JP7452238B2 - Film forming method - Google Patents
Film forming method Download PDFInfo
- Publication number
- JP7452238B2 JP7452238B2 JP2020086621A JP2020086621A JP7452238B2 JP 7452238 B2 JP7452238 B2 JP 7452238B2 JP 2020086621 A JP2020086621 A JP 2020086621A JP 2020086621 A JP2020086621 A JP 2020086621A JP 7452238 B2 JP7452238 B2 JP 7452238B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- raw material
- material powder
- nozzle
- masking member
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 45
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 100
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 97
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 70
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 claims description 67
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 7
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 6
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 6
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 44
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 description 26
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 25
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 13
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 13
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000004881 precipitation hardening Methods 0.000 description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 10
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 9
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 8
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 6
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 5
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 3
- 238000010288 cold spraying Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 238000007730 finishing process Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- ZTXONRUJVYXVTJ-UHFFFAOYSA-N chromium copper Chemical compound [Cr][Cu][Cr] ZTXONRUJVYXVTJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- XTYUEDCPRIMJNG-UHFFFAOYSA-N copper zirconium Chemical compound [Cu].[Zr] XTYUEDCPRIMJNG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- UREBDLICKHMUKA-CXSFZGCWSA-N dexamethasone Chemical compound C1CC2=CC(=O)C=C[C@]2(C)[C@]2(F)[C@@H]1[C@@H]1C[C@@H](C)[C@@](C(=O)CO)(O)[C@@]1(C)C[C@@H]2O UREBDLICKHMUKA-CXSFZGCWSA-N 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 230000009291 secondary effect Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N titanium dioxide Inorganic materials O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
- Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Description
本発明は、コールドスプレー法による成膜方法に関するものである。 The present invention relates to a film forming method using a cold spray method.
エンジンバルブの着座部に、コールドスプレー法により金属等の原料粉末を吹き付けることにより、優れた高温耐磨耗性を有するバルブシートを形成できるようにした摺動部材の製造方法が知られている(特許文献1)。 A method of manufacturing a sliding member is known in which a valve seat with excellent high-temperature wear resistance can be formed by spraying raw material powder such as metal onto the seating part of an engine valve using a cold spray method ( Patent Document 1).
自動車用エンジンは、マルチバルブ化により複数の吸気バルブ及び排気バルブを備える。そのため、複数のバルブの着座部に、コールドスプレー法によってバルブシートを形成する場合には、シリンダヘッドとコールドスプレー装置のノズルとを相対的に移動させて、複数の着座部とノズルとを順次に対向させるとともに、ノズルに対向された着座部にノズルから原料粉末を吐出して吹き付ける必要がある。 Automotive engines are equipped with a plurality of intake valves and exhaust valves due to multi-valve design. Therefore, when forming valve seats on the seating parts of multiple valves by the cold spray method, the cylinder head and the nozzle of the cold spray device are moved relatively, and the multiple seating parts and nozzles are sequentially formed. At the same time, it is necessary to discharge the raw material powder from the nozzle and spray it onto the seating section facing the nozzle.
コールドスプレー装置は、原料粉末の噴射を中断すると、再び原料粉末が安定して吹き付けられるようになるまでに数分間の待機時間を必要とする。そのため、原料粉末の噴射を中断することなくできる限り連続して行うようにすることが望ましい。しかしながら、原料粉末の噴射を連続して行うと、意図しない箇所に皮膜が形成されたり、原料粉末を高速で噴射することによって被成膜部の表面に荒れが生じたりすることから、シリンダヘッドにマスキング部材を取り付けて成膜することが行われている。 When a cold spray device stops spraying raw material powder, it requires a waiting time of several minutes before the raw material powder can be stably sprayed again. Therefore, it is desirable to spray the raw material powder as continuously as possible without interruption. However, if the raw material powder is continuously injected, a film may be formed in unintended locations, and the surface of the area to be coated may become rough due to the high speed jetting of the raw material powder. Film formation is performed by attaching a masking member.
こうしたマスキング部材は、使い捨てるとコストアップになるので、できる限り繰り返し使用するのが好ましいが、繰り返し使用すると特定の箇所に皮膜が堆積し、ノズルに干渉する虞がある。このため、マスキング部材の交換又は清掃の頻度が高くなるという問題がある。 Disposable masking members increase costs, so it is preferable to use them as many times as possible; however, if they are used repeatedly, there is a risk that a film will accumulate in specific locations and interfere with the nozzle. Therefore, there is a problem that the frequency of replacing or cleaning the masking member increases.
本発明が解決しようとする課題は、マスキング部材の交換又は清掃頻度を低くすることができるコールドスプレー式の成膜方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a cold spray film forming method that can reduce the frequency of replacing or cleaning the masking member.
本発明は、コールドスプレー法により原料粉末を連続して噴射して皮膜を形成するマスキング式成膜方法において、複数のワークに対して成膜処理を行う場合、ワークとノズルとの相対速度が低くなる折り返し点を、移動軌跡の上であって、かつマスキング部材の上に設定する際に、今回のワークに対して設定するマスキング部材の上の前記折り返し点を、前回のワークに対して設定した位置とは異なる位置に設定することによって上記課題を解決する。 The present invention is a masking film forming method in which a film is formed by continuously spraying raw material powder using a cold spray method, and when film forming is performed on multiple workpieces, the relative speed between the workpieces and the nozzle is low. When setting a turning point on the movement trajectory and above the masking member, the turning point on the masking member set for the current work is set for the previous work. The above problem is solved by setting the position at a different position.
本発明によれば、移動軌跡のうちワークとノズルとの相対速度が低くなる折り返し点が、今回のワークと前回のワークとに対して、マスキング部材の異なる位置に設定されているので、マスキング部材に噴射された原料粉末が特定の箇所に皮膜となって堆積されるのを抑制することができる。この結果、マスキング部材の交換又は清掃頻度を低くすることができる。 According to the present invention, the turning point where the relative speed between the workpiece and the nozzle becomes low in the movement trajectory is set at a different position on the masking member with respect to the current workpiece and the previous workpiece. It is possible to prevent the raw material powder injected into a film from being deposited on a specific location. As a result, the frequency of replacing or cleaning the masking member can be reduced.
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。初めに、本実施形態のコールドスプレー装置を適用して好ましい、バルブシート膜を備える内燃機関1について説明する。図1は、内燃機関1の断面図であり、主にシリンダヘッド周りの構成を示す。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below based on the drawings. First, an internal combustion engine 1 equipped with a valve seat membrane to which the cold spray device of this embodiment is preferably applied will be described. FIG. 1 is a sectional view of an internal combustion engine 1, mainly showing the structure around the cylinder head.
