JPH05149112A

JPH05149112A - セラミツクバルブの製造方法

Info

Publication number: JPH05149112A
Application number: JP33569191A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Inoue; 茂夫井上
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1991-11-25
Filing date: 1991-11-25
Publication date: 1993-06-15

Abstract

(57)【要約】【目的】破損に対して信頼性の高いセラミックバルブ
を製造する方法を提供する。【構成】所望のバルブ形状に成形したセラミック成形
体を焼成した後、研削加工し、さらに熱処理を施して、
前記研削加工により生じたクラックを消滅させる方法で
あり、特にセラミックバルブがSi₃Ｎ₄系のセラミック
スからなる場合には、前記熱処理として１０００〜１３
００℃で１時間以上の加熱を行う方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミックバルブを製造
する方法に関し、さらに詳しくは、焼成後の加工により
生じた傷及びクラックを消滅させ、破損に対して信頼性
の高いセラミックバルブを製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】

【０００３】内燃機関に用いられるバルブは、一般に図
１に示す形状を有する。バルブ１は、端部に環状の溝部
３を有する軸部２と、首部４と、傘部５とからなる。な
お、傘部５の首部４側のテーパ面５１は、フェース部と
呼ばれ、内燃機関の吸排気口のバルブシートに当接する
部位である。

【０００４】このバルブ１は、コッタを介してリテーナ
に固定される。すなわち、図２に示すように、バルブ１
の軸部２の端部に形成された環状の溝部３に、コッタ７
が、その凸部を嵌入するように装着され、その外側にリ
テーナ８が装着される。なお、リテーナ８はスプリング
１２を受ける部位となる。一方、傘部５は内燃機関の燃
焼室側に配置され、吸排気口の開閉を行う部位となる。
内燃機関の運転時に、バルブ１はその軸線に沿った方向
に往復運動する。

【０００５】従来より、このような内燃機関の吸排気用
バルブは金属製のものが一般的であるが、最近では、高
出力、高回転の内燃機関が求められるようになり、それ
に伴って、バルブも機械的及び熱的により過酷な環境に
耐えられるものが必要となってきた。また、従来のバル
ブを形成する金属は概ね比重が７〜８程度であるが、内
燃機関の性能向上等の理由からバルブの軽量化も望まれ
ている。

【０００６】そこで、比較的軽量で（比重が３〜４程
度）、かつ耐熱性、耐摩耗性、耐酸化性、耐腐食性等に
優れたセラミックスをバルブに使用することが試みら
れ、実用化に向けての研究開発が行われている。バルブ
形成用のセラミックスとしては、窒化珪素、炭化珪素、
サイアロン等が挙げられるが、それらの中では、特に窒
化珪素系セラミックスが有望視されている。窒化珪素系
セラミックスは比重が３．２程度で比較的軽量であり、
また耐摩耗性、耐酸化性、耐腐食性等に優れ、耐熱性に
も良好である。

【０００７】しかしながら、窒化珪素を始めとするセラ
ミックスは一般に靭性が低いという欠点を有する。すな
わち、製造の段階で微小な欠陥が導入されると、そこか
ら容易にクラックが成長し、セラミックス自体が破壊し
やすい。そこで、厳密な製造プロセスの制御を行い、製
造段階における欠陥の発生を極力抑えなくてはならな
い。

【０００８】表面を研磨していないセラミックバルブを
エンジン（内燃機関）に装備して運転すると、環状の溝
部３において最も応力が集中し、その部分で破損するお
それがある。実際に、環状の溝部３の表面を研磨してい
ないセラミックバルブをエンジンに装備して試験してみ
ると、この部分で破損する場合がある。また、本発明者
は、図１に示す形状のセラミックバルブにおいて、内燃
機関の運転中に発生する応力を有限要素法により解析し
たが、環状の溝部３において最大引張応力が発生すると
いう結論を得た。これは、上記した試験で環状の溝部３
での破損がみられるという事実と一致している。

【０００９】セラミックバルブの製造は、一般に、(1)
射出成形や鋳込み成形等によりセラミック成形体を製造
するプロセス、(2) この成形体を脱脂するプロセス、
(3) 焼成プロセス、(4) 得られた焼成体を研削加工する
プロセスの４つのプロセスからなるが、焼成プロセスま
でに発生した欠陥は、ＨＩＰ処理等を施すことによりあ
る程度除去することができる。しかしながら、最終プロ
セスである研削加工プロセスにおいて発生する欠陥（研
削による表面傷、クラック等）は避けることができな
い。セラミック部材では、部材表面の加工粗さもその部
材の強度を大きく左右する。すなわち、研削加工で粗い
表面が得られ加工傷が生じると、この加工傷が破壊の原
因になりやすい。したがって、この研削加工では、用い
る砥石の粗さを制御し（具体的にはなるべく目の細かい
ものを用い）、加工表面の粗さを小さくしてセラミック
部材の破壊に到るような加工傷の導入を極力さける方策
がとられている。たとえば、特開平２−１０４９０７号
には、内燃機関用セラミック弁の製造方法として、軸部
の環状溝部の表面粗さを特定の粗度以下に仕上げる研磨
を施す方法が開示されている。

