JPH0657478A - クロム被覆の方法および該方法で被覆されたエンジン用金属製バルブ - Google Patents
クロム被覆の方法および該方法で被覆されたエンジン用金属製バルブInfo
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- JPH0657478A JPH0657478A JP5137629A JP13762993A JPH0657478A JP H0657478 A JPH0657478 A JP H0657478A JP 5137629 A JP5137629 A JP 5137629A JP 13762993 A JP13762993 A JP 13762993A JP H0657478 A JPH0657478 A JP H0657478A
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- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D3/00—Electroplating: Baths therefor
- C25D3/02—Electroplating: Baths therefor from solutions
- C25D3/04—Electroplating: Baths therefor from solutions of chromium
- C25D3/06—Electroplating: Baths therefor from solutions of chromium from solutions of trivalent chromium
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- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
- C25D5/48—After-treatment of electroplated surfaces
- C25D5/50—After-treatment of electroplated surfaces by heat-treatment
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
- 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
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
- F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 従来用いられていた六価クロムの被覆よりも
優れた耐摩耗性を作り出している内燃機関のバルブを提
供する。 【構成】 ステム（４）を有する内燃機関のバルブ（１
００）であって、そのステムの上に、三価クロムの被覆
が電気めっきされて、それが、最低でも約150°Ｆの温
度に少なくとも約30分間加熱される。三価クロムと硼酸
を含む水溶液（２６）の中で電気めっきされることが望
ましく、なお、その溶液が約2.0ないし約3.0のpＨを有
していることも望ましい。またその溶液に安定剤、また
は調整剤が含まれることも望ましい。
優れた耐摩耗性を作り出している内燃機関のバルブを提
供する。 【構成】 ステム（４）を有する内燃機関のバルブ（１
００）であって、そのステムの上に、三価クロムの被覆
が電気めっきされて、それが、最低でも約150°Ｆの温
度に少なくとも約30分間加熱される。三価クロムと硼酸
を含む水溶液（２６）の中で電気めっきされることが望
ましく、なお、その溶液が約2.0ないし約3.0のpＨを有
していることも望ましい。またその溶液に安定剤、また
は調整剤が含まれることも望ましい。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には、表面上に
おいて耐摩耗性のクロムのめっき、すなわち被覆を有す
る内燃機関のバルブ、より特定的に言うならば、ステム
の部分に耐摩耗性のクロムのめっき、すなわち被覆が付
与されたエンジンのバルブであって、その被覆が、三価
クロムを含む水溶液から電着された後に最低でも約150
°Ｆの温度に少なくとも30分間加熱されたことによっ
て、種々のクロム酸化物と複合した複合クロム炭化物を
生成し、その結果、下地との間での高度に効果的な結合
を確立すると共に、シミュレートされた運転状態の下で
の焼付きまでの時間を、従来そのような目的のために用
いられていた六価クロムめっきのそれよりも実質的に長
くしている、という被覆であるエンジンのバルブに関す
る。
おいて耐摩耗性のクロムのめっき、すなわち被覆を有す
る内燃機関のバルブ、より特定的に言うならば、ステム
の部分に耐摩耗性のクロムのめっき、すなわち被覆が付
与されたエンジンのバルブであって、その被覆が、三価
クロムを含む水溶液から電着された後に最低でも約150
°Ｆの温度に少なくとも30分間加熱されたことによっ
て、種々のクロム酸化物と複合した複合クロム炭化物を
生成し、その結果、下地との間での高度に効果的な結合
を確立すると共に、シミュレートされた運転状態の下で
の焼付きまでの時間を、従来そのような目的のために用
いられていた六価クロムめっきのそれよりも実質的に長
くしている、という被覆であるエンジンのバルブに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関のバルブのステムは、エンジン
が作動している間に、バルブガイドの中において、高
速、高温で往復運動することを要求され、なお、不適当
な着座状態および／またはロッカーアームの横方向荷
重、およびその他ミスアラインメントに起因して生ずる
曲げの力を受ける。その曲げの力は一般に、ステムの摩
擦による摩耗を助長する。その摩擦による摩耗は、エン
ジンの回転速度と作動温度がより高くなりバルブのステ
ムにおける潤滑の利用されやすさは低下するという今日
の動向の下では、さらにひどくなる バルブステムは一般に種々の方法で保護されるが、耐摩
