JP3832719B2

JP3832719B2 - バルブシート形成用電極

Info

Publication number: JP3832719B2
Application number: JP2001041075A
Authority: JP
Inventors: 雅彦小林
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2001-02-19
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2021-02-19
Also published as: JP2002242621A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダーブロックの頭部に一体化されてエンジン本体を構成するシリンダヘッドのバルブシートを形成するためのバルブシート形成用電極と、これを用いたバルブシートを形成する方法に関する。さらに詳細には、本発明は、アルミ合金製シリンダヘッドのバルブシートの形成用電極とバルブシート形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のバルブシートは、図５（ａ）に示すように、シリンダヘッド１００にバルブシートリング１０１を圧入した構造になっている。この構造によって、シリンダヘッド１００と、バルブシートフェース面１０３を有するバルブシート１０１との間に空気の断熱層が生じている。この空気の断熱層によって、バルブシート１０１からシリンダヘッド１００への熱の伝導が妨げられている。このため、バルブシート１０１の温度が上昇し、バルブシート１０１の耐熱摩耗性が低下していた。
さらに同様に、バルブ１０２からバルブシート１０１への熱の伝導と、バルブシート１０１からシリンダヘッド１００への熱の伝導も、空気の断熱層により妨げられる。このため、バルブ１０２の温度も上昇し、正常な点火、爆発を害することがあった。
【０００３】
従来、この空気の断熱層の問題を解決するために、電気めっきや溶射によるバルブシート１０１を形成する試みもされている。しかし、電気めっきや溶射は、シリンダヘッド１００のアルミ母材との密着性が悪いことから、バルブ１０２から受ける衝撃により剥離するという問題がある。
【０００４】
また、他のバルブシート形成方法として、図５（ｂ）に示すように、シリンダヘッド２００のバルブ２０２が当たる部分であるバルブシート形成面２０４にレーザ肉盛による合金層を形成することにより、バルブシートリングを圧入しないでバルブシート形成を行うことも開発されている（特許番号第２９６４８１９号）。しかし、このレーザ肉盛によるバルブシート２０１の形成法は、レーザ照射点をシート形状に沿って円運動させてリング状の合金層を形成するため、レーザ照射の開始点と終了点とが重なる。このため、バルブシートフェース面２０３を構成する均一な合金層が得られにくいという問題がある。さらに、照射中のシリンダヘッド２００のアルミ母材の場所ごとの温度が変化するため、同じ出力でレーザ照射を行うと、合金層の溶け込み方に差が生じるという問題がある。また、レーザ肉盛法を利用したバルブシート２０１の形成方法を実施する装置は構造が複雑であり、しかも施工が困難であるため、イニシャルコストが高いという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、従来からの技術上の問題点であるバルブシートフェイス肉盛層の不均一をなくし、バルブシートフェース面全体に均一な合金層を形成するためのバルブシートの形成用電極を簡単でかつ低コストで提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るバルブシート形成用電極は、ひとつの電極として、シリンダヘッドを形成する金属と反応して金属間化合物や合金を形成する金属粉体で形成したバルブシート形成用電極を用い、もうひとつの電極としてシリンダヘッドを用いて、前記バルブシート形成用電極の先端部と、前記シリンダヘッドのバルブシート形成面との間で油中放電し、この油中放電による放電エネルギーによって、前記バルブシート形成用電極中の金属成分を溶解し、該溶解した金属成分と油液中の溶融成分とを反応させて、前記バルブシート形成面に積層膜を形成するバルブシート形成用電極において、棒状に形成した該バルブシート形成用電極の先端部の外周に、前記シリンダヘッドのバルブシート形成面との間で油中放電し、前記バルブシート形成面と同じ傾きで先端に向かうにつれて先細りする傾斜面を設けるとともに、前記先端部の傾斜面以外の放電が生じさせない様に前記先端部に空間部を設けて円筒状に形成したことを特徴とする。
