(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さＳの円筒状皿部、円錐部（１）及び軸部（２）を備えたγ−ＴｉＡｌベース合金製内燃機関用ポペット弁を、均質な原材料の一次変形及びこれに続く二次変形により少なくとも最終寸法に近い弁形状構成に製造する方法において、
一次変形は、γ−ＴｉＡｌ原材料が前記一次変形により弁皿の直径Ｄとほぼ一致した直径を有するように行われ、二次変形は、一次変形された原材料を、その入口開口（６）の直径が一次変形された原材料の直径にほぼ一致し、この直径に対応する円筒状部分（３）が弁の円錐部に対応する先細部（４）を経由して、少なくとも近似的に弁軸（２）の直径ｄに対応する出口開口（５）に移行するダイス型を使用して押出し加工することにより行われ、この押出し加工は弁皿が所望の厚さＳに達したとき終了されることを特徴とする内燃機関用ポペット弁の製造方法。
【請求項２】
一次変形が１０００乃至１３５０℃の範囲の温度、１０-3〜１／ｓの延び速度及び５乃至５０：１の範囲の変形率で押出し加工により行われることを特徴とする請求項１に記載のポペット弁の製造方法。
【請求項３】
二次変形が１０００乃至１４２０℃の範囲の温度、１０-2〜１０2／ｓの延び速度及び一次変形された原材料との比において５乃至８０：１の範囲の変形率で行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のポペット弁の製造方法。
【請求項４】
出発材料が一次及び二次変形の前に保護外被缶に囲まれることを特徴とする請求項２乃至３の１つに記載のポペット弁の製造方法。
【請求項５】
外被缶の材料としてスチールが使用され、この外被缶材料とγ−ＴｉＡＬ材料の間に拡散バリヤとしてモリブデン膜が設けられることを特徴とする請求項４に記載のポペット弁の製造方法。
【請求項６】
押出し加工ダイス型の材料としてモリブデン合金が使用されることを特徴とする請求項２乃至５の１つに記載のポペット弁の製造方法。
【請求項７】
γ−ＴｉＡＬ合金として４６．５原子％Ａｌ、２．５原子％Ｃｒ、１原子％Ｎｂ、０．５原子％Ｔａ、０．１原子％Ｂ、残りＴｉの組成を持つ合金が使用されることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のポペット弁の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、厚さＳの円筒状皿部、円錐部及び軸部を備えたγ−ＴｉＡｌベース合金製内燃機関用ポペット弁を、均質な原材料の一次変形及びこれに続く二次変形により少なくとも最終寸法に近い弁形状構成に製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
γ−ＴｉＡｌベース合金は、その特性が金属のそれとセラミックのそれとの間にある金属間材料のグループの一つである。
【０００３】
γ−ＴｉＡｌベース合金の中、４５と４８原子％との間のアルミニウム成分を備えた合金、即ち、実際にはγ−ＴｉＡｌ相とα２−Ｔｉ３Ａｌ相とを持つ２相合金或いはこの合金になおその他の特性改善要素が添加される場合には多相合金が技術的に重要である。
【０００４】
添加合金要素としては、特に、常温延性を上げるためのクローム、マンガン及びバナジウム、耐酸性及び強度を上げるためのニオブ、タンタル、モリブデン及びタングステン並びに耐熱性、耐クリープ性を上げ、薄層組織の型を所望に調整し並びに合金の加工性を改善するためのケイ素、ボロン及び炭素が挙げられる。これらの合金要素は、γ−ＴｉＡｌベース合金の凡そ１乃至２０原子％の範囲内の量において実用上の意義がある。
【０００５】
γ−ＴｉＡｌベース合金は、その密度が低い他に、７５０℃の温度までの耐酸化性及び機械的特性が良いので、この合金は、特に、ガスタービンの羽根や内燃機関の弁に益々広範囲に使用されている。
【０００６】
大概の金属間材料は、例えばγ−ＴｉＡｌベース合金も、室温において、また脆性／延性遷移温度より高い温度においても流動応力が著しく延び率に関連する故に脆弱な特性を持っているので、完成品の製造はしばしば製造技術的に煩瑣であり、コスト集約的でかつ加工条件に非常に大きく関係する。
【０００７】
原材料の製造は溶融冶金法或いは粉末冶金法で可能である。最善に可能な材料特性はγ−ＴｉＡｌベース合金の場合その粒子径、相分布及び組織の均質性に非常に大きく関係し、これを達成するために、また望ましい最終形状を得るために、しばしば、原材料の更なる機械的変形が必要である。その場合、超塑性変形、押出し加工、鍛造或いは圧延が、通常等温或いは準等温条件において、実証されている。
