シート肉盛を施したポペットバルブおよびその製造方法
【課題】高温割れを伴わないシート肉盛工程を備えたポペットバルブの製造方法の提供。
【解決手段】ヘッドのシート肉盛用溝に肉盛材料を溶着する肉盛工程を備えた大型ポペットバルブの製造方法で、バルブの母材を高Ｎｉ基材で構成し、肉盛工程では、ヘッド端面側を冷却しつつ、肉盛材料を溶着する。高Ｎｉ基材は、溶着熱でガンマ・プライム相の析出量が増えて結晶粒が成長するため、割れ感受性が増加し、大型バルブでは、溶着面積が大きく、母材3と肉盛部2間の境界に生じる熱応力（凝固収縮力）も大きいため、肉盛部2に沿った母材熱影響部3a内で高温割れ発生が懸念されるが、肉盛工程中、ヘッド端面側が冷や金20で冷却されて、母材熱影響部3aでは固相と液相が混在する時間が短縮され、ガンマ・プライム相の析出量と凝固収縮力が低減されて、高温割れが発生しない。
【解決手段】ヘッドのシート肉盛用溝に肉盛材料を溶着する肉盛工程を備えた大型ポペットバルブの製造方法で、バルブの母材を高Ｎｉ基材で構成し、肉盛工程では、ヘッド端面側を冷却しつつ、肉盛材料を溶着する。高Ｎｉ基材は、溶着熱でガンマ・プライム相の析出量が増えて結晶粒が成長するため、割れ感受性が増加し、大型バルブでは、溶着面積が大きく、母材3と肉盛部2間の境界に生じる熱応力（凝固収縮力）も大きいため、肉盛部2に沿った母材熱影響部3a内で高温割れ発生が懸念されるが、肉盛工程中、ヘッド端面側が冷や金20で冷却されて、母材熱影響部3aでは固相と液相が混在する時間が短縮され、ガンマ・プライム相の析出量と凝固収縮力が低減されて、高温割れが発生しない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポペットバルブの製造方法に係り、特に、シート肉盛が施された陸用または舶用の大型のポペットバルブを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのポペットバルブ、特に、ディーゼルエンジンや有鉛燃料エンジン用に供されている吸気・排気バルブは、比較的高い温度で、どちらかというと腐食雰囲気中で作動することが当産業界でよく知られている。
【０００３】
このため、エンジンのポペットバルブの製造では、バルブの表面を保護し、バルブの耐用寿命を上げるために、ポペットバルブのシート部を耐食性、耐摩耗性、耐摩損性、耐熱性のある合金で肉盛することが一般的に行なわれている。
【０００４】
下記特許文献１には、シート肉盛を施したポペットバルブを製造する従来の方法が記載されている。
【０００５】
即ち、ここには、「所望形状のヘッドを有するポペットバルブを製造する方法であって、初期のバルブヘッドを形成するために原材料から未仕上げのポペットバルブを熱間鍛造する熱間鍛造工程と、前記未仕上げポペットバルブのヘッドにシート肉盛用の溝を形成する溝形成工程と、前記未仕上げポペットバルブの前記シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を溶着させる肉盛工程と、前記シート肉盛材料を含むヘッド全体を熱間鍛造して所定形状のヘッドを形成する第２の熱間鍛造工程とを備えたエンジンポペットバルブの製造方法」が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１６００３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記した特許文献１の方法は、自動車や自動二輪車のエンジンに用いるポペットバルブを製造する上では問題ないが、この方法を、陸用または舶用のエンジンに用いる大型のポペットバルブの製造にそのまま適用した場合には、シート材溶着部の内部に高温割れが発生し、バルブ（シート肉盛部）の耐久性に難がある、という問題が提起された。なお、陸用または舶用のエンジンとしては、発電機用の大型ディーゼエンジンや大型ガスエンジン、船舶用の大型ディーゼエンジン等がある。
【０００８】
そこで、発明者がその原因について検討したところ、以下のようなことがわかった。
即ち、この種の陸用または舶用の大型のポペットバルブは、エンジンの燃料が重油であるため、ガソリンや軽油を燃料とする自動車や自動二輪車用のエンジンに用いられるバルブに比べて、より過酷な腐食雰囲気中での作動が求められており、母材は、自動車や自動二輪車用のポペットバルブの場合よりも、耐食性、耐摩耗性、耐摩損性、耐熱性により優れたNCF80A、NCF751、NCF4015、NCF3015等のニッケル基を多く含有する合金（以下、Ｎｉ高含有合金という）が用いられる。
【０００９】
しかし、Ｎｉ高含有合金は、入熱（溶着熱）によりＡｌ，Ｔｉの析出が促進されてガンマ・プライム相の析出量が増え、結晶粒が成長して、割れ感受性が高く（割れやすく）なる、という特性をもつ。
【００１０】
そして、この種の大型のポペットバルブは、自動車や自動二輪車用のポペットバルブよりも大型で、シート材溶着部における母材とシート肉盛部との境界面積も当然大きく、シート材溶着部が冷える際に母材とシート肉盛部との境界に発生する凝固収縮応力も、自動車や自動二輪車用のポペットバルブの場合と比べて大きい。
【００１１】
このため、肉盛工程において、シート材溶着部におけるシート肉盛部に沿った母材側熱影響部に、熱応力分布（シート材溶着部が冷える過程で母材側熱影響部に生じる凝固収縮応力）に起因した高温割れが発生し、バルブ（シート肉盛部）の耐久性が低下する。なお、肉盛工程で生じた高温割れが微細な場合は、肉盛工程後の第２の熱間鍛造工程によって、それが改善される（高温割れが鍛接される）場合もあるが、ほとんどの場合、第２の熱間鍛造工程を経たとしても高温割れが残り、バルブ（シート肉盛部）の耐久性が低下するという問題がある。
【００１２】
発明者が、肉盛工程における高温割れについて考察したところ、以下のことがわかった。図１２（ａ）に示すように、母材１に対しシート材を溶着すると、溶着終了直後のシート材溶着部は、図１２（ｂ）に示すように、溶着した高温のシート材に母材表層部１ａが溶け込んで、液相であるシート肉盛部２が外側（表面側）に形成される。
【００１３】
このシート肉盛部２の内側には、溶着熱の影響を受けて固相（結晶粒内）と液相（結晶粒界）が混在する母材側熱影響部１ｂが、溶着熱の影響を受けない固相である母材側非熱影響部１ｃとの間に形成される。その後、バルブヘッド（シート材溶着部）が冷えると、図１２（ｃ）に示すように、シート肉盛部２および母材側熱影響部１ｂも固相に変化する。しかし、大気に接するシート肉盛部２は、最も早く冷えて固相となるが、シート肉盛部２下層の母材側熱影響部１ｂでは、バルブヘッドの熱容量が大きいため冷え難く、熱がこもる状態（固相と液相が混在する形態）に保持されて、ガンマ・プライム相の析出量が増え、結晶粒が成長し、割れ感受性が増加する（割れやすくなる）。そして、シート材溶着部が冷える過程で、母材側熱影響部１ｂに発生する凝固収縮応力によって母材側熱影響部１ｂに高温割れが発生する、と推定される。そして、この母材側熱影響部１ｂに発生する高温割れは、母材側熱影響部１ｂにおける凝固開始温度（液相線）と凝固終了温度（固相線）との時間差が大きいほど著しい、ということが判った。
【００１４】
そこで、発明者は、母材側熱影響部１ｂに発生する高温割れを抑制するには、母材側熱影響部１ｂの固相・液相混在形態が継続する時間を短縮（凝固開始温度（液相線）と凝固終了温度（固相線）との時間差を小さく）すれば、母材側熱影響部１ｂにおけるガンマ・プライム相の析出量と凝固収縮応力が低減されると考えた。そして、そのためには、肉盛工程でバルブヘッドを積極的に冷やして、母材側熱影響部１ｂの液相（結晶粒界）を早く凝固させてやればよく、即ち母材側熱影響部１ｂ全体を早く冷却すればよい、と考えた。
【００１５】
そして、ヘッドの（端面側）を冷却しつつ、シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を溶着する実験を重ねた結果、有効である（肉盛工程においてシート材溶着部の内部に高温割れが発生しない）ことが確認されたので、このたびの出願に至ったものである。
