JP2012045604A - 船舶用エンジンバルブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 機械強度に優れる船舶用エンジンバルブを与える製造方法の提供。
【解決手段】 析出硬化型のＮｉ基耐熱合金からなり、丸棒状の軸部とこれよりも軸径の大なる加工部と軸部から加工部へ向けて連続的に軸径を大としながら接続する段部とを有する段付き丸棒を用意する。また、傘部の形状に対応した加工面を有し中心貫通穴を有するバルブ金型を用意する。バルブ金型の中心貫通穴に段付き丸棒の軸部を挿通し、軸部から段部の少なくとも一部にかけて加工面に当接させ、軸部を少なくとも離間した２カ所以上で保持する。段付き丸棒の加工部の端部を金敷に当接させ、バルブ金型を段付き丸棒の軸線に沿って金敷に接近せしめ、加工部をバルブ金型の加工面に沿って塑性変形させる。この据込鍛造の前において、加工部の径が傘部の径の１／２よりも小、且つ、加工部の長さが傘部の径の１／２の径位置における厚さの少なくとも４倍以上である。
【選択図】図３

Description

本発明は、船舶用エンジンバルブの製造方法に関し、特に、析出硬化型のＮｉ基超合金からなる船舶用エンジンバルブの製造方法に関する。

ディーゼルエンジンなどのエンジンバルブの素材には、質量％で２０％程度のＣｒを含むとともに、Ａｌ，Ｔｉ及び／又はＮｂのような析出物を形成する元素を添加した析出硬化型のＮｉ基超合金、例えば、ＮＣＦ８０Ａ、ＮＣＦ７５１、Ｎｉｍｏｎｉｃ８０Ａ（「Ｎｉｍｏｎｉｃ」は登録商標）などの合金が使用されている。

特許文献１では、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１５〜３５％を主元素とし、Ｔｉ：３．０％以下、Ａｌ：２．０％以下及びＮｂ：３．０％以下のいずれか１つを少なくとも添加した析出硬化型のＮｉ基超合金からなる素材を使用した船舶用エンジンバルブが開示されている。熱間鍛造で成形されたエンジンバルブを溶体化処理し成型加工性を高めてからエンジンバルブの形状に機械加工し、その後に、機械強度を特に必要とされるフェース部のみに時効処理を施す製造方法を開示している。

一方で、上記したような析出硬化型のＮｉ基超合金では、鍛造加工などですべり変形を与えると、加工率に応じた硬さを得ることができる。そこで、弁棒の先端に傘部を設けたエンジンバルブにおいて、傘部の背面側のフェース部の内周側とエンジン本体のバルブシートに当接し硬さをより必要とされる外周側との間で加工率を調整して、硬さを傾斜させるエンジンバルブの製造方法も知られている。

例えば、特許文献２では、ほぼエンジンバルブの形状に近い略Ｔ字状に切削加工したＮＣＦ８０ＡやＮＣＦ７５１からなるエンジンエンジンバルブ部材の傘部対応部（略Ｔ字状の水平部）をロールにより鍛造加工してフェース部を形成する製造方法において、加工率を外周側で２０〜８０％、内周側で１０〜３０％にすることが開示されている。

高温でより機械強度の高いＮｉ基超合金をエンジンバルブの素材に使用することで、より機械強度の高いエンジンバルブを得られことが期待される。

特許文献３では、簡易に溶製出来て、１２００℃よりも高温で優れた機械強度及び耐酸化性を有する析出硬化型のＮｉ基超合金を開示している。かかるＮｉ基超合金は、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：３０〜４５、Ａｌ：５．０％以下を添加した成分組成を有し、遠心式鉱物質繊維製造装置などで使用できる、と述べている。つまり、溶融状態の鉱物質に対する耐高温化学反応性と耐摩耗性、高温強度及び高温耐酸化性が要求される用途に使用され、上記したＮｉ基超合金と比べて、特にＣｒ濃度が高められている。

