JP3132602B2 - 摩擦圧接バルブの製造方法 - Google Patents
摩擦圧接バルブの製造方法Info
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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- F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
- F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
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- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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- F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、摩擦圧接バルブの製造
方法に関し、更に詳しくは、軸径が40mm以上と大径で
あり、大型船舶用ディーゼル機関のバルブとして好適な
摩擦圧接バルブを製造する方法に関する。
方法に関し、更に詳しくは、軸径が40mm以上と大径で
あり、大型船舶用ディーゼル機関のバルブとして好適な
摩擦圧接バルブを製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】船舶の高速化や大型化に伴い、その主機
関であるディーゼルエンジンのバルブも、より過酷な使
用条件で使用されつつある。そして、これらのバルブ
は、高温下における耐腐食性,耐磨耗性,強度などにお
いて、より高性能のものが要請されている。
関であるディーゼルエンジンのバルブも、より過酷な使
用条件で使用されつつある。そして、これらのバルブ
は、高温下における耐腐食性,耐磨耗性,強度などにお
いて、より高性能のものが要請されている。
【0003】従来のこの種のバルブには、ナイモニック
80A(Nimonic 80A)として知られている
Ni基超耐熱合金から一体成形されたものや、耐熱鋼製
のバルブ傘部のバルブシート当接部位にステライト合金
を肉盛したものや、傘表にInconel 625を溶
射したものや、同じくフェースおよび傘表に粉末Nim
onic 80AをHIP接合法により接合した複合バ
ルブなどが知られている。また、異なる材質の傘部と軸
部、例えば、前記Nimonic 80A製の傘部と耐
熱鋼であるSUH3製の軸部とを摩擦圧接した複合バル
ブも知られている。
80A(Nimonic 80A)として知られている
Ni基超耐熱合金から一体成形されたものや、耐熱鋼製
のバルブ傘部のバルブシート当接部位にステライト合金
を肉盛したものや、傘表にInconel 625を溶
射したものや、同じくフェースおよび傘表に粉末Nim
onic 80AをHIP接合法により接合した複合バ
ルブなどが知られている。また、異なる材質の傘部と軸
部、例えば、前記Nimonic 80A製の傘部と耐
熱鋼であるSUH3製の軸部とを摩擦圧接した複合バル
ブも知られている。
【0004】これらのバルブのうち、Nimonic
80Aから一体成形されたバルブは、高温下における耐
腐食性,耐摩耗性,強度特性において他のものより優れ
ており、必要なバルブ寿命期間における補修などをほと
んど必要とせず、いわゆるメンテナンスフリーのバルブ
として注目されている。しかしながら、バルブを上記し
たような超合金で一体成形すると、材料費が割高なもの
となる。そのため、高温に晒される傘部だけをNimo
nic 80Aで成形し、軸部は安価な耐熱鋼で構成す
る摩擦圧接バルブが最も好ましい形態であると考えられ
ている。この摩擦圧接バルブは、傘部と中実の軸部と
を、第1の押圧力P1 で押圧しながら相対回転させ、そ
のときに発生する摩擦熱で接合部を加熱し、その後回転
を停止し、傘部と軸部とを第2の押圧力P2 で据え込ん
で圧接することにより製造される。
80Aから一体成形されたバルブは、高温下における耐
腐食性,耐摩耗性,強度特性において他のものより優れ
ており、必要なバルブ寿命期間における補修などをほと
んど必要とせず、いわゆるメンテナンスフリーのバルブ
として注目されている。しかしながら、バルブを上記し
たような超合金で一体成形すると、材料費が割高なもの
となる。そのため、高温に晒される傘部だけをNimo
nic 80Aで成形し、軸部は安価な耐熱鋼で構成す
る摩擦圧接バルブが最も好ましい形態であると考えられ
ている。この摩擦圧接バルブは、傘部と中実の軸部と
を、第1の押圧力P1 で押圧しながら相対回転させ、そ
のときに発生する摩擦熱で接合部を加熱し、その後回転
を停止し、傘部と軸部とを第2の押圧力P2 で据え込ん
で圧接することにより製造される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Nim
onic 80Aの傘部と耐熱鋼の軸部を摩擦圧接して
摩擦圧接バルブを製造する方法においては、従来、接合
部の軸径が約40mm以下の小型バルブが実用化されてい
るに過ぎず、軸径が40mm以上の大径バルブでは接合部
の継手性能の面で信頼性のある製造方法が未だ確立され
ていないという現状にある。
onic 80Aの傘部と耐熱鋼の軸部を摩擦圧接して
摩擦圧接バルブを製造する方法においては、従来、接合
部の軸径が約40mm以下の小型バルブが実用化されてい
るに過ぎず、軸径が40mm以上の大径バルブでは接合部
の継手性能の面で信頼性のある製造方法が未だ確立され
ていないという現状にある。
【0006】軸径が40mm以上の摩擦圧接バルブにおい
て、満足な継手性能が得られない原因としては、以下の
ようなことが考えられる。TiやAlなどの活性金属を
多量に含むNimonic 80Aが高温に晒されると
酸化あるいは窒化作用を受けて、圧接界面が汚染され易
いこと、界面にチタンカーバイト(TiC)がフィルム
状に折出して接合界面における割れの伝播が起こり易く
なり、接合破断が生じやすいことなどが考えられる。
て、満足な継手性能が得られない原因としては、以下の
ようなことが考えられる。TiやAlなどの活性金属を
多量に含むNimonic 80Aが高温に晒されると
