JPS6047884B2 - Induction heating method for valve seat - Google Patents

Abstract

A method for heating a conical valve seat surface on a ferrous seat ring insert which is fixedly received by a bore in an aluminum engine component. The method involves high power induction heating including the steps of locating an inductor adjacent the valve seat surface and then energizing the inductor by a power source having some predetermined frequency and elevated power rating. The method also includes the step of maintaining the inductor in an energized condition for some predetermined period of time to transform the metal forming the valve seat into an austenitic structure to a preselected depth. The steps of energizing and maintaining are coordinated such that the desired transformation is obtained in a very short time interval. This then advantageously prevents deleterious expansion of the insert heat transfer through the insert to the aluminum engine component which would otherwise adversely affect the close fitting relationship between the insert and bore.

Description

【発明の詳細な説明】 本文には、米国特許第Ｒｅ２９Ｏ４６号と第３８３７９
３４号からの基本的および非基本的事項がもり込まれて
いる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This text includes U.S. Pat.
Basic and non-basic matters from No. 34 are incorporated.

これらの特許は本発明と同じ譲渡人にどちらも譲渡され
ており、エンジン部材内の円錐形弁座面の誘導加熱方法
と装置について説明している。本発明は誘導加熱法、特
にエンジンヘッド等の如きエンジン部材の弁座の誘導加
熱法に関する。These patents, both assigned to the same assignee as the present invention, describe methods and apparatus for induction heating of conical valve seating surfaces in engine components. The present invention relates to induction heating methods, and more particularly to induction heating methods for valve seats of engine components such as engine heads and the like.

本発明は特に、製造アルミニウムエンジン部材内の排気
弁用弁座挿入体の加熱に使用され、特にそれに関連して
説明されているけれども、本発明は広い適用範囲を有し
、他の状況に於ける種々の円錐形金属面の加熱にも使用
できることは明らかである。内燃機関は一般に、エンジ
ンシリンダーへ流れたり、またそこから流れるガス流を
制御する往復動ポペット弁と共働する円錐形弁座を有す
る。Although the present invention has particular use in, and has been described with particular reference to, the heating of valve seat inserts for exhaust valves in fabricated aluminum engine components, the invention has broad applicability and may be used in other situations. Obviously, it can also be used to heat various conical metal surfaces. Internal combustion engines typically have conical valve seats that cooperate with reciprocating poppet valves that control gas flow to and from the engine cylinders.

排気弁用弁座はエンジン作動温度が高いために、その高
温度で高度な耐摩耗性を有していなければな．らない。
そのような摩耗に耐えかつて弁座の所望の物理的特性を
増すために、円錐形弁座面は、エンジン製造中、誘導加
熱され、それから普通の液体または塊体による急冷法に
よつて硬化される。エンジン部材の多数個の弁座の誘導
加熱は例え（ば、複数個の一旋回型インダクターが円錐
形排気弁座のすぐ近くに位置づけられる場合、単一操作
で自動処理するように使用される。そのような装置およ
び方法は米国特許第Ｒｅ２９Ｏ４６号および第３８３７
９３４号に示されている。そこで、インダクターはエン
ジン部材に対して共通枠体上を独立的に移動し、弁座へ
向つて片寄せられる。枠体それ自身は、各インダクター
が、加熱すべき弁座と接触するように、エンジン部材と
接触すべく移動する。インダクターはそれから適所に係
止され、枠体は、インダクターと弁座との間に所望の磁
気的結合距離を設定する目的でわずかに後退する。前述
の特許は、鋳鉄製エンジン部材内の鉄製排気弁）座を誘
導加熱する時、非常にすぐれた結果を示した方法を説明
している。しかしながら、ガソリンのマイル数当りの消
費量を改善し、車の重量を軽減しようとする努力によつ
て、主たるエンジン部材にアルミニウムを使・用するこ
とさえ増えてきた。Exhaust valve seats must have a high degree of wear resistance at high engine operating temperatures. No.
In order to withstand such wear and once increase the desired physical properties of the valve seat, the conical valve seat surface is induction heated during engine manufacturing and then hardened by a common liquid or mass quench process. Ru. Inductive heating of multiple valve seats in an engine component can be used to automatically process in a single operation, for example, when multiple single-turn inductors are positioned in close proximity to a conical exhaust valve seat. Such devices and methods are described in U.S. Pat.
No. 934. There, the inductor moves independently on the common frame relative to the engine components and is biased towards the valve seat. The frame itself moves into contact with the engine components such that each inductor comes into contact with the valve seat to be heated. The inductor is then locked in place and the frame is retracted slightly to set the desired magnetic coupling distance between the inductor and the valve seat. The aforementioned patent describes a method that has shown excellent results when inductively heating iron exhaust valve seats in cast iron engine components. However, efforts to improve gasoline mileage and reduce vehicle weight have led to increased use of aluminum even in major engine components.

