JPH10205388A - アルミニウム合金製シリンダーヘッドの製造方法 - Google Patents
アルミニウム合金製シリンダーヘッドの製造方法Info
- Publication number
- JPH10205388A JPH10205388A JP9008399A JP839997A JPH10205388A JP H10205388 A JPH10205388 A JP H10205388A JP 9008399 A JP9008399 A JP 9008399A JP 839997 A JP839997 A JP 839997A JP H10205388 A JPH10205388 A JP H10205388A
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- Japan
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 バルブブリッジ部の再溶融処理時に純アルミ
ニウムを加溶し、バルブブリッジ部の延性を母材以上に
向上させ、その結果として熱疲労寿命のより一層の向上
を図ったアルミニウム合金製シリンダーヘッドの製造方
法を提供する。 【解決手段】 アルミニウム合金製シリンダーヘッド２
のバルブブリッジ部の熱応力集中部に、純アルミニウム
を加溶し、当該部の合金元素含有量及び不純物元素含有
量をシリンダーヘッド２母材より低くすることにより当
該部の材料延性を局所的に向上させた。
ニウムを加溶し、バルブブリッジ部の延性を母材以上に
向上させ、その結果として熱疲労寿命のより一層の向上
を図ったアルミニウム合金製シリンダーヘッドの製造方
法を提供する。 【解決手段】 アルミニウム合金製シリンダーヘッド２
のバルブブリッジ部の熱応力集中部に、純アルミニウム
を加溶し、当該部の合金元素含有量及び不純物元素含有
量をシリンダーヘッド２母材より低くすることにより当
該部の材料延性を局所的に向上させた。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】 この発明は、シリンダーヘ
ッドのバルブブリッジ部において、当該部の再溶融処理
過程で母材に対し純アルミニウムを加溶し、当該部の合
金元素含有量及び不純物元素含有量を母材より低くする
ことにより当該部の材料延性を局所的に向上させると同
時に、その結果として当該部の熱疲労寿命を向上させる
ことを特徴とするアルミニウム合金製シリンダーヘッド
及びその製造方法に関する。
ッドのバルブブリッジ部において、当該部の再溶融処理
過程で母材に対し純アルミニウムを加溶し、当該部の合
金元素含有量及び不純物元素含有量を母材より低くする
ことにより当該部の材料延性を局所的に向上させると同
時に、その結果として当該部の熱疲労寿命を向上させる
ことを特徴とするアルミニウム合金製シリンダーヘッド
及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】 白動車用エンジンのシリンダーヘッド
としては、軽量性や冷却性等の点からアルミニウム合金
鋳物が用いられている。なかでも、強度や耐面圧性の点
でＪＩＳ ＡＣ２Ａ，ＡＣ２Ｂ，ＡＣ４Ｂ材のＴ６熱処
理材が良く用いられている。
としては、軽量性や冷却性等の点からアルミニウム合金
鋳物が用いられている。なかでも、強度や耐面圧性の点
でＪＩＳ ＡＣ２Ａ，ＡＣ２Ｂ，ＡＣ４Ｂ材のＴ６熱処
理材が良く用いられている。
【０００３】ところで、近年のエンジンの高出力化に伴
い、シリンダーヘッドへの熱負荷が増大して来ている一
方、保証距離の延長等から耐久信頼性の一層の向上が求
められている。とりわけ高過給型ディーゼルエンジンで
はシリンダーヘッドのバルブブリッジ部の熱負荷が厳し
く、当該部の熱疲労亀裂に対する耐久信頼性の確保が重
要な課題となってきている。当該部位は、シリンダーヘ
ッドのなかでも １）運転中の到達温度が最も高く、 ２）車両の加減速に伴い急熱、急冷が繰り返される。 ３）ヘッドボルトやバルブシートで機械的に拘束されて
いる。 ４）形状的に応力集中しやすい。 等の理由で大きな熱応力（熱膨張を機械的に拘束する事
で生じる応力）が、繰り返し作用し、熱疲労を生じる環
境下にある。このため、当該部位を形成する材料に十分
な熱疲労寿命がないと、当該部に亀裂を生じ、最悪の場
