JPH10504367A - チタン製エンジン・バルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 それぞれ別々のヘッド部分（１０）およびステム部分（１５）でチタン製エンジン・バルブ（１０）を作製する。両部分は、慣性溶接または拡散接合あるいはその両方により接合することが好ましい。ヘッド部分とステム部分との接合部（３２）は、バルブ・ガイド（３０）よりも下に突出しないように、バルブ・ステムのはるか上部に位置している。へッド部分は、フィレット領域と下部ステム領域とを備え、従来の高強度チタン合金など、チタンを含有する第１の材料から成っている。あるいは、ヘッド部分は、鋳造または鍛造を行い、さらに熱処理を施したＴＩＣから成っている。燃焼室の過酷な環境に直接さらされることがないステム部分は、焼鈍チタン合金ロッド・ストックなど、チタンを含有する第２の材料から成っている。したがって、本発明によるバルブは、高応力および高温にさらされるバルブの部分の機械的特性を犠牲にすることなく、従来のチタン製バルブよりも低コストで製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 チタン製エンジン・バルブ 発明の背景 １．発明の分野 本発明は、内燃機関用チタン製バルブに関し、特に、バルブのヘッド部分およ びステム部分がそれぞれ別々に作製され、熱処理され、次に双方を接合したバル ブに関する。 ２．背景技術 長年にわたり、チタン合金は、レース用エンジンなど、高性能エンジンのエン ジン・バルブの製造に使用されてきた。最近では、チタン・アルミナイド（tita nium alUminid）、チタン・ボライド（titaniumu borid）、その他のチタン金属 間化合物（ＴＩＣ）がエンジン・バルブの製造に使用されている。重量に対する 強度比が高いため、チタンは特にエンジン・バルブにふさわしい材料である。し かし、チタンが比較的高価であることが、大型乗用車のバルブにチタンを利用す る際の障害になっており、大型乗用車では、いまだにバルブ材料として鋼を使用 している。にもかかわらず、チタン製バルブを使用すると様々な性能上の利点が 得られるため、乗用車用エンジン・バルブの代替材料としてのチタンに対する関 心はますます高まっている。 鋼に比較してチタンが高価である点は別として、チタン製バルブが高価になる 大きな理由として、従来の製造技術で必要になる処理があげられる。エンジン・ バルブの製造に使用するチタン合金に必要となる熱処理では、バルブのブランク のステムが変形したり、反ったりする。鋼製エンジン・バルブを熱処理する場合 にも同様の問題が発じるが、鋼製バルブの変形は、室温または高温における機械 的ストレートニングにより、きわめて簡単に除去することができる。ところが、 チタン合金製バルブの場合は、チタンの強度と弾性率との比が高いため、ストレ ートニング処理が実際上不可能である。チタン製バルブについて通常利用される 方法は、熱処理の過程でバルブの変形を抑制するというものである。従来の技術 では、バルブを格子状ラックに吊し、ステムを下方に延ばして変形を抑制してい た。このようなラックへのバルブの装着は、一般に手作業となるため、非常に時 間がかかる。さらに、ラック自体が高価であり、また高温にさらされるため、数 回使用しているうちに変形し易いという問題がある。ラックがゆがむと、狙い通 りにバルブを支持できなくなる。したがって、ラックを常時監視し、修理し、交 換しなければならない。 ＴＩＣは室温で脆性を示すため、機械的ストレートニングを施すことができな い。さらに、ＴＩＣバルブのブランクは、高温における鉛直ラッキングによって しか真直ぐにできないため、チタン合金製バルブの場合のようなラッキングは、 実用的な解決策とはならない。また、鋳造やブランキングの過程で反りが生じる こともある。現在採用されている解決法は、大きめのブランクを使用して、余分 な材料を機械加工や研削により削り取り所望の形状にするというものである。 室温および室温近傍で脆性を示し、また強度も低いということが、ＴＩＣをエ ンジンに利用する上での妨げとなっているが、これにはほかにも理由がある。現 在、バルブの開閉に用いられている様々なバルブ駆動機構では、バルブ・ステム の上部近くに配置した位置決め溝またはその近くに大きな曲げ負荷がかかる。Ｔ ＩＣの大きな利点は、高温となるバルブ燃焼室領域（すなわち、バルブのヘッド 部分）の強度を高めることができる点である。したがって、強度および延性が高 い従来のチタン合金でステムの上部を形成し、ＴＩＣでステムの下部およびバル ブ・ヘッドを形成したバルブができれば、バルブの構造は完璧なものとなる。 鋼製エンジン・バルブを２つの部分に分けて製造する方法が知られている。