(57)【要約】【課題】  チタン金属間材料を通常の材料に接続するための移行部品を用いて、チタン金属間材料と通常の材料の組み合わせから作られたエンジン用の改良された軽量複合ポペット弁を提供する。【解決手段】  エンジンポペット弁１０はバルブヘッド部分１２と、高いクリープ除去のために熱処理されたニッケル基合金の移行部品１６に中実取付けによって取付けられたチタン金属間材料から作られたステム部分１４の少なくとも一部を有している。通常の材料から作られたチップ部分１８はまず移行部品１６の一端に取付けられている。移行部品１６は所定の長さに切断され、次に摩擦溶接によってチタン金属間ステム部分１４に予め選択された距離ｄ１取付けられる。通常の材料から作られた先端部分１８は次に移行部品１６の側面に取付けられる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン用の軽量複合ポペット弁（１０，１１０）であって、バルブヘッド部分（１２，１１２）と、ステム部分（１４，１１４）と、先端部分（１８，１１８）と、前記バルブヘッド部分（１２，１１２）と前記ステム部分（１４，１１４）の間の領域を画定する、前記バルブヘッド部分（１２，１１２）の朝顔形に広がったフィレット部分とを有し、前記バルブヘッド部分（１２，１１２）と前記ステム部分（１４，１１４）の少なくとも一部とがチタン金属間材料から作られており、前記ステム部分（１４，１１４）は、高いクリープ抵抗を有する熱処理されたニッケル基合金製の移行部品（１６，１１６）の一方の端部に取り付けられるような第１の選択された長さ（ｄ１，ｄ２）を有し、前記移行部品（１６，１１６）のもう一方の端部が異なる材料から作られた前記先端部分（１８，１１８）に取り付けられている、エンジン用の軽量の複合ポペット弁。
【請求項２】
前記チタン金属間材料が、チタン合金、アルミ化チタン、およびチタンかなる集合から選択された部材を含む、請求項１記載の軽量複合ポペット弁。
【請求項３】
高いクリープ抵抗を有する熱処理されたニッケル基合金製の前記移行部品（１６，１１６）が、約１０００時間の後に約６５０℃で少なくとも約５００ｍＰａのクリープ抵抗を有する、請求項２記載の軽量複合ポペット弁。
【請求項４】
前記熱処理されたニッケル基合金が、インコネル７５１、ワスパロイ、およびユーデミット７２０からなる集合から選択された部材を含む、請求項３記載の軽量複合ポペット弁。
【請求項５】
前記熱処理されたニッケル基合金が、溶体化処理され二重の時効処理がされた硬化材料である、請求項１記載の軽量複合ポペット弁。
【請求項６】
前記熱処理されたニッケル基合金が、溶体化処理され三重の時効処理がされた硬化材料である、請求項１記載の軽量複合ポペット弁。
【請求項７】
チタン金属間材料製の前記ステム部分（１４，１１４）が熱処理されたニッケル基合金製の前記移行部品（１６，１１６）に摩擦溶接されている、請求項１記載の軽量複合ポペット弁。
【請求項８】
前記ステム部分（１４，１１４）が、クロムめっき被膜、モリブデン溶射被膜、イートナイト被膜、物理蒸着法による被膜、化学蒸着法による被膜、熱溶射被膜、および窒化物被膜からなる集合から選択された部材を含む、請求項１記載の軽量複合ポペット弁。
【請求項９】
エンジン用の軽量複合ポペット弁であって、バルブヘッド部分（２１２）と、第１のステム部分（２１４）および第２のステム部分（２１５）と、先端部分（２１８）と、前記バルブヘッド部分（２１２）と前記第１のステム部分（２１４）の間の領域を画定する、前記バルブヘッド部分（２１４）の朝顔形に広がったフィレット部分とを有し、前記バルブヘッド部分（２１２）および前記第１のステム部分（２１４）はチタン金属間材料から作られており、前記第１のステム部分（２１４）は高いクリープ抵抗を備えた熱処理されたニッケル基合金製の移行部品（２１６）の第１の端部に取り付けられており、前記第２のステム部分（２１５）は一方の端部が前記移行部品（２１６）の第２の端部に取り付けられ、もう一方の端部が前記先端部分（２１８）に取り付けられた中空のチューブである、エンジン用の軽量複合ポペット弁。
【請求項１０】
前記チタン金属間材料が、チタン合金、アルミ化チタン、およびチタンかなる集合から選択された部材である、請求項９記載の軽量複合ポペット弁。