特開平１１−２２４２７号公報 特開平８−６１０２８号公報 特開２００９−２９９１０９号公報

ところで、段付き丸棒を据込鍛造によってエンジンバルブの形状に成型加工することで、フェース部の加工率を傾斜させることができて、機械強度に優れる船舶用エンジンバルブを得られる。その一方で、据込鍛造温度での機械強度の高いＮｉ基超合金では塑性加工に大きな荷重が必要となって、据込鍛造でフェース部の加工率を精度よく傾斜させることは非常に難しかった。また、加工率を所定以上に高くすることが困難であって、加工による機械強度の向上は少なく、仮に、加工率を高くできたとしても、肉厚の薄いフェース部の外周部で割れを生じやすくなってしまっていた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、段付き丸棒を据込鍛造によって所定の形状に成型加工して得られ、機械強度に優れる船舶用エンジンバルブを与える製造方法の提供を目的とする。

本発明者は、据込鍛造温度での機械強度の高いＮｉ基超合金であっても加工率を高め得て、しかも、肉厚の薄いフェース部の外周部の割れを生じさせることなく、フェース部の加工率を精度よく傾斜させ得る据込鍛造法を開発し、据込鍛造により成型される傘部の延性の低下、特に、傘部外周から半径方向に１／２位置近傍で延性が極端に低下していた問題を解決した。

すなわち、本発明による船舶用エンジンバルブの製造方法は、析出硬化型のＮｉ基耐熱合金からなる傘部を有する船舶用エンジンバルブの製造方法であって、丸棒状の軸部とこれよりも軸径の大なる加工部と前記軸部から前記加工部へ向けて連続的に軸径を大としながらこれらを連続的に接続する段部とを有する段付き丸棒を用意するステップと、前記傘部の形状に対応した加工面を有し中心貫通穴を有するバルブ金型を用意するステップと、前記バルブ金型の前記中心貫通穴に前記加工面側から前記段付き丸棒の前記軸部を挿通し、前記軸部から前記段部の少なくとも一部にかけて前記加工面に当接させるとともに、前記軸部を少なくとも離間した２カ所以上で保持するステップと、前記段付き丸棒の前記加工部の端部を金敷に当接させるステップと、前記段付き丸棒の軸線に沿って前記金敷と前記バルブ金型とを相対的に接近せしめ、前記加工部を前記バルブ金型の前記加工面に沿って塑性変形させる据込鍛造ステップと、を含み、前記据込鍛造ステップの前において、前記加工部の径が前記傘部の径の１／２よりも小であって、且つ、前記加工部の長さが前記傘部の径の１／２の径位置における厚さの少なくとも４倍以上であることを特徴とする。

かかる発明によれば、バルブ金型の中心貫通穴に加工面側から段付き丸棒の軸部を挿通し、軸部から段部の少なくとも一部にかけて加工面に当接させて安定させるとともに、軸部を少なくとも離間した２カ所以上で保持して安定させた上で、段付き丸棒の加工部の端部を金敷に当接させ、バルブ金型を段付き丸棒の軸線に沿って金敷に接近せしめて段付き丸棒の加工部をバルブ金型の加工面に沿って塑性変形させて据込鍛造を行うことで、肉厚の薄いフェース部の外周部であっても割れを生じることなく加工率（据込率）を高め得る。しかも、フェース部の加工率を精度よく傾斜させ得る。すなわち、機械強度に優れる船舶用エンジンバルブを与え得るのである。

更に、上記した発明において、前記据込鍛造ステップの前において、前記加工部の長さが前記傘部の径の１／２の径位置における厚さの４．５から８．０倍の範囲内にあることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、傘部における接線方向及び半径方向のいずれにも機械強度に優れ、特に、傘部外周から半径方向に１／２位置近傍において接線方向及び半径方向のいずれにも機械強度に優れる船舶用エンジンバルブを与え得るのである。

更に、上記した発明において、前記Ｎｉ基耐熱合金は、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１５〜３５％を主元素とし、Ｔｉ：３．０％以下、Ａｌ：２．０％以下及びＮｂ：３．０％以下のいずれか１つを少なくとも添加した成分組成を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、より機械強度に優れるとともに、耐腐食性などの船舶用エンジンバルブとしての優れた諸特性を与え得る船舶用エンジンバルブを得られるのである。

