JP3902421B2 - アルミニウム合金の表面処理用電極及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金の表面処理用電極及びその製造方法と、その電極を用いたアルミニウム合金シリンダヘッドの表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二輪車や四輪車などのエンジンのシリンダヘッドには、一般にアルミニウム合金が使用されている。図６に示すように、シリンダヘッド３１の吸排気バルブ３６が往復摺動運動する通路や、バルブのフェース３７が接触する部分では、耐摩耗性や耐焼き付け性が要求されるため、一般に鉄系焼結のバルブガイド４１やバルブシート４２がそれぞれ圧入されている。
しかし、この圧入構造では、アルミニウム合金のシリンダヘッド３１と、鉄系焼結材のバルブガイド４１及びバルブシート４２の実接触面積が見かけの面積より少ないため、バルブガイド４１及びバルブシート４２を通してシリンダヘッド３１に伝える熱を阻害する原因となっていた。つまり、この構造では冷却効率が悪いため、バルブ３６や燃焼室は高温になりやすく、ノッキングが発生しやすいという問題があった。さらに、バルブガイド４１やバルブシート４２がエンジンの高出力化、燃焼温度の高温化に耐え得るほどの耐熱性、及び耐焼き付き性を有していないため、高温下では摩耗や焼き付きが発生するという問題もあった。
【０００３】
このような状況に鑑みて、特許第２９６４８１９号にあるようなレーザー肉盛による合金層をバルブシートに形成して、バルブシートリングを圧入しない技術が開発されている。しかし、この方法では、バルブガイドのような細い穴の内周面に対しての施工が不可能である。また、肉盛した合金金属が偏析するという問題もある。
一方、特開平７−７０７６１号公報にあるような液中放電加工による施工方法も開発されている。この方法は、細い穴の内面に対してもマクロ偏析のない皮膜を形成させることができる。液中放電加工用の電極としては、特開平８−３００２２７号公報にあるような金属粉末を圧縮成形により圧粉体とした後に、焼結温度以下でさらに仮焼成する方法で製造されたものが用いられている。しかし、仮焼成で空隙率や寸法精度が変化するため、バルブガイドの放電用電極の製造方法には適さないという問題がある。また、２段階の工程を経て電極を製造しなければならず、製造コストが高く、時間がかかるという問題もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を鑑み、アルミニウム合金シリンダヘッドのバルブガイド部とバルブシート部に耐摩耗性と耐熱性に優れた合金皮膜を形成するため、短時間かつ低コストで製造することが可能で、任意の空隙率が設定でき、寸法精度に優れたニアネットシェイプのアルミニウム合金シリンダヘッドの表面処理用電極及びその製造方法を提供することを目的とする。また、その電極を用いたアルミニウム合金シリンダヘッドの表面処理方法を提供することも目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアルミニウム合金の表面処理用電極の製造方法は、中心電極と少なくとも２種類以上の金属の混合粉末とを金型に入れ、該金型内の該中心電極と該金属粉末を加熱すると同時に圧縮成形することを特徴とする。
上記金型の内側としては、シリンダヘッドのバルブガイド部に硬質皮膜を形成させるための細長い円柱状部分と、シリンダヘッドのバルブシート部に硬質皮膜を形成させるための該円柱状部分と比較して幅の広い円錐形部分とを含んでなる形状を用いることができる。また、上記加熱する手段として、高周波誘導加熱コイルを用いることができる。さらに、上記圧縮成形する手段として、金型の内側に嵌入する上下のパンチを用いることができる。
このように、圧縮工程と加熱工程を同時に行うことにより、空隙率や寸法精度の変化を抑制することができるため、空隙率を容易に制御でき、かつニアネットシェイプ成形が可能となる。
【０００６】
