JPH06277876A

JPH06277876A - ディーゼル機関用弁棒とその製造方法

Info

Publication number: JPH06277876A
Application number: JP9205993A
Authority: JP
Inventors: Yoshizo Hashimoto; 橋本芳造; Takatoshi Tomoyasu; 友保孝敏; Tadao Tanaka; 田中忠夫
Original assignee: N Z K KK; Kobe Steel Ltd
Current assignee: N Z K KK; Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1994-10-04

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】耐熱鋼よりなる舶用又は発電用ディーゼル機
関用弁棒製造の肉盛において、耐蝕性と共に耐割れ性等
の溶接性も優れた触火面が得られる材料及び施工法を提
供する。【構成】肉盛金属の組成が、Ｃ：０.０１〜０.５０
％、Ｓi：０.１〜２.０％、Ｃr：３５〜５５％、Ａl＋
Ｔi：０.５〜２.５％、Ｎ：０.０１〜０.６％を含有
し、更にＭn：２％以下、Ｖ：３％以下、Ｎb：０.２〜
０.８％、Ｍo：５％以下、Ｗ：５％以下、Ｆe：５％以
下の１種又は２種以上を含有し、残部がＮiと不可避的
不純物である並びに弁棒の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は舶用、発電用等の大型デ
ィーゼル機関用弁棒(以下、「弁棒」と称する)とその製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】弁棒は、通常、図１に示すように、傘部
２に触火面３とフェース面４を有している。このような
弁棒１の寿命を決定する要因は大きく分けて２つある。
１つはシート面の摩耗、腐食、もう１つは触火面の腐食
である。

【０００３】これらの耐性を高めるため、肉盛技術が多
用されている。従来より、シート面の肉盛については多
くの開発が行われており、ステライト合金やＮi自溶性
合金(コルモノイ合金)等が目的に応じて使用されてい
る。

【０００４】一方、触火面の肉盛は、シート面ほど一般
的には行われていないが、ハードな環境下で用いる弁棒
では肉盛による耐久性の向上が図られている。しかし、
シート面ほど研究もされておらず、肉盛材としても一般
的な高温耐食材であるインコネル等が用いられているに
すぎない。シート面に用いるステライトやコルモノイ合
金では、触火面のような広い面積の肉盛に対しては耐割
れ性が不十分で実用的ではない。

【０００５】近年、ディーゼル機関のランニングコスト
低減のため、不純物の多い燃料が用いられることが多
く、触火面の腐食が助長され、弁棒の寿命が低下してき
ている。その対策の１つとして、前述のインコネル合金
等を肉盛する弁棒等が供給されてきているが、十分な耐
食性とはいえない。

【０００６】一方、弁棒の素材面からの開発も行われて
おり、その中でナイモニック８０Ａ(Ｎ８０Ａ)が不純物
の多い重質油の腐食にもかなり耐える材料として注目さ
れ、特に大型弁棒でかなり実績を挙げてきている。

【０００７】しかし、Ｎ８０ＡはＮi基の超合金であ
り、大型弁棒を全てこの素材で作ると極めて高価なもの
となり、普及一般化がしにくい状況にある。また、Ｎ８
０Ａは溶接性の悪い母材であり、補修による繰り返し使
用にも限界がある。

【０００８】こうした状況下において、安価な母材(オ
ーステナイト又はマルテンサイトステンレス鋼)に肉盛
して触火面の十分な耐食性を示す弁棒が必要となってき
ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来、こうした高温下
における耐食肉盛材としては、特開平１−２７３６９３
号にて新しいＮi合金が提案されている。この材料は主
にシート面用として開発されたものであるが、高温腐食
に極めて優れた性能を有しており、触火面の肉盛材とし
て有望なものである。しかし、シート面に比べて遥かに
広い面積の肉盛が必要となる触火面への適用は、耐割れ
性が大きな問題となる。

