JP5036879B2 - 内燃機関のための、排気弁スピンドルまたはピストンの形態にある可動壁部材、および当該部材を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素含有率が０．１５から０．３５重量％の範囲内の合金鋼の基部と、燃焼室に面する壁部材の表面を形成する、ニッケル系、クロム系またはコバルト系の熱耐食性合金製の外側部とを備え、内燃機関、特に２サイクルクロスヘッドエンジンのための排気弁スピンドルまたはピストンの形態にある可動壁部材に関する。

米国特許第６，１７３，７０２号は、耐食性合金の粒子状材料が鋳型中で基部上に置かれて、ＨＩＰ処理（熱間静水圧加圧）で後者と一体化される粉末冶金法により、耐食性の外側部が基部上に形成される、この種の既知の可動壁部材を記載している。粉末冶金およびＨＩＰ処理の使用により、生成する外側部は、３１０ＨＶ未満の低硬度となり、有利である。低硬度は、壁部材の使用中に起こる、熱応力による材料中の亀裂を避けるのに役立つ。

国際公開第９６／１８７４７号は、外側部が基部上に溶接された同種の既知の可動壁部材を記載している。

上方のピストン表面および下方の弁体表面は、面積が大きく、それゆえ、エンジン負荷が変化したとき、例えばエンジンが始動または停止したときに相当の熱応力に曝される。加熱の影響は、領域の中央部で最も深刻で、その理由の一部は、燃焼ガスの温度は燃焼室の中央付近で最も高いこと、理由の一部は、ピストンおよび弁のスピンドルが領域の端部付近で冷却されることである。弁体は、弁が閉鎖されている間は水冷固定弁座と接触している上方表面上の座領域付近で冷却され、またピストンに関して、熱は、内部ピストン表面の油冷に加えて、ピストンリングを通って水冷式シリンダのライナに伝導され除去される。より低温の末梢部の材料は、より高温の中央部の材料の熱膨張を妨げて、その結果相当の熱応力を生じさせる。前記の熱の影響により生じる、緩やかに変化するが大きい熱応力は、弁体の下方表面の中央部で開始される星状亀裂を生じさせ得ることが周知である。星状亀裂があまりにも深くなって、高温耐食性材料に侵入し、その結果下にある材料が腐食の影響に曝されて腐食し、排気弁の破損に至ることがある。

クロムおよびニッケルを含む熱耐食性合金は、５５０℃から８５０℃の範囲の温度で、特にそれらが鋳物の形態で形成されたときに、経時的に硬化して、その結果、これらの合金は、壁部材の使用中により硬く、およびより脆くなることが知られている。壁部材が、このタイプの鋳造合金、例えば、約５０％Ｃｒおよび５０％Ｎｉの合金またはＩＮＣＯＮＥＬ ６５７（ＩＮＣＯＮＥＬはＳｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ（Ｕ．Ｓ．Ａ．）の商標である）のタイプの合金などで形成されたとき、合金は、ニッケルに富む相およびクロムに富む相を含み、これらの相は、合金が鋳造後冷却剥離されたときに平衡状態で固化しない。合金が内燃機関の燃焼室内で作動温度にもたらされたとき、過小表示相部分（ｕｎｄｅｒ−ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｐｈａｓｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ）の沈殿が、過大表示相部分（ｏｖｅｒ−ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｐｈａｓｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ）の変態により起こり、それが、室温で延性が通常４％未満になる脆化を生じさせる。変態は、薄片形で脆化を生じさせるパーライト構造を有する領域の形成を通常は生じさせる。

米国特許第６，１７３，７０２号明細書 国際公開第９６／１８７４７号パンフレット

エンジンにおける作動中に可動壁部材において起こる大きい熱負荷のために、壁部材内の領域における延性の低下を生じさせる冶金学的過程を抑制または回避する必要がある。

このことを視野に入れて、本発明による可動壁部材は、合金の少なくとも１つの緩衝層が基部と外側部との間に位置すること、緩衝層の合金の組成が基部の合金鋼と異なり且つ外側部の熱耐食性合金と異なること、緩衝層の合金が緩衝層の０から最大で０．０９重量％の炭素を含むこと、および緩衝層の厚さが少なくとも１．５ｍｍであることを特徴とする。

