JP6655144B1 - シリンダカバーおよびその耐食性向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シール領域の腐食を効果的に防止することができるシリンダカバーの耐食性向上方法を提供する。【解決手段】給気ポートまたは排気ポートであるポートを有し、ポートに弁座リングが挿入されることによってポートの内周面と弁座リングとの間に環状の冷却水流路が形成されるシリンダカバーの耐食性を向上させる方法であって、ポートの内周面における冷却水流路の両側に位置するシール領域に、レーザ金属肉盛によって、ニッケル基合金、銅合金、ステンレスまたはチタン合金からなる溶接材を用いて肉盛層を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のシリンダカバーおよびその耐食性を向上させる方法に関する。

内燃機関のシリンダカバー（シリンダヘッドとも呼ばれる）には、弁座リングが取り付けられることがある。この弁座リングは、給気弁または排気弁の閉動作時に当該弁と接触する部材である。また、弁座リングは、冷却水によって冷却される。

具体的に、弁座リングは、シリンダカバーの給気ポートまたは排気ポートに挿入され、これによりポートの内周面と弁座リングとの間に、弁座リングを取り巻く環状の冷却水流路が形成される（例えば、特許文献１参照）。冷却水流路の両側（ポートの軸方向の一方側および他方側）では、冷却水流路から冷却水が漏れ出さないようにポートの内周面と弁座リングとの間がシールされる。

特開２０１７−９６２１９号公報

一般的に、シリンダカバーを構成する材料は鋳鉄である。このような鋳鉄からなるシリンダカバーでは、上述したようにポートの内周面と弁座リングとの間に冷却水流路が形成されると、ポートの内周面における冷却水流路の両側に位置するシール領域が腐食するおそれがある。

ポートの内周面におけるシール領域と弁座リングとの間のシールには、Ｏリングなどのシール部材を用いたシールと、弁座リングがポートに圧入されることによるメタルタッチによるシールがある。Ｏリングなどのシール部材を用いたシールでは、シール部材がシール領域に押圧されるとしても、それらの間には微小な隙間が存在するため、隙間腐食が発生する。一方、メタルタッチによるシールでは、異種金属の電位差による接触腐食が発生する。

上述したようなポートの内周面におけるシール領域の腐食を防止するには、例えば、シール領域に、ニッケル基合金からなる肉盛層を形成することが考えられる。この肉盛層の形成には、ニッケル基合金からなる溶接材（棒またはワイヤ）を用いたアーク溶接を行うことが考えられる。

しかしながら、上述したようなアーク溶接では、肉盛層において溶接材を構成するニッケル基合金がシリンダカバーを構成する鋳鉄で希釈されるため、シール領域の腐食をあまり効果的に防止することができない。

そこで、本発明は、シール領域の腐食を効果的に防止することができるシリンダカバーの耐食性向上方法を提供すること、および耐食性に優れたシリンダカバーを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のシリンダカバーの耐食性向上方法は、給気ポートまたは排気ポートであるポートを有し、前記ポートに弁座リングが挿入されることによって前記ポートの内周面と前記弁座リングとの間に冷却水流路が形成されるシリンダカバーの耐食性を向上させる方法であって、前記ポートの内周面における前記冷却水流路の両側に位置するシール領域に、レーザ金属肉盛によって、ニッケル基合金、銅合金、ステンレスまたはチタン合金からなる溶接材を用いて肉盛層を形成する、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、シリンダカバーへの入熱量が少ないレーザ金属肉盛によって肉盛層を形成するので、肉盛層の組成を溶接材の組成と同等とすることができる。従って、シール領域の腐食を効果的に防止することができる。

前記溶接材はニッケル基合金からなり、前記ニッケル基合金は、質量パーセントで表示して、Ｎｉ：４０％以上、Ｆｅ：３０％以下の組成を有してもよい。この構成によれば、例えばＮｉとＦｅの含有量が５０％ずつ程度である溶接材を用いた場合に比べて、より優れた耐食性を得ることができる。

前記シリンダカバーには、前記ポートの内周面における前記シール領域の間の流路領域に開口し、前記冷却水流路と連通する横穴が設けられており、前記流路領域にも、前記横穴の周囲の部分を除いて前記肉盛層を形成し、前記肉盛層の形成後、前記流路領域における前記横穴の周囲の部分にピーニングを行ってもよい。この構成によれば、ポートの内周面における流路領域のエロージョンを防止することができる。ところで、流路領域に全面的に肉盛層を形成した場合には、横穴の内周面に引張の残留応力が発生し、シリンダカバーの疲労強度が低下するおそれがある。これに対し、流路領域には横穴の周囲の部分を除いて肉盛層を形成し、その横穴の周囲の部分にピーニングを行えば、流路領域における横穴の周囲の部分に圧縮の残留応力を付与することができる。これにより、シリンダカバーの疲労強度の低下を防止することができる。

