JPH0658116A - バルブシート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特に、多バルブエンジン用シリンダヘッドの
吸・排気ポート部周縁に、シリンダヘッドの割れ等を起
こすことなく、接合され得るバルブシートを提供するこ
と。 【構成】 溶浸処理によって空孔に金属を充填された
後、表面に表面処理層９が形成された焼結材１でバルブ
シート２２を構成し、該バルブシート２２のシリンダヘ
ッド２０との接合部に突起部２２ａを形成する。焼結材
１の空孔に、溶浸処理によってＣｕ，Ａｌ等の電気伝導
率が高くて焼結材１に含浸し易い金属を充填すると、焼
結材１全体の電気伝導率が高められるため、抵抗溶接に
よってバルブシート２２をシリンダヘッド２０に接合す
る場合、該バルブシート２２の内部発熱量が減少し、そ
の代わりに接合界面での発熱量が増え、この結果、当該
バルブシート２２が接合可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、接合前処理が施された
焼結材から成るバルブシートに関する。

【０００２】

【従来の技術】所謂粉末治金法によって得られる焼結材
は、高い材料歩留、高精度等が期待されることから自動
車部品等に多用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、斯かる焼結
材は、圧粉体を焼結して得られるものである故に他部材
への接合が非常に難しい材料である。例えば、抵抗溶接
による場合には、焼結材自体の電気抵抗が大きいため、
該焼結材は内部で発熱が起きて加圧力を受けると塑性変
形が生じるだけであって、所望する接合界面での発熱、
溶融、接合は起こらない。

【０００４】他方、内燃エンジンの分野においては、近
年、多バルブ化が進み、シリンダヘッドの各気筒には複
数の吸・排気ポートが近接して配置されるため、各ポー
ト間の距離が短くなりつつあり、斯かる状況の下で焼結
材から成るバルブシートを吸・排気ポートの周縁に従来
通り圧入すると、シリンダヘッドのポート間に強度不足
のための割れが発生する等の問題が発生する。

【０００５】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、その目的とする処は、特に多バルブエンジン用シリ
ンダヘッドの吸・排気ポート部周縁に、シリンダヘッド
の割れ等を起こすことなく接合され得るバルブシートを
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく本
発明方法は、溶浸処理によって空孔に金属を充填された
後、表面処理によってその表面に表面処理層が形成され
た焼結材でバルブシートを構成し、該バルブシートのシ
リンダヘッドとの接合部に突起部を形成したことをその
特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明に係るバルブシートを構成する焼結材の
空孔に、溶浸処理によってＣｕ，Ａｌ等の電気伝導率が
高くて焼結材に含浸し易い金属を充填すると、焼結材全
体の電気伝導率が高められるため、抵抗溶接によってバ
ルブシートをシリンダヘッドに接合する場合、該バルブ
シートの内部発熱量が減少し、その代わりに接合界面で
の発熱量が増え、この結果、当該バルブシートが接合可
能となる。

【０００８】上記の場合、バルブシートのシリンダヘッ
ドとの接合部には突起部が形成されているため、該バル
ブシートとシリンダヘッドとの接触面積が小さく抑えら
れ、接合部での電流密度を局部的に高くすることがで
き、その結果、接合部での温度上昇が図れ、バルブシー
トの内部発熱を伴わないで短時間での接合が可能とな
る。

【０００９】又、バルブシートとシリンダヘッドとの接
触面積が小さく抑えられると、バルブシート接合部の単
位面積当りの加圧力を大きくすることができ、その結
果、シリンダヘッドの局部的な塑性変形が起き、表面酸
化層の除去及び接合材原子の相互拡散が促進されてバル
ブシートに高い接合強度が付与される。

【００１０】従って、本発明に係るバルブシートは、従
来の圧入方式によらなくても、シリンダヘッドの吸・排
気ポート部周縁に溶接によって接合され、この結果、特
にポート間距離の短い多バルブエンジン用シリンダヘッ
ドに割れ等の問題が発生することはない。

【００１１】

【実施例】以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【００１２】図１、図２はそれぞれバルブシート接合
前、後の状態を示すシリンダヘッドの吸気ポート部の破
断斜視図断面図である。

【００１３】図１及び図２において、２０は軽量なＡｌ
合金鋳物で構成されるシリンダヘッドであって、これの
吸気ポート２１周縁にはリング状のテーパ面２１ａが機
械加工によって形成されている。

【００１４】一方、２２は本発明に係るバルブシートで
あって、該バルブシート２２は耐衝撃性、耐摩耗性及び
高温強度に優れた焼結材で構成され、その表面には表面
処理層９が形成されている。そして、このバルブシート
２２のシリンダヘッド２０との接合部には突起部２２ａ
が形成されている。

