JP5383682B2 - 排気用ポペットバルブおよび同バルブの固溶化処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、フェース部を外周に形成した傘部が徐々に縮径する首部を介して直線状の軸部に一体化された排気用ポペットバルブの所定領域だけを部分的に固溶化処理した排気用ポペットバルブおよび同バルブの固溶化処理方法に関する。

この種のバルブは、ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼を鍛造することで成形されるが、バルブ全体の結晶粒度がＡＳＴＭ規格（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔｅｒｉａｌｓの規格）１１以上と細かく、引張り強度などの低温特性に優れている。
しかし、従来では、高温の燃焼ガスにさらされる傘部については、固溶化処理により結晶粒度を粗くすることで、高温特性（傘部おもて側の耐熱強度）を確保することが望ましいという観点から、下記特許文献１が提案されている。

この特許文献１には、フェース部を外周に形成した傘部が徐々に縮径する首部を介して直線状の軸部に一体化された排気用ポペットバルブに対し、傘部のおもて側から固溶化（溶体化ともいう）処理を施すことで、傘部では結晶粒度が粗く、高温特性に優れ、軸部に近づくほど徐々に結晶粒度が細かくなって、軸部では低温での靭性と耐摩耗性に優れる排気用ポペットバルブおよび同バルブの固溶化処理方法が記載されている。
特公平０４−０２７２８３号

しかし、前記した特許文献１のポペットバルブでは、傘部全体が固溶化処理されることになって、排気通路側のバルブシートと当接する部位であるフェース部も結晶粒が成長し（結晶粒度が粗くなって）、フェース部の硬度（耐摩耗性）が低下してしまう（発明者の実験によると、室温でのビッカース硬度は３１６であるが、５００℃でのビッカース硬度は１９０）という第１の課題があった。

また、固溶化処理されない首部と軸部間領域は、開弁時に高温の排気ガスにさらされるため、バルブにおいて最も高温となる部位であるが、高温クリープ強度が改善されないという第２の課題もあった。

発明者は、これらを改善することについて検討した結果、第１の課題については、ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼製バルブでは、固溶化による結晶粒の成長が第１の原因ではあるが、硬度を高めるべく機能している合金中の析出物である未溶解炭化物が、傘部を固溶化処理する際にほとんど合金中に溶け込んでしまうことと、鍛造により生じている残留歪が開放されてしまうことが、フェース部の硬度を著しく低下させる原因であると考えた。

また、第２の課題については、傘部の熱は、バルブシートを介してシリンダヘッドに放熱されるため、固溶化処理を施してまで傘部おもて側の高温特性を確保する必要がなく、むしろ、高温クリープ強度に劣る首部と軸部間領域にこそ、固溶化処理を施すべきと考えた。

そこで、発明者は、鍛造することで傘部から軸部に至るバルブ全体の結晶粒度が細かくなっているバルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域に、未溶解炭化物の完全固溶を伴わない固溶化処理を施して、その結晶粒度を他の領域の結晶粒度よりも粗くなるように調整すれば、高温の排気ガスにさらされるバルブの首部・軸部間所定領域における高温クリープ強度を確保できるし、傘部のフェース部における硬度（耐摩耗性）も確保できると考えた。

そして、実験を行って検証した結果、有効であることが確かめられたので、このたびの出願に至ったものである。

本発明は前記従来技術の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、鍛造された排気用ポペットバルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域だけに部分的に固溶化処理を施すことで、フェース部における耐摩耗性と首部・軸部間所定領域の高温クリープ強度の双方を満足できる排気用ポペットバルブおよび同バルブの固溶化処理方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１に係る排気用ポペットバルブにおいては、フェース部を外周に形成した傘部が徐々に縮径する首部を介して直線状の軸部に一体化された排気用ポペットバルブであって、前記バルブの傘部おもて側を冷却しつつ該バルブの高温クリープ強度が要求される所定領域（首部・軸部間所定領域）に固溶化処理を施して、該所定領域の結晶粒度を他の領域の結晶粒度よりも粗くなるように調整した。

なお、バルブの高温クリープ強度が要求される所定領域とは、開弁時にフェース部とバルブシート間の隙間から排気通路に向かって排出される排気ガスが吹き付けるために高温に保持されるバルブの首部と軸部間の所定領域をいい、一般的には、徐々に縮径する首部と真っ直ぐな直線状の軸部の両者に跨った所定長さの領域であるが、フェース部やバルブシートの傾斜、排気通路の形状などによって軸方向におけるその位置や長さが異なるとともに、首部側を含まない軸部側だけの場合もある。