【請求項１１】
前記第２のステム部分（２１５）が、ステンレス鋼材料、アルミ材料、機械加工または深絞り成形された３０４または３０５ステンレス鋼材料、アルミ化チタン材料、チタン合金、機械加工、押出し成形、または深絞り成形されたマルテンサイト系ステンレス鋼材料、およびニッケル基合金からなる集合から選択された部材からなる材料を有する、請求項９記載の複合ポペット弁。
【請求項１２】
前記第２のステム部分（２１５）が、クロムめっき被膜、モリブデン溶射被膜、イートナイト被膜、物理蒸着法による被膜、化学蒸着法による被膜、熱溶射被膜、および窒化物被膜からなる集合から選択された部材からなる被膜をさらに有する、請求項１１記載の複合ポペット弁。
【請求項１３】
前記第１のステム部分（２１４）および前記第２のステム部分（２１５）が、クロムめっき被膜、モリブデン溶射被膜、イートナイト被膜、物理蒸着法による被膜、化学蒸着法による被膜、熱溶射被膜、および窒化物被膜からなる集合から選択された部材からなる被膜をさらに有する、請求項９記載の軽量複合ポペット弁。
【請求項１４】
熱処理されたニッケル基合金製の前記移行部品（２１６）が、約１０００時間の後に約６５０℃で少なくとも約５００ｍＰａのクリープ抵抗を有する、請求項９記載の軽量複合ポペット弁。
【請求項１５】
前記熱処理されたニッケル基合金が、インコネル７５１、ワスパロイ、ユーデミット７２０、溶体化処理され二重の時効処理がされた硬化材料、および溶体化処理され三重の時効処理がされた硬化材料からなる集合から選択された部材からなる、請求項１４記載の軽量複合ポペット弁。
【請求項１６】
エンジン用の軽量の複合ポペット弁（１０，１１０，２１０）の製造方法であって、
バルブヘッド部分（１２，１１２，２１２）と、ステム部分（１４，１１４，２１４）の少なくとも一部とをチタン金属間材料から形成する工程と、
高いクリープ抵抗を備えた熱処理されたニッケル基合金製の移行部品（１６，１１６，２１６）を耐磨耗性を備えた材料（１８，１１８，２１８）に取り付けて先端部分を形成する工程と、
熱処理されたニッケル基合金製の前記移行部品（１６，１１６，２１６）を選択された長さに機械加工する工程と、
前記バルブヘッド部分（１２，１１２，２１２）のチタン金属間材料製の前記ステム部分（１４，１１４，２１４）を前記移行部品（１６，１１６，２１６）に取り付ける工程と
を有する、エンジン用の軽量複合ポペット弁の製造方法。
【請求項１７】
移行部品（１６，１１６，２１６）を耐磨耗性を備えた材料（１８，１１８，２１８）に取り付けて先端部分を形成する前記工程、および、ステム部分（１４，１１４，２１４）を前記移行部品（１６，１１６，２１６）に取り付ける前記工程が、摩擦溶接する過程を含む、請求項１６記載の製造方法。
【請求項１８】
移行部品（１６，１１６，２１６）を耐磨耗性を備えた材料（１８，１１８，２１８）に取り付けて先端部分を形成する前記工程が、
熱処理されたニッケル基合金製の前記移行部品（１６，１１６，２１６）を耐磨耗性を備えた前記材料（１８，１１８，２１８）に取り付ける前に、前記熱処理されたニッケル基合金を溶体化処理し、少なくとも二重に時効処理する工程を含む、請求項１６記載の製造方法。
【請求項１９】
前記ステム部分（１４，１１４，２１４）をクロムめっき被膜、モリブデン溶射被膜、イートナイト被膜、窒化物被膜、熱溶射被膜、物理蒸着法による被膜、および化学蒸着法による被膜からなる集合から選択された部材からなる材料で被覆する工程をさらに含む、請求項１８記載の製造方法。
【請求項２０】
バルブヘッド部分（１２，１１２，２１２）と、ステム部分（１４，１１４，２１４）の少なくとも一部とをチタン金属間材料から形成する前記工程が、
前記バルブヘッド部分（２１２）をチタン金属間材料から作られた第１のステム部分（２１４）と共に形成する工程と、
前記第１のステム部分（２１４）と異なる材料から作られた管状の第２のステム部分（２１５）を準備する工程と、
前記第２のステム部分（２１５）の一方の端部を、熱処理されたニッケル基合金製の前記移行部品（２１６）の一方の端部に取り付ける工程と、
前記第１のステム部分（２１４）を熱処理されたニッケル基合金製の前記移行部品（２１６）のもう一方の端部に固相取り付けする工程と、
