JPH11270320A - 内燃機関用バルブの製法及びその製法により成形されたバルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐摩耗性や高温耐食性に優れ、かつ、低コスト
な低速内燃機関用バルブと、該バルブを確実に生産で
き、かつ生産効率の良い低速内燃機関用バルブの製法の
提供。 【解決手段】所定形状に予め形成された析出硬化型Ｎｉ
基合金材料６に対して、傘部３のフェース２側を成形す
る上型７を下方の固定下型８へ加圧し、該上型７の後方
に向かって首アール部１９を鍛造成形して傘部３のみを
成形し、該傘部３を、別体成形してある軸部４に摩擦溶
接して一体化することを特徴とする低速内燃機関用バル
ブの製法及び該製法により成形されたバルブ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用バルブ
の製法及びその製法により成形されたバルブに関し、詳
細には、船舶や発電プラントなどに使用される大型の低
中速内燃機関用のバルブであって、耐摩耗性及び高温耐
食性に優れた内燃機関用バルブの製法及びその製法によ
り成形されたバルブに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、内燃機関用のバルブは、耐熱
合金を材料として、鍛造成形されている。しかし、特に
船舶用ディーゼルエンジンや発電プラントなどにおける
低中速内燃機関においては、低質の燃料が使用されるこ
とに加えて、高温で運転されることから、バルブには、
より高い耐摩耗性及び高温耐食性が要求されている。

【０００３】特に、バルブシートと接触を繰り返し、激
しい温度変化に曝される傘部フェース部分の耐久性は、
高水準のものが求められている。

【０００４】そこで、従来から、低中速内燃機関用のバ
ルブを鍛造成形する材料として、耐熱性と高温耐食性に
優れる析出硬化型Ｎｉ基合金（ＪＩＳ規格・ＮＣＦ８０
Ａ，ＮＣＦ７５ｌ等）が使用されている。併せて、傘部
フェース部分の耐久性をより向上させるための鍛造成形
技術も工夫されてきている。

【０００５】しかしながら、これまでの従来技術におい
ては、より高い耐久性が求められる傘部（特にフェース
部）と傘部ほどの硬度の耐久性は必要とされない軸部
を、一体に鍛造成形する方法が採用されてきている。

【０００６】具体的には、従来技術を簡略に表す図１４
に示すように、まず、所望するバルブの大きさ・形状に
適合するように予め所定形状に整えられた析出硬化型Ｎ
ｉ基合金材料２６を、上下の型から構成されるハンマー
設備に設置する。

【０００７】そして、傘部下面側を成形することになる
上型２４を上方から（矢印Ｘ方向から）、傘部の首アー
ル部及び軸部を成形することになる下方の固定下型２５
へ向けて打ち付けて加圧し、該下型２５の更に下方（矢
印Ｙ方向）に合金材料２６を変形させていきながら軸部
を形成していく鍛造成形方法が採用されている（以下
「前方押し出し方式」という。）。

【０００８】また、バルブの耐摩耗性や高温耐食性を改
善する技術として、特公昭６０−３４６０７号公報や特
公昭６４−８６９９号公報に開示された技術が挙げるこ
とができる。

【０００９】前者は、特定組成比率の析出硬化型Ｎｉ基
合金を材料として使用し、この材料に最終熱間加工終了
温度が７００〜９００℃で、加工率２５〜７５％の熱間
加工を施し、引き続いて、６５０〜８２５℃の条件で熱
処理をするＮｉ基合金製弁体の製造方法に関する技術で
ある。

【００１０】後者は、強析出硬化型耐熱合金を材料とし
て、傘部を７００〜９００℃の範囲で加工率２０％以上
の鍛造により成形し、時効処理を施す舶用ディーゼルエ
ンジンのバルブに関する技術である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術には、以下に説明する技術的課題が存在してい
た。まず、上記した「前方押し出し方式」による鍛造成
形方法では、傘部下面を成形する上型を合金材料に打ち
付けて、下型の更に下方へ、合金材料を変形させながら
軸部を成形していく方法を採用しているため、力が分散
して合金材料が伸びにくく、軸部が成形しにくいという
技術的課題である。

【００１２】また、かかる従来方法では、傘部と軸部の
一体成形を前提としているため、傘部フェース部の高い
硬度を確保するためには、高コストな析出硬化型Ｎｉ基
合金材料をバルブ全体に使用せざるを得ないため、バル
ブのコストを押し上げてしまうという課題である。

【００１３】更には、上記公報に開示されている技術に
おいては、耐摩耗性や高温耐食性が向上するものの、そ
の平均的な硬度は、ビッカース硬度４２０程度に留まっ
ている。この程度の硬度では、低速内燃機関用のバルブ
としては不足であり、船舶用ディーゼルエンジンや発電
プラントなどの運転の信頼性が確保できない。

