JPH0555234B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

技術分野 本発明は、エンジンバルブの製造法に係り、特
に、円板状のバルブ傘部と該バルブ傘部から延び
るバルブ軸部とを有するエンジンバルブ素材を加
工して、目的とするエンジンバルブを製造する方
法に関するものである。 従来技術 従来から、自動車等のエンジンには、その燃焼
室内に混合ガスを供給したり或いは燃焼室から燃
焼排ガスを排出したりするために、吸気口や排気
口を開閉するエンジンバルブが設けられている。
このエンジンバルブは、円板状のバルブ傘部と該
バルブ傘部の中心部から垂直な方向に延びるバル
ブ軸部とを有するＴ字型の形状を為すものであつ
て、そのバルブ作動は、かかるエンジンバルブが
そのバルブ軸部の軸心方向に移動せしめられるこ
とによつて、該バルブ傘部に設けられた弁フエー
ス面とエンジン本体側に設けられた弁座との間に
おいて行なわれ得るようになつている。 ところで、このような構造のエンジンバルブ
は、そのバルブ軸部の軸心方向への移動のため
に、かかるバルブ軸端に対して、カムにより直接
的に或いはスイングアーム、ロツカーアーム、突
棒等を介して間接的に駆動力を加えるようになつ
ているところから、かかるバルブ軸の軸端部に
は、耐熱性に加えて、耐摩耗性に優れていること
が必要とされるのである。このため、従来から、
エンジンバルブのバルブ軸部の軸端に、ガス法や
TIG法にて、適当な棒状の肉盛材料を用いて硬化
肉盛を行なう対策が採られている。 問題点 しかしながら、かかる従来のガス法による硬化
肉盛手法にあつては、その自動化が困難であるこ
とに加えて、硬化肉盛部に引巣、ブローホールが
でき易く、融合不良を惹起する問題があり、そし
てそのような引巣等は、硬化肉盛後において実施
される軸端部の加工（研削等）によつて加工面に
現れたりすることとなり、また前記融合不良の発
生を防止することは開先部の酸化のために極めて
困難であり、敢えてそれを防止しようとすると、
溶込みが多くなつて硬化肉盛部の品質を低下せし
める問題を惹起する。 また、TIG法に従う硬化肉盛手法にあつては、
母材との間に発生せしめられるアークが広がつ
て、母材の溶込み量が多くなり、このために肉盛
材料が希釈されて低硬度となり、目的とする耐摩
耗性に優れた高硬度の硬化肉盛部が得られない問
題を内在している。 解決手段 ここにおいて、本発明は、かかる従来の問題を
解決するために為されたものであつて、その特徴
とするところは、円板状のバルブ傘部と該バルブ
傘部から延びるバルブ軸部とを有するエンジンバ
ルブ素材を加工して、目的とするエンジンバルブ
を製造するにあたり、前記エンジンバルブ素材の
バルブ軸径：D₂に対して、下式： 0.4D₂≦D₁≦0.95D₂ を満足するノズル径：D₁を有するプラズマアー
クトーチを用い、該プラズマアークトーチと前記
エンジンバルブ素材のバルブ軸部の軸端との間に
プラズマアークを形成する一方、パウダ搬送ガス
によつて所定の粉末材料を該プラズマアーク内に
導いて、かかる粉末材料を溶融せしめ、前記バル
ブ軸端に所定の硬化肉盛を行なうようにしたこと
にある。 また、このような本発明の構成は、添付の図面
に更に具体的に示されている。 すなわち、第１図において、１０は、鉛直方向
に配置されたプラズマアークトーチ（以下、トー
チと略称する）であつて、ここではその先端部が
示されている。また、このトーチ１０は、その中
心部がタングステン電極１２を備えており、更に
この電極１２の外側に、トーチ内筒１４およびト
ーチ外筒１６がそれぞれ所定の距離を隔てて同軸
的に配設されている。そして、それら電極１２と
トーチ内筒１４との間、およびトーチ内筒１４と
トーチ外筒１６との間には、それぞれ環状の通路
１８および２０が形成されている。 また、トーチ内筒１４内に形成された環状の通
路１８は、配管２２を介してプラズマガス供給装
置２４に接続されており、アルゴンガス等のプラ
ズマガスが供給されるようになつている。そし
て、この通路１８内に供給されたプラズマガス
は、トーチ内筒１４の先端に設けられた内部ノズ
ル３０から下方に噴出せしめられるようになつて
