JPH04171206A - 内燃機関用バルブリテーナ - 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） 本発明は、チタン合金にて構成された軽量なる内燃機関
用バルブリテーナに関するものであり、さらに詳しく述
べるならば、摺動面の耐摩耗性および耐焼付性を向上さ
せた内燃機関用バルブリテーナに関するものである。

（従来の技術） 第２図は内燃機関のバルブとその周辺機器を示す図面で
あり、図中、ｌはエンジンヘッド、２はステムガイド、
３はバルブリテーナ、４はコック、５はスプリング、６
は吸排気弁、７はバルブシート、８はカムシャフト、９
はバルブリフタである。

内燃機関用バルブリテーナ３は一般には吸排気弁６の端
部にコツタ４により係留され、スプリング５が下に戻ろ
うとする力をコツタ４を介して吸排気弁６に伝える。バ
ルブリテーナ３を介して吸−排気弁６に与えられたスプ
リング５の元に戻ろうとする力により、バルブシート７
と弁傘６−１が密着する。カムシャフト８は図示しない
動力伝達機構により機関の回転数と同調した回転運動が
与えられる。またカムシャフト８の回転運動はバルブリ
フタ９を介してバルブリテーナ３に伝えられ、さらに吸
排気弁６の上下運動に変換される。

この際、スプリング５は吸排気弁６をバルブリフタ９を
介してカム駒８−１に押し付ける働きをするため、吸排
気弁６はカム駒８−１のプロフィールに応じた上下運動
を行う。

近年の内燃機関は高回転化、高出力化及び低燃費化が進
められ、それに伴い各気筒毎に吸排気弁数の増加による
吸排気効率の向上や、動弁系の軽量化による回転数向上
さらには、動弁系の馬力損の低減による燃費の向上など
が検討されている。

しかしながら内燃機間の出力を増大するにつれて動弁系
の慣性力が大きくなり、ついにはスプリングの反発力よ
り大きくなってしまう、このような状況では、バルブリ
テーナ３を含む動弁系はカム駒８−１のプロフィールと
は無関係な運動をするようになり、吸排気弁のタイミン
グが崩れてしまうために、出力向上は得られない。従っ
て、さらに回転数を上げたい場合は、動弁系の慣性重量
を小さくしなければならず、動弁系の計量化を図る必要
が生じる。また動弁系の駆動は内燃機関のクランク軸か
ら直接得ているために、燃費を向上させるためには動弁
系に費やされる馬力損を極力小さくすることが必要であ
り、動弁系の重量低減は燃費低減にも貢献することとな
る。

従来の内燃機関用バルブリテーナは鉄系材料により製作
されてきたが、計量化は限界に達しており、比強度の高
い軽合金で製作することが検討されている。そこで、比
重が鉄系材料の約半分で強度の高いチタン合金がバルブ
リテーナ材として注目されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、チタン合金は耐摩耗性及び耐焼付性が不
十分であり、チタン合金をバルブリテーナに応用するに
当たってはその摺動面に何らかの表面処理を施すことが
必要になる。従来より検討されている表面処理としては
、窒化処理、酸化処理、およびＭｏ溶射などにより摺動
面に硬質皮膜　−を形成させる方法が検討されているが
、窒化処理及び酸化処理は処理温度が高く、チタン合金
の疲労強度を低下させ、また高温に曝らされるために材
料が歪むといった問題があった。一方、Ｍｏ溶射はＴｉ
合金との密着性が不十分で信頼性に欠けるといった問題
があった。

本発明は、上記問題に鑑みチタン合金を用いた内燃機関
用バルブリテーナの摺動上の問題を解決し、信頼性の高
い軽量なるチタン合金製バルブリテーナを提供すること
を目的としてなされたものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、内燃機関用バルブリテーナの摺動する部分に
信頼性の高い硬質イオンプレーティング皮膜を設けるこ
とによって上記問題を解決しようとするものである。

すなわち本発明に係る内燃機関用バルブリテーナは、チ
タン合金より構成されるバルブリテーナ本体のスプリン
グとの摺動面およびコックとの接触面のいずれかまたは
両方に厚さ１〜１０μｍの硬質イオンプレーティング皮
膜を形成したことを特徴とする。

以下、第１図を参照して本発明の詳細な説明する。図中
、１０はバルブリテーナ本体、１１は硬質イオンプレー
ティング皮膜である。

本発明が特徴とする硬質イオンブレーテインクを形成す
る面は、第１図に示すように、スプリングとの摺動面（
同図（Ａ））、コック挿入部（同図（Ｂ））、スプリン
グとの摺動面とコック挿入部（同図（Ｃ））のように、
高い摺動特性を要求される場所を選択して皮膜を形成す
ることができる。

