CN106133285A - 可动壁构件以及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可扩大缓冲层的选材范围同时含有具有所期待的耐腐蚀性的触火面的可动壁构件。一种可动壁构件，其用于内燃机中，其特征在于，在母材(4)上具有最外表面为触火面的耐腐蚀层(7)，耐腐蚀层(7)使用含有50质量百分比以上60质量百分比以下的Ni和40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr的合金实施多层堆焊而成。耐腐蚀层(7)中具有最外表面的层(10)优选含有40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr。

Description

可动壁构件以及焊接方法
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机中的可动壁构件以及焊接方法。
背景技术
用于内燃机的可动壁构件由耐热钢形成。为了防止高温腐蚀，在可动壁构件的表面设有由耐腐蚀性材料构成的层(专利文献1以及专利文献2)。作为具有耐腐蚀性的材料成分，可列举铬(Cr)和钼(Mo)等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5036879号公报(段落[0030]、图1)
专利文献2：注册实用新型第3038802号公报(段落[0004])
发明内容
发明要解决的课题
众所周知，在耐热钢上直接形成由耐腐蚀性材料构成的层时，耐腐蚀性材料中所含的成分会与耐热钢中所含的碳(C)形成碳化物。例如、铬会与碳(C)发生反应，形成碳化铬(CCr)。碳化铬硬且脆，不具有耐腐蚀性。因此，碳化铬的生成量变多时，会出现无法获得所期待的耐腐蚀性的问题。
根据专利文献1，通过在耐热钢(合金钢)与由耐腐蚀性材料构成的层(外侧部)之间设置缓冲层，能够防止耐腐蚀性材料中所含的成分与耐热钢中所含的碳形成碳化物。
但是，根据专利文献1，在限制合金钢(母材)和缓冲层的含碳率的同时，还必须规定缓冲层的厚度。因此，会存在无法自由选择母材和缓冲层的材料的课题。
根据专利文献1，缓冲层为单层结构，因此母材的影响大，存在不少母材会影响到外侧部的问题。母材影响到外侧部时，会降低耐腐蚀性、韧性以及作为可动壁构件的外侧部的可靠性。
根据专利文献2，在母材上直接焊接形成由耐腐蚀性材料构成的层。根据专利文献2，作为耐腐蚀性材料使用了Cr含量明显较高的材料，但Cr含量高的耐腐蚀性材料存在延伸性低、不易焊接的课题。
本发明鉴于上述情况开发而成，其目的在于提供一种可扩大缓冲层的选材范围，同时含有具有所期待的耐腐蚀性的触火面的可动壁构件以及焊接方法。
技术方案
为了解决上述课题，本发明的可动壁构件以及焊接方法采用了以下方法。
本发明提供一种可动壁构件，其用于内燃机中，其特征在于，在母材上具有最外表面为触火面的耐腐蚀层，所述耐腐蚀层使用含有50质量百分比以上60质量百分比以下的Ni和40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr的合金实施多层堆焊而成。
本发明中，耐腐蚀层使用含有50质量百分比以上60质量百分比以下的Ni和40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr的合金(以下称为50Cr-50Ni合金)而形成。本发明中，耐腐蚀层实施多层堆焊而成，因此能够阶段性地减少Cr在合金中的稀释。也就是说，使用相同种类的50Cr-50Ni合金形成耐腐蚀层时，母材侧的一个层的含Cr率会低于50Cr-50Ni合金，但含有作为触火面的最外表面的层能够确保其含Cr率与合金成分几乎等同。因此，可形成具有所期待的耐腐蚀性的可动壁构件。本发明可不受母材的影响形成作为触火面的最表层，因此即使在母材与耐腐蚀层之间设置其他层时，该其他层的材料也不会如专利文献1般受到限制。因此，作业者可自由选择廉价的材料或容易获得的材料等。
上述发明的一方式中，所述耐腐蚀层中具有所述最外表面的层优选含有40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr。
由于含Cr率在上述范围内，所以能够确保延伸性且获得充分的耐腐蚀性。
