JPH0979012A - エンジン用シリンダヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリンダヘッド本体にバルブシート母材を加
熱圧接により埋没させて接合する方法において、バルブ
シート母材の埋没量にばらつきが生じる。 【解決手段】 シリンダヘッド本体１１へのバルブシー
ト母材２０のセット状態が、バルブシート着座面４０の
凸条４６の頂点４５にバルブシート母材２０の底面５１
が線接触し、かつバルブシート着座面４０とバルブシー
ト母材２０の外周面５０とのなす角度αと、バルブシー
ト着座面４０とバルブシート母材２０の底面５１とのな
す角度βとが、α≧βを満足するように設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、シリンダヘッド
本体の吸・排気ポートの燃焼室側の開口部にバルブシー
トを接合するエンジン用シリンダヘッドの製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の車両用エンジンは４サイクル
ＯＨＣ型が一般的となってきており、そのエンジンのシ
リンダは、近年においてはアルミニウム合金製のシリン
ダブロックとシリンダヘッドとの組み合わせで構成され
ている。シリンダヘッドは、シリンダブロック内を往復
動するピストンとの間で画成される燃焼室を有し、かつ
燃焼室に通じる吸・排気ポートが形成されたシリンダヘ
ッド本体（アルミニウム合金製）と、これら各ポートの
燃焼室側の開口部に装着されたバルブシートとから構成
されている。バルブシートは、吸気弁および排気弁のバ
ルブフェース面が当接する部位に装着されている。この
バルブシートは、吸・排気弁が繰り返し当接するととも
に高熱にさらされるために、耐摩耗性および高温強度に
優れた鉄系焼結合金などによって形成されている。

【０００３】さて、バルブシートをシリンダヘッド本体
に装着する方法としては、従来より圧入式が採用されて
いた。ところがこの圧入式では、異種金属による熱伝導
率の差や両者の間の界面に存在する微小隙間に起因して
シリンダヘッド本体への熱伝達時の熱抵抗が大きくな
り、その結果、シリンダヘッドの冷却不充分からの異常
燃焼や、バルブの過熱といった不具合を招くおそれを抱
えていた。このような圧入式による不具合を解消するた
めに、シリンダヘッド本体のバルブシート装着部位に、
耐熱性、耐摩耗性、耐食性に優れたバルブシート材料の
粉末レーザーを加熱溶融させて肉盛り（クラッド）し、
その肉盛層を機械加工することによってバルブシートを
形成するレーザークラッド法が提案されている（たとえ
ば、特開昭６２−１５００１４号公報参照）。

【０００４】しかるに、このレーザークラッド法では、
バルブシート材料の粉末を溶融した際にシリンダヘッド
本体側も溶融される。このため、ガス生成によるブロー
ホールや凝固収縮による引け巣、あるいはシリンダヘッ
ド本体に予め施されていた強度向上処理の消失等のいわ
ゆる材料欠陥が起こり、接合強度の不足や変形を生じ易
いといった欠点を有している。

【０００５】そこで、本発明者等は、上に挙げたバルブ
シート接合方法が有する欠点を解消するものとして、鉄
系焼結合金でできたバルブシート母材を加熱圧接して接
合する技術を提案した（特開平５−２８７３２４号）。
これは、アルミニウム合金のシリンダヘッド本体を通電
加熱して組成流動を生じさせると同時にバルブシート母
材を加熱圧接してシリンダヘッド本体に埋没させ、その
際に、両者の圧接部の界面の原子が相互に拡散し、両者
が隙間なく強固に固定されるといった方法である。

【０００６】図１６はその方法を示している。同図はシ
リンダヘッド本体１とバルブシート母材２の一部を拡大
した断面図であり、シリンダヘッド本体１に形成された
バルブシート着座面３に円環状のバルブシート母材２を
セットし（破線の状態）、バルブシート母材３をシリン
ダヘッド本体１に埋没させた後は、バルブシート母材２
の余剰部分を研削加工して仕上げる。図１６において
は、所要の接合強度が得られるバルブシート母材２の設
定埋没量範囲も示している。この方法によると、バルブ
シート母材２もシリンダヘッド本体１もほとんど溶融し
ないため材料欠陥が発生せず、しかも両者の間の熱抵抗
が抑えられて熱影響を生じないシリンダヘッドが得られ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法においても、次のような解決すべき課題が残されてい
た。まず、シリンダヘッド本体に対するバルブシート母
材２の埋没量にばらつきがあり、埋没量の設定範囲を逸
脱すると不具合が生じる。すなわち、図１７（ａ）に示
すように、バルブシート母材２の埋没量が少ないと、圧
接面積が小さいことから接合強度に不足が生じてバルブ
シート母材２が剥離するおそれがあった。また、図１７
（ｂ）に示すように、バルブシート母材２の埋没量が多
すぎるとＧで示す欠肉部が生じ、バルブフェースとの間
に隙間が生じて弁機能が損なわれる。埋没量のばらつき
は、図１８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、バル
ブシート着座面３にバルブシート母材２が面接触（断面
では線接触）する設定においては、加工公差によって両
者の相対的な位置関係が変化するにともない接触面積が
変化する。接触面積が変化すると、圧接時の抵抗に基づ
く発熱量にばらつきが生じ、もって埋没量にばらつきが
生じることが容易に推測される。

