JPH09125921A

JPH09125921A - 内燃機関のシリンダヘッド

Info

Publication number: JPH09125921A
Application number: JP7282984A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Mori; 和彦森; Taisuke Miyamoto; 泰介宮本; Kimihiko Ando; 公彦安藤; Kouta Kodama; 幸多児玉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 1997-05-13
Anticipated expiration: 2015-10-31
Also published as: EP0771938A1; JP3011076B2; US5829404A

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性に優れた溶射層を摺動面とするシリン
ダヘッドを提供する。【解決手段】吸排気弁と着脱するバルブシート１５は
溶射粒子が溶射されて薄片状となって堆積した積層体で
構成され、吸排気弁と着脱するバルブシート１５の当た
り面１５１は堆積方向Ｐと０〜６０度の角度に形成され
ている内燃機関のシリンダヘッド。当たり面には偏平状
に堆積した多くの堆積粒子の端面が表出しているため摩
擦特性が安定化する。また、各粒子は深さ方向に延びて
いるため剥離する可能性が低くそれだけ耐摩耗性が向上
する。また、各粒子が深さ方向に延びているため、深さ
方向の熱伝導が高く、表面の熱をそれだけシリンダ本体
に伝えやすく、表面温度の冷却が容易となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関のシリンダ
ヘッド、特に吸気または排気弁が当接するバルブシート
を溶射材で形成したシリンダヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンは近年、高性能化と低燃
費化の両立がもとめられ、ますます熱的に厳しくなるこ
とが予想されている。ところで、一般にガソリンエンジ
ンのシリンダーヘッドは殆どＡｌ合金製であり、また、
ディーゼルエンジンにおいても軽量化や熱効率向上のた
め小型のものはＡｌ合金製が主流となりつつある。この
Ａｌ合金製のシリンダーヘッドの部分でエンジンバルブ
と接触するバルブシ−ト部には耐熱性・耐摩耗性を考慮
し、鉄基焼結合金を圧入して使用している例が多い。し
かし、焼結合金を圧入しているだけであるため、その熱
伝達能は低く、バルブ側への熱負荷が増大する傾向にな
っている。このため、バルブ材を高価な高合金鋼やＮｉ
基合金に代替する方法や、バルブにＮａを封入してヒー
トポンプとして冷却するなどの手段により対応すべく検
討されている。しかしバルブシートの温度を低下させる
のは難しく、吸気効率の低下、ノッキング発生頻度が大
きい等の問題を抱えている。

【０００３】これに対し、Ａｌ合金製シリンダーヘッド
にバルプシートを直接接合する構造に出来れば、燃焼温
度の高温化に対応できるだけでなく、吸気温度低下によ
る吸気効率向上、バルブシ−ト温度低下によるバルブ材
料の低グレード化、また、耐ノッキング特性の向上、進
角を進めることによりエンジン性能向上も期待できる。
この考えを具体化した方法にレーザを加熱源として銅系
の合金を溶着したバルブシ−トが考案されている（特許
登録Ｎｏ．１６３２３０６など、もしくは金属学会報−
まてりある第３３巻第４号（１９９４）ｐ４２９−４３
１）。この考案は高い熱伝導による温度低下の効果は期
待できるが、その材料の融点が１０００℃程度であるた
め耐熱性には自ずと限界が存在する。

【０００４】また、この方法では、材料の銅合金粉末を
レーザビームを照射して溶融させ溶融プールを形成しな
がら盛金層を生成していくため、溶融プールを流れ落ち
ないようにシリンダーヘッドを回転させたり、レーザビ
ームを高速走査させたりする必要がある。このためこの
方法は処理システムが大変複雑になってしまう。一方、
特開平７−３４６９６５号公報には鉄系焼結リング状の
バルブシ−ト材をＡｌ合金基材に直接接合するタイプの
バルブシ−ト構造が開示されている。このタイプのもの
は、現状の圧入バルブシ−トに較べれば、バルブ径の拡
大が可能と予想されるが、接合後、加工により大部分を
切削するため、加工時間が長くなると予想され、しかも
その際に接合面積が小さいため界面剥離の発生が懸念さ
れる。

