本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)中的可動(dòng)壁構(gòu)件以及焊接方法。

背景技術(shù)：

用于內(nèi)燃機(jī)的可動(dòng)壁構(gòu)件由耐熱鋼形成。為了防止高溫腐蝕，在可動(dòng)壁構(gòu)件的表面設(shè)有由耐腐蝕性材料構(gòu)成的層(專利文獻(xiàn)1以及專利文獻(xiàn)2)。作為具有耐腐蝕性的材料成分，可列舉鉻(Cr)和鉬(Mo)等。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本專利第5036879號(hào)公報(bào)(段落[0030]、圖1)

專利文獻(xiàn)2：注冊(cè)實(shí)用新型第3038802號(hào)公報(bào)(段落[0004])

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

眾所周知，在耐熱鋼上直接形成由耐腐蝕性材料構(gòu)成的層時(shí)，耐腐蝕性材料中所含的成分會(huì)與耐熱鋼中所含的碳(C)形成碳化物。例如、鉻會(huì)與碳(C)發(fā)生反應(yīng)，形成碳化鉻(CCr)。碳化鉻硬且脆，不具有耐腐蝕性。因此，碳化鉻的生成量變多時(shí)，會(huì)出現(xiàn)無(wú)法獲得所期待的耐腐蝕性的問(wèn)題。

根據(jù)專利文獻(xiàn)1，通過(guò)在耐熱鋼(合金鋼)與由耐腐蝕性材料構(gòu)成的層(外側(cè)部)之間設(shè)置緩沖層，能夠防止耐腐蝕性材料中所含的成分與耐熱鋼中所含的碳形成碳化物。

但是，根據(jù)專利文獻(xiàn)1，在限制合金鋼(母材)和緩沖層的含碳率的同時(shí)，還必須規(guī)定緩沖層的厚度。因此，會(huì)存在無(wú)法自由選擇母材和緩沖層的材料的課題。

根據(jù)專利文獻(xiàn)1，緩沖層為單層結(jié)構(gòu)，因此母材的影響大，存在不少母材會(huì)影響到外側(cè)部的問(wèn)題。母材影響到外側(cè)部時(shí)，會(huì)降低耐腐蝕性、韌性以及作為可動(dòng)壁構(gòu)件的外側(cè)部的可靠性。

根據(jù)專利文獻(xiàn)2，在母材上直接焊接形成由耐腐蝕性材料構(gòu)成的層。根據(jù)專利文獻(xiàn)2，作為耐腐蝕性材料使用了Cr含量明顯較高的材料，但Cr含量高的耐腐蝕性材料存在延伸性低、不易焊接的課題。

本發(fā)明鑒于上述情況開(kāi)發(fā)而成，其目的在于提供一種可擴(kuò)大緩沖層的選材范圍，同時(shí)含有具有所期待的耐腐蝕性的觸火面的可動(dòng)壁構(gòu)件以及焊接方法。

技術(shù)方案

為了解決上述課題，本發(fā)明的可動(dòng)壁構(gòu)件以及焊接方法采用了以下方法。

本發(fā)明提供一種可動(dòng)壁構(gòu)件，其用于內(nèi)燃機(jī)中，其特征在于，在母材上具有最外表面為觸火面的耐腐蝕層，所述耐腐蝕層使用含有50質(zhì)量百分比以上60質(zhì)量百分比以下的Ni和40質(zhì)量百分比以上50質(zhì)量百分比以下的Cr的合金實(shí)施多層堆焊而成。

本發(fā)明中，耐腐蝕層使用含有50質(zhì)量百分比以上60質(zhì)量百分比以下的Ni和40質(zhì)量百分比以上50質(zhì)量百分比以下的Cr的合金(以下稱為50Cr-50Ni合金)而形成。本發(fā)明中，耐腐蝕層實(shí)施多層堆焊而成，因此能夠階段性地減少Cr在合金中的稀釋。也就是說(shuō)，使用相同種類的50Cr-50Ni合金形成耐腐蝕層時(shí)，母材側(cè)的一個(gè)層的含Cr率會(huì)低于50Cr-50Ni合金，但含有作為觸火面的最外表面的層能夠確保其含Cr率與合金成分幾乎等同。因此，可形成具有所期待的耐腐蝕性的可動(dòng)壁構(gòu)件。本發(fā)明可不受母材的影響形成作為觸火面的最表層，因此即使在母材與耐腐蝕層之間設(shè)置其他層時(shí)，該其他層的材料也不會(huì)如專利文獻(xiàn)1般受到限制。因此，作業(yè)者可自由選擇廉價(jià)的材料或容易獲得的材料等。

