JP7452238B2 - Film forming method - Google Patents

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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).

国際公開第2017/022505号パンフレットInternational Publication No. 2017/022505 pamphlet

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.

本発明に係るコールドスプレー装置を用いてバルブシート膜を形成するシリンダヘッドを示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cylinder head in which a valve seat film is formed using the cold spray device according to the present invention. 図1のバルブ周辺の拡大断面図である。2 is an enlarged sectional view of the vicinity of the valve in FIG. 1. FIG. 本発明に係るコールドスプレー装置の一実施の形態を示す構成図である。1 is a configuration diagram showing an embodiment of a cold spray device according to the present invention. 本発明に係るコールドスプレー装置の一実施の形態のスプレーガンを示す正面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a front view which shows the spray gun of one embodiment of the cold spray apparatus based on this invention. 図4のV-V線に沿う断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line V-V in FIG. 4. FIG. 図4のスプレーガンをオフセットした状態を示す正面図である。FIG. 5 is a front view showing the spray gun of FIG. 4 in an offset state. 本発明に係るコールドスプレー装置を含む成膜工場を示す正面図である。FIG. 1 is a front view showing a film forming factory including a cold spray device according to the present invention. 図7の平面図である。FIG. 8 is a plan view of FIG. 7; 本発明に係るコールドスプレー装置を用いてシリンダヘッドを製造する手順を示す工程図である。FIG. 3 is a process diagram showing a procedure for manufacturing a cylinder head using the cold spray device according to the present invention. 本発明に係るコールドスプレー装置を用いてバルブシート膜が形成されるシリンダヘッド粗材の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a cylinder head blank material on which a valve seat film is formed using the cold spray device according to the present invention. 図10のXI-XI線に沿う吸気ポートを示す断面図である。11 is a cross-sectional view showing the intake port along the line XI-XI in FIG. 10. FIG. 図11の吸気ポートに切削工程で環状バルブシート部を形成した状態を示す断面図である。FIG. 12 is a sectional view showing a state in which an annular valve seat portion is formed in the intake port of FIG. 11 by a cutting process. 図12の吸気ポートにバルブシート膜を形成する状態を示す断面図である。13 is a cross-sectional view showing a state in which a valve seat film is formed on the intake port of FIG. 12. FIG. バルブシート膜が形成された吸気ポートを示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing an intake port on which a valve seat membrane is formed. 図9の仕上工程後の吸気ポートを示す断面図である。10 is a cross-sectional view showing the intake port after the finishing process of FIG. 9. FIG. 本発明に係る成膜方法において、コールドスプレー装置のノズルがポートの開口部上を移動する際の移動軌跡の一例を示すシリンダヘッド粗材の平面図である。FIG. 3 is a plan view of the cylinder head blank showing an example of a movement locus when the nozzle of the cold spray device moves over the opening of the port in the film forming method according to the present invention. 図16の一つの吸気ポートに対する移動軌跡を示す平面図である。17 is a plan view showing a movement locus for one intake port in FIG. 16. FIG. 図16の一つの吸気ポートに対する移動軌跡の他の例を示す平面図である。FIG. 17 is a plan view showing another example of a movement locus for one intake port in FIG. 16; 本発明に係る成膜方法において、ノズルのマスキング部材に対する吐出角度を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the discharge angle of the nozzle with respect to the masking member in the film forming method according to the present invention. 図19(B)のXX部を示す拡大断面図である。FIG. 19B is an enlarged cross-sectional view showing section XX in FIG. 19(B). 本発明に係る成膜方法において、(A)は、ノズルと環状バルブシート部に対する吐出角度を示す断面図であり、(B)は、ノズルとマスキング部材に対する吐出角度を示す断面図である。In the film forming method according to the present invention, (A) is a cross-sectional view showing the discharge angle with respect to the nozzle and the annular valve seat portion, and (B) is a cross-sectional view showing the discharge angle with respect to the nozzle and the masking member. 本発明に係る成膜方法において、原料粉末の吐出面における原料粉末の粒子速度と、ノズルの傾き(吐出角度)との関係を示すグラフである。2 is a graph showing the relationship between the particle velocity of the raw material powder on the discharge surface of the raw material powder and the inclination (discharge angle) of the nozzle in the film forming method according to the present invention.

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 cylinder block 11 and a cylinder head 12 assembled to the top of cylinder block 11. The internal combustion engine 1 is, for example, an in-line four-cylinder gasoline engine, and the cylinder block 11 has four cylinders 11a arranged in the depth direction of the drawing. Each cylinder 11a accommodates a piston 13 that reciprocates in the vertical direction in the drawing, and each piston 13 is connected to a crankshaft 14 extending in the depth direction in the drawing via a connecting rod 13a.

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 recesses 12b constituting the combustion chambers 15 of each cylinder are formed on the mounting surface 12a of the cylinder head 12 to the cylinder block 11 at positions corresponding to each cylinder 11a. The combustion chamber 15 is a space for combusting a mixture of fuel and intake air, and is composed of a recess 12b of the cylinder head 12, a top surface 13b of the piston 13, and an inner peripheral surface of the cylinder 11a.

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 cylinder head 12 includes an intake port 16 that communicates the combustion chamber 15 with one side surface 12c of the cylinder head 12. The intake port 16 has a bent, substantially cylindrical shape, and guides intake air from an intake manifold (not shown) connected to the side surface 12c into the combustion chamber 15. The cylinder head 12 also includes an exhaust port 17 that communicates the combustion chamber 15 with the other side surface 12d of the cylinder head 12. The exhaust port 17 has a bent, substantially cylindrical shape like the intake port 16, and discharges exhaust gas generated in the combustion chamber 15 to an exhaust manifold (not shown) connected to the side surface 12d. Note that the internal combustion engine 1 of this embodiment includes two intake ports 16 and two exhaust ports 17 for one cylinder 11a.