耗性を達成し、バルブガイドの内でのバルブステムの運
動の性能を改善するためには、クロムめっきが最も普通
に用いられて来た。バルブガイドは、直線方向ベアリン
グとして働くので、本来的にバルブステムと接触してい
るから、それ自体も摩耗を被る。
が作動している間に、バルブガイドの中において、高
速、高温で往復運動することを要求され、なお、不適当
な着座状態および／またはロッカーアームの横方向荷
重、およびその他ミスアラインメントに起因して生ずる
曲げの力を受ける。その曲げの力は一般に、ステムの摩
擦による摩耗を助長する。その摩擦による摩耗は、エン
ジンの回転速度と作動温度がより高くなりバルブのステ
ムにおける潤滑の利用されやすさは低下するという今日
の動向の下では、さらにひどくなる バルブステムは一般に種々の方法で保護されるが、耐摩
耗性を達成し、バルブガイドの内でのバルブステムの運
動の性能を改善するためには、クロムめっきが最も普通
に用いられて来た。バルブガイドは、直線方向ベアリン
グとして働くので、本来的にバルブステムと接触してい
るから、それ自体も摩耗を被る。
【０００３】バルブガイド内でのバルブステムの焼付
き、すなわち固着は、恐らく、摩耗に起因して生ずるス
テムとガイドの間の間隙の増大よりももっと一般的な、
ステムとガイドの相互間で起こる故障の様式である。何
故ならばそれは、その特質として、開いた位置でバルブ
が焼き付くという結果を生み、そうなったならば、燃焼
室の漏れが生ずるほか、開いた位置でステムが焼き付い
ているときにエンジンのピストンがバルブのヘッド部に
突き当たるならば、バルブの破壊も起こり得るからであ
る。
き、すなわち固着は、恐らく、摩耗に起因して生ずるス
テムとガイドの間の間隙の増大よりももっと一般的な、
ステムとガイドの相互間で起こる故障の様式である。何
故ならばそれは、その特質として、開いた位置でバルブ
が焼き付くという結果を生み、そうなったならば、燃焼
室の漏れが生ずるほか、開いた位置でステムが焼き付い
ているときにエンジンのピストンがバルブのヘッド部に
突き当たるならば、バルブの破壊も起こり得るからであ
る。
【０００４】クロムは、概して言うならば、地球の地殻
の中に豊富にある元素であって、二価のＣｒ+2から六価
のＣｒ+6までの酸化された状態で現れている。従来は、
六価クロムだけが内燃機関のバルブのための効果的な耐
摩耗性の表面を提供し得ると考えられていた。何故なら
ば、それが、金属製のステムである下地によく結合する
し、なお、六価クロムも三価クロムも被覆としてのデポ
ジットの特性においては似ているものの、三価クロム
は、本発明に至るまでは、高速高温のエンジンの作動の
苛酷さに耐えるに十分な硬度やバルブステムへの被覆の
付着性を示していなかったからである。
の中に豊富にある元素であって、二価のＣｒ+2から六価
のＣｒ+6までの酸化された状態で現れている。従来は、
六価クロムだけが内燃機関のバルブのための効果的な耐
摩耗性の表面を提供し得ると考えられていた。何故なら
ば、それが、金属製のステムである下地によく結合する
し、なお、六価クロムも三価クロムも被覆としてのデポ
ジットの特性においては似ているものの、三価クロム
は、本発明に至るまでは、高速高温のエンジンの作動の
苛酷さに耐えるに十分な硬度やバルブステムへの被覆の
付着性を示していなかったからである。
【０００５】六価クロムイオンを含むめっき液からクロ
ム被覆を電着させることの例が、米国特許第 3,930,527
号、第 4,108,770号で開示されており、それら特許での
開示は、本書に参考として組み込まれている。
ム被覆を電着させることの例が、米国特許第 3,930,527
号、第 4,108,770号で開示されており、それら特許での
開示は、本書に参考として組み込まれている。
【０００６】六価クロムイオンでの電気めっきに関する
多くの情報が技術文献にあるが、三価クロムイオンでの
電気めっきを取り上げた文献がないアメリカ金属協会の
1985年出版の METALS HANDBOOKのP29.14−P29.16の「硬
質クロムめっき」の章の中でも記述がない。
多くの情報が技術文献にあるが、三価クロムイオンでの
電気めっきを取り上げた文献がないアメリカ金属協会の
1985年出版の METALS HANDBOOKのP29.14−P29.16の「硬
質クロムめっき」の章の中でも記述がない。
【０００７】腐食防止を目的としていると見られる三価
クロムでの下地のめっきのための電気めっき液槽の一つ
の例が、再刊の米国特許第29,749号で開示されており、
その特許での開示は、本書に参考として組み込まれてい
る。腐食防止を目的とする三価クロム被覆の下地上への
電着の別の一例が、再刊の米国特許第31,508号で開示さ
れており、その特許での開示は、本書に参考として組み
込まれている。
クロムでの下地のめっきのための電気めっき液槽の一つ
の例が、再刊の米国特許第29,749号で開示されており、
その特許での開示は、本書に参考として組み込まれてい
る。腐食防止を目的とする三価クロム被覆の下地上への
電着の別の一例が、再刊の米国特許第31,508号で開示さ
れており、その特許での開示は、本書に参考として組み
込まれている。
【０００８】腐食防止のための三価クロムとクロム酸化
物の同時的被覆電着の一つの例が、米国特許第 4,875,9
83号で開示されており、その特許での開示は、本書に参
考として組み込まれている。
物の同時的被覆電着の一つの例が、米国特許第 4,875,9
83号で開示されており、その特許での開示は、本書に参
考として組み込まれている。
【０００９】電着用の液槽の中に、硫黄を含まない湿潤
剤を含ませることによって、耐食と耐摩耗の両方の目的
のための硬くて平滑な三価クロム被覆を沈着させるプロ
セスの一つの例が、米国特許第 4,804,446号で開示され
ており、その特許での開示は、本書に参考として組み込
まれている。しかし、この特許は、そのような被覆が内
燃機関のバルブでの適当な耐摩耗性の被覆とされ得るの
かどうかを開示していないし、本発明の方法を開示また
は暗示することもしていない。本発明によるならば、
