发动机气门的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及形成了采用堆焊（盛金）的面的发动机气门。
【背景技术】
[0002] 在天然气等的干式的燃烧环境中，在发动机气门的面的表面不易形成燃烧残渣， 因此，在其与气门座之间产生金属接触，在面上产生激烈的粘着磨损。关于这一点，虽然作 为面的表面固化合金将钴基耐磨损性合金、即商标名TribaloyT400用于磨损环境严酷的 天然气等，但材料费昂贵，另外加工性差，因此，成为气门制造上的难点。
[0003] 为了降低这种在干式的燃烧环境下具有耐久性的发动机气门的成本，提出了各种 技术方案，特别是如专利文献1中所示的技术方案，在特定组成的铁基合金的堆焊上通过 氮化处理形成表面固化层，由此，以低成本谋求发动机气门的耐久性提高。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1 :日本特开平7 102916号公报
【发明内容】
[0007] 发明所要解决的课题
[0008] 但是，由于近年来对环境意识的提高，工业设备使用环境的严格度增加。随之而来 的是要求表面固化合金的更加高性能化及、矿物资源的有效利用和与之相伴的稀有金属的 使用抑制导致的便宜的合金。尤其是，在发动机气门所使用的堆焊合金中，具备耐冲击性和 耐磨损性、耐高温腐蚀性，并且利用了丰富资源的便宜的合金的开发成为课题。
[0009] 本发明的目的在于，提供一种发动机气门，其将规定的稀有金属的组成比率抑制 为较小，且为了应对使用环境的严酷化，可按规定标准满足耐磨损性、耐冲击性、耐高温腐 蚀性的全部。
[0010] 用于解决课题的技术方案
[0011] 权利要求1的发明的特征在于，在包括包含轴部和其一端的伞部的发动机气门用 的气门基体，在所述伞部设有堆焊焊接形成的圆周状的焊缝隆起部（肉盛部），具备在该 焊缝隆起部形成有表面固化层的面的发动机气门中，由Ni-Fe-Cr系合金形成所述焊缝隆 起部的堆焊材料，其含有元素的质量成分为：W:8. 0~40. 0%、Mo和W的合计为20. 0~ 40. 0% 的范围、Fe:20. 0 ~50. 0%、Cr:12. 0 ~36. 0%、B:1. 0 ~2. 5%，余部由Ni及不可 避免的杂质构成，且所述表面固化层是在形成于所述面的精加工面形成氮化层而成，该氮 化层通过气门整体的氮化处理而形成。
[0012] 权利要求2的发明的特征在于，在权利要求1的发明的构成中，在所述堆焊材料的 含有元素的余部的范围混入的元素的质量成分为：以合计计选自Co、Mn、Cu、Si的元素为 15. 0%以下、Co为15. 0%以下、Mn和Cu分别为5. 0%以下、Si为2. 0%以下、C为0. 5%以 下。
[0013] 权利要求3的发明的特征在于，在包括包含轴部和其一端的伞部的发动机气门用 的气门基体，在所述伞部设有堆焊焊接形成的圆周状的焊缝隆起部，具备在该焊缝隆起部 形成有表面固化层的面而成的发动机气门中，由Co基耐磨损合金形成所述焊缝隆起部的 堆焊材料，且所述表面固化层是在形成于所述面的精加工面通过气门整体的氮化处理而形 成伴随分散氮化层的氧化被膜而成。
[0014] 发明效果
[0015] 通过权利要求1的发明，在满足规定的4个特性条件的堆焊形成的面的精加工面 上，作为表面固化层通过气门整体的氮化处理形成氮化层，因此，发动机气门能够抑制取得 困难的规定的稀有金属的组成比率，且不增加特别的处理工序地确保所需要的耐久性。
