(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の頭部直径（ｄ2）を有するエンジンポペットバルブ（１０）を製作する方法（３０）であって、
初期の頭部直径（ｄ1）を有するバルブヘッド（２２）を形成するために原材料（４４）から未仕上げのポペットバルブ（５０）を鍛造する工程（３４）と、
シート肉盛用の溝（５４）を前記未仕上げのポペットバルブ（５０）のバルブヘッド（２２）に形成する工程（３６）と、
前記未仕上げのポペットバルブ（５０）の、前記シート肉盛用の溝（５４）と燃焼面（１８）との境界部（５６）の初期厚さ（ｔ1）を与える工程と、
前記シート肉盛用の溝（５４）にシート肉盛材料（５８）を付着させる工程（３８）と、
前記境界部（５６）を初期厚さ（ｔ1）から最終厚さ（ｔ2）へ小さくし、かつ前記バルブヘッド（２２）の直径を前記初期直径（ｄ1）から、前記エンジンポペットバルブ（１０）を仕上げるための所望の直径（ｄ2）へ大きくするために、前記バルブヘッド（２２）を再加熱し、所望の頭部直径（ｄ2）に圧印加工し、それと同時に前記シート肉盛材料（５８）を熱間成形して前記境界部（５６）を形成する工程（４０）と、
を有する、エンジンポペットバルブの製作方法。
【請求項２】
前記付着させる工程（３８）が、移行式プラズマアークを用いて溶接する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記エンジンポペットバルブ（５０）がエンジン排気バルブである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記未仕上げのポペットバルブ（５０）を鍛造する工程（３４）が、ピン（４６）を前記未仕上げのエンジンポペットバルブ（５０）に据込み加工する工程と、前記ピン（４６）を鍛造する工程（３４）とをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法（３０）にしたがって製作されたエンジンポペットバルブ。
【請求項６】
シート肉盛用の溝（５４）と燃焼面（１８）の境界部（５６）が選択された厚さ（ｔ2）を有し、バルブヘッド（２２）が所望の直径（ｄ2）を有するポペットバルブ（１０）を製作する方法（３０）であって、シート肉盛材料（５８）を前記ポペットバルブ（１０）の前記シート肉盛用の溝（５４）に付着させる工程（３８）を有する、ポペットバルブ（１０）を製作する方法において、
前記シート肉盛する工程中の溶落ちを防止するために、前記シート肉盛する工程（３８）の前に未仕上げのエンジンポペットバルブ（５０）にバルブヘッド（２２）の初期直径（ｄ1）と境界部（５６）の初期厚さ（ｔ1）を与える工程（３６）と、
前記境界部（５６）を前記初期厚さ（ｔ1）から選択された厚さ（ｔ2）へ小さくし、かつ前記バルブヘッド（２２）の直径を初期直径（ｄ1）から所望の直径（ｄ2）へ大きくして、前記エンジンポペットバルブ（１０）を鍛造仕上げするために、シート肉盛する工程（３８）の後に前記バルブヘッド（２２）を再加熱して圧印加工する工程（４０）と、
を有することを特徴とする、ポペットバルブの製作方法。
【請求項７】
前記再加熱して圧印加工する工程（４０）が、前記シート肉盛材料（５８）を凸の形状に伸ばすために前記未仕上げのポペットバルブ（５０）の前記シート肉盛材料（５８）を熱間成形し、鍛造仕上げする工程を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記シート肉盛する工程（３８）が、移行式プラズマアーク方法を用いて溶接する工程を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
