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JP7625879B2 - Cylinder head for internal combustion engine and manufacturing method thereof - Google Patents
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JP7625879B2 - Cylinder head for internal combustion engine and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP7625879B2 JP2021017367A JP2021017367A JP7625879B2 JP 7625879 B2 JP7625879 B2 JP 7625879B2 JP 2021017367 A JP2021017367 A JP 2021017367A JP 2021017367 A JP2021017367 A JP 2021017367A JP 7625879 B2 JP7625879 B2 JP 7625879B2
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Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッド及びその製造方法に関し、特にコールドスプレー法によりバルブシートを成膜したシリンダヘッドに関するものである。 The present invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine and a manufacturing method thereof, and in particular to a cylinder head in which a valve seat is formed by the cold spray method.

内燃機関のバルブ着座部に、コールドスプレー法により金属等の原料粉末を吹き付けることにより、優れた高温耐磨耗性を有するバルブシートを形成する摺動部材の製造方法が知られている(特許文献1)。 A method for manufacturing a sliding member is known in which a valve seat with excellent high-temperature abrasion resistance is formed by spraying raw material powder such as metal onto the valve seat of an internal combustion engine using a cold spray method (Patent Document 1).

国際公開第2017/022505号パンフレットInternational Publication No. 2017/022505

この種のバルブシートには、吸排気バルブの繰り返し衝突に対する耐摩耗性と、基材との密着性が要求される。バルブシートの耐摩耗性を向上させるには、コールドスプレーの原料粉末に硬質材料を用いればよいが、材料が硬いと塑性変形し難くなり、基材との密着性が低下する。逆にバルブシートの密着性を向上させるには、コールドスプレーの原料粉末に軟質材料を用いればよいが、耐摩耗性が低下する。このように、コールドスプレー法において耐摩耗性と密着性とはトレードオフの関係にあり、これらを両立させるのは困難であった。 This type of valve seat requires wear resistance against repeated impacts from the intake and exhaust valves, as well as adhesion to the base material. To improve the wear resistance of the valve seat, a hard material can be used for the raw powder of the cold spray, but a hard material will be difficult to plastically deform, and adhesion to the base material will decrease. Conversely, to improve the adhesion of the valve seat, a soft material can be used for the raw powder of the cold spray, but this will decrease wear resistance. Thus, there is a trade-off between wear resistance and adhesion in the cold spray method, and it has been difficult to achieve both.

本発明が解決しようとする課題は、耐摩耗性と密着性が適宜箇所において優れた内燃機関のシリンダヘッド及びその製造方法を提供することである。 The problem that this invention aims to solve is to provide an internal combustion engine cylinder head that has excellent wear resistance and adhesion in appropriate locations, and a manufacturing method thereof.

本発明は、軟質材料と硬質材料とを主成分として含む原料粉末を用い、コールドスプレー法によりバルブシートを成膜するにあたり、吸気ポートのバルブシートの断面における硬質材料の含有比率(面積比率)が、排気ポートのバルブシートの断面における硬質材料の含有比率(面積比率)よりも小さくなるようにすることにより、上記課題を解決する。 The present invention solves the above problem by using a raw material powder containing a soft material and a hard material as the main components to form a valve seat by cold spraying, so that the content ratio (area ratio) of the hard material in the cross section of the valve seat of the intake port is smaller than the content ratio (area ratio) of the hard material in the cross section of the valve seat of the exhaust port.

本発明によれば、吸気ポートのバルブシートを軟質材料リッチにする一方、排気ポートのバルブシートを硬質材料リッチにするので、耐摩耗性と密着性が適宜箇所において優れたシリンダヘッドを得ることができる。 According to the present invention, the valve seats of the intake ports are made of a soft material, while the valve seats of the exhaust ports are made of a hard material, resulting in a cylinder head with excellent wear resistance and adhesion in appropriate locations.

本発明の一実施の形態に係るバルブシートを含むシリンダヘッドを示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a cylinder head including a valve seat according to an embodiment of the present invention. 図1のバルブ周辺の拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the periphery of the valve in FIG. 1 . 本発明に係る製造方法に使用されるコールドスプレー装置の一実施の形態を示す構成図である。1 is a configuration diagram showing one embodiment of a cold spray device used in a manufacturing method according to the present invention. FIG. 本発明に係る製造方法を用いてシリンダヘッドを製造する手順を示す工程図である。3A to 3C are process diagrams showing a procedure for manufacturing a cylinder head using the manufacturing method according to the present invention. 本発明の一実施の形態に係るバルブシートを含むシリンダヘッド粗材の斜視図である。1 is a perspective view of a cylinder head blank including a valve seat according to one embodiment of the present invention; FIG. (A)は図5のVI-VI線に沿う吸気ポートを示す断面図、(B)は吸気ポートに切削工程で環状バルブシート部を形成した状態を示す断面図、(C)は吸気ポートにバルブシートを形成する状態を示す断面図、(D)はバルブシートが形成された吸気ポートを示す断面図である。6A is a cross-sectional view showing an intake port taken along line VI-VI in FIG. 5 , (B) is a cross-sectional view showing the intake port after an annular valve seat portion has been formed in a cutting process, (C) is a cross-sectional view showing the intake port after a valve seat has been formed, and (D) is a cross-sectional view showing the intake port with a valve seat formed. (A)は吸気ポートのバルブ着座部に形成した第1バルブシートを示す断面図、(B)は排気ポートのバルブ着座部に形成した第2バルブシートを示す断面図である。1A is a cross-sectional view showing a first valve seat formed in a valve seat portion of an intake port, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing a second valve seat formed in a valve seat portion of an exhaust port. 吸気ポートのバルブシートに含まれる硬質材料の含有比率(面積%)に対する摩耗量の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the amount of wear and the content (area %) of a hard material contained in a valve seat of an intake port. (A)は水アトマイズ法により製造した硬質材料の原料粉末を示すSEM写真、(B)はガスアトマイズ法により製造した硬質材料の原料粉末を示すSEM写真である。1A is a SEM photograph showing raw material powder of a hard material produced by water atomization, and FIG. 1B is a SEM photograph showing raw material powder of a hard material produced by gas atomization. (A)はノズルの移動速度が低速である場合の成膜状態を示す模式図、(B)はノズルの移動速度が高速である場合の成膜状態を示す模式図である。1A is a schematic diagram showing a film formation state when the nozzle moving speed is low, and FIG. 1B is a schematic diagram showing a film formation state when the nozzle moving speed is high.

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。初めに、本発明を適用して好ましい、バルブシート16b,17bを備える内燃機関1について説明する。図1は、内燃機関1の断面図であり、主にシリンダヘッド周りの構成を示す。 Below, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, an internal combustion engine 1 equipped with valve seats 16b, 17b to which the present invention is preferably applied will be described. Figure 1 is a cross-sectional view of the internal combustion engine 1, and mainly shows the configuration around the cylinder head.

内燃機関1は、シリンダブロック11と、シリンダブロック11の上部に組み付けられたシリンダヘッド12とを備える。この内燃機関1は、例えば、直列4気筒のガソリンエンジンであり、シリンダブロック11は、図面奥行き方向に配列された4つのシリンダ11aを有し、図1にはそのうちの1つのシリンダ11aを示す。各シリンダ11aは、図中の上下方向に往復移動するピストン13を収容し、各ピストン13は、コネクティングロッド13aを介して、図面奥行き方向に延在するクランクシャフト14に連結されている。 The internal combustion engine 1 comprises a cylinder block 11 and a cylinder head 12 attached to the top of the cylinder block 11. The internal combustion engine 1 is, for example, an in-line four-cylinder gasoline engine, and the cylinder block 11 has four cylinders 11a arranged in the depth direction of the drawing, one of which is shown in FIG. 1. Each cylinder 11a houses a piston 13 that reciprocates up and down in the drawing, and each piston 13 is connected to a crankshaft 14 extending in the depth direction of the drawing via a connecting rod 13a.

シリンダヘッド12のシリンダブロック11への取付面12aであって、各シリンダ11aに対応する位置には、各シリンダ11aの燃焼室15を構成する4つの凹部12bが形成されている。燃焼室15は、燃料と吸入空気との混合気を燃焼させるための空間であり、シリンダヘッド12の凹部12bと、ピストン13の頂面13bと、シリンダ11aの内周面とで構成される。 The mounting surface 12a of the cylinder head 12 to the cylinder block 11 has four recesses 12b that form the combustion chamber 15 of each cylinder 11a at positions corresponding to each cylinder 11a. The combustion chamber 15 is a space for burning a mixture of fuel and intake air, and is composed of the recesses 12b of the cylinder head 12, the top surface 13b of the piston 13, and the inner surface of the cylinder 11a.

シリンダヘッド12は、吸気ポート16を備え、吸気ポート16は、燃焼室15と、シリンダヘッド12の一方の側面12cとを連通する。吸気ポート16は、屈曲した略円筒形状とされ、側面12cに接続したインテークマニホールド(不図示)からの吸入空気を燃焼室15内へ案内する。また、シリンダヘッド12は、排気ポート17を備え、排気ポート17は、燃焼室15と、シリンダヘッド12の他方の側面12dとを連通する。排気ポート17は、吸気ポート16と同様に屈曲した略円筒形状とされ、燃焼室15で生じた排気を、側面12dに接続したエキゾーストマニホールド(不図示)へ排出する。なお、本実施形態の内燃機関1は、1つのシリンダ11aに対し、吸気ポート16と排気ポート17とを2つずつ備える。 The cylinder head 12 has an intake port 16, which connects the combustion chamber 15 to one side 12c of the cylinder head 12. The intake port 16 has a curved, approximately cylindrical shape, and guides intake air from an intake manifold (not shown) connected to the side 12c into the combustion chamber 15. The cylinder head 12 also has an exhaust port 17, which connects the combustion chamber 15 to the other side 12d of the cylinder head 12. The exhaust port 17 has a curved, approximately cylindrical shape like the intake port 16, and discharges exhaust gas generated in the combustion chamber 15 to an exhaust manifold (not shown) connected to the side 12d. The internal combustion engine 1 of this embodiment has two intake ports 16 and two exhaust ports 17 for each cylinder 11a.