酸化あるいは窒化作用を受けて、圧接界面が汚染され易
いこと、界面にチタンカーバイト(TiC)がフィルム
状に折出して接合界面における割れの伝播が起こり易く
なり、接合破断が生じやすいことなどが考えられる。
【0007】上記した圧接界面の汚染などの傾向は、摩
擦圧接バルブ製造時の加熱工程における加熱むらが生じ
易い大型バルブになるほど顕著に現れてくる。すなわ
ち、大型バルブでは、接合部における軸中心と軸周辺と
で回転速度が大きく異なるので、接合界面における内側
と外側で温度分布が不均一になり、内外での温度むらが
発生するからである。
擦圧接バルブ製造時の加熱工程における加熱むらが生じ
易い大型バルブになるほど顕著に現れてくる。すなわ
ち、大型バルブでは、接合部における軸中心と軸周辺と
で回転速度が大きく異なるので、接合界面における内側
と外側で温度分布が不均一になり、内外での温度むらが
発生するからである。
【0008】本発明は、Nimonic 80Aと耐熱
鋼とを用いた摩擦圧接で複合バルブを製造する際におけ
る上記した問題を解決するためになされたもので、軸径
が40mm以上の大径バルブにおいて、満足のいく継手特
性、すなわち、接合部において少なくとも母材と同等あ
るいはそれ以上の高温強度を有し、接合部破断が生じる
ことがなく、したがって信頼性の高い摩擦圧接バルブを
製造する方法の提供を目的とする。
鋼とを用いた摩擦圧接で複合バルブを製造する際におけ
る上記した問題を解決するためになされたもので、軸径
が40mm以上の大径バルブにおいて、満足のいく継手特
性、すなわち、接合部において少なくとも母材と同等あ
るいはそれ以上の高温強度を有し、接合部破断が生じる
ことがなく、したがって信頼性の高い摩擦圧接バルブを
製造する方法の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、C:0.20重量%以下,C
r:18〜30重量%,Al:0.5〜2.5重量%,T
i:1.0〜3.0重量%を必須成分として含むNi基合金
から成る傘部と、C:0.5重量%以下,Cr:10〜3
0重量%を必須成分として含む耐熱鋼から成る軸部と
を、第1の押圧力P 1 で押圧しながら相対回転させ、そ
のときの摩擦熱で接合部を加熱する加熱工程と、回転を
停止したのち、傘部と軸部とを第2の押圧力P2 で押圧
して圧接する据え込み工程とからなる摩擦圧接バルブの
製造方法において、前記第1の押圧力P1 を4kgf/mm2
以上に、前記第2の押圧力P2 を14kgf/mm2 以上に、
また、第1の押圧力に対する第2の押圧力の比P2 /P
1 を1.25以上にそれぞれ設定し、前記加熱工程におい
て、寄り代が5mm以上になるまで加熱し、前記アップセ
ット工程において、寄り代が2mm以上になるまで据え込
む、傘部および軸部の接合部における軸径が40mm以上
である摩擦圧接バルブの製造方法が提供される。
ために、本発明においては、C:0.20重量%以下,C
r:18〜30重量%,Al:0.5〜2.5重量%,T
i:1.0〜3.0重量%を必須成分として含むNi基合金
から成る傘部と、C:0.5重量%以下,Cr:10〜3
0重量%を必須成分として含む耐熱鋼から成る軸部と
を、第1の押圧力P 1 で押圧しながら相対回転させ、そ
のときの摩擦熱で接合部を加熱する加熱工程と、回転を
停止したのち、傘部と軸部とを第2の押圧力P2 で押圧
して圧接する据え込み工程とからなる摩擦圧接バルブの
製造方法において、前記第1の押圧力P1 を4kgf/mm2
以上に、前記第2の押圧力P2 を14kgf/mm2 以上に、
また、第1の押圧力に対する第2の押圧力の比P2 /P
1 を1.25以上にそれぞれ設定し、前記加熱工程におい
て、寄り代が5mm以上になるまで加熱し、前記アップセ
ット工程において、寄り代が2mm以上になるまで据え込
む、傘部および軸部の接合部における軸径が40mm以上
である摩擦圧接バルブの製造方法が提供される。
【0010】本発明方法は、上記した組成のNi基合金
から成る傘部と、上記した組成の耐熱鋼から成る軸部
に、上記した摩擦圧接条件が適用される。用いる傘部の
Ni基合金はNiをバランス成分とするが、このNi基
合金において、Cは、結晶粒の微細化および粒界の強化
に寄与する成分である。その含有量が多すぎると、熱間
加工性が損なわれるとともに、常温および高温下におけ
る靱延性が低下するので、含有量は0.20重量%以下に
設定される。好ましくは、0.10重量%以下である。
から成る傘部と、上記した組成の耐熱鋼から成る軸部
に、上記した摩擦圧接条件が適用される。用いる傘部の
Ni基合金はNiをバランス成分とするが、このNi基
合金において、Cは、結晶粒の微細化および粒界の強化
に寄与する成分である。その含有量が多すぎると、熱間
加工性が損なわれるとともに、常温および高温下におけ
る靱延性が低下するので、含有量は0.20重量%以下に
設定される。好ましくは、0.10重量%以下である。
【0011】Crは、耐酸化性,耐食性の向上に寄与す
る成分である。その含有量が少ない場合は酸化および腐
食による減耗がはやまり、また多くなりすぎると、熱間
加工性が損なわれるとともに、組織的に不安定となるた
め、高温下における使用中に脆化しやすくなるので、C
rの含有量は18〜30重量%の範囲内に設定される。
好ましくは、19〜22重量%である。
る成分である。その含有量が少ない場合は酸化および腐
食による減耗がはやまり、また多くなりすぎると、熱間
加工性が損なわれるとともに、組織的に不安定となるた
め、高温下における使用中に脆化しやすくなるので、C
rの含有量は18〜30重量%の範囲内に設定される。
好ましくは、19〜22重量%である。
【0012】Alは、TiとともにNiとの金属間化合
物を生成し、その析出により強化に寄与する成分であ
り、その含有量が0.5重量%未満の場合はTiとの金属
間化合物が不安定となり、強度および靱延性の低下を招
きやすくなり、また2.5重量%より多くなると、熱間加
工性が損なわれるので、その含有量は0.5〜2.5重量%
の範囲内に設定される。好ましくは、1.5〜2.0重量%
である。
物を生成し、その析出により強化に寄与する成分であ
り、その含有量が0.5重量%未満の場合はTiとの金属
間化合物が不安定となり、強度および靱延性の低下を招