いる。 さらに、トーチ内筒１４とトーチ外筒１６にて
形成される通路２０は、配管３２を介して搬送ガ
ス供給装置３４に接続されており、更にその配管
３２の中間部には、パウダ供給装置３６が接続さ
れて、そのパウダ供給装置３６から所定の粉末材
料が供給されるようになつている。すなわち、通
路２０には、所定量の粉末材料を含んだ搬送ガス
が供給され、そしてトーチ外筒１６の先端に設け
られたノズル３８から下方に噴出せしめられるの
である。なお、粉末材料としては、ステライト系
（Coベース）、コルモノイ系（Niベース）、Fe−
Cr系（Feベース）、Ti−金属炭化物系等の各種肉
盛材粉末が、後述する硬化肉盛されるエンジンバ
ルブ素材に応じて適宜に選択され、またその大き
さもプラズマアークによる溶融の難易等を考慮し
て適宜に設定されるものであるが、一般には−
100〜＋350メツシユ程度の球形のものが好適に用
いられ、さらに搬送ガスとしては、アルゴンガ
ス、ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられるこ
ととなる。 一方、トーチ内筒１４およびトーチ外筒１６の
ノズル３０および３８には、それぞれ冷却水通路
４０および４２が配設されて、それ等両ノズル３
０および３８を冷却するようになつている。そし
てまた、トーチ外筒１６の先端部には、シールド
ガス供給装置４４から配管４６を介してアルゴン
ガス、ヘリウムガス等の不活性ガスからなるシー
ルドガスが供給されるようになつており、そのシ
ールドガスをノズル３８の周囲に設けられた吹出
し口４８からトーチ１０の軸心方向へほぼ円筒状
に吹き出すことにより溶接部が大気からシールド
されるようになつている。 そして、かくの如き構成のトーチ１０を用いて
所定のエンジンバルブ素材５０に硬化肉盛溶接を
行なうに際しては、かかるトーチ１０の下方にエ
ンジンバルブ素材５０が図示の如く配置せしめら
れることとなる。すなわち、このエンジンバルブ
素材５０は、自動車等のエンジンの燃焼室内に混
合ガスを供給したり、あるいは燃焼室から燃焼排
ガスを排出したりするために吸気口や排気口を開
閉するエンジンバルブの原部材となるものであつ
て、円板状のバルブ傘部５２とこのバルブ傘部５
２の中心部に垂設されて延びるバルブ軸部５４と
を備えている。なお、かかるバルブ傘部５２のバ
ルブ軸部５４側に位置する傘部の外周部には、同
様な硬化肉盛が施されて、弁フエース面５６が形
成されるようになつている。また、かかるエンジ
ンバルブ素材５０の材質としては、その用途に応
じて選定されるものであつて、例えばオーステナ
イト系、マンテンサイト系、Ni基系、Ti基系等
から選ばれることとなる。 そして、かかるエンジンバルブ素材５０は、そ
のバルブ軸部５４の軸端がトーチ１０のノズル３
８に対向して且つほぼ同心的に位置するように、
配置せしめられている。しかも、ここでは、ノズ
ル３８のノズル径：D₁は、バルブ軸部５４の軸
径：D₂（軸端部の直径）に対して、下式： 0.4D₂≦D₁≦0.95D₂ を満足するように規定されている。 換言すれば、エンジンバルブ素材５０のバルブ
軸部５４の軸径：D₂に従つて、所定大きさのノ
ズル径：D₁を有するトーチ１０が用いられるこ
ととなるのである。なお、ノズル３８のノズル
径：D₁が0.4D₂よりも小さくなると、バルブ軸端
に形成される硬化肉盛部５８の形状（ビート形
状）が不良となり、カムからの駆動力の作用せし
められる軸端面を有利に形成し得ない等の問題を
生じ、一方それが0.95D₂よりも大きくなると、母
材（バルブ軸部５４）の溶込みが大きくなつて、
形成される硬化肉盛部５８の硬化が低下する等の
問題を惹起するのである。 なお、かかるトーチ１０の電極１２とトーチ内
筒１４との間には、パイロツト電源６０から所定
のパイロツト電流が供給されるようになつている
とともに、電極１２とエンジンバルブ素材５０と
の間には、メイン電源６２から所定の溶接電流が
供給されるようになつている。また、電極１２と
トーチ内筒１４との間には、パイロツト電源６０
と並列に点火用の高周波発振器６４が介挿されて
いる。 ところで、このような構成において、エンジン
バルブ素材５０のバルブ軸部５４の軸端に所定の