また、請求項２に示すように、前記バルブはニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼またはＮｉ基耐熱合金で構成されるが、いずれの場合もバルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域に固溶化処理が施されて、該所定領域の結晶粒度がＡＳＴＭ規格１０以下に調整されていることが望ましい。

特に、前記バルブがニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼で構成されている場合は、請求項３に示すように、前記バルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域に未溶解炭化物の完全固溶を伴わない固溶化処理が施されることが望ましい。

なお、「固溶化」とは、「高温で固溶体となる温度範囲に加熱することにより、予め析出している析出物を合金中に十分溶け込ませた後、急冷して、溶け込んだ析出物の再析出を抑えること」をいう。

「未溶解炭化物（析出物）を完全固溶する」とは、「予め析出している未溶解炭化物（析出物）を合金中に全て溶け込ませること」をいい、「未溶解炭化物（析出物）の完全固溶を伴わない固溶化」とは、「予め析出している未溶解炭化物（析出物）を合金中に完全には溶け込ませず、即ち一部の未溶解炭化物（析出物）が合金中に溶け込まないで析出したまま残るように溶け込ませた後、急冷して、溶け込んだ析出物の再析出を抑えること」をいう。

（作用）鍛造（据え込み鍛造または押し出し鍛造）により成形された排気用ポペットバルブでは、バルブ全体の結晶粒度が細かい（例えばＳＵＨ３５では、ＡＳＴＭ規格１１以上）。そして、開弁時に排気ガスが吹き付けるバルブの首部・軸部間所定領域は、固溶化処理されることで、この領域の結晶粒度が他の領域の結晶粒度よりも粗く調整（例えばＳＵＨ３５では、ＡＳＴＭ規格６〜１０に調整）されており、高温に保持されるバルブの首部・軸部間の所定領域における高温クリープ強度が確保されている。

また、固溶化処理の施されない領域（バルブの首部・軸部間所定領域以外の領域）である傘部や軸部では、鍛造により成形された状態と同じ細かい結晶粒度（例えばＳＵＨ３５では、ＡＳＴＭ規格１１以上）に保持されているので、傘部（フェース部）や軸部における硬度（耐摩耗性）が確保されている。このため、軸端やコッター抱き部に求められる耐摩耗性や靭性を維持することができ、バルブガイドとの摺動部においても高い耐磨耗性を維持することができる。

また、バルブがニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼で構成されている場合は、固溶化処理が施された首部・軸部間所定領域では、固溶化処理前の合金中に析出してバルブの硬度を高める上で貢献している未溶解炭化物（析出物）の一部が、固溶化処理後の合金中にも析出したまま残っているため、固溶化処理された首部・軸部間所定領域における硬度の低下が抑制されている。

また、請求項４に係る排気用ポペットバルブの固溶化処理方法においては、フェース部を外周に形成した傘部が徐々に縮径する首部を介して直線状の軸部に一体化された排気用ポペットバルブの固溶化処理方法であって、前記バルブの高温クリープ強度が要求される所定領域（首部・軸部間所定領域）の結晶粒度が他の領域の結晶粒度よりも粗くなるように、前記バルブの傘部おもて側を冷却しつつ該バルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域に固溶化処理を施すように構成した。

また、請求項５においては、請求項４に記載の排気用ポペットバルの固溶化処理方法において、前記バルブを、ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼またはＮｉ基耐熱合金で構成し、前記バルブの傘部おもて側を冷却しつつ、前記バルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域を高周波加熱装置によって加熱して、該所定領域の結晶粒度をＡＳＴＭ規格１０以下にする固溶化処理を施すように構成した。

特に、前記バルブがニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼で構成されている場合は、固溶化処理を施すことによる硬度の低下を抑制するために、請求項６に示すように、傘部おもて側を冷却しつつ、前記バルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域に未溶解炭化物の完全固溶を伴わない固溶化処理を施すことが望ましい。