【００１６】
このように、本発明は、前記した従来技術の問題点および前記した発明者の知見に基づいてなされたもので、その第１の目的は、高温割れを伴わないシート肉盛工程を備えた陸用または舶用のポペットバルブの製造方法を提供することであり、その第２の目的は、肉盛を施したシート部の耐久性に優れた陸用または舶用のポペットバルブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記第１の目的を達成するために、請求項１に係るポペットバルブの製造方法においては、
軸端部にヘッドが一体的に形成されたポペットバルブを製造する方法であって、
バルブヘッドを形成するために原材料から未仕上げのポペットバルブを熱間鍛造する工程と、
前記未仕上げのポペットバルブのヘッドにシート肉盛用の溝を形成する工程と、
前記シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を溶着する肉盛工程と、
前記ヘッドの前記シート肉盛部を含む領域を熱間鍛造する工程を備えたポペットバルブの製造方法において、
前記ポペットバルブは、その母材がＮｉ高含有合金で構成された陸用または舶用のポペットバルブで、前記肉盛工程では、ヘッドを冷却しつつ、シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を溶着するように構成した。
【００１８】
（作用）陸用または舶用ポペットバルブは、その母材がＮｉ高含有合金（溶着熱によりＡｌ，Ｔｉの析出が促進されてガンマ・プライム相の析出量が増え、結晶粒が成長するため、割れ感受性が増大する（割れやすくなる）、という特性をもつ）で構成されている。さらに、陸用または舶用のポペットバルブは、自動車や自動二輪車用のポペットバルブよりも大型で、シート材溶着部における母材とシート肉盛部との境界面積も当然に大きく、シート材溶着部が冷える際に母材とシート肉盛部との境界に発生する凝固収縮応力も、自動車や自動二輪車用のポペットバルブの場合と比べて大きい。
【００１９】
このため、シート材を溶着する肉盛工程終了後、シート材溶着部が冷える過程で、シート材溶着部の内部（溶着熱の影響を受けて固相と液相が混在する母材側熱影響部）に凝固収縮応力に起因した高温割れが発生するおそれがあるが、シート材を溶着する肉盛工程中、バルブヘッドが冷却されているので、シート材溶着部内部の母材側熱影響部では、その上層側に積層するシート肉盛部に放熱されるとともに、その下層側に積層する、ヘッドを構成する母材側非熱影響部にも積極的に放熱される。このため、母材側熱影響部では、冷えて固相になるまでの時間、即ち固相・液相混在形態が継続する時間が短縮されて（凝固開始温度（液相線）と凝固終了温度（固相線）との時間差が小さくなって）、母材側熱影響部におけるガンマ・プライム相の析出量と凝固収縮応力が低減され、母材側熱影響部に高温割れが発生しない。
【００２０】
なお、バルブを冷却しすぎた場合（冷却速度が速すぎた場合）は、放熱性の悪い（冷えるのが遅い）部位に凝固収縮応力の大きい領域が移動して、そこに局所的に高温割れが発生するので、バルブ全体をほぼ均一に、しかも徐々に冷却することが望ましい。例えば、請求項２に示すように、バルブヘッドの端面側を冷却する場合で、バルブを冷却しすぎた場合（冷却速度が速すぎた場合）は、母材側熱影響部における内径側に高温割れが発生するので、バルブヘッドの端面側をほぼ均一に、しかも徐々に冷却することが望ましい。
【００２１】
請求項２においては、請求項１に記載のポペットバルブの製造方法において、前記肉盛工程では、前記バルブヘッドの端面側を冷却しつつ、前記シート肉盛用の溝に前記シート肉盛材料を溶着するように構成した。
【００２２】
（作用）母材側熱影響部は、バルブヘッドの端面側を構成する母材側非熱影響部に積層しており、バルブヘッドの端面側（母材側非熱影響部）を冷却することで、母材側熱影響部から母材側非熱影響部への放熱が有効に促進されて、母材側熱影響部の固相・液相混在形態が継続する時間がより短縮（凝固開始温度（液相線）と凝固終了温度（固相線）との時間差がより小さく）されて、母材側熱影響部におけるガンマ・プライム相の析出量と凝固収縮応力が確実に低減されるので、母材側熱影響部に高温割れが確実に発生しない。
【００２３】
請求項３においては、請求項１または２に記載のポペットバルブの製造方法において、
前記肉盛工程では、前記バルブヘッドの端面側を冷却用台座に当接させた状態で、前記シート肉盛材料を溶着するように構成した。
特に、冷却用台座を冷し金で構成することで、バルブヘッドの端面側を均一に冷却することができる。
【００２４】
（作用）母材側非熱影響部に伝達された溶着熱が冷却用台座（冷し金）を介して確実かつ効果的に放熱されるので、母材側熱影響部が固相・液相混在形態に保持される時間がさらにいっそう短縮され、ガンマ・プライム相の析出量が確実に低減されることになって、いっそう割れ感受性が増加しない（割れやすくならない）。
【００２５】
請求項４においては、請求項１〜３のいずれかに記載のポペットバルブの製造方法において、前記肉盛工程では、前記シート肉盛材料をプラズマアーク溶接するように構成した。
【００２６】
（作用）シート肉盛材料は、例えばコバルトベース合金やニッケルベース合金等といった、バルブの母材（Ｎｉ高含有合金）よりも耐食性、耐磨耗性、耐摩損性、耐熱性に優れた高融点の素材で構成されているが、プラズマアーク放電で生成されるアークは、シート肉盛材料（素材）の融点以上の所定の高温になるので、粉末状のシート肉盛材料をプラズマアーク放電用トーチに導き、該トーチからシート肉盛用の溝に肉盛材料を溶着することができる。
【００２７】
請求項５においては、請求項４に記載のポペットバルブの製造方法において、前記肉盛工程では、鉛直下方に向けたプラズマアーク放電用トーチの真下に前記シート肉盛用の溝が正対するように前記バルブを傾斜して配置するとともに、前記バルブを軸廻りに回転させつつ前記溝にシート肉盛材料を溶着するように構成した。
【００２８】
（作用）バルブを軸廻りに回転させつつ、プラズマアーク放電用トーチから、溶融したシート肉盛材料を重力方向下方のシート肉盛用の溝に溶着することで、シート肉盛用の溝全周にシート肉盛材料を溶着する。
【００２９】
固定したバルブヘッドの廻りにトーチをシート肉盛用の溝に沿って走行（周回）させる方法もあるが、シート肉盛用の溝に正対するように配置したトーチの溶着方向は鉛直下向きではなく、バルブの軸に対し傾斜するため、トーチのシート肉盛用の溝に対する姿勢も常に変化し、シート溶着部の厚さが周方向に不均一となり、それだけ後工程も面倒である。さらに、肉盛工程において、シート肉盛用の溝外に飛散する溶融肉盛材料も多く、それだけシート肉盛材料が無駄に消費される。
【００３０】
これに対し、請求項５では、鉛直下向きに固定したプラズマアーク放電用トーチに対し、シート肉盛用の溝が正対するように傾斜させたバルブを、その軸廻りに回転させるように構成したので、トーチのシート肉盛用の溝に対する姿勢（関係）は常に一定であり、シート溶着部の厚さが周方向に均一となり、それだけ後工程も簡単である。さらに、肉盛工程において、シート肉盛用の溝外に飛散する溶融肉盛材料が少なく、シート肉盛材料の無駄が少ない。
【００３１】
請求項６に係るポペットバルブにおいては、軸端部にヘッドが一体的に形成されたポペットバルブであって、請求項１〜５のいずれかに記載の方法により製造するように構成した。
【００３２】
（作用）製造された陸用または舶用ポペットバルブのシート部に割れが発生しない。
【発明の効果】
【００３３】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係るポペットバルブの製造方法によれば、シート材溶着部に高温割れが発生しない肉盛工程を備えたポペットバルブの製造方法が提供されるので、シート材溶着部の耐久性に優れた陸用または舶用のポペットバルブを製造できる。
【００３４】