（１）電着された三価クロム被覆の付着性と硬度が、そ
の被覆が効果的耐摩耗性の被覆とされ得るところまで高
められ、（２）電着の後の熱処理の結果として、クロム
炭化物の複合物の形成が起こり、クロムとクロム炭化物
のマトリックスの中での複合のクロム炭化物が生成する
こととなり、それにより、内燃機関のバルブステムの上
に、従来そのような目的のために用いられた六価クロム
よりも、焼付き抵抗性において驚くほど優れている三価
クロム被覆ができることになるのである。
剤を含ませることによって、耐食と耐摩耗の両方の目的
のための硬くて平滑な三価クロム被覆を沈着させるプロ
セスの一つの例が、米国特許第 4,804,446号で開示され
ており、その特許での開示は、本書に参考として組み込
まれている。しかし、この特許は、そのような被覆が内
燃機関のバルブでの適当な耐摩耗性の被覆とされ得るの
かどうかを開示していないし、本発明の方法を開示また
は暗示することもしていない。本発明によるならば、
（１）電着された三価クロム被覆の付着性と硬度が、そ
の被覆が効果的耐摩耗性の被覆とされ得るところまで高
められ、（２）電着の後の熱処理の結果として、クロム
炭化物の複合物の形成が起こり、クロムとクロム炭化物
のマトリックスの中での複合のクロム炭化物が生成する
こととなり、それにより、内燃機関のバルブステムの上
に、従来そのような目的のために用いられた六価クロム
よりも、焼付き抵抗性において驚くほど優れている三価
クロム被覆ができることになるのである。
【００１０】したがって、一般的に言って本発明は、エ
ンジンバルブの産業界を、六価クロムイオンでバルブス
テムを電気めっきする伝統的手法から、三価クロムイオ
ンでステムを電気めっきする手法へと転向させるもので
ある。つまり、三価クロムイオンでの電気めっきは、従
来はエンジンの作動の苛酷さに耐えるに十分なようにス
テムに付着することができなかったが、今やそれが、め
っきの後の熱処理によって生じた素晴らしい硬度の故
に、焼付き抵抗性において六価クロムよりも優れている
ことが明らかになったのである。
ンジンバルブの産業界を、六価クロムイオンでバルブス
テムを電気めっきする伝統的手法から、三価クロムイオ
ンでステムを電気めっきする手法へと転向させるもので
ある。つまり、三価クロムイオンでの電気めっきは、従
来はエンジンの作動の苛酷さに耐えるに十分なようにス
テムに付着することができなかったが、今やそれが、め
っきの後の熱処理によって生じた素晴らしい硬度の故
に、焼付き抵抗性において六価クロムよりも優れている
ことが明らかになったのである。
【００１１】六価クロムイオンではなく三価クロムイオ
ンを用いてのバルブステムの電気めっきへの転向の、よ
り大きい推進力になっているのは、六価クロムの高度の
毒性に関係することである。今日バルブステムで用いら
れている六価のタイプのクロムめっきの将来は、環境保
護局によって課せられた環境上の規制に鑑みて、かなり
批判的に見られている。アメリカ官民衛生学者協議会
（ＮＩＯＳＨおよびＯＳＨＡのために物質の毒性を研究
している団体）によれば、六価クロムとその化合物は発
癌物質として知られている。しかし、ＡＣＧＩＨが出版
した"DOCUMENTATION OF THRESHOLD LIMIT VALUES AND B
IOLOGICAL EXPOSURE INDICES"の第６版（1991)によれ
ば、実験動物への三価クロムの発癌効果については、六
価クロムとは異なって、目下のところ何の証拠も観察さ
れていない。
ンを用いてのバルブステムの電気めっきへの転向の、よ
り大きい推進力になっているのは、六価クロムの高度の
毒性に関係することである。今日バルブステムで用いら
れている六価のタイプのクロムめっきの将来は、環境保
護局によって課せられた環境上の規制に鑑みて、かなり
批判的に見られている。アメリカ官民衛生学者協議会
（ＮＩＯＳＨおよびＯＳＨＡのために物質の毒性を研究
している団体）によれば、六価クロムとその化合物は発
癌物質として知られている。しかし、ＡＣＧＩＨが出版
した"DOCUMENTATION OF THRESHOLD LIMIT VALUES AND B
IOLOGICAL EXPOSURE INDICES"の第６版（1991)によれ
ば、実験動物への三価クロムの発癌効果については、六
価クロムとは異なって、目下のところ何の証拠も観察さ
れていない。
【００１２】驚くべきことに、金属製のエンジンのバル
ブステムに三価クロムを電気めっきした後に熱的エージ
ングを施すことによって、（１）めっきの硬度と、めっ
きとステムの間の結合が改善され、（２）金属クロムと
ここで用いられた三価のプロセスの化学反応から来た炭
素原子の両者の共同沈着物から、熱処理によってクロム
炭化物が生成され、それらクロム炭化物が、エンジンの
苛酷な作動の下におけるステム上で、そのめっきが効果
的な摩耗面として働くことを可能にしており、なお、完
全に解明されてはいないが、シミュレートされた運転条
件下での焼付き抵抗性に関して、六価クロムに比べての
驚くべき優位性に貢献している、ということが明らかに
なっている。
ブステムに三価クロムを電気めっきした後に熱的エージ
ングを施すことによって、（１）めっきの硬度と、めっ
きとステムの間の結合が改善され、（２）金属クロムと
ここで用いられた三価のプロセスの化学反応から来た炭
素原子の両者の共同沈着物から、熱処理によってクロム
炭化物が生成され、それらクロム炭化物が、エンジンの
苛酷な作動の下におけるステム上で、そのめっきが効果
的な摩耗面として働くことを可能にしており、なお、完
全に解明されてはいないが、シミュレートされた運転条
件下での焼付き抵抗性に関して、六価クロムに比べての
驚くべき優位性に貢献している、ということが明らかに
なっている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
一つの目的は、ステムがその上において高度に耐摩耗性
の三価クロム被覆を有する内燃機関のバルブを提供する
ことにある。
一つの目的は、ステムがその上において高度に耐摩耗性
の三価クロム被覆を有する内燃機関のバルブを提供する