【００１０】本発明は、上記従来技術の問題点を解決
し、優れた耐食性を有すると共に耐割れ性等の溶接作業
性も優れた触火面を有するディーゼル機関用弁棒並びに
肉盛施工法を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決するために、材料の成分面での見直しと施工法の
開発に努めた結果、触火面への高耐食性合金の肉盛を可
能としたものである。すなわち、材料の成分としてＡl
＋Ｔi量の最適化、或いは更にＮb量の最適化を行うと共
に、施工法としてはＰＴＡ(粉体プラズマアーク)法を採
用し、積層、予熱条件等の開発により、割れのない施工
を確立し、ここに本発明をなしたものである。

【００１２】すなわち、本発明は、耐熱鋼よりなる舶用
又は発電用ディーゼル機関用弁棒であって、その触火面
に肉盛金属を有し、該肉盛金属の組成が、Ｃ：０.０１
〜０.５０％、Ｓi：０.１〜２.０％、Ｃr：３５〜５５
％、Ａl＋Ｔi：０.５〜２.５％、Ｎ：０.０１〜０.６％
を含有し、更にＭn：２％以下、Ｖ：３％以下、Ｎb：
０.２〜０.８％、Ｍo：５％以下、Ｗ：５％以下、Ｆe：
５％以下の１種又は２種以上を含有し、残部が実質的に
Ｎi又はＮi＋Ｃoと不可避的不純物からなる組成である
ことを特徴とするディーゼル機関用弁棒を要旨としてい
る。

【００１３】また、その製造方法は、耐熱鋼よりなる舶
用又は発電用ディーゼル機関用弁棒の触火面にＰＴＡ溶
接により肉盛金属を形成するに際し、溶接材料とし
て、Ｃ：０.０１〜０.５０％、Ｓi：０.１〜２.０％、
Ｃr：３５〜５５％、Ａl＋Ｔi：０.５〜２.５％、Ｎ：
０.０１〜０.６％を含有し、更にＭn：２％以下、Ｖ：
３％以下、Ｎb：０.２〜０.８％、Ｍo：５％以下、Ｗ：
５％以下、Ｆe：５％以下の１種又は２種以上を含有
し、残部が実質的にＮi又はＮi＋Ｃoと不可避的不純物
からなる組成の溶接材料を用い、予熱温度を、傘径１
５０mmφ以下の弁棒の場合は２００℃以上、傘径１５０
mmを超える弁棒の場合は２００＋(Ｄ−１５０)×０.５
℃以上（ここで、Ｄ：弁棒の傘径(mm)）とし、触火面
中心部から外へ渦巻状にビードを形状する施工法で行う
ことを特徴としている。

【００１４】

【作用】

【００１５】以下に本発明を更に詳細に説明する。

【００１６】弁棒の母材の材質としては、耐熱鋼を用い
る。マルテンサイト系の耐熱鋼も小型バルブでは用いら
れるが、大型バルブでは靭性が要求されるため、高靭性
の鍛造オーステナイト耐熱鋼が最も適している。

【００１７】まず、触火面の肉盛材料の成分限定理由に
ついて説明する。

【００１８】Ｃ：Ｃは固溶体を強化して肉盛金属の硬さ
を得る成分で、０.０１％未満では十分な硬さが得られ
ない。一方、０.５０％を超えると溶接時の割れを発生
する。したがって、Ｃ量は０.０１〜０.５０％の範囲と
する。

【００１９】Ｓi：Ｓiは作業性を安定化させる成分であ
り、０.１％未満では母材とのなじみが悪く、一方、２.
０％を超えると溶融金属が流れすぎて融合不良を発生す
る。したがって、Ｓi量は０.１〜２.０％の範囲とす
る。

【００２０】Ｃr：Ｃrは耐食、耐熱性を得るために必要
な成分であり、３５％以上でその効果が認められるが、
３５％未満では耐熱性が不十分で、耐酸化、耐食性が劣
化する。また、５５％を超えると溶接時に割れが発生し
易くなる。したがって、Ｃr量は３５〜５５％の範囲と
する。