合金鋼の基部の炭素含有率は、外側部の耐食性合金より高く、炭素は材料内で異なる様式で結合している可能性がある。その結果、炭素の含有率が重量パーセントで同じ合金に対してさえ、炭素の拡散する傾向に変化が生ずる。炭素が特定の合金から隣接する他の合金中に拡散する傾向は、合金の炭素活性と呼ばれることがある。クロム含有率の高いニッケル系合金は、炭化物中の炭素に結合する傾向が強いが、合金においてこの様式で結合した炭素は、合金の炭素活性に寄与しないように思われる。合金中の炭素が炭化物に変換されたとき、それは、いわば消失して、合金の炭素活性は低下する。合金中の炭素の拡散速度は温度依存性であり、したがって、拡散は、壁部材が、壁部材の製造中および内燃機関の作動中など上昇した温度にあるときに、主として起こる。したがって、そのような炭素拡散は、長時間にわたり起こることが可能で、拡散の影響は、壁部材の長時間作動後にのみ生じ得る。

従来技術の可動部材において、熱耐食性合金は、基部の合金鋼上に直接付着させる。熱耐食性合金は、炭化物の形成を促進するように作用する元素を含む。したがって、炭素は、熱耐食性合金中に拡散して界面領域に炭化物を形成する持続的傾向を有し、その領域は、２種の合金間の境界領域中またはその付近における炭化物の濃度により、より脆弱になり得る。

合金鋼の基部と外側部との間における緩衝層の位置および０から最大で０．０９重量％Ｃという緩衝層中の炭素含有率は、第一に、合金鋼が緩衝層の材料のみと直接接触しており、外層の耐食性合金とは直接接触していないという効果、および第二に基部の炭素活性は、緩衝層の炭素活性より高く、その結果、炭素は合金鋼から緩衝層中へ拡散するという効果を有する。

しかしながら、基部からの炭素の拡散速度は、合金鋼が耐食性合金と接触している場合には、従来技術の壁部材におけるよりも著しく低い。拡散速度がより低い理由は、緩衝層中に拡散する炭素は、緩衝層の炭素活性を増大させることに寄与し、したがって、基部と緩衝層との炭素活性における差を、時間の経過とともに徐々に減少させることにある。緩衝層合金中の如何なる炭素含有率も、それ自体、炭素活性のレベルの原因となる。緩衝層と基部との間の第１界面領域に隣接する緩衝層区域中の炭素レベルが経時的に徐々に増大することにより、界面領域にある合金鋼からの炭素の消耗は徐々に減少する。

したがって、合金鋼中の炭化物のレベルは、従来技術の壁部材中におけるほど経時的に低くはならず、界面領域中の炭化物のより高い濃度は回避される。炭化物は合金鋼において粒子の成長を制限するように作用するので、炭化物の維持は重要である。炭化物のレベルが第１界面領域付近の局所領域で低くなったら、そのときは、結果として粒子の成長が可能となり、より大きい粒子が合金の機械的強度の弱化を生じさせるであろう。第１界面領域またはその付近におけるそのような弱化は、特にそれが熱の影響により生じた上述の大きい熱応力を受ける領域で起こった場合に、亀裂形成を生じる結果となり得る。したがって、緩衝層は、基部の合金鋼におけるそのような破損を抑制または防止するように作用する。

緩衝層中の炭素含有率は、新しく製造される可動壁部材においては、最大で０．０９％炭素に制限される。このことには、外層の耐食性合金中への炭素拡散が従来技術の壁部材におけるより著しく低いという有利な効果がある。なぜなら、緩衝層と外側部との間の第２界面領域における炭素活性は、この炭素含有率に依存するからである。したがって、緩衝層における炭素含有率が低いと、耐食性合金中における炭化物の生成は少ない結果となる。この合金中においてそのような炭化物は、特にそれらが構造中に粒上に境界層として沈殿する場合に、望ましくない。耐食性合金の延性は、炭素含有率が低いときに最高であり、耐食性合金中に拡散する炭素の如何なる減少も、外側部のおよび第２界面領域における所望の延性を維持する上で有利な効果を有する。上で説明したように、炭素は緩衝層中に経時的に拡散して、その中の炭素レベルを増大させる。緩衝層が薄ければ、炭素は、壁部材の寿命中に基部の合金鋼から緩衝層を通って、さらに外側部の耐食性合金中に拡散する。その結果、薄い緩衝層は、ある作動時間後にその効果を喪失する。他方、緩衝層の厚さが少なくとも１．５ｍｍであれば、緩衝層は、可動壁部材の全作動寿命の少なくとも大部分または全体を通して、効果を維持することができると予想される。

