WO2013186893A1 - ポペットバルブのフェース部の形成方法およびこの形成方法によるフェース部を有するポペットバルブ - Google Patents

ポペットバルブのフェース部の形成方法およびこの形成方法によるフェース部を有するポペットバルブ Download PDF

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真行 三上
一憲 倉橋
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Definitions

  • the present invention relates to a method for forming a face portion of a poppet valve formed by overlay welding on an umbrella portion of a base of a poppet valve, and a poppet valve having a face portion by this forming method.
  • the umbrella part of the poppet valve base is welded with a wear-resistant alloy or the like
  • the technology for forming the face portion is widely used in manufacturing poppet valves, including the example of Patent Document 1.
  • tensile stress remains inside the face portion due to thermal stress during overlay welding or a difference in thermal expansion between the overlay material and the base material.
  • a tensile stress is applied to the face portion such as during finishing in the process or when the engine is operated, a face crack may occur due to a resultant force with the tensile residual stress.
  • a repeated load is generated due to continuous opening and closing of the valve.
  • thermal stress due to the thermal cycle is generated. Use in such an environment causes a decrease in resistance to face cracks, and as a result, there is a problem that it is impossible to ensure durability corresponding to the overlay material.
  • the present invention can obtain work hardening while maintaining compressive residual stress from the face surface to a predetermined depth or more without causing coarsening of crystal grains in both the base and face, and eliminates weld defects.
  • a poppet valve having a face portion that can be formed and a method of forming the face portion are provided.
  • the invention according to claim 1 includes a step of forming a circumferentially-embedded portion by welding on the umbrella portion with respect to the poppet valve base composed of a shaft portion and an umbrella portion at one end thereof, and a predetermined opening in the overlay portion.
  • a smooth surface is formed on the build-up portion by surface removal processing, and the face surface is formed by plastic processing on the smooth surface.
  • this plastic working is characterized in that a uniform surface pressure is applied in the range from cold to warm, which is a temperature range below the recrystallization temperature.
  • the invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the second smooth surface is formed in the same manner as the smooth surface in a region extending from the build-up portion to the inner peripheral side thereof.
  • an in-face expansion surface is formed integrally with the face surface, and the opening angle of the in-face expansion surface is formed to be larger than the opening angle of the face surface.
  • the invention according to claim 3 provides a poppet valve base composed of a shaft portion and an umbrella portion at one end thereof, and a circumferentially built-up portion by welding is provided on the umbrella portion, and a face having a predetermined opening angle is provided on the built-up portion.
  • a poppet valve having a face portion with a surface the above-described built-up portion is provided with a smooth surface by surface removal processing, and the face surface is formed by plastic processing on the smooth surface.
  • a uniform surface pressure is applied to the face portion of the poppet valve in the range from cold to warm, which is a temperature range lower than the crystal temperature.
  • the invention according to claim 4 is the invention according to claim 3, wherein a second smooth surface is formed in a region extending from the build-up portion to the inner peripheral side in the same manner as the smooth surface.
  • a second smooth surface is formed in a region extending from the build-up portion to the inner peripheral side in the same manner as the smooth surface.
  • an in-face enlarged surface integrated with the face surface is formed, and an opening angle of the in-face expanded surface is formed to be larger than an opening angle of the face surface.
  • a welded build-up part is formed in a circular shape on the umbrella part, the surface is cut to form a smooth surface, and the smooth surface is plastic-processed to be predetermined.
  • a face surface having an opening angle of is formed.
  • a uniform surface pressure is applied to the face portion of the poppet valve in the cold to warm range, which is a temperature range lower than the recrystallization temperature, so that the crystal grains of both the base body and the face portion become coarse.
  • work hardening can be obtained while maintaining the compressive residual stress from the face surface to a predetermined depth.
  • welding defects can be eliminated. Therefore, the characteristics of the overlay material are not impaired.
  • this compressive stress acts as a resistance against the tensile stress generated at the face part during the removal of the face surface and engine operation in the finishing process, it is resistant to fatigue damage due to repeated stress and face cracks due to heat shock under engine operation.
  • the wear resistance can also be improved by the work hardening of the face portion.
  • the inner peripheral surface is formed integrally with the inner peripheral side region as the second smooth surface, Since the surface pressure acting on the face surface is reduced and the occurrence of cracks in the face portion is suppressed, the opening angle of the face surface is small, and when excessive surface pressure acts on the smooth surface during plastic processing, for example, the opening of the face surface
  • a poppet valve having a face with an acute angle such as an angle of 90 ° it is possible to form a face portion in which occurrence of face cracks due to plastic working is suppressed.
  • a welded overlay is formed in the umbrella portion in a circular shape, the surface is cut to form a smooth surface, and the smooth surface is plasticized with uniform surface pressure. Processing is performed to form a face surface having a predetermined opening angle.
  • a uniform surface pressure is applied to the face portion of the poppet valve in the cold to warm range, which is a temperature range lower than the recrystallization temperature, and thus the crystal grains of both the base and the face portion become coarse. Without this, work hardening can be obtained while maintaining the compressive residual stress from the face surface to a predetermined depth. Also, welding defects can be eliminated. Therefore, the characteristics of the overlay material are not impaired.