【０００５】これに対し、特開平１−９５８６３号公報
や実開平３−１０００５号公報、実開平５−７９１１号
公報には粉末もしくはワイヤを熱源の中に投入、溶融し
ガスの圧力でこの溶融した材料を被溶射物に吹きつけ被
覆する溶射法によるバルブシ−ト形成が開示されてい
る。特開平１−９５８６３号公報は、バルブシ−トとな
る部分の中子に銅系合金を溶射し、この溶射層を鋳造時
に鋳包むことによりバルブシ−トを形成する方法であ
る。この方法では界面の密着性は優れていることが予想
されるが、一方、銅合金はＡｌと比較的低い温度で共晶
反応を有する（共晶温度＝５４８℃）ため、鋳造溶湯時
に多くの部分がＡｌ−Ｃｕ合金層を形成してしまうこと
が予想される。また、鋳造時の加熱と鋳造時の凝固収縮
のため界面には相当な応力が発生してしまうことが予想
される。さらに、シ−ト材料がＣｕ合金であるため耐熱
性も高くない。

【０００６】実開平３−１０００５号公報は、バルブシ
−トを含む燃焼室の弁座周辺および吸気、排気ポート部
にセラミックス材料を溶射するシリンダーヘッド構造を
開示している。セラミックスは高い耐熱性をもつが逆に
熱伝動が金属に比べて数桁低い。このため、エンジンバ
ルブの受熱の６０％をバルブシ−トへの熱伝導にて冷却
している現状に対し、セラミックス被覆が熱伝導を妨
げ、エンジンバルブが高温となりヒートスポットとなる
場合も考えられる。

【０００７】さらに、実開平５−７９１１号公報は、シ
リンダヘッド下面の弁間亀裂とシ−ト部の耐摩耗性向上
を目的として燃焼室のバルブシ−ト周りと弁間部に溶射
法によりクロム合金（好ましくはＣｏ−Ｃｒ合金、Ｎｉ
−Ｃｒ合金）を被覆する方法を開示している。この方法
により耐摩耗性が良好となることが予想される。しかし
Ｃｏ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金の熱伝導率はＡｌの１
０分の１、炭素鋼の３分の１と低いため冷却性能向上に
よるエンジン性能向上は期待できない。

【０００８】

【発明が解決しょうとする課題】以上のように従来技術
ではバルブシ−トの冷却特性を向上させ、さらにバルブ
設計の自由度を上げるような開示はない。本発明はこの
点に鑑み、エンジンの冷却特性を改善するために熱伝導
性が高く、しかも耐摩耗性に優れたバルブシ−トをもつ
シリンダヘッドを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は溶射により溶
射層を形成するとき、溶射される個々の溶射材粒子は被
溶射体に衝突し、薄い円板状に押しつぶされて被溶射体
表面に溶着することに着目した。そしてこれら薄い円板
状に押しつぶされて堆積して形成された溶射層の堆積方
向と直角方向、即ち、個々の溶射材粒子の円板状に広が
る方向の面が通常摺動面として利用されていることに気
が付いた。そこで溶射層の堆積方向に切断して得られる
切断面に着目した。そして積層された個々の溶射材粒子
の耐脱落性、切断面の単位表面積に表出する個々の溶射
材粒子の数等から考慮し、溶射層の堆積方向に切断して
得られる切断面の耐摩耗性が優れかつ摩擦係数が安定し
ていると考えた。さらに、溶射層の熱伝導率は堆積方向
に低く溶射粒子の広がる方向に高いと考えた。本発明者
はかかる仮説を実験により確認し、シリンダヘッドのバ
ルブシートに応用したものである。

【００１０】本発明の内燃機関のシリンダヘッドは、吸
気弁で開閉される吸気ポートおよび排気弁で開閉される
排気ポートを備える金属製シリンダヘッド本体と、該シ
リンダヘッド本体の該吸気ポートおよび該排気ポートの
一端に形成され該吸気弁あるいは該排気弁が着脱するバ
ルブシートとを有する内燃機関のシリンダヘッドであっ
て、該吸気弁および該排気弁の少なくとも一方と着脱す
る該バルブシートは溶射粒子が溶射されて薄片状となっ
て堆積した積層体で構成され、該吸気弁および該排気弁
の少なくとも一方と着脱する該バルブシートの当たり面
は堆積方向と０〜６０度の角度に形成されていることを
特徴とする。

