JPS62284909A - エンジンバルブおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 産業上の利用分野 この発明は自動車等のエンジンのエキゾーストバルブな
どに使用されるエンジンバルブに関し、特にバルブシー
トとの当り面（バルブフェース）に耐熱性、耐摩耗性の
優れた留を形成したバルブおよびその製造方法に関する
ものでおる。

従来の技１ホｉ 周知のようにエンジンバルブには浸れた耐熱［生が要求
されるとともに、特にバルブシートに当接するバルブフ
ェースには高い耐摩耗性が要求され、このほか高温耐食
性、高温耐酸化性、１ｔｉｌ熱衝撃性も要求される。特
にエンジンバルブのうちでもエキゾーストバルブは著し
い高温に曝されるため、高温下での優れた耐摩耗性が要
求される。

従来のエキゾーストバルブとしては、オーステナイト系
耐熱鋼（例えばＪＩＳ　５ＵＨ３５）を用いることが通
常であったが、近年は一層使用条件か苛酷になる傾向か
おり、そこでこれに対処するべく本体部分をオーステナ
イト系耐熱鋼で作り、バルブフェース面に特に耐熱性、
耐摩耗性の優れたステライト（Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金）
を肉盛した肉盛バルブが多用されつつある。またこのほ
か、例えば特開昭４９−１２９０１６号公報に記載され
ているように、ＭＯを必須成分とし、て含有するＮｉ基
合金を耐熱鋼からなるバルブ本体のフェースへ肉盛（盛
金）したバルブ、あるいは特開昭４９−１２９０１７号
公報に記載されているように、Ｍｏを必須成分として含
有するＮ　ｉ　　ＣＯ基合金を同様に肉盛したバルブも
提案されている。

発明が解決すべき問題点 前述のようにステライト肉盛を施したエンジンバルブは
、ステライト自体が高価なＣＯを基本成分として０優に
含有する高価な合金であるにｈ口え、従来の一般的な肉
盛方法であるアセチレンガス肉弼ヤＴＩＧ肉拍では薄く
肉盛することが困難で、一本のエンジンバルブ当りのス
テライト使用間が多くならざるを１％ず、そのためバル
ブに要する費用が著しく高くならざるを得なかった。

また前記各公開公報に記載されているバルブも、高価な
Ｍｏを必須合金成分として相当量含有しているため、ス
テライト肉盛バルブと同様に高価なものとならざるを得
なかった。

さらに従来のステライト肉盛バルブや前記各公開公報記
載の肉盛バルブにおいては、最良の耐熱・耐摩耗性を発
揮し得る肉＠層の成分組成を定めて、その成分組成を有
する合金をバルブ本体のフェースに肉盛しており、母材
成分、特にＦｅの肉盛層への混入による成分組成変動に
よって所期の特性が得られなくなることを避けるため、
肉盛時にはできるだけ母材表面は溶融させないように肉
盛条件を定めているのが通常であった。このことから、
逆に肉ｍ層と母材との冶金的結合が充分になされない事
態が生じがちとなって、肉需層が剥離し易くなるという
問題を招き易かった。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、低
コストでしかも従来のステライト内需バルブと同等以上
の優れた耐熱・耐摩耗性を示し、しかもバルブフェース
面を構成する優れた耐熱・耐摩耗性を有する苦の剥離を
ｔａ＜ことがないようにその層を母４，４と一体化した
エンジンバルブ、およびその製造方法を提供することを
目的とするものである。

問題点を解決するための手段 この発明のエンジンバルブは、オーステナイト系耐熱！
閾からなるバルブ本体のバルブフェース面に、Ｎｉ　７
０％以上、Ｃｒ１４〜１８％、Ｆｅ５〜１０％、Ｔｉ　
　２〜６％、Ａｌ　０．４〜１，０％、残部が不可避的
不純物よりなる合金化層が、バルブ本体と一体に合金化
された状態で形成されていることを特徴とするものであ
る。

