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技術 排気バルブの製造方法

出願人 大同特殊鋼株式会社
発明者 植田茂紀野田俊治岡部道生
出願日 1997年2月7日 (23年10ヶ月経過) 出願番号 1997-025616
公開日 1998年8月18日 (22年4ヶ月経過) 公開番号 1998-219353
状態 特許登録済
技術分野 リフト弁、スライド弁、回転弁、その他の弁 物品の熱処理
主要キーワード 液体窒化法 低温焼きなまし タフトライド法 温間加工性 タフトライド処理 マルテンサイト系耐熱鋼 目的形状 アップセット
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1998年8月18日)のものです。
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課題

自動車用排気バルブを安価に製造する方法を提供する。

解決手段

C:0.01〜0.1重量%,Si:2重量%以下,Mn:2重量%以下,Cr:12〜25重量%,Nb+Ta:0.2〜2.0重量%,Ti:3.5重量%以下,Al:0.5〜3.0重量%,Ni:25〜45重量%,Cu:0.1〜5.0重量%,B:0.001〜0.01重量%,残部がFeおよび不可避的不純物から成る耐熱鋼素材溶体化処理を施したのち、冷間加工または温間加工を行って部を成形し、ついで前記傘部にマルテンサイト系耐熱鋼から成る軸部を接合したのち時効処理を行う。

概要

背景

自動車エンジン用排気バルブは、従来から概ね次のようにして製造されている。まず、Fe−Ni−Cr系耐熱鋼を冷間で引き抜き加工して所定寸法の棒材成形する。ついで、その棒材に対し例えば電気アップセット予備成形したのち熱間据え込みを行って部を成形する。そして、この傘部に、通常はJIS SUH−11やJIS SUH−3として規格化されているマルテンサイト系耐熱鋼から成る軸部を例えば摩擦溶接して接合一体化する。

その後、前記した加工処理によって蓄積されている加工歪みを除去するために溶体化処理を行い、ついで時効処理を行って(Ni,Cr)3(Al,Ti,Nb,Ta)のようなγ’相を析出せしめることにより高温強度を確保する。そして、必要により軸端焼入れを行って硬化させ、最後に、機械的な仕上げ加工を行って出荷される。

概要

自動車用の排気バルブを安価に製造する方法を提供する。

C:0.01〜0.1重量%,Si:2重量%以下,Mn:2重量%以下,Cr:12〜25重量%,Nb+Ta:0.2〜2.0重量%,Ti:3.5重量%以下,Al:0.5〜3.0重量%,Ni:25〜45重量%,Cu:0.1〜5.0重量%,B:0.001〜0.01重量%,残部がFeおよび不可避的不純物から成る耐熱鋼素材に溶体化処理を施したのち、冷間加工または温間加工を行って傘部を成形し、ついで前記傘部にマルテンサイト系耐熱鋼から成る軸部を接合したのち時効処理を行う。

目的

しかしながら、上記した従来の製造方法には次のような問題がある。すなわち、傘部の成形時には、電気アップセットで予備成形しその後に熱間据え込みを行うという2工程を必要とすることである。また、成形された傘部の寸法精度はあまり高くなく、発生した表面傷の完全な除去ということも加味されて、仕上げ加工時における加工代は大きくなりやすく、したがって仕上げ加工に要する時間も長くなりやすいということである。更に、時効処理前に溶体化処理が必要となる。

しかしながら、現在まで提案されている耐熱鋼はいずれも熱間加工することを前提としたものであるため、それら素材に対して冷鍛や温鍛を行って傘部を成形することは困難である。本発明は上記したような問題を解決し、既に本発明者らが特願平8−301223号や特願平8−301224号として出願した冷間加工性に優れる耐熱鋼を排気バルブの傘部用素材とすることにより傘部の冷間加工が可能となり、従来の排気バルブの性能と同等な排気バルブを安価に製造する方法の提供を目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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請求項1