前記先端部分（２１８）を前記第２のステム部分（２１５）のもう一方の端部に取り付ける工程と
を有する、請求項１６記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して内燃機関用のポペット弁に関し、特に、バルブヘッド部分と、ステム部分の少なくとも一部とがチタン金属間材料で構成され弁のその他の部分がひとつまたは複数の異なる材料で製造された高温および腐食性環境で作動可能な内燃機関用の軽量複合ポペット弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用のポペット弁が比較的高い温度および腐食性環境で作動することが当産業界ではよく知られている。排気弁が吸気弁に比べてより過酷な状況で作動することも知られている。ディーゼル燃料および加鉛燃料の用途に用いられる排気弁は通常過酷な使用に耐えうる用途であると考えられ、その他のタイプの内燃機関用に用いられる排気弁に比べてより過酷な状況で作動する。エンジン用のポペット弁はこれらのうちの最も過酷な状況においてさて耐えることができ、機能することができ、かつ長寿命でなければならない。
【０００３】
エンジン用のポペット弁の構造、設計、および製造方法を改良するための努力が絶えずなされている。これらの努力には、以下に限定されるものではないが、弁の重量をより軽くすること、弁をより経済的に製造できるようにすること、弁をより耐久性の高いものにすることが含まれている。より軽いポペット弁によって弁列の摩擦が低減され、雑音の振動が低減される。軽量のポペット弁は弁に使用される材料がより少ないのでより廉価に製造できる。加えて、エンジン用のポペット弁はポペット弁がさらされる過酷な温度および周囲の状況に耐えうることを考慮に入れた特有の化学的性質および機械的性質を備えるように設計される。これらの望ましい化学的性質および機械的性質のあるものとして、以下に限定されるものではないが、優れた耐硫化性、良好な熱間硬度、十分な耐酸化性、最適な耐熱性、および低い熱膨張率がある。
【０００４】
ここで用いられる用語「軽量の」はエンジン用のポペット弁およびポペット弁を構成する部品の物理的な性質を指すことが意図されている。用語「軽量の」は、以下に限定されるものではないが本発明の譲受人によって所有されていて言及したことによって本明細書に組み込まれる特許文献１で定義されているようにエンジン用の超軽量のポペット弁を含むことも意図されている。本発明の譲受人は言及したことによって本明細書に組み込まれる特許文献２および特許文献３をも所有している。
【０００５】
自動車エンジン用のポペット弁の供給業者はより良好なポペット弁を製造するためのより良好な材料を常に捜している。アルミ化チタン（ＴｉＡｌ）のような金属間材料は軽量かつ耐熱性であるというすばらしい性質を有している。ＴｉＡｌをエンジン用のポペットステム部分のように長くて薄い形状で鋳造することは困難である。ＴｉＡｌの鋳造は小孔を減らすために熱間等静圧圧縮成形法（ＨＩＰ）によって行われなければならない。高品質で小孔の少ないＴｉＡｌ鋳物製のエンジン用の弁を得るためには、費用がかかり時間もかかる。さらに、ＴｉＡｌのすばらしい品質にもかかわらず、この材料（ＴｉＡｌ）は非常に砕けやすく、亀裂が生じやすく、浸炭鋼、窒化鋼、または高炭素粉末金属といった弁アセンブリに用いられる通常の材料と接触する場合に耐磨耗性を欠いている。ＴｉＡｌおよび他の金属間材料はそれらの脆性のために溶接するのが難しい。金属間材料は大まかに言って２パーセント未満の伸びを示すが、鋼のような通常の材料は室温および大気圧下で約１５パーセントから約３０パーセントまでの伸びを示すことを特徴とする。
【０００６】
金属間材料を融接（ｆｕｓｉｏｎ）することが可能であるが、融接法は通常は約１０００℃の非常に高い温度の予熱および非常に高い温度の後熱を含む。加えて、金属間材料の融接部は通常後熱期間の後に固定具内で制御されながら冷却することができる。後熱に続いて、金属間材料の融接部は溶接後の応力緩和および／または溶接後の熱処理を受ける。エンジン用のポペット弁の製造では、この方法は経済的な実行可能性を持たず、かつ大量生産には実用的でない。
【０００７】
