JPH03249313A - 内燃機関用吸排気弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、チタン合金にて形成された軽量なる内燃機関
用吸排気弁に関するものであり、さらに詳しく述べるな
らば、摺動面の耐摩耗性及び耐焼付性を向上させた内燃
機関用吸排気弁に関する。

（従来の技術） 内燃機関用吸排気弁は、一般に第２図に示すように、エ
ンジンヘッド１に配置されたステムガイド２によって位
置決めされた、リテーナ３とコツタ４を介してスプリン
グ５が元に戻ろうとする力を吸排気弁６に伝える。吸排
気弁６に与えられたスプリング５０元に戻ろうとする力
により、バルブシート７と弁傘６−１が密着し、図示し
ない燃焼室の密閉を行う、また、図示しない動力伝達機
構によりカムシャフト８に機関の回転数と同調した回転
運動が与えられ、その回転運動はバルブリフタ９を介し
て吸排気弁６に伝えられ、吸排気弁６の上下運動に変換
される。この際、スプリング５は吸排気弁６をバルブリ
フタ９を介してカム駒８−１に押し付ける働きをするた
め、吸排気弁６はカム駒８−１のプロフィールに応じた
上下運動を行う。

近年、内燃機関は高出力高回転化及び低燃費化が進めら
れており、吸排気弁のマルチバルブ化による高出力化や
、動弁系の軽量化による高回転化ならびに馬力損の低減
による燃費の向上が検討されている。

しかしながら、出力を上げるために回転数を上げて行（
と動弁系の慣性力が大きくなって行き、ついにはスプリ
ング５の反発力より大きくなり、カム駒８−１と吸排気
弁６は別々の運動をするようになる。したがってさらに
回転数を上げたい場合には動弁系の慣性重量を小さくす
るため、動弁系の軽量化を図る必要が生じる。また、動
弁系の駆動は内燃機関のクランク軸から直接得ているた
め、燃費を向上させるには動弁系に費やされる馬力損を
極力小さくすることが必要となり、動弁系の重量低減は
燃費低減にも貢献することになる。

従来内燃機関用吸排気弁は、耐熱鋼によって形成されて
きたが、鉄系材料による軽量化は限界にきており、上記
のような理由から吸排気弁を比強度の高い軽合金で製作
する検討が進められている。そこで、比較的軽量で強度
の高いチタン合金が吸排気弁として注目されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、チタン合金は耐摩耗性及び特に排気弁と
して必要な耐焼付性は不十分であり、チタン合金を吸排
気弁に使用するにあたってはその摺動面になんらかの表
面処理が必要となる。従来より検討されている処理法と
しては摺動面を窒化し、その表面にＴｉＮ層を形成させ
る方法やＭ。

溶射により表面に硬化皮膜を設ける方法などが検討され
ているが、窒化法は処理温度が高いため、処理後に材料
の歪が生じ、これを研削などにより除去するため歩留ま
りが非常に悪くなり、量産には向かない。一方、Ｍｏ溶
射はレース用の耐熱合金の溶射としては実績があるが、
チタン合金に適用したときは密着性に問題があり信頼性
に欠けるけるといった問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みチタン合金を用いた内燃機関
用吸排気弁の摺動上の問題を解決し、信頼性の高い軽量
なるチタン合金製内燃機関用吸排気弁を提供することを
目的としてなされたものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、内燃機関用吸排気弁の摺動する部分に、信頼
性の高い硬質イオンプレーティング皮膜を設けることに
よって、上記問題点を解決しようとするものである。

すなわち、本発明は、弁本体がチタン合金により形成さ
れ、バルブフェース、バルブステム及びバルブエンド部
のいずれかまたは全部に１−１０μｍの厚さの硬質イオ
ンプレーティング皮膜を生成させたことを特徴とする内
燃機関用吸排気弁にある。

硬質イオンプレーティングを形成する面は、第１図に示
すように、ステム面（同図（Ａ））、バルブフェース面
（同図（Ｂ））、バルブエンド（同図（Ｃ））、全面（
同図（Ｄ））、バルブステムトバルブフェース（同図（
Ｅ））、バブルフェースとバルブエンド（同図（Ｆ））
、バルブステムとバルブエンド（同図（Ｇ））のように
変化させることができ、焼付の発生しやすい場所に硬質
イオンプレーティングの皮膜を形成する。

硬質イオンプレーティングの膜厚は、初期なじみにおけ
る摩耗で表面層が消失し耐摩耗性が失なわれることを考
慮し、１μｍ以上の膜厚が必要であり、また表面に欠け
や亀裂が生じない良好な密着力を維持するため１０μｍ
以下とすることが必要である。より好ましい膜厚は２μ
ｍ〜７μｍの範囲である。

硬質イオンプレーティング皮膜の構成物質は１２００Ｈ
ｍｖ以上の硬度が得られる窒化物、炭窒化物、ホウ化物
などの化合物である。しかし、「密着性」の面からイオ
ンプレーティング皮膜はクロム窒素、チタンと窒素、ま
たはチタンとアルミニウムと窒素からなることが望まし
い。これらの窒化物における金属の量は３０〜］、　Ｏ
Ｏ原子％の範囲であることが好ましい、 さらに、皮膜形成直前にスパッタクリーニングにより処
理面を十分活性化させる、加熱により吸着ガス成分を低
減させるなどの予備処理を行い、密着力の良好な皮膜と
するのが望ましい。

