JP4185633B2

JP4185633B2 - チタン合金製エンジンバルブ及びその表面処理方法

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Publication number: JP4185633B2
Application number: JP22665299A
Authority: JP
Inventors: 雄次高野; 宏昭浅沼; 亮介羽田; 正仁廣瀬
Original assignee: Fuji Oozx Inc
Current assignee: Fuji Oozx Inc
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2019-08-10
Also published as: JP2001049421A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性及び強度を向上させたチタン合金製エンジンバルブ及びその表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの許容回転数を高める上で最も障害となるのは、動弁系部品の重量による慣性質量の増加であり、動弁系の構成部品の総重量が大となると、その慣性のために、高速回転になるほど、弁体のカムに対する追従性が低下し、エンジンの出力等の性能は低下する。
【０００３】
このような観点から、弁体すなわちエンジンバルブ（以下、バルブと略称する）を、従来の耐熱鋼に代えて、低比重で、かつ耐熱性にも優れるチタン合金により成形することにより、バルブの軽量化を図る試みがなされている。
【０００４】
しかし、チタン合金は、活性を有するため、他の金属と凝着を起こし易く、また耐摩耗性や疲労強度等も十分でない。
そのため、チタン合金よりなるバルブの表面に、窒化処置（ＴiＮ）やＮiメッキ等による表面処理を施して、耐摩耗性を向上させているのが一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の窒化処理を施したバルブは、十分な強度（硬度）及び耐摩耗性を有しているが、硬質となり過ぎるため、相手攻撃性が大きく、バルブと接触する他の動弁系部品の材質を変更するなどの対策が必要となり、コスト高を招く。
【０００６】
Ｎiメッキ等の表面処理を施したバルブは、耐熱性が十分ではなく、排気バルブとして使用するには不適当である。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、窒化処理やメッキ等によることなく、耐摩耗性や強度を大幅に向上させうるようにした、チタン合金製エンジンバルブ及びその表面処理方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のチタン合金製エンジンバルブによると、上記課題は、次のようにして解決される。
（１）軸部の一端に傘部が連設されたチタン合金よりなる弁体における少なくとも耐摩耗性又は疲労強度の要求される表面に、浸炭層を形成するとともに、その浸炭層を含む弁体の表面における他の動弁部品と接触する部分に、前記浸炭層を含んで、それよりも大きい厚さの酸化層を形成する。
【０００９】
（２）上記(１)項において、酸化層の下部層を針状組織とする。
【００１０】
（３）上記(１)又は(２)項において、弁体を、α相、α＋β相、少量のβ相を含むα＋β相、又はβ相よりなるチタン合金のいずれかにより形成する。
また、本発明のチタン合金製エンジンバルブの表面処理方法によれば、上記課題は、次のようにして解決される。
【００１１】
（４）チタン合金よりなる弁体の少なくとも耐摩耗性又は疲労強度の要求される表面を、変態点以下の温度に加熱して浸炭処理を施して、浸炭層を形成したのち、その浸炭層を含む弁体の、他の動弁部品と接触する部分の表面を、酸素を含む雰囲気中で加熱して酸化させることにより、前記浸炭層を含んで、それよりも大きい厚さの酸化層を形成する。
【００１２】
（５）上記(４)項において、浸炭処理を、高密度エネルギ加熱手段を用いて行う。
【００１３】
（６）上記(４)または(５)項において、酸化層を、酸素を含む火炎により形成する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のチタン合金製エンジンバルブを示すもので、軸部(１)の下端に傘部(２)が連設された弁体(３)は、Ｔi−Ａl系の合金、例えばα相よりなるＴi−５Ａl−２．５Ｓn系合金、α＋β相よりなるＴi−６Ａl−４Ｖ系合金、β相を少量（１０％以下）含有するα＋β相（Ｎearα）よりなるＴi−６Ａl−２Ｓn−４Ｚr−２Ｍo系合金により成形されている。
【００１５】