そのような主たる部材を製造するのに、アルミニウムを
使用することは、重量軽減の意味から実質的に効果があ
るけれども、それに付随して、排気弁座を含むいくつか
の部分に、困難や問題が生じた。アルミニウムは〔弁座
面に適応するのに充分な強度および硬度特性を有してい
ない。これらの欠点のために、排気弁座面は、例えば強
制適合等のような適切な手段によつて硬化可能な材料で
なる弁座リング挿入体を鋳造アルミニウムエンジン部材
の中に備えて形成する必要がある。費用軽減の目的とと
もに、弁座面の正確な位置づけと同中心性とを確実にす
る目的で、その挿入体をエンジン部材の中に装着しての
ち、最終的な弁座の整合をはかるために、その挿入体を
機械仕上げすることが大変のぞましい。円錐形弁座面の
機械仕上げにおいては、大きな問題は生じないけれども
、その次の表面硬化操作は、アルミニウムエンジン部材
に、およびまたはエンジン部材と鉄製金属挿入体との間
の加圧適合に悪影響をおよぼさないように行われねばな
らない。習慣性に、排気弁座面は約１７００゜Ｆで硬化
する必要があり、エンジン部材に使用される典型的なア
ルミニウム合金の融点は一般に１２００゜Ｆ〜１４００
゜Ｆの範囲にあるので、弁座挿入体の加熱や熱移動は硬
化工程中、注意深くコントロールされねばならない。適
切にコントロールしなければ、その挿入体はエンジン部
材内の受入れ穴へ向つて放射方向へ膨張し、それらの間
の加圧適合関係を破壊したり、さもなければその近くの
エンジン部材の金属の本来の姿を損ねてしまう。もつと
ひどい場合、エンジン部材のアルミニウム金属は溶融温
度に近づいて使いものにならなくなつてしまう。そのよ
うな状態のいづれも、エンジン操作や期待されるエンジ
ン寿命に究局は悪影響をおよぼす点で非常に好ましくな
い。米国特許第Ｒｅ２９Ｏ４６号および第．３８３７９
３４号に示されている加熱方法は、普通のたい鋳鉄エン
ジン部材が使用される時には、弁座および弁座挿入体面
の誘導加熱に有効である。しかしながら、それらの方法
は、前述した問題やそれに伴なう特性のために、アルミ
ニウム等に用いる際は有効でない。これらの要素からみ
て、その挿入体はしばしば、高価な鋼で作られ、エンジ
ン部材に組立てる前に炉内で硬化されている。これは材
料が高くつくと同時に、硬化弁座挿入体を機械仕上げす
る支柱組立体も高価である。従つて、前述の問題を克服
する目的で、アルミニウムエンジン部材の中に備えた鉄
製弁座リング挿入体の弁座面を誘導加熱する方法を開発
することが望ましいと考えられてきた。Although the use of aluminum to manufacture such major components is substantially effective in terms of weight reduction, it also presents difficulties and problems in some parts, including the exhaust valve seats. occurred. Aluminum does not have sufficient strength and hardness properties to accommodate the valve seat surface. Because of these drawbacks, exhaust valve seats must be formed with a valve seat ring insert in a cast aluminum engine component of a material that can be hardened by suitable means, such as force fit. There is. For cost reduction purposes as well as to ensure accurate positioning and concentricity of the valve seat surfaces, the insert is installed into the engine component and then used for final valve seat alignment. , it is highly desirable to machine finish the insert. Although the machining of the conical valve seat surface does not pose major problems, subsequent case hardening operations may adversely affect the aluminum engine parts and/or the pressurized fit between the engine parts and the ferrous metal inserts. This must be done in a way that does not cause any harm. Customarily, exhaust valve seats need to be hardened at about 1700°F, and typical aluminum alloys used in engine components typically have melting points of 1200°F to 1400°F.
In the range of 0.5°F, heating and heat transfer of the valve seat insert must be carefully controlled during the curing process. If not properly controlled, the insert may expand radially toward the receiving hole in the engine member, destroying the pressurized fit between them or otherwise damaging the metal of the engine member in its vicinity. It loses its original appearance. In severe cases, the aluminum metal used in engine parts approaches its melting temperature and becomes useless. Any of these conditions is highly undesirable in that it ultimately adversely affects engine operation and expected engine life. U.S. Patent Nos. Re29O46 and . 38379
The heating method shown in No. 34 is effective for induction heating of valve seats and valve seat insert surfaces when conventional cast iron engine parts are used. However, these methods are not effective when used with aluminum etc. due to the problems mentioned above and the associated characteristics. In view of these factors, the inserts are often made of expensive steel and hardened in a furnace prior to assembly into the engine component. This is expensive in materials as well as the strut assembly to machine the hardened valve seat insert. Accordingly, in an effort to overcome the aforementioned problems, it has been deemed desirable to develop a method for inductively heating the valve seat surface of a steel valve seat ring insert within an aluminum engine component.

