JPWO2015129612A1 - 可動壁部材の溶接方法 - Google Patents

Abstract

緩衝層の材料の選択範囲を広げるとともに、期待した耐食性を有する触火面を備えた可動壁部材を提供することを目的とする。可動壁部材は、内燃機関に用いられる可動壁部材であって、母材（４）上に、最表面が触火面となる耐食層（７）を有し、耐食層（７）が、Ｎｉ５０質量％以上６０質量％以下、Ｃｒ４０質量％以上５０質量％以下を含む合金を用いて多層に肉盛溶接されてなる。耐食層（７）のうち、最表面を備えた層（１０）が、Ｃｒ４０質量％以上５０質量％以下を含む。

Description

本発明は、内燃機関に用いられる可動壁部材および溶接方法に関するものである。

内燃機関に用いられる可動壁部材は、耐熱鋼から形成される。可動壁部材の表面には、高温腐食を防止するため、耐食性材料からなる層が設けられている（特許文献１および特許文献２）。耐食性を示す材料成分としては、クロム（Ｃｒ）やモリブデン（Ｍｏ）などがある。

特許第５０３６８７９号公報（段落［００３０］、図１） 登録実用新案第３０３８８０２号公報（段落［０００４］）

耐食性材料からなる層を耐熱鋼上に直接形成すると、耐食性材料に含まれる成分が耐熱鋼に含まれる炭素（Ｃ）と炭化物を形成することが知られている。例えば、クロムは、炭素（Ｃ）と反応して炭化クロム（ＣＣｒ）となる。炭化クロムは硬くて脆く、耐食性を示さない。そのため、炭化クロムの生成量が多くなると、期待した耐食性が得られないという問題がある。

特許文献１では、耐熱鋼（合金鋼）と耐食性材料からなる層（外側部）との間に緩衝層を設けることで、耐食性材料に含まれる成分が耐熱鋼に含まれる炭素と炭化物を形成することを防止している。

しかしながら、特許文献１では、合金鋼（母材）および緩衝層の炭素含有率を制限するとともに、緩衝層の厚さを規定しなくてはならない。そのため、母材および緩衝層の材料を自由に選定することができないという課題がある。

特許文献１では、緩衝層が１層構成であるため、母材の影響が大きく、少なからず母材の影響が外側部に及んでしまうという問題がある。母材の影響が外側部に及んだ場合、耐食性の低下、靱性の低下、および可動壁部材の外側部としての信頼性を低下させることになる。

特許文献２では、母材上に直接耐食性材料からなる層を溶着形成している。特許文献２では、耐食性材料としてＣｒ含有量が著しく高い材料を用いているが、Ｃｒ含有量が高い耐食性材料は延性が低く、溶接しにくいという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、緩衝層の材料の選択範囲を広げるとともに、期待した耐食性を有する触火面を備えた可動壁部材および溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の可動壁部材および溶接方法は以下の手段を採用する。
本発明は、内燃機関に用いられる可動壁部材であって、母材上に、最表面が触火面となる耐食層を有し、前記耐食層が、Ｎｉ５０質量％以上６０質量％以下、Ｃｒ４０質量％以上５０質量％以下を含む合金を用いて多層に肉盛溶接されてなる可動壁部材を提供する。

本発明において耐食層はＮｉ５０質量％以上６０質量％以下、Ｃｒ４０質量％以上５０質量％以下を含む合金（以降５０Ｃｒ−５０Ｎｉ合金と称す）を用いて形成される。本発明では、耐食層が多層に肉盛りされていることから、合金中のＣｒの希釈を段階的に低減させることができる。すなわち、同じ種類の５０Ｃｒ−５０Ｎｉ合金を用いて耐食層を形成した場合、母材側の１の層のＣｒ含有率は５０Ｃｒ−５０Ｎｉ合金よりも下がるが、触火面となる最表面を含む層は、合金成分と同等程度のＣｒ含有率を確保できる。よって、期待した耐食性を有する可動壁部材となる。本発明は、母材の影響を受けずに触火面となる最表層を形成できるため、母材と耐食層との間に別の層を設ける場合であっても、該別の層の材料は特許文献１ほど制限されない。よって、作業者が、安価な材料または入手性のいい材料などを自由に選択できる。

