JPS62611A

JPS62611A - 内燃機関用鋼製バルブ

Info

Publication number: JPS62611A
Application number: JP60138197A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Mori; 和彦森; Munetani Takagi; 高木　宗谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-06-25
Filing date: 1985-06-25
Publication date: 1987-01-06

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、内燃ＩＩＡ閏に係り、更に詳細には内燃機関
の吸気系及び排気系に組込まれるＪｌｌ製のバルブに係
る。

従来の技術及び発明が解決しようとげる問題点内燃機関
の高性能化に伴い、吸気用及び排気用バルブの使用条件
が益々厳しくなってきており、バルブステム先端のロッ
カーアームとの当接面には高い耐摩耗性が要求されるよ
うになってきている。

かかる要求に対処すべく、バルブを耐熱性に優れたオー
ステナイト系耐熱鋼にて形成し、オーステナイト系耐熱
鋼は焼入れ硬化能を有しないため、ステム先端にマルテ
ンサイト系耐熱鋼のチップを溶接し、しかる後ステム先
端を焼入れ硬化させることが従来より行われている。し
かしかかるバルブに於ては、必ずしも十分な耐摩耗性を
確保することができず、製造工程が？ａ雑であり、また
高コストであるという問題がある。

また上述の如き要求に対処すべく、バルブをＪ■Ｓ規格
のＳ　Ｕ　＋−を系の耐熱鋼にて形成し、ステム先端に
ＣＯ合金を盛金することも従来より行われている。しか
しかかるバルブに於ても、必ずしも満足し得る耐摩耗性
が得られておらず、またその製造に於ては熱源として一
般にアセチレン炎が使用され、高価なＧｏ金合金摩耗量
に比して遥かに多量に盛金し、盛金部の２／３以上を研
摩により除去することが行われており、従ってバルブが
高コストであるという問題がある。更に上述の何れのバ
ルブもバルブ粗材のステム先端にチップ又は盛金が一体
的に結合された構造であるため、耐衝撃性が必ずしも十
分ではないという問題がある。

本発明は、従来の内燃機関用鋼製バルブに於ける上述の
如き種々の問題に鑑み、バルブステム先端のロッカーア
ームとの当接面の耐摩耗性及びバルブステム先端の耐衡
撃性に帰れた低置な内燃機関用鋼製バルブを提供するこ
とを目的としている。

問題点を解決するだめの手段上述の如き目的は、本発明によれば、ステム先端にロッ
カーアームとの当接面を有し、該当接面が鋼のマトリッ
クス中にセラミック粒子が分散された複合層にて郭定さ
れている内燃機関用鋼製バルブによって達成される。

発明の作用及び効果本発明によれば、ステム先端のロッカーアームとの当接
面はマトリックスとしての鋼中にセラミック粒子が分散
された複合層により郭定されているので、上述の如き従
来のバルブに比してロッカーアームとの当接面の耐摩耗
性を遥かに高くすることができる。

また本発明の内燃機関用鋼製バルブに於ける複合層は鋼
製のバルブ粗材のステム先端の端面にセラミック粉末を
配置し、セラミック粉末及びステム先端の表面部を高密
度エネルギ源、特にレーザにて局部的に加熱溶融し、セ
ラミック粉末をステム先端の表面部内に分散させること
により形成されてよいので、本発明の内燃機関用鋼製バ
ルブは上述の如ぎ従来のバルブに比して能率良く製造さ
れ得るものであり、またステム先端の複合層とバルブ粗
材との一体性は従来のバルブに於けるチップ又は盛金部
とパルプ粗材との一体性よりも遥かに優れており、従っ
てステム先端の耐衝撃性も遥かに優れている。

更に本発明によれば、ロッカーアームとの当接面を郭定
する複合層は上述の如く形成されてよく、またその深さ
はバルブが使用される過程に於て生じる当接面のＩ章耗
最に実質的に対応する数ミリ程度の小さい伯であってよ
く、従って複合層中に分散されるセラミック粒子の」も
少膳であってよいので、上述の如き従来のバルブに比し
て低置な内燃機関用鋼製バルブを得ることができる。

