JPH0861028A

JPH0861028A - 内燃機関用バルブの製造方法

Info

Publication number: JPH0861028A
Application number: JP22077694A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Okawachi; 潔大川内
Original assignee: Nittan Valve Co Ltd
Current assignee: Nittan Corp
Priority date: 1994-08-24
Filing date: 1994-08-24
Publication date: 1996-03-05
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: JP2925945B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐吹き抜け性と耐磨耗性とを向上させること
ができる内燃機関用バルブの製造方法の提供。【構成】製造方法は、弁棒１と、弁棒１の先端側に傘
部２が一体に形成されたバルブ３を製造する方法であっ
て、傘部２の背面側には、首部４に連なり、内燃機関の
バルブシートと当接するフェイス部５が形成されてい
る。製造方法では、まず、点線で示すような形状に素材
が加工される。このとき使用される素材は、析出硬化型
Ｎｉ基合金であって、ＮＣＦ８０ＡやＮＣＦ７５１など
が使用される。所定形状に形成された素材は、次いで、
１点鎖線に示す形状に切削加工され、その後、型にセッ
トされて、鍛造加工が施される。２点鎖線で示した形状
が、鍛造加工後の状態であって、このときの鍛造加工で
は、特に、フェイス部５に相当する部分にすべり変形が
生じるようにして行なわれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、内燃機関用バルブの
製造方法に関し、特に、バルブの傘部フェイスの硬度を
向上させることができる製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関用の吸，排気バルブの傘部フェ
イスは、バルブシートと接触して燃焼室を開閉するため
に、耐磨耗性や高温耐食性が要求されており、このよう
な要求に応えるべく、傘部フェイスにステライト６，１
２，２０などのＣｏ基材料の盛金や、Colmonoy♯６など
のＮｉ基材料の盛金が施されていた。ところが、近時の
内燃機関においては、燃焼の高温化が促進されており、
このような盛金では、耐久性が十分に満足されないとい
う問題があった。

【０００３】そこで、特公昭６０−３４６０７号公報や
特公昭６４−８６９９号公報には、内燃機関のバルブの
耐磨耗性や高温耐食性を改善する技術が開示されてい
る。前者の公報に開示されている技術は、特定組成比率
の析出硬化型Ｎｉ基合金を素材として使用し、この素材
に、最終熱間加工終了温度が７００〜９００℃で、加工
率２５〜７５％の熱間加工を施し、引き続いて、６５０
〜８２５℃の温度条件で熱処理を施すことを要旨として
おり、後者の公報に開示されている技術は、強析出硬化
型耐熱合金を材料とし、傘部を７００〜９００℃の温度
範囲で加工率２０％以上の鍛造により成形し、時効硬化
処理を施すことを要旨としている。

【０００４】しかしながら、これらの公報に開示されて
いる技術には、以下に説明する技術的な課題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、上記公報に
開示されている技術によると、耐磨耗性や高温耐食性が
向上するものの、その平均的な硬度は、ビッカース硬度
で４２０程度であって、この程度の硬度では、硬度が不
足していて、傘部フェイスへ燃焼残渣が食い込み、圧痕
が比較的早期に発生して、耐吹き抜け性が悪化するとい
う問題があり、特に、低質の燃料を使用するディーゼル
エンジンにおいては、十分な性能を発揮することができ
なかった。また、吸気弁に上記技術を適用した場合に
も、硬度不足から耐磨耗性の向上が満足できるものでは
なかった。

【０００６】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的は、耐吹き抜け性と
耐磨耗性とを十分に向上させることができる内燃機関用
バルブの製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、析出硬化型Ｎｉ基合金を素材として使用
し、この素材に２０〜５００℃の温度範囲内で、傘部フ
ェイスにスベリ変形が生じる鍛造またはロール加工を施
すことを特徴とする。ここで、傘部フェイスにスベリ変
形が生じる鍛造またはロール加工を施す際の温度条件を
２０〜５００℃の範囲内に規定する理由は、２０℃（室
温）未満の温度条件では、鍛造またはロール加工が困難
になること、また、５００℃を越える温度条件では、鍛
造またはロール加工が焼き鈍し状態になって、傘部フェ
イスの硬度が上げられないことから、前記温度範囲内で
の鍛造またはロール加工を施す必要がある。

