JPH0196407A - チタン合金製エンジンバルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、耐久性の優れ、長期間の使用にも十分に満
足できるチタン合金製エンジンバルブに関するものであ
る。

〈背景技術〉 ガソリン機関に代表される一般の内燃機関では、通常、
吸・排気制御のために第４図で示すような吸・排気弁（
エンジンバルブ）が使用されている。

そして、このエンジンバルブの材料には、従来、高温並
びに苛酷な腐食・摩耗環境に対処すべく耐熱鋼を採用す
るのが一般的であったが、最近になり、比重が約４．５
と耐熱鋼の７．８〜８程度に比べて格段に低いため重量
を従来のものの６０％程度に軽減できるチタン合金が注
目を集めるようになってきた。なぜなら、軽量であるが
故に敏速な作動が可能なチタン合金製エンジンバルブは
エンジンの円滑な回転数アップを可能にし、エンジン出
力の更なる向上をもたらすからであった。

しかしながら、反面、このようなチタン合金製エンジン
バルブには ＋ａｌ　　軸端（第４図に符号３１で示す）面の摩耗が
大きい、 ｆｂｌ　　軸部３２の“焼付”、“かじり”及び“摩耗
”が目立つ、 （Ｃ）　　傘部のシート面（フェース面）３３に摩耗が
生じ易い、 と言う問題が指摘されてもいたのである。

ただ、エンジンバルブ軸端部の摩耗については該軸端に
Ｃｒ　−Ｍｏ鋼のチップを摩擦溶接したりステライトチ
ップをろう付けする手段や、軸端部に浸炭処理を施す手
段が有効であることが見出され、一方、軸部の焼付防止
にはＭｏ溶射が効果的な手段であることが明らかとなっ
てそれぞれの対策がとられるようになったが、シート面
の摩耗対策については効果的な手段が見付かっていない
のが現状であった。その上、軸部の焼付防止に適用され
るＭａｉｌ射もコスト面から見れば決して有利な手段と
は言えず、それに匹敵する効果の得られる別の対策が要
望されてもいたのである。

もっとも、このチタン合金製エンジンバルブにおける傘
部シート面の摩耗は実際上それほど短かい時間に進行す
るものではなく、短時間使用が原則であるレーシングカ
ー等の場合にはそれほど問題にならないものではあった
。しかしながら、長期間の使用が当然であり、しかもノ
ンメンテナンスが要求される量産車では上記シート面の
摩耗は大きな問題であり、そのため、前記傘部シート面
に耐摩耗処理を施すのではなく、これに対向・接触する
シリンダーヘッド側のバルブシート材質をチタン合金に
合わせて例えば銅系のものにする等の対策も検討された
が、その結果は十分に満足できるものではなかった。

〈発明が解決しようとする問題点〉 そこで、この発明は、良好な性能が期待されるチタン合
金製エンジンバルブに未解決な“傘部シート面の効果的
な耐摩耗対策”を見出すと共に、併せて“より廉価な軸
部の焼付防止策”をも提供しようとするものである。

く問題点を解決するための手段〉 そして、上述のような観点から進められた本発明者等の
研究結果は、次に示すような技術的事項を明らかにする
こととなった。即ち、 ■　チタン合金製エンジンパルプの傘部シート面に摩耗
が生じ易い原因は ａ）チタン合金の熱伝導率が低いために、バルブ傘部の
シート面とシリンダーヘッド側のシート材との衝撃で発
生する熱が衝撃面近傍に蓄積され、傘部シート面の温度
上昇を引き起こし易い。