【０００８】
ドイツ特許第４３１８４２４号明細書は、例えばγ−ＴｉＡｌ合金からなる成形部材、例として原動機用の弁や弁皿の製造方法を記載している。この方法によれば鋳造原材料は先ず準等温条件のもと１０５０乃至１３００℃の温度範囲において大きな変形率で変形され、しかる後冷却され、最後に９００乃至１１００℃の温度範囲において１０-4乃至１０-1／ｓの延び速度でもって最終寸法に近い成形部材に超塑性変形される。
【０００９】
しかしながら、この方法は比較的長い時間を要し、製造技術的に煩瑣であり、従ってコスト集約的であるという欠点がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、従って、内燃機関用のγ−ＴｉＡｌベース合金製ポペット弁の製造方法であって、コスト的に有利であり、それにも係わらずこのような部品に課せられる要件を満足するための必要な材料特性を可能とする方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、この課題は、一次変形が、γ−ＴｉＡｌ原材料がそれにより弁皿の直径Ｄとほぼ一致し且つ弁皿に対して要求される材料特性を持つように行われ、二次変形が、この一次変形された原材料を、その入口開口の直径がほぼ一次変形された原材料の直径に一致し、この直径に対応する円筒状部分が弁の円錐部に対応する先細部を経由して、少なくとも近似的に弁軸の直径ｄに対応する出口開口に移行するように形成されているダイス型を使用して押出し加工することにより行われ、この押出し加工が弁皿の厚さＳに達したとき終了されることによって達成される。
【００１２】
一次変形は、特に、押出し加工によって行われるのが良いが、しかしまた他の方法、例えばロール曲げ加工或いは据込みによって行うこともできる。２回の変形により特に軸において非常に大きな変形度、即ち５０：１から５００：１の間の範囲の、従来、γ−ＴｉＡｌベース合金の変形においては適用されなかった、そして驚くべきことに何ら大きな問題もなく実現できる変形度に達することができる。弁皿や弁軸を一体の部品として製造することもまた、従来の技術では主として２つの部分、即ち軸部分を造りつけた弁皿並びにその余の軸部分を互いに摩擦溶接することにより作られるスチール製の弁とは異なり、この発明の方法により容易に解決される。
【００１３】
一次変形が押出し加工により行われる場合には、その温度は１０００乃至１３５０℃の範囲に、延び速度は１０-3〜１／ｓに、そして変形度は５〜５０：１の範囲にあるのが特に有利である。
【００１４】
押出し加工による二次変形は、好ましくは、１０００乃至１４２０℃の範囲の温度で、１０-2〜１０2／ｓの延び速度でかつ一次変形された原材料との比において５〜８０：１の範囲の変形度で行われる。変形温度が上記の温度範囲にある場合には、押出し加工の際にα変態温度が超えられるので、これにより微細薄層、高耐クリープ組織の形成が促進される。極度に微細な薄層間隔を特徴とするこのような型の組織は、それに続く熱処理により明らかにより広い薄層間隔となるので、熱機械的な製造方法によってしか実現することができない。
【００１５】
一次及び二次変形の間のγ−ＴｉＡｌベース合金の酸化を回避するために、この合金はそれぞれの変形工程の前に保護外被缶に囲み入れるのが有効である。これは、缶材料としてステンレススチールが使用され、この缶材料とγ−ＴｉＡｌ材料との間に拡散バリヤがモリブデン膜の形で設けられるときに、特に良いことが実証されている。拡散バリヤはＴｉＡｌ合金と保護外被缶の鉄との間に低溶融共晶体が形成されるのを阻止する。このモリブデンは例えばＴｉＡｌ合金の表面にプラズマ溶射により形成することができる。付加的にこのＴｉＡｌ合金はなおモリブデン箔内に包み込むことができる。
【００１６】
上述の缶外被はこの発明による方法の特に有利な構成例に過ぎない。適切なプロセスの実施においては上述のスチール製の缶に代わってガラスからなる保護外被を使用することができる。酸化保護のために保護ガス膜或いは同様な手段を使用することにより場合によっては各々の缶外被をしないですますことができる。
【００１７】
第一の変形の後、原材料は必要な長さに切断され、通常、外被缶が機械加工により除去される。しかる後、原材料は改めて缶外被され、押出し加工により二次的に変形される。この缶の寸法を適当に選定することにより、一次変形用の缶をその変形後になお良好な状態に保持して、二次変形の前に除去することなく、二次変形用としてさらに使用することができるようにすることも考えられる。