上述發(fā)明的一方式中，所述耐腐蝕層中具有所述最外表面的層優(yōu)選含有40質(zhì)量百分比以上50質(zhì)量百分比以下的Cr。

由于含Cr率在上述范圍內(nèi)，所以能夠確保延伸性且獲得充分的耐腐蝕性。

本發(fā)明提供一種焊接方法，其將母材預(yù)熱至80℃以上120℃以下后，將含有50質(zhì)量百分比以上60質(zhì)量百分比以下的Ni和40質(zhì)量百分比以上50質(zhì)量百分比以下的Cr的合金實(shí)施層狀堆焊，其特征在于，將形成層時(shí)的通路間溫度設(shè)為200℃以下實(shí)施焊接。

通過(guò)實(shí)施預(yù)熱，能夠防止(包含母材的)下層發(fā)生急劇的溫度變化。通過(guò)規(guī)定通路間溫度的上限，能夠抑制熔池的溫度上升。因此，能夠防止熱裂。

上述發(fā)明的一方式中，將所述合金實(shí)施層狀堆焊時(shí)，優(yōu)選在形成一個(gè)層后實(shí)施打磨，然后在所述一個(gè)層上堆焊下一層。

通常的多層堆焊中，不對(duì)各層實(shí)施打磨，但根據(jù)上述發(fā)明的一方式，通過(guò)在實(shí)施打磨后形成下一層，能夠形成不易發(fā)生焊接缺陷的耐腐蝕層。

有益效果

本發(fā)明通過(guò)形成經(jīng)過(guò)多層堆焊的耐腐蝕層，可獲得含有具有所期待的耐腐蝕性的觸火面的可動(dòng)壁構(gòu)件。根據(jù)這種可動(dòng)壁構(gòu)件，能夠使設(shè)置在耐腐蝕層下的層的選材范圍大于以往。

附圖說(shuō)明

圖1是顯示船舶用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部分的立體圖。

圖2是第1實(shí)施方式所涉及的排氣閥的正面圖。

圖3是圖2的排氣閥中觸火面?zhèn)鹊木植科拭鎴D。

圖4是顯示形成耐腐蝕層的第1堆焊層時(shí)的步驟的流程圖。

圖5是說(shuō)明胎圈形成的圖。

圖6是說(shuō)明胎圈形成的圖。

圖7是實(shí)驗(yàn)例所涉及的可動(dòng)壁構(gòu)件的局部剖面圖。

圖8是第2實(shí)施方式所涉及的排氣閥的正面圖。

具體實(shí)施方式

圖1是顯示船舶用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部分的立體圖。發(fā)動(dòng)機(jī)具有：氣缸1、自由滑動(dòng)地嵌合在氣缸內(nèi)的活塞2、與氣缸的上部接合的排氣管3、以及插通至排氣管3的內(nèi)部的排氣閥4。由氣缸1、排氣閥4以及活塞2包圍的空間為燃燒室5。雖省略圖示，但發(fā)動(dòng)機(jī)具有可向燃燒室5供給燃料的燃料供給機(jī)構(gòu)以及可向燃燒室5供給空氣的供氣機(jī)構(gòu)等。

本發(fā)明可適用于如圖1所示的可動(dòng)壁構(gòu)件即排氣閥4或活塞2等。使用可動(dòng)壁構(gòu)件的內(nèi)燃機(jī)可以是2沖程發(fā)動(dòng)機(jī)或4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，本發(fā)明的可動(dòng)壁構(gòu)件也可適用于吸氣閥。

[第1實(shí)施方式]

本實(shí)施方式中，以船舶用柴油機(jī)的排氣閥為例進(jìn)行說(shuō)明。圖2是本實(shí)施方式所涉及的排氣閥的正面圖。圖3是圖2的排氣閥中觸火面?zhèn)鹊木植科拭鎴D。

排氣閥4具有軸部4a、以及設(shè)置在軸部4a的端部的圓盤狀的凸緣部4b。凸緣部4b在朝向燃燒室側(cè)的面上具有緩沖層6和耐腐蝕層7。

排氣閥4(母材)為耐熱合金。作為耐熱合金，可使用不銹鋼例如SUH31、SNCrW、或Ni基合金例如Nimonic80A(都為大同特殊鋼制)等。不銹鋼的主成分為Fe，也可含有Mn、P、S等不可避成分。表1顯示用于母材中的不銹鋼的主要副成分(質(zhì)量百分比)。

[表1]

