WO2007057946A1 - 冷媒入り中空ポペットバルブおよびその製造方法 - Google Patents

冷媒入り中空ポペットバルブおよびその製造方法 Download PDF

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neck
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Takehiko Uchiyama
Takemi Murayama
Teruaki Ando
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Nittan Valve Co., Ltd.
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    • Y10T29/49298—Poppet or I.C. engine valve or valve seat making
    • Y10T29/49307—Composite or hollow valve stem or head making

Definitions

  • the present invention provides a technique relating to a refrigerant-containing hollow poppet valve having improved heat resistance, wear resistance, and strength in accordance with the use condition of the valve, and a method for manufacturing the same.
  • the present invention provides a technique related to a hollow poppet valve in which a cap is integrated by welding into a fillet region formed integrally with one end of a cylindrical stem portion and a method for manufacturing the same.
  • the conventional technology maintains the hardness of the face surface 150 as high as possible, and at the same time, other parts of the valve including the fillet region 140 (F region in Fig. 8: 350HV to 399HV).
  • the fillet region 140 F region in Fig. 8: 350HV to 399HV.
  • fatigue strength and creep strength could be maintained by increasing the hardness as much as possible.
  • Patent Document 1 International Publication WO00Z47876
  • Figure 9 shows the austenitic stainless steel material used for hollow poppet valves, cold-worked into three types of hardness (Vickers hardness 151, 316, 380HV), with different temperature conditions (horizontal axis) and 1
  • This test result shows the change in fatigue strength (vertical axis) when the test was conducted under 10 million cycles.
  • Figure 10 shows the change in creep strength (vertical axis) over time (horizontal axis: Larson Miller parameter value) when a noble of the same material as in Figure 9 was tested at a temperature of 600 ° C. As with 9, it is based on three types of hardness that have been cold worked.
  • the fatigue strength of the valve material increases as the hardness increases, and the rate at which the fatigue strength decreases when used between room temperature (25 ° C) and 400 ° C This is also considered to be comparatively sluggish.
  • the rate of decrease in the fatigue strength of the material is extremely large at the hardest 380HV compared to the hardness of 151HV and 316HV.
  • the creep strength of the valve material when used at 600 ° C with a hardness of 380 HV, decreases significantly over time, compared to the parts with hardness of 151 and 316 HV. I understand.
  • the reason why the fatigue strength and creep strength are significantly reduced when the hardness is set to 380HV and 600 ° C is used is that the processed structure is recrystallized and transformed to a hardness of 380HV.
  • the fillet region 14 that is, the neck of the valve, pulls the neck by repeatedly coming into contact with the 150-side cylinder-side seat surface when the valve is opened and closed at a high temperature exceeding 500 ° C. Since it is assumed that it will be subjected to a load, if the processing hardness increases too much due to cold heating, the fatigue strength and taper strength required during use cannot be maintained, and problems such as fracture will occur. It can be said that there is a fear.
  • the stem portion corresponding to the G region in FIG. 8, that is, the columnar shaft portion, which continues below the neck portion, is subjected to repeated cylinder-side forces as with the neck portion, and is opposed to the guide portion. Therefore, there is a problem in that the fatigue strength required for the load and the wear resistance against sliding cannot be maintained when processed to a uniform hardness with the neck.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to determine the use characteristics of each part of the valve by using cold working and heat treatment under high temperature and high cycle use.
  • We provide a hollow poppet valve with a refrigerant with a fillet region (neck) that maintains the fatigue strength and creep strength under high-temperature use, and a method for manufacturing the same.
  • the specified fatigue strength and wear resistance are maintained.
  • Another object of the present invention is to provide a refrigerant-filled hollow poppet valve having a stem portion (shaft portion) or a face surface (portion) having a predetermined wear resistance, and a method for manufacturing the same.
  • the material is formed into a cup shape, and the opening edge of the cup-shaped molded product is formed into a thick wall shape.
  • the neck has a Vickers hardness of about 250 HV or more and 35 OHV or less.
  • the refrigerant-containing hollow poppet valve according to claim 1 is provided.
  • V, the Vickers hardness of the shaft portion is about 350 HV or more.
  • the surface layer portion of the tapered face portion has a Vickers hardness of about 380 HV or more.
  • the cold press forming step of forming the material into a cup shape and forming the opening edge of the cup-shaped product into a thick shape An intermediate annealing step for softening the cup-shaped molded product, a neck portion opening in a flared shape is formed at the opening end of the cup-shaped molded product, and a cylindrical shaft portion is formed integrally with the neck portion, so that the thick wall