内燃機関1は、シリンダブロック11と、シリンダブロック11の上部に組み付けられたシリンダヘッド12とを備える。この内燃機関1は、例えば、直列4気筒のガソリンエンジンであり、シリンダブロック11は、図面奥行き方向に配列された4つのシリンダ11aを有する。各シリンダ11aは、図中の上下方向に往復移動するピストン13を収容し、各ピストン13は、コネクティングロッド13aを介して、図面奥行き方向に延びるクランクシャフト14と連結している。
Internal combustion engine 1 includes a
シリンダヘッド12のシリンダブロック11への取付面12aであって、各シリンダ11aに対応する位置には、各気筒の燃焼室15を構成する4つの凹部12bが形成されている。燃焼室15は、燃料と吸入空気との混合気を燃焼させるための空間であり、シリンダヘッド12の凹部12bと、ピストン13の頂面13bと、シリンダ11aの内周面とで構成される。
Four
シリンダヘッド12は、燃焼室15と、シリンダヘッド12の一方の側面12cとを連通する吸気ポート16を備える。吸気ポート16は、屈曲した略円筒形状とされ、側面12cに接続したインテークマニホールド(不図示)からの吸入空気を燃焼室15内へ案内する。また、シリンダヘッド12は、燃焼室15と、シリンダヘッド12の他方の側面12dとを連通する排気ポート17を備える。排気ポート17は、吸気ポート16と同様に屈曲した略円筒形状とされ、燃焼室15で生じた排気を、側面12dに接続したエキゾーストマニホールド(不図示)へ排出する。なお、本実施形態の内燃機関1は、1つのシリンダ11aに対し、吸気ポート16と排気ポート17とを2つずつ備える。
The
シリンダヘッド12は、燃焼室15に対して吸気ポート16を開閉する吸気バルブ18と、燃焼室15に対して排気ポート17を開閉する排気バルブ19とを備える。吸気バルブ18及び排気バルブ19のそれぞれは、丸棒状のバルブステム18a,19aと、バルブステム18a,19aの先端に設けられた円盤状のバルブヘッド18b,19bと、を備える。バルブステム18a,19aは、シリンダヘッド12に組み付けた略円筒形状のバルブガイド18c,19cにスライド自在に挿通されている。これにより、吸気バルブ18及び排気バルブ19のそれぞれは、燃焼室15に対し、バルブステム18a,19aの軸方向に沿って移動自在となる。
The
図2に、燃焼室15と、吸気ポート16及び排気ポート17との連通部分を拡大して示す。吸気ポート16は、燃焼室15との連通部分に略円形の開口部16aを備える。この開口部16aの環状縁部に、吸気バルブ18のバルブヘッド18bと当接する環状のバルブシート膜16bが形成されている。そして、吸気バルブ18が、バルブステム18aの軸方向に沿って上方に移動すると、バルブヘッド18bの上面がバルブシート膜16bに当接して吸気ポート16を閉塞する。逆に、吸気バルブ18が、バルブステム18aの軸方向に沿って下方に移動すると、バルブヘッド18bの上面とバルブシート膜16bとの間に隙間が形成されて吸気ポート16を開放する。
FIG. 2 shows an enlarged view of the communication portion between the
排気ポート17は、吸気ポート16と同様に燃焼室15との連通部分に略円形の開口部17aを備え、この開口部17aの環状縁部に、排気バルブ19のバルブヘッド19bと当接する環状のバルブシート膜17bが形成されている。そして、排気バルブ19が、バルブステム19aの軸方向に沿って上方に移動すると、バルブヘッド19bの上面がバルブシート膜17bに当接して排気ポート17を閉塞する。逆に、排気バルブ19が、バルブステム19aの軸方向に沿って下方に移動すると、バルブヘッド19bの上面とバルブシート膜17bとの間に隙間が形成されて排気ポート17を開放する。なお、吸気ポート16の開口部16aの直径は、排気ポート17の開口部17aの直径より大きく設定されている。
Similar to the
4サイクルの内燃機関1においては、ピストン13の下降時に吸気バルブ18のみを開き、これにより吸気ポート16からシリンダ11a内に混合気を導入する(吸気行程)。続いて、吸気バルブ18および排気バルブ19を閉じた状態とし、ピストン13を略上死点まで上昇させてシリンダ11a内の混合気を圧縮する(圧縮行程)。そして、ピストン13が略上死点に達したときに、点火プラグにより圧縮した混合気に点火することで当該混合気が爆発する。この爆発によりピストン13は下死点まで下降し、連結されたクランクシャフト14を介して爆発を回転力に変換する(燃焼・膨張行程)。最後に、ピストン13が下死点に達し、再び上昇を開始すると、排気バルブ19のみを開き、シリンダ11a内の排気を排気ポート17へ排出する(排気行程)。内燃機関1は、以上のサイクルを繰り返し行うことにより出力を発生する。
In the four-cycle internal combustion engine 1, only the
バルブシート膜16b,17bは、シリンダヘッド12の開口部16a,17aの環状縁部にコールドスプレー法によって直接形成したものである。コールドスプレー法とは、原料粉末の融点又は軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速流とし、作動ガス中に搬送ガスによって搬送された原料粉末を投入してノズル先端より噴射し、固相状態のまま基材に衝突させ、原料粉末の塑性変形により皮膜を形成するものである。このコールドスプレー法は、材料を溶融させて基材に付着させる溶射法に比べ、大気中で酸化のない緻密な皮膜が得られ、材料粒子への熱影響が少ないので熱変質が抑えられ、成膜速度が速く、厚膜化が可能であり、付着効率が高いといった特性を有する。特に成膜速度が速く、厚膜が可能なことから、内燃機関1のバルブシート膜16b,17bのような構造材料としての用途に適している。
The
図3は、上記のバルブシート膜16b,17bの形成に用いられる本実施形態のコールドスプレー装置2を模式的に示した図である。本実施形態のコールドスプレー装置2は、作動ガス及び搬送ガスを供給するガス供給部21と、バルブシート膜16b,17bの原料粉末を供給する原料粉末供給部22と、原料粉末をその融点以下の作動ガスを用いて超音速流として噴射するスプレーガン23と、ノズル23dを冷却する冷媒循環回路27と、を備える。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the
ガス供給部21は、圧縮ガスボンベ21a、作動ガスライン21b及び搬送ガスライン21cを備える。作動ガスライン21b及び搬送ガスライン21cは、それぞれ圧力調整器21d、流量調節弁21e、流量計21f及び圧力ゲージ21gを備える。圧力調整器21d、流量調節弁21e、流量計21f及び圧力ゲージ21gは、圧縮ガスボンベ21aからの作動ガス及び搬送ガスのそれぞれの圧力及び流量の調整に供される。
The
作動ガスライン21bには、テープヒータなどのヒータ21iが設置され、当該ヒータ21iは、電力源21hから電力供給線21j,21jを介して電力が供給されることにより、作動ガスライン21bを加熱する。作動ガスは、ヒータ21iによって原料粉末の融点又は軟化点より低い温度に加熱された後、スプレーガン23のチャンバ23a内に導入される。チャンバ23aには、圧力計23bと温度計23cが設置され、それぞれの信号線23g,23gを介して検出された圧力値と温度値がコントローラ(不図示)に出力され、圧力及び温度のフィードバック制御に供される。
A
一方、原料粉末供給部22は、原料粉末供給装置22aと、これに付設される計量器22b及び原料粉末供給ライン22cを備える。圧縮ガスボンベ21aからの搬送ガスは、搬送ガスライン21cを通り、原料粉末供給装置22aに導入される。計量器22bにより計量された所定量の原料粉末は、原料粉末供給ライン22cを経て、チャンバ23a内に搬送される。
On the other hand, the raw material
スプレーガン23は、搬送ガスによりチャンバ23a内に搬送された原料粉末Pを、作動ガスにより超音速流としてノズル23dの先端から噴射し、固相状態又は固液共存状態で基材24に衝突させて皮膜24aを形成する。本実施形態では、基材24としてシリンダヘッド12を適用し、このシリンダヘッド12の開口部16a,17aの環状縁部にコールドスプレー法によって原料粉末Pを噴射することにより、バルブシート膜16b,17bを形成する。
The
