JP2016130575A - 弁部品 - Google Patents

Abstract

【課題】弁部品につき、高耐食性を確保すると共に溶接時の高温割れを防止すること。
【解決手段】高耐食性の第１金属部材は、弁体５であり、弁体５に凹部５ａと第１軸孔５ｂが形成される。易溶接性の第２金属部材は、弁軸６である。易溶接性の第３金属部材は、凹部５ａに圧入される圧入部材１６であり、圧入部材１６に第２軸孔１６ａが形成される。圧入部材１６が弁体５の凹部５ａに圧入された状態で同軸上に配置された第１軸孔５ｂと第２軸孔１６ａに弁軸６が挿通され、弁軸６の先端が圧入部材１６に溶接されることにより弁体５が弁軸６固定される。弁体５には、ニッケル基合金、チタン合金又はオーステナイトが材料として使用され、弁軸６及び圧入部材１６には、オーステナイト又はフェライトが材料として使用される。
【選択図】 図２

Description

この発明は、例えば、ＥＧＲ弁等の流体制御弁に使用される弁部品に係り、高耐食性の第１金属部材を易溶接性の第２金属部材に固定した弁部品に関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載されるＥＧＲ弁が知られている。このＥＧＲ弁は、ハウジングの流路に設けられた金属製の弁座と、弁座に着座可能に設けられた金属製の弁体と、弁座に対して弁体を往復動させる金属製の弁軸と、弁軸を駆動させるアクチュエータとを備える。ここで、弁体と弁軸は別々に形成された後、弁体が弁軸の先端部に隙間嵌めされ位置調整された後、溶接により固定されている。

特開２０１３-１８５５４１号公報

ところで、特許文献１に記載のＥＧＲ弁は、腐食環境下で使用されることがあるので、弁体には、高い耐食性が要求される。しかしながら、弁体に高耐食性の材料を使用すると、弁体を弁軸に溶接するとき、その溶接部で高温割れが生じるおそれがあり、弁体の耐久性が低下するおそれがあった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高耐食性を確保すると共に、溶接時に高温割れを防止できる弁部品を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、高耐食性の第１金属部材を易溶接性の第２金属部材に固定した弁部品であって、第１金属部材に凹部が設けられ、凹部に易溶接性の第３金属部材が圧入され、第３金属部材に第２金属部材が溶接されることにより第１金属部材が第２金属部材に固定されたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、第１金属部材の凹部に第３金属部材が圧入されるので、第１金属部材と第３金属部材が一体化する。また、易溶接性の第３金属部材に易溶接性の第２金属部材が溶接により固定される。従って、第３の金属部材と第２金属部材とが好適に溶接され、第１金属部材が溶接による熱的影響を受け難く、第１金属部材と第２金属部材が直接溶接することなく一体化される。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第１金属部材が、弁体であり、弁体に凹部と第１軸孔が形成され、第２金属部材が、弁軸であり、第３金属部材が、凹部に圧入される圧入部材であり、圧入部材に第２軸孔が形成され、圧入部材が弁体の凹部に圧入された状態で同軸上に配置された第１軸孔と第２軸孔に弁軸が挿通され、弁軸の先端が圧入部材に溶接されることにより弁体が弁軸に固定されたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、弁体の凹部に圧入部材が圧入されるので、弁体と圧入部材が一体化する。また、易溶接性の圧入部材が弁体の凹部に圧入された状態で同軸上に配置された第１軸孔と第２軸孔に、易溶接性の弁軸が挿通され、弁軸の先端が圧入部材に溶接されることにより弁体が弁軸に固定される。従って、圧入部材と弁軸とが好適に溶接され、弁体が溶接による熱的影響を受け難く、弁体と弁軸が直接溶接することなく一体化される。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、第１金属部材には、ニッケル基合金、チタン合金又はオーステナイトが材料として使用され、第２金属部材及び第３金属部材には、オーステナイト又はフェライトが材料として使用されたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、第１金属部材に、ニッケル基合金、チタン合金又はオーステナイトが材料として使用され、第２金属部材及び第３金属部材に、オーステナイト又はフェライトが材料として使用されるので、それぞれの材料の特性が発揮される。

請求項１に記載の発明によれば、弁部材につき、高耐食性を確保できると共に、溶接時に高温割れを防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、弁部材につき、弁体の高耐食性を確保できると共に、溶接時に弁体の高温割れを防止することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、弁部品につき、高耐食性又は高温割れ防止の効果を任意に調整することができる。

一実施形態に係り、全閉状態のＥＧＲ弁を示す正断面図。 一実施形態に係り、図１の弁体の部分を示す拡大断面図。 一実施形態に係り、シェフラーの状態図。

以下、本発明の弁部品をエンジンの排気系装置の一つである排気還流弁（ＥＧＲ弁）に具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、全閉状態のＥＧＲ弁１を正断面図により示す。ＥＧＲ弁１は、エンジンから排出される排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路へ戻すＥＧＲ通路に設けられ、ＥＧＲガス流量を調節するために使用される。

図１に示すように、ＥＧＲ弁１は、ポペット弁構造をなし、ＥＧＲガスの流路２を含む金属製のハウジング３と、流路２の中間に設けられた金属製の弁座４と、弁座４に着座可能に設けられ、弁座４との間でＥＧＲガスの計量部を形成する金属製の弁体５と、弁体５を弁座４に対して往復動させるための金属製の弁軸６と、弁軸６を弁体５と共に駆動するためのアクチュエータ７とを備える。アクチュエータ７は、一例としてステップモータより構成され、弁軸６を弁体５と共に軸方向へ往復運動（ストローク運動）させるように構成される。このＥＧＲ弁１は、アクチュエータ７により弁体５を弁座４に対して移動させて計量部の開口面積を変化させることにより、流路２におけるＥＧＲガス流量を調節するように構成される。この実施形態では、アクチュエータ７の構成の詳しい説明は省略する。流路２の両端は、ＥＧＲガスが導入される入口２ａと、ＥＧＲガスが導出される出口２ｂとなっている。

この実施形態において、弁軸６は、図１においてハウジング３を垂直に貫通して配置され、その基端部（上端部）がアクチュエータ７にねじ機構を介して駆動連結される。弁座４は、略円環状をなし、その中心に弁孔４ａを含む。弁座４には、高耐食性の材料が使用される。具体的には、「ＳＵＥ４００，スーパーステンレス，樹脂等」が使用される。弁体５は、略円錐形状をなし、弁軸６の先端部（下端部）に固定される。ハウジング３と弁軸６との間には、弁軸６をストローク運動可能に支持するために直列に配置された第１スラスト軸受８と第２スラスト軸受９が設けられる。各スラスト軸受８，９は、略筒形をなし、ハウジング３の中心に形成された組付孔３ａに嵌合されて固定される。ハウジング３には、ハウジング３と弁軸６との間をシールするための略円筒状をなすリップシール１０が、第２スラスト軸受９に隣接して設けられる。ハウジング３には、ハウジング３と弁軸６との間をデポジットからガードするためのデポガードプラグ１１が、リップシール１０に隣接して設けられる。

図２に、図１の弁体５の部分を拡大断面図により示す。この実施形態で、弁体５は、本発明における高耐食性の第１金属部材に相当し、中心に凹部５ａと第１軸孔５ｂが形成される。凹部５ａは、弁体５の下底面５ｃに開口する。弁体５の下底面５ｃの外周部には、他の部分より低い段差５ｄが形成される。この実施形態で、弁軸６は、本発明における易溶接性の第２金属部材に相当する。弁体５の凹部５ａには、その凹部５ａの形状に近似する圧入部材１６が圧入される。この圧入部材１６には、弁体５の第１軸孔５ｂと同軸をなして互いに連通する第２軸孔１６ａが形成される。この実施形態で、圧入部材１６は、本発明における易溶接性の第３の金属部材に相当する。ここで、圧入部材１６が弁体５の凹部５ａに圧入された状態で、同軸上に配置された第１軸孔５ｂと第２軸孔１６ａに弁軸６が挿通され、その弁軸６の先端が圧入部材１６に溶接されることにより、弁体５が弁軸６に固定される。図１、図２に示すように、弁軸６の先端と圧入部材１６との間で溶接が施された部分が溶接部２１となっている。このように組み付けられた弁体５、圧入部材１６及び弁軸６により、本発明の弁部品が構成される。ここで、弁体５を構成する第１金属部材には、高耐食性を有するニッケル基合金、チタン合金又はオーステナイトが材料として使用される。より具体的には、例えば「ＳＵＳ３１０Ｓ，ＳＵＳ３１６Ｌ，ＮＡＳ３５４Ｎ，インコネル，スーパーステンレス等」を使用することができる。また、弁軸６及び圧入部材１６を構成する第２金属部材及び第３金属部材には、易溶接性を有するオーステナイト又はフェライトが材料として使用される。より具体的には、例えば「ＳＵＳ３０４等」を使用することができる。この実施形態では、弁体５を構成する第１金属部材に「ＳＵＳ３１０Ｓ」を使用し、弁軸６及び圧入部材１６を構成する第２金属部材及び第３金属部材に「ＳＵＳ３０４」を使用することとする。また、この実施形態では、溶接方法として「ＴＩＧ溶接」が採用されるが、「アーク溶接」や「レーザ溶接」を採用することもできる。

上記のように構成された弁部品に係り、図３に、周知のシェフラーの状態図を示す。一般に、ステンレス鋼は、化学成分によりオーステナイト（Ａ）、フェライト（Ｆ）、マルテンサイト（Ｍ）及びそれらの混合型（Ａ＋Ｆ，Ａ＋Ｍ，Ｆ＋Ａ，Ｍ＋Ｆ，Ａ＋Ｍ＋Ｆ）に組織が変化する。そして、機械的性質、耐食性及び溶接性などは、組織によって大きな影響を受けるとされている。そこで、溶接金属の組織が、このシェフラーの状態図の中の「安全域」に入るように設定されている。オーステナイト鋼は、より高温の融点直下では、フェライト組成が共存するようになる。このフェライトは溶接割れの防止や応力腐食割れの軽減に有効であり、溶接材料としてはフェライトが積極的に利用されている。このフェライトの量が多すぎるとかえって害があるため、溶接金属中では溶接のまま５〜１０％程度含有されるように設計されている。溶接金属中に含まれるフェライト量をその化学成分から推定するために、このシェフラーの状態図が参照される。

図３において、「（Ａ）オーステナイト」の領域は、溶接時に１２５０℃以上で高温割れが発生する領域である。「（Ｍ）マルテンサイト」の領域は、溶接直後にマルテンサイト相が析出する領域であり、４００℃以下でマルテンサイト割れが発生する領域である。「（Ｆ）フェライト」の領域は、結晶粒が粗大化して脆化する領域である。混合型の一つである「（Ａ＋Ｆ）」の領域は、フェライト含有量過剰域であり、処理によりシグマ相が析出して脆化する領域である。その他、混合型として「（Ａ＋Ｍ）」の領域（マルテンサイト含有量過剰域）、「（Ｍ＋Ｆ）」及び「（Ａ＋Ｍ＋Ｆ）」の領域がある。そして、これらの領域の中央部に限られた「（安全域）」は、高温割れが発生しない安全な溶接金属が得られる領域である。フェライト含有量は、特に異材溶接の際に重要となるので、適正な溶接材料の選択を検討する必要がある。この実施形態では、溶接金属の組織が、すなわち、弁軸６と圧入部材１６の組織が、このシェフラーの状態図中の「（安全域）」に入るように適正な溶接材料を選択するようにしている。この実施形態では、弁軸６及び圧入部材１６として「ＳＵＳ３０４」が使用されるが、溶接組織をこのシェフラーの状態図の「（安全域）」に近付けるために、弁軸６の先端部を圧入部材１６に溶接する前に、弁軸６の先端部が圧入部材１６の第２軸孔１６ａから下方へ突出する突出量を増加させることで「ＳＵＳ３０４」の溶融率を増加させるようにしている。

以上説明したこの実施形態のＥＧＲ弁１に使用される弁部品によれば、弁体５の凹部５ａに圧入部材１６が圧入されるので、弁体５と圧入部材１６が一体化し、二体化構造の弁体５が得られる。また、易溶接性の圧入部材１６が弁体５の凹部５ａに圧入された状態で、同軸上に配置された第１軸孔５ｂと第２軸孔１６ａに、易溶接性の弁軸６が挿通され、弁軸６の先端が圧入部材１６に溶接されることにより弁体５が弁軸６に固定される。従って、圧入部材１６と弁軸６とが好適に溶接され、弁体５が溶接による熱的影響を受け難く、弁体５と弁軸６が直接溶接することなく一体化される。このため、弁部品につき、弁体５の高耐食性を確保できると共に、溶接時に弁体５の高温割れを防止することができる。

この実施形態では、弁体５に使用される第１金属部材に、ニッケル基合金、チタン合金又はオーステナイトが材料として使用される。また、弁軸６及び圧入部材１６に使用される第２金属部材及び第３金属部材に、オーステナイト又はフェライトが材料がとして使用されるので、材料それぞれの組合せにより最良の特性が発揮される。このため、弁部品につき、高耐食性又は高温割れ防止の効果を任意に調整することができる。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

（１）前記実施形態では、第１金属部材を凹部５ａと第１軸孔５ｂを有する弁体５とし、第２金属部材を弁軸６とし、第３金属部材を第２軸孔１６ａを有する圧入部材１６として構成した。これに対し、第１金属部材、第２金属部材及び第３金属部材は、弁体５、弁軸６及び圧入部材１６に限られるものではなく、第１金属部材の凹部に第３金属部材を圧入し、その第３金属部材に第２金属部材を溶接することにより第１金属部材を第２金属部材に固定するように構成した弁部品であればよい。

この発明の弁部品は、ＥＧＲ弁等の流体制御弁に利用することができる。

５ 弁体
５ａ 凹部
５ｂ 第１軸孔
６ 弁軸
１６ 圧入部材
１６ａ 第２軸孔

Claims (3)

1. 高耐食性の第１金属部材を易溶接性の第２金属部材に固定した弁部品であって、
   前記第１金属部材に凹部が設けられ、前記凹部に易溶接性の第３金属部材が圧入され、前記第３金属部材に前記第２金属部材が溶接されることにより前記第１金属部材が前記第２金属部材に固定されたことを特徴とする弁部品。
2. 前記第１金属部材が、弁体であり、前記弁体に凹部と第１軸孔が形成され、
   前記第２金属部材が、弁軸であり、
   前記第３金属部材が、前記凹部に圧入される圧入部材であり、前記圧入部材に第２軸孔が形成され、
   前記圧入部材が前記弁体の前記凹部に圧入された状態で同軸上に配置された前記第１軸孔と前記第２軸孔に前記弁軸が挿通され、前記弁軸の先端が前記圧入部材に溶接されることにより前記弁体が前記弁軸に固定されたことを特徴とする請求項１に記載の弁部品。
3. 前記第１金属部材には、ニッケル基合金、チタン合金又はオーステナイトが材料として使用され、前記第２金属部材及び前記第３金属部材には、オーステナイト又はフェライトが材料として使用されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の弁部品。

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