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 cylinder head 12 includes an intake valve 18 that opens and closes an intake port 16 with respect to the combustion chamber 15, and an exhaust valve 19 that opens and closes an exhaust port 17 with respect to the combustion chamber 15. Each of the intake valve 18 and the exhaust valve 19 includes round rod-shaped valve stems 18a, 19a, and disk-shaped valve heads 18b, 19b provided at the tips of the valve stems 18a, 19a. The valve stems 18a, 19a are slidably inserted into substantially cylindrical valve guides 18c, 19c assembled to the cylinder head 12. Thereby, each of the intake valve 18 and the exhaust valve 19 becomes movable with respect to the combustion chamber 15 along the axial direction of the valve stems 18a and 19a.

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 combustion chamber 15, the intake port 16, and the exhaust port 17. The intake port 16 includes a substantially circular opening 16a in a portion communicating with the combustion chamber 15. An annular valve seat film 16b that comes into contact with a valve head 18b of the intake valve 18 is formed at the annular edge of the opening 16a. Then, when the intake valve 18 moves upward along the axial direction of the valve stem 18a, the upper surface of the valve head 18b comes into contact with the valve seat membrane 16b, thereby closing the intake port 16. Conversely, when the intake valve 18 moves downward along the axial direction of the valve stem 18a, a gap is formed between the upper surface of the valve head 18b and the valve seat membrane 16b, and the intake port 16 is opened.

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 intake port 16, the exhaust port 17 has a substantially circular opening 17a in a portion communicating with the combustion chamber 15, and an annular opening 17a that contacts the valve head 19b of the exhaust valve 19 at the annular edge of the opening 17a. A valve seat film 17b is formed. Then, when the exhaust valve 19 moves upward along the axial direction of the valve stem 19a, the upper surface of the valve head 19b comes into contact with the valve seat membrane 17b and closes the exhaust port 17. Conversely, when the exhaust valve 19 moves downward along the axial direction of the valve stem 19a, a gap is formed between the upper surface of the valve head 19b and the valve seat membrane 17b, and the exhaust port 17 is opened. Note that the diameter of the opening 16a of the intake port 16 is set larger than the diameter of the opening 17a of the exhaust port 17.

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 intake valve 18 is opened when the piston 13 descends, thereby introducing the air-fuel mixture into the cylinder 11a from the intake port 16 (intake stroke). Subsequently, the intake valve 18 and the exhaust valve 19 are closed, and the piston 13 is raised to approximately the top dead center to compress the air-fuel mixture in the cylinder 11a (compression stroke). Then, when the piston 13 reaches approximately the top dead center, the compressed air-fuel mixture is ignited by the spark plug, causing the air-fuel mixture to explode. This explosion causes the piston 13 to descend to the bottom dead center, and converts the explosion into rotational force via the connected crankshaft 14 (combustion/expansion stroke). Finally, when the piston 13 reaches the bottom dead center and starts rising again, only the exhaust valve 19 is opened and the exhaust gas in the cylinder 11a is discharged to the exhaust port 17 (exhaust stroke). The internal combustion engine 1 generates output by repeatedly performing the above cycle.

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 valve seat films 16b and 17b are directly formed on the annular edges of the openings 16a and 17a of the cylinder head 12 by cold spraying. The cold spray method is a supersonic flow of working gas with a temperature lower than the melting point or softening point of the raw material powder, and the raw material powder carried by a carrier gas is introduced into the working gas and injected from the nozzle tip to form a solid phase. The raw material powder is made to collide with the base material in its state, and a film is formed by plastic deformation of the raw material powder. Compared to the thermal spraying method, in which the material is melted and attached to the base material, this cold spray method produces a dense film that does not oxidize in the atmosphere, and has less thermal influence on the material particles, suppressing thermal deterioration and forming It has the characteristics of high film speed, thick film formation, and high adhesion efficiency. In particular, since the film formation rate is fast and a thick film can be formed, it is suitable for use as a structural material such as the valve seat films 16b and 17b of the internal combustion engine 1.

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 cold spray device 2 of this embodiment used for forming the above-mentioned valve seat films 16b and 17b. The cold spray device 2 of this embodiment includes a gas supply section 21 that supplies a working gas and a carrier gas, a raw material powder supply section 22 that supplies raw material powder for the valve seat membranes 16b and 17b, and a raw material powder supply section 22 that supplies raw material powder at a temperature below its melting point. It includes a spray gun 23 that injects a supersonic flow using working gas, and a refrigerant circulation circuit 27 that cools the nozzle 23d.

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 gas supply unit 21 includes a compressed gas cylinder 21a, a working gas line 21b, and a carrier gas line 21c. The working gas line 21b and the carrier gas line 21c each include a pressure regulator 21d, a flow rate control valve 21e, a flow meter 21f, and a pressure gauge 21g. The pressure regulator 21d, the flow rate control valve 21e, the flow meter 21f, and the pressure gauge 21g are used to adjust the respective pressures and flow rates of the working gas and carrier gas from the compressed gas cylinder 21a.

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 heater 21i such as a tape heater is installed in the working gas line 21b, and the heater 21i heats the working gas line 21b by being supplied with power from the power source 21h via the power supply lines 21j, 21j. . The working gas is heated by the heater 21i to a temperature lower than the melting point or softening point of the raw material powder, and then introduced into the chamber 23a of the spray gun 23. A pressure gauge 23b and a thermometer 23c are installed in the chamber 23a, and the detected pressure and temperature values are output to a controller (not shown) through respective signal lines 23g and 23g, and feedback control of pressure and temperature is performed. served.