  • this compressive stress acts as a resistance against the tensile stress generated at the face part during the removal of the face surface and engine operation in the finishing process, it is resistant to fatigue damage due to repeated stress and face cracks due to heat shock under engine operation.
  • the wear resistance can also be improved by the work hardening of the face portion.
  • the inner peripheral region is made the second smooth surface, the opening angle is made larger than the face surface, and the inside of the face is Since the expanded surface is formed in the same manner, the surface pressure acting on the face surface during forging is reduced, so when the opening angle is small and excessive forging surface pressure acts on the face surface, for example, the face surface
  • a poppet valve having a sharp face with an opening angle of 90 ° or the like it is possible to form a face portion in which occurrence of face cracks due to plastic working is suppressed.
  • Poppet valve manufacturing process diagram Main section enlarged cross-sectional view during secondary forging (first example) Main part enlarged sectional view at the time of secondary forging (second example) Residual stress distribution comparison graph (circumferential and radial directions) Thermal shock test results comparison chart Face hardness comparison graph
  • the poppet valve is manufactured by forming a valve base consisting of a large-diameter umbrella part integral with a shaft part by plastic working, and forming a face part on the umbrella part of the valve base by overlay welding and then finishing.
  • the gist of the poppet valve of the present invention is to perform predetermined plastic working by overlay welding a wear-resistant alloy to the umbrella portion, particularly for the face portion, among the processing steps leading to completion.
  • a wear-resistant alloy is overlay welded, a smooth surface is formed on the overlay portion by cutting and removal processing, and then the cooling temperature is lower than the recrystallization temperature.
  • a uniform surface pressure is applied to the face portion of the poppet valve in a range from warm to warm to form a face surface.
  • the valve base 2 processing process comprising (1) upsetting process and (2) umbrella forging process Group, (3) Umbrella grooving process to (4) Overlay welding process, (5) Pre-forging cutting process, (6) Machining process for face part 2b from secondary forging process, (7) Completion It covers a multi-step process up to the finishing of poppet valves in the process.
  • the first step (1) upsetting is to cut the rod-shaped material into a predetermined length, chamfer one end of the rod-shaped material, chamfer the other end, and heat the rod-shaped material by resistance heating due to the potential difference between the electrodes.
  • the R chamfered side of the one end is expanded and deformed to form the head portion 1a and preheat.
  • the valve base 2 is formed by hot forging as primary forging.
  • the valve base 2 includes an umbrella portion 2a in which the head portion 1a is formed into a predetermined umbrella shape by die forging, and a face portion 2b having a predetermined inclined surface is formed on the outer periphery of the umbrella portion 2a. .
  • the groove 3 for preventing welding material from being melted during the next overlay welding is formed in the face portion 2b by cutting or the like.
  • the pre-heating of the umbrella portion 2a forms the build-up portion 4 by depositing a cobalt-based or other wear-resistant alloy along the groove 3 of the face portion 2b. .
  • the cooling of the umbrella portion 2a reduces the generation of thermal stress due to heat input during welding and prevents weld boundary cracking.
  • the fifth process (5) pre-forging process is to make the surface pressure during forging uniform, as shown in the enlarged cross-sectional view of the main part during secondary forging (first example) in Fig. 2.
  • a smooth surface 5 is formed on the surface of the raised portion 4 by cutting and removing, and the outer peripheral portion of the umbrella portion 2a is cut to a predetermined outer diameter to prevent galling of the outer peripheral portion.
  • the weld material of the built-up portion 4 that forms the smooth surface 5 is often used with a hard and low toughness cobalt-based alloy or the like, if the deformation amount and stress concentration are increased by subsequent relatively low temperature forging, Cracks may occur in the built-up part 4, and if the surface of the uneven built-up part 4 after build-up welding is directly forged, the compressive residual stress and work hardening may become non-uniform Therefore, in order to make the surface pressure at the time of the next secondary forging uniform, the smooth surface 5 corresponding to the mold is formed on the built-up portion 4 by removal processing.
  • the face surface 6 is formed by forging the smooth surface 5 of the built-up portion 4 after preheating the umbrella portion 2a.
  • uniform surface pressure is applied to the smooth surface 5 in the range from cold to warm, which is a temperature range lower than the recrystallization temperature, to form.
  • the finishing process including the necessary heat treatment, cuts the pressed face surface 6 to form a finished surface 7 on the face 2b that can be in close contact with the valve seat on the cylinder head side. Complete the poppet valve.
  • the face part 2b of the poppet valve formed by the above process is a groove in the face part 2b formed by the inclined surface formed on the outer peripheral part of the umbrella part 2a with respect to the poppet valve base 2 comprising the shaft part 1b and the umbrella part 2a at one end thereof.
  • 3 is formed by cutting, and the welded portion 4 is formed in a circular shape along the groove 3, and the surface of the buildup portion 4 is cut and removed to form a smooth surface 5. Secondary forging with uniform surface pressure load is possible.
