JP4641284B2 - Titanium parts for internal combustion engines - Google Patents

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Description

本発明は、チタンやチタン合金から形成されたチタン部品に関し、特に、内燃機関の燃焼ガスに曝される内燃機関用チタン部品に関する。   The present invention relates to a titanium component formed of titanium or a titanium alloy, and more particularly to a titanium component for an internal combustion engine that is exposed to combustion gas of the internal combustion engine.

近年、エンジンの高出力化や軽量化を目的として、チタンやチタン合金(「チタン材料」と総称する。)がエンジン用部品の材料に用いられるようになってきた。   In recent years, titanium and titanium alloys (collectively referred to as “titanium materials”) have been used as materials for engine parts in order to increase engine output and weight.

チタン材料は、軽量で高い強度を有しているものの、耐磨耗性に乏しい。そのため、高い耐磨耗性が要求されるチタン部品には、酸化処理が施されることがある。酸化処理を施すと、チタン部品の表面に硬いチタン酸化物の膜が形成されるので、耐摩耗性が向上する。しかしながら、チタン酸化物は脆いので、チタン酸化物膜が形成されたチタン部品は、疲労強度や衝撃強度が低下してしまう。部品を肉厚に形成することにより、疲労強度や衝撃強度をある程度向上することはできるが、その場合、重量が増加し、チタン材料を用いる意義が薄れてしまう。   Titanium material is light and has high strength, but has poor wear resistance. Therefore, oxidation treatment may be applied to titanium parts that require high wear resistance. When the oxidation treatment is performed, a hard titanium oxide film is formed on the surface of the titanium component, so that the wear resistance is improved. However, since titanium oxide is brittle, the fatigue strength and impact strength of a titanium component on which a titanium oxide film is formed are reduced. Although the fatigue strength and impact strength can be improved to some extent by forming the parts thick, in this case, the weight increases and the significance of using the titanium material is diminished.

また、高い耐磨耗性を要求されないチタン部品には、わざわざ酸化処理を行う必要はないが、このようなチタン部品であっても、高温下で使用される場合には、使用中に表面が酸化されてしまい、やはり疲労強度や衝撃強度が低下してしまう。   Titanium parts that do not require high wear resistance do not need to be oxidized. However, even when such titanium parts are used at high temperatures, the surface must be As a result, the fatigue strength and impact strength are reduced.

上述した問題を解決する手法として、特許文献1には、チタンバルブやチタンコンロッドの表面にアルミニウム粉末を焼成によって付着させる方法が開示されている。また、特許文献2には、チタン部品に窒化チャンバを用いて予め窒化処理を施す方法が開示されている。これらの方法によれば、チタン部品の表面に形成されたアルミニウムの膜やチタン窒化物の膜が、母材であるチタン材料への酸素の到達を阻害する酸素バリア層として機能する。そのため、チタン材料の酸化が抑制され、疲労強度や衝撃強度が向上する。また、チタン部品の所定の部分に上述した酸素バリア層を形成した後にチタン部品の全体に酸化処理を施すことにより、酸素バリア層が形成された部分の疲労強度を確保しつつ、他の部分(酸化処理によってチタン酸化物が形成される部分)の耐摩耗性を向上することができる。
特許第3151713号 特開2004−115907号公報
As a technique for solving the above-described problem, Patent Document 1 discloses a method in which aluminum powder is adhered to the surface of a titanium bulb or a titanium connecting rod by firing. Patent Document 2 discloses a method of performing nitriding in advance on a titanium component using a nitriding chamber. According to these methods, the aluminum film or titanium nitride film formed on the surface of the titanium component functions as an oxygen barrier layer that inhibits oxygen from reaching the base titanium material. Therefore, oxidation of the titanium material is suppressed, and fatigue strength and impact strength are improved. In addition, by forming the above-described oxygen barrier layer on a predetermined part of the titanium part and then subjecting the entire titanium part to an oxidation treatment, while ensuring the fatigue strength of the part where the oxygen barrier layer is formed, the other part ( The wear resistance of the portion where titanium oxide is formed by oxidation treatment can be improved.
Japanese Patent No. 3151713 JP 2004-115907 A

しかしながら、上記特許文献1および2に開示されている方法では、以下の理由から、十分な酸化防止効果を得ることができない。   However, the methods disclosed in Patent Documents 1 and 2 cannot obtain a sufficient antioxidant effect for the following reasons.

アルミニウム膜を酸素バリア層として用いる場合には、酸化処理時や高温下での使用時に、アルミニウム膜とその内側に位置するチタン材料層との間に脆い金属間化合物(アルミニウムとチタンとの金属間化合物)の層が形成される。そのため、この金属間化合物層の内部にエンジン運転時の応力によりクラックが生じ、それによって酸素バリア層としてのアルミニウム膜が脱落することがある。従って、安定した酸化防止効果が得られないことがある。しかも、粉末を焼成することによって形成された膜は、ポーラスな層となるので、ガスバリア層として好適には機能し得ない。   When an aluminum film is used as an oxygen barrier layer, a brittle intermetallic compound (between the metal between aluminum and titanium) is used between the aluminum film and the titanium material layer located inside it during oxidation treatment or use at high temperatures. Compound) layer is formed. For this reason, cracks are generated inside the intermetallic compound layer due to stress during engine operation, and the aluminum film as the oxygen barrier layer may fall off. Therefore, a stable antioxidant effect may not be obtained. Moreover, since the film formed by firing the powder becomes a porous layer, it cannot function suitably as a gas barrier layer.

また、チタン窒化物は非常に硬くて脆いので、チタン窒化物の膜には応力により微少なクラックが生じることがある。そのため、チタン窒化物膜を酸素バリア層として用いる場合にも、安定した酸化防止効果が得られないことがある。   Further, since titanium nitride is very hard and brittle, a slight crack may be generated in the titanium nitride film due to stress. Therefore, even when the titanium nitride film is used as an oxygen barrier layer, a stable antioxidant effect may not be obtained.

さらに、上述したようにして形成されたアルミニウム膜やチタン窒化物膜は、膜自体がそもそも緻密でないので、酸素バリア性がそれほど高くない。従って、エンジンの燃焼ガスなどの酸化性の強いガスにさらされると、ガスがこれらの膜を通過してチタン材料に達し、チタン材料が酸化されてしまう。そのため、形成されたチタン酸化物層にその後の使用によってクラックが生じ、部品内部に亀裂が進行することも多い。   Furthermore, since the aluminum film and titanium nitride film formed as described above are not dense in the first place, the oxygen barrier property is not so high. Therefore, when exposed to highly oxidizing gas such as engine combustion gas, the gas passes through these films and reaches the titanium material, and the titanium material is oxidized. Therefore, the formed titanium oxide layer is cracked by subsequent use, and the crack often progresses inside the part.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の燃焼ガスに曝されるチタン部品の疲労強度および衝撃強度を向上することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to improve the fatigue strength and impact strength of titanium parts exposed to combustion gas of an internal combustion engine.

本発明の第1の局面による内燃機関用チタン部品は、チタンまたはチタン合金から形成され、内燃機関の燃焼ガスに曝される内燃機関用チタン部品であって、表面に形成されたセラミックス層を有し、前記セラミックス層は、10nmを超え750nm以下の厚さを有し、かつ、シリコンまたはアルミニウムを含む。   A titanium component for an internal combustion engine according to the first aspect of the present invention is a titanium component for an internal combustion engine that is formed of titanium or a titanium alloy and is exposed to the combustion gas of the internal combustion engine, and has a ceramic layer formed on the surface. The ceramic layer has a thickness of more than 10 nm and not more than 750 nm, and contains silicon or aluminum.

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層の厚さは、20nm以上500nm以下である。   In a preferred embodiment, the ceramic layer has a thickness of 20 nm to 500 nm.

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層の厚さは、50nm以上250nm以下である。   In a preferred embodiment, the ceramic layer has a thickness of 50 nm or more and 250 nm or less.

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層のチタン含有率は0.5wt%以下である。   In a preferred embodiment, the ceramic layer has a titanium content of 0.5 wt% or less.

本発明の第2の局面による内燃機関用チタン部品は、チタンまたはチタン合金から形成され、内燃機関の燃焼ガスに曝される内燃機関用チタン部品であって、表面に形成されたセラミックス層を有し、前記セラミックス層は、シリコンまたはアルミニウムを含み、かつ、チタン含有率が0.5wt%以下である。   A titanium component for an internal combustion engine according to a second aspect of the present invention is a titanium component made of titanium or a titanium alloy and exposed to the combustion gas of the internal combustion engine, and has a ceramic layer formed on the surface. The ceramic layer contains silicon or aluminum and has a titanium content of 0.5 wt% or less.

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層の表面に存在する粒径1μm以上の粒状堆積物は、80個/mm2以下である。 In a preferred embodiment, the number of granular deposits having a particle diameter of 1 μm or more present on the surface of the ceramic layer is 80 / mm 2 or less.

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層は、シリコンの酸化物、窒化物または窒化酸化物を含む。   In a preferred embodiment, the ceramic layer includes silicon oxide, nitride, or nitride oxide.

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層は、アルミニウムの酸化物、窒化物または窒化酸化物を含む。   In a preferred embodiment, the ceramic layer includes aluminum oxide, nitride, or nitride oxide.

ある好適な実施形態において、本発明による内燃機関用チタン部品は、前記セラミックス層よりも内部にチタン層またはチタン合金層を有し、前記セラミックス層と前記チタン層またはチタン合金層との間に、1μm以下の厚さを有するチタン酸化物層を含む。   In a preferred embodiment, the titanium component for an internal combustion engine according to the present invention has a titanium layer or a titanium alloy layer inside the ceramic layer, and between the ceramic layer and the titanium layer or the titanium alloy layer, A titanium oxide layer having a thickness of 1 μm or less is included.

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層は、表面の一部に選択的に形成されている。   In a preferred embodiment, the ceramic layer is selectively formed on a part of the surface.

ある好適な実施形態において、本発明による内燃機関用チタン部品は、表面の他の一部に、10μm以上の厚さを有するチタン酸化物層を含む。   In a preferred embodiment, the titanium component for an internal combustion engine according to the present invention includes a titanium oxide layer having a thickness of 10 μm or more on another part of the surface.

ある好適な実施形態において、本発明による内燃機関用チタン部品は、内燃機関の燃焼室を構成するバルブである。   In a preferred embodiment, the titanium component for an internal combustion engine according to the present invention is a valve constituting a combustion chamber of the internal combustion engine.

ある好適な実施形態において、本発明による内燃機関用チタン部品は、排気ポートの開閉を行う排気バルブである。   In a preferred embodiment, the titanium component for an internal combustion engine according to the present invention is an exhaust valve that opens and closes an exhaust port.

