JP2008533372A - 耐食防護層付き高温ガス弁 - Google Patents

Abstract

主に空洞体を形成した状態で弁板に移行している弁棒から成る円錐状弁体を備え、この円錐状弁体あるいは少なくとも空洞体の部位までの弁棒（２）が、窒化物形成基礎合金から成る代表的弁鋼で作られている、内燃機関の高温ガス弁において、その代表的弁鋼から成る部分も良好な腐食防護性を有するように改良するために、円錐状弁体がその少なくとも部分部位に、窒化物層ないし炭化窒化物層の形をした腐食防護層が設けられ、この腐食防護層が、窒素雰囲気におけるプラズマ窒化法あるいはプラズマ窒化浸炭法による窒化物形成基礎合金の転換によって発生されている。

Description

本発明は、主に空洞体を形成した状態で弁板に移行している弁棒から成る円錐状弁体を備えた内燃機関の高温ガス弁（Gaswechselventil）に関する。

内燃機関の高温ガス弁、即ち、高温ガス通路を開閉するための入口・出口弁は、燃焼ガスにより大きな機械的負荷と熱的負荷および腐食作用を受ける。特に出口弁の負荷には、大きな耐熱性と良好な耐火性の高合金鋼でしか耐えられない。

かかる高温ガス弁の寿命を高めるために、既に多くの処置が知られている。例えば弁板はその密封面が特に耐久性のあるＣｒＮｉ合金で装甲されている。

例えば独国特許出願公開第４３４１８１１号明細書で提案されているように、高負荷エンジンの場合に上述の装甲に加えて、出口弁の寿命が、弁棒に設けられたプロペラの形の回転装置によって数倍高められている。プロペラを励起する排気ガスによる強制回転のために、弁棒および弁板に付着物が付着せず、また片寄った加熱による弁板の漏れが生じなくなる。

しかし、高温ガス弁の他の部分にも、耐熱性、耐久性および耐食性について異なった要件が課せられる。

公知のように、円錐状弁体の種々の温度領域における耐熱性、耐久性および耐食性について異なった要件は、弁板が耐熱耐火性材料で作られ、弁棒がプロペラを含めて、小さな切欠き感度と大きな耐久性を有する材料で作られ、即ち、その部位に生ずる曲げ応力に耐えるために、十分な靱性を有する材料で作られる、ことによって考慮されている。好適には、弁板に対して、代表的弁鋼あるいは例えばＮｉＣｒ２ＯＴｉＡｌのような超合金が利用され、プロペラ付き弁棒に対して、例えばＸ４５ＣｒＳｉ９−３のような代表的弁鋼が利用される。これは、公知のようにニッケル基合金鋼は腐食負荷に対抗するためには極めて高価であり、このためにそこでは、高温ガス弁が例えばＸ４５ＣｒＳｉ９−３のような代表的弁鋼で作られるだけで十分に足りる、という理由からである。

さらに既に、高温ガス弁の要件の他の観点が、エンジン停止中において燃焼ガスが露点を下回るために、弁棒と空洞体が湿り腐食（凝縮）により腐食されることにある、ことが知られている。

もっとも他方では、窒化物形成鋼においてプラズマ窒化法あるいはプラズマ窒化浸炭法の形の硬化法が既に知られている。

一般に、プラズマ窒化法／プラズマ窒化浸炭法とは、窒素元素ないし炭素元素が拡散浸透し、薄い表面層において鉄と窒化物ないし炭化窒素の形に反応し、化合物層（ＶＳ）を形成して、鋼の表面層を硬化することを意味する。その化合物層（ＶＳ）に続く拡散層（ＤＳ）において、冷却の際にはじめて窒素が部分的に窒化物として析出し、硬度を増大させる。その硬度自体は窒化物の種類に左右される。窒素が鋼とどのように反応するかに応じて、窒化時間および窒化層が異なる。

換言すれば、硬度、耐摩耗性、耐久性あるいは耐食性を高めるために、窒素による材料の周辺層の拡散飽和が行われる。その周辺層は、窒化／窒化浸炭後、外側の窒化物層ないし炭素窒化物層（化合物層）と、それに続く層、即ち、窒素が豊富化された混晶および析出した窒化物から成る層（拡散層）とから成っている。

いわゆるプラズマ窒化であるコロナ放電による窒素のイオン化によって、窒化時間が短縮される（４５０℃〜５５０℃でのプラズマ窒化）。

処理媒体が窒素のほかに炭素も放出する成分を含む窒化浸炭法の場合、粉末、塩浴、気体あるいはプラズマにおいて正に窒化浸炭される（５００℃〜５９０℃、特に約５２０℃でのプラズマ窒化浸炭）。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式の高温ガス弁を、上述した代表的弁鋼から成る部品が良好な腐食防護性を有するように改良することにある。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する高温ガス弁によって解決される。

高温ガス弁の弁板が正に一体品として形成され、上述したように弁板の密封面ないし座部位が装甲されているとき、有利に、窒化物層ないし炭素窒化物層が、弁棒および装甲された密封面までの空洞体に完全に設けられている。

