(57)【要約】  内燃機関の排気弁棒の触火面に、耐高温耐蝕性金属層を、簡単かつ短時間で一体的に接合する方法及び該方法により得る排気弁棒の提供。耐熱鋼を母材とする、内燃機関用の排気弁棒であって、該排気弁棒の該母材からなる触火面に、Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金の板が圧着されており、波状の接合界面を呈し、該触火面の中心部では、Ｎｉ及びＣｒを含む第二の耐高温耐蝕性合金が肉盛溶接されていることを特徴とする前記排気弁棒、及び爆発圧着による該排気弁棒の製造方法。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱鋼を母材とする、内燃機関用の排気弁棒であって、該排気弁棒の該母材からなる触火面に、Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金の板が圧着されており、波状の接合界面を呈し、該触火面の中心部では、Ｎｉ及びＣｒを含む第二の耐高温耐蝕性合金が肉盛溶接されていることを特徴とする前記排気弁棒。
【請求項２】
前記圧着が爆発圧着によるものである、請求項１に記載の排気弁棒。
【請求項３】
前記Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金が、Ｎｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性Ｎｉ基金属である、請求項１又は２に記載の排気弁棒。
【請求項４】
前記Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金が、前記Ｎｉ及びＣｒを含む第二の耐高温耐蝕性合金と同じである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気弁棒。
【請求項５】
前記母材としての耐熱鋼が、マルテンサイト系耐熱鋼であるＳＵＨ１、ＳＵＨ３、及びＳＵＨ４、オーステナイト系耐熱鋼であるＳＵＨ３１、ＳＵＨ３７、及びＳＮＣｒＷ系鋼、並びにＮｉ基耐熱鋼ナイモニック８０Ａ（登録商標）、及びナイモニック８１（登録商標)からなる群から選ばれる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気弁棒。
【請求項６】
前記排気弁棒の母材からなる触火面に、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０、及びＳＵＳ３１６からなる群から選ばれるステンレス耐熱用鋼金属板材料を介して、前記Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金の板が圧着されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の排気弁棒。
【請求項７】
排気弁棒の触火面に、Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金の板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせ、該板材料に爆薬を装着して爆発圧着して排気弁棒の触火面に一体的に接合するステップ、及び
得られた排気弁棒の触火面の爆発圧着の不圧着部を除去して、Ｎｉ及びＣｒを含む第二の耐高温耐蝕性合金を肉盛溶着するステップ、
を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の排気弁棒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶の各種ディーゼル機関等の内燃機関の排気弁棒及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、船舶の各種ディーゼル機関やガソリン機関の排気弁棒には、マルテンサイト系耐熱鋼のＳＵＨ１、３、４またはオーステナイト系耐熟鋼のＳＵＨ３１、３７、ＳＮＣｒＷの各種を使用し、弁棒材料のシート面にCo系ステライトまたはNi系でコルモノイ等の盛金材が使用されている。【０００３】
排気弁棒は、ディーゼル機関やガソリン機関の中で最重要な部品で、かつ高価な部品であり、排気弁棒の寿命で船主経済に占めるウェートはかなり大きいものがある。したがって、これまでに排気弁棒の寿命延長のための試みは常になされてきた。【０００４】
過去に、焼結ステライト弁シートの高温強度を上げた実機試験で、16,000Hr経過後もそのシート面は健全で圧痕が無く、引き続き使用に供した実績があることから、排気弁棒はシート面の高温強度がある値以上であれば、メンテナンス時間も、弁の寿命も、現状よりさらに長くできるものと考えられていた。【０００５】
また、２０数年前から、以下の特許文献１（特開平５−２２２４７５号公報）に開示されるように、Ｎｉ基の耐熱鋼ナイモニック（Nimonic(( 登録商標) 以下同じ)80A) 材の排気弁棒が使用されるようになり、この弁材料は上記金属材料よりも、耐熱耐食性に優れており、使用耐用年数もかなり長寿命で、現状では大型ディーゼル機関では品質が安定している。【０００６】
さらに、排気弁棒に共通した弁傘触火面の高温腐食の多くは、始めに高温高圧排気ガスにより弁体に浸炭され、これが排気弁体の化学成分の内クロームと反応してクロームカーバイトを形成し、結晶粒界に析出、浸炭孔食を引き起こしていると考えられていた。【０００７】