[0016] 权利要求2的发明是在权利要求1的发明的效果的基础上，通过将不会给物性带 来不利影响的添加元素抑制在规定的上限内，能够抑制本发明合金的耐冲击性及耐磨损性 的降低。
[0017] 通过权利要求3的发明，使用普通的钴基堆焊材料，在面的精加工面作为表面固 化层通过气门整体的氮化处理形成伴随分散氮化层的氧化皮膜，因此，能够不增加特别的 处理工序地确保所要求的耐久性。
【附图说明】
[0018] 图1是发动机气门的面周围的剖视图；
[0019] 图2是发动机气门制造的新旧工序比较图（a) (b);
[0020] 图3是铁基堆焊的氮化层的有无导致的面磨损量比较曲线；
[0021] 图4是钴基堆焊的氮化的有无导致的面磨损量比较曲线；
[0022] 图5是堆焊材料的高温硬度比较曲线；
[0023] 图6是发动机气门的示意图；
[0024] 图7是阀磨损试验方法的概略图。
【具体实施方式】
[0025] 下面，基于上述技术思想对具体地构成的实施方式参照附图进行说明。
[0026] (构成）
[0027] 本发明的发动机气门的面周围的剖视图如图1所示，对于第1例（a)的采用铁基 合金的堆焊11，使用后述的规定的成分比的铁基耐磨损合金，在面F的精加工后进行气门 整体的氮化处理，由此对于堆焊11形成氮化层形成的表面固化层12,同时在其他的气门表 面形成氮化层12a。另外，对于第2例（b)的采用钴基合金的堆焊13,使用普通的钴基耐磨 损合金，在界面F的精加工后进行气门整体的氮化处理，由此形成伴随分散氮化层的氧化 被膜形成的表面固化层14,同时在其他的气门表面形成氮化层14a。
[0028] 所述发动机气门通过由氮化处理而与该氮化层12a、14a同时形成的堆焊11、13的 面F的表面固化层12、14,能够防止其与气门座之间的金属接触，与气门的轴部一起确保面 耐磨损性。
[0029](制造工序）
[0030] 所述发动机气门制造工序的新旧工序比较图如图2所示，在面精加工后进行气门 整体的氮化处理（a)。这是将现有工序（b)中的防止进行滑动的轴部的磨损的氮化处理和 面精加工进行了调换，通过工序变更而能够不增加处理成本地实施。
[0031] 气门材料可以是马氏体系、奥氏体系耐热钢、Ni基超合金，在通过锻造而成型的排 气气门的界面上焊接铁基堆焊或钴基堆焊，进行至粗加工、精加工，完成气门界面。
[0032] 接着，对气门整体进行氮化处理。例如，通过盐浴软氮化处理，S卩，通过采用含有氰 酸钠或氰酸钾的混合盐的盐浴，在铁基合金的堆焊表面形成金属间化合物的氮化层，另外， 在钴基合金的堆焊表面形成伴随分散氮化层的氧化被膜。此外，气体软氮化、等离子氮化等 的例子也适合。
[0033](耐磨损性）
[0034] 堆焊为规定的铁基合金的情况，对于面磨损量，采用台架试验（y夕亍只卜）的氮 化层有无的比较曲线如图3所示，对于270°C~460°C的各温度划分，确认了基于氮化处理 形成的氮化层的耐磨损性。因此，对于铁基堆焊，由于确保了加工性，且将稀有金属含量抑 制为较小，也没有增加工序，因此不会招致成本增加，能够确保氮化层带来的耐磨损性。此 外，所述台架试验的试验条件如下，将" ~ "作为指数标记。
[0035] (1)凸轮（力A)转速：3000rpm、（2)气门旋转：20rpm、（3)接触数：1.6X10~6、 (4)试验条数：各温度评价2条
[0036] 对于堆焊为钴基合金的情况，对于面磨损量进行采用实机的规定时间的测试，氮 化有无的比较曲线如图4所示，通过伴随分散氮化层的氧化被膜的防止金属接触的作用， 确认了氮化处理的优越性。另外，通过截面的反射电子像确认了分散氮化层与面的表面的 铁的分布相对应。
[0037](高温硬度）