そのような１つの方法と装置が１９８＠５月８日付でフ
イレオ氏が、出願し、かつ本発明と同一人に譲渡されて
いる米国特許出願第１４７８四号に説明されており、こ
れは本発明の概念に従つて考えた方法が示されている。
その出願は一搬に、アルミニウムエンジン部材からイン
ダクターの誘導エネルギーを遮蔽するために各加熱イン
ダクターに関連して操作する導電リング、またはシール
ドの使用に関する。これは弁座挿入体のまわりやその近
くにあるアルミニウムエンジン部材の加熱を防いだり、
コントロールしたりする。この前の出願にある方法は加
熱中における弁座挿入体の過度の膨張問題を解決するこ
とができなかつた。この新しい方法は、主要問題の１つ
に対して解決するけれども、アルミニウムエンジン部材
の一般的環境で、鉄製弁座リングを硬化させる力を増張
する方法をもう１つ与えるように思われる。そこで、本
発明は、エンジン部材内に挿入体を備え付け、機械仕上
げしたのち、エンジンヘッド等のようなエンジン部材内
での金属弁座挿入体の誘導加熱に関する。本発明はさら
に、金属挿入体と非鉄製エンジン部材との間の圧入適合
を保持しながら急冷硬化前に挿入体を誘導加熱する方法
に関する。One such method and apparatus is described in U.S. Pat. A method considered according to the inventive concept is presented.
That application generally relates to the use of a conductive ring, or shield, operating in conjunction with each heating inductor to shield the inductor's inductive energy from aluminum engine components. This prevents heating of aluminum engine parts around and near the valve seat insert,
to control. The methods in this prior application failed to solve the problem of excessive expansion of the valve seat insert during heating. Although this new method solves one of the major problems, it appears to provide another way to increase the hardening force of steel valve seat rings in the general environment of aluminum engine components. The present invention therefore relates to induction heating of a metal valve seat insert within an engine component, such as an engine head, after the insert has been installed and machined within the engine component. The present invention further relates to a method of inductively heating an insert prior to quench hardening while preserving a press fit between the metal insert and a non-ferrous engine component.

この方法は高出力誘導加熱法を利用して、非常に短時間
のうちに、前もつて選択した満足な深さまで挿入体の必
要な加熱を行い易くしている。本発明によれば、この方
法は次の段階でなりたつ。すなわち、６挿入体の近くに
、ほぼ円形のインダクターを位置づけ、５少くとも２０
０ＫＨ２以上の周波数を有し、約１２ＫＷ以上の選択さ
れた電力を有し、弁座の所に、１平方インチ当り少くと
も２５ＫＷの電源密度を与えるような主電源によインダ
クターを励起し、６弁座を形成する金属をある既定の深
さまでオーステナイト構造に変質させるために、３秒以
下の既定の時間だけインダクターを励起状態に保持し、
５その後、弁座材の急冷する段階でなる。This method utilizes high power induction heating techniques to facilitate the necessary heating of the insert to a preselected satisfactory depth in a very short period of time. According to the invention, the method consists of the following steps. That is, position a generally circular inductor near the 6 inserts, and 5 at least 20
energizing the inductor with a mains power source having a frequency greater than or equal to 0 KH2 and having a selected power greater than or equal to about 12 KW and providing a power density of at least 25 KW per square inch at the valve seat; holding the inductor in an energized state for a predetermined time of 3 seconds or less in order to transform the metal forming the valve seat into an austenitic structure to a predetermined depth;
5. After that, the valve seat material is rapidly cooled.

本発明のもう１つの詳細な局面によれば、励起段階は１
５〜２５ＫＷの範囲の選択された電力で、約２５０〜５
００ＫＨ２の範囲の周波数で行われ、その時、保持段階
は１秒以下の時間である。According to another detailed aspect of the invention, the excitation step is 1
Approximately 250-5 with selected power ranging from 5-25KW
It is carried out at a frequency in the range of 00 KH2, then the holding phase is of a duration of less than 1 second.

この方法を実施する好ましい装置に於て、約２０ＫＷの
選択された電力で、周波数は約４００ＫＨ２である。本
発明のもう１つの局面によれば、保持段階は、弁座を形
成する金属が一般に０．０３５インチより深くない深さ
まで、オーステナイト構造に変質するまで連続する。こ
の好ましい方法では、この深さは約０．０２４インチに
保持される。そこで、本発明の主な目的は、非鉄部材、
特に内燃機関部材内に配置された、例えは鋳鉄挿入体・
のような鉄製リング挿入体の円錐面を誘導加熱する目的
で非常に信頼のある有効な新しい方法を提供することで
ある。In a preferred apparatus implementing this method, the frequency is approximately 400 KH2 with a selected power of approximately 20 KW. According to another aspect of the invention, the holding step continues until the metal forming the valve seat is transformed to an austenitic structure to a depth generally no greater than 0.035 inches. In this preferred method, this depth is maintained at approximately 0.024 inches. Therefore, the main purpose of the present invention is to
In particular, for example cast iron inserts arranged in internal combustion engine components.
The object of the present invention is to provide a new method which is highly reliable and effective for the purpose of induction heating the conical surface of iron ring inserts such as.

本発明のもう１つの目的は、挿入体および／またはその
挿入体を直接取り巻く部材やその近くの・部材に有害な
熱移動を生じさせない方法を提供することである。Another object of the present invention is to provide a method that does not cause harmful heat transfer to the insert and/or the components directly surrounding the insert and/or adjacent components.

