JP2001214719A - エンジンバルブ - Google Patents

エンジンバルブ

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JP2001214719A
JP2001214719A JP2000024981A JP2000024981A JP2001214719A JP 2001214719 A JP2001214719 A JP 2001214719A JP 2000024981 A JP2000024981 A JP 2000024981A JP 2000024981 A JP2000024981 A JP 2000024981A JP 2001214719 A JP2001214719 A JP 2001214719A
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JP
Japan
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valve
valve body
shaft
engine valve
wear resistance
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JP2000024981A
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English (en)
Inventor
Kazuhiro Yamakawa
和洋 山川
Osamu Nakano
治 中野
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Fuji Oozx Inc
Original Assignee
Fuji Oozx Inc
Fuji Valve Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 弁フェース部等の結晶粒の大きさを最適にす
ることにより、単一の鋼材でも、その部分の硬度を高め
て耐摩耗性等を向上させうるようにする。 【解決手段】 オーステナイト系耐熱鋼よりなり、かつ
軸部1aの一端に傘部1bが連設されたバルブ本体1に
おける耐摩耗性の要求される部分に、塑性歪みを与える
ことにより、表層の組織の結晶粒の平均粒径を3〜6μ
mとする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、バルブ本体におけ
る弁フェース部等、耐摩耗性や疲労強度などが要求され
る部分の組織の結晶粒を微細化したエンジンバルブに関
する。
【0002】
【従来の技術】エンジンの排気バルブは、通常、耐熱、
耐食性に優れるオーステナイト系耐熱鋼により製造され
ている。しかして、高負荷で運転されるディーゼルエン
ジンや、低質の燃料が用いられる舶用ディーゼルエンジ
ン等の排気バルブにおける弁フェース部には、特に優れ
た耐摩耗性、耐熱、耐食性、疲労強度等が要求される。
そのため、上記オーステナイト系耐熱鋼よりなる排気バ
ルブの弁フェース部に、ステライト等のCo基合金又は
Ni基合金を肉盛りし、その部分の耐摩耗性等をより向
上させている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記のような肉盛りを
施したバルブでは、バルブ基材と異なる組成の肉盛材を
用いるため、それらの熱膨張係数の違いなどにより、接
合部に熱応力が発生し、肉盛材が剥離したり、亀裂を生
じたりすることがある。また、Co基の肉盛材は、希少
元素であるCoを主成分としているが、舶用等の大型の
バルブでは、その使用量が大となり製品コストが増大す
る。
【0004】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたもので、通常、金属材料の硬さや強さは、その組
織の結晶粒の大きさに左右されることに着目し、弁フェ
ース部等、主要な部分の結晶粒の大きさを最適に設定す
ることにより、単一の鋼材からなるにも拘らず、耐摩耗
性や疲労強度等、バルブに要求される特性を満足させう
るようにした、安価なエンジンバルブを提供することを
目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題は、次のようにして解決される。 (1) オーステナイト系耐熱鋼よりなり、かつ軸部の一
