(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の弁座に当接する弁体頭部の当接部がＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を肉盛溶接することにより形成されており、
上記当接部が、固溶化処理された後その上面に設置された火薬を爆発させることにより塑性変形せしめられて加工硬化しその後時効処理されてなる、内燃機関用の排気弁。
【請求項２】
内燃機関の弁座に当接する弁体頭部の当接部がＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を肉盛溶接することにより形成される肉盛溶接工程と、
上記当接部を固溶化処理する固溶化処理工程と、
この固溶化処理された当接部をその上面に設置された火薬を爆発させることにより塑性変形せしめ加工硬化させる爆発硬化工程と、
この当接部を時効処理する時効処理工程とを備える、内燃機関用の排気弁の製造方法。
【請求項３】
内燃機関の弁座に当接する弁体頭部の当接部を備える排気弁の再生方法であって、
上記弁座との断続的な接触によって減肉した当接部を除去する除去工程と、
減肉した当接部を除去した部分にＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を肉盛溶接することにより新たな当接部を形成する肉盛溶接工程と、
この新たな当接部を固溶化処理する固溶化処理工程と、
この固溶化処理された当接部をその上面に設置された火薬を爆発させることにより塑性変形せしめ加工硬化させる爆発硬化工程と、
この当接部を時効処理する時効処理工程とを備える、内燃機関用の排気弁の再生方法。
【請求項４】
Ｎｉ系析出硬化型超耐熱合金で一体的に形成された排気弁の再生方法であって、
内燃機関の弁座との断続的な接触によって減肉した弁体頭部の当接部にＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を肉盛溶接することにより新たな当接部を形成する肉盛溶接工程と、
この新たな当接部を固溶化処理する固溶化処理工程と、
この固溶化処理された当接部をその上面に設置された火薬を爆発させることにより塑性変形せしめ加工硬化させる爆発硬化工程と、
この当接部を時効処理する時効処理工程とを備える、内燃機関用の排気弁の再生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用の排気弁とその製造方法と再生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
内燃機関用の排気弁は弁体頭部とこの弁体頭部から上方に延びる軸棒とを備える。排気弁は、内燃機関の燃焼室で燃料ガスが燃焼するときに弁体頭部が弁座に当接し燃焼室の圧力が排気弁の下流に漏れないようになっている。また、排気弁は、燃料ガスが燃焼した後の排気ガスを排気するときに弁体頭部が弁座から離反し排気弁の下流に排気ガスが排出されるようになっている。
【０００３】
この排気弁には、一般的に、（１）排気弁の作動温度（例えば、５００℃）における耐酸化性、並びに、排気ガス中の燃焼生成物（例えば、未燃焼カーボン粉、または、５酸化バナジウムなどの溶融塩）に対する耐食性および耐摩耗性を有すること、（２）排気弁の作動温度においても所定の強度および靱性を保持し、変形および破壊を生じないこと、（３）製造方法が簡単であることなどの材料特性が要求されている。特に、弁体頭部は排気弁の開閉動作によって弁座に断続的に接触し摩耗し易いので、排気弁の弁体頭部の、弁座に対向する部分に耐摩耗性を有する当接部が配置されており、この当接部には当接部以外の部位に比べて高い耐摩耗性が要求されている。
【０００４】
そのため、一般的には、排気弁の材料として、排気弁の当接部以外の部位には高合金の耐熱鋼（例えば、SUH31など）が使用され、排気弁の当接部には上記当接部以外の部位に比べて高い硬度の材料が肉盛溶接されている（例えば、特許文献１参照。）。肉盛溶接される材料としては、例えば、コルモノイ６（登録商標、以下同じ）のようなＮｉ−Ｃｒ−Ｂ系合金、または、ステライト６（登録商標、以下同じ）のようなＣｏ−Ｃｒ−Ｗ−Ｃ系合金が使用されている。
【０００５】
しかしながら、コルモノイ６は低靱性材料であるため、当接部と弁座との断続的接触により割れが生じやすい。一方、ステライト６はコルモノイ６に比べて靱性に優れているが、コルモノイ６に比べて低硬度であるため、当接部が上記燃焼生成物により摩耗されやすい。従って、排気弁を長期間使用することが難しい。