ある好適な実施形態において、本発明による内燃機関用チタン部品は、バルブであって、ステム部およびフェース部と、前記ステム部と前記フェース部とを接続するネック部とを備え、前記ネック部の表面に前記セラミックス層が形成されている。   In a preferred embodiment, the titanium component for an internal combustion engine according to the present invention is a valve, and includes a stem portion and a face portion, and a neck portion connecting the stem portion and the face portion. The ceramic layer is formed on the surface.

ある好適な実施形態において、前記ステム部は、バルブコッタに係合するコッタ部を有し、前記コッタ部の表面にも前記セラミックス層が形成されている。   In a preferred embodiment, the stem portion has a cotter portion that engages with a valve cotter, and the ceramic layer is also formed on a surface of the cotter portion.

ある好適な実施形態において、本発明による内燃機関用チタン部品は、バルブであって、バルブコッタに係合するコッタ部を有するステム部を備え、前記コッタ部の表面に前記セラミックス層が形成されている。   In a preferred embodiment, the titanium component for an internal combustion engine according to the present invention is a valve, and includes a stem portion having a cotter portion engaged with the valve cotter, and the ceramic layer is formed on a surface of the cotter portion. .

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層は、蒸着法により形成された蒸着膜である。   In a preferred embodiment, the ceramic layer is a deposited film formed by a deposition method.

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層は、スパッタ法により形成された蒸着膜である。   In a preferred embodiment, the ceramic layer is a deposited film formed by a sputtering method.

本発明の第3の局面による内燃機関用チタン部品は、チタンまたはチタン合金から形成され、内燃機関の燃焼ガスに曝される内燃機関用チタン部品であって、表面に形成されたセラミックス層を有し、前記セラミックス層は、10nmを超え750nm以下の厚さを有し、かつ、チタン含有率が0.5wt%以下である。   A titanium component for an internal combustion engine according to a third aspect of the present invention is a titanium component made of titanium or a titanium alloy and exposed to the combustion gas of the internal combustion engine, and has a ceramic layer formed on the surface. The ceramic layer has a thickness of more than 10 nm and 750 nm or less, and the titanium content is 0.5 wt% or less.

本発明の第4の局面による内燃機関用チタン部品は、チタンまたはチタン合金から形成され、内燃機関の燃焼ガスに曝される内燃機関用チタン部品であって、表面に形成されたセラミックス層を有し、前記セラミックス層は、シリコンまたはアルミニウムを含み、前記セラミックス層の表面に存在する粒径1μm以上の粒状堆積物が、80個/mm2以下である。 A titanium component for an internal combustion engine according to a fourth aspect of the present invention is a titanium component made of titanium or a titanium alloy and exposed to the combustion gas of the internal combustion engine, and has a ceramic layer formed on the surface. The ceramic layer contains silicon or aluminum, and the number of granular deposits having a particle diameter of 1 μm or more present on the surface of the ceramic layer is 80 / mm 2 or less.

本発明による内燃機関は、上記構成を有する内燃機関用チタン部品を備えている。   The internal combustion engine by this invention is equipped with the titanium component for internal combustion engines which has the said structure.

本発明による輸送機器は、上記構成を有する内燃機関を備えている。   A transportation device according to the present invention includes an internal combustion engine having the above-described configuration.

本発明による内燃機関用チタンバルブは、チタンまたはチタン合金から形成された内燃機関用チタンバルブであって、表面の一部に選択的に形成されたセラミックス層を有し、前記セラミックス層は、10nmを超え750nm以下の厚さを有し、かつ、シリコンまたはアルミニウムを含む。   A titanium valve for an internal combustion engine according to the present invention is a titanium valve for an internal combustion engine formed of titanium or a titanium alloy, and has a ceramic layer selectively formed on a part of the surface, and the ceramic layer has a thickness of 10 nm. More than 750 nm and contains silicon or aluminum.

ある好適な実施形態において、本発明による内燃機関用チタンバルブは、バルブガイド内を摺動するステム部と、バルブシートに接触するフェース部と、前記ステム部と前記フェース部とを接続するネック部とを備え、前記ネック部の表面に前記セラミックス層が形成されている。   In a preferred embodiment, a titanium valve for an internal combustion engine according to the present invention includes a stem portion that slides in a valve guide, a face portion that contacts a valve seat, and a neck portion that connects the stem portion and the face portion. And the ceramic layer is formed on the surface of the neck portion.

ある好適な実施形態において、前記ステム部は、バルブコッタに係合するコッタ部を有し、前記コッタ部の表面にも前記セラミックス層が形成されている。   In a preferred embodiment, the stem portion has a cotter portion that engages with a valve cotter, and the ceramic layer is also formed on a surface of the cotter portion.

ある好適な実施形態において、本発明による内燃機関用チタンバルブは、バルブガイド内を摺動するステム部を備え、前記ステム部は、バルブコッタに係合するコッタ部を有し、前記コッタ部の表面に前記セラミックス層が形成されている。   In a preferred embodiment, the titanium valve for an internal combustion engine according to the present invention includes a stem portion that slides in a valve guide, and the stem portion includes a cotter portion that engages with a valve cotter, and the surface of the cotter portion. The ceramic layer is formed.

本発明による内燃機関用チタン部品の製造方法は、内燃機関の燃焼ガスに曝される内燃機関用チタン部品の製造方法であって、チタンまたはチタン合金から形成されたチタン部品を用意する工程と、前記チタン部品の表面に、10nmを超え750nm以下の厚さを有するセラミックス層を蒸着法により堆積する工程と、を包含する。   A method for manufacturing a titanium component for an internal combustion engine according to the present invention is a method for manufacturing a titanium component for an internal combustion engine that is exposed to combustion gas of the internal combustion engine, the step of preparing a titanium component formed from titanium or a titanium alloy, Depositing a ceramic layer having a thickness of more than 10 nm and not more than 750 nm on the surface of the titanium component by vapor deposition.

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層は、シリコンまたはアルミニウムを含む。   In a preferred embodiment, the ceramic layer includes silicon or aluminum.

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層は、チタン含有率が0.5wt%以下である。   In a preferred embodiment, the ceramic layer has a titanium content of 0.5 wt% or less.

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層を堆積する工程は、スパッタ法により実行される。   In a preferred embodiment, the step of depositing the ceramic layer is performed by a sputtering method.

ある好適な実施形態において、前記セラミックス層を堆積する工程において、前記セラミックス層は、前記チタン部品の表面の一部に選択的に堆積される。   In a preferred embodiment, in the step of depositing the ceramic layer, the ceramic layer is selectively deposited on a part of the surface of the titanium component.

ある好適な実施形態において、本発明による内燃機関用チタン部品の製造方法は、前記セラミックス層を堆積する工程の後に、前記チタン部品の表面の他の一部に厚さ10μm以上のチタン酸化物層を形成する工程をさらに包含する。   In a preferred embodiment, the method for manufacturing a titanium component for an internal combustion engine according to the present invention includes a titanium oxide layer having a thickness of 10 μm or more on the other part of the surface of the titanium component after the step of depositing the ceramic layer. Is further included.

本発明の第1の局面によるチタン部品は、表面に形成されたセラミックス層を有している。このセラミックス層は、シリコンまたはアルミニウムを含んでいるので、緻密に形成することが可能であり、高い酸素バリア性を有する。また、このセラミックス層は、10nmを超え750nm以下の厚さを有しているので、薄すぎることによって酸素バリア性が不足したり、厚すぎることによってクラックが発生したりすることもほとんどない。従って、高温下での長時間の使用に際しても高い酸化防止効果を得ることができ、高い疲労強度および衝撃強度が実現される。   The titanium component according to the first aspect of the present invention has a ceramic layer formed on the surface. Since this ceramic layer contains silicon or aluminum, it can be formed densely and has a high oxygen barrier property. Further, since this ceramic layer has a thickness of more than 10 nm and not more than 750 nm, the oxygen barrier property is insufficient when it is too thin, and cracks are hardly generated when it is too thick. Therefore, a high antioxidant effect can be obtained even when used for a long time at high temperature, and high fatigue strength and impact strength are realized.

本発明の第2の局面によるチタン部品の表面に形成されたセラミックス層は、シリコンまたはアルミニウムを含んでいるので、緻密に形成することが可能であり、高い酸素バリア性を有する。また、このセラミックス層は、チタン含有率が0.5wt%以下であり、チタンを実質的に含んでいないので、セラミックス層中のチタンを媒介として母材のチタンが酸化されることが防止される。従って、高温下での長時間の使用に際しても高い酸化防止効果を得ることができ、高い疲労強度および衝撃強度が実現される。   Since the ceramic layer formed on the surface of the titanium component according to the second aspect of the present invention contains silicon or aluminum, it can be formed densely and has a high oxygen barrier property. Further, this ceramic layer has a titanium content of 0.5 wt% or less and substantially does not contain titanium, so that the titanium of the base material is prevented from being oxidized through the titanium in the ceramic layer. . Therefore, a high antioxidant effect can be obtained even when used for a long time at high temperature, and high fatigue strength and impact strength are realized.

本発明の第3の局面によるチタン部品の表面に形成されたセラミックス層は、10nmを超え750nm以下の厚さを有しているので、薄すぎることによって酸素バリア性が不足したり、厚すぎることによってクラックが発生したりすることもほとんどない。また、このセラミックス層は、チタン含有率が0.5wt%以下であり、チタンを実質的に含んでいないので、セラミックス層中のチタンを媒介として母材のチタンが酸化されることが防止される。従って、高温下での長時間の使用に際しても高い酸化防止効果を得ることができ、高い疲労強度および衝撃強度が実現される。   Since the ceramic layer formed on the surface of the titanium component according to the third aspect of the present invention has a thickness of more than 10 nm and not more than 750 nm, the oxygen barrier property is insufficient or too thick by being too thin. Almost no cracking occurs. Further, this ceramic layer has a titanium content of 0.5 wt% or less and substantially does not contain titanium, so that the titanium of the base material is prevented from being oxidized through the titanium in the ceramic layer. . Therefore, a high antioxidant effect can be obtained even when used for a long time at high temperature, and high fatigue strength and impact strength are realized.