端に傘部が連設されたバルブ本体における耐摩耗性の要
求される部分に、塑性歪みを与えることにより、表層の
組織の結晶粒の平均粒径を3〜6μmとする。
【0006】(2) 上記(1)項において、バルブ本体に
おける耐摩耗性の要求される部分の寸法を、製品の寸法
よりもやや大としておき、その部分に、所定の加工率を
もって塑性歪みを与える。
【0007】(3) 上記(1)または(2)項において、塑
性歪みを与えたバルブ本体に、時効処理を施す。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図1は、本発明のエンジンバルブを
示すもので、軸部(1a)の一端に傘部(1b)を有するバルブ
本体(1)は、オーステナイト系耐熱鋼により成形されて
いる。
【0009】上記耐熱鋼の具体的な組成は、次の通りで
ある。なお、数値は重量%を示し、「以下」は、無添加
も含むものである。 C: 0.5〜0.65% (代表値0.6%) Si: 0.1〜0.3% (代表値0.19%) Mn: 5.0〜8.0% ( 〃 6.9%) P: 0.03%以下 S: 0.03%以下 Cu: 0.4〜1.0% (代表値0.9%) Ni: 5.0〜8.0% ( 〃 5.0%) Cr: 22.0〜24.0% ( 〃 23.0%) Mo: 0.4〜2.0% ( 〃 1.0%) W: 0.4〜2.0% ( 〃 0.5%) Nb: 0.4〜2.0% ( 〃 0.9%) N: 0.35〜0.5% ( 〃 0.41%) Fe: 残部
【0010】上記バルブ本体(1)における傘部(1b)に形
成された弁フェース部(2)、軸部(1a)、コッタ溝(3)、
及び軸端面(4)の各表層部のミクロ組織の結晶粒の平均
粒径は、3〜6μmの範囲にあり、微細化処理が施され
ている。
【0011】この微細化処理は、次のようにして行われ
る。まず、図2に拡大して示すような加工前のエンジン
バルブ中間品(以下、バルブ中間品と略称する)(5)
を、上述した組成のオーステナイト系耐熱鋼を用いて、
熱間搾出鍛造により成形する。なお、コッタ溝(6)は後
加工により形成される。
【0012】バルブ中間品(5)の傘部(5a)には、2点鎖
線で示す完成品としてのエンジンバルブにおけるバルブ
本体(1)の傘部(1b)の弁フェース部(2)と対応する部分
に、弁フェース部(2)の中央部外側方に頂点を有する二
等辺三角形状の断面をなす上向きの膨出部(7)が形成さ
れている。傘部(5a)の最大外径は、完成品としてのエン
ジンバルブの傘部(1b)の外径よりも若干小径としてあ
る。
【0013】また、バルブ中間品(5)における軸部(5b)
とコッタ溝(6)の外径は、2点鎖線で示す加工後のバル
ブ本体(1)の軸部(1a)とコッタ溝(3)の外径よりも若干
大径としてある。
【0014】バルブ中間品(5)におけるコッタ溝(6)よ
りも上方の軸端部(5c)の上下寸法は、2点鎖線で示す加
工後のバルブ本体(1)の軸端部(1c)の上下寸法よりも若
干小としてある。
【0015】このような形状に成形されたバルブ中間品
(5)に溶体化処理(1150℃×0.5hr.、水焼入れ)を施した
のち、膨出部(7)、軸部(5b)、コッタ溝(6)、及び軸端
面(8)を押圧して塑性変形させ、塑性歪みを与える。
【0016】この際の膨出部(7)の中央部の最大の加工
率(加工前の膨出部と加工後の弁フェース部との上下方
向の寸法差を、加工前の膨出部の寸法で除して百分率で
表わした値)、すなわち塑性変形量は、5〜15%となる
ようにするのが好ましい。
【0017】また、軸部(5b)とコッタ溝(6)の径減率
(加工前後の軸径差を加工前の軸径で除し、百分率で表
わした値)は、2〜5%の範囲が好ましく、軸端面(8)
の加工前、加工後の変形代は、0.5〜1.0mmの範囲とする
のが好ましい。
【0018】上記膨出部(7)の塑性変形は、例えば図3
に略示する鍛造装置を用いて行うことができる。
【0019】まず、上記形状のバルブ中間品(5)を、常
温又は所定温度に加熱したのち、ダイ(9)における加工
後のエンジンバルブの傘部(1b)と補形をなす型孔(9a)内
に、傘部(5a)を上向きとして挿入する。
【0020】ついで、パンチ(10)を型孔(9a)内に向かっ