前記溶接材はパウダであってもよい。ポートの内部は比較的に狭い空間であるために、溶接材がワイヤである場合には、ポートの内周面上に形成される溶融池に対して溶接材を安定的に供給するために特別な工夫が必要である。これに対し、溶接材がパウダであれば、溶融池への溶接材の安定的な供給を容易に行うことができる。

前記肉盛層を形成する際は、前記シリンダカバーを前記ポートの中心線回りに回転させながらレーザ金属肉盛を行ってもよい。この構成によれば、ポートの内周面に向けてレーザ光および溶接材を放出するノズルを固定することができる。これにより、ノズルに接続されるケーブルや配管などの捩じれや変形を防止することができる。

また、本発明のシリンダカバーは、給気ポートまたは排気ポートであるポートを有し、前記ポートに弁座リングが挿入されることによって前記ポートの内周面と前記弁座リングとの間に冷却水流路が形成されるシリンダカバーであって、前記ポートの内周面における前記冷却水流路の両側に位置するシール領域上に肉盛層が形成されており、前記肉盛層は、質量パーセントで表示して、Ｎｉ：４０％以上、Ｆｅ：３０％以下の組成を有するニッケル基合金からなる、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、優れた耐食性を得ることができる。

本発明のシリンダカバーの耐食性向上方法によれば、シール領域の腐食を効果的に防止することができる。また、本発明のシリンダカバーによれば、優れた耐食性を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る耐食性向上方法の対象となるシリンダカバーの断面図（弁座リング含む）である。 図１の要部拡大図である。

図１に、本発明の一実施形態に係る耐食性向上方法の対象となるシリンダカバー１を示す。シリンダカバー１には、弁座リング３が取り付けられる。

具体的に、シリンダカバー１は、給気ポートまたは排気ポートであるポート１１を有する。ポート１１は、燃焼室に開口している。ポート１１の燃焼室への開口は、弁６（給気弁または排気弁）によって開閉される。一般的に、シリンダカバー１には、２つまたは４つのポート１１が設けられる。以下、説明の便宜上、ポート１１の軸方向のうち燃焼室側を下方、燃焼室と反対側を上方ともいう。

弁座リング３は、弁６の閉動作時に、当該弁６と当接する弁座３４を有する。弁座リング３は、ポート１１に挿入される。これにより、ポート１１の内周面１２と弁座リング３との間に、弁座リング３を取り巻く環状の冷却水流路４が形成される。

より詳しくは、弁座リング３は、ポート１１の軸方向に延びる筒状部３２と、筒状部３２の上端から径方向外向きに突出する小径部３１と、筒状部３２の下端から径方向外向きに突出する大径部３３を含む。つまり、小径部３１、筒状部３２および大径部３３によって、径方向外向きに開口する環状溝が形成され、この環状溝がポート１１の内周面１２で覆われて冷却水流路４となっている。上述した弁座３４は、大径部３３の下面の一部である。

ポート１１の内周面１２は、ポート１１の軸方向において冷却水流路４の両側に位置する第１シール領域１３および第２シール領域１５と、第１シール領域１３と第２シール領域１５の間の流路領域１４を含む。第１シール領域１３は、弁座リング３の小径部３１の外周面と対向する領域であり、第２シール領域１５は、弁座リング３の大径部３３の外周面と対向する領域である。流路領域１４は、弁座リング３の小径部３１、筒状部３２および大径部３３によって形成される環状溝を覆う領域である。

第１シール領域１３および第２シール領域１５は、ポート１１の軸方向と平行な筒状である。一方、流路領域１４の下部はポート１１の軸方向と平行であるが、流路領域１４の上部は第１シール領域１３の下端から下向きに拡径している。

流路領域１４の下部の直径は、第２シール領域１５の直径よりも小さく設定されている。このため、流路領域１４の下端と第２シール領域１５の上端との間には、ポート１１の径方向に平行な段差領域１６が存在する。この段差領域１６は、弁座リング３の位置決めを行う役割を果たす。

また、シリンダカバー１には、流路領域１４に開口し、冷却水流路４と連通する第１横穴２１および第２横穴２２が設けられている。冷却水は、第１横穴２１を通じて冷却水流路４へ供給され、第２横穴２２を通じて冷却水流路４から排出される。第１横穴２１および第２横穴２２の直径は、同じであってもよいし異なっていてもよい。