【００２１】Ａl、Ｔi：Ａl、ＴiはＮiと金属間化合物
を形成して硬さを得る成分であり、ＡlとＴiは等量の効
果がある。しかし、Ａl＋Ｔi合計量で０.５％未満では
その効果が得られない。Ａl又はＴiを増やすと硬さは上
昇するが脆化するため、耐割れ性面から上限がある。す
なわち、弁棒のシート面の溶接では４.０％程度まで添
加しても溶接可能であるが、触火面の肉盛では面積が広
く、２.５％以下に抑えないと割れのない施工が困難と
なることが判明した。したがって、Ａl＋Ｔi合計量を
０.５〜２.５％の範囲とする。なお、Ａl又はＴiの一方
のみを添加し得ることはいうまでもない。

【００２２】Ｎ：ＮはＣrと窒化物を形成して硬さを安
定させる効果がある。しかし、０.０１％未満ではその
効果がなく、また０.６％を超えると湯流れが悪く作業
性が低下する。したがって、Ｎ量は０.０１〜０.６％の
範囲とする。

【００２３】更に、以下の成分の１種又は２種以上を適
量にて含有させる必要がある。

【００２４】Ｎb：Ｎbは高温硬さの安定化に効果があ
り、そのためには０.２％以上が必要である。しかし、
０.８％を超えると溶接割れが発生するので、Ｎb量は
０.２〜０.８％の範囲とする。

【００２５】Ｍn：Ｍnは固溶体強化により常温硬さの向
上と作業性改善に効果があるが、２％を超えると逆にス
ラグが多くなり、なじみ不良となるので、Ｍn量は２％
以下とする。

【００２６】Ｗ、Ｍo：Ｗ、ＭoはＭnと同じく固溶体強
化の効果があるが、作業性には殆ど影響しない。しか
し、それぞれ５％を超える添加は耐割れ性を阻害するの
で、Ｗ、Ｍo量はともに５％以下とする。

【００２７】Ｆe：Ｆeは硬さ安定と耐割れ性改善に効果
がある。但し、耐食性を悪くするため、添加量は５％以
下とする。

【００２８】Ｖ：Ｖは３％以下の添加で５００℃までの
硬さを安定にする。

【００２９】残部：残部は実質的にＮiである。Ｎiは合
金のベース材となるものであり、Ａl、Ｔi、Ｎb等と金
属間化合物を形成し、合金としての硬さを得る。ベース
材としては他にＦe、Ｃoが一般的に考えられるが、Ｆe
は硬さが十分に得られず、また耐酸化性も不十分であ
る。Ｃoのみでは硬さが十分得られない。Ｎiの一部をＣ
oで置換しても同様の効果が得られる。なお、不可避的
不純物はできるだけ少ないのが望ましい。

【００３０】次に本発明における肉盛溶接施工法につい
て説明する。

【００３１】上述の本発明の肉盛材料は加工性が悪く、
ワイヤ状材料を得ることは難しく、したがって、ＭＩＧ
施工は困難である。また、被覆アーク溶接では耐ブロー
ホール性が極めて悪く、適用が難しい。そのため、溶接
法について検討した結果、鋳造棒を用いるＴＩＧ施工
と、粉末材料を用いるＰＴＡ施工が適用可能である。

【００３２】本発明の肉盛材料は、耐食性は極めて優れ
ているが、大型弁棒の触火面のような広い面積の肉盛で
は溶接時に割れが発生し易く、施工面での十分な検討が
必要であった。この点に関して、ＴＩＧ施工とＰＴＡ施
工を比較すると、溶接金属の清浄度と自動溶接の安定性
からＰＴＡ施工の方が割れが発生しにくいことが判明し
た。特に３００mmφ以上の大型弁棒では、ＴＩＧ施工で
割れのない施工は困難である。更に大型弁棒に割れのな
い安定した施工を行うには、以下に示すように、肉盛手
順、熱管理が重要であることが判明した。

【００３３】〈積層法〉積層法としては、渦巻状で、触
火面中心部から外へ向かう施工が最も有効である。同心
円状の渦巻とすることで応力は均一化される。逆に、外
側から内側へ向かう施工では、外側を拘束した状態での
施工となり、割れの危険が大きくなる。応力の均一化で
は他のブロック法や対称法等もあるが、いずれも間欠的
な施工となり、効率が極めて悪くなる。

