JPH0666116A - 内燃機関用吸排気バルブおよび製造方法 - Google Patents

内燃機関用吸排気バルブおよび製造方法

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JPH0666116A
JPH0666116A JP22240492A JP22240492A JPH0666116A JP H0666116 A JPH0666116 A JP H0666116A JP 22240492 A JP22240492 A JP 22240492A JP 22240492 A JP22240492 A JP 22240492A JP H0666116 A JPH0666116 A JP H0666116A
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JP
Japan
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valve
ceramics
silicon nitride
internal combustion
shaft
Prior art date
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Pending
Application number
JP22240492A
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English (en)
Inventor
Hideo Sekiguchi
英男 関口
Hiroaki Nishio
浩明 西尾
Norio Isoo
典男 磯尾
Shozo Azuma
祥三 東
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.)
JFE Engineering Corp
Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】より高い耐摩耗性、高熱性、耐酸化性を有し、
内燃機関の高回転化、高出力化の達成を可能にする高耐
摩耗性バルブを提供すること。 【構成】バルブフェース部をセラミックスとし、軸端面
及び軸上部表面は金属または金属間化合物とするかある
いは少なくともその一方をセラミックスとし、その他の
部分は金属または金属間化合物としたことを特徴とする
内燃機関用吸排気バルブ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、各種内燃機関用吸排
気バルブに係わり、詳細には軽量で高い耐摩耗性と耐酸
化性を有するセラミックスと軽量で高温強度を有する金
属とからなる内燃焼機関用吸排気バルブに係わるもので
ある。
【0002】
【従来の技術】セラミックスと金属を用いて複合化した
内燃機関用吸排気バルブはいくつか開発されている。例
えば、軸上端部については、そこに耐熱鋼マトリックス
中にセラミック粒子が分散された複合層を設けたもの
(特開昭62−611号公報)、軸上端部にセラミック材料
を形成したもの(特開昭59−107007号公報)等が知られ
ている。これらはロッカーアームとの当接面の耐摩耗性
を向上させることを意図している。
【0003】また、バルブフェース部については、弁部
をセラミックでそして弁棒を金属で構成することによっ
て弁部の耐熱性、耐食性を向上させたもの(特開昭59−
119904号公報)、傘部の排気ポート側部分をセラミック
ス、燃焼室側部分を金属とし、これに金属製弁棒を接合
して弁部の耐熱性の確保と軽量化を図ったもの(特開昭
62−186912号公報)がある。さらに、ガイド(フィン)
を備えたセラミック製傘部を金属製ステムに嵌入し、さ
らにシリンダヘッドプレート、シールリングもセラミッ
ク製にしたものも知られている(特開昭60−11607号公
報)。これは耐久性、シール性の向上及び開閉時の衝撃
荷重の緩和を意図している。セラミック製傘部と金属製
弁棒とを緩衝層を介在させてろう付したものも知られて
いる(特開昭61−78205号公報)。これは、残留ひずみ
の発生しない接合を意図している。セラミック部材より
なる傘部と金属部材よりなる軸部を特定条件下で焼ばめ
する方法も知られている(特開昭55−140771号公報)。
これは、亀裂の発生しない接合を意図している。
【0004】吸排気バルブの軽量化のために、Ti合金
製で軸端面や軸部を表面処理したバルブを製造する試
み、軽金属をマトリックスする複合材料でバルブを形成
する試みも従来より行われている。一例として、バルブ
フェース部が体積率20〜40%の炭化ケイ素ウィスカと炭
化クロム粒子、または、炭化ケイ素ウィスカとチタン酸
カリウムウィスカ、あるいは、体積率10〜40%の炭化ケ
イ素ウィスカとNi粒子で強化された軽金属よりなる内
燃機関複合材料製バルブが特開平2−243732号公報に記
載されている。このバルブは、フェース部の耐摩耗性に
優れ、従来の鋼製バルブに比べて慣性質量を低減できる
とされている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】近年の内燃機関の高回
転化、高出力化に伴い、エンジン部材の機械的・熱的負
荷が過酷になる傾向がある。このため、バルブ温度は従
来よりも高くなり、バルブ材料はより優れた耐摩耗性、
耐熱性、耐酸化性が要求されるようになった。
【0006】上述の複合材料製バルブは、これらの性質
が従来の鋼製バルブ以上と期待される。しかし、より高
温での十分な耐摩耗性、耐酸化性を確保しうるバルブの
開発が望まれている。
【0007】本発明は、より高い耐摩耗性、耐熱性、耐
