JPH05339064A

JPH05339064A - セラミックバルブ成形体の焼成方法、及びそれに用いる装置

Info

Publication number: JPH05339064A
Application number: JP4171625A
Authority: JP
Inventors: Ritsutou Chin; 立東陳; Shigeo Inoue; 茂夫井上
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1992-06-05
Filing date: 1992-06-05
Publication date: 1993-12-21

Abstract

(57)【要約】【目的】ステム部に曲げを生じさせないセラミックバ
ルブ成形体の焼成方法を提供する。【構成】円筒状の匣鉢３と、傘部14とステム部12から
なるセラミックバルブ成形体１と同種の材料からなり、
匣鉢３の内部の上方側に配置される治具４とを用い、
（ａ）成形体１を匣鉢３の内壁に接触させず、（ｂ）成
形体１のステム部12を垂直下方に向け、（ｃ）成形体１
の軸線Ｌが匣鉢３の中心線に実質的に重なるように傘部
14を治具４により固定して成形体１を匣鉢３内に配置
し、さらに匣鉢３内に詰め粉５を充填して成形体１を埋
設し、焼成する方法である。

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成形体
の焼成方法及びそれに用いる装置に関し、さらに詳しく
は、セラミックバルブのステム部に曲げを生じさせない
焼成方法、及びそれを実行することができるセラミック
バルブ成形体の固定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】内燃機
関に用いられる吸排気用バルブは、一般に図３に示す形
状を有する。バルブ１は、端部に環状の溝部13を有する
ステム部12と、傘部14とからなる。なお、傘部14のステ
ム部側のテーパ面16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。

【０００３】従来、このようなバルブとしては金属製の
ものが一般的であり、たとえばSUH-3 やSUH-11等の鋼
材、あるいはインコネル等の耐熱合金が使用されてい
た。しかしながら、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るようになってきた。

【０００４】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。

【０００５】ところで、セラミック部材の製造は、一般
に、(1) 射出成形、鋳込み成形、加圧成形等によりセラ
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) 焼成するプロセス、(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、（焼成後の）セラミックスは一般に硬く加工性が
悪いので、焼成する前に、目的とする形状に近い成形体
を製造するのが一般的である。セラミックバルブの場合
には、先に図３に示したような傘部とステム部とからな
るバルブ形状の成形体を製造しておき、これを焼成す
る。

【０００６】しかしながら、セラミックバルブの製造に
おいて、成形体内部が不均一であったり、焼成炉内の温
度が不均一であったり、また焼成中の成形体の加熱が一
様でなかったりすると、セラミックバルブのステム部の
変形（主にステム部が曲がること）が起きやすい。

【０００７】ステム部における曲げの問題を解決するた
めに、これまで、種々の方法が提案されている。たとえ
ば、特開平3-137065号は、図４に示すように成形体１の
ステム部12の端部に錘18を付けるとともに、筒状の焼成
治具20を用いて成形体１の傘部14の外縁部を保持してス
テム部12を垂下させ、錘18によりステム部12全体に引張
応力を作用させた状態で成形体１を焼成する方法を開示
している。

【０００８】しかしながら、この方法では、ステム部12
全体に引張応力が掛かった状態で焼成されるために、得
られる焼結体の密度が低下する。また、錘18をつける操
作は製造プロセスを煩雑なものとしてしまう。特に、こ
の錘18を成形体１と一体的に形成して焼成した場合に
は、焼成後、錘18を切り離す作業が加わり、やっかいで
ある。

【０００９】また、特開平3-227602号は、図５の(a) 及
び(b) に示すように、ステム部12の断面積がその軸線の
一方向に単調に増大又は減少するような成形体を製造し
ておき、これを焼成した後、ステム部の断面がその軸線
に沿って一定になるように（ステム部の）外周を研削加
工する方法を開示している。ここで、図５の(a) では、
ステム部12の傘部14に近い部分の径Ｄ₂がステム部12の
端部の径Ｄ₁より大きくなるように形成されており、一
方、(b) の例ではその逆となっている。両例ともに、こ
のような形状の成形体を焼成後に、ステム部の径が軸線
に沿って同一となるように研削加工を施こす。