C:0.01〜0.1重量%,Si:2重量%以下,Mn:2重量%以下,Cr:12〜25重量%,Nb+Ta:0.2〜2.0重量%,Ti:3.5重量%以下,Al:0.5〜3.0重量%,Ni:25〜45重量%,Cu:0.1〜5.0重量%,B:0.001〜0.01重量%,残部がFeおよび不可避的不純物から成る耐熱鋼素材溶体化処理を施したのち、冷間加工または温間加工を行って部を成形し、ついで前記傘部にマルテンサイト系耐熱鋼から成る軸部を接合したのち時効処理を行うことを特徴とする排気バルブの製造方法。

請求項2

前記耐熱鋼素材には、更に、W:3重量%以下,Mo:3重量%以下,V:1重量%以下,Co:5重量%以下,Ca+Mg:0.001〜0.01重量%,Zr:0.001〜0.01重量%が含有されている請求項1の排気バルブの製造方法。

請求項3

前記時効処理後に、窒化処理を行う請求項1または2の排気バルブの製造方法。

請求項4

前記窒化処理後に、前記軸部の端部に焼入れ処理を行う請求項1〜3のいずれかの排気バルブの製造方法。

技術分野

0001

本発明は排気バルブの製造方法に関し、更に詳しくは、性能は従来のものと変わることのない排気バルブを安価に製造する方法に関する。

背景技術

0002

自動車エンジン用の排気バルブは、従来から概ね次のようにして製造されている。まず、Fe−Ni−Cr系耐熱鋼を冷間で引き抜き加工して所定寸法の棒材成形する。ついで、その棒材に対し例えば電気アップセット予備成形したのち熱間据え込みを行って部を成形する。そして、この傘部に、通常はJIS SUH−11やJIS SUH−3として規格化されているマルテンサイト系耐熱鋼から成る軸部を例えば摩擦溶接して接合一体化する。

0003

その後、前記した加工処理によって蓄積されている加工歪みを除去するために溶体化処理を行い、ついで時効処理を行って(Ni,Cr)3(Al,Ti,Nb,Ta)のようなγ’相を析出せしめることにより高温強度を確保する。そして、必要により軸端焼入れを行って硬化させ、最後に、機械的な仕上げ加工を行って出荷される。

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、上記した従来の製造方法には次のような問題がある。すなわち、傘部の成形時には、電気アップセットで予備成形しその後に熱間据え込みを行うという2工程を必要とすることである。また、成形された傘部の寸法精度はあまり高くなく、発生した表面傷の完全な除去ということも加味されて、仕上げ加工時における加工代は大きくなりやすく、したがって仕上げ加工に要する時間も長くなりやすいということである。更に、時効処理前に溶体化処理が必要となる。

0005

これらの問題は、いずれも製造コストの上昇要因であり、その解決が要求されている。上記した問題のうちの前者の問題は、傘部の成形を熱間で行うのではなく、例えば冷間加工または温間加工の1工程で行うことにより基本的には解消することができる。その場合には、傘部用の耐熱鋼素材冷間加工性に優れていることが必要になる。

0006

しかしながら、現在まで提案されている耐熱鋼はいずれも熱間加工することを前提としたものであるため、それら素材に対して冷鍛や温鍛を行って傘部を成形することは困難である。本発明は上記したような問題を解決し、既に本発明者らが特願平8−301223号や特願平8−301224号として出願した冷間加工性に優れる耐熱鋼を排気バルブの傘部用素材とすることにより傘部の冷間加工が可能となり、従来の排気バルブの性能と同等な排気バルブを安価に製造する方法の提供を目的とする。

課題を解決するための手段

0007

上記した目的を達成するために、本発明においては、C:0.01〜0.1重量%,Si:2重量%以下,Mn:2重量%以下,Cr:12〜25重量%,Nb+Ta:0.2〜2.0重量%,Ti:3.5重量%以下,Al:0.5〜3.0重量%,Ni:25〜45重量%,Cu:0.1〜5.0重量%,B:0.001〜0.01重量%,残部がFeおよび不可避的不純物から成る耐熱鋼素材に溶体化処理を施したのち、冷間加工または温間加工を行って傘部を成形し、ついで前記傘部にマルテンサイト系耐熱鋼から成る軸部を接合したのち時効処理を行うことを特徴とする排気バルブの製造方法が提供される。

