JP2008291807A - Engine valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車のエンジン等、内燃機関の吸気口又は排気口を開閉するためのエンジンバルブに関する。 The present invention relates to an engine valve for opening and closing an intake port or an exhaust port of an internal combustion engine such as an automobile engine.
自動車の4ストロークエンジンが運転されるに際しては、燃料と空気の混合ガスが吸気口を介して燃焼室に導入される吸入工程、前記燃焼室内で前記混合ガスが圧縮される圧縮工程、圧縮された前記混合ガスを燃焼させて膨張させる燃焼工程、燃焼し終えた前記混合ガスを排気口から排出する排気工程が繰り返される。なお、前記吸気口及び前記排気口の各々には吸気バルブ、排気バルブが開閉自在に配設されており、吸気バルブは吸入工程でのみ開き、排気バルブは排気工程でのみ開くように設定されている。 When a four-stroke engine of an automobile is operated, an intake process in which a mixed gas of fuel and air is introduced into a combustion chamber via an intake port, a compression process in which the mixed gas is compressed in the combustion chamber, A combustion process in which the mixed gas is combusted and expanded, and an exhaust process in which the mixed gas that has been combusted is discharged from an exhaust port are repeated. Each of the intake port and the exhaust port is provided with an intake valve and an exhaust valve that can be opened and closed. The intake valve is set to open only in the intake process, and the exhaust valve is set to open only in the exhaust process. Yes.
従来、吸気バルブ及び排気バルブ(以下、両者を一括する場合にはエンジンバルブと表記する)は、耐熱性に優れた鋼材を原材料として、軸部と、該軸部に比して大径な傘部とが一体的に設けられることで作製されている。この中の傘部が、吸気口ないし排気口に設けられたバルブシートに当接する。 Conventionally, an intake valve and an exhaust valve (hereinafter referred to as an engine valve when both are collectively referred to) are made of a steel material having excellent heat resistance as a raw material and an umbrella having a diameter larger than that of the shaft part. It is produced by providing the part integrally. The umbrella part in this contact | abuts to the valve seat provided in the inlet port or the exhaust port.
ところで、近年における地球環境保護、資源保護の観点から、自動車には、排気ガス中に含まれる酸化窒素、酸化硫黄、炭化水素類を低減することや、燃費を向上させることが求められている。この要請に対応するべく、現在、エンジンの燃焼工程での高温化、エンジンの高回転化、エンジンオイル使用量の低減等が試みられている。 By the way, from the viewpoint of global environmental protection and resource protection in recent years, automobiles are required to reduce nitrogen oxide, sulfur oxide, and hydrocarbons contained in exhaust gas and to improve fuel efficiency. In response to this demand, attempts are currently being made to increase the temperature in the combustion process of the engine, increase the engine speed, and reduce the amount of engine oil used.
上記したような過酷な条件下であっても安定して運転可能なエンジンとするためには、エンジンを構成する各部材が耐久性に優れたものである必要がある。そこで、エンジンバルブについては、傘部における前記バルブシートに当接する部位に、高硬度で且つ耐腐食性が良好なCo基合金又はNi基合金からなる肉盛り部を設けることが提案されたが、耐久性のさらなる向上のため、傘部全体をNi基合金で形成することが主流になりつつある(例えば、特許文献1、2参照)。 In order to obtain an engine that can be stably operated even under the severe conditions described above, each member constituting the engine needs to be excellent in durability. Therefore, regarding the engine valve, it has been proposed to provide a build-up portion made of a Co-base alloy or a Ni-base alloy that has high hardness and good corrosion resistance at a portion that comes into contact with the valve seat in the umbrella portion. In order to further improve durability, it is becoming mainstream to form the entire umbrella portion with a Ni-based alloy (for example, see Patent Documents 1 and 2).
しかしながら、特許文献1、2記載のNi基合金には、成形加工を行うことが容易ではないという不具合がある。すなわち、傘部を作製するためにはワークを押圧するプレス加工が必要となるが、このプレス加工ができず、結局、傘部を設けることができないことがある。 However, the Ni-base alloys described in Patent Documents 1 and 2 have a problem that it is not easy to perform the forming process. That is, in order to produce an umbrella part, press work which presses a work is needed, but this press work cannot be performed, and eventually an umbrella part cannot be provided.