【００１５】ここで、バルブシート２２を構成する前記
焼結材１に対して施される接合前処理を図３（ａ），
（ｂ），（ｃ）に従って説明する。尚、図３（ａ），
（ｂ），（ｃ）は接合前処理方法をその工程順に示す説
明図である。

【００１６】図３（ａ）に示す焼結材１は所謂粉末治金
法によって得られるものであって、これはＦｅを主体と
する多数の粉体粒子２の結合体であり、粉体粒子２の間
には多数の空孔３が形成されている。

【００１７】而して、接合前処理に際しては、先ず焼結
材１に溶浸処理を施し、図３（ｂ）に示すように、電気
伝導率が高くて焼結材１に含浸し易いＣｕ等の金属４を
焼結材１の空孔３に充填する。尚、焼結材１がＣｕを主
体とする粉体粒子の結合体である場合には、これの空孔
３に充填する金属４としてはＡｌが選ばれる。

【００１８】次に、上記溶浸処理が施された図３（ｂ）
に示す焼結材１に表面処理（メッキ処理）を施して図３
（ｃ）に示すように焼結材１の表面に表面処理層（メッ
キ層）９を形成する。尚、前記金属４としては、表面処
理層９との馴染みの良いものが選定される。

【００１９】ところで、上記表面処理層９は図４又は図
５に示す構成を有している。即ち、図４に示す表面処理
層９はバルブシート２２の表面に溶融法、電解法、溶射
法等によって数１０μｍ〜数ｍｍの厚さに形成されたＡ
ｌメッキ層９ａと、該Ａｌメッキ層９ａの形成によって
生成されたＦｅ−Ａｌ合金層９ｂで構成されている。
尚、表面処理装置９としてＡｌメッキ層９ａを形成する
理由は、溶接の際、該Ａｌメッキ層９ａが同材質である
Ａｌ合金製のシリンダヘッド２０に対して馴染み易いた
めである。

【００２０】又、図５に示す表面処理層９は、バルブシ
ート２２に数μｍ〜数１０μｍの厚さに形成されたＮｉ
メッキ層９ｃと、その表面に溶融Ａｌメッキ処理を施す
ことによって形成されたＡｌメッキ層９ａ及びＮｉ−Ａ
ｌ合金層９ｄで構成されている。尚、Ｎｉメッキ層９ｃ
を形成する理由は、該Ｎｉメッキ層９ｃの電気伝導率が
低くて発熱し易いため、及び該Ｎｉメッキ層９ｃが緩衝
機能を有することによる。

【００２１】ここで、バルブシート２２の抵抗溶接の基
本原理を図６に示すが、良好な接合が得られる条件とし
ては、バルブシート２２の突起部２２ａとシリンダヘッ
ド２０との接触面において大きな接触抵抗による十分な
発熱があり、この発熱によってシリンダヘッド２０の局
部的な塑性変形と接合界面での金属原子の相互拡散が生
じることが挙げられる。

【００２２】一方、電極６、バルブシート２２及びシリ
ンダヘッド２０は各々固有の電気抵抗値を有しており、
通電時に内部で発熱するが、これらが所定温度以上に加
熱されることは好ましくない。特に、バルブシート２２
においては、材質によっては高温になると接合後の冷却
速度が大きくなって硬度が著しく上昇し、接合加工後の
バルブフェース形状への切削加工における被削性を低下
させるだけでなく、エンジン作動中に相手のバルブフェ
ースを摩耗させる原因となる虞れがある。

【００２３】ところで、抵抗溶接時にバルブシート２２
の温度上昇をもたらす要因としては、当該バルブシート
２２の固有電気抵抗による内部発熱の他、バルブシート
２２の突起部２２ａの接触抵抗による発熱量のうちバル
ブシート２２側への伝熱拡散分による加熱が考えられ
る。

【００２４】然るに、接合後のバルブシート２２の断面
を観察すると、該バルブシート２２の電極６、シリンダ
ヘッド２０と接触している部分の硬度は接合前の値と同
等であるのに対し、内部の硬度が上昇しており、このこ
とから推察すると、バルブシート２２の内部発熱が硬度
上昇に大きく寄与しているものと考えられる。

【００２５】而して、一般に通電による発熱量Ｑは次式
で表わされる。

【００２６】

【数１】Ｑ＝Ｉ² ・Ｒ・ｔ … （１） ここに、Ｉ：電流密度 Ｒ：抵抗 ｔ：時間 上記（１）式より明らかなように、発熱量Ｑを低減する
には、電流密度Ｉを低下させることが最も効果的であ
る。

