WO2020202304A1 - 成膜方法 - Google Patents

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WO2020202304A1
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film
nozzle
valve seat
film forming
raw material
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PCT/JP2019/014148
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博久 柴山
恒吉 鎌田
直也 田井中
貴人 内海
秀信 松山
英爾 塩谷
俊夫 荻谷
鈴木　晴彦
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日産自動車株式会社
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    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • F01L3/04—Coated valve members or valve-seats
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0081—Casting in, on, or around objects which form part of the product pretreatment of the insert, e.g. for enhancing the bonding between insert and surrounding cast metal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/06—Casting

Definitions

  • the present invention relates to a film forming method by a cold spray method.
  • a method for manufacturing a sliding member in which a valve seat having excellent high temperature wear resistance can be formed by spraying a raw material powder such as metal onto the seating portion of an engine valve by a cold spray method (a method for manufacturing a sliding member).
  • Patent Document 1 A method for manufacturing a sliding member is known in which a valve seat having excellent high temperature wear resistance can be formed by spraying a raw material powder such as metal onto the seating portion of an engine valve by a cold spray method (a method for manufacturing a sliding member).
  • the automobile engine is equipped with multiple intake valves and exhaust valves due to the multi-valve system. Therefore, when a valve seat is formed on the seating portions of a plurality of valves by the cold spray method, the cylinder head and the nozzle of the cold spray device are relatively moved so that the plurality of seating portions and the nozzles are sequentially moved. In addition to facing each other, it is necessary to discharge and spray the raw material powder from the nozzle to the seating portion facing the nozzle.
  • the cold spray device When the injection of the raw material powder is interrupted, the cold spray device requires a waiting time of several minutes until the raw material powder can be stably sprayed again. Therefore, it is desirable to carry out the injection of the raw material powder as continuously as possible without interruption.
  • the nozzle and the cylinder head are relatively moved so as to draw a 360 ° circle, but a lap portion is formed at the film forming start point and the film forming end point of the circular locus, or the film is formed. In order to form the next valve seat film from the end point, there may be a turning point where the moving speed of the nozzle becomes zero.
  • the inclination angle of the surface of the starting point of the first layer becomes steep, and when the second layer is injected there, the flattening of the raw material powder is hindered and the raw material powder is sparse. It becomes a film.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a cold spray type film forming method capable of suppressing the formation of a sparse film.
  • the raw material powder is continuously formed along a continuous movement locus composed of a locus for a plurality of film-formed portions that are not continuous with each other and a connection locus that connects the trajectories for the plurality of film-formed portions.
  • the film forming method of injecting and forming a film the above-mentioned problem is solved by setting a turning point in the moving locus where the relative speed between the work and the nozzle is low on the connecting locus.
  • the turn-back point at which the relative speed between the work and the nozzle is low is set on the connection locus in the movement locus, the turn-back point does not become the first layer film of the wrap portion. As a result, it is possible to suppress the formation of a sparse film.
  • FIG. 7 is a plan view of FIG. It is a process drawing which shows the procedure of manufacturing a cylinder head using the cold spray apparatus which concerns on this invention.
  • FIG. 11 It is a perspective view of the cylinder head rough material on which a valve seat film is formed by using the cold spray apparatus which concerns on this invention. It is sectional drawing which shows the intake port along the XI-XI line of FIG. It is sectional drawing which shows the state which formed the annular valve seat part in the intake port of FIG. 11 in a cutting process. It is sectional drawing which shows the state which forms the valve seat membrane in the intake port of FIG. It is sectional drawing which shows the intake port which formed the valve seat membrane. It is sectional drawing which shows the intake port after the finishing process of FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the internal combustion engine 1 and mainly shows a configuration around a cylinder head.
  • the internal combustion engine 1 includes a cylinder block 11 and a cylinder head 12 assembled on the upper part of the cylinder block 11.
  • the internal combustion engine 1 is, for example, an in-line 4-cylinder gasoline engine, and the cylinder block 11 has four cylinders 11a arranged in the depth direction of the drawing.
  • Each cylinder 11a accommodates a piston 13 that reciprocates in the vertical direction in the drawing, and each piston 13 is connected to a crankshaft 14 extending in the depth direction of the drawing via a connecting rod 13a.
  • the combustion chamber 15 is a space for burning a mixture of fuel and intake air, and is composed of a recess 12b of the cylinder head 12, a top surface 13b of the piston 13, and an inner peripheral surface of the cylinder 11a.
  • the cylinder head 12 includes an intake port 16 that communicates the combustion chamber 15 and one side surface 12c of the cylinder head 12.
  • the intake port 16 has a substantially cylindrical shape that is bent, and guides intake air from an intake manifold (not shown) connected to the side surface 12c into the combustion chamber 15.
  • the cylinder head 12 includes an exhaust port 17 that communicates the combustion chamber 15 and the other side surface 12d of the cylinder head 12.
  • the exhaust port 17 has a substantially cylindrical shape that is bent like the intake port 16, and exhausts the exhaust generated in the combustion chamber 15 to an exhaust manifold (not shown) connected to the side surface 12d.
  • the internal combustion engine 1 of the present embodiment includes two intake ports 16 and two exhaust ports 17 for one cylinder 11a.
  • the cylinder head 12 includes an intake valve 18 that opens and closes the intake port 16 with respect to the combustion chamber 15, and an exhaust valve 19 that opens and closes the exhaust port 17 with respect to the combustion chamber 15.
  • Each of the intake valve 18 and the exhaust valve 19 includes round bar-shaped valve stems 18a and 19a, and disk-shaped valve heads 18b and 19b provided at the tips of the valve stems 18a and 19a.
  • the valve stems 18a and 19a are slidably inserted into the substantially cylindrical valve guides 18c and 19c assembled to the cylinder head 12. As a result, each of the intake valve 18 and the exhaust valve 19 can move with respect to the combustion chamber 15 along the axial direction of the valve stems 18a and 19a.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the communication portion between the combustion chamber 15 and the intake port 16 and the exhaust port 17.
  • the intake port 16 is provided with a substantially circular opening 16a at a portion communicating with the combustion chamber 15.
  • An annular valve seat film 16b that comes into contact with the valve head 18b of the intake valve 18 is formed at the annular edge of the opening 16a. Then, when the intake valve 18 moves upward along the axial direction of the valve stem 18a, the upper surface of the valve head 18b abuts on the valve seat membrane 16b to close the intake port 16. On the contrary, when the intake valve 18 moves downward along the axial direction of the valve stem 18a, a gap is formed between the upper surface of the valve head 18b and the valve seat membrane 16b to open the intake port 16.
  • the exhaust port 17 is provided with a substantially circular opening 17a in a portion communicating with the combustion chamber 15, and the annular edge of the opening 17a is in contact with the valve head 19b of the exhaust valve 19.
  • the valve seat film 17b is formed. Then, when the exhaust valve 19 moves upward along the axial direction of the valve stem 19a, the upper surface of the valve head 19b abuts on the valve seat membrane 17b and closes the exhaust port 17. On the contrary, when the exhaust valve 19 moves downward along the axial direction of the valve stem 19a, a gap is formed between the upper surface of the valve head 19b and the valve seat membrane 17b to open the exhaust port 17.
  • the diameter of the opening 16a of the intake port 16 is set to be larger than the diameter of the opening 17a of the exhaust port 17.
  • the valve seat films 16b and 17b are formed directly on the annular edges of the openings 16a and 17a of the cylinder head 12 by the cold spray method.
  • a working gas having a temperature lower than the melting point or softening point of the raw material powder is used as a supersonic flow, and the raw material powder transported by the transport gas is charged into the working gas and injected from the tip of a nozzle to form a solid phase.
  • the film is formed by colliding with the base material in the state and by plastic deformation of the raw material powder.
  • this cold spray method can obtain a dense film without oxidation in the atmosphere and has less thermal effect on the material particles, so thermal alteration is suppressed and formed. It has the characteristics that the film speed is high, the film can be thickened, and the adhesion efficiency is high. In particular, since the film formation speed is high and a thick film can be formed, it is suitable for use as a structural material such as valve seat films 16b and 17b of an internal combustion engine 1.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the cold spray device 2 of the present embodiment used for forming the valve seat films 16b and 17b.
  • the gas supply unit 21 for supplying the working gas and the transport gas the raw material powder supply unit 22 for supplying the raw material powders of the valve seat films 16b and 17b, and the raw material powder having the raw material powder below its melting point It includes a spray gun 23 that injects as a supersonic flow using working gas, and a refrigerant circulation circuit 27 that cools the nozzle 23d.
  • the gas supply unit 21 includes a compressed gas cylinder 21a, a working gas line 21b, and a transport gas line 21c.
  • the working gas line 21b and the transport gas line 21c are provided with a pressure regulator 21d, a flow rate control valve 21e, a flow meter 21f, and a pressure gauge 21g, respectively.
  • the pressure regulator 21d, the flow rate control valve 21e, the flow meter 21f, and the pressure gauge 21g are used to adjust the pressure and flow rate of the working gas and the transport gas from the compressed gas cylinder 21a, respectively.
  • a heater 21i such as a tape heater is installed in the working gas line 21b, and the heater 21i heats the working gas line 21b by supplying electric power from the power source 21h via the power supply lines 21j and 21j. ..
  • the working gas is heated by the heater 21i to a temperature lower than the melting point or softening point of the raw material powder, and then introduced into the chamber 23a of the spray gun 23.
  • a pressure gauge 23b and a thermometer 23c are installed in the chamber 23a, and the pressure value and the temperature value detected via the respective signal lines 23g and 23g are output to a controller (not shown) to control the pressure and temperature feedback. It is offered to.
  • the raw material powder supply unit 22 includes a raw material powder supply device 22a, a measuring instrument 22b attached to the device, and a raw material powder supply line 22c.
  • the transport gas from the compressed gas cylinder 21a passes through the transport gas line 21c and is introduced into the raw material powder supply device 22a.
  • the predetermined amount of raw material powder measured by the measuring instrument 22b is conveyed into the chamber 23a via the raw material powder supply line 22c.
  • the spray gun 23 injects the raw material powder P conveyed into the chamber 23a by the conveying gas from the tip of the nozzle 23d as a supersonic flow by the working gas, and collides with the base material 24 in a solid state state or a solid-liquid coexisting state.
  • a film 24a In the present embodiment, the cylinder head 12 is applied as the base material 24, and the raw material powder P is sprayed onto the annular edges of the openings 16a and 17a of the cylinder head 12 by the cold spray method to obtain the valve seat films 16b and 17b. To form.
  • the nozzle 23d is provided with a flow path (not shown) through which a refrigerant such as water flows.
  • the nozzle 23d is provided with a refrigerant introduction unit 23e for introducing a refrigerant into the flow path at its tip, and is provided with a refrigerant discharge unit 23f for discharging the refrigerant in the flow path at its base end.