【００１０】しかしながら、この方法ではステム部の研
削加工における取りしろが大きくなることは避けられ
ず、加工コストが高くなる。

【００１１】焼成後の研削加工における取りしろを極限
までおさえるためには、いわゆるニアネットシェイプの
成形体を作製し、これを変形のないように焼成するのが
好ましいが、このような方法はまだ確立されていない。

【００１２】したがって本発明の目的は、ステム部に曲
げを生じることなくセラミックバルブ成形体を焼成で
き、緻密なセラミックバルブとする方法を提供すること
である。

【００１３】また、本発明のもう一つの目的は、そのよ
うな方法に用いる装置を提供することである。

【００１４】

【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、以下の知見を得た。
均一に、かつ内部残留応力が存在しないように作製した
セラミックバルブ成形体を焼成した時に生じるステム部
の変形（曲がり）は、(1) 成形体の軸線を垂直にせずに
焼成したか、(2) 焼成の炉内の温度分布が均一でない
か、又は(3) 成形体への熱の伝導が均一でないことが主
な原因であると思われる。これらの原因のうち、(1) に
ついては、焼成時の成形体の固定を確実にすることによ
り取り除くことができる。一方、(2) 及び(3) について
は、焼成匣鉢の形状や材質、成形体の配置状態、成形体
の周りの充填剤（詰め粉）等に関係する。

【００１５】以上の知見から、本発明者らは、セラミッ
クバルブ成形体の焼成において、成形体を匣鉢の内壁に
接触させず、また、成形体のステム部を垂直下方に向け
るとともに、成形体の軸線が匣鉢の中心線に実質的に重
なるように個別に匣鉢内に設置し、匣鉢内に詰め粉を充
填して完全に成形体を詰め粉内に埋設した状態で焼成す
れば、変形のないバルブ（焼成体）とすることができる
ことを発見し、本発明を完成した。

【００１６】すなわち、傘部とステム部とからなるセラ
ミックバルブ成形体を焼成する本発明の方法は、円筒状
の匣鉢と、前記成形体と同種の材料からなり、前記匣鉢
内部の上方側に配置される治具とを用い、(a) 前記成形
体を前記匣鉢の内壁に接触させず、(b) 前記成形体のス
テム部を垂直下方に向け、(c) 前記成形体の軸線が前記
匣鉢の中心線に実質的に重なるように前記傘部を前記治
具により固定して前記成形体を前記匣鉢内に配置し、さ
らに、前記匣鉢内に詰め粉を充填して前記成形体を埋設
し、焼成することを特徴とする。

【００１７】また、傘部とステム部とからなるセラミッ
クバルブ成形体の焼成に用いる本発明の装置は、(1) 円
筒状の匣鉢と、(2) 前記成形体と同種の材料からなり、
前記匣鉢内部の上方側に固定される治具とからなり、前
記治具により前記傘部を固定し、前記成形体を前記匣鉢
の内壁に接触させずにそのステム部を垂直下方に向け、
かつ前記成形体の軸線が前記円筒状匣鉢の中心線に実質
的に重なるように前記成形体を前記匣鉢内に配置するこ
とを特徴とする。

【００１８】以下、本発明を詳細に説明する。

【００１９】図１は本発明の一実施例によるセラミック
バルブ成形体の固定装置を示す概略断面図であり、セラ
ミックバルブ成形体１を固定している状態を示してい
る。

【００２０】装置２は、上部に拡径部32を有する有底円
筒状の匣鉢３と、匣鉢３の内部に設置されるリング状の
治具４とを有する。匣鉢３の拡径部32の内径は、セラミ
ックバルブ成形体１の傘部14の径より大きく形成されて
いる。また、匣鉢３の縮径部34の長さは、セラミックバ
ルブ成形体１のステム部12より長く形成されている。し
たがって、図１に示すように、ステム部12を下方にし
て、匣鉢３の内壁面に直接接触しないように成形体１を
匣鉢３内に配置することができる。