ことにある。
【００１４】本発明の別の目的は、ステムがその上にお
いて電気めっきされた三価クロム被覆を有している内燃
機関のバルブであって、その被覆が、熱的にエージング
されたことによって、クロムを、高速で高温のエンジン
の苛酷な作動の下における優れた焼付き抵抗性を有する
効果的な摩耗面にしている、内燃機関のバルブを提供す
ることにある。
いて電気めっきされた三価クロム被覆を有している内燃
機関のバルブであって、その被覆が、熱的にエージング
されたことによって、クロムを、高速で高温のエンジン
の苛酷な作動の下における優れた焼付き抵抗性を有する
効果的な摩耗面にしている、内燃機関のバルブを提供す
ることにある。
【００１５】本発明のさらに別の目的は、内燃機関のバ
ルブステムに三価クロムを電着してそれを熱的にエージ
ングすることにより、高速高温のエンジンの作動の苛酷
さの下での焼付き抵抗性が高い効果的な摩耗面を造る被
覆のためのプロセスを提供することにある。
ルブステムに三価クロムを電着してそれを熱的にエージ
ングすることにより、高速高温のエンジンの作動の苛酷
さの下での焼付き抵抗性が高い効果的な摩耗面を造る被
覆のためのプロセスを提供することにある。
【００１６】
【実施例】図１は、ポペットバルブのようなバルブ１０
０を、それのステムがエンジンブロック１４にあるバル
ブガイド１８の中で往復運動するように取り付けるため
の典型的構造様式を示している。バルブ１００は、エン
ジンバルブの分野の当業者がよく知っているように、そ
のバルブ１００が吸気弁であるか排気弁であるかに従っ
て選択される１種類またはより多くの種類の材料で作ら
れる金属製バルブである。一般的に、最も普通の吸気弁
のステムの材料は、ＳＡＥ 1547または8645のような、
焼入れ焼戻しされたマルテンサイト系の低合金鋼であ
る。商品名 Silchrome 1で販売されているマルテンサイ
ト系の高クロム鋼が、欧州においてエンジンのバルブス
テムのために広く用いられていることが知られている。
最も普通の排気弁の材料は、炭化物と窒化物によって強
化されたオーステナイト系のステンレス鋼である。ニッ
ケル基の超合金も、大型ディーゼル機関のような、ある
種の用途に用いられて来た。ある種の排気弁の場合、図
１において参照番号２で示したヘッド部はオーステナイ
系またはニッケル基の合金で作り、ステム４は低合金鋼
で作る、というように二つの相異なる金属を用いるのが
習慣になっている。
０を、それのステムがエンジンブロック１４にあるバル
ブガイド１８の中で往復運動するように取り付けるため
の典型的構造様式を示している。バルブ１００は、エン
ジンバルブの分野の当業者がよく知っているように、そ
のバルブ１００が吸気弁であるか排気弁であるかに従っ
て選択される１種類またはより多くの種類の材料で作ら
れる金属製バルブである。一般的に、最も普通の吸気弁
のステムの材料は、ＳＡＥ 1547または8645のような、
焼入れ焼戻しされたマルテンサイト系の低合金鋼であ
る。商品名 Silchrome 1で販売されているマルテンサイ
ト系の高クロム鋼が、欧州においてエンジンのバルブス
テムのために広く用いられていることが知られている。
最も普通の排気弁の材料は、炭化物と窒化物によって強
化されたオーステナイト系のステンレス鋼である。ニッ
ケル基の超合金も、大型ディーゼル機関のような、ある
種の用途に用いられて来た。ある種の排気弁の場合、図
１において参照番号２で示したヘッド部はオーステナイ
系またはニッケル基の合金で作り、ステム４は低合金鋼
で作る、というように二つの相異なる金属を用いるのが
習慣になっている。
【００１７】図１のバルブ１００のヘッド部２は、その
回りにおいて環状のバルブシート２２を有しており、そ
のバルブシートは、エンジンブロック１４を経てエンジ
ンの燃焼室へと延びている開口の中に固定されたバルブ
シートインサート２０と係合する。バルブシート２２と
インサート２０は、この分野の当業者がよく知っている
硬化された高温用の耐摩耗性の材料で作られている。バ
ルブ１００のステム４は、エンジンブロック１４を貫通
している開口の中に固定されたバルブステムガイド１８
を通して延びていて、それと相対的に往復運動する。エ
ンジンのバルブステムとステムガイドの間の直径での間
隙は、約0.0008インチから約0.0030インチの間にある。
回りにおいて環状のバルブシート２２を有しており、そ
のバルブシートは、エンジンブロック１４を経てエンジ
ンの燃焼室へと延びている開口の中に固定されたバルブ
シートインサート２０と係合する。バルブシート２２と
インサート２０は、この分野の当業者がよく知っている
硬化された高温用の耐摩耗性の材料で作られている。バ
ルブ１００のステム４は、エンジンブロック１４を貫通
している開口の中に固定されたバルブステムガイド１８
を通して延びていて、それと相対的に往復運動する。エ
ンジンのバルブステムとステムガイドの間の直径での間
隙は、約0.0008インチから約0.0030インチの間にある。
【００１８】最も普通のバルブステムガイドの材料は、
焼なましされたパーライト鋳鉄である。アルミニウム合
金製のヘッドを有する最近のエンジンにおいては、鋳鉄
製のガイドがシリンダーヘッドに挿入され、バルブのア
ラインメントを確実にするために、組立ての前のその状
態において、バルブシートと同心になるようにリーマー
加工される。粉末冶金（ＰＭ）鋼のガイドが、現今世界
中で利用分野を広めている。粉末治金のガイドは、鉄の
粉末を適当な合金元素と共に圧縮し、焼結することによ
って造られる。鋳鉄製のガイドにおいては、鋳鉄の金属
組織の中にあるグラファイトが、固体の潤滑剤の形で追
加的な摩耗防止の働きをする。粉末治金のガイドは、摩
耗防止のためにオイルを含浸させたベアリングに極めて
よく似た働きをするが、タルクのような固体の潤滑剤の
添加が、かなりの追加的な摩耗防止の働きをすることが
知られている。
焼なましされたパーライト鋳鉄である。アルミニウム合
金製のヘッドを有する最近のエンジンにおいては、鋳鉄
製のガイドがシリンダーヘッドに挿入され、バルブのア
ラインメントを確実にするために、組立ての前のその状