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 powder supply section 22 includes a raw material powder supply device 22a, a measuring device 22b attached thereto, and a raw material powder supply line 22c. The carrier gas from the compressed gas cylinder 21a passes through the carrier gas line 21c and is introduced into the raw material powder supply device 22a. A predetermined amount of the raw material powder measured by the measuring device 22b is conveyed into the chamber 23a via the raw material powder supply line 22c.

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 spray gun 23 injects the raw material powder P transported into the chamber 23a by the carrier gas from the tip of the nozzle 23d as a supersonic flow by the working gas, and causes it to collide with the base material 24 in a solid state or a solid-liquid coexistence state. Then, a film 24a is formed. In this embodiment, the cylinder head 12 is applied as the base material 24, and the raw material powder P is injected onto the annular edges of the openings 16a, 17a of the cylinder head 12 by a cold spray method, thereby forming the valve seat films 16b, 17b. form.

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 nozzle 23d includes a flow path (not shown) through which a refrigerant such as water flows. The nozzle 23d includes a refrigerant introduction part 23e at its tip for introducing the refrigerant into the flow path, and a refrigerant discharge part 23f at its base end for discharging the refrigerant in the flow path. The nozzle 23d cools the nozzle 23d by introducing the refrigerant into the flow path from the refrigerant introduction part 23e, flowing the refrigerant into the flow path, and discharging the refrigerant from the refrigerant discharge part 23f.

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 refrigerant circulation circuit 27 that circulates refrigerant in the flow path of the nozzle 23d is connected to a tank 271 that stores refrigerant, an introduction pipe 274 connected to the above-mentioned refrigerant introduction part 23e, and is connected to the tank 271 and the nozzle. 23d, a cooler 273 that cools the refrigerant, and a discharge pipe 275 connected to the refrigerant discharge section 23f. The cooler 273 is composed of, for example, a heat exchanger, and cools the refrigerant by exchanging heat between the refrigerant whose temperature has increased by cooling the nozzle 23d and a refrigerant such as air, water, or gas.

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 refrigerant circulation circuit 27 sucks the refrigerant stored in the tank 271 by the pump 272, and supplies the refrigerant to the refrigerant introducing portion 23e via the cooler 273. The refrigerant supplied to the refrigerant introduction part 23e flows through the channel in the nozzle 23d from the front end side toward the rear end side, and cools the nozzle 23d by exchanging heat with the nozzle 23d during that time. The refrigerant that has flowed to the rear end of the flow path is discharged from the refrigerant discharge section 23f to the discharge pipe 275 and returns to the tank 271. In this way, the refrigerant circulation circuit 27 cools the nozzle 23d by circulating the refrigerant while cooling it, so that it is possible to suppress the adhesion of the raw material powder P to the injection passage of the nozzle 23d.

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 cylinder head 12 is required to have high heat resistance and wear resistance to withstand knocking input from the valve in the combustion chamber 15, and high thermal conductivity to cool the combustion chamber 15. In response to these demands, for example, the valve seat membranes 16b and 17b formed from precipitation hardening copper alloy powder are harder, have better heat resistance and wear resistance than the cylinder head 12 formed from casting aluminum alloy. Excellent valve seats can be obtained.

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 valve seat membranes 16b and 17b are formed directly on the cylinder head 12, higher thermal conductivity can be obtained compared to conventional valve seats that are formed by press-fitting a separate seat ring into the port opening. Can be done. Furthermore, compared to the case of using a seat ring that is a separate part, it is possible to get closer to the cooling water jacket, and by increasing the throat diameter of the intake port 16 and exhaust port 17 and optimizing the port shape. Secondary effects such as promotion of tumble flow can also be obtained.

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 valve seat films 16b and 17b is preferably a metal that is harder than an aluminum alloy for casting and that provides the heat resistance, abrasion resistance, and thermal conductivity necessary for the valve seat. For example, it is preferable to use the precipitation hardening type copper alloy described above. Further, as the precipitation hardening type copper alloy, a Corson alloy containing nickel and silicon, chromium copper containing chromium, zirconium copper containing zirconium, etc. may be used. Further, for example, precipitation hardening copper alloys containing nickel, silicon and chromium, precipitation hardening copper alloys containing nickel, silicon and zirconium, precipitation hardening alloys containing nickel, silicon, chromium and zirconium, precipitation hardening alloys containing chromium and zirconium, etc. A hardened copper alloy or the like may also be used.

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 valve seat films 16b and 17b may be formed by mixing a plurality of types of raw material powder, for example, a first raw material powder and a second raw material powder. In this case, it is preferable to use a metal for the first raw material powder that is harder than an aluminum alloy for casting and that provides the heat resistance, abrasion resistance, and thermal conductivity necessary for the valve seat. Preferably, a precipitation hardening copper alloy is used. Further, as the second raw material powder, it is preferable to use a metal that is harder than the first raw material powder. For example, alloys such as iron-based alloys, cobalt-based alloys, chromium-based alloys, nickel-based alloys, molybdenum-based alloys, ceramics, etc. may be applied to the second raw material powder. Further, one type of these metals may be used alone or two or more types may be used in an appropriate combination.

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 cylinder head 12 and exposes a new interface, improving the adhesion between the cylinder head 12 and the metal film. This is thought to be for the purpose of It is also considered that the adhesion between the cylinder head 12 and the metal coating is improved due to the anchor effect caused by the second raw material powder sinking into the cylinder head 12. Furthermore, when the first raw material powder collides with the second raw material powder, a part of the kinetic energy is converted into thermal energy, or a part of the first raw material powder is generated in the process of plastic deformation. It is also believed that heat promotes precipitation hardening in a part of the precipitation hardening copper alloy used as the first raw material powder.

