JPH03164505A - 内燃エンジン等用のセラミツク複合弁 - Google Patents

内燃エンジン等用のセラミツク複合弁

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JPH03164505A
JPH03164505A JP2239177A JP23917790A JPH03164505A JP H03164505 A JPH03164505 A JP H03164505A JP 2239177 A JP2239177 A JP 2239177A JP 23917790 A JP23917790 A JP 23917790A JP H03164505 A JPH03164505 A JP H03164505A
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valve
ceramic
fibers
bell
sleeving
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JP2239177A
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Philip L Berneburg
フイリツプ・ルイス・バーンバーグ
Roy Warren Rice
ロイ・ウオレン・ライス
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WR Grace and Co
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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】 本発明はセラミック繊維複合体製のセラミック構造体に
関するものであり、そしてより特に内燃エンジン等内で
使用するのに適しているセラミックを基にした弁構造体
に関するものである。
本発明を要約すれば、内燃エンジン等用のセラミック複
合弁を開示することである。弁は、（ａ）エンジンの弁
案内中への挿入用に成形されておりそしてセラミック強
化繊維の軸方向に整列した一方向性クラスターが充填さ
れている繊維状のセラミックスリービングからなる延長
している弁心棒、および （ｂ）エンジンの弁座と合うように成形されておりそし
て不連続的セラミック繊維を含有しているセラミックベ
ル を含んでおり、心棒スリービングの一端がベル中に成型
されており弁形の構造体を形成しており、そして該弁形
の構造体に炭素、他のセラミック物質、または炭素およ
び他のセラミック物質の両者のマトリックスを含浸させ
てそして硬質化されており、そして酸化および摩耗に対
して抵抗性である硬質セラミックコーティングでコーテ
ィングされている。種々の予備成形弁、並びにセラミッ
ク弁および予備成形弁の製造方法も開示されている。
内燃エンジン等用の弁はエンジン性能およびエンジンの
オーバーホール間の平均時間の両者で重要な役割を演じ
ているために、該弁の改良がますます求められてきてい
る。重要な要求は、より良好な応答のために弁の質量を
減少させることおよび信頼性を維持または改良しながら
摩耗性を減少させることであり、それらの全てには相当
な費用がかかる。従って、弁は典型的には金属であった
が、例えばＳｉ、Ｎ、の如きセラミック類がそれらの比
較的低い密度（＃４の約４０％）、それらの高い硬度、
それらの耐熱性並びにそれらの腐食、摩耗および侵食に
対する抵抗性のために、エンジン弁として評価されてき
ている。しかしながら、セラミック類に関してはそれら
の「キャタストロフ・ツタ（ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ
）破壊方式」のために信頼性に非常に関心がもたれてい
る。
内燃エンジン等での使用に特に適していると考えられる
セラミック複合弁の製造方法が今見いだされた。弁は、
セラミックが通常有している軽さ、硬度、および耐熱性
を有していながら、衝撃タフネスおよびシャッター抵抗
性も付与されている。
仕上げ弁は一般的に、ここに記されている如き心棒部分
およびベル部分からなる予備成形弁を製作し、そして次
に該予備成形弁を加工して適当な仕上げ弁を提供するこ
とにより、製造される。予備成形弁は、エンジンの弁案
内中への挿入用に成形されておりそしてセラミック強化
繊維の軸方向に整列した一方向性クラスターが充填され
ている繊維状のセラミックスリービングからなっている
。
セラミックスリービングは好適には編み込まれている。
スリービングの一端は弁のベル部分内に成型されている
。ベル部分は不連続的なセラミック繊維を含有している
セラミック物質であり、そしてエンジンの弁座と合うよ
うに成形されている。
心棒繊維（スリービングの繊維状物質の繊維および内部
