JP2010138899A - ガス交換弁及びその製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブステムおよびバルブヘッドを備え、熱的安定性、疲労強度、耐食性を有し、且つ安価なガス交換弁およびその製造方法を提供する。
【解決手段】複数の部分から構成され、バルブヘッド３及びバルブステム２を有する、内燃機関、特に自己点火式内燃機関用のガス交換弁１において、該ガス交換弁は一つの耐高温性材料及び少なくとも一つのその他の材料から製造されており、該ガス交換弁の、前記その他の材料から製造されている一部分２は炭窒化物層４に覆われており、また、該ガス交換弁の前記耐高温性材料から製造されている一部分３も炭窒化物層により覆われている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関、特に自己点火式内燃機関のための、バルブステム及びバルブヘッドを備える、請求項１のおいて書きに記載のガス交換弁、及びそのようなガス交換弁の製造法に関する。

ガス交換弁、つまり内燃機関のガスダクトを開閉するための吸気弁及び／又は排気弁は、機構的及び熱的に多大な負荷がかかるだけでなく、燃焼ガスによる腐食の影響も受ける。ガス交換弁のさまざまな部分、特にさまざまな温度ゾーンには、熱的安定性、疲労強度、耐食性に関して異なる要件が求められる。

これらの異なる要件を考慮するために、バルブヘッドを耐高温性及び耐焼失性のある材料から製造することが知られており、その一方、バルブステムは、切欠き感度が低く、疲労強度が高い材料でできており、すなわち、この領域に生じる曲げ応力に対抗するために十分な粘り強さを有している。ガス交換弁は特にコスト的な理由から、耐えられるところはより安価なバルブ鋼で製造されていることが多い。

本出願人による特許文献１においては、ガス交換弁の、耐高温性でない材料で製造された部分、特にバルブステムに炭窒化物層を設けるためにプラズマ窒化浸炭が提案されている。これに対して、耐高温性材料で製造された部分には窒化物層は設けられていない。

少なくとも、耐高温性材料で製造されたガス交換弁の部分の特に負荷のかかる領域、特にバルブヘッド領域を保護するために、特許文献１ではさらにクロム層が設けられているが、該クロム層を電気めっきにより設けて次に研磨することにより製造コストが高まり、また製造精度及び製造時間に関しても悪化する。

独国特許第１０２００５０１３０８８号明細書

本発明の課題はこれを鑑みて、一つのカテゴリーの定義となるガス交換弁を改良することである。

上記の課題を解決するために、請求項１のおいて書きに記載のガス交換弁は、その特徴的要件により発展形が得られる。請求項８により、本発明のガス交換弁の製造法が保護されており、従属請求項は好適な発展形に関するものである。

共にバルブコーンを形成するバルブヘッド及びバルブステムを備える、本発明の内燃機関用ガス交換弁は、少なくとも一つの耐高温性材料、及び一つの又は複数のその他の材料から製造された、複数の部分で構成されている。本発明では、該その他の材料から製造されたガス交換弁の一つの部分に炭窒化物層を設けるだけでなく、耐高温性材料から製造された一つの部分にも炭窒化物層を設けることを提案している。驚くべきことに、これにより、耐高温性材料から製造された部分においても十分な腐食保護及び摩耗層が得られるため、コストの高い電気めっき、及びそれにより生じたクロム表面硬化層の研磨を追加的に行わずにすむため、製造コストが低下し、製造時間が短縮される。

窒化浸炭においては、鋼の表面層硬化のためにコンポーネントに炭窒化物層が設けられるが、該炭窒化物層は窒素・炭素雰囲気内で窒化物形成性ベース合金の置換により生成され、該窒素・炭素雰囲気内では窒素原子又は炭素原子が鋼内に拡散し、その際、いわゆる接続層である薄い表面層内において鉄と反応して炭窒化物となる。該層に隣接する拡散層内において、窒素はまず冷却により一部が窒化物として析出し、次に硬度強化に作用する。硬度そのものは窒化物の種類により異なる。窒素がどのようにして鋼と反応するかによって、窒化時間も窒化層も異なる。このようにして材料の境界層の窒素拡散飽和が行われ、硬度、耐摩耗性、疲労強度、耐食性が高められる。該境界層は、窒化浸炭後は、外側の炭窒化物層（接続層）及びそれに隣接する、窒素が多く含まれる混合結晶及び析出した窒化物の層（拡散層）から構成される。

窒素・炭素雰囲気を、コロナ放電、いわゆるプラズマ窒化浸炭によりイオン化することにより、窒化時間を好適に短縮することができる。

処理剤に窒素のほかに炭素を放出する成分が含まれている窒化浸炭において、たとえば、粉、塩浴、ガス、プラズマ内で窒化浸炭を行うことができる。

バルブヘッドは、燃焼室のより高い温度に耐えるために望ましくは少なくとも一部が耐高温性材料、特にバルブ鋼又はＮｉＣｒ２ＯＴｉＡｌなどの超合金から製造される。本発明の望ましい実施形態においてはそのような耐高温性材料から製造されたバルブヘッドに炭窒化物層が設けられている。それにより、たとえば従来はバルブヘッドのシール面に必要であった追加的なクロム表面硬化層を設けないことが可能である。炭窒化物層はバルブヘッドの全表面に設ける必要はなく、従来は追加的なクロム表面硬化層又は同等物により保護されていた、たとえばシール面や同等物など特に負荷のかかる領域に好適に限定することができ、バルブヘッドの前面などには炭窒化物層を設けないことも可能である。