硬質イオンプレーティング皮膜は、蒸着物の運動エネル
ギーが高いため、界面が高温となり、母材との皮膜との
間に拡散層が形成される特長を有する。

硬質イオンプレーティング皮膜１１の膜厚は。

初期なじみ時において摩耗し表面層が消失し、耐熱摩耗
性が失われることを考慮すると、１μｍ以上の膜厚が必
要であり、また表面に欠けや亀裂が生じない良好な密着
力を維持するため１０ｕｍ以下とする事が必要である。

より好ましい膜厚は２μｍ〜７μｍの範囲である。

硬質イオンプレーティング皮膜１１の構成物質はマイク
ロビッカース硬度で１２００ＨｍＶ以上の硬度が得られ
る窒化物、炭化物、ホウ化物などの化合物であれば広く
使用することができる。しかし、チタン合金との密着性
の面から考えれば、硬質イオンプレーティング皮膜１１
はクロムと窒素、チタンと窒素、またはチタンとアルミ
ニウムと窒素からなる窒化物が望ましい。ここで、チタ
ンとアルミニウムと窒素からなる窒化物は、アルミの含
有量が増すと密着力が低下するため、チタンとアルミの
原子％比がＴｉ　：Ａｌ＝１００：０〜２０　：　８０
であることが必要である。

さらに、皮膜形成直前にスパッタクリーニングにより処
理面を清浄化し十分活性化するいわゆるボンバード処理
により表面の酸化物除去と活性化処理を行い、あるいは
加熱により吸着ガス成分を低減する処理を行い、良好な
皮膜を付けることが望ましい。本発明の対象となるチタ
ン合金は公知のものであり、特に限定されないがバルブ
リテーナに要求される特性の面から引張強度１００　ｋ
ｇ／ｍｍ２以上、１５０℃における引張強度８０　ｋｇ
／ｍｍ２以上の特性を有する合金が望ましい。

（作用） イオンプレーティング皮膜は母材であるチタン合金を高
温に晒さずに形成されるので、母材の歪が少なくまたチ
タン合金の疲労強度の低下が少ない。また、イオンプレ
ーティングは母材の化学反応を介在させない物理的皮膜
形成法であるので、皮膜の組成が均質である。さらに、
イオンプレーティング皮膜は酸化処理や窒化処理と同等
の硬さを達成することができる。

以上のような性質をもつイオンプレーティング（皮膜）
はチタン製バルブリテーナの処理として好適である。こ
れに対して、酸化処理や窒化処理により形成される皮膜
は、母材を化学的に変化させることにより形成されるた
めに、表面層が最も硬く、分村内部に行くに従って母材
の高度に近（なって行く。チタン合金の場合は硬さはＨ
ｖ＝１０００以上から４００までも大きく変化し、その
変化程度は鉄系材料と比べ大である。よって、窒化処理
や酸化処理の後に皮膜の仕上加工を行うと、削り代が皮
膜表面で局部的に異なると皮膜の表面硬さに大きなばら
つきが生じる。また、窒化処理や酸化処理により発生し
た歪により母材が反るために、加工により硬さが異なる
層が露出し、同様に皮膜表面硬さにばらつきを生じ る。