きやすくなり、また2.5重量%より多くなると、熱間加
工性が損なわれるので、その含有量は0.5〜2.5重量%
の範囲内に設定される。好ましくは、1.5〜2.0重量%
である。
【0013】Tiは、AlとともにNiとの金属間化合
物による析出強化に寄与する成分であり、その含有量が
1.0重量%未満の場合は、析出硬化が充分でなく、高温
下における強度が保持されなくなり、また3.0重量%よ
り多くなると、熱間加工性が損なわれるとともに、常温
から高温にかけての靱延性が低下するので、その含有量
は1.0〜3.0重量%の範囲内に設定される。好ましく
は、2.0〜2.5重量%である。
物による析出強化に寄与する成分であり、その含有量が
1.0重量%未満の場合は、析出硬化が充分でなく、高温
下における強度が保持されなくなり、また3.0重量%よ
り多くなると、熱間加工性が損なわれるとともに、常温
から高温にかけての靱延性が低下するので、その含有量
は1.0〜3.0重量%の範囲内に設定される。好ましく
は、2.0〜2.5重量%である。
【0014】本発明の製造方法で用いる傘部のNi基合
金は、上記した成分を必須とするが、更に必要に応じ
て、Co,Nb,W,Mo,Feの少なくとも1種が含
有されていてもよい。これら任意成分のうち、Coは固
溶によって基地を強化するとともに、Al,Tiおよび
Niとの金属間化合物の固溶温度を高めることにより、
高温下における強度を増大させるが、あまり多く含有さ
れていると、高温強度を低下させ、コスト的にもメリッ
トが失われるので、その含有量は22重量%以下にす
る。好ましくは、20重量%以下にする。また、Nb
は、その一部が基地強化にも寄与するが、Al,Tiと
同様に、Niとの金属間化合物を生成し、その析出によ
って強化に寄与する成分である。その含有量が7重量%
より多くなると、低融点化合物相が増加して熱間加工性
が損なわれるほか、常温から高温にかけての靱延性が低
下するので、7重量%以下に制限する。好ましくは、5
重量%以下にする。
金は、上記した成分を必須とするが、更に必要に応じ
て、Co,Nb,W,Mo,Feの少なくとも1種が含
有されていてもよい。これら任意成分のうち、Coは固
溶によって基地を強化するとともに、Al,Tiおよび
Niとの金属間化合物の固溶温度を高めることにより、
高温下における強度を増大させるが、あまり多く含有さ
れていると、高温強度を低下させ、コスト的にもメリッ
トが失われるので、その含有量は22重量%以下にす
る。好ましくは、20重量%以下にする。また、Nb
は、その一部が基地強化にも寄与するが、Al,Tiと
同様に、Niとの金属間化合物を生成し、その析出によ
って強化に寄与する成分である。その含有量が7重量%
より多くなると、低融点化合物相が増加して熱間加工性
が損なわれるほか、常温から高温にかけての靱延性が低
下するので、7重量%以下に制限する。好ましくは、5
重量%以下にする。
【0015】MoおよびWは、基地に固溶して常温およ
び高温における強度向上にとって有効な成分であるが、
あまり多く含有されていると、熱間加工性が損なわれ、
常温から高温にかけての靱延性も低下するので、その含
有量は、それぞれ、7重量%以下であることが好まし
い。より好ましくは、5重量%以下である。また、Fe
は、熱間加工性に寄与する成分であるが、あまり多く含
有されていると、高温下における強度低下をはやめるの
で、その含有量を20重量%以下に制限する。好ましく
は、18重量%以下にする。
び高温における強度向上にとって有効な成分であるが、
あまり多く含有されていると、熱間加工性が損なわれ、
常温から高温にかけての靱延性も低下するので、その含
有量は、それぞれ、7重量%以下であることが好まし
い。より好ましくは、5重量%以下である。また、Fe
は、熱間加工性に寄与する成分であるが、あまり多く含
有されていると、高温下における強度低下をはやめるの
で、その含有量を20重量%以下に制限する。好ましく
は、18重量%以下にする。
【0016】この傘部は上記したNi基合金のブロック
素材を加工して製造されるが、このとき、上記した組成
のNi基合金に対し一旦溶体化温度に加熱したのち、そ
の温度を下げ、例えば850〜1100℃というその再
結晶温度以下の温度で10〜75%の加工率でホットコ
ールド加工を行なうと、得られた傘部は、安定した強化
組織になり、高温硬さおよびクリープ破断強度も向上し
て好適である。
素材を加工して製造されるが、このとき、上記した組成
のNi基合金に対し一旦溶体化温度に加熱したのち、そ
の温度を下げ、例えば850〜1100℃というその再
結晶温度以下の温度で10〜75%の加工率でホットコ
ールド加工を行なうと、得られた傘部は、安定した強化
組織になり、高温硬さおよびクリープ破断強度も向上し
て好適である。
【0017】一方、軸部を構成する耐熱鋼において、C
は、粒内および粒界の強化に寄与する成分である。あま
り多く含有されていると、熱間加工性が損なわれ、常温
および高温下における靱延性が低下するような不都合を
生ずるので、その含有量は0.5重量%以下に設定され
る。好ましくは、0.3重量%以下である。Crは、耐酸
化性または耐食性の向上に寄与する成分である。その含
有量が10重量%未満の場合には、酸化または腐食によ
る減耗がはやくなり、また30重量%より多くなると、
組織的に不安定となり熱間加工性が損なわれ、靱延性が
低下するので、その含有量は10〜30重量%に設定さ
れる。好ましくは、オーステナイト系耐熱鋼では19〜
22重量%,マルテンサイト系耐熱鋼では11〜13重
量%にする。
は、粒内および粒界の強化に寄与する成分である。あま
り多く含有されていると、熱間加工性が損なわれ、常温
および高温下における靱延性が低下するような不都合を
生ずるので、その含有量は0.5重量%以下に設定され
る。好ましくは、0.3重量%以下である。Crは、耐酸
化性または耐食性の向上に寄与する成分である。その含
有量が10重量%未満の場合には、酸化または腐食によ
る減耗がはやくなり、また30重量%より多くなると、
組織的に不安定となり熱間加工性が損なわれ、靱延性が
低下するので、その含有量は10〜30重量%に設定さ
れる。好ましくは、オーステナイト系耐熱鋼では19〜
22重量%,マルテンサイト系耐熱鋼では11〜13重
量%にする。
【0018】軸部の耐熱鋼は、Feをバランス成分と