船舶用エンジンバルブ部材及び加工前の段付き丸棒を示す図である。 実施例のＮｉ基耐熱合金の成分組成を示す図である。 据え込み鍛造の様子を示す図である。 船舶用エンジンバルブ部材の傘部の外周近傍での接線方向の引張強度を示す図である。 船舶用エンジンバルブ部材の傘部の１／２径位置での接線方向の引張強度を示す図である。 船舶用エンジンバルブ部材の傘部の外周近傍での半径方向の引張強度を示す図である。 船舶用エンジンバルブ部材の傘部の１／２径位置での半径方向の引張強度を示す図である。

本発明による１つの実施例について、図１乃至図８を用いてその詳細を説明する。

図１に示すように、船舶用エンジンバルブ部材１は、後述するように段付き丸棒５を据え込み鍛造して得られ、丸棒状の軸部２と、その一端側に形成された傘部３とを備える。傘部３は軸部２の径よりも大なる径を有し、その外周から軸部２まで連続的に直径を小とするフェース部４を有する。ここで、傘部３の外径をＤ_１、外径の１／２の径位置における軸方向Ｘの厚さをＨ_１とする。

段付き丸棒５は、傘部３を加工するための軸部２よりも大なる径を有する加工部６を軸部２の先端に有する。軸部２と加工部６との間には、軸部２から加工部６に向けて連続的に直径を大としながらこれらを接続する段部７を有する。ここで、加工部６の外径をＤ_０、長さをＨ_０とする。

次に、段付き丸棒５からエンジンバルブ部材１を得るための据え込み鍛造の方法について、図３を参照しつつ説明する。

例えば、図２に示すような成分組成のＮｉ基耐熱合金からなる鋼材を図１（ｂ）に示すような段付き丸棒５に荒鍛造する。かかる荒鍛造では、後述するバルブ金型１１の曲面に対応する曲面を有する金敷を用いてその段部７を与えている。

次に、図３に示すような、船舶用エンジンバルブ部材１の傘部３のフェース部４の形状に対応した加工面１１ａを有し、中心貫通穴１１ｂを有するバルブ金型１１を用意する。

バルブ金型１１の中心貫通穴１１ｂに加工面１１ａ側から段付き丸棒５の軸部２を挿通すると、軸部２から段部７の少なくとも一部にかけてバルブ金型１１の加工面１１ａに当接する。これによりバルブ金型１１と段付き丸棒５との互いの位置関係が安定する。また、軸部２を少なくともこれに沿って離間した２カ所以上において保持ジグ１２で保持する。これにより段付き丸棒５を強固に固定できて後述する据え込み鍛造時にぶれなどを生じず安定する。一方、段付き丸棒５の加工部６の側の端部を金敷１３に当接させる。

金敷１３を段付き丸棒５の軸線に沿ってバルブ金型１１に接近せしめ、加工部６をバルブ金型１１の加工面１１ａに沿ってゆっくり塑性変形させ据込鍛造を行って傘部３を有する船舶用エンジンバルブ部材１を得る。このように段付き丸棒５を強固に固定しつつ据込鍛造を行うことで、肉厚の薄くなる傘部３の外周部であっても割れを生じさせることなく、精度よく高い加工率の傾斜を与え得る。

ここで、船舶用エンジンバルブ部材１の傘部３の直径Ｄ_１の１／２の径位置における傘部３の厚さＨ_１に対する段付き丸棒５の加工部６の長さＨ_０、すなわち、Ｈ_０／Ｈ_１を据込率と定義する。上記した船舶用エンジンバルブ部材１の製造方法によれば、かかる据込率を大幅に上げることが出来るのである。

