(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
析出硬化型のＮi基耐熱合金よりなる加工前のエンジンバルブにおける弁フェース部となる傘部に、膨出部を形成し、この膨出部を530〜620℃の温度範囲で押圧して塑性変形させることにより、弁フェース部を加工硬化させることを特徴とするエンジンバルブにおける弁フェース部の硬化方法。
【請求項２】
膨出部の断面形状を、弁フェース部の中央部に頂点を有する二等辺三角形状としたことを特徴とする請求項１記載のエンジンバルブにおける弁フェース部の硬化方法。
【請求項３】
膨出部を塑性変形させたのち、時効処理を施すことを特徴とする請求項１または２記載のエンジンバルブにおける弁フェース部の硬化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い硬度及び安定した品質が得られるようにしたエンジンバルブにおける弁フェース部の硬化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特に、低質の燃料が使用される舶用ディーゼルエンジン用の排気バルブにおいては、燃焼残渣が弁フェース部に食い込むなどして、圧痕が生じ、耐吹抜け性が低下することがあるため、高い硬度が要求される。
【０００３】
この要求を満たすために、上記のような排気バルブを、析出硬化型のＮi基耐熱合金、例えばナイモニック(商品名)系のＮＣＦ８０Ａ等により成形し、さらに、弁フェース部に鍛造などにより加工硬化処理を施して、その部分の硬度を高め、耐摩耗性を確保している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような析出硬化型のＮi基耐熱合金に加工硬化処理を施す際の鍛造性、すなわち鍛造温度に対する変形抵抗は、図７に示すような特性を有することが知られている。
【０００５】
図７から明らかなように、変形抵抗は、常温では極めて高い変形抵抗値を示すが、その値は温度の上昇に伴って急激に小さくなり、500〜700℃付近においては、減少度は緩和され、それよりさらに高温になると、再度減少度が急激となり、その傾向はほぼ1000℃付近まで続く。それよりさらに高温になると、変形抵抗はほぼ比例的に減少する。
【０００６】
また、700〜900℃付近の急減領域、及び1200℃を超える温度では、鍛造割れを起こすことも知られている。
【０００７】
Ｎi基の耐熱合金は、このような変形抵抗特性を有しているため、この合金を鍛造して弁フェース部に加工硬化処理を施す際の温度管理は重要であり、温度範囲を最適に設定しないと、変形抵抗が大となって、大きな鍛造等のエネルギを必要とし、加工性が悪くなったり、弁フェース部の表面又は内部にクラックが発生して品質が不安定となったり、必要な硬度が得られないなどの諸問題が生じる。
【０００８】
本発明は、加工硬化処理を施す際の温度を最適に設定することにより、比較的小さな鍛造等のエネルギで、安定した品質及び高硬度の弁フェース部が得られるようにした、エンジンバルブにおける弁フェース部の硬化方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。
(１) 析出硬化型のＮi基耐熱合金よりなる加工前のエンジンバルブにおける弁フェース部となる傘部に、膨出部を形成し、この膨出部を530〜620℃の温度範囲で押圧して塑性変形させることにより、弁フェース部を加工硬化させる。
【００１０】
(２) 上記(１)項において、膨出部の断面形状を、弁フェース部の中央部に頂点を有する二等辺三角形状とする。
【００１１】
(３) 上記(１)または(２)項において、膨出部を塑性変形させたのち、時効処理を施す。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１〜図６は、本発明の方法を工程順に示す。
図１は、本発明に適用される加工前の排気用のエンジンバルブ中間品(以下、バルブ中間品と略称する)(１)の傘部(1a)側を示すもので、バルブ中間品(１)は、析出硬化型のＮi基耐熱合金、例えばナイモニック(商品名)系のＮＣＦ８０Ａ、又はインコネル(商品名)系のＮＣＦ７５１等により形成されている。
【００１３】
バルブ中間品(１)の形状は、傘部(1a)の下端部であるマージン部(1b)の外径を、想像線で示す加工後のエンジンバルブ(２)のマージン部(2a)の外径よりも若干小径とするとともに、マージン部(1b)の上部の外周面、すなわち加工後のエンジンバルブ(２)のテーパ状の弁フェース部(2b)と対応する部分に、二等辺三角形状の断面をなす上向きの膨出部(３)を形成してある。
【００１４】
上記膨出部(３)は、この部分を塑性変形させて上記テーパ状の弁フェース部(2b)とするためのもので、その加工率(加工前の膨出部(３)と加工後の弁フェース部(2b)との上下方向の寸法差を、加工前の膨出部の寸法で除して百分率で表わした値)、すなわち塑性歪量は、図２に拡大して示すように、弁フェース部(2b)の径方向のほぼ中央部の加工率(Ｌ1)が最大で、この部分から弁フェース部(2b)の内、外周端部に向かって漸次加工率が小さくなるようにするとともに、弁フェース部(2b)の外周端部付近(Ｓ)における加工率が０となるように、膨出部(３)の形状を設定してある。
【００１５】
本実施形態においては、弁フェース部(2b)の中央部の加工率(Ｌ1)を30〜60％、同じく内周端部の加工率(Ｌ2)を５〜10％の範囲に設定してある。
【００１６】
上記形状のバルブ中間品(１)における傘部(1a)を、530〜620℃、好ましくは550〜600℃の温度範囲で加熱したのち、図３に略示する鍛造装置により傘部(1a)を鍛造する。