【００３４】〈予熱温度〉予熱温度は弁棒の大きさによ
り最適値は異なる。１５０mmφ以下の弁棒では、予熱な
しでは割れのない施工も可能であるが、なじみを良く
し、融合不良などの発生を少なくするために、適度な予
熱は有効であり、２００℃以上の予熱が望ましい。

【００３５】一方、弁棒の傘径が大きくなると割れ感受
性は急激に高くなるため、予熱管理が最も重要なポイン
トとなる。種々の大きさの弁棒で施工条件を検討した結
果、傘径をＤ(mm)とすると、１５０mmφを超える弁棒の
場合、予熱の最適温度は２００＋(Ｄ−１５０)×０.５
℃以上で、割れのない施工が可能となった。

【００３６】〈後熱処理〉肉盛溶接後、必要に応じて時
効熱処理を行ってもよい。本発明による肉盛部は肉盛溶
接ままでもＨv３５０程度以上の硬さが得られ、一般的
な使用では十分な耐摩耗性であるが、より厳しい環境下
で使われる場合には、６００〜９５０℃×４〜１００hr
の時効熱処理により硬さを向上させるのが望ましい。

【００３７】なお、弁棒の傘径が３００mmφ以上の場合
は通常、２層盛以上の肉盛を行うが、その際、１層目の
肉盛材料として、Ａl＋Ｔi合計量を０.５〜１.０％、Ｎ
b量を０.４％以下とした組成のものを用いるのが好まし
い。Ａl＋Ｔi合計量が１.０％以上、またＮb量が０.４
％以上では１層目の硬さが高くなり、２層溶接時に割れ
が発生し易くなる。

【００３８】以上の肉盛施工法により、触火面に上記肉
盛材料による肉盛金属が得られる。なお、肉盛金属は、
肉盛層部分、或いはこの肉盛層を含めて肉盛層表面下少
なくとも１mmまでの領域に相当する部分である。

【００３９】次に本発明の実施例を示す。

【００４０】

【実施例１】

【００４１】本例は肉盛金属の耐食性及び硬さ(耐摩耗
性)を調べた例である。表１に示す組成の肉盛粉末材料
を用い、母材(ＳＵＳ３０４：３０mmｔ×１５０mmφ)上
にＰＴＡ施工(予熱温度：２００〜２５０℃、積層法：
渦巻状で中心より外側へのビード形成)により２層の肉
盛溶接を行い、肉盛層の表面硬さ及び耐食性を調べた。
耐食性は、肉盛表面の溶着金属から３mm(径)×３０mm
(長さ)の試験片を採取し、２０％Ｖ₂Ｏ₅＋８０％Ｎa₂Ｓ
Ｏ₄の腐食灰中で９００℃×５０hr浸漬した後の腐食減
量(mg)を測定して評価した。その結果を表１に併記す
る。

【００４２】表１に示すように、本発明例は全て優れた
耐食性を示し、硬さもＨv３８０以上で良好な耐摩耗性
も期待できる。

【００４３】一方、比較例Ｎo.１〜４、７〜８は、耐食
成分が全て本発明範囲内のため、耐食性は良好である。
しかし、比較例Ｎo.１ではＡl＋Ｔiが少なく硬さが低く
なっている。比較例Ｎo.２〜４、７では割れが発生し
た。比較例Ｎo.６はＭnが高く融合不良を発生した。比
較例Ｎo.８はＣが高く硬くなりすぎ、割れが発生した。
また比較例Ｎo.５はＣrが低く耐食性が不充分である。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【実施例２】

【００４６】本例は実際の弁棒に肉盛溶接した例であ
る。傘径１５０〜４５０mmφの弁棒(母材：オーステナ
イト耐熱ステンレス鋼ＳＵＨ-３６)の触火面にＰＴＡ施
工で肉盛を行った。表１の肉盛粉末材料と表２の施工条
件を表３のように組み合わせた。溶接作業性を調べた結
果を表３に示す。