本発明の第4の局面によるチタン部品の表面に形成されたセラミックス層は、シリコンまたはアルミニウムを含んでいるので、緻密に形成することが可能であり、高い酸素バリア性を有する。また、このセラミックス層の表面に存在する粒径1μm以上の粒状堆積物は、80個/mm2以下である。つまり、セラミックス層の表面には、粗大な粒状堆積物はほとんど存在しない。そのため、膜の緻密性が高く、数十nm〜数百nmの膜厚でも十分な酸化防止効果が得られる。 Since the ceramic layer formed on the surface of the titanium component according to the fourth aspect of the present invention contains silicon or aluminum, it can be formed densely and has a high oxygen barrier property. Further, the number of granular deposits having a particle diameter of 1 μm or more present on the surface of the ceramic layer is 80 pieces / mm 2 or less. That is, there is almost no coarse granular deposit on the surface of the ceramic layer. Therefore, the denseness of the film is high, and a sufficient antioxidant effect can be obtained even with a film thickness of several tens nm to several hundreds nm.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。本願明細書では、チタンまたはチタン合金から形成された部品を総称して「チタン部品」と呼ぶ。本発明によるチタン部品は、疲労強度および衝撃強度に優れているので、燃焼ガスに曝される内燃機関用の部品として好適に用いられる。以下では、チタン部品の例としてチタンバルブを挙げて本発明を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present specification, parts formed from titanium or a titanium alloy are collectively referred to as “titanium parts”. Since the titanium component according to the present invention is excellent in fatigue strength and impact strength, it is suitably used as a component for an internal combustion engine exposed to combustion gas. Hereinafter, the present invention will be described with a titanium valve as an example of a titanium component.

図1に、本実施形態におけるチタンバルブ10を示す。チタンバルブ10は、チタン材料、すなわち、チタンまたはチタン合金から形成されている。なお、本願明細書において、チタン合金とは、チタンを主成分として含み、Al、V、Fe、Mo、Cr、Zr、SnおよびCの少なくとも1つを(好ましくは少なくともAlを)0.5wt%以上10.0wt%以下添加された合金をいう。   FIG. 1 shows a titanium valve 10 in the present embodiment. The titanium valve 10 is made of a titanium material, that is, titanium or a titanium alloy. In this specification, the titanium alloy includes titanium as a main component, and contains 0.5 wt% of at least one of Al, V, Fe, Mo, Cr, Zr, Sn, and C (preferably at least Al). This refers to an alloy added with 10.0 wt% or less.

チタンバルブ10は、棒状のステム部1と、傘状の傘部2とを備えている。傘部2は、バルブシートに接触する円錐台状のフェース部3と、ステム部1とフェース部3とを接続するネック部4とを備えている。   The titanium valve 10 includes a rod-shaped stem portion 1 and an umbrella-shaped umbrella portion 2. The umbrella part 2 includes a frustoconical face part 3 that contacts the valve seat, and a neck part 4 that connects the stem part 1 and the face part 3.

ステム部1の傘部2とは反対側の端5は、ステムエンドと呼ばれる。ステム部1のステムエンド5近傍には、バルブコッタに係合する凹部(コッタ部と呼ばれる。)6が設けられている。   The end 5 of the stem portion 1 opposite to the umbrella portion 2 is called a stem end. In the vicinity of the stem end 5 of the stem portion 1, a recess (called a cotter portion) 6 that engages with the valve cotter is provided.

図2に、チタンバルブ10をエンジンの排気ポート31に取り付けた状態を示す。図2に示すように、シリンダヘッド30の下部から側部に向かって延びるように排気ポート31が形成されている。   FIG. 2 shows a state in which the titanium valve 10 is attached to the exhaust port 31 of the engine. As shown in FIG. 2, an exhaust port 31 is formed so as to extend from the lower part of the cylinder head 30 toward the side part.

シリンダヘッド30に形成された孔にバルブガイド32が設けられており、このバルブガイド32にチタンバルブ10のステム部1が挿入されている。チタンバルブ10は、バルブスプリング33によって上方向に持ち上げられるように付勢されている。   A valve guide 32 is provided in a hole formed in the cylinder head 30, and the stem portion 1 of the titanium valve 10 is inserted into the valve guide 32. The titanium valve 10 is biased so as to be lifted upward by a valve spring 33.

バルブスプリング33は、スプリングシート34とリテーナ35とによって保持されている。リテーナ35は、チタンバルブ10のコッタ部6に係合するバルブコッタ36によってチタンバルブ10のステム部1に係止されている。   The valve spring 33 is held by a spring seat 34 and a retainer 35. The retainer 35 is locked to the stem portion 1 of the titanium valve 10 by a valve cotter 36 that engages with the cotter portion 6 of the titanium valve 10.

チタンバルブ10の上方には、カム37が回転可能なように設けられている。カム37が回転することによって、カムの凸部(径の大きな部分)がバルブリフタ43を押し下げ、また、バルブスプリング33がチタンバルブ10を押し上げる。これによって、チタンバルブ10が上下に移動し、排気ポート31が開閉される。   A cam 37 is rotatably provided above the titanium valve 10. As the cam 37 rotates, the convex portion (large diameter portion) of the cam pushes down the valve lifter 43, and the valve spring 33 pushes up the titanium valve 10. As a result, the titanium valve 10 moves up and down, and the exhaust port 31 is opened and closed.

チタンバルブ10が上下に移動する際、ステム部1はバルブガイド32内を摺動する。また、チタンバルブ10が最も上側に復帰するとき、フェース部3がバルブシート38に当接(衝突)し、そのことによって排気ポート31が閉じられる。このとき、チタンバルブ10の片当り等があると、ネック部4により強い衝撃力が加わるとともに曲げ応力も発生する。この繰り返しにより、曲げ疲労破壊に至ることもある。また、チタンバルブ10が上下に移動する際、カム37側に位置するステムエンド5に荷重がかかる。チタンバルブ10に加わる力は、エンジンの回転速度が上昇するとより大きくなるので、自動二輪車等に用いられる高回転型エンジンでは、チタンバルブ10への衝撃力が強くなる。   When the titanium valve 10 moves up and down, the stem portion 1 slides in the valve guide 32. Further, when the titanium valve 10 returns to the uppermost position, the face portion 3 comes into contact with (collides with) the valve seat 38, and thereby the exhaust port 31 is closed. At this time, if there is a single contact of the titanium bulb 10 or the like, a strong impact force is applied to the neck portion 4 and a bending stress is also generated. This repetition may lead to bending fatigue failure. Further, when the titanium valve 10 moves up and down, a load is applied to the stem end 5 located on the cam 37 side. Since the force applied to the titanium valve 10 increases as the rotational speed of the engine increases, the impact force on the titanium valve 10 increases in a high-rotation engine used in a motorcycle or the like.

このように、排気ポート31の開閉に際し、チタンバルブ10のステム部1、フェース部3およびステムエンド5は、他の部材との接触を伴うので、優れた耐摩耗性を要求される。そのため、これらの部位には、酸化処理を施すことによってその表面にチタン酸化物層を形成することが好ましい。十分に高い耐摩耗性を得るためには、チタン酸化物層の厚さは、10μm以上であることが好ましい。   As described above, when the exhaust port 31 is opened and closed, the stem portion 1, the face portion 3, and the stem end 5 of the titanium valve 10 are in contact with other members, so that excellent wear resistance is required. Therefore, it is preferable to form a titanium oxide layer on the surface of these parts by performing an oxidation treatment. In order to obtain sufficiently high wear resistance, the thickness of the titanium oxide layer is preferably 10 μm or more.

一方、チタンバルブ10のネック部4およびコッタ部6には、チタンバルブ10の着座などによる応力が発生するので、高い疲労強度および衝撃強度が要求される。本実施形態におけるチタンバルブ10のネック部4およびコッタ部6の表面には、後述するようなセラミックス層が酸素バリア層として形成されており、そのことによって、これらの部位の疲労強度、衝撃強度を十分に高くすることが可能になる。以下、本実施形態におけるセラミックス層をより具体的に説明する。   On the other hand, the neck portion 4 and the cotter portion 6 of the titanium valve 10 are required to have high fatigue strength and impact strength because stress due to the seating of the titanium valve 10 occurs. A ceramic layer as described later is formed as an oxygen barrier layer on the surfaces of the neck portion 4 and the cotter portion 6 of the titanium valve 10 in the present embodiment, and thereby, the fatigue strength and impact strength of these portions are reduced. It becomes possible to make it high enough. Hereinafter, the ceramic layer in the present embodiment will be described more specifically.

本実施形態におけるチタンバルブ10では、図3に示すように、ネック部4、コッタ部6およびコッタ部6の近傍の表面(図3中のハッチングを付している部分)に、セラミックス層7が形成されている。   In the titanium valve 10 in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the ceramic layer 7 is formed on the neck portion 4, the cotter portion 6, and the surface in the vicinity of the cotter portion 6 (the hatched portion in FIG. 3). Is formed.

セラミックス層7は、具体的には、シリコンまたはアルミニウムを含むセラミックス膜である。セラミックス層7は、例えば、シリコンの酸化物、窒化物または窒化酸化物や、アルミニウムの酸化物、窒化物または窒化酸化物から形成されている。   Specifically, the ceramic layer 7 is a ceramic film containing silicon or aluminum. The ceramic layer 7 is made of, for example, silicon oxide, nitride, or nitride oxide, or aluminum oxide, nitride, or nitride oxide.

特許文献2に開示されている手法によって形成されるチタン窒化物膜のようなチタン系のセラミックス膜は、化学量論的な組成になりにくく、膜自体が疎であるため、酸素バリア性に劣っている。また、化学量論的な組成になりにくく、さらに、金属結合している部分が生じるため、膜自体の酸化が進行したり、内部への酸素の受け渡しが行われたりしてしまう。   A titanium-based ceramic film such as a titanium nitride film formed by the technique disclosed in Patent Document 2 is less likely to have a stoichiometric composition, and the film itself is sparse, resulting in poor oxygen barrier properties. ing. In addition, the stoichiometric composition is unlikely to occur, and a metal-bonded portion is generated, so that oxidation of the film itself proceeds or oxygen is transferred to the inside.

これに対し、シリコン系のセラミックス膜は、非金属元素の化合物で共有結合しており、膜自体を緻密に形成することが可能である。また、アルミニウムは金属元素と非金属元素との境に位置する元素であるので、アルミニウム系のセラミックス膜もシリコン系のセラミックス膜と同様に、膜自体を緻密に形成することが可能である。そのため、本実施形態におけるセラミックス層7は、酸素バリア性に優れる。従って、ステム部1、フェース部3およびステムエンド5の表面にチタン酸化物層を形成するためにチタンバルブ10の全体に酸化処理を施しても、ネック部4およびコッタ部6の酸化を十分に抑制することができる。また、エンジン運転時の燃焼ガスに曝された際のネック部4およびコッタ部6の酸化も十分に抑制することができる。そのため、本実施形態におけるチタンバルブ10は、疲労強度および衝撃強度に優れている。また、十分な疲労強度、衝撃強度が得られるため、肉厚の増加という軽量化に不利な設計変更を行う必要もない。   In contrast, a silicon-based ceramic film is covalently bonded with a compound of a nonmetallic element, and the film itself can be formed densely. In addition, since aluminum is an element located at the boundary between a metal element and a non-metal element, an aluminum-based ceramic film can be densely formed as well as a silicon-based ceramic film. Therefore, the ceramic layer 7 in this embodiment is excellent in oxygen barrier property. Therefore, even if the entire titanium valve 10 is oxidized to form a titanium oxide layer on the surfaces of the stem portion 1, the face portion 3 and the stem end 5, the neck portion 4 and the cotter portion 6 are sufficiently oxidized. Can be suppressed. Further, oxidation of the neck portion 4 and the cotter portion 6 when exposed to the combustion gas during engine operation can be sufficiently suppressed. Therefore, the titanium valve 10 in this embodiment is excellent in fatigue strength and impact strength. In addition, since sufficient fatigue strength and impact strength can be obtained, it is not necessary to make a design change that is disadvantageous for weight reduction, such as an increase in wall thickness.