  • the nozzle 23d cools the nozzle 23d by introducing the refrigerant into the flow path from the refrigerant introduction section 23e, flowing the refrigerant through the flow path, and discharging the refrigerant from the refrigerant discharge section 23f.
  • the refrigerant circulation circuit 27 that circulates the refrigerant in the flow path of the nozzle 23d is connected to the tank 271 that stores the refrigerant, the introduction pipe 274 connected to the refrigerant introduction unit 23e described above, and the introduction pipe 274, and is connected to the tank 271 and the nozzle.
  • a pump 272 for flowing the refrigerant between the 23d and the refrigerant, a cooler 273 for cooling the refrigerant, and a discharge pipe 275 connected to the refrigerant discharge unit 23f are provided.
  • the cooler 273 is composed of, for example, a heat exchanger or the like, and cools the refrigerant by exchanging heat between the refrigerant whose temperature has risen by cooling the nozzle 23d and the refrigerant such as air, water, and gas.
  • the refrigerant circulation circuit 27 sucks the refrigerant stored in the tank 271 by the pump 272 and supplies the refrigerant to the refrigerant introduction unit 23e via the cooler 273.
  • the refrigerant supplied to the refrigerant introduction unit 23e flows through the flow path in the nozzle 23d from the front end side to the rear end side, and during that time, heat exchanges with the nozzle 23d to cool the nozzle 23d.
  • the refrigerant that has flowed to the rear end side of the flow path is discharged from the refrigerant discharge unit 23f to the discharge pipe 275 and returns to the tank 271. In this way, since the refrigerant circulation circuit 27 cools the nozzle 23d by circulating the refrigerant while cooling it, it is possible to suppress the adhesion of the raw material powder P to the injection passage of the nozzle 23d.
  • the valve seat of the cylinder head 12 is required to have high heat resistance and abrasion resistance that can withstand the tapping input from the valve in the combustion chamber 15 and high thermal conductivity for cooling the combustion chamber 15.
  • the cylinder head 12 is harder than the cylinder head 12 formed of the aluminum alloy for casting, and has heat resistance and abrasion resistance. An excellent valve seat can be obtained.
  • valve seat films 16b and 17b are formed directly on the cylinder head 12, higher thermal conductivity can be obtained as compared with the conventional valve seat formed by press-fitting a seat ring of another component into the port opening. Can be done. Furthermore, compared to the case of using a separate seat ring, it is possible to make it closer to the water jacket for cooling, increase the throat diameter of the intake port 16 and exhaust port 17, and optimize the port shape. Secondary effects such as promotion of tumble flow can also be obtained.
  • the raw material powder P used for forming the valve seat films 16b and 17b is preferably a metal that is harder than the aluminum alloy for casting and that can obtain the heat resistance, abrasion resistance, and thermal conductivity required for the valve seat.
  • a metal that is harder than the aluminum alloy for casting it is preferable to use the above-mentioned precipitation-curable copper alloy.
  • the precipitation-curable copper alloy a Corson alloy containing nickel and silicon, chromium copper containing chromium, zirconium copper containing zirconium, and the like may be used.
  • precipitation hardening copper alloys containing nickel, silicon and chromium precipitation hardening copper alloys containing nickel, silicon and zirconium
  • precipitation hardening copper alloys containing nickel, silicon, chromium and zirconium precipitation hardening alloys containing nickel, silicon, chromium and zirconium
  • precipitation containing chromium and zirconium hardened copper alloys and the like can also be applied.
  • first raw material powder and the second raw material powder may be mixed to form valve seat films 16b and 17b.
  • a metal as the first raw material powder, which is harder than the aluminum alloy for casting and has the heat resistance, abrasion resistance and thermal conductivity required for the valve seat.
  • a precipitation-curable copper alloy As the second raw material powder, it is preferable to use a metal harder than the first raw material powder.
  • an alloy such as an iron-based alloy, a cobalt-based alloy, a chromium-based alloy, a nickel-based alloy, or a molybdenum-based alloy, ceramics, or the like may be applied to the second raw material powder. Further, one of these metals may be used alone, or two or more thereof may be used in combination as appropriate.
  • the valve seat film formed by mixing the first raw material powder and the second raw material powder that is harder than the first raw material powder has superior heat resistance to the valve seat film formed only of the precipitation-curable copper alloy. Properties and wear resistance can be obtained. Such an effect can be obtained by removing the oxide film existing on the surface of the cylinder head 12 by the second raw material powder to expose a new interface and improving the adhesion between the cylinder head 12 and the metal film. It is thought that this is to be done. It is also considered that the adhesion between the cylinder head 12 and the metal film is improved due to the anchor effect caused by the second raw material powder sinking into the cylinder head 12.
  • the first raw material powder collides with the second raw material powder, a part of the kinetic energy is converted into thermal energy, or a part of the first raw material powder is plastically deformed. It is also considered that the heat promotes the precipitation hardening of a part of the precipitation hardening type copper alloy used as the first raw material powder.
  • the cylinder head 12 on which the valve seat films 16b and 17b are formed is fixed to the base 45, while the tip of the nozzle 23d of the spray gun 23 is fixed to the opening 16a of the cylinder head 12.
  • the raw material powder is sprayed by rotating along the annular edge of 17a. Since the cylinder head 12 is not rotated, a large occupied space is not required, and the spray gun 23 has a smaller moment of inertia than the cylinder head 12, so that the transient characteristics and responsiveness of rotation are excellent.
  • a high-pressure pipe (high-pressure hose) constituting the working gas line 21b is connected to the spray gun 23, so that the hose of the working gas line 21b when the spray gun 23 is rotated Deformation rigidity due to torsion may hinder the transient characteristics and responsiveness of rotation. Therefore, the cold spray device 2 of the present embodiment is configured as shown in FIGS. 4 to 8 to enhance the transient characteristics and responsiveness of rotation.
  • FIG. 4 is a front view showing a spray gun 23 according to an embodiment of the cold spray device 2 according to the present invention
  • FIG. 5 is a sectional view taken along the line VI-VI of FIG. 4
  • FIG. 6 is a spray of FIG.
  • FIG. 7 is a front view showing a film forming factory including the cold spray device 2 according to the present invention
  • FIG. 8 is a plan view of FIG. 7.
  • the cylinder head 12 which is a work, is placed in a predetermined posture on the base 45 of the film forming booth 42 of the film forming factory 4 shown in FIGS. 7 to 8.
  • the cylinder head 12 is fixed to the base 45 so that the recess 12b of the cylinder head 12 faces the upper surface, and the center line of the opening 16a of the intake port 16 or the opening 17a of the exhaust port 17
  • the base 45 is tilted so that the center line of the above is in the vertical direction.
  • the film forming factory 4 includes a film forming booth 42 for executing the film forming process and a transfer booth 41, and the film forming booth 42 holds a base 45 on which the cylinder head 12 is placed and a spray gun 23.
  • An industrial robot 25 is installed.
  • a transfer booth 41 is provided in front of the film forming booth 42, and the cylinder head 12 is carried in and out from the outside through the door 43, and the cylinder head 12 is carried in and out between the transfer booth 41 and the film forming booth 42. Is performed by the door 44. For example, while the film forming process for one cylinder head 12 is being performed in the film forming booth 42, the cylinder head 12 whose processing has been completed before that is carried out from the transport booth 41 to the outside.
  • the spray gun 23 is rotatably mounted on a base plate 26 fixed to the hand 251 of the industrial robot 25 installed in the film forming booth 42 of the film forming factory 4 shown in FIGS. 7 to 8.
  • a bracket 252 is fixed to the hand 251 of the industrial robot 25
  • a base plate 26 is rotatably attached to the bracket 252
  • a spray gun 23 is fixed to the base plate 26. ..
  • a bracket 252 is fixed to the hand 251 of the industrial robot 25, the main body of the motor 29 is fixed to the bracket 252, and the drive shaft 291 of the motor 29 is It is connected to the first base plate 261 via a pulley and a belt (not shown), and the first base plate 261 is rotated with respect to the bracket.
  • the motor 29 reciprocates, for example, in a range of up to 360 °. For example, if the 360 ° drive shaft 291 is rotated clockwise with respect to the opening 16a of one intake port 16, the drive shaft is 360 ° counterclockwise with respect to the opening 16a of the next intake port 16. 291 is rotated, and this is repeated thereafter.
  • the base plate 26 is composed of a first base plate 261 and a second base plate 262, and the first base plate 261 and the second base plate 262 slide in a direction orthogonal to the rotation axis C (left-right direction in FIG. 4) via a linear guide 281. It is provided as possible. Then, by driving the fluid pressure cylinder 282, the offset amount of the second base plate 262 with respect to the first base plate 261 is adjusted, and the injection diameter D of the film-forming material is set.
  • a cover 263 is attached to the second base plate 262, and a spray gun 23 is fixed to the lower end thereof.
  • the spray gun 23 is fixed to the second base plate 262 via the cover 263 so that the injection direction of the nozzle 23d faces the rotation axis C.
  • the second base plate 262 can be offset with respect to the first base plate 261 by the linear guide 281 and the fluid pressure cylinder 282 described above, the position of the tip of the nozzle 23d of the spray gun 23 is set with respect to the rotation axis C. Can be adjusted horizontally.
  • the position of the tip of the nozzle 23d is set to a position away from the rotation axis C as shown in FIG. 6 from the line of the rotation axis C shown in FIG. 4, the injection is performed when the gun distances are the same.
  • the diameter D becomes smaller. Since the opening 16a of the intake port 16 has a larger diameter than the opening 17a of the exhaust port 17, when the valve seat film 16b is formed in the opening 16a of the intake port 16, the rotation shaft C shown in FIG. 4 When the valve seat film 17b is formed in the opening 17a of the exhaust port 17, the position may be set away from the rotation axis C shown in FIG.
  • the working gas line 21b that guides the high-pressure gas of 3 to 10 MPa supplied from the compressed gas cylinder 21a shown in FIG. 3 to the spray gun 23 is formed into one pipe bundle 20 together with other pipes described later, and is as shown in FIG. It hangs down from the upper part of the base plate 26 attached to the hand 251 of the industrial robot 25 and reaches the spray gun 23.
  • the heater 21i is separately connected via a rotary joint 21k such as a swivel joint, and a heater 21i is provided below the rotary joint 21k.
  • the working gas line 21b may be formed in advance, for example, in a spiral shape so as to surround the rotating shaft C, but a high-pressure hose capable of withstanding a high pressure of 3 to 10 MPa is hard and has shape retention.
  • a shape-retaining mold may be provided on the outer circumference so that the hose follows the spiral shape.