弁体(３)における全表面の表層には、浸炭処理により、ＴiＣを含む３〜５μｍ程度の厚さの浸炭層(４)（図では誇張して示してある）が形成されている。
【００１６】
この浸炭層(４)は、プラズマ、レーザ又は電子ビーム等の高密度エネルギ加熱手段により、弁体(３)の表面を変態点以下の温度（約８００゜Ｃ以下）まで加熱し、例えばガス浸炭法により炭素を拡散浸透させることにより形成される。
【００１７】
プラズマ等の高密度エネルギ加熱手段を用いると、表層のみが短時間で局部的に加熱され、内部まで熱が伝達されるのが防止されるので、弁体(３)の素材内部の組織が変化し、疲労強度が低下するのが防止される。
また、浸炭時間が短縮される利点もある。
【００１８】
上記浸炭層(４)を形成したのち、より高い耐摩耗性又は疲労強度が要求される部位、すなわち、バルブシートと当接する弁フェース部(５)、バルブガイドと摺接する軸部(１)の中間部(６)、コッタが止着される環状凹溝(７)、及びロッカアーム又はタペットが接触する軸端面(８)の表層には、ＴiＯ₂を含む１０〜１５μｍ程度の厚さの酸化層(９)を形成する。この酸化層(９)の下部層、すなわち弁体(３)の素材との境界層(9a)は、針状組織化している。
【００１９】
上記各酸化層(９)は、浸炭層(４)が形成された弁体(３)の表面を、酸素と燃料ガス（アセチレン、プロパン、天然ガス等）の火炎により、所定の温度に加熱し、浸炭層(４)を形成した表層を酸化させることにより形成される。
アセチレンガス等を用いて酸化処理を行うと、ガス中の炭素が素材に拡散浸透するため、酸化工程においても浸炭が促進される。
なお、酸化層(９)は、上記火炎による外、高周波誘導加熱手段を用いて形成することもできる。
【００２０】
上記実施形態のように、弁体(３)を、Ｔi−Ａl系合金、すなわちα相、α＋β相又はβ相を少量含むα＋β相よりなるチタン合金により形成し、その表面に浸炭層(４)を形成すると、弁体(３)自体の組織がほぼ等軸状をなしていることと相まって、弁体(３)が強化され、その引張延性や疲労強度が高まる。疲労強度については、浸炭層(４)を形成したのみで、約２０％向上することを確認している。
【００２１】
また、さらに、他の動弁部品と接触する弁フェース部(５)等の表面に酸化層(９)を形成し、その下方の境界層(9a)を部分的に針状組織化すると、弁体(３)全体の疲労強度を低下させることなく、表層の耐摩耗性及び靱性を大幅に向上することができる。
【００２２】
なお、酸化層(９)を形成した部分は、従来の窒化処理のように硬質となり過ぎることはないので、他の動弁部品に対する相手攻撃性が大きくなることはない。
【００２３】
本願の発明者は、上記の要領で表面処理を施した試験片を製作し、摩耗試験を行った。
まず摩耗試験機と試験方法について説明する。
図２は、クロスバー摩耗試験機と称されるもので、水平をなすモータ(10)と、その回転軸(10a)の先端の直上に、軸線同士が直交するように上下動可能に設けられた、試験片の固定治具(11)と、この固定治具(11)上に載置される錘(12)とからなっている。
【００２４】
試験方法としては、まず回転軸(10a)の先端部に、相手部材としてのスチール製の円板状のチップ(13)を、外周面を平滑に研磨するとともに、脱脂処理して同心状に取付ける。
【００２５】
ついで、固定治具(11)の下面に、脱脂処理された、下端面が平滑な軸状の試験片(14)を下向きに取付けたのち、その下端面の外周部寄りを、チップ(13)の上端面に接触させる。
【００２６】
ついで、固定治具(11)の上面に１kgの錘(12)を載せたのち、モータ(10)を作動させ、チップ(13)を一定速度で回転させる。
錘(12)は、チップ(13)と試験片(14)との摺接部が５０ｍ摺動する毎（モータの回転数とチップの外径により検出する）に、５００ｇずつ追加していく。
【００２７】
試験は、試験片(14)におけるチップ(13)との摺接面に焼き付きやかじり等が発生するか、又は３５０ｍ摺動したところで終了する。
上記試験方法により得られた結果を図３に示す。
図３において、試験片(Ａ)は、表面に硬化処理を施していない通常のＴi−Ａl系の合金（α合金）、(Ｂ)は、Ｔi−６Ａl−４Ｖよりなる合金に浸炭層のみを形成したもの、（Ｃ）は、Ｔi−６Ａl−２Ｓn−４Ｚr−２Ｍoよりなる合金に、同じく浸炭層のみを形成したもの、(Ｄ)は、上記(Ｂ)にさらに酸化層を形成したもの、(Ｅ)は、上記(Ｃ)にさらに酸化層を形成したものを示している。
【００２８】
図３から明らかなように、浸炭層のみを形成した試験片(Ｂ)(Ｃ)における焼き付き等発生摺動距離は、硬化処理を施していない通常の試験片(Ａ)に比して、かなり向上しており、また、上記試験片(Ｂ)(Ｃ)にさらに酸化層を形成した試験片(Ｄ)(Ｅ)の焼き付き等発生摺動距離は、大幅に延び、特に、試験片(Ｅ)（Ｔi−６Ａl−２Ｓn−４Ｚr−２Ｍo）については、３５０ｍまで摺動させても焼き付き等の発生はなく、極めて高い耐摩耗性を有することが立証された。