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、成形加工が容易であり、しかも、耐久性に優れた傘部を有するエンジンバルブを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an engine valve having an umbrella portion that is easy to mold and has excellent durability.
前記の目的を達成するために、本発明は、鋼材からなる軸部材と、前記軸部材に接合され且つ該軸部材に比して大径な弁本体とを有するエンジンバルブにおいて、
前記弁本体は、少なくとも、質量%でC:0.02〜0.1%、Cr:18〜21%、Co:12〜15%、Mo:3.5〜5%、Al:1.2〜1.6%、Ti:2.75〜3.25%、B:0.003〜0.01%を含有するNi基合金からなり、
且つその表面硬度がCスケールのロックウェル硬度(以下、HRCとも表記する)で30〜40であるとともに、金属組織中の結晶粒の粒度番号が5.0以上であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides an engine valve having a shaft member made of a steel material and a valve body that is joined to the shaft member and has a larger diameter than the shaft member.
The valve body is at least C: 0.02-0.1%, Cr: 18-21%, Co: 12-15%, Mo: 3.5-5%, Al: 1.2-% by mass% It consists of a Ni-based alloy containing 1.6%, Ti: 2.75-3.25%, B: 0.003-0.01%,
The surface hardness is 30 to 40 in terms of C-scale Rockwell hardness (hereinafter also referred to as HRC), and the grain size number of the crystal grains in the metal structure is 5.0 or more.
先ず、前記の成分を上記した組成比で含むNi基合金は、極めて優れた耐摩耗性及び高温強度を示す。このため、該Ni基合金からなる弁本体では、内燃機関が運転される際に高温となった吸気口ないし排気口に対して離間・着座を繰り返しても、摩耗したり疲労したりすることが長期間にわたって抑制される。 First, a Ni-based alloy containing the above components in the above composition ratio exhibits extremely excellent wear resistance and high temperature strength. For this reason, the valve body made of the Ni-based alloy may be worn or fatigued even if the air intake and exhaust ports that have become hot when the internal combustion engine is operated are repeatedly separated and seated. Suppressed over a long period of time.
すなわち、弁本体の原材料として前記Ni基合金を選定することにより、優れた耐久性が長期間にわたって発現するエンジンバルブを構成することができる。 That is, by selecting the Ni-based alloy as a raw material for the valve body, an engine valve that exhibits excellent durability over a long period of time can be configured.
しかも、表面のHRCが30〜40、金属組織中の結晶粒の粒度番号が5.0以上のNi基合金は、据え込み成形時やプレス成形時に容易に変形し、その上、割れ等が著しく生じ難い。このため、弁本体を効率よく成形することができるのでエンジンバルブの生産効率が向上するとともに、弁本体、ひいてはエンジンバルブの歩留まりが向上する。換言すれば、エンジンバルブを歩留まりよく大量生産することができるようになり、従って、製造コストを低減することも可能となる。 In addition, Ni-base alloys having a surface HRC of 30 to 40 and a grain size number of 5.0 or more in the metal structure are easily deformed during upsetting and press forming, and cracks and the like are remarkable. Not likely to occur. For this reason, since the valve body can be efficiently molded, the production efficiency of the engine valve is improved, and the yield of the valve body and thus the engine valve is improved. In other words, the engine valve can be mass-produced with a high yield, and thus the manufacturing cost can be reduced.
なお、Ni基合金は、前記成分の他、質量%でSi:0.15%以下、Mn:0.1%以下、P:0.015%以下、S:0.015%以下、Fe:2%以下をさらに含有するものであってもよい。 In addition to the above-described components, the Ni-based alloy is Si: 0.15% or less, Mn: 0.1% or less, P: 0.015% or less, S: 0.015% or less, Fe: 2 % Or less may be further contained.