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 cold spray device 2 of this embodiment, the cylinder head 12 on which the valve seat films 16b and 17b are formed is fixed to the base 45, and the tip of the nozzle 23d of the spray gun 23 is connected to the opening 16a of the cylinder head 12, The raw material powder is injected by rotating it along the annular edge of 17a. Since the cylinder head 12 is not rotated, it does not require a large occupied space, and since the spray gun 23 has a smaller moment of inertia than the cylinder head 12, it has excellent rotational transient characteristics and responsiveness. However, as shown in FIG. 3, the spray gun 23 is connected to high pressure piping (high pressure hose) that constitutes the working gas line 21b, so when the spray gun 23 is rotated, the hose of the working gas line 21b is Deformation rigidity due to torsion may impede rotational transient characteristics and responsiveness. Therefore, the cold spray device 2 of this embodiment is configured as shown in FIGS. 4 to 8 to improve the transient characteristics and responsiveness of rotation.

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 spray gun 23 of an embodiment of the cold spray device 2 according to the present invention, FIG. 5 is a sectional view taken along the line V-V in FIG. 4, and FIG. FIG. 7 is a front view showing a film forming factory including the cold spray apparatus 2 according to the present invention, and FIG. 8 is a plan view of FIG. 7.

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 cylinder head 12, which is a workpiece, is placed in a predetermined posture on a base 45 of a film-forming booth 42 of a film-forming factory 4 shown in FIGS. 7 and 8. For example, as shown in FIG. 13, the cylinder head 12 is fixed to the base 45 so that the recess 12b of the cylinder head 12 is on the top surface, and the center line of the opening 16a of the intake port 16 or the opening 17a of the exhaust port 17 is The base 45 is tilted so that its center line is vertical.

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 factory 4 includes a film-forming booth 42 for performing film-forming processing and a transport booth 41, and the film-forming booth 42 has a base 45 on which the cylinder head 12 is placed and a spray gun 23 held therein. An industrial robot 25 is installed. A transport booth 41 is provided in front of the film-forming booth 42, and the cylinder head 12 is carried in and out from the outside through a door 43, and the cylinder head 12 is carried in and out between the transport booth 41 and the film-forming booth 42. This is done by the door 44. For example, while a film forming process is being performed on one cylinder head 12 in the film forming booth 42, the cylinder head 12 that has previously been processed is carried out from the transport booth 41. The film forming process using the cold spray device 2 generates noise due to the shock waves of the supersonic flow and scatters the raw material powder, so the film forming process must be performed with the transfer booth 41 installed and the door 44 closed. Other operations can be performed simultaneously with the film forming process, such as transporting the cylinder head 12 after processing and transporting the cylinder head 12 before processing.

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 spray gun 23 is rotatably mounted on a base plate 26 fixed to a hand 251 of an industrial robot 25 installed in a film forming booth 42 of a film forming factory 4 shown in FIGS. 7 and 8. The configuration of the spray gun 23 of this embodiment will be described below with reference to FIGS. 4 to 6. First, as shown in FIG. 4, a bracket 252 is fixed to the hand 251 of the industrial robot 25, a base plate 26 is rotatably attached to the bracket 252, and a spray gun 23 is fixed to the base plate 26. .

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 bracket 252 is fixed to the hand 251 of the industrial robot 25, the main body of the motor 29 is fixed to this bracket 252, and the drive shaft 291 of the motor 29 is It is connected to the first base plate 261 via a pulley and belt (not shown), and rotates the first base plate 261 relative to the bracket. The motor 29 reciprocates, for example, within a maximum range of 360 degrees. For example, if the drive shaft 291 is rotated 360 degrees clockwise with respect to the opening 16a of one intake port 16, the drive shaft 291 is rotated 360 degrees counterclockwise with respect to the opening 16a of the next intake port 16. Rotate 291 and repeat this from then on.

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 base plate 26 consists of a first base plate 261 and a second base plate 262, and these first base plate 261 and second base plate 262 slide in a direction perpendicular to the rotation axis C (left-right direction in FIG. 4) via a linear guide 281. possible. Then, by driving the fluid pressure cylinder 282, the amount of offset of the second base plate 262 with respect to the first base plate 261 is adjusted, and the injection diameter D of the film forming material is set.

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 cover 263 is attached to the second base plate 262, and the spray gun 23 is fixed to the lower end of the cover 263. The spray gun 23 is fixed to the second base plate 262 via the cover 263 so that the spray direction of the nozzle 23d is directed toward the rotation axis C. However, since the second base plate 262 can be offset with respect to the first base plate 261 by the above-mentioned linear guide 281 and fluid pressure cylinder 282, the position of the tip of the nozzle 23d of the spray gun 23 can be adjusted with respect to the rotation axis C. can be adjusted horizontally.

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 nozzle 23d is set on the line of the rotation axis C shown in FIG. 4 to a position away from the rotation axis C as shown in FIG. The diameter D becomes smaller. Since the opening 16a of the intake port 16 has a larger diameter than the opening 17a of the exhaust port 17, when forming the valve seat film 16b on the opening 16a of the intake port 16, the rotation axis C shown in FIG. If the valve seat film 17b is formed at the opening 17a of the exhaust port 17, the valve seat film 17b may be located at a position away from the rotation axis C shown in FIG.