なお、一般的には、酸化物よりも窒化物の方がより緻密で、ガスバリア性に優れている。そのため、酸化防止効果の点からは、セラミックス層7は、酸化シリコン膜よりも窒化酸化シリコン膜であることが好ましく、窒化シリコン膜であることがさらに好ましい。また、同様に、セラミックス層7は、酸化アルミニウム膜よりも窒化酸化アルミニウム膜であることが好ましく、窒化アルミニウム膜であることがさらに好ましい。   In general, nitrides are denser than oxides and have excellent gas barrier properties. For this reason, from the viewpoint of the antioxidant effect, the ceramic layer 7 is preferably a silicon nitride oxide film, more preferably a silicon nitride film, rather than a silicon oxide film. Similarly, the ceramic layer 7 is preferably an aluminum nitride oxide film, more preferably an aluminum nitride film, rather than an aluminum oxide film.

また、膜の緻密さの点からは、シリコン系のセラミックス膜を用いることが好ましく、ターゲットとして安価なものを用いることができる点からは、アルミニウム系のセラミックス膜を用いることが好ましい。アルミニウムは、導電性が高いので、シリコンよりもスパッタ法に用いやすく、また、蒸発温度も低いので、蒸着法に向いている。また、窒化アルミニウムは、酸化アルミニウムの約10倍も熱伝導性が高く、熱衝撃に強いので、高負荷で運転されるエンジンには、窒化アルミニウム膜を用いることが好ましい。   In addition, a silicon-based ceramic film is preferably used from the viewpoint of the denseness of the film, and an aluminum-based ceramic film is preferably used from the viewpoint that an inexpensive target can be used. Aluminum is more suitable for sputtering because it has higher conductivity and is easier to use for sputtering than silicon and has a lower evaporation temperature. In addition, aluminum nitride has a thermal conductivity about 10 times that of aluminum oxide and is resistant to thermal shock. Therefore, it is preferable to use an aluminum nitride film for an engine operated at a high load.

セラミックス層7が薄すぎると、ガスバリア性が不足することがある。また、セラミックス層7が厚すぎると、高温下での熱膨張により、クラックが発生することがある。後述するように本願発明者が検討を行ったところ、十分なガスバリア性を確保しつつ、クラックの発生をより確実に防止するためには、セラミックス層7の厚さは、10nmを超え750nm以下であることが好ましく、20nm以上500μm以下であることがより好ましく、50nm以上250nm以下であることがさらに好ましいことがわかった。   If the ceramic layer 7 is too thin, the gas barrier property may be insufficient. If the ceramic layer 7 is too thick, cracks may be generated due to thermal expansion at high temperatures. As will be described later, the inventors of the present invention have studied, and in order to more reliably prevent the occurrence of cracks while ensuring sufficient gas barrier properties, the thickness of the ceramic layer 7 is more than 10 nm and less than 750 nm. It was found that the thickness was preferably 20 nm or more and 500 μm or less, and more preferably 50 nm or more and 250 nm or less.

なお、表面にセラミックス層7が形成された部位であっても、厳密には、チタン材料の酸化を完全に防止できるわけではない。しかしながら、本実施形態のようなセラミックス層7を設けることによって、セラミックス層7とチタン材料層(チタン層またはチタン合金層)との間に形成されるチタン酸化物層の厚さを1μm以下とすることができ、厚いチタン酸化物層に起因した疲労強度および衝撃強度の低下を十分に抑制することができる。   Strictly speaking, it is not possible to completely prevent the titanium material from being oxidized even at the portion where the ceramic layer 7 is formed on the surface. However, by providing the ceramic layer 7 as in this embodiment, the thickness of the titanium oxide layer formed between the ceramic layer 7 and the titanium material layer (titanium layer or titanium alloy layer) is 1 μm or less. It is possible to sufficiently suppress the decrease in fatigue strength and impact strength due to the thick titanium oxide layer.

また、セラミックス層7には、チタンがあまり含まれていないことが好ましい。具体的には、セラミックス層7のチタン含有率は0.5wt%以下であることが好ましい。セラミックス層7にチタンが含まれていると、セラミックス層7中のチタンが酸素と結合して酸化され、さらに、酸素を同種元素である母材側のチタンに渡して酸化させてしまうことがある。セラミックス層7のチタン含有率を0.5wt%以下とする(つまりセラミックス層7にチタンが実質的に含まれていないようにする)ことによって、このような酸化を十分に抑制することができる。なお、チタン系のセラミックス膜は、既に述べたように、化学量論的な組成になりにくいので、未反応のチタンを多く含んでいる。そのため、上述したような母材の酸化を引き起こしやすい。   Moreover, it is preferable that the ceramic layer 7 does not contain much titanium. Specifically, the titanium content of the ceramic layer 7 is preferably 0.5 wt% or less. If the ceramic layer 7 contains titanium, the titanium in the ceramic layer 7 is combined with oxygen and oxidized, and further oxygen may be passed to the base material side titanium which is the same element and oxidized. . Such oxidation can be sufficiently suppressed by setting the titanium content of the ceramic layer 7 to 0.5 wt% or less (that is, making the ceramic layer 7 substantially not contain titanium). Note that the titanium-based ceramic film hardly contains a stoichiometric composition as described above, and therefore contains a large amount of unreacted titanium. For this reason, the base material is likely to be oxidized as described above.

なお、本実施形態では、セラミックス層7をネック部4およびコッタ部6の両方に形成するが、必要に応じて、ネック部4およびコッタ部6の一方のみに形成してもよい。また、傘部2の燃焼室側の表面にセラミックス層7を形成することも好ましい。図4に示すように、チタンバルブ10がバルブシート38に着座する際の衝撃によって、傘部2の燃焼室側の表面8からクラック9が発生することがある。燃焼室側の表面8にもセラミックス層7を形成することによって、燃焼室側の表面8の衝撃強度を向上することができ、クラック9の発生を抑制することができる。   In the present embodiment, the ceramic layer 7 is formed on both the neck portion 4 and the cotter portion 6, but may be formed only on one of the neck portion 4 and the cotter portion 6 as necessary. It is also preferable to form the ceramic layer 7 on the surface of the umbrella part 2 on the combustion chamber side. As shown in FIG. 4, a crack 9 may occur from the surface 8 on the combustion chamber side of the umbrella portion 2 due to an impact when the titanium valve 10 is seated on the valve seat 38. By forming the ceramic layer 7 on the surface 8 on the combustion chamber side, the impact strength of the surface 8 on the combustion chamber side can be improved, and the occurrence of cracks 9 can be suppressed.

次に、チタンバルブ10の製造方法を説明する。   Next, a method for manufacturing the titanium valve 10 will be described.

まず、セラミックス層7が形成されていないチタンバルブ10を用意する。チタンバルブ10の材料としては、純チタンやチタン合金を用いることができる。セラミックス層7が形成される前のチタンバルブ10は、公知の種々の方法によって形成され得る。   First, a titanium valve 10 on which the ceramic layer 7 is not formed is prepared. As a material of the titanium valve 10, pure titanium or a titanium alloy can be used. The titanium bulb 10 before the ceramic layer 7 is formed can be formed by various known methods.

次に、チタンバルブ10の表面に、所定の厚さを有するセラミックス層7を堆積する。このとき、セラミックス層7は、チタンバルブ10の表面の一部、より具体的には、ネック部4、コッタ部6およびコッタ部6近傍の表面に選択的に堆積される。セラミックス層7の厚さは、既に述べたように、ガスバリア性の観点からは、10nmを超えることが好ましく、20nm以上であることがより好ましく、50nm以上であることがさらに好ましい。また、セラミックス層7の厚さは、熱膨張によるクラックの発生を抑制する観点からは、750nm以下であることが好ましく、500nm以下であることがより好ましく、250nm以下であることがさらに好ましい。   Next, a ceramic layer 7 having a predetermined thickness is deposited on the surface of the titanium bulb 10. At this time, the ceramic layer 7 is selectively deposited on a part of the surface of the titanium bulb 10, more specifically, on the surface near the neck portion 4, the cotter portion 6, and the cotter portion 6. As described above, the thickness of the ceramic layer 7 is preferably more than 10 nm, more preferably 20 nm or more, and further preferably 50 nm or more from the viewpoint of gas barrier properties. The thickness of the ceramic layer 7 is preferably 750 nm or less, more preferably 500 nm or less, and further preferably 250 nm or less from the viewpoint of suppressing the occurrence of cracks due to thermal expansion.

既に述べたように、セラミックス層7にはチタンがあまり含まれていないことが好ましいので、セラミックス層7は、チタンバルブ10本体中のチタンがセラミックス層7中に拡散して層中に含有されない方法により、形成することが好ましい。具体的には、セラミックス層7は、蒸着法により形成することが好ましい。つまり、セラミックス層7は、蒸着法により形成された蒸着膜であることが好ましい。本願明細書において、「蒸着法」とは、堆積すべき物質を気体状態で(好ましくは真空下で)堆積させるCVD(化学気相堆積)法および物理的蒸着法をいう。蒸着法としては、スパッタ法やイオンプレーティング法などの物理的蒸着法を用いることがより好ましい。特に、スパッタ法により形成される膜は緻密性が高いので、セラミックス層7は、スパッタ法により形成されていることがより好ましい。   As already described, since it is preferable that the ceramic layer 7 does not contain much titanium, the ceramic layer 7 is a method in which titanium in the titanium valve 10 body diffuses into the ceramic layer 7 and is not contained in the layer. Is preferably formed. Specifically, the ceramic layer 7 is preferably formed by a vapor deposition method. That is, the ceramic layer 7 is preferably a vapor deposition film formed by a vapor deposition method. In this specification, “evaporation method” refers to a CVD (chemical vapor deposition) method and a physical vapor deposition method in which a material to be deposited is deposited in a gaseous state (preferably under vacuum). As the vapor deposition method, it is more preferable to use a physical vapor deposition method such as a sputtering method or an ion plating method. In particular, since the film formed by the sputtering method has high density, the ceramic layer 7 is more preferably formed by the sputtering method.

