JPH0249912A - セラミック製バルブ及びその製造方法 - 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、自動車等のエンジンに適用するセラミック
製バルブ及びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、セラミックバルブを作製するため、セラミック材
料の低質原料を、プレスにゴム型を“使用するラバープ
レス法即ちコールドアイソスタティックプレッシャ法（
ＣＩＰ）で固化し、外周を切削加工した上で焼成して作
製していた。しかしながら、前記コールドアイソスタテ
ィックプレッシャ法で作製するセラミックバルブについ
ては、セラミック原料である粉末の密度を密にするため
、一般に、５０〜１００　Ｋｇ／ｃｍ”の加圧力で固化
しているが、バルブ素材の形状が円筒形であるため、切
削量が多くなり、加工能率が悪くなるという問題点を有
している。また、バルブを竪型にして、型内に粉末を充
填する場合に、型内に粉末が入り難く、原料粉末の密度
が一様に且つ密に充填されないという問題がある。

近年、エンジンの出力特性を更に高めるためにその高速
回転化が一層追求されるようになってきた。このためカ
ムシャフトの高速回転に対してエンジンのバルブが十分
に追従するよう、バルブに対して、より高い応答性が要
求されている。バルブの応答を改善するには、主として
、バルブ自体の軽量化を図るか、或いはバルブスプリン
グの高強度化を図るかのいずれかの方法がとられる。そ
こで、バルブ自体の軽量化を図るという観点から軽材料
を採用するとすれば、特に排気バルブに関しては優れた
耐熱性が要求されることも考慮すると、セラミックスが
エンジンのバルブ材料として好適である。しかし、その
反面、セラミックスは衝撃に弱いという欠点を有してい
るため、特に傘部のバルブシートへの着座面やステム部
の端部がバルブの開閉時に外力を受けて破損等を起こす
。

このため、セラミックバルブの実用化のためには、これ
らの部分に対して破損防止対策を講じる必要がある。

そこで、本出願人は、エンジン用のセラミック製バルブ
の破損防止対策としては、例えば、特開昭６３−９４０
１２号公報に示されているようなセラミック製バルブを
提供した。該公報に開示された発明は、第２図に示すよ
うに、強度の小さいセラミック材料から成るバルブコア
２５の外周面に強度の大きいセラミック材料から成る外
側強化層２４を配設したセラミックバルブ２１、及びそ
の製造方法に関するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、セラミック材料の強度については、セラミッ
ク材料から成る構造体の内部に含まれているセラミック
粒子の間に点在する気孔の大きさ及び該気孔の分布状態
に依存すると言われている。

そこで、前掲特開昭６３−９４０１２号公報に開示した
ように、セラミック製バルブの最も応力がかかる表層部
には緻密なＭｌ織を配置しておけば、内部にはラフな組
織を配置しても該セラミック製バルブの強度を確保する
ことができる。ところが、エンジン用バルブのように過
酷な往復運動を行い、激しい熱影響を受ける構造部品で
は、大きな応力の受ける部位、厳しく熱影響を受ける部
位等がバルブ部分で異なっており、また形状変化の激し
いものである。このようなバルブの製作に当たってａ波
加工をできるだけ少なく、素材叫近い状態によって完成
させるためには、上記のようにバルブの表層部の緻密層
を確保しつつ、加工代を少なくすることのできるスリッ
プキャスティング法が最適である。ところで、エンジン
用バルブはコツタ溝が形成された部位で極めて大きな応
力を受けるものであり、この部位の強度を特に強くする
ためには上記に開示された製造方法では不十分であり、
特定の部位の強度を上げるには如何に構成したらよいか
の課題があった。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
バルブに対して衝撃荷重及び曲げ荷重が掛かって大きな
応力が作用するコツタ溝の部位を他の部分に比較して特
に緻密な表層面に構成して該コツタ溝の部分の強度を確
保し、信較性の高いセラミック製バルブを提供すること
である。

この発明の別の目的は、バルブのコツタ溝の部分の表層
部を特に緻密なセラミック層に形成し、機械加工をでき
るだけ少なくして素材に近い状態によって完成させるこ
とのできるセラミック製バルブの製造方法を提供するこ
とである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、上記の課題を解決し、上記の目的を達成す
るために、次のように構成されている。

