JPH0874531A - ＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 靭性および延性が良好であるとともに表面の
耐摩耗性および耐凝着性が向上しており、バルブステム
部とバルブガイドとの間での動摩擦係数が大幅に改善さ
れた摩擦損失の少ない軽量なＴｉＡｌ基合金製エンジン
バルブを提供する。 【構成】 Ａｌ：４０〜４９原子％、Ｃｒ：０．１〜
２．０原子％を含み、Ｓｉ：０．０３〜０．８原子％、
Ｎｂ：０．１〜６．５原子％、Ｂ：０．００１〜０．０
３原子％、Ｍｎ：０．１〜４．０原子％を適宜含み、残
部Ｔｉおよび不純物よりなり、γ相（Ｌ１_０型ＴｉＡ
ｌ）とα_２相（Ｄ０_１９型Ｔｉ_３Ａｌ）を主とする２相
以上の結晶相で構成されるラメラー組織を有するＴｉＡ
ｌ基合金を素材とし、バルブステム部の表面に少なくと
もＴｉ，Ａｌ，Ｃｒの窒化物からなるアモルファスもし
くは結晶相の化合物層を有し、バルブステム部の表面粗
さが中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０２μｍ以上１．０
μｍ以下であるＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関のエンジンバ
ルブとして利用される軽量なＴｉＡｌ基合金製エンジン
バルブおよびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ピストンが往復運動するレシプロ
エンジンでは、多弁化や可変動弁化などが進められてお
り、これにともなって、バルブ，バルブスプリング，バ
ルブリフタ，カム，ロッカーアームなどからなる動弁系
の重量が増加する傾向にある。

【０００３】このような動弁系の重量の増加は、その結
果として、摩擦損失の増大につながることが多く、多弁
化や可変動弁化による性能向上をより一層効果的に実現
するためには、動弁系の構成部品、特に可動部品である
バルブの軽量化が有効である。

【０００４】エンジンバルブを軽量化することにより、
エンジンの性能を向上させることが可能となる。例え
ば、同じばね定数のバルブスプリングを用いれば限界回
転数を向上させることができるため、エンジンの高回転
数化が可能となる。

【０００５】また、同じ最高回転数にした場合にはばね
定数を小さくすることができるため、動弁系の摩擦損失
を大きく減少させることができ、燃費を向上させること
が可能となる。

【０００６】従来のエンジンバルブの素材としては、オ
ーステナイト系耐熱鋼やＮｉ基耐熱合金が用いられてい
る。これに対して、γ相（Ｌ１_０型ＴｉＡｌ）からなる
ＴｉＡｌ基金属間化合物は、比重が約３．８と鋼の約
７．８やＮｉの約８．８に比べてかなり小さくすなわち
軽く、かつ高温強度にも優れるため、次世代のエンジン
バルブ用材料として注目されている。

【０００７】エンジンの性能試験によれば、ＴｉＡｌ基
金属間化合物をエンジンバルブに適用することにより、
最高回転数は従来の耐熱鋼製バルブを用いた場合と比較
して約１０％向上し、また、ばね定数を下げた場合には
動弁系の摩擦損失は約１５％低減する。

【０００８】このように、ＴｉＡｌ基金属間化合物は、
エンジン用バルブ材料として優れた特性を有している。

【０００９】ところで、エンジンバルブ用のＴｉＡｌ基
合金は、高温強度と室温延性を具備したものでなければ
ならないが、γ単相では室温延性が十分でなく、これを
改善するためには、γ相とα_２相からなるラメラー組織
とするのが有効である。

【００１０】例えば、特開平６−２０９５号公報および
特開平５−６５５７１号公報には、エンジンバルブ用Ｔ
ｉＡｌ基合金の組成として、Ａｌが４２〜５０原子％の
範囲にあり、γ相（ＴｉＡｌ）とα_２相（Ｔｉ_３Ａｌ）
からなる２相以上の結晶相で構成されるラメラー組織と
したＴｉＡｌ基合金製エンジン部品およびその製造方法
が開示されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＴｉＡ
ｌ基合金を素材とし、主にγ相（ＴｉＡｌ）とα_２相
（Ｔｉ_３Ａｌ）からなるラメラー組織とした従来のＴｉ
Ａｌ基合金製エンジン部品にあっては、耐摩耗性および
耐凝着性（耐かじり性）が十分でないという問題点があ
り、とくにエンジン部品がエンジンバルブである場合に
は、運転中にエンジンバルブのバルブステム部がバルブ
ガイドと激しく摺動するためエンジンによる耐久試験の
結果、従来の耐熱鋼やＮｉ基合金製のバルブステム部に
比較して、ＴｉＡｌ基合金製のものではバルブステム部
での耐摩耗性および耐凝着性（耐かじり性）が十分でな
いことが判明したことから、バルブステム部をＴｉＡｌ
基合金により形成した場合に耐摩耗性および耐凝着性
（耐かじり性）をさらに向上させることが課題であっ
た。