本発明によれば、所定の成分・組成比のNi基合金を原材料としてエンジンバルブを設けるようにしているので、生産効率及び歩留まりが向上する。すなわち、エンジンバルブを工業的に大量生産することが容易となり、しかも、このことと歩留まりが良好であることとが相俟って、製造コストが低廉化する。 According to the present invention, since the engine valve is provided using a Ni-based alloy having a predetermined component / composition ratio as a raw material, production efficiency and yield are improved. That is, it is easy to industrially mass-produce engine valves, and this combined with a good yield reduces the manufacturing cost.
さらに、前記Ni基合金からなる弁本体は、高温における耐摩耗性や強度に著しく優れるので、長寿命のエンジンバルブを供することも可能である。 Furthermore, since the valve body made of the Ni-based alloy is remarkably excellent in wear resistance and strength at high temperatures, it is possible to provide a long-life engine valve.
以下、本発明に係るエンジンバルブにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of an engine valve according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施の形態に係るエンジンバルブ10の概略全体側面図である。この場合、エンジンバルブ10は、直線状に延在する軸部としてのステム部12と、該ステム部12の一端部に設けられて該ステム部12に比して大径な傘部(弁本体)14とを有する。この中の傘部14が、図示しない自動車用エンジン(内燃機関)を構成するシリンダヘッドの吸気口ないし排気口に着座・離間する。エンジンバルブ10は、高温となった排ガスが通過する排気口に設置することが好ましい。
FIG. 1 is a schematic overall side view of an
ここで、ステム部12と傘部14との間には、曲率半径が比較的大きな湾曲部16が設けられている。換言すれば、傘部14は、湾曲部16を介してステム部12に連なっている。
Here, a
そして、傘部14は、湾曲部16に連なってテーパ状に拡径した第1テーパ部18と、該第1テーパ部18に連なるとともに該第1テーパ部18と別角度で傾斜してテーパ状に拡径した第2テーパ部20と、該第2テーパ部20に連なって略等径な円盤状部22とを有し、この中の第2テーパ部20が、前記内燃機関の吸気・排気ポートに着座する着座部として機能する。また、円盤状部22の隅部は、面取りが施されることで湾曲されている。
The
そして、この場合、傘部14は、C:0.02〜0.1%でCr:18〜21%、Co:12〜15%、Mo:3.5〜5%、Al:1.2〜1.6%、Ti:2.75〜3.25%、B:0.003〜0.01%、Si:0.15%以下、Mn:0.1%以下、P:0.015%以下、S:0.015%以下、Fe:2%以下を含有するNi基合金からなる。なお、数字は質量%であり、以下においても同様である。
And in this case, the
Cは、TiやCr、Moとともに炭化物を形成する。これに伴い、結晶粒が粗大化することが抑制されるとともに、クリープ破断強度が向上する。0.02%未満ではこの効果に乏しい。また、0.1%を超えると、結晶粒界の延性が低下する一方、被研削性が低下する。 C forms a carbide together with Ti, Cr, and Mo. Along with this, coarsening of crystal grains is suppressed and creep rupture strength is improved. If it is less than 0.02%, this effect is poor. On the other hand, if it exceeds 0.1%, the ductility of the crystal grain boundary is lowered while the grindability is lowered.
Crは、傘部14の耐酸化性を向上させる成分である。従って、十分な耐酸化性を確保するべく、Crの割合は18%以上に設定される。しかしながら、Crが過度に存在すると脆化相が生じてしまう。これを回避するべく、Crの割合は21%以下に設定される。
Cr is a component that improves the oxidation resistance of the
Coは、オーステナイト基地に固溶して加工性を改善する一方、高温強度を向上させる機能を営む。12%未満では、この効果を得ることが困難となる。また、Coは高価であるため、15%を超えるとコスト的に不利である。 Co is dissolved in an austenite base to improve workability, while it functions to increase high temperature strength. If it is less than 12%, it is difficult to obtain this effect. Moreover, since Co is expensive, if it exceeds 15%, it is disadvantageous in terms of cost.
Moは、高温強度及び耐食性を向上させる成分である。3.5%未満では、この効果に乏しい。一方、5%を超えると、組織が不安定となる傾向がある。 Mo is a component that improves high-temperature strength and corrosion resistance. If it is less than 3.5%, this effect is poor. On the other hand, if it exceeds 5%, the tissue tends to become unstable.