ノズル23dは、その内部に水などの冷媒が流れる流路(不図示)を備える。ノズル23dは、その先端に、流路へ冷媒を導入する冷媒導入部23eを備え、その基端に、流路内の冷媒を排出する冷媒排出部23fを備える。ノズル23dは、冷媒導入部23eから流路に冷媒を導入し、流路内に冷媒を流し、冷媒排出部23fから冷媒を排出することにより、ノズル23dを冷却する。
The
ノズル23dの流路に冷媒を循環させる冷媒循環回路27は、冷媒を貯留するタンク271と、上述した冷媒導入部23eに接続された導入管274と、導入管274に接続され、タンク271とノズル23dとの間で冷媒を流動させるポンプ272と、冷媒を冷却する冷却器273と、冷媒排出部23fに接続された排出管275と、を備える。冷却器273は、例えば、熱交換機等からなり、ノズル23dを冷却して温度が上昇した冷媒を空気や水、ガスなどの冷媒との間で熱交換させて、冷媒を冷却する。
The
冷媒循環回路27は、ポンプ272によってタンク271に貯留された冷媒を吸引し、冷却器273を介して冷媒導入部23eに冷媒を供給する。冷媒導入部23eに供給された冷媒は、ノズル23d内の流路を先端側から後端側に向かって流動し、その間にノズル23dと熱交換することでノズル23dを冷却する。流路の後端側まで流れた冷媒は、冷媒排出部23fから排出管275に排出され、タンク271に戻る。このように、冷媒循環回路27は、冷媒を冷却しながら循環させてノズル23dを冷却するので、ノズル23dの噴射通路への原料粉末Pの付着を抑制することができる。
The
シリンダヘッド12のバルブシートには、燃焼室15内におけるバルブからの叩き入力に耐え得る高い耐熱性及び耐磨耗性と、燃焼室15の冷却のための高い熱伝導性とが要求される。これらの要求に対し、例えば、析出硬化型銅合金の粉末により形成したバルブシート膜16b,17bによれば、鋳物用アルミ合金で形成したシリンダヘッド12よりも硬く、耐熱性及び耐磨耗性に優れたバルブシートを得ることができる。
The valve seat of the
また、バルブシート膜16b,17bは、シリンダヘッド12に直接形成しているので、ポート開口部に別部品のシートリングを圧入して形成する従来のバルブシートに比べ、高い熱伝導性を得ることができる。さらには、別部品のシートリングを利用する場合に比べ、冷却用のウォータジャケットとの近接化を図ることができる他、吸気ポート16及び排気ポート17のスロート径の拡大、ポート形状の最適化によるタンブル流の促進などの副次的効果も得ることができる。
In addition, since the
バルブシート膜16b,17bの形成に用いる原料粉末Pとしては、鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性及び熱伝導性が得られる金属であることが好ましく、例えば、上述した析出硬化型銅合金を用いることが好ましい。また、析出硬化型銅合金としては、ニッケル及びケイ素を含むコルソン合金や、クロムを含むクロム銅、ジルコニウムを含むジルコニウム銅等を用いてもよい。さらに、例えば、ニッケル、ケイ素及びクロムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型合金、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金等を適用することもできる。
The raw material powder P used for forming the
また、複数種類の原料粉末、例えば、第1の原料粉末と第2の原料粉末とを混合してバルブシート膜16b,17bを形成してもよい。この場合、第1の原料粉末には、鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性及び熱伝導性が得られる金属を用いることが好ましく、例えば、上述した析出硬化型銅合金を用いることが好ましい。また、第2の原料粉末としては、第1の原料粉末よりも硬質な金属を用いることが好ましい。この第2の原料粉末には、例えば、鉄基合金、コバルト基合金、クロム基合金、ニッケル基合金、モリブデン基合金等の合金や、セラミックス等を適用してもよい。また、これらの金属の1種を単独で、または2種以上を適宜組み合わせて用いてもよい。
Further, the
第1の原料粉末と、第1の原料粉末よりも硬質な第2の原料粉末とを混合して形成したバルブシート膜は、析出硬化型銅合金のみで形成したバルブシート膜よりも優れた耐熱性、耐磨耗性を得ることができる。このような効果が得られるのは、第2の原料粉末により、シリンダヘッド12の表面に存在する酸化皮膜が除去されて新生界面が露出形成され、シリンダヘッド12と金属皮膜との密着性が向上するためと考えられる。また、第2の原料粉末がシリンダヘッド12にめり込むことによるアンカー効果により、シリンダヘッド12と金属皮膜との密着性が向上するためとも考えられる。さらには、第1の原料粉末が第2の原料粉末に衝突したときに、その運動エネルギの一部が熱エネルギに変換され、あるいは第1の原料粉末の一部が塑性変形する過程で発生する熱により、第1の原料粉末として用いた析出硬化型銅合金の一部における析出硬化がより促進されるためとも考えられる。
A valve seat film formed by mixing a first raw material powder and a second raw material powder that is harder than the first raw material powder has superior heat resistance than a valve seat film formed only from a precipitation hardening copper alloy. properties and abrasion resistance. This effect is achieved because the second raw material powder removes the oxide film existing on the surface of the
本実施形態のコールドスプレー装置2は、バルブシート膜16b,17bが形成されるシリンダヘッド12を基台45に固定する一方、スプレーガン23のノズル23dの先端を、シリンダヘッド12の開口部16a,17aの環状縁部に沿って回転させることで原料粉末を噴射する。シリンダヘッド12は回転させないので、大きい占有スペースは不要になるとともに、シリンダヘッド12に比べてスプレーガン23の方が、慣性モーメントが小さいので、回転の過渡特性や応答性に優れる。ただし、スプレーガン23には、図3に示すように、作動ガスライン21bを構成する高圧配管(高圧ホース)が接続されるので、スプレーガン23を回転させたときの作動ガスライン21bのホースの捩れによる変形剛性が回転の過渡特性や応答性を阻害する可能性がある。そこで、本実施形態のコールドスプレー装置2は、図4~図8に示すように構成することで、回転の過渡特性や応答性を高めるようにしている。
In the
図4は、本発明に係るコールドスプレー装置2の一実施の形態のスプレーガン23を示す正面図、図5は、図4のV-V線に沿う断面図、図6は、図4のスプレーガン23をオフセットした状態を示す正面図、図7は、本発明に係るコールドスプレー装置2を含む成膜工場を示す正面図、図8は、図7の平面図である。
4 is a front view showing the
ワークであるシリンダヘッド12は、図7~図8に示す成膜工場4の成膜ブース42の基台45に所定の姿勢で載置される。たとえば、図13に示すように、シリンダヘッド12の凹部12bが上面になるようにシリンダヘッド12を基台45に固定し、吸気ポート16の開口部16aの中心線又は排気ポート17の開口部17aの中心線が鉛直方向になるように基台45を傾斜させる。
The
なお、成膜工場4は、成膜処理を実行する成膜ブース42と、搬送ブース41とを備え、成膜ブース42に、シリンダヘッド12を載置する基台45と、スプレーガン23を保持する産業用ロボット25が設置されている。そして、成膜ブース42の前段に搬送ブース41を設け、外部とのシリンダヘッド12の搬入・搬出はドア43により行い、搬送ブース41と成膜ブース42との間のシリンダヘッド12の搬入・搬出はドア44により行う。たとえば、成膜ブース42において一つのシリンダヘッド12に対する成膜処理を行っている間に、その前に処理を終了したシリンダヘッド12を搬送ブース41から外部へ搬出する。コールドスプレー装置2による成膜処理は、超音速流の衝撃波による騒音が発生したり、原料粉末が飛散したりするため、搬送ブース41を設置して、ドア44を閉めて成膜処理を行うことで、処理後のシリンダヘッド12の搬出や、処理前のシリンダヘッド12の搬入など、成膜処理と同時に他の作業を行うことができる。