合、燃焼室と冷却水通路間を亀裂が貫通することにな
る。上記熱疲労寿命を向上する手法としては、熱疲労が
塑性域疲労であることから １）材料延性を向上させる方法と、 ２）高温耐力を向上させる方法とがある。 前者の方法としては、再溶融処理が良く知られている。
これは、レーザやＴＩＧアーク等の高密度エネルギーに
よりバルブブリッジ部表層を溶融・急速凝固させ、金属
組織を微細化することにより延性を向上するものであ
り、一部で実施されている。
い、シリンダーヘッドへの熱負荷が増大して来ている一
方、保証距離の延長等から耐久信頼性の一層の向上が求
められている。とりわけ高過給型ディーゼルエンジンで
はシリンダーヘッドのバルブブリッジ部の熱負荷が厳し
く、当該部の熱疲労亀裂に対する耐久信頼性の確保が重
要な課題となってきている。当該部位は、シリンダーヘ
ッドのなかでも １）運転中の到達温度が最も高く、 ２）車両の加減速に伴い急熱、急冷が繰り返される。 ３）ヘッドボルトやバルブシートで機械的に拘束されて
いる。 ４）形状的に応力集中しやすい。 等の理由で大きな熱応力（熱膨張を機械的に拘束する事
で生じる応力）が、繰り返し作用し、熱疲労を生じる環
境下にある。このため、当該部位を形成する材料に十分
な熱疲労寿命がないと、当該部に亀裂を生じ、最悪の場
合、燃焼室と冷却水通路間を亀裂が貫通することにな
る。上記熱疲労寿命を向上する手法としては、熱疲労が
塑性域疲労であることから １）材料延性を向上させる方法と、 ２）高温耐力を向上させる方法とがある。 前者の方法としては、再溶融処理が良く知られている。
これは、レーザやＴＩＧアーク等の高密度エネルギーに
よりバルブブリッジ部表層を溶融・急速凝固させ、金属
組織を微細化することにより延性を向上するものであ
り、一部で実施されている。
【０００４】また、後者の方法としては、シリンダーヘ
ッド母材よりも熱間耐力の高いアルミ銅系合金や銅合金
等を溶射や肉盛り溶接するものが提案されている（特開
平７‐８８６４５号公報記載の技術）。
ッド母材よりも熱間耐力の高いアルミ銅系合金や銅合金
等を溶射や肉盛り溶接するものが提案されている（特開
平７‐８８６４５号公報記載の技術）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、前者
の方法は、材質的には母材と同等であり、これによる改
善には限度が有り、近年のエンジン出力の向上に対し対
応できなくなりつつある。また、後者の方法では、高耐
力の溶射肉盛り層は、アルミニウムとの間に脆い金属間
化合物を生成する元素（たとえば銅等）を多量に含む。
このため、母材と溶射肉盛り層との境界部にこうした金
属間化合物が生成しやすく、バルブブリッジ部の様に温
度勾配が存在する部位においてはこの境界層から剥離亀
裂が発生する。この結果、バルブブリッジ部に適用した
場合、熱疲労寿命のばらつきが大きく、その寿命ばらつ
きの下限において十分な改善効果が得られない。本発明
は上記の様な従来の問題点に着目してなされたもので、
バルブブリッジ部の再溶融処理時に純アルミニウムを加
溶し、バルブブリッジ部の延性を母材以上に向上させ、
その結果として熱疲労寿命のより一層の向上を図ること
を目的としたものである。
の方法は、材質的には母材と同等であり、これによる改
善には限度が有り、近年のエンジン出力の向上に対し対
応できなくなりつつある。また、後者の方法では、高耐
力の溶射肉盛り層は、アルミニウムとの間に脆い金属間
化合物を生成する元素（たとえば銅等）を多量に含む。
このため、母材と溶射肉盛り層との境界部にこうした金
属間化合物が生成しやすく、バルブブリッジ部の様に温
度勾配が存在する部位においてはこの境界層から剥離亀
裂が発生する。この結果、バルブブリッジ部に適用した
場合、熱疲労寿命のばらつきが大きく、その寿命ばらつ
きの下限において十分な改善効果が得られない。本発明
は上記の様な従来の問題点に着目してなされたもので、
バルブブリッジ部の再溶融処理時に純アルミニウムを加
溶し、バルブブリッジ部の延性を母材以上に向上させ、
その結果として熱疲労寿命のより一層の向上を図ること
を目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】 上記課題を解決するた
