JPH0953424A - 軽合金シリンダヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】比較的容易に十分な耐摩耗性を有するバルブシ
ート部を形成することができる軽合金シリンダヘッドの
製造方法を提供する。 【解決手段】発振器１８に電源１９を接続した磁歪振動
子２０を備えた電動装置２１を用意し、磁歪振動子２０
の先端の振動部２０ａをアルミニウム系母材シリンダヘ
ッド８上にセットされた表面に耐摩耗性層を有するバル
ブシート材１６に当てる。そして、電動装置２１を作動
させることによって振動子２０を振動せしめる。この振
動によって、母材８のバルブシート部９とバルブシート
材１６との間に相対運動が生じて摩擦熱が生じ、ろう材
が溶融する。その後、ろう材が冷却してバルブシート材
は母材のバルブシート部９に対してろう材１０の接着力
によって固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軽合金たとえば、
アルミニウム系合金のシリンダヘッド及びその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの軽量化を図るために、エンジ
ン本体をアルミニウム合金のような軽合金で構成するこ
とが行われている。しかし、軽合金エンジンは、通常の
鉄系合金エンジンと比較して耐摩耗性などが低い等、異
なる特性を有する。このため軽合金エンジンにおいて
は、特有の問題が生じる。たとえば、吸気弁あるいは排
気弁が常時当接するシリンダブロックのバルブシートの
部分は、耐摩耗性が要求されるため、このバルブシート
部分を耐摩耗性を有する別の材料を軽合金シリンダヘッ
ドの本体に組み合わせて使用することが知られている。
たとえば、特開昭６２−１５００１４号公報には、アル
ミニウム合金製シリンダブロックのバルブシート部に銅
合金肉盛層を形成したものが開示されている。この開示
されたシリンダブロックは、バルブシート部に熱伝導性
及び耐摩耗性の高い金属の肉盛層を形成することによっ
てバルブシート部の耐摩耗性を確保するようにしてい
る。

【０００３】

【解決しようとする課題】しかし、上記のようにバルブ
シート部に肉盛層を形成するためには、多くの工数と時
間が必要となるため、コスト的に不利となる。また、均
一な肉盛層を形成するためには、作業条件を極めて精密
に管理する必要がある。また場合によっては、肉盛層の
形成後、機械加工による研削処理が必要となることも考
えられ、非効率となる。また、別の方法として、バルブ
シート部に別部材をヤキバメ等によって固定する方法も
知られているが、このように別個のバルブシート部材を
用いる方法ではバルブシート部材そのもの及びこれを支
持するシリンダブロックのバルブシート部の両方が所定
の剛性を有する必要があり、このためには、それぞれが
所定の厚みを備えている必要がある。このような点を考
慮して、シリンダブロックを製造した場合、通路空間を
制限せざるを得なくなる恐れが生じる。また、バルブシ
ート部材を確実に保持するのが難しいという問題もあ
る。さらに、耐摩耗性金属材料の繊維をバルブシート部
に配置してアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯
によって上記耐摩耗性金属を鋳ぐるむ方法も知られてい
る。

【０００４】しかし、この方法では、上記鉄やニッケル
等の耐摩耗性材料の繊維の部分に対してアルミニウム合
金溶湯を十分に浸透させることが困難であり、欠陥が生
じやすいという問題がある。また、生成したバルブシー
ト部に上記アルミニウムまたはアルミニウム合金母材が
部分的に露出することにより、十分な耐摩耗性を確保す
ることが難しいという問題もある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は以上のような問
題に鑑みて構成されたもので、比較的容易に十分な耐摩
耗性を有するバルブシート部を形成することができる軽
合金シリンダヘッドの製造方法を提供することを目的と
する。さらに、本発明の別の目的は、上記の耐摩耗性の
高いバルブシート部を有する軽合金シリンダヘッドを提
供することである。本発明の１つの特徴によれば、軽合
金シリンダヘッドの製造方法であって、表面に耐摩耗性
層を有するバルブシート材を用意し、前記バルブシート
材と前記軽合金シリンダヘッドを形成するための軽合金
シリンダヘッド用半製品のバルブシート部の表面とを溶
融接着部材を介して接合し、該溶融接着部材による接着
力によってバルブシート材を軽合金シリンダヘッドの半
製品のバルブシート部に保持することを特徴とする特徴
と軽合金シリンダヘッドの製造方法が提供される。この
場合、好ましくは、前記補強材は、２層材料を打ち抜い
て、前記バルブシート部の表面形状に沿うように成形
し、前記溶融性接着部材を用いたろう付けにより接合す
る。