  • the raw material powder supply line 22c that guides the raw material powder supplied from the raw material powder supply device 22a shown in FIG. 3 to the spray gun 23 is arranged around the industrial robot 25 as a tube bundle 20 shown in FIG. 7, and is arranged on the base plate 26. It hangs down from the top and reaches the spray gun 23. Below the base plate 26 in between, the raw material powder supply line 22c is composed of a pipe including a metal pipe and a metal joint, and is connected to the chamber 23a of the spray gun 23, as shown in FIG.
  • the power supply lines 21j and 21j that guide the electric power supplied from the power source 21h shown in FIG. 3 to the heater 21i are arranged around the industrial robot 25 as the vascular bundle 20 shown in FIG. 7 and hang down from the upper part of the base plate 26. , Connected to the heater 21i. Further, the signal line 23g for outputting the detection signal from the pressure gauge 23b shown in FIG. 3 to the controller (not shown) and the signal line 23h for outputting the detection signal from the thermometer 23c to the controller (not shown) are the spray gun 23.
  • the chamber 23a of the spray gun 23 is guided to the second base plate 262 with the inside of the pipe including the metal pipe and the metal joint inserted, and the other working gas line 21b, the raw material powder supply line 22c, and the electric power are supplied.
  • a plan is arranged from the upper part of the base plate 26 to the periphery of the industrial robot 25.
  • the introduction pipe 274 and the discharge pipe 275 that guide the refrigerant supplied from the refrigerant circulation circuit 27 shown in FIG. 3 to the nozzle 23d of the spray gun 23 are arranged around the industrial robot 25 as the pipe bundle 20 shown in FIG. It hangs down from the upper part of the base plate 26 and is connected to the refrigerant introduction portion 23e at the tip of the nozzle 23d and the refrigerant discharge portion 23f at the base end of the nozzle 23d.
  • the introduction pipe 274 and the discharge pipe 275 are composed of a pipe including a metal pipe and a metal joint, and are connected to a nozzle 23d of the spray gun 23, as shown in FIG.
  • the rotary joint 21k is arranged on the line of the rotary shaft C as shown in FIG. 4, and the lower part of the rotary joint 21k is below the rotary joint 21k. It is arranged to surround it along the axis of rotation C.
  • the power supply lines 21j and 21j, the raw material powder supply line 22c, the refrigerant introduction pipe 274 and the discharge pipe 275, and the signal lines 23g and 23h are of the rotating shaft C as shown in FIG. It is arranged at a position surrounding the working gas line 21b.
  • FIG. 9 is a process diagram showing a processing process of a valve portion in the method of manufacturing the cylinder head 12 of the present embodiment.
  • the method for manufacturing the cylinder head 12 of the present embodiment includes a casting process S1, a cutting process S2, a coating process S3, and a finishing process S4.
  • the processing steps other than the valve portion will be omitted for the sake of simplicity.
  • FIG. 10 is a perspective view of the cylinder head rough material 3 cast and molded in the casting step S1 as viewed from the mounting surface 12a side to the cylinder block 11.
  • the cylinder head rough material 3 includes four recesses 12b, and two intake ports 16 and two exhaust ports 17 provided in each recess 12b.
  • the two intake ports 16 and the two exhaust ports 17 of each recess 12b are gathered together in the cylinder head rough material 3 and communicate with the openings provided on both side surfaces of the cylinder head rough material 3.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the cylinder head rough material 3 along the XI-XI line of FIG. 10, and shows an intake port 16.
  • the intake port 16 is provided with a circular opening 16a exposed in the recess 12b of the cylinder head rough material 3.
  • the cylinder head rough material 3 is milled by an end mill, a ball end mill, or the like, and an annular valve seat portion 16c is formed in the opening 16a of the intake port 16 as shown in FIG.
  • the annular valve seat portion 16c is an annular groove that forms the base shape of the valve seat membrane 16b, and is formed on the outer periphery of the opening 16a.
  • the raw material powder P is sprayed onto the annular valve seat portion 16c by a cold spray method to form a film, and the valve seat film 16b is formed based on this film. Therefore, the annular valve seat portion 16c is formed to be one size larger than the valve seat membrane 16b.
  • the raw material powder P is sprayed onto the annular valve seat portion 16c of the cylinder head rough material 3 using the cold spray device 2 of the present embodiment to form the valve seat film 16b. More specifically, in this coating step S3, as shown in FIG. 13, the raw material powder P is the annular valve seat while keeping the annular valve seat portion 16c and the nozzle 23d of the spray gun 23 at a constant distance in the same posture. While fixing the cylinder head rough material 3 so that it can be sprayed on the entire circumference of the portion 16c, the spray gun 23 is rotated at a constant speed.
  • the tip of the nozzle 23d of the spray gun 23 is held by the hand 251 of the industrial robot 25 above the cylinder head 12 fixed to the base 45.
  • the base 45 or the industrial robot 25 has a cylinder head 12 or a spray so that the central axis Z of the intake port 16 on which the valve seat film 16b is formed is vertical and overlaps with the rotation axis C.
  • the nozzle 23d introduces the refrigerant supplied from the refrigerant circulation circuit 27 into the flow path from the refrigerant introduction unit 23e.
  • the refrigerant cools the nozzle 23d while flowing from the front end side to the rear end side of the flow path formed inside the nozzle 23d.
  • the refrigerant that has flowed to the rear end side of the flow path is discharged from the flow path by the refrigerant discharge unit 23f and recovered.
  • valve seat films 16b and 17b are formed on all the intake ports 16 and the exhaust ports 17 of the cylinder head rough material 3.
  • FIG. 16 is a cylinder head rough material showing an example of a movement locus MT when the nozzle 23d of the cold spray device 2 moves through the openings of the intake port 16 and the exhaust port 17 in the film forming method according to the present invention.
  • 3 is a plan view of 3.
  • the nozzle 23d is relatively moved along the movement locus MT indicated by the arrow with respect to the openings 16a of the eight intake ports 16 and the openings 17a of the eight exhaust ports 17 of the cylinder head rough material 3 shown in FIG.
  • the movement locus MT for the intake port 16 will be described, but the movement locus for the exhaust port 17 is also set in the same manner.
  • the nozzle 23d rotates 360 ° clockwise with respect to one intake port 16 and then 360 ° counterclockwise with respect to the next intake port 16. Then, the nozzle 23d moves with respect to the eight intake ports 16 while repeating clockwise and counterclockwise rotation. That is, the nozzle 23d rotates counterclockwise with respect to the openings 16a8, 16a6, 16a4, 16a2 of the four intake ports shown in FIG. 16, and the openings 16a7, 16a5, 16a3 of the remaining four intake ports. , 16a1 rotates clockwise.
  • the movement locus MT for the eight intake ports 16 is composed of a circular locus T for each of the annular valve seat portions 16c of each intake port 16 and a connection locus CT for connecting the adjacent circular loci T to each other. , It is said to be a series of continuous trajectories. Then, the nozzle 23d is moved along the movement locus MT while continuously injecting the raw material powder from the nozzle 23d without interruption.
  • the circular locus T with respect to one annular valve seat portion 16c starts from the film forming start point, moves clockwise or counterclockwise, and then wraps at the film forming start point, and this wrapped portion serves as the film forming end point. ..
  • FIG. 20 is an enlarged plan view showing a movement locus MT according to a comparative example with respect to the opening 16a8 of one intake port 16 located at the lower right of FIG. Since the nozzle 23d is rotated counterclockwise with respect to the annular valve seat portion 16c of the opening 16a8 of the intake port 16, the movement locus MT according to the comparative example shown in FIG. 20 is from the right end to the left in the figure.
  • the nozzle 23d is linearly moved to the annular valve seat portion 16c, and the nozzle 23d is rotated counterclockwise along a circular locus T with this as the film formation start point, and then the film formation end point overlaps with the film formation start point. In, the nozzle 23d is moved to the left in FIG. 20 by changing the direction.
  • a turnaround point TP1 in which the movement speed of the nozzle 23d becomes zero occurs at the film formation start point of the annular valve seat portion 16c, and the movement speed of the nozzle 23d increases at the film formation end point.
  • a turning point TP2 that becomes zero occurs.
  • the turning points TP1 and TP2 refer to points on the movement locus MT in which the movement speed of the nozzle 23d decreases to zero or a value close to zero, and points where the movement locus changes to a right angle or an acute angle ( ⁇ 90 °).
  • FIG. 21 is a diagram showing a film cross section of the wrap portion when a film is formed on the moving locus MT of the comparative example of FIG. 20.
  • the speed of the nozzle 23d temporarily becomes zero, but the injection of the raw material powder is continued, so that the valve constituting the first layer is formed as shown in FIG.
  • the edge inclination S of the sheet film 16b1 becomes steep.
  • the raw material powder is collided with the base material at supersonic speed in a solid state to be plastically deformed. Therefore, when the second layer is sprayed on the surface of the first layer having a steep end inclination S.
  • the raw material powder in the second layer is not sufficiently flattened, and the pore diameter in the second layer valve seat film 16b2 becomes large.
  • This kind of defect in increasing the pore ratio due to insufficient flatness is caused by the steep end inclination S of the valve seat film 16b1 constituting the first layer.
  • the circular locus of the annular valve seat portion 16c which is the film-deposited portion
  • the range from the film-forming start point to the film-forming end point (including the end point) and the folding point is included in the first layer. At that point, the end inclination S becomes steep.
  • the locus of the second layer of the wrap portion includes a folding point, the problem of insufficient flatness does not occur unless the end inclination S of the valve seat film 16b2 of the first layer is steep.
  • FIG. 17 is a plan view showing a movement locus MT with respect to the opening 16a8 of one intake port 16 of FIG. 17 extends the nozzle 23d from the right end to the left of the annular valve seat portion 16c to the mounting surface 12a of the cylinder head rough material 3 on the lower left side with the cylinder block 11. It is moved in a straight line, and this is set as the turning point TP1 of the first layer.
  • the direction is changed at the turning point TP1
  • the nozzle 23d is moved diagonally to the upper right toward the annular valve seat portion 16c, and then the nozzle 23d is rotated counterclockwise along a circular locus T with this as the film forming start point.
  • the nozzle 23d is moved to the left in FIG. 20 by changing the direction of the film formation end point overlapping the film formation start point as the turnaround point TP2 of the second layer.
  • FIG. 18 is a diagram showing a film cross section of the wrap portion when a film is formed on the moving locus MT of FIG. Looking at the wrapped portion of the annular valve seat portion 16c, the moving speed of the nozzle 23d is not zero at the film formation start point of the first layer valve seat film 16b1, so that the first layer valve seat film 16b1 The surface of the film is formed flat. Therefore, even if the second layer valve seat film 16b2, which is the end point of film formation, overlaps the valve seat film 16b1, the collision direction is substantially perpendicular to the surface of the first layer valve seat film 16b1. The raw material powder in the second layer is sufficiently flattened, and the pore diameter in the layer of the valve seat film 16b2 is sufficiently reduced.