【００１０】しかしながら、上述の方法でセラミック部
材の加工表面の粗さを小さく制御したとしても、加工に
よる傷（表面に生じるクラック）を確実に防止すること
は難しく、信頼性を確保することはできない。また、加
工表面の粗さが小さくなるように研削、研磨するのは加
工時間や加工費用の増大を生み、コストアップとなる。

【００１１】したがって本発明の目的は、破損の心配が
なく信頼性が高いセラミックバルブを製造する方法を提
供することであり、特に、窒化珪素系のセラミックスか
らなるバルブにおいて、コッタが嵌合する環状の溝部で
の破壊を確実に防止できるようなセラミックバルブの製
造方法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく鋭意検討を重ねた結果、焼成して得たセラミ
ックバルブを研削加工した後に、そのセラミックバルブ
の材質にあった温度で熱処理すれば、研削加工により生
じた傷（クラック）を消滅させることができ、信頼性の
高いセラミックバルブとすることができることを発見し
た。また、この熱処理を行えば、最も破損しやすい環状
の溝部でも、表面粗さが特に小さくなるように研削加工
せずとも破壊を防止できることを発見し、本発明を完成
した。

【００１３】すなわち、セラミックバルブを製造する本
発明の方法は、所望の形状に成形した成形体を焼成した
後、研削加工し、さらに熱処理を施して、前記研削加工
により生じたクラックを実質的に消滅させることを特徴
とする。

【００１４】特に前記セラミックバルブがSi₃Ｎ₄系の
セラミックスからなる場合、前記熱処理を１０００〜１
３００℃で１時間以上とするのがよい。

【００１５】以下、窒化珪素系のセラミックスによりバ
ルブを製造する場合を例にとり、本発明を説明する。

【００１６】窒化珪素系のセラミックスからなるバルブ
を製造する場合、原料となる窒化珪素原料粉は高純度で
あることが望ましく、Fe、Ca、Al、Cl等の不純物元素は
100ppm以下であることが好ましい。また、不純物元素と
しては、上記したもの以外に窒化珪素粉末に不可避的に
存在する酸素も挙げられるが、窒化珪素粉末の酸素含有
量は、窒化珪素粉末に対して０．５〜２．０重量％であ
るのがよい。酸素含有量が０．５重量％未満であると、
焼結性が低下する。また、２．０重量％を超すと、粒界
相の融点が低下し、良好な高温強度が得られない。

【００１７】窒化珪素粉末は、微粉であることが望まし
く、かつ粒度分布が狭いことが望ましい。粒径が細いこ
とで焼結助剤と反応し溶解、再析出する際に核発生の場
所が多くなり、結果として組織は微細化される。また粒
径がそろわず、粗い粒子が多少存在すると、その部分の
組織が焼結の際に粗大化し、破壊源となる。粒径の目安
となるＢＥＴ値は１ｍ²／ｇ以上であるのが好ましく、
より好ましくは10ｍ²／ｇ以上である。

【００１８】窒化珪素にはその結晶系にα−型とβ−型
とがあるが、α型を多く含む窒化珪素粉を原料粉として
使用するのがよい。窒化珪素が高靭性を示すのはその結
晶の柱状晶化によるものであり、この柱状晶化はα−型
窒化珪素粉が焼結助剤と反応して液相を作り、再折出す
る際にα−型がβ−型に相変態することで助長されるか
らである。焼結体が高靭性を有するには窒化珪素粉の少
なくとも60％以上がα−型であるのがよい。より好まし
くは90％以上である。

【００１９】焼結助剤としては、Al₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、
MgＯ、ZrＯ₂等が挙げられるが、特にAl₂Ｏ₃とＹ₂Ｏ
₃との混合物を用いるのがよい。Ｙ₂Ｏ₃は窒化珪素粉
と同様に高純度であることが必要である。不純物元素と
してはCe、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Ca、Fe等が考えられる
が、それらをそれぞれ100ppm以下に抑えることが望まし
い。より好ましくは50ppm 以下に抑える。また粒径は、
窒化珪素粉末と同等又はそれ以上に微粉であることが好
ましい。従ってＢＥＴ値は１ｍ²／ｇ以上であるのが好
ましく、より好ましくは10ｍ²／ｇ以上である。