  • the face surface 6 By forming the face surface 6 by the secondary forging process with the uniform surface pressure, it is possible to apply a uniform plastic strain to the face surface 6 to generate a uniform compressive residual stress. By applying this compressive residual stress to the face portion, the tensile stress applied to the face portion 2b when using the poppet valve can be offset, and the fatigue strength and crack resistance can be improved.
  • the metal crystal grains of the base material 2 and the face portion 5 are maintained over the entire face surface 6 in a range from the surface to a predetermined depth without causing coarsening.
  • the compressive stress applied to the face portion 2b acts as a drag against the tensile stress generated on the finished surface 7 by the cutting of the face surface 6 or engine operation during the finishing process. And resistance to face cracks caused by heat shock can be improved.
  • the secondary forging described above strength reduction due to coarsening of crystal grains can be avoided by forging at a temperature in a warm region or a cold region that is equal to or lower than the A1 transformation point.
  • the valve base material is an austenitic material
  • it is difficult to heat-treat the post-process for crystal grain refinement in the production of the valve and in the case of forging above the A1 transformation point, the crystal grains become coarse.
  • the original strength cannot be obtained even by aging treatment, by performing forging in the range below the recrystallization temperature, it is possible to prevent coarsening of the crystal grains and prevent a decrease in material strength.
  • the face portion is easy to work harden and the wear resistance can be improved.
  • the specific setting of the forging temperature in the above case depends on the lower value of the A1 transformation points of both the weld overlay and the base material.
  • a material having a high temperature strength superior to that of the base material is used as the build-up material, and in many cases, the A1 transformation point of the base material has a lower value. Therefore, except for some examples, the secondary forging temperature condition is set to less than the A1 transformation point of the base material.
  • the recrystallization temperature is lower in NCF80A.
  • the secondary forging temperature is determined based on the above. Since the recrystallization temperature of NCF80A is 1000 ° C. to 1100 ° C., if the secondary forging temperature is less than 1000 ° C., it is possible to carry out warm forging at or below the A1 transformation point.
  • X-ray residual stress measurement method tube voltage 40 kV, tube current 30 mA, characteristic X-ray Cr ⁇ K ⁇ -ray, collimator ⁇ 2.0 mm, measurement mode parallel tilt method.
  • the comparison results of the residual stress of the face part with and without secondary forging are as follows. As a result, no secondary forging was obtained, and secondary forging was present as compressive stress with respect to tensile stress. From this measurement result, the tensile stress in the range excluding the surface and the shallow part is estimated with one secondary forging, and the compressive stress in the entire range from the surface to the deep part is estimated with the other secondary forging. .
  • a poppet valve formed with an umbrella diameter of 70 mm, a face angle of 120 degrees, and a secondary forging temperature T 850 ⁇ 50 ° C. (the above-mentioned high nickel alloy as the base material and the above as the overlay material)
  • T 850 ⁇ 50 ° C.
  • This test is a test method in which a specimen (three for each condition) held at a test temperature is rapidly cooled with cold water of 20 ⁇ 5 ° C., and the surface thereof is verified for the presence of face damage by a penetrant inspection test. The results are as follows.
  • the comparison result of heat shock resistance of the face part with and without secondary forging is as shown in the thermal shock test result comparison chart of FIG.
  • the result of secondary forging was 800 to 850 ° C, which was confirmed to be effective in improving heat shock resistance.
  • a poppet valve formed with an umbrella diameter of 110 mm, a face angle of 100 degrees, and a secondary forging temperature T 850 ⁇ 50 ° C. (the high nickel alloy as the base material and the cobalt base as the overlay material) (Abrasion resistant alloy), as a result of overlay welding by setting the condition that cracks occur on the base material side, and performing a microscopic observation of the metal structure in comparison with the presence or absence of secondary forging, Clear cracks were observed on the base material side, and no pinholes or cracks were observed on the base material side of the face portion and the range of the cladding material when the other secondary forging was present. From this, it is estimated that the crack which generate
  • T 850 ⁇ 50 ° C.
  • the test object is an overlay welding (trade name: Stellite # 712) on a base material of a poppet valve (with an umbrella diameter of about 110 mm, a face angle of 100 °, and a high nickel alloy (NCF80A). 4) Work hardening The hardness near the finished surface of the built-up part rises (35 to 70 HV) before and after secondary forging at the measurement positions on the inner diameter side, center, and outer diameter side of the face part, confirming work hardening. did it.
  • the process related to the secondary forging performed on the face part of the poppet valve is effective for the residual stress in the compression direction and work hardening as well as the elimination of the welding defect, as confirmed from the results of the effect verification. Therefore, it is possible to ensure excellent durability by improving the crack resistance and wear resistance by making use of the characteristics of the cladding material of the face portion.
  • FIG. 3 which is an enlarged cross-sectional view (second example) of the main part at the time of secondary forging
  • the secondary forging process when the opening angle of the face surface 6 of the poppet valve is small will be described.
  • a weld boundary extending to the base of the umbrella portion 2a on the inner peripheral side thereof The range of the portion is formed as a second smooth surface 5a by cutting and removing, and the second smooth surface 5a is formed in the same manner as the face surface 6 of the built-up portion 4 and integrally with the face surface 6.