The film-forming
スプレーガン23は、図7~図8に示す成膜工場4の成膜ブース42に設置された産業用ロボット25のハンド251に固定されたベースプレート26に回転可能に装着されている。以下、本実施形態のスプレーガン23の構成について、図4~図6を参照しながら説明する。まず図4に示すように、産業用ロボット25のハンド251にはブラケット252が固定され、当該ブラケット252に対して回転可能にベースプレート26が取り付けられ、当該ベースプレート26にスプレーガン23が固定されている。
The
より詳細には、図4及び図5に示すように、産業用ロボット25のハンド251にはブラケット252が固定され、このブラケット252にモータ29の本体が固定され、モータ29の駆動軸291は、図示しないプーリ及びベルトを介して第1ベースプレート261に接続され、当該第1ベースプレート261をブラケットに対して回転させる。モータ29は、たとえば最大360°の範囲を往復回転する。たとえば、一つの吸気ポート16の開口部16aに対して、時計回りに360°駆動軸291を回転させたら、次の吸気ポート16の開口部16aに対しては、反時計回りに360°駆動軸291を回転させ、以降、これを繰り返す。
More specifically, as shown in FIGS. 4 and 5, a
ベースプレート26は、第1ベースプレート261と第2ベースプレート262からなり、これら第1ベースプレート261と第2ベースプレート262は、リニアガイド281を介して回転軸Cに直交する方向(図4の左右方向)にスライド可能に設けられている。そして、流体圧シリンダ282を駆動することにより、第1ベースプレート261に対する第2ベースプレート262のオフセット量を調節し、膜形成材料の噴射径Dを設定する。
The
第2ベースプレート262には、カバー263が装着され、その下端部にスプレーガン23が固定されている。スプレーガン23は、ノズル23dの噴射方向が回転軸Cに向かうように、カバー263を介して第2ベースプレート262に固定されている。ただし、第2ベースプレート262は、上述したリニアガイド281及び流体圧シリンダ282により、第1ベースプレート261に対してオフセット可能であるため、スプレーガン23のノズル23dの先端の位置を、回転軸Cに対して水平方向に調節することができる。
A
このように、ノズル23dの先端の位置を、図4に示す回転軸Cの線上から、図6に示すように回転軸Cから離れた位置に設定すると、ガン距離が同じである場合に、噴射径Dが小さくなる。吸気ポート16の開口部16aは、排気ポート17の開口部17aに比べて大径であるため、吸気ポート16の開口部16aにバルブシート膜16bを形成する場合には図4に示す回転軸C側の位置とし、排気ポート17の開口部17aにバルブシート膜17bを形成する場合には図6に示す回転軸Cから離れた位置とすればよい。
In this way, if the position of the tip of the
図3に示す圧縮ガスボンベ21aから供給される3~10MPaの高圧ガスをスプレーガン23へ案内する作動ガスライン21bは、後述する他の配管類とともに一つの管束20とされ、図7に示すように産業用ロボット25のハンド251に装着されたベースプレート26の上部から垂下され、スプレーガン23に至る。その間のベースプレート26の近傍において、図4に示すように、スイベルジョイントなどの回転継手21kを介して分離接続され、その下部にヒータ21iが設けられている。図4に示す回転継手21kからチャンバ23aに至る作動ガスライン21bは、3~10MPaの高圧に耐え得る高圧ホースから構成され、同図に示すように、回転軸Cに沿ってこれを包囲するように配策されている。作動ガスライン21bは、回転軸Cを包囲するように、予め、たとえば螺旋状に成形加工してもよいが、3~10MPaの高圧に耐え得る高圧ホースは硬くて形状保持性を有するので、高圧ホースが螺旋形状に倣うように形状保持型を外周に設けてもよい。
The working
図3に示す原料粉末供給装置22aから供給される原料粉末をスプレーガン23へ案内する原料粉末供給ライン22cは、図7に示す管束20として産業用ロボット25の周囲に配策され、ベースプレート26の上部から垂下され、スプレーガン23に至る。その間のベースプレート26の下方において、原料粉末供給ライン22cは、図4に示すように、金属管と金属継手を含む配管にて構成され、スプレーガン23のチャンバ23aに接続されている。
A raw material
図3に示す電力源21hから供給される電力をヒータ21iへ導く電力供給線21j,21jは、図7に示す管束20として産業用ロボット25の周囲に配策され、ベースプレート26の上部から垂下され、ヒータ21iに接続されている。また、図3に示す圧力計23bからの検出信号をコントローラ(不図示)に出力する信号線23g及び温度計23cからの検出信号をコントローラ(不図示)に出力する信号線23hは、スプレーガン23のチャンバ23aから、金属管と金属継手を含む配管の中を挿通した状態で、スプレーガン23のチャンバ23aから第2ベースプレート262へ導かれ、他の作動ガスライン21b、原料粉末供給ライン22c、電力供給線21jなどとともに、ベースプレート26の上部から産業用ロボット25の周囲へ配策されている。
図3に示す冷媒循環回路27から供給される冷媒をスプレーガン23のノズル23dに案内する導入管274及び排出管275は、図7に示す管束20として産業用ロボット25の周囲に配策され、ベースプレート26の上部から垂下され、ノズル23dの先端の冷媒導入部23eと、ノズル23dの基端の冷媒排出部23fに接続されている。その間のベースプレート26の下方において、導入管274及び排出管275は、図4に示すように、金属管と金属継手を含む配管にて構成され、スプレーガン23のノズル23dに接続されている。
An
上述したように、硬くて変形剛性の高い高圧ホースで構成される作動ガスライン21bは、その回転継手21kが、図4に示すように回転軸Cの線上に配置され、回転継手21kより下方が回転軸Cに沿ってこれを包囲するように配策されている。また、作動ガスライン21b以外の、電力供給線21j,21j、原料粉末供給ライン22c、冷媒の導入管274及び排出管275、信号線23g,23hは、図5に示すように、回転軸Cの周りであって作動ガスライン21bを包囲する位置に配置されている。
As described above, the working
次に、バルブシート膜16b、17bを備えるシリンダヘッド12の製造方法を説明する。図9は、本実施形態のシリンダヘッド12の製造方法におけるバルブ部位の加工工程を示す工程図である。同図に示すように、本実施形態のシリンダヘッド12の製造方法は、鋳造工程S1と、切削工程S2と、被覆工程S3と、仕上工程S4とを備える。なお、バルブ部位以外の加工工程は、説明の簡略化のため省略する。
Next, a method for manufacturing the
鋳造工程S1では、砂中子がセットされた金型に鋳物用アルミ合金を流し込み、本体部に吸気ポート16や排気ポート17等が形成されたシリンダヘッド粗材を鋳造成形する。吸気ポート16及び排気ポート17は砂中子で形成され、凹部12bは金型で形成される。図10は、鋳造工程S1で鋳造成形したシリンダヘッド粗材3を、シリンダブロック11への取付面12a側から見た斜視図である。シリンダヘッド粗材3は、4つの凹部12bと、各凹部12bに2つずつ設けた吸気ポート16及び排気ポート17を備える。各凹部12bの2つの吸気ポート16及び2つの排気ポート17は、シリンダヘッド粗材3内で1本に集合し、シリンダヘッド粗材3の両側面に設けた開口にそれぞれ連通している。
In the casting step S1, an aluminum alloy for casting is poured into a mold in which a sand core is set, and a cylinder head rough material having an
図11は、図10のXI-XI線に沿うシリンダヘッド粗材3の断面図であり、吸気ポート16を示す。吸気ポート16には、シリンダヘッド粗材3の凹部12b内に露呈された円形の開口部16aが設けられている。
FIG. 11 is a sectional view of the