【００１２】このような課題を解決するために、ＴｉＡ
ｌ基合金の耐摩耗性や耐凝着性（耐かじり性）を向上さ
せる方法としては、例えば、表面への耐摩耗コーティン
グなどが考えられる。しかしながら、プラズマ溶射や化
学気相蒸着法（ＣＶＤ），物理気相蒸着法（ＰＶＤ）な
どによるコーティングでは、コーティング層の基材への
密着性が十分でない場合があり、使用中に剥離を生じる
ことがありうるといったことが問題となっていた。ま
た、プラズマ溶射やＣＶＤなどの被覆法では、被覆表面
の粗さや精度が不十分であるため、表面被覆後の研磨加
工が必要となるが、これらの表面被覆層は、炭化物，窒
化物，酸化物などの難加工性セラミックスであるため、
表面処理後の研磨加工の工程が生産性を阻害するひとつ
の要因ともなっていた。

【００１３】

【発明の目的】本発明は、このような従来の課題を解決
するためになされたものであって、ＴｉＡｌ基合金から
なるエンジンバルブとすることによって軽量化を図ると
共に、バルブガイドと激しく摺動するバルブステム部に
おける耐摩耗性および耐凝着性（耐かじり性）がさらに
向上した耐久性，精度ならびに生産性に優れたエンジン
バルブを提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるＴｉＡｌ
基合金製エンジンバルブは、請求項１に記載しているよ
うに、Ａｌ：４０〜４９原子％、Ｃｒ：０．１〜２．０
原子％を含み、残部Ｔｉおよび不純物よりなるＴｉＡｌ
基合金により形成され、バルブ傘部およびバルブステム
部を有する構成としたことを特徴としている。

【００１５】また、同じく、本発明に係わるＴｉＡｌ基
合金製エンジンバルブは、請求項２に記載しているよう
に、γ相（Ｌ１_０型ＴｉＡｌ）とα_２相（Ｄ０_１９型Ｔ
ｉ_３Ａｌ）を主とする２相以上の結晶相で構成されるラ
メラー組織を有するＴｉＡｌ基合金を素材とし、バルブ
ステム部の表面に少なくともＴｉ，Ａｌ，Ｃｒの窒化物
からなるアモルファスもしくは結晶相の化合物層を有
し、バルブステム部の表面粗さが中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）で０．０２μｍ以上１．０μｍ以下である構成とし
たことを特徴としている。

【００１６】そして、請求項２に記載した本発明に係わ
るＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブの実施態様において
は、請求項３に記載しているように、ＴｉＡｌ基合金
が、Ａｌ：４０〜４９原子％、Ｃｒ：０．１〜２．０原
子％を含み、残部Ｔｉおよび不純物よりなるものとする
ことができ、請求項４に記載しているように、ＴｉＡｌ
基合金が、Ｓｉ：０．０３〜０．８原子％を含むものと
することができ、請求項５に記載しているように、Ｔｉ
Ａｌ基合金が、Ｎｂ：０．１〜６．５原子％を含むもの
とすることができ、請求項６に記載しているように、Ｔ
ｉＡｌ基合金が、Ｂ：０．００１〜０．０３原子％を含
むものとすることができ、請求項７に記載しているよう
に、ＴｉＡｌ基合金が、Ｍｎ：０．１〜４．０原子％を
含むものとすることができる。

【００１７】本発明に係わるＴｉＡｌ基合金製エンジン
バルブの製造方法は、請求項８に記載しているように、
Ａｌ：４０〜４９原子％、Ｃｒ：０．１〜２．０原子％
を含み、Ｓｉ：０．０３〜０．８原子％、Ｎｂ：０．１
〜６．５原子％、Ｂ：０．００１〜０．０３原子％、Ｍ
ｎ：０．１〜４．０原子％を適宜含み、残部Ｔｉおよび
不純物よりなるＴｉＡｌ基合金を素材としてエンジンバ
ルブ形状に形成し、バルブステム部の表面粗さを中心線
平均粗さ（Ｒａ）で０．０２μｍ以上１．０μｍ以下に
したのち、バルブステム部の表面に窒化処理を施してバ
ルブステム部表面に少なくともＴｉ，Ａｌ，Ｃｒの窒化
物からなるアモルファスもしくは結晶相の化合物層を形
成するようにしたことを特徴としている。

【００１８】そして、本発明に係わるＴｉＡｌ基合金製
エンジンバルブの製造方法の実施態様においては、請求
項９に記載しているように、ＴｉＡｌ基合金は、γ相
（Ｌ１_０型ＴｉＡｌ）とα_２相（Ｄ０_１９型Ｔｉ_３Ａ
ｌ）を主とする２相以上の結晶相で構成されるラメラー
組織を有するものとすることができ、また、請求項１０
に記載しているように、窒化処理は、イオン窒化法およ
びガス窒化法の少なくともいずれかであるものとするこ
とができる。

【００１９】

【発明の作用】本発明に係わるＴｉＡｌ基合金製エンジ
ンバルブは、請求項１に記載しているように、Ａｌ：４
０〜４９原子％、Ｃｒ：０．１〜２．０原子％を含み、
残部Ｔｉおよび不純物よりなるＴｉＡｌ基合金により形
成され、バルブ傘部およびバルブステム部を有する構成
としたものであるから、靭性および延性が良好であると
共に表面の耐摩耗性および耐凝着性が向上した軽量なエ
ンジンバルブが提供されることとなる。