本発明の内燃機、開用鋼製パルプに於けるセラミック粒
子は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ
素、酸化チタニウム等の酸化物系セラミック粒子、炭化
チタニウム、炭化タンタル、炭化モリブデン、炭化クロ
ム等の炭化物系セラミック粒子、窒化チタニウム、窒化
ジルコニウム、窒化ケイ素等の窒化物系セラミック粒子
の何れであってもよく、またこれらの二ＩＩＪＸ上の混
合粒子であってもよいが、本願発明者等が行った実験的
研究の結果によれば、ロッカーアームとの当接面の耐摩
耗性を十分な値に確保し、しかもバルブのコストを低減
するためには、複合層中に於番プるヒラミック粒子の体
積率は２０〜９５％、特に４５〜８５％であることが好
ましい。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
鋼のマトリックス中に分散されるセラミック粒子の大き
さが小さすぎる場合にはロッカーアームとの当接面の耐
摩耗性を十分に向上させることが困難であり、セラミッ
ク粒子の大きさが大きすぎる場合にはバルブが使用され
る過程に於てセラミック粒子が複合層の表面より脱落す
るなどの不具合が生じ易くなる。従って本発明の他の一
つの詳細な特徴によれば、セラミック粒子の平均粒径は
０．１〜１９０μ、特に１．０〜３０μとされる。

また本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
ロッカーアームとの当接面のうちセラミック粒子分散複
合層にて郭定される部分の面積比が小さすぎる場合には
、当接面の耐摩耗性を十分に向上させることが困難であ
る。従って本発明の更に他の一つの詳細な特徴によれば
、ロッカーアームとの当接面の５０％以上の部分がセラ
ミック粒子分散複合層にて郭定される。

更に本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
複合層の中央部の深さが小さすぎる場合には、バルブの
使用の過程に於て生じる当接面の摩耗量をカバーしきれ
なくなり、複合層の中央部の深さが大きすぎる場合には
、それに伴い使用されるセラミック粒子の量が多（なる
のでバルブのコストが高くなる。従って本発明の更に他
の一つの詳細な特徴によれば、複合層の中央部の深さは
０．１〜２，０１１．好ましくは０．２〜０．５Ｉ１ｍ
とされる。

尚本発明の内燃機関用鋼製バルブが上述の如くレーザ等
の高密度エネルギ源を用いて製造される場合には、セラ
ミック粉末の表面部又は全体が溶融され、未溶融のセラ
ミックがマトリックス中に残存し又は溶融されたセラミ
ックがマトリックス中に晶出することにより、セラミッ
クがマトリックス中に微細に分散されるが、溶融された
セラミックの一部はマトリックスとしての鋼中に固溶さ
れるので、かくしてマトリックス中に固溶されたセラミ
ックによってもロッカーアームとの当接面の耐摩耗性が
向上される。また本発明の内燃機関用鋼製パルプが上述
の如き方法にて製造される場合には、バルブ粗材のステ
ム先端の端面全面が溶融されると所ｍｒａだれ現象が発
生するので、ロッカーアームとの当接面のうち複合層に
て郭定される部分の面積比は９０％以下に抑えられるこ
とが好ましい。更に本発明の内燃機関用鋼製バルブを構
成する鋼はオーステナイト系耐熱鋼やマルテンサイト系
耐熱鋼など任意の耐熱鋼であってよい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