請求項６に記載の方法（３０）にしたがって製作されたエンジンポペットバルブ。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法（３０）にしたがって製作されたエンジンポペットバルブ（１０）であって、初期直径（ｄ1）よりも大きい、バルブヘッド（２２）の選択された直径（ｄ2）と、初期厚さ（ｔ1）よりも小さい、境界部（５６）の選択された厚さ（ｔ2）とを有するエンジンポペットバルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に内燃エンジンのポペットバルブに関し、特に、シート肉盛が施されたエンジンポペットバルブを製作する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンのポペットバルブ、特に、ディーゼルおよび有鉛燃料エンジン用に供されている排気バルブなどの重荷重および中荷重用の排気バルブが、比較的高い温度で、どちらかというと腐食雰囲気中で作動することが当産業でよく知られている。エンジンのポペットバルブの製造では、バルブの表面を保護し、バルブの耐用寿命を上げるために、ポペットバルブを耐食性、耐磨耗性、耐摩損性、耐熱性のある合金で肉盛することが一般的に行なわれている。本願明細書で使用されている「肉盛」または「シート肉盛」という用語は、当産業でも使用される用語「硬化肉盛」を含むものとする。これらの用語は、所与の用途に要求される必要な耐磨耗性および耐食性を得るために、耐食性、耐磨耗性、耐摩損性、および／または耐熱性のある合金をバルブの表面に積層することを言う。例えばオートバイで使用されるより小さいエンジンのみならず高性能のエンジン用のポペットバルブ（吸気バルブおよび排気バルブの両方）にシート肉盛を施すことへの連続した関心がある。
【０００３】
一般に、肉盛材料は、ステライト合金（ステライトは、デロロステライト社（Ｄｅｌｏｒｏ  Ｓｔｅｌｌｉｔｅ  Ｃｏｍｐａｎｙ，  Ｉｎｃ．）の登録商標）などのコバルト基の合金、または、イートナイト（イートナイトはイートン社（Ｅａｔｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の登録商標）のようなニッケル基の合金である。より最近には、鉄基の合金であるイートナイト６が使用されており、急速にコバルト基の合金と取って替わりつつある。シート肉盛用の他の合金として、ニッケル−クロム基の合金、またはニッケル−クロム−コバルト基の合金、または当産業で知られているさまざまなシート肉盛合金などがあるが、これらに限定されるものではない。肉盛は、通常、バルブが着座する表面に対して、溶接のような種々の高温技術によって施される。シート肉盛は、冶金と微細構造を制御できる方法で施されるのが好ましい。溶接のための一般的な熱源として、酸素アセチレントーチ、タングステンイナートガスアーク（ＴＩＧ）、またはプラズマアーク（移行式アークまたは非移行式アーク）等を含むが、これらに限定されない。
【０００４】
移行式プラズマアーク工程は、火炎溶接工程に対して、より細かい微細構造とより狭い熱影響部（ＨＡＺ）とを実現する、正確に制御できる熱源とより低いエネルギー消費、粉体および別の原材料に対する自由度、より高い量産性、および最小の原材料廃棄物を含む、いくつかの利点を有するが、これらに限定されるものではない。
【０００５】
しかしながら、現在の移行式プラズマアーク（ＰＴＡ）工程は、いくつかのバルブ用途においてトーチがシート肉盛用の溝からバルブヘッドのバルブ燃焼面までの間でバルブを溶落ちさせるような高温で動作する。この問題に対する自明の解決策は、ヒートシンクとして作用する原材料を燃焼面に単に付加することである。しかしながら、この選択は、無駄材としての材料自体のコストのみならず材料を後で取り除くのに必要な余分の機械加工により製造コストを増大させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、前述の「溶落ち」ならびに他の問題、そして特に、オートバイエンジンなど、小型内燃自動車に使用されるものなど、高性能のエンジンに使用されるような小さいポペットバルブのシート肉盛に関わるこの問題に対処した、エンジンポペットバルブをシート肉盛するための改良された方法の必要性が依然として存在している。