に閉じ込められている繊維のクラスターの両者）がベル
部分の内部強化を与える。成形された弁構造体には心棒
およびベルの成形中または成形後に炭素および／または
他のセラミック物質のマトリックスを含浸させそして硬
質化されて、密度の大きいセラミック繊維−強化複合予
備成形弁を生成する。密度の大きい予備成形弁を（例え
ば化学的蒸気沈着処理を用いて）仕上げをして、軽くて
しかも摩耗、衝撃、応力、熱、およびエンジン煙に対し
て非常に抵抗性であり、そして内燃エンジン作動温度範
囲にわたり好ましい寸法安定性を有する弁を生成する。
本発明の一目的は、内燃エンジン等用に必要な硬度、高
温性能および摩耗抵抗性を与えるように製作することの
できる比較的軽い弁を提供することである。
別の目的は、−枚岩的セラミックに通常は典型的なキャ
タストロフイツク破壊方式に対する抵抗性を有するセラ
ミック複合弁を提供することである。
他の目的は、妥当な費用で比較的容易に製造されるセラ
ミック複合体を提供することである。
本発明の他の目的、特徴、および利点は下記の詳細な記
載および添付図面から明白になるであろう。
本発明に従うと、仕上げられたセラミック複合弁および
該仕上げ弁の予備成形体が提供される。
仕上げ弁および予備成形弁のそれぞれはエンジンの弁案
内中への挿入用に成形されておりそしてセラミック強化
繊維の軸方向に整列した一方向性クリーピングからなる
延長した弁心棒、およびエンジンの弁座と合うように成
形されておりそして不連続的セラミック繊維を含有して
いるセラミックベルを有している。ここで使用されてい
る繊維の軸方向に整列した一方向性クラスターとして心
棒スリービング内に充填されている繊維という記載は、
個々の繊維自体がまたはそれらのストランドが一般的に
心棒の延長寸法に対して平行であることを意味する。多
重繊維の典型的なストランド（まｔ；はトウ）が使用さ
れ、そして個々の繊維自身はストランド（またはトウ）
の巻きのために必ずしも延長心棒軸に平行でないかもし
れないが、各ストランド（またはトウ）は全般的には該
軸と平行であり、その結果、クラスターが軸方向に整列
されて一方向となり、それにより丈夫さが与えられて変
形抵抗性となる。いずれの場合にも、軸長全体にわたる
繊維クラスターの方向性のために繊維の比較的密な充填
および強くて比較的丈夫な繊維クラスターが得られる。
ベルの不連続性セラニー、ｈｔａ汝！４鯵蒲七栖イｌ−
電１１ソ霞１４ハノム１イ―型的にはほとんど不規則的
に配向されている。ある種の製造技術では、ベルの不連
続的繊維はベルの表面輪郭を平行にさせる傾向もある。
心棒スリービングの一端はベル内に成型されて、それと
共に弁形の構造体を形成している。好適には心棒のこの
端部は外側にフレアしており、心棒物質とベル物質との
接触を容易ｌこしそして形成されたベルを有利に強化し
ている。
心棒スリービング直径は広い範囲内で変えることができ
る。好適なスリービングはセラミック繊維の編み込まれ
たストランドから製造されている。
編み込まれたセラミックスリービングは数箇所の製造元
から市販されている。スリービングは例えばホウ珪酸ア
ルミニウム、シリカ、炭化ケイ素、および炭素／グラフ
ァイト繊維の如き種々の繊維状物質から製造できる。好
適な物質には、エンジン条件下でのそれらの酸化抵抗性
の理由のためにホウ珪酸アルミニウムおよびシリカが包
含される。
好適な態様では、編み込まれたスリービングは直径が５
〜２０ミクロンのストランドから製造することができる
。
スリービングをそれの内部長さに沿ってセラミック強化
用繊維の軸方向に整列された一方向性クラスターと共に
充填する。繊維物質の選択においては一般的には、他の
弁材料との化学的および機械的相容性、希望する弁の用
途、並びに使用される弁製造技術が考慮される。典型的
には該繊維はホウ珪酸アルミニウム、アルミナ、シリカ
、炭素／グラファイト、炭化ケイ素、窒化ケイ素および
他の同様な高温繊維から製造される。炭素／グラファイ
ト繊維が好適であり、その理由はそれらが一般的に強く
しかも丈夫であり、低い密度および低い熱膨張特性を有
しており、そして良好な熱伝導体であるからである。ベ
ルの不連続的セラミック繊維用の材料は一般的には、軸
方向に整列された心棒繊維クラスター用に適しているの
と同じ群の材料（例えば珪酸もしくはホウ珪酸アルミニ
ウム、アルミナ、シリカ、炭素／グラファイト、炭化ケ
イ素、窒化ケイ素、まｌ；は該繊維の混合物）から選択
される。
本発明に従い提供される仕上げ弁はベルおよび前記の如
き心棒（スリービングおよびスリービング内の強化用繊
維充填物を含む）を含んでおり、そして下記の如く炭素
および／または他の適当なセラミック物質のマトリック
スを含浸させそして硬質化されており、そして摩耗抵抗
性とするために硬質セラミックでコーティングされてい
る。マトリックス物質には炭素および／まＩ；は他の適
