JPH06146824A - チタン製エンジンバルブ - Google Patents

チタン製エンジンバルブ

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JPH06146824A
JPH06146824A JP31794492A JP31794492A JPH06146824A JP H06146824 A JPH06146824 A JP H06146824A JP 31794492 A JP31794492 A JP 31794492A JP 31794492 A JP31794492 A JP 31794492A JP H06146824 A JPH06146824 A JP H06146824A
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JP
Japan
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engine valve
titanium
film
stem
sic
Prior art date
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Pending
Application number
JP31794492A
Other languages
English (en)
Inventor
Takeshi Kenmoku
武司 見目
Shinichi Unno
信一 海野
Eiji Hirai
英次 平井
Kazuyoshi Kurosawa
一吉 黒澤
Yoshio Matsumura
由男 松村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Oozx Inc
Nihon Parkerizing Co Ltd
Original Assignee
Fuji Oozx Inc
Nihon Parkerizing Co Ltd
Fuji Valve Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 軸部摺動部の耐摩耗性が改良されたチタン製
エンジンバルブの提供。 【構成】 チタン製エンジンバルブの軸摺動部に、直接
或いは皮膜を介して、ニッケル、リン、及び炭化ケイ
素、窒化硼素、窒化ケイ素並びにそれらの混合物から成
る群から選択されたファインセラミックス微粒子を含む
三成分系皮膜を形成させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、チタン製エンジンバル
ブに関する。より詳細に述べると、本発明は、チタン製
エンジンバルブ軸摺動部に、直接或いは皮膜を介して、
ニッケル、リン、及び炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化硼
素、並びにそれらの混合物から成る群から選択された、
ファインセラミックス分散粒子を含む三成分系皮膜を有
するチタン製エンジンバルブに関する。
【0002】
【従来の技術】本発明で使用する用語「チタン」は、チ
タン及びチタン合金を意味する。チタンは、比強度が大
きく、優れた耐食性をもち、その合金はきわめて優れた
軽量、高強度材料である。
【0003】例えば、Al 6%及びV 4%含有のチタ
ン合金は、室温及びエンジン内での使用温度範囲で耐熱
鋼と同程度の引張強度があり又比重は鋼の60%という
軽量高強度材料である。従って、自動車部品、例えばエ
ンジンバルブ材料としての使用が期待されている。
【0004】しかし、チタン合金は、耐食性、高比強
度、耐熱性に優れている反面、熱伝導率が低く、耐摩耗
性に劣るという欠点がある。一方、エンジンバルブは、
エンジン内での摺動運動で、スベリ摩擦や繰返し回転曲
げ等の応力を受けて、摩耗したり、疲労を起こすが、そ
のほとんどが表面で起こる。
【0005】エンジンバルブの寿命を支配したり、性能
を向上させる因子の大きな部分をその表面が担ってい
る。そのため、チタン合金をエンジンバルブ等の摺動部
材に用いる場合、種々の表面処理を行って、チタン合金
の表面に各種の皮膜を形成させて、表面を改質する必要
がある。
【0006】金属の表面の物性を改質する従来技術とし