次の切削工程S2では、シリンダヘッド粗材3にエンドミルやボールエンドミル等によるフライス加工を施し、図12に示すように、吸気ポート16の開口部16aに環状バルブシート部16cを形成する。環状バルブシート部16cは、バルブシート膜16bのベース形状となる環状溝であり、開口部16aの外周に形成される。本実施形態のシリンダヘッド12の製造方法では、環状バルブシート部16cにコールドスプレー法によって原料粉末Pを噴射して皮膜を形成し、この皮膜を基にしてバルブシート膜16bを形成する。そのため、環状バルブシート部16cは、バルブシート膜16bよりも一回り大きなサイズで形成されている。
In the next cutting step S2, the cylinder head
被覆工程S3では、シリンダヘッド粗材3の環状バルブシート部16cに、本実施形態のコールドスプレー装置2を利用して原料粉末Pを噴射し、バルブシート膜16bを形成する。より具体的には、この被覆工程S3では、マスキング部材5をシリンダヘッド粗材3の取付面12aに取り付けた上で、図13に示すように、環状バルブシート部16cと、スプレーガン23のノズル23dとを同じ姿勢で一定距離に保ちながら、原料粉末Pが環状バルブシート部16cの全周に吹き付けられるように、シリンダヘッド粗材3を固定する一方で、スプレーガン23を一定速度で回転する。
In the coating step S3, the raw material powder P is injected onto the annular
本実施形態の成膜方法は、マスキング部材5を使用して成膜するものであり、マスキング部材5は、スプレーガン23から吐出された原料粉末Pが環状バルブシート部16c以外のシリンダヘッド粗材3の取付面12aなどに付着するのを防止する。特に、シリンダヘッド粗材3の取付面12aのうち、シリンダブロック11との当たり面に原料粉末Pが付着すると、その後の製造工程における位置決め精度が低下したり、エンジン完成品としての組付け精度が低下したりする。また、シリンダヘッド粗材3の取付面12aに形成されたエンジン冷却水の通路孔に原料粉末Pが付着すると、通路孔を塞いだり孔径が小さくなったりする。このように、原料粉末Pが付着すると後工程で不具合が生じる部位をマスキング部材5にて遮蔽する。
In the film forming method of this embodiment, a film is formed using a masking member 5, and the masking member 5 is used to form a film using a masking member 5. This prevents the adhesive from adhering to the mounting
マスキング部材5に用いる基材としては、特に限定はされないが、コールドスプレー式による原料粉末Pの噴射により塑性変形しない程度の強度を有するプレート状素材であることが好ましく、例えば、アルミナ、ジルコニア、窒化チタン、二酸化ケイ素の少なくともいずれかを含むセラミック材を用いることが好ましい。これらの塑性変形し難い素材を用いることにより、主として銅合金系の原料粉末Pの付着を抑制することができ、マスキング部材5の上に皮膜が堆積しにくくなる。 The base material used for the masking member 5 is not particularly limited, but it is preferably a plate-shaped material that has enough strength to not be plastically deformed by cold spray injection of the raw material powder P, such as alumina, zirconia, nitride, etc. It is preferable to use a ceramic material containing at least one of titanium and silicon dioxide. By using these materials that are difficult to plastically deform, it is possible to suppress the adhesion of the raw material powder P, which is mainly a copper alloy type, and it becomes difficult for a film to be deposited on the masking member 5.
また、マスキング部材5は、耐薬品性に優れる金属、例えばSUS304などのステンレス材の表面に、薬品処理により剥離することができるニッケル、鉄などをコーティング加工したものを用いてもよい。これにより、原料粉末Pが堆積したマスキング部材5の表面を薬品処理によって容易に剥離し、マスキング部材5を容易に再生処理することができる。 Further, the masking member 5 may be made of a metal having excellent chemical resistance, for example, a stainless steel material such as SUS304, and coated with nickel, iron, or the like, which can be peeled off by chemical treatment. Thereby, the surface of the masking member 5 on which the raw material powder P has been deposited can be easily peeled off by chemical treatment, and the masking member 5 can be easily recycled.
スプレーガン23のノズル23dの先端は、基台45に固定されたシリンダヘッド12の上方で、産業用ロボット25のハンド251に保持されている。基台45又は産業用ロボット25は、図4に示すように、バルブシート膜16bが形成される吸気ポート16の中心軸Zが垂直になって、回転軸Cに重なるようにシリンダヘッド12又はスプレーガン23の位置を設定する。この状態でノズル23dから環状バルブシート部16cに原料粉末Pを吹き付けながら、モータ29によりスプレーガン23をC軸周りに回転することにより、環状バルブシート部16cの全周に皮膜を形成する。
The tip of the
この被覆工程S3が実施されている間、ノズル23dは、冷媒循環回路27から供給された冷媒を、冷媒導入部23eから流路に導入する。冷媒は、ノズル23dの内部に形成された流路の先端側から後端側に向かって流れる間にノズル23dを冷却する。流路の後端側まで流れた冷媒は、冷媒排出部23fによって流路から排出されて回収される。
While this coating step S3 is being carried out, the
スプレーガン23がC軸の周りに1回転してバルブシート膜16bの形成が終了すると、スプレーガン23の回転を一旦停止する。この回転停止中に、産業用ロボット25は、次にバルブシート膜16bが形成される吸気ポート16の中心軸Zが産業用ロボット25の基準軸に一致するように、スプレーガン23を移動する。モータ29は、産業用ロボット25によるスプレーガン23の移動終了後、スプレーガン23の回転を再開させ、次の吸気ポート16にバルブシート膜16bを形成する。以降、この動作を繰り返すことにより、シリンダヘッド粗材3の全ての吸気ポート16及び排気ポート17にバルブシート膜16b、17bが形成される。なお、吸気ポート16と排気ポート17との間でバルブシート膜の形成対象が切り替わる際には、基台45によってシリンダヘッド粗材3の傾きが変更される。全ての環状バルブシート部16cに皮膜の形成が終わったら、シリンダヘッド粗材3の取付面12aからマスキング部材5を取り外す。
When the
さて、図16は、本発明に係る成膜方法において、コールドスプレー装置2のノズル23dが吸気ポート16及び排気ポート17の各開口部を移動する際の移動軌跡MTの一例を示すシリンダヘッド粗材3の平面図である。図16に示すシリンダヘッド粗材3の8つの吸気ポート16の開口部16a及び8つの排気ポート17の開口部17aに対し、矢印にて示す移動軌跡MTに沿ってノズル23dを相対移動させる。なお、以下においては、吸気ポート16に対する移動軌跡MTを説明するが、排気ポート17に対する移動軌跡も同様に設定される。