  • the turn-back point TP1 which may be the first layer of the wrap portion, that is, the turn-back point set upstream from the film formation start point of the annular valve seat portion 16c is set on the connection locus CT, but the wrap portion
  • the folding point TP2 which is the second layer of the above, is set on the circular locus T because the end inclination S may be steep.
  • the nozzle 23d and the mounting surface 12a of the cylinder head rough material 3 are attached.
  • the distance to and, the so-called gun distance may be increased.
  • the gun distance may be gradually increased as it approaches the turning point TP1, and then gradually returned to the original gun distance as it moves away from the turning point TP1.
  • FIG. 19 is a plan view showing another example of the movement locus MT with respect to the opening 16a8 of one intake port 16.
  • the turnaround point TP2 of the second layer is set on the circular locus T with respect to the annular valve seat portion 16c, but as shown in FIG. 19, the turnaround point TP1 of the first layer is set.
  • it may be set on the mounting surface 12a of the cylinder head rough material 3.
  • the valve seat films 16b and 17b and the intake port 16 and the exhaust port 17 are finished.
  • the surfaces of the valve seat films 16b and 17b are cut by milling using a ball end mill to prepare the valve seat films 16b into a predetermined shape.
  • a ball end mill is inserted into the intake port 16 from the opening 16a, and the inner peripheral surface of the intake port 16 on the opening 16a side is cut along the processing line PL shown in FIG. .
  • the processing line PL includes a range in which the raw material powder P is scattered and adhered to the intake port 16 to form a relatively thick surplus film SF. More specifically, the surplus film SF affects the intake performance of the intake port 16. It is a range that is formed thick enough to exert.
  • FIG. 15 shows an intake port 16 after the finishing step S4.
  • the exhaust port 17 is formed by casting to form a small diameter portion in the exhaust port 17, cutting to form an annular valve seat portion, cold spraying the annular valve seat portion, and finishing.
  • the valve seat film 17b is formed through the process. Therefore, detailed description of the procedure for forming the valve seat film 17b for the exhaust port 17 will be omitted.
  • the cylinder head rough material 3 having a plurality of annular valve seat portions 16c that are not continuous with each other and the nozzle 23d of the cold spray device 2 are annularly formed. While continuously injecting the raw material powder from the nozzle 23d along the continuous movement locus MT composed of the circular locus T with respect to the valve seat portion 16c and the connection locus CT connecting the plurality of circular loci T.
  • the cylinder head rough material 3 in the movement locus MT is formed.
  • the turnaround point TP1 at which the relative velocity between the nozzle 23d and the nozzle 23d becomes zero or close to zero is set not on the circular locus T but on the connection locus CT.
  • the film forming portion is the entire circumference of the intake port 16 of the cylinder head 12 or the openings 16a and 17a of the exhaust port 17, and the turning point TP1 is set. It is set on the mounting surface 12a of the cylinder head rough material 3 with the cylinder block 11. As a result, the excess film formed on the mounting surface 12a of the cylinder head rough material 3 with the cylinder block 11 along the connection locus CT can be easily removed together with other parts in the finishing step S4, which is a subsequent step. Can be done.
  • the gun distance between the nozzle 23d and the cylinder head rough material 3 is increased at the turning point TP1, so that the excess film formed on the mounting surface 12a is formed.
  • the film thickness becomes thin, and the removal depth of the excess film in the finishing step S4 can be made shallow.
  • the folding point TP2 set at the film forming end point of the annular valve seat portion 16c is set on the circular locus T with respect to the annular valve seat portion 16c. ..
  • the turn-back point set upstream from the film formation start point of the annular valve seat portion 16c is set on the connection locus CT, but the turn-back point TP2, which is the second layer of the wrap portion, has a steep end inclination S. Therefore, it can be set on the circular locus T.
  • the annular valve seat portion 16c corresponds to the film-formed portion according to the present invention.
  • Gas supply unit 21a Compressed gas cylinder 21b ... Operating gas line 21c ... Conveyed gas line 21d ... Pressure regulator 21e ... Flow control valve 21f ... Flow meter 21g ... Pressure gauge 21h ... Power source 21i ... Heater 21j ... Power supply line 21k ... Rotary joint 22 ... Raw material powder supply unit 22a ... Raw material powder supply device 22b ... Measuring instrument 22c ... Raw material powder supply line 23 ... Spray gun 23a ... Chamber 23b ... Pressure Total 23c ... Thermometer 23d ... Nozzle 23e ... Refrigerant introduction part 23f ... Refrigerant discharge part 23g ... Signal line 24 ... Base material 24a ... Film 25 ...