請求項２によれば、シート材溶着部に高温割れが確実に発生しない肉盛工程を備えたポペットバルブの製造方法が提供されるので、シート材溶着部の耐久性にさらに優れた陸用または舶用のポペットバルブを製造できる。
【００３５】
請求項３によれば、割れ感受性の増加（割れやすくなること）が抑制されるので、肉盛工程でシート材溶着部に高温割れの確実に発生しないポペットバルブの製造方法が提供されて、肉盛部の耐久性に優れた陸用または舶用のポペットバルブを製造できる。
【００３６】
請求項４によれば、シート肉盛材料である高融点のＮｉ高含有合金をシート肉盛用の溝に沿って溶着することで、肉盛工程を簡単に遂行できる。
【００３７】
請求項５によれば、トーチのシート肉盛用の溝に対する姿勢（関係）は常に一定であるため、シート溶着部の厚さが周方向に均一となる分、後工程が簡単になる。また、肉盛工程において、シート肉盛用の溝外に飛散する溶融肉盛材料が少ないため、シート肉盛材料の消費量を大幅に低減できる。
【００３８】
請求項６によれば、シート部の内部に割れが発生しない陸用または舶用のポペットバルブを製造できるので、シート部の耐久性に優れた陸用または舶用のポペットバルブを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】舶用ポペットバルブの据え込み工程を説明する説明図である。
【図２】同ポペットバルブを熱間鍛造する工程を説明する説明図である。
【図３】同ポペットバルブのヘッド外周に溝入れする工程を説明する説明図である。
【図４】同ポペットバルブのヘッド外周の溝にシート材を溶着する工程を説明する説明図である。
【図５】シート材溶着部を荒削りする工程を説明する説明図である。
【図６】同ポペットバルブを再び熱間鍛造する工程を説明する説明図である。
【図７】同ポペットバルブの表面を切削する工程を説明する説明図である。
【図８】同ポペットバルブの表面を研削する工程を説明する説明図である。
【図９】製造されたポペットバルブ全体の側面図である。
【図１０】肉盛工程終了時のシート材溶着部を拡大して示すポペットバルブのヘッドの断面図である。
【図１１】肉盛工程の際にポペットバルブを支持する装置全体の構成を示す断面図である。
【図１２】肉盛工程においてシート材溶着部の内部に高温割れが発生するメカニズムを説明する図で、（ａ）は肉盛前の母材の断面図、（ｂ）は肉盛中のシート材溶着部の断面図、（ｃ）は肉盛した後に冷却されたシート材溶着部の断面図をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００４１】
図１〜８は、舶用ポペットバルブを製造する実施例方法を示す図で、 ＮＣＦ８０Ａ製の棒状素材に対し、図１〜８に示すそれぞれの加工を順次施すことで、図９に示すように、軸１１の一端部に所定形状のヘッド１２が一体的に形成され、ヘッド１２のシート部１３をステライト合金712製のシート肉盛材で補強した舶用ポペットバルブ１０を製造することができる。このポペットバルブ１０は、ヘッド径約１００ｍｍ、軸径約２５ｍｍ、全長約５００ｍｍの大型のポペットバルブで、符号１１ａは、コッター溝である。
【００４２】
このポペットバルブ１０を製造するには、まず、図１に示す据え込み工程において、一対の電極１４ａ，１４ｂ間に電圧を与えて加熱（約１１００℃）したＮＣＦ８０Ａ製の棒状の素材Ｗ１を、軸方向に加圧してヘッド部を所定の形状に加工するとともに、次の熱間鍛造のために、ヘッド部に余熱を与える。この据え込み工程終了後の未仕上げバルブを符号Ｗ２で示す。
【００４３】
次に、図２に示す熱間鍛造では、据え込み工程で据え込んだ素材Ｗ２のヘッド部を熱間鍛造により、所定の形状に成形する。この熱間鍛造工程終了後の未仕上げバルブを符号Ｗ３で示す。
【００４４】
次に、図３に示す溝形成工程では、未仕上げバルブＷ３を回転させつつ、切削工具１５を使って、ヘッド部の座面に肉盛用の溝１６を形成する。この溝形成工程終了後の未仕上げバルブを符号Ｗ４で示す。
【００４５】
次に、図４に示す肉盛工程では、シート部１３（図９参照）の耐久性等を高めるために、耐摩耗性材料（ステライト合金712）をプラズマアーク溶接により、未仕上げバルブＷ４の肉盛用の溝１６に溶着（肉盛り）する。図１０において、符号Ｗ５は、この肉盛工程終了後の未仕上げバルブを示し、符号２は、溝１６に溶着されたシート肉盛部を示す。
【００４６】
この図４に示す肉盛工程では、鉛直下方に向けたプラズマアーク放電用トーチ７０の真下にシート肉盛用の溝１６が正対するように未仕上げバルブＷ４を傾斜して配置するとともに、バルブＷ４を軸廻りに回転させつつシート肉盛材料を溝１６内に溶着することで、溝１６全体に肉盛りを施す。特に、バルブＷ４のヘッド部を冷し金２０を用いて冷却しつつ、肉盛工程を行うことで、シート材溶着部の内部に高温割れが生じない。
【００４７】
次に、図５に示す切削工程では、肉盛工程を経た未仕上げバルブＷ５を回転させつつ、切削工具１７を使って、肉盛部が平面となるように切削加工する。切削加工終了後の未仕上げバルブを符号Ｗ６で示す。
【００４８】
次に、図６に示す再熱間鍛造・熱処置工程では、金型および未仕上げバルブＷ６をバーナで９００〜１０００℃に加熱し、バルブＷ６を再び熱間鍛造した後、バルブＷ４に溶体化処理（約1000℃で電気炉に所定時間保持した後、冷却）と時効処理（約700℃で電気炉に所定時間保持した後、冷却）を施す。再熱間鍛造・熱処置工程終了後の未仕上げバルブを符号Ｗ７で示す。
【００４９】
次に、図７に示す切削工程では、未仕上げバルブＷ７を回転させつつ、切削工具１８を使って、ヘッドのシート部，首下Ｒ部，軸部およびコッター溝１１ａの切削加工を行い、最後に、図８に示すように、未仕上げバルブＷ８を回転させつつ、研削工具１９を使って、シート部および軸部を設計値どおりの粗さに仕上げることで、図９に示す、バルブ１０が出来上がる。
【００５０】
そして、バルブ１０の製造方法を説明する、図１〜８に示す各工程のうち、図４に示す肉盛工程を除く各工程、即ち、図１の据え込み工程，図２の熱間鍛造工程，図３の溝入れ工程，図５のシート面荒削り工程，図６の熱間鍛造・熱処理工程，図７の切削工程および図８の研削工程については、いずれの工程も従来の舶用バルブの製造方法を構成する各工程と同じであるので、これらの各工程の詳しい説明は省略し、従来の舶用バルブの製造方法と異なる図４に示す肉盛工程について、詳しく説明する。
【００５１】
図１１は、図４に示す肉盛工程を実施するための装置全体の構成を示す断面図である。
【００５２】
符号２０は、内部に冷却水循環路Ｌを備えた円盤形状の冷し金で、その上面には、バルブ１０のヘッド端面側を密着した状態に保持できる凹部２２が形成されている。
【００５３】
符号３０は、バルブ１０の軸端部を支持する軸端押さえ金で、アンギュラーベアリング３２を介して、装置本体側のバルブ軸端支持部３４に回転可能に支承されている。
【００５４】
冷し金２０内部の冷却水循環路Ｌは、中央の給水路Ｌ１と給水路Ｌ１から周方向等分放射状に延びる排水路Ｌ２で構成され、給水路Ｌ１と排水路Ｌ２は、冷し金２０に連結一体化された冷し金継手２４，冷し金継手２４に連結一体化された従動側回転軸４０および従動側回転軸の下端部に連結されたロータリジョイント５０（可動側ジョイント５０ａ、固定側ジョイント５０ｂ）内にそれぞれ延びて、固定側ロータリジョイント５０ｂに接続された給水管４２と配水管４４にそれぞれ連通している。
【００５５】
冷し金２０の下面側に突出する冷し金継手２４は、チャック台座５０に設けた半径方向に拡縮動作可能な３個のチャック（爪部材）５２で把持されて、チャック台座５０上に固定されている。
【００５６】
チャック台座５０の中央円孔５１を貫通して下方に延出する従動側回転軸４０には、チャック台座５０の下部に一体化された従動側プーリ６４が軸着され、サーボモータ６０の出力軸６２に軸着された駆動側プーリ５２と従動側プーリ５４間には、タイミングベルト６６が介装されている。
【００５７】