【００１１】

【発明の作用効果】本発明のシリンダヘッドはそのバル
ブシートの当たり面が堆積方向と６０度以下に形成さ
れ、当たり面には偏平状に堆積した多くの堆積粒子の端
面が表出している。当たり面に表出する堆積粒子の数が
多いだけ、その摩擦特性もより平均化され、安定化す
る。また、各粒子は深さ方向に延びているため剥離する
可能性が低くそれだけ耐摩耗性が向上する。また、各粒
子が深さ方向に延びているため、深さ方向の熱伝導が高
く、表面の熱をそれだけシリンダ本体に伝えやすく、表
面温度の冷却が容易となる。

【００１２】

【発明の実施態様】本発明の内燃機関のシリンダヘッド
は、金属製シリンダヘッド本体と、エンジンバルブが着
脱するバルブシートとを有する内燃機関のシリンダヘッ
ドであって、バルブシートは溶射粒子が溶射されて薄片
状となって堆積した積層体で構成され、エンジンバルブ
と着脱するバルブシートの当たり面は堆積方向と０〜６
０度の角度に形成されていることを特徴とする。

【００１３】金属粒子を溶射すると金属粒子は少なくと
も部分的に溶融し、溶射炎とともに被溶射材に向かって
放出され、被溶射材表面に衝突して広がりその表面に薄
膜状に付着する。そして次々に衝突する溶射粒子により
層状に堆積し、積層体となる。本発明のバルブシートは
この溶射粒子が溶射されて薄片状となって堆積した積層
体で構成されている。また、エンジンバルブと着脱する
バルブシートの当たり面は、積層体を機械加工して形成
され、積層体を構成する個々の薄片状に堆積した溶射粒
子の端面が表出している。

【００１４】バルブシートの当たり面を堆積方向と０〜
６０度の角度に形成したのは、より多くの薄片状に堆積
した溶射粒子の端面を表出させるためである。一例とし
て、積層体を構成する薄片状の溶射粒子の厚さに対する
直径の比が１対１０であると仮定し、当たり面を堆積方
向と９０度の角度（薄片状に広がる方向に当たり面が広
がっている状態）とした時に表出する溶射粒子の数を１
個と仮定する。この同じ積層体で当たり面を堆積方向と
平行即ち０度とすると、当たり面に表出する溶射粒子の
数は１０個となる。また、この同じ積層体で当たり面を
堆積方向と３０度とすると８．５個、当たり面を堆積方
向と６０度とすると５個となる。本発明では、バルブシ
ートの当たり面を堆積方向と０〜６０度の角度に形成し
ている。これにより、より多くの溶射粒子が当たり面に
表出することになる。

【００１５】本発明のシリンダヘッド本体はアルミニウ
ム合金製であるのが好ましい。エンジンの軽量化のため
にはアルミニウム合金でシリンダヘッド本体を形成する
のが良い。このアルミニウム合金製のシリンダヘッド本
体に対して、そのバルブシートは、マトリックスがマル
テンサイト変態により硬化している炭素鋼もしくは合金
鋼とするのが好ましい。かかる炭素鋼、合金鋼はエンジ
ンバルブの着脱に伴う、衝撃、摩耗、焼き付きに耐え、
高性能なシリンダヘッドとなる。

【００１６】さらに、バルブシートはなお、かかる炭素
鋼、合金鋼で形成されたマトリック中に５０μｍ以下の
炭化物および鉄系化合物の少なくとも１種を５〜３０体
積％含有したものが良い。これら炭化物および鉄系化合
物より一層の耐摩耗、耐焼き付き性をもたらす。さら
に、バルブシートはそのマトリックス中にアルミニウム
またはアルミニウム合金を１０〜３０体積％含有するの
が好ましい。これらアルミニウムまたはアルミニウム合
金は、バルブシートに優れた熱伝導性を付与するととも
に、アルミニウム合金製シリンダヘッド本体との溶着一
体性をさらに高める。