（作用）バルブの首部・軸部間所定領域だけに固溶化処理を施すには、所定領域だけを集中して加熱できる高周波加熱装置を使用することが望ましい。

また、例えば、ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼に属すＳＵＨ３５では、結晶粒を成長させるには、１１００℃以上の温度とすることが望ましく、一方、未溶解炭化物を完全固溶させないためには、１２００℃未満の温度にすることが望ましい。なお、１２００℃以上の温度で処理すると、未溶解炭化物が完全固溶するため、硬度が低下してしまって、その後の時効処理によって硬度を回復させるにも、長時間の時効処理工程が必要で、実用に供しない。このため、未溶解炭化物の完全固溶を伴うことなく結晶粒を成長させるため、さらには、鍛造により生じている残留歪を開放させないためには、ＳＵＨ３５製のバルブでは、傘部１２を積極的に冷却しつつ、バルブの首部・軸部間所定領域を１１００℃以上１２００℃未満の温度に加熱することが望ましい。この温度条件は、ＳＵＨ３８製のバルブに対しても同様である。

一方、Ｎｉ基耐熱合金であるＩｎｃｏｎｅｌ７５１製のバルブでは、ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼製のバルブの場合とは異なり、もともと未溶解炭化物が析出していないため、未溶解炭化物を完全固溶させない温度条件は無関係であるが、結晶粒を成長させるためには、１０００℃以上の温度が望ましく、一方、１２００℃を超えると、靭性や耐摩耗性が低下するため、１０００℃以上１２００℃未満の温度に加熱することが望ましい。

そして、高周波加熱装置による具体的固溶化処理の一例としては、少なくとも２０秒以上かけて１１００℃以上１２００℃未満の所定温度まで徐々に昇温し、この所定温度に少なくとも２０秒以上保持した後に、急冷する方法が考えられる。また、他の例としては、例えば、約９００℃まで急速に昇温し、同温度に少なくとも２０秒以上保持した後、１１００℃以上１２００℃未満の所定温度まで急速に昇温し、同温度に少なくとも２０秒以上保持した後に、急冷する方法のように、複数回にわたって昇温・保持を行った後に急冷する方法が考えられる。

即ち、高周波加熱では、局所的な加熱に優れているが、表層部が急速に加熱される傾向（内層部が加熱され難い傾向）にあるため、前記したいずれの処理方法を採用するにしても、１１００℃以上１２００℃未満の所定温度に加熱した後、２０秒以上この所定温度に保持することで、バルブの首部・軸部間所定領域の表層部から内層部にいたるまでの金属組織に対し、未溶解炭化物の完全固溶を伴うことなく、結晶粒をほぼ均一な大きさに成長させることができる。

なお、高周波加熱装置によってバルブの首部・軸部間所定領域に伝達された熱の一部は、傘部や軸部に伝達されるものの、傘部や軸部では、未溶解炭化物を固溶させたり、結晶粒度を成長させるほどの高温とはならない。したがって、傘部の一部であるフェース部に求められる耐摩耗性や、軸部に求められる耐摩耗性や靭性に影響を与えるものではない。

また、鍛造されたバルブの特にフェース部では、鍛造による残留歪に起因した加工硬化が発生して、耐摩耗性に優れている。しかし、固溶化処理の際に、バルブの首部・軸部間所定領域から伝達される熱により焼き鈍しされて加工硬化がなくなり、硬度が低下するおそれがあるが、バルブの首部・軸部間所定領域に固溶化処理を施している間は、バルブは傘部おもて側から冷却されているため、焼き鈍しされる程の高温とはならない。

本発明に係る排気用ポペットバルブおよび排気用ポペットバルブの固溶化処理方法によれば、高温クリープ強度が要求されるバルブの所定領域（首部・軸部間所定領域）における高温クリープ強度およびフェース部における硬度（耐摩耗性）の双方が確保された耐久性に優れた排気用ポペットバルブが提供される。

このため、従来では高いフェース部硬度を得るため高価な耐磨耗合金を溶着したり、軸の途中から傘側を高価なＮｉ基耐熱合金とすることもあったが、本発明に係るバルブでは、例えばＮｉ含有量の少ない安価なオーステナイト系耐熱鋼製のバルブであっても、高価な耐磨耗合金を溶着することなく、より高温高負荷での使用環境に使用することが可能である。

また、高価なＮｉ基合金製のバルブにおいても高いフェース部硬度を維持しつつ首部・軸部間領域の耐クリープ性を向上させることができるため、高価な耐磨耗合金を溶着することなく高負荷なエンジンに使用することができる。