即ち、この発明は、セラミ／り材料から成るバルブコア
の表層部に緻密な組織のセラミック材料から成る外側強
化層を形成し、更に前記バルブコアのコック溝の表層部
に一層緻密な組織のセラミック材料から成る外側強化層
を形成したことを特徴とするセラミック製バルブに関す
る。

また、この発明は、バルブコアをラフなセラミック組織
で成形し、次いで該バルブコアのコツタ溝の部分を粒子
密度の緻密な石こう又は他の材料から成る吸水性物質製
型に且つ他の部分を粒子密度の粗い石こう又は他の材料
から成る吸水性物質製型に設置し、前記バルブコアのバ
ルブヘッド側から前記各型と前記バルブコアとの間の隙
間に泥状セラミック材料を流し込むと共に、前記コック
溝が位置する前記型の外側から負圧吸引し、前記バルブ
コアの表層部に外側強化層を成形したことを特徴とする
セラミック製バルブの製造方法に関する。

〔作用〕

この発明によるセラミック製バルブは、以上のように構
成されており、次のように作用する。即ち、この発明は
、ラフな組織のセラミック材料から成るバルブコアのコ
ツタ溝の表層部を他の表層部に比較して一層緻密な組織
のセラミック材料から成る外側強化層に形成したので、
内部層に比べ外側強化層は高密度で高強度の組織になり
、所定の強度レヘルを保障でき、特に、前記コツタ溝の
部位の表層部は特に強度を確保されているので、該部位
に大きな応力がかかったとしても折損等が発生せず、信
頼性に冨んだ製品を提供できる。

また、この発明によるセラミック製バルブの製造方法は
、セラミックバルブコアをラフな組織の石こう型により
成形し、次いで該バルブコアのコツタ溝の部分を密度の
緻密な石こう又は他の材料から成る吸水性物質製型によ
り成形し、それらを組み立て、その隙間に泥状セラミッ
ク材料を流し込んだので、前記コツタ溝の部位の表層部
が特に緻密になり、掻めて密度の密な状態にして固化で
きる。また、前記コック溝が位置する前記石こう又は他
の材料から成る吸水性物質製型から負圧吸引したので、
前記石こう型とバルブコアとの間の隙間に前記泥状セラ
ミック材料がスムースに流入することができ、特に前記
コンタ溝が配置された前記型から水分が吸水され、緻密
なセラミック材料に固化される。即ち、微細原料の粒子
を含む泥漿を型に注入すると、吸水性により外表面は粒
子が重なって徐々に緻密となり、内部は粗い粒子が残る
。このことは、表層面が一種のフィルタの役目をして組
織が埋設して緻密な組織を作るからである。従って、型
の吸水性が高く、型の密度が細かい程表層面ば微細にな
るものである。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明によるセラミック製バ
ルブの一実施例を詳述する。

第１図において、この発明の一実施例であるセラミック
製バルブが符号Ｉによって全体的に示されており、この
セラミック製バルブ１は、ポペット弁であり、バルブヘ
ッド２とバルブステム３から構成されている。また、セ
ラミック製バルブ１は、バルブヘッド２及びバルブステ
ム３を構成する内部層であるバルブコア５、該バルブコ
ア５の表層部４に配設された緻密なｍ織の外側強化層、
並びにコンタ４６の表層部７に配設された一層緻密な組
織の外側強化層から成る。一般に、セラミック部品の強
度は、粒子サイズの種々異なる粒子が絡み合って組織間
を埋設することによって気孔が小さくなり、強度が向上
することが知られている。ここで述べているスリップキ
ャスティング法は上記の泥漿を吸水性のある型に注入す
ることにより成形するが、外周面４は吸水と共にセラミ
ック粒子が重なり合って緻密な層を形成するので、表層
部は吸水性が良ければ良い程緻密な層を作ることができ
る。バルブステム３の端部外周部には、弁ばね受けを止
めるためのコックを嵌合するコック／ＪＩ６が形成され
ており、該コック１１１６の断面形状を円弧状とするこ
とによってバルブスプリングの弾性力による応力集中を
避けている。上記各外側強化１！（４，７＞は、そのコ
ツタ溝６を含むバルブステム３全体と、バルブヘッド２
の部分とを覆う厚さ数ミリの層であり、衝撃荷重、曲げ
荷重等の作用で破損を起こし易いバルブステム３の端部
即ちコツタ溝６の形成された部分、及びバルブヘッド２
のバルブシートへの着座面即ちバルブフェースを保護し
ている。この発明によるセラミック製バルブ１は、特に
、バルブステム３のコツタ溝６の部分の表層部７をバル
ブステム３の他の部分の表層部４より一層緻密な組織に
構成した点を特徴としている。外側強化層は、緻密な組
織から成る窒化珪素等の強度の大きいセラミック材料か
ら成る。また、バルブコア５は、必然的にラフな組織か
ら成る窒化珪素等の強度の小さいセラミック材料から成
る。例えば、強度の大きいセラミック材料については、
粒子の細かい微粉末、即ち粒子径が０．５μ以下であり
且つα−３ｉ３Ｎａの含有率が９０％以上であり、不純
物として０．２％以下のＣａ　、０．２％以下のＦｅ等
を含んでいる原料粉末を焼成して構成したものであるが
、強度依存性は内部に含まれる気孔の大きさであること
は云うまでもない、また、強度の小さいセラミ・ツク材
料については、粒子の粗い微粉末、即ち粒子径が０．５
〜３μ範囲であり、α−３ｉ、Ｎ、の含有率が８０％以
上を含んでいる原料粉末を焼成して構成したものである
。