  • the in-face expanded surface 6a that expands to the peripheral side is formed by secondary forging.
  • the in-face enlarged surface 6 a is formed at an opening angle ⁇ larger than the opening angle ⁇ of the face surface 6.
  • the opening angle ⁇ is set in the range of 30 ° ⁇ ⁇ ⁇ 180 ° in the case of a general poppet valve in order to match the completed face angle of the poppet valve, and the opening angle ⁇ is set in the range of ⁇ ⁇ ⁇ 180 °.
  • the face pressure 6 acting on the face surface 6 is reduced by forming the face surface 6 of the built-up portion 4 and integrally forming the in-face enlarged surface 6a having a different opening angle in the inner peripheral region.
  • the occurrence of cracks in the face portion 2b is suppressed.
  • the opening angle ⁇ of the mold is 90 ° and the opening angle ⁇ is 140 °.
  • stable secondary forging can be performed, so that the face portion 2b of the poppet valve with work hardening is obtained while maintaining compressive residual stress from the face surface to a predetermined depth. Therefore, it is possible to improve resistance to fatigue failure due to repeated stress and face cracks caused by heat shock under engine operation, and to improve wear resistance by work hardening of the face portion.

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Abstract

【課題】基体・フェース部共に結晶粒の粗大化を招くこと無しにフェース表面から所定の深さ以上まで圧縮残留応力を維持しつつ、加工硬化を得るとともに、溶接欠陥も解消できるポペットバルブおよびそのフェース部の形成方法を提供する。 【解決手段】ポペットバルブのフェース部の形成方法は、軸部1ｂとその一端の傘部2ａとからなるポペットバルブ基体2について、上記傘部2ａに溶接による肉盛部4を周回状に形成する工程と、この肉盛部4に所定の開き角のフェース面6を形成する工程とからなり、上記肉盛部4には、表面の除去加工により平滑面5を形成し、この平滑面5に対する塑性加工により上記フェース面6を形成するとともに、この加工は、再結晶温度未満の温度域である冷間から温間の範囲で、ポペットバルブのフェース部2bに均等面圧を与えることにより、上記課題を解決してフェース部の耐久性を向上することができるものである。

Description

ポペットバルブのフェース部の形成方法およびこの形成方法によるフェース部を有するポペットバルブ
この発明は、ポペットバルブの基体の傘部に肉盛溶接することによって形成されるポペットバルブのフェース部の形成方法およびこの形成方法によるフェース部を有するポペットバルブに関する。
ポペットバルブのフェース部は、シリンダヘッド側のバルブシートからの衝撃を繰返し受けることから、その耐久性を強化する技術として、ポペットバルブの基体について、その傘部に耐摩耗性合金等を肉盛溶接してフェース部を形成する技術が、特許文献1の例をはじめ、ポペットバルブの製造に際して幅広く用いられている。
特開2011－101897号公報
しかしながら、上記フェース部は、溶接された肉盛材によって強化される一方で、肉盛溶接時の熱応力や肉盛材と基材の熱膨張差等により、フェース部の内部に引張応力が残留することが知られており、工程内での仕上げ加工時やエンジン作動時などフェース部へ引張応力が負荷された場合、この引張残留応力との合力により、フェースクラックが起こることがある。特にエンジン作動下はバルブの連続した開閉による繰り返し荷重が発生する。また、シリンダー内では吸気・圧縮・燃焼・排気の行程が繰り返される為、サーマルサイクルによる熱応力が発生する。この様な環境下での使用はフェースクラックに対する耐性の低下を招くこととなり、その結果、肉盛材に見合う耐久性を確保しえなくなるという問題があった。