【００１４】即ち、ＨＶ４２０程度の硬度では、傘部フ
ェースに対して燃焼残渣が噛み込み易く、圧痕が比較的
早期に発生してしまうという問題があるため、特に、低
質の燃料を使用するディーゼルエンジンのバルブにおい
ては、このフェース部の硬度を上げて、耐摩耗性及び高
温耐食性を向上させる必要がある。

【００１５】この前記技術的課題に関しては、フェース
部の熱強度をだすため、フェース部にステライト盛りを
施す工夫がなされる場合があるが、この手段では、ピン
ホールが発生しやすく信頼性に乏しい上、ステライト盛
りに要する加工が手間であるため、バルブの生産効率も
悪化してしまうという新たな課題が発生してしまう。

【００１６】そこで、本発明は、以上の技術的課題に鑑
みてなされたもので、その目的は、特に船舶や発電プラ
ントなどに使用される大型の低中速内燃機関に適合する
バルブを確実に提供でき、かつ、生産効率の良い低速内
燃機関用バルブの製法と該製法に生産される耐摩耗性や
高温耐食性に優れ、かつ、低コストな内燃機関用バルブ
を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、以下の手段を採用する。

【００１８】請求項１では、所定形状に予め形成され、
上型と下型の間に設置された析出硬化型Ｎｉ基合金材料
に対して、傘部フェース側を成形する上型を下方の固定
下型へ加圧し、該上型の後方に向かって首アール部を鍛
造成形する構成により、傘部のみを成形し、該傘部を、
別体で成形してあるステム部に摩擦溶接して一体化する
（以下、「後方押し出し方式」という。）。使用される
析出硬化型Ｎｉ基合金材料は、バルブの耐熱性及び高温
耐食性を確保するとともに、傘部フェース側を成形する
（首アール部を成形する）上型を下方に固定された（傘
部下面成形用の）下型へ加圧し、該上型の後方、即ち、
上方に向かって、首アール部分を鍛造成形していく手段
により、首アール部の成形が容易になる。具体的には、
打ち始め温度１０００℃以上の高温に保持された析出硬
化型Ｎｉ基合金材料を下型に設置した場合、該合金材料
は、より低温（約２００℃）の下型との接触部分から熱
を急速に奪われるため、合金材料の下方側は、上方側よ
り加工性が落ちてしまう。また、下型に設置されている
合金材料の下方側は、下型に接触しているため、摩擦係
数が大きく変形しにくいが、合金材料の上方側は開放さ
れているため、摩擦係数が小さく変形しやすい。従っ
て、合金材料を加工する際において、高温に保持され、
かつ、摩擦の少ない上方側から上型を打ちつけて、傘部
底面側よりも、より大きな加工量が要求される首アール
部分の成形を行うことによって、傘部の鍛造成形が容易
になる。また、傘部のみを成形し、該傘部を別体成形し
た軸部に摩擦溶接して一体化する手段により、高コスト
な析出硬化型Ｎｉ基合金材料を最も耐久性の必要な傘部
にのみ使用することができ、コスト面でも有利になる。

【００１９】請求項２では、前記析出硬化型Ｎｉ基合金
材料と上型の間に押し込められる空気を逃がすためのガ
ス抜き孔を請求項１記載の上型に設ける。この手段によ
り、上方側から上型を打ちつけて、合金材料に首アール
部分の成形を行う際に、合金材料と上型の間に溜まる空
気を逃がして、傘部の鍛造成形を容易にする。

【００２０】請求項３では、請求項１又は請求項２記載
の第一ハンマーによる鍛造工程を行った後に、第二ハン
マーによるトリミング工程及び二次鍛造工程を行い、そ
の後に時効処理を施すことにより、傘部を成形する。鍛
造成形用の第一ハンマーとトリミング工程及び二次鍛造
工程を行う第二ハンマーを分けるとともに、第一ハンマ
ーの一次鍛造による成形後に二次鍛造を行うことによっ
て、生産性を向上させることができ、一次鍛造と二次鍛
造を連続して行えば、二次鍛造のための再加熱処理が一
切不要になる。また、二次鍛造のための再加熱が不要に
なる結果、炉内の滞留時間差による温度のばらつきが抑
えられ、二次鍛造温度を一定にできる。更には、一次鍛
造による成形から二次鍛造までの時間差を利用して、二
次鍛造に必要な最適温度を選択できるようになる。

