JPS62612A - 内燃機関用鋼製バルブ - Google Patents

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、内燃機関に係り、更に詳細には内燃機関の吸
気系及び１ノ１気系に組込まれる鋼製のバルブに係る。

従来の技術及び発明が解決しようとする問題点内燃機関
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１ノ、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、製造工程が複雑であり、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ＪＩｓ規格
のＳ、Ｕ　Ｈ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（餌なＣＯ合金を摩耗量に
比して遥かに多量に盛余し、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５ＩｙＩ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
耐衝撃性に優れた低廉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。

問題点を解決するための手段 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、該当接面がバルブの主要
部を構成する鋼が高融点金属元素にて合金化された合金
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
面はバルブの主要部を構成する鋼が高融点金属元素にて
合金化された合金層、即ち高融点金属元素による固溶強
化及び析出強化により高強度化及び高硬度化された合金
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緑耗性を遥かに
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番）る合金層は
鋼製のバルブ粗材のステム先端の端面に高融点金属の粉
末を配置し、その高融点金属の粉末及びステム先端の表
面部を高密度１ネルギ源、特にレーザにて局部的に加熱
溶融し、高融点金属をステム先端の表面部内に微細に分
散させてその部分の鋼を合金化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
如き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、またステム先端の合金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バルジ粗ｌ
との一体性よりも追かに優れており、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
する合金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摩耗量
に実質的に対応する数ミリ程度の小さい１ｎであってよ
く、従って合金層を形成するために使用される高融点金
属の闇も少量であってよいので、上述の如き従来のバル
ブに比して低廉な内燃機関用鋼製バルブを得ることがで
きる。

本発明の内燃機関用鋼製バルブに於ける高融点金属元素
は、バルブを構成する主要な元素よりも融点の高い任意
の金属元素であってよく、例えばＷ、Ｃｒ　、Ｔｉ　、
Ｔａ　、Ｖの何れであってもよく、またこれらの二種以
上の元素が使用されてもよいが、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、合金層中に於ける高融点金属元Ｓ
含有ｆｆ１Ｌｔ２０〜７０ｗｔ％、特に３０〜６０ｗｔ
％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ω１究の結果によれば
、ロッカーアームとの当接面のうち合金層にて郭定され
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％以上の部分が合金層にて郭定される
。

更に本願発明者等が行った実験的研究の結果によれば、
合金層の中央部の深さが小さずぎる場合には、バルブの
使用の過程に於て生じる当接面の摩耗最をカバーしきれ
なくなり、合金層の中央部の深さが大ぎすぎる場合には
、それに伴い無駄に使用される高融点金属の市が多くな
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ＩＩＩな特徴によれば、合金層の中央部
の深さは０．１〜２）−０１１１１１Ｎ好ましくは０．
２〜０，５１１１６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、高融
点金属は鋼中に固溶され析出することにより鋼を固溶強
化し析出強化するだけでなく、その一部は鋼中に微細な
粒状にて晶出するので、かくして鋼中に分散された高融
点金属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バルブが上
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謂肩だれ現象が発
生ずるので、ロッカーアームとの当接面のうち合金層に
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。

実施例１ 第１図は本発明による内燃ｌ！ｌ関用鋼製バルブの一つ
の実施例を示す正面図、第２図は第１図に示された実施
例の要部を示ず拡大部分縦断面図である。これらの図に
於て、１は耐熱鋼（ＪＩｓ規格Ｓ　ＬＪ　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
気ボートを開開する傘部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、バルブを構成する耐熱鋼がタングステンにて合金化
された合金層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　Ｎ　３６）よりなり第
１図及び第２図に示された内燃機関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４０μのタングステン粉末を用意１ノ、
該タングステン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ベース１〜を形成した。次い
、でバルブ粗材１０の先端１０ａの端面１１上に幅約１
．ＯＩＩ１ｍの周縁部を除き厚さ約１１１１１の層状に
ペーストを配置し、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上にタン
グステン粉末層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
、タングステン粉末層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タングステン
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タングステンを溶
かし込み、第５図に示されている如く耐熱鋼がタングス
テンにて合金化された合金層１５を形成した。次いで合
金層１５の表面を軸線３に対し垂直に０，２〜０．４ｍ
ｍ研削することにより、第１図及び第２図に示されてい
る如ぎ内燃機関用鋼製バルブとした。

表　　　　　ル −ザ出力＋２ｋＷ レーザ照射時間：　　１．５ｓｅｃ レーザビーム径ニア、Ｑｍｍ アルゴンの流ｆｆｉ：　　４０Ｑ／＃ｌｉｎ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．
５１ＩＩ１１であり、合金層９の直径ｄは７．Ｑｍｌで
あり、合金層９の深さ【は２．Ｏｌであった。また合金
層９に於けるタングステン含有量は３Ｑｗｔ％であり、
当接面６の硬さは１−１ｖ−８５０〜９００であった。