ここで、金属圧粉体の空隙率は、電極放電時の皮膜生成状態に大きな影響を与える。空隙率が低くなりすぎると皮膜は生成されず被処理面が侵食されてしまい、空隙率が高いと放電加工中に圧粉体が崩壊してしまう。そのため、液中放電加工用の電極の製造では、圧粉体の空隙率の制御が非常に重要である。
また、ニアネットシェイプ成形とは、最終製品にできるだけ近い形状で成形することをいう。これにより、製造コストを減少させるとともに、製造に要する時間を短縮させることができる。
【０００７】
次に、本発明に係るアルミニウム合金の表面処理用電極は、中心電極と少なくとも２種類以上の金属の混合粉末とを金型に入れ、短時間で該金型内の該中心電極と該金属粉末を加熱すると同時に圧縮成形することによって得られるものである。
また、本発明に係るアルミニウム合金の表面処理用電極は、導電性を有する中心電極と、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれる少なくとも１種以上の金属粉末と、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕからなる群から選ばれる少なくとも１種以上の金属粉末とを含んでなるものである。
上記電極の形状としては、シリンダヘッドのバルブガイド部に硬質皮膜を形成させるための細長い円柱状部分と、シリンダヘッドのバルブシート部に硬質皮膜を形成させるための該円柱状部分と比較して幅の広い円錐形部分とを含んでなる形状を採用することができる。
このような電極は、細長いバルブガイド部とバルブシート部を有するアルミニウム合金シリンダヘッドに用いることができる他、単に細長い穴状部分を有するアルミニウム合金部材の表面加工に、一般的に用いることができる。
【０００８】
さらに、本発明に係るアルミニウム合金シリンダヘッドの表面処理方法は、放電により炭素を分解生成する加工液中で、上記のアルミニウム合金の表面処理用電極と、もう一方の電極であるアルミニウム合金シリンダヘッドとの間で放電処理を行うことを特徴とする。
上記アルミニウム合金の表面処理電極としては、上記特定形状を有する表面処理用電極を用いることができ、これにより、上記アルミニウム合金シリンダヘッドのバルブガイド部とバルブシート部に同時に又は２工程を経て皮膜を形成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。シリンダヘッドのバルブガイド部及びバルブシート部の表面処理を例にとって説明するが、本発明の表面処理電極はシリンダヘッド以外の部品の加工にも使用できるものである。
１．表面処理用電極の製造
図１は、本発明の一実施の形態であって、本発明に係る金型とその加熱装置の概要を示す平面図である。また、図２は、図１のII−II線における断面を示す図である。
図１に示すように、金型１０は、幅広の方形部分と、幅広がりな台形部分と、細長い方形部分とを備えた形状をしている。この幅広の方形部分の内側には、中心電極１との位置合わせ用の凹凸１３が左右に複数設けられており、この部分の内側には混合粉末２は供給しない。また、幅広がりな台形部分はバルブシート部に対応する電極を形成する部分で、細長い方形部分はバルブガイド部に対応する電極を形成する部分であり、その形状はシリンダヘッドの形状より細い形状、すなわち、表面処理の際、発生させる放電を制御できるクリアランスが必要で、具体的には、少なくとも５０μｍは細い形状としなければならない。好ましくは０．１〜１．０ｍｍ細い形状、より好ましくは０．３〜０．８ｍｍ細い形状をしている。台形部分の内側には、図１に示すように、上記の２つの電極をつなぐためにその中間の幅の形状を設けることができる。
【００１０】
また、金型１０は金型支持部１１を備え、図２に示すように、断面から見るとＬ字型の形状をしている。この金型支持部１１はベース１２上にボルト等で固定されている。また、金型１０の外周には、金型内の粉末等を短時間で加熱するための高周波誘導加熱コイル１４が配置されている。この加熱コイル１４は、図２に示すように、上下２段にすることもできる。さらに、金型１０の上方及び下方には、金型１０の内側に嵌入するように、圧縮成形のための上パンチ１６及び下パンチ１８がそれぞれ設けられている。