上記発明の一態様において、前記耐食層のうち、前記最表面を備えた層が、Ｃｒ４０質量％以上５０質量％以下を含むことが好ましい。

Ｃｒ含有率を上記範囲とすることで、延性を確保しつつ、十分な耐食性を得ることができる。

本発明は、母材を８０℃以上１２０℃以下に予熱したあと、Ｎｉ５０質量％以上６０質量％以下、Ｃｒ４０質量％以上５０質量％以下を含む合金を層状に肉盛溶接する溶接方法であって、層を形成する際のパス間温度を２００℃以下として溶接する溶接方法を提供する。

予熱することで、（母材を含む）下層の急激な温度変化を防止できる。パス間温度の上限を定めることで、溶融池の温度上昇を抑制できる。それにより、高温割れを防止できる。

上記発明の一態様において、前記合金を層状に肉盛溶接する際に、１の層の形成後に面出しを行った後、前記１の層の上に次の層を肉盛溶接することが好ましい。

通常の多層肉盛溶接では、各層の面出しを行うことはないが、上記発明の一態様によれば、面出しを行ったあとで次層を形成することで、溶接欠陥が発生しにくい耐食層とすることができる。

本発明は、多層に肉盛りした耐食層とすることで、期待した耐食性を有する触火面を備えた可動壁部材となる。そのような可動壁部材では、耐食層の下に設けられる層の材料の選択範囲が従来よりも広くなる。

船舶用のエンジンの要部を示す斜視図である。 第１実施形態に係る排気弁の正面図である。 図２の排気弁における触火面側の部分断面図である。 耐食層の第１肉盛層を形成する際の手順を示すフロー図である。 ビード形成について説明する図である。 ビード形成について説明する図である。 実験例に係る可動壁部材の部分断面図である。 第２実施形態に係る排気弁の正面図である。

図１は、船舶用のエンジンの要部を示す斜視図である。エンジンは、シリンダ１と、シリンダ内に摺動自在に嵌合されたピストン２と、シリンダの上部に結合された排気管３と、排気管３の内部に挿通された排気弁４と、を備えている。シリンダ１、排気弁４およびピストン２に囲まれた空間が燃焼室５である。図示は省略したが、エンジンは、燃焼室５に燃料を供給できる燃料供給手段および燃焼室５に空気を供給できる給気手段などを備えている。

本発明は、図１に示すような可動壁部材である排気弁４またはピストン２などに適用され得る。可動壁部材が利用される内燃機関は、２サイクルエンジンまたは４サイクルエンジンであってよい。４サイクルエンジンの場合は、本発明の可動壁部材は、吸気弁にも適用できる。

〔第１実施形態〕
本実施形態では、船舶用ディーゼルエンジンの排気弁を例として説明する。図２は、本実施形態に係る排気弁の正面図である。図３は、図２の排気弁における触火面側の部分断面図である。

排気弁４は、軸部４ａと、軸部４ａの端部に設けられた円盤状のフランジ部４ｂと、を備えている。フランジ部４ｂは、燃焼室側を向いた面に緩衝層６および耐食層７を有している。

排気弁４（母材）は、耐熱合金である。耐熱合金としてはステンレス鋼、例えばＳＵＨ３１、ＳＮＣｒＷ、或いは、Ｎｉ基合金、例えばＮｉｍｏｎｉｃ８０Ａ（共に大同特殊鋼製）などが使用され得る。ステンレス鋼の主成分はＦｅであり、Ｍｎ・Ｐ・Ｓなどの不可避的成分を含有してもよい。表１に、母材に用いられるステンレス鋼の主な副成分（質量％）を示す。