１９８４年頃に、鍛造製品ナイモニック（Nimonic80A）の排気弁シートを補修するにあたって、同種（Nimonic80A）の溶接材を使い、シート面に肉盛りの上、溶着部表面をピーニングして硬度を増加させ、さらに時効硬化熱処理を施し、高温での硬度をアップさせることにより、かなり使用寿命の延長が図られた。
一方、機関運転中における排気弁傘表面の温度は、880BHP/cyl機関の１００％負荷で、600 ℃以上、シート部で500℃以上の記録がある。最近の燃料油性状を考えると、上記現象に加え、耐サルファーアタック、耐バナジュームアタックの高温耐食性に優れた排気弁棒とする必要がある。【０００８】
以下の特許文献２（特開２００４−２８５８６３号公報）には、Ｎｉ系析出硬化型超耐熱合金（ナイモニック８０Ａ）を排気弁棒の軸棒側外面部（シート）部に爆発圧着で接合したことが開示されている。【０００９】
このように、排気弁棒の長寿命を達成するには、1)排気弁シート部の金属が高温時に高硬度が得られる材質であること、2)触火面側の金属が高温高圧腐食雰囲気の燃焼ガスに長時間耐える材質であること、ただし3)排気弁母材の金属Feべ一スのものは、1)、2)を構成する金属の析出共晶の中の金属間化合物にAlが入っていると、Feベースだと脆い化合物ができてよくないので、Niで縁を切らねばならない。【００１０】
そこで、本発明者は、ディーゼル機関等の排気弁棒であって、その排気弁棒の母材に一般に使用されるＳＵＨ１、３、４、ＳＵＨ３１、ナイモニック８０、８１を含む弁材料の耐熱鋼を使用し、その触火面にＰ（燐）の成分を含まないインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）以下同じ）の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属を肉盛溶接し、その肉盛溶接した上面にＮｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜４０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属を肉盛溶接し、これらの肉盛金属を希釈して溶着形成したディーゼル機関等の排気弁棒について、以下の特許文献３（実用新案登録第３１７５７７９号公報）を提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平５−２２２４７５号公報
【特許文献２】特開２００４−２８５８６３号公報
【特許文献３】実用新案登録第３１７５７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記排気弁棒を所要のディーゼル機関に使用して数千時間を経過して点検したところ、触火面はほとんど腐蝕されていなく、まだ十分に利用できる状態で、所要の効果を奏するものであった。【００１３】
しかし、排気弁棒の触火面にこれらの耐高温耐蝕性合金を均一状に肉盛溶接するには多くの手間と時間がかかり、また所要の熱処理が必要で、簡単かつ短時間で一体的に接合することが課題であった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決すべく、本願発明者らは、鋭意検討し実験を重ねた結果、従来の肉盛溶接を部分的に代えて、爆発圧着により耐高温耐蝕性合金を触火面に接合一体化させることよりかかる課題を解決しうることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
すなわち、本発明に以下の通りのものである。【００１５】
［１］耐熱鋼を母材とする、内燃機関用の排気弁棒であって、該排気弁棒の母材からなる触火面に、Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金の板が圧着されており、波状の接合界面を呈し、該触火面の中心部では、Ｎｉ及びＣｒを含む第二の耐高温耐蝕性合金が肉盛溶接されていることを特徴とする前記排気弁棒。【００１６】
［２］前記圧着が爆発圧着によるものである、前記［１］に記載の排気弁棒。【００１７】
［３］前記Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金が、Ｎｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性Ｎｉ基金属である、前記［１］又は［２］に記載の排気弁棒。【００１８】
［４］前記Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金が、前記Ｎｉ及びＣｒを含む第二の耐高温耐蝕性合金と同じである、前記［１］〜［３］のいずれかに記載の排気弁棒。【００１９】
［５］前記母材としての耐熱鋼が、マルテンサイト系耐熱鋼であるＳＵＨ１、ＳＵＨ３、及びＳＵＨ４、オーステナイト系耐熱鋼であるＳＵＨ３１、ＳＵＨ３７、及びＳＮＣｒＷ系鋼、並びにＮｉ基耐熱鋼ナイモニック８０Ａ（登録商標）、及びナイモニック８１（登録商標)からなる群から選ばれる、前記［１］〜［４］のいずれかに記載の排気弁棒。【００２０】