【００１７】なお、バルブシートはその当たり面を形成
する表面部のアルミニウムまたはアルミニウム合金が選
択的に除去され、表面部のアルミニウムまたはアルミニ
ウム合金の含有率を低くしたものが良い。アルミニウム
またはアルミニウム合金は前記した優れた熱伝導性およ
び溶着性を付与するが、耐摩耗性および耐焼き付き性を
低下させる。このため当たり面を形成する表面部のアル
ミニウムまたはアルミニウム合金は好ましくなく、除去
することによりより高性能のバルブシートとなる。

【００１８】本発明のシリンダヘツドは、シリンダヘツ
ド本体を通常の方法により鋳造し、そのバルブシートを
形成する面に溶射して積層体を形成し、形成された積層
体を機械加工して当たり面を形成することにより得られ
る。溶射自体には特別異なることはないが、当たり面に
対して０〜６０度の角度で積層した堆積方向をもつ積層
体を形成する必要がある。

【００１９】通常溶射に使用する溶射ガンはホースと連
結されているため比較的動きが制約される。そのため溶
射方向も制約される場合が多い。溶射方向はポートの軸
芯と平行とし、溶射方向を軸芯と平行にした状態でバル
ブシートの円形形状に沿って溶射ガンを円形に移動して
積層体を形成するのが実用的である。なお、堆積を容易
とするためポートを区画する内周面に溶射方向と垂直な
面をもつ段部を形成するのが好ましい。そしてこの段部
の上に溶射して積層体を形成するのが良い。

【００２０】また、バルブシートを形成する積層体の材
質を連続的あるいは段階的に変化する傾斜材とすること
も可能でありる。しかし、操作が極めて複雑になるため
実用的ではない。摩擦面に存在するＡｌ合金の除去は、
アルカリや酸によるＡｌの溶出、レーザあるいは高周波
加熱によるＡｌの溶融・蒸発により除去できる。なお、
Ａｌの除去される表面部の厚さは０．２ｍｍ程度でよ
い。これにより摩擦面にはＡｌ合金が存在いない耐摩耗
性に優れた面となる。

【００２１】当たり面は通常の方法で切削あるいは研削
して形成することができる。

【００２２】

【試験例】

＜溶射処理＞表１に示すＮｏ．１からＮｏ．２２の２２
種類の溶射材料を準備した。この内Ｎｏ．１からＮｏ．
１１、Ｎｏ．１６、Ｎｏ．１９、Ｎｏ．２０、の１４種
類はマトリックス合金となる粉末と潤滑・耐摩耗材とな
る粉末の２種類の粉末の混合物、Ｎｏ．１２からＮｏ．
１５、Ｎｏ．１７、Ｎｏ．２１の６種類はマトリックス
合金となる粉末、潤滑・耐摩耗材となる粉末およびＡｌ
合金粉末の３種類の粉末の混合物、Ｎｏ．１８およびＮ
ｏ．２２は１種類の粉末からなる。マトリックス合金と
なるＦｅ−０．４％Ｃの平均粒径は３５μｍ、ＳＵＳ４
１０Ｌの平均粒径は３８μｍ、ＳＵＳ４３０の平均粒径
は３２μｍ、ＳＵＳ４１０の平均粒径は４２μｍ、ＳＵ
Ｓ３０４の平均粒径は３６μｍ、鉄系焼結合金の平均粒
径は１２０μｍである。潤滑・耐摩耗材となるフェロＭ
ｏの平均粒径は２５μｍ、フェロＣｒの平均粒径は１８
μｍ、ＦｅＣｒＣの平均粒径は１５μｍ、Ｃｒ₂Ｃ₃の
平均粒径は１２μｍ、Ｆｅ₃Ｃの平均粒径は２５μｍ、
ＷＣの平均粒径は１５μｍである。Ａｌ合金粉末のＡｌ
−１２Ｓｉの平均粒径は８０μｍ、鉄系焼結合金のＦｅ
−１％Ｃ−５％Ｍｏ−８．５％Ｃｏ−１５％Ｐｂは、平
均粒径２５０〜８０μｍのＦｅ、グラファイト、フェロ
Ｍｏ、Ｃｏを混粉成形後焼結し、その後Ｐｂを溶浸させ
たものである。