したがって、エンジン用の軽量複合ポペット弁の製造方法および構造の改良が依然として必要とされている。本発明に基づくエンジン用の改良されたポペット弁は、エンジン用のポペット弁のバルブヘッド部分と、ステム部分の少なくとも一部とをチタンの金属間材料から製造することができると共にその他の通常の材料から製造されたエンジン用のポペット弁の他の部分に取り付けることを可能にする装置で構成されている。
【特許文献１】米国特許第５，４１３，０７３号
【特許文献２】米国特許第５，４５３，３１４号
【特許文献３】米国特許第６，２６３，８４９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、チタン金属間材料を通常の材料に接続するための移行部品を用いて、チタン金属間材料と通常の材料の組み合わせから作られたエンジン用の改良された軽量複合ポペット弁を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、熱処理されたニッケル基合金製の移行部品によって、硬化鋼材料で作られた先端部分に接続されたアルミ化チタン製のバルブヘッド部分と、ステム部分の少なくとも一部とによって製造されたエンジン用のポペット弁を提供することである。
【００１０】
本発明のさらに他の目的は、アルミ化チタン製のバルブヘッド部分とステム部分の少なくとも一部とが、ポペット弁の先端部分を形成するために硬化鋼材料に取り付けられたクリープ抵抗の高い熱処理されたニッケル基合金製の移行部品に摩擦溶接されたエンジン用の軽量複合ポペット弁を提供することである。
【００１１】
本発明のさらに他の目的は、弁を完成するために、アルミ化チタン製のバルブヘッド部分と、ステム部分の少なくとも一部とを、クリープ抵抗の高い熱処理されたニッケル基合金製の移行部分および他のタイプの１つまたは複数の材料に摩擦溶接することによってエンジン用の軽量複合ポペット弁を製造する改良された方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のこれらの目的およびその他の目的は、バルブヘッド部分と、ステム部分と、先端部分と、バルブヘッド部分の朝顔形に広がったフィレット部分と、を有するエンジン用の軽量の複合ポペット弁によって達成される。朝顔形に広がったフィレット部分はバルブヘッド部分およびステム部分の間の領域を画定する。バルブヘッド部分とステム部分の少なくとも一部は、ステム部分の残りの部分および先端部分を形成するために他の異なる材料に接続されたクリープ抵抗の高い熱処理されたニッケル基合金製の移行部品に取り付けられたチタン金属間材料で作られている。
【００１３】
本発明は、バルブヘッド部分と、予め選択された長さのステム部分の少なくとも一部とをチタン金属間材料から形成する工程と、クリープ抵抗の高い移行部品を熱処理されたニッケル基合金から製作する工程と、移行部品の一方の端部を他の異なる材料に取り付けて先端部分を形成する工程と、熱処理されたニッケル基合金製の移行部品を選択された長さに機械加工する工程と、バルブヘッド部分のチタン金属間材料製のステム部分を移行部品に取り付ける工程とを有するエンジン用の軽量複合ポペット弁の製造方法を提供する。
【００１４】
本発明を特徴付ける新規なさまざまな特徴が、本明細書に添付された特許請求の範囲に詳細に記載されている。本発明、本発明の動作の利点、および本発明を用いることによって達成される特定の目的をより良く理解するために、本発明の好ましい実施形態を例示した添付の図面および記載事項を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図面は本発明を図面に限定することを意図されておらず、類似の符号は複数の図面全体を通して類似のまたは同じ特徴を指している。エンジン用のポペット弁の構造は当産業界でよく知られている。エンジン用の典型的なポペット弁はバルブ先端部分で終るステム部分へ移行する朝顔形に広がったフィレット部分を有するバルブヘッド部分を含んでいる。
【００１６】