【０００８】また、バルブシート着座面３におけるバル
ブシート母材２が近接する部分は、シリンダヘッド本体
１に通電した際に電流が優先的に流れることにより、電
流密度が上昇して溶融しやすくなる。図１９（ａ）に示
したバルブシート母材２は、シリンダヘッド本体１側に
向かうにしたがって次第に外径が細くなるように傾斜す
る外周面２ａと、この外周面２ａに連続し、自身の軸心
へ向かうにしたがって次第にシリンダヘッド本体１側に
偏在するように傾斜する底面２ｂとを有している。図１
９（ｂ）に示すように、バルブシート母材２の外周面２
ａがシリンダヘッド本体１に近接していると、その近接
部分Ｈが溶融しやすい。したがって、バルブシート母材
２が埋没されて研削加工された状態では、近接部分が溶
融層としてバルブシートとシリンダヘッド本体１との界
面に残存する。このため、バルブシートの剥離が起こり
やすい。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、シリンダヘッド本体にバルブシート母材を加熱圧接
により埋没させて接合する方法において、バルブシート
母材の埋没量のばらつきが抑えられて設定埋没量内に収
まり、かつ溶融層の残存が防止されてバルブシートの剥
離を生じさせないことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたものであって、請求項１では、シリ
ンダヘッド本体における燃焼室への開口部に形成された
円環状のバルブシート着座面に、シリンダヘッド本体と
異なる材料の円環状のバルブシート母材をセットした
後、加熱圧接させてバルブシートを接合するエンジン用
シリンダヘッドの製造方法において、バルブシート着座
面に、２面で構成されての内周側に突出する円環状の凸
条を形成し、バルブシート母材は、バルブシート着座面
へセットされた状態が、シリンダヘッド本体側に向かう
にしたがって次第に外径が細くなるように傾斜する外周
面と、この外周面に連続し、自身の軸心へ向かうにした
がって次第にシリンダヘッド本体側に偏在するように傾
斜する底面とを有し、この底面が凸条の頂点に接触させ
られていることを特徴としている。請求項２では、請求
項１の発明において、バルブシート着座面と外周面との
なす角度αと、バルブシート着座面と底面とのなす角度
βとが、α≧βを満足させるように設定されていること
を特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】Ａ．一実施形態 以下、本発明の一実施形態を図面を参照して詳細に説明
する。Ａ−１．シリンダヘッドの全体構成 図１は本発明に係るシリンダヘッドの一部断面図、図２
は図１の矢印II方向矢視図、図３はバルブシート母材を
バルブシート着座面にセットした状態を示す断面図であ
る。図３は、シリンダヘッド本体およびバルブシート母
材の一部のみを拡大して描いてある。これらの図におい
て、１１は４サイクルＯＨＣ型エンジンのシリンダヘッ
ド本体である。シリンダヘッド本体１１は、アルミニウ
ム合金を材料として鋳造により作られている。シリンダ
ヘッド本体１１には、図示せぬシリンダブロック内を往
復動するピストンとの間で画成される燃焼室を形成する
ための凹部１２が、下面に向けて形成されているととも
に、この凹部１２の両側には、凹部１２に開口する吸気
ポート１３と排気ポート１４が２つずつ形成されてい
る。なお、図３は、シリンダヘッド本体１１の下面（凹
部１２が開口する面）を上方に向けた状態を示してい
る。