この方法により、バルブヘッドにおけるＰＴＡによる溶落ちを防止し、余分の材料を取り除くための不必要な機械加工作業を減少させ、または、無くすことが望ましい。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、シート肉盛工程中の溶落ちを防止する、エンジンポペットバルブを製作するための改良された方法を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、小さいエンジンポペットバルブを製作するための改良された方法を提供することである。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、機械加工の段数を減少させる、エンジンポペットバルブを製作するための改良された方法を提供することである。
【００１０】
本発明のさらに他の目的は、移行式プラズマアーク溶接方法を用いてエンジンポペットバルブをシート肉盛するための改良された方法を提供することである。
【００１１】
本発明のさらに他の目的は、コスト的に優れ、かつ無駄材を減少させる、エンジンポペットバルブを製作するための改良された方法を提供することである。
【００１２】
【問題を解決するための手段】
本発明にしたがってエンジンポペットバルブを製作する方法において、本方法は、
初期の頭部直径を有するバルブヘッドを形成するために原材料から未仕上げのポペットバルブを鍛造する工程と、シート肉盛用の溝を未仕上げのポペットバルブのバルブヘッドに形成する工程と、未仕上げのポペットバルブの、シート肉盛用の溝と燃焼面との境界部の初期厚さを与える工程と、シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を付着させる工程と、境界部を初期厚さから最終厚さへ小さくし、かつバルブヘッドの直径を初期直径から、エンジンポペットバルブを仕上げるための所望の直径へ大きくするために、バルブヘッドを再加熱し、所望の頭部直径に圧印加工し、それと同時にシート肉盛材料を熱間成形して境界部を形成する工程とを含む。
【００１３】
他の態様において、本発明は、本発明の方法にしたがって製造されるエンジンポペットバルブに関する。
【００１４】
本発明を特徴付ける様々な新規な特徴は、この開示の一部を形成している特許請求の範囲に特に記載されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
最初に図１を参照すると、全体が参照番号１０で示されているエンジンポペットバルブの側面図が示されている。図面は本発明を限定するものではなく、また、図面中の同じ数字は同じまたは類似の構成を示している。バルブ１０は、軸１２と、隅肉１４と、全体が参照番号１６で示されているバルブヘッド部とを有している。バルブヘッド部１６は、エンジンの燃焼室（図示せず）の内側に面している燃焼面１８を有している。バルブシート面２０は、エンジンブロック、すなわちバルブシートインサート（図示せず）と係合する外周面である。バルブヘッド部１６は、所与の用途に応じて所定の直径を有するバルブヘッド２２をさらに有している。隅肉１４は、バルブヘッド２２を、先端２４まで延びている軸１２に連結する、内側にくぼむように先細になっている移行領域である。バルブスプリングのスプリングリテーナを収容する保持溝２６が設けられることが多い。エンジンポペットバルブ１０は、当該技術で知られているように、中実、または中空、または部分的に中実で部分的に中空にすることができる。エンジンポペットバルブ１０の構造および機能は当産業でよく知られている。
【００１７】
