JP4397754B2 - エンジンバルブ及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、自動車用エンジンの吸気バルブ及び排気バルブとして使用されるエンジンバルブ及びその製造方法に関する。

近年、自動車用エンジンの高回転化や軽量化の要請から、吸気バルブや排気バルブとしてチタン合金製のエンジンバルブが使われている。図７に示すように、一般的なエンジンバルブ３１は、軸部３２と、その軸部３２の一端に形成された傘部３３と、軸部３２の他端に形成された溝部３４及び軸端部３５とを備える。この種のエンジンバルブ３１は、図８に示すように、溝部３４にコッタ４１を介してスプリングリテーナ４２が設けられ、そのスプリングリテーナ４２には、圧縮スプリングよりなるバルブスプリング４３がシリンダヘッドとの間に設けられる。従って、溝部３４の部分には、バルブスプリング４３により、図８において上向き（矢印方向）の付勢力が作用することになる。

ここで、チタン合金製のエンジンバルブは、活性により他の金属と凝着を起こし易く、耐摩耗性が十分ではない。このため、エンジンバルブにおいて、特にロッカーアームなどと頻繁に接触する軸端部３５を含む軸先端部分は、他の部分よりも高い耐摩耗性が要求される。そこで、この種のチタン合金製のエンジンバルブに関する技術が、下記の特許文献１乃至４に種々開示される。

特許文献１に記載されたエンジンバルブは、チタン合金製のエンジンバルブの耐摩擦性を向上させるために、耐摩擦性が要求される部位に、酸素拡散層又は酸素拡散及び浸炭層が形成されている。

特許文献２に記載されたエンジンバルブは、図９に示すように、軸部３２の傘部とは反対側の端部に、焼き入れ硬化させた鋼製棒状部材を摩擦圧接させた後、機械加工して、耐摩耗性を有する軸先端部３６を形成している。この軸先端部３６は、上記した溝部３４と軸端部３５を含む。

特許文献３に記載されたエンジンバルブは、チタン合金製のエンジンバルブの軸端部の頂面に形成された凹部に、予め所定寸法に加工した鋼製チップを、焼き入れ硬化させて冷間圧入している。

特許文献４に記載されたエンジンバルブは、図１０に示すように、チタン合金製のエンジンバルブの軸部３２の一端に、耐熱鋼製の軸端部材３７を、ニッケル系のろう材３８によりろう付けしている。この軸端部材３７は、溝部３４及び軸端部３５を含む。

特開２００２−９７９１４号公報（第２−３頁、図１） 特開平５−５９９１９号公報（第２頁、図２） 特開平５−１４６９２１号公報（第２頁、図２，３） 特開平５−２０２７０６号公報（第２−３頁、図１，２）

ところが、特許文献１に記載のエンジンバルブは、耐摩擦性が要求される部位に形成される層が、酸素拡散層（酸化処理）と浸炭層だけで膜厚が十分ではなかった。このため、各層が軸端部の応力に耐えられなくなるおそれがあった。

特許文献２に記載のエンジンバルブは、鋼製棒部材よりなる軸先端部３６が溝部３４を含み、その溝部３４より下側で軸部３２と軸先端部３６が接合されている。このため、エンジンバルブの傘部がバルブシートに着座するたびに、溝部３４の部分に上向きに作用するバルブスプリングの付勢力が、軸先端部３６を軸部３２との接合部分から引き離す方向に働くことになり、接合強度の低下が問題となった。また、軸部３２と軸先端部３６との接合界面の位置を制御することも難しかった。

