TWI622448B - Movable wall member and welding method - Google Patents

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Abstract

本發明之目的在於提供一種可動壁構件，其具備擴展緩衝層之材料的選擇範圍，且具有所期待的耐腐蝕性的觸火面。可動壁構件，是使用於內燃機關的可動壁構件，其在母材(4)上具有最表面成為觸火面的耐腐蝕層(7)，耐腐蝕層(7)是使用含有Ni50質量%以上60質量%以下、Cr40質量%以上50質量%以下的合金進行多層地表面覆焊所成。耐腐蝕層(7)之中，具備最表面的層(10)含有Cr40質量%以上50質量%以下。

Description

可動壁構件及熔接方法
本發明係關於使用於內燃機關的可動壁構件及熔接方法。
使用於內燃機關的可動壁構件，是由耐熱鋼所形成。在可動壁構件的表面，設有為了防止高溫腐蝕之由耐腐蝕性材料所成的層(專利文獻1及專利文獻2)。作為顯示耐腐蝕性的材料成分，有鉻(Cr)或鉬(Mo)等。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
〔專利文獻1〕日本專利第5036879號公報(段落〔0030〕、第1圖)
〔專利文獻2〕日本登錄實用新案第3038802號公報(段落〔0004〕)
若將由耐腐蝕性材料所成的層直接形成於耐熱鋼上時，已知耐腐蝕性材料所含的成分會與耐熱鋼所含的碳(C)形成碳化物。例如，鉻是與碳(C)反應而成為碳化鉻(CCr)。碳化鉻又硬又脆，且不顯示耐腐蝕性。因此，若碳化鉻的生成量變多時，有著無法得到所期待之耐腐蝕性的問題。
專利文獻1中，藉由在耐熱鋼(合金鋼)與由耐腐蝕性材料所成的層(外側部)之間設置緩衝層，來防止耐腐蝕性材料所含的成分與耐熱鋼所含的碳形成碳化物。
但是，專利文獻1中，不但限制合金鋼(母材)及緩衝層的碳含有率，還必須規定緩衝層的厚度。因此，有著無法自由選擇母材及緩衝層之材料的課題。
專利文獻1中，由於緩衝層為單層構造，故母材的影響較大，有著母材的影響多少會遍及外側部的問題。當母材的影響遍及外側部時，會使耐腐蝕性降低、韌性降低、及作為可動壁構件之外側部的信賴性降低。
專利文獻2中，是在母材上直接熔接形成由耐腐蝕性材料所成的層。專利文獻2中，作為耐腐蝕性材料是使用Cr含量顯著較高的材料，但Cr含量高的耐腐蝕性材料其延展性低，有著難以熔接的課題。
本發明，是有鑑於上述事情而完成者，目的是在於提供一種可動壁構件及熔接方法，其具備：擴展緩 衝層之材料的選擇範圍，且具有所期待的耐腐蝕性的觸火面。
為了解決上述課題，本發明的可動壁構件及熔接方法是採用以下的手段。
本發明，是提供一種使用於內燃機關的可動壁構件，其特徵為：在母材上具有最表面成為觸火面的耐腐蝕層，前述耐腐蝕層是使用含有Ni50質量%以上60質量%以下、Cr40質量%以上50質量%以下的合金進行多層地表面覆焊(overlaying)所成的可動壁構件。
本發明中，耐腐蝕層是使用含有Ni50質量%以上60質量%以下、Cr40質量%以上50質量%以下的合金(以下稱為50Cr-50Ni合金)所形成。本發明中，耐腐蝕層是以多層地包覆，故可階段性地降低合金中之Cr的稀釋。亦即，在使用同種類的50Cr-50Ni合金形成耐腐蝕層的情況，母材側之第一回焊道的Cr含有率是比50Cr-50Ni合金更低，但含有成為觸火面之最表面的層，是可確保與合金成分有著相同程度的Cr含有率。藉此，成為具有所期待之耐腐蝕性的可動壁構件。由於本發明可不受母材的影響而形成成為觸火面的最表層，故即使在母材與耐腐蝕層之間設置其他層的情況，該其他層的材料亦不像專利文獻1那般受限制。因此，作業者可自由選擇便宜的材料或取得性佳的材料等。
於上述發明的一態樣，前述耐腐蝕層之中，具備前述最表面的層含有Cr40質量%以上50質量%以下為佳。
藉由使Cr含有率成為上述範圍，可確保延展性，並得到充分的耐腐蝕性。