Now, FIG. 16 shows an example of the movement trajectory MT when the
上述したとおり、ノズル23dは、一つの吸気ポート16に対して時計回りに360°回転したら、次の吸気ポート16に対しては、反時計回りに360°回転する。そして、ノズル23dは、8つの吸気ポート16に対して、時計回りと反時計回りとを繰り返しながら移動する。すなわち、ノズル23dは、図16に示す4つの吸気ポートの開口部16a8,16a6,16a4,16a2に対しては、反時計回りに回転し、残りの4つの吸気ポートの開口部16a7,16a5,16a3,16a1に対しては、時計回りに回転する。
As described above, when the
ここで、8つの吸気ポート16に対する移動軌跡MTは、各吸気ポート16の環状バルブシート部16cのそれぞれに対する円形の軌跡Tと、隣接する円形の軌跡T同士を接続する接続軌跡CTとから構成され、一連の連続した軌跡とされている。そして、ノズル23dから原料粉末を中断することなく連続して噴射しながら、ノズル23dを移動軌跡MTに沿って移動させる。なお、一つの環状バルブシート部16cに対する円形の軌跡Tは、成膜始点から始まり、時計回り又は反時計回りに移動したのち、成膜始点にてラップし、このラップ部を成膜終点とする。なお、図16ではマスキング部材5の図示を省略する。
Here, the movement locus MT for the eight
図17は、図16の右下に位置する一つの吸気ポート16の開口部16a8,16a7に対する、移動軌跡MTを拡大して示す平面図である。マスキング部材5は、例えばロボットなどに把持され、シリンダヘッド粗材3のうち成膜を施す凹部12bの外周を覆うように、シリンダヘッド粗材3の取付面12aに取り付けられる。図示するマスキング部材5は、2つの吸気ポート及び2つの排気ポートを含むシリンダ径に相当する開口が形成されたプレートから構成されている。図17に示す(A)(B)(C)は、連続して製造される、それぞれ異なるシリンダヘッド粗材3に対して成膜を施す場合における、各シリンダヘッド粗材3に対応した移動軌跡MTを示す。なお、以下の移動軌跡MTは、スプレーガン23が装着された産業用ロボット25の制御装置に予めティーチングされている。
FIG. 17 is an enlarged plan view showing the movement locus MT for the openings 16a8 and 16a7 of one
1番目のシリンダヘッド粗材3においては、図17(A)に示すように、吸気ポート16の開口部16a8の環状バルブシート部16cに対する移動軌跡MTは、同図の右端から左に向かって、ノズル23dを環状バルブシート部16cの左下方まで直線状に移動させ、ここを1層目の折り返し点TP1aに設定することとされている。そして、当該折り返し点TP1aにおいて向きを変え、環状バルブシート部16cに向かって斜め右上方向にノズル23dを移動したのち、ここを成膜始点として円形の軌跡Tにてノズル23dを反時計回りに回転させ、成膜始点に重なる成膜終点を2層目の折り返し点TP2aとして向きを変え、ノズル23dを開口部16a7方向に移動させるものである。このとき、折り返し点TP1aは、接続軌跡CT1の上であって、かつマスキング部材5の上となるように設定する。
In the first
一方、2番目のシリンダヘッド粗材3においては、図17(B)に示すように、吸気ポート16の開口部16a8の環状バルブシート部16cに対する移動軌跡MTは、1層目の折り返し点TP1bを接続軌跡CT1の上であって、かつ同図(A)において設定した位置(TP1a)よりも左方のマスキング部材5の上に設定することとされている。他方、3番目のシリンダヘッド粗材3においては、図17(C)に示すように、吸気ポート16の開口部16a8の環状バルブシート部16cに対する移動軌跡MTは、1層目の折り返し点TP1cを接続軌跡CT1の上であって、同図(A),(B)において設定した位置(TP1a,TP1b)よりもさらに左方に設定することとされている。このとき、図17(B)及び同図(C)における2層目の折り返し点TP2b,TP2cは、同図(A)において設定した折り返し点TP2aと同じ位置でよい。なお、折り返し点TP1a,TP1b,TP1c,TP2a,TP2b,TP2cとは、ノズル23dの移動速度がゼロ又はゼロに近い値まで低くなる移動軌跡MT上の点をいい、移動軌跡が直角又は鋭角(≦90°)に変化する点をいう。これにより、複数のシリンダヘッド粗材3に対して成膜を施す場合における、折り返し点TP1a,TP1b,TP1cがマスキング部材5の上の異なる位置に分散して設定され、原料粉末Pがマスキング部材5の特定の箇所に堆積されるのを抑制することができる。
On the other hand, in the second cylinder head
なお、図17に示す本実施形態では、折り返し点TP1a,TP1b,TP1cを同図の左方向に沿って異なる位置に設定しているが、重なりを避けることができればよいので、TP1a,TP1b,TP1cを右方向に沿って異なる位置に設定してもよいし、左方向と右方向の交互に異なる位置に設定してもよい。 In the present embodiment shown in FIG. 17, the turning points TP1a, TP1b, and TP1c are set at different positions along the left direction in the figure, but since it is sufficient to avoid overlapping, TP1a, TP1b, TP1c may be set at different positions along the right direction, or may be set at different positions alternately in the left direction and right direction.
図18は、図16の右下に位置する一つの吸気ポート16の開口部16a8,16a7に対する、移動軌跡MTの他の例を示す平面図である。図18に示す(A)(B)(C)は、図17と同様に、連続して製造される、それぞれ異なるシリンダヘッド粗材3に対して成膜を施す場合における、各シリンダヘッド粗材3に対応した移動軌跡MTを示す。
FIG. 18 is a plan view showing another example of the movement trajectory MT for the openings 16a8, 16a7 of one
1番目のシリンダヘッド粗材3においては、図18(A)に示すように、吸気ポート16の開口部16a8の環状バルブシート部16cに対する移動軌跡MTは、同図の右端から左に向かって、ノズル23dを環状バルブシート部16cの左下方まで直線状に移動させ、ここを1層目の折り返し点TP1aに設定することとされている。そして、当該折り返し点TP1aにおいて向きを変え、環状バルブシート部16cに向かって斜め右上方向にノズル23dを移動したのち、ここを成膜始点として円形の軌跡Tにてノズル23dを反時計回りに回転させる。このとき、成膜始点に重なる成膜終点を通過し、ノズル23dを環状バルブシート部16cの右下方まで直線状に移動させ、ここを2層目の折り返し点TP2aに設定する。そして、当該折り返し点TP2aにおいて向きを変え、ノズル23dを開口部16a7方向に移動させる。
In the first
このように、図18に示す実施形態に係る移動軌跡MTは、1層目の折り返し点TP1aを接続軌跡CT1の上に設定し、さらに2層目の折り返し点TP2aについても接続軌跡CT2の上となるように設定したものであり、かつ折り返し点TP1a,TP2aのいずれもがマスキング部材5の上に設定されたものである。 In this way, in the movement trajectory MT according to the embodiment shown in FIG. 18, the turning point TP1a of the first layer is set on the connection trajectory CT1, and the turning point TP2a of the second layer is also set on the connection trajectory CT2. The folding points TP1a and TP2a are both set on the masking member 5.
