JPS61269991A - 内燃機関用肉盛バルブの製造方法 - 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〕 本発明は自動車等の内燃機関用肉盛バルブの製造方法に
関し、特に高密度エネルギ源としてレーザを用いて肉盛
するのに好適な内燃機関用肉盛バルブの製造方法に関す
る。

〔従来の技術〕

自動車用エンジンに用いられているインテークバルブ、
エキゾーストバルブ等のエンジンバルブは、燃焼室にお
ける吸気あるいは排気をつかさどる弁であり、かさ部と
軸部からなる。このエンジンバルブのかさ部は燃焼室内
に設けられ、シリンダヘッドに圧入されたバルブシート
とバルブフェース面で密着、離反を繰り返す。特に、エ
キゾーストバルブのバルブフェース部は燃焼室内におい
て７００℃〜８００℃の高温に曝されると共に、バルブ
シートと衝突を繰り返すため、耐熱性、耐食性、耐摩耗
性が要求される。

従来、エンジンバルブのバルブフェース部に上記耐熱性
等の緒特性を具備させる方法の一つとして、バルブフェ
ース面に耐熱性、耐食性、耐摩耗性に優れた材料、例え
ばコバルト系超合金やニッケル系超合金等を肉盛する方
法が採用されている。

このバルブフェース部の肉盛は、現在はアセチレンガス
を用いたガス肉盛が主流となっている。

他にＴＩＧ溶接電源を使用するものやプラズマ電源を使
用する方法がある。そして、かかるアセチレンガスやＴ
ＩＧ等の熱源を用いた肉盛は、まず肉盛する母材を予熱
した上で肉盛合金を溶着しており、このため母材を一部
溶融させることになる。

しかるに、この母材に含まれている鉄の溶融は、肉盛合
金と混ざって肉盛合金材質を劣化させることになる。こ
のため、アセチレンガスやＴＩＣを用いた肉盛において
は、肉盛合金が鉄により希釈されて材質が劣化するため
、肉盛層を厚くすることにより健全な肉盛部を得る必要
があった。

そこで、最近では希釈の原因となる予熱をなくす等の理
由により、高密度エネルギ源であるレーザを用いて肉盛
を行うことが検討されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕 かかるレーザを用いた肉盛は、予熱を必要としないため
、肉盛初期および中期においては、母材からの希釈のな
い肉盛層が形成される。

しかしながら、例えばエンジンバルブのバルブフェース
部の肉盛のように、環状に肉盛する場合には、肉盛層の
終端部付近は、最初に肉盛した部分の熱で予熱されてい
るため、母材からの希釈が生じることが判った。即ち、
レーザ光の照射される最初の部分とレーザ光が戻ってく
る最後の部分の界面近傍は、母材からの鉄の混入により
希釈が進み部分的に劣化が激しくなっている。

そこで、レーザ肉盛において、母材からの希釈を完全に
なくし、肉盛材質を全体に均一にする工夫が望まれてい
た。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題は、次に述べる本発明の内燃機関用肉盛バルブ
の製造方法によって解決される。

即ち、本発明の内燃機関用肉盛バルブの製造方法は、エ
ンジンバルブのバルブフェース部に、レーザを用いて耐
熱性、耐摩耗性に優れた合金を肉盛する内燃機関用肉盛
バルブの製造方法であって、前記エンジンバルブのバル
ブフェース部に耐熱性、耐摩耗性に優れた合金粉末を供
給し、照射部をシールドガスでシールしながら、エンジ
ンバルブまたはレーザ光のうち少なくとも一方を相対的
に移動させてレーザ光を照射し、最初の照射部にレーザ
光が戻ってくる間に、冷却媒体を照射部の裏側に吹き付
けることにより少なくとも最初の照射部を冷却すること
を特徴としている。

本発明においては、肉盛材料としてコバルト系超合金や
ニッケル系超合金等を用いることができる。このコバル
ト系超合金はステライトを基にして発展した公知の合金
であり、主としてモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（
Ｗ）の添加による固溶強化とクロム（Ｃｒ）炭化物の分
散強化に依存している。コバルト系超合金としては、例
えば、（ａ）　　重量％（以下、単位はすべて重量％で
ある）で、Ｃ：２．５％、Ｓｉ：１．１％、Ｎｉ：１．
５％、Ｃｒ：３０．０％、Ｍｏ：Ｑ、５％、Ｗ：４〜１
２．０％、Ｆ　ｅ　＜　１．５％および残部Ｃｏ、（ｂ
）　　Ｃ：０．２５％、Ｓｉ：１．１％、Ｎｉ：２２．
０％、Ｃｒ：２６、０％、Ｂ　：　０．２％、Ｆ　ｅ　
＜　１．５％および残部ＣＯ等を用いることができる。