【００２７】しかし、各パラメータＩ，Ｒ，ｔは接合界
面の強度を確保するための最適値が決まっているため、
それらの値の変更は難しく、バルブシート２２内部の発
熱量を低減するには、電流が流れる方向に直交する平面
上のバルブシート２２の断面積を出来るだけ大きくとる
ことが必要となる。

【００２８】又、バルブシート２２内に発生した熱を速
やかに外部へ逃がすためには、バルブシート２２の中心
から電極６の接触面までの距離が小さい程、バルブシー
ト２２の電極６との接触面積が大きい程良い。

【００２９】更に、バルブシート２２とシリンダヘッド
２０との接触抵抗を十分高くするためには、バルブシー
ト２２の突起部２２ａの曲率が大きい程良いが、前記要
求とのバランスが必要である。

【００３０】図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に改良された
バルブシート２２の断面形状を示す。尚、図中、２１は
吸気ポートである。

【００３１】ここで、図１（図７（ａ））に示す断面形
状を有するバルブシート２２のシリンダヘッド２０への
抵抗溶接による接合プロセスを図８（ａ）〜（ｄ）に従
って説明する。

【００３２】バルブシート２２の表面には前述のように
表面処理層９が形成されており、図８（ａ）に示すよう
に、バルブシート２２はその突起部２２ａがシリンダヘ
ッド２０の吸気ポート２１周縁のテーパ面２１ａに当接
する状態でセットされ、電極６によってテーパ面２１ａ
との間で加圧され、続いて通電される。

【００３３】そして、バルブシート２２とシリンダヘッ
ド２０との接合面及びその付近（溶接部）が溶融温度又
はこれに近い温度まで加熱されると、通電を遮断する。
すると、Ｆｅ系材料から成るバルブシート２２よりも硬
度の低いＡｌ合金から成るシリンダヘッド２０が図８
（ｂ）に示すように塑性変形し、バルブシート２２がシ
リンダヘッド２０に埋め込まれた状態で接合される。

【００３４】その後、接合部を冷却し、図８（ｃ）に鎖
線にて示すカット面Ｃに沿って接合部を機械加工によっ
て切除すれば、図８（ｄ）に示すようにバルブシート２
２が最終形状に仕上げられてシリンダヘッド２０の吸気
ポート２１周縁に接合一体化される（図２参照）。

【００３５】而して、上記抵抗溶接においては、バルブ
シート２２を構成する焼結材１の空孔３には前述の接合
前処理によって熱伝導率の高い金属４が充填されている
ため、バルブシート２２（焼結材１）全体の電気伝導率
が高められ、該バルブシート２２の内部発熱量が減少
し、その代りにバルブシート２２とシリンダヘッド２０
の接合界面での局部的な発熱量が増え、この結果、バル
ブシート２０の抵抗溶接によるシリンダヘッド２０への
接合が可能となる。

【００３６】而して、上記の場合、バルブシート２２の
シリンダヘッド２０との接合部には突起部２２ａが形成
されているため、該バルブシート２２とシリンダヘッド
２０との接触面積が小さく抑えられ、接合部での電流密
度を局部的に高くすることができ、その結果、接合部で
の温度上昇が図れ、バルブシート２２の内部発熱を伴わ
ないで短時間での接合が可能となる。

【００３７】又、バルブシート２２とシリンダヘッド２
０との接触面積が小さく抑えられると、バルブシート２
２の接合部の単位面積当りの加圧力を大きくすることが
でき、その結果、シリンダヘッド２０の局部的な塑性変
形が起き、表面酸化層の除去及び接合材原子の相互拡散
が促進されてバルブシート２２に高い接合強度が付与さ
れる。

【００３８】従って、シリンダヘッド２０が特に多バル
ブエンジン（例えば、５バルブエンジン）用であって、
隣接する吸気ポート２１間の距離が極めて短いような場
合であっても、吸気ポート２１間の狭い部分に圧入によ
る過大な力が加わることがなく、該部分に割れが発生す
る等の不具合が生じない。

【００３９】又、バルブシート２２を構成する焼結材に
は電気伝導率の高い金属が含浸されるため、バルブシー
ト２２の電気伝導率が高くなって放熱し易くなり、エン
ジンの燃焼室内の温度上昇が抑えられてノッキングの発
生が防がれるという効果も得られる。