【００２３】２種類以上の粉末を混合した溶射材料は使
用前に２０分間Ｖ型混合機で均一に混合した。なお、表
１には全体を１００容積％とした時の個々の材料の容積
％も合わせて示した。

【００２４】

【表１】

【００２５】被溶射材としてはＪＩＳＡＣ２Ｃ製の板
材を用いた。溶射装置としてはＨＶＯＦ溶射装置（ＤＪ
ガン；スルザー・メテコ社製）を使用した。溶射条件
は、全ての溶射材料とも同じで、プロピレンガス＝４０
リットル／ｍｉｎ、Ｏ₂＝４２リットル／ｍｉｎ、Ａｉ
ｒ＝８０リットル／ｍｉｎ、粉末供給量＝８０ｇ／ｍｉ
ｎとした。溶射皮膜厚さは最大で２．２ｍｍであり面取
り加工後の厚さは最大１．２ｍｍとした。＜凝着摩耗試験＞図１に示すリング−オン−プレートで
繰り返し叩く試験方法で行った。プレートはこの試験例
の溶射処理を施した基材を用いた。リングとしてはエン
ジンバルブ材として知られているＳＵＨ３５を用い、外
径３５ｍｍ、内径２５ｍｍ、高さ６．５ｍｍのものを用
いた。試験条件は、温度３５０℃、荷重２０ｋｇ、叩き
速度２ｍｍ／秒、繰り返し速度１２０回／分、窒素雰囲
気ガス下、試験時間３０分である。＜スラストカラー摩耗試験＞図２に示す試験装置でスラ
ストカラー摩耗試験を行った。試験片としてはこの試験
例の溶射処理を施した基材を巾５ｍｍ×長さ２５ｍｍの
帯板状としたものを用いた。相手材としては凝着摩耗試
験と同じＳＵＨ３５を用いた。この相手材の摺接面は、
外径２０ｍｍ、内径１０ｍｍである。試験条件は、温度
４００℃、荷重２０ｋｇ、周速０．３ｍ／秒（相手材の
回転速度３７０ｒｐｍ）、Ｎ₂雰囲気ガス下、試験時間
２０分である。＜当たり面の堆積方向角度と凝着摩耗深さとの関係＞表
１のＮｏ．１３の溶射材料を採用し、基材の被溶射表面
に対する溶射角度を１５度、３０度、４５度、６０度、
７５度および９０度の６通りの条件で各基材表面に溶射
した。そして溶射表面を基材の被溶射表面に対して所定
厚さとなるように面取り加工し、当たり面を形成した。
なお、溶射方向と得られる積層体の堆積方向は同じであ
るため、この面取り加工では、溶射角度とバルブシ−ト
当り面に対する堆積方向角度とは等しくなる。基材に対
する溶射方向、堆積方向の関係を図３に模式的に示す。

【００２６】得られた当たり面の堆積方向角度と凝着摩
耗深さとの関係を図４に示す。図４より当たり面の堆積
方向角度が大きくなると凝着摩耗深さが大きくなり、特
に当たり面の堆積方向角度が６０度を越えると急速に摩
耗が増加するのが分かる。この結果より、当たり面の堆
積方向角度は６０度未満が良いのが分かる。また、図４
の矢印で示す範囲は、本発明で規定した当たり面の堆積
方向角度を示すものである。

【００２７】なお、図４の括弧内の数字は溶射材料の付
着効率を示すもので、溶射角度が低くなる（溶射面に対
して平行方向に近づく）に従い、付着効率が低下するの
が見られる。付着効率から見ると溶射表面に対して垂直
に溶射するのが好ましい。斜め溶射で特に３０度以下の
斜め溶射を行うと、付着効率が２０％以下となり、溶射
効率が極端に悪化する。＜積層体中の硬質粒子容積率と積層体摩耗量および相手
材摩耗量の関係＞硬質粒子としてフェロＭｏを使用し、
マトリックス材としてＦｅ−０．４％ＣおよびＳＵＳ材
を用い、当たり面の堆積方向角度を４５度とした時の、
スラストカラー摩耗試験によって得られた、硬質粒子の
容積％と溶射で形成された積層体の摩耗量と相手材の摩
耗量の関係を図５に示す。なお、図５中、白丸および白
三角は積層体摩耗量を、黒丸および黒三角は相手材摩耗
量を示す。そして白丸および白三角の右側に付した数字
は表１の溶射材料のＮｏ．を示している。

