JPH0343327B2

JPH0343327B2 -

Info

Publication number: JPH0343327B2
Application number: JP60112671A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Mori; Munehiro Takagi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-05-24
Filing date: 1985-05-24
Publication date: 1991-07-02
Also published as: JPS61270335A; US5084113A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は自動車等に好適な内燃機関用肉盛バル
ブに関する。

〔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
ダヘツドに圧入されたバルブシートとバルブフエ
ース面で密着、離反を繰り返す。即ち、バルブフ
エ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、耐磨耗性が要求され
る。

従来、エンジンバルブのバルブフエース部に上
記耐熱性等の諸特性を具備させる方法の一つとし
て、バルブフエース面に耐熱性、耐食性、耐磨耗
性に優れた材料、例えばコバルト系超合金やニツ
ケル系超合金等を肉盛する方法が採用されてい
る。

このバルブフエース部の肉盛は、現在はアセチ
レンガスを用いたガス肉盛が主流となつており、
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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、従来のエンジンバルブは、バルブフ
エース部の肉盛厚さが１mm以上とされていた。こ
の理由は、アセチレンガス肉盛やTIG肉盛では肉
盛厚さを薄くコントロールすることが技術的に困
難なこと、並びにアセチレンガス肉盛やTIG肉盛
では肉盛する前に母材を予熱する必要があり、こ
の予熱により母材の一部が溶融して鉄が肉盛層に
混入して肉盛材料を希釈化し、肉盛層の劣化を促
進するため、健全な肉盛部を一定量以上確保する
ためには少なくとも１mm以上とする必要があつた
からである。このように肉盛層が厚い上に、肉盛
材料が8000〜10000円／Kgと極めて高価であるた
めに、バルブ費用に占める肉盛材料費の割合が30
％〜40％に達していた。

そこで、バルブ費用を低減するために、肉盛厚
さを薄くすることが考えられるが、従来のアセチ
レンガス肉盛やTIG肉盛では、肉盛時にバルブフ
エース部全体に焼きが入り脆くなるため、焼戻を
することが必要となる。従つて、単に厚さを減ら
すだけでは変形に対する抵抗が弱くなる。このた
め、バルブフエース部での面圧が高くなる高性
能、高出力エンジンにおいては、バルブ自体の変
形量が大きくなり、使用できないという問題があ
つた。

そこで、バルブフエース部の変形抵抗を小さく
することなく、バルブフエース部の肉盛厚さを薄
く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
盛バルブによつて解決される。

即ち、本発明の内燃機関用肉盛バルブは、バル
ブフエース部に、耐熱性、対磨耗性に優れた肉盛
層を有する内燃機関用肉盛バルブであつて、前記肉盛層の内側には厚さ0.1〜2.0mmの焼入層
が形成されていることを特徴としている。

本発明において、肉盛材料としてはコバルト系
超合金やニツ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：0.6％、Ｗ：４〜12.0％、Fe＜1.5％お
よび残部Co、(b)Ｃ：0.25％、Si：1.1％、Ni：
22.0％、Cr：26.0％、Ｂ：0.2％、Fe＜1.5％およ
び残部Co等を用いることができる。

また、ニツケル系超合金は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（Al）、チタン（Ti）、ニオブ（Nb）が添加さ
れた析出強化型合金である。ニツケル系超合金と
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％、Fe＜5.0％、Si＜0.8
％、Mn＜1.0％、Ｃ：0.05〜0.1％、Ca：0.1〜2.0
％および残部Ni、(b)Co＜5.0％、Cr：18〜22％、
Mo：３〜６％、Fe＜4.0％、Si＜1.0％、Mn＜
1.0％、Ｃ：0.05〜0.1％、Ca：0.1〜2.0％、Al＜
1.0％および残部Ni等を用いることができる。

本発明の内燃機関用肉盛ブルブは、肉盛層の内
側に0.1〜2.0mmの焼入層を有する。この焼入層は
ビツカース硬さ（Hv）が500〜600のマルテンサ
イトであり、肉盛層のバツクアツプとして機能す
る。この焼入層の厚さを0.1mm以上としたのは、
0.1mm以上ないと十分な変形抵抗を示さないから
であり、また上限を2.0mmとしたのは、2.0mmを超
えるとバルブ自体の靱性を損ない、割れや欠け等
の不具合を生じることがあり、更に焼入れ時にバ
ルブが反る等の不具合を生じることがあるからで
ある。