【００２１】請求項４では、請求項３記載の内燃機関用
バルブの製法により、一次鍛造された際の傘部フェース
の加工率を、フェース内径側で５〜１５％、フェース外
径側で１０〜３０％に確保する。この加工率に確保すれ
ば、二次鍛造において、コイニング代部分に対して第二
ハンマーの上型を打ちつけた場合に、傘部外径側にコイ
ニング代部分がすべり変形しつつ、フェース部に押し込
められ、均一なファイバーフローをフェース部分に形成
することができる。また、二次鍛造における割れも生じ
ることがない。

【００２２】請求項５では、請求項４記載の二次鍛造工
程を傘部フェース温度５００〜７００℃の範囲で行い、
請求項２記載の時効処理を傘部フェース温度７２０〜７
５０℃の範囲で、２〜７時間行う。この手段により、低
速内燃機関用のバルブに求められる傘部フェース部分の
硬度を十分に確保することができる。二次鍛造工程を傘
部フェース温度５００〜７００℃の範囲で行い、時効処
理を傘部フェース温度７２０〜７５０℃の範囲で２〜７
時間行うことによって、傘部フェースを、特に低中速内
燃機関に適合する硬度に形成することができる。

【００２３】請求項６では、請求項５記載の内燃機関用
バルブの製法により成形された傘部フェースの硬度をＨ
Ｖ４２０〜４８０に保持する。フェース部硬度がＨＶ４
２０〜４８０に保持されたバルブは、燃焼残渣の噛み込
みを有効に防止でき、フェース部に圧痕が発生するとい
うことがない。また、過剰な硬度ではないため、塑性変
形に対するねばりがあり、内燃機関運転中のクラック
（割れ）が発生するという心配がない。

【００２４】請求項７では、請求項５記載の内燃機関用
バルブの製法により成形された傘部のマクロ組織には微
細なフローが形成されるとともに、ミクロ組織が、結晶
粒度７以上の非常に微細に形成された低速内燃機関用バ
ルブである。この固溶体合金からなるバルブのマクロ組
織には、微細なフローが観察される。即ち、すべり塑性
変形により生じた、いわゆるファイバーフロー（「すべ
り帯」ともいう。）が均一にできており、鍛造成形時の
力が均一にいき渡って、金属組織が整えられ、以後の塑
性変形に対する抵抗が増し、強度が確保されている。ま
た、ミクロ組織では、大きな結晶粒、混粒等がなく、非
常に微細な結晶粒に整えられ、金属組織が均一化されて
いる。

【００２５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、好適な実施例に基づき、添付図面を参照して説明す
る。まず、図１は、本発明に係る低速内燃機関用バルブ
の製法によって成形された最終製品であるバルブの一般
的な形状を示す図、図２は、同製法の製造工程における
温度と時間の関係を表す概略図、である。

【００２６】図３は、同製法の一次鍛造及び二次鍛造工
程に使用するハンマー型の形状及び構成を示す概略図
で、図３（Ａ）は、第一ハンマーに析出硬化型Ｎｉ基合
金材料を設置した状態を真横から見た図、図３（Ｂ）
は、第一ハンマーに連動又は連続する第二ハンマーに、
一次鍛造された傘部が設置されている様子を示す図、図
３（Ｃ）は、バリ抜きされた傘部が第二ハンマーに設置
されている様子を示す図、図４は、横方向から見た傘部
断面の半分を示す図、である。

【００２７】まず、図１に示すように、内燃機関用のバ
ルブ１は、バルブシート（図示せず）に接触するフェー
ス２から軸部４に至る部分であって、山の裾野の如き形
状を呈する首アール部９を有し、シリンダー（図示せ
ず）に対向する略平坦な下面５を備えている傘部３と、
該傘部３と一体に成形され、首アール部１９から連なっ
て、傘部３の上方へ形成されている棒状の軸部部４
（「ステム部」ともいう。）と、から構成されている。

【００２８】ここで、傘部３のバルブシート（図示せ
ず）に接触する部分であるフェース２は、最も耐久性、
即ち、耐摩耗性及び高温耐食性が要求される部分である
ため、高い硬度が要求される部分である。

【００２９】このため、従来から、バルブ１に析出硬化
型Ｎｉ基合金材料が、一般に用いられてきているのは、
この材料が、耐久性を備えたフェース２を確保するに、
最適の材料とされているからである。

【００３０】本発明は、特に、低中速内燃機関用のバル
ブを成形する方法とその方法により成形されてなるバル
ブを提供するものであるが、最も耐久性が要求されてい
るフェース２を有する傘部３のみを、軸部４とは別体で
成形するところに、本願発明の一つの大きな特徴があ
る。

【００３１】即ち、本願発明は、析出硬化型Ｎｉ基合金
材料のコストが高いため、該材料の使用量が増えれば、
バルブ１のコストに直接影響する一方、軸部４部分に
は、傘部３（特にフェース部２）ほどの高温耐久性が要
求されないという事実に基づき、析出硬化型Ｎｉ基合金
材料を軸部４にまで使用する必然性がない、ということ
に着目したことにより生まれた技術的思想と言える。