【０００８】この時の鍛造またはロール加工の加工率
を、傘部フェイスの外周側で２０〜８０％に設定すると
ともに、傘部フェイスの内周側で１０〜３０％に設定す
ることができる。すべり変形が生じる鍛造またはロール
加工の加工率は、これを大きくすればする程硬度は上昇
するが、加工率が１０％未満の場合には、硬度の上昇効
果が十分得られず、また、加工率が８０％を越えると、
硬度上昇が急激に大きくなり、加工が困難になるだけで
なく、素材の靱性劣化が顕著になるので、加工率は、１
０〜８０％の範囲内に設定することが望ましい。

【０００９】この場合、傘部フェイスの外周側の加工率
を内周側よりも大きくすると、外周側の硬度上昇が大き
くなり、圧痕の発生が少なくなる。傘部フェイスの内周
側の加工率の上限は、３０％を越えないことが望まし
い。その理由は、加工率を上げると、前述した如く硬度
が上昇するものの、素材の靱性が低下し、バルブの欠損
事故に繋がるため、加工率を３０％以下に抑えることが
望ましい。

【００１０】本発明の製造方法では、前記鍛造またはロ
ール加工の後に、４００〜７００℃の温度範囲で、１２
０〜３００分の熱処理を施すことができる。このような
熱処理を施すと、傘部フェイスの硬度が上昇するととも
に、加工歪みの均一化が図られる。この場合、４００℃
未満の温度では、硬度の上昇効果が十分得られず、ま
た、７００℃を越えると、焼き鈍し状態になって同様に
硬度の上昇効果が不十分になる。

【００１１】さらに、本発明の製造方法では、前記素材
にＴｉ，Ａｌ，Ｎｂなどの時効硬化元素を含有させるこ
とができる。このような時効硬化元素を素材に含ませて
おくと、バルブを内燃機関に使用したときに、７００℃
程度の温度になると、時効特性が生かされて、運転中に
硬度アップを図ることができる。

【００１２】

【作用】上記構成の内燃機関用バルブの製造方法によれ
ば、析出硬化型Ｎｉ基合金を素材として使用し、この素
材に２０〜５００℃の温度範囲内で、傘部フェイスにス
ベリ変形が生じる鍛造またはロール加工を施すので、傘
部フェイスの硬度を向上させることができる。

【００１３】また、請求項２の構成によれば、鍛造また
はロール加工の加工率を、前記傘部フェイスの外周側で
２０〜８０％に設定するとともに、前記傘部フェイスの
内周側で１０〜３０％に設定するので、傘部フェイスの
外周側を内周側よりも高硬度にすることができる。さら
に、請求項３の構成によれば、鍛造またはロール加工の
後に、４００〜７００℃の温度範囲で、１２０〜３００
分の熱処理を施すので、傘部フェイスの硬度をより一層
向上させることができる。さらにまた、請求項４の構成
によれば、素材にＴｉ，Ａｌ，Ｎｂなどの時効硬化元素
を含有させるので、運転中に傘部フェイスの硬度をより
一層向上させることができる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の好適な実施例について添附図面
を参照して詳細に説明する。図１から図９は、本発明に
かかる内燃機関用バルブの製造方法の一実施例を示して
いる。同図に示す製造方法は、図１に実線で示したよう
に、弁棒１と、この弁棒１の先端側に傘部２が一体に形
成されたバルブ３を製造する方法であって、傘部２の背
面側には、首部４に連なり、内燃機関のバルブシートと
当接するフェイス部５が形成されている。

【００１５】本発明の製造方法では、まず、図１に点線
で示すような形状に素材が加工される。このとき使用さ
れる素材は、析出硬化型Ｎｉ基合金であって、例えば、
ＮＣＦ８０ＡやＮＣＦ７５１などが使用される。所定形
状に形成された素材は、図１中の１点鎖線に示す形状に
切削加工され、その後、型にセットされて、鍛造加工が
施される。

【００１６】図１に２点鎖線で示した形状が、鍛造加工
後の状態であって、このときの鍛造加工では、特に、バ
ルブ３のフェイス部５に相当する部分にすべり変形が生
じるようにして行なわれる。つまり、図１にハッチング
で示した部分Ａが、図１に点々で示した部分Ｂに移動す
るように鍛造加工が行なわれる。このときの鍛造加工
は、例えば、室温（２０℃）で行なわれ、鍛造加工の加
工率は、例えば、フェース部５の外周側５ａに相当する
部分で２０〜８０％、フェース部５の内周側５ｂの相当
する部分で１０〜３０％に設定される。

【００１７】この場合の加工率は、鍛造加工前のフェー
ス部５に相当する部分の高さをｈ₀とし、フェース部５
の外周側５ａに相当する部分の加工後の高さをｈ₁、フ
ェース部５の内周側５ｂの相当する部分の加工後の高さ
をｈ₂とすると、（ｈ₀−ｈ₁）／ｈ₀×１００％およ
び（ｈ₀−ｈ₂）／ｈ₀×１００％として求めることが
できる。

