JPWO2007057946A1 - 冷媒入り中空ポペットバルブおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

使用時に、バルブ各部に生じる温度分布を考慮して、高温にさらされるバルブ部位の疲労強度とクリープ強度の低下が設計基準の許容範囲内に収まり、併せて、他のバルブ部位における要求特性を考慮して、耐摩耗性と強度を保持した冷媒入り中空ポペットバルブ及びその製造方法を提供する。従って、円筒形状の軸部１２及び軸部１２の他端にフレア状に開口するフィレット状の首部１４のビッカーズ硬度がそれぞれ、略２５０Ｈｖ以上３５０Ｈｖ以下及び略３５０Ｈｖ以上となるような冷間絞り成形工程及び中間焼鈍工程を行い、前記開口部外周におけるフェース部１５のビッカーズ硬度が３８０Ｈｖ以上となるように冷間プレス成型を行い、各部位の要求特性に応じた耐高温性、耐摩耗性、強度の向上が図られた。【図７】

Description

本発明は、バルブの使用条件に応じて、耐熱性、耐摩耗性及び強度を向上させた冷媒入り中空ポペットバルブおよびその製造方法に関する技術を提供するものである。特に、円筒形状のステム部の一端に一体に形成されているフィレット領域にキャップが溶接により一体化された中空ポペットバルブおよびその製造方法に関する技術を提供するものである。

この種の従来技術としては、下記特許文献１に示すものが知られている。従来の中空ポペットバルブの先端部は、図８に示すように、Ｇ領域に該当する円柱形状のステム部の上方に位置するフィレット領域の開口縁部を厚肉にし、キャップとの溶接部Ａをフェース面１５０から離間した厚肉部内側に設けている。従って、溶接後のフェース面１５０（図８のＥ領域：３００から３４９ＨＶ）のビッカーズ硬度が、溶接熱の影響により低下したとみられるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各領域と比べて高く維持されることにより、フェース面１５０に対し、シリンダ側との繰り返し接触する時（バルブの開閉動作時）において十分な密着性を保持し得るだけの耐摩耗性が付加されるものとしている。

以上のとおり従来技術は、フェース面１５０の硬度を出来るだけ高く維持しつつ、併せてフィレット領域１４０（図８のＦ領域：３５０ＨＶから３９９ＨＶ）を始めとするバルブの他の部位についても、硬度を出来るだけ高くすることにより、疲労強度及びクリープ強度等を保持できるものと考えていた。
国際公開ＷＯ００／４７８７６号公報

しかし、本願発明者が、実際に使用した際の中空ポペットバルブにおける強度を測定し検討したところ、図９及び図１０からフィレット領域１４０等、高温にさらされる部位は、加工によってなされた硬度により、疲労強度及びクリープ強度が低下するおそれがあることが判った。

図９は、中空ポペットバルブに使用するオーステナイト系ステンレス鋼素材を、３種類（ビッカーズ硬度１５１，３１６，３８０ＨＶ）の硬度に冷間加工し、異なる温度条件下（横軸）及び１千万サイクル使用下で試験を行い、疲労強度（縦軸）の変化を示した試験結果である。また、図１０は、図９と同素材のバルブについて、６００℃温度下で試験した際の時間経過（横軸：ラーソンミラーパラメータ値）に対するクリープ強度（縦軸）の変化を、図９と同じく３種類の硬度に冷間加工したものに基づいて示したものである。

図９によると、バルブ素材の疲労強度は、硬度を上げるほど向上し、常温（２５℃）から４００℃の間で使用した場合における疲労強度が低下する割合は、どの硬度についても比較的なだらかと考えられる。しかし、４００℃以上の温度で使用した場合、素材の疲労強度が低下する割合は、硬度１５１ＨＶ及び３１６ＨＶに比べ、一番硬い３８０ＨＶが極端に大きくなっていることが判る。

即ち、硬度３８０ＨＶとした場合には、４００℃以上の温度下で使用した場合に疲労強度が急激に低下し、６００℃においては、硬度３１６ＨＶの疲労強度を大きく下回り、硬度１５１ＨＶと大差無い疲労強度まで低下することが判る。

一方図９によると、バルブ素材のクリープ強度についても、硬度３８０ＨＶとして６００℃で使用した場合には、時間の経過につれ、硬度１５１及び３１６ＨＶの部位と比べて大幅に低下することが判る。尚、硬度３８０ＨＶとし６００℃で使用した場合における疲労強度およびクリープ強度が大幅に低下する理由は、硬度３８０ＨＶに加工することで加工後の組織が再結晶変態するためと想定される。

