CN101305168A - 装入制冷剂空心提升阀及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种装入制冷剂空心提升阀及其制造方法，考虑到在使用时在阀各部产生的温度分布，使被暴露在高温下的阀部位的疲劳强度和蠕变强度的下降处于设计基准的容许范围内，并且，考虑到其他阀部位中的要求特性，保持了磨损性和强度。因此，进行使得圆筒形的轴部(12)和在轴部(12)的另一端开口成喇叭口状的圆角状的头部(14)的维氏硬度分别成为大致250HV以上、350HV以下以及大致350HV以上的冷拉深成形工序和中间退火工序，进行使得所述开口部外周中的表面部(15)的维氏硬度成为380HV以上的冷压成形，实现了与各部位的要求特性相应的耐高温性、耐磨性和强度的提高。

Description

装入制冷剂空心提升阀及其制造方法
技术领域
本发明提供一种关于与阀的使用条件相应地使耐热性和耐磨性以及强度提高的装入制冷剂空心提升阀(hollow poppet valve)及其制造方法的技术。特别是，提供一种关于通过焊接将盖与一体地被形成在圆筒状的挺杆部的一端上的圆角(fillet)区域一体化的空心提升阀及其制造方法。
背景技术
作为这种以往的技术，下述专利文献1中所公开的技术已被公知。以往的空心提升阀的前端部，如图8所示，将位于与G区域相当的圆柱形的挺杆部的上方的圆角区域的开口缘部做成厚壁，将与盖之间的焊接部A设置在与面部表面150隔开间距的厚壁部内侧。因此，焊接后的面部表面150(图8的E区域：从300～349HV)的维氏硬度，与可以看到是因焊接热的影响而下降的A，B，C，D的各区域相比，被维持在高的硬度，由此，做成了对面部表面150附加了在与气缸侧的反复接触时(阀的开闭动作时)尽可能保持充分的紧密接触性的耐磨性的结构。
上述那样的以往技术，在尽可能地维持面部表面150的硬度的同时，对以圆角区域140(图8的F区域：从350HV～399HV)为代表的阀的其他部位，也是考虑到了通过使硬度尽可能地提高能够保持疲劳强度及蠕变强度等的结构。
专利文献1：国际公开WO00/47876号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，本申请的发明人在对实际使用之际的空心提升阀中的强度进行测定研究后，根据图9和图10发现，圆角区域140等被暴露在高温中的部位，由于通过加工形成的硬度有导致疲劳强度和蠕变强度下降的危险。
图9是将在空心提升阀中使用的奥氏体系不锈钢坯料冷加工成3种(维氏硬度151，316，380HV)硬度，在不同的温度条件下(横轴)以及1千万次循环使用下进行试验，表示疲劳强度(纵轴)的变化的试验结果。另外，图10是对与图9同样坯料的阀，将在600℃温度下进行了试验之际的蠕变强度(纵轴)相对于经过的时间(横轴：拉森密勒参量值)的变化，与图9同样地基于冷加工成3种硬度的情况表示的图。
根据图9可以认为，越提高硬度，阀坯料的疲劳强度也越提高，在从常温(25℃)到400℃之间使用时的疲劳强度下降的比例，对于任何硬度来说都比较平稳。但是，在400℃以上的温度下使用时可以判断，坯料的疲劳强度下降的比例，与硬度151HV和316HV相比，最硬的380HV极端地增大。
即，在采用硬度380HV的情况下，可以判断，在400℃以上的温度下使用时疲劳强度急剧下降，在600℃时，大大低于硬度316HV的疲劳强度，一直下降到与硬度151HV无大差别的疲劳强度。
另一方面，根据图9，对于阀坯料的蠕变强度来说还可判断，在采用硬度380HV在600℃使用时，随着时间的经过，与硬度151及316HV的部位相比也大幅度地下降。另外，在采用硬度380HV在600℃下使用时的疲劳强度及蠕变强度大幅度下降的原因被推定为，通过加工成硬度380HV，加工后的组织发生了再结晶相变。