態において、バルブシートと同心になるようにリーマー
加工される。粉末冶金（ＰＭ）鋼のガイドが、現今世界
中で利用分野を広めている。粉末治金のガイドは、鉄の
粉末を適当な合金元素と共に圧縮し、焼結することによ
って造られる。鋳鉄製のガイドにおいては、鋳鉄の金属
組織の中にあるグラファイトが、固体の潤滑剤の形で追
加的な摩耗防止の働きをする。粉末治金のガイドは、摩
耗防止のためにオイルを含浸させたベアリングに極めて
よく似た働きをするが、タルクのような固体の潤滑剤の
添加が、かなりの追加的な摩耗防止の働きをすることが
知られている。
【００１９】ステム４は、それの反対側の端すなわち棒
状部端６の近くにおいて、環状の結合用溝８を含んでい
る。リテーナ１０が溝８の中に取り付けられて、リテー
ナ１０とエンジンブロック１４の間にあって圧縮力を受
けているバルブスプリング１２を保持している。潤滑剤
が燃焼室に入ることを防止するために、バルブステムシ
ール１６がエンジンブロックの燃焼室とは反対の側に、
取り付けられているのが望ましい。ガイドの頂部からエ
ンジンオイルが漏れて来ることによってバルブガイドと
ステムの接触面にエンジンオイルが存在するならば、そ
れは固着性の摩耗を防ぐ働きをする。強制力ある炭化水
素排出規制の要求と、それに伴っての、燃焼室内へのオ
イルの漏れ込みを制限することの必要性の故に、今日の
エンジンにおいては、益々タイトなオイルシールがバル
ブガイドのキャップに用いられるようになって来た。そ
のような傾向の結果として、多くのエンジンシステムに
おいて、バルブステムガイドの焼付きの発生が増加し
た。バルブステムのシールを益々タイトにするという傾
向は今後も続くと考えられるので、より良いバルブステ
ムの摩耗防止システムが必要になる。
状部端６の近くにおいて、環状の結合用溝８を含んでい
る。リテーナ１０が溝８の中に取り付けられて、リテー
ナ１０とエンジンブロック１４の間にあって圧縮力を受
けているバルブスプリング１２を保持している。潤滑剤
が燃焼室に入ることを防止するために、バルブステムシ
ール１６がエンジンブロックの燃焼室とは反対の側に、
取り付けられているのが望ましい。ガイドの頂部からエ
ンジンオイルが漏れて来ることによってバルブガイドと
ステムの接触面にエンジンオイルが存在するならば、そ
れは固着性の摩耗を防ぐ働きをする。強制力ある炭化水
素排出規制の要求と、それに伴っての、燃焼室内へのオ
イルの漏れ込みを制限することの必要性の故に、今日の
エンジンにおいては、益々タイトなオイルシールがバル
ブガイドのキャップに用いられるようになって来た。そ
のような傾向の結果として、多くのエンジンシステムに
おいて、バルブステムガイドの焼付きの発生が増加し
た。バルブステムのシールを益々タイトにするという傾
向は今後も続くと考えられるので、より良いバルブステ
ムの摩耗防止システムが必要になる。
【００２０】スプリング１２は、普通にはコイルばねで
あって、バルブヘッド２のシート２２をインサート２０
に押し付ける（図１において上向きに）働きをしてお
り、エンジンによって駆動される回転カムまたはロッカ
ーアームによってそれが解放状態へと動かされた後に、
それを閉止状態にする。その回転カムまたはロッカーア
ームは、バルブ１００の棒状部端６を下向きに押して、
図１には示していない解放位置にする。
あって、バルブヘッド２のシート２２をインサート２０
に押し付ける（図１において上向きに）働きをしてお
り、エンジンによって駆動される回転カムまたはロッカ
ーアームによってそれが解放状態へと動かされた後に、
それを閉止状態にする。その回転カムまたはロッカーア
ームは、バルブ１００の棒状部端６を下向きに押して、
図１には示していない解放位置にする。
【００２１】図２は本発明の方法の一つの実施例を示し
ていて、これによれば、バルブ１００のステムが三価ク
ロムで電気めっきされ、その後に、熱処理すなわち熱的
エージングをされ、それによりステム上には、良好に付
着していて、六価クロムで示されたよりも際立って優れ
た焼付き抵抗性を驚く程よく示すクロム被覆ができ上
る。
ていて、これによれば、バルブ１００のステムが三価ク
ロムで電気めっきされ、その後に、熱処理すなわち熱的
エージングをされ、それによりステム上には、良好に付
着していて、六価クロムで示されたよりも際立って優れ
た焼付き抵抗性を驚く程よく示すクロム被覆ができ上
る。
【００２２】図２のステップ（ａ）においては、バルブ
１００のステムが、液槽２４の中に収容された水溶性の
めっき液２６に浸漬される。三価クロムを含む溶液から
金属やその他の下地上に電気めっきするための電解質溶
液としては種々あるが、下記の電解質溶液、温度および
電流の条件で、金属製のエンジン用バルブステム上に効
果的で一様なめっきができることが知られた。
１００のステムが、液槽２４の中に収容された水溶性の
めっき液２６に浸漬される。三価クロムを含む溶液から
金属やその他の下地上に電気めっきするための電解質溶
液としては種々あるが、下記の電解質溶液、温度および
電流の条件で、金属製のエンジン用バルブステム上に効
果的で一様なめっきができることが知られた。
【００２３】本発明の方法において用いられる電解質溶
液は、Ｍ＆Ｔ Chemical Companyによって商品名 TRICHR
OMEで販売されているタイプの溶液であるのが望まし
い。その溶液は、三価クロムイオンと硼酸の水溶性の混
合物を含んでいて、望ましくは約110°Ｆないし約120°
Ｆのめっき液温度まで加熱される。より詳しく云えば、
溶液は、望ましくは溶液１リットル当り約20ないし約25
グラム、より望ましくは約23グラムの三価クロムイオン
と、約60ないし約65グラムの硼酸を含んでいて、その故
に、ｐＨが約２ないし３、より望ましくは約2.3ないし
約2.7、そして、比重が約1.20ないし約1.30、より望ま
しくは約1.22ないし約1.26である。
液は、Ｍ＆Ｔ Chemical Companyによって商品名 TRICHR
OMEで販売されているタイプの溶液であるのが望まし
い。その溶液は、三価クロムイオンと硼酸の水溶性の混