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 gas line 21b that guides the high pressure gas of 3 to 10 MPa supplied from the compressed gas cylinder 21a shown in FIG. It hangs down from the top of the base plate 26 attached to the hand 251 of the industrial robot 25 and reaches the spray gun 23 . In the vicinity of the base plate 26 between them, as shown in FIG. 4, they are separated and connected via a rotary joint 21k such as a swivel joint, and a heater 21i is provided below. The working gas line 21b from the rotary joint 21k to the chamber 23a shown in FIG. are being arranged. The working gas line 21b may be formed in advance into, for example, a spiral shape so as to surround the rotating shaft C. However, since a high pressure hose that can withstand high pressures of 3 to 10 MPa is hard and has shape retention properties, A shape retaining mold may be provided on the outer periphery so that the hose follows the spiral shape.

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 powder supply line 22c that guides the raw material powder supplied from the raw material powder supply device 22a shown in FIG. 3 to the spray gun 23 is arranged around the industrial robot 25 as a tube bundle 20 shown in FIG. It hangs down from the top and reaches the spray gun 23. Below the base plate 26 between them, the raw material powder supply line 22c is constituted by piping including a metal tube and a metal joint, and is connected to the chamber 23a of the spray gun 23, as shown in FIG.

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。 Power supply lines 21j, 21j that lead the power supplied from the power source 21h shown in FIG. 3 to the heater 21i are arranged around the industrial robot 25 as a tube bundle 20 shown in FIG. , are connected to the heater 21i. Further, a signal line 23g that outputs a detection signal from the pressure gauge 23b shown in FIG. 3 to a controller (not shown) and a signal line 23h that outputs a detection signal from the thermometer 23c to a controller (not shown) The chamber 23a of the spray gun 23 is guided from the chamber 23a of the spray gun 23 to the second base plate 262 by passing through the pipe including a metal pipe and a metal joint, and is connected to the other working gas line 21b, the raw material powder supply line 22c, and the electric power. Together with the supply line 21j and the like, it is routed from the top of the base plate 26 to the periphery of the industrial robot 25.

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 introduction pipe 274 and a discharge pipe 275 that guide the refrigerant supplied from the refrigerant circulation circuit 27 shown in FIG. 3 to the nozzle 23d of the spray gun 23 are arranged around the industrial robot 25 as a tube bundle 20 shown in FIG. It hangs down from the upper part of the base plate 26 and is connected to a refrigerant introduction part 23e at the tip of the nozzle 23d and a refrigerant discharge part 23f at the base end of the nozzle 23d. Below the base plate 26 between them, the introduction pipe 274 and the discharge pipe 275 are constructed of piping including a metal pipe and a metal joint, and are connected to the nozzle 23d of the spray gun 23, as shown in FIG.

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 gas line 21b, which is made up of a high-pressure hose that is hard and has high deformation rigidity, has its rotary joint 21k arranged on the axis of rotation C as shown in FIG. It is arranged along the rotation axis C so as to surround it. In addition, other than the working gas line 21b, the power supply lines 21j, 21j, the raw powder supply line 22c, the refrigerant introduction pipe 274 and the discharge pipe 275, and the signal lines 23g, 23h are connected to the rotation axis C, as shown in FIG. It is arranged at a position surrounding the working gas line 21b.

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 cylinder head 12 including the valve seat films 16b and 17b will be described. FIG. 9 is a process diagram showing the processing steps of the valve portion in the method of manufacturing the cylinder head 12 of this embodiment. As shown in the figure, the method for manufacturing the cylinder head 12 of this embodiment includes a casting process S1, a cutting process S2, a coating process S3, and a finishing process S4. Note that processing steps other than those for the valve portion will be omitted for the purpose of simplifying the explanation.

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 intake port 16, an exhaust port 17, etc. formed in the main body is cast. The intake port 16 and the exhaust port 17 are formed by a sand core, and the recess 12b is formed by a mold. FIG. 10 is a perspective view of the cylinder head blank 3 cast in the casting process S1, viewed from the side of the mounting surface 12a to the cylinder block 11. The cylinder head blank 3 includes four recesses 12b, and two intake ports 16 and two exhaust ports 17 provided in each recess 12b. The two intake ports 16 and the two exhaust ports 17 of each recess 12b are gathered into one in the cylinder head blank 3 and communicate with openings provided on both sides of the cylinder head blank 3, respectively.

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 cylinder head blank 3 taken along the line XI-XI in FIG. 10, and shows the intake port 16. The intake port 16 is provided with a circular opening 16a exposed within the recess 12b of the cylinder head blank 3.

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 rough material 3 is milled using an end mill, a ball end mill, or the like to form an annular valve seat portion 16c in the opening 16a of the intake port 16, as shown in FIG. The annular valve seat portion 16c is an annular groove serving as the base shape of the valve seat film 16b, and is formed on the outer periphery of the opening 16a. In the method for manufacturing the cylinder head 12 of this embodiment, a film is formed by spraying the raw material powder P onto the annular valve seat portion 16c by a cold spray method, and the valve seat film 16b is formed based on this film. Therefore, the annular valve seat portion 16c is formed to be one size larger than the valve seat membrane 16b.

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 valve seat portion 16c of the cylinder head rough material 3 using the cold spray device 2 of this embodiment to form the valve seat film 16b. More specifically, in this covering step S3, after attaching the masking member 5 to the mounting surface 12a of the cylinder head blank 3, as shown in FIG. 23d in the same posture and at a constant distance, while fixing the cylinder head rough material 3, the spray gun 23 is rotated at a constant speed so that the raw material powder P is sprayed all around the annular valve seat part 16c. .

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 surface 12a of No. 3, etc. In particular, if the raw material powder P adheres to the surface of the mounting surface 12a of the cylinder head rough material 3 that contacts the cylinder block 11, the positioning accuracy in the subsequent manufacturing process may decrease, or the assembly accuracy of the finished engine product may deteriorate. or decrease. Further, if the raw material powder P adheres to the engine cooling water passage hole formed in the mounting surface 12a of the cylinder head rough material 3, the passage hole may be blocked or the hole diameter may become small. In this way, the masking member 5 shields the part where the raw material powder P adheres and causes a problem in the subsequent process.