因此，圆角区域14、即阀的头部，因为被推定为当在超过500℃的高温下进行阀的开闭动作时，通过阀的面部表面150与气缸侧密封面反复接触，前述头部受到拉伸负荷，所以可以说在通过冷加工，加工硬度过分提高的情况下，不能维持使用时所需要的疲劳强度及蠕变强度，存在着发生破断等的问题的危险。
另一方面，与头部的下方连续的相当于图8中的G区域的挺杆部，即圆柱形的轴部，因为与头部同样地从气缸侧受到反复拉伸负荷，而且也是相对于导向部滑动的部位，所以在加工成与头部完全一样的硬度的情况下，存在着不能对负荷保持必要的疲劳强度和对滑动保持耐磨性的方面的问题。
再有，与气缸侧的密封面接触的表面部15，因为在与密封面之间的接触之际有确保紧密接触的必要性，所以如不加工成比头部高，则存在着不能保持确保紧密接触性所必要的耐磨性的方面的问题。
本发明是鉴于上述以往技术的问题而进行的，其目的在于提供一种具有通过冷加工和热处理、考虑到阀各部位的使用特性、保持了在高温高循环使用下的规定的疲劳强度及在高温使用下的蠕变强度的圆角区域(头部)的装入制冷剂空心提升阀及其制造方法，在此基础上，还提供一种具有保持了规定的疲劳强度和耐磨性的挺杆部(轴部)、或具有已具备了规定的耐磨性的面部表面(部)的装入制冷剂空心提升阀及其制造方法。
为了解决课题的手段
为了实现前述目的，技术方案1所述的是一种装入制冷剂空心提升阀，该装入制冷剂空心提升阀经过冷压成形工序、中间退火工序、冷拉深成形工序，使各部具有不同的硬度，所述冷压成形工序将坯料成形为杯形，将所述杯形的成形品的开口缘部成形为厚壁状；所述中间退火工序使所述杯形的成形品软化；所述冷拉深成形工序在所述杯形的成形品的所述开口端形成开口成喇叭口状的头部，与所述头部作为一体形成圆筒形的轴部，在所述厚壁状的开口缘部外周形成锥形的表面部，其中，使所述头部的维氏硬度在大致250HV以上、350HV以下。
(作用)因为头部被抑制在大致250HV以上、350HV以下的硬度，所以不会产生在高温下作为硬度380HV使用时产生的那样的再结晶相变。因此，没有图9和图10中的380HV的线所示的那样的疲劳强度和蠕变强度显著下降的现象，即使在高温且高循环下使用，也将如后述的图5所示的那样，保持所需要的疲劳强度和在高温下的使用所需要的蠕变强度。
另外，在技术方案2中，是对技术方案1的装入制冷剂空心提升阀，使所述轴部的维氏硬度成为大致350HV以上的硬度。
(作用)通过使与头部相比不容易被暴露在高温中的轴部的硬度在大致350HV以上，对阀与气缸侧之间的反复接触保持了所需要的疲劳强度，而且对与导向部之间的滑动保持了所需要的耐磨性。
另外，在技术方案3中，是对技术方案1或2的装入制冷剂空心提升阀，使所述锥形的表面部的表层部的维氏硬度成为大致380HV以上的硬度。
(作用)通过将表面部的表层部的硬度在大致380HV以上，保持了确保与气缸侧之间的紧密接触性所需要的耐磨性。
另外，技术方案4所述的是一种装入制冷剂空心提升阀的制造方法，该装入制冷剂空心提升阀的制造方法包括冷压成形工序、中间退火工序、冷拉深成形工序，所述冷压成形工序将坯料成形为杯形，将所述杯形的成形品的开口缘部成形为厚壁状；所述中间退火工序使所述杯形的成形品软化；所述冷拉深成形工序在所述杯形的成形品的所述开口端形成开口成喇叭口状的头部，与所述头部作为一体形成圆筒形的轴部，在所述厚壁状的开口缘部外周形成锥形的表面部，其中，通过在所述冷拉深成形工序开始前进行至少一次的中间退火工序，根据需要在所述冷拉深成形工序的途中进行适当次数的中间退火工序，使所述头部的维氏硬度在大致250HV以上、350HV以下。