シリンダヘッド12は、燃焼室15に対して吸気ポート16を開閉する吸気バルブ18と、燃焼室15に対して排気ポート17を開閉する排気バルブ19とを備える。吸気バルブ18及び排気バルブ19のそれぞれは、丸棒状のバルブステム18a,19aと、バルブステム18a,19aの先端に設けられた円盤状のバルブヘッド18b,19bと、を備える。バルブステム18a,19aは、シリンダヘッド12に組み付けた略円筒形状のバルブガイド18c,19cにスライド自在に挿通されている。これにより、吸気バルブ18及び排気バルブ19のそれぞれは、燃焼室15に対し、バルブステム18a,19aの軸方向に沿って移動自在となる。 The cylinder head 12 is equipped with an intake valve 18 that opens and closes an intake port 16 relative to the combustion chamber 15, and an exhaust valve 19 that opens and closes an exhaust port 17 relative to the combustion chamber 15. The intake valve 18 and the exhaust valve 19 each have a round rod-shaped valve stem 18a, 19a and a disk-shaped valve head 18b, 19b provided at the tip of the valve stem 18a, 19a. The valve stems 18a, 19a are slidably inserted into approximately cylindrical valve guides 18c, 19c assembled to the cylinder head 12. This allows the intake valve 18 and the exhaust valve 19 to move freely along the axial direction of the valve stems 18a, 19a relative to the combustion chamber 15.

図2に、燃焼室15と、吸気ポート16及び排気ポート17との連通部分を拡大して示す。吸気ポート16は、燃焼室15との連通部分に略円形の開口部16aを備える。この開口部16aの環状縁部(バルブ着座部)に、吸気バルブ18のバルブヘッド18bと当接する環状のバルブシート16bが形成されている。そして、吸気バルブ18が、バルブステム18aの軸方向に沿って上方に移動すると、バルブヘッド18bの上面がバルブシート16bに当接して吸気ポート16を閉塞する。逆に、吸気バルブ18が、バルブステム18aの軸方向に沿って下方に移動すると、バルブヘッド18bの上面とバルブシート16bとの間に隙間が形成されて吸気ポート16を開放する。 Figure 2 shows an enlarged view of the communication between the combustion chamber 15 and the intake port 16 and exhaust port 17. The intake port 16 has a substantially circular opening 16a at the communication with the combustion chamber 15. An annular valve seat 16b that abuts against the valve head 18b of the intake valve 18 is formed on the annular edge (valve seat) of this opening 16a. When the intake valve 18 moves upward along the axial direction of the valve stem 18a, the upper surface of the valve head 18b abuts against the valve seat 16b, closing the intake port 16. Conversely, when the intake valve 18 moves downward along the axial direction of the valve stem 18a, a gap is formed between the upper surface of the valve head 18b and the valve seat 16b, opening the intake port 16.

排気ポート17は、吸気ポート16と同様に、燃焼室15との連通部分に略円形の開口部17aを備え、この開口部17aの環状縁部(バルブ着座部)に、排気バルブ19のバルブヘッド19bと当接する環状のバルブシート17bが形成されている。そして、排気バルブ19が、バルブステム19aの軸方向に沿って上方に移動すると、バルブヘッド19bの上面がバルブシート17bに当接して排気ポート17を閉塞する。逆に、排気バルブ19が、バルブステム19aの軸方向に沿って下方に移動すると、バルブヘッド19bの上面とバルブシート17bとの間に隙間が形成されて排気ポート17を開放する。なお、吸気ポート16の開口部16aの直径は、排気ポート17の開口部17aの直径より大きく設定されている。 The exhaust port 17, like the intake port 16, has a substantially circular opening 17a at the communicating portion with the combustion chamber 15, and an annular valve seat 17b that abuts against the valve head 19b of the exhaust valve 19 is formed on the annular edge (valve seat) of this opening 17a. When the exhaust valve 19 moves upward along the axial direction of the valve stem 19a, the upper surface of the valve head 19b abuts against the valve seat 17b to close the exhaust port 17. Conversely, when the exhaust valve 19 moves downward along the axial direction of the valve stem 19a, a gap is formed between the upper surface of the valve head 19b and the valve seat 17b, opening the exhaust port 17. The diameter of the opening 16a of the intake port 16 is set to be larger than the diameter of the opening 17a of the exhaust port 17.

4サイクルの内燃機関1においては、ピストン13の下降時に吸気バルブ18のみを開き、これにより吸気ポート16からシリンダ11a内に混合気を導入する(吸気行程)。続いて、吸気バルブ18および排気バルブ19を閉じた状態とし、ピストン13を略上死点まで上昇させてシリンダ11a内の混合気を圧縮する(圧縮行程)。そして、ピストン13が略上死点に達したときに、点火プラグにより圧縮した混合気に点火することで当該混合気が爆発する。この爆発によりピストン13は下死点まで下降し、連結されたクランクシャフト14を介して爆発を回転力に変換する(燃焼・膨張行程)。最後に、ピストン13が下死点に達し、再び上昇を開始すると、排気バルブ19のみを開き、シリンダ11a内の排気を排気ポート17へ排出する(排気行程)。内燃機関1は、以上のサイクルを繰り返し行うことにより出力を発生する。 In a four-stroke internal combustion engine 1, only the intake valve 18 is opened when the piston 13 descends, thereby introducing the air-fuel mixture from the intake port 16 into the cylinder 11a (intake stroke). Next, the intake valve 18 and exhaust valve 19 are closed, and the piston 13 is raised to approximately top dead center to compress the air-fuel mixture in the cylinder 11a (compression stroke). Then, when the piston 13 reaches approximately top dead center, the compressed air-fuel mixture is ignited by an ignition plug, causing the mixture to explode. This explosion causes the piston 13 to descend to bottom dead center, and the explosion is converted into rotational force via the connected crankshaft 14 (combustion and expansion stroke). Finally, when the piston 13 reaches bottom dead center and begins to rise again, only the exhaust valve 19 is opened, and the exhaust gas in the cylinder 11a is discharged to the exhaust port 17 (exhaust stroke). The internal combustion engine 1 generates power by repeating the above cycle.

バルブシート16b,17bは、シリンダヘッド12の開口部16a,17aの環状縁部、すなわちバルブの着座部に、コールドスプレー法によって、金属膜を直接形成してなるものである。コールドスプレー法とは、原料粉末の融点又は軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速流とし、作動ガス中に搬送ガスによって搬送された原料粉末を投入してノズル先端より噴射し、固相状態のまま基材に衝突させ、原料粉末の塑性変形により皮膜を形成するものである。このコールドスプレー法は、材料を溶融させて基材に付着させる溶射法に比べ、大気中で酸化のない緻密な皮膜が得られ、材料粒子への熱影響が少ないので熱変質が抑えられ、成膜速度が速く、厚膜化が可能であり、付着効率が高いといった特性を有する。特に成膜速度が速く、厚膜が可能なことから、内燃機関1のバルブシート16b,17bのような構造材料としての用途に適している。 The valve seats 16b, 17b are formed by directly forming a metal film on the annular edge of the openings 16a, 17a of the cylinder head 12, i.e., the valve seating portion, by the cold spray method. In the cold spray method, a working gas at a temperature lower than the melting point or softening point of the raw material powder is made into a supersonic flow, and the raw material powder carried by a carrier gas is injected into the working gas and sprayed from the nozzle tip, and the raw material powder is made to collide with the substrate in a solid state, forming a coating by plastic deformation of the raw material powder. Compared to the thermal spray method in which the material is melted and attached to the substrate, the cold spray method has the following characteristics: a dense coating that does not oxidize in the atmosphere is obtained, thermal deterioration is suppressed because the thermal effect on the material particles is small, the film formation speed is fast, thick films can be formed, and the adhesion efficiency is high. In particular, the fast film formation speed and thick films can be formed, making it suitable for use as a structural material such as the valve seats 16b, 17b of the internal combustion engine 1.

図3は、上記のバルブシート16b,17bの形成に用いられるコールドスプレー装置2を模式的に示した図である。本例のコールドスプレー装置2は、作動ガス及び搬送ガスを供給するガス供給部21と、バルブシート16b,17bの原料粉末を供給する原料粉末供給部22と、原料粉末をその融点以下の作動ガスを用いて超音速流として噴射するスプレーガン23と、ノズル23dを冷却する冷媒循環回路27と、を備える。 Figure 3 is a schematic diagram of the cold spray device 2 used to form the valve seats 16b and 17b. The cold spray device 2 in this example includes a gas supply unit 21 that supplies a working gas and a carrier gas, a raw material powder supply unit 22 that supplies raw material powder for the valve seats 16b and 17b, a spray gun 23 that sprays the raw material powder as a supersonic flow using a working gas below its melting point, and a refrigerant circulation circuit 27 that cools the nozzle 23d.

ガス供給部21は、圧縮ガスボンベ21a、作動ガスライン21b及び搬送ガスライン21cを備える。作動ガスライン21b及び搬送ガスライン21cは、それぞれ圧力調整器21d、流量調節弁21e、流量計21f及び圧力ゲージ21gを備える。圧力調整器21d、流量調節弁21e、流量計21f及び圧力ゲージ21gは、圧縮ガスボンベ21aからの作動ガス及び搬送ガスのそれぞれの圧力及び流量の調整に供される。 The gas supply unit 21 includes a compressed gas cylinder 21a, a working gas line 21b, and a carrier gas line 21c. The working gas line 21b and the carrier gas line 21c each include a pressure regulator 21d, a flow control valve 21e, a flow meter 21f, and a pressure gauge 21g. The pressure regulator 21d, the flow control valve 21e, the flow meter 21f, and the pressure gauge 21g are used to adjust the pressure and flow rate of the working gas and the carrier gas from the compressed gas cylinder 21a.