そこで、図２に示すような成分組成のＮｉ基耐熱合金からなる段付き丸棒５を据込率Ｈ_０／Ｈ_１を３．７〜７．３まで変化させて船舶用エンジンバルブ部材１を上記した製造方法によって製造し、その傘部の機械強度を測定した。測定は、傘部３の外周部近傍及び傘部３の直径Ｄ_１の１／２の径位置近傍から、それぞれ接線方向及び半径方向に試験片を切り出し、室温及び５００℃で引張試験を行った。この室温引張試験及び高温引張試験の結果について、接線方向の伸び（Ｅｌ）及び絞り（ＲＡ）を図４及び図５に、半径方向の伸び（Ｅｌ）及び絞り（ＲＡ）を図６及び図７に示した。

図４に示すように、傘部３の外周部近傍の接線方向では、室温引張試験及び高温引張試験のいずれにおいても据込率Ｈ_０／Ｈ_１を上げるに従い、伸び（Ｅｌ）及び絞り（ＲＡ）の双方とも上昇する傾向があった。

また、図５に示すように、傘部３の直径Ｄ_１の１／２の径位置の接線方向では、室温引張試験及び高温引張試験のいずれにおいても、据込率Ｈ_０／Ｈ_１を上げるに従い、伸び（Ｅｌ）及び絞り（ＲＡ）の双方とも大幅に上昇し、やがて一定となる。つまり、図４と比較して、４以下の据込率Ｈ_０／Ｈ_１では、傘部３の直径Ｄ_１の１／２の径位置において、伸び（Ｅｌ）及び絞り（ＲＡ）が大幅に低下してしまうのである。しかしながら、据込率Ｈ_０／Ｈ_１を大きくすることで、同位置におけるこのような伸び（Ｅｌ）及び絞り（ＲＡ）の低下を防止できるのである。

一方、図６に示すように、傘部３の外周部近傍の半径方向では、室温引張試験及び高温引張試験のいずれにおいても、据込率Ｈ_０／Ｈ_１を上げるに従い、伸び（Ｅｌ）及び絞り（ＲＡ）の双方とも一旦は上昇するが、室温引張試験の絞り（ＲＡ）以外は、やがて一定となる。

また、図７に示すように、傘部３の直径Ｄ_１の１／２の径位置の半径方向では、据込率Ｈ_０／Ｈ_１を上げるに従い、伸び（Ｅｌ）及び絞り（ＲＡ）の双方とも一旦は上昇するが、やがて一定となる。

以上のように、上記した製造方法によれば、据込率Ｈ_０／Ｈ_１を４．０以上とすることが出来て、かかる場合、４．０よりも小さい据込率Ｈ_０／Ｈ_１の従来の製造方法に比べ、大幅に伸び（Ｅｌ）及び絞り（ＲＡ）を向上させることが出来るのである。特に、傘部３の直径Ｄ_１の１／２の径位置において顕著である。つまり、加工部６の直径Ｄ_０を傘部３の直径Ｄ_１の１／２よりも小とすることで、傘部３の直径の１／２位置において据込鍛造による大なる塑性変形を与えることができて、これによって同位置の延び及び絞りの顕著な向上を得られるのである。

図４乃至図７から、据込率Ｈ_０／Ｈ_１を高めるに従い伸び（Ｅｌ）は大幅に上昇して１５％程度を越えてやがて一定となる。また、同様に、絞り（ＲＡ）も、室温引張試験において、据込率Ｈ_０／Ｈ_１を高めるに従い大幅に上昇して２５％程度を越えて一定となる。つまり、好ましい据込率Ｈ_０／Ｈ_１は、伸び及び絞りの高い値を得られる４．５から８．０の範囲内であって、かかる場合、特に、機械強度に優れる船舶用エンジンバルブ部材１を与えるのである。

ここで、図２に示すような成分組成のＮｉ基耐熱合金と上記した機械特性において類似する合金の成分組成について検討した。本実施例では据込鍛造温度での機械強度の高いＮｉ基超合金であっても塑性加工に十分な荷重を付加できる。その結果、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１５〜３５％を主元素とし、Ｔｉ：３．０％以下、Ａｌ：２．０％以下及びＮｂ：３．０％以下のいずれか１つを少なくとも添加した成分組成であれば、本実施例の製造方法を適用することで同様の機械強度に優れる船舶用エンジンバルブ部材１を与えるのである。