【００１８】
押出し加工用のダイス型の材料として高耐熱性のモリブデン合金、例えば１．２重量％のハフニウム、０．１重量％の炭素、残りモリブデンからなるＭＨＣ合金を使用するのが特に有利である。
【００１９】
内燃機関のポペット弁としての特定の使用目的のためのγ−ＴｉＡｌ合金として、４６．５原子％のＡｌ、２．５原子％のＣｒ、１原子％のＮｂ、０．５原子％のＴａ、０．１原子％のＢ、残りＴｉの組成を持つ合金が特に好適であることが実証されている。
【００２０】
【実施例】
以下に、この発明を図面及び実施例を参考にして詳しく説明する。図面において、
図１はこの発明による製造方法の基本的経過の流れ図を、
図２は図１による押出し加工の製造工程部分を拡大して示す。
【００２１】
Ｔｉ−４６．５％のＡｌ−２．５％のＣｒ−１％のＮｂ−０．５％のＴａ−０．１％のＢ（原子％）の組成を持ち、凡そ１８０ｍｍ直径、４５０ｍｍ長のγ−ＴｉＡｌインゴットが鋳造により製造された。ステンレススチールＸ５ＣｒＮｉ１８１０から長さ４１０ｍｍ、外径２０６ｍｍ及び内径１６４、８ｍｍの中空円筒状の押出し加工缶が作られた。鋳造されたγ−ＴｉＡｌインゴットから旋盤加工により鋳造外皮が除去され、インゴットは押出し加工缶の内部形状に合わせられ、アルコールで清浄化された。次にこのインゴットはサンドブラストされ、プラズマ溶射によりその表面にモリブデンの膜を被着され、モリブデンの箔に包まれ、押出し加工缶に嵌め込まれた。押出し加工缶を閉塞するために円筒形押出し加工缶の底部及び頭部域がそれに応じたスチール部材で溶接された。しかる後、缶に包まれたγ−ＴｉＡｌインゴットの第一の変形が押出し加工により行われた。このためにインゴットは先ず７００°、８００°及び１１５０℃の３つの段階で誘導予備加熱された。この予備加熱後に押出し加工材は再び１２３０℃の押出し加工温度に誘導加熱された。使用された押出し加工ダイス型は２１０ｍｍの入口直径、１５０°の角度を持つ円錐形開口並びに６０ｍｍの出口直径を持ち、これは完成した弁の皿直径Ｄにほぼ相当する。加圧比は１２．２：１であった。加圧速度は手動で調整され、約６０ｍｍ／ｓであった。この押出し加工により、得られた押出し加工材は完成した弁の皿に対して必要な密度及び機械的強度を示した。一次変形され、押出し加工されたγ−ＴｉＡｌ棒材は次いで水ジェットにより４０ｍｍの長さに切断された。次いで押出し加工材からスチールのカプセルが旋盤加工により取り除かれた。
【００２２】
この加工材に、最初の缶被覆の場合と同様に、改めてモリブデンの拡散バリヤがプラズマ溶射により被着された。モリブデン箔による包囲は行われなかった。しかる後、加工材は長さ４５ｍｍ、外径５７ｍｍ、内径４７ｍｍを持つ円筒状のＳｔ３７からなるスチール缶に嵌め込まれ、この缶は底部を溶接により閉塞された。第二の変形工程は１３００℃の変形温度でγ／α相領域において押出し加工により行われた。ダイス型はＭＨＣ合金（Ｍｏ−１．２％のＨｆ−０．１％のＣ）から作られた。ダイス型の入口開口６の直径は６０ｍｍ、円錐形の開口４は１０５°の角度を持っていた。ダイス型の出口開口５の直径は弁軸２の所望の直径ｄにほぼ一致した。入口開口６の直径はほぼ弁皿の直径Ｄに一致した。ダイス型には、押出し加工に先立って黒鉛と油の混合物が塗り込まれた。押出し加工は、弁皿の所望の厚さＳがほぼ達成されるや否や、意識的に予め規定された押し行程の後中止された。このようにして弁皿は全くもしくは僅かにしか変形されないので、一次変形され、弁皿に対して必要な材料特性を持つ原材料の使用がこの発明による製造プロセスに対する前提条件である。この押出し加工工程に続いて、押出し加圧された原材料の所望の最終寸法への最終加工は旋盤加工により行われた。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による製造方法の基本的経過の流れ図。
【図２】図１による押出し加工の製造工程部分の拡大図。
【符号の説明】
１              円錐部
２              軸部
３              ダイス型の円筒部分
４              ダイス型の先細部
５              ダイス型の出口開口
６              ダイス型の入口開口
Ｓ              弁皿の厚さ
Ｄ              弁皿の直径
ｄ              弁軸の直径
【図１】
0004368455.tif 000002
【図２】
0004368455.tif 000003