緩衝層の合金の組成は、基部の合金鋼および外側部手段（ｍｅａｎｓ）の熱耐食性合金と異なる。組成における相違は、緩衝層の合金の分析結果が、合金化成分または１種もしくは複数の合金化成分の量（重量パーセントでの）において異なることを意味する。緩衝層は、例えば、異なる量の炭素または異なる量のクロム、鉄もしくはニッケルなどの他の成分を有する合金鋼であってよい。したがって、組成という用語は、合金の分析結果を意味すると解すべきである。したがって、可動壁部材の延性の問題は、基部の合金鋼における炭素含有率より著しく低いように選択された緩衝層における炭素の最高含有率；および可動壁部材の作動寿命中に、炭素の緩衝層を越える顕著な量の拡散が、起こり得ないほど距離が長いように、基部の合金と外側部の合金との間を大きく分離するための１．５ｍｍの緩衝層の最小厚さの緩衝層の組み合わされた特徴により解決される。

好ましい実施形態において、緩衝層は鋼からなる。鋼を緩衝層として使用する利点は、基部の合金鋼および外側部の耐食性合金の両者とよく結合するその能力であり、鋼は、強度に悪影響なしに、基部から緩衝層中に拡散する炭素を吸収することができる。さらにより好ましい実施形態において、緩衝層の鋼はオーステナイト系鋼である。オーステナイトの結晶構造は、面心立方（ＦＣＣ）であり、この構造は、マルテンサイト系鋼の体心立方（ＢＣＣ）構造より密である。オーステナイト系鋼のより密な構造は、構造中に炭素がより遅く拡散する結果となる。また、オーステナイト鋼において、炭化物の形成は鋼の強度を増大させる。

代替実施形態において、緩衝層はニッケル系合金からなる。このタイプの合金は、外側部の合金とよく結合するのに特に適し、それは２５重量％未満のクロム含有率など外側部よりかなり低いクロム含有率を有していてよく、例えば、２０から２３％のクロムを含む合金ＩＮ ６２５、１９から２３％のクロムを含む合金ＩＮＣＯＬＯＹ ６００、または１０から２５％のクロムを含む合金ＩＮ ７１８、または約１５％のクロムを含む合金ＮＩＭＯＮＩＣ Ａｌｌｏｙ１０５、または１０から２５％のクロムを含む合金Ｒｅｎｅ ２２０などであり、各場合、炭素含有率は、最大０．０９％の量に限定されなければならない。ニッケルの量が多いと炭素の拡散を防止する傾向があるので、緩衝層はよりニッケルに富む合金からなってもよい。

他の実施形態において、緩衝層は、不可避の不純物は別にして、ＦｅまたはＮｉからなる。純粋な、もしくは殆ど純粋な鉄またはニッケルの緩衝層を作製する１つの利点は、緩衝層が炭化物形成物質を全くまたは非常に少量しか含まないことである。このことが当てはまるとき、緩衝層における炭化物の形成は抑制されて、緩衝層中への炭素の拡散が緩衝層中の炭素活性を増大させ、その結果、層中へのさらなる炭素の拡散は回避される。炭素は、鉄およびニッケル中への非常に小さい溶解度しか有さない。例として、炭素のニッケルへの溶解度は５００℃の温度において０．１重量％未満であり、それゆえ、少量の炭素が緩衝層中に拡散したときでさえ、緩衝層は１００％の炭素活性を得て、その結果、層中へのさらなる炭素の拡散を実質的に防止する。

一実施形態において、可動壁部材は排気弁スピンドルであり、基部の合金鋼はオーステナイト系ステンレス鋼である。多年にわたり、弁のスピンドル全体を、合金ＮＩＭＯＮＩＣ ８０Ａから、または可能性として弁座領域で表面硬化した他の合金から作製することが受け入れられてきた。しかしながら、これらの特殊合金は、オーステナイト系ステンレス鋼ほど容易に入手できない。ステンレス鋼も、耐食性が、燃焼室に面する表面において、および場合により弁座領域においても、ステンレス鋼の性能を上回って改善され得れば、特に２サイクルクロスヘッドエンジンにおいて、高強度を有し全体として、非常によく性能を発揮すると考えられている。しかしながら、ステンレス鋼は、炭素含有率が高めである。本発明に関連して、炭素含有率の問題は緩衝層により解決され、それゆえ、排気弁の主要部に対してステンレス鋼を利用する利点は、完成された排気弁の高温耐食性および長期間の延性に対する高度の要求により損なわれることはない。緩衝層は、燃焼室に面する外側部に適した任意の熱耐食性合金を使用することを可能にする。

他の実施形態において、可動壁部材はピストンである。ピストンには典型的には、ステンレス鋼ではなく合金鋼製の基部がある。緩衝層は、基部の上面に、および外側部は緩衝層の上面に形成される。緩衝層の効果により、外側部に対する合金の選定において、選択が多少自由になる。合金の選定は、合金が基部の合金鋼とどのように相互作用するかを考慮して行なう必要はなく、その代わり、合金は、ピストンに対する作動条件の間、高い耐食性を得ることによって選定することができる。