【０００６】また、別の態様では、高周波加熱により前
記溶融性接着部材を溶融せしめ、バルブシート材と軽合
金シリンダヘッドの半製品とを接合してもよい。さら
に、摩擦圧接によりバルブシート材と軽合金シリンダヘ
ッドの半製品とを接合するようにしてもよい。好ましい
態様では、前記バルブシート材が２層材料からなり表面
層である第１層が、鉄系合金耐摩耗層であり、第２層が
アルミニウムまたはアルミニウム合金層である。また、
別の好ましい態様では、前記バルブシート材は２層材料
からなり表面層である第１層が銅系合金耐摩耗層であ
り、第２層がアルミニウムまたはアルミニウム合金層で
ある。さらに、前記バルブシート材を複数層材料とし、
前記溶融接着材料よって軽合金シリンダヘッドの半製品
のバルブシート部に接着するようにしてもよい。本発明
の別の特徴によれば、少なくとも表面に耐摩耗性を有す
るバルブシート材を軽合金シリンダヘッド半製品のバル
ブシート部の表面に溶融性接着材料を用い、これを溶融
せしめることによってバルブシート材と軽合金シリンダ
ヘッド半製品とを接合することによって形成される軽合
金シリンダヘッドが提供される。

【０００７】

【発明を実施するための形態】以下、本発明の実施の形
態について図面を参照しつつ説明する。本発明の軽合金
シリンダヘッドを製造するにあたり、まず、表面に耐摩
耗層を有するバルブシート材１の原材料が用意される。
本例の場合には、バルブシート材は、耐摩耗性層として
ＳＵＳ４１０（ＪＩＳ）を表面層２に有し、これに基層
３としてのＡ６０６３（ＪＩＳ）とが２層に組み合わさ
れたクラッド材が使用される。この場合、上記ＳＵＳ４
１０とＡ６０６３とからなるクラッド材のＡ６０６３の
側の表面にはろう材が塗布される。つぎに、図１に示さ
れるようなクラッド鋼の素材が所定の加工ステーション
（図示せず）に持ち込まれ、このクラッド鋼が接合され
るべき軽合金シリンダヘッド半製品のバルブシート部に
合うような大きさに打ち抜きされる。つぎにこのリング
状に打ち抜きされたバルブシート材４は、図３に示すよ
うにプレス機の上下型５、６の間に配置され、プレス加
工されて図４に示すようにテーパ部分を有する形状の半
製品７に成形される。つぎに、軽合金シリンダヘッド
（たとえばアルミニウム）半製品８のバルブシート部９
にセットされる。本例のシリンダヘッドは、図５に示す
ように直列４気筒１６バルブエンジンに使用されるもの
である。この場合、上記のバルブシート材は図６に示す
ようにアルミニウム系母材シリンダヘッド半製品８のバ
ルブシート部９に形成された所定の凹部にはめ込まれる
ような状態でセットされる。つぎに、このようにバルブ
シート材７がセットされた各シリンダヘッドは、つぎつ
ぎにコンベア１１によって、ろう付け炉１２に通され
る。このろう付け炉１２は、約３５０℃から５００℃の
間の温度に維持されており、シリンダヘッド８がろう付
け炉１２を通過する間にバルブシート材７のシリンダヘ
ッド表面側に接触しているろう材１０が溶融してバルブ
シート材７をシリンダヘッド８に接着させる。従来のヤ
キバメによる方法との相違は、本例のバルブシート材７
はその剛性によってシリンダヘッド凹部に保持されるの
でなく、ろう材１０の接着力によってシリンダヘッドに
固定される点が異なる。ろう材１０としては、ＪＩＳに
規定される各種のろう材１０を使用することができる
が、好ましくは、アルミニウム系ろう材が使用される。
ろう材１０の溶融温度は３５０℃程度のものがよく、上
記のろう付け炉１２の温度条件によって、ろう材１０を
溶融させその後冷却することよって十分な接着性を得る
ことができる。