  • a cold drawing step of forming a tapered face portion on the outer periphery of the open edge of the shape, and a manufacturing method of a hollow poppet valve containing a refrigerant at least once before the start of the cold drawing step The Vickers hardness of the neck is set to approximately 250 HV or more and 350 HV or less by performing the intermediate annealing process as necessary and performing the intermediate annealing process as many times as necessary during the cold drawing process.
  • the Vickers hardness of the shaft portion is set to approximately 350 HV or more by the cold drawing process.
  • the cold drawing process maintains the fatigue strength required for repeated contact between the valve and the cylinder side at the shaft portion, and the resistance required for sliding against the guide.
  • the hollow poppet valve with a refrigerant according to claim 2 in which wear resistance is maintained can be produced.
  • the process is performed by the cold forging step after the cold drawing step.
  • the Vickers hardness of the surface part of the steel part was set to approximately 380 HV or higher.
  • the hollow poppet valve with refrigerant according to the present invention has the necessary fatigue strength and clave strength even when the neck is used under high temperature and high cycle conditions by cold drawing and intermediate annealing processes. Is suitable for use in engines where the inside of the cylinder becomes hot.
  • the shaft portion since the shaft portion maintains the necessary fatigue strength and wear strength, it is possible to achieve high strength against friction caused by repeated load caused by contact with the cylinder side and sliding with the guide.
  • the method for producing a hollow poppet valve with refrigerant according to the invention can produce a hollow poppet valve with refrigerant suitable for use in an engine in which the inside of the cylinder is hot.
  • a valve having a shaft portion that is resistant to repeated tensile loads and wear can be manufactured.
  • FIG. 1 is a partially cutaway front view of a refrigerant-filled hollow poppet valve according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view around a cap welded portion
  • FIG. 3 is a production of the hollow poppet valve.
  • Figure 4 shows the process
  • Figure 4 shows the cold drawing process during the manufacturing process
  • Figure 5 shows the cold rolling process.
  • Fig. 6 shows the change in fatigue strength when the material is subjected to fatigue test, the hardness of the neck and the fatigue strength when used at high temperatures
  • Fig. 6 shows the change in the hardness of the shaft and fatigue strength when used at a specified temperature
  • Fig. 7 Fig. 8 shows the results of measuring the hardness of the shaft, neck and face of the prototype
  • Fig. 8 is an enlarged cross-sectional view around the cap weld in the prior art
  • Fig. 9 is the fatigue of the cold work material used in the valve
  • Fig. 10 shows the results of the test
  • Fig. 10 shows the results of the cleave test of the cold-worked material used in the valve.
  • FIG. 1 that is a partially broken front view of a hollow poppet valve that is an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 that is an enlarged cross-sectional view of the periphery of a cap weld
  • reference numeral 10 denotes a hollow poppet valve.
  • a neck portion 14 flared is formed at the upper end portion of the cylindrical shaft portion 12 whose lower end portion is closed.
  • the shaft portion 12 is formed to have a substantially uniform thickness except for the neck portion 14, and the neck portion 14 is formed so as to gradually become thicker toward the opening edge side (upper side in FIG. 1).
  • a thick portion 30 is provided at the opening edge portion, and a face portion 15 is formed on the outer periphery thereof, and is configured so as not to be affected by cap welding heat.
  • a disc-like cap 16 is integrally welded to the opening edge of the neck 14 by welding.
  • Reference numeral 18 is a cotter groove provided on the outer periphery of the lower end portion of the shaft portion 12, and reference numeral 19 is a tip portion provided on the lower end portion of the shaft portion 12.
  • the material of the valve for example, austenitic stainless steel such as SUS305 or SUS304 as the material of the valve.
  • the refrigerant for example, it is conceivable to use a liquid metal such as potassium sodium alloy.
  • the coolant is removed by cutting the tip portion 19 by cutting or the like, filling the inside of the valve after processing, and then welding another tip 19 to close the lid.
  • the refrigerant conducts heat from the neck portion 14 to the tip portion 19 side, and contributes to weight reduction of the valve.
  • a blank material W as a material is formed into a cup shape by cold pressing.
  • This cold press formation The molding process consists of the process of narrowing the blank material W into a cup shape and the opening side of the cup-shaped molded product W.
  • an intermediate annealing step is performed in order to facilitate molding by a transfer press performed later and to process each part of the valve to an appropriate hardness.
  • the intermediate annealing process is performed at least once after the cold press forming process and before the cold drawing process. Further, when it is difficult to form such as hard material, it is performed between the cold press forming step and the cold drawing step described later.
