JPS63128122A - 固溶化熱処理したポペット弁とその製造方法 - 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】 （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１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ゃすく、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、　１
９８５年ｌＯ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
分を細かい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４５４７２２１１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
織がもつと一貫することと、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１例えばＡ３７Ｍ７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、高温でのクリープ
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Ａ３７Ｍ７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Ａ３７Ｍ２から５の
範囲内である。

本発明モは、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、弁のヘッドの固溶化熱処理と、低
温での靭性及び高温での硬さのために、弁の心棒及び座
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れかるように、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０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、ｌＮＣ０
ＬＥＬ、ＷＡＳＰＡＬＬＯＹ。

及びＮＩＭＯＮＩＣ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、Ｓ置ＬＩＴＥ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詳細な説明する。

第１図において参照番号ｌＯは１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０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ｌＯの高速選択固溶化熱処理は、上述の米国特許第４
５４７２２９号で開示されているように、放射熱の炉内
で行われる０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℃から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本だけ描いであるキャリアチュ
ーブを、参照番号１８で示した。キャリアチューブ１８
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
はそれらの同等物である。

例としては、主として鉄４５％、ニッケル３６％、クロ
ム１９％、炭素的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
と納まるようにしである・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１８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０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、＃９？Ｊ
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、転移部分が存在する。

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Ａ３７Ｍ７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１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０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
ドでの最適高温特性と、弁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。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）鍛造されたヘッド（１２）と、鍛造された心棒（
   １１）とから構成される、固溶化熱処理されたポペット
   弁（１０）であって、前記ヘッドが心棒と離れた方向に
   向いている燃焼面（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上
   に形成された座面（１４）を備えていて、前記の弁がさ
   らに、 （ｉ）低温度での靭性及び耐摩耗性用に心棒（１１）を
   細かい粒度にすること、 （ｉｉ）高温度でのクリープ及び疲れ強さ用に燃焼面（
   １３）に近い部分のヘッド（１２）を粗い粒度にするこ
   と、 （ｉｉｉ）燃焼面（１３）に近い部分の粗い粒度と、心
   棒（１１）の細かい粒度との間のヘッド（１２）におけ
   る転移部分と、そして、 （ｉｖ）高温度での硬さ及び耐食性用に、座面（１４）
   に近いヘッド（１２）の一部分を細かい粒度にする有効
   な固溶化熱処理中に、そこに課される条件によってミク
   ロ組織が与えられることを特徴とする、ポペット弁。
2. （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。
3. （３）固溶化熱処理の間に課される条件が、心棒（１１
   ）の周囲に熱シールド部材（１５）を与えることを含ん
   でいて、該熱シールド部材（１５）が心棒（１１）を固
   溶化熱処理の温度から保護し、これによりその鍛造され
   た粒度を保持するようにし、かつ、熱伝導部材（１６）
   が座面（１４）に接触し、燃焼面が固溶化熱処理温度に
   さらされている間、座面（１４）近くのヘッドの一部分
   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にした、特許請求の範囲第１項に記
   載の弁。
4. （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（
   １４）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（１３）には燃焼面（１３）近くの粗
   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。
5. （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。
6. （６）熱シールド部材（１５）とヒートシンク（１６）
   が共に、熱伝導材料から作られたキャリアチューブによ
   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。