緩衝層の厚さは、特に緩衝層が、若干の炭素が緩衝層中に拡散後、炭素活性が１００％に達するＦｅまたはＮｉからなるとき、１．５ｍｍ未満であってよい。緩衝層が約１００％の炭素活性を得ることが可能なこれらの場合には、このことそれ自体が緩衝層中へのさらなる炭素の拡散を防止する。その場合、層の厚さは、炭素の拡散に対してあまり重要ではない。他方、緩衝層は、基部の合金を外側部の合金から安全な方法で分離することができるべきであり、非常に薄い緩衝層は、一方の部の粒子により貫通され得る。したがって、緩衝層が２つの部を相互から明確に分離するのに十分な厚さを有することが好ましく、この点から厚さは１．５ｍｍで十分である。

好ましい実施形態において、緩衝層の厚さは少なくとも２ｍｍである。緩衝層が、層中に拡散する炭素が炭化物に転化可能であり、それゆえ層の炭素活性に増大を生じさせ得ない炭化物形成能を示す合金からなるときでさえ、この厚さは、炭素が緩衝層を越えて拡散できないことを確実にするのに十分である。

本発明は、炭素含有率が０．１５から０．３５重量％の範囲内にある合金鋼を含む基部と、ニッケル系、クロム系もしくはコバルト系の熱耐食性合金からなる外側部とを備える、内燃機関のための排気弁スピンドルまたはピストンの形態にある可動壁部材を製造する方法にも関する。本発明による方法は、基部に、緩衝層の０から最大で０．０９重量％のＣを含む合金からなる緩衝層を設置する工程と、次に緩衝層に外側部を設置する工程とを備え、前記基部、緩衝層および外側部は一体化されて密着した壁部材になることを特徴とする。この方法により製造された可動壁部材は、上記の有利な性質を有する。

好ましくは、緩衝層は基部に設置されたプレートのシートであり、また、外側部はプレートのシートの外側表面上に付着させる。緩衝層をプレートのシートとして基部上に設置する１つの利点は、壁部材を容易に製造できることである。プレートのシートは、所望の寸法に予め加工されて、単一部品として基部上に簡単に設置することができる。次に、外側部の材料は、基部上に設けられた受口中に粒子を流し込むことにより付着させることによるなどで、シート上に付着させる。次に、粒子およびプレートのシートは、ＨＩＰ処理で一体化されて密着した壁部材にすることができる。プレートのシートの緩衝層としての使用には、それが、基部の表面に向かって平坦な接触表面、および外側部の材料に向かって平坦な接触表面も有するという付加的な利点がある。平坦な表面は、緩衝層と一体化された部分の材料に対して最小の接触面積、したがって、炭素の拡散に対して最小の面積を有する。また、緩衝層中における炭素の結合は、拡散が平坦な境界領域を越えて起こるときに、一様に起こる。

実施形態において、基部は、鍛造弁鋼の予め加工したブランク（素材、型板、生地板）であり、外側部は、実質的に溶融せずにＨＩＰ処理により一体化された粒子状材料として供給されるニッケル系合金である。鍛造弁鋼のブランクは、周知の方法で製造されて、次に緩衝層および外側部を構築するための基盤として使用される。

緩衝層をプレートのシートとして供給する代わりに、それは、粒子状材料として供給されてもよく、ＨＩＰ処理により一体化される。これは、外側部が粒子状材料として供給されるとき、次に両方の材料が単一工程でＨＩＰ処理され得るので、製造を容易にすることができる。緩衝層のための粒子状材料は、外側部が粒子状材料として供給されないときでも使用することができる。この場合、ＨＩＰ処理と組み合わせた粒子状材料は、構造に対する強い制御を提供するので、非常に精密な構造を有する緩衝層を得る目的で、緩衝層のために粒子状材料が選択されることがある。

さらなる代替において、緩衝層は、溶接により基部上に付着させる。緩衝層が鋼から、または溶接に十分適した材料からなるとき、溶接付着緩衝層は有用であり得る。

本発明による実施形態の例は、以下に、高度に模式的な図面を参照して、より詳細に説明される。

本発明による排気弁の形態にある可動壁部材の断面部分図を例示する図である。 本発明によるピストンの形態にある可動壁部材の断面図を例示する図である。 緩衝層がプレートのシートとして供給され、外側部が粒子状材料として供給された場合の、緩衝層周囲の領域からの可動壁部材の切り抜き研磨片を示す図である。 緩衝層および外側部の両者が粒子状材料として供給された場合の、緩衝層周囲の領域からの可動壁部材の切り抜き研磨片を示す図である。 ＨＩＰ処理前の部品の第１の配置を示す例示の図である。 ＨＩＰ処理前の部品の第２の配置を示す例示の図である。