バルブステムは、この領域に生じる曲げ応力に対抗するために、望ましくは少なくとも一部は、切欠き感度が低く疲労強度が高いその他の材料、特にたとえばＸ４５ＣｒＳｉ９−３といった熱間加工鋼から製造される。

炭窒化物層の層厚は、耐高温性材料から製造された領域内、その他の材料から製造された領域内、及び／又はこれらの領域の間において、異なる層厚にすることができる。これは、相応の窒素・炭素雰囲気、暴露時間、プロセス温度などにより調整できる。それにより熱的安定性、疲労強度、耐食性その他に関するさまざまな要件、ならびにさまざまな材料を考慮することができる。たとえばバルブヘッドの炭窒化物層の層厚は、バルブステムの炭窒化物層より薄くすることができ、その移行も、急激にすることも、なだらかにすることもできる。異なる複数の材料で製造された一つの部分内における層厚を変化させることにより、異なる複数の要件をそこで適切に考慮することができる。そのため、たとえばバルブヘッドではシール面の領域において炭窒化物層をより厚くすることができる。

本発明のガス交換弁を製造するために、耐高温性材料からバルブヘッドを、その他の材料からバルブステムを製造し、次に異なる複数の材料から製造された複数の部分をたとえば摩擦溶接により接続した後、耐高温性材料から製造されたガス交換弁の一部、及び、その他の材料から製造されたガス交換弁の一部が、窒素・炭素雰囲気内において窒化浸炭、望ましくはプラズマ窒化浸炭される。

さらなる長所及び特徴は従属請求項及び実施例より理解できる。そのために一部図式化された図を示す。

本発明の一つの実施例におけるガス交換弁の図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は、本発明の一つの実施例におけるガス交換弁１の縦断面図である。本図のガス交換弁、特に内燃機関の排気弁は、バルブヘッド３及びバルブステム２を有している。

該ガス交換弁のさまざまな温度ゾーンにおける熱的安定性、疲労強度、耐食性に関する異なる要件を考慮するために、バルブヘッド３及び、バルブステム２の下の部分は、耐高温性及び耐焼失性を有する材料ＮｉＣｒ２ＯＴｉＡｌから製造されており、バルブステム２の残りの部分は切欠き感度が低く疲労強度が高い、つまりこの領域に生じる曲げ応力に対抗するために十分な粘り強さを持つ熱間加工鋼Ｘ４５ＣｒＳｉ９−３から製造されている。

バルブステム２はその周囲の表面の縦方向にわたって略完全に、炭窒化層６の形で腐食保護層により覆われており、該腐食保護層は窒化物形成性ベース合金を窒素・炭素雰囲気内でプラズマ窒化浸炭により置換することにより生成される。バルブヘッド３及び該バルブヘッド３と一体で形成されている前記バルブステムの前記部分（該部分と、該バルブステムの残りの部分とは、互いに向き合う前面同士で摩擦溶接されている）は、そのヘッドの底及び前記バルブステム前面を除いて、同様に炭窒化層６により覆われている。

１ ガス交換弁
２ バルブステム
３ バルブヘッド
４ 炭窒化物層
６ 炭窒化層

Claims (8)

1. 内燃機関、特に自己点火式内燃機関用の、複数の部分から構成されるガス交換弁（１）であって、バルブヘッド（３）及びバルブステム（２）を有し、該ガス交換弁は一つの耐高温性材料及び少なくともその他の一つの材料から製造されており、該ガス交換弁の、前記その他の材料から製造されている一部分（２）は炭窒化物層（４）に覆われているガス交換弁において、
   前記耐高温性材料から製造されているガス交換弁の一部分（３）も炭窒化物層（８）により覆われていることを特徴とする、ガス交換弁。
2. 前記バルブヘッド（３）の一部又は全体が前記耐高温性材料、特にバルブ鋼又は超合金、特にＮｉＣｒ２ＯＴｉＡｌから製造されていることを特徴とする、請求項１に記載のガス交換弁。
3. 前記バルブステム（２）の一部又は全体が熱間加工鋼、特にＸ４５ＣｒＳｉ９−３から製造されることを特徴とする、請求項１または２に記載のガス交換弁。
4. 前記炭窒化物層（４）の層厚が、前記耐高温性材料から製造された前記部分及び／又は前記その他の材料から製造された前記部分において異なる層厚であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のガス交換弁。
5. 特に前記バルブヘッド（３）の領域にクロム層が設けられていないことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のガス交換弁。
6. 前記炭窒化物層（４）が、窒化硬化深さ０．１ｍｍ〜０．３ｍｍである拡散層及び／又は３μｍ〜１５μｍの接続層を備えていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のガス交換弁。
7. 前記炭窒化物層（４）の表面硬度が７５０ＨＶ（ビッカーズ）以上であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のガス交換弁。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のガス交換弁を製造する方法において、−前記バルブヘッド（３）を前記耐高温性材料から、前記バルブステム（２）を前記その他の材料から製造するステップ、
   −窒素・炭素雰囲気内において、前記ガス交換弁の、前記耐高温性材料から製造されている一部分（３）、及び、前記ガス交換弁の、前記その他の材料から製造されている一部分（２）を窒化浸炭、特にプラズマ窒化浸炭するステップ、
   を有することを特徴とする製造方法。

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