当なセラミック物質が包含され、そしてそれは繊維との
化学的および機械的相容性により選択される。
炭素が、それの多くの繊維物質との一般的相容性並びに
それの低い密度および良好な熱伝導性のために、好適な
マトリックス物質である。しかしながら、外部コーティ
ングおよびスリービングを通して過度の炭素酸化が起き
るかもしれないエンジン環境用には、例えばアルミナ、
シリカ、窒化ケイ素、および／または炭化ケイ素の如き
他のセラミックマトリックス物質を使用することが好ま
しいこともある。
硬質化されそして密度を大きくされた予備成形弁を、下
に置かれている予備成形材料と化学的および機械的に相
容性がありしかも酸化および摩耗に対して抵抗性である
硬質セラミックコーティングでコーティングする。炭化
ケイ素および窒化ケイ素が好適なコーテイング物質であ
る。
「予備成形弁」とは、硬質化されているかまたはされて
おらず、炭素もしくはセラミックマトリックス（もしく
はそれらの先駆体）を含浸させてあるかまたはさせてお
らず、そして摩耗抵抗性コーティングでコーティングさ
れているがまたはされていない、ベルおよび心棒（スリ
ービングおよびスリービング内の強化用繊維充填物を含
む）からなる仕上げられていない弁を意味する。従って
、硬質化された予備成形弁が取り扱いおよびその後の加
工には有用であると考えられており、種々の他の製造段
階の予備成形弁も本発明の範囲内であると考えられてい
る。
図面全体を通して同様な数値が同様な部分をさしている
図面を参照しながら以下で記すが、本発明に従う複合予
備成形弁の好適な態様は一般的に第１図中で（１０）と
して示されている。予備成形弁（１０）はエンジンの弁
案内（図示されていない：中への挿入用に成形されてい
る弁心棒（１１）を含んでおり、そして（１３）のとこ
ろで断面が示されているように延長した編み込まれた弁
心棒スリービングまたは殻を有している。編み込まれた
弁心棒スリービング（１３）はフレアした端！（＋４）
を有しておりそして強化用繊維（１５）の軸方向に整列
された一方向性クラスターが充填されている。
予備成形弁（ｌＯ）はベル部分（１７）も含んでいる。
第１図に示されている態様では、ベル部分（１７）はデ
ィスク（１９）およびテーパーのついＩ；首部（２１）
を有しており、そして一般的に心棒スリービング（１３
）のフレアした端部（１４）を覆っておりそしてそれに
より強化されている。ベルは、第１図の断面部分で（２
２）により表示さ、れている不連続的なセラミック繊維
を含んでいる。第１図に示されている態様は弁保持環ま
たは他の装置（図示されていない）用に心棒（Ｉ　ｌ）
の中にくぼみ（２３）を有しており、そして第３図にも
示されている如く数種の弁デザイン用には望ましいベル
（１７）中のくぼみ（２５）も有している。第１図およ
び第２図中で（２６）のところで最も良く示されている
如く、ベルディスク（１９）に隣接しているベル首部（
２１）の部分はそこから製造された仕上げ弁をエンジン
の弁座（図示されていない）に容易に密封させるために
示されている態様では円錐形である（すなわち曲がって
いる断面でなく平らな断面を有している）。ディスク周
囲（２７）は、特定の弁座と合うのに適している表面を
供するように適宜傾斜させることもできる（図示されて
いない）。
上記の型のセラミック予備成形弁は本発明に従うと多数
の製造技術および物質を使用して製造することができる
。個別作業および大量生産方式の両者並びにそれらの組
み合わせが考えられる。
製造方式または特定の製造材料にかかわらず、好適な弁
の製造方法はエンジンの弁案内中への挿入用の寸法にさ
れたセラミック繊維の柔軟性の延長しＩ；スリービング
を準備しそしてセラミック強化用繊維の軸方向に整列さ
れた一方向性クラスターを充填し、該スリービングの一
端を不連続的セラミック繊維を含有している柔軟なしか
もグラスチック軟度を有するセラミック物質の弁ベル部
分中の内部に没入させて弁形の構造体を与え、モして該
弁形の構造体に炭素および／または他の適当なセラミッ
ク物質のマトリックスを含浸させそして硬質化する段階
からなっている。従って、心棒およびベルに対して成形
中または成形後に繊維が埋められであるマトリックスが
供される。上記の如く、ベル部分セラミック中に含まれ
ている不連続的繊維は不規則的に配向させることができ
る。
好適にはベル部分中に没入されたスリービングの端部を
没入前にフレアさせる。
個別作業方式では、その後の加工を容易にするために没
入させた心棒およびベル部分を硬質化することが望まし
い。そのような個別作業方式では硬質化の前に弁形の構
造体の繊維間に隙間を与え（すなわち繊維を１００％密
度まで充填しない）、そして隙間に熱結合可能なセラミ
ックを含浸させる。これは、没入された心棒およびベル
に熱結合可能なセラミック物質を浸潤させて硬質化用に