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。

内燃機関の高温ガス弁、特に出口弁（１）は、弁棒（２）に設けられたプロペラ（３）の形の回転装置を有している。弁板（４）はその密封面が装甲されている。プロペラ（３）の羽根（６）は、プロペラの回転形状から切削加工されている。

さらに、円錐状弁体（１）の種々の温度領域における耐熱性、耐久性および耐食性について異なった要件は、弁板（４）が耐熱耐火性材料で作られ、弁棒（２）がプロペラ（３）を含めて、小さな切欠き感度と大きな耐久性を有する材料で作られ、即ち、その部位に生ずる曲げ応力に耐えるために、十分な靱性を有する材料で作られる、ことによって考慮されている。好適には、弁板（４）に対して、代表的弁鋼あるいは例えばＮｉＣｒ２ＯＴｉＡｌのような超合金が利用され、プロペラ（３）付き弁棒（２）に対して、例えばＸ４５ＣｒＳｉ９−３のような熱間加工鋼が利用される。弁板（４）は弁棒（２）に摩擦溶接（７）によって結合されている。

ここで例示された出口弁（１）の場合、円錐状弁体が少なくとも部分部位に窒化層（８）の形をした腐食防護層を備え、その腐食防護層は、窒素雰囲気ないし窒素・炭素雰囲気におけるプラズマ窒化法あるいはプラズマ窒化浸炭法による窒化物形成基礎合金の転換によって発生される。

ここでは有利に、２分割構造の高温ガス弁の場合、正に熱間加工鋼材料に限られた摩擦溶接（７）までの弁棒（２）全体が、空洞体（１１）の部位を除けて窒化層（８）を備えている。勿論、全般的に、一体構造並びに多分割構造の高温ガス弁において、弁板（４）および弁棒（２）の両端面は、窒化物層ないし炭素窒化物層（８）が備えられていない。

しかし、一体構造の場合に好適には、弁板（４）の装甲された弁座部位（５）を除き並びにその弁板底と弁棒端面を除いて、円錐状弁体（１）全体に窒化層（８）を設けることもできる。

本発明に基づく高温ガス弁の場合、その表面が、耐摩耗性の硬い縁部層が生ずるように転換されている。そのために、円錐状弁体半製品は、部分的に弁棒の形に、あるいは全製造工程にわたって弁棒（２）と弁板（４）とも揃えて加工され、これにより、円錐状弁体半製品はその最終的表面あらさが存在し、続いて、プラズマ窒化あるいはプラズマ窒化浸炭が行われる。窒化された高温ガス弁の再処理は可能であるが、不要である（もっとも、発生された化合物層が除去されないようにするために、高温ガス弁の腐食から防護すべき部位は再処理が行われてはならない）。例えば円錐状弁体（１）は窒化後に研摩される。

発生された腐食防護層に対して、窒化層が、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの厚さ（窒化硬化深さ）の拡散層（９）と、その上に形成された３μｍ〜１５μｍの化合物層（１０）とを有し、７５０ＨＶ（ビッカース硬さ）より大きい表面硬さを呈する、という特色を有する。

化合物層に対して約１０μｍの厚さが得られるようにしようとするとき、プラズマ窒化浸炭は炭素の添加のもとで実施されねばならない。

円錐状弁体（１）のプラズマ窒化ないしプラズマ窒化浸炭によって、かなり改善された腐食防護性および交番疲れ強度の増大が得られ、即ち、長い点検インターバルないし部品寿命が得られ、曲げ荷重による亀裂が防止される。

本発明に基づく高温ガス弁の側面図。

符号の説明

１ 円錐状弁体
２ 弁棒
４ 弁板
７ 摩擦溶接
８ 腐食防護層
９ 拡散層
１０ 化合物層
１１ 空洞体

Claims (4)

1. 主に空洞体（１１）を形成した状態で弁板（４）に移行している弁棒（２）から成る円錐状弁体（１）を備え、該円錐状弁体（１）あるいは少なくとも空洞体（１１）の部位までの弁棒（２）が、窒化物形成基礎合金から成る代表的弁鋼で作られている、内燃機関の高温ガス弁において、
   円錐状弁体（１）はその少なくとも部分部位に、窒化物層ないし炭化窒化物層の形をした腐食防護層（８）を設けられ、該腐食防護層（８）が、窒素雰囲気におけるプラズマ窒化法あるいはプラズマ窒化浸炭法による窒化物形成基礎合金の転換によって発生されていることを特徴とする内燃機関の高温ガス弁。
2. 一体構造の場合、弁板（４）の装甲された弁座部位並びにその弁板底面と弁棒端面を除いて、円錐状弁体（１）全体に窒化層（８）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高温ガス弁。
3. ２分割構造の場合、弁棒（２）の少なくともその燃焼ガスと接触する外側面に、熱間加工鋼材料に限られた境界面（７）まで完全に窒化層（８）が設けられ、弁板（４）および場合により空洞体（１１）の部位が窒化層（８）を備えていないことを特徴とする請求項１に記載の高温ガス弁。
4. 窒化層（８）が、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの厚さ（窒化硬化深さ）の拡散層（９）と、その上に形成された３μｍ〜１５μｍの化合物層（１０）とを有し、７５０ＨＶ（ビッカース硬さ）より大きい表面硬さを呈していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の高温ガス弁。

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