【００１２】シリンダヘッド本体１１の材料であるアル
ミニウム合金は、ＪＩＳにＡＣ４Ｃとして規定されてい
るＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金が採用されてい
る。この材料を選択した理由は、他のアルミニウム合金
を使用したときに比べて後述するバルブシートを最も強
固に接合できたからである。図１に示すように、吸気ポ
ート１３と排気ポート１４の上壁部分には、バルブガイ
ド１５、１６を介して吸気弁１７および排気弁１８がそ
れぞれ装着されている。両ポート１３、１４の開口部１
３ａ、１４ａには、バルブシート着座面４０が形成さ
れ、このバルブシート着座面４０に、後述するバルブシ
ート１９が接合されている。なお、バルブガイド１５、
１６は、シリンダヘッド本体１１に穿設したバルブガイ
ド穴１１ａに圧入して固定されている。このバルブガイ
ド穴１１ａは、その軸線Ｃが各ポート１３、１４の開口
部１３ａ、１４ａの軸線と一致するように形成されてい
る。なお、図２中８は、プラグ取付孔である。

【００１３】図１に示したバルブシート１９は、図３に
示す円環状に形成したバルブシート母材２０をバルブシ
ート着座面４０に加熱状況下において圧接させることに
よって接合し、仕上げ加工を施した後のものである。図
３に示すように、バルブシート着座面４０は、開口部１
３ａ、１４ａの軸線に直交する平面４１と、平面４１か
らポート１３、１４に連続する第１、第２の内側テーパ
面４２、４３と、凹部１２に連続する外側テーパ面４４
とで構成されている。平面４１と第１の内側テーパ面４
２の２面により、開口部１３ａ、１４ａの内周側に突出
し、鈍角の頂点４５を有する円環状の凸条４６が形成さ
れている。

【００１４】バルブシート母材２０は、図３に示すよう
に、鉄系焼結合金製円環体２１の表面を銅の皮膜２２に
よって覆うことによって形成されている。円環体２１の
材料としては、本実施形態では、後述する通電時に内部
で抵抗熱が生じ難いようにする観点から、銅を溶浸させ
たものが採用されている。また、皮膜２２は、膜厚が
０．１μｍ〜３０μｍとなるように円環体２１に電気め
っきを施すことによって形成されている。

【００１５】バルブシート母材２０の形状は、全体とし
ては円環状であるが、その軸方向断面は、外周面５０、
底面５１、内周面５２および上面５３で形成されてい
る。図３に示すように、外周面５０は、シリンダヘッド
本体１１側に向かうにしたがって次第に外径が細くなる
ように傾斜しており、底面５１は外周面５０に連続し、
軸心へ向かうにしたがって次第にシリンダヘッド本体１
１側に偏在するように傾斜している。内周面５２は、バ
ルブシート着座面４０の外側テーパ面４４と略平行な傾
斜面５２ａと、この傾斜面５２ａの内周側端部から軸方
向と平行に延在する軸方向延在面５２ｂとから形成され
ている。上面５３は、外周面５０と傾斜面５２ａとをつ
ないでおり、バルブシート着座面４０の平面４１と略平
行に形成されている。

【００１６】バルブシート母材２０は、バルブシート着
座面４０へセットされた状態が、図３に示すように、底
面５１が凸条４６の頂点４５に接触し、大径側端部が凹
部１２に突出し、さらに、バルブシート着座面４０を構
成する外側テーパ面４４と外周面５０とのなす角度α
と、バルブシート着座面４０を構成する第１の内側テー
パ面４２と底面５１とのなす角度βが、α≧βを満足さ
せるように設定されている。

【００１７】Ａ−２．バルブシート母材の接合方法 上記バルブシート母材２０をシリンダヘッド本体１１の
バルブシート着座面４０に接合するには、図５および図
７に示すプレス装置２４を使用して行う。このプレス装
置２４は、基台２５の下部に下部プラテン２６を固定
し、この下部プラテン２６の上方に、この下部プラテン
２６に対して接離するように上部プラテン２７を昇降自
在に配設している。この上部プラテン２７は、基台上部
に軸線が上下方向を向くよう取り付けたシリンダ装置２
８の作用端となるロッド２８ａの下端を固定している。

【００１８】下部プラテン２６および上部プラテン２７
は、それぞれ導電部材２６ａ、２７ａを介して図示して
いない給電装置から給電される構造になっている。な
お、上部プラテン２７に接続した導電部材２７ａは、上
部プラテン２７の昇降動作に合わせて変形あるいは昇降
するように構成されている。また、本実施形態では、上
部プラテン２７が陽極となり、下部プラテン２６が陰極
となるように構成されている。シリンダ装置２８を支持
する基台上部には、上部プラテン２７の前部に固定した
反射部材２９にレーザー光を反射させ、この反射部材２
９との距離から上部プラテン２７の変位量を測定するレ
ーザー変位計３０が取り付けてある。