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Abstract

互いに連続しない複数の被成膜部（１６ｃ）を有するワーク（３）と、コールドスプレー装置（２）のノズル（２３ｄ）とを、前記複数の被成膜部に対する軌跡（Ｔ）と、当該複数の被成膜部に対する軌跡（Ｔ）を連結する接続軌跡（ＣＴ）とで構成される連続した移動軌跡（ＭＴ）に沿って、前記ノズルから原料粉末を連続して噴射しながら、相対的に移動させ、前記複数の被成膜部のそれぞれに、コールドスプレー法により原料粉末を噴射して皮膜を形成する成膜方法において、前記移動軌跡のうち前記ワークと前記ノズルとの相対速度が低くなる折り返し点（ＴＰ１）を、前記接続軌跡の上に設定する。

Description

成膜方法
　本発明は、コールドスプレー法による成膜方法に関するものである。
　エンジンバルブの着座部に、コールドスプレー法により金属等の原料粉末を吹き付けることにより、優れた高温耐磨耗性を有するバルブシートを形成できるようにした摺動部材の製造方法が知られている（特許文献１）。
国際公開第２０１７／０２２５０５号パンフレット
　自動車用エンジンは、マルチバルブ化により複数の吸気バルブ及び排気バルブを備える。そのため、複数のバルブの着座部に、コールドスプレー法によってバルブシートを形成する場合には、シリンダヘッドとコールドスプレー装置のノズルとを相対的に移動させて、複数の着座部とノズルとを順次に対向させるとともに、ノズルに対向された着座部にノズルから原料粉末を吐出して吹き付ける必要がある。
　コールドスプレー装置は、原料粉末の噴射を中断すると、再び原料粉末が安定して吹き付けられるようになるまでに数分間の待機時間を必要とする。そのため、原料粉末の噴射を中断することなくできる限り連続して行うようにすることが望ましい。しかしながら、一つのバルブシート膜を形成する場合、３６０°の円を描くようにノズルとシリンダヘッドとを相対移動させるが、円軌跡の成膜始点と成膜終点でラップ部分が生じたり、成膜終点から次のバルブシート膜を形成するためにノズルの移動速度がゼロになる折り返し点が生じたりする。
　ここで、ラップ部分の１層目に折り返し点が生じる軌跡では、１層目の始点の表面の傾斜角度が急峻となり、ここに２層目を噴射すると原料粉末の偏平化が阻害され、疎な皮膜となる。
　本発明が解決しようとする課題は、疎な皮膜が形成されるのを抑制することができるコールドスプレー式の成膜方法を提供することである。
　本発明は、互いに連続しない複数の被成膜部に対する軌跡と、当該複数の被成膜部に対する軌跡を連結する接続軌跡とで構成される連続した移動軌跡に沿って、原料粉末を連続して噴射し、皮膜を形成する成膜方法において、移動軌跡のうちワークとノズルとの相対速度が低くなる折り返し点を、接続軌跡上に設定することによって上記課題を解決する。
　本発明によれば、移動軌跡のうちワークとノズルとの相対速度が低くなる折り返し点が接続軌跡上に設定されているので、折り返し点がラップ部の１層目の皮膜となることはない。この結果、疎な皮膜が形成されるのを抑制することができる。
本発明に係るコールドスプレー装置を用いてバルブシート膜を形成するシリンダヘッドを示す断面図である。 図１のバルブ周辺の拡大断面図である。 本発明に係るコールドスプレー装置の一実施の形態を示す構成図である。 本発明に係るコールドスプレー装置の一実施の形態のスプレーガンを示す正面図である。 図４のV-V線に沿う断面図である。 図４のスプレーガンをオフセットした状態を示す正面図である。 本発明に係るコールドスプレー装置を含む成膜工場を示す正面図である。 図７の平面図である。 本発明に係るコールドスプレー装置を用いてシリンダヘッドを製造する手順を示す工程図である。 本発明に係るコールドスプレー装置を用いてバルブシート膜が形成されるシリンダヘッド粗材の斜視図である。 図１０のXI-XI線に沿う吸気ポートを示す断面図である。 図１１の吸気ポートに切削工程で環状バルブシート部を形成した状態を示す断面図である。 図１２の吸気ポートにバルブシート膜を形成する状態を示す断面図である。 バルブシート膜が形成された吸気ポートを示す断面図である。 図９の仕上工程後の吸気ポートを示す断面図である。 本発明に係る成膜方法において、コールドスプレー装置のノズルがポートの開口部上を移動する際の移動軌跡の一例を示すシリンダヘッド粗材の平面図である。 図１６の一つの吸気ポートに対する移動軌跡を示す平面図である。 図１７の移動軌跡にて成膜した場合の皮膜断面を示す図である。 一つの吸気ポートに対する移動軌跡の他の例を示す平面図である。 成膜始点及び成膜終点のラップ部に折り返し点を設定して成膜した比較例の移動軌跡を示す図である。 図２０の比較例の移動軌跡にて成膜した皮膜断面を示す図である。
　以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。初めに、本実施形態のコールドスプレー装置を適用して好ましい、バルブシート膜を備える内燃機関１について説明する。図１は、内燃機関１の断面図であり、主にシリンダヘッド周りの構成を示す。
　内燃機関１は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上部に組み付けられたシリンダヘッド１２とを備える。この内燃機関１は、例えば、直列４気筒のガソリンエンジンであり、シリンダブロック１１は、図面奥行き方向に配列された４つのシリンダ１１ａを有する。各シリンダ１１ａは、図中の上下方向に往復移動するピストン１３を収容し、各ピストン１３は、コネクティングロッド１３ａを介して、図面奥行き方向に延びるクランクシャフト１４と連結している。
　シリンダヘッド１２のシリンダブロック１１への取付面１２ａであって、各シリンダ１１ａに対応する位置には、各気筒の燃焼室１５を構成する４つの凹部１２ｂが形成されている。燃焼室１５は、燃料と吸入空気との混合気を燃焼させるための空間であり、シリンダヘッド１２の凹部１２ｂと、ピストン１３の頂面１３ｂと、シリンダ１１ａの内周面とで構成される。
　シリンダヘッド１２は、燃焼室１５と、シリンダヘッド１２の一方の側面１２ｃとを連通する吸気ポート１６を備える。吸気ポート１６は、屈曲した略円筒形状とされ、側面１２ｃに接続したインテークマニホールド（不図示）からの吸入空気を燃焼室１５内へ案内する。また、シリンダヘッド１２は、燃焼室１５と、シリンダヘッド１２の他方の側面１２ｄとを連通する排気ポート１７を備える。排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に屈曲した略円筒形状とされ、燃焼室１５で生じた排気を、側面１２ｄに接続したエキゾーストマニホールド（不図示）へ排出する。なお、本実施形態の内燃機関１は、１つのシリンダ１１ａに対し、吸気ポート１６と排気ポート１７とを２つずつ備える。
　シリンダヘッド１２は、燃焼室１５に対して吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１８と、燃焼室１５に対して排気ポート１７を開閉する排気バルブ１９とを備える。吸気バルブ１８及び排気バルブ１９のそれぞれは、丸棒状のバルブステム１８ａ，１９ａと、バルブステム１８ａ，１９ａの先端に設けられた円盤状のバルブヘッド１８ｂ，１９ｂと、を備える。バルブステム１８ａ，１９ａは、シリンダヘッド１２に組み付けた略円筒形状のバルブガイド１８ｃ，１９ｃにスライド自在に挿通されている。これにより、吸気バルブ１８及び排気バルブ１９のそれぞれは、燃焼室１５に対し、バルブステム１８ａ，１９ａの軸方向に沿って移動自在となる。
　図２に、燃焼室１５と、吸気ポート１６及び排気ポート１７との連通部分を拡大して示す。吸気ポート１６は、燃焼室１５との連通部分に略円形の開口部１６ａを備える。この開口部１６ａの環状縁部に、吸気バルブ１８のバルブヘッド１８ｂと当接する環状のバルブシート膜１６ｂが形成されている。そして、吸気バルブ１８が、バルブステム１８ａの軸方向に沿って上方に移動すると、バルブヘッド１８ｂの上面がバルブシート膜１６ｂに当接して吸気ポート１６を閉塞する。逆に、吸気バルブ１８が、バルブステム１８ａの軸方向に沿って下方に移動すると、バルブヘッド１８ｂの上面とバルブシート膜１６ｂとの間に隙間が形成されて吸気ポート１６を開放する。
　排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に燃焼室１５との連通部分に略円形の開口部１７ａを備え、この開口部１７ａの環状縁部に、排気バルブ１９のバルブヘッド１９ｂと当接する環状のバルブシート膜１７ｂが形成されている。そして、排気バルブ１９が、バルブステム１９ａの軸方向に沿って上方に移動すると、バルブヘッド１９ｂの上面がバルブシート膜１７ｂに当接して排気ポート１７を閉塞する。逆に、排気バルブ１９が、バルブステム１９ａの軸方向に沿って下方に移動すると、バルブヘッド１９ｂの上面とバルブシート膜１７ｂとの間に隙間が形成されて排気ポート１７を開放する。なお、吸気ポート１６の開口部１６ａの直径は、排気ポート１７の開口部１７ａの直径より大きく設定されている。
　４サイクルの内燃機関１においては、ピストン１３の下降時に吸気バルブ１８のみを開き、これにより吸気ポート１６からシリンダ１１ａ内に混合気を導入する（吸気行程）。続いて、吸気バルブ１８および排気バルブ１９を閉じた状態とし、ピストン１３を略上死点まで上昇させてシリンダ１１ａ内の混合気を圧縮する（圧縮行程）。そして、ピストン１３が略上死点に達したときに、点火プラグにより圧縮した混合気に点火することで当該混合気が爆発する。この爆発によりピストン１３は下死点まで下降し、連結されたクランクシャフト１４を介して爆発を回転力に変換する（燃焼・膨張行程）。最後に、ピストン１３が下死点に達し、再び上昇を開始すると、排気バルブ１９のみを開き、シリンダ１１ａ内の排気を排気ポート１７へ排出する（排気行程）。内燃機関１は、以上のサイクルを繰り返し行うことにより出力を発生する。
　バルブシート膜１６ｂ，１７ｂは、シリンダヘッド１２の開口部１６ａ，１７ａの環状縁部にコールドスプレー法によって直接形成したものである。コールドスプレー法とは、原料粉末の融点又は軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速流とし、作動ガス中に搬送ガスによって搬送された原料粉末を投入してノズル先端より噴射し、固相状態のまま基材に衝突させ、原料粉末の塑性変形により皮膜を形成するものである。このコールドスプレー法は、材料を溶融させて基材に付着させる溶射法に比べ、大気中で酸化のない緻密な皮膜が得られ、材料粒子への熱影響が少ないので熱変質が抑えられ、成膜速度が速く、厚膜化が可能であり、付着効率が高いといった特性を有する。特に成膜速度が速く、厚膜が可能なことから、内燃機関１のバルブシート膜１６ｂ，１７ｂのような構造材料としての用途に適している。
　図３は、上記のバルブシート膜１６ｂ，１７ｂの形成に用いられる本実施形態のコールドスプレー装置２を模式的に示した図である。本実施形態のコールドスプレー装置２は、作動ガス及び搬送ガスを供給するガス供給部２１と、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂの原料粉末を供給する原料粉末供給部２２と、原料粉末をその融点以下の作動ガスを用いて超音速流として噴射するスプレーガン２３と、ノズル２３ｄを冷却する冷媒循環回路２７と、を備える。