【０００６】
そこで、当接部に強度および靱性に優れ高温腐食しにくいＮｉ系の超耐熱合金を肉盛溶接し、さらに当接部の表面に特殊な加工熱処理が施すことによって、当接部に当接部以外の部位に比べて高い硬度、すなわち高い耐摩耗性を保有させて排気弁の寿命を延ばすことが考えられる。ここで、加工熱処理とは、排気弁に固溶化処理を施し軟化させ、当接部などを冷間鍛造などにより塑性変形せしめこれにより加工硬化させ、さらにその後時効処理することにより析出硬化させる処理であり、主に航空機のエンジン部品などに使用されている。
【０００７】
しかしながら、この場合、上記超耐熱合金の強度が高いため当接部を大きな力で冷間鍛造する必要がある。そのため、当接部だけでなく当接部以外の部位も大きく変形され、排気弁は所定の形状を保つことが困難である。従って、従来の冷間鍛造を含む加工熱処理を超耐熱合金で肉盛溶接された当接部にそのまま適用することはできない。その結果、排気弁を長期間使用することが難しい。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、超耐熱合金を肉盛溶接して形成された当接部に加工熱処理を可能にすることにより従来の排気弁に比べて寿命を延ばすことができる内燃機関用の排気弁とその製造方法と再生方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−１００６１２号公報  （第２頁）
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明に係る排気弁は、内燃機関の弁座に当接する弁体頭部の当接部がＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を肉盛溶接することにより形成されており、当接部が、固溶化処理された後当接部の上面に設置された火薬を爆発させることにより塑性変形せしめられて加工硬化しその後時効処理されてなる。
【００１１】
この構成では、当接部が固溶化処理されるので、当接部の塑性変形が容易となり、塑性変形時の割れ等の欠陥の発生を防止することができる。また、当接部はその上面に設置された火薬の爆発によって塑性変形されるが、火薬の爆発によるエネルギが当接部の上面近傍に集中するので、従来の冷間鍛造のように排気弁が大きく変形することなく当接部を加工硬化させることができる。また、当接部としてＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を使用しているので、時効処理によって当接部を著しく硬化させることができる。すなわち、当接部の耐摩耗性を著しく向上させることができる。さらに、時効処理により爆発により生じた排気弁内の残留応力を除去するので、排気弁を作動させるときに作用する機械的応力および熱応力により排気弁が変形することを防止することができる。これにより、排気弁の寿命を従来の肉盛溶接型の排気弁に比べて延ばすことが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る排気弁の製造方法は、内燃機関の弁座に当接する弁体頭部の当接部がＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を肉盛溶接することにより形成される肉盛溶接工程と、当接部を固溶化処理する固溶化処理工程と、この固溶化処理された当接部をその上面に設置された火薬を爆発させることにより塑性変形せしめ加工硬化させる爆発硬化工程と、この当接部を時効処理する時効処理工程とを備える。これにより、上述したように排気弁の寿命を従来の肉盛溶接型の排気弁に比べて延ばすことが可能となる。
【００１３】
また、本発明に係る排気弁の再生方法は、内燃機関の弁座に当接する弁体頭部の当接部を備える排気弁の再生方法であって、弁座との断続的な接触によって減肉した当接部を除去する除去工程と、減肉した当接部を除去した部分にＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を肉盛溶接することにより新たな当接部を形成する肉盛溶接工程と、この固溶化処理された当接部をその上面に設置された火薬を爆発させることにより塑性変形せしめ加工硬化させる爆発硬化工程と、この当接部を時効処理する時効処理工程とを備える。
【００１４】