従って、フィレット領域１４、即ちバルブの首部は、５００℃を超える高温下におけるバルブの開閉動作時に、バルブのフェース面１５０が、シリンダ側シート面に繰り返し当接することにより、前記首部が引っ張り負荷を受けることが想定されるため、冷間加工により加工硬度が上がりすぎた場合には、使用時に必要とされる疲労強度及びクリープ強度が維持できず、破断等の問題が発生する恐れがあると言える。

一方、首部の下方に連続する、図８のＧ領域に該当するステム部、即ち円柱形状の軸部は、首部と同様にシリンダ側から繰り返し引っ張り負荷を受け、かつガイド部に対して摺動する部位でもあるため、首部と一律の硬度に加工した場合には、負荷に対して必要な疲労強度と摺動に対する耐摩耗性が保持出来ない点で問題がある。

更に、シリンダ側のシート面に当接するフェース面１５は、シート面との当接に際して密着性を確保する必要性が有るため、首部より高く加工しなければ、密着性確保に必要な耐摩耗性を保持出来ない点で問題となる。

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、冷間加工と熱処理により、バルブ各部位の使用特性を考慮して、高温高サイクル使用下での所定の疲労強度及び高温使用下でのクリープ強度を保持したフィレット領域（首部）を備えた冷媒入り中空ポペットバルブおよびその製造方法を提供し、それに加えて、所定の疲労強度と耐摩耗性を保持したステム部（軸部）、又は所定の耐摩耗性を備えたフェース面（部）を備えた冷媒入り中空ポペットバルブおよびその製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、請求の範囲第１項に係る中空ポペットバルブにおいては、素材をカップ型に成形し、前記カップ型成形品の開口縁部を厚肉状に成形する、冷間プレス成形工程と、前記カップ型成形品を軟化させる中間焼鈍工程と、前記カップ型成形品の前記開口端にフレア状に開口する首部を形成し、前記首部と一体として円筒形状の軸部を形成し、前記厚肉状の開口縁部外周にテーパー形状のフェース部を形成する冷間絞り成形工程を経ることで、各部が異なる硬度とされた、冷媒入り中空ポペットバルブであって、前記首部のビッカース硬度を略２５０ＨＶ以上３５０ＨＶ以下としたものである。

（作用）首部は、略２５０ＨＶ以上３５０ＨＶ以下の硬さに抑えられているため、高温下で硬度３８０ＨＶとして使用した場合に生じるような再結晶変態をすることが無い。従って、図９及び図１０における３８０ＨＶの線が示すような疲労強度及びクリープ強度の著しい低下が無く、高温かつ高サイクル下で使用されても、後述する図５に示すとおり、必要とされる疲労強度及び高温下の使用で必要とされるクリープ強度が保持される。

また、請求の範囲第２項においては、請求項１の冷媒入り中空ポペットバルブについて、前記軸部のビッカース硬度を略３５０ＨＶ以上としたものである。

（作用）首部に比べ比較的高温にさらされにくい軸部の硬さを略３５０ＨＶ以上にすることにより、バルブとシリンダ側との繰り返し接触に対して必要な疲労強度が保持され、かつガイドとの摺動に対して必要な耐摩耗性が保持される。

また、請求の範囲第３項においては、請求項１又は２の冷媒入り中空ポペットバルブについて、前記テーパー形状のフェース部の表層部のビッカース硬度を略３８０ＨＶ以上としたものである。

（作用）フェース部の表層部の型さを略３８０ＨＶ以上にすることにより、シリンダ側のシート面との密着性の確保に必要な耐摩耗性が保持される。

また、請求の範囲第４項においては、素材をカップ型に成形し、前記カップ型成形品の開口縁部を厚肉状に成形する、冷間プレス成形工程と、前記カップ型成形品を軟化させる中間焼鈍工程と、前記カップ型成形品の前記開口端にフレア状に開口する首部を形成し、前記首部と一体として円筒形状の軸部を形成し、前記厚肉状の開口縁部外周にテーパー形状のフェース部を形成する冷間絞り成形工程と、を備えた冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法であって、前記冷間絞り成形工程開始前に少なくとも１回の中間焼鈍工程を行い、必要に応じて前記冷間絞り成形工程の途中に適宜回数の中間焼鈍工程を行うことで、前記首部のビッカース硬度を略２５０ＨＶ以上３５０ＨＶ以下にすることとした。

