JPH05179910A - セラミックバルブ、及びセラミックバルブとコッタの結合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 セラミックバルブの破壊を防止したセラミッ
クバルブとコッタとの結合構造を提供するする。 【構成】 セラミックバルブの軸部２の端部に設けられ
た周方向に沿った凸条部３に、前記凸条部３に対応する
形状の凹部７０を内面に形成したコッタ７が外側から装
着されているセラミックバルブとコッタの結合構造であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の給排気口に使
用されるセラミックバルブに関し、更に詳しくはセラミ
ックバルブとコッタとの結合構造に関する。

【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
10に示す形状を有する。バルブ10は、端部に環状の溝部
30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】このようなバルブ10は、コッタを介してリ
テーナに固定される。すなわち、図11に示すように、バ
ルブ10の軸部２の端部に形成された環状の溝部30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）高い剛性を有し、かつ耐熱性、低熱膨張性、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。バルブが軽量で高い剛性を有する
と、いわゆるジャンプバウンス回転数を高回転側まで伸
ばすことができ、また、良好な耐熱性、低熱膨張性は、
高温におけるバルブの変形を阻止する。さらに、耐摩耗
性、耐酸化性、耐腐食性に良好であると、バルブの寿命
が著しく延びる。このような理由からセラミック製のバ
ルブの開発が行われている。

【０００７】なお、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、サイアロン等が注目されてい
る。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。

【０００８】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、セラミックスは脆く、何らかの理由で微小な欠陥
が導入されると、そこから容易にクラックが成長してセ
ラミックス自体が破壊しやすい。この理由により、セラ
ミックバルブの実用化が遅れていた。

【０００９】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30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、
図10に示す形状の試作の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最
も多い。また、本発明者は、図10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30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30での破損がみられるという事実
と一致している。

【００１０】そこで、セラミックバルブの割れ（特にコ
ッタとの結合部位における破損）に対する対策が種々考
案されているが、どれもまだ十分であるとは言えない。

【００１１】したがって、本発明の目的は、セラミック
バルブの破壊を防止したセラミックバルブとコッタとの
結合構造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、セラミックバルブの軸
部の端部に周方向に沿った凸条部を設け、一方、コッタ
の内面にこの凸条部に対応する形状の凹部を設け、この
凸条部と凹部とが係合するように両者を結合すれば、こ
の部位において大きな引張応力が発生せず、もってセラ
ミックバルブのコッタとの結合部位において破損が生じ
なくなることを発見し、本発明を完成した。

【００１３】すなわち、本発明のセラミックバルブは、
その軸部の端部に、コッタの内面に形成された凹部に係
合する部位となる周方向に沿った凸条部が形成されてい
ることを特徴とする。

【００１４】また、内燃機関の吸排気用のセラミックバ
ルブとコッタとの結合部位における本発明の構造は、前
記セラミックバルブの軸部の端部に設けられた周方向に
沿った凸条部に、前記凸条部に対応する形状の凹部を内
面に形成したコッタが、外側から装着されていることを
特徴とする。

【００１５】

【実施例及び作用】以下、図面を参照して本発明を詳細
に説明する。図１は本発明の一実施例によるセラミック
バルブを示す側面図である。セラミックバルブ１は、端
部に凸条部３を有する軸部２と、首部４と、傘部５とか
らなる。凸条部３は軸部２を一周するように形成されて
おり、後述するようにコッタとの結合部位となる。ま
た、傘部５は、内燃機関の吸排気口の開閉を行う部位で
あり、この傘部５の外縁部で首部４側にはテーパ面状の
フェース部51が形成されている。このフェース部51は、
内燃機関の吸排気口のバルブシートに当接する部位とな
る。

【００１６】図１から容易にわかるように、本発明のセ
ラミックバルブ１には、通常のバルブと異なり、軸部２
の端部に環状の凸条部３が形成されており、これが本発
明のセラミックバルブの特徴となっている。なお、セラ
ミックバルブ１の他の部分は、実質的に従来のバルブと
同様の形状をしていてよい。