また、装置本体側のバルブ軸端支持部３４は、バルブ１０の軸端部を支持する軸端押さ金３０を介してバルブ１０を冷し金２０に向けて加圧（押圧）できるように構成されており、冷し金２０と軸端押え金３０で上下方向に挟持されたバルブ１０は、サーボモータ６０の駆動により、チャック台座５０，回転軸４０，プーリ５４，ロータリジョイント可動部５０ａと一体となって、装置本体側のロータリジョイント固定部５０ｂ，バルブ軸端支持部３４に対し回転する。
【００５８】
また、従動側回転軸４０の回転中心軸は、鉛直下方に向けたプラズマアーク放電用トーチ７０に対し４５度傾斜（鉛直軸に対し４５度傾斜）するように配置されており、冷し金２０と軸端押え金３０に支持されたバルブ１０は、そのシート肉盛用の溝１６がプラズマアーク放電用トーチ７０の真下において、トーチ７０と上下方向に正対する形態となる。
【００５９】
サーボモータ６０の駆動およびプラズマアーク放電用トーチ７０によるシート材の溶着は、バルブ１０を回転しつつ、トーチ７０によるシート材の溶着を行うように、図示しない制御ユニットによって制御されている。例えば、バルブ１０を２回転させることで、溝１６全周に亘ってほぼ均一な所定厚さのシート肉盛部を形成できる。
【００６０】
また、冷し金２０内部の冷却水循環路Ｌへの給排水についても、図示しない制御ユニットによって制御されている。即ち、冷し金２０には、温度センサが設けられ、トーチ７０による溝１６へのシート材の溶着が行われている間、温度センサによる検出温度が所定温度となるように、ポンプＰの駆動をオン／オフ制御することで、冷し金２０内部の冷却水循環路Ｌへの給水が制御されている。
【００６１】
このため、バルブ１０をその軸廻りに所定速度で回転させつつ、トーチ７０からシート肉盛材を溝１６内に溶射することで、溝１６全周にシート肉盛材が肉盛りされるが、図４に示す肉盛工程の間中、即ちトーチ７０からシート肉盛材を溝１６に溶射（溶着）する間中、バルブ１０のヘッド端面側の温度は所定の温度に保持されて、シート材溶着部の内部に高温割れが生じない。
【００６２】
即ち、舶用ポペットバルブ１０は、その母材がNCF80A（溶着熱によりＡｌ，Ｔｉの析出が促進されてガンマ・プライム相の析出量が増え、結晶粒が成長するため、割れ感受性が増大する（割れやすくなる）、という特性をもつＮｉ高含有合金）で構成されている。
【００６３】
さらに、舶用ポペットバルブ１０は、自動車や自動二輪車用のポペットバルブよりも大型で、シート材溶着部における母材とシート肉盛部との境界面積も当然に大きく、シート材溶着部が冷える際に母材とシート肉盛部との境界に発生する凝固収縮応力も、自動車や自動二輪車用のポペットバルブの場合と比べて大きい。
【００６４】
このため、図１０に拡大して示すように、シート材を溶着する肉盛工程終了後、シート材溶着部が冷える過程で、シート材溶着部の内部（溶着熱の影響を受けて固相と液相が混在する母材側熱影響部３ａ）に凝固収縮応力に起因した高温割れが発生するおそれがあるが、シート材を溶着する肉盛工程中、バルブヘッド端面側が冷し金２０によって積極的に冷却されているので、シート材溶着部内部の母材側熱影響部３ａでは、その上層側に積層するシート肉盛部２に放熱されるとともに、その下層側に積層する、ヘッドを構成する母材側非熱影響部３ｂにも積極的に放熱されて、母材側熱影響部３ａの固相・液相混在形態が継続する時間が短縮されて（凝固開始温度（液相線）と凝固終了温度（固相線）との時間差が小さくなって）、母材側熱影響部３ａにおけるガンマ・プライム相の析出量と凝固収縮応力が低減され、母材側熱影響部３ａに高温割れが発生しない。
【００６５】
特に、肉盛工程の間中（トーチ７０による溝１６へのシート材の溶着が行われている間中）、冷し金２０の温度は、シート材溶着部における母材側熱影響部３ａにおけるガンマ・プライム相の析出量と凝固収縮応力を低減する上で有効な所定温度に保持されているので、母材側熱影響部３ａに高温割れが確実に発生しない。なお、図１０において、符号３は母材を示し、図１０における矢印は、放熱方向を示す。
【００６６】
また、図６に示す再熱間鍛造工程では、金型およびバルブＷ６をバーナで９００〜１０００℃に加熱し、バルブＷ６を熱間鍛造するが、肉盛工程終了後のバルブＷ６を再び鍛造することで、シート溶着部の内部の母材側熱影響部３ａにおける高温割れがより確実に一掃されている。
【００６７】
即ち、肉盛工程では、母材側熱影響部３ａに高温割れが発生しないが、仮に、肉盛工程を経た段階で、母材側熱影響部３ａに微小な割れが残存していたとしても、肉盛工程後に行われる再熱間鍛造によって、母材側熱影響部３ａに生じている高温割れが接合（鍛接）されることになるので、シート肉盛部の内部の母材側熱影響部３ａに高温割れが残るおそれは、全くない。
【００６８】
このように、本実施例方法では、シート肉盛を施した舶用ポペットバルブで、シート部１３の耐久性に優れた舶用ポペットバルブ１０を製造できる。
【００６９】
なお前記した実施例方法では、母材をNCF80Aで構成したバルブ本体のシート部１３にステライト合金712製のシート材を肉盛したポペットバルブ１０およびその製造方法について説明したが、バルブ本体を構成する母材としては、NCF80A以外にNCF751、NCF4015、NCF3015などが考えられ、シート部１３を構成するシート材としては、母材構成材よりも耐食性、耐摩耗性、耐摩損性、耐熱性により優れたコバルトベース合金またはニッケルベース合金等が考えられる。
【００７０】
そして、前記した実施例方法の肉盛工程では、冷し金２０の温度を所定の温度に調整してバルブヘッドを冷却しているが、バルブの母材、肉盛するシート材，溶着温度，溝巾の大きさ等によって、冷し金２０の設定温度が異なることは言うまでもない。
【００７１】
また、前記した実施例方法では、冷し金２０を水冷方式で冷却しているが、オイルや空気で冷却するようにしてもよい。
【００７２】
また、前記した実施例方法では、舶用ポペットバルブ１０の製造方法について説明したが、本発明は、舶用ポペットバルブ１０の製造方法に限るものではなく、発電機用の大型ディーゼルエンジンや大型ガスエンジン等の腐食雰囲気での使用が求められている大型の陸用ポペットバルブの製造方法についても、同様に適用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７３】
２ シート肉盛部
３ 母材
３ａ 母材側熱影響部
３ｂ 母材側非熱影響部
１０ エンジンポペットバルブ
１１ 軸
１２ バルブヘッド
１３ バルブシート部
１６ シート肉盛用の溝
２０ 冷し金
Ｌ 冷却水循環路
７０ プラズマアーク放電用トーチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポペットバルブの製造方法に係り、特に、シート肉盛が施された陸用または舶用の大型のポペットバルブを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのポペットバルブ、特に、ディーゼルエンジンや有鉛燃料エンジン用に供されている吸気・排気バルブは、比較的高い温度で、どちらかというと腐食雰囲気中で作動することが当産業界でよく知られている。
【０００３】
このため、エンジンのポペットバルブの製造では、バルブの表面を保護し、バルブの耐用寿命を上げるために、ポペットバルブのシート部を耐食性、耐摩耗性、耐摩損性、耐熱性のある合金で肉盛することが一般的に行なわれている。
【０００４】
下記特許文献１には、シート肉盛を施したポペットバルブを製造する従来の方法が記載されている。
【０００５】