本発明のさらにもう１つの目的は、加熱が圧入適合に悪
影響を与えないようにアルミニウムエンジン部材内に圧
入適合させた鉄製弁座挿入体の新）しい誘導加熱法を提
供することであり、その挿入体として鋳鉄のような安価
な鉄製材料を使用することができる。Yet another object of the present invention is to provide a new method for induction heating of iron valve seat inserts press-fit into aluminum engine components such that heating does not adversely affect the press-fit fit. An inexpensive ferrous material such as cast iron can be used as the insert.

本発明のその他の目的および効果は次に続く明細書を読
みかつ理解すれば、この技術に熟達した人々とにとつて
容易に明らかとなるであろう。Other objects and advantages of the present invention will become readily apparent to those skilled in the art upon reading and understanding the following specification.

本発明はある部品では物理的形をとり、またそれらの部
品はいくつかの配置を有しており、その好ましい実施例
について、次の明細書に詳しく説明し、かつ本発明の一
部を形成する添付図面に図示してみることにする。ここ
で図面を参照すれば、この図面は本発明の好ましい実施
例を示すだけであつて、それを制限するものではない。While the invention takes physical form in certain parts and those parts have several arrangements, preferred embodiments thereof are described in detail in the following specification and form a part of the invention. This is illustrated in the accompanying drawings. Reference is now made to the drawings, which illustrate preferred embodiments of the invention only and are not intended to be limiting.

第１図は鋳造アルミニウムエンジン部材Ｂと操作的に連
結した状態に配置された誘導加熱装置Ａを示す。誘導加
熱装置Ａの特徴と操作に関する詳細は本出願と同一人に
譲渡されている米国特許第Ｒｅ２９Ｏ４６号に詳細に説
明されている。その特許および再度同一人に譲渡されて
いる米国特許第３８３７９３４号の基本的および非基本
的内容が参考として本文に盛り込まれている。特に、エ
ンジン部材Ｂは少くとも１個の排気通路１０を有し、こ
の通路１０は窪んた円筒形排気口１４内に同軸的にきち
んと配置された鋳鉄製環状弁座１２を有する。案内開口
１６は排気口１４と同軸をなし、エンジンを組立てる時
、普通のポペット弁（図示せず））のステムを受け入れ
る。環状弁座１２は円錐形弁座面３０を有し、この面３
０はエンジン部材の中に備えられ、本発明に従つて機械
仕上けされ、その後、硬化される。その弁座１２は鋼ま
たは鋳鉄で典型的に構成された標準部材でなるが、費用
の点で、鋳鉄の方が好ましい。弁座１２をＵ卜気口１４
の受入れ穴にはめ込むには、例えは、圧入適合または強
制適合等を含むいくつかの普通の方法のどれかによつて
行われ−る。圧入適合法を用いる場合、弁座は普通、あ
る程度収縮するように冷やされ、それによつて適合をや
り易くする。そのように据え付けたのち、弁座の外側壁
と受入れ穴の側壁との間の界面部分３２に生じる特別の
対抗力によつて排気口１４の中！に固定的に保持される
。関連する挿入体Ａを有する複数の排気口は米国特許第
Ｒｅ２９Ｏ４６号に最もよく説明されているのと同じ方
法でエンジン部材Ｂに典型的に関連することは容易に明
らかとなるであろう。第１図に関連して、誘導加熱装置
Ａはほぼ円筒形の電気絶縁本体４０を有し、その本体４
０はその内端から同軸的に外方へ伸長する幾分小さな円
筒形電気絶縁本体挿入体４２を有する。FIG. 1 shows an induction heating device A placed in operative connection with a cast aluminum engine component B. FIG. Details regarding the features and operation of induction heating device A are described in detail in commonly assigned US Pat. No. Re29O46. The essential and non-fundamental contents of that patent and reassigned US Pat. No. 3,837,934 are incorporated herein by reference. In particular, engine component B has at least one exhaust passage 10 having a cast iron annular valve seat 12 disposed coaxially and neatly within a recessed cylindrical exhaust opening 14 . The guide opening 16 is coaxial with the exhaust port 14 and receives the stem of a conventional poppet valve (not shown) when the engine is assembled. The annular valve seat 12 has a conical valve seat surface 30, which surface 3
0 is provided in an engine component, machined in accordance with the present invention, and then cured. The valve seat 12 is a standard member typically constructed of steel or cast iron, although cast iron is preferred for cost reasons. Connect the valve seat 12 to the air port 14
Fitting into the receiving hole of the housing may be accomplished by any of a number of conventional methods, including, for example, press fit or forced fit. When using the press-fit fitting method, the valve seat is typically cooled to some degree of contraction, thereby facilitating fitting. After such installation, the inside of the exhaust port 14 due to the special counterforce created at the interface part 32 between the outer wall of the valve seat and the side wall of the receiving hole! is held fixedly. It will be readily apparent that a plurality of exhaust ports with associated inserts A are typically associated with engine member B in the same manner as best described in US Patent No. Re29O46. With reference to FIG. 1, induction heating device A has a generally cylindrical electrically insulating body 40;
0 has a somewhat smaller cylindrical electrically insulating body insert 42 extending coaxially outwardly from its inner end.