本發明，提供一種熔接方法，是將母材預熱至80℃以上120℃以下之後，將含有Ni50質量%以上60質量%以下、Cr40質量%以上50質量%以下的合金予以表面覆焊成層狀的熔接方法，將形成層之際的焊道施作間溫度設為200℃以下來熔接。
藉由預熱(包含母材)可防止下層之急遽的溫度變化。藉由設定焊道施作間溫度的上限，可抑制熔池的溫度上昇。藉此，可防止高溫破裂。
於上述發明的一態樣，在將前述合金予以表面覆焊成層狀之際，是在一層之形成後且進行平整化之後，於前述一層之上進行下一層的表面覆焊為佳。
通常的多層表面覆焊，不會進行各層的平整化，但根據上述發明的一態樣，是進行平整化之後再形成下一層，藉此可成為熔接缺陷難以發生的耐腐蝕層。
本發明，是藉由多層地包覆的耐腐蝕層，成為具備具有所期待之耐腐蝕性之觸火面的可動壁構件。如此般的可動壁構件，其耐腐蝕層之下所設置之層的材料的 選擇範圍會比以往還要來得廣。
1‧‧‧汽缸
2‧‧‧活塞
3‧‧‧排氣管
4‧‧‧排氣閥(母材)
4a‧‧‧軸部
4b‧‧‧凸緣部
5‧‧‧燃燒室
6‧‧‧緩衝層
7、17‧‧‧耐腐蝕層
8‧‧‧第1包覆層
9‧‧‧第2包覆層
10‧‧‧第3包覆層
11‧‧‧焊線(熔接材)
第1圖為表示船舶用引擎之重要部的立體圖。
第2圖為關於第1實施形態之排氣閥的前視圖。
第3圖為第2圖之排氣閥中之觸火面側的部分剖面圖。
第4圖為表示形成耐腐蝕層之第1包覆層之際之步驟的流程圖。
第5圖為說明焊珠道形成的圖。
第6圖為說明焊珠道形成的圖。
第7圖為關於實驗例之可動壁構件的部分剖面圖。
第8圖為關於第2實施形態之排氣閥的前視圖。
第1圖為表示船舶用引擎之重要部的立體圖。引擎具備：汽缸1、在汽缸內嵌合成滑動自如的活塞2、結合於汽缸之上部的排氣管3、以及插通於排氣管3之內部的排氣閥4。汽缸1，其被排氣閥4及活塞2所包圍的空間為燃燒室5。雖然省略圖示，但引擎具備可將燃料供給至燃燒室5的燃料供給手段、以及可將空氣供給燃燒室5的供氣手段等。
本發明，是可用於如第1圖所示般的可動壁 構件亦即排氣閥4或活塞2等。利用有可動壁構件的內燃機關，為二行程引擎或四行程引擎皆可。為四行程引擎的情況時，本發明的可動壁構件亦可適用於吸氣閥。
〔第1實施形態〕
本實施形態中，是以船舶用柴油引擎之排氣閥為例進行說明。第2圖是關於本實施形態之排氣閥的前視圖。第3圖是第2圖之排氣閥中之觸火面側的部分剖面圖。
排氣閥4具備：軸部4a、以及在軸部4a之端部所設置之圓盤狀的凸緣部4b。凸緣部4b，在面對燃燒室側的面具有緩衝層6及耐腐蝕層7。
排氣閥4(母材)，為耐熱合金。作為耐熱合金可使用不鏽鋼，例如SUH31、SNCrW；或是Ni基合金，例如Nimonic80A(皆為大同特殊鋼製)等。不鏽鋼之主成分為Fe，亦可含有Mn‧P‧S等之不可避免的成分。表1中，表示母材所使用之不鏽鋼之主要的副成分(質量%)。
緩衝層6，是在形成耐腐蝕層7之際，可緩衝母材之影響的層。所謂「母材之影響」，意指耐腐蝕層形成所使用之熔接材中所含的Cr，與母材所含的C反應而被稀釋。或是，單純因熔接的溶融而使想要的成分互相融合而使熔接材所含的Cr被稀釋之意。緩衝層6，是由與母材及耐腐蝕層7相異之耐熱合金所成。雖並未特別限定，但緩衝層6之C含有量，以比母材少，為0.15質量%以下的範圍為佳。緩衝層6之C含有量，亦可為超過0.09質量%。緩衝層6，亦可為具有1或2層以上。緩衝層6的總厚度，亦可因應排氣閥的大小等而適宜設定。
耐腐蝕層7，是使用作為熔接材之50Cr-50Ni合金以多層地表面覆焊所成的層。50Cr-50Ni合金，相對於總質量100%而言，含有Ni50質量%以上60質量%以下、Cr40質量%以上50質量%以下。50Cr-50Ni合金，亦可含有：C 0.10質量%以下、Fe 0.50質量%以下、Si 0.20質量%以下、Mn 0.20質量%以下、P 0.02質量%以下、Cu 0.50質量%以下、Ti 0.30~1.0質量%。