【００１８】このような鍛造加工が施されたバルブ中間
品は、その後外周部分に切削加工を施して、図１に実線
で示した最終製品バルブ３に加工される。図２および図
３は、素材としてＮＣＦ８０Ａを用い、フェース部５の
外周側５ａに相当する部分の加工率を約３７％、フェー
ス部５の内周側５ｂの相当する部分の加工を約１２％に
設定し、室温ですべり変形が生じるように鍛造加工した
バルブ完成品の金属組織の拡大写真である。

【００１９】図２は、鍛造加工を施したバルブ完成品の
縦断面のマクロ組織の拡大写真であって、バルブのフェ
イス部となる部分にすべり変形の線が認められる。図３
は、図２の複数の部分のミクロ組織の拡大写真であっ
て、図４に符号１で示したスベリ線に近接した部分の写
真が図３（Ａ）であり、同符号２で示したフェイス部の
表面側に相当する部分の写真が図３（Ｂ）であり、同符
号３で示したスベリ変形に関係しない部分の写真が図３
（Ｃ）である。

【００２０】図３の各写真を見ると明らかなように、す
べり変形に関係しない部分では、緻密で組織的な金属結
晶の結合が認められ、スベリ線に近接した部分では、金
属結晶に乱れが認められ、表面側では、金属結晶が変形
を受けていることが認められる。本発明者らは、このよ
うな金属結晶の変化が硬度を向上させることに寄与して
いるものと推定している。

【００２１】そこで、本発明者らは、上記金属組織写真
を撮影するために試作したバルブ完成品の硬度試験を試
みた。図５に示したものがこの硬度試験の試験結果であ
る。この硬度試験では、同一素材を使用して、スベリ変
形が生じない方法で加工したバルブ完成品についても硬
度試験を行なった。図６は、その硬度試験の結果を示し
ている。

【００２２】この硬度試験では、図５に示すように、バ
ルブ完成品のフェイス部相当部分の中心と、その前後
１．５ｍｍおよび３ｍｍの点にそれぞれ測定点を設定
し、これらの各測定点における表面部および深さが０．
５，１，２，３，４，５ｍｍの点についてビッカース硬
度計で硬度を測定した。図５に示した硬度試験の結果を
見ると、本発明の製造方法では、ビッカース硬度が５０
０以上の測定点が非常に多く認められるが、図６の場合
には、最高値が４００にも達していない。また、図５で
は、硬度パターンは、フェイス部の外周側に相当する部
分が、内周側に相当する部分よりも高くなっているが、
図６ではこのような傾向が認められない。

【００２３】さらに、図５では、フェイス部の外周側に
相当する部分で、表面から深い範囲までビッカース硬度
が５００以上の部分が認められ、内周側に相当する部分
では、ビッカース硬度が５００以上の部分は、比較的浅
い範囲に留まっている。この硬度試験から明らかなよう
に、本発明の製造方法のようにスベリ変形が生じるよう
な鍛造加工を施すと、硬度が大幅に向上することが確認
された。

【００２４】図７〜図９は、上記バルブ中間品（加工率
は同一ではない）に所定の熱処理（時効処理）を施し、
その前後の硬度変化を測定した結果を示している。この
試験では、素材としてＮＣＦ８０Ａと、本出願人が開発
した材料であるＮＭＣ４９０（４０Ｎｉ−２５Ｃｒ−Ｔ
ｉ−Ａｌ−Ｎｂ）とを使用した。また、硬度の測定点
は、図９に示した３点Ｐ_1,Ｐ_2,Ｐ₃とし、これらの各測
定点Ｐ_1,Ｐ_2,Ｐ₃において表面からの距離が６ｍｍの点
までビッカース硬度を測定した。

【００２５】時効処理は、温度を５００℃，６００℃，
７００℃とし、これらの温度条件で５時間処理した。図
７，８において、白抜き○，△，□で示したのが時効処
理前のビッカース硬度であり、黒●，▲，■で示したの
が時効処理後のビッカース硬度である。図７，８の試験
結果を見ると明らかなように、時効処理を施すと、各部
においてビッカース硬度が上昇することが認められ、硬
度アップが最も上昇したのは、ＮＣＦ８０Ａが５００℃
で、ＮＭＣ４９０が６００℃であった。