本発明の方法は、中実のいかなるエンジンポペットバルブ、または中実のヘッド部と中空の軸とを有するエンジンポペットバルブに適用できる。例えば、本発明の方法は、後から中空の軸１２に溶接される中実のヘッド部１６を鍛造するのに使用できる。本発明の方法は、特定の用途に適し、かつ鍛造可能ないかなる金属バルブ材料をも用いることができる。適切な材料として、限定するものではないが、２１−２Ｎ、２１−４Ｎ、２３−８Ｎのようなアメリカ自動車技術会（Ｓ．Ａ．Ｅ．）エンジンバルブ（ＥＶ）シリーズのオーステナイト鋼、またはポペットバルブに使用される同様の組成物などがある。本発明の方法は、インコアロイズインターナショナル社（Ｉｎｃｏ  Ａｌｌｏｙｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．）の登録商標であるインコネル、またはヘンリーウィギン社（Ｈｅｎｒｙ  Ｗｉｇｇｉｎ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙ，  Ｌｔｄ．）の登録商標であるニモニック等、さまざまな商品名で販売されている鍛練用のニッケル基の合金など、Ｓ．Ａ．Ｅ．高温エンジンバルブ（ＨＥＶ）シリーズの溶体化処理可能なスチールにも適用できる。
【００１８】
図２を参照すると、全体が３０で示された、本発明による方法の工程図が示されている。この方法は、ピンのクロップ／面取り工程３２、据込み／鍛造工程３４、頭部／空胴の旋削工程３６、移行式プラズマアーク（ＰＴＡ）溶接工程３８、圧印工程４０、および任意の熱処理工程４２を含む。これらの工程の各々を図３〜７を参照しながらさらに詳しく説明する。任意の熱処理工程４２は、方法３０の最後の工程として示されているが、望まれるならば、方法のいずれかの工程の前または後でも可能である。同様に、当該技術で知られている種々の熱処理工程をどのような順序で用いてもよい。
【００１９】
ここで図３を参照すると、ピンのクロップ／面取り工程３２が示されている。工程３２では、所与の直径を有する原材料、例えば２１−４Ｎのような金属バルブ材料の鍛練バー４４が、まずロッド４５を形成するために加工可能な長さに切断される。約３メートルの初期長を有するロッド４５は、その後、約０．２５〜０．４メートルの長さを有するピン４６を形成するために切断または剪断される。それから、ピン４６の一端４８が、長さ約１〜２ｍｍにわたって約４５°の角度に面取りされる。これらの寸法は、説明のためにのみ記載されているのであり、本発明をそれに限定しようとするものでないことを理解すべきである。
【００２０】
方法３０における次の工程は、据込み／鍛造工程３４である。ピン４７は、鍛造型５２の内部で図３に示されている、未仕上げのバルブ５２を形成するように据込みおよび鍛造される。面取りされた端部４８によって、据込みおよび鍛造工程３４の間、ピン４６を容易に位置決めしてまっすぐに保持することができる。図２に示されている据込み／鍛造工程３４は、特に、電気的に据込みおよび鍛造されるピンに関する。本発明は、図２に示されている個々の工程の変形例にも適用することができる。例えば、押出および叩き直し工程（当該技術で周知のバルブ製作工程）の据込み／鍛造工程では、バルブ軸の最終直径よりわずかに大きいピンとは対照的に、バルブ軸の直径よりはるかに大きい直径を有するスラッグが加熱され、スラッグの約半分がバルブ軸へと形成されるようにバルブ軸が押出加工される（バルブ軸の最終径よりわずかに大きい型に押し込まれる）。「タマネギ」部は、スラグの押出し加工されていない部分である。「タマネギ」という用語は、バルブヘッドの、大きい未仕上げ部のことを言う技術用語である。打直し工程は、バルブをほとんど完成状態に形成する据込み／鍛造工程３４の鍛造工程と類似している。本発明は広範囲なバルブ製作方法に適用でき、本願明細書に記載されている個々の工程は、エンジンポペットバルブのシート肉盛における本発明の原理から逸脱せずに変更できることを理解すべきである。
【００２１】
据込みされたピン４６は、未仕上げのバルブ５０のヘッド部１６の一部を形成するように構成された型５２で所定の温度で鍛造される。軸１２は、型５２内で成形してもよいし、本発明の譲受人に譲渡され、参考として本願明細書に含まれている米国特許第４，７４１，０８０号に記載されているような方法で押出してもよい。
【００２２】