【００３２】また、傘部３のみを軸部４とは別体で成形
することにより、該傘部３の成形条件を集中的に設定、
改良していくことができるようになるため、今後の技術
開発において、本発明から派生する多様な効果が期待で
きると考えられる。

【００３３】以下、主に図２と図３に基づいて、本発明
に係る内燃機関用バルブの製法の工程全体の概略につい
て、主に温度条件を中心に説明する。まず、同製法の製
造工程における温度と時間の関係を表す概略図である図
２に示す横軸は「時間」を、縦軸は「温度」を示してい
る。

【００３４】第一ハンマー１７（図３参照）による一次
鍛造工程（図２中に示すＡ）前に、析出硬化型Ｎｉ基合
金材料（以下単に「合金材料」という。）６の炉出し温
度を約１１５０℃以上に上昇させて固溶化させる。

【００３５】そして、合金材料６に対して第一ハンマー
１７を打ちつけることによる行う一次鍛造（図２中に示
すＡの工程）を、約１０００℃〜１２００℃で開始し、
温度８８０℃〜９５０℃の範囲で打撃を終了する。

【００３６】続けて、一次鍛造され、略傘部形状に成形
された中間部品である傘部３ａを、第一ハンマー１７に
連動又は連続する第二ハンマー１８に移動させて設置
し、温度を５００〜７００℃に低下させる（図２中に示
すＢ1の工程）。

【００３７】その後、第二ハンマー１８によって、傘部
フェース２部分のコイニング代（しろ）（加工代又はつ
ぶし代ともいう）１２部分を打ち付けて、二次鍛造（図
２中に示すＢ2の工程）を行う。

【００３８】二次鍛造終了後にバルブを空冷（図２中に
示すＣの工程）して、自然時効を施した後、再び温度を
７２０〜７５０℃に上昇させて、２〜７時間の高温時効
処理を行い、合金の硬化を起こさせる。

【００３９】引き続き、主に図３、図４を参照して、概
略上記した各工程の内容について、詳細に説明する。図
３（Ａ）は、第一ハンマー１７に析出硬化型Ｎｉ基合金
材料を設置した状態を示しており、下方に固定された下
型８ａの中心には、予め所望するバルブを成形するため
に必要な大きさ、形状に形成された、円柱状の合金材料
６が設置されている。

【００４０】この合金材料６に対して、下型８ａの真上
に配置されている上型７ａ（上型７ａの更に上方に設置
されている打ちつけ装置部分は図面上省略する）を、下
型８ａの方向（矢印Ｘ方向）に向けて打ちつけ、加圧す
ると、高温条件で固溶化している合金材料６の上端部分
が、上型７ａの直径方向中心領域に上下に貫通して形成
された軸部形成孔２０ａに対して変形しながら入り込
み、首アール部分１９が形成されていく。

【００４１】この際に、軸部形成孔２０ａの合金材料６
と上型７ａの間に押し込められる空気は、上型７ａの内
側にそのまま残ると鍛造作業の妨げとなる。

【００４２】そこで、上型７ａの軸部形成孔２０ａに嵌
入されるとともに、軸部形成孔２０ａの軸側の（上方
の）空間の体積を調節することができるように工夫がな
され、傘部３の上下長を微調節することができるように
するため設けられた嵌入部材２１と軸部形成孔２０ａの
内周面の間に約０．２ｍｍの隙間、即ちガス抜き孔２２
を形成する。このガス抜き孔２２から、圧縮された空気
が外に逃げていくため、傘部３の鍛造成形がより容易に
なる。

【００４３】一方、合金材料６の下端部分は、上型７ａ
の圧力によって下型８ａに押しつけられ、略平面な傘部
下面５を形成していくことになる。尚、図４に示す符号
１５により表された実線部分が、前記方法からなる一次
鍛造直後の傘部３の形状を示している。

【００４４】ここで、傘部フェース側を成形する（首ア
ール部１９を成形する）上型７ａを下方に固定された
（傘部下面成形用の）下型８ａへ打ちつけて加圧し、該
上型７ａの後方（即ち、上方側）に向かって、首アール
部１９を鍛造成形していく手段を採用したのは、次の理
由による。

【００４５】第一に、打ち始め温度１０００℃以上の高
温に保持された合金材料６を下型に設置した場合、高温
の該合金材料６は、より低温（約２００℃）の下型８ａ
との接触部分から下型８ａに熱を急速に奪われるため、
合金材料６の下方側は、上方側より加工性が落ちてしま
うという理由である。