弁アセンブリのエンジン用のポペット弁の作動に関する大まかな背景説明をする目的のために、図１には内燃機関の一部の、符号１０で全体が指定された複合ポペット弁が示されている。当産業界でよく知られているように、バルブヘッド部分１２はエンジンの燃焼室に内向きに面した燃焼フェース２２とシリンダヘッド、すなわちバルブシートインサート２６に係合する周辺面であるバルブシートフェース２４とを含んでいる。バルブヘッド部分１２は当産業界で知られているように内燃機関の所定の用途に応じて予め決められた直径を備えるように製造されている。エンジン用のポペット弁は中実、中空、または部分的に中実／中空であってよいことも当業者に知られている。本発明は、最適な軽量複合弁を得るために必要とする独自の材料特性を利用するために、本明細書でさらに詳細に説明するように、中実、中空、または部分的に中実／中空の弁に向けられている。エンジンのポペット弁１０は往復運動するようにバルブステムガイド３０の内部ボア内に収容されている。
【００１７】
バルブステムガイド３０はエンジンのシリンダヘッド３２内に挿入された管状構造、すなわち円筒形構造として図示されているが、他の実施の形態が、バルブステムガイドとして働く別個の管状構造を用いずにステム部分１４を案内するように機能するシリンダヘッドを含むことが理解されなければならない。バルブシートインサート２６はバルブシートフェース２４と共動するようにバルブシートフェース２４を受けて密閉係合を達成する。ポペット弁および弁アセンブリの内燃機関内での動作は当業者によく知られているので、その動作に関する更なる説明および詳細は簡単のためにここでは記載しない。
【００１８】
次に、図２を参照すると、本発明は全体が符号１０で示されたエンジン用の改良された軽量複合ポペット弁にある。バルブヘッド部分１２と、ステム部分１４の少なくとも一部は軽量の耐熱材料、好ましくはチタン金属間材料、より好ましくはアルミ化チタン（ＴｉＡｌ）で作られている。ＴｉＡｌ製のステム部分１４は固相取付け(ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ)によって高いクリープ抵抗を備えた熱処理されたニッケル基合金製の移行部品１６に取り付けられている。ここで用いられている用語「固相取付け」は、本質的に母材を溶かす融接とは対照的に母材の材料がほとんど溶かされないことを意味することを意図している。摩擦溶接は本発明にしたがって固相取付けを行うための好ましい方法であるが、ろう付けおよびいくつかのその他の溶接方法を母材がほとんど溶かされない限り用いてもよい。移行部品１６は次に当業者に知られた通常のバルブ材料で作られたステム部分の残りの部分および／または先端部分１８にさらに取付けられる。移行部品１６の通常の材料への取付けは当該箇所で知られた任意の適切な方法によって行われる。
【００１９】
本発明は、チタン金属間材料、すなわちチタン金属間化合物、好ましくはアルミ化チタンで作られた中実のバルブヘッド部分１２と、ステム部分１４の少なくとも一部とを好ましくは用いる。ここで用いられているように、用語「チタン金属間材料」は、以下の材料に限定されるものではないが、チタン合金、アルミ化チタン（ＴｉＡｌ）、およびチタンを含むことを意味している。アルミ化チタン材料は市販されていて、約３０重量パーセントから約５０重量パーセントまでのアルミニウムを含むチタンである。アルミニウムの含有量は少量の鉄および酸素を含んで約３２％から約３５％までの範囲である。
【００２０】
チタン金属間材料は、優れた耐硫化性、良好な熱間硬度、十分な耐酸化性、高い熱伝導率、および低い熱膨張率だけでなく、高い比強度をも示す。ここで用いられている用語「硫化」は結局不良をもたらすことになる、金属または合金の表面または表面の下に硫黄化合物を形成する、金属または合金と、硫黄を含む種との反応を意味する。
【００２１】
図２では、バルブベッド１２は好ましくは鋳造法によってステム部分１４の少なくとも一部と一体形成されている。バルブヘッド部分１２およびステム部分１４は上述された方法または粉末冶金法によって形成してもよい。バルブヘッド部分１２とステム部分１４は予め決められた長さ（ｄ１）延びている。予め決められた長さ（ｄ１）は選択可能であり、任意の選択された長さであってよい。ＴｉＡｌでつくられたステム部分１４が長いほど弁が軽くなり、ポペット弁のサイド負荷が減る。ここで用いられている用語「サイド負荷」は、以下に限定されるものではないが、弁が作動する、すなわち動くときに弁の動力学によって生ずるステム部分のたわみを含むことを意図している。図２に示された好ましい実施形態では、ステム部分は弁の閉じた位置および開いた位置の両方でＴｉＡｌ製のステム部分の移行部品１６への取り付け位置をバルブガイド３０内にする、選択された長さを有する。この長さは所与の用途に応じて選択されるが、当業者には容易に確かめることができる。通常、移行部品１６の長さは約３ｍｍから約１３ｍｍまでの範囲内にある。