【００４０】更に、表面処理層９をその表面に形成して
成るバルブシート２２を前述のように抵抗溶接によって
シリンダヘッド２０に接合すると、Ａｌメッキ層９ａと
シリンダヘッド２０の界面で発熱し、Ａｌメッキ層９ａ
とシリンダヘッド２０の表面が互いに溶融・拡散し合
い、バルブシート２２とシリンダヘッド２０の材料間で
冶金的に連続性のある接合部分が形成される。この結
果、エンジン作動中の排気熱のシリンダヘッド２０への
伝達効率が高められる。

【００４１】又、図５に示す表面処理層９におけるＮｉ
−Ａｌ合金層９ｄの硬度（ＨｍＶ：４００〜６００）は
図４に示すＦｅ−Ａｌ合金層９ｂの硬度（ＨｍＶ：７０
０〜１０００）よりも低く、耐衝撃性に優れているた
め、図５に示す表面処理層９を形成して成るバルブシー
ト２２の耐衝撃性が高められる。

【００４２】尚、図９（ａ）〜（ｄ）に示すようにバル
ブシート２２の接合部円周に切り欠き溝又は段付き部２
２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅを形成すれば、接合中に
シリンダヘッド２０のＡｌ材がその切り欠き溝又は段付
き部２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅに入り込み、これ
によってバルブシート２２は冶金的結合のみならず機械
的結合によってもその接合強度が高められる。

【００４３】ところで、バルブシートのシリンダヘッド
への接合方法としては、バルブシートを直接シリンダヘ
ッドに溶融肉盛する方法が考えられている。

【００４４】しかしながら、焼結合金製のバルブシート
をＡｌ合金製のシリンダヘッドに直接肉盛することは、
ＦｅとＡｌの融点や熱膨張率の差、硬くて脆い金属間化
合物の生成等の問題のために困難である。

【００４５】従って、ここでは、溶融肉盛によってバル
ブシートを容易、且つ確実にシリンダヘッドに形成する
手法を図１０（ａ）〜（ｅ）に従って説明する。

【００４６】先ず、図１０（ａ）に示すように、溶融Ａ
ｌメッキ等の表面処理によって表面に表面処理層２７が
形成されたリング状のＦｅ系材料２８を抵抗溶接法等に
よりシリンダヘッド２０に接合し、図１０（ｂ），
（ｃ）に示すように、機械加工によってＦｅ系材料２８
をシリンダヘッド２０に埋め込んで被肉盛部とする。そ
して、図１０（ｄ）に示すように被肉盛部であるＦｅ系
材料２８上に、Ｆｅ系材料２２’を溶融肉盛りし、肉盛
りされたＦｅ系材料２２’を機械加工すれば、図１０
（ｅ）に示すように所望のバルブシート２２が形成され
る。

【００４７】尚、以上はバルブシートの吸気ポート側へ
の接合のみについて述べたが、排気ポート側への接合も
同様に行なうことができる。

【００４８】

【発明の効果】以上の説明で明らかな如く、本発明によ
れば、溶浸処理によって空孔に金属を充填された後、表
面処理によってその表面に表面処理層が形成された焼結
材でバルブシートを構成し、該バルブシートのシリンダ
ヘッドとの接合部に突起部を形成したため、特に多バル
ブエンジン用シリンダヘッドの吸・排気ポート部周縁
に、バルブシートを、シリンダヘッドの割れ等を起こす
ことなく、接合することができるという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】バルブシート接合前の状態を示すシリンダヘッ
ドの吸気ポート部の断面図である。

【図２】バルブシート接合前の状態を示すシリンダヘッ
ドの吸気ポート部の断面図である。

【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ）は焼結材に対する接合
前処理をその工程順に示す説明図である。

【図４】表面処理層の構成図である。

【図５】表面処理層の構成図である。

【図６】抵抗溶接の基本原理を説明するための図であ
る。

【図７】（ａ），（ｂ），（ｃ）は改良されたバルブシ
ートの断面形状を示す図である。

【図８】（ａ）〜（ｄ）はバルブシートのシリンダヘッ
ドへの抵抗溶接による接合プロセスを示す説明図であ
る。

【図９】（ａ）〜（ｄ）はバルブシートの断面形状を示
す部分斜視図である。

【図１０】（ａ）〜（ｅ）は溶融肉盛によってバルブシ
ートを形成する手順を示す説明図である。

【符号の説明】 １ 焼結材 ３ 空孔 ４ 金属 ９ 表面処理層 ２０ シリンダヘッド ２１ 吸気ポート ２２ バルブシート ２２ａ 突起部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲波 純一 静岡県磐田市新貝2500番地ヤマハ発動機株 式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶浸処理によって空孔に金属を充填され
   た後、表面処理によってその表面に表面処理層が形成さ
   れた焼結材で構成され、シリンダヘッドとの接合部に突
   起部を形成したことを特徴とするバルブシート。