本发明提供一种焊接方法，其将母材预热至80℃以上120℃以下后，将含有50质量百分比以上60质量百分比以下的Ni和40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr的合金实施层状堆焊，其特征在于，将形成层时的通路间温度设为200℃以下实施焊接。
通过实施预热，能够防止(包含母材的)下层发生急剧的温度变化。通过规定通路间温度的上限，能够抑制熔池的温度上升。因此，能够防止热裂。
上述发明的一方式中，将所述合金实施层状堆焊时，优选在形成一个层后实施打磨，然后在所述一个层上堆焊下一层。
通常的多层堆焊中，不对各层实施打磨，但根据上述发明的一方式，通过在实施打磨后形成下一层，能够形成不易发生焊接缺陷的耐腐蚀层。
有益效果
本发明通过形成经过多层堆焊的耐腐蚀层，可获得含有具有所期待的耐腐蚀性的触火面的可动壁构件。根据这种可动壁构件，能够使设置在耐腐蚀层下的层的选材范围大于以往。
附图说明
图1是显示船舶用发动机的主要部分的立体图。
图2是第1实施方式所涉及的排气阀的正面图。
图3是图2的排气阀中触火面侧的局部剖面图。
图4是显示形成耐腐蚀层的第1堆焊层时的步骤的流程图。
图5是说明胎圈形成的图。
图6是说明胎圈形成的图。
图7是实验例所涉及的可动壁构件的局部剖面图。
图8是第2实施方式所涉及的排气阀的正面图。
具体实施方式
图1是显示船舶用发动机的主要部分的立体图。发动机具有：气缸1、自由滑动地嵌合在气缸内的活塞2、与气缸的上部接合的排气管3、以及插通至排气管3的内部的排气阀4。由气缸1、排气阀4以及活塞2包围的空间为燃烧室5。虽省略图示，但发动机具有可向燃烧室5供给燃料的燃料供给机构以及可向燃烧室5供给空气的供气机构等。
本发明可适用于如图1所示的可动壁构件即排气阀4或活塞2等。使用可动壁构件的内燃机可以是2冲程发动机或4冲程发动机。4冲程发动机时，本发明的可动壁构件也可适用于吸气阀。
[第1实施方式]
本实施方式中，以船舶用柴油机的排气阀为例进行说明。图2是本实施方式所涉及的排气阀的正面图。图3是图2的排气阀中触火面侧的局部剖面图。
排气阀4具有轴部4a、以及设置在轴部4a的端部的圆盘状的凸缘部4b。凸缘部4b在朝向燃烧室侧的面上具有缓冲层6和耐腐蚀层7。
排气阀4(母材)为耐热合金。作为耐热合金，可使用不锈钢例如SUH31、SNCrW、或Ni基合金例如Nimonic80A(都为大同特殊钢制)等。不锈钢的主成分为Fe，也可含有Mn、P、S等不可避成分。表1显示用于母材中的不锈钢的主要副成分(质量百分比)。
[表1]
缓冲层6是在形成耐腐蚀层7时能够对母材的影响加以缓冲的层。“母材的影响”是指，形成耐腐蚀层时使用的焊接材料中含有的Cr与母材中含有的C发生反应而被稀释。或指仅利用焊接实施熔融，将所需的成分进行熔合，从而使焊接材料中含有的Cr稀释。缓冲层6由不同于母材和耐腐蚀层7的耐热合金构成。虽无特别限定，但缓冲层6的C含量优选为少于母材，在0.15质量百分比以下的范围内。缓冲层6的C含量也可超过0.09质量百分比。缓冲层6的层数可以是1或2以上。缓冲层6的总厚度可相应排气阀的大小等适当设定。
耐腐蚀层7是使用50Cr-50Ni合金作为焊接材料实施多层堆焊而成的层。相对于总质量100％，50Cr-50Ni合金含有50质量百分比以上60质量百分比以下的Ni和40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr。50Cr-50Ni合金也可含有0.10质量百分比以下的C、0.50质量百分比以下的Fe、0.20质量百分比以下的Si、0.20质量百分比以下的Mn、0.02质量百分比以下的P、0.50质量百分比以下的Cu以及0.30至1.0质量百分比的Ti。
耐腐蚀层7由2层以上的堆焊层叠层而成。耐腐蚀层7中，越是远离母材的堆焊层，其含Cr率越高。具有最外表面的堆焊层的含Cr率优选等同或近似焊接材料的含Cr率。
本实施方式所涉及的耐腐蚀层7的结构如下，即在缓冲层6上依序叠层第1堆焊层8、第2堆焊层9、以及第3堆焊层10(参照图3)。第3堆焊层10含有耐腐蚀层7的最外表面，为排气阀4的触火面。第3堆焊层10的含Cr率为40质量百分比以上50质量百分比以下。第2堆焊层9的含Cr率低于第3堆焊层10的含Cr率。第1堆焊层8的含Cr率低于第2堆焊层9的含Cr率。
耐腐蚀层7的总厚度可相应排气阀4的大小适当设定。如果耐腐蚀层7过厚则制造成本会升高，因此耐腐蚀层7的总厚度优选为可获得所期望的耐腐蚀性的最小厚度。