特許文献３に記載のエンジンバルブは、鋼製チップが凹部に圧入されるだけなので、鋼製チップにカムなどの衝撃が加わるうちに鋼製チップが凹部から脱落するおそれがあった。

特許文献４に記載のエンジンバルブでは、そもそもニッケル系ろう材は、チタン合金に用いられると、脆化物を形成するため、機能部品への適用が困難であった。このため、軸部３２がチタン−アルミ系金属間化合物に限定されることになった。また、ろう付け時の熱処理条件しだいでは、溝部３４の部分の疲労特性が低下するおそれがあった。更に、このエンジンバルブでも、溝部３４の部分に上向きに作用するバルブスプリングの付勢力が、軸端部材３７を軸部３２との接合部分から引き離す方向に働くことになるので、接合強度の低下が問題となった。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、軸端部の耐摩耗性と、軸端部及び溝部の近傍における疲労強度を向上させるエンジンバルブ及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、軸部と、軸部の一端に形成される傘部と、軸部の他端に形成される溝部及び軸端部とを備え、アルミを含有したチタン合金により形成されるエンジンバルブであって、軸部、傘部、溝部及び軸端部を含むワークの、少なくとも表面全体を予め加熱により針状組織としておき、その後、軸部の一部、溝部及び軸端部の少なくとも表面と、焼き入れ可能な耐熱鋼チップとを加熱することにより、軸端部の先端に耐熱鋼チップをろう付けすると共に、軸部の一部、溝部及び軸端部の少なくとも表面を針状組織から等軸組織又は溶体化組織としたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、軸部、傘部、溝部及び軸端部を含むワークの、少なくとも表面全体を予め加熱により針状組織としておき、その後、軸部の一部、溝部及び軸端部の少なくとも表面と、焼き入れ可能な耐熱鋼チップとが加熱されるので、それら部位の表面組織の最適化が行われる。また、その加熱により軸端部の先端に耐熱鋼チップがろう付けされるので、軸端部の先端に耐熱鋼チップが比較的容易に接合される。また、軸部の一部、溝部及び軸端部の少なくとも表面を針状組織から等軸組織又は溶体化組織としたので、エンジンバルブとしての耐熱性は従来通り確保される。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、軸部と、軸部の一端に形成される傘部と、軸部の他端に形成される溝部及び軸端部とを備え、アルミを含有したチタン合金により形成されるエンジンバルブの製造方法であって、軸部、傘部、溝部及び軸端部を加熱することにより全体を針状組織とする第１加熱工程と、軸端部の先端にろう材を介して焼き入れ可能な耐熱鋼チップを適当な荷重で押付け保持する工程と、耐熱鋼チップ、軸端部、溝部及び軸部の一部を加熱することにより、軸端部の先端に耐熱鋼チップをろう付けすると共に、軸端部、溝部及び軸部の一部の少なくとも表面を等軸組織又は溶体化組織とする第２加熱工程と、第２加熱工程の直後にその加熱部分を急冷却する急冷却工程とを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、耐熱鋼チップが軸端部に好適にろう付けと同時に焼き入れされる。これと同時に、軸部の一部、溝部及び軸端部の少なくとも表面に等軸組織又は溶体化組織が形成されると共に、軸部の一部以外の部分及び傘部に針状組織が形成される。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項６に記載のエンジンバルブの製造方法において、第２加熱工程は、真空中又は不活性雰囲気の下で所定時間行われる高周波誘導加熱であることを趣旨とする。

上記構成によれば、請求項３に記載の発明の作用に加え、耐熱鋼チップが、真空中又は不活性雰囲気の下で高周波誘導加熱により短時間で高品質にろう付けされる。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項６又は７に記載のエンジンバルブの製造方法において、第２加熱工程の加熱保持温度は、β変態点−１００〜＋１００℃、かつ、ろう材の液相線以上で、かつ、耐熱鋼チップの焼き入れ温度以上であり、加熱保持時間は１〜１０分であることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項２又は３に記載の発明の作用に加え、耐熱鋼チップのろう付け及び焼き入れと、軸端部及び溝部などの少なくとも表面の組織の最適化が一工程で行われる。

請求項１に記載の発明によれば、軸端部の先端に耐熱鋼チップをろう付けした、アルミを含有したチタン合金よりなるエンジンバルブを比較的容易に製造することができる。

請求項２に記載の発明によれば、耐熱鋼チップのろう付け及び焼き入れと、軸部の一部、溝部及び軸端部の少なくとも表面の組織の最適化を同時に行うことができ、エンジンバルブの製造時間の短縮化を図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の効果に加え、酸化などがなく軸端部への耐熱鋼チップの焼き入れと同時にろう付けが速やかに行われ、エンジンバルブの製造時間の短縮化を図ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項２又は３に記載の発明の効果に加え、耐熱鋼チップの焼き入れと同時にろう付けと、軸端部及び溝部などの少なくとも表面の組織の最適化が図られ、エンジンバルブの品質を高めることができる。

以下、本発明におけるエンジンバルブ及びその製造方法を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態のエンジンバルブ１を正面図により示す。このエンジンバルブ１は、エンジンの吸気バルブや排気バルブとして使用されるものであり、軸部２と、その軸部２の一端（基端）に形成された傘部３と、軸部２の他端（先端）に形成された溝部４及び軸端部５とを備える。上記の構成部位２〜５は、アルミを含有したチタン合金により形成される。この実施形態の軸端部５は、従来例のエンジンバルブ３１における軸端部３５（図７参照）に比べて短いものとなっている。この軸端部５の先端には、焼き入れ可能な耐熱鋼チップ６が加熱されると共にろう付けされる。すなわち、軸端部５の先端には、耐熱鋼チップ６が、ろう材７を介して接合される。