【００１９】プレス装置２４によりバルブシート母材２
０を接合するには、先ず、下部プラテン２６上に下側電
極３１を固定し、この下側電極３１上にシリンダヘッド
本体１１を載置固定して行う。このとき、シリンダヘッ
ド本体１１は、凹部１２側を上方に向け、かつバルブシ
ート母材２０を接合するポートの開口部での軸線がシリ
ンダ装置２８のロッド２８ａの軸線と一致するように位
置決めしておく。

【００２０】次に、図７に示すように、バルブシート母
材２０を接合するポートのバルブガイド穴１１ａにガイ
ド棒３２を凹部１２側から嵌挿する。このガイド棒３２
は、金属製丸棒３２ａの外周面にアルミナなどの絶縁材
３２ｂを被覆されたもので、バルブガイド穴１１ａに嵌
挿させストッパー３２ｃによって位置決め保持させた状
態で、シリンダヘッド本体１１の燃焼室側端面より上方
に突出する長さに形成されている。絶縁材３２ｂの形成
方法は、本実施形態ではアルミナなどのセラミック材を
丸棒３２ａに溶射し、その後、研磨仕上げする手法を採
っている。

【００２１】次いで、バルブシート母材２０をポート開
口部に重ね、このバルブシート母材２０に上側電極３３
を載せる。この上側電極３３は、金属製円柱体の軸心部
に前記ガイド棒３２が嵌合する透孔３３ａを穿設してお
り、その下端部に、バルブシート母材２０の傾斜面５２
ａ（図３）に密接するテーパー面３３ｂと、軸方向延在
面５２ｂに全周にわたり密接する位置決め用周面３３ｃ
とを形成している。また、この上側電極３３の下端部に
は、バルブシート母材２０を磁気吸着させるための磁性
体３３ｄが固着させてある。

【００２２】すなわち、上側電極３３の透孔３３ａ内に
ガイド棒３２を嵌合させることにより、この上側電極３
３がシリンダヘッド本体１１のポートの開口部と同軸上
に位置づけられる。また、テーパー面３３ｂおよび周面
３３ｃをバルブシート母材２０に密接させることによ
り、このバルブシート母材２０が嵌合によってポート開
口部と同軸となるように位置決めされる。

【００２３】このようにバルブシート母材２０に上側電
極３３を載せた後、上側電極３３を回転させてバルブシ
ート母材２０が確実に嵌合しているか否かを検査する。
しかる後、シリンダ装置２８を駆動して上部プラテン２
７を下降させ、上側電極３３に密着させる。このとき、
上部プラテン２７の下面と上側電極３３の上面とが互い
に平行になるようにする。次に、シリンダ装置２８を駆
動して上部プラテン２７を下降させ、上側電極３３を介
してバルブシート母材２０を一定な加圧力をもってシリ
ンダヘッド本体１１に押し付ける。このときにバルブシ
ート母材２０に加えられる加圧力の方向は、上側電極３
３がガイド棒３２によって移動方向が規制されているか
ら、開口部１３ａ、１４ａの軸線方向と一致する。この
ため、バルブシート母材２０は開口部１３ａ、１４ａに
軸線を一致させた状態でこの軸線に沿って押し付けられ
る。

【００２４】その加圧力は、図８に示す加圧力パターン
に基づいて変化させる。すなわち、相対的に低い一定の
第１加圧力Ｐ₁ を接合工程初期に加え、その後は下降終
了まで相対的に高い一定の第２加圧力Ｐ₂ を加える。

【００２５】第１加圧力Ｐ₁ による加圧を開始した後、
上部プラテン２７が安定したら、レーザー変位計３０に
よりこれと反射部材２９までの距離を測定し、この距離
を上部プラテン２７の下降開始位置として記録する。ま
た、第１加圧力Ｐ₁ による加圧開始から一定時間が経過
した後、プラテン２７および下部プラテン２６に電圧を
印加し、これら両プラテンの間、すなわち上側電極３
３、バルブシート母材２０、シリンダヘッド本体１１お
よび下側電極３１に電流を流す。このとき、電流は上側
電極３３からシリンダヘッド本体１１へ向けて流れる。
このときの電流値を、図８に示す通電パターンに基づい
て変化させる。