し、上記成分を必須とするが、必要に応じて、更に、M
o,Ni,W,Nbの少なくとも1種が含有されていて
もよい。これら任意成分のうち、Mo,Wは、基地の固
溶強化に寄与するが、あまり多く含有されていると、熱
間加工性が損なわれて靱延性の低下を招くので、その含
有量は、それぞれ、2重量%以下に制限される。好まし
くは、それぞれ、1.5重量%以下である。
し、上記成分を必須とするが、必要に応じて、更に、M
o,Ni,W,Nbの少なくとも1種が含有されていて
もよい。これら任意成分のうち、Mo,Wは、基地の固
溶強化に寄与するが、あまり多く含有されていると、熱
間加工性が損なわれて靱延性の低下を招くので、その含
有量は、それぞれ、2重量%以下に制限される。好まし
くは、それぞれ、1.5重量%以下である。
【0019】Niは、オーステナイト系耐熱鋼では組織
的安定による高温強度の向上に寄与し、また、マルテン
サイト系耐熱鋼では焼入性の向上による強度および靱性
を高める。オーステナイト系耐熱鋼の場合、オーステナ
イト組織の安定化のためにはNiが8重量%以上含有さ
れていることが必要であるが、しかし18重量%より多
く含有されていると、コスト的に不利になるので、その
含有量は18重量%以下に限定される。
的安定による高温強度の向上に寄与し、また、マルテン
サイト系耐熱鋼では焼入性の向上による強度および靱性
を高める。オーステナイト系耐熱鋼の場合、オーステナ
イト組織の安定化のためにはNiが8重量%以上含有さ
れていることが必要であるが、しかし18重量%より多
く含有されていると、コスト的に不利になるので、その
含有量は18重量%以下に限定される。
【0020】マルテンサイト系耐熱鋼の場合、Niが2
重量%より多く含有されていると、その耐熱鋼は軟化が
早く生じてくるので、その含有量は2重量%以下に限定
される。また、Nbは、基地強化および一部は炭化物と
なって分散して基地の強化に寄与するが、その含有量が
2重量%より多くなると、耐熱鋼の靱延性が低下しはじ
めるので、含有量は2重量%以下、好ましくは、1.5重
量%以下に制限される。
重量%より多く含有されていると、その耐熱鋼は軟化が
早く生じてくるので、その含有量は2重量%以下に限定
される。また、Nbは、基地強化および一部は炭化物と
なって分散して基地の強化に寄与するが、その含有量が
2重量%より多くなると、耐熱鋼の靱延性が低下しはじ
めるので、含有量は2重量%以下、好ましくは、1.5重
量%以下に制限される。
【0021】本発明方法においては、上記した組成のN
i基合金から成る傘部と上記組成の耐熱鋼から成る軸部
とを摩擦圧接して、接合部における軸径が40mm以上、
好ましくは50mm以上、更に好ましくは60mm以上の圧
接バルブが製造される。本発明は、Ti,Alを多量に
含むNi基超耐熱合金の傘部と耐熱鋼の軸部とを摩擦圧
接させて接合部における軸径が40mm以上であるバルブ
の製造方法について、発明者が圧接条件につき種々研究
して得られた下記の知見に基づいてなされたものであ
る。
i基合金から成る傘部と上記組成の耐熱鋼から成る軸部
とを摩擦圧接して、接合部における軸径が40mm以上、
好ましくは50mm以上、更に好ましくは60mm以上の圧
接バルブが製造される。本発明は、Ti,Alを多量に
含むNi基超耐熱合金の傘部と耐熱鋼の軸部とを摩擦圧
接させて接合部における軸径が40mm以上であるバルブ
の製造方法について、発明者が圧接条件につき種々研究
して得られた下記の知見に基づいてなされたものであ
る。
【0022】過酷な運転条件下で運転される船舶用バル
ブの傘部に用いられる素材としては、とくに高温下にお
けるクリープ強度に優れているNi基超耐熱合金(例え
ばNimonic 80A)が好適に用いられる。この
ような素材からなる傘部と耐熱鋼の軸部において、接合
部での健全な継手特性を得るためには、まず、加熱工程
における第1の押圧力P1 を4kgf/mm2 以上、好ましく
は8kgf/mm2 以上に設定し、傘部と軸部とをその第1の
押圧力P1で押圧しながら相対回転させ、寄り代が
(u1)5mm以上、好ましくは10mm以上になるまで摩擦
熱で接合部を加熱する。この加熱工程においては、第1
の押圧力P1 によって、加熱で汚染された接合界面のT
i,Alの酸化物あるいは窒化物などを押出しながら、
接合部に適度な厚みの軟化領域を形成させるのである。
ブの傘部に用いられる素材としては、とくに高温下にお
けるクリープ強度に優れているNi基超耐熱合金(例え
ばNimonic 80A)が好適に用いられる。この
ような素材からなる傘部と耐熱鋼の軸部において、接合
部での健全な継手特性を得るためには、まず、加熱工程
における第1の押圧力P1 を4kgf/mm2 以上、好ましく
は8kgf/mm2 以上に設定し、傘部と軸部とをその第1の
押圧力P1で押圧しながら相対回転させ、寄り代が
(u1)5mm以上、好ましくは10mm以上になるまで摩擦
熱で接合部を加熱する。この加熱工程においては、第1
の押圧力P1 によって、加熱で汚染された接合界面のT
i,Alの酸化物あるいは窒化物などを押出しながら、
接合部に適度な厚みの軟化領域を形成させるのである。
【0023】加熱工程における第1の押圧力P1 が低す
ぎると、加熱時間が長くなり、そのため界面温度が高く
なって傘部や軸部の各結晶粒界の局部溶融または炭化物
などの周辺で共晶が発生して接合部欠陥を招くことがあ
る。逆に、第1の押圧力P1が高すぎると軟化領域が押
し出されて薄くなり、後続のアップセット工程における
塑性加工量(寄り代)u2 が不足して充分な接合強度が
得られないことになる。したがって、第1の押圧力P1
の設定値は、上述の下限値以上とし、かつ、加熱工程で
上述した寄り代u1 が得られ、かつ、アップセット工程
において後述する寄り代u2 が得られるような適宜な値
に設定する。
ぎると、加熱時間が長くなり、そのため界面温度が高く
なって傘部や軸部の各結晶粒界の局部溶融または炭化物
などの周辺で共晶が発生して接合部欠陥を招くことがあ
る。逆に、第1の押圧力P1が高すぎると軟化領域が押
し出されて薄くなり、後続のアップセット工程における
塑性加工量(寄り代)u2 が不足して充分な接合強度が
得られないことになる。したがって、第1の押圧力P1
の設定値は、上述の下限値以上とし、かつ、加熱工程で
上述した寄り代u1 が得られ、かつ、アップセット工程