また、軸部は低温強度と耐磨耗性を保持するため、コッター溝及び軸端部に要求される耐摩耗性および疲労強度及びバルブガイドとの摺動に必要な耐磨耗性も確保できる。

また、本発明方法によれば、バルブの首部・軸部間所定領域だけに固溶化処理を正確に施すことができるとともに、傘部における加工硬化が保持されるので、バルブの首部・軸部間所定領域における高温クリープ強度およびフェース部における硬度（耐摩耗性）の双方が確実に保証された耐久性に優れた排気用ポペットバルブを提供できる。

特に、請求項６によれば、ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼製のバルブの高温クリープ強度が要求される所定領域における高温クリープ強度の確保を硬度の低下を極力抑制しつつ実現できるので、耐久性に優れた排気用ポペットバルブを安価に提供できる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

図１〜図９は、本発明の第１の実施例である排気用ポペットバルブを示し、図１は同ポペットバルブの側面図、図２は自動車用エンジンの排気ポート周辺の断面図、図３は固溶化処理領域における結晶粒度分布を示す図、図４（ａ），（ｂ）は固溶化処理領域と非処理領域それぞれの金属組織の詳細を示す拡大断面図、図５は固溶化処理の有無におけるクリープ伸びを比較した図、図６は同バルブの所定領域を固溶化処理する高周波加熱装置の概要を示す図、図７〜９は、（ａ）で固溶化処理の加熱パターンを、（ｂ）でその加熱パターンに対応する固溶化処理領域の結晶粒度をそれぞれ示す図である。

これらの図、特に図１，２において、符号１０は、その外周にテーパ形状のフェース部１４を形成した円盤状の傘部１２が徐々に縮径する首部１６を介して直線状の軸部１８に一体化された排気用ポペットバルブで、オーステナイト系耐熱鋼に属するＳＵＨ３５を素材として、据え込み鍛造または押し出し鍛造によりにより成形されている。

バルブ１０は、図２に示すように、エンジンの排気ポート３０に設けられた円筒形状のバルブガイド３１に沿って摺動できるように配設され、圧縮コイルスプリング３４によって、排気ポート３０側の円環状のバルブシート３２にフェース部１４が圧接する方向（図２の上方向）に付勢保持されている。符号４０は、カム軸に軸着されたカム，符号４２は、カム４０と軸部１８の端部間に介装されたタペットである。

そして、カム４０の回動に連携してバルブ１０が軸方向に摺動動作することで、排気ポート３０が開閉する。図２（ａ）は、排気ポート３０が閉じ、（ｂ）は、排気ポート３０が開いた状態を示す。

そして、このバルブ１０は、鍛造後に、図６に示す高周波加熱装置２０によって、首部１６と軸部１８間の符号Ａで示す所定領域に固溶化処理が施されることで、所定領域Ａにおける高温クリープ強度（耐熱強度）が改善されている。

即ち、鍛造により成形されたバルブは、バルブ全体の結晶粒度がＡＳＴＭ規格１１〜１２（図４（ａ）参照）と細かく低温強度に優れるが、図２（ｂ）に示すように、開弁時に排気ガスが吹き付けるバルブ１０の首部・軸部間所定領域Ａでは、高温クリープ強度に不安があるため、この首部・軸部間所定領域Ａに未溶解炭化物の完全固溶を伴わない固溶化処理を施すことで、この領域Ａの結晶粒度が他の領域のＡＳＴＭ規格１１〜１２よりも粗いＡＳＴＭ規格１０以下（図４（ｂ）参照）に調整されて、高温に保持される首部・軸部間所定領域Ａにおける高温クリープ強度が確保（図５参照）されている。
また、固溶化処理温度（加熱温度）が所定の温度とされることで、固溶化処理された首部・軸部間所定領域Ａの合金中には、固溶化処理前の未溶解炭化物の一部がそのまま析出した形態に保持されているため、固溶化処理による硬度の低下が抑制されている。さらに、固溶化処理によって低下した硬度は、固溶化処理後に行う時効硬化処理によって、固溶化処理前の硬度にある程度近づけることができる。