【００２０】この請求項１に記載のエンジンバルブにお
いて、ＡｌはＴｉと共に金属間化合物であるγ相および
α_２相を形成させるための必須の元素であり、Ａｌ含有
量が少ないと延性および靭性が低下すると共に耐酸化性
にも劣ったものになる傾向となるので、Ａｌ含有量は４
０原子％以上とするのがよく、Ａｌ含有量が多いと延性
および靭性が低下する傾向となるので、Ａｌ含有量は４
９原子％以下とするのがよい。

【００２１】また、Ｃｒは靭性および延性に加えて耐摩
耗性を向上させるのに有効な元素であるので、０．１原
子％以上とするのがよく、多すぎると延性の低下と共に
耐摩耗性の劣化をもたらす傾向となるので、２．０原子
％以下とするのがよい。

【００２２】同じく、本発明に係わるＴｉＡｌ基合金製
エンジンバルブは、請求項２に記載しているように、γ
相（Ｌ１_０型ＴｉＡｌ）とα_２相（Ｄ０_１９型Ｔｉ_３Ａ
ｌ）を主とする２相以上の結晶相で構成されるラメラー
組織を有するＴｉＡｌ基合金を素材とし、バルブステム
部の表面に少なくともＴｉ，Ａｌ，Ｃｒの窒化物からな
るアモルファスもしくは結晶相の化合物層を有し、バル
ブステム部の表面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．
０２μｍ以上１．０μｍ以下である構成としたものであ
るから、靭性および延性が良好であると共に表面の耐摩
耗性および耐凝着性が向上したものとなり、さらにはバ
ルブステム部とバルブガイドとの間での動摩擦係数が低
減された摩擦損失の少ない軽量なエンジンバルブが提供
されることとなる。

【００２３】この請求項２に記載のエンジンバルブにお
いて、γ相とα_２相を主とする２相以上の結晶相で構成
されるラメラー組織を有するＴｉＡｌ基合金を素材とす
ることによって、エンジンバルブの高温強度と室温延性
が改善されたものとなり、バルブステム部の表面に少な
くともＴｉ，Ａｌ，Ｃｒの窒化物からなるアモルファス
もしくは結晶相の化合物層を有し、バルブステム部の表
面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０２μｍ以上
１．０μｍ以下であるものとすることによって、表面に
形成された少なくともＴｉ，Ａｌ，Ｃｒの窒化物からな
るアモルファスもしくは結晶相の窒化物相はＴｉＡｌ基
合金に比べて相手材である金属材料（とくに、バルブガ
イド）に対する親和性が小さいため、相手材との真実接
触の際の化学凝着力が小さくなり、摺動摩擦係数が大き
く低減するので、バルブステム部での耐摩耗性および耐
凝着性（耐かじり性）が十分良好なものとなる。

【００２４】また、バルブステム部の表面粗さが０．０
２μｍ未満の鏡面状態となっているときには、バルブス
テム部表面の粗さが過度に小さいため、バルブガイドと
の真実接触面積が増大し、窒化層とバルブガイドとの間
の凝着力が増加に転じるため、摩擦係数は逆に増加する
傾向となるので、表面粗さは０．０２μｍ以上であるよ
うにするのがよく、表面粗さが１．０μｍよりも大きい
と乾燥時の動摩擦係数が大きくなり、摺動摩擦損失が増
加する傾向となるので、表面粗さは１．０μｍ以下であ
るようにするのがよい。

【００２５】そして、請求項２に記載のエンジンバルブ
において、請求項３に記載しているように、ＴｉＡｌ基
合金が、Ａｌ：４０〜４９原子％、Ｃｒ：０．１〜２．
０原子％を含み、残部Ｔｉおよび不純物よりなるものと
することによって、靭性および延性が良好であると共に
表面の耐摩耗性がより一層向上した軽量なエンジンバル
ブが提供されることとなる。

【００２６】この請求項３に記載の組成において、Ａｌ
はＴｉと共に金属間化合物であるγ相およびα_２相を形
成させるための必須の元素であり、Ａｌ含有量が少ない
と延性および靭性が低下すると共に耐酸化性にも劣った
ものになる傾向となるので、Ａｌ含有量は４０原子％以
上とするのがよく、Ａｌ含有量が多いと延性および靭性
が低下する傾向となるので、Ａｌ含有量は４９原子％以
下とするのがよい。

【００２７】また、ＣｒはＴｉ−Ａｌ−Ｃｒの複合窒化
層が耐摩耗性を向上させる作用を有し、また、表面窒化
層の形成を促進する作用を有することによって、靭性お
よび延性に加えて表面窒化層の耐摩耗性向上に寄与する
元素であり、０．１原子％以上のＣｒの添加は耐摩耗性
を向上させるうえで著しく重要である。しかし、２．０
原子％を超えると延性の低下とともに耐酸化性の劣化を
もたらす傾向となるので、Ｃｒ量は０．１原子％以上
２．０原子％以下とするのがよい。