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 nozzle 23d of the spray gun 23 is held by the hand 251 of the industrial robot 25 above the cylinder head 12 fixed to the base 45. As shown in FIG. 4, the base 45 or the industrial robot 25 is mounted on the cylinder head 12 or the sprayer so that the center axis Z of the intake port 16 on which the valve seat film 16b is formed is vertical and overlaps the rotation axis C. Set the position of gun 23. In this state, the spray gun 23 is rotated around the C axis by the motor 29 while spraying the raw material powder P from the nozzle 23d onto the annular valve seat portion 16c, thereby forming a film around the entire circumference of the annular valve seat portion 16c.

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 nozzle 23d introduces the refrigerant supplied from the refrigerant circulation circuit 27 into the flow path from the refrigerant introducing portion 23e. The refrigerant cools the nozzle 23d while flowing from the front end to the rear end of a flow path formed inside the nozzle 23d. The refrigerant that has flowed to the rear end of the flow path is discharged from the flow path and recovered by the refrigerant discharge section 23f.

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 spray gun 23 completes one rotation around the C-axis and the formation of the valve seat film 16b is completed, the rotation of the spray gun 23 is temporarily stopped. While the rotation is stopped, the industrial robot 25 moves the spray gun 23 so that the central axis Z of the intake port 16, on which the valve seat membrane 16b is next formed, coincides with the reference axis of the industrial robot 25. After the industrial robot 25 finishes moving the spray gun 23, the motor 29 restarts the rotation of the spray gun 23 to form the valve seat film 16b at the next intake port 16. Thereafter, by repeating this operation, valve seat films 16b and 17b are formed on all the intake ports 16 and exhaust ports 17 of the cylinder head blank 3. Note that when the formation target of the valve seat film is switched between the intake port 16 and the exhaust port 17, the inclination of the cylinder head rough material 3 is changed by the base 45. Once the coating has been formed on all the annular valve seat portions 16c, the masking member 5 is removed from the mounting surface 12a of the cylinder head blank 3.

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 nozzle 23d of the cold spray device 2 moves through each opening of the intake port 16 and the exhaust port 17 in the film forming method according to the present invention. FIG. 3 is a plan view of No. 3. The nozzle 23d is moved relative to the openings 16a of the eight intake ports 16 and the openings 17a of the eight exhaust ports 17 of the cylinder head blank 3 shown in FIG. 16 along the movement trajectory MT shown by the arrow. Note that although the movement trajectory MT for the intake port 16 will be described below, the movement trajectory for the exhaust port 17 is also set in the same way.

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 nozzle 23d rotates 360 degrees clockwise with respect to one intake port 16, it rotates 360 degrees counterclockwise with respect to the next intake port 16. Then, the nozzle 23d moves repeatedly clockwise and counterclockwise with respect to the eight intake ports 16. That is, the nozzle 23d rotates counterclockwise to the four intake port openings 16a8, 16a6, 16a4, and 16a2 shown in FIG. 16, and rotates counterclockwise to the remaining four intake port openings 16a7, 16a5, and 16a3. , 16a1, it rotates clockwise.

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 intake ports 16 is composed of a circular locus T for each of the annular valve seat portions 16c of each intake port 16, and a connection locus CT connecting adjacent circular loci T. , is considered to be a series of continuous trajectories. Then, the nozzle 23d is moved along the movement trajectory MT while continuously injecting the raw material powder from the nozzle 23d without interruption. Note that the circular trajectory T for one annular valve seat portion 16c starts from the film-forming start point, moves clockwise or counterclockwise, wraps at the film-forming start point, and makes this lap part the film-forming end point. . Note that illustration of the masking member 5 is omitted in FIG. 16.

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 intake port 16 located at the lower right of FIG. 16. The masking member 5 is held by a robot or the like, for example, and is attached to the mounting surface 12a of the cylinder head blank 3 so as to cover the outer periphery of the recess 12b of the cylinder head blank 3 where the film is to be formed. The illustrated masking member 5 is composed of a plate in which an opening corresponding to the diameter of a cylinder including two intake ports and two exhaust ports is formed. (A), (B), and (C) shown in FIG. 17 are movement trajectories corresponding to each cylinder head raw material 3 when film formation is applied to each different cylinder head raw material 3 that is manufactured continuously. Indicates MT. Note that the following movement trajectory MT is taught in advance to the control device of the industrial robot 25 to which the spray gun 23 is attached.

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 cylinder head blank 3, as shown in FIG. 17(A), the movement trajectory MT of the opening 16a8 of the intake port 16 relative to the annular valve seat portion 16c is from the right end to the left in the figure. The nozzle 23d is moved linearly to the lower left of the annular valve seat portion 16c, and this is set as the turning point TP1a of the first layer. Then, the direction is changed at the turning point TP1a, and the nozzle 23d is moved diagonally upward and to the right toward the annular valve seat portion 16c, and then the nozzle 23d is rotated counterclockwise along a circular trajectory T with this as the starting point for film formation. Then, the film formation end point that overlaps with the film formation start point is set as the turning point TP2a of the second layer, and the direction is changed, and the nozzle 23d is moved in the direction of the opening 16a7. At this time, the turning point TP1a is set to be above the connection locus CT1 and above the masking member 5.