硬化肉盛を行なうに際しては、まずパイロツト電
源６０からパイロツト電流を供給し、電極１２の
先端とトーチ内筒１４の内部ノズル３０との間に
パイロツトアークを発生させると同時に、プラズ
マガス供給装置２４から環状通路１８内にプラズ
マガスを供給する。これにより、電極１２の先端
にプラズマアークが形成される。 その後、電極１２とエンジンバルブ素材５０と
の間にメイン電源６２から溶接電流が供給され、
電極１２の先端に形成されているプラズマアーク
をエンジンバルブ素材５０の軸端へ移行させると
ともに、搬送ガス供給装置３４およびパウダ供給
装置３６から所定の粉末材料を含む搬送ガスが通
路２０内に供給されるようにされる。この通路２
０内に供給された粉末材料は、ノズル３８から噴
出せしめられて、プラズマアークによつて溶融さ
れ、エンジンバルブ素材５０のバルブ軸端の開先
部として凹部６６に肉盛溶接される。なお、この
時、トーチ１０の先端部からはシールドガスが吹
き出されており、溶融された粉末材料や凹部６６
が空気中の酸素等の影響を受けないようにされて
いる。 そして、この状態において、エンジンバルブ素
材５０を必要に応じてその軸線まわり（バルブ軸
部５４の軸心まわり）に回転せしめつつ、肉盛溶
接することにより、バルブ軸部５４の軸端に所定
の硬化肉盛部５８が形成せしめられることとなる
のである。なお、このようなプラズマアークによ
る肉盛溶接操作を有利に行なう上において、エン
ジンバルブ素材５０には予熱が施されたり、後熱
が施されたりする場合がある。 このようにして、エンジバルブ素材５０のバル
ブ軸部５４の軸端に硬化肉盛を行なうと、そこに
形成される硬化肉盛部５８に引巣やブローホール
を生じたり、あるいは肉盛材とエンジンバルブ素
材５０との間、すなわちバルブ軸部５４の軸端と
硬化肉盛部５８との間に融合不良を発生したりす
ることが殆どないのである。これは、溶接部への
入熱が必要最少限の量において行なわれ得るから
であり、また肉盛溶接部の周囲が不活性ガス雰囲
気状態とされるからである。さらに、肉盛材料と
して粉末材料を用いているところから、従来のガ
ス法やTIG法等の棒材を用いる場合に比較して、
溶接時間を効果的に短縮化せしめ得るとともに、
硬化肉盛の自動化も容易となる。 なお、上述の説明では、エンジンバルブ素材５
０の硬化肉盛溶接を施すべき部分に、開先部とし
ての凹部６６が形成されているが、プラズマアー
クを用いて硬化肉盛を行なう場合には、そのよう
な凹部６６は必ずしも必要ではなく、例えば平坦
面であつても良好なビード形状の硬化肉盛部５８
が得られる。従つて、所定の凹部（開先）を形成
して硬化肉盛を行なう必要があつた従来のガス法
やTIG法に比較して、肉盛材の使用量が大幅に節
減され得る利益を享受することも可能である。 そして、このようにしてバルブ軸端に硬化肉盛
されたエンジンバルブ素材５０には、その後、そ
の硬化肉盛部５８に研削加工等の所定の加工が施
されて、カムの駆動力が作用せしめられる作用面
が形成され、以て耐摩耗性に優れたエンジンバル
ブに仕上げられるのである。 以上、図面に示される一つの具体的トーチ構造
に基づいて、本発明を詳細に説明してきたが、こ
のような図面に示されたトーチ構造は本発明にて
用いられるトーチの一例を示すものであつて、本
発明がそのようなトーチを用いる場合にのみ限定
して解釈されるべきものでないことは言うまでも
ないところである。 また、前述のように、エンジンバルブ素材５０
のバルブ軸部５４の硬化肉盛されるべき軸端に
は、必ずしも凹部６６を形成せしめる必要はない
が、またそのような凹部６６を設ける場合にあつ
ては、一般に２mm程度以下の深さにおいて、4R
以上の湾曲形状において形成されることとなる。
また、トーチ１０とエンジンバルブ素材５０と
は、それらのノズル３８とバルブ軸端とが互いに
対向して、且つほぼ同心的に位置するように配置
せしめられることが望ましいが、ノズル３８の軸
心、換言すればそのノズル口の中心とエンジンバ
ルブ素材５０のバルブ軸部５４の軸心との心振れ
は、一般に、該バルブ軸部の軸径：D₂に対して、
20％以下となるように規制されることとなる。 さらに、本発明にあつては、その硬化肉盛に際