発明を実施するための最良の形態

0008

本発明では、まず、上記した組成の耐熱鋼素材を用いて傘部が成形される。その場合、目的製品である排気バルブは、それがロッカーアーム式,直動式のものであるを問わず、高温腐食性の環境下で稼働するので、前記した冷間加工性または温間加工性に優れていると同時に、高温強度と耐食性にも優れていることが必要になる。

0009

この素材において、Cは、他の成分であるNb,Ta,Tiとの間で炭化物を生成して素材の高温強度の向上に資する成分であって、その含有量は0.01〜0.1重量%に設定される。0.01重量%より少ない場合は上記した炭化物の生成量は少なくなって高温強度は低下傾向を示し、また0.1重量%より多い場合は、炭化物が多量に析出して冷間加工性の低下や表面傷の発生が多くなるからである。好ましくは0.01〜0.05重量%である。

0010

Siは脱酸剤として機能し、また素材の耐酸化性の確保に寄与する。しかし、あまり多量に含有されていると、素材の冷間加工性は低下するので、その上限値は2重量%とする。Mnは、Siと同様に脱酸剤として機能する。しかし、あまり多量に含有されていると、素材の高温下における耐酸化性が悪くなるだけではなく、靭性阻害するη相(Ni3Ti)の析出を助長するので、その含有量は2重量%以下に設定する。

0011

Crは高温下における耐酸化性と耐食性の向上に資する成分であり、その含有量は12〜25重量%に設定される。12重量%より少なくなると、上記した効果は発揮されず、また25重量%より多くなると、母地のオーステナイト相が不安定となり、脆化相であるσ層が析出して素材の脆性低下を招くからである。好ましくは、12〜20重量%である。

0012

Nb,Taは、いずれもNiと一緒になって前記したγ’相を形成して素材の高温強度の向上に資する成分である。その合量が0.2重量%より少なくなると上記した効果は現れず、また合量が2.0重量%より多くなると、δ相(Ni3(Nb,Ti))の析出が起こりはじめて素材の靭性低下を招く。好ましくは、0.5〜1.5重量%である。

0013

Tiは、前記したようにγ’相の析出に寄与する成分であるが、とくに後述する時効処理時にγ’相の析出を促進する成分である。しかし、あまり多量に含有させると、脆化相である前記したη相を析出させることにより素材の靭性低下を引き起こすので、その含有量は3.5重量%以下に設定する。好ましくは、0.5〜2.5重量%である。

0014

Alはγ’相の析出にとって必要な成分であり、素材の高温強度の向上に資する。その含有量が0.5重量%より少ないと、γ’相の析出量が不充分となって上記した効果の発現は少なくなり、また3.0重量%より多くなると、素材の熱間加工性の低下が引き起こされるようになるので、その含有量は0.5〜3.0重量%に設定される。好ましくは、0.7〜2.0重量%である。

0015

Niはオーステナイト形成用の成分であり、素材の耐熱性と耐食性を向上せしめ、また高温下において組織を安定化せしめ、更には、強化相であるγ’相の析出のために必須な成分であって、その含有量は25〜45重量%に設定される。25重量%より少ない場合は上記した効果が充分に発揮されず、また45重量%より多くなると、Niが高価な金属であることからして素材のコスト上昇を招き、本発明の目的と合致しなくなる。しかも、Ni含有量が多くなると、後述する溶体化処理後の素材の硬さを高め、そのため、冷間加工性が低下して、後述する冷間加工または温間加工が行いづらくなる。好ましくは27〜35重量%である。

0016

Cuは、加工硬化を抑制し、もって素材の冷間加工性の向上に資する成分であって、その含有量は0.1〜5.0重量%に設定される。0.1重量%より少ない場合は上記した効果が有効に発揮されず、また5.0重量%より多くしても、上記した効果が発揮されないだけではなく素材の熱間加工性の低下も引き起こされるようになる。好ましくは0.5〜3.0重量%である。

