、
前記バルブと前記バルブシートとの双方の接触部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金又はＮｉ基合金を装着して有る内燃機関。 - ピストンを内装した燃焼筒と、前記燃焼筒への給気又は排気の口を開閉するバルブと、前記バルブが接触する前記口の部位に装着されたバルブシートと、前記バルブの動弁機構とを有する内燃機関において、
前記動弁機構を構成している部品の摺動部位に球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金又はＮｉ基合金を装着して有る内燃機関。 - 請求項１から請求項５までのいずれか一項において、前記接触部位又は摺動部位に前記合金をＮｉ系合金をインサート材として用いて液相拡散接合して装着してあることを特徴とする内燃機関又は内燃機関のバルブ又はバルブシート又は動弁機構。
- 内燃機関のバルブのバルブシートへの接触部位又はバルブシート部位又は動弁機構を構成している部品の摺動部位又は前記バルブとバルブシートとの双方の接触部位に、球状又は粒状の共晶炭化物を有するＣｏ基合金又はＮｉ基合金又はＦｅ基合金をＮｉ系合金をインサート材として用いて液相拡散接合して装着してあることを特徴とする内燃機関又は内燃機関のバルブ又はバルブシート又は動弁機構。
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