【００４６】第二には、下型８ａに設置されている合金
材料８ａの下方側は、下型８ａに接触しているため、摩
擦係数が大きく変形しにくいが、合金材料６の上方側は
開放されているため、摩擦係数が小さく加工がしやすい
という理由である。

【００４７】従って、合金材料６を加工する際におい
て、高温に保持され、かつ、摩擦の少ない上方側から上
型７ａを打ちつけて、傘部３の底面側よりも、より大き
な加工量が要求される首アール部１９の成形を行うこと
によって、傘部３の鍛造成形が容易になる。

【００４８】以上の一次鍛造により形成された傘部３ａ
の加工率は、図４の（Ｈ１−ｈ１）／ｈ１で求められる
フェース内径側加工率が５〜１５％、（Ｈ０−ｈ０）／
Ｈ０で求められるフェース外径側加工率が１０〜３０％
である。

【００４９】加工率の計算方法について具体的に説明す
ると、コイニング代１２の傾斜する表面からの下方延長
線Ｌ１とバルブ最外径面からの上方延長線Ｌ２の交点Ｐ
１を通る水平線Ｌ３と下面５から延びる水平線Ｌ４の間
の長さをＨ０とする。

【００５０】そして、コイニング代１２の最外径側の点
Ｐ２を通る水平線Ｌ５と前記Ｌ４との間の長さをｈ０と
する。この場合において、フェース外径側加工率は、
（Ｈ０−ｈ０）／Ｈ０で求められる。

【００５１】一方、コイニング代１２の内径側の傾斜開
始点（座面内径点ともいう。）Ｐ３を通る水平線Ｌ６と
前記Ｌ４の間の長さをＨ１とし、傾斜開始点Ｐ３を通る
鉛直線Ｌ７と二次鍛造形状線１４の交点Ｐ４から下面５
までの長さをｈ１とする。この場合において、フェース
内径側加工率は、（Ｈ１−ｈ１）／ｈ１で求められる。

【００５２】このような計算方法で、求められるフェー
ス内径及び外径側加工率を、上記数値に確保したのは、
二次鍛造において、コイニング代１２部分に対して第二
ハンマーの上型７ｂを打ちつけた場合に、傘部外径側に
コイニング代１２部分がすべり変形しつつ、フェース２
に押し込められ、均一なファイバーフローをフェース２
に形成することができるからである。

【００５３】また、二次鍛造におけるフェース２から下
面５にかけて生じ得る割れも防止することができるから
である。

【００５４】次に、図３（Ｂ）は、第一ハンマー１７で
一次鍛造された傘部３ａを、該第一ハンマー１７に連動
又は連続する第二ハンマー１８に移動させ、設置してい
る様子を示している。この段階においては、傘部３ａの
外径部分には、バリ１１が形成された状態となってい
る。

【００５５】このバリ１１が形成される理由は、最終仕
上げの旋削段階での旋削代（しろ）をできるだけ少なく
して、高い寸法精度を得るため、一次鍛造段階から、最
終製品の形状（図４に示す符号１６の点線部分の形状）
に極めて近似している形状のレベルにまで、成形を行っ
ているからである。

【００５６】従って、第二ハンマー１８による二次鍛造
を開始する前に、該第二ハンマー１８の上型７ｂと下型
８ｂの間に挿設されたバリ抜き用のトリミング上型９を
トリミング下型１０に打ちつけて、バリ１１を除去する
作業を行う。バリ１１を除去した後に、傘部３ａのフェ
ース２部分に盛り上げて形成してあるコイニング代１２
部分の再鍛造、即ち二次鍛造を行う。

【００５７】図４の符号１４に示す実線部分は、二次鍛
造形状を表しており、同図の斜線領域部分が、二次鍛造
によって、傘部外径方向にすべり変形しつつ、押し込め
られるコイニング代１２を示している。

【００５８】尚、図４の符号２３の領域は、一次鍛造後
の首アール部と二次鍛造用上型７ｂの間に形成する「逃
げ」の部分を示している。即ち、逃げ２３を形成するこ
とで、コイニング代１２に対する負荷を集中的にかける
ことができ、二次鍛造を効率よく行うことができる。

【００５９】二次鍛造終了後には、空冷して、自然時効
を施した後、再び傘部３ｂの温度を７２０〜７５０℃に
上昇させ、２〜７時間の高温時効処理を行い、過飽和固
溶化した合金の余分の溶質原子を析出させて、結晶格子
にひずみを生じさせ、合金材料を更に硬化させる。

【００６０】上記工程を経て成形された傘部３のフェー
ス２部分の硬度は、ビッカース硬度ＨＶ４２０〜４８０
に保持され、特に低中速内燃機関に適する耐久性を備え
たバルブ１を提供することができる。