（作用）前記冷間絞り成形工程前と適宜途中で行われる中間焼鈍工程により、首部において、高温かつ高サイクル下の使用において必要とされる疲労強度と、高温下の使用で必要とされるクリープ強度とが保持された請求項１の冷媒入り中空ポペットバルブが製造できる。

また、請求の範囲第５項においては、請求項４の冷媒入り中空ポペットバルブについて、前記冷間絞り成形工程により、前記軸部のビッカーズ硬度を略３５０ＨＶ以上にすることとした。

（作用）前記冷間絞り成形工程により、軸部において、バルブとシリンダ側との繰り返し接触に対して必要な疲労強度が保持され、かつガイドとの摺動に対して必要な耐摩耗性が保持された請求項２の冷媒入り中空ポペットバルブが製造できる。

また、請求の範囲第６項においては、請求項４又は５の冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法について、前記冷間絞り成形工程後の冷間鍛造工程により、前記フェース部の表層部のビッカーズ硬度を略３８０ＨＶ以上にすることとした。

（作用）かかる冷間加工によりフェース部において、シリンダ側のシート面との密着性の確保に必要な耐摩耗性が保持された冷媒入り中空ポペットバルブが製造できる。

請求項１によれば、本発明に係る冷媒入り中空ポペットバルブは、冷間絞り加工と中間焼鈍工程により、首部を高温高サイクル下で使用しても必要な疲労強度及びクリープ強度を保持し、破断のおそれがないため、シリンダ内部が高温となるエンジンへの使用に適している、
請求項２によれば、軸部が必要な疲労強度と磨耗強度を保持するため、シリンダ側との接触による繰り返しの負荷及びガイドとの摺動で生じる摩擦に対する高強度化を達成できる。

請求項３によれば、フェース部が必要な磨耗強度を保持するため、シリンダ側のシートとの接触の繰り返しに際して高い密着性が維持できる。

請求項４によれば、発明に係る冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法は、シリンダ内部が高温となるエンジンへの使用に適した冷媒入り中空ポペットバルブを製造できる。

また、繰り返しの引張り負荷及び磨耗に強い軸部を備えたバルブを製造できる。

請求項５によれば、シリンダ側との接触による繰り返しの負荷及びガイドとの摺動で生じる摩擦に強い軸部を備えたバルブを製造できる。

請求項６によれば、繰り返しの接触においてシリンダ側シートとの密着性が高く維持されたフェース部を備えたバルブを製造できる。

図１は、本発明の一実施例である冷媒入り中空ポペットバルブの一部破断正面図、図２は、キャップ溶接部周辺の拡大断面図、図３は、同中空ポペットバルブの製造工程を示す図、図４は、製造工程中の冷間絞り成形工程を示す図、図５は、冷間圧延材の疲労試験結果から首部の硬度と高温下使用時における疲労強度の変化を示す図、図６は、軸部の硬度と所定温度下使用時における疲労強度の変化を示す図、図７は、試作品の軸部、首部及びフェース部の硬度を測定した結果を示す図、図８は、従来技術におけるキャップ溶接部周辺の拡大断面図、図９は、バルブに使用する冷間加工材の疲労試験の結果を示す図、図１０は、バルブに使用する冷間加工材のクリープ試験の結果を示す図である。

次に、本発明の実施の形態を、図１から図１０を参照して、実施例に基づいて説明する。

本発明の一実施例である中空ポペットバルブの一部破断正面図である図１、キャップ溶接部周辺の拡大断面図である図２において、符号１０は、中空のポペットバルブで、下端部が閉塞された円筒形状の軸部１２の上端部にフレア状に開口する首部１４が一体に形成されている。軸部１２は、首部１４を除いてほぼ均一の厚さに形成され、首部１４は、開口縁部側（図１の上方）ほど徐々に厚くなるように形成されている。前記開口縁部には厚肉部３０が設けられ、その外周にはフェース部１５が形成され、キャップ溶接熱の影響が及ばないように構成されている。

また首部１４の開口縁部には、円盤状のキャップ１６が溶接により一体化された構造となっている。尚、符号１８は、軸部１２の下端部外周に設けられたコッタ溝で、符号１９は、軸部１２の下端部に設けられたチップ部である。

尚、バルブの素材には、例えば、ＳＵＳ３０５やＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼等を使用することが考えられる。また冷媒には、例えば、カリウムナトリウム合金等の液体金属を使用することが考えられる。冷媒は、チップ部１９を切断等により取り外し、加工後のバルブ内部へ充填した上で別のチップ１９を溶接等することで蓋をする。冷媒は、首部１４の熱をチップ部１９側へ伝導するとともに、バルブの軽量化に寄与する。