本実施形態では、図２に示すように、ポート１１の内周面１２上に肉盛層７が形成されている（図１では肉盛層７を省略）。具体的に、肉盛層７は、第１シール領域１３上に形成された第１肉盛部７１と、流路領域１４上に形成された第２肉盛部７２と、段差領域１６上に形成された第３肉盛部７３と、第２シール領域１５上に形成された第４肉盛部７４を含む。

肉盛層７は、レーザ金属肉盛（以下、ＬＭＤ）によって形成される。ＬＭＤでは、シリンダカバー１の耐食性を向上させるために、ニッケル基合金、銅合金、ステンレスまたはチタン合金からなる溶接材が用いられる。本実施形態では、ニッケル基合金からなる溶接材が用いられる。

溶接材を構成するニッケル基合金は、質量パーセントで表示して、例えば、Ｎｉ：３０％以上、Ｆｅ：０〜５１％、Ｍｏ：０〜３０％、Ｃｒ：０〜２５％の組成を有する。このようなニッケル基合金としては、例えば、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、インコロイ（登録商標）などが挙げられる。

中でも、Ｎｉ：４０％以上、Ｆｅ：３０％以下の組成を有するニッケル基合金からなる溶接材を用いれば、例えばＮｉとＦｅの含有量が５０％ずつ程度である溶接材を用いた場合に比べて、より優れた耐食性を得ることができる。

溶接材は、ワイヤであってもよいし、パウダであってもよい。本実施形態では、溶接材がパウダである。ポート１１の内周面１２に向けては、図略のノズルからレーザ光および溶接材が放出される。そのノズルからは、シールドガスが放出されてもよい。ノズルは、単一のノズルであってもよいし、レーザ光を放出するノズルと溶接材を放出するノズルとに分かれていてもよい。

ポート１１の内周面１２上に肉盛層７を形成する際は、シリンダカバー１を固定した状態で、上述したノズルをポート１１の周方向に移動させながらＬＭＤを行ってもよいが、シリンダカバー１をポート１１の中心線回りに回転させながらＬＭＤを行うことが望ましい。ノズルを固定することができるからである。これにより、ノズルに接続されるケーブルや配管などの捩じれや変形を防止することができる。特に、本実施形態では溶接材がパウダであるので、ノズルにはパウダ供給配管が接続される。従って、パウダ供給配管の変形が防止されれば、パウダの供給量を一定に保つことができる。

肉盛層７のうち第１肉盛部７１、第２肉盛部７２および第４肉盛部７４を形成する際は、周方向に延びるビードがポート１１の軸方向に並ぶようにＬＭＤを行う。第３肉盛部７３を形成する際は、周方向に延びるビードがポート１１の径方向に並ぶようにＬＭＤを行う。

第２肉盛部７２を形成する際は、図２に示すように、流路領域１４における第１横穴２１および第２横穴２２の周囲の部分を除いて第２肉盛部７２を形成することが望ましい。流路領域１４における第１横穴２１および第２横穴２２の周囲の部分は、第１横穴２１および第２横穴２２の直径を内径とする、所定幅のリング状の部分である。この場合、第２肉盛部７２の形成後に、流路領域１４における第１横穴２１および第２横穴２２の周囲の部分、すなわち第２肉盛部７２が形成されていない部分にピーニングを行う。

流路領域１４に全面的に第２肉盛部７２を形成した場合には、第１横穴２１および第２横穴２２の内周面に引張の残留応力が発生し、シリンダカバー１の疲労強度が低下するおそれがある。これに対し、流路領域１４には第１横穴２１および第２横穴２２の周囲の部分を除いて第２肉盛部７２を形成し、その第１横穴２１および第２横穴２２の周囲の部分にピーニングを行えば、流路領域１４における第１横穴２１および第２横穴２２の周囲の部分に圧縮の残留応力を付与することができる。これにより、シリンダカバー１の疲労強度の低下を防止することができる。

ポート１１の内周面１２上に肉盛層７が形成された後は、肉盛層７の表面が所望の寸法精度となるように機械加工によって切削される。

弁座リング３がポート１１に挿入されたときには、弁座リング３の大径部３３の上面が、ポート１１の内周面１２の段差領域１６上に形成された第３肉盛部７３と当接する。これにより、シリンダカバー１に対する弁座リング３の位置決めが行われる。