において後述する寄り代u2 が得られるような適宜な値
に設定する。
【0024】加熱工程における加熱時間t1 は、一般
に、材料径が大である程長くなる。加熱時間t1 が短す
ぎると軟化領域が薄くなり、アップセット加工時の寄り
代u2が不足して充分な接合強度が得られなくなる。そ
こで、加熱工程における加熱時間t1 は、材料径に応じ
て設定することになるが、いずれにしても寄り代u1 が
上述した値5mm以上になるまで加熱する。
に、材料径が大である程長くなる。加熱時間t1 が短す
ぎると軟化領域が薄くなり、アップセット加工時の寄り
代u2が不足して充分な接合強度が得られなくなる。そ
こで、加熱工程における加熱時間t1 は、材料径に応じ
て設定することになるが、いずれにしても寄り代u1 が
上述した値5mm以上になるまで加熱する。
【0025】アップセット工程においては、傘部と軸部
の相対回転を停止したのち、第2の押圧力P2 を14kg
f/mm2 以上、好ましくは10kgf/mm2 以上に設定し、第
1の押圧力に対する第2の押圧力の比P2 /P1 を1.2
5以上、好ましくは1.5以上に設定し、寄り代u2 が2
mm以上、好ましくは5mm以上になるまで据え込む。第2
の押圧力P2 が低すぎると、加熱されたままで塑性加工
量が不充分な領域が残存し、接合強度を弱めることにな
る。アップセット工程における塑性加工は、一定圧力が
加わった状態でそのまま時間と共に変形が進む、いわゆ
るクリープ変形である。この時間t2 は、材料径が大に
なればなる程、長く設定しなければならないが、このア
ップセット時間t2 が不足すると部分的に溶融していた
部分が押し出されずにそのまま固化するため、接合強度
が損なわれる。なお、アップセット工程の終了に関する
判定は、アップセット時間t2 が材料径で変化するの
で、このアップセット時間t2 に代え、寄り代u2 が前
記した所定値を超えたときに、必要な塑性加工(アップ
セット工程)が終了したと判定する。
の相対回転を停止したのち、第2の押圧力P2 を14kg
f/mm2 以上、好ましくは10kgf/mm2 以上に設定し、第
1の押圧力に対する第2の押圧力の比P2 /P1 を1.2
5以上、好ましくは1.5以上に設定し、寄り代u2 が2
mm以上、好ましくは5mm以上になるまで据え込む。第2
の押圧力P2 が低すぎると、加熱されたままで塑性加工
量が不充分な領域が残存し、接合強度を弱めることにな
る。アップセット工程における塑性加工は、一定圧力が
加わった状態でそのまま時間と共に変形が進む、いわゆ
るクリープ変形である。この時間t2 は、材料径が大に
なればなる程、長く設定しなければならないが、このア
ップセット時間t2 が不足すると部分的に溶融していた
部分が押し出されずにそのまま固化するため、接合強度
が損なわれる。なお、アップセット工程の終了に関する
判定は、アップセット時間t2 が材料径で変化するの
で、このアップセット時間t2 に代え、寄り代u2 が前
記した所定値を超えたときに、必要な塑性加工(アップ
セット工程)が終了したと判定する。
【0026】そして、この寄り代u2 を得るためには、
前述した通り、加熱工程において適宜な厚みの軟化領域
が形成されていることが必要である。第1の押圧力P1
が大であれば軟化領域は薄くなるので、アップセット工
程時における第2の押圧力P 2 は、第1の押圧力P1 に
比例した値に設定しなければならない。押圧力の比P 2
/P1 が1.25より小の場合には、アップセット工程で
必要な前記寄り代u2が得られない。
前述した通り、加熱工程において適宜な厚みの軟化領域
が形成されていることが必要である。第1の押圧力P1
が大であれば軟化領域は薄くなるので、アップセット工
程時における第2の押圧力P 2 は、第1の押圧力P1 に
比例した値に設定しなければならない。押圧力の比P 2
/P1 が1.25より小の場合には、アップセット工程で
必要な前記寄り代u2が得られない。
【0027】なお、圧接する傘部と軸部の端面が各軸線
に対して所要の直角度を備え、摩擦圧接時に傘部と軸部
の軸線が所定の公差で合致していなければならず、ま
た、各端面が所要の仕上げ面粗さを備えていなければな
らないことは勿論のことである。また、摩擦加熱中にお
いて接合界面の温度が材料の融点近くに達したとき、界
面近傍に偏析あるいは硫化物などの介在物が存在してい
るとそこに局部溶融が生じ、圧接時の応力下で割れに発
展する。あるいは割れが生じなくともファイバーフロー
が顕著となり、これと直角方向の靱延性が著しく損なわ
れる恐れがある。したがって、圧接素材には可能な限り
偏析や硫化物などの少ないことが必要である。
に対して所要の直角度を備え、摩擦圧接時に傘部と軸部
の軸線が所定の公差で合致していなければならず、ま
た、各端面が所要の仕上げ面粗さを備えていなければな
らないことは勿論のことである。また、摩擦加熱中にお
いて接合界面の温度が材料の融点近くに達したとき、界
面近傍に偏析あるいは硫化物などの介在物が存在してい
るとそこに局部溶融が生じ、圧接時の応力下で割れに発
展する。あるいは割れが生じなくともファイバーフロー
が顕著となり、これと直角方向の靱延性が著しく損なわ
れる恐れがある。したがって、圧接素材には可能な限り
偏析や硫化物などの少ないことが必要である。
【0028】偏析はインゴットの均熱処理および熱間加
工によって相当程度軽減させることは可能である。しか
し硫化物などの介在物は熱間加工によって析出形態は変
化するがその析出量はあまり変化しない。したがって信
頼性の高い圧接継手を得るためには、傘部,軸部のいず
れにおいても、上記介在物生成の原因となるような不純
物の含有量を可能な限り少なくすることが望ましい。
工によって相当程度軽減させることは可能である。しか
し硫化物などの介在物は熱間加工によって析出形態は変
化するがその析出量はあまり変化しない。したがって信
頼性の高い圧接継手を得るためには、傘部,軸部のいず
れにおいても、上記介在物生成の原因となるような不純
物の含有量を可能な限り少なくすることが望ましい。
【0029】ところで、傘部のNi基合金,軸部の耐熱
鋼は、いずれも、前記した各必須成分および任意成分の
外に、不可避的に不純物を含有している。例えば、傘部
のNi基合金において、P,S,Siなどの不純物が多
