JPS61110716A - 内燃機関用溶接弁の熱処理および表面硬化法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ１発明の目的 （１）産業上の利用分野 本発明は、排気弁および吸気弁として用いられる内燃機
関用溶接弁、特に傘部およびその傘部に連設される主軸
部を備えた弁本体と、主軸部に溶接される軸端部とより
なる溶接弁の熱処理および表面硬化法に関する。

（２）従来の技術 従来、前記弁本体はＮＩＭＯＮＩＣ９０のようなＮｉ基
耐熱合金より構成され、また軸端部は５ＵＨＩ、５ＵＨ
３，５ｔＪＨ１１のような鋼より構成される。

そして、弁本体の強度を向上させるために、熱処理とし
て１０５０℃にて２０分間保持する溶体化処理と７５０
°Ｃにて４時間保持する時効処理が行われ、また軸端部
の靭性を向上させると共に高硬度を確保するために、熱
処理として８１５〜８２０℃にて２０分間保持する溶体
化処理と４８０℃にて３時間保持する時効処理が行われ
る。

さらに溶接弁、特に軸端部の表面硬度を向上させるため
に溶接弁にはタフトライド処理が施される。

（３）発明が解決しようとする問題点 しかしながら、溶接弁に前記熱処理を施すと、軸端部の
溶体化処理処理温度が８１５〜８２０°Ｃと高いため弁
本体に過熱組織が生成され、その強度および靭性が劣化
するという問題がある。また軸端部の時効処理温度が４
８０℃と低いので、タフトライド処理を前記時効処理と
は別工程で行わなければならず、熱量の損失、作業工数
の増加等を招来し溶接弁の製造コストが嵩むといった問
題もある。

本発明は上記に鑑み、弁本体および軸端部の構成材料と
して特定のものを選定し、これにより弁本体と軸端部の
特定の熱処理を同一工程で行い、また軸端部の最終熱処
理と溶接弁全体の表面硬化処理とを同一工程で行うよう
にして前記従来の諸問題を解決し得るようにした前記熱
処理および表面硬化法を提供することを目的とする。

Ｂ１発明の構成 （１）問題点を解決するための手段 本発明は、傘部および該傘部に連設される主軸部を備え
、Ｎｉ基耐熱合金より構成される弁本体と；前記主軸部
に溶接され、高硬度高靭性の鋼より構成される軸端部と
；よりなる内燃機関用溶接弁の熱処理および表面硬化法
であって、前記溶接弁を１０００〜１１５０℃にて１０
〜４０分間保持して前記弁本体に溶体化処理を施す第１
工程と、前記溶接弁を７３０〜８００℃にて３〜８時間
保持して前記弁本体に時効処理を施すと同時に前記軸端
部に溶体化処理を施す第２工程と、前記溶接弁を５００
〜５５０℃にて２〜３時間保持して前記軸端部に第１時
効処理を施す第３工程と、前記溶接弁を５００〜５３０
℃にて２〜３時間タフトライド用塩浴に保持して前記軸
端部に第２時効処理を施すと同時に前記弁本体および軸
端部に表面硬化処理を施す第４工程とを用いることを特
徴とする。

（２）作　用 前記第１〜第４工程における温度等の限定理由について
は以下の通りである。

弁本体の溶体化処理を行う第１工程においては、加熱温
度が１０００℃を下回ると、温度が低いため未固溶の析
出物が残り時効処理後の硬度が不安定となる。また加熱
温度が１１５０℃を上回ると弁本体および軸端部の結晶
粒度が粗大化し靭性の低下を招くと同時に時効処理時間
を長くしないと十分な硬さが得られないため不経済であ
る。

前記の各点を考慮して加熱温度を１０００〜１１５０℃
、その温度における保持時間を１０〜４０分間に設定す
ることにより弁本体の溶体化処理が確実に行われる。

弁本体の時効処理および軸端部の溶体化処理を行う第２
工程においては加熱温度が７３０℃を下回ると弁本体の
時効処理が不充分であり、また８００℃を上回ると、弁
本体に過熱組織が生成されて高温強度および靭性が低下
する。

軸端部は、一般的には８２０℃以上で固溶化される材質
であるが、７３０〜８００℃の加熱温度範囲においても
溶体化処理され、時効処理後において実用上十分な硬さ
および高温強度が得られる。

したがって加熱温度を７３０〜８００℃、その温度にお
ける保持時間を３〜８時間に設定することにより弁本体
の時効処理および軸端部の溶体化処理が確実に行われる
。

軸端部の第１時効処理を行う第３工程においては、軸端
部に過熱組織が生成しない範囲で加熱温度を高（設定し
、次のタフトライド処理時のひずみを防止するのが望ま
しい。このためには加熱温度を５００〜５５０℃に設定
する必要がある。軸端部は、一般的には４５０〜５２０
℃で時効処理を施される材質であるが、５００〜５５０
℃の温度範囲においても処理時間を２〜３時間に設定す
ることにより過熱組織の生成を回避して実用上十分な靭
性が得られる。