て予め定めたストロークだけ下降させ、傘部(5a)を強圧
すれば、膨出部(7)が塑性変形させられると同時に、傘
部(5a)の上端部が拡径して、図1と同形状の傘部(1b)と
なる。
【0021】上記軸部(5b)とコッタ溝(6)は、図4に示
すようにローリング加工することにより、塑性変形させ
ることができる。なお、このローリング加工は冷間で行
うのがよい。
【0022】上記軸端面(8)を塑性変形させるには、コ
ッタ溝(6)部を上下に移動不能に固定した状態で、鍛造
装置等のパンチにより軸端面(8)を強圧すればよい。こ
の作業は、常温で、又は所定温度に加熱して行われる。
【0023】このようにして、バルブ中間品(5)の各部
を塑性変形させると、図1に示すようなバルブ本体(1)
が得られ、弁フェース部(2)、軸部(1a)、コッタ溝
(3)、及び軸端面(4)の各表層部のミクロ組織の結晶粒
の平均粒径を、3〜6μmの範囲の大きさとすることが
できる。
【0024】この数値は、従来の熱間搾出鍛造のみによ
り製造されたエンジンバルブの結晶粒の平均粒径が、弁
フェース部において10〜20μm、軸部、コッタ溝、及び
軸端面において10μm程度であることから、従来のもの
に比してかなり微細化した値であると言える。
【0025】このような微細化処理を施すと、弁フェー
ス部(2)等、各部の表層部の組織が緻密化して硬化され
るため、高温での機械的強度や耐食性等が大となり、高
負荷で運転される自動車用のディーゼルエンジンや舶用
ディーゼルエンジンの排気バルブとして用いた際でも、
十分な耐摩耗性が得られる。
【0026】従って、弁フェース部(2)等にステライト
等の硬質合金を肉盛りする必要はなく、肉盛りにより発
生する諸問題を解消しうるとともに、単一の鋼材のみで
製造しうるため、コスト低減が図れる。
【0027】また、機械的強度が向上した分だけ、弁フ
ェース部(2)を含む傘部(1b)の肉厚や軸部(1a)の径を小
さくすることも可能となり、エンジンバルブ全体の小型
かつ軽量化が図れる。
【0028】なお、上記各部の結晶粒の大きさの平均値
を、3〜6μmの範囲に設定したのは、次の理由によ
る。すなわち、結晶粒の平均粒径を3μm以下とする
と、バルブ中間品(5)における膨出部(7)の加工率、軸
部(5b)及びコッタ溝(6)の径減率、及び軸端面(8)の変
形代を大きくして、塑性変形量を大としなければなら
ず、このようにすると、大型の鍛造装置やローリング加
工装置等を設置する必要があり、設備費の高騰を招くこ
ととなる。
【0029】さらに、後記する実験データからも明らか
なように、5μm程度の結晶粒径でも、従来のエンジン
バルブに比して、硬度は大幅に向上し、エンジンバルブ
に要求される諸特性を十分に満足させうるので、3μm
以下の結晶粒径として、必要以上に硬度を高める必要は
ないからである。
【0030】一方、結晶粒径の大きさの平均値を6μm
以上とすると、従来のエンジンバルブの結晶粒径と大差
なく、十分な硬度及び耐摩耗性等が得られないからであ
る。
【0031】本願の発明者らは、上記組成(PとSは含
まず、それ以外の元素は代表値)のオーステナイト系耐
熱鋼を用いて、上述と同様のバルブ中間品(5)を成形
し、その膨出部(7)等を、下記の加工条件をもって塑性
変形させることにより、弁フェース部(2)、軸部(1a)、
コッタ溝(3)、及び軸端面(4)の各表層部の結晶粒の平
均粒径がほぼ5μmとなるようなバルブ本体(1)を形成
したのち、弁フェース部(2)の硬度を測定するととも
に、組織の顕微鏡写真を撮影した。 (加工条件) 膨出部(7)の最大加工率 10% 軸部(5b)、コッタ溝(6)の径減率 2% 軸端面(8)の変形代 0.5mm 加工温度 約650℃ なお、上記加工後において、バルブ本体(1)には、740
℃×4hr.、A. C(空冷)の時効処理を施してある。
【0032】図5は、上記加工後における本発明の弁フ
ェース部(2)の硬度分布を、従来のエンジンバルブ(熱
処理条件は、本発明と同じ)の弁フェース部の硬度分布
と比較して示す。
【0033】図5から明らかなように、本発明の弁フェ
ース部(2)のビッカース硬度は、いずれの測定距離にお
いても、従来のもののビッカース硬度よりもほぼ100前
後高くなっており、結晶粒の微細化処理の効果が歴然と
している。