位置決めピン、すなわちノーズ４４は本体挿入体４２か
ら同軸的に外方へ伸長し、排気口１４と同軸をす誘導加
熱装置を従来の方法で位置決めする。誘導加熱装置の本
体４０と本体挿入体４２との間には、符号５０で示され
た一旋回型インダクターが介在する。このインダクター
は横断面がほぼ矩形の銅製スプリット円形リングでなり
、そして本体４０を通つて軸方向へ伸長する一対の間隔
をおいて位置する脚５２，５４を有し、これらの脚フは
前記本体４０の外端から外方へ伸長する。インダクター
５０は、脚５２，５４と同様に中空であり、そこを通つ
て連続流体通路を形成するようにお互い連結している。
この通路はよく知られている総合的誘導加熱装置の近く
に、あるいはそこか・ら離れて配置された冷媒源（図示
せず）から適切な冷媒を送ることができる。電源６０は
例えば脚５２，５４の位置のように、導線６２，６４に
よつて、インダクター５０に操作的接続する。A locating pin or nose 44 extends coaxially outwardly from the body insert 42 to position the induction heating device coaxially with the exhaust port 14 in a conventional manner. Interposed between the body 40 and the body insert 42 of the induction heating device is a single-turn inductor designated 50. The inductor is a copper split circular ring of generally rectangular cross section and has a pair of spaced apart legs 52, 54 extending axially through the body 40. Extending outwardly from the outer end of 40. Inductor 50, like legs 52, 54, is hollow and interconnected to form a continuous fluid passage therethrough.
This passageway can deliver a suitable refrigerant from a refrigerant source (not shown) located near or remote from the well-known integrated induction heating system. A power source 60 is operatively connected to the inductor 50 by conductors 62, 64, such as at the legs 52, 54, for example.

本発明によれば、その動力源・は２００〜５００キロヘ
ルツ（ＫＨ２）の出力周波数性能と、１２〜２５キロワ
ット（ＫＷ）の電力を有するオッシレーターでなる。実
際に、インダクター５０のまわりに生じるフラックスに
より生じる加熱パターンに比較的浅い基準深さを生じさ
せるようなラジオ周波数を備えるためには、約４００Ｋ
Ｈ２の出力周波数を有するオツシレーターを使用するの
が好ましい。また、好ましい電力は約２０ＫＷである。
円錐表面の加熱部分は約０．５平方インチ（ｍｌ）であ
り、電力密度は４０ＫＷＩｉｒ１２の範囲にある。これ
は内熱機関の弁座を加熱するためにこれまで使用された
電力密度より非常に高い。前もつて選択された加熱時間
ののち電源６０を切るために導線６２と６４との間は時
間遅延装置がある。本発明の新しい方法によれば、この
加熱時間は大変短かく、典型的なものでは、１秒以下で
ある。この新しい方法を実施する際、アルミニウムエン
ジン部材Ｂは典型的なものでは、同時に誘導加熱される
同じ弁座１２を有する複数の排気口１４を有する。この
目的のために使用される位置は米国特許第Ｒｅ２９Ｏ４
６号に示されており、それは誘導加熱装置Ａを排気口に
対して同軸的に位置決めする位置決めピン４４により、
その加熱装置Ａをそれぞれに関連する排気口１４に位置
決めする装置を有する。加熱装置Ａは弁座１２の円錐形
弁座面３０と接触するインダクター５０にその底部を接
触させている。その後、加熱装置は、インダクターと円
錐形弁座面３０との間に前もつて選択したある程度の間
隙をおいてそれらの間に所望の連結関係を与えるように
支持される。ここで第２図を参照すれば、この間隙は文
字（で示され、約０．０４０インチの距離でなる。According to the invention, the power source consists of an oscillator with an output frequency performance of 200-500 kilohertz (KH2) and a power of 12-25 kilowatts (KW). In fact, to provide a radio frequency that produces a relatively shallow reference depth in the heating pattern created by the flux around the inductor 50, approximately 400 K
Preferably, an oscillator with an output frequency of H2 is used. Also, the preferred power is about 20KW.
The heated area of the conical surface is approximately 0.5 square inches (ml) and the power density is in the range of 40KWIir12. This is much higher than the power density previously used to heat the valve seats of internal heat engines. There is a time delay device between conductors 62 and 64 to turn off power supply 60 after a preselected heating time. According to the new method of the present invention, this heating time is very short, typically less than 1 second. In implementing this new method, the aluminum engine component B typically has multiple exhaust ports 14 with the same valve seat 12 that is induction heated at the same time. The position used for this purpose is US Patent No. Re29O4.
No. 6 shows that a positioning pin 44 coaxially positions the induction heating device A with respect to the exhaust port.
A device is provided for positioning the heating device A at the respective associated outlet 14. The heating device A has its bottom in contact with an inductor 50 which is in contact with the conical valve seat surface 30 of the valve seat 12 . The heating device is then supported with a preselected amount of clearance between the inductor and the conical valve seat surface 30 to provide the desired coupling therebetween. Referring now to FIG. 2, this gap is indicated by the letters () and is approximately 0.040 inches apart.