　ガス供給部２１は、圧縮ガスボンベ２１ａ、作動ガスライン２１ｂ及び搬送ガスライン２１ｃを備える。作動ガスライン２１ｂ及び搬送ガスライン２１ｃは、それぞれ圧力調整器２１ｄ、流量調節弁２１ｅ、流量計２１ｆ及び圧力ゲージ２１ｇを備える。圧力調整器２１ｄ、流量調節弁２１ｅ、流量計２１ｆ及び圧力ゲージ２１ｇは、圧縮ガスボンベ２１ａからの作動ガス及び搬送ガスのそれぞれの圧力及び流量の調整に供される。
　作動ガスライン２１ｂには、テープヒータなどのヒータ２１ｉが設置され、当該ヒータ２１ｉは、電力源２１ｈから電力供給線２１ｊ，２１ｊを介して電力が供給されることにより、作動ガスライン２１ｂを加熱する。作動ガスは、ヒータ２１ｉによって原料粉末の融点又は軟化点より低い温度に加熱された後、スプレーガン２３のチャンバ２３ａ内に導入される。チャンバ２３ａには、圧力計２３ｂと温度計２３ｃが設置され、それぞれの信号線２３ｇ，２３ｇを介して検出された圧力値と温度値がコントローラ（不図示）に出力され、圧力及び温度のフィードバック制御に供される。
　一方、原料粉末供給部２２は、原料粉末供給装置２２ａと、これに付設される計量器２２ｂ及び原料粉末供給ライン２２ｃを備える。圧縮ガスボンベ２１ａからの搬送ガスは、搬送ガスライン２１ｃを通り、原料粉末供給装置２２ａに導入される。計量器２２ｂにより計量された所定量の原料粉末は、原料粉末供給ライン２２ｃを経て、チャンバ２３ａ内に搬送される。
　スプレーガン２３は、搬送ガスによりチャンバ２３ａ内に搬送された原料粉末Ｐを、作動ガスにより超音速流としてノズル２３ｄの先端から噴射し、固相状態又は固液共存状態で基材２４に衝突させて皮膜２４ａを形成する。本実施形態では、基材２４としてシリンダヘッド１２を適用し、このシリンダヘッド１２の開口部１６ａ，１７ａの環状縁部にコールドスプレー法によって原料粉末Ｐを噴射することにより、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂを形成する。
　ノズル２３ｄは、その内部に水などの冷媒が流れる流路（不図示）を備える。ノズル２３ｄは、その先端に、流路へ冷媒を導入する冷媒導入部２３ｅを備え、その基端に、流路内の冷媒を排出する冷媒排出部２３ｆを備える。ノズル２３ｄは、冷媒導入部２３ｅから流路に冷媒を導入し、流路内に冷媒を流し、冷媒排出部２３ｆから冷媒を排出することにより、ノズル２３ｄを冷却する。
　ノズル２３ｄの流路に冷媒を循環させる冷媒循環回路２７は、冷媒を貯留するタンク２７１と、上述した冷媒導入部２３ｅに接続された導入管２７４と、導入管２７４に接続され、タンク２７１とノズル２３ｄとの間で冷媒を流動させるポンプ２７２と、冷媒を冷却する冷却器２７３と、冷媒排出部２３ｆに接続された排出管２７５と、を備える。冷却器２７３は、例えば、熱交換機等からなり、ノズル２３ｄを冷却して温度が上昇した冷媒を空気や水、ガスなどの冷媒との間で熱交換させて、冷媒を冷却する。
　冷媒循環回路２７は、ポンプ２７２によってタンク２７１に貯留された冷媒を吸引し、冷却器２７３を介して冷媒導入部２３ｅに冷媒を供給する。冷媒導入部２３ｅに供給された冷媒は、ノズル２３ｄ内の流路を先端側から後端側に向かって流動し、その間にノズル２３ｄと熱交換することでノズル２３ｄを冷却する。流路の後端側まで流れた冷媒は、冷媒排出部２３ｆから排出管２７５に排出され、タンク２７１に戻る。このように、冷媒循環回路２７は、冷媒を冷却しながら循環させてノズル２３ｄを冷却するので、ノズル２３ｄの噴射通路への原料粉末Ｐの付着を抑制することができる。
　シリンダヘッド１２のバルブシートには、燃焼室１５内におけるバルブからの叩き入力に耐え得る高い耐熱性及び耐磨耗性と、燃焼室１５の冷却のための高い熱伝導性とが要求される。これらの要求に対し、例えば、析出硬化型銅合金の粉末により形成したバルブシート膜１６ｂ，１７ｂによれば、鋳物用アルミ合金で形成したシリンダヘッド１２よりも硬く、耐熱性及び耐磨耗性に優れたバルブシートを得ることができる。
　また、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂは、シリンダヘッド１２に直接形成しているので、ポート開口部に別部品のシートリングを圧入して形成する従来のバルブシートに比べ、高い熱伝導性を得ることができる。さらには、別部品のシートリングを利用する場合に比べ、冷却用のウォータジャケットとの近接化を図ることができる他、吸気ポート１６及び排気ポート１７のスロート径の拡大、ポート形状の最適化によるタンブル流の促進などの副次的効果も得ることができる。
　バルブシート膜１６ｂ，１７ｂの形成に用いる原料粉末Ｐとしては、鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性及び熱伝導性が得られる金属であることが好ましく、例えば、上述した析出硬化型銅合金を用いることが好ましい。また、析出硬化型銅合金としては、ニッケル及びケイ素を含むコルソン合金や、クロムを含むクロム銅、ジルコニウムを含むジルコニウム銅等を用いてもよい。さらに、例えば、ニッケル、ケイ素及びクロムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型合金、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金等を適用することもできる。
　また、複数種類の原料粉末、例えば、第１の原料粉末と第２の原料粉末とを混合してバルブシート膜１６ｂ，１７ｂを形成してもよい。この場合、第１の原料粉末には、鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性及び熱伝導性が得られる金属を用いることが好ましく、例えば、上述した析出硬化型銅合金を用いることが好ましい。また、第２の原料粉末としては、第１の原料粉末よりも硬質な金属を用いることが好ましい。この第２の原料粉末には、例えば、鉄基合金、コバルト基合金、クロム基合金、ニッケル基合金、モリブデン基合金等の合金や、セラミックス等を適用してもよい。また、これらの金属の１種を単独で、または２種以上を適宜組み合わせて用いてもよい。
　第１の原料粉末と、第１の原料粉末よりも硬質な第２の原料粉末とを混合して形成したバルブシート膜は、析出硬化型銅合金のみで形成したバルブシート膜よりも優れた耐熱性、耐磨耗性を得ることができる。このような効果が得られるのは、第２の原料粉末により、シリンダヘッド１２の表面に存在する酸化皮膜が除去されて新生界面が露出形成され、シリンダヘッド１２と金属皮膜との密着性が向上するためと考えられる。また、第２の原料粉末がシリンダヘッド１２にめり込むことによるアンカー効果により、シリンダヘッド１２と金属皮膜との密着性が向上するためとも考えられる。さらには、第１の原料粉末が第２の原料粉末に衝突したときに、その運動エネルギの一部が熱エネルギに変換され、あるいは第１の原料粉末の一部が塑性変形する過程で発生する熱により、第１の原料粉末として用いた析出硬化型銅合金の一部における析出硬化がより促進されるためとも考えられる。
　本実施形態のコールドスプレー装置２は、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂが形成されるシリンダヘッド１２を基台４５に固定する一方、スプレーガン２３のノズル２３ｄの先端を、シリンダヘッド１２の開口部１６ａ，１７ａの環状縁部に沿って回転させることで原料粉末を噴射する。シリンダヘッド１２は回転させないので、大きい占有スペースは不要になるとともに、シリンダヘッド１２に比べてスプレーガン２３の方が、慣性モーメントが小さいので、回転の過渡特性や応答性に優れる。ただし、スプレーガン２３には、図３に示すように、作動ガスライン２１ｂを構成する高圧配管（高圧ホース）が接続されるので、スプレーガン２３を回転させたときの作動ガスライン２１ｂのホースの捩れによる変形剛性が回転の過渡特性や応答性を阻害する可能性がある。そこで、本実施形態のコールドスプレー装置２は、図４～図８に示すように構成することで、回転の過渡特性や応答性を高めるようにしている。
　図４は、本発明に係るコールドスプレー装置２の一実施の形態のスプレーガン２３を示す正面図、図５は、図４のVI-VI線に沿う断面図、図６は、図４のスプレーガン２３をオフセットした状態を示す正面図、図７は、本発明に係るコールドスプレー装置２を含む成膜工場を示す正面図、図８は、図７の平面図である。
　ワークであるシリンダヘッド１２は、図７～図８に示す成膜工場４の成膜ブース４２の基台４５に所定の姿勢で載置される。たとえば、図１３に示すように、シリンダヘッド１２の凹部１２ｂが上面になるようにシリンダヘッド１２を基台４５に固定し、吸気ポート１６の開口部１６ａの中心線又は排気ポート１７の開口部１７ａの中心線が鉛直方向になるように基台４５を傾斜させる。
　なお、成膜工場４は、成膜処理を実行する成膜ブース４２と、搬送ブース４１とを備え、成膜ブース４２に、シリンダヘッド１２を載置する基台４５と、スプレーガン２３を保持する産業用ロボット２５が設置されている。そして、成膜ブース４２の前段に搬送ブース４１を設け、外部とのシリンダヘッド１２の搬入・搬出はドア４３により行い、搬送ブース４１と成膜ブース４２との間のシリンダヘッド１２の搬入・搬出はドア４４により行う。たとえば、成膜ブース４２において一つのシリンダヘッド１２に対する成膜処理を行っている間に、その前に処理を終了したシリンダヘッド１２を搬送ブース４１から外部へ搬出する。コールドスプレー装置２による成膜処理は、超音速流の衝撃波による騒音が発生したり、原料粉末が飛散したりするため、搬送ブース４１を設置して、ドア４４を閉めて成膜処理を行うことで、処理後のシリンダヘッド１２の搬出や、処理前のシリンダヘッド１２の搬入など、成膜処理と同時に他の作業を行うことができる。
　スプレーガン２３は、図７～図８に示す成膜工場４の成膜ブース４２に設置された産業用ロボット２５のハンド２５１に固定されたベースプレート２６に回転可能に装着されている。以下、本実施形態のスプレーガン２３の構成について、図４～図６を参照しながら説明する。まず図４に示すように、産業用ロボット２５のハンド２５１にはブラケット２５２が固定され、当該ブラケット２５２に対して回転可能にベースプレート２６が取り付けられ、当該ベースプレート２６にスプレーガン２３が固定されている。
　より詳細には、図４及び図５に示すように、産業用ロボット２５のハンド２５１にはブラケット２５２が固定され、このブラケット２５２にモータ２９の本体が固定され、モータ２９の駆動軸２９１は、図示しないプーリ及びベルトを介して第１ベースプレート２６１に接続され、当該第1ベースプレート２６１をブラケットに対して回転させる。モータ２９は、たとえば最大３６０°の範囲を往復回転する。たとえば、一つの吸気ポート１６の開口部１６ａに対して、時計回りに３６０°駆動軸２９１を回転させたら、次の吸気ポート１６の開口部１６ａに対しては、反時計回りに３６０°駆動軸２９１を回転させ、以降、これを繰り返す。
　ベースプレート２６は、第１ベースプレート２６１と第２ベースプレート２６２からなり、これら第１ベースプレート２６１と第２ベースプレート２６２は、リニアガイド２８１を介して回転軸Ｃに直交する方向（図４の左右方向）にスライド可能に設けられている。そして、流体圧シリンダ２８２を駆動することにより、第１ベースプレート２６１に対する第２ベースプレート２６２のオフセット量を調節し、膜形成材料の噴射径Ｄを設定する。