［６］前記排気弁棒の母材からなる触火面に、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０、及びＳＵＳ３１６からなる群から選ばれるステンレス耐熱用鋼金属板材料を介して、前記Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金の板が圧着されている、前記［１］〜［５］のいずれかに記載の排気弁棒。【００２１】
［７］排気弁棒の触火面に、Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金の板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせ、該板材料に爆薬を装着して爆発圧着して排気弁棒の触火面に一体的に接合するステップ、及び
得られた排気弁棒の触火面の爆発圧着の不圧着部を除去して、Ｎｉ及びＣｒを含む第二の耐高温耐蝕性合金を肉盛溶着するステップ、
を含む、前記［１］〜［６］のいずれかに記載の排気弁棒の製造方法。【００２２】
本発明の１の実施態様は、内燃機関の耐熱鋼を使用した排気弁棒の触火面の母材に超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせて爆発圧着し、排気弁棒の触火面の母材に超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を一体的に接合した排気弁棒の触火面の中心部の爆発圧着不圧着部を除去して超合金の耐高温耐蝕性金属を肉盛溶着して形成したことを特徴とする内燃機関の排気弁棒である。【００２３】
本発明の他の実施態様は、排気弁棒の母材にＳＵＨ１、３、４、ＳＵＨ３１、ナイモニック８０、８１（Nimonic(登録商標))のいずれかを含む弁材料の耐熱鋼を使用した内燃機関の排気弁棒であって、上記排気弁棒の触火面にＮｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせて爆発圧着して一体的に接合したことを特徴とする内燃機関の排気弁棒である。【００２４】
本発明の他の実施態様は、内燃機関の耐熱鋼を使用した排気弁棒の触火面の母材に３〜１２ｍｍ厚さの超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせ、その中心部に５〜１０ｍｍ径の雷管を設けて爆発圧着し、排気弁棒の触火面の母材に超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を一体的に接合した排気弁棒の触火面の中心部の５〜３０ｍｍ径の爆発圧着不圧着部を除去して超合金の耐高温耐蝕性金属を肉盛溶着して形成したことを特徴とする内燃機関の排気弁棒である。【００２５】
本発明の他の実施態様は、内燃機関の耐熱鋼を使用した排気弁棒の触火面の母材に、ＳＵＳ３０９、３１０、３１６のいずれかを含むステンレス耐熱用鋼金属板材料と、Ｎｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属板材料を重ね合わせて爆発圧着してこれらを一体的に接合したことを特徴とするとする内燃機関の排気弁棒である。【００２６】
本発明の他の実施態様は、内燃機関の耐熱鋼を使用した排気弁棒の触火面の母材に超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を爆発圧着して一体的に接合することを特徴とする内燃機関の排気弁棒の製造方法である。【００２７】
本発明の他の実施態様は、排気弁棒の母材にＳＵＨ１、３、４、ＳＵＨ３１、ナイモニック８０、８１（Nimonic(登録商標))のいずれかを含む弁材料の耐熱鋼を使用した内燃機関の排気弁棒であって、上記排気弁棒の触火面にＮｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせて爆発圧着して一体的に接合することを特徴とする内燃機関の排気弁棒の製造方法である。【００２８】
本発明の他の実施態様は、排気弁棒の触火面に超合金の耐高温耐蝕性金属板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせ、超合金の耐高温耐蝕性金属板材料に爆薬を装着して爆発圧着して排気弁棒の触火面に一体的に接合し、この排気弁棒の触火面の爆発圧着不圧着部を除去して超合金の耐高温耐蝕性金属を肉盛溶着することを特徴とする内燃機関の排気弁棒の製造方法である。【００２９】
本発明の他の実施態様は、内燃機関の耐熱鋼を使用した排気弁棒の触火面の母材に、ＳＵＳ３０９、３１０、３１６のいずれかを含むステンレス耐熱用鋼金属板材料と、Ｎｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属板材料を爆発圧着してこれらを一体的に接合することを特徴とする内燃機関の排気弁棒の製造方法である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る排気弁棒は、耐熱鋼を母材とする、内燃機関用の排気弁棒であって、該排気弁棒の該母材からなる触火面に、Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金の板が圧着されており、波状の接合界面を呈し、該触火面の中心部では、Ｎｉ及びＣｒを含む第二の耐高温耐蝕性合金が肉盛溶接されている。かかる波状の接合界面の存在により、母材とＮｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金との接合は強固かつ均一であり、爆発圧着処理によれば、かかる圧着は瞬時に行うことができるので、以下に述べる他の実施形態の奏する効果に加え、本発明は、内燃機関の排気弁棒の触火面の全面に、手間と時間のかかる肉盛溶接する方法及び該方法により得る排気弁棒に比較して、高温による熱応力歪みや割れが生じるのを防止でき、表面粗度が良好で機械仕上げが簡単で、製造時間を短縮でき、品質を向上できて、価格も低減することができる。【００３１】