(作用)通过在所述冷拉深成形工序前和适当的途中进行的中间退火工序，能够制造在头部中保持了在高温且高循环下的使用中所需要的疲劳强度和在高温下的使用中所需要的蠕变强度的技术方案1的装入制冷剂空心提升阀。
另外，在技术方案5中，是对技术方案4所述的装入制冷剂空心提升阀的制造方法，通过所述冷拉深成形工序，使所述轴部的维氏硬度在大致350HV以上。
(作用)通过所述冷拉深成形工序，能够制造在轴部中对阀与气缸侧之间的反复接触保持了必要的疲劳强度和对与导向部之间的滑动保持了必要的耐磨性的技术方案2的装入制冷剂空心提升阀。
另外，在技术方案6中，是对技术方案4或5的装入制冷剂空心提升阀的制造方法，通过所述冷拉深成形工序后的冷锻工序，使所述表面部的表层部的维氏硬度在大致380HV以上。
(作用)通过这样的冷加工，能够制造在表面部中保持了确保与气缸侧的密封面之间的紧密接触性所需要的耐磨性的装入制冷剂空心提升阀。
发明的效果
根据技术方案1，本发明的装入制冷剂空心提升阀，因为通过冷拉深加工和中间退火工序，即使在高温高循环下使用头部也保持必要的疲劳强度和蠕变强度，没有破断的危险性，所以适合用于气缸内部成为高温的发动机。
根据技术方案2，因为轴部保持所需要的疲劳强度和磨损强度，所以能够实现相对于由于与气缸侧之间的接触产生的反复的负荷和在与导向部之间的滑动中产生的摩擦的高强度化。
根据技术方案3，因为表面部保持必要的磨损强度，所以能够在与气缸侧的密封件之间的接触的反复进行之际，维持高的紧密接触性。
根据技术方案4，本发明的装入制冷剂空心提升阀的制造方法，能够制造适合用于气缸内部成为高温的发动机的装入制冷剂空心提升阀。
另外，能够制造具有可承受反复拉伸负荷和抗磨损能力强的轴部的阀。
根据技术方案5，能够制造具有对由于与气缸侧之间的接触而产生的反复负荷以及在与导向件之间的滑动中产生的摩擦承受能力强的轴部的阀。
根据技术方案6，能够制造具有在反复的接触中维持与气缸侧密封件之间的紧密接触性高的表面部的阀。
附图说明
图1是作为本发明的一实施例的装入制冷剂空心提升阀的局剖主视图。
图2是盖焊接部周边的放大剖面图。
图3是表示该装入制冷剂空心提升阀的制造工序的纵剖面图。
图4是表示制造工序中的冷拉深成形工序的图。
图5是根据冷轧材料的试验结果，表示头部的硬度和高温下使用时的疲劳强度的变化的图。
图6是表示轴部的硬度和规定温度下使用时的疲劳强度的变化的图。
图7是表示对试制品的轴部、头部及表面部的硬度进行了测定的结果的图。
图8是以往技术中的盖焊接部周边的放大剖面图。
图9是表示在阀中使用的冷加工材料的疲劳试验的结果的图。
图10是表示在阀中使用的冷加工材料的蠕变试验的结果的图。
符号说明：
10：空心提升阀；12：轴部(挺杆部)；14：头部(圆角区域)；
15：表面部(面部表面)；16：盖；W2：杯形成形品
具体实施方式
为了实施发明的优选方式
图1是作为本发明的一实施例的装入制冷剂空心提升阀的局剖主视图，图2是盖焊接部周边的放大剖面图，图3是表示该装入制冷剂空心提升阀的制造工序的图，图4是表示制造工序中的冷拉深成形工序的图，图5是根据冷轧材料的试验结果，表示头部的硬度和高温下使用时的疲劳强度的变化的图，图6是表示轴部的硬度和规定温度下使用时的疲劳强度的变化的图，图7是表示对试制品的轴部、头部及表面部的硬度进行了测定的结果的图，图8是以往技术中的盖焊接部周边的放大剖面图，图9是表示在阀中使用的冷加工材料的疲劳试验的结果的图。图10是表示在阀中使用的冷加工材料的蠕变试验的结果的图。
下面，参照图1至图10，根据实施例说明本发明的实施方式。
