JP2001049421A - チタン合金製エンジンバルブ及びその表面処理方法 - Google Patents
チタン合金製エンジンバルブ及びその表面処理方法Info
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Abstract
等の表面処理によることなく向上させる。 【解決手段】 軸部1の一端に傘部2が連設されたチタ
ン合金よりなる弁体3における少なくとも耐摩耗性又は
疲労強度の要求される表面に、浸炭層4を形成するとと
もに、その浸炭層4を含む弁体3の表面における他の動
弁部品と接触する部分5、6、7、8に、酸化層9を形
成し、その下層を針状組織化する。
Description
を向上させたチタン合金製エンジンバルブ及びその表面
処理方法に関する。
障害となるのは、動弁系部品の重量による慣性質量の増
加であり、動弁系の構成部品の総重量が大となると、そ
の慣性のために、高速回転になるほど、弁体のカムに対
する追従性が低下し、エンジンの出力等の性能は低下す
る。
ンバルブ(以下、バルブと略称する)を、従来の耐熱鋼
に代えて、低比重で、かつ耐熱性にも優れるチタン合金
により成形することにより、バルブの軽量化を図る試み
がなされている。
め、他の金属と凝着を起こし易く、また耐摩耗性や疲労
強度等も十分でない。そのため、チタン合金よりなるバ
ルブの表面に、窒化処置(TiN)やNiメッキ等による
表面処理を施して、耐摩耗性を向上させているのが一般
的である。
たバルブは、十分な強度(硬度)及び耐摩耗性を有して
いるが、硬質となり過ぎるため、相手攻撃性が大きく、
バルブと接触する他の動弁系部品の材質を変更するなど
の対策が必要となり、コスト高を招く。
は、耐熱性が十分ではなく、排気バルブとして使用する
には不適当である。
ので、窒化処理やメッキ等によることなく、耐摩耗性や
強度を大幅に向上させうるようにした、チタン合金製エ
ンジンバルブ及びその表面処理方法を提供することを目
的としている。
ンジンバルブによると、上記課題は、次のようにして解
決される。 (1)軸部の一端に傘部が連設されたチタン合金よりな
る弁体における少なくとも耐摩耗性又は疲労強度の要求
される表面に、浸炭層を形成するとともに、その浸炭層
を含む弁体の表面における他の動弁部品と接触する部分
に、酸化層を形成する。
を針状組織とする。
を、α相、α+β相、少量のβ相を含むα+β相、又は
β相よりなるチタン合金のいずれかにより形成する。ま
た、本発明のチタン合金製エンジンバルブの表面処理方
法によれば、上記課題は、次のようにして解決される。
も耐摩耗性又は疲労強度の要求される表面を、変態点以
下の温度に加熱して浸炭処理を施して、浸炭層を形成し
たのち、他の動弁部品と接触する部分の表面を、酸素を
含む雰囲気中で加熱して酸化させることにより、酸化層
を形成する。
高密度エネルギ加熱手段を用いて行う。
化層を、酸素を含む火炎により形成する。
ンジンバルブを示すもので、軸部(1)の下端に傘部(2)
が連設された弁体(3)は、Ti−Al系の合金、例えばα
相よりなるTi−5Al−2.5Sn系合金、α+β相よ
りなるTi−6Al−4V系合金、β相を少量(10%以
下)含有するα+β相(Nearα)よりなるTi−6Al
−2Sn−4Zr−2Mo系合金により成形されている。
処理により、TiCを含む3〜5μm程度の厚さの浸炭
層(4)(図では誇張して示してある)が形成されてい
る。
電子ビーム等の高密度エネルギ加熱手段により、弁体
(3)の表面を変態点以下の温度(約800゜C以下)ま
で加熱し、例えばガス浸炭法により炭素を拡散浸透させ
ることにより形成される。
いると、表層のみが短時間で局部的に加熱され、内部ま