【００２０】またAl₂Ｏ₃も同様に高純度であることが
必要である。不純物元素としては、Na、Ca、Mg、Fe、S
i、Ga、Cr等が考えられるが、それらは、それぞれ100pp
m以下とするのがよく、より好ましくは50ppm 以下とす
る。Al₂Ｏ₃にはα−型、γ−型があるが、このどちら
を用いてもよい。ただし、α−型はＢＥＴ値が最高10ｍ
²／ｇ程度であり、一方γ−型はＢＥＴ値が100 ｍ²／
ｇ以上のものも存在するので、一般的にはγ−型のもの
が焼結助剤として適している。このどちらを使用するに
してもＢＥＴ値が１ｍ²／ｇ以上のものを用いるのが好
ましく、より好ましくは10ｍ²／ｇ以上のものを使用す
る。

【００２１】焼結助剤は、一般には、窒化珪素原料粉と
焼結助剤の合計を１００重量％として１０〜２５重量％
程度とするのがよいが、焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃及びAl
₂Ｏ₃を用いる場合、Ｙ₂Ｏ₃の配合量は焼結助剤を含
む原料粉全体に対して１０〜２０重量％とするのがよ
い。またAl₂Ｏ₃の配合量は１〜５重量％とするのがよ
い。Ｙ₂Ｏ₃の配合量が１０重量％未満であると粒界相
の結晶化が難しくなり、高温強度が低下する。またこれ
が２０重量％を超すと、焼結性が急激に悪化する。一
方、Al₂Ｏ₃の配合量が１重量％未満であると焼結性が
低下する。また、これが５重量％を超すと、特に高温に
おいて強度の低下がみられる。

【００２２】次に、上述した原料を用いたセラミックバ
ルブの製造方法について説明する。

【００２３】まず、窒化珪素粉末と焼結助剤粉末とを混
合する。混合はボールミル法により行うのが確実でしか
も安価である。ボールミル法による混練の時間は長い程
好ましく、10時間以上とする。望ましくは78時間以上混
合する。このように両者を良く混合することにより、均
一な微細組織を得ることができる。

【００２４】なお混練に使用するポット及びボールは、
原料粉の成分の一種又は二種以上の組合せの成分からな
るものを使用するのが好ましい。具体的には窒化珪素か
らなるものを使用するのが最適である。窒化珪素からな
るポット及びボールは高価であることから、アルミナ製
のポット及びボールを使用しても良い。これによりポッ
トやボールの摩耗による原料への異種成分の混入を防ぐ
ことができる。

【００２５】また混練時の分散媒体としては、メチルア
ルコール、エチルアルコール、アセトン、水等を使用す
ることができる。

【００２６】混練が終了したらスラリーを乾燥、造粒す
る。乾燥造粒法には大別して二つの方法がある。第一の
方法は乾燥により溶媒を除去（熱的に、または電子レン
ジ等により溶媒を除去）した後、ふるいにより造粒する
方法である。第二の方法はスプレードライヤーによる方
法で、乾燥と造粒を同時に行う方法である。本発明にお
いてはどちらの方法でも良い。

【００２７】次に成形であるが、プレス成形、ラバープ
レス成形、射出成形、押し出し成形、鋳込み成形等のど
の成形法によっても図１に示すようなバルブ形状を有す
る成形体を製造することができるが、通常は、射出成形
法により成形するのが一般的である。

【００２８】プレス成形、ラバープレス成形により成形
体を得たら、これを乾燥する。具体的には、５０〜２５
０℃で２４時間以上の乾燥を行う。この乾燥によって成
形体中の不純物（水、アルコール、バインダー等）が除
去され、もって焼結体中の欠陥の生成が極力防止され
る。また、欠陥ができたとしてもそれは小さなものとな
る。

【００２９】射出成形、押し出し成形により成形体を得
たら、脱脂処理を行わなければならない。脱脂処理とし
ては、成形体を水及びアルコール、又は射出成形体の場
合にはケトン等の有機溶媒、又はこれらの混合物に浸漬
し、成形体に含まれているバインダーの約５０％を抽出
した後、乾燥し、得られた成形体を４００〜６００℃程
度に加熱することにより、完全にバインダーを除去する
ことができる。