また第２発明のエンジンバルブ製造方法は、オーステナ
イト系耐熱鋼からなるバルブ本体のバルブフェース面に
Ｎｉ１合金を配置し、そのＮｉ基合金の上から高密度エ
ネルギを照射してそのＮｉ基合金およびその下側の母材
の表面層を急速溶融・急速再凝固させて、Ｎｉ７０％以
上、Ｃｒ１４〜１８％、Ｆｅ　５〜１０％、Ｔｉ　　２
〜６％、Ａｌ０．４〜１．０％、残部が不可避的不純物
よりなる合金化層を形成し、そのＱ％　７５０〜８５０
℃の範囲内の温度で前記合金化層を熱処理することを特
徴とするものである。

作　　　用 先ずこの発明のエンジンバルブにおけるバルブフェース
面の合金化層の成分限定理由について説明する。

Ｎｉ： Ｎ１はバルブフェース面合金化層の基本成分であって、
高温硬さく高温耐摩耗性）を改善し、またＣｒとの共存
下において耐酸化鉛腐食性を向上させる作用があるが、
７０％以下ではそれらの効果が充分に得られない。第１
図に９２０℃に加熱した酸化鉛（Ｐｂ０１００％）に種
々のＮ１含有柴の試験片を１時間浸漬した後、その重量
減を測定する耐酸化鉛試験を行なった結果を示す。第１
図から、Ｎｉ７０％以上で安定して優れた耐酸化鉛腐食
性を示すことが判る。したがってＮｉは７０％以上とし
た。

Ｃｒ： Ｃｒは炭化物を形成して高温硬さを向上させる作用があ
るか、１４％未満では所望の効果が得られない。第２図
に、ｃｒ含有量を変化させた場合の８００　℃にあける
ビッカース硬さを調ぺた結果を示す。第２図から、Ｃｒ
ｌｄ％以上で安定したｔｌｖ　３００程度以上の８００
°Ｃ高温硬さが１ｑられることが判る。

一方Ｏｒが１８％を越えれば耐熱衝撃性が低下する傾向
があられれる。したがってＣｒは１４〜１８％の範囲内
に限定した。

Ｆｅ： 「ｅは耐熱衝撃性を向上させる作用がおるが、５％未満
ではその効果が充分に得られず、一方１０％を越えれば
高温硬さが低下する傾向が必られれる。したかってＦｅ
は５〜１０％の範囲内に限定した。

Ｔ１： Ｔ１は炭化物、窒化物、さらには金属間化合物を形成し
て、高温硬さおよび耐熱衝撃性を向上させるに有効な元
素であるが、２％未満ではそれらの効果が充分に１ｑら
れす、一方６％を越えれば炭化物の役が多くなりすぎ逆
に耐熱衝撃性が低下する。したがってＴｉは２〜６％の
範囲内に限定した。なおＴ１はこの範囲内でも特に２〜
３％が好ましい。

Ａｌ： Ａｌは耐酸化鉛腐食性を向上させるが、０．４％未満で
は所望の効果が得られず、一方１．０％を越えれば合金
化処理時におけるアロインク性が低下する傾向が生じる
。したがってＡｌは０．４〜１．０％の範囲内とした。

この発明のエンジンバルブにおいては、上述のような成
分組成を有する合金化層がオーステティ１〜系耐熱鋼か
らなるバルブ本体のフェース面に形成されている。その
−例を第３図に示す。第３図において、オーステナイト
系耐熱鋼からなるバルブ本体１は、軸部１Ａおよび傘部
１Ｂとか一体に形成されており、その傘部１Ｂにあける
、相手バルブシート材と当接するフェース面２には、前
述の合金化層３か周方向に連続して形成されている。

ここで、バルブ本体を構成するオーステナイト系耐熱鋼
は、従来からエキゾーストバルブに用いられているもの
で良く、代表的にはＪＩＳ　５ＵＨ３５（ＣＯ，４８〜
０．５８％、３ｉ０．３５％以下、Ｍｎ８．００〜１０
．００％、ＰＯ，０４０％以下、３０．０３０％以下、
Ｎ　ｉ　　３．２５〜４．５０％、Ｃｒ　２０．０〜２
２．００％、Ｎ　Ｏ，３５〜０．５０％、残部Ｆｅ）や
その他５ＵＨ３１、Ｓυト１３６．５ＵＨ３７，５ＵＨ
３８等を用いることができる。

合金化層は、後述するような合金化処理によりバルブ本
体の母材と一体に合金化されて形成されたものでおり、
前述のような成分組成とすることによって、従来のステ
ライト肉盛バルブにあけるステライト層と同等もしくは
それ以上の耐熱性、耐摩耗性、高温耐食性、耐熱衝撃性
が１９られる。