即ち、ここには、「所望形状のヘッドを有するポペットバルブを製造する方法であって、初期のバルブヘッドを形成するために原材料から未仕上げのポペットバルブを熱間鍛造する熱間鍛造工程と、前記未仕上げポペットバルブのヘッドにシート肉盛用の溝を形成する溝形成工程と、前記未仕上げポペットバルブの前記シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を溶着させる肉盛工程と、前記シート肉盛材料を含むヘッド全体を熱間鍛造して所定形状のヘッドを形成する第２の熱間鍛造工程とを備えたエンジンポペットバルブの製造方法」が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１６００３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記した特許文献１の方法は、自動車や自動二輪車のエンジンに用いるポペットバルブを製造する上では問題ないが、この方法を、陸用または舶用のエンジンに用いる大型のポペットバルブの製造にそのまま適用した場合には、シート材溶着部の内部に高温割れが発生し、バルブ（シート肉盛部）の耐久性に難がある、という問題が提起された。なお、陸用または舶用のエンジンとしては、発電機用の大型ディーゼエンジンや大型ガスエンジン、船舶用の大型ディーゼエンジン等がある。
【０００８】
そこで、発明者がその原因について検討したところ、以下のようなことがわかった。
即ち、この種の陸用または舶用の大型のポペットバルブは、エンジンの燃料が重油であるため、ガソリンや軽油を燃料とする自動車や自動二輪車用のエンジンに用いられるバルブに比べて、より過酷な腐食雰囲気中での作動が求められており、母材は、自動車や自動二輪車用のポペットバルブの場合よりも、耐食性、耐摩耗性、耐摩損性、耐熱性により優れたNCF80A、NCF751、NCF4015、NCF3015等のニッケル基を多く含有する合金（以下、Ｎｉ高含有合金という）が用いられる。
【０００９】
しかし、Ｎｉ高含有合金は、入熱（溶着熱）によりＡｌ，Ｔｉの析出が促進されてガンマ・プライム相の析出量が増え、結晶粒が成長して、割れ感受性が高く（割れやすく）なる、という特性をもつ。
【００１０】
そして、この種の大型のポペットバルブは、自動車や自動二輪車用のポペットバルブよりも大型で、シート材溶着部における母材とシート肉盛部との境界面積も当然大きく、シート材溶着部が冷える際に母材とシート肉盛部との境界に発生する凝固収縮応力も、自動車や自動二輪車用のポペットバルブの場合と比べて大きい。
【００１１】
このため、肉盛工程において、シート材溶着部におけるシート肉盛部に沿った母材側熱影響部に、熱応力分布（シート材溶着部が冷える過程で母材側熱影響部に生じる凝固収縮応力）に起因した高温割れが発生し、バルブ（シート肉盛部）の耐久性が低下する。なお、肉盛工程で生じた高温割れが微細な場合は、肉盛工程後の第２の熱間鍛造工程によって、それが改善される（高温割れが鍛接される）場合もあるが、ほとんどの場合、第２の熱間鍛造工程を経たとしても高温割れが残り、バルブ（シート肉盛部）の耐久性が低下するという問題がある。
【００１２】
発明者が、肉盛工程における高温割れについて考察したところ、以下のことがわかった。図１２（ａ）に示すように、母材１に対しシート材を溶着すると、溶着終了直後のシート材溶着部は、図１２（ｂ）に示すように、溶着した高温のシート材に母材表層部１ａが溶け込んで、液相であるシート肉盛部２が外側（表面側）に形成される。
【００１３】
このシート肉盛部２の内側には、溶着熱の影響を受けて固相（結晶粒内）と液相（結晶粒界）が混在する母材側熱影響部１ｂが、溶着熱の影響を受けない固相である母材側非熱影響部１ｃとの間に形成される。その後、バルブヘッド（シート材溶着部）が冷えると、図１２（ｃ）に示すように、シート肉盛部２および母材側熱影響部１ｂも固相に変化する。しかし、大気に接するシート肉盛部２は、最も早く冷えて固相となるが、シート肉盛部２下層の母材側熱影響部１ｂでは、バルブヘッドの熱容量が大きいため冷え難く、熱がこもる状態（固相と液相が混在する形態）に保持されて、ガンマ・プライム相の析出量が増え、結晶粒が成長し、割れ感受性が増加する（割れやすくなる）。そして、シート材溶着部が冷える過程で、母材側熱影響部１ｂに発生する凝固収縮応力によって母材側熱影響部１ｂに高温割れが発生する、と推定される。そして、この母材側熱影響部１ｂに発生する高温割れは、母材側熱影響部１ｂにおける凝固開始温度（液相線）と凝固終了温度（固相線）との時間差が大きいほど著しい、ということが判った。
【００１４】
そこで、発明者は、母材側熱影響部１ｂに発生する高温割れを抑制するには、母材側熱影響部１ｂの固相・液相混在形態が継続する時間を短縮（凝固開始温度（液相線）と凝固終了温度（固相線）との時間差を小さく）すれば、母材側熱影響部１ｂにおけるガンマ・プライム相の析出量と凝固収縮応力が低減されると考えた。そして、そのためには、肉盛工程でバルブヘッドを積極的に冷やして、母材側熱影響部１ｂの液相（結晶粒界）を早く凝固させてやればよく、即ち母材側熱影響部１ｂ全体を早く冷却すればよい、と考えた。
【００１５】
そして、ヘッドの（端面側）を冷却しつつ、シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を溶着する実験を重ねた結果、有効である（肉盛工程においてシート材溶着部の内部に高温割れが発生しない）ことが確認されたので、このたびの出願に至ったものである。
【００１６】
このように、本発明は、前記した従来技術の問題点および前記した発明者の知見に基づいてなされたもので、その第１の目的は、高温割れを伴わないシート肉盛工程を備えた陸用または舶用のポペットバルブの製造方法を提供することであり、その第２の目的は、肉盛を施したシート部の耐久性に優れた陸用または舶用のポペットバルブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記第１の目的を達成するために、請求項１に係るポペットバルブの製造方法においては、
軸端部にヘッドが一体的に形成されたポペットバルブを製造する方法であって、
バルブヘッドを形成するために原材料から未仕上げのポペットバルブを熱間鍛造する工程と、
前記未仕上げのポペットバルブのヘッドにシート肉盛用の溝を形成する工程と、
前記シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を溶着する肉盛工程と、
前記ヘッドの前記シート肉盛部を含む領域を熱間鍛造する工程を備えたポペットバルブの製造方法において、
前記ポペットバルブは、その母材がＮｉ高含有合金で構成された陸用または舶用のポペットバルブで、前記肉盛工程では、ヘッドを冷却しつつ、シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を溶着するように構成した。
【００１８】
（作用）陸用または舶用ポペットバルブは、その母材がＮｉ高含有合金（溶着熱によりＡｌ，Ｔｉの析出が促進されてガンマ・プライム相の析出量が増え、結晶粒が成長するため、割れ感受性が増大する（割れやすくなる）、という特性をもつ）で構成されている。さらに、陸用または舶用のポペットバルブは、自動車や自動二輪車用のポペットバルブよりも大型で、シート材溶着部における母材とシート肉盛部との境界面積も当然に大きく、シート材溶着部が冷える際に母材とシート肉盛部との境界に発生する凝固収縮応力も、自動車や自動二輪車用のポペットバルブの場合と比べて大きい。
【００１９】
このため、シート材を溶着する肉盛工程終了後、シート材溶着部が冷える過程で、シート材溶着部の内部（溶着熱の影響を受けて固相と液相が混在する母材側熱影響部）に凝固収縮応力に起因した高温割れが発生するおそれがあるが、シート材を溶着する肉盛工程中、バルブヘッドが冷却されているので、シート材溶着部内部の母材側熱影響部では、その上層側に積層するシート肉盛部に放熱されるとともに、その下層側に積層する、ヘッドを構成する母材側非熱影響部にも積極的に放熱される。このため、母材側熱影響部では、冷えて固相になるまでの時間、即ち固相・液相混在形態が継続する時間が短縮されて（凝固開始温度（液相線）と凝固終了温度（固相線）との時間差が小さくなって）、母材側熱影響部におけるガンマ・プライム相の析出量と凝固収縮応力が低減され、母材側熱影響部に高温割れが発生しない。
【００２０】
なお、バルブを冷却しすぎた場合（冷却速度が速すぎた場合）は、放熱性の悪い（冷えるのが遅い）部位に凝固収縮応力の大きい領域が移動して、そこに局所的に高温割れが発生するので、バルブ全体をほぼ均一に、しかも徐々に冷却することが望ましい。例えば、請求項２に示すように、バルブヘッドの端面側を冷却する場合で、バルブを冷却しすぎた場合（冷却速度が速すぎた場合）は、母材側熱影響部における内径側に高温割れが発生するので、バルブヘッドの端面側をほぼ均一に、しかも徐々に冷却することが望ましい。