図２に、軸部２の先端部分、溝部４、軸端部５及び耐熱鋼チップ６を含むエンジンバルブ１の先端部分を拡大して示す。図２には、各構成部位２〜７の違いが異なる模様で示される。この実施形態で、軸部２の一部、溝部４及び軸端部５の少なくとも表面は、図２に右上がりの斜線群で示す等軸組織（α＋β）又は溶体化組織（β）より構成される。また、軸部２の一部以外の部分及び傘部３が、図２に右下がりの斜線群で示す針状組織（α＋β）より構成される。つまり、チタン合金より形成される部分は、等軸組織（α＋β）又は溶体化組織（β）と、針状組織（α＋β）とにより構成される。ここで、図１，２には、ろう材７が他と区別できるように層状に図示されるが、実際には、ろう材７は接合時に相互拡散するので、図示するように層としては残らない。図２において、軸部２の一部であって溝部４の下端から少なくとも１〜１０ｍｍの範囲の少なくとも表面は、等軸組織（α＋β）又は溶体化組織（β）より構成される。

図３には、この実施形態におけるエンジンバルブ１の各部位（耐熱鋼チップ、その他の部分（チタンバルブ））につき、組成、β変態点、表面処理・熱処理の違いを表に示す。図４には、この実施形態におけるろう材７の一例につき、組成、固相線、液相線及びろう付け温度例の違いを表に示す。

この実施形態のエンジンバルブ１についても、図８に示すと同様、溝部４にコッタを介してスプリングリテーナが設けられ、そのリテーナには、圧縮スプリングよりなるバルブスプリングがシリンダヘッドとの間で設けられる。これにより、溝部４の部分には、バルブスプリングにより上向きの付勢力が作用することになる。

次に、上記したエンジンバルブ１の製造方法について説明する。図５に、エンジンバルブ１の製造工程をフローチャートに示す。このフローチャートに付される各番号に沿って順次説明する。

（１）素形材が準備される。
（２）素形材につき、熱間鍛造が行われる。この鍛造で、素形材から、図１に示す軸部２、傘部３、溝部４及び軸端部５を含んだ基本形状をなすワークが得られる。
（３）熱間鍛造後のワークにつき、第１熱処理が行われる。この熱処理により、ワークの全体表面が針状組織（α＋β）に形成される。この第１熱処理は、本発明（請求項２）における第１加熱工程に相当する。尚、第１熱処理は、熱間鍛造後の冷却工程を兼ねてもよい。
（４）ワークの機械加工が行われる。この加工により、ワークの外形が整えられる。
（５）ワーク表面の酸化処理が行われる。
（６）軸端部の端面が加工される。この加工は、酸化層を除去することで、後に、軸端部の端面に耐熱鋼チップをろう付けし易くするための準備である。
（７）軸端部の端面に耐熱鋼チップがろう付けされる。このろう付けは、複数の工程で行われる。先ず、軸端部の端面に耐熱鋼チップがろう材を介してある適当な荷重、又は、耐熱鋼チップの自重で押付け保持される。この押付け保持が、本発明（請求項２）における押付け保持する工程に相当する。次に、所定部位につき第２熱処理が行われ、次に、所定部位につき急冷却処理が行われる。

ここで、第２加熱処理は、以下のように行われる。図６に示すように、軸部２の一部、溝部４、軸端部５及び耐熱鋼チップ６を含む先端部分の周囲を誘導加熱コイル１１で取り囲む。そして、真空中又は不活性雰囲気の下で所定時間にわたりコイル１１を作動させることにより、上記した先端部分を高周波誘導加熱する。図６に示すように、この第２熱処理の加熱は、耐熱鋼チップ６の上端から、軸部５であって溝部４の端から少なくとも１〜１０ｍｍの範囲にて行われる。このときの加熱保持温度は、β変態点−１００〜＋１００℃、かつ、ろう材の液相線以上で、かつ、耐熱鋼チップの焼き入れ温度以上であり、その加熱保持時間は１〜１０分である。この第２熱処理により、耐熱鋼チップ６、軸端部５、溝部４及び軸部２の一部の表面を加熱し、軸端部５の先端に耐熱鋼チップを６ろう付けすると共に焼き入れし、軸端部５、溝部４及び軸部２の一部の少なくとも表面を等軸組織（α＋β）又は溶体化組織（β）としている。この第２熱処理は、本発明（請求項２）における第２加熱工程に相当する。また、上記した急冷却処理は、水、油、液体窒素もしくはドライアイスなどにより加熱範囲を冷却することにより行われる。この急冷却処理は、本発明（請求項２）における急冷却工程に相当する。