【００２８】請求項４に記載しているように、ＴｉＡｌ
基合金が、Ｓｉ：０．０３〜０．８原子％を含むものと
することによって、とくにＮｂと複合添加することによ
って、ＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブの耐酸化性をよ
り一層向上させることが可能となり、このようなＳｉの
作用を得るためには０．０３原子％以上とするのがよい
が、多すぎると珪素化合物を多量に生成して常温延性お
よび靭性が低下するので、０．８原子％以下とするのが
よく、また、請求項５に記載しているように、ＴｉＡｌ
基合金が、Ｎｂ：０．１〜６．５原子％を含むものとす
ることによって、とくにＳｉと複合添加することによっ
て、耐酸化性をより一層向上させると共に、単独で添加
した場合にも靭性および室温延性をより一層向上させる
ことが可能となり、このようなＮｂの作用を得るために
は０．１原子％以上とするのがよいが、多すぎるとＮｂ
の比重が大きいことからエンジンバルブの重量を増加さ
せると共にコストの上昇をもたらすので６．５原子％以
下とするのがよい。

【００２９】また、請求項６に記載しているように、Ｔ
ｉＡｌ基合金が、Ｂ：０．００１〜０．０３原子％を含
むものとすることによって、ＴｉＡｌ基エンジンバルブ
組織の結晶粒を微細化して高温延性を改善する作用を有
すると共に、鋳造により成形する場合の湯回り性を改善
する作用を有し、このような作用を得るためには０．０
０１原子％以上とするのがよいが、多すぎると硼化物で
あるＴｉＢ_２を生成して強度および延性を低下させるの
で０．０３原子％以下とするのがよく、また、請求項７
に記載しているように、ＴｉＡｌ基合金が、Ｍｎ：０．
１〜４．０原子％を含むものとすることによって、Ｔｉ
Ａｌに固溶することにより室温延性を改善すると共に固
溶強化によって強度を向上させる作用を有し、このよう
な作用を得る場合にはＭｎを０．１原子％以上とするの
がよいが、多すぎると逆に延性が低下することとなるの
で４．０原子％以下とするのがよい。

【００３０】本発明に係わるＴｉＡｌ基エンジンバルブ
の製造方法は、請求項８に記載しているように、Ａｌ：
４０〜４９原子％、Ｃｒ：０．１〜２．０原子％を必須
で含み、Ｓｉ：０．０３〜０．８原子％、Ｎｂ：０．１
〜６．５原子％、Ｂ：０．００１〜０．０３原子％、Ｍ
ｎ：０．１〜４．０原子％を任意で含み、残部Ｔｉおよ
び不純物よりなるＴｉＡｌ基合金を素材としてエンジン
バルブ形状に形成し、バルブステム部の表面粗さを中心
線平均粗さ（Ｒａ）で０．０２μｍ以上１．０μｍ以下
にしたのち、バルブステム部の表面に窒化処理を施して
バルブステム部表面に少なくともＴｉ，Ａｌ，Ｃｒの窒
化物からなるアモルファスもしくは結晶相の化合物層を
形成するようにしたから、靭性および延性が良好である
と共に表面の耐摩耗性および耐凝着性が向上したＴｉＡ
ｌ基合金製エンジンバルブが製造されることとなり、バ
ルブガイドとの間で激しく摺動するバルブステム部の耐
摩耗性および耐凝着性（耐かじり性）が十分に優れてい
るＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブが提供されることと
なる。

【００３１】そして、本発明に係わるＴｉＡｌ基合金製
エンジンバルブの製造方法の実施態様においては、請求
項９に記載しているように、ＴｉＡｌ基合金は、γ相
（Ｌ１_０型ＴｉＡｌ）とα_２相（Ｄ０_１９型Ｔｉ_３Ａ
ｌ）を主とする２相以上の結晶相で構成されるラメラー
組織を有するものとすることによって、ＴｉＡｌ基合金
製エンジンバルブの高温強度と室温靭性がより一層改善
されたものとなり、請求項１０に記載しているように、
窒化処理は、イオン窒化法およびガス窒化法の少なくと
もいずれかであるものとすることによって、ＴｉＡｌ基
合金製エンジンバルブの素材であるＴｉＡｌ基合金が直
接窒化されることとなって、少なくともＴｉ，Ａｌ，Ｃ
ｒの窒化物からなるアモルファスもしくは結晶相が形成
されることによりエンジンバルブの耐摩耗性および耐凝
着性が著しく向上したものになると共に、激しく摺動接
触するバルブガイドとの間での摩擦係数が低減すること
となって摩擦損失も著しく減少することとなる。そし
て、このようなイオン窒化法やガス窒化法によってＴｉ
Ａｌ基合金を直接窒化することにより、窒化層の表面粗
さは小さなものとなり、プラズマ溶射やＣＶＤ，ＰＶＤ
などによるコーティングの場合のようにコーティング層
の基材への密着性が十分でないことによる剥離の発生な
どという不具合は全く生じることがなく、プラズマ溶射
やＣＶＤなどのような被覆表面の粗さや精度が不十分で
あるなどといった問題もないものとなる。