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 raw material 3, as shown in FIG. 17(B), the movement trajectory MT of the opening 16a8 of the intake port 16 with respect to the annular valve seat portion 16c crosses the turning point TP1b of the first layer. It is to be set on the masking member 5 on the connection locus CT1 and on the left side of the position (TP1a) set in FIG. On the other hand, in the third cylinder head blank 3, as shown in FIG. 17(C), the movement locus MT of the opening 16a8 of the intake port 16 with respect to the annular valve seat portion 16c crosses the turning point TP1c of the first layer. It is set above the connection locus CT1 and further to the left of the positions (TP1a, TP1b) set in FIGS. At this time, the turning points TP2b and TP2c of the second layer in FIGS. 17(B) and 17(C) may be at the same position as the turning point TP2a set in FIG. 17(A). Note that the turning points TP1a, TP1b, TP1c, TP2a, TP2b, and TP2c refer to points on the movement trajectory MT where the movement speed of the nozzle 23d decreases to zero or a value close to zero, and the movement trajectory is at a right angle or an acute angle (≦ 90°). As a result, when forming a film on a plurality of cylinder head raw materials 3, the folding points TP1a, TP1b, and TP1c are dispersed and set at different positions on the masking member 5, and the raw material powder P is applied to the masking member 5. can be prevented from being deposited in specific locations.

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 intake port 16 located at the lower right of FIG. 16. (A), (B), and (C) shown in FIG. 18 illustrate each cylinder head rough material when film formation is applied to each different cylinder head rough material 3 that is manufactured continuously, as in FIG. 17. 3 shows a movement trajectory MT corresponding to No. 3.

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 cylinder head blank 3, as shown in FIG. 18(A), the movement trajectory MT of the opening 16a8 of the intake port 16 with respect to the annular valve seat portion 16c is from the right end to the left in the figure. The nozzle 23d is moved linearly to the lower left of the annular valve seat portion 16c, and this is set as the turning point TP1a of the first layer. Then, the direction is changed at the turning point TP1a, and the nozzle 23d is moved diagonally upward and to the right toward the annular valve seat portion 16c, and then the nozzle 23d is rotated counterclockwise along a circular trajectory T with this as the starting point for film formation. let At this time, the nozzle 23d is moved linearly to the lower right of the annular valve seat portion 16c after passing through the film formation end point that overlaps with the film formation start point, and this is set as the turning point TP2a of the second layer. Then, the direction is changed at the turning point TP2a, and the nozzle 23d is moved toward the opening 16a7.

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 raw material 3, as shown in FIG. 18(B), the movement trajectory MT of the opening 16a8 of the intake port 16 with respect to the annular valve seat portion 16c is the turning point TP1b of the first layer. is set on the connection locus CT1 and on the masking member 5 to the left of the position (TP1a) set in FIG. Furthermore, the turning point TP2b of the second layer is set on the connection locus CT2 and on the masking member to the right of the position (TP2a) set in the same figure (A). . By the same method, in the movement trajectory MT for the third cylinder head rough material 3, shown in FIG. (TP1a, TP1b) is set on the masking member 5 further to the left, and the turning point TP2c of the second layer is set at the position (TP2a, TP2b) set in (A) and (B) of the same figure. It is set on the masking member 5 further to the right.

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 nozzle 23d with respect to the masking member 5 in the film forming method according to the present invention, and FIG. 20 is an enlarged view showing the section XX in FIG. 19(B). The masking member 5 of the present invention may be used as it is with a uniform or uniform thickness as shown in FIG. 19(A), but if necessary, as shown in FIG. 19(B) and FIG. It may also be used by forming recesses 51 on the surface. The recesses 51 provided on the surface of the masking member 5 are formed in a range corresponding to the turning points TP1a, TP1b, TP1c of the first layer in the connection trajectory CT1 and the turning points TP2a, TP2b, TP2c of the second layer in the connection trajectory CT2. . At these turning points, the moving speed of the nozzle 23d decreases to zero or a value close to zero, so the injection of the raw material powder P is concentrated and the film is deposited the most. By forming the recesses 51 in advance in locations where the film is likely to accumulate, as shown in FIG. 20, it is possible to smooth out the upheaval on the surface of the masking member 5 due to the accumulation of the raw material powder P.

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V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VSinθ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 nozzle 23d with respect to the masking member 5 is set so that the recess 51 is formed on the surface of the masking member 5, as shown in FIG. 19(B). The discharge angle is smaller than the discharge angle θ1 (≦90°) in the case where no discharge angle is used. FIG. 22 is a graph showing the relationship between the particle velocity V 0 of the raw material powder P and the inclination (discharge angle θ) of the nozzle 23 d with respect to the discharge surface on the discharge surface where the raw material powder P is discharged. As shown in FIG. 22, the velocity component perpendicular to the discharge surface is proportional to the deposition rate of the raw material powder P. That is, when the discharge angle θ of the nozzle 23d is θ=90°, the vertical velocity component has the largest value, and the deposition rate of the raw material powder P becomes the highest. On the other hand, if the discharge angle θ of the nozzle 23d is 0≦θ<90° or 90<θ≦180°, the velocity component perpendicular to the discharge surface is V 0 Sin θ, so the discharge angle θ is smaller than 90°. As the velocity component decreases, the deposition rate of the raw material powder P decreases. Thereby, the adhesion rate of the raw material powder P adhering to the surface of the masking member 5 can be lowered, and as a result, it is possible to suppress the raw material powder P from being thickly deposited on a specific location of the masking member 5.

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 nozzle 23d and the annular valve seat portion 16c in the film forming method according to the present invention, and FIG. 21(B) is a sectional view showing the discharge angle with respect to the nozzle 23d and the masking member 5. FIG. In this embodiment, when the nozzle 23d moves on the movement path MT, the raw material powder P is discharged at an ejection angle with respect to the discharge surface on which the raw material powder P is discharged, that is, the raw material powder P is discharged with respect to the masking member 5 at a discharge angle θ4 (FIG. 21 (B)) is made smaller than the discharge angle θ3 (see FIG. 21(A)) with respect to the annular valve seat portion 16c which is the film-forming portion, thereby reducing the thickness of the film deposited on the masking member 5. It is.