合物を含んでいて、望ましくは約110°Ｆないし約120°
Ｆのめっき液温度まで加熱される。より詳しく云えば、
溶液は、望ましくは溶液１リットル当り約20ないし約25
グラム、より望ましくは約23グラムの三価クロムイオン
と、約60ないし約65グラムの硼酸を含んでいて、その故
に、ｐＨが約２ないし３、より望ましくは約2.3ないし
約2.7、そして、比重が約1.20ないし約1.30、より望ま
しくは約1.22ないし約1.26である。
【００２４】上記の電解質溶液は、少なくとも１種類の
安定剤を含んでいるのが望ましく、その安定剤は、典型
的な例としては、くえん酸、蟻酸、および蟻酸ナトリウ
ムがあるが、すべてのイオン性のクロムを三価の状態に
保つために用いられるものであり、望ましくは、電解質
溶液１リットル当り約65ないし約75ミリリットルの量だ
け加えられる。
安定剤を含んでいるのが望ましく、その安定剤は、典型
的な例としては、くえん酸、蟻酸、および蟻酸ナトリウ
ムがあるが、すべてのイオン性のクロムを三価の状態に
保つために用いられるものであり、望ましくは、電解質
溶液１リットル当り約65ないし約75ミリリットルの量だ
け加えられる。
【００２５】上記の電解質溶液は、なお、調整剤を含ん
でいるのが望ましく、その調整剤は、典型的な例として
は、硫酸三クロムと、硫酸三クロム塩化物と電導性塩の
混合物（望ましい例は後者の方）があるが、電解質の三
価クロムイオン濃度と全体としての電気伝導度を調節す
るために用いられるものであって、電解質溶液１リット
ル当り約２ないし約４ミリリットルの量だけ加えられ、
その溶液は、めっきのプロセスの間、望ましくは、例え
ばエアモーター攪拌羽根または他の適当な攪拌機によっ
て攪拌される。
でいるのが望ましく、その調整剤は、典型的な例として
は、硫酸三クロムと、硫酸三クロム塩化物と電導性塩の
混合物（望ましい例は後者の方）があるが、電解質の三
価クロムイオン濃度と全体としての電気伝導度を調節す
るために用いられるものであって、電解質溶液１リット
ル当り約２ないし約４ミリリットルの量だけ加えられ、
その溶液は、めっきのプロセスの間、望ましくは、例え
ばエアモーター攪拌羽根または他の適当な攪拌機によっ
て攪拌される。
【００２６】例えば６ないし12ボルトの整流器２８のよ
うな適当な電源装置が、陽極（グラファイト、またはグ
ラファイトの複合物のような）と、陰極としてのエンジ
ンのバルブ１００に接続される。蓄電池で生成される直
流電流は定常的電流であるのが望ましいが、電気めっき
の分野でよく知られた手法がそうであるように、電流が
パルスにされていてよい。陰極と陽極の間の電圧は、溶
液中に浸漬されているステムの面の１平方フィート当り
約100ないし約150アンペア、より望ましくは、約110な
いし約140アンペアの電流密度が生ずるような電圧であ
る。
うな適当な電源装置が、陽極（グラファイト、またはグ
ラファイトの複合物のような）と、陰極としてのエンジ
ンのバルブ１００に接続される。蓄電池で生成される直
流電流は定常的電流であるのが望ましいが、電気めっき
の分野でよく知られた手法がそうであるように、電流が
パルスにされていてよい。陰極と陽極の間の電圧は、溶
液中に浸漬されているステムの面の１平方フィート当り
約100ないし約150アンペア、より望ましくは、約110な
いし約140アンペアの電流密度が生ずるような電圧であ
る。
【００２７】上記の電気めっき液の中に約４分間あるこ
とにより、バルブステムの上に、ほぼ一様で平均厚さが
約0.00008インチのクロム被覆が生成することになる。
とにより、バルブステムの上に、ほぼ一様で平均厚さが
約0.00008インチのクロム被覆が生成することになる。
【００２８】ステップ（ａ）で被覆されたバルブを、電
気めっき液から取り出し、電解質を洗い落したうえで、
ステップ（ｂ）において、参照番号３０のオーブンの中
で、最低でも約150°Ｆの温度に少なくとも約30分間、
空気中か、またはアルゴンや窒素の雰囲気のような適当
な不活性雰囲気内で加熱する。
気めっき液から取り出し、電解質を洗い落したうえで、
ステップ（ｂ）において、参照番号３０のオーブンの中
で、最低でも約150°Ｆの温度に少なくとも約30分間、
空気中か、またはアルゴンや窒素の雰囲気のような適当
な不活性雰囲気内で加熱する。
【００２９】完全に解明されてはいないが、ステップ
（ｂ）における加熱により、三価クロム被覆の中にある
クロムイオンと炭素イオンの共有結合が生成され、その
結果、下地とクロム被覆の間のクロム炭化物結合の機構
が形成されると考えられる。また、クロムイオンを一つ
またはより多くのクロム酸化物（ＣｒxＯy）に変える種
々のレベルでの酸化が起こって、それがクロム被覆の、
特には高温度での硬度レベルを高めるのではないか、そ
してまた、沈着された被覆の中で、ＣｒxCｙとＣｒxＯy
の両化合物が極端な硬度の場所（複数）を生成し、それ
が、観察される複合物の硬度をさらに高めるのではない
か、と考えられる。
（ｂ）における加熱により、三価クロム被覆の中にある
クロムイオンと炭素イオンの共有結合が生成され、その
結果、下地とクロム被覆の間のクロム炭化物結合の機構
が形成されると考えられる。また、クロムイオンを一つ
またはより多くのクロム酸化物（ＣｒxＯy）に変える種
々のレベルでの酸化が起こって、それがクロム被覆の、
特には高温度での硬度レベルを高めるのではないか、そ
してまた、沈着された被覆の中で、ＣｒxCｙとＣｒxＯy
の両化合物が極端な硬度の場所（複数）を生成し、それ
が、観察される複合物の硬度をさらに高めるのではない
か、と考えられる。
【００３０】上記の電気めっきと加熱の二つのステップ
の特記すべき結果は、従来バルブステムの電気めっきに
もっぱら用いられていると見られる六価クロムの場合と
比べての、本発明の三価クロム被覆の耐焼付き寿命の驚
くべき増大である。
の特記すべき結果は、従来バルブステムの電気めっきに
もっぱら用いられていると見られる六価クロムの場合と
比べての、本発明の三価クロム被覆の耐焼付き寿命の驚
くべき増大である。
【００３１】バルブステムとガイドの焼付き特性を評価