【００１１】
このような構成において、先ず、金型１０内に中心電極１を予めセットする。次に、金型１０と中心電極１の間に、加工液と反応して金属間化合物を生成しやすい金属Ａの粉末と、アルミニウムと反応して金属間化合物を生成するとともに、成形時のバインダーとなり成形を向上させる金属Ｂの粉末との混合粉末２を入れる。
ここで、中心電極１は、Ｃｕ又はＷからなる電極が好ましい。また、金属Ａの粉末としては、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれる少なくとも１種類以上の粉末が好ましい。さらに、金属Ｂの粉末としては、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＣｕからなる群から選ばれる少なくとも１種類以上の粉末が好ましい。金属Ａと金属Ｂの配合割合は原子濃度比で１対１から２対１が好ましい。金属Ａを５割以上含有させるのは、皮膜として耐摩耗性、耐熱性を寄与させるためである。また、金属Ｂを３割以上含有させるのは、シリンダヘッドとの密着性を良好にするためである。また、粉末の粒径は直径１００μｍ以下が好ましく、４０〜５０μｍが更に好ましい。
【００１２】
そして、高周波誘導加熱コイル１４により金型１０を加熱しながら、中心電極１と混合粉末２を上パンチ１６と下パンチ１８とでプレス成形することにより、中心電極１表面に約３〜５ｍｍの混合粉体２の圧粉体を形成する表面処理用電極を得ることができる。
高周波誘導加熱コイル１４の加熱温度は２５０〜３５０℃が好ましい。また、上パンチ１６と下パンチ１８の成形圧力は２００〜４００ＭＰａが好ましい。さらに、加熱及び成形時間は１０秒〜１分の範囲が好ましい。但し、これらの条件設定は上記範囲に限定されるものではなく、金属圧粉体を好ましい空隙率にするため、適宜変化させることができる。空隙率は、金属Ａや金属Ｂの種類及び配合割合により変化するので特に限定されないが、８０〜９０％の範囲が好ましい。
【００１３】
このように、圧縮工程と加熱工程を同時に行うことにより、加熱温度及び成形圧力を変化させるだけで、容易に圧粉体の空隙率を制御することができる。また、仮焼結をしないため、寸法精度に優れたニアネットシェイプの表面処理用電極が得られる。さらに、予め中心電極を金型内にセットして加熱・圧縮成形することにより、中心電極と圧粉体の密着力を高くすることができる。
一方、この加熱は短時間でなされるため、加熱により金型内の空気は急激に膨張し、酸素濃度も低下する。このため、金属粉末の酸化が抑制された状態で、圧縮成形によって生じた金属粒子の新生面同士が密着する。酸化反応が著しい金属粉末を用いる場合は、金型内に不活性ガス又は還元性ガスを充填又は流した状態で加熱・圧縮成形することにより、酸化をさらに抑制することができる。
また、使用する金属粉末の材質、形状、サイズによっては、中心電極と金属粉末の密着性が悪く、圧粉体が脱落する場合がある。このような場合には、中心電極に凹凸を付けることによるアンカー効果や、予め中心電極に導電性の接着剤を塗布した後に加熱・圧縮成形を行うことにより、中心電極と圧粉体の密着性が優れた表面処理用電極を得ることができる。
【００１４】
また、１段階の工程で製造でき、ニアネットシェイプ成形もできることから、安い製造コストで、かつ短時間で製造できる。さらに、この表面処理用電極は使用回数の増加とともに消耗するため、ある一定回数の使用後には交換が必要となる。この消耗した表面処理用電極は、ショットブラス等の物理的方法によって消耗した圧粉体部分を除去し、再度、中心電極と新しい金属粉末を加熱プレスすることで新たな表面処理用電極を得ることができる。したがって、本発明では、中心電極の再利用ができるとともに、中心電極を核にするため使用する金属粉末量を最小限にすることができるので、製造コストを更に抑えることができる。
【００１５】