【００２１】
請求項２においては、請求項１に記載のポペットバルブの製造方法において、前記肉盛工程では、前記バルブヘッドの端面側を冷却しつつ、前記シート肉盛用の溝に前記シート肉盛材料を溶着するように構成した。
【００２２】
（作用）母材側熱影響部は、バルブヘッドの端面側を構成する母材側非熱影響部に積層しており、バルブヘッドの端面側（母材側非熱影響部）を冷却することで、母材側熱影響部から母材側非熱影響部への放熱が有効に促進されて、母材側熱影響部の固相・液相混在形態が継続する時間がより短縮（凝固開始温度（液相線）と凝固終了温度（固相線）との時間差がより小さく）されて、母材側熱影響部におけるガンマ・プライム相の析出量と凝固収縮応力が確実に低減されるので、母材側熱影響部に高温割れが確実に発生しない。
【００２３】
請求項３においては、請求項１または２に記載のポペットバルブの製造方法において、
前記肉盛工程では、前記バルブヘッドの端面側を冷却用台座に当接させた状態で、前記シート肉盛材料を溶着するように構成した。
特に、冷却用台座を冷し金で構成することで、バルブヘッドの端面側を均一に冷却することができる。
【００２４】
（作用）母材側非熱影響部に伝達された溶着熱が冷却用台座（冷し金）を介して確実かつ効果的に放熱されるので、母材側熱影響部が固相・液相混在形態に保持される時間がさらにいっそう短縮され、ガンマ・プライム相の析出量が確実に低減されることになって、いっそう割れ感受性が増加しない（割れやすくならない）。
【００２５】
請求項４においては、請求項１〜３のいずれかに記載のポペットバルブの製造方法において、前記肉盛工程では、前記シート肉盛材料をプラズマアーク溶接するように構成した。
【００２６】
（作用）シート肉盛材料は、例えばコバルトベース合金やニッケルベース合金等といった、バルブの母材（Ｎｉ高含有合金）よりも耐食性、耐磨耗性、耐摩損性、耐熱性に優れた高融点の素材で構成されているが、プラズマアーク放電で生成されるアークは、シート肉盛材料（素材）の融点以上の所定の高温になるので、粉末状のシート肉盛材料をプラズマアーク放電用トーチに導き、該トーチからシート肉盛用の溝に肉盛材料を溶着することができる。
【００２７】
請求項５においては、請求項４に記載のポペットバルブの製造方法において、前記肉盛工程では、鉛直下方に向けたプラズマアーク放電用トーチの真下に前記シート肉盛用の溝が正対するように前記バルブを傾斜して配置するとともに、前記バルブを軸廻りに回転させつつ前記溝にシート肉盛材料を溶着するように構成した。
【００２８】
（作用）バルブを軸廻りに回転させつつ、プラズマアーク放電用トーチから、溶融したシート肉盛材料を重力方向下方のシート肉盛用の溝に溶着することで、シート肉盛用の溝全周にシート肉盛材料を溶着する。
【００２９】
固定したバルブヘッドの廻りにトーチをシート肉盛用の溝に沿って走行（周回）させる方法もあるが、シート肉盛用の溝に正対するように配置したトーチの溶着方向は鉛直下向きではなく、バルブの軸に対し傾斜するため、トーチのシート肉盛用の溝に対する姿勢も常に変化し、シート溶着部の厚さが周方向に不均一となり、それだけ後工程も面倒である。さらに、肉盛工程において、シート肉盛用の溝外に飛散する溶融肉盛材料も多く、それだけシート肉盛材料が無駄に消費される。
【００３０】
これに対し、請求項５では、鉛直下向きに固定したプラズマアーク放電用トーチに対し、シート肉盛用の溝が正対するように傾斜させたバルブを、その軸廻りに回転させるように構成したので、トーチのシート肉盛用の溝に対する姿勢（関係）は常に一定であり、シート溶着部の厚さが周方向に均一となり、それだけ後工程も簡単である。さらに、肉盛工程において、シート肉盛用の溝外に飛散する溶融肉盛材料が少なく、シート肉盛材料の無駄が少ない。
【００３１】
請求項６に係るポペットバルブにおいては、軸端部にヘッドが一体的に形成されたポペットバルブであって、請求項１〜５のいずれかに記載の方法により製造するように構成した。
【００３２】
（作用）製造された陸用または舶用ポペットバルブのシート部に割れが発生しない。
【発明の効果】
【００３３】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係るポペットバルブの製造方法によれば、シート材溶着部に高温割れが発生しない肉盛工程を備えたポペットバルブの製造方法が提供されるので、シート材溶着部の耐久性に優れた陸用または舶用のポペットバルブを製造できる。
【００３４】
請求項２によれば、シート材溶着部に高温割れが確実に発生しない肉盛工程を備えたポペットバルブの製造方法が提供されるので、シート材溶着部の耐久性にさらに優れた陸用または舶用のポペットバルブを製造できる。
【００３５】
請求項３によれば、割れ感受性の増加（割れやすくなること）が抑制されるので、肉盛工程でシート材溶着部に高温割れの確実に発生しないポペットバルブの製造方法が提供されて、肉盛部の耐久性に優れた陸用または舶用のポペットバルブを製造できる。
【００３６】
請求項４によれば、シート肉盛材料である高融点のＮｉ高含有合金をシート肉盛用の溝に沿って溶着することで、肉盛工程を簡単に遂行できる。
【００３７】
請求項５によれば、トーチのシート肉盛用の溝に対する姿勢（関係）は常に一定であるため、シート溶着部の厚さが周方向に均一となる分、後工程が簡単になる。また、肉盛工程において、シート肉盛用の溝外に飛散する溶融肉盛材料が少ないため、シート肉盛材料の消費量を大幅に低減できる。
【００３８】
請求項６によれば、シート部の内部に割れが発生しない陸用または舶用のポペットバルブを製造できるので、シート部の耐久性に優れた陸用または舶用のポペットバルブを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】舶用ポペットバルブの据え込み工程を説明する説明図である。
【図２】同ポペットバルブを熱間鍛造する工程を説明する説明図である。
【図３】同ポペットバルブのヘッド外周に溝入れする工程を説明する説明図である。
【図４】同ポペットバルブのヘッド外周の溝にシート材を溶着する工程を説明する説明図である。
【図５】シート材溶着部を荒削りする工程を説明する説明図である。
【図６】同ポペットバルブを再び熱間鍛造する工程を説明する説明図である。
【図７】同ポペットバルブの表面を切削する工程を説明する説明図である。
【図８】同ポペットバルブの表面を研削する工程を説明する説明図である。
【図９】製造されたポペットバルブ全体の側面図である。
【図１０】肉盛工程終了時のシート材溶着部を拡大して示すポペットバルブのヘッドの断面図である。
【図１１】肉盛工程の際にポペットバルブを支持する装置全体の構成を示す断面図である。
【図１２】肉盛工程においてシート材溶着部の内部に高温割れが発生するメカニズムを説明する図で、（ａ）は肉盛前の母材の断面図、（ｂ）は肉盛中のシート材溶着部の断面図、（ｃ）は肉盛した後に冷却されたシート材溶着部の断面図をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００４１】
図１〜８は、舶用ポペットバルブを製造する実施例方法を示す図で、 ＮＣＦ８０Ａ製の棒状素材に対し、図１〜８に示すそれぞれの加工を順次施すことで、図９に示すように、軸１１の一端部に所定形状のヘッド１２が一体的に形成され、ヘッド１２のシート部１３をステライト合金712製のシート肉盛材で補強した舶用ポペットバルブ１０を製造することができる。このポペットバルブ１０は、ヘッド径約１００ｍｍ、軸径約２５ｍｍ、全長約５００ｍｍの大型のポペットバルブで、符号１１ａは、コッター溝である。
【００４２】