本発明の処理対象となるチタン合金は公知のもので有り
、特に限定されないが、弁に要求される特性の面から引
張強度１００　ｋｇ／ｍが以上、１５０℃における引張
強度８０　ｋｇ／ｍｍ２以上の特性を有する合金が好ま
しい。

（作用） イオンプレーティング皮膜は母材であるチタン合金を高
温にさらさずに形成されるので、母材の歪みが少ない。

窒化による窒化層は、その製法上最表面が最も硬く材料
内部にゆ（に従って母材硬度に近くなる。よって、窒化
後に再仕上げを行った場合、歪量によって加工量が異な
れば表面の硬度にばらつきが生じ表面の均質性が失われ
てしまう。それに対しイオンプレーティングを用いて窒
化皮膜を形成させた場合、皮膜はほとんど均質な組成で
あるため場所による硬度差は発生せず、均質な表面層を
得る事ができる。

以下、実施例により本発明の詳細な説明する。

（実施例） 本実施例に使用した吸気弁は弁傘径φ６．６ｍｍ、全長
１０４．５ｍｍの吸気弁をＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの組成を
もつチタン合金の丸棒より削り出し、熱処理後フロン液
中で超音波洗浄を行った後に吸気弁のステムガイドと摺
動するステム部に硬質イオンプレーティング皮膜を５μ
ｍの厚さで設けた。

イオンプレーティングは吸気弁を治具にセットしその状
態で表面を超音波洗浄後、脱脂処理し、アーク加熱によ
る蒸発源を備えたイオンプレーティング装置の真空容器
内に取り付けた。容器内の圧力が１．３Ｘ１０−”Ｐａ
　（パスカル）以下となった時点で内蔵するヒーターで
３００〜６００℃に加熱して吸気弁に付着しているガス
成分を除去し、２００℃以下まで冷却後容器内の圧力が
４×１０−”Ｐａ以下となった時点でＣｒ、Ｔｉまたは
Ｔｉ−Ａｌからなるターゲットの表面から金属イオンを
飛び出させる。この時吸気弁と治具にはバイアス電圧を
−７００〜−９００■印加しておき、ターゲットから飛
び出した金属イオンを吸気弁と治具に引き付ける、いわ
ゆるボンバード処理により表面の活性化を行った。その
後窒素ガスを真空容器内に導入してＣｒ−Ｎ系のコーテ
ィングのときは１．３Ｘ１０−’Ｐａ、ＴｉＮ及びＴｉ
−ＡＩ−Ｎ系のコーティングのときは１．３Ｐａ程度の
圧力とし、バイアス電圧を−２０〜−２００Ｖ印加して
吸気弁のステム部にイオンプレーティング皮膜を形成さ
せた。直ちにイオンプレーティングを中止し容器内で冷
却後吸気弁を容器外へ取り出した。

このようにして得られた吸気弁を排気量１６００ｃｃ、
水冷４気筒の４サイクルガソリンエンジンに組み込み、
回転数６０００ｒｐｍ、油温１２０℃、冷却水温度９０
℃、全負荷の条件で２００時間のベンチテストを行い、
試験後の結果を未処理のチタン製吸気弁と比較し第１表
に示す。

（以下余白） 上記のように、Ｃｒ−Ｎｉ系、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ軽皮膜を
イオンプレーティングした吸気弁は、いずれも未処理の
チタン製吸気弁と比較して、耐熱摩耗性、及び耐熱焼付
性に優れており、また耐熱鋼と同等の耐摩耗性及び耐焼
付性を有していた。

（発明の効果） 以上説明したように、従来の表面処理法では、変形、密
着力等の問題があったため、チタン材を内燃機関の吸排
気弁に採用することができなかったが、本発明によれば
内燃機関用吸排気弁において摺動部に特にクロムと窒素
、チタンと窒素、またはチタンとアルミニウムと窒素か
らなる硬質イオンプレーティング皮膜を設けることによ
って、鋼材より軽量でかつ耐焼付性、耐摩耗性は鋼材と
同等のチタン製吸排気弁が提供され、内燃機関の高回転
化、高出力化、低燃費化が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｇ）は本発明の吸排気弁の実施例を示
す図、 第２図は一般的な内燃機関の動弁系の概略を示す図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関用吸排気弁において、弁本体がチタン合金
   により形成され、バルブフェース、バルブステム及びバ
   ルブエンド部のいずれかまたは全部に１〜１０μｍの厚
   さの硬質イオンプレーティング皮膜を生成させたことを
   特徴とする内燃機関用吸排気弁。 ２、前記吸排気弁の硬質イオンプレーティング皮膜がク
   ロムと窒素からなることを特徴とする請求項１記載の内
   燃機関用吸排気弁。 ３、前記吸排気弁の硬質イオンプレーティング皮膜がチ
   タンと窒素からなることを特徴とする請求項１記載の内
   燃機関用吸排気弁。 ４、前記吸排気弁の硬質イオンプレーティング皮膜がチ
   タンとアルミニウムと窒素からなり、皮膜中のＴｉとＡ
   ｌの比が原子％にてＴｉ：Ａｌ＝８０：２０〜３０：７
   ０であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用吸
   排気弁。