【００２２】
単に例示の目的のために、かつ完成した状態の例として、５．７リットル（５．７ｌ）のエンジン用の排気弁のバルブヘッド部分は約３９ｍｍの直径を有し、ステム部分１４の長さｄ１は約８６ｍｍであり、ステム部分１４の直径は約８ｍｍであり、移行部品１６の直径は約８ｍｍであり、移行部品１６の軸方向の長さは約３ｍｍから約４ｍｍまでである。吸気弁はバルブヘッド部分の直径が約５６ｍｍであること以外は排気弁と同じ寸法を有する。未完成状態、すなわち仕上げ前の状態では、ステム部分１４および移行部品１６の直径は、ステム部分１４では約９ｍｍであり、移行部品１６では約１０．５ｍｍである。
【００２３】
図３は本発明によるエンジン用のポペット弁１１０の他の実施形態を示している。番号「１１０」は単にこの実施形態を符号「１０」で指定された第１の実施形態と区別するために用いられている。この下２桁が類似または同じ特徴を指している。この実施形態は、ステム部分１１４の長さがｄ１より長いｄ２の長さに選択されている以外は図２に示された第１の実施形態とほぼ同様である。より長いステム部分１１４の長さｄ２によってより多くの軽量の、かつ高い耐熱性の材料がエンジン用のポペット弁１１０のステム部分１１４の大部分に亘って得られる。上述したように、ステム部分１１４の長さｄ２が長いほどポペット弁の重量が減り、サイド負荷が小さくなる。しかし、ステム部分１１４の長さｄ２をより長くすることは、より多くのＴｉＡｌ材料を必要とし、上述したように材料のコストおよび製造コストに関してより高価となる。
【００２４】
ステム部分１１４の遠位の端部は移行部品１１６に取り付けられている。図３では、硬化鋼製の弁の先端部分１１８の材料は、以下に限定されるものではないが、溶接クラッド法、コーティング法、粉末金属のレーザークラッド法、またはイートナイト６（Ｅａｔｏｎｉｔｅ（登録商標）  ６）またはステライト６（Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）  ６）のような材料の熱溶射による被着でさえも含めたいくつかの方法のいずれかによって移行部分１１６に取り付けられた通常の硬化材料からなる。イートナイト（Ｅａｔｏｎｉｔｅ）はイートン・コーポレーション（Eaton Corporation）のアメリカ合衆国での登録商標である。ステライト６（Ｓｔｅｌｌｉｔｅ  ６）はデローロ・ステライト・カンパニー（Deloro Stellite Company）のアメリカ合衆国での登録商標である。被着された層（先端部分１１８）は好ましくは約０．５ｍｍまたは０．５ｍｍ未満の厚さを有する。移行部品１１６は、ＴｉＡｌ製のステム部分１１４に切り込まれたキーパー溝１１３の直上でＴｉＡｌ製のステム部分１１４に取り付けられている。図４は他の実施形態の一部分の拡大断面図である。図４に示された実施形態では、移行部品１１６は約０．５ｍｍまたは０．５ｍｍ未満の厚さの層をなす先端部分１１８用に用いられる通常の硬化チップ材料を収容した凹部を含む。移行部品１１６とＴｉＡｌで作られたステム部分１１４の接合部は、ＴｉＡｌ製のステム部分１１４に切り込まれたキーパー溝１１３の上に位置している。
【００２５】
図５は本発明によるエンジン用の軽量複合ポペット弁２１０のさらに他の実施形態を示している。この実施形態では、バルブヘッド部分２１２は中空であるとして描かれ、チタン金属間材料、好ましくはＴｉＡｌで作られている。バルブヘッド部分２１２は図２および図３に示されているように中実であってもよいことが直にわかるべきである。同様に、図２および図３に中実であるとして描かれているバルブヘッド部分１２，１１２は中空であってもよい。バルブヘッド部分２１２は、チタン金属間材料で作られ、バルブヘッド部分２１２と一体に形成されたステム部分２１４の一部を含む。