作動ガスライン21bには、テープヒータなどのヒータ21iが設置され、当該ヒータ21iは、電力源21hから電力供給線21j,21jを介して電力が供給されることにより、作動ガスライン21bを加熱する。作動ガスは、ヒータ21iによって原料粉末の融点又は軟化点より低い温度に加熱された後、スプレーガン23のチャンバ23a内に導入される。チャンバ23aには、圧力計23bと温度計23cが設置され、それぞれの信号線23g,23hを介して検出された圧力値と温度値がコントローラ(不図示)に出力され、圧力及び温度のフィードバック制御に供される。 A heater 21i such as a tape heater is installed in the working gas line 21b, and the heater 21i heats the working gas line 21b by receiving power from a power source 21h via power supply lines 21j, 21j. The working gas is heated by the heater 21i to a temperature lower than the melting point or softening point of the raw material powder, and then introduced into the chamber 23a of the spray gun 23. A pressure gauge 23b and a thermometer 23c are installed in the chamber 23a, and the detected pressure and temperature values are output to a controller (not shown) via respective signal lines 23g, 23h, and are used for feedback control of the pressure and temperature.

一方、原料粉末供給部22は、原料粉末供給装置22aと、これに付設される計量器22b及び原料粉末供給ライン22cを備える。圧縮ガスボンベ21aからの搬送ガスは、搬送ガスライン21cを通り、原料粉末供給装置22aに導入される。計量器22bにより計量された所定量の原料粉末は、原料粉末供給ライン22cを経て、チャンバ23a内に搬送される。 The raw powder supplying section 22 includes a raw powder supplying device 22a, a measuring device 22b, and a raw powder supplying line 22c. The carrier gas from the compressed gas cylinder 21a passes through the carrier gas line 21c and is introduced into the raw powder supplying device 22a. A predetermined amount of raw powder measured by the measuring device 22b is transported into the chamber 23a via the raw powder supplying line 22c.

スプレーガン23は、搬送ガスによりチャンバ23a内に搬送された原料粉末Pを、作動ガスにより超音速流としてノズル23dの先端から噴射し、固相状態又は固液共存状態で基材4に衝突させて金属膜5を形成する。本実施形態では、基材4としてシリンダヘッド12を適用し、このシリンダヘッド12の開口部16a,17aの環状縁部(バルブ着座部)にコールドスプレー法によって原料粉末Pを噴射することにより、金属膜5としてバルブシート16b,17bを形成する。 The spray gun 23 sprays the raw material powder P, which has been transported into the chamber 23a by the carrier gas, from the tip of the nozzle 23d as a supersonic flow by the working gas, and causes it to collide with the substrate 4 in a solid phase or in a solid-liquid coexistence state to form a metal film 5. In this embodiment, a cylinder head 12 is used as the substrate 4, and the raw material powder P is sprayed by the cold spray method onto the annular edges (valve seats) of the openings 16a and 17a of the cylinder head 12 to form valve seats 16b and 17b as the metal film 5.

ノズル23dは、その内部に水などの冷媒が流れる流路(不図示)を備える。ノズル23dは、その先端に、流路へ冷媒を導入する冷媒導入部23eを備え、その基端に、流路内の冷媒を排出する冷媒排出部23fを備える。ノズル23dは、冷媒導入部23eから流路に冷媒を導入し、流路内に冷媒を流し、冷媒排出部23fから冷媒を排出することにより、ノズル23dを冷却する。 Nozzle 23d has a flow path (not shown) through which a refrigerant such as water flows. At its tip, nozzle 23d has a refrigerant inlet 23e that introduces the refrigerant into the flow path, and at its base end, a refrigerant outlet 23f that discharges the refrigerant in the flow path. Nozzle 23d cools itself by introducing the refrigerant from refrigerant inlet 23e into the flow path, flowing the refrigerant in the flow path, and discharging the refrigerant from refrigerant outlet 23f.

ノズル23dの流路に冷媒を循環させる冷媒循環回路27は、冷媒を貯留するタンク271と、上述した冷媒導入部23eに接続された導入管274と、導入管274に接続され、タンク271とノズル23dとの間で冷媒を流動させるポンプ272と、冷媒を冷却する冷却器273と、冷媒排出部23fに接続された排出管275と、を備える。冷却器273は、例えば、熱交換機等からなり、ノズル23dを冷却して温度が上昇した冷媒を空気や水、ガスなどの冷媒との間で熱交換させて、冷媒を冷却する。 The refrigerant circulation circuit 27 that circulates the refrigerant through the flow path of the nozzle 23d includes a tank 271 that stores the refrigerant, an inlet pipe 274 connected to the above-mentioned refrigerant inlet portion 23e, a pump 272 that is connected to the inlet pipe 274 and flows the refrigerant between the tank 271 and the nozzle 23d, a cooler 273 that cools the refrigerant, and a discharge pipe 275 connected to the refrigerant discharge portion 23f. The cooler 273 is, for example, a heat exchanger, and cools the refrigerant whose temperature has increased by cooling the nozzle 23d by exchanging heat with a refrigerant such as air, water, or gas.

冷媒循環回路27は、ポンプ272によってタンク271に貯留された冷媒を吸引し、冷却器273を介して冷媒導入部23eに冷媒を供給する。冷媒導入部23eに供給された冷媒は、ノズル23d内の流路を先端側から後端側に向かって流動し、その間にノズル23dと熱交換することでノズル23dを冷却する。流路の後端側まで流れた冷媒は、冷媒排出部23fから排出管275に排出され、タンク271に戻る。このように、冷媒循環回路27は、冷媒を冷却しながら循環させてノズル23dを冷却するので、ノズル23dの噴射通路への原料粉末Pの付着を抑制することができる。原料粉末Pについては後述する。 The refrigerant circulation circuit 27 draws the refrigerant stored in the tank 271 by the pump 272, and supplies the refrigerant to the refrigerant introduction section 23e via the cooler 273. The refrigerant supplied to the refrigerant introduction section 23e flows through the flow path in the nozzle 23d from the front end side to the rear end side, and cools the nozzle 23d by exchanging heat with the nozzle 23d during that time. The refrigerant that has flowed to the rear end side of the flow path is discharged from the refrigerant discharge section 23f to the discharge pipe 275 and returns to the tank 271. In this way, the refrigerant circulation circuit 27 circulates the refrigerant while cooling it to cool the nozzle 23d, so that the adhesion of the raw material powder P to the spray passage of the nozzle 23d can be suppressed. The raw material powder P will be described later.

本実施形態のコールドスプレー装置2は、バルブシート16b,17bが形成されるシリンダヘッド12を基台に固定する一方、スプレーガン23のノズル23dの先端を、シリンダヘッド12の開口部16a,17aの環状縁部(バルブ着座部)に沿って回転させることで原料粉末を噴射する。シリンダヘッド12は回転させないので、大きい占有スペースは不要になるとともに、シリンダヘッド12に比べてスプレーガン23の方が、慣性モーメントが小さいので、回転の過渡特性や応答性に優れる。ただし、本発明のシリンダヘッド及びその製造方法は、基材であるシリンダヘッド12とノズル23dとが相対的に移動すればよいので、スプレーガン23のノズル23dを固定する一方、シリンダヘッド12を回転及び揺動させてもよいし、スプレーガン23のノズル23dとともに、シリンダヘッド12を回転及び揺動させてもよい。 In the cold spray device 2 of this embodiment, the cylinder head 12 on which the valve seats 16b, 17b are formed is fixed to a base, while the tip of the nozzle 23d of the spray gun 23 is rotated along the annular edge (valve seat) of the openings 16a, 17a of the cylinder head 12 to spray the raw material powder. Since the cylinder head 12 is not rotated, a large occupied space is not required, and the spray gun 23 has a smaller moment of inertia than the cylinder head 12, so it has excellent rotation transient characteristics and responsiveness. However, since the cylinder head and its manufacturing method of the present invention only require the cylinder head 12, which is the base material, and the nozzle 23d to move relative to each other, the nozzle 23d of the spray gun 23 may be fixed while the cylinder head 12 is rotated and oscillated, or the cylinder head 12 may be rotated and oscillated together with the nozzle 23d of the spray gun 23.

次に、バルブシート16b、17bを備えるシリンダヘッド12の製造方法を説明する。図4は、本実施形態のシリンダヘッド12の製造方法におけるバルブ部位の加工工程を示す工程図である。同図に示すように、本実施形態のシリンダヘッド12の製造方法は、鋳造工程S1と、切削工程S2と、被覆工程S3と、仕上工程S4とを備える。なお、バルブ部位以外の加工工程は、説明の簡略化のため省略する。 Next, a method for manufacturing the cylinder head 12 having the valve seats 16b, 17b will be described. FIG. 4 is a process diagram showing the machining process of the valve portion in the manufacturing method of the cylinder head 12 of this embodiment. As shown in the figure, the manufacturing method of the cylinder head 12 of this embodiment includes a casting process S1, a cutting process S2, a coating process S3, and a finishing process S4. Note that the machining processes other than those for the valve portion are omitted to simplify the description.