図１は、２サイクルクロスヘッドエンジンのための排気弁のための弁スピンドル１の形態にある壁部材を、模式的形式で例示する。弁スピンドル（弁棒）は、全体として２０で示され、弁体２および弁シャフト（弁軸）３を含む基部を備え、それらの底部のみが示されている。弁体の上方の表面にある弁座４は、座の表面を封ずるときに窪みきずの形成を阻止するのに適した熱耐食性合金で製造される。弁体の下方の表面には、弁体の下向きに面する外側表面６から材料の焼きむきを阻止する高温耐食性材料の層の外側部５がある。緩衝層２１は、基部２０と外側部５との間に位置する。エンジンが作動中であるとき、排気弁はエンジンサイクルの適当な時に、閉じた位置（弁座は固定弁座（不図示）に接している）と開いた位置（弁は下方に移動しており、弁座４は固定弁座から離れている）の間で動く。

図２は、ピストンロッド８の上部に取り付けられた基部１７を有するピストン７の形態にある壁部材を例示し、その上部のみを示す。この実施形態において、基部は、ピストン頂部１６の下側部およびピストンスカート１１を含む。ピストンには、中央空洞９および空洞９を取り囲むピストンスカート１１におけるピストン周辺部に沿って均一に分布した多数の垂直孔１０がある。より小さい孔１２を通して、空洞９は垂直孔１０と接続しており、これによりピストンロッド中の中央管（ｃｅｎｔｒａｌ ｔｕｂｅ）１３からの冷却油が空洞中に、およびさらに孔１２を通って垂直孔１０中に流れることができ、そこから冷却油はピストンロッドを通って戻る。矢印は、冷却油の流路を示す。冷却油は、ピストン頂部１６の下側の表面を冷却するが、それにも拘わらず温度差はピストン頂部の上側の表面で生じて、その材料中で熱応力を生ずる。ピストンは、言うまでもなく、他の設計のものでもよく、例えば、ピストン頂部の下側の表面に対して冷却油を噴霧するために、多数の噴霧管がピストン底部に挿入されていてもよく、ピストン頂部の冷却が主としてスプラッシュ冷却により実施されるように、中央空洞がより大きい直径を有してもよく、またピストン頂部の形状が、下方ではなく上方に向かって膨らんだ中央部を有するように、異なっていてもよい。

ピストン頂部は、その上側の表面に、ピストンの上側の表面１５からの材料の焼けむけを阻止する高温耐食性材料の外側部１４を有する。緩衝層１８は、基部１７と外側部１４との間に位置する。エンジンが作動中であるとき、ピストンはシリンダライナ（不図示）中で往復運動をする。

可動壁部材１、７は、シリンダライナおよびシリンダカバー（不図示）と一緒になってエンジンの燃焼室の輪郭を定め、したがって燃焼工程で起こる高温且つ攻撃的な環境に曝される。

可動壁部材を利用する内燃機関は、４サイクルエンジンまたは２サイクルクロスヘッドエンジンであってよい。２サイクルエンジンは、ＭＡＮ Ｄｉｅｓｅｌ製のもの、例えばＭＣもしくはＭＥ型などでも、またはＷａｒｔｓｉｌａ製のもの、例えばＲＴＡもしくはＲＴＡ−ｆｌｅｘ型などでも、または三菱製のものでもよい。そのような２サイクルクロスヘッドエンジンに対して、ピストンの直径は、２５０から１１００ｍｍの範囲、および弁のスピンドルの弁体の外径は範囲１２０から６００ｍｍの範囲であってよく、通常は少なくとも１７０ｍｍである。これらの寸法から、燃焼室に面する可動壁部材の表面は大きい面積を有し、それが、外側部５、１４に、ならびに緩衝層および外側部および基部それぞれの間の界面領域に大きい熱応力を生じさせることは明らかである。

可動壁部材１および７の有利な性質は、小型のエンジン、例えば中速または高速型の４サイクルエンジンで活用することもできるが、それらは、特に、２サイクルクロスヘッドエンジンに適用可能であり、それらは、負荷が大きく、且つ故障のない連続作動の必要性が最も重要な大型エンジンである。

可動壁部材１、７には、基部２０、１７と外側部５、１４との間に位置する緩衝層２１、１８がある。簡単にするため、以下、可動壁部材１、７は単に１と、緩衝層２１、１８は単に２１と、基部２０、１７は単に２０と、外側部５、１４は単に５と記すことにするが、以下の記載は、いずれにしても、排気弁およびピストンの両方に同様に適用することは理解されるべきである。