【０００８】なお、運転中のバルブシート部９の温度は
一般に、２００℃付近であるので、運転中にろう材１０
が溶融して、アルミニウム系シリンダヘッド母材から脱
落する心配はない。つぎに、クラッド鋼を用いるバルブ
シート材を別の方法によって作る場合について説明す
る。図８に示されるように、本例の方法では、細長い板
状のクラッド材の素材１３が用意される材質の前例のも
のと同じである。つぎに、この素材を図９に示すように
所定の加工ローラ１４の間を通過させて面内で曲げ加工
し、図１０で示すような馬蹄形状の半製品１５を形成す
る。そして、その両端部を接合して図１０のようなテイ
パー面を有するリング状のバルブシート材１６を形成す
る。つぎに図１２に示すように、このバルブシート材１
６をアルミニウム系母材シリンダヘッド８のバルブシー
ト部９にセットする。そして、この場合バルブシート材
のアルミニウム系母材シリンダヘッド側にはろう材１０
が塗布されており、これを高周波加熱コイルを表面側か
ら適用してバルブシート材を加熱し、ろう材を溶融せし
めてバルブシート材をシリンダヘッドのバルブシート部
に接着する。

【０００９】高周波加熱コイル１７はたとえば、図１
３、図１４に示すようにバルブシートの径にあった大き
さを有しており、かつシリンダヘッド８の各ポートの位
置にあわせてコイル部分が設けられている。なお、本例
のバルブシート材の厚さは、約１ｍｍ以下であり、ヤキ
バメによって形成するバルブシートよりも薄くなってい
る。また、別の方法として、振動によって母材のバルブ
シート部とバルブシート材との間に摩擦熱を発生せし
め、この熱によって溶融接着部材を溶融せしめてバルブ
シート部に接着することなどもできる。図１５に示すよ
うに、発振器１８に電源１９を接続した磁歪振動子２０
を備えた電動装置２１を用意し、磁歪振動子２０の先端
の振動部２０ａをアルミニウム系母材シリンダヘッド８
のバルブシート材１６に当てる。そして、電動装置２１
を作動させることによって振動子２０を振動せしめる。
この振動によって、母材８のバルブシート部９とバルブ
シート材１６との間に相対運動が生じて摩擦熱が生じ、
ろう材が溶融する。その後、ろう材が冷却してバルブシ
ート材は母材のバルブシート部９に対してろう材１０の
接着力によって固定される。

【００１０】本例のバルブシート材１、７、１６として
使用できるクラッド材すなわち図１６に示すような２層
構造のバルブシート材として、表面層２すなわちバルブ
と接触する耐摩耗層として鉄系合金と、銅あるいは銅系
合金とを組み合わせたものを使用することができる。な
お、この銅あるいは銅系合金層は基層３となるが、この
場合には、通常基層３の下に母材との接合性を確保する
ためにろう材の層が設けられる。また、基層３としてア
ルミニウムまたはアルミニウム系合金を用いてもよい。
基層３をアルミニウムまたは亜鉛をふくむろう材、たと
えば日本アルミット株式会社性ＡＭ−３５０で構成する
ことができる。この場合には、上記のように別途ろう材
の層を設ける必要はない。なお、表面層２の厚さは５０
０ミクロン程度以下が好適であり、基層としては１００
乃至２００ミクロン程度が好適である。さらに、表面層
２として熱伝導性のよい銅系の合金を用いて耐摩耗層と
することができる。銅系合金を耐摩耗性の必要な表面層
に使用できるのは、銅はその高い熱伝導性のために自身
の加熱を抑制することができるため摩耗性の低下を抑制
することができることによる。銅系の合金を表面層に使
用した場合、基層としてアルミニウムあるいはアルミニ
ウム系合金を使用することができる。また、アルミニウ
ムまたは亜鉛を含むろう材を基層に使用してもよい。