するために開発されたシミュレーション試験装置５０が
図３に示されている。この装置は、バルブステム３２の
一部分を含んでおり、それが、ステムの高温端部をシミ
ュレートするために、下端部においてカートリッジヒー
ター４０によって加熱され、それから、ステムの端部の
温度を調節、測定するために冷却される。ステム３２
は、ＭＴＳ 液圧試験機の液圧アクチュエータ４４によ
って、ガイド３４の中で移動させられる。ガイド３４
は、温度制御されている水冷のヘッド３６の中に挿入さ
れている。ガイド３４の高温端部は、そのガイドの下端
にあるＯ．Ｄ．コイルヒーター３８によって加熱され、
所望のシミュレートされた温度にされる。
するために開発されたシミュレーション試験装置５０が
図３に示されている。この装置は、バルブステム３２の
一部分を含んでおり、それが、ステムの高温端部をシミ
ュレートするために、下端部においてカートリッジヒー
ター４０によって加熱され、それから、ステムの端部の
温度を調節、測定するために冷却される。ステム３２
は、ＭＴＳ 液圧試験機の液圧アクチュエータ４４によ
って、ガイド３４の中で移動させられる。ガイド３４
は、温度制御されている水冷のヘッド３６の中に挿入さ
れている。ガイド３４の高温端部は、そのガイドの下端
にあるＯ．Ｄ．コイルヒーター３８によって加熱され、
所望のシミュレートされた温度にされる。
【００３２】バルブステム３２は、選択された側方向荷
重を受ける。その側方向荷重は、重錘４８によって発生
され、運動するアームを経て、ロードセル４７によって
測定され、ローラフォロアによって伝達される。バルブ
ステムは、各サイクルにおいて、アクチュエータ４４に
よって、戻し用の圧縮ばねに反抗して押し下げられる。
ステムの運動は、出力が最低またはゼロになることで焼
付きを示す近接プローブ４６によって監視されている。
摩耗のプロセスの結果として、戻し用ばね４２が、ガイ
ドの中でのステムの摩擦に打ち勝つことができなくなっ
た場合、ステムの運動が止まる。焼付きに至るまでに運
転された時間数が確定され、図４にある種々のステムと
ガイドの組合せでのそれの比較が行われ得る。
重を受ける。その側方向荷重は、重錘４８によって発生
され、運動するアームを経て、ロードセル４７によって
測定され、ローラフォロアによって伝達される。バルブ
ステムは、各サイクルにおいて、アクチュエータ４４に
よって、戻し用の圧縮ばねに反抗して押し下げられる。
ステムの運動は、出力が最低またはゼロになることで焼
付きを示す近接プローブ４６によって監視されている。
摩耗のプロセスの結果として、戻し用ばね４２が、ガイ
ドの中でのステムの摩擦に打ち勝つことができなくなっ
た場合、ステムの運動が止まる。焼付きに至るまでに運
転された時間数が確定され、図４にある種々のステムと
ガイドの組合せでのそれの比較が行われ得る。
【００３３】図４は、21-2Ｎオーステナイト鋼製のバル
ブステムについての、試験装置５０において観察された
焼付きの時間の比較を示している。試験における温度と
荷重の条件は、表１に示したとおりである。図４に示さ
れた、処理されていないステムと種々の被覆をされたス
テムは、表２に示したとおりであって、鋳鉄および粉末
治金鋼のガイドを組合せの相手として試験された。 表１ ステムの温度 550°Ｆ ガイドの温度 550°Ｆ 側方向荷重 50ポンド サイクル数／時間 (Hz) 10 ストローク（インチ） 0.250 表２ コード ガイド ステム C.I./ N-P 鋳鉄 めっきなし C.I./ Cr-P 鋳鉄 硬質クロムめっき PM / N-P 粉末冶金金属 めっきなし PM / NITRO 粉末冶金金属 窒化浸炭処理 PM / Cr-P 粉末冶金金属 硬質クロム（六価の）めっき PM /I.P.N. 粉末冶金金属 イオンプラズマ窒化物 PM /Tr-P 粉末冶金金属 三価クロムめっき 図４の棒グラフで見られるように、三価クロム被覆のバ
ルブステム（PM / Tr-P)の耐焼付き寿命が、それに最も
近い比較対象（イオンプラズマ窒化物）よりも約25時
間、六価クロム被覆のステム（PM / Cr-P)よりも約28時
間長くなっており、換言すれば、六価クロムの場合の約
1.8倍の耐焼付き寿命を示している。
ブステムについての、試験装置５０において観察された
焼付きの時間の比較を示している。試験における温度と
荷重の条件は、表１に示したとおりである。図４に示さ
れた、処理されていないステムと種々の被覆をされたス
テムは、表２に示したとおりであって、鋳鉄および粉末
治金鋼のガイドを組合せの相手として試験された。 表１ ステムの温度 550°Ｆ ガイドの温度 550°Ｆ 側方向荷重 50ポンド サイクル数／時間 (Hz) 10 ストローク（インチ） 0.250 表２ コード ガイド ステム C.I./ N-P 鋳鉄 めっきなし C.I./ Cr-P 鋳鉄 硬質クロムめっき PM / N-P 粉末冶金金属 めっきなし PM / NITRO 粉末冶金金属 窒化浸炭処理 PM / Cr-P 粉末冶金金属 硬質クロム（六価の）めっき PM /I.P.N. 粉末冶金金属 イオンプラズマ窒化物 PM /Tr-P 粉末冶金金属 三価クロムめっき 図４の棒グラフで見られるように、三価クロム被覆のバ
ルブステム（PM / Tr-P)の耐焼付き寿命が、それに最も
近い比較対象（イオンプラズマ窒化物）よりも約25時
間、六価クロム被覆のステム（PM / Cr-P)よりも約28時
間長くなっており、換言すれば、六価クロムの場合の約
1.8倍の耐焼付き寿命を示している。
【００３４】たとえ、三価クロム被覆の耐焼付き寿命
が、六価クロムのそれと同じであったとしても、今日高
くなりつつあるエンジンの温度と回転速度の下で作動す
るバルブの耐焼付き寿命を損なうことなしに、毒性の高
い六価クロムから転向することが可能になったというこ
とは、本発明の驚くべき結果である。
が、六価クロムのそれと同じであったとしても、今日高
くなりつつあるエンジンの温度と回転速度の下で作動す
るバルブの耐焼付き寿命を損なうことなしに、毒性の高
い六価クロムから転向することが可能になったというこ
とは、本発明の驚くべき結果である。