また、前記した他の実施形態によれば、内燃機関の耐熱鋼を使用した排気弁棒の触火面の母材に超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせて爆発圧着したことによって、所要の爆発圧着法を利用して爆発圧着処理することで、排気弁棒の触火面に一瞬にして超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を一体的に接合でき、接合面が波形状で強固に接合できて、耐蝕性よく利用できる。【００３２】
また、前記した他の実施形態によれば、排気弁棒の触火面の母材に超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を一体的に接合した排気弁棒の触火面の中心部の爆発圧着不圧着部を除去して超合金の耐高温耐蝕性金属を肉盛溶着して形成したことによって、爆薬の爆発で排気弁棒の触火面に不圧着部が生じても、排気弁棒の触火面の爆発圧着不圧着部を除去して超合金の耐高温耐蝕性金属を肉盛溶着して触火面部の全面にわたって強固に仕上げられ、排気弁棒の触火面の全面にわたって溶接肉盛接合を行なわないため、従来のように手間と時間のかかる溶接肉盛接合をできるだけ行なわないようにでき、高温による熱応力歪みや割れが生じるのを防止でき、表面粗度が良好で機械仕上げが簡単で、製造時間を短縮でき、品質を向上できて、価格も低減することができる。【００３３】
また、前記した他の態様によれば、排気弁棒の母材にＳＵＨ１、３、４、ＳＵＨ３１、ナイモニック８０、８１（Nimonic(登録商標))のいずれかを含む弁材料の耐熱鋼を使用した内燃機関の排気弁棒であって、上記排気弁棒の触火面にＮｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせて爆発圧着して一体的に接合したことによって、排気弁棒の母材を一般に使用されるＳＵＨ１、３、４、３７、ナイモニック８０、８１等の弁材料の耐熱鋼を使用し、耐サルファーアタック、耐バナジュームアタックの耐高温耐蝕性に優れた超合金のNi基金属を組み合わせて、高温―耐腐食性に優れた耐久性を有するものとし、粗悪重油を燃料としている低速ディーゼル機関等の排気弁棒の長期寿命を維持することが期待でき、メンテナンス間隔を大幅に延長でき、顧客の経費の削減に寄与することができるとともに、上記のように製造時間を短縮でき、品質を向上できて、価格も低減することができる。【００３４】
また、前記した他の実施態様によれば、内燃機関の耐熱鋼を使用した排気弁棒の触火面の母材に３〜１２ｍｍ厚さの超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせ、その中心部に５〜１０ｍｍ径の雷管を設けて爆発圧着し、排気弁棒の触火面の母材に超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を一体的に接合した排気弁棒の触火面の中心部の５〜３０ｍｍ径の爆発圧着不圧着部を除去して超合金の耐高温耐蝕性金属を肉盛溶着して形成したことによって、従来の溶接肉盛接合のものと比して３ｍｍ以上の３〜１２ｍｍ位の分厚いものを使用できて耐久性を高められ、また、爆薬の爆発で排気弁棒の触火面の中心部に不圧着部が生じても、触火面の中心部の５ 〜３０ｍｍ径の爆発圧着不圧着部を除去して超合金の耐高温耐蝕性金属を肉盛溶着して触火面部の全面にわたって強固に仕上げられ、排気弁棒の触火面の全面にわたって溶接肉盛接合を行なわないため、耐蝕性よく使用できるとともに、上記のように製造時間を短縮でき、品質を向上できて、価格も低減することができる。【００３５】
また、前記した他の実施態様によれば、内燃機関の耐熱鋼を使用した排気弁棒の触火面の母材に、ＳＵＳ３０９、３１０、３１６のいずれかを含むステンレス耐熱用鋼金属板材料と、Ｎｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属板材料を重ね合わせて爆発圧着してこれらを一体的に接合したことによって、排気弁棒の触火面に一瞬にしてＳＵＳ３０９、３１０、３１６等のステンレス耐熱用鋼金属板材料と、Ｎｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属板材料を一体的に強固に接合できて、耐蝕性よく利用できる。特に、排気弁棒の使用による損傷した触火面の補修用に利用できて、従来に比して短時間に補修できて、耐蝕性よく再利用することができる。【００３６】
そして、上記のようにして爆発圧着して一体的に接合した排気弁棒の触火面部を熱処理して所要の機械仕上げを行い、爆発圧着した触火面を耐腐食性に優れ、強度にすぐれて割れ防止をはかれた金属組織として、内燃機関の排気弁棒の長期寿命をはかるようにできるとともに、排気弁棒の触火面の爆発圧着不圧着部の超合金の耐高温耐蝕性金属を肉盛溶着による高温による熱応力による歪みや割れが生じるのを防止でき、上記のように製造時間を短縮でき、品質を向上できて、価格も低減することができるものである。【００３７】