第１図は、セラミックバルブ１を製造する製造方法を説
明するための概略図である。この発明によるセラミック
製バルブの製造方法は、セラミックバルブコアをラフな
組織の石こう型により成形し、次いで、該バルブコア５
のコツタ（ｎ６の部分を粒子密度の緻密な石こう又は吸
水性物質製型（この実施例では、石こう型２０）より成
形し、それらを組み立て、その隙間１５に泥状セラミ７
り材料を流し込むと共に、コツタ溝６が位置する石こう
型２０の外側即ち排出口１３を通して負圧吸引し、バル
ブコア５の表層部７に外側強化層を成形し、セラミック
製バルブを製造する方法である。即ち、第１図に示す石
こう型２０を用いてバルブコア５の表層部４，７に緻密
な組織の外側強化層を形成する。この石こう型２０につ
いては、バルブコア５のコツタ溝６の部分を配置する部
分には密度の緻密な石こう型８が型ケース１０内の下側
に配置され、また、バルブコア５のコツタ溝６以外の部
分を配置する部分には密度の粗い石こう型９が型ケース
１０内の上側に配置されている。

更に、この石こう型２０でバルブをスリップキャスティ
ングで成形する場合には、バルブのバルブヘッド２が位
置する側を上に且つバルブのコツタａ６が位置する側を
下にして配置する。また、石こう型２０のバルブヘッド
２が位置する側の上端部には、窒化珪素等の泥状セラミ
ック材料を石こう型内に投入するための注入口１２が形
成され、バルブのコツタ溝６が位置する側の下端部には
、真空ポンプによって負圧吸引して吸水するための排出
口１３が形成されている。ラフな組織のバルブコア５を
成形した後、該バルブコア５を上記石こう型２０に図示
のように配置する。次いで、バルブコア５のバルブヘッ
ド２側から各石こう型８゜９とバルブコア５との間に形
成された隙間１５に、窒化珪素等の泥状セラミック材料
１１を注入口１２から流し込む、この時に、バルブのコ
ツタ溝６が位置する石こう型８の方から排出口１３を通
じて真空ポンプによって負圧吸引すると、石こう型８と
型ケース１０との間に負圧層１４が形成されるので、石
こう即ち吸水材の密度が緻密な石こう型８からの吸水が
一層促進される。このようにスリップキャスティングに
よってセラミック製バルブを成形すると、コツタ溝６の
表層部７には、バルブステム３及びバルブヘッド２の表
層部４に形成された緻密な組織より更に一層緻密な組織
の外側強化層が形成される。なお、窒化珪素等のセラミ
ック材料としては、例えば、強度の小さいセラミック材
料の原料としては、上記のように、粒子の粗い微粉末、
即ち粒子径が０．５〜３μ範囲であり、α−３ｉ　ｓ　
Ｎ　ａの含有率が８０％以上を含んでいる原料を使用し
、また、強度の大きいセラミック材料の原料、即ち粒子
の細かい微粉末、即ち粒子径が０．５μ以下であり且つ
α−３ｉ　３　Ｎ　ａの含有率が９０％以上であり、不
純物として０．２％以下のＣａ　、０．２％以下のＦｅ
等を含んでいる原料粉末を使用すればよい。更に、上記
のようにして形成した成形体を焼成すれば、セラミック
製バルブ１の外周部、特にコツタ溝６については、高宏
度で且つ高強度の組織となり、バルブに衝撃荷重、曲げ
応力等が加わっても折損等を発生しない信頼性に富んだ
セラミック製バルブｌを得ることができる。