スパッタ法を用いる場合には、DCスパッタ装置、RFスパッタ装置、マグネトロンスパッタ装置、イオンビームスパッタ装置などを用いることができる。また、これらの方法を用いる場合、セラミックス層7を堆積するチタンバルブ10の表面にプラズマ粒子を衝突させ、チタンバルブ10の表面をエッチングする(つまり逆スパッタする)ことができる。これを利用して、チタンバルブ10の表面に形成されている自然酸化膜を除去し、セラミックス層7とチタンバルブ10本体との密着性を向上させることができる。   When the sputtering method is used, a DC sputtering apparatus, an RF sputtering apparatus, a magnetron sputtering apparatus, an ion beam sputtering apparatus, or the like can be used. When these methods are used, the surface of the titanium bulb 10 can be etched (that is, reverse sputtering) by causing plasma particles to collide with the surface of the titanium bulb 10 on which the ceramic layer 7 is deposited. By utilizing this, the natural oxide film formed on the surface of the titanium bulb 10 can be removed, and the adhesion between the ceramic layer 7 and the titanium bulb 10 body can be improved.

プラズマを用いない堆積方法を用いてセラミックス層7を形成する場合であっても、チタンバルブ10の表面に形成されている自然酸化膜を、物理的あるいは化学的方法により、セラミックス層7を形成する前に除去しておくことが好ましい。   Even when the ceramic layer 7 is formed using a deposition method that does not use plasma, the natural oxide film formed on the surface of the titanium bulb 10 is formed by a physical or chemical method. It is preferred to remove it before.

また、スパッタ法を用いる場合には、例えば治具や遮蔽物によるマスキングを行うことにより、チタンバルブ10の表面の一部に選択的にセラミックス層7を堆積することができる。   Further, when using the sputtering method, the ceramic layer 7 can be selectively deposited on a part of the surface of the titanium bulb 10 by performing masking with a jig or a shield, for example.

その後、チタンバルブ10の表面の他の一部、具体的には、ステム部1、フェース部3およびステムエンド5に所定の厚さを有するチタン酸化物層を形成する。十分な耐摩耗性を実現する観点からは、チタン酸化物層の厚さは、10μm以上であることが好ましい。この酸化処理工程は、例えばチタンバルブ10を大気中で高温(例えば650℃〜850℃程度)に保持することによって行われる。このとき、表面にセラミックス層7が形成されている部分では、セラミックス層7が酸素バリア層として機能することによって、チタン酸化物層の形成が抑制される。   Thereafter, a titanium oxide layer having a predetermined thickness is formed on another part of the surface of the titanium bulb 10, specifically, the stem portion 1, the face portion 3, and the stem end 5. From the viewpoint of realizing sufficient wear resistance, the thickness of the titanium oxide layer is preferably 10 μm or more. This oxidation treatment step is performed, for example, by holding the titanium bulb 10 at a high temperature (for example, about 650 ° C. to 850 ° C.) in the atmosphere. At this time, in the portion where the ceramic layer 7 is formed on the surface, the ceramic layer 7 functions as an oxygen barrier layer, thereby suppressing the formation of the titanium oxide layer.

以下、本実施形態におけるチタンバルブ10を実際に試作して各種の検証を行った結果を説明する。   In the following, the results of various tests performed by actually making a prototype of the titanium valve 10 in the present embodiment will be described.

まず、Ti―6Al―4Vの組成を有するチタン合金から形成されたチタンバルブ10をスパッタ蒸着装置のチャンバ内に配置し、真空度が3×10-4Paに達するまで排気を行った。 First, a titanium valve 10 formed of a titanium alloy having a composition of Ti-6Al-4V was placed in a chamber of a sputter deposition apparatus, and evacuation was performed until the degree of vacuum reached 3 × 10 −4 Pa.

次に、チャンバ内にアルゴンを25sccmの流量で導入して0.4Paの圧力を保ちながら、500V×4A(2.0kW)のパワーを投入して1.5分間逆スパッタを行い、チタンバルブ10の表面の自然酸化膜を除去した。   Next, argon was introduced into the chamber at a flow rate of 25 sccm and a pressure of 0.4 Pa was maintained, while a power of 500 V × 4 A (2.0 kW) was applied and reverse sputtering was performed for 1.5 minutes. The natural oxide film on the surface was removed.

続いて、ターゲットとしてシリコンを用い、アルゴンおよび酸素(あるいはアルゴンおよび窒素)雰囲気下で圧力を0.2Paに保ちながら、700V×7A(4.9kW)のパワーを投入して1分間スパッタを行い、チタンバルブ10の表面に厚さ25nmの酸化シリコン膜(あるいは窒化シリコン膜)を堆積してセラミックス層7を形成した。   Subsequently, using silicon as a target, while keeping the pressure at 0.2 Pa in an atmosphere of argon and oxygen (or argon and nitrogen), a power of 700 V × 7 A (4.9 kW) was applied and sputtering was performed for 1 minute. A ceramic layer 7 was formed by depositing a 25 nm thick silicon oxide film (or silicon nitride film) on the surface of the titanium bulb 10.

上述のようにしてセラミックス層7が形成されたチタンバルブ10を大気中700℃で24時間加熱保持したところ、チタンバルブ10本体(つまりチタン材料の層)の表面とセラミックス層7との間に形成されたチタン酸化物膜の厚さは、0.5μm以下(すなわちほとんど形成されていない)であり、チタン酸化物膜の形成が抑制されていることが確認された。   When the titanium bulb 10 having the ceramic layer 7 formed as described above is heated and held at 700 ° C. for 24 hours in the atmosphere, it is formed between the surface of the titanium bulb 10 body (that is, a layer of titanium material) and the ceramic layer 7. The thickness of the formed titanium oxide film was 0.5 μm or less (that is, it was hardly formed), and it was confirmed that the formation of the titanium oxide film was suppressed.

次に、スパッタ時間を変化させてセラミックス層(ここでは窒化シリコン膜)の厚さが異なる複数のチタンバルブを試作し、それらの酸化防止効果を評価した。下記表1にその結果を示す。表1において、「◎」は酸化防止効果が非常に高いことを示し、「○」は酸化防止効果が高いことを示す。また、「△」は酸化防止効果が実用上十分であることを示し、「×」は酸化防止効果が不十分であることを示す。   Next, a plurality of titanium valves having different thicknesses of ceramic layers (here, silicon nitride films) were manufactured by changing the sputtering time, and their antioxidant effects were evaluated. The results are shown in Table 1 below. In Table 1, “◎” indicates that the antioxidant effect is very high, and “◯” indicates that the antioxidant effect is high. “Δ” indicates that the antioxidant effect is practically sufficient, and “x” indicates that the antioxidant effect is insufficient.

表1に示したように、セラミックス層7の厚さが10nmの場合には、酸化防止効果が不十分であった。これは、膜自体の厚さが小さいため、ガスバリア性が十分ではないからである。従って、ガスバリア性の観点からは、セラミックス層7の厚さは、10nmを超えることが好ましく、20nm以上であることがより好ましく、50nm以上であることがさらに好ましい。   As shown in Table 1, when the thickness of the ceramic layer 7 was 10 nm, the antioxidant effect was insufficient. This is because the gas barrier property is not sufficient because the thickness of the film itself is small. Therefore, from the viewpoint of gas barrier properties, the thickness of the ceramic layer 7 is preferably more than 10 nm, more preferably 20 nm or more, and further preferably 50 nm or more.

また、表1に示したように、セラミックス層7の厚さが2μmや1μmの場合には、酸化防止効果が不十分であった。これは、高温下での熱膨張により、膜にクラックが発生したからである。これに対し、セラミックス層7の厚さが750nm以下の場合には、熱応力によるクラックの発生はなく、十分な酸化防止効果が得られた。ただし、セラミックス層7の厚さが750nmの場合には、使用環境によっては、外部応力や衝撃荷重によるクラックが発生することがある。セラミックス層7の厚さが500nm以下であると、そのようなクラックの発生を抑制でき、250nm以下であるとさらに確実に抑制できる。従って、熱膨張によるクラックの発生を回避する観点からは、セラミックス層7の厚さは、750nm以下であることが好ましく、500nm以下であることがより好ましく、250nm以下であることがさらに好ましい。   Further, as shown in Table 1, when the thickness of the ceramic layer 7 was 2 μm or 1 μm, the antioxidant effect was insufficient. This is because cracks occurred in the film due to thermal expansion at a high temperature. On the other hand, when the thickness of the ceramic layer 7 was 750 nm or less, cracks due to thermal stress were not generated, and a sufficient antioxidant effect was obtained. However, when the thickness of the ceramic layer 7 is 750 nm, cracks due to external stress or impact load may occur depending on the use environment. If the thickness of the ceramic layer 7 is 500 nm or less, the occurrence of such cracks can be suppressed, and if it is 250 nm or less, it can be more reliably suppressed. Therefore, from the viewpoint of avoiding the occurrence of cracks due to thermal expansion, the thickness of the ceramic layer 7 is preferably 750 nm or less, more preferably 500 nm or less, and even more preferably 250 nm or less.

続いて、表面の一部に選択的にセラミックス層7が形成されたチタンバルブ10に酸化処理を施し、セラミックス層7が形成されている部分とセラミックス層7が形成されていない部分の両方について、光学顕微鏡および走査電子顕微鏡を用いて断面観察を行った。   Subsequently, the titanium valve 10 in which the ceramic layer 7 is selectively formed on a part of the surface is subjected to an oxidation treatment, and both the portion where the ceramic layer 7 is formed and the portion where the ceramic layer 7 is not formed, Cross-sectional observation was performed using an optical microscope and a scanning electron microscope.

図5(a)および(b)に、セラミックス層7が形成されている部分の断面を示す。図5(a)および(b)は、それぞれ図5(c)中の5−5’線に沿った断面の光学顕微鏡写真および走査電子顕微鏡写真である。   5A and 5B show a cross section of a portion where the ceramic layer 7 is formed. 5A and 5B are an optical micrograph and a scanning electron micrograph of a cross section taken along line 5-5 'in FIG. 5C, respectively.

図5(a)からは、チタンバルブ10の最表面に1μm以下の非常に薄いチタン酸化物層が形成されている様子がわかる。また、図5(b)からは、チタンバルブ10の最表面に0.5μm程度の非常に薄いチタン酸化物層が形成されている様子がわかる。   FIG. 5A shows that a very thin titanium oxide layer of 1 μm or less is formed on the outermost surface of the titanium bulb 10. FIG. 5B shows that a very thin titanium oxide layer of about 0.5 μm is formed on the outermost surface of the titanium bulb 10.

図6(a)および(b)に、セラミックス層7が形成されていない部分の断面を示す。図6(a)および(b)は、それぞれ図6(c)中の6−6’線に沿った断面の光学顕微鏡写真および走査電子顕微鏡写真である。   6A and 6B show a cross section of a portion where the ceramic layer 7 is not formed. 6A and 6B are an optical micrograph and a scanning electron micrograph of a cross section taken along line 6-6 'in FIG. 6C, respectively.