以上のように、本実施例による船舶用エンジンバルブ部材１の製造方法は、所定の成分組成を有する析出硬化型のＮｉ基耐熱合金からなり、丸棒状の軸部２とこれよりも軸径の大なる加工部６と軸部２から加工部６へ向けて連続的に軸径を大としながらこれらを連続的に接続する段部７とを有する段付き丸棒５を用意するステップと、傘部３の形状に対応した加工面１１ａを有し中心貫通穴１１ｂを有するバルブ金型１１を用意するステップと、バルブ金型１１の中心貫通穴１１ｂに加工面１１ａの側から段付き丸棒５の軸部２を挿通し、軸部２から段部７の少なくとも一部にかけて加工面１１ａに当接させるとともに、軸部２を少なくとも離間した２カ所の保持ジグ１２以上で保持するステップと、段付き丸棒５の加工部６の端部を金敷１３に当接させるステップと、段付き丸棒２の軸線に沿って金敷１３とバルブ金型１１とを相対的に接近せしめ、加工部６をバルブ金型１１の加工面１１ａに沿って塑性変形させる据込鍛造ステップと、を含む。ここで、据込鍛造ステップの前において、加工部６の径が傘部３の径の１／２よりも小であって、且つ、加工部６の長さが傘部３の径の１／２の径位置における厚さの少なくとも４倍以上である。

軸部２から段部７の少なくとも一部にかけて加工面１１ａに当接させ、且つ、軸部２を少なくとも離間した２カ所以上で保持することで段付き丸棒５の固定が安定する。これにより据込鍛造で肉厚の薄い傘部３の外周部であっても割れを生じることなく加工率（据込率）を高め得る。一方で、加工面１１ａに当接した段付き丸棒５の部分の加工率は低下してしまうが、加工部６の径と傘部３の径とを所定以下の比にすることで、傘部３全体の加工率（据込率）を高め得て、傘部３のフェース部の加工率を精度よく傾斜させ得る。すなわち、機械強度に優れる船舶用エンジンバルブ１を与え得るのである。

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１ エンジンバルブ部材
２ 軸部
３ 傘部
５ 段付き丸棒
６ 加工部
１１ バルブ金型
１１ａ 加工面

Claims (3)

1. 析出硬化型のＮｉ基耐熱合金からなる傘部を有する船舶用エンジンバルブの製造方法であって、
   丸棒状の軸部とこれよりも軸径の大なる加工部と前記軸部から前記加工部へ向けて連続的に軸径を大としながらこれらを連続的に接続する段部とを有する段付き丸棒を用意するステップと、
   前記傘部の形状に対応した加工面を有し中心貫通穴を有するバルブ金型を用意するステップと、
   前記バルブ金型の前記中心貫通穴に前記加工面側から前記段付き丸棒の前記軸部を挿通し、前記軸部から前記段部の少なくとも一部にかけて前記加工面に当接させるとともに、前記軸部を少なくとも離間した２カ所以上で保持するステップと、
   前記段付き丸棒の前記加工部の端部を金敷に当接させるステップと、
   前記段付き丸棒の軸線に沿って前記金敷と前記バルブ金型とを相対的に接近せしめ、前記加工部を前記バルブ金型の前記加工面に沿って塑性変形させる据込鍛造ステップと、を含み、
   前記据込鍛造ステップの前において、前記加工部の径が前記傘部の径の１／２よりも小であって、且つ、前記加工部の長さが前記傘部の径の１／２の径位置における厚さの少なくとも４倍以上であることを特徴とする船舶用エンジンバルブの製造方法。
2. 前記据込鍛造ステップの前において、前記加工部の長さが前記傘部の径の１／２の径位置における厚さの４．５から８．０倍の範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の船舶用エンジンバルブの製造方法。
3. 前記Ｎｉ基耐熱合金は、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１５〜３５％を主元素とし、Ｔｉ：３．０％以下、Ａｌ：２．０％以下及びＮｂ：３．０％以下のいずれか１つを少なくとも添加した成分組成を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶用エンジンバルブの製造方法。