例如，凸缘部4b的外径为470mm左右的排气阀时，如果耐腐蚀层7采用2层以上的多层结构，并且耐腐蚀层7的总厚度为4mm至5mm左右，则可获得充分的高温耐腐蚀性。耐腐蚀层7的总厚度优选为6mm至8mm左右。另外，耐腐蚀层7为单层结构时，厚度方向上含Cr率并无变化，因此即使总厚度相同，也无法获得上述效果。
接着，针对排气阀的制造方法进行说明。
在排气阀4的凸缘部4b朝向燃烧室侧的面(触火面侧)上，依序设置缓冲层6和耐腐蚀层7。缓冲层6可采用适合构成缓冲层6的材料的方法适当形成。
耐腐蚀层7可通过使用焊接材料实施多层(层状)堆焊来形成。焊接材料可使用绳状或棒状的50Cr-50Ni合金。
第1堆焊层8至第3堆焊层10是使用相同种类的焊接材料在同样的条件下形成的，但最终各层的含Cr率存在差异。形成在缓冲层6的正上方的第1堆焊层8受到母材的严重影响，Cr会被稀释。在第1堆焊层上依序叠层第2、第3堆焊层时，母材的影响会阶段性地减弱，Cr的稀释(扩散)会受到抑制。因此，通过实施多层堆焊，能够使具有触火面的堆焊层的含Cr率与焊接材料成分几乎等同。
焊接可采用气体保护金属弧焊(MIG焊接或MAG焊接)、激光焊接、TIG焊接、以及PTA(等离子)焊接等，但最优选采用MAG焊接来形成耐腐蚀层7。
作为MAG焊接中使用的保护气体，可以使用以Ar作为主要成分且混合了He和CO2的气体。因此，能够使胎圈形状实现均匀化，并且减少焊接缺陷的发生。由于CO2会因焊接时的热量解离为碳和氧，并在此时夺去热量，所以能够抑制熔池的温度上升。通过使用混合了CO2的保护气体，能够抑制电弧的热损失，同时还能够抑制溅射。
将使用的焊接装置的基极电流设为1时，焊接时的电流值可设定为0.8以上0.9以下的值。通过使电流值低于以往，抑制熔池的温度上升，能够防止热裂。
耐腐蚀层的形成工序中，在缓冲层上形成1个堆焊层后，通过机械加工对一个堆焊层实施打磨。接着，在一个堆焊层上形成其他的堆焊层，然后通过机械加工对其他的堆焊层实施打磨。重复堆焊层的形成以及打磨，直至耐腐蚀层成为所期望的厚度后，与现有方法同样地实施退火和精加工。
在将堆焊层进行叠层时，通过预先对作为底层的堆焊层实施打磨，能够在焊接下一层时减少杂质的卷入，因此能够防止焊接缺陷的发生。
以下，针对堆焊层的形成方法进行说明。图4显示形成耐腐蚀层的第1堆焊层时的步骤。图5和图6中显示说明胎圈形成的图。图5是排气阀的剖面图。图6是从凸缘部侧(设有耐腐蚀层的凸缘面侧)观察排气阀的图。
首先，将设有缓冲层6的排气阀(母材)4预热至80℃以上120℃以下，优选为100℃左右。预热时，可使用燃烧炉或电炉。通过实施预热，能够在形成胎圈时减缓下层(母材和缓冲层)的温度变化，因此即使Cr含量高的材料，也能够缓和热膨胀的差，防止母材因拉伸而发生破裂。
预热后，在缓冲层6上沿凸缘部4b的外周形成第1胎圈8a(第1通路)。为了防止热裂，在空冷至通路间温度为200℃以下后，使胎圈中心偏向第1胎圈8a的内侧，形成第2胎圈8b，使其与第1胎圈8a相接(第2通路)。为了防止热裂，再次空冷至通路间温度为200℃以下后，在第2胎圈8b的内侧形成第3胎圈8c。重复胎圈形成和空冷，直至缓冲层6的表面被焊接金属覆盖。
通路间温度是指，在焊接下一通路前焊接金属(胎圈)以及向其接近的母材的温度。通路间温度可通过使用非接触式温度计测量焊接金属的温度来获得。通过空冷至通路间温度为200℃以下，可抑制下层的温度上升，因此能够防止热裂。
另外，本实施方式中，第1堆焊层从凸缘部的外周侧依序向内侧形成，但也可以从凸缘部的内侧向外周侧形成。
(实验例)
按照上述实施方式形成耐腐蚀层，并确认耐腐蚀层的各层的含Cr率。图7是实验例所涉及的可动壁构件的局部剖面图。排气阀4(母材)的材料为15Cr-14Ni-2Si-2.5W-0.4C(SUH31)。缓冲层6使用碳含量超过0.09质量百分比的合金钢，通过MAG焊接而形成。缓冲层6采用4至5层结构(总厚度10mm至12mm)。
耐腐蚀层7使用50Cr-50Ni合金而形成。50Cr-50Ni合金使用含Cr率为44％的绳状合金11。焊接为MAG焊接，其电流值为140A。
沿凸缘面的外周形成第1胎圈。等通路间温度为200℃以下后，在第1胎圈的内侧形成第2胎圈。重复胎圈形成和空冷，形成第1堆焊层8。胎圈高度为2mm至4mm左右。
对第1堆焊层8的上表面实施切削加工，然后实施打磨。打磨后的第1堆焊层8的厚度为1.5mm至2.5mm。在第1堆焊层8上，与第1堆焊层8同样地形成第2堆焊层9，并实施打磨。