緩沖層6是在形成耐腐蝕層7時(shí)能夠?qū)δ覆牡挠绊懠右跃彌_的層?！澳覆牡挠绊憽笔侵福纬赡透g層時(shí)使用的焊接材料中含有的Cr與母材中含有的C發(fā)生反應(yīng)而被稀釋。或指僅利用焊接實(shí)施熔融，將所需的成分進(jìn)行熔合，從而使焊接材料中含有的Cr稀釋。緩沖層6由不同于母材和耐腐蝕層7的耐熱合金構(gòu)成。雖無(wú)特別限定，但緩沖層6的C含量?jī)?yōu)選為少于母材，在0.15質(zhì)量百分比以下的范圍內(nèi)。緩沖層6的C含量也可超過(guò)0.09質(zhì)量百分比。緩沖層6的層數(shù)可以是1或2以上。緩沖層6的總厚度可相應(yīng)排氣閥的大小等適當(dāng)設(shè)定。

耐腐蝕層7是使用50Cr-50Ni合金作為焊接材料實(shí)施多層堆焊而成的層。相對(duì)于總質(zhì)量100％，50Cr-50Ni合金含有50質(zhì)量百分比以上60質(zhì)量百分比以下的Ni和40質(zhì)量百分比以上50質(zhì)量百分比以下的Cr。50Cr-50Ni合金也可含有0.10質(zhì)量百分比以下的C、0.50質(zhì)量百分比以下的Fe、0.20質(zhì)量百分比以下的Si、0.20質(zhì)量百分比以下的Mn、0.02質(zhì)量百分比以下的P、0.50質(zhì)量百分比以下的Cu以及0.30至1.0質(zhì)量百分比的Ti。

耐腐蝕層7由2層以上的堆焊層疊層而成。耐腐蝕層7中，越是遠(yuǎn)離母材的堆焊層，其含Cr率越高。具有最外表面的堆焊層的含Cr率優(yōu)選等同或近似焊接材料的含Cr率。

本實(shí)施方式所涉及的耐腐蝕層7的結(jié)構(gòu)如下，即在緩沖層6上依序疊層第1堆焊層8、第2堆焊層9、以及第3堆焊層10(參照?qǐng)D3)。第3堆焊層10含有耐腐蝕層7的最外表面，為排氣閥4的觸火面。第3堆焊層10的含Cr率為40質(zhì)量百分比以上50質(zhì)量百分比以下。第2堆焊層9的含Cr率低于第3堆焊層10的含Cr率。第1堆焊層8的含Cr率低于第2堆焊層9的含Cr率。

耐腐蝕層7的總厚度可相應(yīng)排氣閥4的大小適當(dāng)設(shè)定。如果耐腐蝕層7過(guò)厚則制造成本會(huì)升高，因此耐腐蝕層7的總厚度優(yōu)選為可獲得所期望的耐腐蝕性的最小厚度。

例如，凸緣部4b的外徑為470mm左右的排氣閥時(shí)，如果耐腐蝕層7采用2層以上的多層結(jié)構(gòu)，并且耐腐蝕層7的總厚度為4mm至5mm左右，則可獲得充分的高溫耐腐蝕性。耐腐蝕層7的總厚度優(yōu)選為6mm至8mm左右。另外，耐腐蝕層7為單層結(jié)構(gòu)時(shí)，厚度方向上含Cr率并無(wú)變化，因此即使總厚度相同，也無(wú)法獲得上述效果。

接著，針對(duì)排氣閥的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。

在排氣閥4的凸緣部4b朝向燃燒室側(cè)的面(觸火面?zhèn)?上，依序設(shè)置緩沖層6和耐腐蝕層7。緩沖層6可采用適合構(gòu)成緩沖層6的材料的方法適當(dāng)形成。

耐腐蝕層7可通過(guò)使用焊接材料實(shí)施多層(層狀)堆焊來(lái)形成。焊接材料可使用繩狀或棒狀的50Cr-50Ni合金。

第1堆焊層8至第3堆焊層10是使用相同種類的焊接材料在同樣的條件下形成的，但最終各層的含Cr率存在差異。形成在緩沖層6的正上方的第1堆焊層8受到母材的嚴(yán)重影響，Cr會(huì)被稀釋。在第1堆焊層上依序疊層第2、第3堆焊層時(shí)，母材的影響會(huì)階段性地減弱，Cr的稀釋(擴(kuò)散)會(huì)受到抑制。因此，通過(guò)實(shí)施多層堆焊，能夠使具有觸火面的堆焊層的含Cr率與焊接材料成分幾乎等同。

