JPH11350059A

JPH11350059A - バルブガイド

Info

Publication number: JPH11350059A
Application number: JP17391598A
Authority: JP
Inventors: Teruo Takahashi; 輝夫高橋
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 1999-12-21

Abstract

(57)【要約】【課題】高温下でのバルブステムとの摺動に対する耐
摩耗性、耐焼付き性、耐スカッフ性、熱伝導性に優れた
バルブガイドの提供。【解決手段】管状のバルブガイド９は、シリンダヘッ
ド１の貫通口１ａに圧入され、バルブステム５がバルブ
ガイド内を摺動する。製造に際しアトマイズ法により、
溶融したアルミニウム−珪素合金をガスアトマイズしな
がら急冷凝固堆積させてバルブガイド用のインゴットを
製造し、インゴットをベースにバルブガイドが構成され
る。バルブガイドの組成は珪素２０〜５０重量％、銅
０．５〜１０重量％、マグネシウム０．５〜５重量％、
鉄、ニッケル、マンガン及び亜鉛の合計で３重量％以
下、残部アルミニウムであり、微細均一な初晶珪素の粒
径が２０μｍ以下であり、初晶珪素の平均粒径は２〜４
μｍである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はバルブガイドに関し、特
にディーゼルエンジン用及び高出力ガソリンエンジン用
のバルブガイドに関する。

【０００２】

【従来の技術】バルブガイドは、内燃エンジンの吸気
弁、排気弁等のバルブステムの往復摺動運動を案内する
ために、バルブステムと同心状にシリンダヘッドに嵌入
される筒状の部材である。ここで近年のエンジン高出力
化の要請に伴い、エンジン内部の各部材は非常に高い燃
焼温度に曝されると共に、バルブステムも高速でバルブ
ガイドに摺動するので、燃焼温度による耐熱性のみなら
ず、耐摩耗性、耐焼き付き性が要求される。この傾向
は、特に排気ガスを排出する排気ポート側に突出してい
るバルブガイドについて顕著である。

【０００３】また、エンジン運転中にバルブステムに曲
げ荷重が作用すると、バルブガイドの両端部内周面に大
きな押圧力が加わる。さらに近年のオイル消費量の減少
傾向に伴い、エンジンの動弁系におけるオイルステムシ
ールのオイルリーク量が低減され、バルブガイドとバル
ブステムとの摺動における潤滑が不十分となり、バルブ
ガイドに焼付きが生じる可能性が高まってきた。これら
の近年のエンジン内部の状況の変化により、バルブガイ
ドには高い耐熱性、対摩耗性及び高い耐焼付き性が要求
される。

【０００４】これらの問題を解決するために、バルブガ
イド材としては比較的質量の大きい、炭化物を析出させ
た鋳鉄材や鉄系焼結材が広く使われている。例えば、特
開平７−１５０９１４号公報では、鉄基焼結材料等から
なる金属素材を部分的に密度を変えて製造されるバルブ
ガイドが提案されており、また特開平６−４１６９９号
公報では、炭素、銅、燐、を含有する鉄基焼結合金から
なるバルブガイドが提案されている。バルブガイドに使
用される目的に限定されない、耐焼き付き性及び耐摩耗
性に優れた金属素材については特開平６−７３４８９号
公報に、銅を重量パーセントで２０〜４５パーセント含
有し、銅が黒鉛のまわりに析出していることを特徴とす
る鋳鉄が提案されており、この鋳鉄はバルブガイドに使
用されることが考えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしこれらの鋳鉄
材、鉄系焼結材によるバルブガイドは、近年のガソリン
エンジン、ディーゼルエンジンの高出力化、燃焼温度の
高温化に耐え得るほどの耐熱性、耐摩耗性及び耐焼付き
性を有してはいない。鋳鉄材、鉄系焼結材のバルブガイ
ドでは、高温化における耐摩耗性及び耐スカッフ性に限
界があり、バルブステムの適切な摺動の維持及びバルブ
とバルブシートとの間のシール性に問題が出てきてい
る。また、バルブガイドに高温、押圧による変形、摩耗
又は焼付きが生じ、燃焼室内部の機密性が低くなると、
エンジン出力の低下を来たすこととなる。更に鋳鉄材、
鉄系焼結材から組成されるバルブガイドは比較的質量が
大きく、エンジン自体の質量の軽量化の妨げとなり、さ
らにはエンジン性能の低下を招くとともに、熱伝導性も
今一つ不充分であった。