ｂ）チタン合金は耐熱鋼に比べて硬度が低いため、バル
ブの傘部シート面が衝撃を受けるとミクロ的な塑性変形
を起こして“むしれ”を生じ易い。

点にあり、これの解消なくしては十分な耐摩耗を付与す
ることができないこと、 ■　ところが、チタン合金製エンジンバルブの傘部シー
ト面にＮｉＯ薄層を設けると、ＮｉはＴｉに比べて熱伝
導率が高いため、シリンダーヘッド例のシート材との衝
撃で発生する熱が局部的に蓄積されずに速やかに分散さ
れることとなり、傘部シート面近傍におけるチタン合金
の温度上昇が軽微になってミクロ的な塑性変形を生じる
恐れがなくなること、 ■　ただ、Ｎｉの場合も、単にそのまま薄層として用い
ただけでは硬度が十分でないので衝撃時の“むしれ”に
よる摩耗が懸念されるが、ＰやＢ等を微量添加したＮｉ
合金の形態で使用すれば、簡華な加熱処理を施すだけで
Ｎｉ：＋　ＰやＮｉ、Ｂ等の金属間化合物を析出して表
面硬度が容易にＨ’ｖ６００以上にまで向上し、十分な
耐摩耗性を示すようになること、 ■　また、前記Ｎｉ合金層は処理の容易な無電解メッキ
法によって設けられたもので十分であり、非常に薄くて
も所期の目的が十分に達成されること、 ■　該メッキの範囲をチタン合金製エンジンバルブ本体
の傘部だけとしてもバルブの耐久性改善に著効があるが
、傘部と共に軸部をも被覆すると、Ｍｏ溶射による軸部
の摩耗対策を施すことなく該軸部の耐焼付性をも十分に
満足できる域にまで改善できること。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、
第１図に略示するように、「チタン合金製エンジンバル
ブを、チタン合金製バルブ本体１の表面に厚みが１０〜
１００μｍでヴィッカース硬さが６００以上のＮｉ合金
無電解メッキ層２を設けて成る構成することにより、該
バルブ本体シート面３の耐摩耗性、更にはバルブ本体軸
部４表面の耐焼付性・耐かじり性を改善し、その使用寿
命を顕著に延命化した点」に特徴を有するものである。

ここで、バルブ本体に適用されるチタン合金としては、
Ｔｉ−６Ａｆ−４Ｖ系、　Ｔｉ　−６Ａｉ！　−６Ｖ　
−２Ｓｎ系、Ｔｉ−６八ｉｔ　−２５ｎ　−４Ｚｒ　−
２Ｍｏ系、Ｔｉ−６Ａｆ−２Ｓｎ−−４Ｚｒ　−６Ｍｏ
系、　Ｔｉ−１０Ｖ　−２Ｆｅ　−３Ａｆ系。

Ｔｉ　−５Ａｊ！　−２，５Ｓｎ系、Ｔｉ−８Ａｆ　　
ＩＭｏ　　１系。

Ｔｉ　　１３Ｖ　　１１Ｃｒ　　３Ａｊ！系、Ｔｉ　　
３Ａｆ　　８Ｖ−６Ｃｒ−４Ｍｏ−４Ｚｒ系、　Ｔｉ　
−８Ｍｏ　−８Ｖ　−２Ｆｅ　−３八２系。

Ｔｉ　　１１．５Ｍｏ　−６Ｚｒ−４，５Ｓｎ系、　Ｔ
ｉ−１５Ｖ　−３Ａｊ！　　３Ｓｎ−３Ｃｒ系等の高力
タイプのものであれば何れを採用しても良い。

そして、バルブシート面に優れた耐摩耗性を付与し、更
にはバルブ軸部表面の耐焼付性・耐かじり性をも改善す
るためのメッキ材質としては、十分な熱伝導性を有する
とと共に無電解メッキによって密着性の優れたメッキ層
を形成できるＮｉ合金であって、かつメッキ層の硬度を
ヴイフカース硬さで６００以上となし得るものであれば
格別に種類が問われるものではないが、好ましくは無電
解メッキが容易であって、簡単な熱処理にてＮ１ｆｆＰ
又はＮｉ３Ｂ、を析出して硬化するＮ１−Ｐ合金或いは
Ｎ１−Ｂ合金を適゛用するのが良い。

なお、本発明において、チタン合金製バルブ本体に設け
るメッキ層の厚みを１０〜１００μｍと限定したのは、
該メッキ層の厚みが１０μｍ未満ではバルブとして十分
に満足できる耐摩耗性が確保できず、一方、該厚みが１
００μｍを超えるとメッキ層内部に発生する残留応力の
ためにメッキ層の剥離が生じるためである。

また、上記メッキ層の硬さをヴィッカース硬さで６００
以上と定めたのは、メッキ層の硬さがＨｖ６００を下回
ると所望の耐摩耗性が得られないからである。

ところで、本発明では無電解メッキ方法やメッキ条件が
特に規定されるものではなく、また硬質化のためにメッ
キ後の熱処理を要する場合でも熱処理条件に格別な制限
はない。なぜなら、メッキ条件や熱処理条件に係わらず
、メッキ厚を１０〜１００μｍに調整すると共に、メッ
キ層の硬さ：Ｈｖ６００以上を確保しさえすれば、チタ
ン合金製バルブは十分な耐摩耗性を示すからである。し
かも、上記条件のメッキ層はバルブシート面の耐摩耗性
を向上するだけではなく、軸部の焼付やかじり防止にも
十分な効果を発揮することは前述した通りである。