【００１７】
なお、バルブ中間品(１)の加熱温度を上記の範囲に設定するのは、次の理由による。
すなわち、前述した図７のグラフに示すように、530℃以下の温度では、変形抵抗が大きく、上記膨出部(３)を塑性変形させて加工硬化させるには、大きな鍛造エネルギを必要とし、大きなエンジンバルブを加工する際に圧縮能力の大きな大型の鍛造装置を設置する必要がある。
【００１８】
一方、加熱温度が620℃を超えると、変形抵抗は小さくなるが、加工硬化による十分な硬度が得られなくなるとともに、割れ発生領域の温度に近づくため、安全性を考慮して、上限を620℃に定めてある。
【００１９】
上記の温度範囲に加熱したバルブ中間品(１)を、鍛造装置におけるダイ(４)の型孔(4a)内に、傘部(1a)を上向きとして垂直に挿入する。
なお、ダイ(４)の型孔(4a)は、加工しようとするエンジンバルブ(２)の傘部と補形をなす形状としてある。(５)は、型孔(4a)内に向かって、予め定めたストロークだけ上下に昇降するパンチである。
【００２０】
バルブ中間品(１)をダイ(４)の型孔(4a)に挿入したのち、図４に示すように、パンチ(５)を下降させてバルブ中間品(１)を鍛造すると、後加工を殆ど必要としない上述のようなエンジンバルブ(２)が得られる。
【００２１】
この鍛造時において、バルブ中間品(１)の膨出部(３)は、図５に拡大して示すように、最大の加工率とした中央部を中心として、矢印で示す内、外周部の方向にほぼ均等に塑性変形させながら、傘部(1a)のマージン部(1b)を、拡径方向に塑性変形させる。
【００２２】
その結果、図６に示すように、加工後のエンジンバルブ(２)の弁フェース部(2b)全体が、ほぼ一定の硬化深度をもって均一に加工硬化され、弁フェース部(2b)全体の硬度がほぼ均一化することにより、偏摩耗等の生じにくい耐摩耗性に優れるエンジンバルブ(２)が得られるのである。
【００２３】
本願の発明者らは、析出硬化型のＮi基耐熱合金であるＮＣＦ８０Ａを用い、上記膨出部(３)の中央部の加工率(Ｌ1)を約４５％、外周端部付近(Ｓ)の加工率を０、内周端部の加工率(Ｌ2)を約７％となるように設定するとともに、加工温度を約580℃に設定し、上述の要領で鍛造処理を施した。
【００２４】
得られた製品についての弁フェース部(2b)の表面のビッカース硬度は、何れの測定点においても、470〜480ＨVの範囲内にあり、大きなばらつきが生じないことが実証された。
【００２５】
また、弁フェース部(2b)の表面はもとより、内部にもクラック等が生じることはなく、極めて品質のよいエンジンバルブ(２)が得られることも確認している。
【００２６】
上記鍛造後のエンジンバルブ(２)に、時効処理(例えば700℃×10hr・空冷)を施してもよく、このようにすれば、弁フェース部(2b)の硬度をより高めることができる。
【００２７】
上記実施形態においては、バルブ中間品(１)の膨出部(３)を塑性変形させて加工硬化させる手段として、鍛造装置を用いているが、押圧力をそれ程必要としない小型のエンジンバルブにおいては、ローラにより、内径側から外径側にしごくように押圧して、膨出部(３)を塑性変形させてもよい。
【００２８】
また、大型のエンジンバルブにおいては、バルブ中間品(１)を垂直軸回りに緩速で回転させながら、鍛造装置のハンマ等により、膨出部(３)を鉛直方向に複数回圧縮して、全周を複数に分けて順次塑性変形させるようにしてもよい。このようにすると、圧縮能力の大きな大型の鍛造装置を設置する必要はなくなる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、Ｎi基耐熱合金の変形抵抗特性を考慮に入れて、加工硬化処理を施す際の温度を530〜620℃に設定したことにより、比較的小さな鍛造等のエネルギで弁フェース部の硬度を高めうるとともに、クラック等のない安定した品質の弁フェース部が得られる。
【００３０】
請求項２記載の発明によれば、弁フェース部全体の硬度や硬化深度にばらつきが生じるのを防止しうる。
【００３１】
請求項３記載の発明によれば、弁フェース部の硬度をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に用いられるエンジンバルブ中間品の傘部側の正面図である。
【図２】同じく、エンジンバルブ中間品の膨出部の形状の詳細を示す要部の一部切欠正面図である。
【図３】同じく、膨出部を塑性変形させるべく、バルブ中間品をダイの型孔に挿入した状態を示す縦断正面図である。
【図４】同じく、パンチを下降させて膨出部を塑性変形させた状態の縦断正面図である。
【図５】同じく、鍛造時の膨出部の塑性変形状態を矢印で示す要部の拡大断面図である。
【図６】同じく、加工後の弁フェース部の硬化深度の状態を示す説明図である。
【図７】Ｎi基耐熱合金の温度と変形抵抗との関係を示す図である。
【符号の説明】
(１)エンジンバルブ中間品
(1a)傘部
(1b)マージン部
(２)エンジンバルブ
(2a)マージン部
(2b)弁フェース部
(３)膨出部
(４)ダイ
(4a)型孔
(５)パンチ
【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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【図６】
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【図７】
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