て、金属表面に皮膜を形成させ、これに機能をもたせる
デポジション法と、金属表面自体を化学反応や注入、添
加で変化させ、母材金属とは異なる新しい性質の皮膜を
形成させる方法がある。前者は、真空蒸着、スパッタ蒸
着などの物理蒸着(PVD)と化学蒸着(CVD)など
であり、後者は、金属表面のレーザ処理、プラズマ処理
等である。
【0007】これらの従来技術を利用して、チタン製エ
ンジンバルブの表面に皮膜を形成させて、耐摩耗性を向
上させようとする場合、その皮膜形成方法と、皮膜の材
料を適格に選択することが必要である。しかしながら、
従来、その点において満足すべき解決法がなかった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】発明が解決しようとす
る課題は、チタンを自動車のエンジンバルブに使用した
場合、満足すべき耐摩耗性が得られなかったことであ
る。発明が解決しようとする別の課題は、以下逐次明ら
かにされる。
【0009】
【課題を解決するための手段】課題を解決するための手
段を述べる前に、本発明を開発するに至った経緯を簡略
に解説する。金属は、その使用環境の中で、摩耗、腐
食、酸化などいろいろの反応を受けて変化してゆくが、
そのほとんどが表面で起こる。従って、金属の表面処理
を行って、表面の物性を改質する技術が開発されてきて
いることは前述したとおりである。
【0010】特に、金属材料の耐摩耗性、耐熱性等を向
上させるため、セラミックスコーティングが大きく進展
中である。本発明者等は、この技術をチタン製エンジン
バルブに応用し、皮膜形成の生産性、皮膜とエンジンバ
ルブとの付着強度、耐摩耗性の改良度、コスト等エンジ
ンバルブに重要な要件を同時に満足させるセラミックス
材料と、その皮膜形成方法を策定した。
【0011】その結果、チタン製エンジンバルブの表面
に、Ni−P金属マトリックス層を形成させ、その中に
SiC、BN、Si34或いはそれらの混合物から成る群
から選択されたファインセラミックス微粒子を分散させ
る方法を発見した。
【0012】従って、課題を解決するための手段は、チ
タン製エンジンバルブの軸摺動部に、直接或いは適当な
皮膜を介して、Ni、P、及びSiC、Si34並びにそ
れの二者以上の混合物から成る群から線選択されたファ
インセラミックス微粒子を含む三成分系皮膜を形成させ
ることである。
【0013】本発明で使用するBN,SiC及びSi3N4のファ
インセラミックスはいずれもその高強度性を利用して、
機械部品、自動車部品材料等に用途が拡大しつつある。
特に、SiC及びSi3N4は薄膜やコーティングあるいは非晶
質での利用が進められている。
【0014】下の表にSiCとSi3N4の代表的な物性を示
す:
【0015】
【表1】
【0016】この表の値で特徴的なことは同じ非酸化物
セラミックスであるSiCに比較して、曲げ強度、破壊靭
性、耐熱衝撃性においてSi3N4が優れていることであ
る。
【0017】本発明では、チタン製エンジンバルブをこ
れらのファインセラミックスだけで直接コーティングす
るのではなく、ニッケル−リンの金属マトリックスと、
ファインセラミックス微粒子の複合化によって、金属が
単独では持ち得ない相乗効果を得るのが特徴である。そ
の場合、微粒子の作用は、それが有する高強度性とい
う、物理的性質に基づくものである。従って、SiC、BN
及びSi3N4のファインセラミックス微粒子は各々単独で
も、或いは二者以上を混合して使用してもよい。
【0018】本発明で、チタン製エンジンバルブの表面
に形成される皮膜を構成する単位という意味で使用する
用語「成分」は、Ni,P及びファインセラミックス微粒
子各々を一成分と見なすものである。従って、ファイン
セラミックス微粒子が「SiC」,「BN」,「Si3N4」及び
「それらの混合物」である場合、その各々を一成分と見
なすと理解されるべきである。
【0019】従って、本発明でチタン製エンジンバルブ
軸摺動部の外表部に形成される三成分系皮膜は、Ni−P
−SiC,Ni−P−BN,Ni−P−Si3N4,Ni−P−(SiC+B
N),Ni−P−(SiC+Si3N4),Ni−P−(SiC+Si3N4)及
びNi−P−(SiC+BN+Si3N4)の7種類である。
【0020】本発明の、チタン製エンジンバルブがその