本発明は、基体・フェース部共に結晶粒の粗大化を招くこと無しにフェース表面から所定の深さ以上まで圧縮残留応力を維持しつつ、加工硬化を得ることができ、また、溶接欠陥も解消できるフェース部を備えるポペットバルブおよびそのフェース部の形成方法を提供するものである。
請求項1に係る発明は、軸部とその一端の傘部とからなるポペットバルブ基体について、上記傘部に溶接による周回状の肉盛部を形成する工程と、その肉盛部に所定の開き角のフェース面を形成する工程とからなるポペットバルブのフェース部の形成方法において、上記肉盛部には、表面の除去加工によって平滑面を形成し、この平滑面に対する塑性加工によって上記フェース面を形成するとともに、この塑性加工は、再結晶温度未満の温度域である冷間から温間の範囲で、均等面圧を与えることを特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明において、前記肉盛部からその内周側に及ぶ領域を前記平滑面と同様にして第二の平滑面を形成し、この第二の平滑面について前記フェース面と同様にして前記フェース面と一体にフェース内拡面を形成するとともに、このフェース内拡面の開き角を前記フェース面の開き角より大きい角度に形成することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、軸部とその一端の傘部とからなるポペットバルブ基体について、上記傘部に溶接による周回状の肉盛部を設け、この肉盛部に所定の開き角のフェース面を備えたフェース部を有するポペットバルブにおいて、　上記肉盛部には、表面の除去加工によって平滑面を設け、この平滑面に対する塑性加工によって上記フェース面を形成するとともに、この塑性加工は、再結晶温度未満の温度域である冷間から温間の範囲でポペットバルブのフェース部に均等面圧を与えることを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項3に係る発明において、前記肉盛部からその内周側に及ぶ領域に前記平滑面と同様にして第二の平滑面を形成し、この第二の平滑面について前記フェース面と同様にして前記フェース面と一体のフェース内拡面を形成するとともに、このフェース内拡面の開き角を前記フェース面の開き角より大きい角度に形成したことを特徴とする。
請求項1に係る発明により、ポペットバルブ基体について、その傘部に溶接による肉盛部を周回状に形成し、その表面を切削して平滑面を形成し、この平滑面を塑性加工して所定の開き角のフェース面を形成する。この加工では、再結晶温度未満の温度域である冷間から温間の範囲でポペットバルブのフェース部に均等面圧を与え、形成することから、基体・フェース部共に結晶粒の粗大化を招くこと無しにフェース表面から所定深さまで圧縮残留応力を維持しつつ、加工硬化を得ることができる。また、溶接欠陥も解消できる。したがって、肉盛材の特性を損なうことも無い。また、この圧縮応力は仕上げ工程のフェース面の除去加工やエンジン作動にフェース部で発生する引張応力に対して抗力となる為、エンジン稼動下における繰返し応力による疲労破壊やヒートショックによるフェースクラックに対する耐性を向上することができ、フェース部の加工硬化により耐摩耗性も向上することができる。
請求項2に係る発明により、請求項1に係る発明の効果に加え、フェース面の形成とともに、その内周側の領域を第二の平滑面としてフェース内拡面を一体に形成することから、フェース面に作用する面圧を低減してフェース部のクラック発生が抑えられるので、フェース面の開き角が小さく、過大な面圧が塑性加工時に平滑面に作用する場合、例えば、フェース面の開き角が90°等の鋭角気味のフェース面を有するポペットバルブについて、塑性加工によるフェースクラック発生を抑えたフェース部を形成することができる。
請求項3に係る発明により、ポペットバルブ基体について、その傘部に溶接による肉盛部を周回状に形成し、その表面を切削して平滑面を形成し、この平滑面を均等面圧で塑性加工して所定の開き角のフェース面を形成する。この加工は、再結晶温度未満の温度域である冷間から温間の範囲でポペットバルブのフェース部に均等面圧を与え、形成することから、基体・フェース部共に結晶粒の粗大化を招くこと無しにフェース表面から所定深さまで圧縮残留応力を維持しつつ、加工硬化を得ることができる。また、溶接欠陥も解消できる。したがって、肉盛材の特性を損なうことも無い。また、この圧縮応力は仕上げ工程のフェース面の除去加工やエンジン作動にフェース部で発生する引張応力に対して抗力となる為、エンジン稼動下における繰返し応力による疲労破壊やヒートショックによるフェースクラックに対する耐性を向上することができ、フェース部の加工硬化により耐摩耗性も向上することができる。
請求項4に係る発明により、請求項3に係る発明の効果に加え、フェース面の形成とともに、その内周側の領域を第二の平滑面とし、開き角をフェース面より大きくしてフェース内拡面を同様に形成したことから、鍛造加工の際のフェース面に作用する面圧が低減されるので、開き角が小さく、フェース面に過大な鍛造面圧が作用する場合、例えば、フェース面の開き角が90°等の鋭角気味のフェース面を有するポペットバルブについて、塑性加工によるフェースクラック発生を抑えたフェース部を形成することができる。