そしてこの合金化層は、合金化処理によって画材と一体
に形成されているため、母材との間で剥離を生じるよう
なおそれはない。また合金化層は、高価なＣｏやＭＯを
含有していないため、コスト的にも安ｆｌＩｉでおり、
また後述するようなレーザやＴＩＧアーク、プラズマア
ーク等の高密度エネルギを用いた合金化処理によって必
要充分な厚さで薄く形成することかでき、このこともコ
スト低減に有効に作用している。

ここで、合金化層の厚みはコスト面からは薄い方が好ま
しいか、通常は平均厚みで０．２ｍｍ以上とすることか
望ましい。０．２．ｒｎｍ未満では前述のような合金化
層形成による効果か充分に１ｑられない。

また合金化層の厚みの上限はコスト面や合金化処理の作
業性等の観点から定められるか、通常は２簡程度以下、
好ましくは１＃以下とする。また合金化層が所期の機能
を発揮するためには、その硬さがｌｌｖ　４００以上で
おることが好ましい。このような硬さは、後述するよう
な熱処理を施すことによって達成される。

次にこの発明のエンジンバルブの製造方法について説明
する。

先ず常法にしたがってオーステナイト系耐熱鋼からなる
バルブ本体を作成しておく。このバルブ本体のフェース
面には、予め合金化材料を配置するための凹部を周方向
に連続して形成しておくことが望ましい。

次いでバルブ本体のフェース面に、合金化材料としてＮ
１基合金を配置し、その上から高密度エネルギビームを
照射してＮｉ基合金およびその下側の母材（オーステナ
イト系耐熱鋼）表面層を急速溶融させる。斯くすればＮ
ｉ基合金とその下側の母材とが溶融一体化、すなわち合
金化する。引続いて高密度エネルギビームの照射位置移
動もしくは照射停止により、熱が急速に母材側へ移動し
てその溶融した合金化層が急速冷却され、急速凝固され
る。

ここで、合金化材料として配置するＮ１基合金の成分組
成は、最終的に母材と合金化した状態でその成分組成が
前述の範囲となるように定めれば良い。すなわち、母材
のオーステナイト系耐熱鋼の成分組成と、母材表面の溶
融深さと、合金化材料の配置量とに応じて、合金化層目
標成分組成が前記範囲内となるように、合金化材料とし
て配置するＮｉ基合金の成分組成を定めておけば良い。

また高密度エネルギとしては、レーザ、ＴＩＧア−り、
プラズマアーク、電子ビームなどを好適に用いることが
できる。ざらに、合金化材料としてのＮｉ１合金の配置
方法としては、例えば粉末の混練物として配置したり、
あるいは粉末を溶射して配置したりすれば良く、その方
法は任意でおる。

上述のようにして合金化層を形成した後、その合金化層
に対して熱処理を施す。この熱処理は析出硬化のための
時効処理であって、７５０〜８５０℃の温度範囲にて、
望ましくは４〜６時間加熱保持する。すなわち、合金化
層の成分組成の合金はＴ１およびＡｌを相当量含有する
Ｎｉ基の合金であって、析出硬化型合金に属し、時効析
出処理を施すことによって窒化物、炭化物、さらには金
属間化合物が析出し、これらが硬化に寄与する。ここで
、処理温度が７５０°Ｃ未満では充分な析出硬化が得ら
れず、一方８５０℃を越えれば析出物の粗大化が生じ、
高温強度が低下する。したがって処理温度は７５０〜８
５０℃の範囲内とした。

なお通常の析出硬化型合金の場合は時効処理の前に溶体
化処理を行なうのが通常であるが、この発明の方法の場
合は合金化処理時に合金化層が溶融状態から急冷凝固さ
れるため、その時点で溶体化処理と同様な効果か得られ
ており、したがって通常は溶体化処理は不要となる。

以上のようにして時効硬化のための熱処理を施すことに
よって、Ｈｖ　４００以上の目的とする性能を有する合
金化層が１９られる。なお熱処理後おるいは熱男理前に
は、適宜合金化層の表面に機械加工を施して所要のバル
ブフェース面に仕上げるのが通常である。