請求項２〜４の硬質イオンプレーティング皮膜は特に密
着性が良好な物質から構成されている。

以下、実施例により本発明の詳細な説明する。

（実施例） バルブリテーナの母材は、直径２７　ｍ　ｍ　＋厚さ７
．５ｍｍで、組成がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖであるチタン合
金丸棒から削りだし、熱処理を行い調製した０本実施例
に使用したバルブリテーナは上記母材のスプリングとの
摺動面に硬質イオンプレーティング皮膜を厚み５μｍで
形成したものである。イオンプレーティングは以下のと
おり行った。まず、前処理として、バルブリテーナ母材
を治具にセットした状態でブロン液中で超音波洗浄した
。前処理後にバルブリテーナ母材をアーク放電による蒸
発源を備えたイオンプレーティング装置に真空容器内に
取り付けた。容器内を減圧し、容器内の圧力が１．３Ｘ
１０−”Ｐａ　（パスカル）以下になった時点で、治具
の内蔵ヒーターでバルブリテーナ母材を３００〜６００
℃に加熱して該母材に物理的に付着し、化学的に吸着し
ているガス成分を除去した。その後２００℃以下まで冷
却後、減圧を続は容器内の圧力が４ＸＩＯ−”Ｐａにな
った時点で、アーク放電方式で、Ｃｒ、ＴｉまたはＴ　
ｉ　−Ａ　１からなるターゲットの表面から金属イオン
を飛び出させる。このときバルブリテーナ母材と治具の
間にはバイアス電圧を−７００〜−９００Ｖ印加してお
き（治具が接地電位）、ターゲットから飛び出した金属
イオンをバルブリテ−すと治具の間に引き付けるいわゆ
るボンバード処理により母材表面の酸化物除去と活性化
を行った。その後窒素ガスを真空容器内に導入して、Ｃ
ｒ−Ｎ系のコーティングのときは１．３×１０−’Ｐ　
ａ％Ｔ　ｉ　−Ｎ系およびＴ　ｉ　−Ａ　１−Ｎ系のコ
ーティングのときは１．３Ｐａ程度の圧力とし、＝２０
〜−２００ｖのバイアス電圧をバルブリテーナ母材に印
加して該母材のスプリング端面との摺動面にイオンプレ
ーティング皮膜を形成させた。所定の膜厚形成後直ちに
イオンプレーティングを中止し真空容器内で十分冷却後
、バルブリテーナを真空容器から取り出した。このよう
にして得られたバルブリテーナを排気量１６００ｃｃ、
水冷４気筒の４サイクルガソリンエンジンに組み込み、
回転数６０００　ｒ　ｐｍ１油温１２０℃、冷却水温度
９０℃、全負荷の条件で４００時間のベンチテストを行
い、試験後の摩耗量を比較した結果を未処理のチタン合
金製バルブリテーナと比較し表１に示す。

上記のように、Ｃｒ−Ｎ系、Ｔｉ−Ｎ系、Ｔｉ−Ａｌ−
Ｎ系皮膜をイオンプレーティングしたバルブリテーナは
、いずれも未処理のチタン合金製バルブリテーナと比較
して、耐摩耗性に優れている。

しかしながら、Ｔ　ｉ−Ａ　１−Ｎ系皮膜においてチタ
ンとアルミ原子％比がＴｉ　：Ａｌ＝２０　：８０まで
のものは、試験後の調査で摺動面に皮膜の剥離は観察さ
れないが、Ｔｉ　：Ａｌ＝１０：９０のアルミリッチ皮
膜のバルブステムの摺動面には皮膜の剥離が観察され、
密着力が不十分であった。よって、十分な密着力を有し
ながら良好な摺動特性を得るには、皮膜中のチタンとア
ルミの原子％比はＴｉ　：Ａｌ＝１００：０〜２０：８
０の範囲でなければならない。

（発明の効果） 以上説明したように従来の表面処理法は、バルブリテー
ナ母材の変形、皮膜の密着力および母材の疲労強度の低
下等の問題があったため、チタン合金を内燃機関用バル
ブリテーナに採用することはできなかったが、請求項１
記載の発明によれば内燃機関用バルブリテーナにチタン
合金を使用でき、内燃機関の高出力化、高回転化、低燃
費化が可能となった。

また、本発明のバルブリテーナは鋼材を用いた場合より
軽量でかつ耐焼付性、耐摩耗性に優れている。

さらに、クロムと窒素（請求項２）、チタンと窒素（請
求項３）、チタンとアルミニウムと窒素（請求項４）か
らなる硬質イオンプレーティング皮膜は密着性がすぐれ
ているので、耐摩耗性及び耐焼付性が良好である。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｃ）は本発明のバルブリテーナの実施
例を示し、 第２図は一般的な内燃機関の動弁系の概略を示す図であ
る。 １−エンジンヘッド、２−ステムガイド、３−バルブリ
テーナ、４−コック、５−スプリング、６−吸排気弁 （Ａ） （Ｂ） 第１図 第２図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．内燃機関用バルブリテーナにおいて、チタン合金よ
   り構成されるバルブリテーナ本体のスプリングとの摺動
   面およびコッタとの接触面のいずれかまたは両方に厚さ
   １〜１０μｍの硬質イオンプレーティング皮膜を形成し
   たことを特徴とする内燃機関用バルブリテーナ。
2. ２．前記硬質イオンプレーティング皮膜がクロムと窒素
   からなることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用バ
   ルブリテーナ。
3. ３．前記硬質イオンプレーティング皮膜がチタンと窒素
   からなることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用バ
   ルブリテーナ。
4. ４．前記硬質イオンプレーティング皮膜がチタンとアル
   ミニウムと窒素からなり、皮膜中のＴｉとＡｌの比が原
   子％にてＴｉ：Ａｌ＝ １００：０〜２０：８０であることを特徴とする請求項
   １記載の内燃機関用バルブリテーナ。