適している予備成形弁を形成する。例えば、心棒および
ベルをセラミック粒子のゾルまたは他のコロイド状懸濁
液、例えばシリカおよび／またはアルミナのコロイド状
懸濁液、中に浸漬させる。使用される熱結合可能なセラ
ミックは繊維と化学的および機械的に相容性でなければ
ならずしかも比較的低温（すなわち約１０００℃以下）
で結合しなければならない。セラミックー浸潤ベルおよ
び心棒を次に熱処理して熱結合可能なセラミック粒子を
結合させそして予備成形弁を硬質化する。そのような加
熱により形成されたセラミックー含浸構造体は、エンジ
ンの弁案内中への挿入用に成形された心棒および該エン
ジンの弁座と合うように成形されたベルを有する硬質化
された予備成形弁である。セラミックの含浸前に存在し
ている隙間にすでに結合されている熱結合可能なセラミ
ックを硬質化中に部分的に充填させる。
隙間に炭素または他のセラミック物質をさらに充填させ
ることにより予備成形弁の密度を大きくするためには、
硬質化された予備成形弁にマトリックス先駆体物質を含
浸させることもできる。仕上げ弁は従ってこのような予
備成形弁からその後の加工により製造することができ、
該加工は該硬質化された予備成形弁に炭素先駆体樹脂、
他のセラミックマトリックス先駆体、またはそれらの混
合物を（任意に粒状セラミック充填剤と共に）含浸させ
、そして先駆体をその場で熱分解してセラミック繊維強
化複合体を生成し、そして該セラミック繊維強化複合体
予備成形弁を酸化および水に対して抵抗性である硬質セ
ラミックコーティングでコーティング（例えば化学的蒸
気沈着（ＣＶＤ）を用いて炭化ケイ素、窒化ケイ素、ま
たはそれらの混合物でコーティング）することを包含し
ている。
希望するマトリックス特性を得るために１回より多い含
浸−熱分解サイクルを使用することもできる。コーティ
ング適用後またはそれと重複して、マトリックスが延展
する。仕上げ弁の一態様は第４図に（３０）のところで
示されておりそして図示されている如くそれの心棒およ
びベルの両者を被覆しているコーティング（３２）を有
している。
従って、マトリックスは少なくとも一部はマトリックス
先駆体の熱分解により供することができる。製造技術に
かかわらず、マｌ−ＩＪフックス駆体は典型的にはコロ
イド状懸濁液、ゾル、まｔ；は充分な温度への加熱によ
り硬質セラミックマトリックスへ転化された予備セラミ
ック重合体である。
加熱により熱分解して炭素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、
シリカまたはそれらの混合物を生成する予備セラミック
重合体が特に興味がある。
充填剤粒子をある種のマトリックス先駆体、特に先駆体
重合体、と共に含むことも有利である。
該充填剤は加工条件（例えば浸潤および温度）並びに生
成する複合体の希望する性能特性（例えば硬度、摩耗、
および酸化抵抗性）の両者と相いれるように選択しなけ
ればならない。これらは多分使用されであろう種々の入
手可能な炭素先駆体樹脂（例えばフラン樹脂およびフェ
ノール樹脂）である。炭素先駆体樹脂は一般的に、多く
の用途に適する低価格の低密度物質である。炭素先駆体
以外の他のセラミック先駆体、例えばポリシラン類、ポ
リカルボンラン類またはポリシラザン類、を使用するこ
ともできる。これらの全てを使用してセラミックマトリ
ックスを与えることができ、そして酸化および摩耗に対
する長期間にわたる抵抗性が特に重要であるような用途
では例えばポリシラン類の如きセラミック先駆体が好適
である。先駆体物質を使用する時には、それをその場で
熱分解して、硬質化されそして密度を大きくされたセラ
ミック複合予備成形弁を生成する。炭素、炭化物、また
は窒化物マトリックスを生成するための熱分解は非酸化
性条件下で（例えば窒素雰囲気下で）実施しなければな
らない。この先駆体の含浸および熱分解工程を数回繰り
返して非常に密度の大きい複合体を製造することができ
る。
上記で説明されているような本発明の予備成形弁を製造
するだめの個別作業方式の種々の段階は一般的な加工技
術に従って容易に組み合わすことができると考えられて
いる。例えば、軸方向に整列された一方向性繊維を取り
囲んでおりそして熱結合可能なセラミック並びに任意に
マトリックス先駆体を含浸させてあるスリービングは一
般的なプルトルージョン（ｐｕＨｒｕｓｉｏｎ）技術を
用いて製造できると考えられている。実際に、仕上げ弁
または予備成形弁を製造するｔ；めの大量生産方式では
一般的に、弁心棒、弁ベル、または弁心棒とベルの両者
からなる弁形の構造体を、内部に含浸させた炭素および
／または他の適当なセラミックのマトリックスまたは該
マトリックスの先駆体を含有している物質から製造する
ことを含むと考えられている。これは、射出成型、圧縮
成型、押し出しおよびプルトルージョンなどの種々の標