耐腐蝕層7，是2層以上之包覆層積層所構成。於耐腐蝕層7中，離母材越遠的包覆層其Cr的含有率越高。具備最表面之包覆層的Cr含有率，以同等或接近於熔接材的Cr含有率為佳。
關於本實施形態的耐腐蝕層7，是在緩衝層6上依序積層第1包覆層8、第2包覆層9、以及第3包覆層10而構成(參照第3圖)。第3包覆層10，包含耐腐蝕層7的最表面，成為排氣閥4的觸火面。第3包覆層10的Cr含有率，為40質量%以上50質量%以下。第2包覆層9的Cr含有率，比第3包覆層10的Cr含有率更低。第1包覆層8的Cr含有率，比第2包覆層9的Cr含有率更低。
耐腐蝕層7的總厚度，可配合排氣閥4的大小而適宜設定。由於耐腐蝕層7過厚時製造成本會上升，故耐腐蝕層7的總厚度，以得到所期望之耐腐蝕性之最小限的厚度為佳。
例如，凸緣部4b的外徑為470mm左右的排氣閥，是將耐腐蝕層7形成為2層以上的多層構造，且，耐腐蝕層7的總厚度只要為4mm至5mm左右即可得到充分的高溫耐腐蝕性。耐腐蝕層7的總厚度，較佳為6mm至8mm左右。又，當耐腐蝕層7為1層構造時，由於厚度方向的Cr含有率沒有變化，故即使總厚度相同亦無法得到上述般的效果。
接著，針對排氣閥的製造方法進行說明。
在排氣閥4之凸緣部4b之面向燃燒室側的面(觸火面側)，依序設有緩衝層6及耐腐蝕層7。緩衝層6，可配合構成緩衝層6之材料的方法來適宜形成。
耐腐蝕層7，是使用熔接材藉由多層(層狀)地表面覆焊而形成。於熔接材，使用線或棒狀的50Cr-50Ni合金。
第1包覆層8至第3包覆層10，是使用相同種類的熔接材並以同樣的條件所形成，但最後各層中的Cr含有率相異。於緩衝層6之正上方所形成的第1包覆層8，由於強烈地受到母材的影響，故Cr被稀釋。於第1包覆層上，依序積層第2、第3包覆層時，母材的影響會階段性地變輕，使Cr的稀釋(擴散)受到抑制。藉此，藉由多層包覆，可使具備觸火面之包覆層的Cr含有率與熔接材成分為同等程度。
熔接，可以氣體保護金屬電弧熔接(MIG熔接或MAG熔接)、雷射熔接、TIG熔接、PTA(電漿)熔接來進行，但耐腐蝕層7以MAG熔接來形成最佳。
於MAG熔接所使用的保護氣體，亦可使用以Ar為主成分，混合有He及CO2的氣體。藉此，可使焊珠道形狀均等化，可降低熔接缺陷的發生。CO2是藉由熔接時的熱而使碳與氧解離，此時會奪取熱量，故有著抑制熔池之溫度上昇的效果。藉由使用混合有CO2的保護氣體，可抑制焊接時的熱損失，並抑制濺射。
熔接之際的電流值，是在將使用之熔接裝置的基本電流設為1時，以成為0.8以上0.9以下的值來設定即可。將電流值設為比以往更低，來抑制熔池的溫度上昇，藉此可防止高溫破裂。
耐腐蝕層的形成步驟中，是在緩衝層上形成一層包覆層之後，藉由機械加工進行一層包覆層的平整化。接著，在一層包覆層上形成其他包覆層之後，藉由機械加工進行其他包覆層的平整化。直到耐腐蝕層成為所期望的厚度為止，反覆進行包覆層的形成及平整化之後，以與以往方法同樣地進行退火及完工加工。
在積層包覆層之際，藉由將成為基底的包覆層平整化，於熔接下一層之際可降低雜質的混入，故可防止熔接缺陷的發生。
接著針對包覆層的形成方法進行說明。於第4圖表示形成耐腐蝕層之第1包覆層之際的步驟。於第5圖及第6圖，表示針對焊珠道形成進行說明的圖。第5圖，為排氣閥的剖面圖。第6圖，為從凸緣部側(設有耐腐蝕層的凸緣面側)觀看排氣閥的圖。
首先，將設置有緩衝層6的排氣閥(母材)4，預熱至80℃以上120℃以下，較佳為100℃左右。預熱可以使用噴燈或電氣爐。藉由預熱，可緩和焊珠道形成時之下層(母材及緩衝層)的溫度變化，故即使是Cr含有量高的材料，亦可緩和熱膨脹的差，可防止拉扯所致之母材的破裂。
預熱之後，在緩衝層6上，沿著凸緣部4b的外周形成第1焊珠道8a(第1焊道)。為了防止高溫破裂，將焊道施作間溫度空冷至成為200℃以下之後，於第1焊珠道8a的內側錯開焊珠道中心，以銜接第1焊珠道8a的方式形成第2焊珠道8b(第2焊道)。為了防止高溫破裂，再次將焊道施作間溫度空冷至成為200℃以下之後，於第2焊珠道8b的內側形成第3焊珠道8c。直到緩衝層6的表面被熔接金屬覆蓋為止，反覆進行焊珠道形成及空冷。