【００１１】さらに、表面層２としてタングステン、コ
バルト等の高融点金属を使用してもよくこの場合には、
表面層２との接着性を考慮して基層３に銅あるいは銅系
合金を使用するのが好ましい。また、基層に母材側との
接着性を考慮してアルミニウムあるいはアルミニウム系
合金を用いることもできるし、アルミニウムまたは亜鉛
系のろう材を直接設けるようにしてもよい。さらにバル
ブシート材として図１７で示す３層構造のシート材を使
用することもできる。たとえば、表面層２として鉄系合
金層を形成し、中間層２２として銅あるいは銅系合金層
を形成し、基層３としてアルミニウムあるいはアルミニ
ウム系合金を用いたものをバルブシート材として使用し
ても良い。この場合、中間層は、表面層２との接着性、
基層３との接着性を両方改善するように選択することが
できる。また、熱伝導性の観点から選択してもよい。さ
らに、図１８に示すように表面層２にクロム、鉄粉及び
炭素等を含む組み合わせによって硬質の溶射層２３を形
成し、基層３として鉄系材料を用いることができる。ま
た、この場合、基層３をアルミニウムあるいはアルミニ
ウム合金または銅あるいは銅系合金とすることもでき
る。

【００１２】さらに上記の例において、図１９に示すよ
うにクラッド鋼の表面上に溶射層を形成するようにして
もよい。また、図２０に示すように溶射層２３を形成す
るかわりに、クロムメッキ２４などを施すようにしても
よい。

【００１３】

【発明の効果】以上述べたようにアルミニウム等の比較
的軽量であるが軟質の材料でエンジンの本体部分を構成
する場合において、耐摩耗性の要求されるバルブシート
部を構成するにあたり、従来に比して薄く剛性の低いバ
ルブシート材を用いて簡単な方法でエンジンの特にシリ
ンダヘッド部分を提供することを可能にするものであ
る。すなわち、比較的薄いバルブシート材を用意して軽
合金シリンダヘッド母材のバルブシート部に溶融性接着
部材を用いて接合することにより得られるものである。
本発明によって提供される軽合金シリンダヘッドは、こ
のように比較的簡単な方法によって得られるにも関わら
ず、バルブシート部の十分な耐摩耗性を有するものであ
る。この場合、上記説明したように溶融性接着部材はエ
ンジンの運転中において、溶融性接着部材が再溶融する
ことのない特性の範囲で選択されるので、信頼性の高い
軽量シリンダヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】バルブシート材の素材の状態を示す概略図、