図３および図４は、緩衝層領域中の壁部材１から切り取った試料の写真である。試料は研磨されている。写真の左側は、炭化物がエッチング工程中に部分的に溶解した平行線で、水平鍛造組織を示す。写真のそばに（下）、部分および緩衝層の範囲を示すために表示を入れた。第１界面領域１９は基部２０の合金から緩衝層２１の合金への移行位置にあり、第２界面領域２２は緩衝層の合金から外側部の合金への移行位置にある。したがって、緩衝層の厚さは、界面領域１９と２２との間の距離に概して対応する。

図３の試料は、粒子状材料の層３５と組み合わせた鋼３４のプレートで緩衝層２１が構成されている壁部材から取られた。基部は鍛造弁用鋼（表Ｉ中のＳＮＣｒＷ−合金１）からなり、外側部２０は合金６７１からなり、鋼のプレート３４は表２中の合金Ｗ．−Ｎｏ．１．４３３２からなり、層３５は、０．５〜１．０％のＭｎ、１６．５〜１８％のＣｒ、１１．５〜１４％のＮｉ、２．５〜３．０％のＭｏ、０〜０．１％のＮ、０〜０．０２５％の酸素、残余としてＦｅを含む合金ＵＮＳ Ｓ３１６０３からなる。界面領域１９および２２（特に外側部へ向かう２２）は、１つの合金から他の合金へとかなり鮮明な移行で境界が明瞭であることが図３からわかる。このことは緩衝層として使用されるプレート上の平坦な表面のためである。基部２０は、界面領域１９付近に、少し暗くて鍛造組織由来の平行線がないように見える領域を有する。この領域において、合金中の炭素含有率は、緩衝層への炭素の拡散に起因して低い。また、外側部５も、界面領域２２付近に少し暗いように見える領域を有し、これは炭素の外側部への拡散により生じた僅かに高い炭素含有率のためである。

図４の試料は、緩衝層２１が合金ＵＮＳ Ｓ３１６０３の粒子状材料として供給され、外側部５も合金６７１の粒子状材料として供給された壁部材から取られた。基部２０は、図３に示した試料と同じ鍛造鋼からなる。界面領域２２は、図３におけるよりも多く拡散されていることが見られる。その理由は、緩衝層の粒子状材料は、１つの材料から他の材料への鮮明な移行をもたらさず、ＨＩＰ処理が両方の材料で共通であれば、緩衝層の粒子状材料と外層の粒子状材料との僅かなブレンドが起こり得るということである。僅かなブレンドは、２ステップ手順を使用することにより最小化することができる。該手順では、第１ステップで、緩衝層の粒子状材料が基部に供給され、ＨＩＰ手順が実施されて、その結果、粒子状材料が連結されて一体化され、第２ステップで、外側部の粒子状材料が緩衝層上に供給されてＨＩＰ手順が実施され、その結果、粒子状材料が連結されて一体化される。図４において、基部２０から緩衝層中への炭素の拡散が、緩衝層の左側により暗い領域として見られ、外側部５から緩衝層中への炭素の拡散が、外層の左側により明るい領域として見られる。

図５および図６は、如何にして粒子状材料を供給し、ＨＩＰ手順を実施するかの２つの例を、非常に模式的に例示する。図５の例において、緩衝層が、予め円形に切られたプレートのシートとして供給され、それは基部の上部に設置され、その間、基部は上方に向けた端面で支えられている。次に、外側部５の粒子状材料がプレートのシートの上部に設置される。均一な層を得るために、プレートの外縁に近い領域においても、環状輪がプレートの縁の周囲に位置してもよい。粒子状材料は、外側部が所望の厚さになる量で適用されて、一様な厚さの層に均一化される。このようにして整えられた基部、プレートおよび外側部は、次に、燃焼室内に入れられて、粒子状材料周囲の領域は排気される。このことは、水平プレート３１および排気室３３に通じる排気管３２により、原理的にのみ例示されている。ＨＩＰ処理をする装置は標準的な装置であり、当業者はＨＩＰ処理をするための実用的実施形態がどのようにして計画されるか、よく知っている。

排気後、部品を所望のＨＩＰ温度に加熱して、圧力を標準のＨＩＰ圧力に上昇させる。温度および圧力は、１１時間などの長時間維持される。この時間中に、個々の部品は連結して一体化し、密着して緻密な壁部材になる。ＨＩＰ処理は、例えば、９５０から１２００℃の範囲のＨＩＰ温度、および例えば、９０から１２０ＭＰａ（９００から１２００ｂａｒ）のＨＩＰ圧力を使用することができる。これらの条件で、粒子状材料は可塑性になり、一体化されて、実質的に溶融せずに、密着した緻密な材料になる。また、緩衝層の材料は基部２０とも一体化する。ＨＩＰ処理が完了したとき、壁部材を取り出して、必要ならば、所望の寸法に加工する。