準的技術により、実施することができる。射出成型、圧
縮成型および押し出しは一般的に不連続的繊維の加工が
組み合わされており、従って弁のベル部分の成形用には
最も適しているが、かなり整列された不連続的繊維が心
棒条件に適しているような心棒部分の成形用には使用で
きない。例えば予備成形心棒の押し出しによって繊維の
配列を維持できる時には、ベル部分をその後の成型によ
り（例えば圧縮または射出成型により）心棒の上で形成
できる。まＩ；、化学的蒸気浸潤により繊維予備成形体
中でマトリックスを浸潤させそして形成することが容易
である。当技術の専門家は連続的繊維の整列されたクラ
スターを含む心棒と不連続的繊維の一般的に整列された
クラスターを含む心棒との間では、経済性と性能（例え
ば丈夫さ）との均衡を考慮することとなろう。
個別作業および大量生産方式の種々の組み合わせを使用
できることは、容易に明白なことである。
例えば、上記の個別作業方式により製造された心棒はそ
の上に射出または圧縮成型されたベルを有することがで
きる。
スリービングを充填する簡単な方法は、セラミックスリ
ービング繊維のストランドを強化用繊維のクラスターの
周りに両方とも編み込み成形装置から出てくる時に編み
込むことである。プルトルージョンが連続的繊維のクラ
スターを製造するために適している技術であると考えら
れており、そこではマトリックス先駆体を浸潤させてあ
る繊維トウをフィラメント巻きとり技術により巻いてス
リービングを形成する。一方、心棒芯を（例えば圧縮に
より）膨張させられである編み込まれたスリービング中
に押し出すかまたはプルトルージョンすることができる
。比較的小さい規模では、繊維の束を手により簡単にス
リーブ中に押し込むことができる。いずれの場合でも、
選択された長さの、典型的には６インチの長さの、充填
されたスリーブが製造される。好適には、それには第１
図中で（１５）のところに示されているのと同じ長さの
連続的繊維の一方向のクラスターを充填すべきである。
ベルは、加熱により硬化可能な柔軟性のしかもプラスチ
ック軟度を有するセラミック物質（例えばコロイド状シ
リカまたはアルミナまたはアルカリ金属珪酸塩）から例
えば成型の如き一般的手段により成形することができ、
そして典型的には不規則的に配向されているかまたはベ
ルの表面輪郭に沿って配向されている不連続的セラミッ
ク繊維を含有している。
好適なコーティング方法は化学的蒸気沈着を使用する。
ＣＶＤは例えば炭化ケイ素および／まＩ；は窒化ケイ素
の如きコーティングを適当な耐熱性基質の上に沈着させ
るための公知の方法である。
ＣＶＤを用いると、予備成形弁に例えば加熱されている
（例えば１０００℃）室内で沈着させる。
例えば四塩化ケイ素およびメタンが室内に入り、加熱さ
れた表面と接触して部分的に解離しそして反応する。メ
タンをアンモニアで置換した場合には、窒化ケイ素が沈
着する。メタンおよびアンモニアと四塩化ケイ素の混合
物は炭化ケイ素および窒化ケイ素の混合物を沈着させる
であろう。そのような外部コーティングは密度が大きく
、非常に硬（、そして弁に対して長期間にわたる耐摩耗
性を付与する。
仕上げ複合体は、摩耗、衝撃、応力、熱、およびエンジ
ン煙に対して非常に抵抗性である。それは軽くしかも使
用温度において寸法安定性である。
炭素／グラファイト繊維およびマトリックスを使用でき
る態様では、生成した仕上げ弁は特に軽い。
仕上げ弁中での均一性を強化させるために、表面仕上げ
または機械処理を使用できる。多くの場合には、我々の
弁−成形方法は最少の機械処理であらかじめ設定された
寸法許容性に適合する弁を充分正確に製造する。
当技術の専門家は、種々の製造方式から生じる弁特性は
同様であるがそれらは必ずしも同一ではないことを認識
するであろう。従って、加工方式の選択は弁の製造で使
用される材料の選択と同様に性能および価格の制限によ
っても影響を受けることがある。
典型的な性能考慮点には代表的には、弁の質量、それの
耐摩耗性、それの腐食および侵食（酸化も含む）抵抗性
、並びにそれの全体的な機械的信頼度が包含される。材
料選択はこれらの考慮点により影響を受けるであろう。
例えば、低い質量が望まれる限り、低密度物質（例えば
炭素）の使用が好ましい。強くしかも機械的破壊および
熱応力の両者に対して抵抗性である物質（例えば破壊夕
７ネスを有する比較的低い熱膨張性物質、例えば炭素、
シリカ、または窒化ケイ素）を使用することにより、機
械的信頼度を増加させることができる。
本発明の実施方法は、下記の非限定用実施例からさらに
明白になるであろう。
実施例１ 部分的プロトタイプ予備成形弁（軸方向に整列した一方
向性セラミック強化用繊維をスリービング内に含んでい
ない）を、約１／８インチの内径の柔軟性の編み込まれ
たセラミックスリービングから出発して製造した。この
実施例で使用されｔ；スリービングは長さが約６インチ