この大きさの間隙は、アルミニウムエンジン部材に配置
された鉄製弁座が円錐形弁座硬化面を有する場合は殆ん
どの場合特に適することがわかつているけれども、この
新しい方法を適用するために必要と思われる程度だけそ
れを変え得ることは明らかである。インダクター５０の
側面、すなわち平面７０は弁座面３０にほぼ平行であつ
て、弁座面の幅より少くともわずかに大きな幅を有する
。前述のように、ここで説明するような好ましい環境て
弁座１２の有害な加熱やその熱移動を防ぐ必要がある。A gap of this size is necessary to apply this new method, although it has been found that in most cases, a steel valve seat located in an aluminum engine component is particularly suitable when the seat has a conical seat hardening surface. It is clear that you can change it by as much as you think. The sides or planes 70 of the inductor 50 are generally parallel to the valve seat surface 30 and have a width at least slightly greater than the width of the valve seat surface. As previously mentioned, it is necessary to prevent harmful heating of the valve seat 12 and heat transfer thereof under favorable circumstances such as those described herein.

そこでその弁座面３０を急速にある温度に上昇させ、そ
れから有害な熱移動が生じる前に急冷すると、好ましい
加熱結果が得られることがわかつた。さらに同時に、硬
化弁座面が高い操作温度て充分な耐摩耗特性を有するよ
ように適切深さの加熱を得る必要がある。この目的のた
めに、０．０３５インチ以上深くならないことが、エン
ジン操作やエンジン寿命を損うことなしに全体的に満足
な結果を与えることもわかつた。実際に、約０．０２４
インチの深さが完全に好都合であり、これはこの新しい
方法を用いる時にも好ましい。従つて、本発明によれば
、高出力ではあるが短時間での誘導加熱方法が使用され
、これによつて、弁座１２の弁座面３０は、その弁座材
をオーステナイトに変質させ、次にマルテンサイトに変
質させるために適切な深さまで充分に加熱される。第２
図に示すように、そのような変質深さは文字豆で示され
、約０．０３５インチまでの深さでなる。ただし、０．
０２４インチが一般に好ましい。約４００ＫＨ２の好ま
しい周波数を使用することによつて、弁座面は比較的浅
く加熱され、約４０ＫＷ１ｉｎ２の電力密度を得るため
に約２０ＫＷの好ましい電力を使用することによつて、
弁座は非常に迅速な割合で適切な変質温度に加熱される
。実際に、前述の好ましい数字範囲を使用することによ
つて、約０市秒の時間で、約０．０２４インチの深さま
で完全に満足な加熱硬化結果を備える。誘導加熱周期の
完了時、弁座リング、また全エンジン部材はこの技術分
野で周知の方法で急冷される。It has been found that favorable heating results can be obtained by rapidly raising the valve seat surface 30 to a certain temperature and then rapidly cooling it before harmful heat transfer occurs. Additionally, at the same time, it is necessary to obtain an appropriate depth of heating so that the hardened valve seat surface has sufficient wear resistance properties at high operating temperatures. For this purpose, it has also been found that going no deeper than 0.035 inches gives overall satisfactory results without impairing engine operation or engine life. In fact, about 0.024
A depth of inches is perfectly convenient and is also preferred when using this new method. Therefore, according to the present invention, a high-power but short-time induction heating method is used, whereby the valve seat surface 30 of the valve seat 12 transforms the valve seat material into austenite. It is then heated sufficiently to an appropriate depth to transform it into martensite. Second
As shown in the figure, the depth of such alteration is indicated by the letter bean and extends to a depth of about 0.035 inches. However, 0.
0.024 inches is generally preferred. By using a preferred frequency of about 400KH2, the valve seat surface is heated relatively shallowly, and by using a preferred power of about 20KW to obtain a power density of about 40KW1in2,
The valve seat is heated to the appropriate transformation temperature at a very rapid rate. In fact, by using the preferred numerical ranges described above, we have completely satisfactory heat cure results to a depth of about 0.024 inches in a time of about 0 seconds. Upon completion of the induction heating cycle, the valve seat ring, as well as all engine components, are rapidly cooled in a manner well known in the art.

弁座面３０の加熱は急速で、事実上、これらの表面が前
もつて選択された浅い深さに制限、または絶縁されるの
で、その弁座１２全体の有害な加熱もなく、弁座１２を
通る熱移動もない。これらの要素はさもないと弁座と排
気口との間のぴつたりした適合関係に悪影響を与えたり
、その適合関係を変えたりすることがある。この結果は
弁座または弁座挿入体を誘導加熱する従来の方法から得
た結果を事実上改善したことになる。例 前述の新しい方法を用いる際、鋳鉄弁座挿入体は、ラジ
オ周波オツシレーター（４００ＫＷ）で、゛０市秒の加
熱周期を用い、４４０ＫＷ／Ｉｎ２の電力密度を用いて
０．０３０インチのケース深さまでうまく硬化された。Heating of the valve seat surfaces 30 is rapid and, in effect, occurs without deleterious heating of the entire valve seat 12 since these surfaces are confined or insulated to a preselected shallow depth. There is no heat transfer through. These factors can adversely affect or alter the otherwise tight fit between the valve seat and the exhaust port. This result represents a substantial improvement over the results obtained from conventional methods of inductively heating the valve seat or seat insert. EXAMPLE Using the new method described above, a cast iron valve seat insert was fabricated with a radio frequency oscillator (400 KW) at a case depth of 0.030 inches using a heating cycle of 0.5 seconds and a power density of 440 KW/In2. It was cured well.