【００２６】図１０は、すべり変形を生じさせた本発明
のバルブと、一般的に吹き抜け性が最も高いと評価され
ている盛金材料Colmonoy♯６を使用したバルブとをそれ
ぞれ製造し、これらの市場試験を試みた際の試験結果を
示している。この試験では、直径の異なる複数のバルブ
を複数個ずつ製造し、実際に使用される船舶用内燃機関
に装着して、吹き抜けが発生するまでの運転期間を測定
した。

【００２７】図１０において、白抜き○で示したものが
本発明の製造方法で得られたバルブであり、黒●がColm
onoy♯６を盛金したバルブである。この試験結果から明
らかなように、本発明にかかる製造方法で得られたバル
ブは、いずれの径においても約６０００時間を経過して
も全く吹き抜けが認められないが、Colmonoy♯６を盛金
したバルブでは、２０００時間経過の前後において吹き
抜けが発生していて、本発明の製造方法で得られるバル
ブの耐吹き抜け性が大幅に向上することが判る。

【００２８】なお、上記実施例では、スベリ変形を起こ
させる加工手段として、型を使用する鍛造加工を例示し
たが、本発明の実施は、これに限定されることはなく、
例えば、ロール加工によってスベリ変形を起こさせても
上記実施例と同等の作用効果が得られる。

【００２９】

【発明の効果】以上、実施例で詳細に説明したように、
本発明にかかる内燃機関用バルブの製造方法によれば、
傘部フェースの硬度が大幅に向上するので、燃焼残渣に
よる圧痕が非常に付き難くなり、耐吹き抜け性が向上す
ると同時に、耐磨耗性も大きく向上する。

【００３０】また、請求項２の構成によれば、傘部フェ
ースの外周側と内周側との加工率を変えることにより、
硬度バランスを任意に設定することができるとともに、
外周側の加工率を内周側よりも高くすると、外周側で硬
度が高くなって、圧痕が非常に発生し難くなるととも
に、内周側の靱性を高く保つことができるので、欠損事
故も低減できる。

【００３１】さらに、請求項３の構成によれば、すべり
変形を生じさせる鍛造またはロール加工により硬度を向
上させた上に、時効処理によりさらに硬度が向上するの
で、耐磨耗性や耐吹き抜け性をより一層顕著に改善する
ことができる。またさらに、請求項４の構成によれば、
運転中においてより一層の硬度アップが図れるので、バ
ルブ寿命を延長することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる内燃機関用バルブの製造方法の
一実施例の加工過程を示す説明図である。

【図２】本発明の製造方法ですべり変形を発生させた状
態の金属組織の図面代用拡大写真である。

【図３】図２の要部における金属組織の図面代用拡大写
真である。

【図４】図３の図面代用拡大写真の撮影箇所の説明図で
ある。

【図５】本発明の製造方法ですべり変形を発生させた状
態での硬度試験の測定結果を示す説明図である。

【図６】スベリ変形を発生させないで加工した状態での
硬度試験の測定結果を示す説明図である。

【図７】本発明の製造方法ですべり変形を発生させた後
に、熱処理を施した場合の、熱処理の前後における硬度
試験の測定結果を示す説明図である。

【図８】本発明の製造方法で図６に示したものと別の材
料ですべり変形を発生させた後に、熱処理を施した場合
の、熱処理の前後における硬度試験の測定結果を示す説
明図である。

【図９】図６，７に示した硬度試験の測定点の説明図で
ある。

【図１０】本発明の製造方法で得られたバルブと、従来
の製造方法で得られたバルブとを市場試験した時の耐吹
き抜け性の試験結果を示すグラブである。

【符号の説明】

１弁棒２傘部３バルブ５フェース部５ａフェース部外径側５ｂフェース部内径側

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】析出硬化型Ｎｉ基合金を素材として使用
し、この素材に２０〜５００℃の温度範囲内で、傘部フ
ェイスにスベリ変形が生じる鍛造またはロール加工を施
すことを特徴とする内燃機関用バルブの製造方法。
【請求項２】前記鍛造またはロール加工の加工率を、
前記傘部フェイスの外周側で２０〜８０％に設定すると
ともに、前記傘部フェイスの内周側で１０〜３０％に設
定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関用バル
ブの製造方法。
【請求項３】前記鍛造またはロール加工の後に、４０
０〜７００℃の温度範囲で、１２０〜３００分の熱処理
を施すことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機
関用バルブの製造方法。
【請求項４】前記素材にＴｉ，Ａｌ，Ｎｂなどの時効
硬化元素を含有させることを特徴とする請求項１から３
のいずれか１項記載の内燃機関用バルブの製造方法。