【００２１】匣鉢３の内面の拡径部32と縮径部34との境
界部分には、段部36が設けられており、この段部36にリ
ング状の治具４が固定される。リング状治具４の上方内
側の錐面42は、成形体１の傘部14に設けたフェース部16
における錐面に対応する形状に成形されている。したが
って、図１に示すようにリング状治具４に成形体１を乗
せた場合、リング状治具４の錐面42に成形体１のフェー
ス部16がぴったりと当接し、成形体１が固定される。

【００２２】なお、本実施例では、リング状治具４の上
方内側に、傘部14の表面に形成したフェース部16に対応
する曲面（錐面42）を設けているが、本発明はこれに限
定されず、フェース部16以外の傘部14の表面と違和感な
く当接するような表面部を有するように治具４を適宜変
形することができる。

【００２３】治具４により、セラミックバルブ成形体１
は以下に示す条件を満たすように匣鉢３内に配置され
る。 (1) 成形体１は匣鉢３の内壁面に接触せず、匣鉢３内に
配置した治具４にのみ接触して位置決めされる。 (2) セラミックバルブ成形体１のステム部12は垂直下方
を向く。すなわち、成形体１の軸線Ｌが垂直となる。 (3) 成形体１は円筒状の匣鉢３の内部中央に位置するよ
うに配置される。すなわち、成形体１の軸線Ｌは、円筒
状の匣鉢３の中心線と一致する。

【００２４】成形体１のステム部12の表面と、匣鉢３の
縮径部34における内壁面との距離ｄ₁は、セラミックバ
ルブ成形体の大きさにもよるが、５〜１５mmの範囲とす
るのが好ましい。また、傘部14の横側端部と、匣鉢３の
拡径部32における内壁面との距離ｄ₂はｄ₁と同じか、
ｄ₁より短くするのがよく、具体的には５〜10mmとする
のが好ましい。

【００２５】本発明においては、以上の条件を満たすよ
うに成形体１を匣鉢３内に配置し、次に、匣鉢３内に詰
め粉５を充填して成形体１を完全に埋設する。図１から
容易にわかるように、詰め粉５は匣鉢３の内壁面と成形
体１のステム部12の表面との間を満たすだけではなく、
成形体１の傘部14をも覆うように匣鉢３内に満たされ
る。

【００２６】このように成形体１を匣鉢３内に配置し、
匣鉢３を焼成炉内の均一な温度領域に置くと、成形体１
を周囲から等方的に加熱することができ、ステム部の曲
がりは生じない。

【００２７】本発明者の研究によれば、匣鉢３は熱容量
が小さく、熱伝導率の高い材料から形成するのが好まし
い。具体的には、カーボン、窒化アルミニウム等を用い
ることができる。

【００２８】また、匣鉢３の肉厚は薄いほうが好まし
い。作製するセラミックバルブの大きさ、及び匣鉢３を
形成する材料にもよるが、具体的には３〜10mm程度の厚
とするのが好ましい。

【００２９】一方、成形体１と接触してこれを固定する
治具４は、成形体１と同種の材料からなるもの（成形体
と同一の材料を焼成したセラミックス）が好ましい。た
とえば、窒化珪素系セラミックスからなるバルブを製造
する場合には、治具４は窒化珪素から形成するのが好ま
しい。

【００３０】また、詰め粉５の種類、粒径等は、セラミ
ックバルブ成形体の材料に合わせて適宜選択するが、従
来のセラミックスの焼成方法に用いられている詰め粉を
使用してよい。

【００３１】なお、成形体の製造方法、成形体の脱脂、
焼成雰囲気、焼成温度等は、公知の方法に従ってよい。

【００３２】以上、本発明を添付図面を参照して詳細に
説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の思想
を逸脱しないかぎり種々の変更を施すことができる。