バルブヘッド部分２１２とステム部分２１４は所望の用途に応じて選択される長さである、選択された長さ（ｄ３）延びている。ステム部分２１４は高いクリープ抵抗を有する熱処理されたニッケル基合金製の移行部品２１６の一方の端部に取り付けられている。長さ（ｄ４）の中空のチューブ２１５が移行部品２１６のもう一方の端部に取り付けられている。チューブ２１５はステム部分２１４の残りの部分をなしていて、以下に限定されるものではないが、溶接法、クラッド法、溶着法などを含む通常の方法によってチューブ２１５に取り付けられた先端部分２１８を有する。中空のチューブ２１５は深絞り成形されて、一体に形成された先端部分を含んでいてもよいことが理解されなければならない。長さの比ｄ３／ｄ４は最小で軸方向の長さの約１／６という関係にあり、例えば、ｄ３は２０ｍｍであり、ｄ４は１１７ｍｍである。
【００２６】
ステム部分２１４の残りの部分であるチューブ２１５は以下に限定されるものではないが、チタン金属間材料、機械加工、押し出し成形、または深絞り成形された３０５ステンレス鋼または３０４ステンレス鋼のようなステンレス鋼材料、マルテンサイト系ステンレス鋼材料、またはニッケル基合金を含むさまざまな種類の材料から作られていてよい。
【００２７】
移行部品１６，１１６，２１６は、ＴｉＡｌ材料に対するクリープ抵抗および変形抵抗を最大にするように、好ましくは溶体化処理、二重の時効処理、または三重の時効処理さえが行われた、高いクリープ抵抗を有する熱処理されたニッケル基合金である。移行部品１６，１１６，２１６のクリープ抵抗は約１０００時間の後に約６５０℃の温度で少なくとも５００メガパスカル（ｍＰａ）である。例示的な熱処理方法は、以下に限定されるものではないが、最短で約２０分間の約１０９３℃から約１１５０℃までの温度での溶体化処理と、それに続く概ね略室温への空気冷却；最小で約２時間の約８１５℃から約８７０℃までの温度での第１の時効処理と、それに続く室温への空気冷却；最小で約２時間の約７０４℃から約７６０℃までの温度での第２の時効処理と、それに続く室温への空気冷却；および最短で約２時間の約６５０℃から約７０４℃までの温度での第３の時効処理と、それに続く室温への空気冷却を含む。冷却は空気冷却の代わりに水焼入れまたは油焼入れを用いて行われてもよいことが理解されなければならない。
【００２８】
移行部品の適切な材料には、以下に限定されるものではないが、インコネル７５１（Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）  ７５１）、ワスパロイ（Ｗａｓｐａｌｏｙ：商標）、およびユーデミット７２０（Ｕｄｅｍｉｔ（登録商標）  ７２０）がある。インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）はインコ・アロイ・インターナショナル・インコーポレイテッド（Inco Alloys International, Inc.）のアメリカ合衆国での登録商標である。ユーデミット（Ｕｄｅｍｉｔ）はスペシャル・メタルス・コーポレーション（Special Metals Corporation）のアメリカ合衆国での登録商標である。ワスパロイ（Ｗａｓｐａｌｏｙ）はユナイテッド・テクノロジーズ・コーポレーション（United Technologies Corp.）の商標である。ＴｉＡｌに対する同様のクリープ抵抗および変形抵抗を有する他の材料が移行部品として本発明で用いられてよいことは直ちにわからなければならない。
【００２９】
ＴｉＡｌまたは他のチタン金属間材料は、浸炭鋼のような硬化材料と連続的に接触する場合には十分な耐磨耗性を示さないことがある。ステム部分の耐磨耗性を改善するために、ステム部分１４，１１４，２１４，２１５は、以下に限定されるものではないが窒化イオン被膜、プラズマ浸炭被膜、熱溶射被膜、クロムめっき被膜、モリブデン溶射被膜、イートナイト（Ｅａｔｏｎｉｔｅ（登録商標））被膜、物理蒸着法（ＰＶＤ）または化学蒸着法（ＣＶＤ）による被膜、または窒化物被膜を含む被膜で長手方向に沿って覆われていてよい。
【００３０】