２．シリンダヘッドの表面処理
図３は、本発明の一実施の形態であって、上記によって得られた表面処理用電極を用いて、アルミニウム合金シリンダヘッドを液中放電加工する概要を示す図である。
図３に示すように、上記により得られた表面処理用電極２０を、アルミニウム合金シリンダヘッド３１に挿入する。この時、シリンダヘッド３１は治具２２に固定されている。この治具２２には、シリンダヘッド３１内に加工液２１を供給する吐出口２３が設けてある。また、治具２２とシリンダヘッド３１の間には、絶縁性を有するシリコンゴム２４が配置されており、放電により治具２２が皮膜されるのを防止するようになっている。
【００１６】
このような構成によれば、先ず、吐出口２３から加工液２１を供給し、加工液２１の水面がシリンダヘッド３１のバルブシート皮膜形成部２７の上になるまで供給する。加工液２１としては、放電により炭素を分解生成するものであれば特に限定されないが、例えば、石油、灯油等を用いることができる。
そして、この加工液２１中で、表面処理用電極２０と、もう一方の電極であるアルミニウム合金シリンダヘッド３１との間で放電をする。放電条件として、パルス時間は３２〜５１２μｓｅｃが好ましく、デューティー比（パルス時間／パルス休止時間）は０．０１〜０．７が好ましく、放電電流値は０．３〜１．５Ａ／ｍｍ²が好ましく、放電時間は２〜８分間が好ましい。
【００１７】
この時、バルブガイド皮膜形成部２６では、表面処理用電極２０とのクリアランスが狭く、また細長いため、放電を続けると、反応した加工液２１が滞留して、皮膜の生成が不十分になる。そのため、吐出口２３から加工液２１を強制的に吐出させることで、反応加工液を排出することができる。加工液を吐出する圧力は２０〜４０ｋＰａが好ましい。この加工液２１の吐出量を変化させることで、皮膜の形成を制御することができる。このようにして、シリンダヘッド３１のバルブガイド皮膜形成部２６とバルブシート皮膜形成部２７に同時に合金皮膜を形成することができる。
【００１８】
また、図４に示すように、表面処理用電極２０をシリンダヘッド３１に途中まで挿入して放電し、バルブガイド皮膜形成部２６のみに合金皮膜を形成することもできる。その後、電極２０を更に奥まで挿入し、バルブシート部で主に放電させることにより、バルブシート皮膜形成部２７に合金皮膜を形成させることができる。このように２工程を経て、シリンダヘッド３１のバルブガイド皮膜形成部２６とバルブシート皮膜形成部２７に合金皮膜を形成することもでき、これにより、放電時の電極消耗を抑えることができる。
【００１９】
表面処理されたシリンダヘッド３１は、積層した皮膜を仕上げ加工することで、図５に示すように、目的とする耐熱性及び耐摩耗性に優れたバルブガイド皮膜３８とバルブシート皮膜３９を得ることができる。これにより、従来の鉄系焼結材の圧入構造で問題となっていた低熱伝導率に起因するノッキング等を解決することができる。また、圧入構造では耐えることができなかったエンジンの高出力化や、燃焼温度の高温化にも適応することができる。そして、バルブシート部でのバルブ３６径を拡大することができるため、エンジン性能の向上を図ることができる。
【００２０】
【実施例】
ＪＩＳ ＡＣ４Ｃ製シリンダヘッドのバルブガイドより０．５ｍｍ細く、バルブシートにフィットする形状の表面処理用電極が得られるように、図１に準じて金型及び加熱装置を作製した。この金型に、銅製の中心電極と、原子濃度比でＡｌ：Ｔｉ：Ｎｂ：Ｍｎ：Ｖ＝４７：４３：５：３：２の金属混合粉末（金属粉末粒径は４０〜５０μｍ）をセットした。そして、成形圧力が３００ＭＰａ、加熱温度が３００℃の条件で、２０秒間にわたり加熱成形し、これにより表面処理用電極を得た。
次に、この加熱用電極を上記のシリンダヘッドに挿入し、図３に示すように灯油を供給しながら、灯油中において表１の条件で５分間にわたり放電した。これにより、シリンダヘッドのバルブガイド部とバルブシート部に硬質皮膜を形成させることができた。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【発明の効果】