で熱が伝達されるのが防止されるので、弁体(3)の素材
内部の組織が変化し、疲労強度が低下するのが防止され
る。また、浸炭時間が短縮される利点もある。
耐摩耗性又は疲労強度が要求される部位、すなわち、バ
ルブシートと当接する弁フェース部(5)、バルブガイド
と摺接する軸部(1)の中間部(6)、コッタが止着される
環状凹溝(7)、及びロッカアーム又はタペットが接触す
る軸端面(8)の表層には、TiO2を含む10〜15μm
程度の厚さの酸化層(9)を形成する。この酸化層(9)の
下部層、すなわち弁体(3)の素材との境界層(9a)は、針
状組織化している。
れた弁体(3)の表面を、酸素と燃料ガス(アセチレン、
プロパン、天然ガス等)の火炎により、所定の温度に加
熱し、浸炭層(4)を形成した表層を酸化させることによ
り形成される。アセチレンガス等を用いて酸化処理を行
うと、ガス中の炭素が素材に拡散浸透するため、酸化工
程においても浸炭が促進される。なお、酸化層(9)は、
上記火炎による外、高周波誘導加熱手段を用いて形成す
ることもできる。
−Al系合金、すなわちα相、α+β相又はβ相を少量
含むα+β相よりなるチタン合金により形成し、その表
面に浸炭層(4)を形成すると、弁体(3)自体の組織がほ
ぼ等軸状をなしていることと相まって、弁体(3)が強化
され、その引張延性や疲労強度が高まる。疲労強度につ
いては、浸炭層(4)を形成したのみで、約20%向上す
ることを確認している。
フェース部(5)等の表面に酸化層(9)を形成し、その下
方の境界層(9a)を部分的に針状組織化すると、弁体(3)
全体の疲労強度を低下させることなく、表層の耐摩耗性
及び靱性を大幅に向上することができる。
の窒化処理のように硬質となり過ぎることはないので、
他の動弁部品に対する相手攻撃性が大きくなることはな
い。
施した試験片を製作し、摩耗試験を行った。まず摩耗試
験機と試験方法について説明する。図2は、クロスバー
摩耗試験機と称されるもので、水平をなすモータ(10)
と、その回転軸(10a)の先端の直上に、軸線同士が直交
するように上下動可能に設けられた、試験片の固定治具
(11)と、この固定治具(11)上に載置される錘(12)とから
なっている。
端部に、相手部材としてのスチール製の円板状のチップ
(13)を、外周面を平滑に研磨するとともに、脱脂処理し
て同心状に取付ける。
された、下端面が平滑な軸状の試験片(14)を下向きに取
付けたのち、その下端面の外周部寄りを、チップ(13)の
上端面に接触させる。
2)を載せたのち、モータ(10)を作動させ、チップ(13)を
一定速度で回転させる。錘(12)は、チップ(13)と試験片
(14)との摺接部が50m摺動する毎(モータの回転数と
チップの外径により検出する)に、500gずつ追加し
ていく。
の摺接面に焼き付きやかじり等が発生するか、又は35
0m摺動したところで終了する。上記試験方法により得
られた結果を図3に示す。図3において、試験片(A)
は、表面に硬化処理を施していない通常のTi−Al系の
合金(α合金)、(B)は、Ti−6Al−4Vよりなる合
金に浸炭層のみを形成したもの、(C)は、Ti−6Al
−2Sn−4Zr−2Moよりなる合金に、同じく浸炭層
のみを形成したもの、(D)は、上記(B)にさらに酸化層
を形成したもの、(E)は、上記(C)にさらに酸化層を形
成したものを示している。
成した試験片(B)(C)における焼き付き等発生摺動距離
は、硬化処理を施していない通常の試験片(A)に比し
て、かなり向上しており、また、上記試験片(B)(C)に
さらに酸化層を形成した試験片(D)(E)の焼き付き等発
生摺動距離は、大幅に延び、特に、試験片(E)(Ti−
6Al−2Sn−4Zr−2Mo)については、350mま