図6(a)からは、チタンバルブ10の最表面に6μm程度の厚いチタン酸化物が形成されている様子がわかる。また、図6(b)からは、チタンバルブ10の最表面に5.6μm程度の厚いチタン酸化物が形成されている様子がわかる。   From FIG. 6A, it can be seen that a thick titanium oxide of about 6 μm is formed on the outermost surface of the titanium bulb 10. Further, FIG. 6B shows that a thick titanium oxide of about 5.6 μm is formed on the outermost surface of the titanium bulb 10.

このように、表面にセラミックス層7が形成されている部分と形成されていない部分とで、酸化処理によって形成されるチタン酸化物層の厚さに顕著な差が見られ、本実施形態におけるセラミックス層7の優れた酸化防止効果が確認された。   Thus, there is a significant difference in the thickness of the titanium oxide layer formed by the oxidation treatment between the portion where the ceramic layer 7 is formed on the surface and the portion where the ceramic layer 7 is not formed. The excellent antioxidant effect of layer 7 was confirmed.

続いて、本願発明者は、チタン酸化物層の厚さが疲労強度に与える影響を定量的に見積もるため、以下の検証を行った。   Subsequently, the present inventor conducted the following verification in order to quantitatively estimate the influence of the thickness of the titanium oxide layer on the fatigue strength.

チタン部品の表面に形成されるチタン酸化物層は、非常に脆いため、チタン部品の表面に生じたクラックであるとみなすことができる。従って、チタン酸化物層の厚さをクラックの深さと仮定して、クラックの底における応力拡大係数KIが疲労強度を決定している因子であると考えることができる。応力拡大係数KIは、クラックの底における応力場の強さを示すパラメータである。応力拡大係数KIは、例えば下式によって表される。   Since the titanium oxide layer formed on the surface of the titanium component is very brittle, it can be regarded as a crack generated on the surface of the titanium component. Therefore, assuming that the thickness of the titanium oxide layer is the depth of the crack, it can be considered that the stress intensity factor KI at the bottom of the crack is a factor determining the fatigue strength. The stress intensity factor KI is a parameter indicating the strength of the stress field at the bottom of the crack. The stress intensity factor KI is expressed by the following equation, for example.

KI=1.12×σ×√(π・a)
上式において、σは作用する応力であり、aはクラックの深さである。上式から、応力拡大係数KIが、クラックの深さaの平方根に比例することがわかる。このことから、応力拡大係数KIがチタン酸化物層の厚さの平方根に比例するという推論が導かれる。そこで、酸化処理条件を変化させてチタン酸化物層の厚さを変化させ、実際の疲労強度を測定した。チタン酸化物層の厚さと疲労強度との関係を下記表2に示す。また、図7に、チタン酸化物層の厚さの平方根と疲労強度との関係をグラフとして示す。
KI = 1.12 × σ × √ (π · a)
In the above equation, σ is the acting stress, and a is the crack depth. From the above equation, it can be seen that the stress intensity factor KI is proportional to the square root of the crack depth a. This leads to the inference that the stress intensity factor KI is proportional to the square root of the thickness of the titanium oxide layer. Therefore, the actual fatigue strength was measured by changing the oxidation treatment conditions to change the thickness of the titanium oxide layer. The relationship between the thickness of the titanium oxide layer and the fatigue strength is shown in Table 2 below. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the square root of the thickness of the titanium oxide layer and the fatigue strength.

表2および図7から、チタン酸化物層の厚さの平方根と疲労強度とに良好な比例関係が見出される。この結果から、チタン酸化物層の厚さがチタン部品の疲労強度を決定付けていることがわかる。   From Table 2 and FIG. 7, a good proportional relationship is found between the square root of the thickness of the titanium oxide layer and the fatigue strength. From this result, it can be seen that the thickness of the titanium oxide layer determines the fatigue strength of the titanium component.

図7に示した比例関係から、耐摩耗性を向上するために厚さ10μm以上のチタン酸化物層を形成した場合、疲労強度は470MPa以下と見積もれる。これに対し、セラミックス層7を形成することによってチタン酸化物層の厚さを1μm以下とした場合、疲労強度は600MPa以上と見積もれる。このように、セラミックス層7を形成することによって疲労強度を22%以上向上できることがわかる。   From the proportional relationship shown in FIG. 7, when a titanium oxide layer having a thickness of 10 μm or more is formed in order to improve wear resistance, the fatigue strength can be estimated to be 470 MPa or less. On the other hand, when the thickness of the titanium oxide layer is 1 μm or less by forming the ceramic layer 7, the fatigue strength can be estimated to be 600 MPa or more. Thus, it can be seen that the fatigue strength can be improved by 22% or more by forming the ceramic layer 7.

例えば、図6(b)に示したようにチタン酸化物層の厚さが約5.6μmである場合には疲労強度が約518MPaであるのに対し、図5(b)に示したようにチタン酸化物層の厚さが約0.5μmである場合には疲労強度は約637MPaであり、約23%向上する。   For example, as shown in FIG. 5B, the fatigue strength is about 518 MPa when the thickness of the titanium oxide layer is about 5.6 μm as shown in FIG. When the thickness of the titanium oxide layer is about 0.5 μm, the fatigue strength is about 637 MPa, which is improved by about 23%.

続いて、スパッタ法により形成した窒化酸化シリコン(SiON)膜およびイオンプレーティング法により形成した炭化窒化チタン(TiCN)膜について、酸化防止効果を比較検討した結果を説明する。表3に、表面にセラミックス層7として窒化酸化シリコン膜が形成されたチタンバルブ10について、700℃で1時間加熱試験を行った後のクラックの発生の有無と、酸化による重量の増加量とを示す。また、表4には、表面に炭化窒化チタン膜が形成されたチタンバルブについて同様のデータを示す。   Subsequently, the results of a comparative examination of the antioxidant effect of a silicon nitride oxide (SiON) film formed by sputtering and a titanium carbonitride (TiCN) film formed by ion plating will be described. Table 3 shows the presence or absence of cracks after the heating test at 700 ° C. for 1 hour with respect to the titanium bulb 10 having a silicon nitride oxide film formed on the surface as the ceramic layer 7 and the increase in weight due to oxidation. Show. Table 4 shows similar data for a titanium valve having a titanium carbonitride film formed on the surface.

表3と表4との比較からわかるように、窒化酸化シリコン膜を形成した場合には、炭化窒化チタン膜を形成した場合に比べ、酸化による重量の増加量が著しく少ない。このように、窒化酸化シリコン膜は、炭化窒化チタン膜に比べて酸化防止効果が著しく高い。また、表3から、クラックの発生を抑制する観点からは膜厚は750nm以下であることが好ましく、成膜時間の長さも考慮すると500nm以下であることがより好ましく、250nm以下であることがさらに好ましいことがわかる。また、酸素バリア性の観点からは、膜厚は10nmを超えることが好ましく、20nm以上であることがより好ましく、50nm以上であることがさらに好ましいことがわかる。   As can be seen from the comparison between Table 3 and Table 4, when the silicon nitride oxide film is formed, the amount of increase in weight due to oxidation is significantly smaller than when the titanium carbonitride film is formed. Thus, the silicon nitride oxide film has a significantly higher antioxidation effect than the titanium carbonitride film. Also, from Table 3, the film thickness is preferably 750 nm or less from the viewpoint of suppressing the occurrence of cracks, more preferably 500 nm or less, and more preferably 250 nm or less considering the length of the film formation time. It turns out that it is preferable. From the viewpoint of oxygen barrier properties, it can be seen that the film thickness preferably exceeds 10 nm, more preferably 20 nm or more, and even more preferably 50 nm or more.

上述したように炭化窒化チタン膜は、シリコン系やアルミニウム系のセラミックス膜ではなく、また、チタンを含んでいることから酸化防止効果が低いが、表3と表4とに示されている結果の差異は、膜の形成方法にも起因している。本願発明者がセラミックス膜の形成方法について詳細な検討を行ったところ、イオンプレーティング法を用いるよりもスパッタ法を用いる方が、緻密なセラミックス膜を形成しやすいことがわかった。   As described above, the titanium carbonitride film is not a silicon-based or aluminum-based ceramic film, and contains titanium, so that the antioxidant effect is low, but the results shown in Tables 3 and 4 are the results. The difference is also attributed to the film formation method. The inventor of the present application has conducted a detailed study on the method of forming the ceramic film, and found that it is easier to form a dense ceramic film by using the sputtering method than by using the ion plating method.

図8(a)、(b)および(c)に、スパッタ法により形成された窒化酸化シリコン(SiON)膜と、イオンプレーティング法により形成された炭化窒化チタン(TiCN)膜および窒化チタンアルミニウム(TiAlN)膜の表面の顕微鏡写真をそれぞれ示す。   8A, 8B, and 8C, a silicon nitride oxide (SiON) film formed by a sputtering method, a titanium carbonitride nitride (TiCN) film and a titanium aluminum nitride film formed by an ion plating method ( A micrograph of the surface of the (TiAlN) film is shown.

図8(b)および(c)に示すように、イオンプレーティング法により形成された炭化窒化チタン膜および窒化チタンアルミニウム膜の表面には、粗大な粒状堆積物が多く観察される。このように堆積される粒子が粗いと、膜の緻密性が低くなってしまう。たとえ膜厚を1μm以上としても、膜厚よりも大きな粒状堆積物が存在するために、膜がポーラスになりやすい。そのため、十分な酸素バリア性を実現しにくい。   As shown in FIGS. 8B and 8C, many coarse granular deposits are observed on the surfaces of the titanium carbonitride film and the titanium aluminum nitride film formed by the ion plating method. If the particles deposited in this way are coarse, the denseness of the film will be low. Even if the film thickness is 1 μm or more, there is a granular deposit larger than the film thickness, so the film tends to be porous. Therefore, it is difficult to realize a sufficient oxygen barrier property.

これに対し、スパッタ法により形成された窒化酸化シリコン膜の表面には、図8(a)に示すように粗大な粒状堆積物は観察されない。このように堆積される粒子が非常に細かいため(例えば粒径は1nm未満)、膜の緻密性が高く、十分な酸素バリア性を実現しやすい。そのため、数十nm〜数百nmの膜厚でも十分な酸化防止効果が得られる。   On the other hand, coarse granular deposits are not observed on the surface of the silicon nitride oxide film formed by sputtering as shown in FIG. Since the deposited particles are very fine (for example, the particle size is less than 1 nm), the film has high density and a sufficient oxygen barrier property is easily realized. Therefore, a sufficient antioxidant effect can be obtained even with a film thickness of several tens nm to several hundreds nm.