この焼入層のバツクアツプにより、肉盛層の厚
さを１mm以下にすることができ、好ましくは0.1
〜0.5mmにすることが可能となつた。即ち、この
肉盛層の厚さを１mm以下にすることができること
により、肉盛材料費を低減することができる。特
に、本発明では焼入層によるバツクアツプにより
肉盛層の厚さを0.1〜0.5mmに減少させることもで
きるので、肉盛材料費の低減効果を十分に発揮す
ることができる。尚、肉盛層の厚さを0.1mm以上
としているのは、0.1mm以上ないと肉盛層を安定
して形成することができないからである。

また、高密度エネルギ源としては、レーザの
他、プラズマ等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によれば、肉盛
層の裏側に0.1〜2.0mmの焼入層を形成したため、
肉盛層の厚さを１mm以下、特に、従来の1/2〜1/1
０としても従来と同程度の変形抵抗をうることが
できる。従つて、本発明によれば、肉盛層を薄く
した分だけ肉盛材料費用の低減を図ることができ
る。

また、焼入層は十分薄いために、焼入層を形成
したことによる変形は小さく、このため焼入れの
ままでバルブとして使用することができる。

〔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。

ここで、第１図は本発明の実施例に係る内燃機
関用肉盛バルブの肉盛部の概要を示す部分断面
図、第２図は本発明の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３図は周速度とレーザ出力の関係から肉盛バル
ブの焼入層形成条件を示すグラフ、第４図〜第６
図は焼入層形成条件を変えて得られた各肉盛バル
ブの断面の金属組織を示す写真（×12）、第７図
は肉盛バルブのかさ部を示す一部破断斜視図、第
８図は最大焼入層の厚さとエネルギ密度の関係を
示すグラフ、第９図は肉盛バルブの変形量を調べ
る試験の概要を示す概略構成図、第１０図は最大
焼入層の厚さを一定としたときの荷重と変形量の
関係を示すグラフ、第１１図は荷重を一定にした
場合の変形量と最大焼入層の厚さの関係を示すグ
ラフ、第１２図は肉盛バルブの反りを示す肉盛バ
ルブの正面図、第１３図は肉盛バルブの反り量と
最大焼入層の厚さの関係を示すグラフである。

全長94mm、かさ部径28mm、軸部径６mmの耐熱鋼
（SUH3B）からなるインテークバルブ１を準備
した。このインテークバルブ１は、第２図に示す
ように、軸部１ａとかさ部１ｂからなり、かさ部
１ｂのバルブフエース部２には肉盛を行うために
凹部が形成されている。このインテークバルブ１
を上方のバルブフエース部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、上方のバルブフエース部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
を設置する。また、図示しないが、上方のバルブ
フエース部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
フエース部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。

なお、肉盛合金粉末３は、Ｃ：1.0％、Si：1.2
％、Ni＜3.0％、Cr：28.0％、Ｗ：４％、Fe＜3.0
％および残部CoからなるステライトNo.６を用い
た。

次に、肉盛方法を説明する。

肉盛合金供給装置４から肉盛合金粉末３をバル
ブフエース部２の凹部に供給しつつ、インテーク
バルブ１を所定の周速度で回転した。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、レーザ光５のビーム形状は4.8×
2.3（mm）の短形とした。

この肉盛方法において、インテークバルブ１を
回転させる周速度を２mm／sec〜16mm／secの間で
種々変えると共に、レーザ出力も0.2KW〜
3.0KWの間で種々変化させた。この結果、第３
図に示すような結果が得られた。第３図におい
て、○は0.1mm〜2.0mmの焼入層が形成されたもの
であり、●は肉盛層の内側が溶け落ちたもの、▽
は焼きが過剰となつて焼戻されたもの、△は熱量
が不足して焼入層が形成されなかつたもの、×は
熱量が大幅に不足して肉盛ができなかつたものを
示す。従つて、第３図において、ハツチングで囲
んだ部分が望ましい焼入層形成条件範囲を示す。

第３図において、Ａ、Ｂ、Ｃで示す条件で得ら
れた各肉盛バルブの金属組織写真（×12）を第４
図〜第６図に示す。なお、この第４図〜第６図
は、第７図に示す肉盛バルブを矢印の方向から見
たものである。第４図〜第６図から明らかなよう
に、条件Ａ（周速度６mm／sec、レーザ出力
1.0KW）の場合には、最大焼入層の厚さは0.07mm
であり、肉盛層の厚さは0.2mmとすることができ
た。同様に、条件Ｂ（周速度８mm／sec、レーザ出
力1.8KW）の場合には、最大焼入層の厚さは0.3
mmであり、肉盛層の厚さは0.33mm、条件Ｃ（周速
度８mm／sec、レーザ出力2.4KW）の場合には、
最大焼入層の厚さは0.33mmであり、肉盛層の厚さ
は0.4mmとすることができた。なお、第４図〜第
６図の概要を模式的に示したのが第１図である。
第１図において、６は肉盛層、７はマルテンサイ
ト組織の焼入層であり、８は熱影響部である。