Ｘ１１第１図は本発明による内燃ｉａ＋用鋼製鋼製バルブつの
実施例を示す正面図、第２図は第１図に示された実施例
の要部を示す広大部分縦断面図である。これらの図に於
て、１は耐熱鋼（Ｊ［Ｓ規格Ｓ　Ｕ　Ｈ３６）にて形成
された内燃機関用鋼製バルブを示している。バルブ１は
図には示されていない内燃機関の吸気ボート又は排気ボ
ートを開閉する傘部２と、該傘部と一体に形成され軸線
３に沿って延在するステム４とよりなっている。ステム
４はその先端４ａの端面５に図には示されていないロッ
カーアームとの当接面６を有している。第２図に詳細に
示されている如く、当接面６は図示の実施例に於ては、
マトリックスとしての耐熱鋼７中にＴｉＣ粒子８が分散
された複合層９により郭定されている。

この第１図及び第２図に示された内燃機関用鋼製バルブ
は以下の如く製造された。まず第３図に示されている如
く、耐熱鋼（ＪＩＳ規格Ｓ　Ｕ　ｌ−１３６）よりなり
第１図及び第２図に示された内燃機開用鋼製バルブと実
質的に同一の形状及び寸法のバルブ粗材１０を用意した
。次いで平均粒径８０μのＴｉＣ粉末を用意し、該Ｔｉ
Ｃ粉末に粘結剤としてポリビニルアルコールの５％水溶
液を添加することにより、水よりも粘性が高く粘土より
も粘性が低いペーストを形成した。次いでバルブ粗材１
０の先端１０ａの端面１１上に幅約１．０１１ｍの周縁
部を除き厚さ約１１１−の層状に配置し、該ペーストを
大気中に於て約１１０℃にて２０分間に亙り加熱するこ
とによって乾燥させ、これにより第３図に示されている
如く端面１１上にＴｉＣ粉末層１２を形成した。

次いで第４図に示されている如く、レーザガン１３の先
端よりシールドガスとしてのアルゴンを放出させ、これ
により端面１１の溶融部をアルゴンにてシールドしつつ
、ＴｉＣ１ｔｆ）末層１２に対しレーザ１４を照射し、
これにより下記の表１に示された条件にてＴｉＣ粉末及
び端面１１を局部的に加熱して先端１０ａを部分的に溶
融させ、これにより溶融層中にＴｉＣ粉末を分散させ、
第５図に示されている如くマトリックスとしての耐熱鋼
７中にＴｉＣ粒子８が分散された複合層１５を形成した
。次いで複合層１５の表面を軸線３に対し垂直に０．２
〜Ｑ、４＋ｅｍ研削することにより、第１図及び第２図
に示されている如き内燃機関用鋼製バルブとした。

表　　　　　ル −ザ出カニ３ｋＷレーザ照射時間：０．８ｓｅｃレーザビーム径：６．５１１アルゴンの流ｆｆｉ：　　８０Ｑ／１ｎ上述の如く製造
されたバルブのステム４の先端４ａの直径りは８．０Ｉ
Ｉ１１であり、複合層９の直径ｄは７．Ｑｉａ＋であり
、複合１１９の深さｔは１．２１であった。また複合１
１９にＦＡ＆ノるＴｉＣ粒子の平均粒径及び体積率はそ
れぞれ３．０μ、５５％であり、当接面６の硬さはＨＶ
−６００〜１１００であった。

上述の如く製造されたバルブのロッカーアームとの当接
面の耐摩耗性を評価すべく、荷重２０ｋｇ、ロータ回転
数１０４、滑り速度Ｑ、　３　ｍ／ＳｅＯ。

滑り距離１００１Ｗの条件にて表面硬さＨｖ＝約５００
の高り［１ム鋳鉄を相手材とする入超式摩耗試験を行い
、当接面の摩耗ｆｆ１（摩耗長さｍｍ）を測定した。ま
た比較の目的でマルテンサイト系耐熱鋼（ＪＩＳ規格５
ＵＨ１１）製のチップが溶接され該チップが高周波焼入
れにより硬化されたバルブ（比較例１）、及びステライ
ト合金がバルブ粗材のステム先端の端面に盛金された従
来のバルブ（比較例２）についても同一の条件にて摩耗
試験を行った。これらの摩耗試験の結果を第６図に示す
。