测定第1堆焊层8和第2堆焊层9的含Cr率。第1堆焊层8的含Cr率为33质量百分比，第2堆焊层9的含Cr率为40质量百分比。根据该结果可以确认，通过对耐腐蚀层实施多层堆焊，能够在耐腐蚀层的最表层确保与焊接材料几乎等同的含Cr率。
[第2实施方式]
图8是本实施方式所涉及的排气阀的正面图。本实施方式在排气阀(母材)4上直接形成耐腐蚀层17。其他结构与第1实施方式相同。
耐腐蚀层17是使用50Cr-50Ni合金作为焊接材料实施多层堆焊而成的层。相对于总质量100％，50Cr-50Ni合金含有50质量百分比以上60质量百分比以下的Ni和40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr。50Cr-50Ni合金也可含有0.10质量百分比以下的C、0.50质量百分比以下的Fe、0.20质量百分比以下的Si、0.20质量百分比以下的Mn、0.02质量百分比以下的P、0.50质量百分比以下的Cu、以及0.30至1.0质量百分比的Ti。
耐腐蚀层17为2层以上、优选为3层以上的多层结构。耐腐蚀层17的总厚度优选为6mm至9mm左右。
符号说明
1 气缸
2 活塞
3 排气管
4 排气阀(母材)
4a 轴部
4b 凸缘部
5 燃烧室
6 缓冲层
7、17 耐腐蚀层
8 第1堆焊层
9 第2堆焊层
10 第3堆焊层
11 绳状合金(焊接材料)
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.[2015年7月16日(16.07.2015)国际事务局受理]
一种可动壁构件，其用于内燃机中，其特征在于，
在母材上具有最外表面为触火面的耐腐蚀层，所述耐腐蚀层使用含有50质量百分比以上60质量百分比以下的Ni和40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr的合金实施多层堆焊而成。
2.根据权利要求1所述的可动壁构件，其特征在于，所述耐腐蚀层中具有所述最外表面的层含有40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr。
3.一种焊接方法，其将母材预热至80℃以上120℃以下后，将含有50质量百分比以上60质量百分比以下的Ni和40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr的合金实施层状堆焊，其特征在于，
将形成层时的通路间温度设为200℃以下实施焊接。
4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，将所述合金实施层状堆焊时，在形成一个层后实施打磨，然后在所述一个层上堆焊下一层。
5.[追加]
根据权利要求3或4所述的焊接方法，其特征在于，通过MAG焊接实施所述堆焊，并且使用以Ar为主要成分且混合了He和CO2的气体作为保护气体。
6.[追加]
根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，将使用的焊接装置的基极电流设为1时，将电流值设为0.8以上0.9以下的值进行焊接。

Claims (4)

1.一种可动壁构件，其用于内燃机中，其特征在于，
在母材上具有最外表面为触火面的耐腐蚀层，所述耐腐蚀层使用含有50质量百分比以上60质量百分比以下的Ni和40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr的合金实施多层堆焊而成。
2.根据权利要求1所述的可动壁构件，其特征在于，所述耐腐蚀层中具有所述最外表面的层含有40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr。
3.一种焊接方法，其将母材预热至80℃以上120℃以下后，将含有50质量百分比以上60质量百分比以下的Ni和40质量百分比以上50质量百分比以下的Cr的合金实施层状堆焊，其特征在于，
将形成层时的通路间温度设为200℃以下实施焊接。
4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，将所述合金实施层状堆焊时，在形成一个层后实施打磨，然后在所述一个层上堆焊下一层。
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