ポペットバルブの製造工程図 二次鍛造時の要部拡大断面図（第一例） 二次鍛造時の要部拡大断面図（第二例） 残留応力分布比較グラフ（周方向と放射方向） 熱衝撃試験成績比較図 フェース硬さ比較グラフ
上記技術思想に基づいて具体的に構成された実施の形態について以下に図面を参照しつつ説明する。
ポペットバルブは、軸部と一体の大径の傘部とからなるバルブ基体を塑性加工によって形成し、このバルブ基体の傘部に肉盛溶接加工によってフェース部を形成した上で仕上げ加工によって製造される。
本発明のポペットバルブは、完成に至る各加工工程の中でも、特にフェース部について、傘部に耐摩耗性合金を肉盛溶接し、所定の塑性加工を行うことを発明の要旨とする。つまり、傘部に肉盛用溝を形成して耐摩耗性合金を肉盛溶接し、その肉盛部に切削除去加工により平滑面を形成した上で、再結晶温度未満の温度域である冷間から温間の範囲でポペットバルブのフェース部に均等面圧を与え、フェース面を形成することを特徴とする。
上記ポペットバルブについて、その製造工程を具体的に説明すると、図1の製造工程図に示すように、（1）据込み工程と（2）傘部の鍛造工程とからなるバルブ基体2の加工工程群、（3）傘部の溝入れ工程から（4）肉盛溶接工程、（5）鍛造前切削工程、（6）二次鍛造工程までのフェース部2bについての加工工程群、（7）完成工程におけるポペットバルブの仕上げまでの多段階の工程に及ぶ。
第一の工程である（1）据込み加工は、棒状材料を所定長さに切断し、その一端をＲ面取りし、他端をＣ面取りし、この棒状材料を電極間の電位差による抵抗加熱により電極間について軟化させ、その状態で軸方向に加圧することで、上記一端のＲ面取り側を拡径変形させてヘッド部1ａを形成するとともに予熱を与える。
第二の工程である（2）鍛造加工は、一次鍛造として熱間鍛造によりバルブ基体2を形成する。このバルブ基体2は、上記ヘッド部1ａを型鍛造によって所定の傘形状に形成した傘部2ａを備え、この傘部2ａには、その外周部に所定の傾斜面のフェース部2ｂが形成される。
第三の工程である（3）フェース部溝入れ加工は、上記フェース部2ｂに次の肉盛溶接時の溶接材溶け落ちを防止するための溝3を切削等により周回形成する。
第四の工程である（4）肉盛溶接加工は、傘部2ａの予熱後にフェース部2ｂの溝3に沿ってコバルト系その他の耐摩耗性合金を肉盛溶接によって肉盛部4を形成する。このとき、傘部2ａの冷却により、溶接時の入熱による熱応力の発生を軽減し、溶接境界割れを防止する。
第五の工程である（5）鍛造前加工は、図2に二次鍛造時の要部拡大断面図（第一例）を示すように、鍛造時の面圧を均等化するために、肉盛部4の表面を切削除去加工によって平滑面5を形成するとともに、外周部のカジリ防止のために傘部2ａの外周部を所定の外径寸法に切削する。
上記平滑面5を形成した肉盛部4の溶接材は、硬くて靱性の低いコバルト基合金などが多く使用されることから、この後に続く比較的低温の鍛造によって変形量や応力集中が大きくなると肉盛部4にクラックが発生する可能性があり、また、肉盛溶接後の凹凸状の肉盛部4の表面をそのまま鍛造すると圧縮残留応力と加工硬化が不均一になる可能性があることから、次の二次鍛造時の面圧を均一にするために、肉盛部4について除去加工によって金型と対応する平滑面5を形成する。
第六の工程である（6）二次鍛造加工は、傘部2ａの予熱後に肉盛部4の平滑面5を鍛造加工することによりフェース面6を形成する。この加工では、再結晶温度未満の温度域である冷間から温間の範囲で平滑面5に均等面圧を与え、形成する。
上記二次鍛造加工については、肉盛部4の内周に沿う溶接境界部からのクラックの発生を防止するために、同溶接境界部に達するまで面圧を加え、また、傘部2ａの外径部に材料の逃げを設けてフェース面6のクラックの発生を防止するために、加工部を限定して傘部2ａの外径部を未拘束とする鍛造加工を行う。また、フェース面6の法線方向のプレス代を規定するために、一次鍛造と異なる形状の金型を使用する。
第七の工程である（7）完成加工は、必要な熱処理を含め、プレスしたフェース面6を切削することにより、シリンダヘッド側のバルブシートと密接可能な仕上面7をフェース部2ｂに形成してポペットバルブを完成させる。
（内部応力）
上記工程によって形成されるポペットバルブのフェース部2ｂは、軸部1ｂとその一端の傘部2ａとからなるポペットバルブ基体2について、傘部2ａの外周部に形成した傾斜面によるフェース部2ｂに溝3を切削形成し、この溝3に沿って溶接による肉盛部4を周回状に形成し、この肉盛部4の表面を切削除去加工によって平滑面5を形成することにより肉盛部4の均等面圧負荷による二次鍛造が可能となる。
この均等面圧の二次鍛造工程によってフェース面6を形成することにより、フェース面6に一様な塑性歪みを与えて一様な圧縮残留応力を発生させることができる。この圧縮残留応力をフェース部に付与することにより、ポペットバルブ使用時にフェース部2ｂに加わる引張応力を相殺し、疲労強度や耐クラック性を向上することができる。
このように、再結晶温度未満の温度域である冷間から温間の範囲に温度条件を限定して均等面圧の二次鍛造を行うことにより、基材2及びフェース部5の金属結晶粒の粗大化を招くことなしに、フェース面6の全体に表面から所定深さまでの範囲で圧縮応力状態が維持される。
