JP2009103310A - 大型機械の構成部分に保護コーティングを備えるための方法、ならびにこの方法を用いて得られた大型機関、排出バルブ、ピストン、シリンダライナおよびシリンダヘッド - Google Patents

大型機械の構成部分に保護コーティングを備えるための方法、ならびにこの方法を用いて得られた大型機関、排出バルブ、ピストン、シリンダライナおよびシリンダヘッド Download PDF

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Abstract

【課題】簡単でコストの低い手段により、大型機械の構成部分、特に２サイクル大型ディーゼル機関のピストンヘッドまたは排出バルブディスクの、割り当てられた表面に表面溶着によって塗布される保護コーティングを備えるための方法を、経済的でそれでもなお慎重な方法の実施が可能となるように改善する。
【解決手段】大型機械の構成部分、特に２サイクル大型ディーゼル機関のピストンヘッドまたは排出バルブディスクの、割り当てられた表面(２または１４)に表面溶着によって塗布される保護コーティング(４)を備えるための方法において、保護コーティング(４)を備えようとする大型機械構成部分を表面溶着過程中に冷却することによって、経済的で同時に慎重な方法の実施が達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、大型機械の構成部分、特に２サイクル大型ディーゼル機関のピストンヘッドまたは排出バルブディスクの、割り当てられた表面に表面溶着によって塗布される保護コーティングを備えるための方法に関する。
上記様式の方法を実施する場合、結果的に、溶着過程に起因して非常に大きい熱負荷が、保護コーティングを備えようとする構成部分に生ずる。これに起因して、前記構成部分の基礎となっている材料の許容温度を超過するという危険性がある。なお、保護コーティングが比較的大きな質量を有する場合には、この危険性は特に高く、このことから、上記種類の大型機械に保護コーティングを備える際にこの危険性が生じることになる。
このことから、表面溶着によって生じる保護コーティングを形成する場合には、構成部分を冷却させるために溶着過程を何度も中断することがこれまで必要であった。これは時間を費やし経済的ではない。その上、中間冷却による溶着過程の中断は、保護コーティングの達成可能な強度に対して不利な影響を及ぼす可能性がある。特に、ニッケルベースの合金はこれに関して敏感である。さらに、溶着過程の中断は確実に遅延の発生を助長させ、これによって何倍も多い余分の作業が必要となる。
米国特許第5,293,026号明細書 米国特許第4,562,327号明細書 特開平6-210456号公報
したがってこのことから、本発明の課題は、簡単でコストの低い手段により冒頭に述べた様式の方法を、経済的でそれでもなお慎重な方法の実施が可能となるように改善することである。
この課題は、本発明によれば、保護コーティングを備えようとする大型機械構成部分を表面溶着過程中に冷却し、この場合に、少なくともある一定の準備時間の後に、表面溶着過程によって供給される熱が冷却剤によって運び去られる熱におおよそ相当するように、冷却を行なうことによって解決される。
この処置は、保護コーティング、または多層保護コーティングの場合には各層が中断されることなく溶着されることを保証する。こうして、時間を節約した経済的な方法実施が結果として得られる。それでもなお、コーティングしようとする構成部分の温度を臨界温度以下に維持することができるので、保護コーティングを受け入れる基礎材料は損傷を受けない。溶着の際における基礎材料の温度が低いので、不意の熱遅滞も最小限に抑えられる。したがって、これに起因する基礎材料の永久的変形およびこれから結果として生じる応力はさらに回避され、これは構成部分全体の高い安定性を保証する。コーティングしようとする大型機械構成部分の溶着過程中に行われる冷却が、表面溶着過程によって供給される熱が冷却剤によって運び去られる熱におおよそ相当するように実施されることによって、ある一定の準備時間の後に平衡状態が生ずる。したがってこのことから、準備時間を超える比較的長い溶着過程継続時間においても、すなわち非常に大きな構成部分の加工の場合にも、ある一定の温度から特筆すべき温度上昇はもはや起こらない。本発明による処置により、冒頭に述べた欠点および困難性はそれに応じて完全に排除される。
上記の処置の有利な実施形態および目的に適った発展形態は、従属請求項に記載されている。
冷却剤として、目的に適って水を適用することができる。この媒体は比較的安価に入手することができ、したがって一貫連続方式を適用することができ、循環および再生の経費はない。
冷却剤を割り当てられた表面に有利に吹き付けることができる。これによって、不規則な寸法形状の構成部分の場合でも冷却剤がうまく配分される。
さらに別の目的に適った処置は、コーティングしようとする構成部分を、保護コーティングの表面溶着のために、上から保護コーティングが備えられ下から冷却されるように配置することから構成することができる。これによって、冷却剤を自動的に下から排出できるようにすることが実現される。
上記の処置のさらなる発展形態では、冷却剤が周囲壁によって囲まれた空間の中に吹き込まれる。これによって、冷却剤が表面溶着された材料と接触することがあり得なくなることが保証される。
