JP2820776B2 - 析出硬化フェライト―パーライト鋼 - Google Patents

析出硬化フェライト―パーライト鋼

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JP2820776B2 JP2152484A JP15248490A JP2820776B2 JP 2820776 B2 JP2820776 B2 JP 2820776B2 JP 2152484 A JP2152484 A JP 2152484A JP 15248490 A JP15248490 A JP 15248490A JP 2820776 B2 JP2820776 B2 JP 2820776B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は析出硬化型フェライト−パーライト鋼(AFP
鋼)に関し、特に内燃機関のガスバルブ用材として用い
られる。ガス弁(ガスバルブ)は該内燃機関内のガス交
換を制御し、そのシリンダーを封鎖する該内燃機関内の
吸気弁と排気弁である。
〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕
徐々に高出力の方向にあるエンジンの開発はバルブの
熱応力もその割合で増大することになり、高燃焼ガスが
周りを流れる排気弁は作動温度が約850℃にも達する。
それと対照的に、吸気弁はキャブレターを通った燃料に
より冷却され550℃を越えた温度にはならない。
バルブ材は高耐熱性のみならず第1図で模式的に示し
たような用途の特性を必要とする。
これらの特性のため特定のバルブ材が開発されており
DIN17480(2)として標準化されている。3つのグルー
プの材料に区別される。
−材料No.1.4718、1.4731、1.4748のような炭化物を含
むマルテンサイト鋼、及び −材料No.1.4873、1.4875、1.4882、1.4785のような析
出硬化可能な炭化物を含むオーステナイト鋼、及び −材料No.2.4955、2.4952のようなオーステナイト析出
硬化可能な合金、 異なった負荷をかけたバルブを設計する場合、バルブ
製造者は種々の特性を考慮する。例えば軽く負荷をかけ
た吸気弁は鋼1.4718(X45 CrSi93)から単金属バルブ
(モノバルブ)の形でしばしば作られる。
硬化されそしてテンパーされて研削されたロッド(素
材)を例えば部分的に加熱し、ペア(pear)形状に熱間
成形する。ドロップ(drop)鍛造によって、次に硬化と
テンパーあるいは軽いテンパーで作られたバルブディス
クを仕上げ加工する。十分に応力をかけた排気バルブの
場合、バルブ製造者はバルブ材をしばしば適当に互いに
組合わす必要がある。第1図に示すようにバイメタルバ
ルブ、例えば析出硬化オーステナイト鋼の高耐熱及び高
耐食性は高耐磨耗性に組合わされ、硬化性マルテンサイ
ト鋼の良好な摺動性は鋼1.4871(X53 CrMrNiN219)と鋼
1.4718(X45 CrSi93)のバルブディスクの摩擦溶接によ
り接合される。
現在の技術水準では吸気バルブと軽く応力をかけられ
た排気バルブに対して、またバイメタルの吸気、排気バ
ルブのステムに対する半分以上のバルブ材の要求は鋼1.
4718(X45 CrSi93)又はその類似鋼とでかなえられる。
これらの鋼は第2図と第3図に示された主要製造順に従
って鋼とバルブ製造業者によって加工される。
本発明の目的は鋼とバルブ製造業者により製造順に従
って、いくつかの熱処理を行う必要がある以前用いられ
たマルテンサイトで炭化物を含む鋼を、出来る限り熱処
理をせずに高価でなく要求されたバルブ特性を達成する
鋼に代えることを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕 この問題を解決するために、本発明によれば、 下記成分(重量%): 炭素 0.20−0.60% シリコン 0.20−0.95% マンガン 0.50−1.80% 窒素 0.004−0.04% バナジウム及びニオブから少なくとも1種 0.
05−0.20%、及び 残部鉄及び付随不純物 を含有する析出硬化型フェライト鋼、が提供される。
本発明では、 下記成分(重量%) 炭素 0.20−0.60% シリコン 0.20−0.95% マンガン 0.50−1.80% 窒素 0.004−0.04% バナジウム及びニオブから少なくとも1種 0.
05−0.20%、 硫黄0.20%以下、クロム0.70%以下、アルミニ
ウム0.10%以下、及びチタン0.05%以下から少なくとも
一種、及び 残部鉄及び付随不純物 を更に含有してもよい。
また本発明では、 下記成分(重量%) 炭素 0.35−0.50% シリコン 0.40−0.80% マンガン 1.00−1.60% クロム 0.50−0.50% アルミニウム 0.01−0.05% 窒素 0.008−0.03% バナジウム 0.05−0.12%、及び 残部鉄及び付随不純物 を含有するが好ましく、または本発明では 下記成分(重量%) 炭素 0.35−0.50% シリコン 0.40−0.80% マンガン 1.00−1.60% クロム 0.05−0.50% アルミニウム 0.01−0.05% 窒素 0.008−0.03% バナジウム 0.05−0.12% 硫黄0.05%以下、ニオブ0.05%以下、及びチタ
ン0.025%以下から少なくとも一種、及び 残部鉄及び付随不純物 を更に含有するのが好ましい。
〔実施例〕
本発明の析出硬化型ウェライト−パーライト鋼の各添
加元素の限定理由を以下に示す。
炭素 炭素は、鋼の強度特性を決定する本質的な元素であ
る。フェライト+パーライト混合組織中のパーライトの
割合すなわち鋼の強度は、炭素含有量で決定される。0.