【００３２】

【実施例】次に、本発明を実施例によって比較例ととも
に説明する。

【００３３】ＴｉＡｌ基合金としては、表１に示すよう
な特性を有する５元系組成（Ｔｉ−４７．２Ａｌ−０．
７Ｓｉ−０．４Ｎｂ−０．４Ｃｒ（原子％））の合金
（組成Ａ）および同じく表１に示すような特性を有する
４元系組成（Ｔｉ−４７．０Ａｌ−０．７Ｓｉ−０．４
Ｎｂ（原子％））の合金（組成Ｂ）を選択した。ここ
で、Ｓｉは耐酸化性の向上、Ｎｂは靭性および室温延性
の向上、Ｃｒは靭性および室温延性に加えて表面窒化層
の耐摩耗性向上を目的として添加したものである。

【００３４】このような組成Ａ，組成Ｂを有するインゴ
ットをプラズマ・スカル法によって溶製した後、このイ
ンゴットからエンジンバルブを直接切り出した。このエ
ンジンバルブにおいて、バルブステム部の表面粗さは、
中心線平均粗さＲａで、０．０２μｍ＜Ｒａ＜０．５μ
ｍであった。

【００３５】

【表１】

【００３６】実施例１〜４ 次に、加工されたエンジンバルブに対して、表２の実施
例１〜４の欄に示すような条件でイオン窒化およびガス
窒化を実施した。ここで、実施例１においては５２０℃
×１０時間、実施例２においては４６０℃×５時間、実
施例３においては３５０℃×１０時間のイオン窒化処理
をＨ_２：Ｎ_２＝８：２のガス中（圧力１０ｔｏｒｒ）で
それぞれ実施した。また、実施例４においては、５２０
℃×２５時間のガス窒化処理をアンモニアガス中（分解
率＝約３０％）で実施した。

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】図１は、実施例２（４６０℃×５時間の条
件でイオン窒化処理したもの）の光学顕微鏡写真であっ
て、約２μｍ厚さの窒化物層が表面に認められる。この
場合、表面窒化物層の厚さが薄いため、粉末Ｘ線回折に
よる結晶相の同定では、ＴｉＮ，ＡｌＮ，ＣｒＮもしく
はＴｉ，Ａｌ，Ｃｒ複合窒化物の明確な回折ピークを認
めることはできなかったが、表面窒化処理したエンジン
バルブはいずれも表面に金色の光沢があり、ＴｉＮを含
む窒化物層が形成されたものと推定される。

【００４０】そして、表面処理後の表面粗さは平均中心
線粗さＲａでＲａ：０．５μｍ以下であり、精度や表面
粗さを得るための仕上げ加工を必要としないほど十分に
緻密でかつ平滑な表面層が得られた。

【００４１】硬度の測定は、ビッカース圧子を３００ｇ
の荷重で表面から押し込むことによって測定した。表面
層は圧痕寸法に比較して薄いため、測定値には基材（Ｔ
ｉＡｌ基合金）硬さも大きく影響している。このように
極めて薄い窒化物層にもかかわず、表３に示すように著
しい硬度の上昇が認められた。

【００４２】すなわち、実施例１では、基材であるＴｉ
Ａｌ基合金に対してＨｖが１５０程度、実施例３でもＨ
ｖ５０程度の硬度上昇が認められた。なお、いずれの窒
化処理材も基材部分の合金組織に大きな変化はなく、α
_２／γからなるラメラー組織をなしており、室温での破
断伸びにも変化はなかった。

【００４３】このようにして表面を窒化処理したエンジ
ンバルブに対して、バルブステム部の摺動摩耗試験を図
２に示すような方法によって実施した。すなわち、バル
ブステム部１を焼結金属からなるバルブガイド２に通
し、バルブステム部１の両端に各々３ｋｇｆの半径方向
への荷重をかけながら軸方向に１０ｍｍのストロークで
繰り返し摺動させた。これはバルブに異常な偏荷重が入
力された状態を模擬したもので、実際の使用状態と比較
するとかなり厳しい評価実験に相当する。摺動の周波数
は３０００ｒｐｍである。そして、バルブ傘部３側は排
気ガス相当温度となるように電気炉４にて加熱し、バル
ブガイド２側は実機にあわせて冷却水で冷却しながら実
験を行なった。ここで、この実験により得られた実験結
果を表３に併せて示す。なお、バルブステム部１での摩
耗は一様ではないため、最も摩耗した部位の摩耗量を測
定して表３に示してある。

【００４４】表３に示すように、実施例１〜４ではバル
ブステム部の摩耗は極端に少なく、１００時間摺動後で
１０μｍ未満となり、著しい改善が見られた。

【００４５】比較例１ バルブステム部の表面粗さを中心線平均粗さＲａで０．
５μｍと小さくした比較例１の未処理バルブでは、バル
ブステム部の摩耗が急速に進行し、１７．５時間でかじ
りが生じたので実験を中止した。