  • the cup-shaped molded product W is transferred using a transfer press.
  • a cylindrical shaft portion 12 a neck portion 14 shaped to open in a flared shape on the cup opening edge side, and a tapered face portion 15 on the outer periphery of the cup opening portion are formed. Furthermore, a thick product 30b, 30c and a step 14a that supports the cap 16 are press-molded on the edge side of the cup opening, thereby forming a molded product W of a predetermined size in which a flared neck 14 is formed. , W
  • the cup-shaped molded product at the left end of FIG. 4 formed by the cold press molding process is press-fitted into a slightly thin mold and slightly pressed.
  • Each part of the valve is cured as the number of drawing operations by press-fitting increases, but an intermediate annealing step is appropriately performed in the middle so that the hardness does not become too hard when a predetermined shape is formed.
  • Figure 5 shows the change in fatigue strength (vertical axis) versus the Vickers hardness (horizontal axis) of the material (SUS305 in this case).
  • the temperature is 600 ° C under the conditions of use at the neck of the valve.
  • 300 MPa on the vertical axis is the fatigue strength required for the neck 14.
  • the fatigue strength exceeds the required fatigue strength of 300MPa and increases to a hardness of about 316HV. If the hardness is further increased, the fatigue strength decreases, and if the hardness exceeds about 360 HV, the required 30 OMPa will be interrupted. Therefore, in order to maintain the fatigue strength at 300 MPa or higher, the hardness of the neck should be approximately 250 HV or higher and 350 HV or lower in consideration of product variations. Can be considered.
  • Fig. 6 shows the force temperature indicating the change in fatigue strength (vertical axis) with respect to the Vickers hardness (horizontal axis) of the material (SUS305 in this case) as in Fig. 5. Assuming 12 operating conditions, the temperature is from room temperature (25 ° C) to 400 ° C or lower. Since fatigue strength decreases with increasing temperature, a decrease in fatigue strength at 400 ° C is a problem. Note that 500 MPa is the fatigue strength required for the shaft portion 12.
  • the fatigue strength of the material under the use of 400 ° C exceeds the required fatigue strength of 500 MPa when the hardness exceeds about 316HV.
  • the fatigue strength increases as the hardness increases thereafter. Therefore, in order to maintain the fatigue strength at 50 OMPa or higher, it is conceivable that the hardness of the shaft portion 12 should be approximately 35 OHV or higher in consideration of product variations.
  • the hardness of the face portion 15 should be approximately 380 HV or more in consideration of the wear resistance of the surface layer portion because it is necessary to increase the adhesion to the cylinder side as much as possible.
  • the shaft portion 12 is repeatedly drawn so as not to fall below the hardness force 350HV after being formed into a predetermined shape.
  • the face 15 is subjected to a cold forging process after the cold drawing process until the hardness of the surface layer exceeds 380 HV to increase the hardness! ]
  • the hardness of the neck part 14, the shaft part 12, and the face part 15 is desirably set to the required minimum hardness in consideration of the cost increase due to the increase in the number of machining operations.
  • a mandrel may be used as necessary.
  • the cotter groove 18 is formed on the lower end portion of the shaft portion 12 by roll forming or the like.
  • a cap 16 that has been manufactured separately from the shaft portion 12 is welded to the stepped portion 14a inside the neck portion 14 by electron beam welding or laser beam welding.
  • Fig. 7 shows the Vickers hardness measured at the shaft 12, neck 14, and face 15 of the prototype. It is a fixed one.
  • the range from 370HV to 402HV at the lower right corresponds to the face part 15, the region from 279HV to 351HV above it corresponds to the neck 14, and the range from 30.5HV to 390HV above it.
  • the region corresponds to the shaft portion 12.
  • the cold drawing process, intermediate annealing process, and cold forging process should be performed to approximate the hard hardness distribution, so that each part of the valve has fatigue strength, creep strength, and wear resistance according to the usage characteristics. Will be provided.
  • FIG. 1 is a partially cutaway front view of a refrigerant-containing hollow poppet valve that is an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view around a cap welded portion.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a manufacturing process of the hollow poppet valve containing the refrigerant.
  • FIG. 4 is a diagram showing a cold drawing process during the manufacturing process.
  • FIG. 5 is a diagram showing changes in neck hardness and fatigue strength when used at high temperatures based on cold rolled material test results.
  • FIG. 6 is a graph showing changes in hardness of a shaft portion and fatigue strength when used at a predetermined temperature.
  • FIG. 7 A diagram showing the results of measuring the hardness of the shaft, neck and hose of the prototype.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view around a cap weld in the prior art.
  • FIG. 9 is a diagram showing the results of a fatigue test of a cold-worked material used for a valve.
  • FIG. 10 is a diagram showing a result of a creep test of a cold-worked material used for a valve.