在作为本发明的一实施例的空心提升阀的局剖主视图的图1、作为盖焊接部周边的放大剖面图的图2中，符号10为空心的提升阀，其开口成喇叭口状的头部14是与下端部被封闭的圆筒形的轴部12的上端部形成为一体的。轴部12，除了头部14外被形成为大致均匀的厚度，而头部14是以越靠近开口缘部侧(图1的上方)越逐渐变厚的方式形成的。在前述开口缘部设有厚壁部30，在其外周上形成了表面部15，这样地构成是为了不受到盖焊接热量的影响。
另外，圆盘状的盖16通过焊接成为与头部14的开口缘部一体化的构造。此外，符号18为被设置在轴部12的下端部外周上的销槽，符号19为被设置在轴部12的下端部上的末端部。
另外，作为阀的坯料，例如可以考虑使用SUS305或SUS304等的奥氏体系不锈钢等。而作为制冷剂，例如可以考虑使用钾钠合金等的液体金属。制冷剂是通过切断等拆下末端部19而向加工后的阀内部充填的，然后，通过焊接另外的末端部19等加盖封闭。制冷剂在将头部14的热量向末端部19侧传导的同时，有助于阀的轻量化。
下面，根据图3说明本实施例中所示的空心提升阀10的制造工序。
首先，如表示该空心提升阀的制造工序的图3的(a)、(b)所示，将作为坯料的毛坯材料W1通过冷压成形为杯形。另外，此冷压成形工序由将毛坯材料W1拉深成杯形的工序、在杯形成形品W2的开口部侧冲压成形凸缘状的厚壁部30a的工序构成。
另外，为了使后面进行的通过连续自动压力机的成形容易，将阀的各部位加工成适当的硬度，进行中间退火工序。中间退火工序是在冷压成形工序结束后、冷拉深成形工序前至少进行一次。而且在材料硬等成形困难的情况下，是在前述冷压成形工序及后述的冷拉深成形工序的间隔中进行。
接着，如图3(c)、(d)所示，将杯形成形品W2通过使用连续自动压力机的冷拉深成形工序进行加工。在冷拉深成形工序中，分别成形圆筒形的轴部12、在杯形开口缘部侧成形开口成喇叭口状那样的形状的头部14、以及在杯形开口部外周上成形锥形的表面部15。进而，通过在杯形开口缘部侧冲压成形厚壁部30b、30c和支承盖16的台阶部14a，成形已形成了开口成喇叭口状的头部14的规定大小的成形品W3、W4。
另外，在冷拉深成形工序中，如图4所示，是由反复进行将通过冷压成形工序形成的图4左端的杯形成形品压入到尺寸稍细一些的模型中，进而将通过压入变成了稍细一些的成形品压入到比之更细一些的模型中的这样的作业直到成为规定的形状为止的多个工序构成的。阀的各部位虽然随着通过压入进行的拉深加工的次数增加而越发硬化，但是在途中适当地进行中间退火工序，使得在形成了规定的形状时硬度不过度地变硬。
图5是表示坯料(在本例中为SUS305)的疲劳强度(纵轴)相对于维氏硬度(横轴)的变化的图。温度是在想定阀的头部的使用条件而设定为600℃温度下的。纵轴的300MPa为对头部14所要求的疲劳强度。
如图5所示，疲劳强度在坯料的硬度超过了约240HV的情况下，超过了所要求的疲劳强度300MPa，增加到硬度约316HV附近。如果进一步提高硬度，疲劳强度反而下降，在超过了硬度约360HV的情况下，切进了所需要的300MPa。因此，为了将疲劳强度维持在300MPa以上、考虑到产品的标准偏差，可以考虑将头部的硬度设定为大致250HV以上，350HV以下。
图6与图5同样，是表示坯料(在本例中为SUS305)的疲劳强度(纵轴)相对于维氏硬度(横轴)的变化的图。温度是在想定阀的轴部12的使用条件设定为从常温(25℃)到400℃以下的。但是，因疲劳强度随着温度上升而下降，所以在400℃的疲劳强度的下降是一个问题。另外，500MPa为对轴部12所要求的疲劳强度。