また、レーザのエネルギ密度と最大焼入層の厚
さ（第１図のｔ）の関係を調べた。この結果を第
８図に示す。第８図より、0.1mm〜2.0mmの焼入層
を得るには、エネルギ密度は30J／mm²〜110J／mm
^２が望ましいことが判る。ここで、エネルギ密度
ＩはＰ／（ａ×ｖ）で表される。但し、Ｐはレー
ザ出力、ａは短形のレーザビームを用いた場合に
はレーザビームの横幅、ｖはレーザビームの走査
速度である。

次に、上記方法で製造された焼入層の最大厚さ
0.8mm、肉盛層の厚さ0.4mmの肉盛バルブを用い、
荷重に対する変形量を調べた。即ち、第８図に示
すように、肉盛バルブのかさ部の裏側中央をボー
ル９で加圧し、この加圧量を種々変えて加圧量と
変形量ΔLの関係を調べた。このとき、比較のた
めアセチレンガス肉盛を行つた従来の肉盛バルブ
（焼戻処理が施されている）と、レーザ肉盛で焼
入層をほとんど形成しなかつた肉盛バルブ（焼入
層：0.01mm）についても同様な方法で変形量を調
べた。この結果を第１０図に示す。第１０図にお
いて、ａは本発明の実施例で得られた肉盛バルブ
の変形曲線、ｂは従来のアセチレン肉盛で得られ
た肉盛バルブの変形曲線、ｃはレーザ肉盛で焼入
層をほとんど形成しなかつたときの肉盛バルブの
変形曲線を示す。第１０図から明らかなように、
本実施例の肉盛バルブは、従来の肉盛バルブと同
程度の変形抵抗を有している。

また、荷重を2500Kgで一定したときの変形量と
最大焼入層の厚さの関係を調べた。尚、肉盛バル
ブには、0.4mmの肉盛層を形成した。ここで、最
大焼入層の厚さとは、第１図におけるｔをいう。
この結果を第１１図に示す。第１１図から判るよ
うに、本実施例の肉盛バルブは、最大焼入層の厚
さが0.1mm以上の場合には、従来の肉盛バルブ
（第１１図に一点鎖線で示す）と同程度か、ある
いはそれ以下の変形量を示している。

更に、最大焼入層の厚さと肉盛バルブの反り量
の関係を調べた。ここで、反り量とは第１２図に
おけるｄをいう。この結果を第１３図を示す。第
１３図より、最大焼入層の厚さが2.0mm以下の場
合には肉盛バルブの反り量が小さく、焼入れ時の
ままでバルブとして使用できることが判る。

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。

〔発明の効果〕

以上より、本発明の内燃機関用肉盛バルブによ
れば、肉盛層の内側に所定厚さの焼入層を形成し
て変形抵抗を増大させたため、肉盛層の厚さを従
来の1/2〜1/10とすることができ、肉盛材料が節
約でき、大幅なコスト低減を図ることができる。
また、本発明の焼入層は薄いため、変形量が極め
て小さく、焼入れのままでバルブとして使用する
ことができ、焼戻工程が省略できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る内燃機関用肉盛
バルブの肉盛部の概要を示す部分断面図、第２図
は本発明の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３図は周
速度とレーザ出力の関係から肉盛バルブの焼入層
形成条件を示すグラフ、第４図〜第６図は焼入層
形成条件を変えて得られた各肉盛バルブの断面の
金属組織を示す写真（×12）、第７図は肉盛バル
ブのかさ部を示す一部破断斜視図、第８図は最大
焼入層の厚さとエネルギ密度の関係を示すグラ
フ、第９図は肉盛バルブの変形量を調べる試験の
概要を示す概略構成図、第１０図は最大焼入層の
厚さを一定したときの荷重と変形量の関係を示す
グラフ、第１１図は荷重を一定にした場合の変形
量と最大焼入層の厚さの関係を示すグラフ、第１
２図は肉盛バルブの反りを示す肉盛バルブの正面
図、第１３図は肉盛バルブの反り量と最大焼入層
の厚さの関係を示すグラフである。１……インテークバルブ（エンジンバルブ）、
１ａ……軸部、１ｂ……かさ部、２……バルブフ
エース部、３……肉盛合金粉末、４……肉盛合金
供給装置、５……レーザ光、６……肉盛層、７…
…焼入層、８……熱影響部。

Claims

【特許請求の範囲】１バルブフエース部に、耐熱性、耐磨耗性に優
れた肉盛層を有する内燃機関用肉盛バルブであつ
て、前記肉盛層の内側には厚さ0.1〜2.0mmの焼入層
が形成されていることを特徴とする内燃機関用肉
盛バルブ。