前もつて硬化しておいた合金鋼挿入体ではなくて、アル
ミニウムシリンダーヘッドの中に軟鋳鉄挿入体を使用す
ると、軟鋳鉄挿入体の機械仕上げが容易にでき、弁座の
次の硬化も誘導硬化法で行えるという効果がある。これ
は弁座に必要な耐久力を与え、同時に生産性を大いに高
める。この弁座挿入体はまた、この新しい方法により、
４０ＫＷ１ｉｎ２以上の電力密度を用いることによつて
、０．２秒の加熱時間で、約０．０３０インチのケース
深さまで硬化がなされた。Using a soft cast iron insert in an aluminum cylinder head, rather than a pre-hardened alloy steel insert, facilitates machining of the soft cast iron insert and also induces subsequent hardening of the valve seat. It has the advantage that it can be done using a curing method. This gives the valve seat the necessary durability and at the same time greatly increases productivity. This valve seat insert also uses this new method to
By using a power density of 40 KW 1 in 2 or higher, the cure was achieved to a case depth of about 0.030 inch with a heating time of 0.2 seconds.

たとえそれが弁座挿入体の中に熱を誘導する傾向を減ら
すとしても、０．聞′の加熱周期は、それが一層均等で
一定したｌケース深さを与える点で、許容できると考え
られる。約０市秒の加熱周期でもつて、約４００ＫＨ２
の周波数と約２０ＫＷ（１７）電力とを有する第１電源
を用いたこの方法の好ましいパラメーターは、鋳鉄弁座
ｊに、約０．０２４インチのケース深さとロックウェル
Ｃスケールで５８の硬度を与える。0.0, even though it reduces the tendency to induce heat into the valve seat insert. A heating cycle of 2' is considered acceptable in that it provides a more even and consistent l case depth. Approximately 400KH2 even with a heating cycle of approximately 0 seconds
Preferred parameters for this method using a first power source having a frequency of .

典型的なもので、約７〜８秒の加熱周期でもつて、周波
数は同じで、電力は約７ＫＷであるような従来の方法で
は、ケース深さは０．０５０〜０．０６０インチで、ロ
ックウェルＣスケールでの硬度は５８であつた。そのよ
うなパラメーターは、一体化した鋳鉄弁座を有する古い
鋳鉄エンジン部材にとつては適切であるけれども、鉄製
弁座リング挿入体を利用した鋳造アルミニウムエンジン
部材の環境では適切ではない。本発明を、好ましい実施
例に関連しながら説明してきた。In conventional methods, where the frequency is the same and the power is about 7KW for a typical heating cycle of about 7 to 8 seconds, the case depth is 0.050 to 0.060 inches and the lock The hardness was 58 on the well C scale. Although such parameters are appropriate for older cast iron engine components with integral cast iron valve seats, they are not appropriate in the context of cast aluminum engine components utilizing iron seat ring inserts. The invention has been described in connection with preferred embodiments.