【００４７】表３において、本発明例(イ)〜(ホ)は、全
て割れのない良好な溶接結果が得られている。

【００４８】これに対し、比較例(い)〜(に)では、肉盛
粉末材料は本発明範囲内の組成を用いているが、施工条
件が不備のため、割れ発生となっている。

【００４９】比較例(ほ)〜(ぬ)では、肉盛粉末材料が本
発明範囲外の組成で高く外れているため、施工条件は適
正であっても、割れやスラグ巻込み、ブローホール等を
発生した。比較例(る)〜(を)も従来材粉末を用いたもの
で、割れを発生した。

【００５０】

【表２】

【００５１】

【表３】

【００５２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
耐摩耗性は勿論のこと、耐食性に優れると共に耐割れ性
等の作業性も優れた触火面を有するディーゼル機関用弁
棒を従来より安価に提供することができる。特に大型弁
棒で広い面積の触火面の肉盛に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】弁棒を説明する断面図である。

【符号の説明】

１弁棒２傘３触火面４フェース面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中忠夫東京都町田市南成瀬３−12−８

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】耐熱鋼よりなる舶用又は発電用ディーゼ
ル機関用弁棒であって、その触火面に肉盛金属を有し、
該肉盛金属の組成が、Ｃ：０.０１〜０.５０％、Ｓi：
０.１〜２.０％、Ｃr：３５〜５５％、Ａl＋Ｔi：０.５
〜２.５％、Ｎ：０.０１〜０.６％を含有し、更にＭn：
２％以下、Ｖ：３％以下、Ｎb：０.２〜０.８％、Ｍo：
５％以下、Ｗ：５％以下、Ｆe：５％以下の１種又は２
種以上を含有し、残部が実質的にＮi又はＮi＋Ｃoと不
可避的不純物からなる組成であることを特徴とするディ
ーゼル機関用弁棒。
【請求項２】弁棒の素材が鍛造加工したオーステナイ
ト耐熱鋼である請求項１に記載のディーゼル機関用弁
棒。
【請求項３】耐熱鋼よりなる舶用又は発電用ディーゼ
ル機関用弁棒の触火面にＰＴＡ溶接により肉盛金属を形
成するに際し、溶接材料として、Ｃ：０.０１〜０.５
０％、Ｓi：０.１〜２.０％、Ｃr：３５〜５５％、Ａl
＋Ｔi：０.５〜２.５％、Ｎ：０.０１〜０.６％を含有
し、更にＭn：２％以下、Ｖ：３％以下、Ｎb：０.２〜
０.８％、Ｍo：５％以下、Ｗ：５％以下、Ｆe：５％以
下の１種又は２種以上を含有し、残部が実質的にＮi又
はＮi＋Ｃoと不可避的不純物からなる組成の溶接材料を
用い、予熱温度を、傘径１５０mmφ以下の弁棒の場合
は２００℃以上、傘径１５０mmを超える弁棒の場合は２
００＋(Ｄ−１５０)×０.５℃以上（ここで、Ｄ：弁棒
の傘径(mm)）とし、触火面中心部から外へ渦巻状にビ
ードを形状する施工法で行うことを特徴とするディーゼ
ル機関用弁棒の製造方法。
【請求項４】請求項３に記載の方法において、傘径が
３００mmφ以上の弁棒に対して２層盛以上の肉盛を行う
に際し、１層目の溶接材料として、請求項３に記載の溶
接材料の成分のうち、Ａl＋Ｔi：０.５〜１.０％、Ｎ
b：０.４％以下に規制した溶接材料を用い、２層目の溶
接材料として請求項３に記載の溶接材料を用いることを
特徴とするディーゼル機関用弁棒の製造方法。
【請求項５】肉盛溶接後、６００〜９５０℃×４〜１
００hrの時効熱処理を行う請求項３又は４に記載の方
法。
【請求項６】弁棒の素材が鍛造加工したオーステナイ
ト耐熱鋼である請求項３、４又は５に記載の方法。