【００６１】以下、上記方法に基づき硬度試験を行った
ので、その結果について、図６から図１２を参照して説
明する。まず、図６は、硬度試験に使用したサンプルの
一次鍛造及び二次鍛造の条件を示す図（表）、図７は、
同サンプルの時効処理条件と該条件下での傘部フェース
部付近の硬度測定結果をまとめた図（表）である。

【００６２】また、図８は、７２０℃・５時間条件の時
効処理前後のサンプルの傘部フェース付近の硬度分布の
測定結果を示す図であって、図８（Ａ）は、時効処理前
の硬度分布、図８（Ｂ）は、時効処理後の硬度分布を示
す図である。

【００６３】図９は、７５０℃・５時間条件の時効処理
前後のサンプルの傘部フェース付近の硬度分布を表した
図であり、（Ａ），（Ｂ）で示される図の意味は、図８
同様である。

【００６４】硬度試験は、ＪＩＳ規格・ＮＣＦ８０Ａの
析出硬化型Ｎｉ基合金を使用して、図６に示す条件によ
り行い、同サンプルをそれぞれ７２０℃・５時間、７５
０℃・５時間も時効処理を行った結果、図７に示すよう
なフェース２付近の硬度が得られた。

【００６５】即ち、何れの時効処理条件においても、硬
度ＨＶ４２０以上を確保できており良好である。フェー
ス２部中央付近では、およそＨＶ４３５前後の適度な硬
度が得られ、外径側ではＨＶ４８０前後の高い硬度が確
保されている。

【００６６】尚、特に示さないが、同時に行った試験に
よれば、二次鍛造温度や二次鍛造の打撃回数の相違によ
る硬度への顕著な影響は現れなかった。

【００６７】また、図８、図９を参照し、それぞれ時効
処理前の硬度（Ａ）と時効処理後の硬度（Ｂ）を比較す
ると、時効処理後にはフェース硬度がおよそＨＶ１０か
ら５０程度の範囲で上昇しており、時効処理の硬化が顕
著にあらわれていることがわかる。尚、図８、図９に示
す斜線部１３は、フェース２付近においてＨＶ４２０以
上の硬度が得られた領域を示している。

【００６８】続いて、今回の試験において、試験サンプ
ルの検鏡写真を撮影したので、以下の図１０〜１２に基
づいて、フェース部周辺のマクロ金属組織及びミクロ組
織の様子を説明する。

【００６９】図１０は、サンプルの傘部フェース部周辺
のマクロ金属組織を示す図面代用写真、図１１は、傘部
フェース部周辺のミクロ金属組織を示す検鏡写真の撮影
箇所を示す図、図１２は、サンプルの図１１に示す傘部
フェース部表面部分のミクロ金属組織を示す図面代用写
真、図１３は、サンプルの図１１に示す傘部フェース部
内側部分のミクロ金属組織を示す図面代用写真、であ
る。

【００７０】まず、図１０の図面代用写真が示すよう
に、本発明に係る内燃機関用バルブの製法により成形さ
れた傘部３のマクロ組織は、微細なファイバーフローが
形成されている。

【００７１】即ち、一次鍛造、二次鍛造を経て、すべり
塑性変形により生じた、いわゆる「すべり帯（ファイバ
ーフロー）」が均一に形成されており、鍛造成形時の力
が均一にいき渡って、金属組織が整えられることによ
り、以後の塑性変形に対する抵抗が増し、強度が確保さ
れていることがわかる。

【００７２】また、図１２、図１３の図面代用写真が示
すように、図１１に示した何れの撮影箇所においてもミ
クロ組織が微細で、結晶粒度７以上を確保できており良
好である。

【００７３】即ち、ミクロ組織では、大きな結晶粒、混
粒等がなく、非常に微細な結晶粒に整えられ、金属組織
が均一化されている。

【００７４】

【発明の効果】本願によって開示される発明の効果を説
明すれば、以下の通りである。

【００７５】（１）請求項１に記載した「後方押し出し
方式」により合金材料の鍛造を行うことにより、合金材
料を高温に保持した状態のまま、摩擦の少ない上方側か
ら上型を打ちつけることにより、傘部底面側よりも大き
な加工量が要求される首アール部分の成形を行うことに
よって、傘部の鍛造成形を容易に行うことができるた
め、従来からの「前方押し出し方式」による鍛造成形方
法における材料の伸びが悪く、軸部側の成形がし難くい
という大きな課題を解決できる。

【００７６】（２）この「後方押し出し方式」によっ
て、従来の据え込みを行わないで、傘部のみを成形し、
該傘部を別体成形したステム部に摩擦溶接して一体化す
る手段により、高コストな析出硬化型Ｎｉ基合金材料を
最も耐久性の必要な傘部に限定して使用することができ
るため、バルブのコストダウンを図ることができる。