【００１７】したがって、本発明のセラミックバルブ１
に装着されるコッタは、その内面に凹部を有する。図２
は、セラミックバルブ１とコッタ７との結合状態を示す
部分断面図である。コッタ７は、その内面に、上述した
セラミックバルブ１の凸条部３に対応する形状の凹部70
を有しており、凸条部３がこの凹部70に嵌入するように
軸部２の外側に装着される。なお、凸条部３と凹部70と
は、図中の点Ｃ、Ｃ′間ではぴったりと接合しており、
点Ｃより上方、又は点Ｃ′より下方の曲面部分において
は、凸条部３と凹部70との間にわずかに隙間が生じてい
る。すなわち、点Ｃ及び点Ｃ′が凸条部３と凹部70との
接触面の境界部となる。また、コッタ７の凹部70以外の
内表面は、セラミックバルブ１の軸部２の表面に当接す
る。

【００１８】一方、コッタ７の外表面71は、セラミック
バルブ１の傘部形成方向（図２における下方向）が縮径
するようなテーパ面となっており、この面71でリテーナ
と接触する。なお、図２においてはコッタ７の外側に装
着されるリテーナは省略されているが、先に図11で示し
た例と同様の組み合わせ構造で、リテーナがコッタ７の
外側に配置される。

【００１９】図２に示した結合構造とすると、コッタ７
の装着部近傍（凸条部３の形成部付近）におけるセラミ
ックバルブ１の軸部２の破壊が防止できる。この理由に
ついては後に詳述する。

【００２０】図１及び図２に示すセラミックバルブ１に
おいては、凸条部３の径φ₃ が軸部２の径φ₂ より大き
くなる。したがって、このセラミックバルブ１を従来の
バルブガイドを用いて内燃機関（エンジン）に設置する
ことはできない。すなわち、図３に概略的に示すよう
に、バルブ１′は、その傘部５′がバルブシート９に正
しく密着できるようにバルブガイド６により案内される
が、このとき、バルブガイド６の内径はバルブ１′の軸
部２′の外径よりごくわずかに大きく形成される（すな
わち、バルブガイド６の内面に軸部２′の外表面が接触
する）。バルブ１′の軸部２′に凸条部３′が形成され
ていると、軸部２′をバルブガイド６内に挿入すること
はできない。したがって、図１及び図２に示す形状のセ
ラミックバルブ１とした場合には、バルブガイド６を一
体物とせずに所望の形状に分割しておき、セラミックバ
ルブ１′を内燃機関（エンジン）のガイド穴に挿入した
後に、分割したバルブガイドを装着し、図３に示すよう
な取り付け構造とする。

【００２１】次に、セラミックバルブ１とコッタ７とを
上述したような構造で結合することにより、セラミック
バルブのこの部位での破損が防止できる理由について、
以下に詳細に説明する。

【００２２】一般に、セラミックスの破壊現象は以下の
ように定式化できる。グリフィスによれば破壊は下式の
条件により生ずる。 Ｋ≧Ｋ_IC・・・（1) ここでＫは破壊源に作用する応力集中であり、Ｋ_ICはそ
の材料（セラミックス）が有する（固有の）破壊靭性値
である。

【００２３】セラミックス中に、単位幅をもつ長さａの
クラックが存在することを想定し、そこに単純引張応力
σが作用する場合を考えると、応力集中Ｋは Ｋ＝Ｙσａ・・・（2) （ただし、Ｙはクラックの幾何学的定数である）で表現
される。

【００２４】（1)を（2)に代入すると破壊の条件は Ｙσａ≧Ｋ_IC・・・（3) となる。上述したようにＫ_ICは材質（セラミックス種）
に固有なものであり、特定のセラミックスを想定した場
合には実質的に一義的に決まる。ここで、セラミック部
材の）製造工程時に何らかの理由で破壊源（クラック）
が導入され、その導入された破壊源のサイズがａである
とすると、このセラミック部材が破壊しないという条件
は（3)式の逆となり、 σ＜Ｋ_IC／（Ｙ・ａ）・・・（4) で表現される。つまりσがＫ_IC／（Ｙ・ａ）より小さけ
れば破壊は生じないと言うことができる。（4)式から、
引張応力σがある特定の値未満であれば、そのセラミッ
ク部材は破壊しないことがわかる。すなわち、セラミッ
クスが破壊するか否かは、引張応力σの大きさに大きく
依存することがわかる。