酸化性を有し、内燃機関の高回転化、高出力化の達成を
可能にする高耐摩耗性バルブを提供することを目的とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題は、バルブフェ
ース部をセラミックスとし、軸端面及び軸上部表面は金
属または金属間化合物とするかあるいは少なくともその
一方をセラミックスとし、その他の部分は金属または金
属間化合物としたことを特徴とする内燃機関用吸排気バ
ルブによって解決される。
【0009】セラミックスは軽量で耐摩耗性、耐熱性、
耐酸化性にすぐれているものが好ましく、具体的には窒
化ケイ素、サイアロン等が適当である。
【0010】合金は軽量で耐熱性があり、延性のあるも
のが好ましく、具体的にはTi合金、TiAl金属間化合
物等が適当である。Ti合金はAl、V、Sn、Zn等を含
むものが好ましい。
【0011】セラミックスは、バルブフェース部に適用
するが、そのほか軸端面部および軸上部にも適用するこ
とが好ましい。しかしながら、軸端面部および軸上部は
フェース部ほど温度が高くならないので、セラミックス
を適用する代わりに侵入型元素硬化法やメッキ法などの
表面処理を行ってもよい。
【0012】ところで、セラミックスと合金では一般に
熱膨張係数がかなり異なる。この熱膨張係数はもちろん
温度によって変わるが、例えば窒化ケイ素は20〜1000℃
の熱膨張係数は3.1〜3.5×10-6/℃程度であり、TiAl
は9.4〜11.9×10-6/℃程度である。そこで、セラミッ
クスと合金の間に温度の応力や緩みを生じないようにす
るために図5に示すようなセラミックスを合金部分が挟
み込んで合金部分に塑性変形を生じないような構造とす
ることが好ましい。
【0013】例えば、実施例1の場合、フェース部が高
温になったとき、両部材とも半径方向、軸方向に熱膨張
し、嵌合面に近い方向に膨張する。フェース部の温度上
昇を600℃とすると、Ti合金のβが窒化ケイ素のβより
約10分小さくなる。これはTi合金部が窒化ケイ素を挟
み込むことを意味し、かつ、その挟み込みによるTi合
金部のひずみは0.1%以下で塑性変形の発生は防止でき
る。この効果が得られる条件は、l=(0.2〜0.5)r、α
=(15〜25)度、β=(20〜50)度の範囲である。
【0014】バルブフェース部、軸端面部、軸上部にセ
ラミックスを形成する方法として、鋳ぐるみを利用すれ
ばよい。また、バルブフェース部にセラミックスを形成
する方法として、熱間鍛造も利用できる。
【0015】
【作用】窒化ケイ素及びサイアロンは、1000℃位までの
温度で、金属系材料と比べ、硬さ、耐酸化性が優れてい
る。また、これらのセラミックスは他のセラミックスよ
り強度、靭性が高く、バルブフェース部のような繰り返
し衝撃荷重を受ける部位の用途に適している。また、セ
ラミックスの優れた耐摩耗性や低凝着性は軸上端や軸上
部のような摺動部位の用途に適している。一方、セラミ
ックスは脆いという弱点があり、バルブ傘部や軸部が折
損する恐れもあるが、そのような部位には延性のあるT
i合金やTiAl金属間化合物を用いることで解決してい
る。
【0016】
【実施例】
実施例1 本発明の一実施例である自動車エンジン用吸排気バルブ
を図1に示す。このバルブは鋳ぐるみにより製造され、
傘部1及び軸部2がTi合金(Ti−6Al−2Sn−4Z
r−6Mo)で形成されており、傘部のフェース部3には
リング状の窒化ケイ素6が、そして軸上部4から軸端面
部5にかけてはサヤ状の窒化ケイ素7がそれぞれ嵌め込
まれている。
【0017】このバルブの傘部拡大図を図5に示す。フ
ェース部3に嵌合されているリング状窒化ケイ素6は傘
の半径方向の嵌合面8,9に傘部底面10に対して角度を
もたせている。傘部半径をr、嵌合面8,9の母線の交
点をP、傘部中心からPまでの距離をl、Pをとおる傘
部底面との平行面と嵌合面8のなす角度をα、嵌合面
8,9のなす角度をβとすると、本実施例ではl=0.35
8、α=20度、β=38度になっている。11は、鋳ぐるみ
後の冷却過程に熱膨張係数の大きなTi合金が収縮した
ことにより生じたすきまである。
【0018】鋳ぐるみを利用した上記実施例のバルブの
製造工程を図6a〜kに示した。以下、工程順に説明す
る。フェース部用リング状窒化ケイ素6をプレス成形と
常圧焼結、軸部用サヤ状窒化ケイ素7を鋳込成形と常圧
焼結で製造する(図6a)。これらの成形にはプレス成
形、鋳込成形以外の方法、例えば射出成形なども利用で
きる。これらの焼結部品を下金型12(図6b)の該当部
位に置く(図6c)。上金型13を下金型12の上に置いた
(図6d)後、ワックス15を上金型注入口14から注入す
る(図6e)。ワックス固化後にワックス模型16を取り
出す(図6f)。ワックス模型16に砂粒を含むスラリを
塗布して乾燥し、シェル17を形成させる(図6g)。シ
ェル17が硬化したら、加熱してワックスを排除して鋳型
18とする(図6h)。この鋳型18内には窒化ケイ素部品
6,7が該当部位に配されている。鋳型18の注入口19か
らTi合金の溶湯20を注入し(図6i)、凝固後に鋳造
品21を取り出す(図6j)。この鋳造品21を機械加工し
て製品22とする(図6k)。
【0019】本実施例のバルブから切り出した傘部につ
いて、熱サイクル試験を行った。試験は600℃の電気炉
中に傘部を入れ、30分間保持した後に炉から傘部を取り
出して空冷する。これを1サイクルとした。50サイクル
の熱サイクル試験を行った結果、リング状窒化ケイ素1
とTi合金4に割れや緩みなどの異常はなかった。
【0020】実施例2 本発明の別の実施例である自動車エンジン用吸排気バル