めの手段として、請求項１記載の発明では、アルミニウ
ム合金製シリンダーヘッドのバルブブリッジ部の熱応力
集中部に、純アルミニウムを加溶し、当該部の合金元素
含有量及び不純物元素含有量をシリンダーヘッド母材よ
り低くすることにより当該部の材料延性を局所的に向上
させた方法としている。請求項２記載の発明では、請求
項１記載のアルミニウム母材が、シリンダーヘッド材と
して好適であるＪＩＳ ＡＣ２Ａ，ＡＣ２Ｂ，ＡＣ４
Ｂ，ＡＣ４Ｄ材よりなる方法としている。請求項３記載
の発明では、バルブブリッジの効果的な延性向上のため
に、加溶に使用される純アルミニウムの純度を、９９．
９％以上としている。請求項４記載の発明では、バルブ
ブリッジの効果的な延性向上のため、純アルミニウム加
溶後のバルブブリッジ部の合金元素含有量及び不純物元
素含有量をシリンダーヘッド母材部の少なくともｌ／２
以下に希釈した構成としている。請求項５記載の発明で
は、バルブブリッジ部への純アルミニウムの加溶方法と
してＴＩＧアーク、ＥＢＷ、レーザのいずれかを用いた
方法としている。
めの手段として、請求項１記載の発明では、アルミニウ
ム合金製シリンダーヘッドのバルブブリッジ部の熱応力
集中部に、純アルミニウムを加溶し、当該部の合金元素
含有量及び不純物元素含有量をシリンダーヘッド母材よ
り低くすることにより当該部の材料延性を局所的に向上
させた方法としている。請求項２記載の発明では、請求
項１記載のアルミニウム母材が、シリンダーヘッド材と
して好適であるＪＩＳ ＡＣ２Ａ，ＡＣ２Ｂ，ＡＣ４
Ｂ，ＡＣ４Ｄ材よりなる方法としている。請求項３記載
の発明では、バルブブリッジの効果的な延性向上のため
に、加溶に使用される純アルミニウムの純度を、９９．
９％以上としている。請求項４記載の発明では、バルブ
ブリッジの効果的な延性向上のため、純アルミニウム加
溶後のバルブブリッジ部の合金元素含有量及び不純物元
素含有量をシリンダーヘッド母材部の少なくともｌ／２
以下に希釈した構成としている。請求項５記載の発明で
は、バルブブリッジ部への純アルミニウムの加溶方法と
してＴＩＧアーク、ＥＢＷ、レーザのいずれかを用いた
方法としている。
【０００７】
【作用】 本発明では、上記手段により、次の様な作用
が得られる。すなわち、本発明のアルミニウム合金製シ
リンダーヘッドの熱応力集中部であるバルブブリッジ部
の表層に形成された高延性層は、再溶融処理を実施して
いるため、深部まで金属組織が微細化されるばかりでな
く、純アルミニウムの加溶により、不純物を含む合金元
素量を希釈低減し、アルミニウム基地中の共晶Ｓｉ及び
その他金属間化合物の晶出量が減少するため、当該部の
延性を母材以上に向上させることが可能となる。
が得られる。すなわち、本発明のアルミニウム合金製シ
リンダーヘッドの熱応力集中部であるバルブブリッジ部
の表層に形成された高延性層は、再溶融処理を実施して
いるため、深部まで金属組織が微細化されるばかりでな
く、純アルミニウムの加溶により、不純物を含む合金元
素量を希釈低減し、アルミニウム基地中の共晶Ｓｉ及び
その他金属間化合物の晶出量が減少するため、当該部の
延性を母材以上に向上させることが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。本発明実施の形態におい
ては、図１及び図２に示すように、アルミニウム合金製
シリンダーヘッド２における熱応力集中部であるバルブ
ブリッジ部（すなわち吸気孔３と排気孔５との間の部
位）に再溶融処理と同時に純アルミニウム（９９．９
％）を加溶し高延性層（純アルミニウム加溶部）７を形
成した場合を例としている。符号１はホットプラグ、４
は吸気孔３のバルブシート、６は排気孔５のバルブシー
ト、８は冷却水通路である。
面に基づいて詳細に説明する。本発明実施の形態におい
ては、図１及び図２に示すように、アルミニウム合金製
シリンダーヘッド２における熱応力集中部であるバルブ
ブリッジ部（すなわち吸気孔３と排気孔５との間の部
位）に再溶融処理と同時に純アルミニウム（９９．９
％）を加溶し高延性層（純アルミニウム加溶部）７を形
成した場合を例としている。符号１はホットプラグ、４
は吸気孔３のバルブシート、６は排気孔５のバルブシー
ト、８は冷却水通路である。
【０００９】上記高延性層７の形成について具体的に説
明する。まず、図３（Ａ）に示すように、バルブブリッ