[0038] 对于堆焊材料的氮化处理带来的高温硬度，比较曲线如图5所示，在运转中的面 温度在氮化层扩散温度（600°C附近）的温度域，对于堆焊的氮化处理效果而言，以SUH35等 耐热钢（圆形表示）为基准，铁基堆焊1A、1B(正方形表示）及钴基合金3A、3B(菱形表示） 均可确保充分的高温硬度，因此在温度高的范围，可以预见比没有堆焊的氮化处理更优异 的耐磨损性。
[0039] 铁基堆焊1A、铁基堆焊1B、钻基合金3A、钻基合金3B、耐热钢的成分比如表1所 不〇
[0040] [表1]
[0041]
[0042](铁基堆焊）
[0043] 下面，对本发明的发动机气门所应用的铁基堆焊材料详细地进行说明。
[0044] 通过设定用于具备耐冲击性和耐磨损性、耐高温腐蚀性、进而将稀有金属的含量 抑制为较低的表面固化用合金的开发的4个条件，作为可确保面耐久性所需要的特性值的 Ni-Fe-Cr系合金，开发基于下述组成比的铁基合金（以下，称为"本发明合金"）。
[0045] 作为条件的目标值如下。以下，将平方cm表记为"cm2"。
[0046] (1)夏氏冲击值一4J/cm2以上、（2)洛氏硬度（C标尺）一42以上、（3)磨损减量 -150ym以下、⑷Fe含量一20质量％以上
[0047] 另外，在此定义的稀有金属设为除了铁、铝、铜、锌、锡、金、银、水银、铅、硅、碳的金 属，本发明中符合的金属元素为Ni、Cr、B、Mo、W、Mn、Co。
[0048] 本发明的Ni-Fe-Cr系合金的特征为，含有Mo:0~20. 0质量％、W:8. 0~40. 0质 量％，Mo和W的合计量为20. 0~40. 0质量％，且含有Fe:20. 0~50. 0质量％、Cr: 12. 0~ 36. 0质量％、B:1. 0~2. 5质量％，余部由Ni及不可避免的杂质构成。在此，所谓不可避免 的杂质为非有意识地添加，但在各原料的制造工序等中不可避免地混入的杂质，作为这种 杂质，可举出Mg、S、0、N、V、Zr、Sn等。而且，它们的总和通常为0. 3质量％以下，不会给本 发明的作用带来影响。
[0049] 另外，本发明合金的特征为，在上述记载的Ni-Fe-Cr系合金中，以合计计含有选 自Co、Mn、Cu、Si、C的元素15. 0质量％以下，且Co为15. 0质量％以下、Mn、Cu分别为5. 0 质量％以下、Si为2.0质量％以下、C为0.5质量％以下。
[0050](组成比的限定）
[0051] 所述各成分范围基于实施例中的试验成绩如以下来限定。
[0052]W及Mo固溶于作为基质（基体）的Ni或Fe固溶体中，赋予耐磨损性?耐冲击性， 同时，其一部分与B形成金属间化合物，还有助于耐磨损性的提高，但W和Mo的合计量不足 20. 0质量％时，金属间化合物的结晶不充分，若超过40. 0质量％，则形成较多的金属间化 合物，韧性（耐冲击性）大幅降低。因此，Mo和W的合计量规定在20. 0~40. 0质量％的 范围。此外，若W的含量不足8. 0质量％，则金属间化合物的结晶变得不充分，因此W的含 量优选8. 0~40. 0质量％的范围，与W相比Mo向基质的固溶极限量小，因此将Mo的含量 的上限规定为20. 0质量％。此外，Mo为任意成分，因此，Mo的含量也可以为0质量％。
[0053]Fe为资源丰富且便宜的元素，有助于产品的低价格化。因此，优选Fe的含量尽可 能多，将其下限设定为20. 0质量％。另一方面，Fe固溶于Ni固溶体，但若超过50. 0质量％， 冲击值、硬度、耐高温腐蚀性就会降低，因此Fe的含量规定在20. 0~50. 0质量％的范围。
[0054]Cr固溶于Ni或Fe固溶体，赋