如图6所示，在400℃使用下的坯料的疲劳强度，在硬度超过了约316HV的情况下，超过了所要求的疲劳强度500MPa。如果参照图9，可以认为，在400℃时，因为未能看到由于硬度上升导致的疲劳强度的大的下降，所以，此后随着硬度的上升，疲劳强度也是增加的。因此，为了将疲劳强度维持在500MPa以上，考虑到产品的标准偏差，可以考虑将轴部12的硬度设定为大致350HV以上。
另外，表面部15的硬度因需要尽可能地提高与气缸侧之间的紧密接触性，所以在考虑到表层部的耐磨性后设定为大致380HV以上。
另外，对于头部14的成形在硬度上存在上限。因此，在形成了规定的形状后，为了头部14的硬度不超过作为上限值的大致350HV，在通过中间退火工序降低坯料的硬度的同时，在形成后也以成为大致350HV以内的硬度的方式进行拉深加工。
另外，轴部12是反复地进行拉深加工的，使其在形成为规定的形状后的硬度不低于350HV。
另一方面，对于表面部15，在冷拉深成形工序后进行冷锻工序，使其硬度增加到超过表层部的硬度380HV为止。另外，头部14、轴部12和表面部15的硬度，考虑到因加工次数增加导致的成本上升，可以说取必要的最低硬度是理想的。
再有，在冷拉深成形工序中，有时根据需要使用心轴。另外，通过滚压成形等在轴部12的下端部成形销槽18。而且，最后将预先与轴部12分开地制造好的盖16通过电子束焊接或激光束焊接，焊接到头部14内侧的台阶部14a上。
图7是表示对试制品的轴部12、头部14及表面部15的维氏硬度进行了测定的结果的图。在此图中，右下的370HV到402HV的范围相当于表面部15，其上面的从279HV到351HV的区域相当于头部14，更上面的360.5HV到390HV的区域相当于轴部12。通过以近似于这样的硬度分布的方式进行冷拉深成形工序、中间退火工序及冷锻工序，阀的各部位将具有与使用特性相应的疲劳强度、蠕变强度及耐磨性。

Claims (6)

1.一种装入制冷剂空心提升阀，经过冷压成形工序、中间退火工序、冷拉深成形工序，使各部具有不同的硬度，所述冷压成形工序将坯料成形为杯形，将所述杯形的成形品的开口缘部成形为厚壁状；所述中间退火工序使所述杯形的成形品软化；所述冷拉深成形工序在所述杯形的成形品的所述开口端形成开口成喇叭口状的头部，与所述头部作为一体形成圆筒形的轴部，在所述厚壁状的开口缘部外周形成锥形的表面部，
其特征在于，所述头部的维氏硬度在大致250HV以上、350HV以下。
2.根据权利要求1所述的装入制冷剂空心提升阀，其特征在于，所述轴部的维氏硬度在大致350HV以上。
3.根据权利要求1或2所述的装入制冷剂空心提升阀，其特征在于，所述锥形的表面部的表层部的维氏硬度为大致380HV以上。
4.一种装入制冷剂空心提升阀的制造方法，包括冷压成形工序、中间退火工序、冷拉深成形工序，所述冷压成形工序将坯料成形为杯形，将所述杯形的成形品的开口缘部成形为厚壁状；所述中间退火工序使所述杯形的成形品软化；所述冷拉深成形工序在所述杯形的成形品的所述开口端形成开口成喇叭口状的头部，与所述头部作为一体形成圆筒形的轴部，在所述厚壁状的开口缘部外周形成锥形的表面部，
其特征在于，通过在所述冷拉深成形工序开始前进行至少一次的中间退火工序，根据需要在所述冷拉深成形工序的途中进行适当次数的中间退火工序，使所述头部的维氏硬度在大致250HV以上、350HV以下。
5.根据权利要求4所述的装入制冷剂空心提升阀的制造方法，其特征在于，通过所述冷拉深成形工序，使所述轴部的维氏硬度在大致350HV以上。
6.根据权利要求4或5所述的装入制冷剂空心提升阀的制造方法，其特征在于，通过所述冷拉深成形工序后的冷锻工序，使所述表面部的表层部的维氏硬度在大致380HV以上。
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