【０００６】そこで本発明は、高温の排気ガスに対する
耐熱性、高温下でのバルブステムとの摺動に対する耐摩
耗性、耐焼付き性、耐スカッフ性、エンジン外部への熱
放出を高める熱伝導性の問題を解決するバルブガイドを
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、シリンダヘッドに取付けられバルブステ
ムを摺動案内するバルブガイドにおいて、バルブガイド
は組成が珪素を２０〜５０重量％、銅を０．５〜１０重
量％、マグネシウムを０．５〜５重量％、鉄、ニッケ
ル、マンガン及び亜鉛の合計が３重量％以下、残部アル
ミニウムであり、アルミニウムマトリックス中に初晶珪
素粒子が微細均一に分散しているアルミニウム合金製で
あるバルブガイドを提供している。

【０００８】ここで、前記初晶珪素粒子の粒径が２０μ
ｍ以下であり且つ該初晶珪素粒子の平均粒径が２〜４μ
ｍであるのが好ましい。また前記アルミニウム合金は、
アトマイズ法により、溶融したアルミニウム−珪素合金
をガスアトマイズしながら急冷凝固堆積させるのが好ま
しい。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態によるバルブ
ガイドについて図１に基づき説明する。図１はエンジン
のシリンダヘッド部の断面図であり、シリンダヘッド部
は鋳造されたシリンダヘッド１によって構成されてい
る。図１のシリンダヘッド１を境として上方はシリンダ
外部であり、下方はシリンダ内部である。シリンダヘッ
ド１には、シリンダ内部とシリンダ外部とを貫通する管
状の貫通口１ａが形成されており、また排気ガスを排出
するための排気ポート２が形成されている。排気ポート
２の開口部２ａは略円形状をしており、この開口部２ａ
周囲には、略リング形状をしたバルブシート３が嵌着さ
れるための環状に窪んだ段部１ｂが形成されている。バ
ルブシート３は、バルブステム内端側のバルブ４とシリ
ンダヘッド１との直接的な当接を防ぎ、シリンダヘッド
１を保護する部材である。

【００１０】貫通口１ａにはバルブステム５が貫通して
おり、貫通口１ａとバルブステム５との間には、バルブ
ステム５と同軸的に形成された細長円筒状のバルブガイ
ド９が圧入されてシリンダヘッド１に固着されている。
バルブガイド９の内端は、排気ポート２内に僅かに突出
し、またバルブガイド９の外端はシリンダヘッド１より
も僅かに突出している。バルブステム５の外端には、バ
ルブステムの半径方向に広がりを持つボス状のスプリン
グリテーナ６が止着されている。

【００１１】またバルブステム５の外端は、スプリング
リテーナ６から僅かにシリンダ外部方向に突出してい
る。そしてスプリングリテーナ６とシリンダヘッド１と
の間には、バルブスプリング７が配設されており、バル
ブガイド５及びバルブ４を図１の上方に付勢している。
バルブステム５の外端面は、軸１０の軸心を中心として
揺動するロッカーアーム８に当接している。

【００１２】バルブステム５の外端面は、ロッカーアー
ム８の反時計方向への揺動により押圧され、バルブガイ
ド９に対して摺動しつつバルブステム５は下方に摺動す
る。またこのバルブステム５の下方への移動に伴い、バ
ルブステム５と一体となったバルブ４も下方に移動し、
燃焼室と排気ポート２とが連通されて、燃焼室内で発生
した排気ガスが排気ポート２に導出される。この際にバ
ルブガイド９のシリンダ内部側の一端は高温高圧の排気
ガスに曝される。ロッカーアーム８の時計方向の揺動に
より、バルブスプリング７の付勢力によってスプリング
リテーナ６及びスプリングリテーナ６と一体となってい
るバルブステム５及びバルブ４は上方に移動する。この
とき再びバルブステム５はバルブガイド９に対して高温
下で高速で摺動し、バルブ４は高速でバルブシート３に
着座する。

【００１３】次にバルブガイド９の組成及びその製造方
法について説明する。バルブガイド９の材料は、重量％
で次の組成を有している。珪素２０〜５０％銅０．５〜１０％マグネシウム０．５〜５％鉄、ニッケル、マンガン、亜鉛の合計３％以下アルミニウム残部珪素は含有率が２０重量％未満であると、初晶珪素粒子
の析出が少なすぎて耐摩耗性が劣る結果となり、５０重
量％を超えると、初晶珪素粒子の微細化が困難となる。
またアルミニウム基地部が少なくなることとなり、シリ
ンダヘッド母材との密着性が悪くなる。

【００１４】銅及びマグネシウムはともに時効硬化性を
付与し、機械的強度、硬度、耐摩耗性を改善するが、含
有率が０．５重量％未満ではその効果が認められない。
一方銅の含有量が１０重量％を超えると、強度、伸びが
低下し、マグネシウムの含有量が５重量％を超えると熱
膨張性が増加する。