して、第２図および第３図に示される如くエンジ
ンバルブ素材５０のバルブ軸部５４におけるバル
ブ軸端部分のまわりに適当なバツキング材（冷却
用当て金）を配した状態下において、実施される
場合がある。すなわち、第２図ａおよびｂに示さ
れるバツキング材７０は銅等の材料からなる円筒
状のものであつて、そのような円筒状のバツキン
グ材７０がバルブ軸部５４の端部に嵌入せしめら
れており、また第３図におけるバツキング材は半
割り形状のバツキング材７２ａ，７２ｂが組み合
わされて、それらがバルブ軸部５４の端部周囲を
取り囲むように配置されており、そのようなバツ
キング部材７０；７２ａ，７２ｂの存在下におい
て、本発明に従う硬化肉盛が行なわれることとな
るのである。また、これらバツキング材による冷
却効果をさらに高めるために、かかるバツキング
材７０；７２ａ，７２ｂの内部を冷却するように
した構造も適宜に採用されるものである。 更にその他、本発明には、本発明の趣旨を逸脱
しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて
種々なる変更、修正、改良等を加え得ることは言
うまでもないところであり、そのような実施形態
のものが、何れも本発明の具体的な一つの態様で
あることが理解されるべきである。 発明の効果 このようにして、エンジンバルブ素材のバルブ
軸部の軸端に硬化肉盛を行なえば、後述の実施例
からも明らかなように、形成される硬化肉盛部に
引巣やブローホールが発生したり、該硬化肉盛部
とバルブ軸端との間に融合不良を生じたりする問
題が有利に解消せしめられ、しかもかかる硬化肉
盛部の硬化が効果的に高められ得て、肉盛材に応
じた、目的とする耐摩耗性を有利に発揮せしめ得
るのである。また、肉盛材として粉末材料を用い
るため、従来のガス法やTIG法における如く棒材
を用いる場合に比較して硬化肉盛に要する時間が
短縮され得ると共に、硬化肉盛の自動化が容易と
なるのである。さらに、プラズマアークを用いて
硬化肉盛を行なうため、その硬化肉盛を施すべき
開先部の深さが浅くても良好なビード形状の硬化
肉盛が得られ、以て肉盛材の使用量が大幅に節減
され得る利益も享受することが可能である。 実施例 以下、本発明を更に具体的に明らかにするため
に、本発明の実施例を示すが、本発明がそのよう
な実施例の記載によつて何等制限的に解釈される
ものではないこと、言うまでもないところであ
る。なお、実施例中の百分率は、特に段りのない
限り、重量基準にて示されている。 実施例 １ 下記第１表に示される母材をそれぞれエンジン
バルブ素材５０として、第１図に示される構造の
トーチ１０を用いてプラズマ肉盛溶接（PPW）
を行ない、また同時に比較のために従来のガス法
による肉盛溶接も行なつた。なお、各実験におい
ては、下記第１表に示される如く、開先形状６６
銅バツキング７０、バルブ軸５４径、ノズル３８
径を種々異ならしめて、それぞれの内盛溶接操作
が繰り返された。 なお、本発明に従うプラズマ肉盛溶接手法を含
むPPW操作にあつては、トーチ１０（ノズル３
８）とエンジンバルブ素材５０（バルブ軸端）と
の間の距離は10mmとされ、溶接電流（メイン電
流）を90〜95、溶接時間を1.2秒／min、プラズ
マガス（Ar）の供給量を２／min、パウダー
搬送ガス（Ar）を5.0／min、シールドガス
（Ar）の供給量を10／minとする溶接条件が採
用された。 また、それぞれのエンジンバルブ素材のバルブ
軸端部に形成された硬化肉盛部について、そのビ
ード形状、その硬さ（HRC）、更にはブローホー
ルおよび引巣の有無について調べた結果を、第１
表に伴わせ示した。

【表】

【表】 かかる第１表から明らかなように、本発明に従
うNo.１〜９の硬化肉盛においては、硬化肉盛部５
８に引巣やブローホールが生じたり、融合不良を
発生せしめたりすることがなく、また、ビード外
観も良好であつて、その硬さにおいても優れてお
り、エンジンバルブのバルブ軸端に要求させる耐
摩耗性を充分に満たすものであることが認められ
る。 これに対して、比較例のNo.10の場合には、ノズ
ル径：D₁が本発明の範囲より小さくなつている
ために、ビード形状が損なわれるという問題を惹