【０００７】
本発明において、前記シリンダヘッドがアルミ合金性であり、前記油中の溶融成分を炭素原子とする時、前記バルブシート形成用電極をＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａ、ＣｏおよびＮｉからなるグループから選択される一以上の金属を含む材料を用いて形成することが好適である。また、本発明に係るバルブシート形成用電極は、Ａｌ、Ｚｎ、ＳｎおよびＣｕからなるグループから選択される一以上の金属を含む材料をさらに用いて形成することが好適である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、図面にもとづいて、本発明にかかるバルブシート形成用電極と、これを用いたバルブシート形成方法との好適な実施の形態を説明する。
【０００９】
図１は、本発明にかかるバルブシート形成用電極について、その参考形態を示している。本参考形態のバルブシート形成用電極１は棒状に形成されている。このバルブシート形成用電極１の先端部２の外周には、シリンダヘッド４のバルブシート形成面５と対応した傾斜面３が設けられている。この先端部２の傾斜面３は、バルブシート形成面５と実質的に同じ傾きで傾斜をするように、先端部２の先端に向かうにつれて先細りするように傾斜されている。
【００１０】
なお、本参考形態のバルブシート形成用電極１は、シリンダヘッド４を形成する金属と反応して、金属間化合物や合金を形成する金属粉体で形成されている。例えば、シリンダヘッド４がアルミ合金性である場合、バルブシート形成用電極１は、シリンダヘッド４の主成分であるアルミニウム合金と炭化して硬質の炭化物を生成する金属（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｎｉなどや、これらの一以上の金属の混合物の金属）の粉体を混合して作成されている。本参考形態のバルブシート形成用電極１は、バルブシートを形成するときに放電を行う放電装置（図に示さず）に電気的につながっている。この放電装置は、アルミニウム合金製シリンダヘッド４とも電気的につながっている。つまり、この放電装置には２つの電極が備えられている。ひとつの電極としてはバルブシート形成用電極１が用いられており、またもうひとつの電極としてはシリンダヘッド４が用いられている。
【００１１】
次に、本参考形態にかかるバルブシート形成用電極１を用いたバルブシート形成方法を説明する。図１のように、バルブシート形成用電極１の先端部２の傾斜面３を、アルミニウム合金製シリンダヘッド４のバルブシート形成面５に対峙して配置する。そして、バルブシート形成用電極１の先端部２とバルブシート形成面５とを油液中に浸漬させる。次にバルブ形成用電極１の先端部２とバルブシート形成面５との間で油中放電６をさせる。この油中放電６よる放電エネルギーによって、バルブシート形成用電極１中の圧粉体などの金属成分が溶融する。この溶融した金属成分と、油液中に溶融させた炭素原子とが反応して硬質の炭化物ができる。この炭化物が、バルブシート形成面５の全面に炭化物形成と同時に固着され、バルブシート形成面５の全面に金属炭化物を含んだ耐摩耗性に優れ、均一に積層してなる積層膜７ができる。その後、バルブシート形成面５に形成された積層膜７を必要な形状および表面粗さであるシート形状に仕上げ加工してバルブシートとして用いる。このようにして、バルブシート形成用電極１を用いた油中放電によって、バルブシート形成面５の全面に均一な合金層である積層膜７のバルブシート８を形成できる。
【００１２】
さらに、シリンダヘッド４のアルミ母材でできたバルブシート形成面５と、このバルブシート形成面５に形成された積層膜７との密着性確保のため、バインダーとなるＡｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕを圧粉体電極であるバルブシート形成用電極１に添加してもよい。
このバインダーをバルブシート形成用電極１に添加したときに得られる積層膜７は、積層膜７のバルブシート形成面５の垂直方向（積層膜７の成長方向）で組成が変化する。シリンダヘッド４のアルミ母材に近いところの積層膜７においてはバインダーとなる金属成分の割合が高く、積層膜７の表面にいくにしたがい硬質の炭化物の割合が高くなる。