このポペットバルブ１０を製造するには、まず、図１に示す据え込み工程において、一対の電極１４ａ，１４ｂ間に電圧を与えて加熱（約１１００℃）したＮＣＦ８０Ａ製の棒状の素材Ｗ１を、軸方向に加圧してヘッド部を所定の形状に加工するとともに、次の熱間鍛造のために、ヘッド部に余熱を与える。この据え込み工程終了後の未仕上げバルブを符号Ｗ２で示す。
【００４３】
次に、図２に示す熱間鍛造では、据え込み工程で据え込んだ素材Ｗ２のヘッド部を熱間鍛造により、所定の形状に成形する。この熱間鍛造工程終了後の未仕上げバルブを符号Ｗ３で示す。
【００４４】
次に、図３に示す溝形成工程では、未仕上げバルブＷ３を回転させつつ、切削工具１５を使って、ヘッド部の座面に肉盛用の溝１６を形成する。この溝形成工程終了後の未仕上げバルブを符号Ｗ４で示す。
【００４５】
次に、図４に示す肉盛工程では、シート部１３（図９参照）の耐久性等を高めるために、耐摩耗性材料（ステライト合金712）をプラズマアーク溶接により、未仕上げバルブＷ４の肉盛用の溝１６に溶着（肉盛り）する。図１０において、符号Ｗ５は、この肉盛工程終了後の未仕上げバルブを示し、符号２は、溝１６に溶着されたシート肉盛部を示す。
【００４６】
この図４に示す肉盛工程では、鉛直下方に向けたプラズマアーク放電用トーチ７０の真下にシート肉盛用の溝１６が正対するように未仕上げバルブＷ４を傾斜して配置するとともに、バルブＷ４を軸廻りに回転させつつシート肉盛材料を溝１６内に溶着することで、溝１６全体に肉盛りを施す。特に、バルブＷ４のヘッド部を冷し金２０を用いて冷却しつつ、肉盛工程を行うことで、シート材溶着部の内部に高温割れが生じない。
【００４７】
次に、図５に示す切削工程では、肉盛工程を経た未仕上げバルブＷ５を回転させつつ、切削工具１７を使って、肉盛部が平面となるように切削加工する。切削加工終了後の未仕上げバルブを符号Ｗ６で示す。
【００４８】
次に、図６に示す再熱間鍛造・熱処置工程では、金型および未仕上げバルブＷ６をバーナで９００〜１０００℃に加熱し、バルブＷ６を再び熱間鍛造した後、バルブＷ４に溶体化処理（約1000℃で電気炉に所定時間保持した後、冷却）と時効処理（約700℃で電気炉に所定時間保持した後、冷却）を施す。再熱間鍛造・熱処置工程終了後の未仕上げバルブを符号Ｗ７で示す。
【００４９】
次に、図７に示す切削工程では、未仕上げバルブＷ７を回転させつつ、切削工具１８を使って、ヘッドのシート部，首下Ｒ部，軸部およびコッター溝１１ａの切削加工を行い、最後に、図８に示すように、未仕上げバルブＷ８を回転させつつ、研削工具１９を使って、シート部および軸部を設計値どおりの粗さに仕上げることで、図９に示す、バルブ１０が出来上がる。
【００５０】
そして、バルブ１０の製造方法を説明する、図１〜８に示す各工程のうち、図４に示す肉盛工程を除く各工程、即ち、図１の据え込み工程，図２の熱間鍛造工程，図３の溝入れ工程，図５のシート面荒削り工程，図６の熱間鍛造・熱処理工程，図７の切削工程および図８の研削工程については、いずれの工程も従来の舶用バルブの製造方法を構成する各工程と同じであるので、これらの各工程の詳しい説明は省略し、従来の舶用バルブの製造方法と異なる図４に示す肉盛工程について、詳しく説明する。
【００５１】
図１１は、図４に示す肉盛工程を実施するための装置全体の構成を示す断面図である。
【００５２】
符号２０は、内部に冷却水循環路Ｌを備えた円盤形状の冷し金で、その上面には、バルブ１０のヘッド端面側を密着した状態に保持できる凹部２２が形成されている。
【００５３】
符号３０は、バルブ１０の軸端部を支持する軸端押さえ金で、アンギュラーベアリング３２を介して、装置本体側のバルブ軸端支持部３４に回転可能に支承されている。
【００５４】
冷し金２０内部の冷却水循環路Ｌは、中央の給水路Ｌ１と給水路Ｌ１から周方向等分放射状に延びる排水路Ｌ２で構成され、給水路Ｌ１と排水路Ｌ２は、冷し金２０に連結一体化された冷し金継手２４，冷し金継手２４に連結一体化された従動側回転軸４０および従動側回転軸の下端部に連結されたロータリジョイント５０（可動側ジョイント５０ａ、固定側ジョイント５０ｂ）内にそれぞれ延びて、固定側ロータリジョイント５０ｂに接続された給水管４２と配水管４４にそれぞれ連通している。
【００５５】
冷し金２０の下面側に突出する冷し金継手２４は、チャック台座５０に設けた半径方向に拡縮動作可能な３個のチャック（爪部材）５２で把持されて、チャック台座５０上に固定されている。
【００５６】
チャック台座５０の中央円孔５１を貫通して下方に延出する従動側回転軸４０には、チャック台座５０の下部に一体化された従動側プーリ６４が軸着され、サーボモータ６０の出力軸６２に軸着された駆動側プーリ５２と従動側プーリ５４間には、タイミングベルト６６が介装されている。
【００５７】
また、装置本体側のバルブ軸端支持部３４は、バルブ１０の軸端部を支持する軸端押さ金３０を介してバルブ１０を冷し金２０に向けて加圧（押圧）できるように構成されており、冷し金２０と軸端押え金３０で上下方向に挟持されたバルブ１０は、サーボモータ６０の駆動により、チャック台座５０，回転軸４０，プーリ５４，ロータリジョイント可動部５０ａと一体となって、装置本体側のロータリジョイント固定部５０ｂ，バルブ軸端支持部３４に対し回転する。
【００５８】
また、従動側回転軸４０の回転中心軸は、鉛直下方に向けたプラズマアーク放電用トーチ７０に対し４５度傾斜（鉛直軸に対し４５度傾斜）するように配置されており、冷し金２０と軸端押え金３０に支持されたバルブ１０は、そのシート肉盛用の溝１６がプラズマアーク放電用トーチ７０の真下において、トーチ７０と上下方向に正対する形態となる。
【００５９】
サーボモータ６０の駆動およびプラズマアーク放電用トーチ７０によるシート材の溶着は、バルブ１０を回転しつつ、トーチ７０によるシート材の溶着を行うように、図示しない制御ユニットによって制御されている。例えば、バルブ１０を２回転させることで、溝１６全周に亘ってほぼ均一な所定厚さのシート肉盛部を形成できる。
【００６０】
また、冷し金２０内部の冷却水循環路Ｌへの給排水についても、図示しない制御ユニットによって制御されている。即ち、冷し金２０には、温度センサが設けられ、トーチ７０による溝１６へのシート材の溶着が行われている間、温度センサによる検出温度が所定温度となるように、ポンプＰの駆動をオン／オフ制御することで、冷し金２０内部の冷却水循環路Ｌへの給水が制御されている。
【００６１】
このため、バルブ１０をその軸廻りに所定速度で回転させつつ、トーチ７０からシート肉盛材を溝１６内に溶射することで、溝１６全周にシート肉盛材が肉盛りされるが、図４に示す肉盛工程の間中、即ちトーチ７０からシート肉盛材を溝１６に溶射（溶着）する間中、バルブ１０のヘッド端面側の温度は所定の温度に保持されて、シート材溶着部の内部に高温割れが生じない。
【００６２】
即ち、舶用ポペットバルブ１０は、その母材がNCF80A（溶着熱によりＡｌ，Ｔｉの析出が促進されてガンマ・プライム相の析出量が増え、結晶粒が成長するため、割れ感受性が増大する（割れやすくなる）、という特性をもつＮｉ高含有合金）で構成されている。
【００６３】
さらに、舶用ポペットバルブ１０は、自動車や自動二輪車用のポペットバルブよりも大型で、シート材溶着部における母材とシート肉盛部との境界面積も当然に大きく、シート材溶着部が冷える際に母材とシート肉盛部との境界に発生する凝固収縮応力も、自動車や自動二輪車用のポペットバルブの場合と比べて大きい。
【００６４】
このため、図１０に拡大して示すように、シート材を溶着する肉盛工程終了後、シート材溶着部が冷える過程で、シート材溶着部の内部（溶着熱の影響を受けて固相と液相が混在する母材側熱影響部３ａ）に凝固収縮応力に起因した高温割れが発生するおそれがあるが、シート材を溶着する肉盛工程中、バルブヘッド端面側が冷し金２０によって積極的に冷却されているので、シート材溶着部内部の母材側熱影響部３ａでは、その上層側に積層するシート肉盛部２に放熱されるとともに、その下層側に積層する、ヘッドを構成する母材側非熱影響部３ｂにも積極的に放熱されて、母材側熱影響部３ａの固相・液相混在形態が継続する時間が短縮されて（凝固開始温度（液相線）と凝固終了温度（固相線）との時間差が小さくなって）、母材側熱影響部３ａにおけるガンマ・プライム相の析出量と凝固収縮応力が低減され、母材側熱影響部３ａに高温割れが発生しない。