〔発明の効果〕

この発明によるセラミック製バルブは、以上のように構
成したので、次のような効果を有する。

即ち、この発明は、セラミック材料から成るバルブコア
の表層部に緻密な組織のセラミック材料から成る外側強
化層を形成し、更に前記バルブコアのコツタ溝の表層部
に一層緻密なｍ織のセラミック材料から成る外側強化層
を形成したので、内部層に比べ外側強化層は高密度で高
強度の＆Ｉｌ織になり、所定の強度レベルを保障でき、
しかもコツタ溝の部位の表層部は特に強度を確保されて
いるので、該部位が応力を受けることによって折損等が
発生ずることがなく、信頼性に冨んだものとなる。

しかも、外側強化層は数ミリの厚さとすることができる
ので、強度の大きいセラミック材料を多量に使用する必
要がなく、しかも衝撃荷重や曲げ荷重が作用する時には
大きな応力は内部層まで及ばないので、高強度の外側強
化層の部分において作用して大きな応力に十分に耐え、
極めて廉価なバルブを得ることができるという利点があ
る。しかも、廉価なバルブであっても、最も大きな応力
を受ける位置を高密度で且つ高強度な外側強化層で構成
したので、バルブに掛かる衝撃荷重、曲げ荷重等によっ
て破損等を生じることがなく、橿めて信頼性の高いセラ
ミック製バルブを得ることができる。

また、この発明によるセラミック製バルブの製造方法は
、セラミックバルブコアをラフな組織の石こう型により
成形し、次いで該バルブコアのコック溝の部分を密度の
緻密な石こう又は他の材料から成る吸水性物質製型によ
り成形し、それらを組み立てその隙間に泥状セラミック
材料を流し込んだので、コツタ溝の部位の表層部が他の
部分に比較して特に緻密になり、極めて密度の密な状態
にして固化できて強度を確保できる。しかも、該部位の
機械加工をできるだけ少なくして素材に近い状態によっ
て完成させることのでき、バルブのコツタ溝は高密度で
且つ高強度の組織となる。また、前記コツタ溝が位置す
る前記型から負圧吸弓したので、前記型とバルブコアと
の間の隙間に前記泥状セラミック材料がスムースに流入
することができ、特に、前記コック溝が配置された前記
型から水分が吸水され、緻密なセラミック材料が固化さ
れ、バルブの前記コツタ溝の部位の表層部を高密度で且
つ高強度の組織にすることができ、曲げ応力が負荷され
ても折１員等が発生することがなく、信頼性に富むセラ
ミ、り製バルブを製作することができる。しかも、前記
コンタ溝の部分の切削加工は殆ど不要となり、加工能率
を極めて向上させることができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるセラミック製バルブを製造する
製造方法を説明するための断面図、及び第２図は従来の
セラミック製バルブを製造する製造方法を説明するため
の断面図である。 １−−−・−・セラミック製バルブ、２−−−一一パル
プヘッド、３−・−・バルブステム、４．　７−−−−
−表層部、５バルブコア、６−−−コソタ溝、８・−一
密度の緻密な石こう型、９−−一密度のネ■い石こう型
、１０　−型ケース、１１・　−泥状セラミック材料、
１２−　注入口、１３−　排出口、１５−ｍ−隙間、２
０−−石こう型。 第　　１ 図 出願人　　いす〜゛自動車株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミック材料から成るバルブコアの表層部に緻
   密な組織のセラミック材料から成る外側強化層を形成し
   、更に前記バルブコアのコッタ溝の表層部に一層緻密な
   組織のセラミック材料から成る外側強化層を形成したこ
   とを特徴とするセラミック製バルブ。
2. （２）セラミックバルブコアをラフな組織の石こう型に
   より成形し、次いで該バルブコアのコッタ溝の部分を粒
   子密度の緻密な石こう又は吸水性物質製型より成形し、
   それらを組み立て、その隙間に泥状セラミック材料を流
   し込むと共に、前記コッタ溝が位置する前記型の外側か
   ら負圧吸引し、前記バルブコアの表層部に外側強化層を
   成形したことを特徴とするセラミック製バルブの製造方
   法。