この結果、バルブシート８は、積層膜７の表面とバルブ（図に示さず）との界面での密着性に優れると同時に耐摩耗性にも優れている。また、バルブシート８は、シリンダヘッド４の母材であるアルミニウム材との熱膨張係数の違いによる熱応力の発生も少ないため、バルブ（図に示さず）からの衝撃に対し充分に耐える性能を持つ。
【００１３】
次に、本発明にかかるバルブシート形成用電極とこれを用いたバルブシート形成方法の実施の形態について説明する。
図２は、本発明にかかるバルブシート形成用電極の実施の形態を示している。図２に示すように、本実施の形態にかかるバルブシート形成用電極２０は、バルブシート形成用電極２０の先端部２１が円筒状に形成されている点で、上述の参考形態であるバルブシート形成用電極１と異なる。すなわち、バルブシート形成用電極２０の先端部２１の中心部が空間部２７になっている。バルブシート形成用電極２０における他の構造は、上述の参考形態のバルブシート形成用電極１と同じである。
【００１４】
図２に示すように、本実施の形態のバルブシート形成用電極２０は棒状に形成されている。このバルブシート形成用電極２０の先端部２の外周には、シリンダヘッド２４のバルブシート形成面２５と対応した傾斜面２３が設けられている。この先端部２１の傾斜面２３は、バルブシート形成面２５と実質的に同じ傾きで傾斜をするように、先端部２の先端に向かうにつれて先細りするように傾斜されている。バルブシート形成用電極２０の先端部２１が空間部２７を設けた円筒状に形成されている。
このような先端部２１を円筒形状することで歩留まりが良くなる。
【００１５】
なお、本実施の形態のバルブシート形成用電極２０は、シリンダヘッド２４を形成する金属と反応して、金属間化合物や合金を形成する金属粉体で形成されている。例えば、シリンダヘッド２４がアルミ合金性である場合、バルブシート形成用電極２０は、シリンダヘッド２４の主成分であるアルミニウム合金と炭化して硬質の炭化物を生成する金属（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｎｉなどや、これらの一以上の金属の混合物の金属）の粉体を混合して作成されている。
本実施の形態のバルブシート形成用電極２０は、バルブシートを形成するときに放電を行う放電装置（図に示さず）に電気的につながっている。この放電装置は、アルミニウム合金製シリンダヘッド２４とも電気的につながっている。つまり、この放電装置には２つの電極が備えられている。ひとつの電極としてはバルブシート形成用電極１が用いられており、またもうひとつの電極としてはシリンダヘッド２４が用いられている。
【００１６】
次に、本実施の形態にかかるバルブシート形成用電極２０を用いたバルブシート形成方法を説明する。図２のように、バルブシート形成用電極２０の先端部２１の傾斜面２３を、アルミニウム合金製シリンダヘッド２４のバルブシート形成面２５に対峙して配置する。そして、バルブシート形成用電極２０の先端部２１とバルブシート形成面２５とを油液中に浸漬させる。次にバルブ形成用電極２０の先端部２１とバルブシート形成面２５との間で油中放電２６をさせる。この油中放電２６よる放電エネルギーによって、バルブシート形成用電極２０中の圧粉体などの金属成分が溶融する。この溶融した金属成分と、油液中に溶融させた炭素原子とが反応して硬質の炭化物ができる。この炭化物が、バルブシート形成面２５の全面に炭化物形成と同時に固着される。バルブシート形成面２５全体に金属炭化物を含んだ耐摩耗性に優れる均一に積層してなる積層膜２８ができる。その後、積層膜２８を必要な形状、表面粗さを有するシート形状に仕上げ加工してバルブシートとして用いる。
このようにして、本発明にかかるバルブシート形成用電極２０を用いた油中放電２６によって、バルブシート形成面２５の全面に均一な合金層である積層膜２８のバルブシート２９を形成できる。
【００１７】
さらに、シリンダヘッド２４のアルミ母材でできたバルブシート形成面２５と、このバルブシート形成面２５上に形成された積層膜２８との密着性確保のため、バインダーとなるＡｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕを圧粉体電極であるバルブシート形成用電極２０に添加してもよい。