実施例 第３図に示すようなバルブを次のようにして作成した。

すなわらＪＩＳ　５ＩＪＨ３５のオーステナイト系耐熱
鋼を素材として常法にしたがってバルブ本体１を作成し
、そのフェース面２にＮｉ基合金粉末をＰＶＡ（ポリビ
ニルアルコール）により混練した混練物を配置し、その
上からＴＩＧアークを照射して合金化処理を行なった。

ざらにその合金化層に対して時効？Ａ処理を施した後、
機械ｈロエによりフェース面形状に仕上げた。ＴＩＧア
ーク照射条件および熱処理条件は次の通りである。

ＴＩＧアーク照射条件 出力１２０Ａ／９０Ａ　；パルス時間合ｏ、５ｓｅｃ送
り速度３ｍｍ／　ＳｅＣ：シールドガス８１　／　ｍａ
ｎアーク長２ｍｍ 熱処理条件 ８００℃ｘ　５ｈｒ １ｑられた合金化層の成分組成は、Ｎ　ｉ　７５．０％
、Ｃｒ１５．０％、Ｆｅ６．５％、Ｔｉ２．３％、Ａｌ
　０１６％、残部不可避的不純物であり、また熱処理後
の表面硬さはＨｖ　４５０であった。また合金化層の厚
さは０．２〜１．０部程度であった。

一方、上記と同じ条件で別途Ｓ聞３５からなる試験片に
合金化層を形成して、前記と同じ熱処理を施し、入超式
迅速摩耗試験に供した。また比較例としてＳ聞３５から
なる試験片にステライト（ＡΔＳ規格　ＲＣｏＣｒ−Ａ
＞を肉盛し、これを入超式迅速摩耗試験に供した。それ
らの試験結果を第４図に示す。

第４図から明らかなように、この発明の実施例のバルブ
は、ステライトを肉盛した従来の比較例によるバルブと
同等以上の耐摩耗性を有することが確認された。

発明の効果 この発明のエンジンバルブは、従来のステライト肉盛バ
ルブなどと比較して、耐熱性、耐摩耗性、耐熱衝撃性、
耐高温腐食性、耐高温酸化性など、フェース面に要求さ
れる性能がなんら遜色なく、しかもコスト的にはステラ
イト肉盛バルブなどと比較して格段に安価でおり、ざら
にはフェース面の合金化層が母材と合金化により一体化
されているため、剥離等の問題も生じないなど、優れた
長所を有するものである。またこの発明の方法によれば
上述のような優れた性能を有しかつ安価なエンジンバル
ブを実際的に容易に製造することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は合金化層のＮ１含有棋と酸化鉛による腐食減量
との関係を示すグラフ、第２図は合金化層のＯｒ含有量
と８００　℃における高温硬さとの関係を示すグラフ、
第３図はこの発明のエンジンバルブの一例を示す一部切
断側面図、第４図は実施例および比較例のエンジンバル
ブにおける摩耗試験結果を示すグラフでおる。 １・・・バルブ本体、　２・・・フェース面、　３・・
・合金化層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）オーステナイト系耐熱鋼からなるバルブ本体のバ
   ルブフェース面に、Ｎｉ７０％（重量％、以下同じ）以
   上、Ｃｒ１４〜１８％、Ｆｅ５〜１０％、Ｔｉ２〜６％
   、Ａｌ０．４〜１．０％、残部が不可避的不純物よりな
   る合金化層が、バルブ本体と一体に合金化された状態で
   形成されていることを特徴とするエンジンバルブ。
2. （２）オーステナイト系耐熱鋼からなるバルブ本体のバ
   ルブフェース面にＮｉ基合金を配置し、そのＮｉ基合金
   の上から高密度エネルギを照射してそのＮｉ基合金およ
   びその下側の母材の表面層を急速溶融・急速再凝固させ
   て、Ｎｉ７０％以上、Ｃｒ１４〜１８％、Ｆｅ５〜１０
   ％、Ｔｉ２〜６％、Ａｌ０．４〜１．０％、残部が不可
   避的不純物よりなる合金化層を形成し、その後７５０〜
   ８５０℃の範囲内の温度で前記合金化層を熱処理するこ
   とを特徴とするエンジンバルブの製造方法。