ジ部に鋳造後の機械加工により凹部９を形成しておき、
図３（Ｂ）に示すように、該凹部９に対してレーザ肉盛
りにより純アルミニウムを加溶して加溶部７ａを形成し
た後、シリンダーヘッド２に対して熱処理を施す。その
後、図３（Ｃ）に示すように、該加溶部７ａにおける盛
り上がり部分を切除してバルブブリッジ部に高延性層７
を形成する。
明する。まず、図３（Ａ）に示すように、バルブブリッ
ジ部に鋳造後の機械加工により凹部９を形成しておき、
図３（Ｂ）に示すように、該凹部９に対してレーザ肉盛
りにより純アルミニウムを加溶して加溶部７ａを形成し
た後、シリンダーヘッド２に対して熱処理を施す。その
後、図３（Ｃ）に示すように、該加溶部７ａにおける盛
り上がり部分を切除してバルブブリッジ部に高延性層７
を形成する。
【００１０】次に、実施の形態及び比較例において用い
られた、母材及び純アルミニウム加溶部７ａの組成及び
材料延性を図４に示す。シリンダーヘッド２母材として
は、ＪＩＳ ＡＣ４Ｂ，ＡＣ２Ａ，ＡＣ２Ｂ材のそれぞ
れに対応する図４のＮｏ．１〜Ｎｏ．３の組成を有する
材料を用い、これら母材に再溶融処理と同時に純アルミ
ニウムを加溶した部位の組成は、図４のＮｏ．４〜Ｎ
ｏ．６の組成であった。このときの熱処理条件は、溶体
化処理：５００℃×３ｈ→水焼入れ→時効処理：１８０
℃×２ｈであった。
られた、母材及び純アルミニウム加溶部７ａの組成及び
材料延性を図４に示す。シリンダーヘッド２母材として
は、ＪＩＳ ＡＣ４Ｂ，ＡＣ２Ａ，ＡＣ２Ｂ材のそれぞ
れに対応する図４のＮｏ．１〜Ｎｏ．３の組成を有する
材料を用い、これら母材に再溶融処理と同時に純アルミ
ニウムを加溶した部位の組成は、図４のＮｏ．４〜Ｎ
ｏ．６の組成であった。このときの熱処理条件は、溶体
化処理：５００℃×３ｈ→水焼入れ→時効処理：１８０
℃×２ｈであった。
【００１１】ついで、本発明の効果を確認するため、上
記実施の形態及び比較例の熱疲労試験を実施した。該熱
疲労試験に用いるテストピースとしては本発明を実施し
たシリンダーヘッド２実体のバルブブリッジ部より、純
アルミニウム加溶部が熱疲労試験片の平行部（φ６×２
０ｍｍ）となるように、図５に示す形状のダンベル型試
験片を切り出し、島津製作所製サーボパルサー熱疲労試
験機にて、拘束率１で熱疲労試験をおこなった。
記実施の形態及び比較例の熱疲労試験を実施した。該熱
疲労試験に用いるテストピースとしては本発明を実施し
たシリンダーヘッド２実体のバルブブリッジ部より、純
アルミニウム加溶部が熱疲労試験片の平行部（φ６×２
０ｍｍ）となるように、図５に示す形状のダンベル型試
験片を切り出し、島津製作所製サーボパルサー熱疲労試
験機にて、拘束率１で熱疲労試験をおこなった。
【００１２】上記熱疲労試験を実施した結果を図６に示
す。これにより、本発明の実施の形態は、シリンダーヘ
ッド２のバルブブリッジ部の再溶融処理時に純アルミニ
ウムを加溶しているため、当該部の延性が向上し、その
結果として、比較例に対し熱疲労寿命が向上しているこ
とがわかる。
す。これにより、本発明の実施の形態は、シリンダーヘ
ッド２のバルブブリッジ部の再溶融処理時に純アルミニ
ウムを加溶しているため、当該部の延性が向上し、その
結果として、比較例に対し熱疲労寿命が向上しているこ
とがわかる。
【００１３】
【発明の効果】 本発明のアルミニウム合金製シリンダ
ーヘッドの製造方法にあっては、アルミニウム合金製シ
リンダーヘッドの熱応力集中部であるバルブブリッジ部
の表層に形成された高延性層は、深部まで金属組織が微
細化されるばかりでなく、純アルミニウムの加溶によ
り、不純物を含む合金元素量を希釈低減し、当該部の延
性を母材以上に向上させることが可能となり、熱疲労強
度の向上を図ることができると共に、当該部はアルミニ
ウムの加溶処理層であるため、境界層に脆い金属間化合
物が生成することもなく、加溶層と基地部の剥離等に対
する耐久性も向上するという優れた効果が得られるもの
である。
ーヘッドの製造方法にあっては、アルミニウム合金製シ
リンダーヘッドの熱応力集中部であるバルブブリッジ部
の表層に形成された高延性層は、深部まで金属組織が微
細化されるばかりでなく、純アルミニウムの加溶によ
り、不純物を含む合金元素量を希釈低減し、当該部の延
性を母材以上に向上させることが可能となり、熱疲労強