【００４６】比較例２ 比較例２は、バルブステム部にイオンスパッタ法によっ
てＴｉＮをコーティングしたものであるが、被覆層が５
μｍと厚いにもかかわらず１００時間摺動後の耐摩耗性
は実施例１〜４よりも劣っている。これは、ＰＶＤ膜と
基材との密着性が十分でないため、実験中の激しい振動
により、被覆層が一部剥離したためと推定される。

【００４７】比較例３ 比較例３は、バルブステム部の表面粗さを中心線平均粗
さＲａで２μｍと大きくした未処理バルブであるが、１
１時間でかじりが生じた。

【００４８】比較例４ 比較例４は、バルブステム部の表面粗さを中心線平均粗
さＲａで２μｍと大きくしたバルブに対して実施例１と
同じ条件でイオン窒化を実施したものであるが、この場
合にもバルブステム部の摩耗は急速に進行し、比較例３
とほぼ変わらない１４．５時間でかじりが生じたため実
験を中止した。

【００４９】比較例５ 比較例５は、Ｃｒを含まない組成Ｂの合金に対して実施
例１と同じ条件でイオン窒化処理（５２０℃×１０時
間）を行ったものであるが、実施例１に比較して摩耗の
進行が大きいものとなっていた。したがって、この比較
例５および実施例１〜４の結果から、Ｃｒを必須で添加
することが必要であるが、この場合のＣｒの添加効果と
しては、（１）Ｔｉ−Ａｌ−Ｃｒの複合窒化層が耐摩耗
性を向上する、（２）表面窒化層の形成を促進する、と
いったことが考えられるが、いずれにせよ、０．１原子
％以上のＣｒ添加は、耐摩耗性を向上させる上で著しく
重要である。しかしながら、２．０原子％を超えるよう
なＣｒの添加は、延性の低下とともに耐酸化性の劣化を
もたらすため望ましくない。

【００５０】他の評価例 ＴｉＡｌ基合金に比較して、表面に形成された窒化層
は、相手材である金属材料に対する親和性が小さい。そ
のため、相手材との真実接触の際の化学凝着力が小さく
なり、その結果として乾式における摺動摩擦係数が大き
く低減する。

【００５１】図３は、表面処理したＴｉＡｌ基合金とバ
ルブガイドとの間での動摩擦係数を測定した結果を示す
ものである。この実験には、ピンオンディスク式摩擦摩
耗試験機を用いて行なった。そして、バルブガイドと同
材質のディスクに対して、先端の曲率半径（球Ｒ）が２
ｍｍであるＴｉＡｌ基合金製ピンを押し当て、押しつけ
荷重（面圧）と摩擦力との関係を測定した。実験は、デ
ィスク回転数：５００ｒｐｍ，ピン摺動半径：３０ｍ
ｍ，乾式という条件で行なった。

【００５２】図３に示すように、比較例１（未処理材）
では低い面圧（２．０ＧＰａ程度）から動摩擦係数がμ
＝０．３程度と大きな値を示しており、面圧が２．３Ｇ
Ｐａ程度になるとかじり（スリップ・スティック）が生
じた。これに対して、実施例１では低い面圧（２．０Ｇ
Ｐａ程度）での動摩擦係数はμ＝０．１程度と小さく、
また、かじりの生じる面圧も４．０ＧＰａ程度と大きく
なっている。すなわち、本発明によれば、耐摩耗性に優
れているばかりでなく、摺動時の摩擦係数も同時に低減
できるという優れた効果が得られることがわかる。そし
て、この耐凝着性の向上が、耐摩耗性および耐かじり性
を改善するものとなっている。

【００５３】図４は面圧（２．０ＧＰａ）におけるイオ
ン窒化したＴｉＡｌ基合金の摩擦係数を窒化処理前の表
面粗さ（中心線平均粗さＲａ）との関係を示したもので
ある。実験方法は、図３の場合と同様にピンオンディス
ク式摩耗試験である。

【００５４】図４より明らかなように、表面粗さＲａが
１．０μｍよりも大きいと、乾燥時の動摩擦係数が０．
３以上と大きくなっている。これに対して、表面粗さが
０．０２μｍ未満の鏡面状態に仕上げた場合には、摩擦
係数は逆に若干増加している。これは、バルブの表面粗
さが過度に小さいため、バルブガイドとの間での真実接
触面積が増大し、窒化層とバルブガイドとの間の凝着力
が増加に転じるためである。

【００５５】すなわち、本発明による低い摩擦係数を有
するＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブを得るためには、
窒化前の表面粗さＲａを０．０２μｍ以上１．０μｍ以
下とすることが必要であり、これによって、耐摩耗性ば
かりでなく低摩擦係数も付与したエンジンバルブを提供
することができる。そして、低摩擦係数は、エンジンバ
ルブとバルブガイドとの間での摺動摩擦損失を低減し、
さらには異常入力時のかじりを防止するために極めて重
要である。

【００５６】本発明における表面処理は、エンジンバル
ブとしての機械加工後に行っても、表面粗さや精度が十
分に確保されるため、表面処理後に高価な研磨加工を行
う必要がなく、生産性が高いという特徴もある。