また、ニッケル系超合金は２０％前後のクロム（Ｃｒ）
を含有し、更に高温強度の面でアルミニウム（、ｌ）、
チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）が添加された析出強化
型合金である。ニッケル系超合金としては、例えば、（
ａ）　　重量％（以下、単位はすべて重量％である）で
、Ｃｏ　＜　１．５％、Ｃｒ：１４〜２３％、Ｍｏ　：
　５〜１６％、Ｗ＜４．０％、ｌ”ｅ＜５．Ｑ％、Ｓｉ
＜０．８％、Ｍｎ＜１．０％、Ｃ：０．０５〜０．１％
、Ｃａ：０．１〜２．０％および残部Ｎ　ｉ　、　（ｂ
）　　Ｃｏ　＜　５．０％、Ｃｒ：１８〜２２％、Ｍｏ
：３〜６％、Ｆ　ｅ　＜　４．０％、Ｓｔ＜１．０％、
Ｍｎ＜１．０％、Ｃ：０．０５〜０．１％、Ｃａ：０．
１〜２．０％、Ａ　Ｊ　＜　１．０％および残部Ｎｉ等
を用いることができる。

本発明において、冷却は冷却媒体をかさ部の表側（以下
、かさ表という）、即ち、バルブフェース部と反対側に
吹き付けることにより行う。このとき、かさ表の全体を
冷却してもよいし、かさ表の一部分のみ（主に最初の照
射部）を冷却してもよい。また、冷却はレーザ肉盛作業
中、最初から最後まで行ってもよいし、一時期のみ行っ
てもよい。要は、最初のレーザ光の照射部近傍が、相対
的にレーザ光が戻ってきた時に所定温度以下に冷却され
ていればよい。冷却媒体としては、水等の液体の他、窒
素ガス等の気体を用いることができる。

〔作用〕

本発明の内燃機関用肉盛バルブの製造方法によれば、レ
ーザ光の照射により４００℃程度（以下、温度はエンジ
ンバルブのかさ表部の温度を示す）に加熱された最初の
照射部近傍は、相対的にレーザ光が最初の照射部に戻っ
てくるまでに冷却されている。従って、レーザ光の照射
の最終端においても、４００℃前後に加熱されるだけで
、それ以上には温度が上がらない。このため、鉄による
希釈が始まる５００℃〜６００℃まで肉盛部近傍の温度
が上がることはないため、鉄による希釈は生じず、肉盛
部はバルブフェース部全体にわたって健全で均一な材質
となる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面を参考にして説明する。

（第１実施例） 第１実施例としてエンジンバルブのかさ表の一部のみを
冷却する例を示す。

ここで、第１図は本発明の第１実施例に係る内燃機関用
肉盛バルブの製造方法の一工程を示す概略構成図、第２
図はレーザ光の最初の照射部に対応するかさ裏部分の温
度変化を示すグラフである。

全長９４ｍｍ、かさ部径２８ｉｎ、軸部径６日の耐熱ａ
（ＳＵＨ３Ｂ）からなるエキゾーストバルブ１を準備し
た。このエキゾーストバルブ１は、軸′部１ａとかさ部
１ｂからなり、かさ部１ｂのバルブフェース部２には肉
盛を行うために凹部が形成されている。このエキゾース
トバルブ１を上方のバルブフェース部２が水平になるま
で傾け、軸部１ａの先端を軸の周りに回転自在に保持す
る。そして、上方のバルブフェース部２の直上に肉盛合
金粉末３を供給する肉盛合金供給装置４を設置す　　　
　　する。また、図示しないが、上方のバルブフェース
部２に向けてシールドガスがシールドガス供給装置から
供給される。更に、上方のバルブフェース部２には、図
示しないレーザ装置からレーザ光５が照射される。

このエキゾーストバルブ１のかさ表１２の下方側、即ち
、レーザ光５の照射が行われる部分の１８０度反対何に
、冷却装置６が設けられる。この冷却装置６は、内部に
冷却媒体噴出ノズル７を組み込んだ円筒状の冷却装置本
体８を有し、この冷却装置本体８は一端が開口すると共
に、一部が導管９を経て減圧手段である図示しない真空
ポンプに接続されている。また、冷却媒体噴出ノズル７
は導管１０を介して図示しない冷却媒体供給源と接続さ
れている。

肉盛合金粉末３は、Ｃ：１．０％、Ｓｉ：１．２％、Ｎ
　ｉ　＜　３．　Ｑ％、Ｃｒ：２８．０％、Ｗ：４．Ｑ
％、Ｆｅ　＜　３．Ｑ％および残部Ｃｏからなるステラ
イト隘６を用いた。

次に、製造方法を説明する。

肉盛合金供給装置４から肉盛合金粉末３をバルブフェー
ス部２の凹部に供給しつつ、エキゾーストバルブ１を徐
々に回転した。同時に、図示しないシールドガス供給装
置からシールドガスとして窒素ガスを供給し、レーザ光
５を照射した。このとき、レーザ肉盛条件は、レーザ照
射出カニ２．５ＫＷ、ビーム走査スピード：　２．００
鶴／分、ビーム径：φ５鶴とした。そして、レーザ光５
の照射開始と共に、かさ表１２から２ｆｌ離して設置し
た冷却装置６を作動させた。即ち、冷却媒体供給源から
冷却媒体として５℃の水１１を肉盛完了まで２　ｋｇ／
ｃｄの圧力でかさ表１２に吹き付けると共に、吸引ポン
プ（掃除機）を作動させた。このとき、かさ表１２に衝
突して熱を奪い水蒸気となった冷却媒体および液滴は、
吸引ポンプにより吸引され導管９を経て外部に排出され
る。