このバインダーをバルブシート形成用電極２０に添加したときに得られる積層膜２８は、積層膜２８のバルブシート形成面２５の垂直方向（積層膜２８の成長方向）で組成が変化する。シリンダヘッド２４のアルミ母材に近いところの積層膜２８においてはバインダーとなる金属成分の割合が高く、積層膜２８の表面にいくにしたがい硬質の炭化物の割合が高くなる。
この結果、バルブシート２９は、積層膜２８の表面とバルブ（図に示さず）との界面での密着性に優れると同時に耐摩耗性にも優れる。また、バルブシート２９は、シリンダヘッド２４の母材であるアルミニウム材との熱膨張係数の違いによる熱応力の発生も少ないため、バルブ（図に示さず）からの衝撃に対し充分に耐える性能を持つ。
【００１８】
また、バルブシート形成用電極２０の先端部２１に空間部２７を設け、円筒形にしたことによって、先端部２１とバルブシート形成面２５と間で、先端部２１の傾斜面２３以外からの余分な放電も無くなる。この結果、以前はバルブシート形成用電極２０の先端部２１の先端（特に本実施の形態の空間部２７を設けた部分）からも、バルブシート形成面２５へ放電してしまい、必要な部分以外のバルブシート２９の積層膜２８ができていたが、不必要な部分への積層膜２８の生成をなくすことができる。
【００１９】
【実施例】
アルミニウム合金であるＪＩＳＡＣ４Ｃ製シリンダヘッドのバルブシート形成面５をシートフェイス形状に加工した。次に、、Ｔｉ−Ａｌ（４７ａｔｍ％：原子比でアルミニウムが４７％）の混合金属粉体からできた圧粉体電極であるバルブシート形成用電極１の先端部２の傾斜面３をバルブシート形成面５に対峙して配置させた。次に、バルブシート形成用電極１の先端部２の傾斜面３と、バルブシート形成面５とを油液として灯油中に浸漬させた。そして、バルブシート形成用電極１の先端部２の傾斜面３と、バルブシート形成面５と間で油中放電６をさせた。
【００２０】
ここでの放電は、以下の表１に示すように、パルス時間を８〜１０２４μ秒、デューティー比を０．０３〜０．５、放電電流を０．０３〜０．５Ａ／ｍｍ²にした放電条件において行った。
【表１】

【００２１】
この油中放電６よる放電エネルギーによって、バルブシート形成用電極１中の金属成分が溶融した。この溶融したＴｉおよびＡｌの金属成分と、灯油中に溶融させた炭素原子とが反応して硬質の炭化チタンを主成分とする炭化物ができた。この炭化物が、バルブシート形成面５の全面に炭化チタンを主成分とする炭化物形成と同時に固着された。バルブシート形成面５全体に炭化チタンを主成分とする金属炭化物を含んだ耐摩耗性に優れる均一に積層した積層膜７ができた。その後、積層膜７を所定の形状、表面粗さのシート形状に仕上げ加工してバルブシートとして用いた。
【００２２】
次に、積層膜７の形成において放電条件であるパルス幅の最適値について説明する。図３は放電条件であるパルス幅を変化させたときのＴｉＣの強度を示したグラフである。ＴｉＣの強度の測定には、エックス線回折を利用して測定した。縦軸は強度（エックス線の計数管で測定された一分間あたりのカウント数）すなわち積層膜７での濃度を示し、横軸はブラック角θ（度）を示す。放電条件のひとつであるパルス幅を図３（ａ）は５１２μｓ、図３（ｂ）は３２μｓ、図３（ｃ）は８μｓのように変化させて行った。なお、図３（ｄ）のピークは純ＴｉＣのピーク、図３（ｅ）のピークは純アルミニウムのピーク、図４（ｆ）のピークは純シリコンのピークを示し、同定時のレファレンスとして用いられた。
パルス幅以外の放電は、表１で示された範囲のデューティー比を０．０６にし、放電電流を０．０６Ａ／ｍｍ²を一定にした放電条件で行った。図３の（ａ）〜（ｃ）に示したようにパルス幅を長くした方がＴｉＣの割合が高くなり、バルブシート８の積層膜７はより硬い皮膜となった。しかし、逆にＴｉＣの割合が高くなると、脆性化してしまう欠点もある。
このように鋭意研究の結果、本発明の実施の形態によれば、パルス幅により得られる積層膜７の性質を制御できることを見出した。
【００２３】
次に、積層膜７の形成において放電条件である放電電流の最適値について説明する。放電電流は、施工するバルブシート形成面５の面積に応じて電流値を調節する必要がある。放電電流値が大きすぎると放電エネルギーが大きすぎて、緻密な積層膜７を得にくい。また、放電電流値が小さすぎると、圧粉体電極であるバルブシート形成用電極１とバルブシート形成面５との間で局所的な放電状態になり均一な積層膜７が得られない。よって鋭意研究の結果、バルブシート形成時には、放電条件の範囲である表１の範囲が望ましいことが分かった。
【００２４】