次に、図４〜７を参照すると、頭部／空胴の旋削工程３６は、バルブヘッドをほぼその最終形状にするために、約２３．５ｍｍの、バルブヘッドの選択された初期直径（ｄ1）なるように未仕上げのバルブ５０のヘッド部１６を旋盤またはフライス盤（図示せず）のような装置で旋削することを含む。旋削工程３６はまた、本発明の方法３０の据込みおよび鍛造工程３４から生じた不完全部を取り除く。ヘッド部／空胴の旋削工程３６は、図４と５からわかるように、旋盤を用いてシート肉盛用の空胴すなわち溝５４をバルブヘッド部１６に切削または「旋削」する工程を含む。シート肉盛用の空胴５４は鍛造で形成してもよい。シート肉盛用の空胴５４を鍛造で形成する場合、過度の気孔の発生を防止するために、ＰＴＡシート肉盛の前に、空胴５４内の酸化物層を取り除くことが好ましい。シート肉盛用の溝５４は、約２．５ｍｍの曲率半径（ｒ1）を有する。未仕上げのポペットバルブ５０のシート肉盛用の溝５４と燃焼面１８との間のバルブシート境界部５６の選択された初期厚さ（ｔ1）が与えられ、この初期厚さ（ｔ1）は約１．５ｍｍである。シート肉盛用の溝５４の下側縁端間の内径（Ｌ1）は、約１９．３６ｍｍ〜２０．３６ｍｍである。図４は、約１９．３６ｍｍの内径（Ｌ1）を有する未仕上げのポペットバルブ５０を示し、図５は、内径（Ｌ1）が約２０．３６ｍｍである同様の図である。
【００２３】
次は、シート肉盛用の溝５４内の溶融材料を熱溶融する技術、予め成形されたリングを溝５４内に溶接する技術、および溝５４内にシート肉盛材料をレーザー被覆する技術（ただしこれらに限定されるものではない）を含む、よく知られた任意の数の技術によってシート肉盛用の溝５４内にシート肉盛合金５８（図６参照）を付着すなわち配置させる工程を含む移行式プラズマアーク工程３８である。本発明で用いられる好適な技術は、イートナイト６材を用いた移行式プラズマアーク（ＰＴＡ）溶接である。適切な移行式プラズマアーク溶接方法は、本発明の譲受人に譲渡され、参考として本願明細書に組込まれている米国特許第４，１０４，５０５号に記載されている。前述のように、両方とも本発明の譲受人に譲渡され、参考として本願明細書に組込まれている米国特許第４，０７５，９９９号および第４，９４３，６９８号に記載されているもの（ただし、これらに限定されない）を含んでいる広範囲なシート肉盛合金または硬化肉盛合金を本発明とともに使用できる。
【００２４】
シート肉盛材料５８が付着させられた後、方法３０の圧印工程４０において、頭部直径（ｄ2）が、図７および８からわかるように約２３．５ｍｍの初期直径（ｄ1）から最終的な、すなわちバルブヘッド２２の所望の直径まで、選択された大きさだけ増大するように、未仕上げのバルブ５０が再加熱されて圧印加工される。本願明細書で使用されている用語「圧印工程」は、圧印工程中の「熱間成形」または「鍛造」という用語を含むものとする。圧印工程により、点線で初期寸法を示し、実線で最終的な、すなわち所望の寸法を示す図８に最も分かりやすく示されているように、バルブヘッド２２の内径（ｄ1）はバルブヘッド２２の選択された直径（ｄ2）へ増大し、それと同時に、選択されたバルブシート境界部５６の厚さ（ｔ1）は厚さ（ｔ2）へ小さくなる。こうして厚さ（ｔ2）は、厚さ（ｔ1）よりも約１／３小さい約０．５ｍｍ＋０．２ｍｍとなる。バルブの所与の用途に応じて、バルブヘッド２２の初期直径（ｄ1）およびバルブシート境界部５６の初期厚さ（ｔ1）は、バルブ材料、シート肉盛材料、および溶落ちさせずにＰＴＡシート肉盛できる温度に基づいて選択的に与えられる。その後、圧印工程５０により、バルブヘッド２２の最終的な、すなわち所望直径（ｄ2）とバルブシート境界部５６の厚さ（ｔ2）が与えられる。
【００２５】
図７は、バルブ１０の面１８に鍛造されたカップ状部６０を備えている、完成した、すなわち仕上がったエンジンポペットバルブを示している。図６に示されているようなシート肉盛材料５８の凸形状は、圧印工程４０中にバルブヘッド２２のバルブシート境界部５６に熱間成形される。本発明の方法３０は、圧印工程４０中に突起物を鍛造できることが有利である。「突起物」という用語は、機械加工によって取り除かれる、境界部５６上の表面層のことを言う。本発明の方法では、突起物を機械加工するのではなく、単に圧印工程５０中に突起物を圧印加工する。