緩衝層６は、耐食層７を形成する際に、母材の影響を緩衝できる層である。「母材の影響」とは、耐食層形成に用いられる溶接材に含まれるＣｒが、母材に含まれるＣと反応して希釈されることを指す。或いは、単純に溶接による溶融で意図した成分が溶け合うことで溶接材に含まれるＣｒが希釈されることを指す。緩衝層６は、母材および耐食層７とは異なる耐熱合金からなる。特に限定されるものではないが、緩衝層６のＣ含有量は、母材よりも少なく、０．１５質量％以下の範囲が好ましい。緩衝層６のＣ含有量は、０．０９質量％を超えてもよい。緩衝層６は、１または２以上の層を有していてよい。緩衝層６の総厚さは、排気弁の大きさなどに応じて適宜設定されるとよい。

耐食層７は、溶接材として５０Ｃｒ−５０Ｎｉ合金を用いて多層に肉盛溶接されてなる層である。５０Ｃｒ−５０Ｎｉ合金は、総質量１００％に対して、Ｎｉ５０質量％以上６０質量％以下、Ｃｒ４０質量％以上５０質量％以下を含む。５０Ｃｒ−５０Ｎｉ合金は、Ｃ０．１０質量％以下、Ｆｅ０．５０質量％以下、Ｓｉ０．２０質量％以下、Ｍｎ０．２０質量％以下、Ｐ０．０２質量％以下、Ｃｕ０．５０質量％以下、Ｔｉ０．３０から１．０質量％を含んでいてもよい。

耐食層７は、２以上の肉盛層が積層されて構成されている。耐食層７において、母材から離れた肉盛層ほどＣｒの含有率が高い。最表面を備えた肉盛層のＣｒ含有率は、溶接材のＣｒ含有率と同等もしくは近似していることが好ましい。

本実施形態に係る耐食層７は、緩衝層６上に順に第１肉盛層８、第２肉盛層９、第３肉盛層１０が積層された構成である（図３参照）。第３肉盛層１０は、耐食層７の最表面を含み、排気弁４の触火面となる。第３肉盛層１０のＣｒ含有率は、４０質量％以上５０質量％以下である。第２肉盛層９のＣｒ含有率は、第３肉盛層１０のＣｒ含有率よりも低い。第１肉盛層８のＣｒ含有率は、第２肉盛層９のＣｒ含有率よりも低い。

耐食層７の総厚さは、排気弁４の大きさによって適宜設定され得る。耐食層７が厚すぎると製造コストが上がるため、耐食層７の総厚さは、所望の耐食性が得られる最小限の厚さとすることが好ましい。

例えば、フランジ部４ｂの外径が４７０ｍｍ程度の排気弁では、耐食層７を２層以上の多層構成とし、且つ、耐食層７の総厚さが４ｍｍから５ｍｍ程度あれば十分な高温耐食性が得られる。耐食層７の総厚さは、好ましくは６ｍｍから８ｍｍ程度である。なお、耐食層７が１層構成である場合、厚さ方向でＣｒ含有率は変化しないため、総厚さが同じであっても上記のような効果は得られない。

次に、排気弁の製造方法について説明する。
排気弁４のフランジ部４ｂの燃焼室側を向いた面（触火面側）に、緩衝層６および耐食層７を順に設ける。緩衝層６は、緩衝層６を構成する材料に適した方法で適宜形成されるとよい。

耐食層７は、溶接材を用いて多層（層状）に肉盛溶接することで形成する。溶接材には、ワイヤまたは棒状の５０Ｃｒ−５０Ｎｉ合金を用いる。

第１肉盛層８から第３肉盛層１０は、同じ種類の溶接材を用いて同様の条件で形成されるが、最終的な各層におけるＣｒ含有率は異なる。緩衝層６の直上に形成される第１肉盛層８は、母材の影響を強く受けるため、Ｃｒが希釈される。第１肉盛層上に、第２、第３肉盛層を順に積層すると、段階的に母材の影響が薄れ、Ｃｒの希釈（拡散）が抑制される。よって、多層盛りすることにより、触火面を備えた肉盛層のＣｒ含有率を溶接材成分と同等程度にすることが可能となる。

溶接は、ガスシールドメタルアーク溶接（ＭＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接）、レーザ溶接、ＴＩＧ溶接、ＰＴＡ（プラズマ）溶接で行うことができるが、耐食層７は、ＭＡＧ溶接で形成することが最も好ましい。