【0034】図6は、上記本発明における加工後の弁フ
ェース部(2)の表層の組織顕微鏡写真、図7は、従来の
エンジンバルブの弁フェース部の表層の組織顕微鏡写真
を示すもので、結晶粒の大きさの平均粒径が約10μmの
従来のもの比して、平均粒径をほぼ5μmとした本発明
の組織が、いかに緻密化しているかが分る。
【0035】なお、上記各部に塑性歪みを与える際のバ
ルブ中間品(5)の温度は、650℃〜常温までの範囲とし
てもよく、加工温度が低い程、硬度が高くなることも確
認している。
【0036】本発明は、上記組成のオーステナイト系耐
熱鋼よりなるエンジンバルブ以外に、JISにおけるSUH3
5、36、37等のオーステナイト系耐熱鋼にも適用するこ
とができる。
【0037】
【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、バルブ本
体の弁フェース部等、耐摩耗性の要求される部分の組織
の結晶粒が緻密化して、硬度が高まり、耐摩耗性や疲労
強度等を向上させうるので、単一の鋼材のみでも十分に
対応することができ、安価なエンジンバルブが得られ
る。
【0038】請求項2記載の発明によれば、各部に塑性
歪みを与えた後において、それらの部分の後加工が不要
となるか、少なくて済む。
【0039】請求項3記載の発明によれば、バルブ本体
における耐摩耗性の要求される部分の硬度を更に高める
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のエンジンバルブの正面図である。
【図2】同じく、加工前のバルブ中間品の一部切欠拡大
正面図である。
【図3】同じく、弁フェース部に塑性歪みを与える要領
を示す縦断正面図である。
【図4】同じく、軸部とコッタ溝に塑性歪みを与える要
領を示す説明図である。
【図5】同じく、弁フェース部の硬度分布を従来例と比
較して示す説明図である。
【図6】同じく、弁フェース部表層の組織の顕微鏡写真
である。
【図7】従来のエンジンバルブの弁フェース部表層の組
織の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
(1)バルブ本体 (1a)(5b)軸部 (1b)(5a)傘部 (1c)軸端部 (2)弁フェース部 (3)(6)コッタ溝 (4)(8)軸端面 (5)バルブ中間品 (7)膨出部 (9)ダイ (9a))型孔 (10)パンチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C22C 38/58 C22C 38/58

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 オーステナイト系耐熱鋼よりなり、かつ
    軸部の一端に傘部が連設されたバルブ本体における耐摩
    耗性の要求される部分に、塑性歪みを与えることによ
    り、表層の組織の結晶粒の平均粒径を3〜6μmとした
    ことを特徴とするエンジンバルブ。
  2. 【請求項2】 バルブ本体における耐摩耗性の要求され
    る部分の寸法を、製品の寸法よりもやや大としておき、
    その部分に、所定の加工率をもって塑性歪みを与えてな
    る請求項1記載のエンジンバルブ。
  3. 【請求項3】 塑性歪みを与えたバルブ本体に、時効処
    理を施した請求項1または2記載のエンジンバルブ。
JP2000024981A 2000-02-02 2000-02-02 エンジンバルブ Pending JP2001214719A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7132021B2 (en) 2003-06-05 2006-11-07 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Process for making a work piece from a β-type titanium alloy material
CN110625027A (zh) * 2019-09-16 2019-12-31 怀集登月气门有限公司 一种发动机气门的强化方法及发动机气门

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