この構成によれば、排気弁の当接部が摩耗により使用可能な限界寸法まで減肉し、排気弁の機能が劣化した場合であっても、この減肉した当接部を除去した後、上述した排気弁の製造方法と同様の方法で当接部を形成することによって元の状態に再生することが可能となる。これにより、排気弁の寿命を延ばすことができる。
【００１５】
また、本発明に係る排気弁の再生方法は、Ｎｉ系析出硬化型超耐熱合金で一体的に形成された排気弁の再生方法であって、内燃機関の弁座との断続的な接触によって減肉した弁体頭部の当接部にＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を肉盛溶接することにより新たな当接部を形成する肉盛溶接工程と、この新たな当接部を固溶化処理する固溶化処理工程と、この固溶化処理された当接部をその上面に設置された火薬を爆発させることにより塑性変形せしめ加工硬化させる爆発硬化工程と、この当接部を時効処理する時効処理工程とを備える。
【００１６】
この構成によれば、一体的に形成された排気弁の弁座との当接部が摩耗により減肉した場合であっても、摩耗した部分にＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を肉盛溶接することにより新たな当接部を形成し、その後この当接部を爆発硬化させ時効処理することによって当接部が元の状態に再生される。これにより、排気弁の寿命を延ばすことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関用の排気弁の一部分を示す部分縦断面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る内燃機関用の排気弁の製造工程図である。
【００１８】
図１に示すように、排気弁１は、傘状の弁体頭部１０と、この弁体頭部１０の先細側の略中央部に連続して上方に（先細側）に延びる軸棒１１とを備える。この排気弁１は、内燃機関の燃焼器（図示せず）内で燃料が燃焼するときに排気弁１の弁体頭部１０が弁座（図示せず）に当接し燃焼中の燃料が排気弁１の下流に漏れないようになっている。また、排気弁１は、燃料が燃焼した後の排気ガスを排気するときに排気弁１の弁体頭部１０が弁座から離反し排気弁１の下流に排気ガスが排出されるようになっている。従って、弁体頭部１０および軸棒１１は、排気ガスに曝され、高温（例えば、５００℃）になる。そこで、弁体頭部１０および軸棒１１には、優れた耐熱性を備えるＳＵＨ３１などの耐熱鋼が使用されている。
【００１９】
また、上述した排気弁１は開閉するときに弁体頭部１０が弁座に断続的に接触するために弁体頭部１０が摩耗しやすい。そこで、弁体頭部１０の軸棒１１側の外縁部（弁体頭部１０の斜面の外縁部）１０ａの弁座に対向する部分には、弁体頭部１０の摩耗を防止するための当接部１２が設けられている。具体的には、当接部１２は、上記外縁部１０ａの弁座に対向する部分に形成された環状の凹部（図示せず）に弁体頭部１０の斜面から外方に突出するようにＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を肉盛溶接することによって形成されている。これにより、排気弁１が閉状態になったとき当接部１２が弁座に当接するようになっている。Ｎｉ系析出硬化型超耐熱合金としてインコネル７１８（登録商標、以下同じ）などが使用される。インコネル７１８は加工熱処理によって加工硬化する超耐熱合金の中で溶接性に優れた材料である。なお、インコネル７１８の化学組成はCr:19%、Fe:17%、Nb:5%、Mo:3%、Ti:0.8%、Al:0.6%、残りNiである。ここで、加工熱処理とは、排気弁１に固溶化処理を施し軟化させ、当接部１２などを冷間鍛造などにより塑性変形せしめこれにより加工硬化させ、さらにその後時効処理を行いうことで析出硬化させる処理である。
【００２０】
次に、上記のように構成される排気弁１の製造方法について図２を用いて説明する。
【００２１】
最初に、弁体頭部１０の凹部にＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を肉盛溶接して当接部１２を形成する。この工程が肉盛溶接工程である。その後、当接部１２が固溶化処理される。この固溶化処理では、当接部１２が予め１０８０℃に高周波加熱などにより加熱され、この状態を所定時間保持された後、水冷または空冷される。これにより、当接部１２は軟質で延性および靱性に優れた材料特性となり、後述する爆発硬化工程における爆発時の衝撃で当接部１２に亀裂などが発生することを防止することができる。なお、ここでは、当接部１２のみを加熱しているが、排気弁１が小さく当接部１２のみ加熱できない場合などには排気弁１全体を加熱してもよい。以上の工程が固溶化処理工程である。