また、前記した他の実施態様によれば、排気弁棒の母材にＳＵＨ１、３、４、ＳＵＨ３１、ナイモニック８０、８１（Nimonic(登録商標))のいずれかを含む弁材料の耐熱鋼を使用した内燃機関の排気弁棒の製造方法であって、上記排気弁棒の触火面にＮｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせて爆発圧着して一体的に接合することによって、排気弁棒の母材を一般に使用されるＳＵＨ１、３、４、３７、ナイモニック８０、８１等の弁材料の耐熱鋼を使用し、耐サルファーアタック、耐バナジュームアタックの耐高温耐蝕性に優れた超合金のNi基金属を組み合わせて、高温―耐腐食性に優れた耐久性を有するものとし、粗悪重油を燃料としている低速ディーゼル機関等の排気弁棒の長期寿命を維持することが期待でき、メンテナンス間隔を大幅に延長でき、顧客の経費の削減に寄与することができるとともに、上記のように製造時間を短縮でき、品質を向上できて、価格も低減することができる。【００３８】
また、前記した他の実施態様によれば、排気弁棒の触火面に超合金の耐高温耐蝕性金属板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせ、超合金の耐高温耐蝕性金属板材料に爆薬を装着して爆発圧着して排気弁棒の触火面に一体的に接合し、この排気弁棒の触火面の爆発圧着不圧着部を除去して超合金の耐高温耐蝕性金属を肉盛溶着することによって、爆薬の爆発で排気弁棒の触火面に不圧着部が生じても、排気弁棒の触火面の爆発圧着不圧着部を除去して超合金の耐高温耐蝕性金属を肉盛溶着して触火面部の全面にわたって強固に仕上げられ、排気弁棒の触火面の全面にわたって溶接肉盛接合を行なわないため、耐蝕性よく使用できるとともに、上記のように製造時間を短縮でき、品質を向上できて、価格も低減することができる。【００３９】
また、前記した他の実施態様によれば、内燃機関の耐熱鋼を使用した排気弁棒の触火面の母材に、ＳＵＳ３０９、３１０、３１６のいずれかを含むステンレス耐熱用鋼金属板材料と、Ｎｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属板材料を爆発圧着してこれらを一体的に接合することによって、排気弁棒の触火面に一瞬にしてＳＵＳ３０９、３１０、３１６等のステンレス耐熱用鋼金属板材料と、Ｎｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属板材料を一体的に強固に接合できて、耐蝕性よく利用できる。【００４０】
そして、上記のようにして爆発圧着して一体的に接合した排気弁棒の触火面部を熱処理して所要の機械仕上げを行い、爆発圧着した触火面を耐腐食性に優れ、強度にすぐれて割れ防止をはかれた金属組織として、内燃機関の排気弁棒の長期寿命をはかるようにできるとともに、排気弁棒の触火面の爆発圧着不圧着部の超合金の耐高温耐蝕性金属を肉盛溶着による高温による熱応力による歪みや割れが生じるのを防止でき、上記のように製造時間を短縮でき、品質を向上できて、価格も低減することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態の排気弁棒の側面図。
【図２】本発明の一実施形態の排気弁棒の触火面の爆発圧着の一部省略した概略側断面図。
【図３】本発明の一実施形態の触火面部の側面図。
【図４】本発明の一実施形態の触火面部の側断面図。
【図５】本発明の一実施形態の側面図。
【図６】本発明の一実施形態の２段階による爆発圧着説明用側面図（ａ）、（ｂ）。
【図７】ＳＵＨ３１とＭＣアロイの接合界面における波状形態、波高の定義を説明する写真である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明に係る排気弁棒は、耐熱鋼を母材とする、内燃機関用の排気弁棒であって、該排気弁棒の母材からなる触火面に、Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金の板が圧着されており、波状の接合界面を呈し、該触火面の中心部では、Ｎｉ及びＣｒを含む第二の耐高温耐蝕性合金が肉盛溶接されていることを特徴とする前記排気弁棒である。
【００４３】
１の実施形態の内燃機関の排気弁棒は、内燃機関の耐熱鋼を使用した排気弁棒の触火面の母材に超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を所定の間隔を設けて重ね合わせて爆発圧着し、排気弁棒の触火面の母材に超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料を一体的に接合した排気弁棒の触火面の中心部の爆発圧着不圧着部を除去して超合金の耐高温耐蝕性金属を肉盛溶着して形成したことを特徴としている。
【００４４】
舶用ディーゼル機関等の内燃機関の排気弁棒１は、図１のようにマッシュルーム状に形成されているもので、ピストンシリンダーの排気ガスの排出用の弁として機能し、弁棒本体２の母材としてディーゼル機関用として一般的に便用されているマルテンサイト系耐熱鋼のＳＵＨ１、３、４、またはオーステナイト系耐熟鋼のＳＵＨ３１、３７、ＳＮＣｒＷ系、さらにナイモニック８０、８１のＮｉ基の耐熱鋼の弁材料を使用できる。これらの化学成分（％）は、表１のとおりである。