外表面に有する、Ni−P−ファインセラミックス微粒子
の三成分系被膜に、直接影響を及ぼす因子として、皮膜
の粒子含有率、粒子の分布状態、粒子径、粒子の形状、
粒子と金属マトリックス界面の安定性などがある。従っ
て、本発明では、最終的に形成させようとするNi−P−
ファインセラミックス微粒子の三成分系皮膜の耐摩耗特
性を勘案して、分散粒子の諸条件を選択することが必要
である。因みに、ファインセラミックス微粒子の粒径は
10数μm以下が好ましく、1〜5μmの範囲がより好
ましい。1μm以下になると粉体に近くなり、耐摩耗性
等の改質効果がそれ程期待出来ない。
【0021】SiC,BN,或いはSi3N4を単独、又は二者以
上を混合して使用する場合、粒径を同じ程度に揃えても
よいし、又は大、中及び小の粒径の粒子を混在させるこ
とによって、いわゆる最密パッキング効果を利用しても
よい。
【0022】又、ファインセラミックス微細子の含有率
は、三成分系皮膜の重量に対して2〜10%、好ましく
は、2〜7%である。チタン製エンジンバルブの外表面
に形成されるNi−P−ファインセラミックス微粒子の三
成分系皮膜の厚さは、10〜30μmの範囲が好まし
い。この厚さは、皮膜の硬さ、コスト、生産性等諸条件
を勘案して適宜選択される。
【0023】本発明のチタン製エンジンバルブの外表面
に、Ni−P−ファインセラミックス微粒子の三成分系
皮膜を形成する方法は特に拘束されない。例えば、金属
の表面の物性を改質する従来の技術として、金属表面
に、皮膜を形成させ、これに機能をもたせるデポジショ
ン法と、金属表面自体を化学反応や注入、添加で変化さ
せ、母材金属とは異なる新しい性質の皮膜を形成させる
方法があり、前者は、真空蒸着、スパッタ蒸着などの物
理蒸着(PVD)と化学蒸着(CVD)などであり、後者
は、金属表面のレーザ処理、プラズマ処理等がある。或
いは、金属表面の改質技術として従来より広範な分野で
利用されている電気メッキ、無電解メッキ、または機械
的なピーンプレーティング等の従来技術がある。
【0024】本発明では、これら従来技術の諸条件を策
定し、特定することによって、利用できる。電気メッキ
を利用してチタン製エンジンバルブにNi−P−ファイ
ンセラミックス微粒子の三成分系皮膜を形成するには、
例えば、ASTM法プロセスNo1の方法において、電気
メッキ浴、例えばスルファミン酸浴にニッケルの合金成
分としてのリン源及びSiC、Si34、BN並びにそれ
らの混合物から成る群から選択されるファインセラミッ
クス微粒子を配合してメッキを行えばよい。その場合、
下地に最低1μm、好ましくは10〜30μmのニッケルメ
ッキを行った後、最終メッキを行うと皮膜の密着強度が
向上するが、これは必ずしも必須の要件ではない。
【0025】以下、電気メッキを利用して、チタン性エ
ンジンバルブの軸摺動部に、Ni−P−SiCの三成分系
皮膜を形成させた実施例を掲げる。
【0026】
【実施例】使用したエンジンバルブ Ti−6Al−4Vのチタン合金製自動車用吸気用エン
ジンバルブで、図1に示したように、軸部(1a)の一端に
大径の傘部(1b)が連設され、かつ他端部外周に、環状の
コッタ溝(1c)が形成されている。(以下、サンプルとい
う)
【0027】1.前処理 サンプルを、下記の組成のアルカリ脱脂浴に65℃で、4
分間浸漬して、サンプルに付着しているオイル、グリー
スを取り除いた。
【0028】
【表2】
【0029】水洗後、サンプルを下記の組成の化学エッ
チング浴に、室温で1分間、赤い泡が出るまで浸漬し
た。
【0030】
【表3】
【0031】水洗後、下記組成のエッチング浴に85℃
で、10秒間浸漬して脱脂を完全に行なった。終了後水洗
した。
【0032】
【表4】
【0033】(アンダーコート)ニッケルメッキ 脱脂処理をしたサンプルを、下記の組成のスルファミン
酸ニッケルメッキ浴を使用し、下記の条件でニッケルメ
ッキした。
【0034】
【表5】
【0035】形成されたニッケル皮膜の厚さを、電解膜
厚計で測定した結果5μmであった。
【0036】熱処理 ニッケルメッキ後水洗して、真空下、550℃で3時間、
加熱処理して、母材サンプルとニッケル皮膜の金属結合
を強固にした。
【0037】分散メッキ 熱処理後、サンプルを水洗し、下記の組成の分散メッキ