の編み込まれたホウ珪酸アルミニウム繊維（３Ｍココ−
レーション製の「ネクステル」）の一部分であった。使
用された編み紐は典型的には直径が約１０−１２ミクロ
ンの複数の非常に＠細な繊維のストランドであった。
スリービングの部分にコロイド状Ａ　Ｑ　ｚ　Ｏｓを飽
和させ、そしてエンジンの弁保持環を受けるよう・に心
棒を適用させるために端部の方のスリービングの一部に
刻み目をつけ（第１図中の（２３）を参照のこと）、そ
してスリービングのこの端部を手持ちの熱風銃を用いて
加熱乾燥した。スリービングの他の端部を成形用マンド
レルの如き乳棒の丸くなっている端部を用いてフレアに
した（第１図中の（１４）を参照のこと）。これには、
編み紐を乳棒の丸くなっている端部にわたって拡大させ
てフレア形を形成する方法が包含されている。スリービ
ングのフレアした端部およびあらかじめ処理されていな
い部分にコロイド状ＡＱ、Ｏ，を飽和させ、そしてそれ
以前の他の部分の場合と同様に加熱乾燥しｔ；。スリー
ビングのフレアした端部を次にひれ取りし、そしてベル
部分をフレアした端部の内表面および外表面上に成型し
、そして柔軟性のプラスチック軟度のフェルト様繊維状
セラミック物質（不規則的に配向された不連続的珪酸ア
ルミニウム繊維を珪酸塩であると信じられている結合剤
と共に含んでいる、イリノイ州、エルギンのりフラクト
リイ・プロダクツ・カンバニイ製の湿潤フェルトセラミ
ック物質）を使用して適当な最終的形状に成形した。
組み立て品全体を６５°Ｃで炉乾燥し、そして次に表面
を円滑にし且つ形状をさらに規則的にさせるためのサン
ド処理およびやすり仕上げ操作によりそれの最終的な造
に成形しＩ；。組み立て品の長さは約４．５インチであ
り、円形ベルの直径は約］−５／１６インチであり、そ
して成型されたベル物質から延長しているスリービング
の露呈長は長さが約３−１／８インチであり且つ外径が
約３／１６インチであった。組み立て品全体に次に真空
下でココイド状Ａ　Ｑ　ｘ　Ｏｓを再び含浸させて確実
且つ完全に透過させ、そして７５−１２５°Ｃで炉乾燥
した。次に組み立て品を空気中で５００℃に１時間加熱
して、コロイド状アルミナを熱結合させて連続的加工用
の硬質でありしかも水鈍感性の予備成形品を製造した。
次に、硬質化した予備成形品にフラン樹脂を炭素先駆体
樹脂として含浸させた。樹脂含浸の目的は、予備成形複
合弁内の全ての残存内部隙間に最終的には熱分解されて
炭素を生成する樹脂を充填させて、それにより一般的に
は第１図に示されているように成形された（但し一方向
の繊維（１５）を含まない）セラミック繊維−強化炭素
複合体を生成することである。樹脂を熱処理して、硬質
化した予備成型品中で樹脂を硬化させた。この実施例で
は、仕上げ弁を完成させる場合のように樹脂は熱分解さ
れなかった。
この実施例では、編み込まれたスリービング内には一方
向性繊維は含まれていなかった。これにより、それらの
整列維持の困難さが避けられ、その理由は複合体組み立
ては手によりなされそして繊維は完成した部分的プロト
タイプ中でははっきりしないであるからである。実際に
は、一方向性繊維をスリービング中への挿入によりまた
は繊維上でのスリービングの二重組み込みにより編み込
みの中に入れることができる。
本実施例の部分的プロトタイプ予備成形弁は一般化され
た形状を有しており、そして特定エンジンにおける使用
のために成形されてはいない。実際には、仕上げ弁は特
定エンジンでの使用のために注意深く寸法測定されるで
あろう。
本実施例では、本発明の仕上げ弁の製造用に使用される
ＣＶＤコーティングは適用されておらず従って該コーテ
ィングの表面仕上げは行われなか−た。そのような段階
は普遍的であると考えられており、そして本発明の新規
面を示すために必要でないと考えられた。
以上の詳細な記載は単に説明用のものでありそして本発
明の精神から逸脱しない限り多くの改変を行えることを
理解すべきである。例えば、上記の本発明の方法は全体
的に円形断面の弁を生成したが、他の断面の弁を製造す
ることもできる。本発明は特定の形式やここで説明され
ている実施例に限定されるものでなく、それらのそのよ
うな改変形も上記の特許請求の範囲内に包括されること
を理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に従い製造される予備成形弁の部分的
に断面図にされている立面図を示している。 第２図は、予備成形弁の心棒端部から見た第１図の予備
成形弁の平面図である。 第３図は、予備成形弁のベル端部から見た第１図の予備
成形弁の平面図である。 第４図は、本発明に従い製造される仕上げ弁の立面図で
ある。 図面の浄書（内容に変更なし） 手続補正書 （方式） ％式％ 内燃エンジン等用のセラミック複合弁 カンパニーーコネチカット ４、代 理 人 〒１０７ ５、補正命令の日付 平成２年１ １月２７０ （発送臼） 図面の浄書（内容に変更なし）