【００２６】
本発明の圧印工程５０の圧印作業では、凸状のシート肉盛材料５８を平らにし、燃焼面１８とのバルブシート面境界部５６を小さくし、ポペットバルブ１０の燃焼面１８と隅肉１４上に鍛造仕上を残す。当該技術で知られているように、圧印温度は、使用される材料のタイプに応じて変わる。ここで使用されることが好ましい圧印温度は約１１００℃である。
【００２７】
前述した方法で、本発明の方法３０により、特に圧印工程４０において、バルブシート境界部の厚さを（ｔ1）から（ｔ2）へ小さくし、バルブヘッド２２の直径を（ｄ1）から（ｄ2）へ増大させる。このように、本発明の方法３０によれば、溶落ちさせることなくＰＴＡシート肉盛できるようにするために燃焼面に付加される原材料が追加されることはなく、また、機械加工に対しても条件は存在しない。
【００２８】
本発明の改良された方法は、従来の方法に対して以下の利点を有する。同じシート肉盛材料深度が維持しながら、より少ないシート肉盛材料が使用される。単に、シート肉盛合金が事実上機械加工によって取り除かれないという理由により、バルブシート境界部の近くに生じるシート肉盛合金の基材希釈度がより小さい。シート面から機械加工すなわち研削しなくてはならないシート肉盛材料がより少ない。溶接工程で生じる内部の気孔は、圧印により事実上取り除かれる。また、この改良された方法によって、薄く肉盛されたバルブをＰＴＡ溶接するために必要な、余分の材料を除去する必要が無くなる。本発明により作られるオーステナイトの排気バルブの場合、基材の微細構造は、高温鍛造作業により、単軸の形状から結合線の方向に沿った細長い形状に変化した粒形を有する。
【００２９】
ポペットバルブは所与の用途に応じて、鍛造の前または後の任意の熱処理工程４２で溶体化処理または時効硬化させることも可能である。適切な熱処理方法は当産業および当業者によく知られている。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なエンジンポペットバルブの側面図である。
【図２】本発明の方法を示す工程図である。
【図３】本発明の方法の工程３２と３４にしたがってエンジンポペットバルブに加工される原材料の工程図である。
【図４】本発明の方法にしたがって加工されるエンジンポペットバルブの頭部の側面図である。
【図５】本発明の方法にしたがって加工されるエンジンポペットバルブの頭部の側面図である。
【図６】本発明の方法にしたがって加工されるエンジンポペットバルブの頭部の側面図である。
【図７】本発明の方法にしたがって加工されるエンジンポペットバルブの頭部の側面図である。
【図８】初期直径（ｄ1）から最終直径（ｄ2）への変化および初期厚さ（ｔ1）から最終厚さ（ｔ2）への変化を点線で示す、バルブヘッドの一部の拡大側面図である。
【符号の説明】
１０    エンジンポペットバルブ
１２    軸
１４    隅肉
１６    バルブヘッド部
１８    燃焼面
２０    バルブシート面
２２    バルブヘッド
２４    軸先端
２６    保持溝
３０    方法
３２，３４，３６，３８，４０，４２    工程
４４    原材料
４５    ロッド
４６    ピン
５０    未仕上げのポペットバルブ
５４    シート肉盛用の溝
５６    バルブシート境界部
５８    シート肉盛合金
【図１】
0005015393.tif 000002
【図２】
0005015393.tif 000003
【図３】
0005015393.tif 000004
【図４】
0005015393.tif 000005
【図５】
0005015393.tif 000006
【図６】
0005015393.tif 000007
【図７】
0005015393.tif 000008
【図８】
0005015393.tif 000009