【００４５】
表１  排気弁棒の化学成分表
【表１】
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【００４６】
排気弁棒１の触火面３には、表２のようにＮｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％、Ｍｏ０〜残量の超合金のSUPER ALLOY ( 三菱金属ＭＣアロイ）やSUPER ALLOY FM72（インコネルフィラーメタル７２（SPECIAL METALS Welding Products Company FM72））等のＮｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料４を使用して接合し、耐サルファーアタック、耐バナジュームアタックの耐高温耐食性に優れて耐久性を有するものとし、粗悪重油を燃料としている低速ディーゼル機関等の排気弁棒の長期寿命を維持することができ、メンテナンス間隔を大幅に延長可能にしている。
尚、Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金、及びＮｉ及びＣｒを含む第二の耐高温耐蝕性合金は、各々、以下のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料のいずれか１であることができる。
【００４７】
表２  Ｎｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料の化学成分表
【表２】
2015147272.tif 000004
【００４８】
尚、ＭＣアロイとは、特許第４１５１０６１号に記載されるように、Ｃｒ：４３超〜５０％、Ｍｏ：０．１〜２％、Ｍｇ：０．００１〜０．０５％、Ｎ：０．００１〜０．０４％、Ｍｎ：０．０５〜０．５％を含有し、残部がＮｉおよび不可避不純物からなり、不可避不純物として含まれるＣ量を０.０５％以下に調整した組成を有することを特徴とする無機酸含有超臨界水環境に対する耐食性に優れたＮｉ基合金である。ＭＣアロイは、おおよそ、Ｃｒ４５％、Ｍｏ１％、Ｎｉ残部（５４％程度）である。
上記排気弁棒１の触火面３に超合金の耐高温耐蝕性金属板材料４を接合するのに、爆発圧着法を利用するもので、たとえば図２のように頑丈な箱体５に充填した砂６の中央部に排気弁棒１の弁棒本体２を埋設し、図３のようにその排気弁棒１の触火面３との間に所要の間隔を小さな突起等で設けたりして、触火面３の大きさとほぼ同じ位の所要厚さのシートの超合金の耐高温耐蝕性金属板材料４を重ね合わせ、この超合金の耐高温耐蝕性金属板材料４の上面に硝安を主成分とする粉末状の爆薬７を所要の厚さに均一状に配置し、その中央部に4 〜１０ｍｍ径の雷管８を取付け、雷管８により爆薬７を爆発させて爆発圧着するようにしている。
【００４９】
上記超合金の耐高温耐蝕性金属板材料４は、排気弁棒１の触火面３の１００〜６００ｍｍ径、１０〜６０ｍｍ厚さに対して、１〜１６ｍｍ厚さのものが排気弁棒１の大きさに対応して適宜な厚さとして使用でき、従来の溶接肉盛接合のものと比して３ｍｍ以上の３〜１６ｍｍ位のものを使用して耐久性を高められるが、3 〜１２ｍｍ位、より好ましくは４〜１２ｍｍ位が耐久性および爆発圧着性から望ましい。
【００５０】
爆発圧着とは、爆薬の高い圧力を利用した金属接合方法の１つであり、特に異種金属同士を強固に接合することのできる技術である。爆発圧着は、接合界面が波形状を呈し、さらに加熱・圧延など素材の金属組織に影響を与える工程がないことから、接合界面の強度が高いほか、素材の特性を活かせるという特徴をもつ。また、金属素材に熱をほとんど負荷させることなく、接合させることができるので、通常の方法では接合できない金属同士の組み合わせでも強固に接合することができる。さらに、強固に接合されるメカニズムとして、爆発圧着によって接合された金属の接合界面は、特有の波状を呈することが知られており、直線の接合界面より接合面積が大きいことに起因するとも言われている。但し、この波状界面の大きさが大きくなるにつれ、接合時の塑性変形や熱的影響が大きくなるため、接合界面の合金層化につながる。接合界面に合金層が生成すると、接合部が硬く・脆くなる傾向にあるため、接合界面にミクロクラックが生じやすい。
【００５１】
爆発圧着に用いる爆薬とは、爆轟波を発生する火薬類である。金属板を強固に接合させるためには、爆速が1000m毎秒以上の爆薬を用いることが好ましく、より最適な接合力とするために、爆轟速度が音速の1/3〜1/2となる1500m〜3000m/秒の爆薬を用いることが更に好ましい。爆薬としては、具体的には硝酸アンモニウムや硝酸エステル類のＰＥＴＮ（ペンタエリスリトールテトラナイトレート）やニトログリセリン、ニトロ化合物のＴＮＴ（トリニトロトルエン）、ニトラミンのシクロトリメチレントリニトラミンやシクロテトラメチレンテトラニトラミンなどが挙げられ、これらを単独又はその他爆薬成分あるいはその他爆薬以外の成分を混合したものを用いてもよい。
【００５２】
排気弁棒の母材からなる触火面に、Ｎｉ及びＣｒを含む第一の耐高温耐蝕性合金の板が圧着した箇所は、波状の接合界面を呈し、直線状の状態を呈する接合界面に比べて接合面積が増加しているため、接合強度が高くなる。一方、波状界面の波長や波高が大きくなると接合界面への金属間化合物が生成しやすくなるため、接合界面は硬くて脆くなる恐れがある。従って、異種金属間における波状の接合界面の波長と波高がそれぞれ1mm以下であることが好ましい。