また、膜の緻密性を評価するパラメータとして、セラミックス層7の表面における粗大な粒状堆積物の数を用いることができる。十分な酸素バリア性を実現するためには、セラミックス層7の表面に存在する粒径1μm以上の粒状堆積物の量は、80個/mm2以下であることが好ましい。図9に、スパッタ法により形成された窒化酸化シリコン膜と、イオンプレーティング法により形成された炭化窒化チタン膜および窒化チタンアルミニウム膜とについて、表面に存在する粒状堆積物の積算粒径分布を示す。なお、粒状堆積物の粒径および個数は、例えば、図8(a)、(b)および(c)に示した顕微鏡写真を図10(a)、(b)および(c)に示すように画像処理(具体的には2値化)した後、所定のソフトウェア(例えばオリンパス株式会社製アナリシスファイブ)を用いて解析することによって行うことができる。 Further, the number of coarse granular deposits on the surface of the ceramic layer 7 can be used as a parameter for evaluating the denseness of the film. In order to realize sufficient oxygen barrier properties, the amount of granular deposits having a particle diameter of 1 μm or more present on the surface of the ceramic layer 7 is preferably 80 pieces / mm 2 or less. FIG. 9 shows the cumulative particle size distribution of granular deposits existing on the surface of a silicon nitride oxide film formed by sputtering and a titanium carbonitride film and a titanium aluminum nitride film formed by ion plating. . The particle size and number of the granular deposits are, for example, as shown in FIGS. 10 (a), (b) and (c) in the micrographs shown in FIGS. After image processing (specifically binarization), analysis can be performed using predetermined software (for example, Analysis Five manufactured by Olympus Corporation).

図9に示したように、イオンプレーティング法により形成した膜の表面では粒径1μm以上の粒状堆積物の量が200個/mm2を超えているのに対し、スパッタリング法により形成した窒化酸化シリコン膜の表面では、粒径1μm以上の粒状堆積物はほとんど存在せず、その量は50個/mm2以下である。なお、ここでは窒化酸化シリコン膜について述べたが、スパッタリング法により形成した窒化酸化アルミニウム(AlON)膜についても同様の結果が得られた。 As shown in FIG. 9, the amount of granular deposits having a particle size of 1 μm or more exceeds 200 / mm 2 on the surface of the film formed by ion plating, whereas the nitridation oxidation formed by sputtering is used. On the surface of the silicon film, there is almost no granular deposit having a particle size of 1 μm or more, and the amount thereof is 50 pieces / mm 2 or less. Note that although a silicon nitride oxide film is described here, similar results were obtained for an aluminum nitride oxide (AlON) film formed by a sputtering method.

本実施形態におけるチタンバルブ10は、自動車両用や機械用の各種のエンジンに広く用いられる。上述したように、本実施形態におけるチタンバルブ10は、疲労強度および衝撃強度に優れているので、高回転で運転されるエンジンに特に好適に用いられる。図11に、チタンバルブ10を備えたエンジン100の一例を示す。   The titanium valve 10 in this embodiment is widely used in various engines for motor vehicles and machines. As described above, the titanium valve 10 in the present embodiment is excellent in fatigue strength and impact strength, and thus is particularly suitable for an engine that is operated at a high speed. FIG. 11 shows an example of the engine 100 including the titanium valve 10.

エンジン100は、図11に示すようにシリンダ20を備えている。シリンダ20内にはピストン21が上下に往復動可能なように設けられている。シリンダ20上にはシリンダヘッド30が設けられている。   The engine 100 includes a cylinder 20 as shown in FIG. A piston 21 is provided in the cylinder 20 so as to reciprocate up and down. A cylinder head 30 is provided on the cylinder 20.

シリンダヘッド30の一方の側部から中央下部に延びるように排気ポート31が形成されている。また、シリンダヘッド30の他方の側部から中央下部に向かって延びるように吸気ポート39が形成されている。   An exhaust port 31 is formed so as to extend from one side of the cylinder head 30 to the lower center. An intake port 39 is formed so as to extend from the other side portion of the cylinder head 30 toward the center lower portion.

排気ポート31の下端開口および吸気ポート39の下端開口には、それぞれ排気バルブ41および吸気バルブ42が設けられている。排気バルブ41および吸気バルブ42は、バルブスプリング33により斜め上方向に持ち上がるように付勢されている。排気バルブ41および吸気バルブ42の上方にはカム37が回転可能なように設けられている。カム37が回転することにより、排気バルブ41および吸気バルブ42が上下に移動し、それによって排気ポート31および吸気ポート39がそれぞれ所定のタイミングで開閉される。   An exhaust valve 41 and an intake valve 42 are provided at the lower end opening of the exhaust port 31 and the lower end opening of the intake port 39, respectively. The exhaust valve 41 and the intake valve 42 are urged by a valve spring 33 so as to be lifted obliquely upward. A cam 37 is rotatably provided above the exhaust valve 41 and the intake valve 42. As the cam 37 rotates, the exhaust valve 41 and the intake valve 42 move up and down, whereby the exhaust port 31 and the intake port 39 are opened and closed at predetermined timings, respectively.

排気バルブ41、吸気バルブ42、シリンダ20およびシリンダヘッド30によって燃焼室22が構成されている。エンジン100は、排気バルブ41および吸気バルブ42として、本実施形態におけるチタンバルブ10を備えている。そのため、エンジン100は耐久性に優れている。なお、必ずしも排気バルブ41および吸気バルブ42の両方に本実施形態におけるチタンバルブ10を用いる必要はないが、排気ポート31の開閉を行う排気バルブ41は、常に高温の燃焼ガスに曝されるので、少なくとも排気バルブ41として本実施形態におけるチタンバルブ10を用いることが好ましい。   The exhaust chamber 41, the intake valve 42, the cylinder 20, and the cylinder head 30 constitute a combustion chamber 22. The engine 100 includes the titanium valve 10 in the present embodiment as the exhaust valve 41 and the intake valve 42. Therefore, engine 100 is excellent in durability. Although it is not always necessary to use the titanium valve 10 in this embodiment for both the exhaust valve 41 and the intake valve 42, the exhaust valve 41 for opening and closing the exhaust port 31 is always exposed to high-temperature combustion gas. It is preferable to use the titanium valve 10 in this embodiment as at least the exhaust valve 41.

図12に、図11に示したエンジン100を備えた自動二輪車200を示す。自動二輪車200は、本実施形態におけるチタンバルブ10が用いられたエンジン100を備えているので、好適な性能を有する。   FIG. 12 shows a motorcycle 200 including the engine 100 shown in FIG. Since the motorcycle 200 includes the engine 100 using the titanium valve 10 in the present embodiment, the motorcycle 200 has suitable performance.

なお、本実施形態では、エンジンバルブ10を例として本発明を説明したが、本発明はこれに限定されず、内燃機関の燃焼ガスに曝される内燃機関用のチタン部品に広く用いられる。例えば、本発明はチタンコンロッドにも用いられるし、また、燃焼室の外側で排気ガスの流量を制御するバタフライバルブ等にも用いられる。   In the present embodiment, the present invention has been described by taking the engine valve 10 as an example. However, the present invention is not limited to this and is widely used for titanium parts for internal combustion engines that are exposed to the combustion gas of the internal combustion engine. For example, the present invention can be used for a titanium connecting rod, and also for a butterfly valve for controlling the flow rate of exhaust gas outside the combustion chamber.

また、本実施形態では、セラミックス層をチタン部品の表面の一部に選択的に形成する場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。高い耐磨耗性を要求されないチタン部品については、セラミックス層を表面全体に形成してもよい。   Moreover, although this embodiment demonstrated the case where a ceramics layer was selectively formed in a part of surface of a titanium component, this invention is not limited to this. For titanium parts that do not require high wear resistance, a ceramic layer may be formed over the entire surface.

本発明によると、内燃機関の燃焼ガスに曝されるチタン部品の疲労強度および衝撃強度を向上することができる。本発明によるチタン部品は、各種の内燃機関用の部品として好適に用いられ、本発明によるチタン部品を備えた内燃機関は、各種輸送機器に好適に用いられる。   According to the present invention, it is possible to improve the fatigue strength and impact strength of titanium parts exposed to the combustion gas of an internal combustion engine. The titanium component according to the present invention is suitably used as a component for various internal combustion engines, and the internal combustion engine provided with the titanium component according to the present invention is suitably used for various transportation equipment.

本発明の好適な実施形態におけるチタンバルブを模式的に示す正面図である。It is a front view showing typically a titanium valve in a suitable embodiment of the present invention. 本発明の好適な実施形態におけるチタンバルブをエンジンの排気ポートに取り付けた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which attached the titanium valve in suitable embodiment of this invention to the exhaust port of the engine. 本発明の好適な実施形態におけるチタンバルブを模式的に示す正面図である。It is a front view showing typically a titanium valve in a suitable embodiment of the present invention. チタンバルブがバルブシートに着座する際にクラックが発生する様子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a mode that a crack generate | occur | produces when a titanium valve seats on a valve seat. (a)〜(c)は、実際に試作したチタンバルブの観察結果を示す図であり、(a)および(b)はそれぞれ(c)中の5−5’線に沿った断面(セラミックス層が形成されている部分の断面)の光学顕微鏡写真および走査電子顕微鏡写真である。(A)-(c) is a figure which shows the observation result of the titanium valve actually produced as an experiment, (a) And (b) is a cross section (ceramic layer) along the 5-5 'line in (c), respectively. FIG. 2 is an optical micrograph and a scanning electron micrograph of a cross section of a portion where is formed. (a)〜(c)は、実際に試作したチタンバルブの観察結果を示す図であり、(a)および(b)はそれぞれ(c)中の6−6’線に沿った断面(セラミックス層が形成されていない部分の断面)の光学顕微鏡写真および走査電子顕微鏡写真である。(A)-(c) is a figure which shows the observation result of the titanium valve actually produced as an experiment, (a) And (b) is the cross section (ceramic layer) along the 6-6 'line in (c), respectively. 2 is an optical micrograph and a scanning electron micrograph of a cross section of a portion where no is formed. チタン酸化物層の厚さ(μm)の平方根と疲労強度(MPa)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the square root of the thickness (micrometer) of a titanium oxide layer, and fatigue strength (MPa). (a)は、スパッタ法により形成された窒化酸化シリコン(SiON)膜の表面の顕微鏡写真であり、(b)および(c)は、イオンプレーティング法により形成された炭化窒化チタン(TiCN)膜および窒化チタンアルミニウム(TiAlN)膜の表面の顕微鏡写真である。(A) is a micrograph of the surface of a silicon nitride oxide (SiON) film formed by sputtering, and (b) and (c) are titanium carbonitride (TiCN) films formed by ion plating. 2 is a photomicrograph of the surface of a titanium aluminum nitride (TiAlN) film. スパッタ法により形成された窒化酸化シリコン膜と、イオンプレーティング法により形成された炭化窒化チタン膜および窒化チタンアルミニウム膜とについて、表面に存在する粒状堆積物の積算粒径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the integrated particle size distribution of the granular deposit which exists in the surface about the silicon nitride oxide film formed by the sputtering method, and the titanium carbonitride nitride film and titanium aluminum nitride film formed by the ion plating method. (a)、(b)および(c)は、図8(a)、(b)および(c)に示した顕微鏡写真を解析用に処理した画像である。(A), (b) and (c) are images obtained by processing the micrographs shown in FIGS. 8 (a), (b) and (c) for analysis. 本発明の好適な実施形態におけるチタンバルブを備えたエンジンの一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the engine provided with the titanium valve in suitable embodiment of this invention. 図11に示すエンジンを備えた自動二輪車を模式的に示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing a motorcycle including the engine shown in FIG. 11.