く含有されている場合は、圧接部の強度低下を引き起こ
すことが判明した。それは、不純物がP,Sの場合、こ
れらP,Sは結晶粒界に集積するので、その集積部を低
融点にする。また、Siは他の成分と低融点化合物を生
成する。したがって、このような状態で摩擦圧接を行う
と、傘部の界面では局部溶融が起こり、圧接不良を招い
て圧接部の強度低下が引き起こされるものと考えられ
る。
鋼は、いずれも、前記した各必須成分および任意成分の
外に、不可避的に不純物を含有している。例えば、傘部
のNi基合金において、P,S,Siなどの不純物が多
く含有されている場合は、圧接部の強度低下を引き起こ
すことが判明した。それは、不純物がP,Sの場合、こ
れらP,Sは結晶粒界に集積するので、その集積部を低
融点にする。また、Siは他の成分と低融点化合物を生
成する。したがって、このような状態で摩擦圧接を行う
と、傘部の界面では局部溶融が起こり、圧接不良を招い
て圧接部の強度低下が引き起こされるものと考えられ
る。
【0030】このため、本発明においては、傘部のNi
基合金に含有される不純物は、Pが0.010重量%以
下,Sが0.005重量%以下,更に好ましくは、0.00
3重量%以下,Siが0.20重量%以下に制限されるこ
とが好ましい。不純物の影響は軸部を構成する耐熱鋼に
ついても同様である。したがって、軸部の耐熱鋼に含有
される不純物は、Pが0.050重量%以下,Sが0.01
重量%以下,更に好ましくは、0.005重量%以下に制
限されることが好ましい。
基合金に含有される不純物は、Pが0.010重量%以
下,Sが0.005重量%以下,更に好ましくは、0.00
3重量%以下,Siが0.20重量%以下に制限されるこ
とが好ましい。不純物の影響は軸部を構成する耐熱鋼に
ついても同様である。したがって、軸部の耐熱鋼に含有
される不純物は、Pが0.050重量%以下,Sが0.01
重量%以下,更に好ましくは、0.005重量%以下に制
限されることが好ましい。
【0031】なお、本発明の圧接条件は、前記の圧接界
面の汚染層を充分な圧力を加えて排除するとともに、前
記局部溶融層の生じない範囲に規制される。例えば、P
1 ,P2 ,u1 ,u2 をそれぞれ前記した一定の値以上
に設定するとともに、P2 /P1 が大きくなりすぎる
と、接合部の展延性が下がるのでP2/P1 を1.25〜
3.5、または、u2 を5〜20mmの範囲に規制すること
が好ましい。
面の汚染層を充分な圧力を加えて排除するとともに、前
記局部溶融層の生じない範囲に規制される。例えば、P
1 ,P2 ,u1 ,u2 をそれぞれ前記した一定の値以上
に設定するとともに、P2 /P1 が大きくなりすぎる
と、接合部の展延性が下がるのでP2/P1 を1.25〜
3.5、または、u2 を5〜20mmの範囲に規制すること
が好ましい。
【0032】
【実施例】以下に、本発明方法による実施例、および本
発明方法に依らない比較例を説明する。図1は、船舶用
ディーゼル機関に使用される大型バルブ10の形状を示
す。このバルブ10は、前述したNi基超耐熱合金の傘
部12と耐熱鋼の中実軸部14が、接合部16(図1に
おいて、斜線で示す領域)において各軸端面12a,1
4aを突き合わせて摩擦圧接され、その後、接合部の周
囲を機械加工により仕上げたものである。
発明方法に依らない比較例を説明する。図1は、船舶用
ディーゼル機関に使用される大型バルブ10の形状を示
す。このバルブ10は、前述したNi基超耐熱合金の傘
部12と耐熱鋼の中実軸部14が、接合部16(図1に
おいて、斜線で示す領域)において各軸端面12a,1
4aを突き合わせて摩擦圧接され、その後、接合部の周
囲を機械加工により仕上げたものである。
【0033】傘部,軸部には、表1で示す組成の材料を
用いた。なお、傘部は、表示組成のNi基合金に対し、
温度1050℃,加工率60%のホットコールド加工を
施したものである。
用いた。なお、傘部は、表示組成のNi基合金に対し、
温度1050℃,加工率60%のホットコールド加工を
施したものである。
【0034】
【表1】
【0035】傘部と軸部の摩擦圧接に際しては、表2で
示したように、各材料を組合せて行なった。実施例およ
び比較例のいずれにおいても、実際には傘部12および
軸部14に代えて、これらに相当する軸径Dmmの、それ
ぞれ同じ材質の丸棒(これをそれぞれ傘部および軸部と
いう)を使用した。そして、実施例および比較例のいず
れの場合にも、傘部と軸部の軸線を合致させて、摩擦圧
接装置の固定台に傘部を固定する一方、軸部を主軸に把
持させた。主軸は、軸部を傘部に押圧しながら回転させ
ることができ、この回転速度および押圧力は調整可能で
ある。加熱工程時における軸部の回転速度は、実施例お
よび比較例いずれの場合にも、一定回転速度の400rp
m に設定した。このときの第1の押圧力P1 ,加熱時間
t1 、寄り代u 1 は、表2に示す通り種々変化させた。
また、アップセット工程時における第2の押圧力P2 ,
押圧力の比P2 /P1 ,寄り代u2 ,アップセット時間
t2 も表2に示す通り種々変化させた。
示したように、各材料を組合せて行なった。実施例およ
び比較例のいずれにおいても、実際には傘部12および
軸部14に代えて、これらに相当する軸径Dmmの、それ
ぞれ同じ材質の丸棒(これをそれぞれ傘部および軸部と
いう)を使用した。そして、実施例および比較例のいず
れの場合にも、傘部と軸部の軸線を合致させて、摩擦圧
接装置の固定台に傘部を固定する一方、軸部を主軸に把
持させた。主軸は、軸部を傘部に押圧しながら回転させ
ることができ、この回転速度および押圧力は調整可能で
ある。加熱工程時における軸部の回転速度は、実施例お
よび比較例いずれの場合にも、一定回転速度の400rp
m に設定した。このときの第1の押圧力P1 ,加熱時間
t1 、寄り代u 1 は、表2に示す通り種々変化させた。
また、アップセット工程時における第2の押圧力P2 ,
押圧力の比P2 /P1 ,寄り代u2 ,アップセット時間
t2 も表2に示す通り種々変化させた。
【0036】各条件で圧接バルブを10本製造し、各バ
ルブにつき、表層部と中心部からそれぞれ試験片を採取
し、これら試験片につき、JIS Z2241で規定す
る引張試験を実施し、破断強度を求めた。求めた破断強
度が母材の破断強度(この場合、耐熱鋼の破断強度)よ