【００２８】図５より明らかなように、硬質粒子の容積
％が増大すると積層体摩耗量は低くなる。逆に、相手材
摩耗量は増大する。積層体摩耗量、相手材摩耗量共に少
ない好ましい範囲は硬質粒子の容積率が５〜３０％の範
囲であることが分かる。＜積層体中の硬質粒子の種類と積層体摩耗量との関係＞
硬質粒子の材質を変えた時の溶射で得られた積層体のス
ラストカラー摩耗試験によって得られた摩耗量の関係を
図６に示す。なお、マトリックスとしてはＦｅ−０．４
％Ｃを用い、その容積％を８０％とした。また、当たり
面の堆積方向角度を４５度とした。図６中の棒グラフの
上部に付した数字は表１の溶射材料のＮｏ．を示してい
る。

【００２９】図６より明らかなように、ここで試験した
硬質粒子はいずれも積層体の摩耗量を低下する効果が高
いのが分かる。特に、フェロＭｏ、Ｃｒ₂Ｃ₃、ＷＣが
摩耗量逓減に効果が高い。＜積層体中のＡｌ合金粒子の容積率と積層体摩耗量、凝
着摩耗深さおよび熱膨張率の関係＞バルブシートを形成
する溶射で形成された積層体中のＡｌ合金粒子の容積％
と積層体の摩耗量、凝着摩耗深さおよび熱膨張率の関係
をそれぞれ図７、図８および図９に示す。積層体試料は
いずれもマトリックスとしてのＦｅ−０．４％Ｃを８０
容積％と硬質粒子としてのフェロＭｏを２０容積％を固
定し、Ａｌ合金粒子を添加したものである。図７〜図９
の白丸の右側の数字は表１の溶射材料のＮｏ．を示して
いる。

【００３０】図７から分かるように、Ａｌ合金の容積％
が増大すると積層体の摩耗量が増大する。Ａｌ合金の容
積％が３０％未満では、積層体の摩耗量の増加も比較的
少ないが４０％になると摩耗は急激に増大する。このた
め摩耗量の見地からみると、Ａｌ合金の容積％は３０％
未満であるのが好ましい。図８は凝着摩耗深さを示して
いる。この凝着摩耗深さも、摩耗量と同じ相関関係があ
り、Ａｌ合金の容積％が３０％未満では、積層体の凝着
摩耗深さの増加も比較的少ないが４０％になると凝着摩
耗深さは急激に増大する。このため凝着摩耗深さの見地
からみると、摩耗量と同様、Ａｌ合金の容積％は３０％
未満であるのが好ましい。

【００３１】図９は熱膨張率の関係をしめしている。Ａ
ｌ合金の容積％が増大すると熱膨張率が増大し、自動車
用のシリンダヘッドとして一般に多用されているＡＣ２
Ｃアルミニウム合金の熱膨張率に近くなる。シリンダヘ
ッド本体の熱膨張係数とその表面に溶射で溶着された積
層体の熱膨張係数の差が小さいことは、熱衝撃に対する
抵抗が高いことを意味するものであり、シリンダヘッド
本体がＡｌ合金である場合、積層体にＡｌ合金粒子を配
合するのは好ましい。

【００３２】図７〜図９に示す矢印の範囲は積層体に配
合される好ましいＡｌ合金粒子の割合を示すものであ
る。＜試験例の成果＞前記した試験例から、当たり面の堆積
方向角度は０〜６０度が良いことが分かる。また、積層
体を構成するマトリックス中に混入させる硬質粒子は５
〜３０容積％の範囲が、Ａｌ合金粒子は１０〜３０容積
％の範囲が好ましいことが分かる。