【００２５】ところで、内部応力は、形式的には以下に
示す体積積分： ∫_V σｄｖ＝０・・・（5) で表現される。（5)式は、コッタ及びバルブの各部に発
生している内部応力を、それが作用している部分の全体
で積分すれば、引張応力と圧縮応力がキャンセルされ０
になるということを示している。ところが、内部応力が
発生している一部分のみを注目して見ると、その注目し
た部分には、ある大きさの残留応力が存在する。

【００２６】たとえば、図４に示すように、従来の構造
のコッタ７′を従来の構造のバルブ10に装着する場合
（コッタ７′の凸部をセラミックバルブ10の溝部に嵌入
する場合）、コッタはセラミックバルブを外側から締め
つけるので両者には内部応力が発生する。このような結
合状態であると、バルブの溝部には図４に矢印で示すよ
うな残留応力が発生する。すなわち、バルブとコッタの
接触部（図４の点Ｂ−点Ｂ′間のＡ部分）において接触
面Ｓに垂直な方向の圧縮応力が発生し、また接触面Ｓに
平行に、境界部から中心部に向く方向にせん断力が作用
する。なお、図４において、点Ｂ、及び点Ｂ′はコッタ
の凸部表面とセラミックバルブの溝部表面における接触
部と非接触部との境界を表す。

【００２７】両者の接触部分であるＡ部分には、接触面
Ｓに垂直に圧縮応力及び接触面と平行に引張応力が発生
する。上述の通り、破壊を引き起こす可能性のあるのは
引張応力であるが、この引張応力は圧縮応力にポアッソ
ン比を掛けた程度であり、それ程大きくならない。

【００２８】一方、点Ｂ（又は点Ｂ′）においては、こ
こが境界部であるのでヘルツ応力タイプの非常に大きな
引張応力及び接触面に垂直な方向のせん断応力が発生す
る。これらの応力は溝部に破壊を引き起こすに足りる程
の大きさをもった応力と考えられる。これらの応力の詳
細を知るために本発明者は、図５、６に示すようなモデ
ルを用い、応力値を計算した。まず図５におけるモデル
では、平坦面を有する部材Ｄに対して、単純な垂直応力
Ｐが一様にかかる場合を想定している。ここで、部材Ｄ
にかかる垂直応力Ｐの一端部（境界）をｘ軸の原点Ｏと
し、垂直応力Ｐの方向をｙ軸の方向としている。境界
（ｘ＝０の点）における応力は、ｘ，ｙの関数として次
のように計算されている（Theory of Elasticity, Ti
moshenko，Goodier. P.146 ）。 σ_x ＝−（P/π）（arctan(y/x) ＋ｘ・ｙ／（ｘ² ＋ｙ² ））・・・（6) σ_y ＝−（P/π）（arctan(y/x) −ｘ・ｙ／（ｘ² ＋ｙ² ））・・・（7) τ_xy＝−（P/π）ｙ² ／（ｘ² ＋ｙ² ）・・・（8) arctan(y/x) ＝θ・・・（9)

【００２９】ここで（6)で示すように、引張応力である
σ_X はすべて負となる。つまり図５に示すようなタイプ
の単純な締め付けにおいては、圧縮応力のみしか発生し
ないことになるので割れ（破壊）を引き起こすようなこ
とはない。ただし、（8)において、ｘ＝０の面における
せん断応力τ_xyはτ_xy＝−Ｐ／πという値となるが、ク
ラックを進展させる応力はσ_X の寄与が最も大きいの
で、Ｐ（締め付け力）があまり大きくなければ（通常、
コッタがバルブを締めつける力程度では）、このせん断
力がクラックを発生させることになるとは考えられな
い。したがって、図４のような形式、すなわち単純圧縮
型の締め付け応力によりセラミックバルブの溝部にクラ
ックが発生する可能性は極めて少ないと言える。