【００２９】
以上説明したように、本発明においては、弁体(３)の表面全体に浸炭層(４)を形成して、全体の耐摩耗性や疲労強度を向上させたのち、さらに他の動弁部品と接触する部分にのみ酸化層(９)を形成し、部分的に針状組織化しているため、弁体(３)自身の疲労強度を低下させることなく、表層の耐摩耗性や靭性をより向上させることができる。
【００３０】
なお、弁体(３)の素材の表面に直接酸化処理を行うことも考えられるが、このようにすると、表面の反射率の関係で、上述のような酸化層を短時間で得るのは難しく、処理時間を延ばす必要がある。その結果、加熱領域が増大して、針状組織の部分が増加し、弁体の疲労強度を低下させることとなる。
【００３１】
上記酸化処理を施す前に、弁体(３)の表面にレーザビーム加工等に用いられるカーボンスプレーによる被膜を形成してもよく、このようにすると、表面の反射が抑えられるので、浸炭層(４)が薄くても、酸化層(９)が容易に形成される。
【００３２】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
上記実施形態では、他の動弁部品との接触部に酸化層(９)を形成し、その下方の境界層(9a)を針状組織化しているが、このような針状組織を形成しないで、酸化層(９)のみを形成することもある。
【００３３】
また、上記実施形態では、弁体(３)の材料として、α相、α＋β相、又はβ相を少量含むα＋β相よりなるチタン合金を用いているが、β相よりなるチタン合金を用いることもある。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明のエンジンバルブによれば、従来のような窒化処理やメッキ等の表面処理によることなく、浸炭層により、弁体の表面の耐摩耗性及び疲労強度は向上させられ、かつ酸化層により、他の動弁部品との接触部の耐摩耗性及び疲労強度はさらに向上させられる。
【００３５】
請求項２記載の発明によれば、酸化層の下層を部分的に針状組織としているため、弁体全体の疲労強度を低下させずに、耐摩耗性や靭性をより向上させることができる。
【００３６】
請求項３記載の発明によれば、弁体自身の引張延性や疲労強度が高いので、強靱で長寿命のバルブが得られる。
【００３７】
請求項４記載の発明の表面処理方法によれば、弁体内部の組織を変化させることなく容易に浸炭層や酸化層を形成することができ、耐摩耗性に優れるエンジンバルブが得られる。
【００３８】
請求項５記載の発明によれば、弁体の表層のみを、局部的に短時間で加熱して浸炭層を形成しうるので、弁体内部に熱が伝わり、弁体自身が有している疲労強度が低下することはない。
【００３９】
請求項６記載の発明によれば、火炎に含まれる酸素を拡散浸透させて、酸化層の中にＴiＯ₂の硬質の酸化物を容易に析出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエンジンバルブの中央縦断正面図である。
【図２】摩耗試験機と、それによる本発明の試験片の摩耗試験の方法を示す正面図である。
【図３】摩耗試験の結果をグラフ化した図である。
【符号の説明】
(１)軸部
(２)傘部
(３)弁体
(４)浸炭層
(５)弁フェース部
(６)中間部
(７)環状凹溝
(８)軸端面
(９)酸化層
(9a)境界層
(10)モータ
(10a)回転軸
(11)固定治具
(12)錘
(13)チップ
(14)試験片

Claims

軸部の一端に傘部が連設されたチタン合金よりなる弁体における少なくとも耐摩耗性又は疲労強度の要求される表面に、浸炭層を形成するとともに、その浸炭層を含む弁体の表面における他の動弁部品と接触する部分に、前記浸炭層を含んで、それよりも大きい厚さの酸化層を形成したことを特徴とするチタン合金製エンジンバルブ。
酸化層の下部層を針状組織とした請求項１記載のチタン合金製エンジンバルブ。
弁体を、α相、α＋β相、少量のβ相を含むα＋β相、又はβ相よりなるチタン合金のいずれかにより形成した請求項１又は２記載のチタン合金製エンジンバルブ。
チタン合金よりなる弁体の少なくとも耐摩耗性又は疲労強度の要求される表面を、変態点以下の温度に加熱して浸炭処理を施して、浸炭層を形成したのち、その浸炭層を含む弁体の、他の動弁部品と接触する部分の表面を、酸素を含む雰囲気中で加熱して酸化させることにより、前記浸炭層を含んで、それよりも大きい厚さの酸化層を形成することを特徴とするチタン合金製エンジンバルブの表面処理方法。
浸炭処理を、高密度エネルギ加熱手段を用いて行うことを特徴とする請求項４記載のチタン合金製エンジンバルブの表面処理方法。
酸化層を、酸素を含む火炎により形成することを特徴とする請求項４または５記載のチタン合金製エンジンバルブの表面処理方法。