ＨＩＰ処理に使用されるオーブンの利用を改良するために、排気弁ヘッドを軸（心棒、ステム）のない別の部品として鍛造することができ、次に緩衝層と排気弁ヘッド上の外層との位置調整をして、その後ＨＩＰ手順を実施して、次に軸を弁ヘッド上に摩擦溶接することができる。この方法では、弁の軸アート（ｓｔｅｍ ａｒｔ）はオーブン中で場所を取らない。

図６の例において、緩衝層は、粒子状材料の第１層として供給され、この材料は基部の上部に置かれ、その間基部は上方に向けた端面で支えられている。均一な層を得るために、プレートの外縁に近い領域においても、環状輪がプレートの縁の周囲に位置してもよい。粒子状材料は、緩衝層が所望の厚さになる量で適用されて、一様な厚さの層に均一化される。次に、外側部５を構成するために粒子状材料の第２層を置くのに適した位置までの距離を上方に、輪３０が持ち上げられる。第２層は粒子状材料の第１層の上部に置かれる。粒子状材料は、外側部が所望の厚さになる量で適用されて、一様な厚さの層に均一化され、次にＨＩＰ処理が、図５に関連して記載されたように実施される。

粒子状材料は、例えば、不活性媒体ガスを用いた、所望の組成の溶融合金の液体ジェットの燃焼室内への霧化（それにより、小滴形状の材料が急冷されて、非常に微細な樹状構造を有する粒子として固化する）により製造されたものでもよい。粒子状材料は粉末と呼ばれることもある。

壁部材がピストンであるとき、基部として適当な材料は、標準的合金鋼を含む。壁部材が排気弁であるときは、ステンレス鋼が使用され得る。そのような材料の例は、以下の表１に示される。Ｗ．−Ｎｏ．は、合金についてのドイツ標準番号である。記載されている百分率は、重量による百分率である。

緩衝層として適当な材料は、以下の表２に実例を挙げた鋼を含む。Ｗ．−Ｎｏ．は、合金についてのドイツ標準番号である。記載されている百分率は、重量による百分率である。

緩衝層として他の適当な材料は、０．５〜１．０％のＭｎ、１６．５〜１８％のＣｒ、１１．５〜１４％のＮｉ、２．５〜３．０％のＭｏ、０〜０．１％のＮ、０〜０．０２５％のＯ、および残余としてＦｅを含む合金ＵＮＳ Ｓ３１６０３である。緩衝層がプレート材料からなるときは、窒素および酸素の含有率に対して、通常何らの要求もない。しかしながら、緩衝層が粒子状材料からなるときは、窒素の含有率は最大で０．１％であることが好ましく、且つ酸素の含有率は最大で０．０３％であることが好ましい。

外側部として適当な材料は、排気弁の技術分野において周知であり、例はステライト６、５０％Ｃｒおよび５０％Ｎｉのタイプの合金、４８〜５２％のＣｒ、１．４〜１．７％のＮｂ、最大で０．１％のＣ、最大で０．１６％のＴｉ、最大で０．２％のＣ＋Ｎ、最大で０．５％のＳｉ、最大で１．０％のＦｅ、最大で０．３％のＭｇ、および残余としてＮｉを含むタイプＩＮ ６５７の合金である。他の例は、次の組成、すなわち４０から５１％のＣｒ、０から０．１％のＣ、１．０％未満のＳｉ、０から５．０％のＭｎ、１．０％未満のＭｏ、０．０５％から０．５％未満のＢ、０から１．０％のＡｌ、０から１．５％のＴｉ、０から０．２％のＺｒ、０．５から３．０％のＮｂ、合計含有率が最大で５．０％のＣｏ＋Ｆｅ、最大で０．２％のＯ、最大で０．３％のＮ、および残余としてＮｉを有する合金である。外側部として使用するための他の適当な表面合金（ｆａｃｉｎｇ ａｌｌｏｙ）は、Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（Ｌｏｎｄｏｎ）から１９９０年に出版された「Ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｈｅａｖｙ ｆｕｅｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」という書物中の「Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｗｉｔｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｖａｌｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ」という論文中に示されている。

緩衝層および外側部は、以下のような他の方法でも提供され得る。緩衝層は、表２中に挙げたような合金の鋼のプレートであってもよく、また外層も、プレート形状であってもよい。次に、２枚のプレートは、基部の上部に設置されて、ＨＩＰ処理が実施され、３つの部品を密着した壁部材に一体化する。あるいは、外側部は、緩衝層のこのプレート上に溶接されてもよい。代替法として、外側部をプレート形状の部材として供給してもよく、ニッケル系半田を用いる真空半田付け法を使用することにより、これを基部と一体化することもできる。半田が緩衝層を構成するように、半田は少なくとも１．５ｍｍの半田層を作る量で使用される。