【図２】バルブシート材の素材からリング状に加工した
半製品を示す概略斜視図、

【図３】バルブシート材の加工状態を示す概略断面図、

【図４】バルブシート材のプレス加工後の半製品の状態
を示す概略斜視図、

【図５】アルミニウムシリンダヘッドの半製品の状態を
示す概略斜視図、

【図６】アルミニウムシリンダヘッドにバルブシート材
をセットした状態を示す概略断面図、

【図７】バルブシート材をアルミニウムシリンダヘッド
半製品にセットした状態でろう付け炉を通過させる状態
を示す概念図、

【図８】バルブシート材の他の加工方法にかかる素材を
示す概略斜視図、

【図９】バルブシート材のロール加工状態を示す概略斜
視図、

【図１０】バルブシート材の加工途中の半製品の概略斜
視図、

【図１１】バルブシート材をリング状に加工した状態を
示す概略斜視図、

【図１２】バルブシート材をアルミニウムシリンダヘッ
ドのバルブシート部にセットした状態を示す概略断面
図、

【図１３】バルブシート材の溶融性接着部材を溶融せし
めてアルミニウムシリンダヘッド母材のバルブシート部
に接着させるための加熱コイルの概略平面図、

【図１４】図１３の加熱コイルの側面図、

【図１５】バルブシート材の接着材を溶融せしめて、ア
ルミニウム母材に接着させるための振動子を備えた電動
装置の使用状態を示す説明図、

【図１６】２層構造のバルブシート材の積層状態を示す
概略図、

【図１７】３層構造のバルブシート材の積層状態を示す
概略図、

【図１８】溶射層を有するバルブシート材の状態を示す
概略図、

【図１９】溶射層を有する他のバルブシート材の状態を
示す概略図、

【図２０】溶射層を有するさらに他の構造にかかるバル
ブシート材の状態を示す概略図、

【符号の説明】

１、７、１６ バルブシート材 ２ 表面層 ３ 基層、 ８ シリンダヘッド ９ バルブシート部 １０ ろう材。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軽合金シリンダヘッドの製造方法であっ
   て、 少なくとも表面に耐摩耗性層を有するバルブシート材を
   用意し、 前記バルブシート材と前記軽合金シリンダヘッドを形成
   するための軽合金シリンダヘッド用半製品のバルブシー
   ト部の表面とを接合し、該バルブシート材を軽合金シリ
   ンダヘッドの半製品のバルブシート部に保持することを
   特徴とする特徴と軽合金シリンダヘッドの製造方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記バルブシート材
   は、２層材料を打ち抜いて、前記バルブシート部の表面
   形状に沿うように成形し、 前記溶融性接着部材を用いたロウ付けにより接合するこ
   とを特徴とする軽合金シリンダヘッドの製造方法。
3. 【請求項３】請求項１において、高周波加熱により前記
   溶融性接着部材を溶融せしめ、バルブシート材と軽合金
   シリンダヘッドの半製品とを接合することを特徴とする
   軽合金シリンダヘッドの製造方法。
4. 【請求項４】請求項１において、摩擦圧接によりバルブ
   シート材と軽合金シリンダヘッドの半製品とを接合する
   ことを特徴とする軽合金シリンダヘッドの製造方法。
5. 【請求項５】請求項１において、前記バルブシート材が
   ２層材料からなり表面層である第１層が、鉄系合金耐摩
   耗層であり、第２層がアルミニウムまたはアルミニウム
   合金層であることを特徴とする軽合金シリンダヘッドの
   製造方法。
6. 【請求項６】請求項１において、前記バルブシート材が
   ２層材料からなり表面層である第１層が銅系合金耐摩耗
   層であり、第２層がアルミニウムまたはアルミニウム合
   金層であることを特徴とする軽合金シリンダヘッドの製
   造方法。
7. 【請求項７】請求項１において、前記バルブシート材が
   複数層材料からなり前記溶融接着材料によって軽合金シ
   リンダヘッドの半製品のバルブシート部に接着されるこ
   と特徴とする軽合金シリンダヘッドの製造方法。
8. 【請求項８】少なくとも表面に耐摩耗性を有するバルブ
   シート材を軽合金シリンダヘッド半製品のバルブシート
   部の表面に溶融性接着材料を用い、これを溶融せしめる
   ことによってバルブシート材と軽合金シリンダヘッド半
   製品とを接合することによって形成される軽合金シリン
   ダヘッド。
9. 【請求項９】請求項８において、前記バルブシート材が
   表面層に耐摩耗層を有する２層材料からなることを特徴
   とする軽合金シリンダヘッド。
10. 【請求項１０】請求項８において、表面層に耐摩耗層を
    有する２層材料からなる前記バルブシート材を打ち抜
    き、前記軽合金シリンダヘッドの半製品のバルブシート
    部に沿うように成形し、これをろう付けによって軽合金
    シリンダヘッドの半製品のバルブシート部に接合して得
    られた軽合金シリンダヘッド。