【００２６】その通電パターンは、第１電流Ｉ₁ を時間
ｔ₁ 流した後、一旦休止時間ｒ₁ を与え、次に第１電流
Ｉ₁ よりも電流値の高い第２電流Ｉ₂ を時間ｔ₂ 流した
後、もう１度休止時間ｒ₂ を与え、最後に第２電流Ｉ₂
よりも電流値の高い第３電流Ｉ₃ を時間ｔ₃ 流し、接合
終期において第２加圧力Ｐ₂ を加えている途中で電流値
を０とする。つまり、電流値を段階的に増大させてい
く。第１加圧力Ｐ₁ から第２加圧力Ｐ₂ への変換は、第
２電流Ｉ₂ を流している途中であって、第２電流Ｉ₂ に
切り換えてから時間ｔ₄ 後に行う。さらに、吸気ポート
１３側と排気ポート１４側では、流す電流値（電流密
度）を、排気ポート１４側の方が大きくなるよう（たと
えば約１．１倍程度）変える。以下に、図８における電
流値、時間および加圧力の具体例を示す。

【００２７】イ．電流値 吸気ポート側 Ｉ₁ ＝６４ｋＡ、Ｉ₂ ＝６８ｋＡ、Ｉ₃
＝７２ｋＡ 排気ポート側 Ｉ₁ ＝７０ｋＡ、Ｉ₂ ＝７５ｋＡ、Ｉ₃
＝８０ｋＡ （何れも±４ｋＡ） ロ．時間（吸気ポート側、排気ポート側とも共通） ｔ₁ 、ｔ₂ 、ｔ₃ ＝０．１秒 （６／６０秒） ｔ₄ ＝０．０５秒 （３／６０秒） ｒ₁ 、ｒ₂ ＝１／６０秒 ハ．加圧力（吸気ポート側、排気ポート側とも共通） Ｐ₁ ＝１２ｋＮ Ｐ₂ ＝２４ｋＮ

【００２８】このとき、バルブシート母材２０は図３に
示すように底面５１がシリンダヘッド本体１１の凸条４
６の頂点４５に線接触しており、これら両者どうしが接
触する部分の面積がきわめて小さいことから、通電によ
る電気抵抗が大きくなってこの接触部が発熱するように
なる。この抵抗熱は、バルブシート母材２０とシリンダ
ヘッド本体１１との接触界面の全体に伝導する。このよ
うにバルブシート母材２０とシリンダヘッド本体１１と
の界面の温度が上昇すると、固相状態で互いに圧接し合
う材料金属（皮膜２２の銅およびシリンダヘッド本体１
１のアルミニウム合金）の原子が活発に運動するように
なり、これらの原子どうしが相互に拡散する。

【００２９】上述したように原子の相互拡散が起こるこ
とにより、界面付近の組成は、皮膜２２を構成する銅
と、シリンダヘッド本体１１のアルミニウム合金との共
晶合金になり、純銅より、またシリンダヘッド本体１１
のアルミニウム合金より低い温度で固相から液層に変わ
ることができる状態になる。このときの界面付近の状態
を図９に模式的に示す。図９においては、原子の相互拡
散が起こり前記共晶合金が生成されている共晶合金層を
符号Ａで示す。

【００３０】続いて、界面付近の温度がさらに上昇し、
共晶合金層の一部が液相に変化するようになると原子の
拡散現象は一層活発となり、この共晶合金層が成長する
に伴ない固相と液相との界面が拡大する。この共晶合金
層の液相化が進行する一方、共晶合金層に隣接するシリ
ンダヘッド本体１１のアルミニウム合金は、バルブシー
ト母材２０が前記第１加圧力Ｐ₁ で押し付けられている
ことと、抵抗熱により昇温されていることとによって、
塑性流動（塑性変形）を起こす。この塑性流動は、最初
の接触部を中心にして図９において上下方向に略対称と
なるように生じるため、液相化した共晶合金は塑性流動
に乗じて、図１０に示すように接触部の外に排除され
る。図１０において、共晶合金の排除された部分を符号
Ｂで示す。また、このときには、バルブシート母材２０
の皮膜２２の一部が共晶合金化されて接触部から排除さ
れることにより、円環体２１の一部がアルミニウム合金
に触れるようになってこれらの間でも原子の拡散現象が
起こる。この拡散現象が生じている部位を、図１０中に
符号Ｃで示す。