【００１５】鉄、ニッケル、マンガン及び亜鉛には、高
温強度、熱膨張を改善する効果があるが、これらの合計
の含有率が３重量％を超えると、強度と伸びが低下する
という欠点を有する。

【００１６】また初晶珪素の粒径は２０μｍ以下であ
る。粒径が２０μｍを超えると、粗大化した珪素粒によ
り靭性が無くなり耐摩耗性が劣る。また靭性及び耐摩耗
性の観点からは粒径の平均値が２〜４μｍであるのが望
ましい。

【００１７】次にバルブガイド９の製造過程について説
明する。はじめに、アトマイズ法（スプレーフォーミン
グ法）により、アルミニウム−珪素合金のインゴットを
製造する。一般にアトマイズ法とは溶解した金属を細い
ノズルから流出させ、高圧の不活性ガス雰囲気の室の中
に霧状に滴化することをいう。アトマイズされてできた
粒滴は、半溶融半凝固状態でコレクタと呼ばれるベース
の上に受けられて固化される。コレクタの形状や動きを
選択することで、円柱形状のプリフォーム（インゴッ
ト）が形成される。ガスアトマイズされた金属溶滴が飛
行中また堆積後に急冷凝固することにより、マクロ偏析
がなく、微細均一等方性の組織、微細に析出した組織、
低酸素含有量、熱間加工性の良好なインゴットが得られ
る。また、鋳造に比較して工数が少ないために、生産速
度が高く、製造コスト上も有利である。

【００１８】本実施の形態においては皿状のコレクタを
用い、それを回転させている状態でアトマイズされた溶
湯滴を皿上に堆積させることにより円柱状のインゴット
が製造される。この過程で、アルミニウムマトリックス
中に初晶珪素が形成され、合金マトリックス内におい
て、硬質の粒子が細かく分散した分布及び均質な分布が
得られる。

【００１９】具体的には、アトマイズされた溶湯滴は、
高速のガスにより急速に加速され、飛行速度が急激に上
昇し、ついにはガス速度と等しくなり、最高速度は溶湯
滴の径によっても異なるが３０〜１００ｍ／秒となる。
またアトマイズされた粒子はガスによって冷却され、温
度が急激に低下する。コレクタへの衝突時の粒子温度は
飛行距離が５００ｍｍの場合で平均的には固液共存の温
度となっている。

【００２０】即ち、アトマイズされた溶湯滴は、ガスに
よって急速に冷却され、過冷されるが、細かい粒子は凝
固を開始する。このような粒子群が堆積し、半溶融の薄
い膜が形成される。それと同時にこの膜は主にガスによ
る冷却により凝固が終了する。これらが繰り返されるこ
とによって、プリフォーム（インゴット）が形成され
る。プリフォームが厚くなった場合でも凝固までの冷却
速度は最後まで変化はなく、厚さ方向に均一な微細組織
が得られる。特に急冷凝固により微細な凝固組織が得ら
れ、析出物の微細化、均一化が達成される。また偏析が
低減されるとともに、非晶質相、過飽和固溶体等の準安
定相が出現するという効果がある。

【００２１】アトマイズ後にプリフォームを押出成形す
ることによってプリフォームを管状に成形し、必要に応
じて鍛造（ハンマリング）を行い、最後に管状成形体を
軸方向で所定幅で切断することにより細長円筒状部材が
得られ、貫通口１ａに圧入させる。圧入後、シリンダヘ
ッドを切削機にセットして、貫通口１ａに圧入された細
長円筒状部材に対して機械加工を行うことにより、バル
ブガイド９が製造される。

【００２２】アトマイズ法による製造方法によりバルブ
ガイドを製造し、バルブガイドの材料組成を上述のよう
に構成することにより、熱伝導性、耐スカッフ性、耐熱
性、耐摩耗性及び耐焼付き性を大幅に改善することがで
きる。

【００２３】次に本実施の形態によるバルブガイドの試
験方法及び試験結果について図２、図３及び表１に基づ
き説明する。図２はバルブガイドについての試験の概略
図を示す。試験機はアムスラー型摩耗試験機を用いた。
バルブガイド９に対応する回転片１１（バルブガイド側
材１１）は軸方向が水平となるように、また、鉛直下部
が潤滑油１３に浸漬した状態となるように回転可能に支
持される。バルブステム５に対応する固定片１２（バル
ブステム側材１２）は鉛直上方から荷重Ｐを受けて、回
転片１１の鉛直上部に上方から当接している。回転片１
１を回転させることによって回転片と固定片１２とを摺
動させ、回転片１１側の摩耗量（バルブガイド側材の摩
耗量）、固定片１２側の摩耗量（バルブステム側材の摩
耗量）についての試験を行った。