符号の説明Explanation of symbols

1 ステム部
2 傘部
3 フェース部
4 ネック部
5 ステムエンド
6 コッタ部
7 セラミックス層
8 傘部の燃焼室側の表面
10 チタンバルブ
20 シリンダ
21 ピストン
22 燃焼室
30 シリンダヘッド
31 排気ポート
32 バルブガイド
33 バルブスプリング
34 スプリングシート
35 リテーナ
36 バルブコッタ
37 カム
38 バルブシート
39 吸気ポート
41 排気バルブ
42 吸気バルブ
43 バルブリフタ
100 エンジン
200 自動二輪車
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stem part 2 Umbrella part 3 Face part 4 Neck part 5 Stem end 6 Cotter part 7 Ceramic layer 8 Umbrella part combustion chamber side surface 10 Titanium valve 20 Cylinder 21 Piston 22 Combustion chamber 30 Cylinder head 31 Exhaust port 32 Valve guide 33 Valve spring 34 Spring seat 35 Retainer 36 Valve cotter 37 Cam 38 Valve seat 39 Intake port 41 Exhaust valve 42 Intake valve 43 Valve lifter 100 Engine 200 Motorcycle

Claims (24)

チタンまたはチタン合金から形成され、内燃機関の燃焼ガスに曝される内燃機関用チタン部品であって、
表面に形成されたセラミックス層を有し、
前記セラミックス層は、10nmを超え750nm以下の厚さを有し、かつ、シリコンまたはアルミニウムを含み、
前記セラミックス層のチタン含有率が0.5wt%以下である内燃機関用チタン部品。
A titanium component for an internal combustion engine formed from titanium or a titanium alloy and exposed to combustion gas of the internal combustion engine,
Having a ceramic layer formed on the surface,
The ceramic layer has a 10nm beyond following 750nm thickness, and, looking containing silicon or aluminum,
A titanium component for an internal combustion engine, wherein the ceramic layer has a titanium content of 0.5 wt% or less .
前記セラミックス層の厚さは、20nm以上500nm以下である請求項1に記載の内燃機関用チタン部品。   2. The titanium component for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the ceramic layer has a thickness of 20 nm to 500 nm. 前記セラミックス層の厚さは、50nm以上250nm以下である請求項1に記載の内燃機関用チタン部品。   2. The titanium component for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the ceramic layer has a thickness of 50 nm to 250 nm. チタンまたはチタン合金から形成され、内燃機関の燃焼ガスに曝される内燃機関用チタン部品であって、
表面に形成されたセラミックス層を有し、
前記セラミックス層は、シリコンまたはアルミニウムを含み、かつ、チタン含有率が0.5wt%以下である内燃機関用チタン部品。
A titanium component for an internal combustion engine formed from titanium or a titanium alloy and exposed to combustion gas of the internal combustion engine,
Having a ceramic layer formed on the surface,
The titanium layer for an internal combustion engine, wherein the ceramic layer contains silicon or aluminum and has a titanium content of 0.5 wt% or less.
前記セラミックス層の表面に存在する粒径1μm以上の粒状堆積物が、80個/mm2以下である請求項1からのいずれかに記載の内燃機関用チタン部品。 Said particulate deposits or particle size 1μm on the surface of the ceramic layer, 80 / mm 2 or less for internal combustion engines titanium component according to any one of claims 1 to 4. 前記セラミックス層は、シリコンの酸化物、窒化物または窒化酸化物を含む請求項1からのいずれかに記載の内燃機関用チタン部品。 The ceramic layer is an oxide of silicon, an internal combustion engine for a titanium component according to any of claims 1 5 comprising a nitride or oxynitride. 前記セラミックス層は、アルミニウムの酸化物、窒化物または窒化酸化物を含む請求項1からのいずれかに記載の内燃機関用チタン部品。 The titanium component for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5 , wherein the ceramic layer includes an oxide, nitride, or nitride oxide of aluminum. 前記セラミックス層よりも内部にチタン層またはチタン合金層を有し、
前記セラミックス層と前記チタン層またはチタン合金層との間に、1μm以下の厚さを有するチタン酸化物層を含む請求項1からのいずれかに記載の内燃機関用チタン部品。
Having a titanium layer or a titanium alloy layer inside the ceramic layer,
The titanium component for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7 , further comprising a titanium oxide layer having a thickness of 1 µm or less between the ceramic layer and the titanium layer or the titanium alloy layer.
前記セラミックス層は、表面の一部に選択的に形成されている請求項1からのいずれかに記載の内燃機関用チタン部品。 The titanium component for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 8 , wherein the ceramic layer is selectively formed on a part of the surface. 表面の他の一部に、10μm以上の厚さを有するチタン酸化物層を含む請求項に記載の内燃機関用チタン部品。 The titanium component for an internal combustion engine according to claim 9 , comprising a titanium oxide layer having a thickness of 10 µm or more on another part of the surface. 内燃機関の燃焼室を構成するバルブである請求項1から10のいずれかに記載の内燃機関用チタン部品。 The titanium component for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 10 , which is a valve constituting a combustion chamber of the internal combustion engine. 排気ポートの開閉を行う排気バルブである請求項11に記載の内燃機関用チタン部品。 The titanium component for an internal combustion engine according to claim 11 , which is an exhaust valve for opening and closing an exhaust port. バルブである請求項11または12に記載の内燃機関用チタン部品であって、
ステム部およびフェース部と、前記ステム部と前記フェース部とを接続するネック部と、を備え、
前記ネック部の表面に前記セラミックス層が形成されている請求項11または12に記載の内燃機関用チタン部品。
The titanium component for an internal combustion engine according to claim 11 or 12 , wherein the titanium component is a valve.
A stem portion and a face portion; and a neck portion connecting the stem portion and the face portion;
The titanium component for an internal combustion engine according to claim 11 or 12 , wherein the ceramic layer is formed on a surface of the neck portion.
前記ステム部は、バルブコッタに係合するコッタ部を有し、
前記コッタ部の表面にも前記セラミックス層が形成されている請求項13に記載の内燃機関用チタン部品。
The stem portion has a cotter portion that engages with a valve cotter,
The titanium component for an internal combustion engine according to claim 13 , wherein the ceramic layer is also formed on a surface of the cotter portion.
バルブである請求項11または12に記載の内燃機関用チタン部品であって、
バルブコッタに係合するコッタ部を有するステム部を備え、
前記コッタ部の表面に前記セラミックス層が形成されている請求項11または12に記載の内燃機関用チタン部品。
The titanium component for an internal combustion engine according to claim 11 or 12 , wherein the titanium component is a valve.
A stem portion having a cotter portion that engages with the valve cotter;
The titanium component for an internal combustion engine according to claim 11 or 12 , wherein the ceramic layer is formed on a surface of the cotter portion.
前記セラミックス層は、蒸着法により形成された蒸着膜である請求項1から15のいずれかに記載の内燃機関用チタン部品。 The ceramic layer is an internal combustion engine for a titanium component according to any of claims 1 15 which is a vapor-deposited film formed by vapor deposition. 前記セラミックス層は、スパッタ法により形成された蒸着膜である請求項16に記載の内燃機関用チタン部品。 The titanium component for an internal combustion engine according to claim 16 , wherein the ceramic layer is a vapor deposition film formed by a sputtering method. チタンまたはチタン合金から形成され、内燃機関の燃焼ガスに曝される内燃機関用チタン部品であって、
表面に形成されたセラミックス層を有し、
前記セラミックス層は、10nmを超え750nm以下の厚さを有し、かつ、チタン含有率が0.5wt%以下である内燃機関用チタン部品。
A titanium component for an internal combustion engine formed from titanium or a titanium alloy and exposed to combustion gas of the internal combustion engine,
Having a ceramic layer formed on the surface,
The titanium layer for an internal combustion engine, wherein the ceramic layer has a thickness of more than 10 nm and 750 nm or less, and a titanium content is 0.5 wt% or less.
請求項1から18のいずれかに記載の内燃機関用チタン部品を備えた内燃機関。 An internal combustion engine comprising the titanium component for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 18 . 請求項19に記載の内燃機関を備えた輸送機器。 A transportation device comprising the internal combustion engine according to claim 19 . チタンまたはチタン合金から形成された内燃機関用チタンバルブであって、
表面の一部に選択的に形成されたセラミックス層を有し、
前記セラミックス層は、10nmを超え750nm以下の厚さを有し、かつ、シリコンまたはアルミニウムを含み、
前記セラミックス層のチタン含有率が0.5wt%以下である内燃機関用チタンバルブ。
A titanium valve for an internal combustion engine formed from titanium or a titanium alloy,
Having a ceramic layer selectively formed on part of the surface;
The ceramic layer has a 10nm beyond following 750nm thickness, and, looking containing silicon or aluminum,
A titanium valve for an internal combustion engine, wherein the ceramic layer has a titanium content of 0.5 wt% or less .
バルブガイド内を摺動するステム部と、バルブシートに接触するフェース部と、前記ステム部と前記フェース部とを接続するネック部と、を備え、
前記ネック部の表面に前記セラミックス層が形成されている請求項21に記載の内燃機関用チタンバルブ。
A stem portion that slides in the valve guide, a face portion that contacts the valve seat, and a neck portion that connects the stem portion and the face portion,
The titanium valve for an internal combustion engine according to claim 21 , wherein the ceramic layer is formed on a surface of the neck portion.
前記ステム部は、バルブコッタに係合するコッタ部を有し、
前記コッタ部の表面にも前記セラミックス層が形成されている請求項22に記載の内燃機関用チタンバルブ。
The stem portion has a cotter portion that engages with a valve cotter,
The titanium valve for an internal combustion engine according to claim 22 , wherein the ceramic layer is also formed on a surface of the cotter portion.
バルブガイド内を摺動するステム部を備え、
前記ステム部は、バルブコッタに係合するコッタ部を有し、
前記コッタ部の表面に前記セラミックス層が形成されている請求項21に記載の内燃機関用チタンバルブ。
With a stem that slides inside the valve guide,
The stem portion has a cotter portion that engages with a valve cotter,
The titanium valve for an internal combustion engine according to claim 21 , wherein the ceramic layer is formed on a surface of the cotter portion.
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