【００３０】一方、図６に示した単純せん断型の締め付
け力Ｓに対しては、応力値は以下のように計算されてい
る（Theory of Elasticity, Timoshenko，Goodier.
P.147 ）。上述の書によると、応力関数φは、 φ＝−（S/π）〔(1/2)y² log （ｘ² ＋ｙ² ）＋ｘｙtan ^-1(y/x) −ｙ² 〕 ・・・(10) であり，σ_X 、σ_y 、及びτ_xyは σ_X ＝ ² φ／ ｙ² ＝−(S／π)[log （ｘ² ＋ｙ² ）＋(2ｘ² ＋３ｙ² )/（ｘ² ＋ｙ² ）−２] ・・・(11) σ_y ＝ ² φ／ ｙ² ＝＋(S／π)(ｙ² ／ｘ² ＋ｙ² ) ・・・(12) τ_xy＝−（ ² φ／ ｘ ｙ） ＝＋(S／π）〔tan ^-1(y/x) −xy／（ｘ² ＋ｙ² ）〕・・・(13) となる。

【００３１】ところで、破壊を引きおこす引張応力σ_X
に着目すると、境界部（ｘ＝０）におけるσ_X は、ｙ→
０とすることによって求められる。この応力をσ_B とす
ると(11)式より σ_B ＝lim(ｙ→０) σ_X (0,y) ＝lim(ｙ→０)[−(S／π)(１＋log ｙ² ）］・・・(14) となる。

【００３２】上記の(14)の右辺は、ｙ→０で logｙ² →
−∞であるので、σ_B は∞となる。すなわち、図６のよ
うなタイプの締め付け力が作用すると、理論上は境界部
においては無限大の引張応力が発生することになる。以
上の考察からすると、従来の構造のセラミックバルブと
コッタの接触境界部位（図４の点Ｂ）でクラックが形成
されるのはある意味では当然のことといえる。なお、せ
ん断力の方向が逆方向、つまり接触面から非接触面の方
向に向いてる場合には境界部において無限大の圧縮応力
が発生する。この場合、境界部に作用する応力が圧縮応
力であるために、クラックが形成されることはない。

【００３３】以上の計算結果より、従来の構造のセラミ
ックバルブの溝部に発生する締め付け力の中には、せん
断型の応力がまざっており、かつ、そのせん断力が接触
部の中心方向（図６に矢印で示した方向であり、接触面
の中心部に向かった方向）に作用していればクラックが
発生することがわかった。

【００３４】先に示した図３においては（すなわち、従
来のバルブとコッタの結合構造においては）、この有害
な（破壊を引き起こす可能性のある）接触部中心方向へ
のせん断力が発生しており、したがってこのような構造
は割れに対して非常に不利な構造であり、セラミックバ
ルブには好ましくない。バルブとしてスプリングとの反
応性（スプリングによる反発力によってバルブが往復運
動するときの追随性）を良くするためにはコッタとの締
め付け力を大きくしなければならないし、また、バルブ
フェースがバルブシートと衝突する時には、かなり大き
な引張応力が残留応力にさらに付加されることを考慮す
れば、図３に示すような構造はセラミックバルブには不
適切なものと言える。

【００３５】以上のような解析結果から、本発明者は、
先に図１及び図２に示したようなセラミックバルブとコ
ッタとの結合構造とすると、セラミックバルブの破壊が
防止できることを見いだした。本発明においては、セラ
ミックバルブ（軸部）側を凸形状とし、またコッタ側に
凹部を形成しているが、この時の応力の発生状況は図７
に示すようになると思われる。すなわち、コッタ７によ
り締め付けられた時のせん断力は接触中心部から端部の
方向に向う（図７の境界面Ｓに沿った矢印）ため、境界
部（図中の点Ｃ、及び点Ｃ′）においては非常に大きな
圧縮応力が発生し、割れ防止に大いに役立つことにな
る。