浴を使用し、下記の条件で分散メッキを施した。
【0038】
【表6】
【0039】熱処理 水洗後、350℃で1時間熱処理を行なって、アンダーコ
ートのニッケル皮膜と、Ni−P−SiCの三成分系皮膜
による金属結合を形成させ、付着強度を強固にした。形
成されたNi−P−SiC皮膜の厚さを、蛍光X線厚さ測
定法で測定した結果、32μmであった。また、ミクロビ
ッカース硬度計で測定した結果、Hv610であった。
【0040】微粒子を、SiCから、宇部興産株式会社
製のSi34(粒径:1〜2μm)に代えた以外には、実施
例1と同じメッキ手順を繰り返して、Ni−P−Si34
の三成分系皮膜を形成した。皮膜の厚さは、30μm、硬
度は、Hv640であった。
【0041】〔試験例〕実施例1及び2で製造したチタ
ン製エンジンバルブを実用エンジンに装着して、下記の
条件で耐久試験を行なった。
【0042】耐久試験条件 (1) エンジン型式:6サイクル×4バルブ、2000C
C (2) 試験条件:6400rpm×4/4負荷 水温サイクル
60×110℃ (3) 試験時間:200時間
【0043】評価方法 200時間耐久試験の前後におけるエンジンバルブ軸部
と、それに摺接するシリンダヘッド側のバルブガイドの
摩耗量とを測定した。結果を下に表示する。
【0044】
【表7】
【0045】考察 通常、軸部及びバルブガイドの最大摩耗許容量は、50μ
mとされているので、実施例1及び2で製造したエンジ
ンバルブは、十分実用に耐えることがわかる。また、N
i−P−SiC(実施例1)皮膜よりも、Ni−P−Si34
(同2)皮膜の方が幾分優れていることもわかった。
【0046】
【発明の効果】本発明によって、チタン製エンジンバル
ブの軸部摺動部の耐摩耗性が改良される。
【図面の簡単な説明】
【図1】自動車用吸気用エンジンバルブの斜視図であ
る。
【符号の説明】 (1a)軸部 (1b)傘部 (1c)コッタ溝
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平井 英次 東京都中央区日本橋1丁目15番1号 日本 パーカライジング株式会社内 (72)発明者 黒澤 一吉 東京都中央区日本橋1丁目15番1号 日本 パーカライジング株式会社内 (72)発明者 松村 由男 東京都中央区日本橋1丁目15番1号 日本 パーカライジング株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チタン製エンジンバルブの軸部摺動部
    に、直接或いは皮膜を介して、ニッケル、リン、及び炭
    化ケイ素、窒素ケイ素、窒化硼素、並びにそれらの群か
    ら選択された微粒子を含む三成分系皮膜を有するチタン
    製エンジンバルブ。
  2. 【請求項2】 三成分系皮膜の厚さが、10〜30μmであ
    る請求項1記載のチタン製エンジンバルブ。
JP31794492A 1992-11-04 1992-11-04 チタン製エンジンバルブ Pending JPH06146824A (ja)

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JP31794492A JPH06146824A (ja) 1992-11-04 1992-11-04 チタン製エンジンバルブ

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5495837A (en) * 1993-06-11 1996-03-05 Mitsubishi Materials Corporation Engine valve having improved high-temperature wear resistance
US5758415A (en) * 1995-05-08 1998-06-02 Fuji Oozx Inc. Method of manufacturing a tappet in an internal combustion engine
JP2007032558A (ja) * 2005-06-22 2007-02-08 Yamaha Motor Co Ltd 内燃機関用チタン部品

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