焊道施作間溫度，為熔接下個焊道之前之熔接金屬(焊珠道)及近接之母材的溫度。焊道施作間溫度，是使用非接觸溫度計，藉由測量熔接金屬的溫度而得到。藉由將焊道施作間溫度空冷至成為200℃以下，由於抑制下層的溫度上昇，故可防止高溫破裂。
又，本實施形態中，第1包覆層是從凸緣部的外周側依序朝向內側形成，但亦可從凸緣部的內側朝向外周側形成。
(實驗例)
依據上述實施形態形成耐腐蝕層，確認耐腐蝕層之各層的Cr含有率。第7圖為關於實驗例之可動壁構件的部分剖面圖。排氣閥4(母材)的材料，是15Cr-14Ni-2Si-2.5W-0.4C(SUH31)。緩衝層6，是使用碳量超過0.09質量%的合金鋼，藉由MAG熔接所形成。緩衝層6，是4 ~5層構造(總厚度為10mm~12mm)。
耐腐蝕層7，是使用50Cr-50Ni合金來形成。50Cr-50Ni合金，是使用Cr含有率為44%的焊線11。熔接為MAG熔接，其電流值為140A。
沿著凸緣面的外周形成第1焊珠道。等待焊道施作間溫度成為200℃以下，於第1焊珠道之內側形成第2焊珠道。反覆進行焊珠道形成及空冷，成為第1包覆層8。焊珠道高度為2mm~4mm左右。
對第1包覆層8的上表面進行切削加工，進行平整化。平整化後之第1包覆層8的厚度，為1.5mm~2.5mm。在第1包覆層8之上，以與第1包覆層8同樣的方式形成第2包覆層9，並進行平整化。
測定第1包覆層8及第2包覆層9的Cr含有率。Cr含有率，在第1包覆層8為33質量%、在第2包覆層9為40質量%。從該結果來看，確認藉由使耐腐蝕層成為多層包覆，可確保耐腐蝕層之最表層具有與熔接材同等程度的Cr含有率。
〔第2實施形態〕
第8圖，是關於本實施形態之排氣閥的前視圖。本實施形態，是在排氣閥(母材)4上直接形成有耐腐蝕層17。除此之外與第1實施形態為相同構造。
耐腐蝕層17，是使用作為熔接材之50Cr-50Ni合金以多層地表面覆焊所成的層。50Cr-50Ni合金， 相對於總質量100%而言，含有Ni50質量%以上60質量%以下、Cr40質量%以上50質量%以下。50Cr-50Ni合金，亦可含有：C 0.10質量%以下、Fe 0.50質量%以下、Si 0.20質量%以下、Mn 0.20質量%以下、P 0.02質量%以下、Cu 0.50質量%以下、Ti 0.30~1.0質量%。
耐腐蝕層17，是2層以上，較佳為3層以上的多層構造。耐腐蝕層17的總厚度，以6mm~9mm左右為佳。

Claims (5)

  1. 一種可動壁構件，是使用於內燃機關的可動壁構件，其特徵為：在母材上具有最表面成為觸火面的耐腐蝕層，前述耐腐蝕層是使用含有Ni50質量%以上60質量%以下、Cr40質量%以上50質量%以下的合金進行多層地表面覆焊(overlaying)所成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可動壁構件，其中，前述耐腐蝕層之中，具備前述最表面的層含有Cr40質量%以上50質量%以下。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之可動壁構件，其中，具備有：配置於前述母材與前述耐腐蝕層之間的緩衝層，前述緩衝層，是由與前述母材及前述耐腐蝕層相異之耐熱合金所構成，且其C含有量比前述母材少。
  4. 一種熔接方法，是將母材預熱至80℃以上120℃以下之後，將含有Ni50質量%以上60質量%以下、Cr40質量%以上50質量%以下的合金予以表面覆焊成層狀的熔接方法，將形成層之際的焊道施作間溫度設為200℃以下來熔接。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之熔接方法，其中，在將前述合金予以表面覆焊成層狀之際，是在一層之形成後且進行平整化之後，於前述一層之上，表面覆焊下一層。
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