【００７７】（３）また、「後方押し出し方式」によっ
て、傘部のみを成形する手段を採用したことにより、小
径の材料から変形量を大きくでき、更には、製品形状に
極めて近い形状の金型を使用して一括成形するため、高
い寸法精度を出すことができる。

【００７８】（４）請求項２では、析出硬化型Ｎｉ基合
金材料と鍛造上型の間に押し込められる空気を逃がすた
めのガス抜き孔を上型に設けたことにより、上方側から
上型を打ちつけて、合金材料の成形を行う際に、合金材
料と上型の間に圧縮される空気を外部に逃がすことがで
きるため、傘部の鍛造成形が容易になり、生産性が向上
する。

【００７９】（５）請求項３では、一次鍛造成形用の第
一ハンマーとトリミング工程及び二次鍛造工程を行う第
二ハンマーを分けるとともに、第一ハンマーによる一次
鍛造による成形後に連続して二次鍛造を行えば、二次鍛
造のための再加熱処理が一切不要になり、生産効率を高
めることができる。

【００８０】（６）二次鍛造のための再加熱が不要にな
る結果、炉内の滞留時間差による温度のばらつきを抑え
ることができ、一定の二鍛造温度を確保することがで
き、バルブの品質を安定化させることができるだけでな
く、一次鍛造による成形から二次鍛造までの時間差を利
用して、二次鍛造に必要な最適温度を選択できるように
なるため、生産条件の調整等において大変便利である。

【００８１】（７）一次鍛造で生じるバリを取るための
トリミングとコイニングを一台のハンマー（第二ハンマ
ー）で行うことにより、ハンマーの生産性を妨げること
が無く、生産効率がよい。

【００８２】（８）請求項４では、請求項３記載の内燃
機関用バルブの製法により、一次鍛造された際の傘部フ
ェースの加工率を、フェース内径側で５〜１５％、フェ
ース外径側で１０〜３０％に確保したことによって、二
次鍛造において、コイニング代部分に対して第二ハンマ
ーの上型を打ちつけた場合に、傘部外径側にコイニング
代部分をすべり変形させつつ、フェース部に押し込むこ
とができるため、均一なファイバーフローをフェース部
分に確実に形成することができる。また、二次鍛造時に
おける割れも生じることもなくなるため、材料のロスを
なくすることができる。

【００８３】（９）請求項５では、二次鍛造を傘部フェ
ース温度５００〜７００℃の範囲で行い、時効処理を傘
部フェース温度７２０〜７５０℃の範囲で、２〜７時間
行うことにより、一鍛造、二次鍛造でのすべり塑性変形
により生じるいわゆる「すべり帯」を金属組織に均一に
形成することができる。即ち、鍛造成形時の力を均一に
いき渡らせて、金属組織を均一に整え、以後の塑性変形
に対する抵抗を増強し、高い硬度を確保できる。

【００８４】（１０）請求項６では、請求項５記載の内
燃機関用バルブの製法により成形された傘部フェースの
硬度がＨＶ４２０〜４８０に保持された低速内燃機関用
バルブを得ることにより、バルブ傘部、特にフェース部
の耐摩耗性や高温耐食性を大きく向上させることができ
る。

【００８５】具体的には、バルブとバルブシート間に沈
着する燃焼残渣による摩耗や該残渣の噛み込みが防止で
きることから、フェース部に圧痕が発生するということ
がなく、低中速内燃機関であっても、運転を確実にかつ
安定して行うことができる。

【００８６】（１１）硬度がＨＶ４２０〜４８０のフェ
ース部を備えたバルブは、過剰な硬度では無いため、塑
性変形に対してねばりがあり、内燃機関運転中のクラッ
ク（割れ）が発生するという心配がない。

【００８７】（１２）請求項７では、成形された傘部の
マクロ組織には微細なフローが形成されるとともに、ミ
クロ組織が、結晶粒度７以上の非常に微細に形成された
低速内燃機関用バルブを得ることができる。

【００８８】即ち、鍛造工程でのすべり塑性変形により
生じた、いわゆる「すべり帯」を均一に形成するととも
に、ミクロ組織では、大きな結晶粒、混粒等がなく、非
常に微細な結晶粒に整え、金属組織を均一化することが
できるため、塑性変形に対する抵抗が大きいバルブを提
供することができる。

【００８９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る低速内燃機関用バルブの製法によ
って成形された最終製品であるバルブの一般的な形状を
示す図