上記の処置のさらなる有利な実施形態および目的に適った発展形態は、残りの従属請求項に記載されており、図面を基にした下記の実施例の説明から、よりよく理解されよう。
２サイクル大型ディーゼル機関の排出バルブを基にした第１の適用例の概略図である。 ２サイクル大型ディーゼル機関のピストンヘッドを基にした第２の適用例の概略図である。
本発明の主要な適用分野は、２サイクル大型ディーゼル機関などの大型機械の表面溶着として形成される保護コーティングを備えようとする構成部分であり、この場合、表面溶着しようとする保護コーティングは少なくとも１０ｋｇおよびそれ以上の比較的大きな質量を有し、これは２サイクル大型ディーゼル機関の排出バルブまたはピストンヘッドを保護コーティングする場合に、通例は事実その通りである。
図１は、２サイクル大型ディーゼル機関の排出バルブ１に基づくものである。この場合、例えば８０ｃｍの内腔に適合する排出バルブを問題にすることができる。このバルブは、動作中に燃焼室に適用されるバルブディスク３の下側２に、例えばニッケル合金からなる保護コーティング４を備え、保護コーティング４は溶着装置５によって表面溶着法で塗布される。溶着装置５については、シールドアーク溶着装置(ＧＭＡＷ)またはエレクトロスラグ溶着装置(ＥＳＷ)を問題にすることができる。
溶着装置５には締付装置６が割り当てられ、この締付装置の中に排出バルブ１はそのシャフトによって嵌め込み可能である。溶着装置５は締付装置６の上方にある。排出バルブ１は締付装置６の中に、動作中には下向きのバルブディスク３の下側２が上向きになるように嵌め込まれる。溶着装置５と排出バルブ１は、下側２の全面に保護コーティング４を備えることができるように互いに動くことができる。
図示した例では、締付装置６は、回転矢印によって示すように、垂直軸ａのまわりに回転可能である。締付装置６の相応の駆動によって、締付装置６に受け容れられた排出バルブもまたその垂直軸のまわりに回転する。溶着装置５は、方向矢印によって示すように、軸ａを横切る方向にあちこち移動することができる。溶着装置５があちこち移動することによって、回転する排出バルブ１の場合に、バルブディスク３の下側２の全面を塗布することができる。もちろん、これは別の運動機構によっても、例えば固定配置された排出バルブ１と螺旋状に移動可能な溶着装置５によっても可能であろう。
溶着装置５と排出バルブ１との間の相互運動は、保護コーティング４が所望の被覆厚で溶着されるように起る。図示した例では、１１ｋｇ／時の被覆速度を考慮すべきである。保護コーティング４全体の合計質量が１１ｋｇである場合には、これに相応して表面溶着過程は約１時間続く。それでもなお表面溶着過程中に排出バルブが過度に熱せられることを避けるために、排出バルブは表面溶着過程中に冷却される。一定の時間経過後に表面溶着過程によって排出バルブ１に伝達される熱が、適用される冷却剤によって完全または十分に除去される程度に冷却が行なわれることが目的に適っている。
前記の準備時間中に、すなわち表面溶着過程の最初の段階において、表面溶着過程を通じて加工された、ここでは排出バルブ１の形である大型機械構成部分に伝達される熱は、冷却剤によって除去される熱よりも通例なお大きいので、前記の準備時間中に、加工された大型機械構成部分のある一定の加熱が起こることになる。しかしながら、増大する温度によって熱伝達は改善されるので、ある一定の時間の後に入ってくる熱と出ていく熱との間の上述の平衡状態に達し、これによって大型機械構成部分のさらなる加熱はなくなる。前記の平衡が最適加工温度の場合に達成されるように、冷却の規模が決められることは目的に適っている。ここに挙げる様式の場合には、これは２００℃になる。その後、冷却は、大型機械構成部分が溶着過程中に２００℃の温度からは、さらなる加熱を受けることがないように行われる。
図示した例では、所望の冷却を遂行するために、溶着過程の際に下に向いているバルブディスク３の上側７、すなわち保護コーティング４を備えようとする表面とは反対側の表面に冷却剤が吹き付けられる。冷却剤として水が適用されることは目的に適っており、この水は冷却しようとする表面７に吹き付けられる。そのために、排出バルブ１のネックを包囲し軸と同心に配置された環状管８が備えられ、この環状管８は、冷却しようとする表面７の方に向いている領域に、表面７に向けられたノズル９を備え、これらのノズルは単純には孔として形成することができる。環状管８は、供給管１０によって冷却剤源に、ここでは例えば給水管網に連結されている。ノズル９は、冷却しようとする表面７に冷却剤が均等に吹き付けられるように配置されている。ある距離を置いてバルブのネックを包囲する環状管８は、固定して配置することができる。
冷却剤または不意に発生する冷却剤の蒸気が溶着過程中に保護コーティング４と接触することを回避するために、バルブディスク３の周囲には、カラー形状の下向きに突出した保護スリーブ１１が装着されている。この場合単純に、包囲するブリキの外被を問題にすることができる。保護スリーブ１１は、バルブディスク３と共に、周囲方向および上方が閉ざされ下方にのみ開かれた空間１２を画定し、この中に冷却剤を吹き込むことができ、冷却剤が保護コーティング４を備えようとする表面の領域に流出してくる可能性はない。冷却剤は、空間１２の下向きの開口部を通じて簡単に流出することができる。もちろん、空間１２の下方をも閉じ、底側を通る排出管を備えることも考えることができよう。排出される冷却剤は、簡単に下水網系に導かれることが可能である。前記の閉じられた空間１２が、蒸気を吸引するための吸引装置にも連結可能であることは有利である。この場合、必要な圧力の均衡が通例は現存する非密閉性によって生じ、こうして追加の空気流入を省くことができる。