【００５３】
本明細書中、接合界面における「波高」とは、図７に示すように、波の頂上から谷までの高さの差を示す。本発明において、波高は、爆発圧着した排気弁棒１を所要の形状に加工し、接合部を含む断面を電子顕微鏡を用いて測定した。測定は、接合界面の任意の１０点を計測し、その平均値を求めた。
【００５４】
上記した排気弁棒１の触火面３の中央部には、爆発圧着により５〜３０ｍｍ径程の爆発圧着不圧着部が生じることがあるが、この場合には図４のように爆発圧着不圧着部を切削したりして除去し、上記した超合金の耐高温耐蝕性金属板材料４と同一ないし同一系列の超合金の耐高温耐蝕性金属９を使用して肉盛溶接し、希釈して一体的に形成できる。なお、爆発圧着不圧着部は、より細い径の４〜５ｍｍ径位の雷管８を使用することにより、できるだけ少なくすることが可能である。
そして、これらの爆発圧着した排気弁棒１を所要の形状に切削し、６００〜７００℃等の所要の焼鈍等の熱処理をし、機械仕上げして成形できる。
【００５５】
このように排気弁棒１の触火面３に超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料４を爆発圧着すると、弁棒本体２の触火面３に一瞬にして超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料４を一体的に接合でき、接合面が波形状で強固に接合できて、耐蝕性よく利用できる。そして、従来のように手間と時間のかかる溶接肉盛接合を排気弁棒１の触火面３の全面にわたって行なわなくてよいため、高温による熱応力歪みや割れが生じるのを防止でき、表面粗度が良好で機械仕上げが簡単で、製造時間を短縮でき、品質を向上できて、価格も低減することができる。
【００５６】
また、爆発圧着して一体的に接合した排気弁棒１の触火面３部を熱処理して所要の機械仕上げをし、上記した爆発圧着した触火面３部を耐腐食性に優れ、強度にすぐれて割れ防止をはかれた金属組織として、内燃機関の排気弁棒の長期寿命をはかるようにできるとともに、排気弁棒１の触火面３の爆発圧着不圧着部の超合金の耐高温耐蝕性金属９の肉盛溶着による高温による熱応力歪みや割れが生じるのを防止できる。
【００５７】
また、図５のように、内燃機関の耐熱鋼を使用した排気弁棒１の触火面３の母材に、表３のようなＳＵＳ３０９、３１０、３１６のいずれかを含むステンレス耐熱用鋼金属板材料１０と、上記のようなＮｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属板材料１１を配設し、爆発圧着して一体的に接合するようにしている。その爆薬７は、上記した硝安を主成分とする粉末状の爆薬にて爆発圧着することができる。
【００５８】
この場合、排気弁棒１の使用による損傷した触火面３の補修用に利用でき、損傷した触火面３部を所要量だけ切削して肉盛溶接し、表面仕上げして上記したように所要の金属板材料を爆発圧着でき、従来に比して短時間に補修できて、耐蝕性よく再利用することができる。
【００５９】
このような排気弁棒１の触火面３に、ステンレス耐熱用鋼金属板材料１０と超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属板材料１１を爆発圧着する場合、図６（ａ）のように先ず排気弁棒１の触火面３にステンレス耐熱用鋼金属板材料１０を爆発圧着し、その後に図６（ｂ）のように超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属板材料１１を爆発圧着することもでき、排気弁棒１に対応して行なうことができる。
【００６０】
表３  ステンレス耐熱用鋼金属の化学成分表
【表３】
2015147272.tif 000005
【００６１】
このように排気弁棒１の触火面３に所要の金属板材料を一層ないし複数層を重ね合わせ、１回または複数回に分けて爆発圧着して一体化することができる。
排気弁棒１としては、1)使用実績効果が評価できる材料、2)経済的に見合うことができる材料、3)弁シート部は高温で硬度が保たれて、耐食性に優れていること、4)触火面は耐サルファーアタック、耐バナジュームアタック、耐高圧高温に優れた材料、を選択する必要がある。このような条件を、上記したように１種類や複数種類の材料で相互に補う方策の排気弁棒１に爆発圧着することができる。
【００６２】
従来、肉盛溶接の場合、排気弁棒１の母材の金属がFeべ一スのものは、溶着金属の析出共晶の中の金属間化合物にA1が入っており、排気弁棒母材のFeと脆い化合物を作る可能性があるので、上記のように中間溶着金属材として、インコネルのNiで縁を切る必要があった。しかし、本発明の爆発圧着の場合、原則的に肉盛溶接をしないので、インコネルのNiで縁を切る必要がなく、所要の超合金の耐高温耐蝕性金属板材料を接合して使用することができる。
【実施例】
【００６３】
図１以下は、本発明の実施例を示すものである。舶用ディーゼル機関の排気弁棒１は、図１のようにマッシュルーム状に形成され、オーステナイト系耐熟鋼のＳＵＨ３１の排気弁棒１の弁棒本体２の機械仕上げした２００ｍｍ径、３５ｍｍ厚さの触火面３に超合金のSUPER ALLOY ( 三菱金属ＭＣアロイ）の耐高温耐蝕性金属板材料４を、図２のように爆発圧着法を利用し、図３のように触火面３に所要の間隔を設けて、触火面３の大きさとほぼ同じ位の円板状の超合金の耐高温耐蝕性金属板材料４を重ね合わせ、この超合金の耐高温耐蝕性金属板材料４の上面に硝安を主成分とする粉末状の爆薬７を所要の厚さに均一状に配置し、６ｍｍ径の雷管８により爆薬７を爆発させて爆発圧着するようにしたものである。