【００３１】上記のように共晶合金層の一部が接触部か
ら排除されることと、アルミニウム合金が塑性流動を起
こすこととにより、バルブシート母材２０がシリンダヘ
ッド本体１１内に埋没し始める。このようにバルブシー
ト母材２０が埋没し始めてから、加圧力を増大させて前
記第２加圧力Ｐ₂ とする。加圧力が増大することにより
アルミニウム合金の塑性流動量が増大し、これに伴って
共晶合金の排除量が増量される。この結果、接触部の未
反応部分において新たに銅−アルミニウム合金からなる
共晶合金が生成され、上述した現象が繰り返されてこの
共晶合金層が液相化しさらに排除される。これととも
に、円環体２１の材料である鉄系焼結合金とアルミニウ
ム合金との界面で原子が相互に拡散する領域も拡がる。

【００３２】上記反応を図８に示す通電および加圧力の
パターンに基づいて進行させ、シリンダヘッド本体１１
へバルブシート母材２０を接合させていく。電流が流れ
ている間は勿論、通電が断たれた後も反応不能温度まで
温度が低下するまでは反応が進行し、共晶合金層の生成
→液層化→塑性流動に伴なう排除、という現象と、鉄系
焼結合金とアルミニウム合金との原子相互拡散という現
象が同時に起こりながらバルブシート母材２０が埋没し
続け、図１１に示すようにその外周面の略全域がシリン
ダヘッド本体１１内に埋没するようになる。

【００３３】この埋没量が増大しなくなったとき、シリ
ンダ装置２８による加圧を停止し、レーザー変位計３０
によってこれと反射部材２９との距離から上部プラテン
２７の最終位置を求めた後に上部プラテン２７を上昇さ
せ、シリンダヘッド本体１１をプレス装置２４から取り
外す。なお、平均電流値や総通電時間も全工程が終了す
るまでの間に求めておく。次に、上部プラテン２７の下
降開始位置から最終位置までの高低差を算出することに
より、バルブシート母材２０の総埋没量を求める。この
値が予め定めた許容値の範囲内でないときには接合不良
とみなす。この許容値としては、本実施形態では０．５
mm〜２．５mmとした。なお、許容値はシリンダヘッド本
体１１の材料によっても異なるが、約１mm〜１．５mmと
することが好ましい。

【００３４】シリンダヘッドの最終仕上げ加工は、図１
１に示すように、バルブシート母材２０が接合されたシ
リンダヘッド本体１１から、不要部分を図１２に示すよ
うにたとえば研削等の機械加工で除去することによって
行う。この最終仕上げ加工を行うことにより円環体２１
の不要部および皮膜２２が除去され、図１２中に符号Ｃ
で示す原子の拡散領域を介して、シリンダヘッド本体１
１に接合されたバルブシート１９が得られる。ここで、
バルブシート１９は、図１２における各寸法Ａ（投影面
積を決める投影線長さ）、Ｂ（最大肉厚）、θ（外周面
と加工面とのなす角度）が、Ａ≧２、Ｂ≧０．９、θ≧
３０°なる関係を満たすように形成されている。

【００３５】Ａ−３．一実施形態の効果 バルブシート１９とシリンダヘッド本体１１とが原子
拡散によって隙間なく強固に固定されている。したがっ
て、両者の熱抵抗が小さくシリンダヘッドの冷却性能を
向上させることができる。また、上記のように、製造過
程においてシリンダヘッド本体１１は溶融しないため、
凝固時のブローホールや引け巣といった材料欠陥も生じ
ない。

【００３６】バルブシート母材２０は、バルブシート
着座面４０へセットされた状態が、図３に示すように、
底面５１が凸条４６の頂点４５に線接触している。つま
りバルブシート母材２０はバルブシート着座面４０に面
接触してはいない。面接触している場合、前述の如く加
工公差の影響を受けてバルブシート母材２０の埋没量に
ばらつきが生じる。しかしながら、本実施形態は線接触
しているので、接触面積はどのバルブシート母材２０で
あろうとも常に一定であり、したがって、発熱量が一定
になって埋没量のばらつきが抑えられ、設定埋没量内に
収まる。このため、所定の肉厚が常に保持され、かつ剥
離のおそれがなく十分な接合強度が得られるとともに、
欠肉といった不具合も起こらず良好な弁機能が発揮され
る。