図２に基づく実施例における方法の実施は、図１によって上に述べた実施例に本質的に対応する。したがって図２の以下の説明では、同様な部分については同様な参照符号が適用されている。
図２に基づく実施例では、２サイクル大型ディーゼル機関のピストンヘッド１３が、そのピストン底部１５の上側１４に保護コーティング４を備え、この保護コーティングは溶着装置５によって表面溶着法により塗布される。ピストンヘッド１３は、その外被１６の下部前額側で接触して回転可能な台１７の上に受け容れられる。この台には適切な締付装置を備えることができる。回転可能な台１７の上方には、あちこちに動くことができる溶着装置５がある。
保護コーティング４を備えようとするピストン底部１５の下側は、溶着過程中に冷却剤が吹き付けられる。そのために、ピストン軸に同心状に配置された環状管８が設けられ、これにはノズル９が備えられ、供給管１０を通じて、ここでも同様に給水管網の形の冷却水源に連結されている。
ここに挙げた種類のピストンヘッド１３の場合には、ピストン底部１５に接続されたピストン外被１６、またはこれに同心に備えられた支持カラー１８に基づいて、周囲側では、ピストン外被１６または支持カラー１８の形をなす１つの包囲する壁によって、また上方には、ここではピストン底部１５によって、したがって被覆を施そうとする要素によって画定される空間１２ａが生じ、この中に冷却剤を吹き込むことができ、冷却剤が上側１４の領域に達することはない。図示した実施例では、環状管８が、支持カラー１８によって周囲側を包囲された空間の中にある。台１７が供給管１０を通過させるための開口部１９を備えていることは目的に適っている。図示した例では、開口部１９は同時に、流出する冷却剤の流出開口部として役立つ。空間１２ａからの蒸気の吸引も考えることができよう。
ピストンヘッド１３はここでは、ピストン底部１５の周囲側領域に、周囲を取り巻く冷却流路２０を備え、この冷却流路は、詳しくは示されていない導入管と流出管とに連絡している。追加の冷却作用を達成するために、冷却流路２０にも冷却剤を吹き付けることができる。回転可能な台１７では、この場合に導入管と流出管に割り当てた回転実施機構が必要となろう。固定した台では回転実施機構を省くことができ、これによって流路２０への吹き付けは簡単になる。
本発明の好ましい、いくつかの適用例を詳しく説明したが、それでもこれによって限定に結びつけるべきではない。したがって、本発明による方法はもちろん、他の大型機械構成部分、例えば２サイクル大型ディーゼル機関のシリンダライナまたはシリンダヘッドに関連して適用することができる。
１ 排出バルブ
２ バルブディスクの下側
３ バルブディスク
４ 保護コーティング
５ 溶着装置
６ 締付装置
７ 冷却しようとする表面
８ 環状管
９ ノズル
１０ 供給管
１１ 保護スリーブ
１２ 閉じられた空間
１３ ピストンヘッド
１４ ピストン底部の上側
１５ ピストン底部
１６ 外被
１７ 台
１８ 支持カラー
１９ 開口部
２０ 冷却流路

Claims (35)

  1. 大型機械の構成部分、特に２サイクル大型ディーゼル機関のピストンヘッドまたは排出バルブディスクの、割り当てられた表面(２または１４)に表面溶着によって塗布される、少なくとも１０ｋｇの質量を有する保護コーティング(４)を備えるための方法であって、保護コーティング(４)を備えようとする大型機械構成部分を表面溶着過程中に冷却し、この冷却が、表面溶着過程の初期段階中に、これによって大型機械の構成部分に伝達される熱が冷却剤によって運び去られる熱よりも大きいように、およびこの準備時間の後に、表面溶着過程によって供給される熱が冷却剤によって運び去られる熱におおよそ相当するように行なわれることを特徴とする方法。
  2. 被覆速度が１１ｋｇ／ｈであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 温度の平衡は２００℃において達成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
  4. 溶着過程中、保護ガスが用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 保護コーティングはニッケル合金からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 保護コーティングは螺旋状に溶着されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 前記冷却剤として水が適用されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 溶着過程中に、大型機械構成部分の、保護コーティング(４)を備えようとする表面(２または１４)とは反対側の表面に冷却剤が吹き付けられることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 大型機械構成部分が、保護コーティング(４)を表面溶着するために、上から保護コーティング(４)が備えられ下から冷却されるように配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 割り当てられた表面に冷却剤が吹き付けられることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 冷却剤が、冷却剤源に接続され噴射ノズル(９)を備えた少なくとも１つの噴射管(８)によって、割り当てられた表面に吹き付けられることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  12. 冷却剤が、包囲する壁(１１または１６,１８)によって囲まれた空間(１２または１２ａ)の中に吹き込まれることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の方法。