その結果、仕上げ工程におけるフェース面6の切削やエンジン作動による仕上面7に発生する引張応力に対してフェース部2ｂへ付与された圧縮応力が抗力となる為、エンジン稼動下における繰返し応力による疲労破壊やヒートショックによるフェースクラックに対する耐性を向上することができる。
（材料強度）
また、一般の金属組織の転位は粒界よりも粒内で起こり易く、粒界の増大によって転位が起こり難くなることから、結晶粒が大きくなると粒界が減少して転位が起こり易く、その結果強度が低下する。このように、材料強度は、転位の動き易さで左右され、動き易いほど強度が低くなる。
上記二次鍛造においては、Ａ1変態点以下である温間域または冷間域の温度の鍛造とすることにより、結晶粒の粗大化による強度低下を避けることができる。特に、バルブ基材がオーステナイト材の場合は、バルブ製造上も、結晶粒の微細化のための後工程の熱処理が困難であり、また、Ａ1変態点以上の鍛造の場合は結晶粒の粗大化を招き、時効処理によっても本来の強度を得ることができないことから、再結晶温度以下の範囲で鍛造加工を行うことにより、結晶粒の粗大化を防いで材料強度低下を防止することができ、熱間鍛造と比較して、フェース部が加工硬化し易く、耐摩耗性を向上することができる。
上記の場合における具体的な鍛造温度の設定は、溶接肉盛材、基材の双方のＡ1変態点の内の低い方の値による。一般的には、肉盛材として基材よりも高温強度に優れた材料を用いることが殆どであり、多くの場合、基材のＡ1変態点の方が低い値となる。そのため、一部の例を除き、二次鍛造温度条件は、基材のＡ1変態点未満に設定する。
例えば、基材に高ニッケル合金（ＮＣＦ80Ａ）、肉盛材にコバルト系耐摩耗性合金（商標名ステライト＃712）を用いたバルブの場合、再結晶温度はＮＣＦ80Ａの方が低いので、基材側を基準として二次鍛造温度を決定する。ＮＣＦ80Ａの再結晶温度は1000℃～1100℃なので、二次鍛造温度を1000℃未満とすれば、Ａ1変態点以下による温間鍛造を実施することができる。
（検証結果）
上記工程によって製造したポペットバルブの検証により、フェース部の残留応力、クラック、表面の硬さについて以下の結果を得た。
応力分布の検証例として、傘径φ70ｍｍ、フェース角120度、二次鍛造温度Ｔ＝850±50℃で形成したポペットバルブ（基材に上記高ニッケル合金、肉盛材に上記コバルト系耐摩耗性合金）について、Ｘ線残留応力測定法（管電圧40ｋＶ、管電流30ｍＡ、特性Ｘ線Ｃｒ・Ｋ　α線、コリメータφ2．0ｍｍ、測定モード並傾法）により、傘部の180度角度差の2点において深さ位置0、20、50μｍの周方向と放射方向の残留応力について測定を行い、次の結果を得た。
二次鍛造の有無によるフェース部の残留応力の対比結果は、図４の残留応力分布比較グラフ（周方向と放射方向）に示すように、表面では両者同等の圧縮応力、深さ20、50μｍでは、二次鍛造無が引張応力に対して二次鍛造有が圧縮応力という結果が得られた。この測定結果から、一方の二次鍛造無では、表面と浅い部分を除く範囲の引張応力が推定され、他方の二次鍛造有では、表面から深い部分までの全範囲の圧縮応力が推定される。
また、フェース部の耐ヒートショック性については、傘径φ70ｍｍ、フェース角120度、二次鍛造温度Ｔ＝850±50℃で形成したポペットバルブ(基材に上記高ニッケル合金、肉盛材に上記コバルト系耐摩耗性合金)について、二次鍛造の有無を対比して熱衝撃試験を実施し、検証した。この試験は試験温度で保持した試験体(各条件3本)を20±5℃の冷水にて急冷し、その表面を浸透探傷試験にてフェース損傷の有無検証する試験法である。結果は次の通りである。
二次鍛造の有無によるフェース部の耐ヒートショック性の対比結果は、図５の熱衝撃試験成績比較図に示すように、フェースクラック発生温度が二次鍛造無で650～700℃に対して、二次鍛造有は800～850℃という結果が得られ、耐ヒートショック性向上に有効であることが認められた。
また、フェース部の内部欠陥については、傘径φ110ｍｍ、フェース角100度、二次鍛造温度Ｔ＝850±50℃で形成したポペットバルブ(基材に上記高ニッケル合金、肉盛材に上記コバルト系耐摩耗性合金)について、基材側にクラックが発生する条件設定による肉盛溶接を行い、二次鍛造の有無を対比して金属組織の顕微鏡観察を行った結果、一方の二次鍛造無は基材側に明らかなクラックが観察され、他方の二次鍛造有はフェース部の基材側と肉盛材の範囲について、ピンホールやクラックが一切観察されなかった。このことから、基材側に発生したクラックが二次鍛造によって圧着修復されることが推定される。
また、加工硬化については、傘径φ110ｍｍ、フェース角100度、二次鍛造温度Ｔ＝850±50℃で形成したポペットバルブ（基材に上記高ニッケル合金、肉盛材に上記コバルト系耐摩耗性合金）について、二次鍛造の前後における肉盛部の完成表面相当位置の硬さをフェース面の幅中央部とその内外側部の3点で測定した結果、図６のフェース硬さ比較グラフに示すように、二次鍛造の前より後における測定値が35～70ＨＶの上昇となり、明らかな加工硬化が確認された。
上記二次鍛造の効果検証についてまとめると、以下のとおりである。