焊接可采用氣體保護(hù)金屬弧焊(MIG焊接或MAG焊接)、激光焊接、TIG焊接、以及PTA(等離子)焊接等，但最優(yōu)選采用MAG焊接來(lái)形成耐腐蝕層7。

作為MAG焊接中使用的保護(hù)氣體，可以使用以Ar作為主要成分且混合了He和CO₂的氣體。因此，能夠使胎圈形狀實(shí)現(xiàn)均勻化，并且減少焊接缺陷的發(fā)生。由于CO₂會(huì)因焊接時(shí)的熱量解離為碳和氧，并在此時(shí)奪去熱量，所以能夠抑制熔池的溫度上升。通過(guò)使用混合了CO₂的保護(hù)氣體，能夠抑制電弧的熱損失，同時(shí)還能夠抑制濺射。

將使用的焊接裝置的基極電流設(shè)為1時(shí)，焊接時(shí)的電流值可設(shè)定為0.8以上0.9以下的值。通過(guò)使電流值低于以往，抑制熔池的溫度上升，能夠防止熱裂。

耐腐蝕層的形成工序中，在緩沖層上形成1個(gè)堆焊層后，通過(guò)機(jī)械加工對(duì)一個(gè)堆焊層實(shí)施打磨。接著，在一個(gè)堆焊層上形成其他的堆焊層，然后通過(guò)機(jī)械加工對(duì)其他的堆焊層實(shí)施打磨。重復(fù)堆焊層的形成以及打磨，直至耐腐蝕層成為所期望的厚度后，與現(xiàn)有方法同樣地實(shí)施退火和精加工。

在將堆焊層進(jìn)行疊層時(shí)，通過(guò)預(yù)先對(duì)作為底層的堆焊層實(shí)施打磨，能夠在焊接下一層時(shí)減少雜質(zhì)的卷入，因此能夠防止焊接缺陷的發(fā)生。

以下，針對(duì)堆焊層的形成方法進(jìn)行說(shuō)明。圖4顯示形成耐腐蝕層的第1堆焊層時(shí)的步驟。圖5和圖6中顯示說(shuō)明胎圈形成的圖。圖5是排氣閥的剖面圖。圖6是從凸緣部側(cè)(設(shè)有耐腐蝕層的凸緣面?zhèn)?觀察排氣閥的圖。

首先，將設(shè)有緩沖層6的排氣閥(母材)4預(yù)熱至80℃以上120℃以下，優(yōu)選為100℃左右。預(yù)熱時(shí)，可使用燃燒爐或電爐。通過(guò)實(shí)施預(yù)熱，能夠在形成胎圈時(shí)減緩下層(母材和緩沖層)的溫度變化，因此即使Cr含量高的材料，也能夠緩和熱膨脹的差，防止母材因拉伸而發(fā)生破裂。

預(yù)熱后，在緩沖層6上沿凸緣部4b的外周形成第1胎圈8a(第1通路)。為了防止熱裂，在空冷至通路間溫度為200℃以下后，使胎圈中心偏向第1胎圈8a的內(nèi)側(cè)，形成第2胎圈8b，使其與第1胎圈8a相接(第2通路)。為了防止熱裂，再次空冷至通路間溫度為200℃以下后，在第2胎圈8b的內(nèi)側(cè)形成第3胎圈8c。重復(fù)胎圈形成和空冷，直至緩沖層6的表面被焊接金屬覆蓋。

通路間溫度是指，在焊接下一通路前焊接金屬(胎圈)以及向其接近的母材的溫度。通路間溫度可通過(guò)使用非接觸式溫度計(jì)測(cè)量焊接金屬的溫度來(lái)獲得。通過(guò)空冷至通路間溫度為200℃以下，可抑制下層的溫度上升，因此能夠防止熱裂。

另外，本實(shí)施方式中，第1堆焊層從凸緣部的外周側(cè)依序向內(nèi)側(cè)形成，但也可以從凸緣部的內(nèi)側(cè)向外周側(cè)形成。

(實(shí)驗(yàn)例)

按照上述實(shí)施方式形成耐腐蝕層，并確認(rèn)耐腐蝕層的各層的含Cr率。圖7是實(shí)驗(yàn)例所涉及的可動(dòng)壁構(gòu)件的局部剖面圖。排氣閥4(母材)的材料為15Cr-14Ni-2Si-2.5W-0.4C(SUH31)。緩沖層6使用碳含量超過(guò)0.09質(zhì)量百分比的合金鋼，通過(guò)MAG焊接而形成。緩沖層6采用4至5層結(jié)構(gòu)(總厚度10mm至12mm)。