で摺動させても焼き付き等の発生はなく、極めて高い耐
摩耗性を有することが立証された。
弁体(3)の表面全体に浸炭層(4)を形成して、全体の耐
摩耗性や疲労強度を向上させたのち、さらに他の動弁部
品と接触する部分にのみ酸化層(9)を形成し、部分的に
針状組織化しているため、弁体(3)自身の疲労強度を低
下させることなく、表層の耐摩耗性や靭性をより向上さ
せることができる。
理を行うことも考えられるが、このようにすると、表面
の反射率の関係で、上述のような酸化層を短時間で得る
のは難しく、処理時間を延ばす必要がある。その結果、
加熱領域が増大して、針状組織の部分が増加し、弁体の
疲労強度を低下させることとなる。
にレーザビーム加工等に用いられるカーボンスプレーに
よる被膜を形成してもよく、このようにすると、表面の
反射が抑えられるので、浸炭層(4)が薄くても、酸化層
(9)が容易に形成される。
ではない。上記実施形態では、他の動弁部品との接触部
に酸化層(9)を形成し、その下方の境界層(9a)を針状組
織化しているが、このような針状組織を形成しないで、
酸化層(9)のみを形成することもある。
として、α相、α+β相、又はβ相を少量含むα+β相
よりなるチタン合金を用いているが、β相よりなるチタ
ン合金を用いることもある。
よれば、従来のような窒化処理やメッキ等の表面処理に
よることなく、浸炭層により、弁体の表面の耐摩耗性及
び疲労強度は向上させられ、かつ酸化層により、他の動
弁部品との接触部の耐摩耗性及び疲労強度はさらに向上
させられる。
層を部分的に針状組織としているため、弁体全体の疲労
強度を低下させずに、耐摩耗性や靭性をより向上させる
ことができる。
引張延性や疲労強度が高いので、強靱で長寿命のバルブ
が得られる。
ば、弁体内部の組織を変化させることなく容易に浸炭層
や酸化層を形成することができ、耐摩耗性に優れるエン
ジンバルブが得られる。
のみを、局部的に短時間で加熱して浸炭層を形成しうる
ので、弁体内部に熱が伝わり、弁体自身が有している疲
労強度が低下することはない。
れる酸素を拡散浸透させて、酸化層の中にTiO2の硬質
の酸化物を容易に析出させることができる。
る。
耗試験の方法を示す正面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 軸部の一端に傘部が連設されたチタン合
金よりなる弁体における少なくとも耐摩耗性又は疲労強
度の要求される表面に、浸炭層を形成するとともに、そ
の浸炭層を含む弁体の表面における他の動弁部品と接触
する部分に、酸化層を形成したことを特徴とするチタン
合金製エンジンバルブ。 - 【請求項2】 酸化層の下層を針状組織とした請求項1
記載のチタン合金製エンジンバルブ。 - 【請求項3】 弁体を、α相、α+β相、少量のβ相を
含むα+β相、又はβ相よりなるチタン合金のいずれか
により形成した請求項1又は2記載のチタン合金製エン
ジンバルブ。 - 【請求項4】 チタン合金よりなる弁体の少なくとも耐
摩耗性又は疲労強度の要求される表面を、変態点以下の
温度に加熱して浸炭処理を施して、浸炭層を形成したの
ち、他の動弁部品と接触する部分の表面を、酸素を含む
雰囲気中で加熱して酸化させることにより、酸化層を形
成することを特徴とするチタン合金製エンジンバルブの
表面処理方法。 - 【請求項5】 浸炭処理を、高密度エネルギ加熱手段を
用いて行うことを特徴とする請求項4記載のチタン合金
製エンジンバルブの表面処理方法。 - 【請求項6】 酸化層を、酸素を含む火炎により形成す
ることを特徴とする請求項4または5記載のチタン合金
製エンジンバルブの表面処理方法。
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