　第２ベースプレート２６２には、カバー２６３が装着され、その下端部にスプレーガン２３が固定されている。スプレーガン２３は、ノズル２３ｄの噴射方向が回転軸Ｃに向かうように、カバー２６３を介して第２ベースプレート２６２に固定されている。ただし、第２ベースプレート２６２は、上述したリニアガイド２８１及び流体圧シリンダ２８２により、第１ベースプレート２６１に対してオフセット可能であるため、スプレーガン２３のノズル２３ｄの先端の位置を、回転軸Ｃに対して水平方向に調節することができる。
　このように、ノズル２３ｄの先端の位置を、図４に示す回転軸Ｃの線上から、図６に示すように回転軸Ｃから離れた位置に設定すると、ガン距離が同じである場合に、噴射径Ｄが小さくなる。吸気ポート１６の開口部１６ａは、排気ポート１７の開口部１７ａに比べて大径であるため、吸気ポート１６の開口部１６ａにバルブシート膜１６ｂを形成する場合には図４に示す回転軸Ｃ側の位置とし、排気ポート１７の開口部１７ａにバルブシート膜１７ｂを形成する場合には図６に示す回転軸Ｃから離れた位置とすればよい。
　図３に示す圧縮ガスボンベ２１ａから供給される３～１０ＭＰａの高圧ガスをスプレーガン２３へ案内する作動ガスライン２１ｂは、後述する他の配管類とともに一つの管束２０とされ、図７に示すように産業用ロボット２５のハンド２５１に装着されたベースプレート２６の上部から垂下され、スプレーガン２３に至る。その間のベースプレート２６の近傍において、図４に示すように、スイベルジョイントなどの回転継手２１ｋを介して分離接続され、その下部にヒータ２１ｉが設けられている。図４に示す回転継手２１ｋからチャンバ２３ａに至る作動ガスライン２１ｂは、３～１０ＭＰａの高圧に耐え得る高圧ホースから構成され、同図に示すように、回転軸Ｃに沿ってこれを包囲するように配策されている。作動ガスライン２１ｂは、回転軸Ｃを包囲するように、予め、たとえば螺旋状に成形加工してもよいが、３～１０ＭＰａの高圧に耐え得る高圧ホースは硬くて形状保持性を有するので、高圧ホースが螺旋形状に倣うように形状保持型を外周に設けてもよい。
　図３に示す原料粉末供給装置２２ａから供給される原料粉末をスプレーガン２３へ案内する原料粉末供給ライン２２ｃは、図７に示す管束２０として産業用ロボット２５の周囲に配策され、ベースプレート２６の上部から垂下され、スプレーガン２３に至る。その間のベースプレート２６の下方において、原料粉末供給ライン２２ｃは、図４に示すように、金属管と金属継手を含む配管にて構成され、スプレーガン２３のチャンバ２３ａに接続されている。
　図３に示す電力源２１ｈから供給される電力をヒータ２１ｉへ導く電力供給線２１ｊ，２１ｊは、図７に示す管束２０として産業用ロボット２５の周囲に配策され、ベースプレート２６の上部から垂下され、ヒータ２１ｉに接続されている。また、図３に示す圧力計２３ｂからの検出信号をコントローラ（不図示）に出力する信号線２３ｇ及び温度計２３ｃからの検出信号をコントローラ（不図示）に出力する信号線２３ｈは、スプレーガン２３のチャンバ２３ａから、金属管と金属継手を含む配管の中を挿通した状態で、スプレーガン２３のチャンバ２３ａから第２ベースプレート２６２へ導かれ、他の作動ガスライン２１ｂ、原料粉末供給ライン２２ｃ、電力供給線２１ｊなどとともに、ベースプレート２６の上部から産業用ロボット２５の周囲へ配策されている。
　図３に示す冷媒循環回路２７から供給される冷媒をスプレーガン２３のノズル２３ｄに案内する導入管２７４及び排出管２７５は、図７に示す管束２０として産業用ロボット２５の周囲に配策され、ベースプレート２６の上部から垂下され、ノズル２３ｄの先端の冷媒導入部２３ｅと、ノズル２３ｄの基端の冷媒排出部２３ｆに接続されている。その間のベースプレート２６の下方において、導入管２７４及び排出管２７５は、図４に示すように、金属管と金属継手を含む配管にて構成され、スプレーガン２３のノズル２３ｄに接続されている。
　上述したように、硬くて変形剛性の高い高圧ホースで構成される作動ガスライン２１ｂは、その回転継手２１ｋが、図４に示すように回転軸Ｃの線上に配置され、回転継手２１ｋより下方が回転軸Ｃに沿ってこれを包囲するように配策されている。また、作動ガスライン２１ｂ以外の、電力供給線２１ｊ，２１ｊ、原料粉末供給ライン２２ｃ、冷媒の導入管２７４及び排出管２７５、信号線２３ｇ，２３ｈは、図５に示すように、回転軸Ｃの周りであって作動ガスライン２１ｂを包囲する位置に配置されている。
　次に、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂを備えるシリンダヘッド１２の製造方法を説明する。図９は、本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法におけるバルブ部位の加工工程を示す工程図である。同図に示すように、本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法は、鋳造工程Ｓ１と、切削工程Ｓ２と、被覆工程Ｓ３と、仕上工程Ｓ４とを備える。なお、バルブ部位以外の加工工程は、説明の簡略化のため省略する。
　鋳造工程Ｓ１では、砂中子がセットされた金型に鋳物用アルミ合金を流し込み、本体部に吸気ポート１６や排気ポート１７等が形成されたシリンダヘッド粗材を鋳造成形する。吸気ポート１６及び排気ポート１７は砂中子で形成され、凹部１２ｂは金型で形成される。図１０は、鋳造工程Ｓ１で鋳造成形したシリンダヘッド粗材３を、シリンダブロック１１への取付面１２ａ側から見た斜視図である。シリンダヘッド粗材３は、４つの凹部１２ｂと、各凹部１２ｂに２つずつ設けた吸気ポート１６及び排気ポート１７を備える。各凹部１２ｂの２つの吸気ポート１６及び２つの排気ポート１７は、シリンダヘッド粗材３内で１本に集合し、シリンダヘッド粗材３の両側面に設けた開口にそれぞれ連通している。
　図１１は、図１０のXI-XI線に沿うシリンダヘッド粗材３の断面図であり、吸気ポート１６を示す。吸気ポート１６には、シリンダヘッド粗材３の凹部１２ｂ内に露呈された円形の開口部１６ａが設けられている。
　次の切削工程Ｓ２では、シリンダヘッド粗材３にエンドミルやボールエンドミル等によるフライス加工を施し、図１２に示すように、吸気ポート１６の開口部１６ａに環状バルブシート部１６ｃを形成する。環状バルブシート部１６ｃは、バルブシート膜１６ｂのベース形状となる環状溝であり、開口部１６ａの外周に形成される。本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法では、環状バルブシート部１６ｃにコールドスプレー法によって原料粉末Ｐを噴射して皮膜を形成し、この皮膜を基にしてバルブシート膜１６ｂを形成する。そのため、環状バルブシート部１６ｃは、バルブシート膜１６ｂよりも一回り大きなサイズで形成されている。
　被覆工程Ｓ３では、シリンダヘッド粗材３の環状バルブシート部１６ｃに、本実施形態のコールドスプレー装置２を利用して原料粉末Ｐを噴射し、バルブシート膜１６ｂを形成する。より具体的には、この被覆工程Ｓ３では、図１３に示すように、環状バルブシート部１６ｃと、スプレーガン２３のノズル２３ｄとを同じ姿勢で一定距離に保ちながら、原料粉末Ｐが環状バルブシート部１６ｃの全周に吹き付けられるように、シリンダヘッド粗材３を固定する一方で、スプレーガン２３を一定速度で回転する。
　スプレーガン２３のノズル２３ｄの先端は、基台４５に固定されたシリンダヘッド１２の上方で、産業用ロボット２５のハンド２５１に保持されている。基台４５又は産業用ロボット２５は、図４に示すように、バルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｚが垂直になって、回転軸Ｃに重なるようにシリンダヘッド１２又はスプレーガン２３の位置を設定する。この状態でノズル２３ｄから環状バルブシート部１６ｃに原料粉末Ｐを吹き付けながら、モータ２９によりスプレーガン２３をＣ軸周りに回転することにより、環状バルブシート部１６ｃの全周に皮膜を形成する。
　この被覆工程Ｓ３が実施されている間、ノズル２３ｄは、冷媒循環回路２７から供給された冷媒を、冷媒導入部２３ｅから流路に導入する。冷媒は、ノズル２３ｄの内部に形成された流路の先端側から後端側に向かって流れる間にノズル２３ｄを冷却する。流路の後端側まで流れた冷媒は、冷媒排出部２３ｆによって流路から排出されて回収される。
　スプレーガン２３がＣ軸の周りに１回転してバルブシート膜１６ｂの形成が終了すると、スプレーガン２３の回転を一旦停止する。この回転停止中に、産業用ロボット２５は、次にバルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｚが産業用ロボット２５の基準軸に一致するように、スプレーガン２３を移動する。モータ２９は、産業用ロボット２５によるスプレーガン２３の移動終了後、スプレーガン２３の回転を再開させ、次の吸気ポート１６にバルブシート膜１６ｂを形成する。以降、この動作を繰り返すことにより、シリンダヘッド粗材３の全ての吸気ポート１６及び排気ポート１７にバルブシート膜１６ｂ、１７ｂが形成される。なお、吸気ポート１６と排気ポート１７との間でバルブシート膜の形成対象が切り替わる際には、基台４５によってシリンダヘッド粗材３の傾きが変更される。
　さて、図１６は、本発明に係る成膜方法において、コールドスプレー装置２のノズル２３ｄが吸気ポート１６及び排気ポート１７の各開口部を移動する際の移動軌跡ＭＴの一例を示すシリンダヘッド粗材３の平面図である。図１６に示すシリンダヘッド粗材３の８つの吸気ポート１６の開口部１６ａ及び８つの排気ポート１７の開口部１７ａに対し、矢印にて示す移動軌跡ＭＴに沿ってノズル２３ｄを相対移動させる。なお、以下においては、吸気ポート１６に対する移動軌跡ＭＴを説明するが、排気ポート１７に対する移動軌跡も同様に設定される。
　上述したとおり、ノズル２３ｄは、一つの吸気ポート１６に対して時計回りに３６０°回転したら、次の吸気ポート１６に対しては、反時計回りに３６０°回転する。そして、ノズル２３ｄは、８つの吸気ポート１６に対して、時計回りと反時計回りとを繰り返しながら移動する。すなわち、ノズル２３ｄは、図１６に示す４つの吸気ポートの開口部１６ａ８，１６ａ６，１６ａ４，１６ａ２に対しては、反時計回りに回転し、残りの４つの吸気ポートの開口部１６ａ７，１６ａ５，１６ａ３，１６ａ１に対しては、時計回りに回転する。
　ここで、８つの吸気ポート１６に対する移動軌跡ＭＴは、各吸気ポート１６の環状バルブシート部１６ｃのそれぞれに対する円形の軌跡Ｔと、隣接する円形の軌跡Ｔ同士を接続する接続軌跡ＣＴとから構成され、一連の連続した軌跡とされている。そして、ノズル２３ｄから原料粉末を中断することなく連続して噴射しながら、ノズル２３ｄを移動軌跡ＭＴに沿って移動させる。なお、一つの環状バルブシート部１６ｃに対する円形の軌跡Ｔは、成膜始点から始まり、時計回り又は反時計回りに移動したのち、成膜始点にてラップし、このラップ部を成膜終点とする。
　図２０は、図１６の右下に位置する一つの吸気ポート１６の開口部１６ａ８に対する、比較例に係る移動軌跡ＭＴを拡大して示す平面図である。この吸気ポート１６の開口部１６ａ８の環状バルブシート部１６ｃに対しては、ノズル２３ｄを反時計回りに回転させるので、図２０に示す比較例に係る移動軌跡ＭＴは、同図の右端から左に向かって、ノズル２３ｄを環状バルブシート部１６ｃまで直線状に移動させ、ここを成膜始点として円形の軌跡Ｔにてノズル２３ｄを反時計回りに回転させたのち、成膜始点に重なる成膜終点において向きを変え、ノズル２３ｄを図２０の左方向に移動させるものである。このような比較例に係る移動軌跡ＭＴでは、環状バルブシート部１６ｃの成膜始点にてノズル２３ｄの移動速度がゼロになる折り返し点ＴＰ１が発生し、成膜終点にてノズル２３ｄの移動速度がゼロになる折り返し点ＴＰ２が発生する。なお、折り返し点ＴＰ１，ＴＰ２とは、ノズル２３ｄの移動速度がゼロ又はゼロに近い値まで低くなる移動軌跡ＭＴ上の点をいい、移動軌跡が直角又は鋭角（≦９０°）に変化する点をいう。