上記説明してきたように、本発明によれば、アルミニウム合金シリンダヘッドのバルブガイド部とバルブシート部に耐摩耗性と耐熱性に優れた合金皮膜を形成するため、短時間かつ低コストで製造することが可能で、任意の空隙率が設定でき、寸法精度に優れたニアネットシェイプのアルミニウム合金の表面処理用電極及びその製造方法を提供することができる。また、その電極を用いたアルミニウム合金シリンダヘッドの表面処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る金型と加熱装置の概略を示す平面図である。
【図２】図１のII−II線における断面を示す図である。
【図３】本発明に係る表面処理用電極を用いた液中放電加工の一例を示す図である。
【図４】本発明に係る表面処理用電極を用いた液中放電加工の一例を示す図である。
【図５】本発明に係るシリンダヘッドのバルブガイド皮膜とバルブシート皮膜を示す図である。
【図６】従来のシリンダヘッドのバルブガイドとバルブシートを示す図である。
【符号の説明】
１ 中心電極
２ 混合粉末
１０ 金型
１１ 金型支持部
１２ ベース
１３ 位置合わせ用凹凸
１４ 高周波誘導加熱コイル
１６ 上パンチ
１８ 下パンチ
２０ 表面処理用電極
２１ 加工液
２２ 治具
２３ 吐出口
２４ シリコンゴム
２６ バルブガイド皮膜形成部
２７ バルブシート皮膜形成部
３１ アルミニウム合金シリンダヘッド
３２ バルブリテーナ
３３ バルブスプリング
３６ 吸排気バルブ
３７ バルブフェース
３８ バルブガイド皮膜
３９ バルブシート皮膜
４１ バルブガイド
４２ バルブシート

Claims (7)

1. 中心電極と少なくとも２種類以上の金属の混合粉末とを金型に入れ、該金型内の該中心電極と該金属粉末を加熱すると同時に圧縮成形することを特徴とする、液中放電によってアルミニウム合金の表面に皮膜を形成する処理用の電極の製造方法。
2. 上記金型の内側は、シリンダヘッドのバルブガイド部に硬質皮膜を形成させるための細長い円柱状部分と、バルブシート部に硬質皮膜を形成させるための該円柱状部分と比較して幅の広い円錐形部分とを含んでなる形状である請求項１記載の製造方法。
3. 中心電極と少なくとも２種類以上の金属の混合粉末とを金型に入れ、該金型内の該中心電極と該金属粉末を加熱すると同時に圧縮成形することによって得られる、液中放電によってアルミニウム合金の表面に皮膜を形成する処理用の電極。
4. 導電性を有する中心電極と、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれる少なくとも１種以上の金属粉末と、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＣｕからなる群から選ばれる少なくとも１種以上の金属粉末とを含んでなる、液中放電によってアルミニウム合金の表面に皮膜を形成する処理用の電極。
5. 上記電極は、シリンダヘッドのバルブガイド部に硬質皮膜を形成させるための細長い円柱状部分と、シリンダヘッドのバルブシート部に硬質皮膜を形成させるための該円柱状部分と比較して幅の広い円錐形部分とを含んでなる形状である請求項３又は４記載の電極。
6. 放電により炭素を分解生成する加工液中で、請求項３〜５のいずれか１つに記載のアルミニウム合金の表面処理用電極と、もう一方の電極であるアルミニウム合金シリンダヘッドとの間で放電処理を行うことにより、上記アルミニウム合金シリンダヘッドに皮膜を形成することを特徴とするアルミニウム合金シリンダヘッドの表面処理方法。
7. 放電により炭素を分解生成する加工液中で、請求項５記載のアルミニウム合金の表面処理用電極と、もう一方の電極であるアルミニウム合金シリンダヘッドとの間で放電処理を行うことにより、上記アルミニウム合金シリンダヘッドのバルブガイド部とバルブシート部に同時に又は２工程を経て皮膜を形成することを特徴とするアルミニウム合金シリンダヘッドの表面処理方法。

Images