鋳造工程S1では、砂中子がセットされた金型に鋳物用アルミ合金を流し込み、本体部に吸気ポート16や排気ポート17等が形成されたシリンダヘッド粗材3を鋳造成形する。ここで、シリンダヘッド粗材3とは、最終製品としてのシリンダヘッド12に加工される前の製造途中にある半製品をいう。吸気ポート16及び排気ポート17は砂中子で形成され、凹部12bは金型で形成される。図5は、鋳造工程S1で鋳造成形したシリンダヘッド粗材3を、シリンダブロック11への取付面12a側から見た斜視図である。シリンダヘッド粗材3は、4つの凹部12bと、各凹部12bに2つずつ設けた吸気ポート16及び排気ポート17を備える。各凹部12bの2つの吸気ポート16及び2つの排気ポート17は、シリンダヘッド粗材3内で1本に集合し、シリンダヘッド粗材3の両側面に設けた開口にそれぞれ連通している。 In the casting process S1, aluminum alloy for casting is poured into a mold in which a sand core is set, and a cylinder head rough material 3 with an intake port 16, an exhaust port 17, etc. formed in the main body is cast. Here, the cylinder head rough material 3 refers to a semi-finished product in the middle of manufacturing before being processed into the final product, the cylinder head 12. The intake port 16 and the exhaust port 17 are formed by the sand core, and the recess 12b is formed by the mold. Figure 5 is a perspective view of the cylinder head rough material 3 cast in the casting process S1, seen from the mounting surface 12a side to the cylinder block 11. The cylinder head rough material 3 has four recesses 12b, and two intake ports 16 and two exhaust ports 17 provided in each recess 12b. The two intake ports 16 and two exhaust ports 17 of each recess 12b are gathered into one in the cylinder head rough material 3, and are connected to openings provided on both sides of the cylinder head rough material 3, respectively.

図6(A)は、図5のVI-VI線に沿うシリンダヘッド粗材3の断面図であり、鋳造工程S1を終えた状態の吸気ポート16を示す。吸気ポート16には、シリンダヘッド粗材3の凹部12b内に露呈する円形の開口部16aが設けられている。 Figure 6 (A) is a cross-sectional view of the cylinder head blank 3 taken along line VI-VI in Figure 5, showing the intake port 16 after the casting process S1 is completed. The intake port 16 has a circular opening 16a exposed in the recess 12b of the cylinder head blank 3.

図6(B)は、図6(A)の吸気ポートに、切削工程で環状バルブシート部16cを形成した状態を示す断面図である。切削工程S2では、シリンダヘッド粗材3にエンドミルやボールエンドミル等によるフライス加工を施し、図6(B)に示すように、吸気ポート16の開口部16aに環状バルブシート部16cを形成する。環状バルブシート部16cは、バルブシート16bのベース形状となる環状溝であり、開口部16aの外周に形成される。本実施形態のシリンダヘッド12の製造方法では、環状バルブシート部16cにコールドスプレー法によって原料粉末Pを噴射して皮膜を形成し、この皮膜を基にしてバルブシート16bに加工する。そのため、環状バルブシート部16cは、バルブシート16bよりも一回り大きなサイズで形成される。 Figure 6 (B) is a cross-sectional view showing the state in which the annular valve seat portion 16c is formed in the cutting process on the intake port of Figure 6 (A). In the cutting process S2, the cylinder head raw material 3 is milled using an end mill, a ball end mill, or the like, to form the annular valve seat portion 16c at the opening 16a of the intake port 16, as shown in Figure 6 (B). The annular valve seat portion 16c is an annular groove that forms the base shape of the valve seat 16b, and is formed on the outer periphery of the opening 16a. In the manufacturing method of the cylinder head 12 of this embodiment, the raw material powder P is sprayed on the annular valve seat portion 16c by the cold spray method to form a film, and the film is used as the basis for processing into the valve seat 16b. Therefore, the annular valve seat portion 16c is formed to be one size larger than the valve seat 16b.

図6(C)は、図6(B)の吸気ポート16に、被覆工程S3でバルブシート16bを形成する状態を示す断面図である。被覆工程S3では、シリンダヘッド粗材3の環状バルブシート部16cに、本実施形態のコールドスプレー装置2を利用して原料粉末Pを噴射し、バルブシート16bを形成する。より具体的には、この被覆工程S3では、図6(C)に示すように、環状バルブシート部16cと、スプレーガン23のノズル23dとを同じ姿勢で一定距離に保ちながら、原料粉末Pが環状バルブシート部16cの全周に吹き付けられるように、シリンダヘッド粗材3を固定する一方で、スプレーガン23のノズル23dを回転させる。 Figure 6 (C) is a cross-sectional view showing the state in which the valve seat 16b is formed in the coating process S3 on the intake port 16 of Figure 6 (B). In the coating process S3, the raw material powder P is sprayed onto the annular valve seat portion 16c of the cylinder head rough material 3 using the cold spray device 2 of this embodiment to form the valve seat 16b. More specifically, in this coating process S3, as shown in Figure 6 (C), while the annular valve seat portion 16c and the nozzle 23d of the spray gun 23 are kept at a constant distance from each other in the same posture, the cylinder head rough material 3 is fixed, while the nozzle 23d of the spray gun 23 is rotated so that the raw material powder P is sprayed onto the entire circumference of the annular valve seat portion 16c.

スプレーガン23のノズル23dの先端は、基台に固定されたシリンダヘッド12の上方で、産業用ロボットのハンドに保持されている。基台又は産業用ロボットは、バルブシート16bが形成される吸気ポート16の中心軸Zが垂直になって、スプレーガン23の回転軸に重なるようにシリンダヘッド12又はスプレーガン23の位置を設定する。この状態でノズル23dから環状バルブシート部16cに原料粉末Pを吹き付けながら、スプレーガン23を回転軸周りに回転させることにより、環状バルブシート部16cの全周に皮膜を形成する。 The tip of the nozzle 23d of the spray gun 23 is held by the hand of an industrial robot above the cylinder head 12 fixed to a base. The base or industrial robot sets the position of the cylinder head 12 or the spray gun 23 so that the central axis Z of the intake port 16 in which the valve seat 16b is formed is vertical and overlaps with the rotation axis of the spray gun 23. In this state, the raw material powder P is sprayed from the nozzle 23d onto the annular valve seat portion 16c while the spray gun 23 is rotated around the rotation axis, forming a coating around the entire circumference of the annular valve seat portion 16c.

この被覆工程S3が実施されている間、ノズル23dは、冷媒循環回路27から供給された冷媒を、冷媒導入部23eから流路に導入する。冷媒は、ノズル23dの内部に形成された流路の先端側から後端側に向かって流れる間にノズル23dを冷却する。流路の後端側まで流れた冷媒は、冷媒排出部23fによって流路から排出されて回収される。 While this covering step S3 is being performed, the nozzle 23d introduces the refrigerant supplied from the refrigerant circulation circuit 27 into the flow path from the refrigerant inlet 23e. The refrigerant cools the nozzle 23d as it flows from the tip to the rear end of the flow path formed inside the nozzle 23d. The refrigerant that has flowed to the rear end of the flow path is discharged from the flow path by the refrigerant outlet 23f and collected.

スプレーガン23が回転軸の周りに1回転してバルブシート16bの形成が終了すると、スプレーガン23の回転を一旦停止する。この回転停止中に、スプレーガン23が装着された産業用ロボットは、次にバルブシート16bが形成される別の吸気ポート16の中心軸Zが産業用ロボットの基準軸に一致するように、スプレーガン23を移動する。そして、産業用ロボットによるスプレーガン23の移動終了後、スプレーガン23の回転を再開し、次の吸気ポート16にバルブシート16bを形成する。以降、この動作を繰り返すことにより、シリンダヘッド粗材3の全ての吸気ポート16及び排気ポート17にバルブシート16b、17bが形成される。 When the spray gun 23 completes one rotation around the rotation axis and the formation of the valve seat 16b is complete, the rotation of the spray gun 23 is temporarily stopped. While the rotation is stopped, the industrial robot to which the spray gun 23 is attached moves the spray gun 23 so that the central axis Z of another intake port 16 in which the valve seat 16b is to be formed next coincides with the reference axis of the industrial robot. Then, after the industrial robot has finished moving the spray gun 23, the rotation of the spray gun 23 is resumed, and the valve seat 16b is formed in the next intake port 16. By repeating this operation thereafter, the valve seats 16b, 17b are formed in all the intake ports 16 and exhaust ports 17 of the cylinder head rough material 3.

図4に戻り、仕上工程S4では、バルブシート16b,17bと、吸気ポート16及び排気ポート17の仕上げ加工が行われる。図6(D)は、バルブシート16bが形成された吸気ポートを示す断面図である。バルブシート16b,17bの仕上げ加工では、ボールエンドミルを用いたフライス加工によりバルブシート16b,17bの表面を切削し、バルブシート16bを所定形状に整える。また、吸気ポート16の仕上げ加工では、開口部16aから吸気ポート16内にボールエンドミルを挿入し、図6(D)に示す加工ラインPLに沿って吸気ポート16の開口部16a側の内周面を切削する。加工ラインPLは、吸気ポート16内に原料粉末Pが飛散して付着した余剰皮膜SFが比較的厚く形成される範囲、より具体的には、余剰皮膜SFが吸気ポート16の吸気性能に影響を及ぼす程度に厚く形成される範囲である。 Returning to FIG. 4, in the finishing process S4, the valve seats 16b and 17b, the intake port 16, and the exhaust port 17 are finished. FIG. 6(D) is a cross-sectional view showing an intake port on which the valve seat 16b is formed. In the finishing process of the valve seats 16b and 17b, the surfaces of the valve seats 16b and 17b are cut by milling using a ball end mill, and the valve seat 16b is shaped into a predetermined shape. In the finishing process of the intake port 16, a ball end mill is inserted into the intake port 16 from the opening 16a, and the inner surface of the intake port 16 on the opening 16a side is cut along the processing line PL shown in FIG. 6(D). The processing line PL is a range in which the excess coating SF formed by scattering and adhering the raw material powder P in the intake port 16 is formed relatively thick, more specifically, a range in which the excess coating SF is formed thick enough to affect the intake performance of the intake port 16.