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 valve seat portion 16c at the discharge angle θ3, but the width W2 of the coating formed at the discharge angle θ4 is The thickness of the film can be made thinner than the thickness of the film formed at the discharge angle θ3. As a result, it is possible to further suppress the raw material powder P from accumulating on the masking member 5.

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 valve seat films 16b, 17b, the intake port 16, and the exhaust port 17 are finished. In finishing the valve seat films 16b and 17b, the surfaces of the valve seat films 16b and 17b are cut by milling using a ball end mill, and the valve seat films 16b are shaped into a predetermined shape. In addition, in finishing the intake port 16, a ball end mill is inserted into the intake port 16 from the opening 16a, and the inner circumferential surface of the intake port 16 on the opening 16a side is cut along the processing line PL shown in FIG. . The processing line PL is a region in which a relatively thick surplus film SF is formed by scattering and adhering the raw material powder P into the intake port 16, and more specifically, a region where the surplus film SF has an effect on the intake performance of the intake port 16. This is the range where the thickness is formed to a certain degree.

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 intake port 16 due to casting, and also removes the excess film SF formed in the coating step S3. FIG. 15 shows the intake port 16 after the finishing step S4. The exhaust port 17, like the intake port 16, is formed by forming a small diameter part inside the exhaust port 17 by casting, forming an annular valve seat part by cutting, cold spraying the annular valve seat part, and finishing. After that, the valve seat film 17b is formed. Therefore, a detailed explanation of the procedure for forming the valve seat film 17b for the exhaust port 17 will be omitted.

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 cylinder head blanks 3, the masking member 5 set for the current cylinder head blank 3 is Since the turning point TP1b is set at a different position from the position TP1a set for the previous cylinder head rough material 3, it is possible to suppress the raw material powder P from being deposited at a specific location on the masking member 5. Can be done.

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 nozzle 23d with respect to the masking member 5 is smaller than 90°. Therefore, the adhesion rate of the raw material powder P can be lowered, and as a result, it is possible to suppress the raw material powder P from being thickly deposited on a specific location of 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 valve seat portion 16c, which is the part to be deposited. The thickness of the coating becomes thinner, and the deposition of the raw material powder P on the masking member 5 can be further suppressed.

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... Internal combustion engine 11... Cylinder block 11a... Cylinder 12... Cylinder head 12a... Mounting surface 12b... Recessed part 12c, 12d... Side surface 13... Piston 13a... Connecting rod 13b... Top surface 14... Crankshaft 15... Combustion chamber 16... Intake port 16a...Opening part 16b...Valve seat membrane 16c...Annular valve seat part 17...Exhaust port 17a...Opening part 17b...Valve seat membrane 18...Intake valve 18a...Valve stem 18b...Valve head 18c...Valve guide 19...Exhaust valve 19a... Valve stem 19b...Valve head 19c...Valve guide 2...Cold spray device 21...Gas supply section 21a...Compressed gas cylinder 21b...Working gas line 21c...Carrying gas line 21d...Pressure regulator 21e...Flow rate control valve 21f...Flow meter 21g... Pressure gauge 21h...Power source 21i...Heater 21j...Power supply line 21k...Rotary joint 22...Raw material powder supply unit 22a...Raw material powder supply device 22b...Measuring instrument 22c...Raw material powder supply line 23...Spray gun 23a...Chamber 23b...Pressure Total 23c... Thermometer 23d... Nozzle 23e... Refrigerant introduction part 23f... Refrigerant discharge part 23g... Signal line 24... Base material 24a... Film 25... Industrial robot 251... Hand 252... Bracket 26... Base plate 261... First base plate 262... Second base plate 263...Cover 27...Refrigerant circulation circuit 271...Tank 272...Pump 273...Cooler 274...Introduction pipe 275...Discharge pipe 28...Offset mechanism 281...Linear guide 282...Fluid pressure cylinder 29...Motor 291...Drive shaft 3 ...Cylinder head rough material 4...Film forming factory 41...Transport booth 42...Film forming booth 43, 44...Door 45...Base 5...Masking member 51...Concavity MT...Trajectory of movement T...Trajectory of film forming part CT1, CT2 …Connection trajectory TP1, TP2…turning point

Claims (4)

互いに連続しない複数の被成膜部を有するワークのうち前記被成膜部以外の一部または全部を覆うマスキング部材を前記ワークに取り付けたのち、前記ワークとコールドスプレー装置のノズルとを、前記複数の被成膜部に対する軌跡と、当該複数の被成膜部に対する軌跡を連結する接続軌跡とで構成される連続した移動軌跡に沿って、前記ノズルから原料粉末を連続して噴射しながら、相対的に移動させ、
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. .
前記マスキング部材は、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請求項1に記載の成膜方法。 2. The film forming method according to claim 1, wherein the masking member is made of a ceramic material containing at least one of alumina, zirconia, titanium nitride, and silicon dioxide. 前記マスキング部材は、前記折り返し点に相当する表面の所定範囲に、凹部が形成されている請求項1又は2に記載の成膜方法。 3. The film forming method according to claim 1, wherein the masking member has a recess formed in a predetermined range of the surface corresponding to the folding point. 前記折り返し点において、前記ノズルによる前記原料粉末の吐出角度は、前記被成膜部に対する前記原料粉末の吐出角度より小さい請求項1~3のいずれか一項に記載の成膜方法。 4. The film forming method according to claim 1, wherein at the turning point, a discharge angle of the raw material powder by the nozzle is smaller than a discharge angle of the raw material powder with respect to the film-forming target portion.
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