図５は、本実施例である固溶化処理バルブ（固溶化＋時効処理品）と、比較例である非固溶化処理バルブ（焼きなまし品）のクリープ伸び率（縦軸）と温度（横軸）の関係を示している。本実施例のバルブ１０は、固溶化処理後に、７５０℃に１時間保持する時効処理を施し、その後、機械加工により完成形状に仕上げた。
比較例（非固溶化処理バルブ）では、８００℃での伸び率が２.８％に達しているのに対し、本実施例（固溶化処理バルブ）では、８００℃での伸び率が０.４４％と非常に低い値に保持されており、高温クリープ強度に優れていることがわかる。

また、バルブ１０の首部・軸部間所定領域Ａ以外の固溶化処理を施さない領域である傘部１２や軸部１８では、鍛造直後と同様の細かい結晶粒度ＡＳＴＭ規格１１以上に保持されているので、傘部１２（フェース部１４）や軸部１８における硬度（耐摩耗性）も確保されている。

また、傘部１２のおもて側を積極的に冷却することで、フェース部１４への熱の影響が抑制（フェース部１４を含む傘部１２残留歪の開放が抑制）されるため、フェース部１４の室温でのビッカース硬度は４６０であった。また、バルブの作動（開閉動作）時にはフェース部１４の温度は、５００℃程度まで上昇するが、フェース部１４の５００℃でのビッカース硬度は３０５で、高温下でも高硬度に保持されている。

また、バルブ１０の首部・軸部間所定領域Ａだけに固溶化処理を施すには、所定領域だけを集中して加熱できる高周波加熱装置２０（図６参照）を使用することが望ましい。

また、例えば、ＳＵＨ３５では、結晶粒を成長させるには、１１００℃以上の温度とすることが望ましく、一方、未溶解炭化物を完全固溶させないためには、１２００℃未満の温度にすることが望ましい。このため、未溶解炭化物を完全固溶させることなく、結晶粒を成長させるためには、ＳＵＨ３５製のバルブを１１００℃以上１２００℃未満の温度に加熱することが望ましい。

そして、高周波加熱装置２０による具体的固溶化処理（加熱パターン）については後で詳しく説明するが、例えば所定領域Ａを１１００℃以上１２００℃未満の所定温度に加熱した後、所定時間この所定温度に保持することで、固溶化処理する所定領域Ａの表層部から内層部までが均一に加熱されることとなって、所定領域Ａの表層部から内層部にいたるまでの金属組織に対し、未溶解炭化物の完全固溶を伴うことなく、結晶粒をほぼ均一な大きさに成長させることができる。

なお、高周波加熱装置２０によって所定領域Ａに伝達された熱の一部は、傘部１２や軸部１８に伝達されるものの、傘部１２や軸部１８では、未溶解炭化物を完全固溶させたり、結晶粒度を成長させるほどの高温とはならない。したがって、傘部の一部であるフェース部に求められる耐摩耗性や、軸部に求められる耐摩耗性や靭性に影響を与えるものではない。

また、鍛造されたバルブ１０の特にフェース部１４では、鍛造による残留歪に起因した加工硬化が発生して、耐摩耗性に優れている。しかし、固溶化処理の際に、所定領域Ａから伝達される熱により焼き鈍しされて加工硬化がなくなり、硬度が低下するおそれがあるが、所定領域Ａに固溶化処理を施している間は、前記傘部１２が傘部おもて側から冷却されているため、焼き鈍しされる程の高温とはならない。

次に、図６，７〜９に基づいて、バルブ１０の首部・軸部間所定領域Ａに固溶化処理を施す工程を説明する。

バルブ１０の所定領域に固溶化処理を施す高周波加熱装置２０は、図６に示すように、傘部１２のおもて側を接触させてバルブ１０を立てた状態に載置できる冷却用金属プレート２２と、冷却用金属プレート２２の上方所定位置に対向して配置され、バルブ１０の首部・軸部間所定領域Ａを加熱する一対の加熱用コイル２４を備えて構成されている。

一対の加熱用コイル２４は、冷却用金属プレート２２（に載置したバルブ１０）に対し上下方向および左右方向にその位置を調整できる。

また、冷却用金属プレート２２内には、冷却水循環路２３が設けられており、冷却水循環路２３に冷却水を循環させつつ、高周波加熱装置２０が作動する。即ち、バルブ１０の首部・軸部間所定領域Ａが加熱用コイル２４によって加熱されている間、バルブ１０の傘部１２が冷却用金属プレート２２によって冷却されるように構成されている。