次に、この実施例に示す中空ポペットバルブ１０の製造工程を、図３に基づいて説明する。

まず、同中空ポペットバルブの製造工程を示す図３の（ａ）、（ｂ）に示すように、素材であるブランク材Ｗ_１を冷間プレスによりカップ型に成形する。なお、この冷間プレス成形工程は、ブランク材Ｗ_１をカップ型に絞る工程と、カップ型成形品Ｗ_２の開口部側にフランジ状の厚肉部３０ａをプレス成形する工程とからなる。

また、後に行うトランスファープレスによる成形を容易にし、バルブの各部位を適切な硬度に加工するために中間焼鈍工程を行う。中間焼鈍工程は、冷間プレス成形工程終了後、冷間絞り成形工程前に少なくとも一回行う。更に材料が硬い等、成形困難な場合には、前記冷間プレス成形工程及び後述する冷間絞り成形工程の合間に行う。

次いで、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、カップ型成形品Ｗ_２をトランスファープレスを使った冷間絞り成形工程により加工する。冷間絞り成形工程においては、円筒形状の軸部１２、カップ開口縁部側にフレア状に開口するような形状の首部１４、及びカップ開口部外周にテーパー形状のフェース部１５をそれぞれ成形する。更に、カップ開口縁部側に厚肉部３０ｂ，３０ｃおよびキャップ１６を支持する段差部１４ａをプレス成形することで、フレア状に開口する首部１４が形成された所定の大きさの成形品Ｗ_３、Ｗ_４を成形する。

尚、冷間絞り成形工程においては、図４に示すとおり、冷間プレス成形工程により形成された図４左端のカップ型成形品を寸法が若干細い型に圧入し、圧入により若干細くなった成形品をそれより更に細い型に圧入するという作業を所定の形状になるまで繰り返すという複数工程からなっている。バルブの各部位は、圧入による絞り加工の回数が増加するほど硬化するが、所定の形状が形成されたときに硬度が硬くなりすぎないように、途中で適宜中間焼鈍工程を行う。
図５は、素材（このケースではＳＵＳ３０５）のビッカーズ硬度（横軸）に対する疲労強度（縦軸）の変化を示すものとしている。温度は、バルブの首部の使用条件を想定して６００℃温度下としている。縦軸の３００ＭＰａは、首部１４に求められる疲労強度である。

図５に示すとおり、疲労強度は、素材の硬度が約２４０ＨＶを超えた場合において、求められる疲労強度３００ＭＰａを超え、硬度約３１６ＨＶ近辺までは増加する。更に硬度を上げると反対に疲労強度は低下し、硬度約３６０ＨＶを超えた場合には必要な３００ＭＰａを割り込むこととなる。従って、疲労強度を３００ＭＰａ以上に維持するためには、製品のバラツキを考慮して、首部の硬度を略２５０ＨＶ以上３５０ＨＶ以下にすることが考えられる。

図６は、図５と同様に素材（このケースではＳＵＳ３０５）のビッカーズ硬度（横軸）に対する疲労強度（縦軸）の変化を示すものとしているが、温度は、バルブの軸部１２の使用条件を想定し常温（２５℃）から４００℃以下としている。疲労強度は温度上昇に伴い低下するため４００℃における疲労強度の低下が問題となる。尚、５００ＭＰａは、軸部１２に求められる疲労強度である。

図６に示すとおり、４００℃使用下における素材の疲労強度は、硬度が約３１６ＨＶを超えた場合において、求められる疲労強度５００ＭＰａを超える。図９を参照すると４００℃においては、硬度上昇による疲労強度の大きな低下が見られないため、その後は硬度の上昇につれて疲労強度も増加するものと考えられる。従って、疲労強度を５００ＭＰａ以上に維持するためには、製品のバラツキを考慮して、軸部１２の硬度を略３５０ＨＶ以上にすることが考えられる。

尚、フェース部１５の硬度は、シリンダ側との密着性を出来るだけ上げる必要があるため、表層部の耐摩耗性を考慮して略３８０ＨＶ以上とする。

尚、首部１４の成形には硬度に上限がある。従って、所定の形状に形成した後、首部１４の硬度が、上限値である略３５０ＨＶを超えないように、中間焼鈍工程により素材の硬度を下げつつ、形成後には略３５０ＨＶ以内の硬度となるように絞り加工する。