【００３７】バルブシート母材２０のバルブシート着
座面４０へのセット状態が、図３に示すように、外周面
５０と外側テーパ面４４とのなす角度αと、底面５１と
第１の内側テーパ面４２とのなす角度βが、α≧βを満
足させるように設定されている。この結果、バルブシー
ト母材２０においては、外周面５０より底面５１の方が
シリンダヘッド本体１１に近接している。したがって、
図４に示すように、電流は外周面５０側に集中せず分散
し、どちらかというと底面５１側から優先的にシリンダ
ヘッド本体１１に流れていく。このため、シリンダヘッ
ド本体１１においては、底面５１に面する部分の電流密
度が高くなって溶融しやすくなる。しかしながらその溶
融層は、バルブシート母材２０が加圧されることにより
界面外へ排除され残存しない。その結果、材料欠陥によ
るバルブシート１９が剥離が起こらない。

【００３８】バルブシート母材２０が埋没された後、
仕上げられたバルブシート１９は、図１２に示すよう
に、Ａ≧２、Ｂ≧０．９、θ≧３０°なる関係を満たす
ように形成されている。バルブシート１９においては、
爆発圧力やバルブフェースの着座衝撃によるシリンダヘ
ッド本体１１への陥没および自身の損傷を避けるため、
シリンダヘッド本体１１との界面の面積ひいてはシリン
ダヘッド本体１１に負荷される面圧が一定以下に保た
れ、かつ自身の剛性が一定以上確保されていることが重
要である。実験の結果、図１３に示すように、投影線長
さＡが２より小さいと許容面圧を越えてしまうので、投
影線長さＡはＡ≧２であることが望ましい。また、図１
４に示すように、肉厚Ｂが０．９より小さいと曲げ変形
率が大きく、０．９以上だとそれ以上増大しない。した
がって、肉厚ＢはＢ≧０．９が望ましい。さらに、図１
５に示すように、外周面５０と加工面とのなす角度θが
少なくとも３０°確保されていないと、すなわちそれだ
けの断面積が確保されていないと、バルブシート１９が
剥離する確率が増大する。したがって、θ≧３０°が望
ましい。

【００３９】バルブシート母材２０を接合させる際の
電流密度が、排気ポート１４側が吸気ポート１３側より
大きくされている。排気ポート側のバルブシート１９
は、高熱の排気ガスに常にさらされるので吸気ポート側
よりも高温の環境にあり、それだけ吸気ポート１３側よ
り前記投影線長さ（投影面積）が大きく確保されていた
方が好ましい。図２に示すように、排気ポート１４側の
電流密度を吸気ポート１３側よりも大きくすることによ
り、排気ポート１４側では、バルブシート１９の投影線
長さが確保されて陥没や変形が生じにくくなる。また、
吸気ポート１３側ではバルブシート１３間の距離を犠牲
にすることなく十分に大きな開口部１３ａの面積を確保
できる。

【００４０】バルブシート母材２０を接合させる際
に、図８に示すような通電および加圧力のパターンをと
ることにより、良好な接合が行える。すなわち、電流値
においては、２回の休止時間ｒ₁ 、ｒ₂ を挟んで３段階
に徐々に増大させているので、界面が過剰に温度上昇せ
ず、シリンダヘッド本体１１が溶融して液相に変化する
ことが防がれる。また、休止時間を与えることなく過剰
な電流を流し続けると、鋼自体の抵抗発熱による温度上
昇の結果、バルブシート母材２０の円環体２１の温度が
鋼の相変態点を越え、その後の冷却工程でマルテンサイ
ト変態を起こしてしまう。こうなると、硬度が増大して
靱性に欠けた材質となりバルブシートとしての機能が十
分に果たせなくなる。また、加圧力においては、はじめ
は比較的小さい第１加圧力Ｐ₁ を加えることにより、急
な衝撃がバルブシート母材２０に与えられるのを回避
し、その後、第２電流Ｉ₂ を流している途中で第２加圧
力Ｐ₂に増大させることによって、良好な接合が行え
る。