【００３３】たとえば、匣鉢３の上部は拡径している必
要はなく、成形体１を固定する治具４をその内部に適切
に設置でき、かつ、上述した条件(1) 〜(3) を満足する
ように成形体１をその内部に設置できれば、単一径の円
筒状に形成することもできる。

【００３４】また、リング状の治具４の取り付け部位と
して段部36を設ける必要はなく、匣鉢３の内壁面の一部
をテーパ面状に形成し、そこに治具４を設置するように
変更することもできる。

【００３５】さらに、成形体の傘部14を保持する治具４
としては、必ずしもリング状のものを用いる必要はな
く、上述の(1) 〜(3) の条件を満たすことができれば、
複数のブロック状の治具を用いてこれを傘部14の周方向
に並べてもよい。

【００３６】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 Al₂Ｏ₃製ポット中に、Si₃Ｎ₄粉末（平均粒径0.4 μ
ｍ、宇部興産（株）製）82.5重量％と、Ｙ₂Ｏ₃粉末
（平均粒径0.4 μｍ、日本イットリウム（株）製）15.0
重量％と、γ−Al₂Ｏ₃粉末（平均粒径0.03μｍ、旭化
成工業（株）製）2.5 重量％とを総重量が２kgとなるよ
うに投入し、エタノール３リットルを加え、20φで3.4
kgのAl₂Ｏ₃製ボールで96時間の湿式ボールミル混合を
行った。

【００３７】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。

【００３８】上記で得た原料粉１００重量部に、射出成
形用バインダー３９重量部を添加し、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に示した形状の成形体１を製造
した。

【００３９】得られた成形体を、水／アセトン／メタノ
ールが１４／３／３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４
２０℃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。

【００４０】脱脂後、図１に示すように、窒化珪素から
なるリング状の治具４を用いて有底円筒状のカーボン製
の匣鉢３内に成形体１を設置した。ここで、匣鉢３の内
壁面と成形体１のステム部12の表面との距離ｄ₁は10mm
であった。

【００４１】次に、成形体１の原料粉末40重量％と、窒
化ボロン60重量％とを均一に混合してなる詰め粉を匣鉢
３内に入れて、図１に示すように成形体１を完全に詰め
粉内に埋設した。

【００４２】８．５気圧の窒素ガス圧下、図２に示す焼
成プログラムに従い、図１に示す状態で成形体を焼成し
た。

【００４３】上記の焼成方法で合計５本のセラミックバ
ルブを製造した。得られた各バルブのステム部における
変形（曲がり）の度合いを以下のようにして測定した。

【００４４】焼成したバルブの傘部14における中心軸線
Ｌを基準とし、この中心軸線Ｌからステム部端部が実際
にどれぐらい横方向にずれているか（変位量：mm）を測
定した。また、焼成体（セラミックバルブ）の相対密度
を測定した。結果を表１に示す。

【００４５】比較例１〜３実施例１と同様にして成形体１を作製した。次に、図６
に示すように、単一径を有する有底円筒状のカーボン製
匣鉢38を用い、この上部端面38a に、成形体１のフェー
ス部16が直接当接するように成形体１を固定するととも
に、匣鉢38と成形体１との間に実施例１と同様の詰め粉
５を充填した（ただし傘部14の平面状端部14a は匣鉢38
の外側を向いており、詰め粉には接触しない）。この状
態で、実施例１と同様の条件で焼成を行い、焼成体（バ
ルブ）を得た（比較例１）。

【００４６】また、図７に示すように、単一径を有する
有底円筒状のカーボン製匣鉢38の内部に、実施例１と同
様にして作製した成形体１を傘部14が下方になるように
設置し、実施例１と同様の詰め粉５を入れて成形体１を
埋設した。この状態で実施例１と同様の条件で焼成を行
い、焼成体（バルブ）を得た（比較例２）。