【図２】同製法の製造工程における温度と時間の関係を
表す概略図

【図３】（Ａ）第一ハンマーに析出硬化型Ｎｉ基合金材
料を設置した状態を、真横から見た図 （Ｂ）第一ハンマーに連動又は連続する第二ハンマー
に、一次鍛造された傘部が設置されている様子を示す図 （Ｃ）バリ抜きされた傘部が第二ハンマーに設置されて
いる様子を示す図

【図４】横方向から見た一次鍛造後の傘部半分の断面を
示す図

【図５】一次鍛造後の傘部フェース付近の部分拡大図

【図６】硬度試験に使用したサンプルの鍛造及び二次鍛
造の条件をまとめた図（表）

【図７】同サンプルの時効処理条件と該条件下での傘部
フェース部付近の硬度測定結果をまとめた図（表）

【図８】（Ａ）７２０℃・５時間条件の時効処理前のサ
ンプルの傘フェース部付近の硬度分布を表した図 （Ｂ）７２０℃・５時間条件の時効処理後のサンプルの
傘フェース部付近の硬度分布を表した図

【図９】（Ａ）７５０℃・５時間条件の時効処理前のサ
ンプルの傘フェース部付近の硬度分布を表した図 （Ｂ）７５０℃・５時間条件の時効処理後のサンプルの
傘フェース部付近の硬度分布を表した図

【図１０】サンプルの傘部フェース部周辺のマクロ金属
組織を示す図面代用写真

【図１１】傘部フェース部周辺のミクロ金属組織を示す
検鏡写真の撮影箇所を示す図

【図１２】サンプルの図１１に示す傘部フェース部表面
部分のミクロ金属組織を示す図面代用写真

【図１３】サンプルの図１１に示す傘部フェース部内側
部分のミクロ金属組織を示す図面代用写真

【図１４】従来の鍛造技術を簡略に表す図

【符号の説明】

１ バルブ ２ フェース ３（３ａ、３ｂ）傘部 ４ 軸部 ６ 析出硬化型Ｎｉ基合金材料 ７（７ａ、７ｂ）上型 ８（８ａ、８ｂ）下型 ９ トリミング上型 １０ トリミング下型 １７ 第一ハンマー １８ 第二ハンマー ２２ ガス抜き孔 Ａ 第一ハンマーによる一次鍛造工程 Ｂ 第二ハンマーによる二次鍛造工程 Ｄ 時効処理工程

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山川 恵則 滋賀県甲賀郡甲西町日枝町３−２ 株式会 社山崎機械製作所内 (72)発明者 下谷 末広 滋賀県甲賀郡甲西町日枝町３−２ 株式会 社山崎機械製作所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定形状に予め形成され、上型と下型の間
   に設置された析出硬化型Ｎｉ基合金材料に対して、傘部
   フェース側を成形する上型を下方の固定下型へ加圧し、
   該上型の後方に向かって首アール部を鍛造成形する構成
   により、傘部のみを成形し、該傘部を、別体で成形して
   ある軸部に摩擦溶接して一体化することを特徴とする内
   燃機関用バルブの製法。
2. 【請求項２】前記上型には、前記析出硬化型Ｎｉ基合金
   材料と上型の間に押し込められる空気を逃がすためのガ
   ス抜き孔を設けたことを特徴とする請求項１記載の内燃
   機関用バルブの製法。
3. 【請求項３】前記上型と前記下型からなる第一ハンマー
   によって一次鍛造を行った後、第二ハンマーによって、
   トリミング及び二次鍛造を行い、その後に時効処理を施
   すことにより、傘部を成形することを特徴とする請求項
   １又は請求項２記載の内燃機関用バルブの製法。
4. 【請求項４】請求項３記載の内燃機関用バルブの製法に
   より、一次鍛造された際の傘部フェースの加工率を、フ
   ェース内径側で５〜１５％、フェース外径側で１０〜３
   ０％に確保することを特徴とする内燃機関用バルブの製
   法。
5. 【請求項５】前記加工率で一次鍛造されたバルブを、傘
   部フェース温度５００〜７００℃の範囲で二次鍛造を行
   った後、時効処理を傘部フェース温度７２０〜７５０℃
   の範囲で、２〜７時間行うことを特徴とする請求項４記
   載の内燃機関用バルブの製法。
6. 【請求項６】請求項５記載の内燃機関用バルブの製法に
   より成形された傘部フェースの硬度が、ＨＶ４２０〜４
   ８０に保持されたことを特徴とする内燃機関用バルブ。
7. 【請求項７】請求項５記載の内燃機関用バルブの製法に
   より成形された傘部のマクロ組織には微細なフローが形
   成されるとともに、ミクロ組織が、結晶粒度７以上の非
   常に微細に形成されたことを特徴とする内燃機関用バル
   ブ。