【００５７】

【発明の効果】本発明に係わるＴｉＡｌ基合金製エンジ
ンバルブは、請求項１に記載しているように、Ａｌ：４
０〜４９原子％、Ｃｒ：０．１〜２．０原子％を含み、
残部Ｔｉおよび不純物よりなるＴｉＡｌ基合金により形
成され、バルブ傘部およびバルブステム部を有する構成
としたものであるから、靭性および延性が良好であると
共に表面の耐摩耗性および耐凝着性が向上した軽量なエ
ンジンバルブを提供することが可能であるという著しく
優れた効果がもたらされる。

【００５８】同じく、本発明に係わるＴｉＡｌ基合金製
エンジンバルブは、請求項２に記載しているように、γ
相（Ｌ１_０型ＴｉＡｌ）とα_２相（Ｄ０_１９型Ｔｉ_３Ａ
ｌ）を主とする２相以上の結晶相で構成されるラメラー
組織を有するＴｉＡｌ基合金を素材とし、バルブステム
部の表面に少なくともＴｉ，Ａｌ，Ｃｒの窒化物からな
るアモルファスもしくは結晶相の化合物層を有し、バル
ブステム部の表面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．
０２μｍ以上１．０μｍ以下である構成としたものであ
るから、靭性および延性が良好であると共に表面の耐摩
耗性および耐凝着性が向上したものにでき、さらにはバ
ルブステム部とバルブガイドとの間での動摩擦係数が大
幅に改善された軽量なエンジンバルブを提供することが
可能であるという優れた効果がもたらされる。

【００５９】そして、請求項２に記載のエンジンバルブ
において、請求項３に記載しているように、ＴｉＡｌ基
合金が、Ａｌ：４０〜４９原子％、Ｃｒ：０．１〜２．
０原子％を含み、残部Ｔｉおよび不純物よりなるものと
することによって、靭性および延性が良好であると共に
表面の耐摩耗性がより一層向上した軽量なエンジンバル
ブを提供することが可能であり、請求項４に記載してい
るように、ＴｉＡｌ基合金が、Ｓｉ：０．０３〜０．８
原子％を含むものとすることによって、とくにＮｂと複
合添加することによって、ＴｉＡｌ基合金製エンジンバ
ルブの耐酸化性をより一層向上させることが可能とな
り、請求項５に記載しているように、ＴｉＡｌ基合金
が、Ｎｂ：０．１〜６．５原子％を含むものとすること
によって、とくにＳｉと複合添加することによって、耐
酸化性をより一層向上させると共に、単独で添加した場
合にも靭性および室温延性をより一層向上させることが
可能となり、請求項６に記載しているように、ＴｉＡｌ
基合金が、Ｂ：０．００１〜０．０３原子％を含むもの
とすることによって、ＴｉＡｌ基エンジンバルブ組織の
結晶粒を微細化して高温延性を改善すると共に、鋳造に
より成形する場合の湯回り性を改善することが可能であ
り、請求項７に記載しているように、ＴｉＡｌ基合金
が、Ｍｎ：０．１〜４．０原子％を含むものとすること
によって、ＴｉＡｌに固溶することにより室温延性を改
善すると共に固溶強化によって強度を向上させることが
可能となる。

【００６０】本発明に係わるＴｉＡｌ基エンジンバルブ
の製造方法は、請求項８に記載しているように、Ａｌ：
４０〜４９原子％、Ｃｒ：０．１〜２．０原子％を必須
で含み、Ｓｉ：０．０３〜０．８原子％、Ｎｂ：０．１
〜６．５原子％、Ｂ：０．００１〜０．０３原子％、Ｍ
ｎ：０．１〜４．０原子％を任意で含み、残部Ｔｉおよ
び不純物よりなるＴｉＡｌ基合金を素材としてエンジン
バルブ形状に形成し、バルブステム部の表面粗さを中心
線平均粗さ（Ｒａ）で０．０２μｍ以上１．０μｍ以下
にしたのち、バルブステム部の表面に窒化処理を施して
バルブステム部表面に少なくともＴｉ，Ａｌ，Ｃｒの窒
化物からなるアモルファスもしくは結晶相の化合物層を
形成するようにしたから、靭性および延性が良好である
と共に表面の耐摩耗性および耐凝着性が向上したＴｉＡ
ｌ基合金製エンジンバルブを製造することが可能であ
り、バルブガイドとの間で激しく摺動するバルブステム
部の耐摩耗性および耐凝着性（耐かじり性）が十分に優
れているＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブを提供するこ
とが可能であるという著しく優れた効果がもたらされ
る。