このように、仕上工程S4により、鋳造成形による吸気ポート16の表面荒れが解消されるとともに、被覆工程S3で形成された余剰皮膜SFを除去することができる。なお、排気ポート17は、吸気ポート16と同様に、鋳造成形による排気ポート17内への小径部の形成、切削加工による環状バルブシート部の形成、環状バルブシート部へのコールドスプレー、仕上げ加工を経てバルブシート17bが形成される。そのため、排気ポート17に対するバルブシート17bの形成手順については、詳しい説明を省略する。 In this way, the finishing process S4 can eliminate the surface roughness of the intake port 16 caused by casting, and can also remove the excess coating SF formed in the coating process S3. As with the intake port 16, the exhaust port 17 has a valve seat 17b formed through the formation of a small diameter portion in the exhaust port 17 by casting, the formation of an annular valve seat portion by cutting, cold spraying of the annular valve seat portion, and finishing. Therefore, a detailed explanation of the procedure for forming the valve seat 17b for the exhaust port 17 will be omitted.

さて、シリンダヘッド12のバルブシートには、燃焼室15内におけるバルブからの叩き入力に耐え得る高い耐熱性、耐磨耗性及び密着性と、燃焼室15の冷却のための高い熱伝導性とが要求される。本実施形態のバルブシート16b,17bの形成に用いる原料粉末Pとしては、シリンダヘッド12を構成する鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性、密着性及び熱伝導性が得られる金属であることが好ましい。ここで、バルブシートに必要とされる性能のうち、耐摩耗性を高めるためには、原料粉末に硬質材料を用いればよいが、材料が硬いと塑性変形し難くなり、基材との密着性が低下する。逆にバルブシートの密着性を向上させるには、原料粉末に軟質材料を用いればよいが、材料が軟らかいと耐摩耗性が低下する。このように、コールドスプレー法において耐摩耗性と密着性とはトレードオフの関係にあり、これらの特性を両立させるのは難しい。 Now, the valve seats of the cylinder head 12 are required to have high heat resistance, wear resistance, and adhesion to withstand the impact force from the valves in the combustion chamber 15, and high thermal conductivity for cooling the combustion chamber 15. The raw material powder P used to form the valve seats 16b and 17b of this embodiment is preferably a metal that is harder than the aluminum alloy for casting that constitutes the cylinder head 12 and that can obtain the heat resistance, wear resistance, adhesion, and thermal conductivity required for the valve seats. Here, in order to increase the wear resistance of the performance required for the valve seats, a hard material can be used for the raw material powder, but if the material is hard, it becomes difficult to plastically deform and the adhesion to the base material decreases. Conversely, to improve the adhesion of the valve seats, a soft material can be used for the raw material powder, but if the material is soft, the wear resistance decreases. Thus, there is a trade-off between wear resistance and adhesion in the cold spray method, and it is difficult to achieve both of these properties.

そこで本実施形態のシリンダヘッド12及びその製造方法では、コールドスプレー法による原料粉末Pに、軟質材料と硬質材料とを主成分として含む材料を用い、バルブシート16b,17bを構成する金属膜の断面における硬質材料の含有比率(面積%にて定義するので面積比率ともいう)について、吸気ポート16のバルブシート16bの面積比率が、排気ポート17のバルブシート17bの面積比率より小さくなるように成膜する。すなわち、耐熱性・耐摩耗性より密着性が必要とされる部位は軟質材料リッチとなるように成膜する一方、密着性より耐熱性・耐摩耗性が必要とされる部位は硬質材料リッチとなるように成膜する。これにより、耐摩耗性と密着性とが適宜箇所において優れたバルブシート16b,17bを有するシリンダヘッド12を得ることができる。 Therefore, in the cylinder head 12 and its manufacturing method of this embodiment, a material containing a soft material and a hard material as main components is used for the raw material powder P by the cold spray method, and the content ratio of the hard material in the cross section of the metal film constituting the valve seats 16b, 17b (defined as an area percentage, so also called the area ratio) is formed so that the area ratio of the valve seat 16b of the intake port 16 is smaller than the area ratio of the valve seat 17b of the exhaust port 17. In other words, the film is formed so that the area where adhesion is required more than heat resistance and wear resistance is rich in soft material, while the area where heat resistance and wear resistance are required more than adhesion is rich in hard material. This makes it possible to obtain a cylinder head 12 having valve seats 16b, 17b with excellent wear resistance and adhesion in appropriate locations.

内燃機関の吸気ポート16は、燃焼室15に臨んではいるものの吸入空気により冷却されるため、80~200℃程度の温度環境となる。したがって、200℃以下の耐熱性・耐摩耗性に対応できる限り、密着性の確保を優先させることが好ましい。これに対し、内燃機関の排気ポート17は、常時燃焼ガス雰囲気に曝されるため、300℃以上の温度環境となる。したがって、少なくとも300℃以上の耐熱性・耐摩耗性の確保を優先させることが好ましい。 Although the intake port 16 of an internal combustion engine faces the combustion chamber 15, it is cooled by the intake air, and therefore is in a temperature environment of approximately 80 to 200°C. Therefore, it is preferable to prioritize ensuring adhesion as long as it can meet the heat resistance and wear resistance of 200°C or less. In contrast, the exhaust port 17 of an internal combustion engine is constantly exposed to a combustion gas atmosphere, and is therefore in a temperature environment of 300°C or more. Therefore, it is preferable to prioritize ensuring heat resistance and wear resistance of at least 300°C or more.

図7(A)は、吸気ポート16のバルブシート16bを示す断面図、図7(B)は、排気ポート17のバルブシート17bを示す断面図である。図7において、黒い丸印は硬質材料HMを示し、それ以外の膜部分は軟質材料SMであることを示している。そして、図7(A)に示すバルブシート16bの硬質材料HMの含有比率(面積%)は、図7(B)に示すバルブシート17bの硬質材料HMの含有比率(面積%)より小さい。より好ましくは、図7(A)に示すバルブシート16bの硬質材料HMの含有比率は、5~20面積%であるのに対し、図7(B)に示すバルブシート17bの硬質材料HMの含有比率は、50~90面積%とされている。 Figure 7 (A) is a cross-sectional view showing the valve seat 16b of the intake port 16, and Figure 7 (B) is a cross-sectional view showing the valve seat 17b of the exhaust port 17. In Figure 7, black circles indicate the hard material HM, and the other film parts are the soft material SM. The content ratio (area %) of the hard material HM in the valve seat 16b shown in Figure 7 (A) is smaller than the content ratio (area %) of the hard material HM in the valve seat 17b shown in Figure 7 (B). More preferably, the content ratio of the hard material HM in the valve seat 16b shown in Figure 7 (A) is 5 to 20 area %, while the content ratio of the hard material HM in the valve seat 17b shown in Figure 7 (B) is 50 to 90 area %.

図8は、吸気ポート16のバルブシート16bに含まれる硬質材料HMの含有比率(面積%)に対する摩耗量の関係を示すグラフであり、バルブシート16bを構成する金属膜の断面における硬質材料の混合比率が5面積%未満であると、バルブからのたたき入力に対するバルブシート16bの摩耗量が著しく大きくなるが、硬質材料の混合比率が5面積%を超えると摩耗量がほぼ一定値に収束する。したがって、金属膜としての付着性を考慮すれば、バルブシート16bの硬質材料HMの混合比率は、5~20面積%であることが好ましいといえる。 Figure 8 is a graph showing the relationship between the amount of wear and the content (area %) of the hard material HM contained in the valve seat 16b of the intake port 16. If the mixing ratio of the hard material in the cross section of the metal film that makes up the valve seat 16b is less than 5 area %, the amount of wear of the valve seat 16b in response to the hammering input from the valve becomes significantly large, but if the mixing ratio of the hard material exceeds 5 area %, the amount of wear converges to an almost constant value. Therefore, taking into account the adhesion of the metal film, it is preferable that the mixing ratio of the hard material HM in the valve seat 16b be 5 to 20 area %.

なお、硬質材料と軟質材料との混合比率を、金属膜の断面における面積比率で定義するのは、硬質材料の原料粉末がノズルから噴射して付着する割合(いわゆる付着効率)と、軟質材料の原料粉末がノズルから噴射して付着する割合が異なり、被着前の硬質材料と軟質材料との混合比率を重量比率などで定義しても金属膜における混合比率と相違するからである。すなわち、硬質材料の原料粉末の付着効率は軟質材料の原料粉末の付着効率より低いので、たとえば金属膜における硬質材料の混合比率を10面積%に設定したい場合には、ノズルから噴射する硬質材料の原料粉末の混合重量%を10%より大きい値に設定する。 The mixing ratio of the hard material to the soft material is defined as the area ratio in the cross section of the metal film because the rate at which the raw powder of the hard material is sprayed from the nozzle and adheres (the so-called adhesion efficiency) is different from the rate at which the raw powder of the soft material is sprayed from the nozzle and adheres, and even if the mixing ratio of the hard material to the soft material before deposition is defined as a weight ratio or the like, it will differ from the mixing ratio in the metal film. In other words, since the adhesion efficiency of the raw powder of the hard material is lower than that of the raw powder of the soft material, if you want to set the mixing ratio of the hard material in the metal film to 10 area%, for example, set the mixing weight percentage of the raw powder of the hard material sprayed from the nozzle to a value greater than 10%.