次に、2番目のシリンダヘッド粗材3においては、図18(B)に示すように、吸気ポート16の開口部16a8の環状バルブシート部16cに対する移動軌跡MTは、1層目の折り返し点TP1bを接続軌跡CT1の上であって、かつ同図(A)において設定した位置(TP1a)よりも左方のマスキング部材5の上に設定することとされている。また、2層目の折り返し点TP2bは、接続軌跡CT2の上であって、かつ同図(A)において設定した位置(TP2a)よりも右方のマスキング部材の上に設定することとされている。同様の方法により、3番目のシリンダヘッド粗材3である、図18(C)に対する移動軌跡MTにおいては、1層目の折り返し点TP1cは、同図(A),(B)において設定した位置(TP1a,TP1b)よりもさらに左方のマスキング部材5の上に設定することとされ、2層目の折り返し点TP2cは、同図(A),(B)において設定した位置(TP2a,TP2b)よりもさらに右方のマスキング部材5の上に設定することとされている。
Next, in the second cylinder head
図19は、本発明に係る成膜方法において、ノズル23dのマスキング部材5に対する吐出角度を示す断面図であり、図20は図19(B)のXX部を示す拡大図面である。本発明のマスキング部材5は、図19(A)に示すように、均等乃至均一の板厚のまま使用してもよいが、必要に応じて図19(B),図20に示すように、表面に凹部51を形成して使用してもよい。マスキング部材5の表面に設けられる凹部51は、接続軌跡CT1における1層目の折り返し点TP1a,TP1b,TP1c及び接続軌跡CT2における2層目の折り返し点TP2a,TP2b,TP2cに相当する範囲に形成する。これらの折り返し点は、ノズル23dの移動速度がゼロ又はゼロに近い値まで低くなるため、原料粉末Pの噴射が集中し、皮膜が最も堆積する。皮膜が堆積しやすい箇所にあらかじめ凹部51を形成することで、図20に示すように、原料粉末Pの堆積によるマスキング部材5の表面への隆起をなだらかにすることができる。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing the discharge angle of the
また、マスキング部材5の表面に凹部51を形成して使用する場合、図19(B)に示すように、ノズル23dのマスキング部材5に対する吐出角度θ2は、マスキング部材5の表面に凹部51を形成しない場合における吐出角度θ1(≦90°)よりも小さくなる。図22は、原料粉末Pが吐出される吐出面において、原料粉末Pの粒子速度V0とノズル23dの吐出面に対する傾き(吐出角度θ)との関係を示すグラフである。図22に示すように、吐出面に垂直な速度成分は、原料粉末Pの付着率に比例する。すなわち、ノズル23dの吐出角度θがθ=90°の場合に、垂直な速度成分は最も大きい値となり、原料粉末Pの付着率が最も高くなる。一方、ノズル23dの吐出角度θが0≦θ<90°又は90<θ≦180°の場合は、吐出面に垂直な速度成分はV0Sinθとなるから、吐出角度θが90°より小さくなるにつれて速度成分は減少し、原料粉末Pの付着率が低くなる。これにより、マスキング部材5の表面に付着する原料粉末Pの付着率を下げることができ、その結果、マスキング部材5の特定の箇所に原料粉末Pが厚く堆積することを抑制することができる。
In addition, when the masking member 5 is used with a recess 51 formed on the surface, the discharge angle θ2 of the
図21(A)は、本発明に係る成膜方法において、ノズル23dと環状バルブシート部16cに対する吐出角度を示す断面図であり、図21(B)は、ノズル23dとマスキング部材5に対する吐出角度を示す断面図である。本実施形態では、ノズル23dが移動経路MTを移動する際に、原料粉末Pが吐出される吐出面に対する原料粉末Pの吐出角度、すなわち、マスキング部材5に対する原料粉末Pの吐出角度θ4(図21(B)参照)を、被成膜部である環状バルブシート部16cに対する吐出角度θ3(図21(A)参照)より小さくすることにより、マスキング部材5に堆積される皮膜の厚みを薄くするものである。
21(A) is a sectional view showing the discharge angle with respect to the
図21(B)に示すように、マスキング部材5に対する原料粉末Pの吐出角度θ4を、吐出角度θ3より小さく、例えば、できるだけマスキング部材5に対して平行に近くなるようにする。これにより、吐出角度θ4でマスキング部材5に形成される皮膜の幅W2は、吐出角度θ3で環状バルブシート部16cに形成される皮膜の幅W1よりも広くなるが、吐出角度θ4で形成される皮膜の厚みは、吐出角度θ3で形成される皮膜の厚みより薄くすることができる。この結果、マスキング部材5に原料粉末Pが堆積することをさらに抑制することができる。
As shown in FIG. 21(B), the discharge angle θ4 of the raw material powder P with respect to the masking member 5 is made smaller than the discharge angle θ3, for example, as close to parallel to the masking member 5 as possible. As a result, the width W2 of the coating formed on the masking member 5 at the discharge angle θ4 is wider than the width W1 of the coating formed on the annular
図9に戻り、仕上工程S4では、バルブシート膜16b,17bと、吸気ポート16及び排気ポート17の仕上加工が行われる。バルブシート膜16b,17bの仕上加工では、ボールエンドミルを用いたフライス加工によりバルブシート膜16b,17bの表面を切削し、バルブシート膜16bを所定形状に整える。また、吸気ポート16の仕上加工では、開口部16aから吸気ポート16内にボールエンドミルを挿入し、図14に示す加工ラインPLに沿って吸気ポート16の開口部16a側の内周面を切削する。加工ラインPLは、吸気ポート16内に原料粉末Pが飛散して付着した余剰皮膜SFが比較的厚く形成される範囲、より具体的には、余剰皮膜SFが吸気ポート16の吸気性能に影響を及ぼす程度に厚く形成される範囲である。
Returning to FIG. 9, in the finishing step S4, the
このように、仕上工程S4により、鋳造成形による吸気ポート16の表面荒れが解消されるとともに、被覆工程S3で形成された余剰皮膜SFを除去することができる。図15に、仕上工程S4後の吸気ポート16を示す。なお、排気ポート17は、吸気ポート16と同様に、鋳造成形による排気ポート17内への小径部の形成、切削加工による環状バルブシート部の形成、環状バルブシート部へのコールドスプレー、仕上加工を経てバルブシート膜17bが形成される。そのため、排気ポート17に対するバルブシート膜17bの形成手順については、詳しい説明を省略する。
In this manner, the finishing step S4 eliminates surface roughness of the
以上のとおり、本実施形態の成膜方法によれば、複数のシリンダヘッド粗材3に対して成膜処理を行う場合、今回のシリンダヘッド粗材3に対して設定するマスキング部材5の上の折り返し点TP1bは、前回のシリンダヘッド粗材3に対して設定した位置TP1aとは異なる位置に設定されているので、原料粉末Pがマスキング部材5の特定の箇所に堆積されるのを抑制することができる。
As described above, according to the film-forming method of this embodiment, when film-forming is performed on a plurality of
また本実施形態の成膜方法によれば、マスキング部材5は、アルミナ、ジルコニア、窒化チタン、二酸化ケイ素の少なくともいずれかを含むセラミック材からなるので、主として銅合金系の原料粉末Pの付着を抑制することができ、マスキング部材5の上に皮膜が堆積しにくくなる。 Further, according to the film forming method of the present embodiment, the masking member 5 is made of a ceramic material containing at least one of alumina, zirconia, titanium nitride, and silicon dioxide, so that it mainly suppresses the adhesion of the copper alloy-based raw material powder P. This makes it difficult for a film to accumulate on the masking member 5.