20%Cの下限値が、強度範囲の下限側を確実に達成でき
ることを保証する。一方、組織中のパーライトの割合を
限定するために、炭素は最大0.60%に制限する必要があ
る。これが、破断時の伸び値と、破断時の絞り率と、ノ
ッチの付いた棒の衝撃加工とが、前述の強度範囲に渡っ
て確実に達成できることを保証する。
シリコン マンガンのようにシリコンは、フェライト+パーライ
ト混合組織中のフェライトの強度を増加させるように寄
与する。フェライト+パーライト混合組織中にフェライ
トが均一分布している場合に、マンガンとバナジウム元
素の結合を達成するため、0.2%の下限Si含有量が必要
である。一方でフェライト割合が非常に増加し、他方で
フェライト粒径を粗大化して、双方が強度特性を低下さ
せるので、0.95%を越えるシリコン含有量は、避ける必
要がある。したがって、好ましい含有量は、0.40と0.80
%Siの間にする必要がある。
マンガン 十分な強度のためには、0.5%のマンガン最低含有量
が必要である。より少ない含有量は、低フェライト強度
により、強度範囲の下限値を確実に確保することができ
ないことを意味する。高マンガン含有量は、鋼の変態慣
性(変態の遅れ)を増加する。マンガン含有量の上限
は、1.8%を必要とし、オーステナイト領域からの制御
冷却中の硬点(局部焼き入れ硬化点)を防止する。一
方、この硬点は靭性を非常に低下し、他方で構造物の製
造のために容易な可削性を低下させるので、硬点の出現
を回避しなければならない。したがって、最も好ましい
マンガンの範囲は、1.0と1.6%の間にある。
硫黄 硫化物の形成中に、特に横方向に鋼の靭性低下が生じ
るので、鋼に含有する元素である硫黄は、通常可能な限
り低くしなければならない。一方、より高い硫黄含有量
は可削機械加工性をもたらし、例えば、車両構造物にお
いては、この可削機械加工性が、量産構造物を製造する
ために特に重要な態様となる。0.2%以下の硫黄含有量
が可削性のために必要になる。硫化物純度の劣化と靭性
の著しい低下のため、より高い含有量は避けるべきであ
る。
クロム 強度と変態挙動との理由で、0.7%以下のクロム含有
量を鋼に添加することが必要である。反対に、硬点と不
都合を防止するために、これより高い含有量は避ける必
要がある。好ましい範囲は、0.05及び0.5%の間であ
る。
アルミニウム 溶融冶金法で行うアルミニウム脱酸のために、一般的
に鋼は、0.1%以下のアルミニウム量を含有するが、主
として0.01〜0.05%の範囲に有る。より高いアルミニウ
ム含有量は、適切な酸化物純度にするために避けるべき
であり、さらにこれは、最適脱酸の実施するに不適切で
ある。通常の窒素含有量に不適切な高アルミニウム含有
量は、その上に粗大粒の形成の原因となる。粗大粒の形
成及び不適切な酸化物純度は、靭性さらに著しく有害な
効果をもたらす。
窒素 溶融法に依存して、鋼は、0.004〜0.04%の窒素含有
量を有するが、この窒素含有量は好ましくは0.008〜0.0
30%の範囲にある。窒化物の析出は粗大粒の形成を防止
するので、窒素最小含有量は0.004%が極めて望まし
い。0.04%を越えた過剰な窒素含有量は、著しく大量の
窒化物形成が粒界付近に生じて、結果として靭性に有害
な影響をもたらす。また最大窒素含有量は、連続鋳造中
の熱間脆性を防止するために、0.04%までに限定する必
要がある。
チタン 最大温度までの細粒化耐性のために、窒化物或いは炭
化物を形成するチタンの含有量は、0.05%以下にすると
良い。0.05%より多いTi含有量は、細粒化耐性の改良が
できなくなる。より高いチタン含有量でもって、比較的
粗大なチタン含有析出物が形成され、結晶粒成長を防止
するために無益であることも明確になった。
バナジウムとニオブ バナジウムとニオブ元素は析出硬化を生じて、AFP鋼
の強度を高める。0.2%より多いV及び/またはNb含有
量は、この場合に析出物がさらに粗大にするので、強度
をさらに高められないことを立証した。実際問題として
0.05未満の含有量では、添加物を含まない鋼と比較し
て、析出硬化による強度の増加はほとんど生じなかっ
た。したがって、好ましい範囲は、バナジウムに関して
は0.05と0.20%Vの間にある。
ワイヤーに圧延した後及び大気中での熱間成形温度か
ら冷却でアップセットあるいは鍛造した後(「条件によ
る」)、AFP鋼は鋼1.4718のものと匹敵する機械的、技
術的値を有することが分かった。第1表は化学成分を示
し、第2表と第4表は室温と高温での強度特性を示す。
第3表と第5表は比較材1.4718(X45 CrSi93)とAFP鋼
のクリープラプチャー強度を特徴づけ、「条件による」
AFP鋼は従来の鋼1.4718に代わるものである。
アップセットと型鍛造後、本発明に係わるAFP鋼から
バブル製造業者により作られた吸気バルブを空冷し、熱
処理せずエンジン内でテストした。