り大、あるいはそれと同等である場合でかつ破断個所が
母材にある場合には、母材破断と判定し、破断個所が接
合部にある場合には接合部破断と判定した。そして、中
心部および表層部から切り出したいずれのテストピース
も母材破断の場合には○印を、中心部から切り出したテ
ストピースが接合部破断した場合には△印を、表層部か
ら切り出したテストピースが接合部破断した場合には□
印を、中心部および表層部から切り出したいずれのテス
トピースも接合部破断した場合には×印を付して表2に
示してある。
ルブにつき、表層部と中心部からそれぞれ試験片を採取
し、これら試験片につき、JIS Z2241で規定す
る引張試験を実施し、破断強度を求めた。求めた破断強
度が母材の破断強度(この場合、耐熱鋼の破断強度)よ
り大、あるいはそれと同等である場合でかつ破断個所が
母材にある場合には、母材破断と判定し、破断個所が接
合部にある場合には接合部破断と判定した。そして、中
心部および表層部から切り出したいずれのテストピース
も母材破断の場合には○印を、中心部から切り出したテ
ストピースが接合部破断した場合には△印を、表層部か
ら切り出したテストピースが接合部破断した場合には□
印を、中心部および表層部から切り出したいずれのテス
トピースも接合部破断した場合には×印を付して表2に
示してある。
【0037】なお、各テストピースの破断試験において
上記した接合部破断の発生率(%)を算出し、その結果
も表2に示した。
上記した接合部破断の発生率(%)を算出し、その結果
も表2に示した。
【0038】
【表2】
【0039】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
摩擦圧接バルブの製造方法によれば、Ni基超耐熱合金
の傘部と耐熱鋼の軸部とを摩擦圧接させる際に、加熱工
程における第1の押圧力P1 を4kgf/mm2 以上に、アッ
プセット工程における第2の押圧力P2 を14kgf/mm2
以上に、第1の押圧力に対する第2の押圧力の比P2 /
P1 を1.25以上にそれぞれ設定し、加熱工程におい
て、寄り代が5mm以上になるまで加熱し、アップセット
工程において、寄り代が2mm以上になるまで据え込むよ
うにしたので、接合部の軸径が40mm以上の大径バルブ
においても、満足のいく継手特性、すなわち、接合部に
おいて少なくとも母材と同等あるいはそれ以上の高温強
度を有し、接合部破断が生じることがなく、しかも信頼
性の高い継手特性を得ることができる。
摩擦圧接バルブの製造方法によれば、Ni基超耐熱合金
の傘部と耐熱鋼の軸部とを摩擦圧接させる際に、加熱工
程における第1の押圧力P1 を4kgf/mm2 以上に、アッ
プセット工程における第2の押圧力P2 を14kgf/mm2
以上に、第1の押圧力に対する第2の押圧力の比P2 /
P1 を1.25以上にそれぞれ設定し、加熱工程におい
て、寄り代が5mm以上になるまで加熱し、アップセット
工程において、寄り代が2mm以上になるまで据え込むよ
うにしたので、接合部の軸径が40mm以上の大径バルブ
においても、満足のいく継手特性、すなわち、接合部に
おいて少なくとも母材と同等あるいはそれ以上の高温強
度を有し、接合部破断が生じることがなく、しかも信頼
性の高い継手特性を得ることができる。
【図1】本発明の製造方法によって製造されるバルブの
構成部材を示す平面図である。
構成部材を示す平面図である。
10 バルブ 12 傘部 14 中実の軸部 16 接合部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C22C 38/18 C22C 38/18 (72)発明者 奥山 和巳 神奈川県秦野市曽屋754−4 (56)参考文献 特開 平1−192488(JP,A) 特開 昭61−60283(JP,A) 特開 昭62−284909(JP,A) 特開 昭52−9709(JP,A) 特開 昭56−88908(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 20/12 F01L 3/02
Claims (2)
- 【請求項1】 C:0.20重量%以下,Cr:18〜3
0重量%,Al:0.5〜2.5重量%,Ti:1.0〜3.0
重量%を必須成分として含むNi基合金から成る傘部
と、C:0.5重量%以下,Cr:10〜30重量%を必
須成分として含む耐熱鋼から成る軸部とを、第1の押圧
力P1 で押圧しながら相対回転させ、そのときの摩擦熱
で接合部を加熱する加熱工程と、回転を停止したのち、
傘部と軸部とを第2の押圧力P2 で押圧して圧接する据
え込み工程とから成る摩擦圧接バルブの製造方法におい
て、前記第1の押圧力P1 を4kgf/mm2 以上に、前記第
2の押圧力P2 を14kgf/mm2 以上に、また、第1の押
圧力に対する第2の押圧力の比P2 /P1 を1.25以上
にそれぞれ設定し、前記加熱工程においては、寄り代が
5mm以上になるまで加熱し、前記アップセット工程にお
いては、寄り代が2mm以上になるまで据え込む、傘部お
よび軸部の接合部における軸径が40mm以上である摩擦
圧接バルブの製造方法。 - 【請求項2】 前記傘部のNi基合金に含有されている
不純物が、P:0.010重量%以下,S:0.003重量
%以下,Si:0.20重量%以下であり、また、前記軸
部の耐熱鋼に含有されている不純物が、P:0.050重
量%以下,S:0.005重量%以下である請求項1の摩
擦圧接バルブの製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3-320136 | 1991-09-28 | ||
JP32013691 | 1991-09-28 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05269583A JPH05269583A (ja) | 1993-10-19 |
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Family
ID=18118112
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP04256913A Expired - Fee Related JP3132602B2 (ja) | 1991-09-28 | 1992-09-25 | 摩擦圧接バルブの製造方法 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