【００６５】
特に、肉盛工程の間中（トーチ７０による溝１６へのシート材の溶着が行われている間中）、冷し金２０の温度は、シート材溶着部における母材側熱影響部３ａにおけるガンマ・プライム相の析出量と凝固収縮応力を低減する上で有効な所定温度に保持されているので、母材側熱影響部３ａに高温割れが確実に発生しない。なお、図１０において、符号３は母材を示し、図１０における矢印は、放熱方向を示す。
【００６６】
また、図６に示す再熱間鍛造工程では、金型およびバルブＷ６をバーナで９００〜１０００℃に加熱し、バルブＷ６を熱間鍛造するが、肉盛工程終了後のバルブＷ６を再び鍛造することで、シート溶着部の内部の母材側熱影響部３ａにおける高温割れがより確実に一掃されている。
【００６７】
即ち、肉盛工程では、母材側熱影響部３ａに高温割れが発生しないが、仮に、肉盛工程を経た段階で、母材側熱影響部３ａに微小な割れが残存していたとしても、肉盛工程後に行われる再熱間鍛造によって、母材側熱影響部３ａに生じている高温割れが接合（鍛接）されることになるので、シート肉盛部の内部の母材側熱影響部３ａに高温割れが残るおそれは、全くない。
【００６８】
このように、本実施例方法では、シート肉盛を施した舶用ポペットバルブで、シート部１３の耐久性に優れた舶用ポペットバルブ１０を製造できる。
【００６９】
なお前記した実施例方法では、母材をNCF80Aで構成したバルブ本体のシート部１３にステライト合金712製のシート材を肉盛したポペットバルブ１０およびその製造方法について説明したが、バルブ本体を構成する母材としては、NCF80A以外にNCF751、NCF4015、NCF3015などが考えられ、シート部１３を構成するシート材としては、母材構成材よりも耐食性、耐摩耗性、耐摩損性、耐熱性により優れたコバルトベース合金またはニッケルベース合金等が考えられる。
【００７０】
そして、前記した実施例方法の肉盛工程では、冷し金２０の温度を所定の温度に調整してバルブヘッドを冷却しているが、バルブの母材、肉盛するシート材，溶着温度，溝巾の大きさ等によって、冷し金２０の設定温度が異なることは言うまでもない。
【００７１】
また、前記した実施例方法では、冷し金２０を水冷方式で冷却しているが、オイルや空気で冷却するようにしてもよい。
【００７２】
また、前記した実施例方法では、舶用ポペットバルブ１０の製造方法について説明したが、本発明は、舶用ポペットバルブ１０の製造方法に限るものではなく、発電機用の大型ディーゼルエンジンや大型ガスエンジン等の腐食雰囲気での使用が求められている大型の陸用ポペットバルブの製造方法についても、同様に適用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７３】
２ シート肉盛部
３ 母材
３ａ 母材側熱影響部
３ｂ 母材側非熱影響部
１０ エンジンポペットバルブ
１１ 軸
１２ バルブヘッド
１３ バルブシート部
１６ シート肉盛用の溝
２０ 冷し金
Ｌ 冷却水循環路
７０ プラズマアーク放電用トーチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸端部にヘッドが一体的に形成されたポペットバルブを製造する方法であって、
バルブヘッドを形成するために原材料から未仕上げのポペットバルブを熱間鍛造する工程と、
前記未仕上げのポペットバルブのヘッドにシート肉盛用の溝を形成する工程と、
前記シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を溶着する肉盛工程と、
前記ヘッドの前記シート肉盛部を含む領域を熱間鍛造する工程を備えたポペットバルブの製造方法において、
前記ポペットバルブは、その母材がＮｉ高含有合金で構成された陸用または舶用のポペットバルブで、前記肉盛工程では、ヘッドを冷却しつつ、シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を溶着することを特徴とするポペットバルブの製造方法。
【請求項２】
前記肉盛工程では、前記バルブヘッドの端面側を冷却しつつ、前記シート肉盛用の溝に前記シート肉盛材料を溶着することを特徴とする請求項１に記載のポペットバルブの製造方法。
【請求項３】
前記肉盛工程では、前記バルブヘッドの端面側を冷却用台座に当接させた状態で、前記シート肉盛材料を溶着することを特徴とする請求項１または２に記載のポペットバルブの製造方法。
【請求項４】
前記肉盛工程では、前記シート肉盛材料をプラズマアーク溶接することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のポペットバルブの製造方法。
【請求項５】
前記肉盛工程では、鉛直下方に向けたプラズマアーク放電用トーチの真下に前記シート肉盛用の溝が正対するように前記バルブを傾斜して配置するとともに、前記バルブを軸廻りに回転させつつ前記溝にシート肉盛材料を溶着することを特徴とする請求項４に記載のポペットバルブの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の方法により製造されたポペットバルブ。
【請求項１】
軸端部にヘッドが一体的に形成されたポペットバルブを製造する方法であって、
バルブヘッドを形成するために原材料から未仕上げのポペットバルブを熱間鍛造する工程と、
前記未仕上げのポペットバルブのヘッドにシート肉盛用の溝を形成する工程と、
前記シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を溶着する肉盛工程と、
前記ヘッドの前記シート肉盛部を含む領域を熱間鍛造する工程を備えたポペットバルブの製造方法において、
前記ポペットバルブは、その母材がＮｉ高含有合金で構成された陸用または舶用のポペットバルブで、前記肉盛工程では、ヘッドを冷却しつつ、シート肉盛用の溝にシート肉盛材料を溶着することを特徴とするポペットバルブの製造方法。
【請求項２】
前記肉盛工程では、前記バルブヘッドの端面側を冷却しつつ、前記シート肉盛用の溝に前記シート肉盛材料を溶着することを特徴とする請求項１に記載のポペットバルブの製造方法。
【請求項３】
前記肉盛工程では、前記バルブヘッドの端面側を冷却用台座に当接させた状態で、前記シート肉盛材料を溶着することを特徴とする請求項１または２に記載のポペットバルブの製造方法。
【請求項４】
前記肉盛工程では、前記シート肉盛材料をプラズマアーク溶接することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のポペットバルブの製造方法。
【請求項５】
前記肉盛工程では、鉛直下方に向けたプラズマアーク放電用トーチの真下に前記シート肉盛用の溝が正対するように前記バルブを傾斜して配置するとともに、前記バルブを軸廻りに回転させつつ前記溝にシート肉盛材料を溶着することを特徴とする請求項４に記載のポペットバルブの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の方法により製造されたポペットバルブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１０１８９７（Ｐ２０１１−１０１８９７Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５８５２８（Ｐ２００９−２５８５２８）
【出願日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（０００２２７１５７）日鍛バルブ株式会社 (40)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（０００２２７１５７）日鍛バルブ株式会社 (40)
【Ｆターム（参考）】
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