また、冷却用金属プレート２２は、回転可能に構成されて、バルブ１０と一体に回転することで、バルブ１０を周方向から均一に加熱できるように構成されている。

バルブ１０の首部・軸部間所定領域（傘部１２おもて側から１５ｍｍ〜３０ｍｍまでの長さ１５ｍｍの領域）Ａに対し固溶化処理できるように、図６に示すように加熱用コイル２４の位置を調整した高周波加熱装置２０を用いて、バルブ１０を加熱する。加熱中は、冷却用金属プレート２２を７０ｒｐｍの速度で回転させることで、周方向における焼きムラの発生を抑制した。

高周波加熱装置２０は、高周波における周波数と浸透深さを考慮し、３０ｋＨｚを選定した。そして、高周波加熱装置２０による第１の加熱パターンＰ１は、図７（ａ）に示すように、２０秒かけて１１５０℃まで徐々に加熱（昇温）し、所定領域Ａの表層部から内層部までを均一に加熱するために、１１５０℃に１０秒間（２０秒間，４０秒間）保持した後に、急冷（油冷）するパターンＰ１−１（Ｐ１−２，Ｐ１−３）である。

第２の加熱パターンＰ２は、図８（ａ）に示すように、４０秒かけて１１５０℃まで徐々に加熱（昇温）し、所定領域Ａの表層部から内層部までを均一に加熱するために、１１５０℃に１０秒間（２０秒間，４０秒間）保持した後に、急冷（油冷）するパターンＰ２−１（Ｐ２−２，Ｐ２−３）である。

第３の加熱パターンＰ３は、図９（ａ）に示すように、９００℃まで急速に加熱（昇温）し、同９００℃に２０秒間保持した後に、１１５０℃まで急速に加熱（昇温）し、同１１５０℃に２０秒間（４０秒間）保持した後に、急冷（油冷）するパターンＰ３−１（Ｐ３−２）である。

また、図７〜図９それぞれの（ｂ）には、第１，第２，第３の加熱パターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３による固溶化処理をそれぞれ行った際の所定領域Ａの表層部と内層部の結晶粒度が徐々に変化する様子が示されている。なお、所定領域Ａ内の表層部と内層部の結晶粒度は、図３に示すように、バルブの傘部１２のおもて側から１５ｍｍ，２４ｍｍ，３０ｍｍの位置における結晶粒度を求めた。

第１の加熱パターンＰ１を示す図７において、当初ＡＳＴＭ規格１１〜１２の結晶粒度が、昇温２０秒・保持１０秒で急冷（油冷）するパターンＰ１−１では、ＡＳＴＭ規格７．５〜１１の結晶粒度となり、昇温２０秒・保持２０秒で急冷（油冷）するパターンＰ１−２では、ＡＳＴＭ規格７．５〜１０の望ましい結晶粒度となっていることが解る。昇温２０秒・保持４０秒で急冷（油冷）するパターンＰ１−３では、パターンＰ１−２よりも粗い結晶粒度（ＡＳＴＭ規格７．０〜１０）が得られるが、保持時間が２０秒ほど多くかかる。

第２の加熱パターンＰ２を示す図８において、当初ＡＳＴＭ規格１１〜１２の結晶粒度が、昇温４０秒・保持１０秒で急冷（油冷）するパターンＰ２−１では、ＡＳＴＭ規格７．５〜１０の結晶粒度となり、昇温４０秒・保持２０秒で急冷（油冷）するパターンＰ２−２では、ＡＳＴＭ規格７．０〜９．０の望ましい結晶粒度となっていることが解る。昇温４０秒・保持４０秒で急冷（油冷）するパターンＰ２−３では、パターンＰ２−２の場合と結晶粒度に大差がないことが解る。

第３の加熱パターンＰ３を示す図９において、当初ＡＳＴＭ規格１１〜１２の結晶粒度が、予熱２０秒・保持２０秒で急冷（油冷）するパターンＰ３−１では、ＡＳＴＭ規格７．５〜１０の望ましい結晶粒度となり、予熱２０秒・保持４０秒で急冷（油冷）するパターンＰ３−２では、ＡＳＴＭ規格７．０〜９の結晶粒度という望ましい結晶粒度となっているが、保持時間が２０秒ほど多く必要となる。

なお、前記した実施例では、固溶化処理する首部・軸部間所定領域Ａをバルブの傘部おもて側から１５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲となるように調整しているが、エンジンおよびバルブの仕様によって、高温クリープ強度が要求される範囲、即ち固溶化処理を施す範囲は多少異なる。