【００４１】Ｂ．変更例 本発明は上記一実施形態に限定されるものではなく以下
のように種々の変更が可能である。 シリンダヘッド本体１１およびバルブシート母材２０
の材質は上記一実施形態に限られず、両者の間に共晶合
金が生成されるものであればどのようなものでもよい。 本発明は、自動車のエンジンは勿論のこと、オートバ
イのエンジンなどあらゆるエンジンに適用することがで
きる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
バルブシート母材はシリンダヘッド本体のバルブシート
着座面に線接触でセットされるので、加熱圧接によりバ
ルブシート母材をシリンダ本体に接合する際、発熱量が
一定になって埋没量のばらつきが抑えられ設定埋没量内
に収まり、このため、所定の肉厚が常に保持され、かつ
剥離のおそれがなく十分な接合強度が得られる。（請求
項１）。接合時の電流がバルブシートの外周面側に集中
せず分散し、底面側からシリンダヘッド本体への流れる
割合が多くなるので、底面に面する部分の電流密度が高
くなって溶融しやすくなり、その溶融層は、バルブシー
ト母材が加圧されることにより界面外へ排除され残存し
ないので、材料欠陥によるバルブシートの剥離が起こら
ない。（請求項２）。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態のバルブシートを示す側
断面図である。

【図２】 図１のII方向矢視図である。

【図３】 バルブシート母材をバルブシート着座面にセ
ットした状態を示す側断面図である。

【図４】 バルブシート母材がバルブシート着座面に埋
没される状態を示す側断面図である。

【図５】 バルブシートをシリンダヘッドのポート開口
部に接合するためのプレス装置を示す平面図である。

【図６】 バルブシートをシリンダヘッドのポート開口
部に接合するためのプレス装置を示す側面図である。

【図７】 バルブシート母材に電極を当接させた状態の
側断面図である。

【図８】 通電および加圧力のパターンを示す線図であ
る。

【図９】 バルブシート母材の皮膜の金属材料とシリン
ダヘッド本体の金属材料からなる合金層が生成されてい
る状態の側断面図である。

【図１０】 シリンダヘッド本体の金属材料が塑性流動
を起こしている状態の側断面図である。

【図１１】 バルブシート母材がシリンダヘッド本体に
埋没した状態を示す側断面図である。

【図１２】 バルブシートを仕上げ加工した状態の側断
面図である。

【図１３】 バルブシートの投影線長さと面圧の関係の
一例を示すグラフである。

【図１４】 バルブシートの肉厚と曲げ変形率の関係の
一例を示すグラフである。

【図１５】 バルブシートの外周面と剥離の確率の関係
の一例を示すグラフである。

【図１６】 バルブシート母材をシリンダヘッド本体に
接合させる従来方法を説明するための側断面図である。

【図１７】 （ａ）はバルブシート母材の埋没量が少な
い場合の欠陥を示す側断面図、（ｂ）はバルブシート母
材の埋没量が多すぎた場合の欠陥を示す側断面図であ
る。

【図１８】 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれバルブ
シート母材がシリンダヘッド本体に面接触している状態
の側断面図である。

【図１９】 （ａ）はバルブシートの外周面が底面より
もシリンダヘッド本体に近接しているセット状態を示す
側断面図、（ｂ）はそのバルブシート母材がバルブシー
ト着座面に埋没される状態の側断面図である。

【符号の説明】

１１…シリンダヘッド本体、１３ａ…吸気ポート側の開
口部、１４ａ…排気ポート側の開口部、１９…バルブシ
ート、２０…バルブシート母材、４０…バルブシート着
座面、４１…平面（２面のうちの一方の面）、４２…第
１の内側テーパ面（２面のうちの他方の面）、４５…頂
点、４６…凸条、５０…バルブシート母材の外周面、５
１…バルブシート母材の底面。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダヘッド本体における燃焼室への
   開口部に形成された円環状のバルブシート着座面に、シ
   リンダヘッド本体と異なる材料の円環状のバルブシート
   母材をセットした後、加熱圧接させてバルブシートを接
   合するエンジン用シリンダヘッドの製造方法において、 前記バルブシート着座面に、２面で構成されて前記開口
   部の内周側に突出する円環状の凸条を形成し、 前記バルブシート母材は、バルブシート着座面へセット
   された状態が、 前記シリンダヘッド本体側に向かうにしたがって次第に
   外径が細くなるように傾斜する外周面と、この外周面に
   連続し、自身の軸心へ向かうにしたがって次第にシリン
   ダヘッド本体側に偏在するように傾斜する底面とを有
   し、この底面が前記凸条の頂点に接触させられているこ
   とを特徴とするエンジン用シリンダヘッドの製造方法。
2. 【請求項２】 前記バルブシート母材が前記バルブシー
   ト着座面にセットされた状態で、バルブシート着座面と
   前記外周面とのなす角度αと、バルブシート着座面と前
   記底面とのなす角度βとが、α≧βであることを特徴と
   する請求項１に記載のエンジン用シリンダヘッドの製造
   方法。