上記レーザ肉盛の最中に、レーザ光５の最初の照射部に
対応するかさ表部の温度変化を調べた。。

この結果を第２図に示す。また、同様にして水の代わり
に冷却媒体として窒素ガスをガス圧：４ｋｇ／ｃｄ、ガ
ス流量：　３０１　／ｍｉｎで吹き付けた場合、および
冷却を行わなかった場合のかさ表部の温度変化を調べた
。この結果を第２図に併せて示す。

第２図より明らかなように、かさ表部の温度は最初４０
０℃前後であるが、水、窒素ガス等の冷却媒体の吹き付
けにより１００℃前後まで下がる。

そして、最終工程で再びレーザ光の熱を受けるが、４０
０℃以上には上がっていない、一方、冷却を行わない場
合には、最終段階で最初の照射部は約７００℃まで昇温
している。実際に、肉盛材質を調べたところ、冷却を行
った肉盛バルブは、品質が全体に均一であったのに対し
、冷却を行わなかった肉盛バルブは、最初の照射部の部
分に鉄による希釈が生じているのが認められた。

以上より、本実施例によれば、希釈が生じず品質の安定
した健全な肉盛バルブが得られる。また、冷却をレーザ
光の照射とは反対側で、かつ部分的に行ったため、水蒸
気が多少性れたとしてもシールドガスを乱したり、レー
ザ光を吸収したりあるいはプラズマ発生等の悪影響を与
えることはない。

（第２実施例） 第２実施例としてかさ裏全体を冷却する例を示す。

ここで、第３図は本発明の第２実施例に係る内燃機関用
肉盛バルブの製造方法の一工程を示す概略構成図である
。

第２実施例において、第１実施例と異なる点は、冷却装
置本体８の径をバルブ径と略同じとしＪかさ表部の中央
を中心として冷却を行ったことと、水蒸気等の冷却媒体
の吸引のための導管９を上方に設けた点にあり、他は実
質的に第１実施例と同しである。

第２実施例においても、第１実施例と同様な効果が得ら
れた。なお、第１実施例と異なり、かさ裏全体を冷却し
たため、洩れた水蒸気により、若干シールドガスが乱さ
れることがあった。

以上、本発明の特定の実施例について説明したが、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の
範囲内において種々の実施態様を包含するものである。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　）例えば、実施
例ではレーザ光の照射の最初から最後まで冷却する例を
示したが、この冷却は最終段階の直前に行うだけでもよ
い。

〔発明の効果〕

以上より、本発明の内燃機関用肉盛バルブの製造方法に
よれば、レーザ光の照射により予熱されて高温となる最
初の照射部近傍が、レーザ光が再び戻ってくるまでの間
に冷却されるため、希釈を生じる程高温にはならない。

このため、肉盛層はバルブフェース部全体に均一な材質
となり、肉盛品質が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る内燃機関用肉盛バル
ブの製造方法の一工程を示す概略構成図、第２図はレー
ザ光の最初の照射部に対応するかさ裏部分の温度変化を
示すグラフ、 第３図は本発明の第２実施例に係る内燃機関用肉盛バル
ブの製造方法の一工程を示す概略構成図である。 １−・−・・エキゾーストバルブ（エンジンバルブ）１
ａ−・−・−軸部 １ｂ−・・−かさ部 ２・・−−−−−バルブフェース部 計−−−−−−−肉盛合金粉末 ４・−−−−−−・肉盛合金供給装置 ５−・・−レーザ光 ６−・−・冷却装置 ７・−一一一一一・冷却媒体噴出ノズル８−・−・・・
・冷却装置本体 ９−・−・−・導管 １　（Ｌ−−−−−・−・導管 １１、−−−−−−−・水（冷却媒体）１２・・・−・
−・かさ表 出願人　　トヨタ自動車株式会社 第１図 ω乾角斐 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）エンジンバルブのバルブフェース部に、レーザを
   用いて耐熱性、耐摩耗性に優れた合金を肉盛する内燃機
   関用肉盛バルブの製造方法であって、前記エンジバルブ
   のバルブフェース部に耐熱性、耐摩耗性に優れた合金粉
   末を供給し、照射部をシールドガスでシールしながら、
   エンジンバルブまたはレーザ光のうち少なくとも一方を
   相対的に移動させてレーザ光を照射し、最初の照射部に
   レーザ光が戻ってくる間に、冷却媒体を照射部の裏側に
   吹き付けることにより少なくとも最初の照射部を冷却す
   ることを特徴とする内燃機関用肉盛バルブの製造方法。