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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。

Description

冷媒入り中空ポペットバルブおよびその製造方法
技術分野
[0001] 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ヤッ 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。
背景技術
[0002] 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!/、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)のビッカーズ硬度力 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。
[0003] 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。
特許文献 1：国際公開 WO00Z47876号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 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 があることが半 ljつた。
[0005] 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!ヽ、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と同素材のノ レブについて、 600°C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。
[0006] 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°C)か ら 400°C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 ても比較的なだら力と考えられる。しかし、 400°C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 380H Vが極端に大きくなつていることが判る。
[0007] 即ち、硬度 380HVとした場合には、 400°C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°C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。
[0008] 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 °C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°C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。
[0009] 従って、フィレット領域 14、即ちバルブの首部は、 500°C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力 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 ェ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タリ 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。
[0010] 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力 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。
[0011] 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 、点で問題となる。
[0012] 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。
課題を解決するための手段
[0013] 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 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 35 OHV以下としたものである。
[0014] (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。従つ 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 著しい低下が無ぐ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。
[0015] 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 V、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。
[0016] (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。
[0017] 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 380H V以上としたものである。
[0018] (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。
[0019] また、請求の範囲第 4項にぉ 、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。
[0020] (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。
[0021] 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。
[0022] (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。 [0023] また、請求の範囲第 6項にぉ 、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、前記フエ 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。
[0024] (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 発明の効果
[0025] 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 リーブ強度を保持し、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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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。
発明を実施するための最良の形態
[0031] 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ェ 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 材の疲労試験結果力 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 リーブ試験の結果を示す図である。
[0032] 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。
[0033] 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、キヤッ 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 がー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、キヤッ プ溶接熱の影響が及ばな 、ように構成されて 、る。
[0034] また首部 14の開口縁部には、円盤状のキャップ 16が溶接により一体ィ匕された構造 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 1 9は、軸部 12の下端部に設けられたチップ部である。
[0035] 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。
[0036] 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。
[0037] 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をカップ型に絞る工程と、カップ型成形品 Wの開口部側に
1 2
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。
[0038] 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、冷間プレス成形ェ 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。
[0039] 次いで、図 3 (c)、 (d)に示すように、カップ型成形品 Wをトランスファープレスを使
2
つ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、 Wを
3 4 成形する。
[0040] 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 細くなつ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力もなつている。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 6 00°C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。
[0041] 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 30 OMPa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。
[0042] 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力 温度は、バルブの軸部 12の使 用条件を想定し常温（25°C)から 400°C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°C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。
[0043] 図 6に示すとおり、 400°C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 °C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 50 OMPa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 35 OHV以上にすることが考えられる。
[0044] 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。
[0045] 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の硬度力 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。
[0046] また、軸部 12は、所定の形状に形成した後の硬度力 350HVを下回らないように 絞り加工を繰り返す。
[0047] 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力！]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。
[0048] 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。
[0049] 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に至る範囲がフエ 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。力かる硬度分布 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〖こ 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。
図面の簡単な説明
[0050] [図 1]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。
[図 2]キャップ溶接部周辺の拡大断面図である。
[図 3]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。
[図 4]製造工程中の冷間絞り成形工程を示す図である。
[図 5]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。
[図 6]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。
[図 7]試作品の軸部、首部及びフ ース部の硬度を測定した結果を示す図である。
[図 8]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。
[図 9]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。
[図 10]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
[0051] 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 § (フェース面）
16 キャップ
W2 カップ型成形品

Claims

請求の範囲
[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 中空ポペットバノレブであって、
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ピツカ 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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