上述の如＜Ｉｆｌ造されたバルブのロツカーアー１１と
の当接面の耐摩耗性を評価すべく、荷重２０ｋ（１、ロ
ータ回転数１０’、）ｆＪり速度０．３　ｍ／ｓｅａ、
滑り距離１００Ｉ１１の条件にて表面硬さＨｖ−約５０
０の高クロ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［１（Ｉｍｍ炎長Ｒ１１）を測定した。

また比較の目的でマルテンサイト系耐熱鋼（ＪＩｓＭ格
５ＵＨ１１）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デ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。

ｍ６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１／６、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遥かに
優れていることが解る。

また実施例のバルブの合金層９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４　Ｑ　ｋｇ／　ｍｎ＋”　、衝撃荷重負荷時間
Ｑ、３ｓｅｃ、負荷サイクル１×１０７サイクルの条件
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合金ＷＩＪ
９の中央部の軸線に沿う断面の金属組織を４００倍にて
示す光学顕微鏡写真である。図に於て、白色の地の部分
がマトリックスとしてのオーステナイト組織の部分であ
り、明灰色の粒状の部分がタングステン粒子の部分であ
り、黒色の粒状の部分がタングステンカーバイド又はタ
ングステンとＣｒ等との三元系炭化物より生成している
共晶系晶出硬質粒子の部分であり、気孔等の不良は全く
発生していないことが解る。

実施例２ タングステン粉末の代わりに平均粒径４０μのタングス
テン粉末と平均粒径６０μのチタニウム粉末とが１：２
の重量比にて混合された混合粉末が使用され、レーザ処
理条件が下記の表２に示された条件に設定された点を除
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！ｌＪ造されたバルブ
のスデ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。尚合金層に於けるタングステン及びチタ
ニウム含有量はそれぞれ１５ｗｔ％、３Ｑｗｔ％であっ
た。

表　　　　　２ レーザ出カニ　　　　２．５ｋＷ レーザ照射時間：　　１．９ｓｅｃ レーザビーム径：６，０１１１１１ アルゴンの流量：　　６０Ｑ／ｍｉｎ 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ｆ窄耗量は比較例１及び比較例２の
摩耗ｍのそれぞれ約１／９、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ｖｓ＋試験を行ったところ、合金層
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３ 平均粒径６０μのクロム粉末と平均粒径４０μのタング
ステン粉末と平均粒径８０μのチタニウム粉末とが２：
１　：１のｆｆｌｆｆ１比にて混合された混合粉末が使
用された点を除き、実施例２の場合と同−の要領及び同
一の条件にてバルブを製造した。

かくして！ｋｌ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。尚合金層に於けるクロム、タ
ングステン、及びチタニウムの含有［ｔＧｔそレソｔＬ
３０ｗｔ％、１５ｗｔ％、１５ｗｔ９６テあった。

１６図及び第８図より、この実施例のバルブのロッカー
アームどの当接面の摩耗量は上述の実施例１及び２の場
合よりも僅かに小さく、比較例１及び２の摩耗量のそれ
ぞれ約１／１０、約１１５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。

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、合金層が
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４ ステム先端の端面の面積に対する合金層の面積の比率（
以下複合化面積率という）により、ロッカーアームとの
当接面の摩耗量（摩耗長さａｌｍ）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
てバルブ粗材の先端の端面に耐熱鋼がタングステンにて
合金化されタングステン含有量が３０ｖｔ％である合金
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％、７５％、６０％、５０％、４０％
に設定された５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を第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＠（摩耗長さｍｍ）を示
している。

第９図より、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伯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バルブの一つの実
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どの当接面について行わ
れた浄耗試験の結果を示すグラフ、第７図は実施例１の
バルブの合金層の中央の軸線に沿う断面の金属組織を４
．　Ｏ０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の結果を示すグラフ、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、９・・・合金層、１０・・・バル
ブ粗材、１０ａ・・・先端、１１・・・端面、１２・・
・タングステン粉末粉末層、１３・・・レーザガン、１
４・・・レーザ、１５・・・合金層 特　許　出　願　人　　トヨタ自動車株式会社代　　　
　　理　　　　　人　　　弁理士　　Ｉｌｌ　　　石　
　昌　　毅第１図 第６図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ステム先端にロッカーアームとの当接面を有し、
   該当接面がバルブの主要部を構成する鋼が高融点金属元
   素にて合金化された合金層にて郭定されている内燃機関
   用鋼製バルブ。
2. （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、前記合金層に於ける高融点金属元素含有量は２０
   〜７０ｗｔ％であることを特徴とする内燃機関用鋼製バ
   ルブ。
3. （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、前記当接面の５０％以上の部分が前記
   合金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。
4. （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、前記合金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。
5. （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、前記高融点金属元素はＷ、Ｃ
   ｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖよりなる群より選択された少なくと
   も一種類の金属元素であることを特徴とする内燃機関用
   鋼製バルブ。