【００２４】試験条件は次のとおりであった。回転片回転周速１ｍ／ｓ潤滑油ＳＡＥ＃３０相当オイル潤滑油温度８０℃ 荷重８０ｋｇ試験時間８Ｈｒ試験片としては本発明によるバルブガイド側材１１とし
て、初晶珪素の平均粒径や組成を表１のように異ならせ
た本発明材１乃至３を用意した。また比較材１は表１の
組成を有する鋳鉄材であり、比較材２は表１の組成を有
する鉄系焼結材である。一方バルブステム側材１２とし
ては、ＳＵＨ３を母材として外周面をタフト処理（窒化
処理）した金属材を用意した。

【００２５】

【表１】

【００２６】試験結果は表１に示されるとおりであり、
初晶粒径が２〜４μｍの範囲に収まり、珪素、銅、マグ
ネシウム、鉄、ニッケル、マンガン、亜鉛、アルミニウ
ムの比率が本発明の重量％に収まっている本発明材１乃
至３の場合には、バルブガイド側材摩耗、バルブステム
側材摩耗のいずれをとっても試験結果は良好であった。
バルブガイド側摩耗については本発明材１〜３のどの場
合でも１．５〜２．３μｍの範囲に収まっており、比較
材１及び２を試験した場合のバルブガイド側摩耗の範囲
である５．０〜８．０μｍを大きく下回っていることが
判る。バルブステム側材摩耗についても本発明材では、
０．３〜０．５μｍであるのに対して、比較材１及び２
では０．７〜１．５μｍと格段に大きく、本発明による
バルブガイドがバルブステムの摩耗の改善にも寄与して
いることが判る。

【００２７】以上の試験結果から、本発明によるバルブ
ガイドはバルブガイドの耐摩耗性及びバルブステムの耐
摩耗性のいずれも良好であることが判明した。

【００２８】本発明は上述した実施の形態に限定され
ず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変形が可
能である。例えば、上述した実施の形態では、皿状のコ
レクタにアトマイズされた溶湯滴を堆積させて円柱状の
インゴットを製造しているが、コレクタを中空円筒材料
にて形成してアトマイズ室内に水平方向に設置し、コレ
クタをその軸心を中心に回転させると共に軸方向に移動
させることにより、コレクタの周面にアトマイズされた
合金を順次堆積させるようにして、円筒状のインゴット
を製造するようにしてもよい。その場合には、コレクタ
の内径をバルブステム５の直径と同一とすればよい。

【００２９】

【発明の効果】請求項１記載のバルブガイドによれば、
バルブガイドを所定の組成を具備したアルミニウム合金
にて形成したので、バルブガイド自体の耐摩耗性が向上
するばかりか、バルブステム自体の摩耗量を低下させる
ことができる。

【００３０】請求項２記載のバルブガイドによれば、ア
ルミニウム合金中において、初晶珪素粒子の粒径を２０
μｍ以下とし、且つ初晶珪素粒子の平均粒径を２〜４μ
ｍとしたので、バルブガイドの靭性、耐摩耗性を一層良
好にすることができる。

【００３１】請求項３記載のバルブガイドによれば、ア
トマイズ法によってバルブガイド用の合金を形成するの
で、アトマイズ法本来の利点である微細均一等方性の組
織、微細に析出した組織、低酸素含有量、熱間加工性の
良好な合金組織が得られ、その合金をバルブガイドとし
て使用することにより工程の簡素化等の改善を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態によるバルブガイドが圧入
された内燃機関を示す断面図。

【図２】本発明の実施の形態によるバルブガイドの特性
試験を行う試験概要を示す側面図。

【図３】本発明の実施の形態によるバルブガイドの特性
試験を行った結果を示すグラフ。

【符号の説明】

９バルブガイド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダヘッドに取付けられバルブステ
ムを摺動案内するバルブガイドにおいて、バルブガイド
は組成が珪素を２０〜５０重量％、銅を０．５〜１０重
量％、マグネシウムを０．５〜５重量％、鉄、ニッケ
ル、マンガン及び亜鉛の合計が３重量％以下、残部アル
ミニウムであり、アルミニウムマトリックス中に初晶珪
素粒子が微細均一に分散しているアルミニウム合金製で
あることことを特徴とするバルブガイド。
【請求項２】前記初晶珪素粒子の粒径が２０μｍ以下
であり且つ該初晶珪素粒子の平均粒径が２〜４μｍであ
ることを特徴とする請求項１記載のバルブガイド。
【請求項３】前記アルミニウム合金は、アトマイズ法
により、溶融したアルミニウム−珪素合金をガスアトマ
イズしながら急冷凝固堆積させたことを特徴とする請求
項１又は２記載のバルブガイド。