（８）ワーク仕上加工が行われる。すなわち、第２熱処理後の寸法確保が行われる。
（９）第２熱処理部分につき、メッキなどを使用して表面処理が行われる。但し、この表面処理は、組織への影響が無い処理温度（例えば、メッキの場合は数十℃）で行う必要がある。
（１０）上記工程を経ることにより、エンジンバルブが完成する。

以上説明したこの実施形態のエンジンバルブ１によれば、軸端部５の先端に耐熱鋼チップ６をろう付けしたので、軸端部５が耐熱鋼チップ６を介してロッカーアームなどの部材と接触することになる。また、耐熱鋼チップ６が、溝部４を挟んで軸部２と反対側に位置するので、溝部４の部分にバルブスプリングの付勢力が作用しても、耐熱鋼チップ６のろう付け部分に影響がない。このため、従来のエンジンバルブ３１に比べ、エンジンバルブ１の軸端部５の耐摩耗性を向上させることができ、軸端部５及び溝部４の近傍における疲労強度を向上させることができる。このため、特に、エンジン高速回転時などにおいて、エンジンバルブ１の軸部２の振れが大きくなるような場合に、軸端部５及び溝部４の近傍における疲労破壊を効果的に抑制することができるようになる。

この実施形態のエンジンバルブ１によれば、軸部２の一部、溝部４及び軸端部５の少なくとも表面が等軸組織（α＋β）又は溶体化組織（β）より構成されるので、その部分の疲労亀裂成長速度が遅くなる。この意味で、軸端部５及び溝部４の近傍における疲労強度を更に高めることができる。また、軸部２の一部以外の部分及び傘部３が針状組織（α＋β）より構成されるので、その部分の高温に対するひずみが少ない。このため、従来のチタン合金製エンジンバルブ並の耐熱性を確保しつつ、溝部４の近傍の疲労強度を高めることができる。

また、この実施形態のエンジンバルブ１では、軸部２の一部であって溝部４の端から少なくとも１〜１０ｍｍの範囲の少なくとも表面が等軸組織（α＋β）又は溶体化組織（β）より構成されるので、溝部４に隣接した軸部２の一部分につき最適範囲で疲労亀裂成長速度が遅くなる。このため、溝部４と軸部２のつなぎ部分でも高い疲労強度を得ることができ、エンジンバルブ１の耐久性を高めることができる。

この実施形態におけるエンジンバルブの製造方法によれば、軸端部５の先端に、焼き入れ可能な耐熱鋼チップ６を加熱によりろう付けしているので、軸端部５の先端に耐熱鋼チップ６が比較的容易に接合される。このため、軸端部５の先端に耐熱鋼チップ６をろう付けした、アルミを含有したチタン合金よりなるエンジンバルブ１を、比較的容易に製造することができる。

この実施形態におけるエンジンバルブの製造方法によれば、軸部２の一部、溝部４及び軸端部５の少なくとも表面と耐熱鋼チップ６が、真空中又は不活性雰囲気の下で高周波誘導加熱され、その加熱後に急冷却されるので、軸端部５への耐熱鋼チップ６の高品質なろう付けと焼き入れが短時間に行われる。このため、エンジンバルブ１の製造時間の短縮化を図ることができる。

この実施形態におけるエンジンバルブの製造方法によれば、耐熱鋼チップ６が軸端部５に好適にろう付けされると同時に焼き入れされる。さらに、軸部２の一部、溝部４及び軸端部５の少なくとも表面に等軸組織（α＋β）又は溶体化組織（β）が形成されると共に、軸部２の一部以外の部分及び傘部３は針状組織（α＋β）が維持される。このため、耐熱鋼チップ６のろう付けと、軸部２の一部、溝部４及び軸端部５の少なくとも表面の組織の最適化を同時に行うことができ、この意味でも、エンジンバルブ１の製造時間の短縮化を図ることができる。