【００３６】以上に示した実施例のセラミックバルブ１
においては、上述の通り、凸条部の径が軸部の径より大
きくなるために、エンジンに取り付けるのが少々厄介と
なる。そこで、これを改善するために、以下のような態
様とすることもできる。

【００３７】図８は、本発明の別な実施例によるセラミ
ックバルブを示す部分断面図である。この例において
は、軸部２の端面からわずかの距離ａをおいて縮径部ｂ
が形成されており、この縮径部ｂの両端部側がより大き
な度合いで縮径している。そして、縮径部ｂの中央部分
が滑らかな曲面状に盛り上がっており、その結果、縮径
部の中央部分が凸条部となっている。また、この縮径部
の中央部分の径（縮径部における最大径）φ₄ は、軸部
２の径φ₂ 以下に形成されている。

【００３８】以上の構造を有する軸部２に、縮径部ｂの
曲面形状に対応する凹面部を有するコッタ７が外側から
装着される。なお、この場合も、コッタ７の外表面は、
傘部方向が縮径するテーパ面となっている。

【００３９】図８に示すセラミックバルブにおいては、
コッタの装着部位となる凸条部の径φ₄ が軸部２の径φ
₂ と同等またはそれ以下であるため、従来の方法と同一
の方法で、これをエンジン内にセットすることが可能で
ある。なお、この例の場合、セラミックバルブとコッタ
との接触境界部Ｃには非常に大きい圧縮応力が発生する
ので、たとえバルブがバルブシートと衝突した時に生ず
る引張応力が少々大きくても、境界部Ｃ付近においてク
ラックが発生することはないと考えられる。

【００４０】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、本発明をさらに説明す
る。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】焼結助剤としては、Al₂ Ｏ₃ 、Ｙ₂ Ｏ₃ 、
MgＯ、ZrＯ₂ 等が挙げられるが、特にAl₂ Ｏ₃ とＹ₂ Ｏ
₃ との混合物を用いるのがよい。Ｙ₂ Ｏ₃ 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。

【００４５】またAl₂ Ｏ₃ 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。Al₂ Ｏ₃ 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。

【００４６】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Ｙ₂ Ｏ₃ 及びAl
₂ Ｏ₃ を用いる場合、Ｙ₂ Ｏ₃ 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Al₂ Ｏ₃ の配合量は１〜５重量％とするのがよ
い。Ｙ₂ Ｏ₃ 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、Al₂ Ｏ₃ 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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。Si₃ Ｎ₄ 、Ｙ₂ Ｏ₃ 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。

【００５６】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。

【００５７】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コッ
タとの嵌合部の溝部は、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。

【００５８】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。

【００５９】所望の寸法となるように研削加工したら、
次に、熱処理を行うのがよい。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、クラック形成面は閉
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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】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１〜５、比較例１〜10 Al₂ Ｏ₃ 製ポット中に、Si₃ Ｎ₄ 粉末（平均粒径0.4 μ
ｍ、宇部興産（株）製）８０重量％と、Ｙ₂ Ｏ₃ 粉末
（平均粒径0.4 μｍ、日本イットリウム（株）製）１５
重量％と、Al₂ Ｏ₃ 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Al₂ Ｏ₃ 製ボールで96時間の湿式ボールミル
混合を行った。

【００６３】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。

【００６４】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８に示す軸部端部形状を有し、他
は図１に示す形状を有する成形体を５本（実施例１〜
５）製造した。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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。なおバルブの軸部におい
て、図８に示す縮径部ｂ以外の軸部表面は、粒度 ４０
０のダイヤモンド砥石で円筒研削加工を行ったが、縮径
部ｂにおいては、この縮径部ｂと相補する形状のダイヤ
モンドホイール（粒度 １２０）を用いて研削、研磨を
行った。

【００６８】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

【００６９】次に、各実施例のセラミックバルブについ
て、図９に示すように、熱処理を施したセラミックバル
ブの縮径部ｂ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50kgf の荷重で締めつ
け、バルブ試験装置40に設置した。なお、装着に際し
て、コッタ内面の凹部の最も奥の部分（底部）がバルブ
軸部に設けた凸条部に完全に接触するように、コッタの
凹部における曲率半径Ｒをセラミックバルブ側の凸条部
の曲率半径よりほんのわずか大きくし、両者が図８に示
すように曲面部で完全に接触するようにした。