上記超合金の耐高温耐蝕性金属板材料４は、４ｍｍ厚さであり、その上面に硝酸アンモニウムを主成分とする粉末状の爆薬７を所要の厚さに均一状に装填した。【００６４】
そして、雷管８を作動させて爆薬７を爆発し、爆発圧着した結果、排気弁棒１の触火面３の中央部には、爆発圧着により３０ｍｍ径程の爆発圧着不圧着部が生じた。そこで、図４のように爆発圧着不圧着部を切削して除去し、上記した超合金の耐高温耐蝕性金属板材料４と同一の超合金の耐高温耐蝕性金属９を使用して肉盛溶接し、希釈して一体的に形成した。【００６５】
爆発圧着して製作した操作弁棒１について、引張試験およびせん断試験の試験サンプルを各２片ずつ切出して強度試験した。試験の結果、表４のとおり、引張強度が８５７．１ＭＰａ、８４５．６ＭＰａで、規格値の７６０ＭＰａ以上、せん断強度が５０９．７ＭＰａ、４４４．４ＭＰａ（ＪＩＳ  Ｇ  ０６０１）で、規格値の１５０ＭＰａ以上で、共に十分な強度を有し、十分に耐蝕性、耐用性を有するものと判断できる。
また、接合界面における波高は、５５μｍであった。【００６６】
表４  爆発圧着して製作した排気弁棒の強度試験結果表
【表４】
2015147272.tif 000006
【００６７】
このように排気弁棒１の触火面３に所要厚さ（入手可能な４ｍｍ、６ｍｍｍ、１２ｍｍ等も可能）の超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属の耐高温耐蝕性金属板材料４を一瞬にして爆発圧着して排気弁棒１の変形もなく接合でき、その接合面が波形状で高い接合強度で接合できて、耐蝕性、耐久性よく利用できる。そのため、従来のように手間と時間のかかる溶接肉盛接合を行なわなくてよくなり、また、溶接肉盛の高温による熱応力による歪みや割れ等が生じるのを防止でき、表面粗度が良好で機械仕上げが簡単で、製造時間を短縮でき、品質を向上できて、価格も低減化できる。【００６８】
また、図５は本考案の他の実施例で、内燃機関の耐熱鋼を使用した排気弁棒１の触火面３の母材に、表３のようなＳＵＳ３０９等のステンレス耐熱用鋼金属板材料１０と、上記のようなＮｉ４０〜６０％、Ｃｒ６０〜３０％を主成分とする超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属板材料１１を所要の間隔を設けて重ね合わせ、上記したように硝安を主成分とする粉末状の爆薬７にて爆発させて爆発圧着して一体的に接合するようしたものである。【００６９】
この場合、特に、排気弁棒１の使用による損傷した触火面３の補修用に利用できるもので、損傷した触火面３部を所要量切削して肉盛溶接し、従来のように手間と時間のかかる溶接肉盛接合を行なわなくてよくなり、また高温による熱応力歪みや割れが生じるのを防止でき、表面粗度が良好で機械仕上げが簡単で、上記したように爆発圧着して十分な強度を有する補修をすることができて、耐蝕性、耐久性よく再利用できる。【００７０】
このような排気弁棒１の触火面３に、ステンレス耐熱用鋼金属板材料１０と超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属板材料１１を爆発圧着する場合、図６（ａ）のように先ず排気弁棒１の触火面３にステンレス耐熱用鋼金属板材料１０を爆発圧着したり、その後に図６（ｂ）のように超合金の耐高温耐蝕性のＮｉ基金属板材料１１を爆発圧着することもでき、排気弁棒１に対応して行なうことができる。【００７１】
なお、上記では、大気での爆発圧着について説明したが、水、液体を利用した衝撃波による爆発圧着も可能であり、実施例では、ディーゼル機関の排気弁棒１の母材をＳＵＨ３１について説明したが、オーステナイト系のＳＵＨ３７、ＳＮＣｒＷ等や、マルテンサイト系のＳＵＨ１、３、４等の弁材料の耐熱鋼、ナイモニック８０、８１のＮｉ基の耐熱鋼についても同様に選択して実施することができ、またインコネル６０１のＮｉ基金属、インコネルフィラーメタル７２の超合金のＮｉ基金属、ＳＵＳ３１０、３１６等の耐熱鋼用についても、本考案の趣旨にもとづいて実施可能であり、さらにこれらの適宜の組み合わせ、またこれらの変形態様を実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、船舶のディーゼル機関、ガソリン機関、その他のピストンをもって往復運動を司る航空機、機関車等のすべての内燃機関の排気弁棒に利用できる。
【符号の説明】
【００７３】
１    排気弁棒
２    弁棒本体
３    触火面
４    耐高温耐蝕性金属板材料
７    爆薬
１０    ステンレス耐熱用鋼金属板材料
１１    Ｎｉ基金属板材料
【図１】
2015147272.tif 000007
【図２】
2015147272.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015147272.tif 000013
【国際調査報告】
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