本実施形態の軟質材料として、銅、銅合金、鉄又は鉄合金を用いることが好ましい。銅合金として、析出硬化型銅合金を例示することができる。析出硬化型銅合金として、ニッケル及びケイ素を含むコルソン合金や、クロムを含むクロム銅、ジルコニウムを含むジルコニウム銅等を用いてもよい。さらに、例えば、ニッケル、ケイ素及びクロムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型合金、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金等を適用することもできる。また鉄系材料としては、純鉄又は0.1%程度の低炭素鋼(たとえばFe-0.1C-0.1Siなど)を例示することができる。また鉄合金として、SUS316Lなどのステンレス鋼を例示することができる。本実施形態の軟質材料は、硬質材料に比べて平均硬度が実質的に軟らかい、主成分としての材料を意味する。本実施形態の軟質材料は、単独で成膜した場合のビッカース硬さが500HV未満、好ましくは100~400HVの材料である。 As the soft material of this embodiment, it is preferable to use copper, a copper alloy, iron or an iron alloy. As the copper alloy, a precipitation hardened copper alloy can be exemplified. As the precipitation hardened copper alloy, a Corson alloy containing nickel and silicon, a chromium copper containing chromium, a zirconium copper containing zirconium, etc. can be used. Furthermore, for example, a precipitation hardened copper alloy containing nickel, silicon and chromium, a precipitation hardened copper alloy containing nickel, silicon and zirconium, a precipitation hardened alloy containing nickel, silicon, chromium and zirconium, a precipitation hardened copper alloy containing chromium and zirconium, etc. can also be applied. In addition, as the iron-based material, pure iron or low carbon steel of about 0.1% (for example, Fe-0.1C-0.1Si, etc.) can be exemplified. In addition, as the iron alloy, stainless steel such as SUS316L can be exemplified. In this embodiment, the soft material means a material as a main component whose average hardness is substantially softer than that of a hard material. The soft material of this embodiment has a Vickers hardness of less than 500 HV, preferably 100 to 400 HV, when formed into a film by itself.

また本実施形態の硬質材料として、上述した軟質材料に比べて平均硬度が実質的に硬い、主成分としての材料を意味する。本実施形態の硬質材料としては、鉄又は鉄基合金、コバルト又はコバルト基合金、クロム又はクロム基合金、ニッケル又はニッケル基合金、モリブデン又はモリブデン基合金等を例示することができる。また、SKD(ダイス鋼)、SKH(ハイス鋼)、Fe-Mo-Si合金粉を例示することができる。ダイス鋼と称されるSKD材は、SK材にCr,Mo及びVを添加した材料であり、SKD61材の成分はJIS4404に記載されているが、代表的な成分としてはFe-0.4C-1.0Si-0.4Mn-5.2Cr-1.3Mo-0.9Vである(数字は重量%)。また、ハイス鋼と称されるSKH材は、単グルテン系とモリブデン系の2種類があり、SKH51材の成分はJIS4403に記載されているが、代表的な成分としては、Fe-0.9C-0.3Si-0.4Mn-4.2Cr-5.0Mo-2.0V-6.5Wである(数字は重量%)。これらの硬質材料は、その1種を単独で、または2種以上を適宜組み合わせて用いてもよい。本実施形態の硬質材料は、単独で成膜した場合のビッカース硬さが500HV以上、好ましくは600~1000HVの材料である。 The hard material of this embodiment refers to a material as a main component that has a substantially harder average hardness than the soft material described above. Examples of hard materials of this embodiment include iron or iron-based alloys, cobalt or cobalt-based alloys, chromium or chromium-based alloys, nickel or nickel-based alloys, and molybdenum or molybdenum-based alloys. Examples of hard materials of this embodiment include SKD (die steel), SKH (high-speed steel), and Fe-Mo-Si alloy powder. SKD material, also known as die steel, is a material in which Cr, Mo, and V are added to SK material. The composition of SKD61 material is described in JIS4404, and a representative composition is Fe-0.4C-1.0Si-0.4Mn-5.2Cr-1.3Mo-0.9V (numbers are weight %). Also, there are two types of SKH material, known as high speed steel, a mono-glutinous type and a molybdenum type. The composition of SKH51 material is described in JIS 4403, and a representative composition is Fe-0.9C-0.3Si-0.4Mn-4.2Cr-5.0Mo-2.0V-6.5W (numbers are by weight). These hard materials may be used alone or in appropriate combination of two or more types. The hard material of this embodiment is a material with a Vickers hardness of 500HV or more, preferably 600 to 1000HV, when formed alone.

本実施形態の軟質材料及び硬質材料の粉体を製造する場合、特に限定はされないが、硬質材料は水アトマイズ法により製造したものが好ましく、これに対して軟質材料はガスアトマイズ法により製造したものが好ましい。図9(A)は、水アトマイズ法により製造した硬質材料の原料粉末を示すSEM写真、図9(B)は、ガスアトマイズ法により製造した硬質材料の原料粉末を示すSEM写真である。水アトマイズ法とは、高温で溶解した金属に対して高圧の水を吹き付けて飛散させ、落下する過程において急冷し凝固することで粉末を得る製法である。冷却速度が速いため表面張力が働く前に凝固する。このため、得られた粉末は、表面に複数の突起を有する不規則な形状となる。硬質材料であっても水アトマイズ法で製造した粉体によれば、複数の突起によるアンカー効果に加え、突起部分が変形しやすいため、密着性が高くなる。また、水アトマイズ法での製造は、ガスアトマイズ法による製造に比べて簡単である。 In the case of producing the powders of the soft material and hard material of this embodiment, although there is no particular limitation, the hard material is preferably produced by the water atomization method, and the soft material is preferably produced by the gas atomization method. FIG. 9(A) is an SEM photograph showing the raw powder of the hard material produced by the water atomization method, and FIG. 9(B) is an SEM photograph showing the raw powder of the hard material produced by the gas atomization method. The water atomization method is a manufacturing method in which high-pressure water is sprayed onto a metal melted at high temperature to cause it to scatter, and then it is rapidly cooled and solidified in the process of falling, thereby obtaining a powder. Because the cooling rate is fast, it solidifies before the surface tension acts. Therefore, the obtained powder has an irregular shape with multiple protrusions on the surface. Even if it is a hard material, according to the powder produced by the water atomization method, in addition to the anchor effect of the multiple protrusions, the protruding parts are easily deformed, and therefore the adhesion is high. In addition, the production by the water atomization method is easier than the production by the gas atomization method.

これに対し、ガスアトマイズ法とは、高温で溶解した金属に対して高圧のガスを吹き付けて飛散させ、落下する過程において冷却し凝固することで粉末を得る製法である。冷却速度が遅いため表面張力が働きながら凝固する。このため、得られた粉末は、球形状となる。ガスアトマイズ法で製造した軟質材料の粉末は、球形状であるため充填密度が高くなり密着性がより一層向上する。これに対して、水アトマイズ法で製造した軟質材料の粉末は、材料強度が充分でなく耐摩耗性に対しては不利である。 In contrast, gas atomization is a manufacturing method in which high-pressure gas is sprayed onto metal molten at high temperature, scattering it, and as it falls it cools and solidifies, yielding powder. Because the cooling rate is slow, surface tension acts as it solidifies. As a result, the resulting powder is spherical. Because soft material powder produced by gas atomization is spherical, the packing density is high and adhesion is further improved. In contrast, soft material powder produced by water atomization does not have sufficient material strength, making it disadvantageous in terms of wear resistance.

次に、図7(A)及び(B)に示す実施形態のバルブシート16b,17bのように、膜に含まれる硬質材料と軟質材料の含有比率が異なるように成膜するには、図3のコールドスプレー装置2の原料粉末供給部22における硬質材料HMの原料粉末と軟質材料SMの原料粉末との含有比率を、図7(A)に示す軟質材料リッチに相当する含有比率に調製してバルブシート16bを成膜し、これとは別に、原料粉末供給部22における硬質材料HMの原料粉末と軟質材料SMの原料粉末との含有比率を、図7(B)に示す硬質材料リッチに相当する含有比率に調製してバルブシート17bを成膜すればよい。またはこれに代えて、原料粉末供給部22における硬質材料HMの原料粉末と軟質材料SMの原料粉末との含有比率が異なる2機のコールドスプレー装置2を用いて、2仕様のバルブシート16b,17bを成膜してもよい。 Next, to form a film having different content ratios of hard material and soft material contained in the film, as in the valve seats 16b and 17b of the embodiment shown in Figures 7(A) and (B), the content ratio of the raw material powder of the hard material HM and the raw material powder of the soft material SM in the raw material powder supply section 22 of the cold spray device 2 in Figure 3 is adjusted to a content ratio corresponding to the soft material rich shown in Figure 7(A) to form a film of the valve seat 16b, and separately, the content ratio of the raw material powder of the hard material HM and the raw material powder of the soft material SM in the raw material powder supply section 22 is adjusted to a content ratio corresponding to the hard material rich shown in Figure 7(B) to form a film of the valve seat 17b. Alternatively, two cold spray devices 2 having different content ratios of the raw material powder of the hard material HM and the raw material powder of the soft material SM in the raw material powder supply section 22 may be used to form two specifications of the valve seats 16b and 17b.

またはこれに代えて、原料粉末供給部22における硬質材料HMの原料粉末と軟質材料SMの原料粉末との含有比率が同じある1機のコールドスプレー装置2を用いて、ノズル23dの移動速度を制御することで2仕様のバルブシート16b,17bを成膜してもよい。すなわち、バルブシート16b,17bなどの金属膜5を成膜する場合、原料粉末Pの噴射中の密度を変えることで、硬質材料と軟質材料の含有比率を制御することができる。 Alternatively, a single cold spray device 2 having the same content ratio of raw material powder of hard material HM and raw material powder of soft material SM in the raw material powder supply section 22 may be used to form two types of valve seats 16b, 17b by controlling the moving speed of the nozzle 23d. In other words, when forming a metal film 5 on the valve seats 16b, 17b, etc., the content ratio of the hard material and the soft material can be controlled by changing the density of the raw material powder P during spraying.