このようなメッキを施す範囲はチタン合金製バルブ本体
の傘部だけでも良いが、傘部と軸部の両者をメッキ層で
覆うようにすれば、実際使用に当って軸部の耐摩耗性（
耐焼付性、耐かじり性）改善のためのＭｏ溶射を施す手
間が省けるので好都合である。なお、場合によっては、
軸部だけにヴィッカース硬さ：６００以上のＮ１−Ｐ合
金やＮｉＢ合金等の無電解メッキ層を施すのみでも、該
部分の耐摩耗性（耐焼付性、耐かじり性）をＭｏ溶射材
と同程度に改善できることは言うまでもない。

このように、本発明に係るチタン合金製エンジンバルブ
は、バルブ本体表面に１０〜１００μｍ厚でヴイソカー
ス硬さが６００以上のＮｉ合金無電解メッキ層を設けて
成るものであるが、実使用に当っては、軸端にＣｒ　−
Ｍｏ１Ｊやステライトのチップを接合する等によって軸
端部の摩耗対策が施される。なお、軸部については、前
記メッキ層の代わりにＭｏを溶射する等の他の手段にて
焼付防止等の対策を講じても良いことは言うまでもない
。

〈作用〉 上述のように、シート面に硬質のＮｉ合金メッキ層を設
けた本発明のチタン合金製エンジンバルブでは、熱伝導
率の良好なＮｉ合金メッキ層が存在するが故に、シリン
ダーヘッド側のシート材との衝撃で発生する熱が速やか
に逸散して局部的な蓄積を生じることがなく、従ってチ
タン合金製エンジンバルブ本体のシート面近傍部のミク
ロ変形を引き起こすことが防止される。また、このメッ
キ層はＨｖ６００以上の硬度を有しており、高温でも十
分に高い硬度を維持するので、高温環境下でも優れた耐
摩耗性、耐焼付性及び耐かじり性を発揮して高度の耐久
性がもたらされることとなる。

続いて、この発明を実施例により具体的に説明する。

〈実施例〉 実施例　１ まず、Ｔｉ−６Ａｉ’−４Ｖ合金及びＴｉ−６八１−２
Ｓ１−２Ｓｎ４Ｚｒ−２，１Ｓｉ合金製の、直径１０鶴
、長さ４０鶴の丸棒摩耗試験片端面に、第１表に示す種
々厚さ及び硬さのＮ１−Ｐ合金無電解メッキ又はＮ１−
Ｂ合金無電解メッキを施しく一部についてはメッキ無し
）、更に熱処理によって硬質化して（一部は熱処理を行
わず）摺動摩耗試験を実施した。また、１１厚Ｘ５０ｍ
ｍ幅×５０ｆｌ長の密着性試験片表面に同様の処理を行
い、メッキ密着性試験を実施した。

摺動摩耗試験は、第２図に示すようなピンオンディスク
試験装置によって行い、試験片５の端面を所定距離に亘
って相手材６と摺動させた後の重量減少により耐摩耗性
の程度を評価した。なお、このときの試験条件は 試験荷重：２ｋｇｆ、　　　摺動速度：　６２．８ｍ／
ｍｉｎ。

摺動距離：　　２．５Ｘ　１０３ｍ。

相手材：引張り強度が６０ｋｇｆ／ｍｍ”のハイテン鋼
。

であった。

また、メッキ密着性試験は第３図に示すようなデュポン
剥離試験装置を使用し、 試験荷重：１ｋｇｆ、　　撃ち型直径：　１２．５龍φ
。

型の落下高さ＝５０印。

なる条件でメッキ層の打撃を行い、試験後に打撃面での
メッキ層の剥離状態を調べて評価した。なお、第２図に
おいて、符号７はフレームを、８はガイドレールを、９
は重錘を、１０はピンを、１１は支柱を、１２はベツド
を、１３は水平調節ネジを、１４はあわ水準器を、１５
は撃ち型を、そして１６は受は台をそれぞれ示す。

この結果を第１表に併わせで示す。

第１表に示される結果からも明らかなように、無電解Ｎ
１−Ｐメッキ層又はＮ１−Ｂ層を施した後熱処理により
該メッキ層を所定硬度にまで硬質化した本発明材は、メ
ッキ層の密着性が良好で優れた耐摩耗性を示しており、
チタン合金製エンジンバルブシート面の耐摩耗性改善や
軸部の耐焼付性・耐かじり性改善に極めて有効な手段で
あることが理解できるのに対して、メッキ層の厚さが本
発明で規定する条件よりも薄い比較例１及び９や、メッ
キ層の硬さが本発明で規定する条件よりも低い比較例？
、　　８．１５．１６及び２０では耐摩耗性が従来材と
変わらず、一方、メッキ層の厚さが本発明で規定する条
件よりも厚い比較例５及び１３ではメッキの密着性が劣
っていて剥落する危険のあることが分かる。