  13. 冷却剤が、ピストンヘッド(１３)の場合に、ピストン外被(１６)またはこれと同心の支持カラー(１８)によって画定された空間(１２ａ)の中に吹き込まれることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  14. 排出バルブ(１)の場合に、冷却剤を吹き付けることができる周囲を密閉された空間(１２)を形成するために、バルブディスク(３)の周囲を取り巻く外被(１１)が備えられることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  15. 冷却剤が下から導き出されることを特徴とする請求項１２ないし請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
  16. 空間(１２または１２ａ)が吸引されることを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか１項に記載の方法。
  17. 保護コーティング(４)を備えようとする壁の領域において少なくとも１つの冷却流路(２０)によって構成された内部冷却系を有する大型機械構成部分の場合に、前記構成部分に冷却剤が表面溶着中に吹き付けられることを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
  18. 大型機械構成部分が表面溶着過程中に回転させられることを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれか１項に記載の方法。
  19. 大型機械は２サイクル大型ディーゼル機関であることを特徴とする請求項１ないし請求項１８のいずれか１項に記載の方法。
  20. 構成部分は排出バルブディスクであることを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
  21. 排出バルブは８０ｃｍの内腔に適合するものであることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
  22. 構成部分はピストンヘッドであることを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
  23. ピストンは８０ｃｍよりも大きな直径を有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
  24. 構成部分はシリンダライナであることを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
  25. 構成部分はシリンダヘッドであることを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
  26. 請求項１ないし請求項２５のいずれか１項に記載の方法によって形成された保護コーティングを有する少なくとも一つの構成部分を備える大型機関。
  27. 中央に設けられた排出バルブを備える２サイクル大型ディーゼル機関であることを特徴とする請求項２６に記載の大型機関。
  28. 排出バルブの配設された内腔が８０ｃｍであることを特徴とする請求項２６または請求項２７に記載の大型機関。
  29. その燃焼室と向き合う側に保護コーティングが設けられているバルブディスクを備える排出バルブであって、請求項１ないし請求項２５のいずれか１項に記載の方法を用いて製造されたことを特徴とする排出バルブ。
  30. その上側に保護コーティングが設けられているピストンヘッドを備えると共に、請求項１ないし請求項２５のいずれか１項に記載の方法を用いて製造されたことを特徴とするピストン。
  31. 直径が８０ｃｍよりも大きなものであることを特徴とする請求項３０に記載のピストン。
  32. その燃焼室と向き合う内側に保護コーティングが設けられているシリンダライナであって、請求項１ないし請求項２５のいずれか１項に記載の方法を用いて製造されたことを特徴とするシリンダライナ。
  33. その燃焼室と向き合う内側に保護コーティングが設けられているシリンダヘッドであって、請求項１ないし請求項２５のいずれか１項に記載の方法を用いて製造されたことを特徴とするシリンダヘッド。
  34. 保護コーティングがニッケル合金からなることを特徴とする請求項２６ないし請求項３３のいずれか１項に記載のもの。
  35. 保護コーティングは螺旋状またはスクリュー状の表面溶着によって形成されたものであることを特徴とする請求項２６ないし請求項３３のいずれか１項に記載のもの。
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