例 えば、米国特許第４０７３４７４号では、少なくともバルブのヘッド部分および ネック部分を超合金で作製し、残りのステム部分を従来のバルブ用鋼で作製した アップセット鍛造バルブについて開示している。鍛造を行う前に、バルブの２つ の部分を摩擦溶接によって接合する。また、複合チタン製バルブも提案されてい る。このバルブについては、米国特許第４７２９５４６号で、チタン製バルブの ヘッドとステムをそれぞれ別々に事前成形品として製造し、次に両者を慣性溶接 して一体にする方法が明らかにされている。米国特許第４８５２５３１号では、 冷間突固めおよび真空焼結をこの順に行って接合した粉体事前成形ヘッドおよび 粉体事前成形ステムを備えたチタン製バルブについて開示している。前記米国特 許第４７２９５４６号および第４８５２５３１号では、バルブのヘッド部分とス テム部分とを、フィレット領域内、またはその近くで接合している。このように して得られたバルブをエンジンに装着すると、少なくともステムの一部が、バル ブ・ガイドの下まで突出し、排気バルブの場合、前記一部が排気ガスにさらされ る。 発明の概要 本発明は、それぞれ別々に製造したヘッド部分およびステム部分を、好ましく は、慣性溶接または拡散接合あるいはその両方により接合したチタン製エンジン ・バルブを提供するものである。ヘッド部分とステム部分との接合箇所は、バル ブ・ガイドより下に突出しないように、バルブ・ステムのはるか上部に位置して いる。従来の方法で鍛造および熱処理を行うヘッド部分には、高強度チタン合金 を使用している。または、鋳造あるいは鍛造を行い、さらに熱処理を施したＴＩ Ｃでヘッド部分を作製している。一方、ステム部分は、燃焼室の過酷な環境に直 接さらされることがないため、従来のチタン合金製焼鈍ロッド・ストックで作製 している。このようにして得られたバルブは、従来のチタン製バルブに比べて製 造コストが低く、高応力および高温にさらされるバルブ各部の機械的特性も損な われることがない。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明のバルブを利用した内燃機関エンジンの部分断面図である。 第２図は、本発明にしたがって構成したチタン製バルブの例を示す側面図であ る。 発明の詳細な説明 以下の説明では、本発明を十分に理解してもらうために具体的詳細について記 載するが、この記載は、あくまで説明のためであり、限定を目的とするものでは ない。しかし、前記具体的説明とは異なる形で本発明を実施できることは、当業 者にとって明らかである。不必要な詳細説明により、本発明に関する記述が不明 瞭にならないように、その他の例では、既知の材料および方法に関する詳細な説 明は割愛する。 第１図は、現在の代表的な高性能内燃機関エンジンを示す図である。排気バル ブ１０および吸気バルブ１１がシリンダ・ヘッド１２の内部に配設されている。 吸気バルブと排気バルブを１つずつ示してあるが、現在の高性能エンジンには、 シリンダ当たりバルブを４つあるいは５つも備えているものが多いものと理解さ れたい。以下、説明を排気バルブに限定するが、この説明は、吸気バルブにも当 てはまるものと了解されたい。排気バルブのヘッド部分１４は、バルブ・シート １６にはまり合い、排気ポート１８を燃焼室２０から分離する。バルブ１０は、 タペット２４を押圧するカム２２によって作動する。バルブ１０は、スプリング ２６の働きにより閉鎖位置に付勢されている。スプリング２６は、シリンダ・ヘ ッド１２とバルブ・スプリング・リテーナ２８との間で圧縮される。空気スプリ ングや直接レバー駆動など、その他のバルブ駆動機構が採用される場合もある。 バルブ１０は、バルブ・ガイド３０の内部で往復運動をする。排気ガスの漏出お よび燃焼室への潤滑オイルの侵入を防止するように、バルブ・ガイドには、バル ブ・ステム１５に対するシールが設けられている。 第２図を参照して説明すると、バルブ１０のヘッド部分１４およびステム部分 １５は、フィレット領域１７上部の境界３２で接合されている。第１図を見ると 、バルブ１０の行程作動中、境界３２は、バルブ・ガイド３０の内部にとどまっ ていることがわかる。したがって、エンジンの排気行程でバルブが開いている場 合、バルブ１０のヘッド部分１４だけが排気ガスにさらされることになる。特に 乗用車については、通常、バルブのヘッド部分に限り、熱処理により材料強度を 高める必要がある。バルブ・ガイド３０内部にとどまっている部分とバルブ・ガ イド から上に突き出でている部分とからなるステム部分は、ミル焼鈍チタン合金（mi ll annealed titaniumu alloy）の機械的特性のみ必要である。したがって、ス テム部分１５は、重ねて熱処理を行うことなく、ミル焼鈍ロッド・ストックから 簡単に製造することができる。 