ブを図2に示す。このバルブはサヤ状の窒化ケイ素の代
わりにパイプ状の窒化ケイ素23を軸上部に、そして円板
状の窒化ケイ素24を軸端にそれぞれ嵌め込んだほかは実
施例1と同じである。
【0021】実施例3 本発明のさらに別の実施例である自動車エンジン用吸排
気バルブを図3に示す。このバルブは、パイプ状の窒化
ケイ素を用いず、その代わりに硬質クロムメッキ25を施
したほかは実施例2と同じである。
【0022】実施例4 本発明のさらに別の実施例である自動車エンジン用吸排
気バルブを図4に示す。このバルブの構造はサヤ状の窒
化ケイ素を用いず、その代わりに軸上部から軸端にかけ
て硬質クロムメッキ26を施したほかは実施例1と同じで
ある。
【0023】このバルブの製造工程である熱間鍛造を利
用してフェース部にリング状窒化ケイ素6を形成する製
造工程を図7a〜fに示した。適当な寸法に切断したT
i合金丸棒27(図7a)から熱間押出しにより傘相当部2
8と軸部29を形成させる(図7b)。傘相当部23を熱間
鍛造して傘部外周の段付部30と上張出し部31を形成する
(図7c)。段付部30に実施例1と同様に製造したリン
グ状窒化ケイ素6を置き(図7d)、上張出し部31がリ
ング状窒化ケイ素6を抱込むように熱間鍛造して鍛造品
32を製造する(図7e)。この鍛造品32を機械加工して
製品33とする(図7f)。軸部には、さらに硬質クロム
メッキを施す。
【0024】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、内燃機
関用吸排気バルブにおいて高い耐摩耗性、耐熱性が要求
されるバルブフェース部および高い耐摩耗性が要求され
るバルブ軸部に窒化ケイ素あるいはサイアロン、他の部
位にTi合金あるいはTiAl金属間化合物を形成させた
ことにより、軽量で耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性の優れ
たバルブが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例であるバルブの断面図であ
る。
【図2】本発明の一実施例であるバルブの断面図であ
る。
【図3】本発明の一実施例であるバルブの断面図であ
る。
【図4】本発明の一実施例であるバルブの断面図であ
る。
【図5】図1のバルブの傘部の拡大図である。
【図6】図1のバルブの製造工程を示す図である。
【図7】図4のバルブの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
1…傘部 2…軸部 3…フェース部 4…軸上部 5…軸端面部 6…リング状窒化ケイ素 7…サヤ状窒化ケイ素 23…パイプ状窒化ケイ素 24…円板状窒化ケイ素 25…硬質クロムメッキ 26…硬質クロムメッキ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 東 祥三 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 バルブフェース部をセラミックスとし、
    軸端面及び軸上部表面は金属または金属間化合物とする
    かあるいは少なくともその一方をセラミックスとし、そ
    の他の部分は金属または金属間化合物としたことを特徴
    とする内燃機関用吸排気バルブ
  2. 【請求項2】 バルブフェース部のセラミックスを金属
    または金属間化合物が挟み込む構造とした請求項1記載
    のバルブ
  3. 【請求項3】 セラミックスを所定位置に配置した鋳型
    に溶融金属または金属間化合物を供給して凝固させるこ
    とを特徴とする請求項1又は2記載のバルブの製造方法
  4. 【請求項4】 バルブフェース部にセラミックスを配置
    した金属または金属間化合物を熱間鍛造することを特徴
    とする請求項2記載のバルブの製造方法
JP22240492A 1992-08-21 1992-08-21 内燃機関用吸排気バルブおよび製造方法 Pending JPH0666116A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996009266A1 (fr) * 1994-09-22 1996-03-28 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Corps d'aluminium et d'azoture de silicium lies et son procede de production

Cited By (2)

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WO1996009266A1 (fr) * 1994-09-22 1996-03-28 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Corps d'aluminium et d'azoture de silicium lies et son procede de production
US5904993A (en) * 1994-09-22 1999-05-18 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Joint body of aluminum and silicon nitride and method of preparing the same

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