起しており、またノズル径：D₁が0.95D₂よりも
大きなNo.11の場合には、母材の溶込みが大きく、
それ故に肉盛材が希釈されて、形成される硬化肉
盛部の硬さが低下しているのである。また、No.13
〜15のガス法による内盛溶接にあつては、引巣や
ブローホールが発生し、また硬化肉盛部の硬さも
充分でないことが認められる。 実施例 ２ 実施例１と同様にして、SUH11材料からなる
自動車用エンジンバルブ素材のバルブ軸端に、ス
テライト＃ 12の粉末材料を硬化内盛する際に、プ
ラズマガス供給量を1.5／分で一定とし、また
パウダ搬送ガス量：５／分、シールドガス供給
量：15／分、トーチ（ノズル）とバルブ軸端と
の間の距離：10mmとして、溶接電流を80A及び
150Aの２種類に設定し、その異なる溶接電流の
下におけるノズル径D₁とバルブ軸径D₂との関係
について、硬化肉盛部のビード形状にて評価し、
その結果を第４図に示した。 また、溶接電流を100Aで一定とする一方、プ
ラズマガスの供給量を1.0／分及び1.8／分の
２種類に設定すること以外は、上記と同様にし
て、硬化肉盛を行ない、その異なるプラズマガス
供給量の下におけるノズル径D₁とバルブ軸径D₂
との関係について、硬化肉盛部のビード形状にて
評価し、その結果を第５図に示した。 なお、それら第４図及び第５図における記号に
関して、○印は硬化肉盛部のビード形状が良好で
あつたことを示し、また△印はビード形状がやや
損なわれるものの、実用上使用可能であつたこと
を示し、更に×印は硬化肉盛部のビード形状が不
良であつたことを示している。 そして、かかる第４図及び第５図の結果より明
らかなように、バルブ軸径D₁と開先幅D₂の関係
について、溶接条件の電流とプラズマガス供給量
からみても、それらの溶接条件の変化にも拘わら
ず、本発明に従う0.4D₂≦D₁≦0.95D₂の条件下に
おいては、優れた特性を有する良好な硬化肉盛部
を得ることが出来たのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を好適に実施し得る装置の構成
の一例を示す説明図であり、第２図ａはエンジン
バルブ素材のバルブ軸端部にバツキング材を取り
付けた状態を示す部分断面要部拡大図であり、第
２図ｂは第２図ａにおける−断面図であり、
第３図はそのようなバツキング材の他の例を説明
する第２図ｂに相当する断面図である。第４図
は、実施例２において得られた、異なる溶接電流
に対するノズル径D₁とバルブ軸径D₂との関係を
調べた結果を示すグラフである。第５図は、実施
例２において得られた、異なるプラズマガス供給
量に対するノズル径D₁とバルブ軸径D₂との関係
を調べた結果を示すグラフである。 １０：プラズマアークトーチ、３８：ノズル、
５０：エンジンバルブ素材、５２：バルブ傘部、
５４：バルブ軸部、５８：硬化肉盛部、７０，７
２ａ，７２ｂ：バツキング材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円板状のバルブ傘部と該バルブ傘部から延び
   るバルブ軸部とを有するエンジンバルブ素材を加
   工して、目的とするエンジンバルブを製造するに
   あたり、 前記エンジンバルブ素材のバルブ軸径：D₂に
   対して、下式： 0.4D₂≦D₁≦0.95D₂ を満足するノズル径：D₁を有するプラズマアー
   クトーチを用い、該プラズマアークトーチと前記
   エンジンバルブ素材のバルブ軸部の軸端との間に
   プラズマアークを形成する一方、パウダ搬送ガス
   によつて所定の粉末材料を該プラズマアーク内に
   導いて、かかる粉末材料を溶融せしめ、前記バル
   ブ軸部の軸端に所定の硬化肉盛を行なうようにし
   たことを特徴とするエンジンバルブの製造法。 ２ 前記硬化肉盛が、前記エンジンバルブ素材の
   バルブ軸部の軸端部分の周りに冷却用当て金を配
   した状態下において、実施される特許請求の範囲
   第１項記載の製造法。 ３ 前記プラズマアークトーチのノズルが、前記
   エンジンバルブ素材のバルブ軸部の軸端に対向し
   て且つ略同心的に位置するように、配置せしめら
   れる特許請求の範囲第１項又は第２項記載の製造
   法。