0017

Bは結晶粒界偏析して粒界強度の向上に資する成分で、その含有量は0.001〜0.01重量%に設定される。0.001重量%より少ない場合は上記効果が充分に発揮されず、また0.01重量%より多くなると素材の熱間加工性が低下するようになる。本発明で用いる耐熱鋼素材には、更にP,S,O,Nなどの不可避的不純物が含有されているが、これら不可避的不純物は、いずれも、他の成分との間で非金属介在物を生成して素材の機械的強度の低下を引き起こす要因になるので、その含有量は0.01重量%に制限されることが好ましい。

0018

この素材は、上記した組成を必須とするが、更に必要に応じては、W:3重量%以下,Mo:3重量%以下,V:1重量%以下,Co:5重量%以下,Ca+Mg:0.001〜0.01重量%,Zr:0.001〜0.01重量%を含有していてもよい。その場合、W,Mo,Vはいずれも溶体化処理後における素材の高温強度の向上に資する成分である。これらの成分の含有量をあまり多くしても、上記した効果は飽和状態に達するだけではなく、素材のコスト上昇,冷間加工性の低下を招くようになるので、それらの含有量は上記した値を上限値とする。

0019

Coは、Niと略同じ作用を示す成分であって、Niの一部を置換する状態で含有させることができる。しかしながら、CoはNiに比べても高価な金属であるため、多量に含有させると素材のコスト上昇を招くので、その含有量は上記した値を上限にする。Ca,Mgは、いずれも、素材を溶製するときに、脱酸剤および脱硫剤として機能する成分であり、脱酸脱硫効果を発揮させるためには0.001重量%以上を必要とするが、あまり多く含有させると素材の熱間加工性の低下が引き起こされるので0.01重量%以下に制限することが好ましい。

0020

また、ZrはBと同じように粒界強度の向上に資する成分であり、Bの場合と同じように、その含有量は0.001〜0.01重量%の範囲内にすることが好ましい。本発明は次のようにして実施される。最初に、上記した組成の耐熱鋼を素材として、以下の手順で傘部が成形される。

0021

すなわち、まず、素材に均熱処理を施したのち、熱間で鍛伸および圧延を行って所定形状の棒材にする。ついで、この棒材に溶体化処理を行う。具体的には、棒材を1000〜1100℃の温度域で10〜60分間程度保持したのち、水または油を用いて急冷する。

0022

この溶体化処理により、Cr炭化物や、前記したγ’相,脆化相であるη相は固溶し、再結晶による軟化すすみ、また前記した鍛伸および圧延で蓄積された内部応力が除去され、棒材は全体として軟化する。傘部を成形するに際しては、上記した溶体化処理後の棒材が出発の素材となる。

0023

すなわち、上記棒材に対し、直接、冷間加工または間鍛加工が施されることにより、目的とする形状の傘部が成形される。棒材は既に溶体化処理されて軟質になっているので、この冷間による据え込み加工は円滑に行うことができる。そして、成形された傘部の寸法精度は高くなるため、最後の仕上げ加工時における加工代が少なくなる。また、冷間加工または温間加工であるため、傘部の形成に要する費用は熱間加工の場合に比べて節約される。

0024

ついで、上記傘部に、例えばJIS SUH−11やJIS SUH−3のような低温焼きなましをしたマルテンサイト系耐熱鋼から成る軸部が例えば摩擦接合されて目的形状の排気バルブが成形される。そして、本発明においては、成形された排気バルブに対し、従来のように溶体化処理を施すことなく、直ちに、例えば650〜800℃の温度域で0.5時間程度の高温時効処理が行われる。

0025

この時効処理により、前記した冷間加工時の残留歪みで加工硬化していることに加えて、更に傘部ではγ’相の析出が進んでHV350〜500程度にまで硬化する。また、硬化した接合部では、マルテンサイト焼戻しが起こってHVは250〜350程度にまで低下し、かつ靭性は向上する。そして最後に、仕上げ加工を行って、目的とする排気バルブが製造される。