実施例　２ Ｔｉ−６ＡＪ！−４Ｖ合金製及びＴｉ−６妓２Ｓｎ　　
４Ｚｒ−２Ｍｏ−０，１Ｓｉ合金製の、熱間鍛造により
第４図で示した如き、形状に一体成形したエンジンバル
ブを複数個準備した。

次いで、このエンジンバルブの一部について、傘部及び
軸部に前記第１表で示す種々の無電解メッキを行った後
、熱処理によってメッキ層の硬化を図った。

次に、これらのバルブとメッキを施さない従来材とをそ
れぞれ第３図で示すような動弁系の吸気系に組み込み、
実機によるエンジンテストを実施した。なお、第３図に
おいて、符号６はエンジンバルブ、７はシリンダヘッド
、８はシリンダヘッド側のシート材、９はバルブスプリ
ング、１０はリテーナ−、１１はリフター、そして１２
はカムをそれぞれ示す。

このときの試験条件は エンジン回転数：　１０００〜５０００ｒｐｍ。

試験時間：５００ｈｒ。

であり、試験後に摩耗深さを測定した。

この結果を前記第１表に併わせで示す。

第１表に示される実機テストの結果からも明らかなよう
に、本発明に係るチタン合金製エンジンバルブはシート
面に所定のメッキ層を有しない従来のエンジンバルブに
比べて格段に摩耗量が少なく、良好な耐摩耗性を示すこ
とが分かる。また、軸部の摩耗についても、本発明で規
定される条件のメッキ層を有するものはＭｏ溶射材と同
程度の良好な耐摩耗性を示すことが明瞭である。

〈効果の総括〉 以上に説明した如く、この発明によれば、従来のチタン
合金製エンジンバルブで問題となりでいたシート面の耐
摩耗性が著しく改善され、長期間のノンメンテナンス下
での使用が要求される量産車のエンジンに適用すること
が可能なチタン合金製エンジンバルブを提供することが
できる。その上、極く低いコストでもってバルブ軸部の
耐摩耗性向上を図ることもでき、量産車の出力向上に大
きく寄与し得るものである。しかも、本発明はチタン合
金製エンジンバルブのみか、スプリングとの摩耗が問題
となるバルブリテーナ−の耐久性向上の道をも開くもの
であり、これらの点からして産業上極めて有用な効果が
もたらされることば明瞭である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るチタン合金製エンジンバルブの
概要を示す説明図である。 第２図は、ピンオンディスク試験要領を示す概念図であ
る。 第３図は、デュポン剥離試験装置の概要図である。 第４図は、実機試験で使用した動弁系の概念図である。 第５図は、エンジンバルブの形状例を示す概略図である
。 図面において、 １・・・チタン合金製バルブ本体。 ２・・・Ｎｉ合金無電解メッキ層。 ３．３３・・・シート面、４．３２・・・軸部。 ５・・・試験片、　　　　６・・・相手材。 ７・・・フレーム、　　　８・・・ガイドレール。 ９・・・重錘、１０・・・ピン。 １１・・・支柱、１２・・・ベツド。 １３・・・水平調節ネジ、１４・・・あわ水準器。 １５・・・撃ち型、１６・・・受は台。 １７・・・エンジンバルブ、１８・・・シリンダヘッド
。 １９・・・シリンダヘッド側のシート材。 ２０・・・バルブスプリング、２１・・・リテーナ−１
２２・・・リフター、２３・・・カム。 ３１・・・軸端。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）チタン合金製バルブ本体表面に厚みが１０〜１０
   ０μｍでヴィッカース硬さが６００以上のＮｉ合金無電
   解メッキ層を設けて成ることを特徴とする、チタン合金
   製エンジンバルブ。
2. （２）Ｎｉ合金無電解メッキ層がチタン合金製バルブ本
   体の傘部表面に設けられて成る、特許請求の範囲第１項
   に記載のチタン合金製エンジンバルブ。
3. （３）Ｎｉ合金無電解メッキ層がチタン合金製バルブ本
   体の傘部表面と軸部表面とに設けられて成る、特許請求
   の範囲第１項に記載のチタン合金製エンジンバルブ。