耐腐蝕層7使用50Cr-50Ni合金而形成。50Cr-50Ni合金使用含Cr率為44％的繩狀合金11。焊接為MAG焊接，其電流值為140A。

沿凸緣面的外周形成第1胎圈。等通路間溫度為200℃以下后，在第1胎圈的內(nèi)側(cè)形成第2胎圈。重復(fù)胎圈形成和空冷，形成第1堆焊層8。胎圈高度為2mm至4mm左右。

對(duì)第1堆焊層8的上表面實(shí)施切削加工，然后實(shí)施打磨。打磨后的第1堆焊層8的厚度為1.5mm至2.5mm。在第1堆焊層8上，與第1堆焊層8同樣地形成第2堆焊層9，并實(shí)施打磨。

測(cè)定第1堆焊層8和第2堆焊層9的含Cr率。第1堆焊層8的含Cr率為33質(zhì)量百分比，第2堆焊層9的含Cr率為40質(zhì)量百分比。根據(jù)該結(jié)果可以確認(rèn)，通過(guò)對(duì)耐腐蝕層實(shí)施多層堆焊，能夠在耐腐蝕層的最表層確保與焊接材料幾乎等同的含Cr率。

[第2實(shí)施方式]

圖8是本實(shí)施方式所涉及的排氣閥的正面圖。本實(shí)施方式在排氣閥(母材)4上直接形成耐腐蝕層17。其他結(jié)構(gòu)與第1實(shí)施方式相同。

耐腐蝕層17是使用50Cr-50Ni合金作為焊接材料實(shí)施多層堆焊而成的層。相對(duì)于總質(zhì)量100％，50Cr-50Ni合金含有50質(zhì)量百分比以上60質(zhì)量百分比以下的Ni和40質(zhì)量百分比以上50質(zhì)量百分比以下的Cr。50Cr-50Ni合金也可含有0.10質(zhì)量百分比以下的C、0.50質(zhì)量百分比以下的Fe、0.20質(zhì)量百分比以下的Si、0.20質(zhì)量百分比以下的Mn、0.02質(zhì)量百分比以下的P、0.50質(zhì)量百分比以下的Cu、以及0.30至1.0質(zhì)量百分比的Ti。

耐腐蝕層17為2層以上、優(yōu)選為3層以上的多層結(jié)構(gòu)。耐腐蝕層17的總厚度優(yōu)選為6mm至9mm左右。

符號(hào)說(shuō)明

1 氣缸

2 活塞

3 排氣管

4 排氣閥(母材)

4a 軸部

4b 凸緣部

5 燃燒室

6 緩沖層

7、17 耐腐蝕層

8 第1堆焊層

9 第2堆焊層

10 第3堆焊層

11 繩狀合金(焊接材料)

權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)

1.[2015年7月16日(16.07.2015)國(guó)際事務(wù)局受理]

一種可動(dòng)壁構(gòu)件，其用于內(nèi)燃機(jī)中，其特征在于，

在母材上具有最外表面為觸火面的耐腐蝕層，所述耐腐蝕層使用含有50質(zhì)量百分比以上60質(zhì)量百分比以下的Ni和40質(zhì)量百分比以上50質(zhì)量百分比以下的Cr的合金實(shí)施多層堆焊而成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可動(dòng)壁構(gòu)件，其特征在于，所述耐腐蝕層中具有所述最外表面的層含有40質(zhì)量百分比以上50質(zhì)量百分比以下的Cr。

3.一種焊接方法，其將母材預(yù)熱至80℃以上120℃以下后，將含有50質(zhì)量百分比以上60質(zhì)量百分比以下的Ni和40質(zhì)量百分比以上50質(zhì)量百分比以下的Cr的合金實(shí)施層狀堆焊，其特征在于，

將形成層時(shí)的通路間溫度設(shè)為200℃以下實(shí)施焊接。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的焊接方法，其特征在于，將所述合金實(shí)施層狀堆焊時(shí)，在形成一個(gè)層后實(shí)施打磨，然后在所述一個(gè)層上堆焊下一層。

5.[追加]

根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的焊接方法，其特征在于，通過(guò)MAG焊接實(shí)施所述堆焊，并且使用以Ar為主要成分且混合了He和CO₂的氣體作為保護(hù)氣體。

6.[追加]

根據(jù)權(quán)利要求5所述的焊接方法，其特征在于，將使用的焊接裝置的基極電流設(shè)為1時(shí)，將電流值設(shè)為0.8以上0.9以下的值進(jìn)行焊接。