0026

なお、本発明においては、上記した仕上げ加工に続けて、軸部に窒化処理を行って当該軸部に窒化層を形成すると、耐摩耗性が向上するので好適である。窒化処理の方法としては格別限定されるものではないが、靭性に富みかつ耐摩耗性が優れた極めて薄い窒化層を形成できるという点で、タフトライド法に代表される液体窒化法を適用することが好ましい。

0027

また、排気バルブがロッカーアーム式のものである場合には、更に軸端部に対して焼入れ硬化を行うと、当該軸端部の摩耗防止にとって有効である。焼入れの方法としては、例えば、高周波焼入れフレーム焼入れなどを適用することができる。

0028

実施例1〜3,従来例
真空誘導炉で表1に示した組成の鋼を50kg溶製したのちインゴットを製造した。

0029

0030

これら7種類のインゴットに1100℃で16時間の均熱処理を行ったのち、直径70mmに鍛伸し、更に直径16mmの丸棒に圧延した。ついで、これらの丸棒を、温度1050℃で30分間保持したのち油冷して溶体化処理を行い、傘部の素材とした。これらの素材を用いて、以下の態様で排気バルブを製造した。

0031

1)各素材室温下で冷間加工して傘径が24.3mmの傘部を成形し、それに、JIS SUH−11から成り、直径が5.8mmの軸部を摩擦接合した。ついで、温度750℃で4時間保持したのち空冷する時効処理をおこなったのち仕上げ加工し、更に、温度570℃で30分間のタフトライド処理を施して7種類の排気バルブを製造した。この排気バルブは直動式の動弁系に使用することを目的とする。これを実施例1とする。

0032

2)各素材を温度500℃で温間加工して傘部を成形したことを除いては、実施例1と同様にして排気バルブを製造した。この排気バルブもまた直動式動弁系への使用が目的とされている。これを実施例2とする。
3)実施例1で製造した排気バルブの軸端部に、高周波を用い、温度1050℃で30秒間加熱したのち空冷を行った。

0033

この排気バルブは、ロッカーアーム式の動弁系に使用することを目的としている。これを実施例3とする。
4)各素材を通電アップセット法で予備成形したのち熱間で据え込み加工して傘径24.3mmの傘部を成形し、これにJIS SUH−11から成る軸部(直径5.8mm)を摩擦接合した。

0034

ついで、温度1050℃で30分間保持したのち油冷して溶体化処理を行い、更に続けて、温度750℃で4時間保持したのち空冷して時効処理を行った。その後、仕上げ加工を行い、更に温度570度で30分間のタフトライド処理を行い、ついで軸端部を、高周波を用い、1050℃で30秒間加熱したのち空冷を行ってロッカーアーム式動弁系に使用する排気バルブを製造した。これを従来例とする。

0035

上記した態様で製造した各排気バルブフェース面硬度を測定した。また、従来例による製造コストと実施例1,2,3による製造コストを比較した。それらの結果を、表1で示した各素材に対比させて表2に示した。

0036

0037

本発明方法で製造した排気バルブのフェース面は、従来方法で製造した排気バルブのフェース面よりも硬くなっている。そこで、試料No.1〜3の素材を用いて、実施例1の方法と従来例の方法で製造した直動式動弁系の排気バルブを実機に組み込んで6000rpm,100時間の耐久試験を行い、傘部と首部の損傷状態を観察した。このときの使用温度は約800℃であった。

0038

両者ともに損傷は認められなかった。また、耐久試験の終了後、本発明方法で製造した排気バルブを取り外し、そのフェース面の硬さを測定したところ、HVは280〜350であり、従来の場合と同等の硬さになっていた。

発明の効果

0039

以上の説明で明らかなように、本発明方法で製造した排気バルブは、実機試験において、従来方法で製造した排気バルブと同等の性能を発揮する。そして、傘部の成形を冷間加工または温間加工で行うので、従来に比べて成形コストは低減し、しかも寸法精度が高くなって仕上げ加工時の加工代は少なくなり、全体としての製造コストは低減する。

0040

すなわち、本発明は、従来と性能的に同等な排気バルブを安価に製造することができるので、その工業的価値は大である。

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