度の向上を図ることができると共に、当該部はアルミニ
ウムの加溶処理層であるため、境界層に脆い金属間化合
物が生成することもなく、加溶層と基地部の剥離等に対
する耐久性も向上するという優れた効果が得られるもの
である。
【図１】 本実施の形態のシリンダーヘッドの平面図で
ある。
ある。
【図２】 本実施の形態の図１におけるＥーＥ断面図で
ある。
ある。
【図３】 本実施の形態の純アルミニウム加溶の手順を
示す説明図である。
示す説明図である。
【図４】 本実施の形態と比較例の母材及び純アルミニ
ウム加溶部の組成及び材料延性を示す説明図である。
ウム加溶部の組成及び材料延性を示す説明図である。
【図５】 本実施の形態のダンベル型試験片を示す説明
図である。
図である。
【図６】 本実施の形態と比較例の熱疲労試験の実施結
果を示す説明図である。
果を示す説明図である。
１ ホットプラグ ２ シリンダーヘッド ３ 吸気孔 ４ 吸気孔バルブシート ５ 排気孔 ６ 排気孔バルブシート ７ 高延性層 ７ａ 純アルミニウム加溶部 ８ 冷却水通水路 ９ 凹部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｋ 26/00 Ｂ２３Ｋ 26/00 Ｅ
Claims (5)
- 【請求項１】 アルミニウム合金製シリンダーヘッドの
バルブブリッジ部の熱応力集中部に、純アルミニウムを
加溶し、当該部の合金元素含有量及び不純物元素含有量
をシリンダーヘッド母材より低くすることにより当該部
の材料延性を局所的に向上させたことを特徴とするアル
ミニウム合金製シリンダーヘッドの製造方法。 - 【請求項２】 前記アルミニウム母材が、ＪＩＳ ＡＣ
２Ａ，ＡＣ２Ｂ，ＡＣ４Ｂ，ＡＣ４Ｄ材であることを特
徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金製シリンダ
ーヘッドの製造方法。 - 【請求項３】 バルブブリッジ部の加溶に使用される純
アルミニウムの純度が、９９．９％以上であることを特
徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム合金製
シリンダーヘッドの製造方法。 - 【請求項４】 純アルミニウム加溶後のバルブブリッジ
部の合金元素含有量及び不純物元素含有量がシリンダー
ヘッド母材部の少なくとも１／２以下に希釈されている
ことを特徴とする請求項１ないし３に記載のアルミニウ
ム合金製シリンダーヘッドの製造方法。 - 【請求項５】 前記バルブブリッジ部への純アルミニウ
ムの加溶方法が、ＴＩＧアーク、ＥＢＷ、レーザのいず
れかであることを特徴とする請求項１ないし４に記載の
アルミニウム合金製シリンダーヘッドの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9008399A JPH10205388A (ja) | 1997-01-21 | 1997-01-21 | アルミニウム合金製シリンダーヘッドの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9008399A JPH10205388A (ja) | 1997-01-21 | 1997-01-21 | アルミニウム合金製シリンダーヘッドの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10205388A true JPH10205388A (ja) | 1998-08-04 |
Family
ID=11692118
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9008399A Pending JPH10205388A (ja) | 1997-01-21 | 1997-01-21 | アルミニウム合金製シリンダーヘッドの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10205388A (ja) |
-
1997
- 1997-01-21 JP JP9008399A patent/JPH10205388A/ja active Pending
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