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. １．（ａ）エンジンの弁案内中への挿入用に成形されて
    おりそしてセラミック強化繊維の軸方向に整列した一方
    向性クラスターが充填されている繊維状のセラミックス
    リービングからなる細長い弁心棒、および （ｂ）エンジンの弁座と合うように成形されておりそし
    て不連続的セラミック繊維を含有しているセラミックベ
    ル を含んでおり、心棒スリービングの一端がベル中に成型
    されて弁形の構造体を形成していることを特徴とする、
    内燃エンジン等用の仕上げセラミック複合弁または予備
    成形弁。
  2. ２．更に、内部に心棒およびベルの繊維が埋められてい
    る炭素、他のセラミック物質、または炭素と他のセラミ
    ック物質の両者のマトリックスも含んでいる、請求項１
    に記載の仕上げ弁または予備成形弁。
  3. ３．更に、耐摩耗性セラミックの外部コーティングも含
    んでいる、請求項２に記載の仕上げ弁または予備成形弁
    。
  4. ４．ベル中に成型されているスリービングの端部がフレ
    アしている、請求項１に記載の仕上げ弁または予備成形
    弁。
  5. ５．スリービングが編み込まれており、そしてフレアさ
    れた心棒スリービング端部がベル部分中に没入されてベ
    ル部分の外側が該フレアされた端部を覆いそして該フレ
    アされた端部により強化されている、請求項４に記載の
    仕上げ弁または予備成形弁。
  6. ６．編み込まれたセラミックスリービング繊維およびベ
    ル繊維がホウ珪酸アルミニウムであり、そして強化用繊
    維のクラスターが炭素／グラファイト繊維であり、該弁
    および予備成形弁が炭素を含浸させた熱結合アルミナで
    硬質化されており、そして炭化ケイ素、窒化ケイ素、ま
    たは両者でコーティングされている、請求項５に記載の
    仕上げ弁または予備成形弁。
  7. ７．スリービングがホウ珪酸アルミニウムであり、そし
    て炭素／グラファイト強化用繊維が充填されており、そ
    してベルが珪酸アルミニウムの不規則的に配向された繊
    維を含有している、請求項１に記載の仕上げ弁または予
    備成形弁。
  8. ８．該弁または予備成形弁が熱結合可能なアルミナで硬
    質化されている、請求項１に記載の仕上げ弁または予備
    成形弁。
  9. ９．弁または予備成形弁が炭素先駆体樹脂または他のセ
    ラミックマトリックス先駆体のその場での熱分解により
    生じた炭素または他のセラミックマトリックスを含んで
    いる、請求項８に記載の仕上げ弁または予備成形弁。
  10. １０．マトリックスが炭素先駆体樹脂から生じた炭素マ
    トリックスである、請求項９に記載の仕上げ弁または予
    備成形弁。
  11. １１．更に、酸素および摩耗に対して抵抗性のある硬質
    セラミックコーテイングも含んでいる、請求項９に記載
    の仕上げ弁または予備形成弁。
  12. １２．コーテイングが化学的蒸気沈着により適用されて
    いる炭化ケイ素、窒化ケイ素またはそれらの混合物であ
    る、請求項１１に記載の仕上げ弁または予備成形弁。
  13. １３．（ｉ）エンジンの弁案内中への挿入用の寸法にさ
    れておりそしてセラミック強化繊維の軸方向に整列した
    一方向性クラスターが充填されているセラミック繊維の
    柔軟な細長いスリービングを準備し、 （ｉ）該スリービングの一端を不連続的な不規則的に配
    向されたセラミック繊維を含有している柔軟なセラミッ
    ク弁ベル部分中内部に没入させて弁形の構造体を与え、
    そして （ｉｉｉ）該成形された構造体に炭素、他のセラミック
    物質、または炭素および他のセラミック物質の両者のマ
    トリックスを含浸させそして硬質化させる 段階からなることを特徴とする、セラミック弁または予
    備成形弁の製造方法。
  14. １４．スリービングがホウ珪酸アルミニウムの編み込ま
    れた繊維であり、ベル部分中に没入されているスリービ
    ングの端部を没入前にフレアさせてあり、スリービング
    内に充填されている繊維のクラスターが炭素／グラファ
    イト繊維のクラスターであり、ベル部分が不規則的に配
    向された珪酸アルミニウム繊維を含有しており、そして
    マトリックスが炭素を含んでいる、請求項１３に記載の
    方法。
  15. １５．段階（ｉｉ）で成形された弁形の構造体が隙間を
    有しており、そして段階（ｉｉｉ）が弁形の構造体に熱