バルブ１０のヘッド部分１４は、フィレット部分１７と、境界３２に向かって 上方に延びるステム部分とを備え、このステム部分は、完全なチタン製バルブの 熱処理に必要なラッキングを行わなくても、熱処理または熱間静水圧処理（ＨＩ Ｐ）を施せるように短くなっている。ヘッド部分１４のステム部分は、熱処理中 本来の形状を維持するため、反りを補正するのに最終的な機械加工だけが必要に なる。 ヘッド部分１４は、従来の高強度高温チタン合金でできており、この合金のア ルミニウム含有量は、８ｗｔ％未満であることが好ましい。適切なチタン合金に は、６−４（Ti-6Al-4V）、６２４２ｓ（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si）、６２４ ６（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）などがある。ヘッド部分は、チタン金属間化合物で製 造する場合もある。ヘッド部分１４には、先ず鍛造を行い、続いて熱処理または ＨＩＰ処理あるいはその両方を施し、さらに必要な予備機械加工を行うことが好 ましい。通常、ベータ遷移温度のすぐ上で排気バルブの熱処理を行い、比較的粗 いコロニ顕微鏡組織を生成させる。吸気バルブについては、比較的微細な顕微鏡 組織を保存するために、通常、ベータ遷移温度以下で熱処理を行う。 ステム部分１５は、６−４チタン合金や商用純（ＣＰ）チタン合金など、比較 的安価なチタン合金から製造し、圧延、引き抜き、鋳造により成形する。必要な 場合には、バルブのヘッド部分とは別にステムの熱処理またはＨＩＰ処理あるい はその両方を行う。また、ステム部分１５には、真直ぐなロッドのままで処理を 行うか、または真直ぐになるまで、予備機械加工または研削あるいはその両方を 施す。それぞれ予備機械加工を行ってから、拡散接合、慣性溶接、または摩擦溶 接により、ヘッド部分１４とステム部分１５とを接合する。前記３種類のどの接 合方法でも、比較的低温（ベータ遷移温度よりはるかに低い温度）で作業を行い 、バルブの軸方向および半径方向の整合を確保している。最後に、指定の許容誤 差となるまで機械加工を行う。 上に述べた発明は、本明細書の趣旨および主な特徴から逸脱することなく、別 の形態でも実施できるものと認識されたい。したがって、本発明は、前記の詳細 な説明により限定されるのではなく、以下に記載する請求の範囲の記述により規 定されるものと理解されたい。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年５月１０日 【補正内容】 補正請求の範囲 １． バルブ・ガイドと、バルブをバルブ・ガイド内で往復運動させるバルブ駆 動機構とを備える内燃機関エンジン用チタン製バルブにおいて、 （ａ）フィレット領域と下部ステム領域とを含み、チタンを含有する第１の材 料から成るヘッド部分を形成する段階と、 （ｂ）前記ヘッド部分を熱処理する段階と、 （ｃ）チタンを含有する第２の材料から成るステム部分を形成し、その形成後 には熱処理を施さない段階と、 （ｄ）前記チタン製バルブがバルブ駆動機構の働きにより往復運動する際に、 ステム部分がバルブ・ガイドより下に突出しない位置で、前記ステム部分をヘッ ド部分の前記下部ステム領域に接合する段階と を備える方法によって製造されたことを特徴とするバルブ。 ２． 拡散接合によりヘッド部分とステム部分とを接合することを特徴とする請 求項１に記載のバルブ。 ３． 慣性溶接によりヘッド部分とステム部分とを接合することを特徴とする請 求項１に記載のバルブ。 ４． 摩擦溶接によりヘッド部分とステム部分とを接合することを特徴とする請 求項１に記載のバルブ。 ６． 第１の材料が、チタン金属間化合物であることを特徴とする請求項１に記 載のバルブ。 ９． ヘッド部分がチタンを含有する第１の材料のベータ遷移温度よりも高い温 度で熱処理された請求項１に記載のバルブ。 １０． バルブ・ガイドと、バルブをバルブ・ガイド内で往復運動させるバルブ 駆動機構とを備える内燃機関エンジン用チタン製バルブを製造する方法において 、 （ａ）フィレット領域と下部ステム領域とを含み、チタンを含有する第１の材 料から成るヘッド部分を形成する段階と、 （ｂ）前記ヘッド部分を熱処理する段階と、 （ｃ）チタンを含有する第２の材料から成るステム部分を形成し、その形成後 には熱処理を施さない段階と、 （ｄ）前記チタン製バルブがバルブ駆動機構の働きにより往復運動する際に、 ステム部分がバルブ・ガイドより下に突出しない位置で、前記ステム部分をヘッ ド部分の前記下部ステム領域に接合する段階と を備える方法によって製造された、。 １１． 拡散接合によりヘッド部分とステム部分とを接合することを特徴とする 請求項１０に記載の方法。 １２． 慣性溶接によりヘッド部分とステム部分とを接合することを特徴とする 請求項１０に記載の方法。 １３． 摩擦溶接によりヘッド部分とステム部分とを接合することを特徴とする 請求項１０に記載の方法。 １４． 第１の材料と第２の材料とがチタン合金であることを特徴とする請求項 １０に記載の方法。 １５． 第１の材料が、チタン金属間化合物てあることを特徴とする請求項１０ に記載の方法。 １６． 第２の材料が、チタン金属間化合物であることを特徴とする請求項１５ に記載の方法。 １７． 焼鈍ロッドからステム部分を形成することを特徴とする請求項１０に記 載の方法。 １８． チタンを含有する第１の材料のベータ遷移温度よりも高い温度でヘッド 部分を熱処理する段階をさらに段階（ａ）のあとに備える請求項１０に記載の方 法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６８０ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６８０ ６８５ ６８５Ｚ ６８６ ６８６Ｚ ６９１ ６９１Ｂ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＫ ，ＥＥ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ， ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，Ｌ Ｒ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ， ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，Ｕ Ｇ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ソマー，アルフレッド・ダブリュ アメリカ合衆国・91302・カリフォルニア 州・カラバサス・ヴァイカーサ ドライ ブ・4112

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．バルブ・ガイドと、バルブをバルブ・ガイド内で往復運動させるバルブ駆動 機構とを備えた内燃機関エンジン用チタン製バルブであって、 フィレット領域と下部ステム領域とを備え、チタンを含有する第１の材料で形 成されたヘッド部分と、 ヘッド部分の前記下部ステム領域に接合され、前記チタン製バルブがバルブ駆 動機構により往復運動する際にバルブ・ガイドよりも下に突出しないステム部分 であって、チタンを含有する第２の材料で形成されたステム部分と を備えるチタン製バルブ。 ２．拡散接合によりヘッド部分とステム部分とを接合することを特徴とする請求 項１に記載のバルブ。 ３．慣性溶接によりヘッド部分とステム部分とを接合することを特徴とする請求 項１に記載のバルブ。 ４．摩擦溶接によりヘッド部分とステム部分とを接合することを特徴とする請求 項１に記載のバルブ。 ５．第１および第２の材料がチタン合金であることを特徴とする請求項１に記載 のバルブ。 ６．第１の材料がチタン金属間化合物であることを特徴とする請求項１に記載の バルブ。 ７．第２の材料がチタン金属間化合物であることを特徴とする請求項６に記載の バルブ。 ８．ステム部分を焼鈍ロッドから形成したことを特徴とする請求項１に記載のバ ルブ。 ９．チタンを含有する第１の材料のベータ遷移温度より高い温度でヘッド部分を 熱処理することを特徴とする請求項１に記載のバルブ。 １０．バルブ・ガイドと、バルブをバルブ・ガイド内で往復運動させるバルブ駆 動機構とを備えた内燃機関エンジン用チタン製バルブを製造する方法であって、 （ａ）フィレット領域と下部ステム領域とを含み、チタンを含有する第１の材 料から成るヘッド部分を形成する段階と、 （ｂ）チタンを含有する第２の材料から成るステム部分を形成する段階と、 （ｃ）前記チタン製バルブがバルブ駆動機構の働きにより往復運動する際に、 ステム部分がバルブ・ガイドより下に突出しない位置で、前記ステム部分をヘッ ド部分の前記下部ステム領域に接合する段階と を備える方法。 １１．拡散接合によりヘッド部分とステム部分とを接合することを特徴とする請 求項１０に記載の方法。 １２．慣性溶接によりヘッド部分とステム部分とを接合することを特徴とする請 求項１０に記載の方法。 １３．摩擦溶接によりヘッド部分とステム部分とを接合することを特徴とする請 求項１０に記載の方法。 １４．第１および第２の材料がチタン合金であることを特徴とする請求項１０に 記載の方法。 １５．第１の材料が、チタン金属間化合物であることを特徴とする請求項１０に 記載の方法。 １６．第２の材料が、チタン金属間化合物であることを特徴とする請求項１５に 記載の方法。 １７．焼鈍ロッドからステム部分を形成することを特徴とする請求項１０に記載 の方法。 １８．チタンを含有する第１の材料のベータ遷移温度よりも高い温度でヘッド部 分を熱処理する段階をさらに段階（ａ）のあとに備える請求項１０に記載の方法 。