明らかに、この明細書を読み、理解する際に、変形も行
われる。従つて、それらの変形は特許請求の範囲に包含
されるので、そのような全ての変形も本発明に包含され
るものである。Obviously, modifications will occur to others upon reading and understanding this specification. Therefore, since such modifications are included within the scope of the claims, all such modifications are also included in the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図はこの新しい方法を実施する好ましい方法を示す
部分横断面図、第２図はインダクターと、加熱される弁
座面との間の関係をよりよく示すようにした第１図の一
部の拡大横断面図である。 Ａ・・・・・・誘導加熱装置、Ｂ・・・・・・エンジン
部材、１０・・・・・・排気通路、１２・・・・・・環
状弁座挿入体、１４・・・・・排気口、１６・・・・・
・案内開口、３０・・・・・・円錐形弁座面、３２・・
・・・・界面部分、４０・・・・・・誘導加熱装置の本
体、４２・・・・・本体の挿入体、４４・・・・・位置
決めピン、５０・・・・・・インダクター、５２，５４
・・・・・・脚、６０・・・・・・電源、６２，６４・
・・・・・導線。FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a preferred method of implementing the new method; FIG. 2 is a portion of FIG. 1 to better illustrate the relationship between the inductor and the heated valve seat surface. FIG. A... Induction heating device, B... Engine member, 10... Exhaust passage, 12... Annular valve seat insert, 14... Exhaust port, 16...
・Guide opening, 30...Conical valve seat surface, 32...
... Interface part, 40 ... Main body of induction heating device, 42 ... Main body insert, 44 ... Positioning pin, 50 ... Inductor, 52 ,54
... Legs, 60 ... Power supply, 62, 64.
...Conducting wire.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １ 非鉄エンジン部材の穴の中に同軸的に配置された鉄
製弁座挿入体の円錐形弁座を硬化する方法であつて、（
ａ）前記弁座挿入体の近くで、しかもそれに適合させた
状態で、ほぼ円形のインダクターを位置づけ、（ｂ）少
なくとも２００ＫＨ＿２以上の周波数を有し、少くとも
約１２ＫＷの選択された電力を有し、前記弁座の所に、
少くとも約２５ＫＷ／ｉｎ＾２の電力密度を生じさせる
ような第１電源により前記インダクターを励起させ、（
ｃ）前記電源の周波数に対する基準深さにほぼ対応する
ある既定の深さまで、前記弁座を形成する金属をオース
テナイト構造体に変形するために、３秒以下の既定の時
間だけ、前記インダクターを励起状態に保持し、（ｄ）
その後、前記弁座材料を急冷することの段階でなる前記
方法。 ２ 前記励起段階は約２５ＫＨ＿２以上、約５００ＫＨ
＿２以下の周波数で行われることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記励起段階は約４００ＫＨ＿２の周波数で行われ
ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４ 前記励起段階は、前記弁座の所にほぼ２５〜４５Ｋ
Ｗ／ｉｎ＾２の範囲の電力密度を生じるように選択され
た電力で行われることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の方法。５ 前記励起段階は約４０ＫＷ／ｉｎ＾
２の電力密度で行われることを特徴とする特許請求の範
囲第４項記載の方法。 ６ 前記保持段階を１秒以内に制限することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７ 前記励起段階は一般に、約４００ＫＨ＿２の周波数
で、しかも約２０ＫＷの電力で行われ、前記保持段階は
、ほぼ１秒以下に制限されることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の方法。 ８ 鉄製弁座挿入体の伝導による有害な熱移動や、前記
挿入体のゆるみを防ぎながら、アルミニウム製エンジン
部材の穴の中に同軸的に固定された鉄製弁座挿入体の円
錐形弁座を硬化する方法であつて、（ａ）前記挿入体の
近くにほぼ円形のインダクターを位置づけ、（ｂ）少く
とも２００ＫＨ＿２以上の周波数を有し、少くとも約１
２ＫＷの選択された電力を有し、前記弁座の所に、少く
とも約２５ＫＷ／ｉｎ＾２の電力密度を生じさせるよう
な第１電源により前記インダクターを励起させ、（ｃ）
一般に、約０．０３５インチ以上深くない既定の深さま
で、前記弁を形成する金属をオーステナイト構造に変形
するため、前もつて選択した時間だけ、前記コンダクタ
ーを励起状態に保持し、（ｄ）その後、前記弁座材を急
冷することとの段階でなる前記方法。 ９ 前記励起段階は、前記弁座の所に、２５〜４５ＫＷ
／ｉｎ＾２の範囲の電力密度を生じさせるように、選択
された電力で、約２５０〜５００ＫＨ＿２の周波数で行
われることを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の方
法。 １０ 前記保持段階は約０．５秒で、約０．０２４イン
チの既定の深さまで変質するように行われることを特徴
とする特許請求の範囲第８項記載の方法。Claims: 1. A method of hardening a conical valve seat of a ferrous valve seat insert coaxially disposed within a hole in a non-ferrous engine member, comprising:
a) positioning a generally circular inductor near and adapted to said valve seat insert; and (b) having a frequency of at least 200 KH_2 or more and a selected power of at least about 12 KW. , at the valve seat,
energizing the inductor with a first power source that produces a power density of at least about 25 KW/in^2;
c) energizing the inductor for a predetermined time of no more than 3 seconds to transform the metal forming the valve seat into an austenitic structure to a predetermined depth that approximately corresponds to a reference depth for the frequency of the power source; (d)
The method further comprises the step of rapidly cooling the valve seat material. 2 The excitation step is about 25KH_2 or more, about 500KH
The method according to claim 1, characterized in that the method is carried out at a frequency of _2 or less. 3. Method according to claim 2, characterized in that the excitation step is carried out at a frequency of about 400 KH_2. 4. The excitation step is approximately 25-45K at the valve seat.
Claim 1, characterized in that the process is carried out with a power selected to produce a power density in the range W/in^2.
The method described in section. 5 The excitation stage is about 40KW/in^
5. A method according to claim 4, characterized in that the method is carried out at a power density of 2. 6. A method according to claim 1, characterized in that the holding step is limited to less than 1 second. 7. The method of claim 1, wherein the excitation step is generally performed at a frequency of about 400 KH_2 and with a power of about 20 KW, and the holding step is limited to approximately 1 second or less. . 8. A conical valve seat of a steel valve seat insert coaxially fixed in a bore of an aluminum engine member, preventing harmful heat transfer by conduction of the steel seat insert and loosening of said insert. (b) having a frequency of at least 200KH_2 or higher and at least about 1
(c) energizing the inductor with a first power source having a selected power of 2 KW and producing a power density at the valve seat of at least about 25 KW/in^2;
(d) holding the conductor in an energized state for a preselected period of time to transform the metal forming the valve into an austenitic structure to a predetermined depth generally no greater than about 0.035 inches; , rapidly cooling the valve seat material. 9 The excitation stage is 25-45 KW at the valve seat.
9. The method of claim 8, wherein the method is carried out at a frequency of about 250-500 KH_2 with a power selected to produce a power density in the range of /in^2. 10. The method of claim 8, wherein the holding step is performed to a predetermined depth of about 0.024 inches in about 0.5 seconds.