Alは、Tiとともにγ’相を析出し、これにより傘部14を析出強化型合金とする役割を果たす。すなわち、高温強度を一層向上させる。この効果を確実に得るべく、Alの割合は1.2%以上に設定される。なお、Alが過度に存在すると、熱間加工性が低下する。従って、Alは最大で1.6%に抑制される。 Al precipitates the γ 'phase together with Ti, thereby making the umbrella portion 14 a precipitation strengthened alloy. That is, the high temperature strength is further improved. In order to ensure this effect, the Al ratio is set to 1.2% or more. In addition, when Al exists excessively, hot workability will fall. Therefore, Al is suppressed to 1.6% at the maximum.
Tiは、Cとともに炭化物を形成することで結晶粒が粗大化することを抑制するとともに、Alとともにγ’相を析出して高温強度を向上させる成分であり、その割合は、2.75%以上に設定される。2.75%未満では上記の効果を得ることが困難となるからである。しかしながら、3.25%を超えて存在すると耐腐食性が低下する傾向がある。 Ti is a component that suppresses the coarsening of crystal grains by forming carbide with C, and precipitates a γ ′ phase together with Al to improve high-temperature strength, and the ratio is 2.75% or more. Set to It is because it will become difficult to acquire said effect if it is less than 2.75%. However, if it exceeds 3.25%, the corrosion resistance tends to decrease.
Bは、粒界に存在することで傘部14の強度と延性を向上させる機能を営む。0.003%未満では、この効果に乏しい。また、0.01%を超えると加工性を低下させる。
B serves to improve the strength and ductility of the
Siは、脱酸元素として寄与する成分である。しかしながら、過度に存在すると高温強度の低下の原因となる。これを回避するべく、Siの割合は0.15%以下に設定される。 Si is a component that contributes as a deoxidizing element. However, when it exists excessively, it causes a decrease in high temperature strength. In order to avoid this, the proportion of Si is set to 0.15% or less.
MnもSi同様、脱酸に寄与する。Mnも過度に存在すると高温強度を低下させる傾向があるため、その割合は0.1%以下に設定される。 Mn, like Si, contributes to deoxidation. If Mn is also present excessively, the high temperature strength tends to be lowered, so the ratio is set to 0.1% or less.
PとSは、0.015%以下であれば、不純物として含まれていてもよい。 P and S may be contained as impurities as long as they are 0.015% or less.
Feは、高温域で軟化するオーステナイト基地を形成し、熱間加工性を向上させるために有用な元素である。このため、2%以下の割合で添加される。 Fe is an element useful for forming an austenite base that softens in a high temperature range and improving hot workability. For this reason, it is added at a ratio of 2% or less.
以上の成分を含む本実施の形態に係るエンジンバルブ10の傘部14は、主成分であるNiによってオーステナイト基地が安定化し、優れた高温強度を示す。
In the
そして、この傘部14の表面硬度は、HRCで30〜40を示す。また、金属組織中の結晶粒の粒度番号は、5.0以上である。
And the surface hardness of this
このエンジンバルブ10は、以下のようにして製造することができる。
The
先ず、上記した成分・組成比であり、且つHRCが30〜40で金属組織中の結晶粒の粒度番号が5.0以上であるNi基合金からなる棒状部材を所定長に切断した後、この棒状部材の一端部を加熱して据え込み成形を行い、該一端部を略球形状とする。この据え込み成形により、他端部に軸部が残留する。 First, after cutting a rod-shaped member made of a Ni-based alloy having the above-described component / composition ratio and having an HRC of 30 to 40 and a crystal grain size number in a metal structure of 5.0 or more to a predetermined length, One end of the rod-shaped member is heated to perform upsetting, and the one end is formed into a substantially spherical shape. By this upsetting, the shaft portion remains at the other end.
ここで、前記Ni基合金は、成形温度を高くし且つ成形速度を大きくした場合であっても、割れ等が発生することがほとんどない。このため、据え込み成形を効率よく進行させることができる。また、いわゆる肌荒れも生じ難い。 Here, the Ni-based alloy is hardly cracked even when the molding temperature is increased and the molding speed is increased. For this reason, upsetting can be advanced efficiently. Also, so-called rough skin is unlikely to occur.