先端部分１８，１１８，２１８は例えばチャーター・スチール（Charter Steel）またはクルーシブル・スチール（Crucible Steel）のような商業的な供給業者から市販されているＳＡＥ１５４７、ＳＡＥ８６４５、または、シルクロム−１鋼（Ｓｉｌｃｈｒｏｍｅ−１  Ｓｔｅｅｌ：自動車工学会（ＳＡＥ）のＪ７７５規格）のような中実の硬化材料からなるのが好ましい。代わりに、先端部分１８，１１８，２１８は単に当該技術で知られた通常の硬化鋼材料からなっていてもよい。
【００３１】
上記のようにして、本発明は迅速に組み立てることができる部品で作られた軽量複合弁を提供する。このことによって、本発明による軽量複合弁はより経済的に製造される。アルミ化チタン材料を使用することによって、優れた耐硫化性、良好な熱間硬度、十分な耐酸化性、最適な機械的強度、およびより低い熱膨張率と共に高い熱伝導率が獲得される。
【００３２】
本発明の他の態様はエンジン用の軽量複合弁の製造方法に関する。本発明による製造方法の重要な態様は、移行部品がまず通常の材料に取り付けられ、次に固相取付けによってＴｉＡｌ製のステム部分に取り付けられることである。この順序が逆でもよいことが明らかである。バルブヘッド部分１２，１１２，２１２およびステム部分１４，１１４，２１４は鋳造法によってアルミ化チタン（ＴｉＡｌ）で作られるのが好ましい。上述したように、ＴｉＡｌの鋳造物は中心線の収縮を除去するためおよび内部の小孔を塞ぐために用いられる、当業者に知られた方法である熱間等静圧圧縮成形法（ＨＩＰ）によって処理される。
【００３３】
主として図２を再び参照すると、軸方向の長さが約５０ｍｍ、すなわち約２インチの、ＳＡＥ８６４５のような通常の弁先端材料が、軸方向の長さが約５０ｍｍ、すなわち約２インチのまたは通常の先端材料を摩擦溶接できるようにするために必要な長さの溶体化処理および熱処理されたインコネル７５１（Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７５１）に好ましくは摩擦溶接されている。インコネル７５１材料は、約４ｍｍから約５ｍｍまでの、すなわち約０．１８０インチ（４．５７２ｍｍ）の軸方向の長さに機械加工された移行部品１６，１１６，２１６をなしている。ここで用いられている用語「機械加工された」は以下に限定されるものではないが、材料の切取り、分解、旋盤加工、または研削を含むことを意図している。
【００３４】
溶接方法は、表１で以下のように記載されたパラメータを用いた摩擦溶接であることが好ましい。
【表１】
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【００３５】
その他の溶接法またはろう付け法および／またはパラメータが用いられてもよく、その他の方法には以下に限定されるものではないが、ろう付け、イナーシャ溶接、ダイレクトドライブ溶接、摩擦攪拌溶接、抵抗溶接、磁気パルス溶接、静電容量放電溶接が含まれてよいことが理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】弁アセンブリとその周囲を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態によるエンジン用の軽量複合ポペット弁の断面図である。
【図３】本発明によるエンジン用のポペット弁の他の実施形態の断面図である。
【図４】本発明による他の実施形態の先端部分を示した部分断面図である。
【図５】本発明によるエンジン用のポペット弁のさらに他の実施形態の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ポペット弁
１２  バルブヘッド部分
１４  ステム部分
１６  移行部品
１８  先端部分
２２  燃焼フェース
２４  バルブシートフェース
２６  バルブシートインサート
３０  バルブステムガイド
３２  シリンダヘッド
１１０  ポペット弁
１１２  バルブヘッド部分
１１３  キーパー溝
１１４  ステム部分
１１６  移行部品
１１８  先端部分
２１０  ポペット弁
２１２  バルブヘッド部分
２１４  ステム部分
２１５  チューブ
２１６  移行部品
２１８  先端部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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