図10(A)は、コールドスプレー装置2のノズル23dの移動速度が低速である場合の成膜状態を示す模式図、図10(B)は、ノズル23dの移動速度が高速である場合の成膜状態を示す模式図であり、軟質材料SMと硬質材料HMからなる原料粉末Pを示す。ノズル23dからの原料粉末Pの吐出量とノズル23dの移動速度とにより、原料粉末Pの噴射中の密度が決定される。したがって、原料粉末Pの硬質材料HMと軟質材料SMとの含有比率を一定にし、かつノズル23dからの原料粉末Pの吐出量を一定にした場合、ノズル23dの移動速度が相対的に低速であるときは、図10(A)に示すように、硬質材料HMと軟質材料SMとを含む原料粉末Pの噴射中の密度(単位体積当たりの重量)が大きくなり、逆にノズル23dの移動速度が相対的に高速であるときは、図10(B)に示すように、硬質材料HMと軟質材料SMとを含む原料粉末Pの噴射中の密度が小さくなる。 Figure 10(A) is a schematic diagram showing the film formation state when the movement speed of the nozzle 23d of the cold spray device 2 is low, and Figure 10(B) is a schematic diagram showing the film formation state when the movement speed of the nozzle 23d is high, showing raw material powder P consisting of a soft material SM and a hard material HM. The density of the raw material powder P during spraying is determined by the amount of raw material powder P discharged from the nozzle 23d and the movement speed of the nozzle 23d. Therefore, when the content ratio of hard material HM and soft material SM in raw material powder P is constant and the amount of raw material powder P discharged from nozzle 23d is constant, when the moving speed of nozzle 23d is relatively slow, the density (weight per unit volume) of raw material powder P containing hard material HM and soft material SM during spraying becomes large as shown in FIG. 10(A), and conversely, when the moving speed of nozzle 23d is relatively fast, the density of raw material powder P containing hard material HM and soft material SM during spraying becomes small as shown in FIG. 10(B).

ここで、ノズル23dから噴射した原料粉末Pが基材4の表面に付着するメカニズムは、以下のとおりである。すなわち、硬質材料HMの粉末は、軟質材料SMの粉末に比べて硬いことから、基材4に衝突した際に跳ね返る確率が大きい。しかしながら、図10(A)に示すように、原料粉末Pの密度が大きく硬質材料HMの粉末の廻りに多くの軟質材料SMの粉末が存在すると、硬質材料HMの粉末が跳ね返ろうとしても廻りの軟質材料SMの粉末によって抑え込まれる。その結果、跳ね返って基材4に付着しない硬質材料HMが少なくなり、相対的に硬質材料リッチになる。これに対して、図10(B)に示すように、原料粉末Pの密度が小さく硬質材料HMの粉末の廻りに多くの軟質材料SMの粉末が存在しないと、硬質材料HMの粉末が跳ね返ろうとしたときにこれを廻りの軟質材料SMの粉末によって抑え込むことができない。その結果、跳ね返って基材4に付着しない硬質材料HMが多くなり、相対的に軟質材料リッチになる。 Here, the mechanism by which the raw material powder P sprayed from the nozzle 23d adheres to the surface of the substrate 4 is as follows. That is, since the powder of the hard material HM is harder than the powder of the soft material SM, there is a high probability that the powder of the hard material HM will bounce back when it collides with the substrate 4. However, as shown in FIG. 10(A), if the density of the raw material powder P is high and there is a lot of powder of the soft material SM around the powder of the hard material HM, the powder of the hard material HM will be suppressed by the surrounding powder of the soft material SM even if it tries to bounce back. As a result, the amount of hard material HM that does not bounce back and adhere to the substrate 4 is reduced, and the substrate 4 becomes relatively rich in hard material. On the other hand, as shown in FIG. 10(B), if the density of the raw material powder P is low and there is not a lot of powder of the soft material SM around the powder of the hard material HM, the powder of the hard material HM will not be suppressed by the surrounding powder of the soft material SM when it tries to bounce back. As a result, the hard material HM that bounces back and does not adhere to the substrate 4 increases, resulting in a relatively rich soft material.

このように、原料粉末Pの硬質材料HMと軟質材料SMとの含有比率を一定にし、かつノズル23dからの原料粉末Pの吐出量を一定にした場合、ノズル23dの移動速度が相対的に低速であるときは、図10(A)に示すように、硬質材料リッチになり、逆にノズル23dの移動速度が相対的に高速であるときは、図10(B)に示すように、軟質材料リッチになる。そのため、原料粉末Pの硬質材料HMと軟質材料SMとの含有比率を一定にし、かつノズル23dからの原料粉末Pの吐出量を一定にした状態で、図7(A)に示すバルブシート16bを成膜する場合には、ノズル23dの移動速度を相対的に高速に設定し、図7(B)に示すバルブシート17bを成膜する場合には、ノズル23dの移動速度を相対的に低速に設定する。これにより、原料粉末供給部22における硬質材料HMの原料粉末と軟質材料SMの原料粉末との含有比率が同じある1機のコールドスプレー装置2を用いて、2仕様のバルブシート16b,17bを成膜することができる。 In this way, when the content ratio of the hard material HM and the soft material SM in the raw material powder P is constant and the amount of raw material powder P discharged from the nozzle 23d is constant, when the moving speed of the nozzle 23d is relatively slow, the hard material becomes rich as shown in Figure 10 (A), and conversely, when the moving speed of the nozzle 23d is relatively fast, the soft material becomes rich as shown in Figure 10 (B). Therefore, when the content ratio of the hard material HM and the soft material SM in the raw material powder P is constant and the amount of raw material powder P discharged from the nozzle 23d is constant, when the valve seat 16b shown in Figure 7 (A) is formed, the moving speed of the nozzle 23d is set to a relatively high speed, and when the valve seat 17b shown in Figure 7 (B) is formed, the moving speed of the nozzle 23d is set to a relatively low speed. This allows two types of valve seats 16b and 17b to be formed using a single cold spray device 2 that has the same content ratio of raw material powder of hard material HM and raw material powder of soft material SM in the raw material powder supply section 22.

なお、既述したとおり、ノズル23dからの原料粉末Pの吐出量とノズル23dの移動速度とにより、原料粉末Pの噴射中の密度が決定されるので、ノズル23dの移動速度を一定にした場合、ノズル23dからの原料粉末Pの吐出量が相対的に多いときは、図10(A)に示すように、硬質材料リッチになり、逆にノズル23dからの原料粉末Pの吐出量が相対的に少ないときは、図10(B)に示すように、軟質材料リッチになる。そのため、原料粉末Pの硬質材料HMと軟質材料SMとの含有比率を一定にし、かつノズル23dの移動速度を一定にした状態で、図7(A)に示すバルブシート16bを成膜する場合には、ノズル23dからの原料粉末Pの吐出量を相対的に少ない値に設定し、図7(B)に示すバルブシート17bを成膜する場合には、ノズル23dからの原料粉末Pの吐出量を相対的に多い値に設定してもよい。これによっても、原料粉末供給部22における硬質材料HMの原料粉末と軟質材料SMの原料粉末との含有比率が同じある1機のコールドスプレー装置2を用いて、2仕様のバルブシート16b,17bを成膜することができる。 As described above, the density of the raw material powder P during spraying is determined by the amount of raw material powder P discharged from the nozzle 23d and the moving speed of the nozzle 23d. Therefore, when the moving speed of the nozzle 23d is constant, when the amount of raw material powder P discharged from the nozzle 23d is relatively large, the raw material powder P becomes rich in hard material as shown in FIG. 10(A). Conversely, when the amount of raw material powder P discharged from the nozzle 23d is relatively small, the raw material powder P becomes rich in soft material as shown in FIG. 10(B). Therefore, when the content ratio of the hard material HM and the soft material SM in the raw material powder P is constant and the moving speed of the nozzle 23d is constant, the amount of raw material powder P discharged from the nozzle 23d may be set to a relatively small value when forming the valve seat 16b shown in FIG. 7(A), and when the valve seat 17b shown in FIG. 7(B) is formed, the amount of raw material powder P discharged from the nozzle 23d may be set to a relatively large value. This also makes it possible to deposit two types of valve seats 16b and 17b using a single cold spray device 2 in which the raw material powder of the hard material HM and the raw material powder of the soft material SM in the raw material powder supply section 22 are in the same content ratio.

以上、本実施形態のシリンダヘッド及びその製造方法によれば、バルブシート16bの断面における硬質材料HMの含有比率が、バルブシート17bの断面における硬質材料HMの含有比率よりも小さいので、耐摩耗性と密着性が適宜の箇所において優れたバルブシートを有するシリンダヘッドを得ることができる。 As described above, according to the cylinder head and manufacturing method of this embodiment, the content ratio of the hard material HM in the cross section of the valve seat 16b is smaller than the content ratio of the hard material HM in the cross section of the valve seat 17b, so that a cylinder head having a valve seat with excellent wear resistance and adhesion in appropriate locations can be obtained.

また、本実施形態のシリンダヘッド及びその製造方法によれば、バルブシート16bの断面における硬質材料HMの含有比率が、5~20面積%であるので、耐摩耗性を確保した上で密着性をも高めることができる。 In addition, with the cylinder head and manufacturing method of this embodiment, the content of the hard material HM in the cross section of the valve seat 16b is 5 to 20 area percent, so that adhesion can be improved while ensuring wear resistance.

また、本実施形態のシリンダヘッド及びその製造方法によれば、硬質材料HMの粒子は、金属膜の断面において、表面に複数の突起を有するので、硬質材料であっても複数の突起によるアンカー効果に加え、突起部分が変形しやすいため、密着性が高くなる。 In addition, according to the cylinder head and manufacturing method thereof of this embodiment, the particles of the hard material HM have multiple protrusions on the surface in the cross section of the metal film, so that even though it is a hard material, in addition to the anchor effect of the multiple protrusions, the protruding parts are easily deformed, and therefore adhesion is high.