1）圧縮残留応力について
深さが0μｍ、20μｍ、50μｍの測定位置について　二次鍛造無しでは、20μｍ、50μｍ位置で引張応力、有りでは、全深さ範囲において、周方向、放射方向を問わない残留圧縮応力が確認された。
2）耐ヒートクラック性の向上について
熱衝撃試験より、二次鍛造による耐フェースクラック性の改善及び、熱応力に対する強度向上が認められた。
3）内部欠陥（ピンホール・クラックなど）の圧着について
肉盛溶接によって基材側内部組織にクラックが発生したポペットバルブについて、二次鍛造による欠陥修復効果が金属組織の顕微鏡解析によって確認された。試験対象は、ポペットバルブ（傘径約110ｍｍ、フェース角100°、高ニッケル合金（ＮＣＦ80Ａ）の基材に肉盛溶接（商標名ステライト＃712）による。
4）加工硬化について
肉盛部完成表面付近の硬さは、フェース部の内径側、中央、外径側の測定位置において、2次鍛造前後において上昇（35～70ＨＶ）があり、加工硬化を確認できた。
このように、ポペットバルブのフェース部について実施した上記二次鍛造に係る工程は、効果検証の結果からも確認されたとおり、溶接欠陥の解消とともに、圧縮方向の残留応力と加工硬化に有効であることから、フェース部の肉盛材の特性を生かして耐割れ性、耐摩耗性の向上による優れた耐久性を確保することができるものである。
（別構成例）
次に、図3に二次鍛造時の要部拡大断面図（第二例）を示すように、ポペットバルブのフェース面6の開き角が小さい場合の二次鍛造加工について説明する。　前述の一連の工程において、第五の工程である（5）鍛造前加工においては、肉盛部4の平滑面5に加えて、さらにその内周側の傘部2ａの基材に及ぶ溶接境界部の範囲を切削除去加工によって第二の平滑面5ａとして形成し、この第二の平滑面5ａについて肉盛部4のフェース面6と同様にして、かつ、このフェース面６と一体にその内周側に拡大するフェース内拡面6ａを二次鍛造によって形成する。このフェース内拡面6ａは、フェース面6の開き角αより大きい開き角βに形成する。開き角αはポペットバルブの完成フェース角度に合わせる為、一般的なポペットバルブの場合30°≦α＜180°の範囲で設定し、開き角βはα＜β≦180°の範囲で設定する。
上記工程により、肉盛部4のフェース面6の形成とともに、その内周側の領域に開き角が異なるフェース内拡面6ａを一体に形成することにより、フェース面6に作用する面圧を低減してフェース部2ｂのクラック発生が抑えられる。
例えば、傘径φ100、フェース面6の開き角が90°の鋭角気味のフェース面を有するポペットバルブの二次鍛造工程の場合、金型の開き角αを90°、開き角βを140°と設定する。この様な金型を用いることで安定した二次鍛造加工が可能となることから、フェース表面から所定深さまで圧縮残留応力を維持しつつ、加工硬化が得られたポペットバルブのフェース部2ｂを形成することができるので、エンジン稼動下における繰返し応力による疲労破壊やヒートショックによるフェースクラックに対する耐性を向上することができ、フェース部の加工硬化により耐摩耗性も向上することができる。
1ａ　ヘッド部
1ｂ　軸部
2　　ポペットバルブ基体
2ａ　傘部
2ｂ　フェース部
3　　溝
4　　肉盛部
5　　平滑面
5ａ　第二の平滑面
6　　フェース面
6ａ　フェース内拡面
7　　仕上面

Claims (4)

  1. 軸部とその一端の傘部とからなるポペットバルブ基体について、上記傘部に溶接による周回状の肉盛部を形成する工程と、その肉盛部に所定の開き角のフェース面を形成する工程とからなるポペットバルブのフェース部の形成方法において、
    上記肉盛部には、表面の除去加工によって平滑面を形成し、この平滑面に対する塑性加工によって上記フェース面を形成するとともに、この塑性加工は、再結晶温度未満の温度域である冷間から温間の範囲で、均等面圧を与えることを特徴とするポペットバルブのフェース部の形成方法。
  2. 前記肉盛部からその内周側に及ぶ領域を前記平滑面と同様にして第二の平滑面を形成し、この第二の平滑面について前記フェース面と同様にして前記フェース面と一体にフェース内拡面を形成するとともに、このフェース内拡面の開き角を前記フェース面の開き角より大きい角度に形成することを特徴とする請求項1記載のポペットバルブのフェース部の形成方法。
  3. 軸部とその一端の傘部とからなるポペットバルブ基体について、上記傘部に溶接による周回状の肉盛部を設け、この肉盛部に所定の開き角のフェース面を備えたフェース部を有するポペットバルブにおいて、
    上記肉盛部には、表面の除去加工によって平滑面を設け、この平滑面に対する塑性加工によって上記フェース面を形成するとともに、この塑性加工は、再結晶温度未満の温度域である冷間から温間の範囲で、均等面圧を与えることを特徴とするポペットバルブ。
  4. 前記肉盛部からその内周側に及ぶ領域に前記平滑面と同様にして第二の平滑面を形成し、この第二の平滑面について前記フェース面と同様にして前記フェース面と一体のフェース内拡面を形成するとともに、このフェース内拡面の開き角を前記フェース面の開き角より大きい角度に形成したことを特徴とする請求項3記載のポペットバルブ。
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