次に、略球形状となった一端部に対してプレス成形を施し、図1に示す傘部14に近い形状の予備成形体とする。この予備成形体を形成する過程においても、割れ等が発生することはほとんどない。これに対し、例えば、同一成分・組成比のNi基合金であっても結晶粒の粒度番号が4である棒状部材を用いて据え込み成形及びプレス成形を施すと、大多数の場合、いずれかの成形過程で割れ等が生じる。
Next, press molding is performed on the one end portion having a substantially spherical shape to obtain a preform having a shape close to the
このことから諒解されるように、前記Ni基合金を原材料と選定したことにより、傘部14を歩留まりよく作製することができる。すなわち、工業的な大量生産が容易であるため、製造コストを低減することが可能となる。また、品質に対する信頼性も向上する。
As can be understood from this, by selecting the Ni-based alloy as a raw material, the
次に、前記予備成形体の軸部の端面と、所定長の棒状体の端面とを摩擦接合によって接合する。この棒状体が、ステム部12となる。なお、棒状体としては、例えば、SUH11M製のものを用いればよい。
Next, the end surface of the shaft portion of the preform and the end surface of the rod-shaped body having a predetermined length are joined by friction welding. This rod-shaped body becomes the
その後、焼入れ・焼戻し等の所定の熱処理、矯正加工、焼鈍し等を施し、さらに、種々の研磨加工を行うことにより、最終製品としてのエンジンバルブ10が得られるに至る。
Thereafter, predetermined heat treatment such as quenching and tempering, straightening, annealing, and the like are performed, and further various polishing processes are performed, whereby the
このエンジンバルブ10の傘部14は、上記した成分を含むために耐摩耗性や高温強度が優れているので、エンジンの運転に伴って高温となったシリンダヘッドの吸気口ないし排気口に着座・離間することを繰り返しても、摩耗や疲労が長期間にわたって抑制される。すなわち、高温耐久性(耐熱性)に優れ、長寿命である。
Since the
このように、前記Ni基合金を採用したことにより、大量生産が容易になるのみならず、優れた特性を示すエンジンバルブ10を供することができるようになる。
As described above, the use of the Ni-based alloy not only facilitates mass production, but also provides an
なお、上記した実施の形態においては、Si、Mn、P、S、Feを含有するNi基合金を選定しているが、これらは必須の成分ではない。すなわち、これらを含まないNi基合金から傘部14を設けるようにしてもよい。
In the above-described embodiment, a Ni-based alloy containing Si, Mn, P, S, and Fe is selected, but these are not essential components. That is, you may make it provide the
また、ステム部12の材質はSUH11Mに特に限定されるものではなく、他の鋼材であってもよいし、前記Ni基合金をはじめとする各種のNi基合金や、その他の合金であってもよい。
The material of the
10…エンジンバルブ 12…ステム部
14…傘部(弁本体)
10 ...
Claims (2)
前記弁本体は、少なくとも、質量%でC:0.02〜0.1%、Cr:18〜21%、Co:12〜15%、Mo:3.5〜5%、Al:1.2〜1.6%、Ti:2.75〜3.25%、B:0.003〜0.01%を含有するNi基合金からなり、
且つその表面硬度がCスケールのロックウェル硬度で30〜40であるとともに、金属組織中の結晶粒の粒度番号が5.0以上であることを特徴とするエンジンバルブ。 In an engine valve having a shaft member made of steel, and a valve body that is joined to the shaft member and has a larger diameter than the shaft member,
The valve body is at least C: 0.02-0.1%, Cr: 18-21%, Co: 12-15%, Mo: 3.5-5%, Al: 1.2-% by mass% It consists of a Ni-based alloy containing 1.6%, Ti: 2.75-3.25%, B: 0.003-0.01%,
The engine valve is characterized in that its surface hardness is 30 to 40 in terms of C-scale Rockwell hardness, and the grain size number of the crystal grains in the metal structure is 5.0 or more.
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