軸端部の第２時効処理を行うと同時に弁本体および軸端
部の表面硬化処理を行う第４工程においては、加熱温度
を５００〜５３０℃に設定し、また加熱時間を２〜３時
間に設定することにより前記両処理が確実に行われる。

タフトライド処理は一般的には加熱温度５７０〜５８０
℃の範囲で行われるが、この範囲で処理すると軸端部に
過熱組織が生成されてその軸端部の高温強度および靭性
が低下する。

このようにタフトライド処理と同時に軸端部の第２時効
処理を行うと、前記第３工程の処理時間を短縮すること
ができるので経済的である。

（３）実施例 前記弁本体を構成するＮｉ基耐熱合金としては、Ｃ０，
０１〜０．１５重量％、Ｓｉ２．０重量％以下、Ｍｎ２
．５重量％以下、Ｃｒ　１４〜２５重量％、Ｔｉ１．５
〜３．０重量％、Ａβ　０．４〜２゜０重量％、Ｆｅ　
　１０重量％以下および不可避不純物を含有するＮｉ合
金、および前記合金にさらにＧｏ１５〜２１重量％また
はＮｂ＋Ｔａ　　０゜５〜１．５重量％を添加したＮｉ
合金が該当する。

前記耐熱合金における各添加元素の果たす役割およびそ
の添加量の限定理由は以下の通りである。

（ａｌ　　Ｃについて Ｃは、ＣｒおよびＴｉと結合して炭化物を形成し、これ
により高温強度を高める効果を有する。

ただし、０．０１重量％を下回ると前記効果が得られず
、また０、１５重債務を上回ると高温強度、高温下にお
ける靭性および延性が劣化する。

ｆｂｌｓｉについて Ｓｉは脱酸元素として必要であるが、２．０重量％を上
回ると高温強度、高温下における靭性および延性が劣化
する。

（ｃ）Ｍｎについて ＭｎはＳｉ同様脱酸元素として必要であるが、２．５重
量％を上回ると耐酸化性および高温強度が低下する。

（ｄ）Ｃｒについて Ｃｒは高温下における耐酸化性および耐食性を維持する
効果を有する。ただし、１４重量％を下回ると前記効果
が得られず、また２５重貴簡を上回るとオーステナイト
相が不安定となりη相等の析出により高温強度および高
温下における靭性が低下する。

（ｅｌＴｉはγ′相（Ｎｉ：＋　　（Ａ７！Ｔｉ））の
主形成元素であり、このγ′相の形成により高温強度を
維持する効果を有する。ただし、１．５重量％を下回る
とγ′相の析出が少ないので前記強度を得ることができ
ず、また３、０重量％を上回るとη相（Ｎ　ｉ　ｚ　Ｔ
　ｉ　）が析出して前記強度が低下する。

１ｆ）Ａｆｆｉについて ｆｉｌはＴｉ同様γ′相の主形成元素である。ただし、
０．４重量％を下回るとγ′相が不安定となり、η相が
析出して高温強度および高温下における靭性の低下を招
来し、また２、０重量％を上回るとγ′相とマトリック
スとの整合性が高まって整合量が減少し十分な高温強度
が得られず、その上熱間鍛造性および熱間圧延性も低下
する。

（幻　Ｆｅについて ＦｅはＮｉの一部を置換して経済性を高め、また添加元
素をフェロアロイとして添加するために必要である。た
だし、１０重量％を上回ると高温強度および靭性が低下
し、またＴ相が不安定となり、η相等が析出するので好
ましくない。

（ｈｌｃｏについて Ｃｏは耐ｐｂｏ性を劣化させることなく高温強度を高め
ると共に時効硬化を促進する効果を有する。ただし、１
５重量％を下回ると前記効果が得られず、また２１重量
％を上回っても前記効果の向上が少なく、その上Ｃｏは
比重が８．９と大きいため弁本体が重くなり、また経済
性の面からも不利である。

（１）　　Ｎ　ｂ　＋　Ｔ　ａについてＮｂは炭化物や
γ′相を形成して高温強度を高める効果を有する。ただ
し、０．５重量％を下回ると前記効果が得られず、また
１、５重量％を上回るとσ相（Ｎ　ｉ　３　Ｎ　ｂ）や
ラベス相（ＮｂＦｅ２）が析出して高温長時間における
耐久性（相の安定性）、高温強度および高温下における
靭性がそれぞれ低下し、その上耐食耐酸化性が劣化する
と共に不経済でもある。