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JP (1) | JP3132602B2 (ja) |
KR (1) | KR100264457B1 (ja) |
DE (1) | DE69212420T2 (ja) |
DK (1) | DK0535888T3 (ja) |
ES (1) | ES2090525T3 (ja) |
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DE102014001328B4 (de) * | 2014-02-04 | 2016-04-21 | VDM Metals GmbH | Aushärtende Nickel-Chrom-Eisen-Titan-Aluminium-Legierung mit guter Verschleißbeständigkeit, Kriechfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit |
DE102014001329B4 (de) | 2014-02-04 | 2016-04-28 | VDM Metals GmbH | Verwendung einer aushärtenden Nickel-Chrom-Titan-Aluminium-Legierung mit guter Verschleißbeständigkeit, Kriechfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit |
DE102014001330B4 (de) | 2014-02-04 | 2016-05-12 | VDM Metals GmbH | Aushärtende Nickel-Chrom-Kobalt-Titan-Aluminium-Legierung mit guter Verschleißbeständigkeit, Kriechfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit |
FR3018525B1 (fr) * | 2014-03-14 | 2017-05-26 | Aubert & Duval Sa | Alliage a base nickel a durcissement structural, piece en cet alliage et son procede de fabrication. |
CN104014928A (zh) * | 2014-06-19 | 2014-09-03 | 西安特种设备检验检测院 | 一种马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢的异种钢的焊接方法 |
DE102015102353A1 (de) * | 2015-02-19 | 2016-08-25 | Kuka Industries Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum Reibschweißen |
PL3526454T3 (pl) | 2017-01-25 | 2020-07-13 | Federal-Mogul Valvetrain Gmbh | Zawór talerzowy chłodzony wewnętrznie i półprodukt oraz sposób jego wytwarzania |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4552609A (en) * | 1984-09-24 | 1985-11-12 | Homac Mfg. Company | Method and apparatus for friction welding |
GB8601083D0 (en) * | 1986-01-17 | 1986-02-19 | Welding Inst | Friction welding |
JP2789759B2 (ja) * | 1990-01-18 | 1998-08-20 | 三菱マテリアル株式会社 | Ti合金製エンジンバルブ |
-
1992
- 1992-09-25 JP JP04256913A patent/JP3132602B2/ja not_active Expired - Fee Related
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- 1992-09-28 ES ES92308807T patent/ES2090525T3/es not_active Expired - Lifetime
- 1992-09-28 DK DK92308807.4T patent/DK0535888T3/da active
- 1992-09-28 KR KR1019920017706A patent/KR100264457B1/ko not_active IP Right Cessation
- 1992-09-28 EP EP92308807A patent/EP0535888B1/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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KR930005691A (ko) | 1993-04-20 |
JPH05269583A (ja) | 1993-10-19 |
EP0535888B1 (en) | 1996-07-24 |
EP0535888A1 (en) | 1993-04-07 |
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KR100264457B1 (ko) | 2000-08-16 |
DE69212420T2 (de) | 1996-12-05 |
DE69212420D1 (de) | 1996-08-29 |
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