【００４７】さらに、実施例１と同一の匣鉢３及び治具
４を用い、詰め粉５を用いない以外は、実施例１と同様
にして（詰め粉５がない以外図１に示す状態と同様にし
て）焼成を行った（比較例３）。

【００４８】上記各比較例において、それぞれ５本ずつ
セラミックバルブを作製し、実施例１と同様にステム部
の変形の度合い、及びバルブの相対密度を測定した。結
果を表１に示す。

【００４９】表１ステム部振れ（mm）／相対密度（％）例No. バルブ１バルブ２バルブ３バルブ４バルブ５実施例１ 0.20／99.0 0.25／99.1 0.20／99.2 0.20／99.3 0.25／99.0 比較例１ 0.60／99.0 0.65／98.5 0.70／99.1 0.80／99.1 0.60／98.8 比較例２ 0.80／99.2 0.75／99.0 0.90／99.0 0.85／99.0 0.80／99.1 比較例３ 0.60／98.8 0.60／98.7 0.70／99.0 0.80／98.5 0.75／99.0

【００５０】表１からわかるように、実施例１において
はバルブの変形量は0.3 mm未満であったが、比較例にお
いては0.6 mm以上の大きな変形がみられた。

【００５１】

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の装置を
用いて焼成を行えば、セラミックバルブ成形体を、均一
な温度分布で、かつ熱伝導も等方的となるように焼成す
ることができ、その結果ステム部における変形（曲が
り）を極めて小さくすることができる。

【００５２】本発明の方法によれば、窒化珪素等のセラ
ミックバルブをニアネットシェイプで製造することがで
きるので、焼成後の成形加工（研削加工）を低減するこ
とができ、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】本発明の一実施例によるセラミックバルブ成
形体の焼成用の装置を示す概略断面図であり、セラミッ
クバルブ成形体１を固定している状態を示している。

【図２】実施例１及び各比較例における成形体の焼成
温度プログラムを示すグラフである。

【図３】一般的なバルブの形状を示す側面図である。

【図４】従来の焼成方法において、セラミックバルブ
成形体が治具により固定されている状態の一例を示す概
略断面図である。

【図５】 (a) 、(b) はそれぞれ、ステム部12の断面積
がその軸線方向に単調に増大又は減少する成形体を示す
斜視図であり、(b) では、成形体が治具に保持されてい
る状態を示している。

【図６】比較例１の焼成における成形体の状態を示す
断面図である。

【図７】比較例２の焼成における成形体の状態を示す
断面図である。

【符号の説明】

１セラミックバルブ２成形体固定装置３匣鉢４リング状の治具５詰め粉 12 ステム部 14 傘部 16 フェース部 32 拡径部 36 段部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】傘部とステム部とからなるセラミックバ
ルブ成形体を焼成する方法において、円筒状の匣鉢と、
前記成形体と同種の材料からなり、前記匣鉢内部の上方
側に配置される治具とを用い、(a) 前記成形体を前記匣
鉢の内壁に接触させず、(b) 前記成形体のステム部を垂
直下方に向け、(c) 前記成形体の軸線が前記匣鉢の中心
線に実質的に重なるように前記傘部を前記治具により固
定して前記成形体を前記匣鉢内に配置し、さらに、前記
匣鉢内に詰め粉を充填して前記成形体を埋設し、焼成す
ることを特徴とする方法。
【請求項２】傘部とステム部とからなるセラミックバ
ルブ成形体の焼成に用いる装置であって、(1) 円筒状の
匣鉢と、(2) 前記成形体と同種の材料からなり、前記匣
鉢内部の上方側に固定される治具とからなり、前記治具
により前記傘部を固定し、前記成形体を前記匣鉢の内壁
に接触させず、そのステム部を垂直下方に向け、かつ前
記成形体の軸線が前記円筒状匣鉢の中心線に実質的に重
なるように前記成形体を前記匣鉢内に配置することを特
徴とする装置。