    結合可能なセラミックを含浸させ、そしてセラミックを
    含浸させた構造体を加熱して、エンジンの弁案内中への
    挿入用に成形された心棒およびエンジンの弁座と合うよ
    うに成形されたベルを有する硬質化された予備成形弁を
    形成することも含んでいる、請求項１３に記載の方法。
  16. １６．隙間が硬質化中に部分的に充填され、そして段階
    （ｉｉｉ）が更に硬質化された予備成形弁に炭素先駆体
    樹脂または他のセラミックマトリックス先駆体を含浸さ
    せそして該先駆体をその場で熱分解させてセラミック繊
    維−強化複合体を生成することも含んでいる、請求項１
    ５に記載方法。
  17. １７．スリービングがホウ珪酸アルミニウムの編み込ま
    れた繊維であり、ベル部分中に没入されているスリービ
    ング端部を没入前にフレアさせてあり、スリービング内
    に充填されている繊維のクラスターが炭素／グラファイ
    ト繊維のクラスターであり、ベル部分が不規則的に配向
    された珪酸アルミニウム繊維を含有しており、熱−結合
    可能なセラミックがアルミナであり、そして先駆体がフ
    ランまたはフェノール系樹脂である、請求項１６に記載
    の方法。
  18. １８．更に、該セラミック繊維−強化複合体を酸化およ
    び摩耗に対して抵抗性であるセラミックコーテイングで
    コーテイングする段階（ｉｖ）も含んでいる、請求項１
    ６に記載の方法。
  19. １９．セラミックコーテイングが炭化ケイ素、窒化ケイ
    素またはそれらの混合物である、請求項１８に記載の方
    法。
  20. ２０．セラミック繊維−強化複合体が化学的蒸気沈着に
    よりコーテイングされる、請求項１８に記載の方法。
  21. ２１．スリービングがホウ珪酸アルミニウムの編み込ま
    れた繊維であり、ベル部分中に没入されているスリービ
    ングの端部を没入前にフレアさせてあり、スリービング
    内に充填されている繊維のクラスターが炭素／グラファ
    イト繊維のクラスターであり、ベル部分が不規則的に配
    向された珪酸アルミニウム繊維を含有しており、熱−結
    合可能なセラミックがアルミナであり、先駆体がフラン
    またはフェノール系樹脂であり、そして該セラミックコ
    ーテイングが炭化ケイ素、窒化ケイ素またはそれらの混
    合物である、請求項１９に記載の方法。
  22. ２２．弁形の構造体が内部に含浸させてあるマトリック
    スまたはそれの先駆体を含有している物質から製造され
    る、請求項１３に記載の方法。
  23. ２３．更に、該セラミック繊維−強化複合体を酸化およ
    び摩耗に対して抵抗性であるセラミックコーテイングで
    コーテイングする段階（ｉｖ）も含んでいる、請求項２
    ２に記載の方法。
  24. ２４．セラミックコーテイングが炭化ケイ素、窒化ケイ
    素またはそれらの混合物である、請求項２３に記載の方
    法。
  25. ２５．（ａ）エンジンの弁案内中への挿入用に成形され
    ておりそしてセラミック強化繊維の軸方向に整列した一
    方向性クラスターが充填されている繊維状のセラミック
    スリービングからなる細長い弁心棒、および （ｂ）エンジンの弁座と合うように成形されておりそし
    て不連続的セラミック繊維を含有しているセラミックベ
    ル を含んでおり、該弁心棒スリービングの一端がベル中に
    成型されて弁形の構造体を形成しており、そして該弁形
    の構造体に炭素、他のセラミック物質または炭素および
    他のセラミック物質の両者のマトリックスを含浸させそ
    して硬質化させてあり、そして酸素および摩耗に対して
    抵抗性である硬質セラミックコーテイングでコーテイン
    グされていることを特徴とする、内燃エンジン等用のセ
    ラミック複合弁。
  26. ２６．スリービングが編み込まれたホウ珪酸アルミニウ
    ムであり、ベル部分中に没入されているスリービングの
    端部をフレアさせてあり、セラミック強化のクラスター
    が炭素／グラファイトであり、ベルは不規則に配向され
    た珪酸アルミニウム繊維を含んでおり、そして弁形の構
    造体がアルミナまたはシリカで硬質化されており、炭素
    を含浸させてあり、そして炭化ケイ素、窒化ケイ素また
    はそれらの混合物でコーテイングされている、請求項２
    １に記載のセラミック複合弁。
JP2239177A 1989-09-14 1990-09-11 内燃エンジン等用のセラミツク複合弁 Pending JPH03164505A (ja)

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