【００２２】
次に、図２（ａ）に示すように当接部１２の上面全体に所定量の火薬１３を載置する。火薬１３の内周部に火薬１３を爆発させる雷管（図示せず）を設置する。この火薬１３の量および種類などは、爆発することによって当接部１２に塑性変形を付与するための爆発力のみが得られるように設定されている。従って、従来の爆破圧着のように金属同士を固体状態で接合させるような大きな爆発力は不要である。なお、当接部１２と火薬１３との間に環状の緩衝部材（図示せず）を介在させてもよい。この緩衝部材により、火薬１３が爆発したときに当接部１２に熱を伝達することなく火薬１４の爆発時の爆発力のみを伝達することもできる。すなわち、当接部１２の上面に冷間鍛造と同じような塑性変形を付与することが可能となる。
【００２３】
次に、図２（ｂ）に示すように雷管（図示せず）によって火薬１３を起爆する。すると、火薬１３は当接部１２の上面の内周部側から外周部側に向かって輪状に広がるように順次爆発する。このとき、火薬１３の爆発力ＢＦが当接部１２の上面に対して略垂直方向に作用する。これにより、当接部１２は塑性変形され加工硬化する。しかし、爆発によるエネルギは当接部１２の上面近傍に集中するので、従来の冷間鍛造のように弁体頭部１０を大きく変形することはない。以上の工程が爆発硬化工程である。
【００２４】
次に、上記爆発硬化工程において形成された排気弁１は、約７５０℃に加熱され、この状態で所定時間保持された後、常温まで徐冷される。排気弁１が約７５０℃で所定時間保持されることによって、爆発により生じた当接部１２および弁体頭部１０内の残留応力が除去される。これにより、排気弁１の使用時に作用する機械的応力および熱応力の相乗効果による排気弁１の変形が生じないようにすることができる。また、当接部１２としてＮｉ系析出硬化型超耐熱合金が使用されているので、当接部１２は徐冷されることにより析出硬化される。これにより、当接部１２は著しく高い硬度となり、当接部１２の耐摩耗性は向上する。具体的には、加工熱処理を施した当接部１２の硬度は約５００（ビッカース硬さ）となり、従来の冷間鍛造による場合とほぼ同等の硬度が得られる。さらに、当接部１２が爆発による塑性変形で当接部１２内の溶接凝固組織が壊され鍛造組織に変わるため当接部１２の靱性も向上する。以上の工程が時効処理工程である。
【００２５】
以上の一連の工程（加工熱処理工程）により、弁体頭部１０の外縁部１０ａに著しく高い硬度、すなわち高い耐摩耗性、および、高い靱性を有する当接部１２が形成される。これにより、排気弁１の寿命を延ばすことができる。
【００２６】
続いて、当接部１２が摩耗により使用可能な限界寸法まで減肉した場合の排気弁１の再生方法について説明する。
【００２７】
まず、減肉した当接部１２の部分を旋盤などの切削手段を用いて除去する。その後、上述の加工熱処理工程と同じ工程で弁体頭部１０に再生するための当接部１２が形成される。これにより、減肉した当接部１２は元の状態に再生される。
【００２８】
その他、排気弁１がＮｉ系析出硬化型超耐熱合金で一体的に形成されており、弁座と当接する部分が摩耗した場合であっても、摩耗した部分にＮｉ系析出硬化型超耐熱合金を肉盛溶接して、上述の加工熱処理を施すことにより摩耗した部分を摩耗前の状態に再生することもできる。なお、この場合、排気弁１の変形防止の観点から、固溶化処理工程において排気弁１全体を加熱するより当接部１２のみを加熱することが好ましい。また、当接部１２に高い硬度を要求しない場合、排気弁１の固溶化処理を省略しても構わない。
【００２９】
なお、上述した実施形態は一例であり、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、超耐熱合金を肉盛溶接して形成された当接部に加工熱処理を可能にすることにより従来の排気弁に比べて寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関用の排気弁の一部分を示す部分縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る内燃機関用の排気弁の製造工程図である。
【符号の説明】
１…排気弁
１０…弁体頭部
１０ａ…外縁部
１１…軸棒
１２…当接部
１３…火薬
ＢＦ…爆発力
【図１】
0003660665.tif 000002
【図２】
0003660665.tif 000003