【００７０】図９に示す装置40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42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44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41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。

【００７１】(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： ５０kgf （着座時）７０kgf （リフ
ト時） ばね定数 ： ２０．０kg／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。

【００７２】実施例１と同様にして、図10に示す形状の
セラミックバルブを10本（比較例１〜10）製造した。こ
のセラミックバルブについて、実施例１と同様にして試
験装置40を用いて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。結果を表１に合わせて示
す。

【００７３】 表１ 例No. 寿命サイクル ⁽¹⁾ 例No. 寿命サイクル 実施例１ ５×10⁷ 以上 比較例１ 3.5×10⁴ 実施例２ ５×10⁷ 以上 比較例２ 1.5×10³ 実施例３ ５×10⁷ 以上 比較例３ 2.0×10⁴ 実施例４ ５×10⁷ 以上 比較例４ 3.0×10³ 実施例５ ５×10⁷ 以上 比較例５ 8.0×10⁴ 比較例６ 7.0×10³ 比較例７ 2.0×10³ 比較例８ 6.0×10⁴ 比較例９ 5.0×10⁴ 比較例10 9.0×10⁴ 表１の注(1) ：運転時間は５×10⁷ サイクルまでとした。

【００７４】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 サイクルまで運転中に破壊しな
かった。一方、凹状の溝部を有する従来型の窒化珪素バ
ルブは10⁵ 未満のサイクルにおいて破壊してしまった。

【００７５】

【発明の効果】以上に詳述したように、コッタの装着部
位に凸条部を有するセラミックバルブと、この凸条部に
対応する形状の凹部を有するコッタとを使用することに
より、セラミックバルブの破壊や破損を確実に防止する
ことができる。

【００７６】以上に説明したバルブとコッタとの結合構
造とすれば、セラミックバルブを高い信頼性をもってエ
ンジンのバルブとして用いることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例によるセラミックバルブを
示す側面図である。

【図２】 図１に示すセラミックバルブと、コッタとの
結合構造を示す部分断面図である。

【図３】 セラミックバルブをエンジンに取り付けた状
態を概略的に示す部分断面図である。

【図４】 従来のバルブとコッタとの結合状態を示す部
分断面図である。

【図５】 平坦な部材に単純な圧縮型の締めつけ応力が
かかる場合のモデル図である。

【図６】 平坦な部材に単純な剪断型の締めつけ応力が
かかる場合のモデル図である。

【図７】 図１に示すセラミックバルブの凸条部におい
て生じる応力の発生状況を示す概略部分断面図である。

【図８】 本発明の別な実施例によるセラミックバルブ
とコッタの結合構造を示す部分断面図である。

【図９】 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。

【図１０】 従来のバルブの一例を示す側面図である。

【図１１】 従来の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。

【符号の説明】

１、 セラミックバルブ ２ 軸部 ３ 凸条部 ４ 首部 ５ 傘部 ６ バルブガイド ７ コッタ ８ リテーナ ９ バルブシート 10 従来のバルブ 30 溝部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の吸排気用のセラミックバルブ
   において、軸部の端部には、コッタの内面に形成された
   凹部に係合する部位となる周方向に沿った凸条部が形成
   されていることを特徴とするセラミックバルブ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のセラミックバルブにお
   いて、前記凸条部は、前記軸部の端部に形成された縮径
   部に形成されており、前記凸条部における最大径は、前
   記軸部の直径以下であることを特徴とするセラミックバ
   ルブ。
3. 【請求項３】 内燃機関の吸排気用のセラミックバルブ
   と、このセラミックバルブの軸部の端部に装着するコッ
   タとの結合構造において、前記セラミックバルブの軸部
   の端部に設けられた周方向に沿った凸条部に、前記凸条
   部に対応する形状の凹部を内面に形成したコッタが、外
   側から装着されていることを特徴とするセラミックバル
   ブとコッタの結合構造。