前記軸端部を構成する高硬度高靭性の鋼としては、Ｃ０
，０３重量％以下、Ｎｉ　　１２〜２０重量％、Ｍｏ３
．８〜５．２重量％、ＴｉＯ，１〜０゜８重量％、ＡＮ
ｏ、０５〜０．１５重量％、００７〜９．５重量％およ
び不可避不純物を含有する鋼が該当する。

前記網における各添加元素の果たす役割およびその添加
量の限定理由は以下の通りである。

（ａｌ　　Ｃについて Ｃは溶体化処理によりマトリックスをマルテンサイト化
し高温強度を高める効果を有する。ただし、０．０３重
量％を上回るとＴｉ等と結合して炭化物の量が増大しマ
トリックスの靭性が低下する。

（ｂ）Ｎｉについて Ｎｉは靭性を向上させると共に時効処理によりＮ１３Ｍ
ｏおよびγ′相（Ｎｉｚ　　（Ａ／Ｔｉ））を析出させ
て高温強度を付与する効果がある。ただし、１２重量％
を下回ると、Ｎｉが析出物により消費されてマトリック
スへの固溶が少なくなり十分な靭性が得られず、同時に
析出物の量も少ないため高温強度が不足する。また２０
重量％を上回るとＭｓ点が低下して溶体化処理により殆
どオーステナイトとなるため高温強度を高めるためには
さらに複雑な熱処理が必要となる。その上、Ｎｉは高価
であるから経済性の面からも不利である。

（ｃ）Ｍｏについて ＭｏはＮｉと結合し、′時効処理後マトリックスとして
のマルテンサイトにＮ１３Ｍｏを析出して高温強度を高
める効果を有する。ただし、３．８重量％を下回ると、
Ｎｉ、Ｍｏの析出量が少な（十分な高温強度を得ること
ができない。また５、２重量％を上回ると、時効処理に
よりＦｅ、Ｍｏが析出して靭性が低下し、その上経済性
の面からも不利である。

（ｄ）Ｔｉについて ＴｉはＴ′相の主形成元素であり、高温強度を維持する
効果がある。ただし、０．１重量％を下回るとγ′相の
析出量が少な（十分な高温強度を得ることができない。

また０、８重量％を上回るとη相の析出量が多くなり、
高温強度および靭性が劣化し、その上加工性が低下する
。

（ｅ）Ａｌについて ＡｌはＴｉ同様Ｔ′相の主形成要素である。ただし、０
．０５重量％を下回るとγ′相が不安定となりη相が析
出して靭性が低下する。また０、１５重量％を上回ると
Ｔ′相とマトリックスとの整合性が高まって整合量が減
少し十分な高温強度が得られず、その上加工性が低下す
る。

（ｆ）Ｃｏについて ＣｏはＮｉとＭｏの結合によるＮｉ、Ｍｏの析出を促進
し、またＭｓ点を上げて熱処理を単純化する効果を有す
る。ただし、７重量％を下回るとＮ１３Ｍｏの析出促進
効果が少なく十分な高温強度が得られない。また９、５
重量％を上回っても、前記効果の向上が少なく、その上
経済性の面でも不利である。

第１図において、溶接弁としての排気弁ｌは傘部３およ
びその傘部３に連設される主軸部４より構成される弁本
体２と、その主軸部４に摩擦溶接等により溶接される軸
端部５とよりなる。弁本体２には傘部３の端面より軸端
部５の端部近傍に延びる盲孔６が形成され、その盲孔６
の開口部６ａは傘部３に溶接した栓体７により閉鎖され
る。盲孔６内には、必要に応じてＮａ等の熱伝導性の良
好な熱媒体が封入される。

第２図は、排気弁１を内燃機関Ｅに組込んだ状態を示し
、８は弁座部材、９はカム軸、１０は排気ポートである
。

このように排気弁１を中空に構成すると、その弁１の軽
量化が図られ、内燃機関の出力を向上させる工に有効で
ある。

下表は、弁本体２を構成するＮｉ基耐熱合金Ｉ。

■、■の組成を示す。なお残部はＮｉおよび不可避不純
物であり、また各数値の単位は重量％である。

軸端部５を構成する鋼は、Ｃ０，０２重量％、Ｎｉ　　
１８．５重量％、Ｍｏ４．９重量％、Ｔｉ０．７５重量
％、Ａｚｏ、１０重量％、Ｃｏ　９．０重量％および残
部がＦｅおよび不可避不純物よりなる組成を有する。