得られた結果は以前用いられた鋼1.4718と比較して実
用的であり有用である。
本発明に係わる鋼はガスバルブ用として以前用いられ
た材料より経済的で第6図、第7図で示された順で容易
に製造される利点を有する。
本発明の工程順と第2図、第3図に示された従来の主
な製造工程順と比較して、AFP鋼は公知のバルブ鋼と対
照的に熱処理を必要としないことがわかる。
他の利点は公知のバルブ鋼1.4718に比較しクラックと
脱炭に対して低敏感であり、しかも熱処理の省略により
脱炭がないことであり、鋼1.4718に必要とされる圧延前
の100%皮削りがAFP鋼の場合部分的皮削りでよい。更に
又、棒鋼のセンターレスグラインダーの加工量も、もし
もAFP鋼王からガスバルブの製造において、研削された
棒の代わりに引抜き棒が代わるならば、減少されまた完
全に省略される。
クラックと脱炭に対する低敏感性に加えて、AFP鋼は
炭化物を含むマルテンサイトバルブ鋼に対して以下の利
点も有する。
○低合金化コスト ○改良された連続鋳造性 ○粗粒再結晶への低敏感性 ○改良された機械加工性 概して、これらの利点は内燃機関のガスバルブAFP鋼
の用途が鋼製造業者とバルブ製造者に対して実質的コス
トの低減になることを意味する。
参考文献 1)V.Schuler,T.Kreul,S.Engineer:“Special Quality
Constructional Steels Motorcars",Thyssen Technisc
he Berichte 2(1986),233−240頁 2)DIN 17480:“Valve Materials",Beuth Verlag Gmb
H,Berlin 30(September 1984)
【図面の簡単な説明】
第1図は摩擦溶接されたバイメタル排気弁の要求性能を
示す図(Aはステム端とその入口での高耐磨耗性、Bは
圧縮、引張り及び曲げ応力下での高強度と高靭性、Cは
ステム(例えば鋼1.4718)、Dはバルブガイドでの高摺
動性、Eは摩擦溶接シーム、Fはバルブディスク(例え
ば鋼1.4871)、Gは応力下で約800℃迄高耐熱性と熱間
排ガスによる腐食に対する耐熱衝撃性、Hは高耐磨耗
性、Iは表面硬化(硬合金化)を要する)であり、 第2図は炭化物を含むマルテンサイト−バルブ鋼(例X4
5 CrSi93)や他のマルテンサイトバルブ鋼(従来例)の
鋼製造者の主要製造順を示す図であり、 第3図は第2図で示した鋼のバルブ製造者の主要製造順
を示す図であり、 第4図は室温と高温での強度特性を示す図であり、 図5は比較材1.4718とAFP(本発明)のクリープラプチ
ャー強度を示す図であり、 第6図と第7図は内燃機関のガスバルブ用のAFP(本発
明)のそれぞれ鋼製造者とバルブ製造者の主要製造順を
示す図である。 〔符号の説明〕 C……ステム、F……バルブディスク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−203752(JP,A) 特開 昭61−110750(JP,A) 特開 昭64−68424(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C22C 38/00 - 38/60 F01L 3/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】下記成分(重量%)、 炭素 0.20−0.50%未満、 シリコン 0.20−0.95%、 マンガン 0.50−1.80%、 窒素 0.004−0.04%、 バナジウム及びニオブから少なくとも1種 0.05−0.20
    %、 硫黄 0.20%以下、 クロム 0.70%以下、 アルミニウム 0.10%以下、 チタン 0.05%以下、及び 残部鉄及び付随不純物、 を含有する析出硬化フェライト−パーライト鋼から製造
    された内燃機関のガス弁。
  2. 【請求項2】下記成分(重量%) 炭素 0.35−0.50%、 シリコン 0.40−0.80%、 マンガン 1.00−1.60%、 クロム 0.05−0.50%、 アルミニウム 0.01−0.05%、 窒素 0.008−0.03%、 バナジウム 0.05−0.12%、 硫黄 0.05%以下、 ニオブ 0.05%以下、 チタン 0.025%以下、及び 残部鉄及び付随不純物、 を含有する鋼から製造された請求項1記載のガス弁。
JP2152484A 1989-06-09 1990-06-11 析出硬化フェライト―パーライト鋼 Expired - Lifetime JP2820776B2 (ja)

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DE4014072.5 1990-05-02

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