ＭＡＧ溶接に用いるシールドガスには、Ａｒを主成分とし、ＨｅおよびＣＯ_２が混合されたガスを用いるとよい。それにより、ビード形状を均一化でき、溶接欠陥の発生を低減できる。ＣＯ_２は溶接時の熱により炭素と酸素とに解離し、その際に熱を奪うため、溶融池の温度上昇を抑制する効果がある。ＣＯ_２を混合したシールドガスを用いることで、アークの熱損失を抑制できるとともに、スパッタも抑制できる。

溶接の際の電流値は、使用する溶接装置のベース電流を１としたときに、０．８以上０．９以下となる値に設定するとよい。従来よりも電流値を下げ、溶融池の温度上昇を抑制することで、高温割れを防止できる。

耐食層の形成工程では、緩衝層上に１の肉盛層を形成した後、機械加工により１の肉盛層の面出しを行う。次に、１の肉盛層の上に別の肉盛層を形成した後、機械加工により別の肉盛層の面出しを行う。耐食層が所望の厚さとなるまで、肉盛層の形成および面出しを繰り返した後、従来法と同様に焼鈍および仕上げ加工を行う。

肉盛層を積層する際に、下地となる肉盛層を面出ししておくことで、次層を溶接する際に不純物の巻き込みを低減できるため、溶接欠陥の発生を防止できる。

次に肉盛層の形成方法について説明する。図４に、耐食層の第１肉盛層を形成する際の手順を示す。図５および図６に、ビード形成について説明する図を示す。図５は、排気弁の断面図である。図６は、排気弁をフランジ部側（耐食層が設けられるフランジ面側）から見た図である。

まず、緩衝層６を設けた排気弁（母材）４を、８０℃以上１２０℃以下、好ましくは１００℃程度に予熱する。予熱には、バーナー或いは電気炉を用いることができる。予熱することにより、ビード形成時における下層（母材および緩衝層）の温度変化を緩やかにできるため、Ｃｒ含有量が高い材料であっても熱膨張の差を緩和でき、引張による母材の割れを防止できる。

予熱した後、緩衝層６上に、フランジ部４ｂの外周に沿って第１ビード８ａを形成する（第１パス）。高温割れを防止するために、パス間温度が２００℃以下となるまで空冷した後、第１ビード８ａの内側にビード中心をずらし、第１ビード８ａと接するよう第２ビード８ｂを形成する（第２パス）。高温割れを防止するために、パス間温度が２００℃以下となるまで再度空冷した後、第２ビード８ｂの内側に第３ビード８ｃを形成する。緩衝層６の表面が溶接金属で覆われるまで、ビード形成および空冷を繰り返し行う。

パス間温度は、次のパスを溶接する直前の溶接金属（ビード）および近接する母材の温度である。パス間温度は、非接触温度計を用いて、溶接金属の温度を計測することで得られる。パス間温度が２００℃以下となるまで空冷することで、下層の温度上昇が抑制されるため、高温割れを防止できる。

なお、本実施形態において、第１肉盛層はフランジ部の外周側から順に内側に向けて形成したが、フランジ部の内側から外周側に向けて形成してもよい。

（実験例）
上記実施形態に従って耐食層を形成し、耐食層の各層のＣｒ含有率を確認した。図７は、実験例に係る可動壁部材の部分断面図である。排気弁４（母材）の材料は、１５Ｃｒ−１４Ｎｉ−２Ｓｉ−２．５Ｗ−０．４Ｃ（ＳＵＨ３１）とした。緩衝層６は、炭素量が０．０９質量％を超える合金鋼を用いて、ＭＡＧ溶接により形成した。緩衝層６は、４から５層構成（総厚さ１０ｍｍから１２ｍｍ）とした。

耐食層７は、５０Ｃｒ−５０Ｎｉ合金を用いて形成した。５０Ｃｒ−５０Ｎｉ合金は、Ｃｒ含有率が４４％であるワイヤ１１を用いた。溶接は、ＭＡＧ溶接であり、その電流値は１４０Ａとした。