【００３３】

【実施例】エンジンバルブ２を組み込んだ本実施例のシ
リンダヘッド１の要部断面を図１０に示す。このシリン
ダヘッド１はシリンダヘッド本体１１の吸排気ポート部
１２が開口する燃焼室１３側の端部に本発明を特色付け
るバルブシート１５を設けたものである。エンジンバル
ブ２はシリンダヘッド本体１１に組み込まれたバルブガ
イド３に挿通され、コイルスプリング４で吸排気ポート
部１２を閉じる方向に付勢され、そのバルブフェイス２
１がバルブシート１５に当接して吸排気ポート部１２を
閉じる。

【００３４】本実施例のシリンダヘッド１の要部断面を
模式的に拡大して示す図１１に示す。このシリンダヘッ
ド１は、ＪＩＳＡＣ２Ｃ（Ａｌ、Ｃｕ；２〜４、Ｓ
ｉ；５〜７、Ｍｇ；０．２〜０．４、Ｍｎ；０．２〜
０．４）のアルジル合金製のシリンダヘッド本体１１と
溶射材料が堆積して形成された積層体で形成されている
バルブシート１５とからなる。このバルブシート１５
は、積層体のマトリツクスを形成するＦｅ−０．４％
Ｃ；６４容積％と潤滑・耐摩耗材を形成するフェロＭ
ｏ；１６容積％とＡｌ合金のＡｌ−１２％Ｓｉ；２０容
積％とからなる。そしてエンジンバルブ２のバルブフェ
イス２１が当接する当たり面１５１は積層体の堆積方向
Ｐに対して４５度となつている。

【００３５】なお、当たり面１５１を含むバルブシート
１５の表面部は、図１２にその表面の走査型電子顕微鏡
写真を示すように、そこに存在していたＡｌ粒子が除去
された金属組織をもつ。このシリンダヘッド本体１１
は、図１４に示すように、その吸排気ポート部１２の燃
焼室側の開口端が吸排気ポート部１２の軸芯に対してほ
ぼ垂直で吸排気ポート部１２を囲むリング状の底面１１
６とその底面１１６の外周端から斜め方向に擦鉢状に延
びる傾斜面１１７とで区画された段部となっている。本
実施例ではこの段部はシリンダヘッド本体１１を低圧鋳
造で成形された後機械加工により切削して形成したが、
鋳造時にシリンダヘッド本体１１と同時に形成すること
もできる。

【００３６】このシリンダヘッド本体１１は、図１３に
示すように、吸排気ポート部１２に対向するように溶射
ガン７を配置し、この溶射ガン７のノズル７１がその段
部の底面１１６に向けられる。また、この溶射ガン７は
ガン回転装置８に保持され、ガン回転装置により溶射ガ
ン７のノズル７１が段部の底面１１６のリング形状に沿
って一周するように回転駆動されるようになっている。

【００３７】この状態で表１のＮｏ．１３の溶射材料を
溶射しつつ溶射ガン７を段部の底面１１６のリング形状
に沿って回転し、段部に溶射材料の粒子が溶融して薄片
状に堆積して形成された積層体を得た。この後、機械加
工により積層体の内周面を切削加工し図１１に示す堆積
方向Ｐに対して４５度の当たり面１５１を形成した。な
お、当たり面１５１の吸排気ポート部１２側の傾斜面は
堆積方向Ｐに対して１５度の傾斜面とし、当たり面１５
１の開口側の傾斜面は堆積方向Ｐに対して６０度の傾斜
面とした。

【００３８】この後、当たり面１５１を含むこれら傾斜
面に水酸化ナトリウム水溶液を接触させ、これら傾斜面
に表出するＡｌ合金粒子を溶出除去した。これによりバ
ルブシート１５を形成し、本実施例のシリンダヘッド１
を製造した。この実施例のシリンダヘツド１はそのバル
ブシート１５が溶射で形成された溶射材料を形成する溶
射粒子が薄片状に堆積した積層体で形成されるととも
に、その当たり面が堆積方向Ｐと４５度の角度をもつ薄
片状の溶射粒子の端面で形成されているため、耐摩耗性
が高く、かつ熱伝導性に優れたものとなつている。