以上述べたように、パルス幅を８〜１０２４μｓにし、放電電流を０．０３〜０．０８Ａ／ｍｍ²にし、デューティ比を０．０３〜０．５にする条件で放電することが好ましいことが分かった。
【００２５】
図４は、バルブシート形成面５上に形成された積層膜７の断面のＥＰＭＡ（ｅｌｅｃｔｒｏｎｐｒｏｂｅｍｉｃｒｏａｎａｌｙｚｅｒ:電子線プローブマイクロアナライザー）分析結果を示したグラフである。図４中の横軸のｌ領域は形成されたバルブシート８の積層膜７を、ｍ領域はシリンダヘッド４のアルミ母材の領域を示す。縦軸はある元素の割合を示す。バルブシート形成面５の積層膜（ｌ領域）において、積層膜７のアルミ母材（ｍ領域）の近傍、すなわちバルブシート形成面５の近傍ではアルミニウムの割合が高く、積層膜７の表面（グラフの左方向）になるに従い、Ｔｉの割合が高くなっていた。
積層膜７中のアルミニウムの割合が高くなると、同じアルミニウム合金のバルブシート形成面５との親和がよく密着性が良くなり、バルブシート形成面５からはがれにくくなる。
また、一般にＴｉの割合が高くなると、硬くなり、耐摩耗性、耐サーマルショック性に優れた層になる。このＴｉの割合が高くなっているのは、積層膜７の表面である。この層における変化した組成が積層膜７を有するバルブシート８とバルブとの優れた密着性、耐摩耗性、耐サーマルショック性の原因と考えられる。
【００２６】
【発明の効果】
このようにして、従来からの技術上の問題点であるバルブシートフェイス肉盛層の不均一をなくし、バルブシートフェース面全体に均一でかつ耐摩耗性のあるバルブシートが形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるバルブシート形成用電極とこれを用いたバルブシート形成方法を示した断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態にかかるバルブシート形成用電極とこれを用いたバルブシート形成方法を示した断面図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかるバルブシート形成用電極の放電時のパルス幅と、形成されたバルブシートのＴｉＣ強度との関係を示した線図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかるバルブシート形成用電極で形成されたバルブシートの積層膜の組成変化を示したグラフである。
【図５】（ａ）従来のバルブシートリングを圧入したバルブシートを示す断面図である。
（ｂ）従来のレーザ肉盛によって形成されたバルブシートを示す断面図である。
【符号の説明】
１バルブシート形成用電極
２先端部
３傾斜面
４シリンダヘッド
５バルブシート形成面
６放電
７積層膜
８バルブシート
２０バルブシート形成用電極
２１先端部
２３傾斜面
２４シリンダヘッド
２５バルブシート形成面
２６放電
２７空間部
２８積層膜
２９バルブシート

Claims

ひとつの電極として、シリンダヘッドを形成する金属と反応して金属間化合物や合金を形成する金属粉体で形成したバルブシート形成用電極を用い、もうひとつの電極としてシリンダヘッドを用いて、前記バルブシート形成用電極の先端部と、前記シリンダヘッドのバルブシート形成面との間で油中放電し、この油中放電による放電エネルギーによって、前記バルブシート形成用電極中の金属成分を溶解し、該溶解した金属成分と油液中の溶融成分とを反応させて、前記バルブシート形成面に積層膜を形成するバルブシート形成用電極において、棒状に形成した該バルブシート形成用電極の先端部の外周に、前記シリンダヘッドのバルブシート形成面との間で油中放電し、前記バルブシート形成面と同じ傾きで先端に向かうにつれて先細りする傾斜面を設けるとともに、前記先端部の傾斜面以外の放電が生じさせない様に前記先端部に空間部を設けて円筒状に形成したことを特徴とするバルブシート形成用電極。
前記シリンダヘッドがアルミ合金性であり、前記油中の溶融成分を炭素原子とする時、前記バルブシート形成用電極をＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａ、ＣｏおよびＮｉからなるグループから選択される一以上の金属を含む材料を用いて形成したことを特徴とする請求項１に記載のバルブシート形成用電極。
Ａｌ、Ｚｎ、ＳｎおよびＣｕからなるグループから選択される一以上の金属を含む材料をさらに用いて形成したことを特徴とする請求項２に記載のバルブシート形成用電極。