第６図より、実施例１の内燃機関用鋼製バルブの当接面
の摩耗量は比較例１及び２の摩耗量に比較してそれぞれ
約１／８、約１／３であり、従って実施例１のバルブの
当接面の耐摩耗性は何れの比較例のバルブよりも逼かに
優れていることが解る。

また実施例のバルブの複合Ｈ９と耐熱鋼のみよりなる部
分との一体性、及び比較例のバルブのチップ又は盛金部
と耐熱鋼のみよりなる部分との一体性を評価すべく、衝
撃荷重４０ｋｇ／ｌ１ｌ１２）衝撃荷重負荷時間０．３
ｓｅｃ１負荷サイクル１×１０７ナイクルの条件にて繰
返し衝撃試験を行ったところ、比較例１及び２のバルブ
に於てはチップ及びステライト合金の盛金部が耐熱鋼の
みよりなる部分より剥離する兆候が見られたのに対し、
実施例１のバルブに於てはかかる兆候は全く認められな
かった。

また第７図は上述の如く製造されたバルブの複合層９の
中央部の軸線に沿う断面の金属組織を４００倍にて示ず
光学顕微鏡写真である。図に於て白色の島状の部分がＴ
ｉＣ粒子であり、灰色の地の部分がマトリックスとして
の耐熱鋼の部分である。この第７図より、比較的微細で
比較的均一な大きさのＴｉＣ粒子がマトリックス中に均
一に分散されており、気孔等の不良は全く発生していな
いことが解る。

衷ＩＬとＴｉＣ粉末の代わりに平均粒径８０μのＴｉＣ粉末と平
均粒径６０μのＡｔ　２０３粉末とが１：１の重量比に
て混合された混合粉末が使用された点を除き、上述の実
施例１の場合と同一の要領及び同一の条件にてバルブを
製造した。かくして製造されたバルブのステム先端のロ
ッカーアームとの当接面について実施例１の場合と同一
の条件にて入超式摩耗試験を行った。この摩耗試験の結
果を実施例１の摩耗試験の結果と共に第８図に示す。

尚複合層に於けるＴｉＣ粒子及びＡｌ２Ｏ３粒子の平均
粒径はそれぞれ３．０μ、２．５μであり、これらの粒
子の体積率は両者共３０％であった。

第６図及び第８図より、この実施例のバルブのロッカー
アームとの当接面の摩耗量は比較例１及び比較例２の摩
耗量のそれぞれ約１／１０．約１／４であり、従ってこ
の実施例のバルブの当接面の耐摩耗性は比較例１及び２
の何れのバルブよりも遥かに優れていることが解る。

またこの実施例のバルブについても実施例１の場合と同
一の条件にて繰返し衝撃試験を行ったところ、複合層が
耐熱鋼のみよりなる部分より剥離する兆候は全く認めら
れなかった。

実施例３ＴｉＣ粉末の代わりに平均粒径５０μの７−ｉ３Ｎ４粉
末と平均粒径８０μのＴａＣ粉末とが３＝１の重層化に
て混合された混合粉末が使用された点を除き、実施例１
の場合と同一の要領及び同一の条件にてバルブを製造し
た。かくして製造されたバルブについて実施例１の場合
と同一の条件にて入超式摩耗試験を行った。この摩耗試
験の結果を第８図に示す。尚複合層に於けるＴｉ３Ｎ４
粒子及び１８０粒子の平均粒径はそれぞれ１．０μ、３
．５μであり、これらの粒子の体積率はそれぞれ３０％
、１０％であった。

第６図及び第８図より、この実施例のバルブのロッカー
アームとの当接面との摩耗量は上述の実施例１及び２の
場合よりも僅かに大きいが、比較例１及び２の摩耗量の
それぞれ約１１５、約１／２であり、従ってこの実施例
のバルブの当接面の耐摩耗性も比較例１及び２よりも遥
かに優れていることが解る。