この実施形態におけるエンジンバルブの製造方法によれば、軸部２の一部であって溝部４の端から少なくとも１〜１０ｍｍの範囲の少なくとも表面に等軸組織（α＋β）又は溶体化組織（β）が形成される。このため、溝部４の近傍、特に軸部２側を、適度な範囲で疲労強度を高めることができる。

また、上記した第２熱処理において、加熱保持温度が、β変態点−１００〜＋１００℃、かつ、ろう材の液相線以上で、かつ、耐熱鋼チップの焼き入れ温度以上であり、加熱保持時間は１〜１０分に設定されることから、耐熱鋼チップ６のろう付けと、軸端部５及び溝部４などの少なくとも表面の組織の最適化が図られる。このため、エンジンバルブ１の品質を高めることができる。

尚、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。

例えば、前記実施形態では、アルミを含有したチタン合金よりなるエンジンバルブ１につき、軸端部５の先端に、耐熱鋼チップ６をろう付けすると共に、軸部２の一部、溝部４及び軸端部５の少なくとも表面を等軸組織（α＋β）又は溶体化組織（β）より構成し、上記軸部２の一部以外の部分及び傘部３の表面を針状組織（α＋β）より構成した。これに対し、上記構成から、等軸組織（α＋β）又は溶体化組織（β）、並びに、針状組織（α＋β）を省略したエンジンバルブと、そのエンジンバルブの製造方法に具体化してもよい。

また、前記実施形態におけるエンジンバルブの製造方法では、一連の製造工程中、「ワーク仕上加工」の後に、第２熱処理部分につき、メッキなどを使用して「表面処理」を行ったが、この「表面処理」を省略してもよい。

一実施形態に係り、エンジンバルブを示す正面図。 エンジンバルブの先端部分の構成を示す拡大図。 エンジンバルブ各部位の諸元を示す表。 ろう材の諸元を示す表。 エンジンバルブの製造工程を示すフローチャート。 第２熱処理の工程を示す説明図。 従来例のエンジンバルブを示す正面図。 エンジンバルブ先端部の使用状態を示す断面図。 従来例のエンジンバルブ先端部を示す正面図。 従来例のエンジンバルブ先端部を示す正面図。

１ エンジンバルブ
２ 軸部
３ 傘部
４ 溝部
５ 軸端部
６ 耐熱鋼チップ
７ ろう材

Claims (4)

1. 軸部と、前記軸部の一端に形成される傘部と、前記軸部の他端に形成される溝部及び軸端部とを備え、アルミを含有したチタン合金により形成されるエンジンバルブであって、
   前記軸部、前記傘部、前記溝部及び前記軸端部を含むワークの、少なくとも表面全体を予め加熱により針状組織としておき、その後、前記軸部の一部、前記溝部及び前記軸端部の少なくとも表面と、焼き入れ可能な耐熱鋼チップとを加熱することにより、前記軸端部の先端に前記耐熱鋼チップをろう付けすると共に、前記軸部の一部、前記溝部及び前記軸端部の少なくとも表面を前記針状組織から等軸組織又は溶体化組織としたことを特徴とするエンジンバルブ。
2. 軸部と、前記軸部の一端に形成される傘部と、前記軸部の他端に形成される溝部及び軸端部とを備え、アルミを含有したチタン合金により形成されるエンジンバルブの製造方法であって、
   前記軸部、前記傘部、前記溝部及び前記軸端部を加熱することにより全体を針状組織とする第１加熱工程と、
   前記軸端部の先端にろう材を介して焼き入れ可能な耐熱鋼チップを適当な荷重で押付け保持する工程と、
   前記耐熱鋼チップ、前記軸端部、前記溝部及び前記軸部の一部を加熱することにより、前記軸端部の先端に前記耐熱鋼チップをろう付けすると共に、前記軸端部、前記溝部及び前記軸部の一部の少なくとも表面を等軸組織又は溶体化組織とする第２加熱工程と、
   前記第２加熱工程の直後にその加熱部分を急冷却する急冷却工程と
   を備えたことを特徴とするエンジンバルブの製造方法。
3. 前記第２加熱工程は、真空中又は不活性雰囲気の下で所定時間行われる高周波誘導加熱であることを特徴とする請求項２に記載のエンジンバルブの製造方法。
4. 前記第２加熱工程の加熱保持温度は、β変態点−１００〜＋１００℃、かつ、ろう材の液相線以上で、かつ、前記耐熱鋼チップの焼き入れ温度以上であり、前記加熱保持時間は１〜１０分であることを特徴とする請求項２又は３に記載のエンジンバルブの製造方法。

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