【図１】エンジンブロック１４を通して延びているバル
ブ１００の中心線上を通る、部分断面図である。
ブ１００の中心線上を通る、部分断面図である。
【図２】図１のバルブ１００のステムに、三価クロムイ
オンからの耐摩耗性被覆を施すための方法のブロックダ
イヤグラムである。
オンからの耐摩耗性被覆を施すための方法のブロックダ
イヤグラムである。
【図３】エンジンのバルブステムの焼付き特性を試験す
るための、バルブステムを焼き付かせる装置５０の概略
図である。
るための、バルブステムを焼き付かせる装置５０の概略
図である。
【図４】本発明の方法によって作られた三価クロムの被
覆の焼付きまでの時間と、その他の種々の被覆のそれを
比較している棒グラフである。
覆の焼付きまでの時間と、その他の種々の被覆のそれを
比較している棒グラフである。
１００ バルブ ２ ヘッド部 ４ ステム ６ 棒状部端 ８ 溝 １０ リテーナ １２ バルブスプリング １４ エンジンブロック １６ バルブステムシール １８ バルブステムガイド ２０ バルブシートインサート ２２ バルブシート ２４ 液槽 ２６ めっき液 ２８ 整流器 ３０ オーブン ３２ バルブステム ３４ ガイド ３６ ヘッド ３８ コイルヒーター ４０ カートリッジヒーター ４２ 戻し用ばね ４４ 油圧アクチュエータ ４６ 近接プローブ ４７ ロードセル ４８ 重錘 ５０ 試験装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ズンダラム ラクシュミ ナラシムハン アメリカ合衆国 49068 ミシガン州 マ ーシャルオーク ドライヴ 121 (72)発明者 パウル アンドルー ブヤルスキ アメリカ合衆国 49017 ミシガン州 バ トル クリーク マイル ロード 16793 14
Claims (8)
- 【請求項１】 内燃機関用の金属製のバルブのステム
（４）に耐摩耗性のクロム被覆を施すための、（ａ）バ
ルブのステム（４）上に三価クロム被覆を電着で付与す
るステップと、（ｂ）ステップ（ａ）の被覆を、最低で
も約150°Ｆの温度に少なくとも約30分間加熱するステ
ップを含む、クロム被覆の方法。 - 【請求項２】 三価クロムと硼酸を含む水溶液（２６）
の中で、バルブのステム（４）上の被覆としてクロムが
電着される、請求項１記載のクロム被覆の方法。 - 【請求項３】 溶液が約2.0ないし約3.0のｐＨを有して
いる、請求項２記載のクロム被覆の方法。 - 【請求項４】 溶液（２６）が、なお、少なくとも１種
類の安定剤を含んでいる、請求項２記載のクロム被覆の
方法。 - 【請求項５】 溶液（２６）が、なお、少なくとも１種
類の調整剤を含んでいる、請求項２または４記載のクロ
ム被覆の方法。 - 【請求項６】 三価クロムと、硼酸と、少なくとも１種
類の調整剤と、少なくとも１種類の安定剤を含んでい
て、温度が約110°Ｆ、ｐＨが約2.3ないし約2.7である
水溶液（２６）の中で、バルブのステム（４）上の被覆
としてクロムが電着される、請求項１記載のクロム被覆
の方法。 - 【請求項７】 溶液（２６）の中に浸漬されているバル
ブステムの表面１平方フィート当り約100ないし約150ア
ンペアの電流密度で、クロムがバルブステム（４）上に
電着される、請求項２または６記載のクロム被覆の方
法。 - 【請求項８】 ステム（１４）が、その上において耐摩
耗性のクロム被覆を有しており、そのクロムは、三価ク
ロムとして電着されてから最低でも約150°Ｆの温度に
少なくとも約30分間加熱されたものである、エンジン用
の金属製バルブ（１００）。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/899,966 US5271823A (en) | 1992-06-17 | 1992-06-17 | Method of making a trivalent chromium plated engine valve |
| US899/966 | 1992-06-17 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0657478A true JPH0657478A (ja) | 1994-03-01 |
Family
ID=25411788
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5137629A Pending JPH0657478A (ja) | 1992-06-17 | 1993-06-08 | クロム被覆の方法および該方法で被覆されたエンジン用金属製バルブ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5271823A (ja) |
| EP (1) | EP0576190A1 (ja) |
| JP (1) | JPH0657478A (ja) |
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| CN102459686A (zh) * | 2009-06-16 | 2012-05-16 | 斯堪尼亚商用车有限公司 | 包含防腐层的发动机组件及制造方法 |
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| CN105917029B (zh) | 2014-01-15 | 2019-05-28 | 萨夫罗克有限公司 | 用于生产铬涂层的方法和涂覆的物体 |
| CN105917030B (zh) | 2014-01-15 | 2018-04-13 | 萨夫罗克有限公司 | 用于生成含有铬的多层涂层的方法和涂覆的物体 |
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Also Published As
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|---|---|
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