【００３０】上記で得られた成形体を焼成する。焼成は
公知の方法に従ってよい。Si₃Ｎ₄、Ｙ₂Ｏ₃及びAl₂
Ｏ₃を上述した配合で混合した原料粉から焼結体を製造
する場合には、一般に、１７５０〜１９００℃で１〜４
時間の焼成条件とする。また、そのときの雰囲気は、窒
素ガス雰囲気とするのがよく、最高焼成温度では、９気
圧程度の窒素ガス圧とするのがよい。

【００３１】なお、焼結体中の欠陥（空孔等）を取り除
くために、必要に応じてＨＩＰ処理を施してもよい。

【００３２】上記の焼結によりセラミックバルブ焼結体
を得たら、次に、所望の寸法になるように研削加工を行
う。特に、セラミックバルブの軸部の端部に設けた環状
の溝部は、軸部及び傘部のフェース部と同軸となるよう
に加工する必要がある。具体的には、軸部に対する環状
の溝部の同軸度（同心度）は０．１mm以内とするのが好
ましい。同軸度（同心度）がこれより大きくなると、エ
ンジン作動中にバルブは横振れを生じ、カムのプロファ
イルに追従できなくなり、ジャンプ、バウンス等を生じ
やすくなる。また、バルブに衝撃応力が作用しバルブ破
損の原因となる。

【００３３】この研削加工では、ダイヤモンド砥石を用
いて行うのが一般的であるが、図面寸法を誤差範囲内で
達成できるものであれば特に砥石の粗さは限定されな
い。セラミック焼結体（バルブ）の加工面の表面粗さ
は、最大高さ（Ｒ_max：加工傷で最も高い部分と最も低
い部分との差）で１０μｍ以下とするのがよく、これを
達成できるように砥石、及び研削方法を適宜設定する。

【００３４】所望の寸法となるように研削加工したら、
次に、熱処理を行う。熱処理は、大気下、窒素ガス雰囲
気下、又はアルゴンガス雰囲気下で行うのがよい。熱処
理の目的は、上記の研削加工により導入された微小クラ
ックを消滅させることにある。クラックを有するセラミ
ック焼結体を加熱すると、クラック成形面は閉じて（ク
ラックを形成する表面同士がくっつき）、クラックは消
滅する。

【００３５】熱処理によりセラミック焼結体のクラック
が消滅するのは以下の理由によるものである。まず、セ
ラミック焼結体にクラックが発生するということは、ク
ラックを形成する表面があらたに生じるということであ
るが、焼結体等の固体では、一般に、表面エネルギーの
ほうが界面（粒界面又は粒内の結晶面）エネルギーより
大きい。したがって、クラックを有するセラミック焼結
体を活性化エネルギーが十分となるような高温に保持す
ると、対向するクラック形成面はお互いにくっついて
（クラックが閉じて）、結晶粒界面または結晶面を形成
しようとする。したがって、適度な熱処理を行うことに
より、研削加工で生じたクラックは閉じ、消滅する。

【００３６】セラミックバルブが、上述した窒化珪素系
セラミックスからなる場合には、この熱処理を１０００
〜１３００℃で行うのがよい。また、この熱処理時間は
１時間以上とするのが好ましく、より好ましくは、２〜
４時間とする。

【００３７】本発明を以下の具体的実施例によりさらに
詳細に説明する。

【実施例】実施例１〜１０、比較例１〜１０ Al₂Ｏ₃製ポット中に、Si₃Ｎ₄粉末（平均粒径0.4 μ
ｍ、宇部興産（株）製）８０重量％と、Ｙ₂Ｏ₃粉末
（平均粒径0.4 μｍ、日本イットリウム（株）製）１５
重量％と、Al₂Ｏ₃粉末（平均粒径0.03μｍ、旭化成
（株）製）５重量％とを投入し、エタノールを加え、20
φで１kgのAl₂Ｏ₃製ボールで96時間の湿式ボールミル
混合を行った。

【００３８】混合終了後、マントルヒータで乾燥した後
ふるいで造粒し、６０メッシュ以下の混合粉を得た。こ
の混合粉をセラミックバルブ製造用の原料粉とした。

【００３９】上記で得た原料粉１００重量％に、射出成
形用バインダー３６重量％を添加し、加圧ニーダで混合
した。混合後、ペレタイザーでペレット化し、これを用
いて射出成形により図１に示す形状の成形体を製造し
た。

【００４０】得られた成形体を、水／アセトン／メタノ
ールが４／３／３となる組成の溶媒に浸漬し、５時間の
抽出脱脂を行った。この後、１００℃／時の速度で４２
０℃まで昇温し、４２０℃に２時間保持することにより
脱脂を完了した。