　図２１は、図２０の比較例の移動軌跡ＭＴにて成膜した場合のラップ部の皮膜断面を示す図である。成膜始点に発生する１回目の折り返し点ＴＰ１では、ノズル２３ｄの速度が一時的にゼロになるが、原料粉末の噴射は継続されるため、図２１に示すように１層目を構成するバルブシート膜１６ｂ１の端部傾斜Ｓは急峻になる。コールドスプレー法は、原料粉末を固相状態のまま超音速で基材に衝突させて塑性変形させるものであるから、端部傾斜Ｓが急峻な１層目の面上に２層目を噴射すると、２層目の原料粉末が充分に偏平化せず、２層目のバルブシート膜１６ｂ２の層内の空孔径が大きくなる。この種の偏平率不足による空孔率の増加不具合は、１層目を構成するバルブシート膜１６ｂ１の端部傾斜Ｓが急峻になることが原因とされる。換言すれば、被成膜部である環状バルブシート部１６ｃの円形の軌跡のうち、成膜始点から成膜終点の範囲（端点を含む）であって１層目に折り返し点が含まれると、その点において端部傾斜Ｓが急峻になる。ただし、ラップ部の２層目の軌跡に折り返し点が含まれても、１層目のバルブシート膜１６ｂ２の端部傾斜Ｓが急峻でない限り、偏平率不足の問題は生じない。
　そこで、本実施形態の成膜方法では、円形の軌跡Ｔの１層目に折り返し点ＴＰ１が含まれないように、折り返し点ＴＰ１を、円形の軌跡Ｔの上ではなく、接続軌跡ＣＴの上に設定する。図１７は、図１６の一つの吸気ポート１６の開口部１６ａ８に対する移動軌跡ＭＴを示す平面図である。図１７に示す本例に係る移動軌跡ＭＴは、同図の右端から左に向かって、ノズル２３ｄを環状バルブシート部１６ｃの左下方のシリンダヘッド粗材３のシリンダブロック１１との取付面１２ａまで直線状に移動させ、ここを１層目の折り返し点ＴＰ１に設定する。そして、当該折り返し点ＴＰ１において向きを変え、環状バルブシート部１６ｃに向かって斜め右上方向にノズル２３ｄを移動したのち、ここを成膜始点として円形の軌跡Ｔにてノズル２３ｄを反時計回りに回転させ、成膜始点に重なる成膜終点を２層目の折り返し点ＴＰ２として向きを変え、ノズル２３ｄを図２０の左方向に移動させるものである。
　図１８は、図１７の移動軌跡ＭＴにて成膜した場合のラップ部の皮膜断面を示す図である。この環状バルブシート部１６ｃのラップ部を見ると、１層目のバルブシート膜１６ｂ１の成膜始点においては、ノズル２３ｄの移動速度がゼロではない速度であるため、１層目のバルブシート膜１６ｂ１の表面が平坦に成膜される。したがって、このバルブシート膜１６ｂ１の上に成膜終点となる２層目のバルブシート膜１６ｂ２が重なっても、衝突方向が１層目のバルブシート膜１６ｂ１の表面に対して略垂直となるため、２層目の原料粉末が充分に扁平化し、バルブシート膜１６ｂ２の層内の空孔径は充分小さくなる。なお、ラップ部の１層目となる可能性がある折り返し点ＴＰ１、すなわち環状バルブシート部１６ｃの成膜始点より上流側に設定する折り返し点は、接続軌跡ＣＴの上に設定するが、ラップ部の２層目となる折り返し点ＴＰ２は、その端部傾斜Ｓが急峻になってもよいので、円形の軌跡Ｔの上に設定する。
　ちなみに、図１７に示す本例の移動軌跡ＭＴに沿ってノズル２３ｄを相対移動させる場合において、接続軌跡ＣＴの上に設定された折り返し点ＴＰ１において、ノズル２３ｄとシリンダヘッド粗材３の取付面１２ａとの距離、いわゆるガン距離を大きくしてもよい。この場合、折り返し点ＴＰ１に近づくにつれてガン距離を徐々に大きくしたのち、折り返し点ＴＰ１から遠ざかるにつれて元のガン距離に徐々に戻してもよい。ノズル２３ｄと取付面１２ａとのガン距離を大きくすることで、取付面１２ａに形成される余剰皮膜の膜厚が薄くなるので、仕上工程Ｓ４における余剰皮膜の除去深さを浅くすることができる。
　図１９は、一つの吸気ポート１６の開口部１６ａ８に対する移動軌跡ＭＴの他の例を示す平面図である。図１７に示す移動軌跡ＭＴでは、２層目の折り返し点ＴＰ２を環状バルブシート部１６ｃに対する円形の軌跡Ｔの上に設定したが、１層目の折り返し点ＴＰ１と同様に、図１９に示すように、シリンダヘッド粗材３の取付面１２ａの上に設定してもよい。
　図９に戻り、仕上工程Ｓ４では、バルブシート膜１６ｂ，１７ｂと、吸気ポート１６及び排気ポート１７の仕上加工が行われる。バルブシート膜１６ｂ，１７ｂの仕上加工では、ボールエンドミルを用いたフライス加工によりバルブシート膜１６ｂ，１７ｂの表面を切削し、バルブシート膜１６ｂを所定形状に整える。また、吸気ポート１６の仕上加工では、開口部１６ａから吸気ポート１６内にボールエンドミルを挿入し、図１４に示す加工ラインＰＬに沿って吸気ポート１６の開口部１６ａ側の内周面を切削する。加工ラインＰＬは、吸気ポート１６内に原料粉末Ｐが飛散して付着した余剰皮膜ＳＦが比較的厚く形成される範囲、より具体的には、余剰皮膜ＳＦが吸気ポート１６の吸気性能に影響を及ぼす程度に厚く形成される範囲である。
　このように、仕上工程Ｓ４により、鋳造成形による吸気ポート１６の表面荒れが解消されるとともに、被覆工程Ｓ３で形成された余剰皮膜ＳＦを除去することができる。図１５に、仕上工程Ｓ４後の吸気ポート１６を示す。なお、排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に、鋳造成形による排気ポート１７内への小径部の形成、切削加工による環状バルブシート部の形成、環状バルブシート部へのコールドスプレー、仕上加工を経てバルブシート膜１７ｂが形成される。そのため、排気ポート１７に対するバルブシート膜１７ｂの形成手順については、詳しい説明を省略する。
　以上のとおり、本実施形態のコールドスプレー装置２を用いた成膜方法は、互いに連続しない複数の環状バルブシート部１６ｃを有するシリンダヘッド粗材３と、コールドスプレー装置２のノズル２３ｄとを、環状バルブシート部１６ｃに対する円形の軌跡Ｔと、当該複数の円形の軌跡Ｔを連結する接続軌跡ＣＴとで構成される連続した移動軌跡ＭＴに沿って、ノズル２３ｄから原料粉末を連続して噴射しながら、相対的に移動させ、複数の環状バルブシート部１６ｃのそれぞれに、コールドスプレー法により原料粉末を噴射してバルブシート膜１６ｂを形成する成膜方法において、移動軌跡ＭＴのうちシリンダヘッド粗材３とノズル２３ｄとの相対速度がゼロ又はゼロに近い値まで低くなる折り返し点ＴＰ１を、円形の軌跡Ｔの上ではなく、接続軌跡ＣＴの上に設定する。これにより、バルブシート膜１６ｂ１の上に成膜終点となる２層目のバルブシート膜１６ｂ２が重なっても、衝突方向が１層目のバルブシート膜１６ｂ１の表面に対して略垂直となるため、２層目の原料粉末が充分に扁平化し、バルブシート膜１６ｂ２の層内の空孔径は充分小さくなる。
　本実施形態のコールドスプレー装置２を用いた成膜方法は、被成膜部としては、シリンダヘッド１２の吸気ポート１６又は排気ポート１７の開口部１６ａ，１７ａの全周であり、折り返し点ＴＰ１をシリンダヘッド粗材３のシリンダブロック１１との取付面１２ａに設定する。これにより、接続軌跡ＣＴに沿ってシリンダヘッド粗材３のシリンダブロック１１との取付面１２ａに形成された余剰皮膜は、後工程である仕上工程Ｓ４にて、他の部分とともに容易に除去することができる。
　本実施形態のコールドスプレー装置２を用いた成膜方法によれば、折り返し点ＴＰ１において、ノズル２３ｄとシリンダヘッド粗材３とのガン距離を大きくするので、取付面１２ａに形成される余剰皮膜の膜厚が薄くなり、仕上工程Ｓ４における余剰皮膜の除去深さを浅くすることができる。
　本実施形態のコールドスプレー装置２を用いた成膜方法によれば、環状バルブシート部１６ｃの成膜終点に設定する折り返し点ＴＰ２は、環状バルブシート部１６ｃに対する円形の軌跡Ｔの上に設定する。環状バルブシート部１６ｃの成膜始点より上流側に設定する折り返し点は、接続軌跡ＣＴの上に設定するが、ラップ部の２層目となる折り返し点ＴＰ２は、その端部傾斜Ｓが急峻になってもよいので、円形の軌跡Ｔの上に設定することができる。
　上記環状バルブシート部１６ｃは本発明に係る被成膜部に相当する。
１…内燃機関
　１１…シリンダブロック
　１１ａ…シリンダ
　１２…シリンダヘッド
　１２ａ…取付面
　１２ｂ…凹部
　１２ｃ，１２ｄ…側面
　１３…ピストン
　１３ａ…コネクティングロッド
　１３ｂ…頂面
　１４…クランクシャフト
　１５…燃焼室
　１６…吸気ポート
　１６ａ…開口部
　１６ｂ…バルブシート膜
　１６ｃ…環状バルブシート部
　１７…排気ポート
　１７ａ…開口部
　１７ｂ…バルブシート膜
　１８…吸気バルブ
　１８ａ…バルブステム
　１８ｂ…バルブヘッド
　１８ｃ…バルブガイド
　１９…排気バルブ
　１９ａ…バルブステム
　１９ｂ…バルブヘッド
　１９ｃ…バルブガイド
２…コールドスプレー装置
　２１…ガス供給部
　２１ａ…圧縮ガスボンベ
　２１ｂ…作動ガスライン
　２１ｃ…搬送ガスライン
　２１ｄ…圧力調整器
　２１ｅ…流量調節弁
　２１ｆ…流量計
　２１ｇ…圧力ゲージ
　２１ｈ…電力源
　２１ｉ…ヒータ
　２１ｊ…電力供給線
　２１ｋ…回転継手
　２２…原料粉末供給部
　２２ａ…原料粉末供給装置
　２２ｂ…計量器
　２２ｃ…原料粉末供給ライン
　２３…スプレーガン
　２３ａ…チャンバ
　２３ｂ…圧力計
　２３ｃ…温度計
　２３ｄ…ノズル
　２３ｅ…冷媒導入部
　２３ｆ…冷媒排出部
　２３ｇ…信号線
　２４…基材
　２４ａ…皮膜
　２５…産業用ロボット
　２５１…ハンド
　２５２…ブラケット
　２６…ベースプレート
　２６１…第１ベースプレート
　２６２…第２ベースプレート
　２６３…カバー
　２７…冷媒循環回路
　２７１…タンク
　２７２…ポンプ
　２７３…冷却器
　２７４…導入管
　２７５…排出管
　２８…オフセット機構
　２８１…リニアガイド
　２８２…流体圧シリンダ
　２９…モータ
　２９１…駆動軸
３…シリンダヘッド粗材
４…成膜工場
　４１…搬送ブース
　４２…成膜ブース
　４３，４４…ドア
　４５…基台
ＭＴ…移動軌跡
Ｔ…被成膜部の軌跡
ＣＴ１，ＣＴ２…接続軌跡
ＴＰ１，ＴＰ２…折り返し点
Ｓ…端部傾斜

Claims (5)

  1. 　互いに連続しない複数の被成膜部を有するワークと、コールドスプレー装置のノズルとを、前記複数の被成膜部に対する軌跡と、当該複数の被成膜部に対する軌跡を連結する接続軌跡とで構成される連続した移動軌跡に沿って、前記ノズルから原料粉末を連続して噴射しながら、相対的に移動させ、
    　前記複数の被成膜部のそれぞれに、コールドスプレー法により原料粉末を噴射して皮膜を形成する成膜方法において、
    　前記移動軌跡のうち前記ワークと前記ノズルとの相対速度が低くなる折り返し点を、前記接続軌跡の上に設定した成膜方法。
  2. 　前記移動軌跡のうち前記ワークと前記ノズルとの相対速度がゼロになる折り返し点を、前記接続軌跡の上に設定した請求項1に記載の成膜方法。
  3. 　前記被成膜部は、シリンダヘッドの吸気ポート又は排気ポートの開口部の全周であり、
    　前記折り返し点を前記シリンダヘッドのシリンダブロックとの取付面の上に設定した請求項１又は２に記載の成膜方法。
  4. 　前記折り返し点において、ノズルと被成膜部との距離を大きくする請求項１～3のいずれか一項に記載の成膜方法。
  5. 　前記被成膜部の成膜始点より上流側に設定する折り返し点は、前記接続軌跡の上に設定し、
    　前記被成膜部の成膜終点に設定する折り返し点は、前記被成膜部に対する軌跡の上に設定する請求項１～４のいずれか一項に記載の成膜方法。
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