栓体７を構成するＮｉ合金は、Ｃｒ２３．０重量％、Ａ
ｆｆｉ　　１．３５重量％、Ｆｅ１４．０重量％および
残部がＮｉおよび不可避不純物よりなる組成を有する。

次に排気弁１の製造、熱処理および表面硬化法について
説明する。

前記表のＮｉ基耐熱合金Ｉより中実棒状をなす弁本体素
材と前記鋼より同様の形状を有する軸端部素材を形成し
て両者を摩擦溶接により接合する。

弁本体素材の傘部３を成形する部位にアブセント加工を
施した後熱間鍛造により弁本体２および軸端部５を所定
の形状に成形する。

弁本体２および軸端部５を１０５０℃にて２０分間加熱
し、その後空冷して弁本体２に溶体化処理を施す。

弁本体２および軸端部５を７８０℃にて４時間加熱し、
その後空冷して弁本体２に時効処理を施すと同時に軸端
部５に溶体化処理を施す。これにより弁本体２の硬度は
ＨＲＣ≧２５となる。

弁本体２および軸端部５に、傘部３端面より軸端部５の
端部近傍に至る盲孔６を形成する。

必要に応じて盲孔６に熱媒体を封入した後、前記Ｎ１合
金よりなる栓体７を傘部３に電子ビーム溶接、摩擦溶接
等の溶接手段により溶接して盲孔６を閉鎖する。

弁本体２および軸端部５を５３０℃にて２時間加熱し、
その後空冷して軸端部５に第１時効処理を施す。

弁本体２および軸端部５を５１５±５℃のタフトライド
用塩浴に入れて２時間半加熱し、軸端部５に第２時効処
理を施すと同時に弁本体２および軸端部５に表面硬化処
理を施す。

前記表のＮｉ基耐熱合金■、■を用いて前記同様の工程
を経て排気弁を得る。

前記工程を経て得られたＮｉ基耐熱合金ｒ、　　ｎを用
いた排気弁１における弁本体２の硬度はＨ。

Ｃ３０、また軸端部５の硬度はＨＲＣ５０である。さら
に軸端部５のシャルピー衝撃値は３．５〜５ｋｇｍ／ｄ
である。さらにまた前記表のＮｉ基耐熱合金■を用いた
場合、弁本体２の硬度はＨＲＣ３５が確保され、ステラ
イト盛金等の後処理が不要となる。

このように軸端部５は高硬度であるため優れた耐摩耗性
と高温強度を有し耐久性に優れている。

また軸端部５は前記衝撃値より明らかなように高い靭性
を有するので割れ等の欠陥を生じることがない。

さらに弁本体２と軸端部５との溶接部の引張強度を引張
試験機を用いて測定したところ、９０ｋｇ／ｆ１２が確
保されており、排気弁として実用性を有することが認め
られる。

比較のため、排気弁を前記Ｎｉ基耐熱合金のみにより構
成し、それに前記熱処理および表面硬化処理を施したも
のの硬度は前記弁本体と同様ＨＲＣ３０であるため強度
上問題があり、特にコック溝、軸端面等の耐摩耗性が低
いことが確認された。

またＮｉ基耐熱合金は非常に高価であるため、その合金
より排気弁全体を構成することは不経済であるが、本発
明のように軸端部を鋼より構成すると経済的である。

Ｃ０発明の効果 本発明によれば、弁本体をＮｉ基耐熱合金より構成し、
また軸端部を高硬度高靭性の鋼より構成することにより
、弁本体の時効処理と同時に軸端部の溶体化処理を同一
の工程で行い、また軸端部の第２時効処理とタフトライ
ドによる表面硬化処理を同一の工程で行うことが可能と
なり、これにより熱処理工程および表面硬化処理工程に
おける経済性を良好にして溶接弁の製造コストを低減す
ることができる。また軸端部に優れた耐摩耗性および強
度を保持させてその耐久性を向上させると共に高い靭性
を保持させて割れ等の欠陥の発生を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象となる排気弁の要部を縦断した正
面図、第２図は排気弁を組込んだ内燃機関の縦断正面図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 傘部および該傘部に連設される主軸部を備え、Ｎｉ基耐
   熱合金より構成される弁本体と；前記主軸部に溶接され
   、高硬度高靭性の鋼より構成される軸端部と；よりなる
   内燃機関用溶接弁の熱処理および表面硬化法であって、
   前記溶接弁を１０００〜１１５０℃にて１０〜４０分間
   保持して前記弁本体に溶体化処理を施す第１工程と、前
   記溶接弁を７３０〜８００℃にて３〜８時間保持して前
   記弁本体に時効処理を施すと同時に前記軸端部に溶体化
   処理を施す第２工程と、前記溶接弁を５００〜５５０℃
   にて２〜３時間保持して前記軸端部に第１時効処理を施
   す第３工程と、前記溶接弁を５００〜５３０℃にて２〜
   ３時間タフトライド用塩浴に保持して前記軸端部に第２
   時効処理を施すと同時に前記弁本体および軸端部に表面
   硬化処理を施す第４工程と、よりなる内燃機関用溶接弁
   の熱処理および表面硬化法。