第１ビードをフランジ面の外周に沿って形成した。パス間温度が２００℃以下になるのを待って、第１ビードの内側に第２ビードを形成した。ビード形成および空冷を繰り返し、第１肉盛層８とした。ビード高さは、２ｍｍから４ｍｍ程度であった。

第１肉盛層８の上面を切削加工して、面出しを行った。面出し後の第１肉盛層８の厚さは、１．５ｍｍから２．５ｍｍであった。第１肉盛層８の上に、第２肉盛層９を第１肉盛層８と同様に形成し、面出しを行った。

第１肉盛層８および第２肉盛層９のＣｒ含有率を測定した。Ｃｒの含有率は、第１肉盛層８が３３質量％、第２肉盛層９が４０質量％であった。この結果から、耐食層を多層盛りすることで、耐食層の最表層で溶接材と同等程度のＣｒ含有率を確保できることが確認された。

〔第２実施形態〕
図８は、本実施形態に係る排気弁の正面図である。本実施形態は、排気弁（母材）４上に直接耐食層１７が形成されている。それ以外は、第１実施形態と同様の構成である。

耐食層１７は、溶接材として５０Ｃｒ−５０Ｎｉ合金を用いて多層に肉盛溶接されてなる層である。５０Ｃｒ−５０Ｎｉ合金は、総質量１００％に対して、Ｎｉ５０質量％以上６０質量％以下、Ｃｒ４０質量％以上５０質量％以下を含む。５０Ｃｒ−５０Ｎｉ合金は、Ｃ０．１０質量％以下、Ｆｅ０．５０質量％以下、Ｓｉ０．２０質量％以下、Ｍｎ０．２０質量％以下、Ｐ０．０２質量％以下、Ｃｕ０．５０質量％以下、Ｔｉ０．３０から１．０質量％を含んでいてもよい。

耐食層１７は、２層以上、好ましくは３層以上の多層構成である。耐食層１７の総厚さは、６ｍｍから９ｍｍ程度が好ましい。

１ シリンダ
２ ピストン
３ 排気管
４ 排気弁（母材）
４ａ 軸部
４ｂ フランジ部
５ 燃焼室
６ 緩衝層
７，１７ 耐食層
８ 第１肉盛層
９ 第２肉盛層
１０ 第３肉盛層
１１ ワイヤ（溶接材）

本発明は、内燃機関に用いられる可動壁部材の溶接方法に関するものである。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、緩衝層の材料の選択範囲を広げるとともに、期待した耐食性を有する触火面を備えた可動壁部材を溶接する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の可動壁部材の溶接方法は以下の手段を採用する。
本発明の溶接方法で溶接した可動壁部材は、内燃機関に用いられる可動壁部材であって、母材上に、最表面が触火面となる耐食層を有し、前記耐食層が、Ｎｉ５０質量％以上６０質量％以下、Ｃｒ４０質量％以上５０質量％以下を含む合金を用いて多層に肉盛溶接されてなる可動壁部材を提供する。

Claims (4)

1. 内燃機関に用いられる可動壁部材であって、
   母材上に、最表面が触火面となる耐食層を有し、
   前記耐食層が、Ｎｉ５０質量％以上６０質量％以下、Ｃｒ４０質量％以上５０質量％以下を含む合金を用いて多層に肉盛溶接されてなる可動壁部材。
2. 前記耐食層のうち、前記最表面を備えた層が、Ｃｒ４０質量％以上５０質量％以下を含む請求項１に記載の可動壁部材。
3. 母材を８０℃以上１２０℃以下に予熱したあと、Ｎｉ５０質量％以上６０質量％以下、Ｃｒ４０質量％以上５０質量％以下を含む合金を層状に肉盛溶接する溶接方法であって、
   層を形成する際のパス間温度を２００℃以下として溶接する溶接方法。
4. 前記合金を層状に肉盛溶接する際に、１の層の形成後に面出しを行った後、前記１の層の上に次の層を肉盛溶接する請求項３に記載の溶接方法。

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