また、本実施形態のシリンダヘッド及びその製造方法によれば、硬質材料HMは、水アトマイズ法により製造された粉末であるので、複数の突起によるアンカー効果に加え、突起部分が変形しやすいため、密着性が高くなる。また、水アトマイズ法での製造は、ガスアトマイズ法による製造に比べて簡単である。 In addition, according to the cylinder head and manufacturing method thereof of this embodiment, the hard material HM is a powder produced by the water atomization method, so in addition to the anchor effect of the multiple protrusions, the protruding parts are easily deformed, which increases adhesion. Also, manufacturing by the water atomization method is easier than manufacturing by the gas atomization method.

また、本実施形態のシリンダヘッド及びその製造方法によれば、軟質材料SMは、ガスアトマイズ法により製造された粉末であるので、球形状であるため充填密度が高くなり密着性がより一層向上する。これに対して、水アトマイズ法で製造した軟質材料SMの粉末は、材料強度が充分でなく耐摩耗性に対しては不利である。 In addition, according to the cylinder head and manufacturing method thereof of this embodiment, the soft material SM is a powder produced by gas atomization, and because it has a spherical shape, the packing density is high and adhesion is further improved. In contrast, powder of the soft material SM produced by water atomization does not have sufficient material strength and is disadvantageous in terms of wear resistance.

また、本実施形態のシリンダヘッド及びその製造方法によれば、バルブシート16bを成膜する際のノズルの移動速度を、バルブシート17bを成膜する際のノズルの移動速度より高速にする、又はバルブシート16bを成膜する際のノズルからの原料粉末Pの吐出量を、バルブシート17bを成膜する際のノズルからの原料粉末Pの吐出量より少なくするので、原料粉末供給部22における硬質材料HMの原料粉末と軟質材料SMの原料粉末との含有比率が同じである1機のコールドスプレー装置2を用いて、2仕様のバルブシート16b,17bを成膜することができる。 In addition, according to the cylinder head and the manufacturing method thereof of this embodiment, the moving speed of the nozzle when forming the valve seat 16b is made faster than the moving speed of the nozzle when forming the valve seat 17b, or the amount of raw material powder P discharged from the nozzle when forming the valve seat 16b is made less than the amount of raw material powder P discharged from the nozzle when forming the valve seat 17b. Therefore, it is possible to form the valve seats 16b and 17b of two specifications using one cold spray device 2 in which the raw material powder of the hard material HM and the raw material powder of the soft material SM in the raw material powder supply section 22 have the same content ratio.

上記バルブシート16bが本発明に係る第1バルブシートに相当し、上記バルブシート17bが本発明に係る第2バルブシートに相当する。 The valve seat 16b corresponds to the first valve seat according to the present invention, and the valve seat 17b corresponds to the second valve seat according to the present invention.

1…内燃機関
11…シリンダブロック
11a…シリンダ
12…シリンダヘッド
12a…取付面
12b…凹部
12c,12d…側面
13…ピストン
13a…コネクティングロッド
13b…頂面
14…クランクシャフト
15…燃焼室
16…吸気ポート
16a…開口部
16b…バルブシート
16c…環状バルブシート部
17…排気ポート
17a…開口部
17b…バルブシート
18…吸気バルブ
18a…バルブステム
18b…バルブヘッド
18c…バルブガイド
19…排気バルブ
19a…バルブステム
19b…バルブヘッド
19c…バルブガイド
2…コールドスプレー装置
21…ガス供給部
21a…圧縮ガスボンベ
21b…作動ガスライン
21c…搬送ガスライン
22…原料粉末供給部
22a,221a,222a…原料粉末供給装置
22b…計量器
22c,221c,222c…原料粉末供給ライン
23…スプレーガン
23a…チャンバ
23d…ノズル
3…シリンダヘッド粗材
4…基材
5…金属膜
LIST OF SYMBOLS 1...INTERNAL COMBUSTION ENGINE 11...CYLINDER BLOCK 11a...CYLINDER 12...CYLINDER HEAD 12a...MOUNTING SURFACE 12b...RECEPTION 12c, 12d...SIDE 13...PISTON 13a...CONNECTING ROD 13b...TOP SURFACE 14...CRANKSHAFT 15...COMBUSTION CHAMBER 16...INHALT PORT 16a...OPENING 16b...VALVE SEAT 16c...ANNULAR VALVE SEAT PORTION 17...EXHAUST PORTION 17a...OPENING 17b...VALVE SEAT 18...INHALT VALVE 18a...VALVE STEM 18b...VALVE HEAD 18c...VALVE GUIDE 19...EXHAUST VALVE 19a...VALVE STEM 19b...VALVE HEAD 19c...VALVE GUIDE 2...Cold SPRAY APPARATUS 21...GAS SUPPLY 21a...COMPRESSED GAS BOTTOM 21b...WORKING GAS LINE 21c...CARRIER GAS LINE 22...RAW MATERIAL POWDER SUPPLY SECTION 22a, 221a, 222a...raw material powder supply device 22b...measuring device 22c, 221c, 222c...raw material powder supply line 23...spray gun 23a...chamber 23d...nozzle 3...cylinder head raw material 4...substrate 5...metal film

Claims (6)

内燃機関のシリンダヘッドのバルブ着座部に、軟質材料と硬質材料とを主成分として含む原料粉末をコールドスプレー法によりノズルを介して噴射し、金属膜からなるバルブシートを成膜する方法において、
吸気ポートのバルブ着座部に形成する第1バルブシートの断面における硬質材料の含有比率が、排気ポートのバルブ着座部に形成する第2バルブシートの断面における硬質材料の含有比率よりも小さくなるように成膜し、
前記原料粉末における硬質材料と軟質材料との含有比率を一定にし、
前記ノズルからの前記原料粉末の吐出量を一定にし、
前記第1バルブシートを成膜する際の前記ノズルの移動速度を、前記第2バルブシートを成膜する際の前記ノズルの移動速度より高速にするシリンダヘッドの製造方法。
A method for forming a valve seat made of a metal film by spraying a raw material powder containing a soft material and a hard material as main components through a nozzle by a cold spray method onto a valve seat portion of a cylinder head of an internal combustion engine, comprising:
forming a film such that a content ratio of a hard material in a cross section of a first valve seat formed in a valve seat portion of an intake port is smaller than a content ratio of a hard material in a cross section of a second valve seat formed in a valve seat portion of an exhaust port;
The content ratio of the hard material and the soft material in the raw material powder is kept constant;
The amount of the raw material powder discharged from the nozzle is kept constant;
A method for manufacturing a cylinder head, comprising the steps of: making a moving speed of the nozzle when forming a film on the first valve seat faster than a moving speed of the nozzle when forming a film on the second valve seat.
内燃機関のシリンダヘッドのバルブ着座部に、軟質材料と硬質材料とを主成分として含む原料粉末をコールドスプレー法によりノズルを介して噴射し、金属膜からなるバルブシートを成膜する方法において、
吸気ポートのバルブ着座部に形成する第1バルブシートの断面における硬質材料の含有比率が、排気ポートのバルブ着座部に形成する第2バルブシートの断面における硬質材料の含有比率よりも小さくなるように成膜し、
前記原料粉末における硬質材料と軟質材料との含有比率を一定にし、
前記ノズルの移動速度を一定にし、
前記第1バルブシートを成膜する際の前記ノズルからの前記原料粉末の吐出量を、前記第2バルブシートを成膜する際の前記ノズルからの前記原料粉末の吐出量より少なくするシリンダヘッドの製造方法。
A method for forming a valve seat made of a metal film by spraying a raw material powder containing a soft material and a hard material as main components through a nozzle by a cold spray method onto a valve seat portion of a cylinder head of an internal combustion engine, comprising:
forming a film such that a content ratio of a hard material in a cross section of a first valve seat formed in a valve seat portion of an intake port is smaller than a content ratio of a hard material in a cross section of a second valve seat formed in a valve seat portion of an exhaust port;
The content ratio of the hard material and the soft material in the raw material powder is kept constant;
The nozzle moving speed is kept constant;
A method for manufacturing a cylinder head, comprising the steps of: forming a first valve seat by using a nozzle that ejects a smaller amount of raw material powder than by using a nozzle that ejects a second valve seat by using a nozzle that ejects a smaller amount of raw material powder.
前記硬質材料は、水アトマイズ法により製造された粉末である請求項1又は2に記載の製造方法。 3. The method according to claim 1 , wherein the hard material is a powder produced by a water atomization method. 前記軟質材料は、ガスアトマイズ法により製造された粉末である請求項に記載の製造方法。 The method according to claim 3 , wherein the soft material is a powder produced by a gas atomization method. 前記軟質材料が銅、銅合金、鉄又は鉄合金であり、前記硬質材料がコバルト、コバルト合金、SKD(ダイス鋼)、SKH(ハイス鋼)又はFe-Mo-Si合金粉である請求項1~のいずれか一項に記載のシリンダヘッドの製造方法 5. The method for manufacturing a cylinder head according to claim 1, wherein the soft material is copper, a copper alloy, iron or an iron alloy, and the hard material is cobalt, a cobalt alloy, SKD (die steel), SKH (high speed steel) or an Fe- Mo -Si alloy powder. 前記軟質材料のビッカース硬さが、500HV未満であり、前記硬質材料のビッカース硬さが、500HV以上である請求項1~のいずれか一項に記載のシリンダヘッドの製造方法 The method for manufacturing a cylinder head according to any one of claims 1 to 5 , wherein the soft material has a Vickers hardness of less than 500 HV, and the hard material has a Vickers hardness of 500 HV or more.
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