また本実施形態の成膜方法によれば、マスキング部材5は、折り返し点TP1a,TP1b,TP1cに相当する範囲に凹部51が形成されているので、原料粉末Pの堆積によるマスキング部材5の表面への隆起をなだらかにすることができる。 Further, according to the film forming method of the present embodiment, since the masking member 5 has the recesses 51 formed in the range corresponding to the folding points TP1a, TP1b, and TP1c, the surface of the masking member 5 due to the deposition of the raw material powder P It can smooth out the bumps.
また本実施形態の成膜方法によれば、マスキング部材5は、折り返し点TP1a,TP1b,TP1cに相当する範囲に凹部51が形成され、ノズル23dのマスキング部材5に対する吐出角度は90°より小さいとされているので、原料粉末Pの付着率を下げることができ、その結果、マスキング部材5の特定の箇所に原料粉末Pが厚く堆積することを抑制することができる。
Further, according to the film forming method of the present embodiment, the masking member 5 has the concave portions 51 formed in the range corresponding to the turning points TP1a, TP1b, and TP1c, and the discharge angle of the
また本実施形態の成膜方法によれば、マスキング部材5に対する原料粉末Pの吐出角度θ4は、被成膜部である環状バルブシート部16cに対する吐出角度θ3より小さいため、原料粉末Pにより形成される皮膜の厚みが薄くなり、マスキング部材5に原料粉末Pが堆積することをさらに抑制することができる。
Furthermore, according to the film forming method of the present embodiment, the discharge angle θ4 of the raw material powder P with respect to the masking member 5 is smaller than the discharge angle θ3 with respect to the annular
1…内燃機関
11…シリンダブロック
11a…シリンダ
12…シリンダヘッド
12a…取付面
12b…凹部
12c,12d…側面
13…ピストン
13a…コネクティングロッド
13b…頂面
14…クランクシャフト
15…燃焼室
16…吸気ポート
16a…開口部
16b…バルブシート膜
16c…環状バルブシート部
17…排気ポート
17a…開口部
17b…バルブシート膜
18…吸気バルブ
18a…バルブステム
18b…バルブヘッド
18c…バルブガイド
19…排気バルブ
19a…バルブステム
19b…バルブヘッド
19c…バルブガイド
2…コールドスプレー装置
21…ガス供給部
21a…圧縮ガスボンベ
21b…作動ガスライン
21c…搬送ガスライン
21d…圧力調整器
21e…流量調節弁
21f…流量計
21g…圧力ゲージ
21h…電力源
21i…ヒータ
21j…電力供給線
21k…回転継手
22…原料粉末供給部
22a…原料粉末供給装置
22b…計量器
22c…原料粉末供給ライン
23…スプレーガン
23a…チャンバ
23b…圧力計
23c…温度計
23d…ノズル
23e…冷媒導入部
23f…冷媒排出部
23g…信号線
24…基材
24a…皮膜
25…産業用ロボット
251…ハンド
252…ブラケット
26…ベースプレート
261…第1ベースプレート
262…第2ベースプレート
263…カバー
27…冷媒循環回路
271…タンク
272…ポンプ
273…冷却器
274…導入管
275…排出管
28…オフセット機構
281…リニアガイド
282…流体圧シリンダ
29…モータ
291…駆動軸
3…シリンダヘッド粗材
4…成膜工場
41…搬送ブース
42…成膜ブース
43,44…ドア
45…基台
5…マスキング部材
51…凹部
MT…移動軌跡
T…被成膜部の軌跡
CT1,CT2…接続軌跡
TP1,TP2…折り返し点
1...
Claims (4)
前記移動軌跡のうち前記ワークと前記ノズルとの相対速度が低くなる折り返し点を、前記接続軌跡の上であって、かつ前記マスキング部材の上に設定し、
前記複数の被成膜部のそれぞれに、コールドスプレー法により原料粉末を噴射して皮膜を形成する成膜方法において、
複数のワークに対して成膜処理を行う場合、今回のワークに対して設定するマスキング部材の上の前記折り返し点を、前回のワークに対して設定した位置とは異なる位置に設定する成膜方法。 After attaching a masking member to the workpiece that covers part or all of a workpiece having a plurality of discontinuous film-forming parts other than the film-forming parts, the workpiece and the nozzle of the cold spray device are connected to the plurality of film-forming parts. While continuously injecting the raw material powder from the nozzle, the raw material powder is move it to
A turning point at which the relative speed between the workpiece and the nozzle becomes low in the movement trajectory is set on the connection trajectory and on the masking member,
In a film forming method in which a film is formed by spraying raw material powder onto each of the plurality of film forming parts by a cold spray method,
When performing film deposition processing on multiple workpieces, a film deposition method in which the folding point on the masking member set for the current workpiece is set at a position different from the position set for the previous workpiece. .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020086621A JP7452238B2 (en) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | Film forming method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020086621A JP7452238B2 (en) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | Film forming method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021181590A JP2021181590A (en) | 2021-11-25 |
JP7452238B2 true JP7452238B2 (en) | 2024-03-19 |
Family
ID=78606071
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020086621A Active JP7452238B2 (en) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | Film forming method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7452238B2 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006032485A (en) | 2004-07-13 | 2006-02-02 | Brother Ind Ltd | Method of forming piezoelectric film |
JP2018012875A (en) | 2016-07-22 | 2018-01-25 | トヨタ自動車株式会社 | Film deposition method of spray deposit |
JP2018197370A (en) | 2017-05-23 | 2018-12-13 | トヨタ自動車株式会社 | Thermally-sprayed film forming method |
WO2020202304A1 (en) | 2019-03-29 | 2020-10-08 | 日産自動車株式会社 | Film forming method |
-
2020
- 2020-05-18 JP JP2020086621A patent/JP7452238B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006032485A (en) | 2004-07-13 | 2006-02-02 | Brother Ind Ltd | Method of forming piezoelectric film |
JP2018012875A (en) | 2016-07-22 | 2018-01-25 | トヨタ自動車株式会社 | Film deposition method of spray deposit |
JP2018197370A (en) | 2017-05-23 | 2018-12-13 | トヨタ自動車株式会社 | Thermally-sprayed film forming method |
WO2020202304A1 (en) | 2019-03-29 | 2020-10-08 | 日産自動車株式会社 | Film forming method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2021181590A (en) | 2021-11-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6977892B2 (en) | Film formation method | |
JP7375868B2 (en) | Film forming method | |
JP7452238B2 (en) | Film forming method | |
JP7136338B2 (en) | Deposition method | |
JP6996628B2 (en) | Cold spray nozzle and cold spray device | |
JP7480660B2 (en) | Film formation method | |
JP7120451B2 (en) | cold spray equipment | |
JP7255291B2 (en) | Deposition method | |
EP3816422B1 (en) | Method for manufacturing cylinder head, and cylinder head rough material | |
WO2022085130A1 (en) | Cylinder head blank and cylinder head manufacturing method | |
JP7098504B2 (en) | Cold spray nozzle and cold spray device | |
WO2020059002A1 (en) | Cold spray method, cold spray nozzle, and cold spray device | |
JP2022067932A (en) | Metal film and method for depositing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230307 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20231225 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240206 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240219 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 7452238 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |