JP2578616B2

JP2578616B2 - 固溶化熱処理したポペット弁とその製造方法

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Publication number: JP2578616B2
Application number: JP62267618A
Authority: JP
Inventors: マイケルラーソンジェイ
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1986-10-27
Filing date: 1987-10-22
Publication date: 1997-02-05
Anticipated expiration: 2012-02-05
Also published as: JPS63128122A; BR8705877A; DE3766479D1; EP0269245B1; EP0269245A1; US4737201A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は一般にエンジンのポペット弁に関連し、さら
に具体的には、使用中に経験される、応力、温度、その
他の動作条件に合わせて、エンジン弁内の位置により、
ミクロ組織を調整できるようにする、改善された新しい
高速選択固溶化熱処理工程に関連している。

（従来の技術・発明が解決しようとする問題点）エンジン用ポペット弁を使用する際に重要な物理特性
には、燃焼室の高い動作温度にさらされる、弁の一部で
あるヘッドでの、高温クリープ及び疲れの強さ、ならび
に、留め溝近くの心棒での、低温疲労及び引っ張り強さ
が含まれている。用途によっては、弁の座面は、衝撃強
さまたは高温硬度が良好であることが必要である。

入手可能な各種のオーステナイト系合金から弁を作る
際、従来の方法では、バッチ工程で、弁を固溶化熱処理
していた。この従来の固溶化熱処理工程には、不利な点
がいくつかある。ヘッドでの高温特性を最適にするため
に大きな粒度を有するミクロ組織を達成するように、時
間と温度を選択するとき、心棒部分での低温特性が犠牲
になっている。逆に、心棒部分で良好な低温特性が得ら
れるように、熱処理の時間と温度を選択するとき、ヘッ
ドで最良の高温特性を得ることはできない。バッチ型の
固溶化熱処理工程では、弁の心棒に歪みが生じやすく、
ロールによる歪み取り操作が必要になる。もうひとつの
不利な点は、ロールによる心棒の歪み取りに関連する歪
時効クラックを避けるために、熱処理後、通常弁のエー
ジングを完全に行う必要があるということである。従来
のバッチ型固溶化熱処理工程の他の不利な点は、吸熱大
気を必要とすること、必要とされる処理時間、および各
々の弁で一貫したミクロ組織を達成することが一般にで
きないことなどである。

エンジンのポペット弁の固溶化熱処理についての、19
85年10月15日発行の米国特許第4547229号の開示を参考
として以下に記載する。ここでは、製品の性能特性の改
善で、バッチ型操作にまさる利点を与える、高速選択固
溶化熱処理工程を開示している。この特許で開示された
新工程の一次的な特徴は、弁のヘッド部分を選択的に固
溶化熱処理して高温でのクリープと疲れ強さを最適にし
ながら、一方では心棒の、低温の動く部分を細かく粒度
のミクロ組織に保つという能力である。心棒の細かい粒
度とヘッドの粗い粒度との間の転移領域の配置は、一定
のエンジンの用途での弁の温度分布、および用いられて
いる合金の機構特性の特徴に基いて、軸方向に調整する
ことができる。１つの好ましい用途では、およそASTM2
から５の範囲の粗い粒度をヘッドに利用して必要な高温
でのクリープと疲れ強さを達成し、弁の心棒ではおよそ
ASTM8以上の細かい粒度を保って低温での靭性を得てい
る。

米国特許第4547229号で開示された、高速選択固溶化
熱処理工程は、その他にも製品に利点をもたらす。即
ち、それぞれの弁で、それぞれの位置でのミクロ組織が
もっと一貫することと、歪み及び、二次的再結晶や合金
分離等の異常の発生が大幅に減少することである。この
工程は高速で、オートメーション化でき、エネルギー効
率が良い。また、鍛造したままの部品、または半完成の
部品のどちらの固溶化熱処理でもできる柔軟性がある。
この工程に本来的に備わっている柔軟性により、典型的
なバッチ熱処理に代えてインライン加工を行うことがで
きる。

苛酷な業務にエンジンを使用する場合は、弁のヘッド
の座面は、高温での硬さ及び耐食性を高める必要があ
る。このような特性は、一般に、座面に硬い表面仕上材
を付着させることにより提供されてきた。従来、２片の
座を溶接した弁に用いられてきた処理手順では、座の溶
接作業は、母材の熱処理及び沈澱硬化の後で行なわれ
る。熱の影響を受ける部分の基部のミクロ組織の特性は
変化し、これに関連して、疲労特性が潜在的に低下す
る。

米国特許第4547229号の高速選択固溶化熱処理工程を
用いれば、作業順序を逆にして、座部の溶接の後で母材
を熱処理することが可能である。これにより、熱に影響
される部分の材料の機構特性を改善することができる。

本発明の目的は、米国特許第4547229号の高速選択固
溶化熱処理工程を改善し、座部の溶接作業で硬い表面仕
上材を用いることなしに、弁の座面の高温度での硬さ及
び耐食性を共に向上させられるようにすることである。
さらに具体的には、本発明により、座面に隣接する弁の
硬い部分で、例えばASTM7以上の、鍛造による細かい粒
度を保持し、一方、高速選択固溶化熱処理の間に、弁の
他の部分の最適なミクロ組織をなおも進展させることが
できる。

（問題点を解決するための手段）本発明は、鍛造されたヘッドと鍛造された心棒とから
構成される、固溶化熱処理したポペット弁で、使用中に
遭遇する応力及び温度に合わせて位置により調整される
ミクロ組織を特徴とする弁を提供する。ミクロ組織に
は、低温靭性のための心棒の細かい粒度、温度でのクリ
ープ及び疲れ強さのための、燃焼面に隣接するヘッドの
粗い粒度、ヘッドの粗い粒度と心棒の細かい粒度との間
の転移部分、ならびに、高温硬度及び耐食性のための、
座面に隣接するヘッドの一部分の細かい粒度が含まれ
る。特に好ましい実施態様では、心棒及び、座面に隣接
するヘッドの細かい粒度はASTM7以上であり、燃焼面に
隣接するヘッドの粗い粒度は、およそASTM2から５の範
囲内である。

本発明では、圧延金属片からのポペット弁鍛造と、高
温における疲れ強さ及びクリープ強さのために燃焼面の
近くの粒度を粗くする、弁のヘッドの固溶加熱処理と、
低温での靭性及び高温での硬さのために、弁の心棒及び
ざ面に隣接するヘッドの一部分で、鍛造による細かい粒
度を保持することとの手順で構成される、ポペット弁の
製造方法も提供する。この方法の好ましい実施態様で
は、ヘッドの固溶化熱処理の手順は、連続的な方法での
放射熱によて実施され、その間、心棒及び、座面に隣接
するヘッドの一部の弁材料が、大幅な粒度の増大を招く
ほど高温にならないようにする。

（作用）本発明は弁の心棒のミクロ組織を細かい粒度とするこ
とにより、心棒が低温度での靭性と耐摩耗性を有するこ
とになり、また弁の燃焼面に近いヘッドのミクロ組織を
粗い粒度とすることによりヘッドかつ高温度でのクリー
プと疲れ強さを有することになる。

さらに座面に近いヘッドの一部のミクロ組織が細かい
粒度となることにより、高温度での硬さと耐食性を有す
ることになる。

このようにポペット弁の使用される環境に応じた最適
な機械的特性を有するように固溶化熱処理を行なって弁
の各部分を必要とするミクロ組織にして弁の寿命を高め
ることになる。

（実施例）本発明の工程は、通常は固溶化熱処理される、商業的
に使用される弁材料の多くに適用できる。弁の製造技術
に熟知している者ならわかるように、そのような材料に
は、S.A.EのEVシリーズ及び類似の組成のオーステナイ
ト鋼が含まれる。本発明は、S.A.EのHAV,NV及びVFシリ
ーズの熱処理できる鋼材や、INCOLEL,WASPALLOY,及びNI
MONICという商標名で販売されている、ニッケルを基材
とする合金や、STELLITE（登録商標）や、類似の組成の
物にも適用できる。

次に図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

第１図において参照番号10は、本発明に従って、圧延
金属片から鍛造され、熱処理された、エンジン用ポペッ
ト弁を示している。弁10は心棒11及びヘッド12を具備し
ていて、ヘッド12は、燃焼面13と座面14とを含む。本発
明に従い、燃焼面13の近くのヘッド12の一部は、最適な
高温疲れ強さと高温クリープ強度にするために、粗い粒
度が選択されている。ヘッド12の座面14に近い部分、及
び心棒11は、最適な低温靭性と高温硬さにするために選
択された、細かい粒度となっている。

弁10の高速選択固溶化熱処理は、上述の米国特許第45
47229号で開示されているように、放射熱の炉内で行わ
れる。本特許で述べる通り、放射熱システムにより、弁
のヘッドを1205℃か1277℃（2200゜Fから2350゜F）の温
度レベルにまで熱処理することができ、従って、温度保
持時間は、必要な粒度が得られるまでの、分単位の時間
の問題でしかなくなる。放射熱処理炉は、ベルト状の回
転炉床と、ベルトに取付けた弾力的なセラミックファイ
バ断熱体の網の目にからませたキャリアチューブとを含
んでいる。弁はキャリアチューブ内で直立に保持され、
弁のヘッドが、炉室内のグロバー（globars）の下を運
搬されるようにする。

第２図では、放射熱の炉の連続するベルト上のセラミ
ックファイバ断熱体を参照番号15で示し、断熱体15の網
の目にからませた、１本だけ描いてあるキャリアチュー
ブを、参照番号16で示した。キャリアチューブ16は、熱
伝導性の高い材料を用いて作り、チューブがヒートシン
クの役を果たすようにする。チューブ16の材料は、耐熱
性と耐食性もあり、融解温度が、炉の熱処理温度より高
いものにすべきである。適切な耐熱金属は、ニッケル、
クロム、およびコバルトをベースにした合金又はそれら
と同等物である。

例としては、主として鉄45％、ニッケル36％，クロム
19％，炭素約0.05％からなる合金、あるいは、鉄18％，
クロム25％，モリブデン３％，コバルト３％，シリコン
1.25％，マンガン1.5％，炭素0.05％，タングステン３
％，ニッケル残り、からなる合金である。

また、キャリアチューブ16を、熱伝導性及び耐衝撃性
にすぐれている、炭化ケイ素等のセラミック材料で作る
こともできる。

図に示すように、キャリアチューブ16は、断熱体15の
上面の上に拡がる、朝顔型の端部17を備えている。使用
する際、各キャリアチューブ16に弁10が取付けられ、弁
座12が、朝顔型の端部17の内面にぴったりと納まるよう
にしてある。弁のヘッドの燃焼面13は、断熱体15の上に
露出し、心棒11は、チューブ16を通って下方へ伸びてい
る。

弁が炉室内を連続的に通過させられると、露出したヘ
ッドが急速に熱せられ、燃焼面13に近い部分19の粒度が
粗くなる。粒度が粗いと、高温での疲れ強さ及びクリー
プ強度が得られる。同時に、心棒11はチューブ16に保護
され、鍛錬による細かい粒度を保持する。チューブ16の
朝顔型の端部17が、弁のヘッドの座面12に接触している
ため、座面12に近い部分20の弁材料の温度は、粒径が大
幅に大きくなるほどの高温にはならない。ヘッドの粗い
粒度の部分19と、心棒11の細かい粒度の部分の間には、
移転部分が存在する。

本発明に従って実施される典型的な熱処理工程では、
燃焼面に近いヘッドの粗に粒度は、大体、ASTM2から６
の範囲内である。座面12に近い部分のヘッド及び心棒の
細かい粒度は、一般にASTM7以上である。

上述の内容から、本発明が、使用中に経験される、応
力、温度及びその他の動作条件に合わせて、位置によっ
てミクロ組織が異なるポペット弁を提供するという目標
を達成していることは明らかである。本発明は特に、座
面近くの弁のヘッド部分の粒度が細かく、一方、弁のそ
の他の部分は、米国特許第4547229号に記載された最適
なミクロ組織となっていることが特徴である。

（発明の効果）本発明は高速選択固溶化熱処理技術を用いて、弁のヘ
ッドでの最適温度特性と、別の心棒での最適低温特性を
両立するミクロ組織を必要とする弁の各部分に形成した
ので、弁の寿命を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って熱処理されたエンジン用ポペッ
ト弁の正面図、第２図は本発明の工程を実施するための
装置を説明する部分概略図である。 10……弁、11……心棒 12……ヘッド、13……燃焼面 14……座部、15……断熱体（シールド部材） 16……キャリアチューブ（シートシンク）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】鍛造されたヘッド（12）と、鍛造された心
棒（11）とから構成され、固溶化熱処理によりミクロ組
織化されたポペット弁であって、前記ヘッド（12）は、心棒（11）と離れた反対側に面し
て燃焼面（13）を備え、また、心棒の方へ向かって周辺
部から内側へ徐々に細くなっている環状面に座面（14）
を形成し、前記燃焼面及びこの面に近いヘッド部分は、高温度での
クリープ及び疲れ強さの特性を維持するために粗い粒度
を有しており、前記心棒は、低温度での靭性及び耐摩耗性のために細か
い粒度を有し、この細かい粒度の心棒（11）と粗い粒度
のヘッド部分との間に粒度が変化する転移部分を有して
おり、さらに、前記座面（14）に近いヘッド（12）の一部分は、高温度
での硬さ及び耐食性を有する細かい粒度となっているこ
とを特徴とするポペット弁。
【請求項２】心棒（11）及び、座面に近いヘッド（12）
の粒度がASTM7以上の細かさである、特許請求の範囲第
１項に記載のポペット弁。
【請求項３】ポペット弁をミクロ組織化するための固溶
化熱処理の際には、心棒（11）の周囲に熱いシールド部
材（15）を配置し、また、ヘッドの座面（14）をヒート
シンクとして作用する熱伝導部材（16）に接触させる構
造とすることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
の弁。
【請求項４】（ａ）せん断金属片からポペット弁を鍛造
し、該弁はヘッド（12）と心棒（11）を備え、前記ヘッ
ドが、心棒（11）と反対方向に燃焼面（13）を具備し、
周囲から心棒（11）の方に向かって内側へ小さくなる環
状の表面上に形成された座面（14）を具備するように鍛
造し、（ｂ）心棒（11）を固溶化熱処理の温度から有効に保護
し、それにより鍛造された粒度を保ち、しかも座部（1
4）を熱伝導部材（16）に接触させ、座面（14）に近い
ヘッド（12）の一部分の粒度が大幅に大きくなるのを有
効に防ぐためのヒートシンクを与えるよう、弁の心棒
（11）の周囲にシールド部材（15）の提供と、（ｃ）手順（ｂ）の弁（10）を、その燃焼面（13）か
ら、所定の温度及び時間で固溶化熱処理し、弁に、（ｉ）ヘッド（12）の燃焼面（13）に近い部分には粗い
粒度、（ii）心棒（11）には低温度での靭性及び耐摩耗性用に
細かい粒度、（iii）ヘッド（12）には燃料面（13）知覚の粗い粒度
と、心棒（11）の細かい粒度との間の転移部分、（iv）ヘッド（12）の座面（14）に近い部分には、高温
度での硬さと耐食性用に細かい粒度、を与えるようにした各手順を含んでなる、ポペット弁
（10）の製造方法。
【請求項５】固溶化熱処理の手順（ｃ）が、連続的な方
法での放射熱によって行われる、特許請求の範囲第４項
に記載の方法。
【請求項６】熱シールド部材（１）とヒートシンク（1
6）が共に、熱伝導材料から作られたキャニアチューブ
により与えられ、該チューブが、その中に心棒を受け入
れるようにして、心棒の周囲の熱シールドを与え、か
つ、朝顔型の端部（17）を有して座面（14）に接触さ
せ、それによってヒートシンクとなるようにした、特許
請求の範囲第４項に記載の方法。