また、軸部１２は、所定の形状に形成した後の硬度が、３５０ＨＶを下回らないように絞り加工を繰り返す。

一方、フェース部１５には、冷間絞り成形工程後に表層部の硬度が３８０ＨＶを上回るまで冷間鍛造工程を行い硬度を増加させる。尚、首部１４、軸部１２及びフェース部１５の硬度は、加工回数増加によるコスト増を考慮して、必要とされる最低硬度とすることが望ましいといえる。

尚、冷間絞り成形工程においては、必要に応じてマンドレルを使用する場合がある。また、軸部１２の下端部にロール成形等によりコッタ溝１８を成形する。そして最後に、予め軸部１２とは別に製造しておいたキャップ１６を、首部１４内側の段差部１４ａに電子ビーム溶接またはレーザビーム溶接によって溶接する。

図７は、試作品の軸部１２、首部１４及びフェース部１５におけるビッカーズ硬度を測定したものである。この図においては、右下の３７０ＨＶから４０２ＨＶに至る範囲がフェース部１５に相当し、その上の２７９ＨＶから３５１ＨＶに至る領域が首部１４に相当し、その上の３６０．５ＨＶから３９０ＨＶに至る領域が軸部１２に相当する。かかる硬度分布に近似するように冷間絞り成形工程、中間焼鈍工程及び冷間鍛造工程を行うことにより、バルブの各部位が使用特性に応じた疲労強度、クリープ強度、及び耐摩耗性を備えることになる。

本発明の一実施例である冷媒入り中空ポペットバルブの一部破断正面図である。 キャップ溶接部周辺の拡大断面図である。 同冷媒入り中空ポペットバルブの製造工程を示す縦断面図である。 製造工程中の冷間絞り成形工程を示す図である。 冷間圧延材の試験結果から首部の硬度と高温下使用時における疲労強度の変化を示す図である。 軸部の硬度と所定温度下使用時における疲労強度の変化を示す図である。 試作品の軸部、首部及びフェース部の硬度を測定した結果を示す図である。 従来技術におけるキャップ溶接部周辺の拡大断面図である。 バルブに使用する冷間加工材の疲労試験の結果を示す図である。 バルブに使用する冷間加工材のクリープ試験の結果を示す図である。

符号の説明

１０ 中空ポペットバルブ
１２ 軸部（ステム部）
１４ 首部（フィレット領域）
１５ フェース部（フェース面）
１６ キャップ
Ｗ２ カップ型成形品

Claims (6)

1. 素材をカップ型に成形し、前記カップ型成形品の開口縁部を厚肉状に成形する、冷間プレス成形工程と、前記カップ型成形品を軟化させる中間焼鈍工程と、前記カップ型成形品の前記開口端にフレア状に開口する首部を形成し、前記首部と一体として円筒形状の軸部を形成し、前記厚肉状の開口縁部外周にテーパー形状のフェース部を形成する冷間絞り成形工程を経ることで、各部が異なる硬度とされた、冷媒入り中空ポペットバルブであって、
   前記首部のビッカース硬度が略２５０ＨＶ以上３５０ＨＶ以下であることを特徴とする冷媒入り中空ポペットバルブ。
2. 前記軸部のビッカース硬度が略３５０ＨＶ以上であることを特徴とする請求項１の冷媒入り中空ポペットバルブ。
3. 前記テーパー形状のフェース部の表層部のビッカース硬度が略３８０ＨＶ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の冷媒入り中空ポペットバルブ。
4. 素材をカップ型に成形し、前記カップ型成形品の開口縁部を厚肉状に成形する、冷間プレス成形工程と、前記カップ型成形品を軟化させる中間焼鈍工程と、前記カップ型成形品の前記開口端にフレア状に開口する首部を形成し、前記首部と一体として円筒形状の軸部を形成し、前記厚肉状の開口縁部外周にテーパー形状のフェース部を形成する冷間絞り成形工程と、を備えた冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法であって、
   前記冷間絞り成形工程開始前に少なくとも１回の中間焼鈍工程を行い、必要に応じて前記冷間絞り成形工程の途中に適宜回数の中間焼鈍工程を行うことで、前記首部のビッカース硬度を略２５０ＨＶ以上３５０ＨＶ以下にすることを特徴とする冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法。
5. 前記冷間絞り成形工程により、前記軸部のビッカーズ硬度を略３５０ＨＶ以上にすることを特徴とする請求項４記載の冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法。
6. 前記冷間絞り成形工程後の冷間鍛造工程により、前記フェース部の表層部のビッカーズ硬度を略３８０ＨＶ以上にすることを特徴とする請求項４又は５記載の冷媒入り中空ポペットバルブの製造方法。

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