【００６１】そして、本発明に係わるＴｉＡｌ基合金製
エンジンバルブの製造方法の実施態様においては、請求
項９に記載しているように、ＴｉＡｌ基合金は、γ相
（Ｌ１_０型ＴｉＡｌ）とα_２相（Ｄ０_１９型Ｔｉ_３Ａ
ｌ）を主とする２相以上の結晶相で構成されるラメラー
組織を有するものとすることによって、ＴｉＡｌ基合金
製エンジンバルブの高温強度と室温靭性をより一層改善
することが可能となり、請求項１０に記載しているよう
に、窒化処理は、イオン窒化法およびガス窒化法の少な
くともいずれかであるものとすることによって、ＴｉＡ
ｌ基合金製エンジンバルブの素材であるＴｉＡｌ基合金
を直接窒化することとなって、少なくともＴｉ，Ａｌ，
Ｃｒの窒化物からなるアモルファスもしくは結晶相が形
成されることによりエンジンバルブの耐摩耗性および耐
凝着性が著しく向上したものとすることが可能であると
共に、激しく摺動接触するバルブガイドとの間での摩擦
係数を低減することが可能であって摩擦損失も著しく減
少することが可能であるという著しく優れた効果がもた
らされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】イオン窒化を行なった後のＴｉＡｌ基合金表面
層の光学顕微鏡観察結果を示す模写図である。

【図２】バルブステム部とバブルガイドとの間での摺動
摩耗試験方法を示した説明図である。

【図３】ピンオンディスク型摺動摩耗試験によって測定
した面圧と摩擦係数との関係を調べた結果を示したグラ
フである。

【図４】面圧（２．０ＧＰａ）におけるイオン窒化した
ＴｉＡｌ基合金の摩擦係数を窒化処理前の表面粗さとの
関係で示したグラフである。

【手続補正書】

【提出日】平成６年９月２９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】イオン窒化を行なった後のＴｉＡｌ基合金表面
層の光学顕微鏡観察結果を示す顕微鏡組織写真である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鞘 師 守 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ａｌ：４０〜４９原子％、Ｃｒ：０．１
   〜２．０原子％を含み、残部Ｔｉおよび不純物よりなる
   ＴｉＡｌ基合金により形成され、バルブ傘部およびバル
   ブステム部を有することを特徴とするＴｉＡｌ基合金製
   エンジンバルブ。
2. 【請求項２】 γ相（Ｌ１_０型ＴｉＡｌ）とα_２相（Ｄ
   ０_１９型Ｔｉ_３Ａｌ）を主とする２相以上の結晶相で構
   成されるラメラー組織を有するＴｉＡｌ基合金を素材と
   し、バルブステム部の表面に少なくともＴｉ，Ａｌ，Ｃ
   ｒの窒化物からなるアモルファスもしくは結晶相の化合
   物層を有し、バルブステム部の表面粗さが中心線平均粗
   さ（Ｒａ）で０．０２μｍ以上１．０μｍ以下であるこ
   とを特徴とするＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブ。
3. 【請求項３】 ＴｉＡｌ基合金が、Ａｌ：４０〜４９原
   子％、Ｃｒ：０．１〜２．０原子％を含み、残部Ｔｉお
   よび不純物よりなることを特徴とする請求項２に記載の
   ＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブ。
4. 【請求項４】 ＴｉＡｌ基合金が、Ｓｉ：０．０３〜
   ０．８原子％を含むことを特徴とする請求項３に記載の
   ＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブ。
5. 【請求項５】 ＴｉＡｌ基合金が、Ｎｂ：０．１〜６．
   ５原子％を含むことを特徴とする請求項３または４に記
   載のＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブ。
6. 【請求項６】 ＴｉＡｌ基合金が、Ｂ：０．００１〜
   ０．０３原子％を含むことを特徴とする請求項３ないし
   ５のいずれかに記載のＴｉＡｌ基合金製エンジンバル
   ブ。
7. 【請求項７】 ＴｉＡｌ基合金が、Ｍｎ：０．１〜４．
   ０原子％を含むことを特徴とする請求項３ないし６のい
   ずれかに記載のＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブ。
8. 【請求項８】 Ａｌ：４０〜４９原子％、Ｃｒ：０．１
   〜２．０原子％を含み、Ｓｉ：０．０３〜０．８原子
   ％、Ｎｂ：０．１〜６．５原子％、Ｂ：０．００１〜
   ０．０３原子％、Ｍｎ：０．１〜４．０原子％を適宜含
   み、残部Ｔｉおよび不純物よりなるＴｉＡｌ基合金を素
   材としてエンジンバルブ形状に形成し、バルブステム部
   の表面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０２μｍ以
   上１．０μｍ以下にしたのち、バルブステム部の表面に
   窒化処理を施してバルブステム部表面に少なくともＴ
   ｉ，Ａｌ，Ｃｒの窒化物からなるアモルファスもしくは
   結晶相の化合物層を形成することを特徴とするＴｉＡｌ
   基合金製エンジンバルブの製造方法。
9. 【請求項９】 ＴｉＡｌ基合金は、γ相（Ｌ１_０型Ｔｉ
   Ａｌ）とα_２相（Ｄ０_１９型Ｔｉ_３Ａｌ）を主とする２
   相以上の結晶相で構成されるラメラー組織を有すること
   を特徴とする請求項８に記載のＴｉＡｌ基合金製エンジ
   ンバルブの製造方法。
10. 【請求項１０】 窒化処理は、イオン窒化法およびガス
    窒化法の少なくともいずれかである請求項８または９に
    記載のＴｉＡｌ基合金製エンジンバルブの製造方法。