【００３９】特に、溶射材料として潤滑・耐摩耗材を形
成するフェロＭｏ粒子を配合しているためシート材摩耗
および凝着摩耗にも優れている。そして溶射材料として
Ａｌ合金粒子を配合しているため、バルブシート１５は
熱伝導に優れるとともにエンジンヘツド本体との一体性
が高い。さらに当たり面１５１を形成するバルブシート
１５の表面部のＡｌ合金粒子が溶出除去されているた
め、凝着摩耗等の耐摩耗性の低下が防止されている。

【００４０】このため本実施例のシリンダヘツドはエン
ジンの冷却特性が良くしかも耐摩耗性に優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】試験例の凝着摩耗試験を模式的に示す図。

【図２】試験例の摺動摩耗試験を模式的に示す図。

【図３】基材に対する溶射方向を示す模式図。

【図４】試験例に示す溶射堆積体の当たり面と堆積方向
角度と凝着摩耗深さの関係を示す図。

【図５】試験例に示す溶射積層体中の硬質粒子の容積％
に対する積層体および相手材の摩耗量を示す図。

【図６】試験例に示す溶射積層体中の硬質粒子の種類と
積層体の摩耗量との関係を示す図。

【図７】試験例に示す溶射積層体中のＡｌ合金容積％と
積層体の摩耗量との関係を示す図。

【図８】試験例に示す溶射積層体中のＡｌ合金容積％と
積層体の凝着摩耗深さとの関係を示す図。

【図９】試験例に示す溶射積層体中のＡｌ合金容積％と
積層体の熱膨張率との関係を示す図。

【図１０】実施例のシリンダブロックの要部断面図。

【図１１】実施例のシリンダブロックのバルブシートの
要部拡大断面図。

【図１２】実施例のシリンダブロックのバルブシートの
当たり面の金属組織を示す走査電子顕微鏡写真図。

【図１３】実施例のシリンダブロックのバルブシートを
形成する溶射方法を模式的に示す図。

【図１４】実施例の溶射時の様子を拡大して模式的に示
す要部断面図。

【符号の説明】

１─シリンダヘッド２─バルブ３─
バルブガイド１１─シリンダヘッド本体１２─吸排気ポート
部１３─燃焼室１５─バルブシート１５
２─当たり面

【手続補正書】

【提出日】平成７年１１月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者児玉幸多愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸気弁で開閉される吸気ポートおよび排気
弁で開閉される排気ポートを備える金属製シリンダヘッ
ド本体と、該シリンダヘッド本体の該吸気ポートおよび該排気ポー
トの一端に形成され該吸気弁あるいは該排気弁が着脱す
るバルブシートとを有する内燃機関のシリンダヘッドで
あって、該吸気弁および該排気弁の少なくとも一方と着脱する該
バルブシートは溶射粒子が溶射されて薄片状となって堆
積した積層体で構成され、該吸気弁および該排気弁の少
なくとも一方と着脱する該バルブシートの当たり面は堆
積方向と０〜６０度の角度に形成されていることを特徴
とする内燃機関のシリンダヘッド。
【請求項２】該当たり面は該堆積方向と３０〜６０度の
角度に形成されている請求項１記載の内燃機関のシリン
ダヘッド。
【請求項３】該シリンダヘッド本体はアルミニウム合金
製であり、該バルブシートはそのマトリックスがマルテ
ンサイト変態により硬化している炭素鋼もしくは合金鋼
である請求項１記載の内燃機関のシリンダヘッド。
【請求項４】該バルブシートはそのマトリックス中に５
０μｍ以下の炭化物および鉄系化合物の少なくとも１種
を５〜３０体積％含有する請求項３記載の内燃機関のシ
リンダヘッド。
【請求項５】該バルブシートはそのマトリックス中にア
ルミニウムまたはアルミニウム合金を１０〜３０体積％
含有する請求項３記載の内燃機関のシリンダヘッド。
【請求項６】該バルブシートはその当たり面を形成する
表面部の該アルミニウムまたはアルミニウム合金が選択
的に除去され、該表面部の該アルミニウムまたはアルミ
ニウム合金の含有率が低くなっている請求項５記載の内
燃機関のシリンダヘッド。