２つ以上の緩衝層が外側部を基部から分離してもよい。シート（プレート）様の材料からなる１つの緩衝層を、同じ合金またはシートの合金以外の他の合金からなる粒子状材料の第２緩衝層と組み合わせて使用することは可能である。緩衝層は、その数が２、３、または４以上であっても、互いに異なる合金からなっていてもよい。

緩衝層中の０．０９％Ｃという最大値は、新しく製造された可動壁部材に適用される。上で述べたように、炭素は、使用中に１つの合金から他の合金に拡散し得る。

上記の実施形態の詳細を組み合わせて、本特許請求の範囲内の他の実施形態にすることは可能である。さらに、特許請求の範囲内で、上記の実施形態の詳細において変形を作製することが可能である。例えば、弁座４は、弁体と同じ合金からなるものでもよく、緩衝層２１は、弁座４で終わって、最大直径において（弁座４の下の領域において）より垂直なまたは垂直な広がりを有してもよい。緩衝層は、弁体の直径の一部に及ぶだけでもよいが、好ましくは、熱負荷が最大である弁体の中心領域中に存在すべきである。

Claims (12)

1. 排気弁スピンドルまたはピストンの形態にある可動壁部材であって、当該可動壁部材は、内燃機関のためのものであり、前記可動壁部材は、合金鋼の基部と、外側部とを備え、前記合金鋼は、０．１５から０．３５重量％の範囲内の炭素含有率を有し、前記外側部は、燃焼室に面する前記壁部材の表面を形成し、また前記外側部は、ニッケル系、クロム系またはコバルト系の熱耐食性合金から作られる、可動壁部材において、
   合金の少なくとも１つの緩衝層が前記基部と前記外側部との間に位置し、前記緩衝層の前記合金は、前記基部の前記合金鋼と異なる組成を有し、且つ前記外側部の前記熱耐食性合金と異なる組成を有し、前記緩衝層の前記合金は、前記緩衝層の重量％で０から最大で０．０９重量％の炭素を含み、また前記緩衝層は少なくとも１．５ｍｍの厚さを有する、ことを特徴とする可動壁部材。
2. 前記緩衝層が、鋼、好ましくはオーステナイト鋼からなることを特徴とする、請求項１に記載の可動壁部材。
3. 前記緩衝層がニッケル系合金からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の可動壁部材。
4. 前記緩衝層が、不可避の不純物を別にして、ＦｅまたはＮｉからなることを特徴とする、請求項１に記載の可動壁部材。
5. 前記可動壁部材が排気弁スピンドルであり、また前記基部の前記合金鋼がオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の可動壁部材。
6. 前記可動壁部材がピストンであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の可動壁部材。
7. 前記緩衝層の厚さが少なくとも２ｍｍであることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の可動壁部材。
8. 内燃機関のための排気弁スピンドルまたはピストンの形態にある可動壁部材を製造する方法であって、前記可動壁部材は基部を備え、且つ外側部を備え、前記基部は、０．１５から０．３５重量％の範囲内の炭素含有率を有する合金鋼を含み、前記外側部は、燃焼室に面する前記壁部材の表面を形成し、また前記外側部は、ニッケル系、クロム系もしくはコバルト系の熱耐食性合金からなる、方法において、
   前記基部上に緩衝層を配置する工程と、次に前記緩衝層上に前記外側部を配置する工程とを備え、前記緩衝層は、当該緩衝層の重量の０から最大で０．０９重量％の炭素を含む合金からなり、前記基部、前記緩衝層および前記外側部は、一体化されて密着した壁部材になる、ことを特徴とする方法。
9. 前記緩衝層が、前記基部に設置されたプレートのシートであること、および前記外側部が、前記プレートのシートの外側表面上に付着していることを特徴とする、請求項８に記載の可動壁部材を製造する方法。
10. 前記基部が鍛造弁鋼の予め加工されたブランクであること、および前記外側部が、実質的に溶融せずに、ＨＩＰ処理により一体化される粒子状材料として供給されるニッケル系合金であることを特徴とする、請求項８または９に記載の可動壁部材を製造する方法。
11. 前記緩衝層がＨＩＰ処理により一体化される粒子状材料として供給されることを特徴とする、請求項８または１０に記載の可動壁部材を製造する方法。
12. 前記緩衝層が溶接により前記基部上に付着していることを特徴とする、請求項８、１０または１１のいずれかに記載の可動壁部材を製造する方法。

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