冷却水流路４の上側および下側では、冷却水流路４から冷却水が漏れ出さないようにするために、ポート１１の内周面１２と弁座リング３との間がシールされる。本実施形態では、冷却水流路４の上側ではシール部材５（例えば、Ｏリング）を用いたシールが採用され、冷却水流路４の下側ではメタルタッチによるシールが採用されている。ただし、冷却水流路４の下側でシール部材５を用いたシールが採用されてもよい。

より詳しくは、冷却水流路４の上側に関しては、弁座リング３の小径部３１の外径が、第１シール領域１３上に形成された第１肉盛部７１の内径よりも寸法公差分だけ小さく設定されている。小径部３１の外周面には、径方向外向きに開口する環状溝が形成され、この環状溝にシール部材５が挿入されている。

一方、冷却水流路４の下側に関しては、第２シール領域１５上に形成された第４肉盛部７４の内側に弁座リング３の大径部３３が圧入されるように、大径部３３の外径が寸法公差分だけ第４肉盛部７４の内径よりも大きく設定されている。

以上説明したように、本実施形態では、シリンダカバー１への入熱量が少ないＬＭＤによってポート１１の内周面１２（正確には、第１シール領域１３から第２シール領域１５までの範囲）に肉盛層７を形成するので、肉盛層７の組成を溶接材の組成と同等とすることができる。従って、第１シール領域１３および第２シール領域１５の腐食を効果的に防止することができる。

ポート１１の内部は比較的に狭い空間であるために、溶接材がワイヤである場合には、ポート１１の内周面１２上に形成される溶融池に対して溶接材を安定的に供給するために特別な工夫が必要である。これに対し、本実施形態のように溶接材がパウダであれば、溶融池への溶接材の安定的な供給を容易に行うことができる。

（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、ポート１１の内周面１２の流路領域１４上には肉盛層７が形成されなくてもよい。換言すれば、肉盛層７は、第２肉盛部７２を含まなくてもよい。ただし、前記実施形態のように流路領域１４上に肉盛層７が形成されていれば、流路領域１４のエロージョンを防止することができる。

また、ポート１１の内周面１２上への肉盛層７の形成は、腐食が発生したシリンダカバー１の補修としても有効である。

１ シリンダカバー
１１ ポート
１２ 内周面
１３，１５ シール領域
１４ 流路領域
２１，２２ 横穴
３ 弁座リング
４ 冷却水流路
７ 肉盛層

Claims (6)

1. 給気ポートまたは排気ポートであるポートを有し、前記ポートに弁座リングが挿入されることによって前記ポートの内周面と前記弁座リングとの間に冷却水流路が形成されるシリンダカバーの耐食性を向上させる方法であって、
   前記ポートの内周面における前記冷却水流路の両側に位置するシール領域に、レーザ金属肉盛によって、ニッケル基合金、銅合金、ステンレスまたはチタン合金からなる溶接材を用いて肉盛層を形成する、シリンダカバーの耐食性向上方法。
2. 前記溶接材はニッケル基合金からなり、
   前記ニッケル基合金は、質量パーセントで表示して、Ｎｉ：４０％以上、Ｆｅ：３０％以下の組成を有する、請求項１に記載のシリンダカバーの耐食性向上方法。
3. 前記シリンダカバーには、前記ポートの内周面における前記シール領域の間の流路領域に開口し、前記冷却水流路と連通する横穴が設けられており、
   前記流路領域にも、前記横穴の周囲の部分を除いて前記肉盛層を形成し、
   前記肉盛層の形成後、前記流路領域における前記横穴の周囲の部分にピーニングを行う、請求項１または２に記載のシリンダカバーの耐食性向上方法。
4. 前記溶接材はパウダである、請求項１〜３の何れか一項に記載のシリンダカバーの耐食性向上方法。
5. 前記肉盛層を形成する際は、前記シリンダカバーを前記ポートの中心線回りに回転させながらレーザ金属肉盛を行う、請求項１〜４の何れか一項に記載のシリンダカバーの耐食性向上方法。
6. 給気ポートまたは排気ポートであるポートを有し、前記ポートに弁座リングが挿入されることによって前記ポートの内周面と前記弁座リングとの間に冷却水流路が形成されるシリンダカバーであって、
   前記ポートの内周面における前記冷却水流路の両側に位置するシール領域上に肉盛層が形成されており、
   前記肉盛層は、質量パーセントで表示して、Ｎｉ：４０％以上、Ｆｅ：３０％以下の組成を有するニッケル基合金からなる、シリンダカバー。

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