１１九先ステム先端の端面の面積に対する複合層の面積の比率（
以下複合化面積率という）により、ロッカーアームとの
当接面の摩耗ｆｉｔ（摩耗長さ膳■）が如何に変化する
かを検討すべく、実施例１の場合と同一の要領及び条件
にてパルプ粗材の先端の端面に平均粒径３．０μの粒子
が体積率６０％にて分散された耐熱鋼よりなる複合層を
形成し、各バルブの当接面について実施例１の場合と同
一の条件にて入超式摩耗試験を行った。この場合複合化
面積率が９０％、８０％、６０％、５０％、４０％、２
０％に設定された６種類のバルブについて摩耗試験を行
った。この摩耗試験の結果金弟９図に示す。尚第９図に
於て仮想線はステライト合金が盛金された従来のバルブ
のロッカーアームとの。

当接面の摩耗ｆｆ１（摩耗長さｌ−）を示している。

第９図にす、ロッカーアームとの当接面の摩耗量がステ
ライト合金が盛金された従来のバルブよりも小さくなる
のは、複合化面積率が４５％以上、好ましくは５０％以
上の場合であることが解る。

以上に於ては本発明を幾つかの実施例について詳細に説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による内燃機関用鋼製パルプの一つの実
施例を示す正面図、第２図は第１図に示された実施例の
要部を示す拡大部分縦断面図、第３図乃至第５図は第１
図及び第２図に示された実施例のバルブの製造工程を示
す工程図、第６図は実施例１のバルブ及び従来のバルブ
のステム先端のロッカーアームとの当接面について行わ
れた摩耗試験の結果を示すグラフ、第７図は実施例１の
バルブの複合層の中央の軸線に沿う断面の金属組織を４
００倍にて示す光学顕微鏡写真、第８図は実施例１〜３
のバルブのステム先端のロッカーアームとの当接面につ
いて行われた摩耗試験ノ結果を示すグラフ、第９図は複
合化面積率を種々の値に設定してバルブのステム先端の
ロッカーアームとの当接面について行われた摩耗試験の
結果を示すグラフである。１・・・内燃機関用鋼製バルブ、２・・・傘部、３・・
・軸線、４・・・ステム、４ａ・・・先端、５・・・端
面、６・・・当接面、７・・・耐熱鋼、８・・・ＴｉＣ
粒子、９・・・複合層。１０・・・バルブ粗材、１０ａ・・・先端、１１・・・
端面。１２・・・ＴｉＣ粉末粉末層、１３・・・レーザガン、
１４・・・レーザ、１５・・・複合層特　許　出　願　人　　トヨタ自動車株式会社代　　　
　　理　　　　　人　　　弁理士　　明　　石　　昌　
　毅第１図第　６　図比較例１　比較例２　実施例１第７　図へ複合化面槙率（％）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ステム先端にロッカーアームとの当接面を有し、
該当接面が鋼のマトリックス中にセラミック粒子が分散
された複合層にて郭定されている内燃機関用鋼製バルブ
。
（２）特許請求の範囲第１項の内燃機関用鋼製バルブに
於て、前記複合層に於ける前記セラミック粒子の体積率
は２０〜９２％であることを特徴とする内燃機関用鋼製
バルブ。
（３）特許請求の範囲第１項又は第２項の内燃機関用鋼
製バルブに於て、前記セラミック粒子の平均粒径は０．
５〜１９０μであることを特徴とする内燃機関用鋼製バ
ルブ。
（４）特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れかの内燃
機関用鋼製バルブに於て、前記当接面の５０％以上の部
分が前記複合層にて郭定されていることを特徴とする内
燃機関用鋼製バルブ。
（５）特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れかの内燃
機関用鋼製バルブに於て、前記複合層の中央部の深さは
０．１〜２．０ｍｍであることを特徴とする内燃機関用
鋼製バルブ。