【００４１】得られた成形体に対し、窒素ガス圧８．５
気圧中で、１８５０℃で１時間の焼結を行った。

【００４２】得られた焼結体を研削加工して、所望の寸
法及び表面粗さに仕上げた。なおバルブの軸部２におい
て環状の溝部と軸端部との間の表面（図１におけるａの
部分の表面）は、粒度４００のダイヤモンド砥石で研
削加工を行ったが、環状の溝部３においては、この溝部
３と相補する形状のダイヤモンドホイール（粒度１２
０）を用いて研削、研磨を行った。

【００４３】得られたセラミックバルブに対して、大気
炉中で、１２００℃で１時間の熱処理を行った

【００４４】次に、図３に示すように、熱処理を施した
セラミックバルブの溝部３にコッタ７を装着してスプリ
ングを取付け、スプリングリテーナ８により３５kgf の
荷重で締めつけ、バルブ試験装置１０に設置した。この
装置において、スプリングリテーナ８を装着したバルブ
１は、カム９により軸線方向に往復運動するように設置
されている。なお、バルブ１の傘部５側には、ガスバー
ナ１４を用いて炎をあて、通常のエンジン内部と同様の
温度に保った。また、エンジンブロック１１は、矢印で
示した部位で冷却水をあてて冷却した。試験装置、及び
試験条件は以下の通りとし、セラミックバルブの寿命
（破損するまでのサイクル数）を測定した。

【００４５】(1) 試験装置バルブ駆動方式：直接駆動方式バルブ配列：ＤＯＨＣスプリング荷重：３５kgf （着座時）５５kgf （リフト時）ばね定数：１３．８kg／mm リフト量：６．５mm (2) 試験条件回転数：３０００ｒｐｍ温度：室温結果を表１に示す。

【００４６】また、比較として、焼結後の熱処理を行わ
なかった以外は実施例１と同様にして得たセラミックバ
ルブについて、実施例１と同様にして試験を行った。結
果を表１に合わせて示す。

【００４７】表１例No. 寿命サイクル ⁽¹⁾ 例No. 寿命サイクル実施例１５×10⁷以上比較例１６×10⁴ 実施例２５×10⁷以上比較例２８×10⁴ 実施例３５×10⁷以上比較例３３×10⁴ 実施例４５×10⁷以上比較例４７×10⁴ 実施例５５×10⁷以上比較例５２×10⁵ 実施例６５×10⁷以上比較例６ 1.5 ×10⁴ 実施例７５×10⁷以上比較例７３×10³ 実施例８５×10⁷以上比較例８７×10⁴ 実施例９５×10⁷以上比較例９６×10⁴ 実施例10 ５×10⁷以上比較例10 3.5 ×10⁴ 表１の注(1) ：運転時間は５×10⁷サイクルまでとした。

【００４８】表１からわかるように、各実施例のセラミ
ックバルブは、５×10⁷サイクルまでの運転中に破壊し
なかった。一方、熱処理を施さなかった各比較例のセラ
ミックバルブでは、試験中に破壊してしまった。

【００４９】

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の方法で
は、焼結後に行う研削加工の後に熱処理を施し、研削加
工の工程で導入された微小クラックを消滅させているの
で、得られるセラミックバルブは、破損や破壊に対して
高い信頼性を有する。

【００５０】また、最も破損しやすい環状の溝部でも、
比較的粒度の粗い砥石をもって切削加工することができ
るので、加工能率が向上し、加工コストを低く抑えるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】セラミックバルブの一例を示す側面図であ
る。

【図２】セラミックバルブをコッタを介してリテーナ
に固定した状態の一例を示す部分断面図である。

【図３】実施例及び比較例において用いた試験装置
に、セラミックバルブを装着した状態を示す部分断面図
である。

【符号の説明】

１セラミックバルブ２軸部３環状の溝部４首部５傘部７コッタ８リテーナ９カム１０試験装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックバルブを製造する方法におい
て、所望のバルブ形状に成形した成形体を焼成した後、
研削加工し、さらに熱処理を施して、前記研削加工によ
り生じたクラックを消滅させることを特徴とするセラミ
ックバルブの製造方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法において、前記セ
ラミックバルブがSi₃Ｎ₄系のセラミックスからなり、
前記熱処理を１０００〜１３００℃で１時間以上行うこ
とを特徴とするセラミックバルブの製造方法。
【請求項３】請求項２に記載の方法において、前記Si
₃Ｎ₄系のセラミックスが、Si₃Ｎ₄７５〜８９重量
％、Al₂Ｏ₃１〜５重量％、及びＹ₂Ｏ₃１０〜２０重
量％からなることを特徴とするセラミックバルブの製造
方法。