また、前記した実施例方法における固溶化処理は、加熱後に十分な固溶状態を保つために、急速冷却を行うのが一般的で、本実施例方法では、油冷を施したが、水冷であってもよい。

また、冷却用金属プレート２２は熱伝導がよく熱容量に余裕があるものであれば、冷却水を流さなくともよい。

また、前記した実施例では、バルブ１０の素材としてＳＵＨ３５を用いたが、それ以外にもＳＵＨ３８等のオーステナイト系耐熱鋼やＩｎｃｏｎｅｌ７５１等のＮｉ基耐熱合金等も使用することが考えられる。そして、バルブ１０の素材がＳＵＨ３８の場合は、高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域Ａの望ましい結晶粒度は、ＳＵＨ３５製バルブ１０の場合のＡＳＴＭ規格６〜１０と同じであるが、バルブ１０の素材がＮｉ基耐熱合金であるＩｎｃｏｎｅｌ７５１の場合は、ＡＳＴＭ規格４〜１０が望ましい。

本発明の第１の実施例である排気用ポペットバルブの側面図である。 自動車用エンジンの排気ポート周辺の断面図である。 固溶化処理領域における結晶粒度（ＡＳＴＭ規格）分布を示す図である。 （ａ），（ｂ）は固溶化処理領域と非処理領域それぞれの金属組織の詳細を示す拡大断面図である。 固溶化処理の有無におけるクリープ伸びを比較した図である。 同バルブの所定領域を固溶化処理する高周波加熱装置の概要を示す図である。 （ａ）は固溶化処理の第１の加熱パターンを示し、（ｂ）はその加熱パターンに対応する固溶化処理領域の結晶粒度を示す図である。 （ａ）は固溶化処理の第２の加熱パターンを示し、（ｂ）はその加熱パターンに対応する固溶化処理領域の結晶粒度を示す図である。 （ａ）は固溶化処理の第３の加熱パターンを示し、（ｂ）はその加熱パターンに対応する固溶化処理領域の結晶粒度を示す図である。

１０ 排気用ポペットバルブ
１２ 傘部
１４ フェース部
１６ 首部
１８ 軸部
Ａ 固溶化処理を施したバルブの首部・軸部間所定領域
２０ 高周波加熱装置
２２ 冷却用プレート
２４ 加熱コイル

Claims (6)

1. （補正後）フェース部を外周に形成した傘部が徐々に縮径する首部を介して直線状の軸部に一体化された排気用ポペットバルブであって、前記バルブの傘部おもて側を冷却しつつ該バルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域に固溶化処理が施されて、該所定領域の結晶粒度が他の領域の結晶粒度よりも粗く調整されたことを特徴とする排気用ポペットバルブ。
2. 前記バルブはニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼またはＮｉ基耐熱合金で構成され、前記バルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域に固溶化処理が施されて、該所定領域の結晶粒度がＡＳＴＭ規格１０以下に調整されたことを特徴とする請求項１に記載の排気用ポペットバルブ。
3. 前記バルブはニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼で構成され、前記バルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域に未溶解炭化物の完全固溶を伴わない固溶化処理が施されたことを特徴とする請求項２に記載の排気用ポペットバルブ。
4. （補正後）フェース部を外周に形成した傘部が徐々に縮径する首部を介して直線状の軸部に一体化された排気用ポペットバルブの固溶化処理方法であって、前記バルブの傘部おもて側を冷却しつつ該バルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域に固溶化処理を施すことを特徴とする排気用ポペットバルブの固溶化処理方法。
5. 前記バルブは、ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼またはＮｉ基耐熱合金で構成されており、前記バルブの傘部おもて側を冷却しつつ、前記バルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域を高周波加熱装置によって加熱して、該所定領域の結晶粒度をＡＳＴＭ規格１０以下にする固溶化処理を施すことを特徴とする請求項４に記載の排気用ポペットバルブの固溶化処理方法。
6. 前記バルブは、ニッケルを含むオーステナイト系耐熱鋼で構成されており、前記バルブの高温クリープ強度が要求される首部・軸部間所定領域に未溶解炭化物の完全固溶を伴わない固溶化処理を施すことを特徴とする請求項５に記載の排気用ポペットバルブの固溶化処理方法。

Images