JP3468126B2

JP3468126B2 - 冷間加工性にすぐれたマルテンサイト系耐熱鋼

Info

Publication number: JP3468126B2
Application number: JP29209998A
Authority: JP
Inventors: 茂紀植田; 俊治野田; 道生岡部; 克明佐藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2003-11-17
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: JP2000119818A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷間加工性にすぐ
れたマルテンサイト系耐熱鋼に関する。本発明の鋼は、
ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンの吸気バル
ブの材料として好適である。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンエンジンやディーゼルエンジン
の吸気バルブを製造するには、これまで、ＪＩＳのＳＵ
Ｈ１１またはＳＵＨ３のようなマルテンサイト系耐熱鋼
が使用されて来た。バルブの製造方法には、通常、棒材
を切断したものを通電加熱により昇温させてプリフォー
ムを成形した後、熱間据え込みにより傘部を成形する工
法（アプセット法）と、熱間でしぼり出す工法（搾出
法）とがある。アプセット法は２台のプレス機が必要で
あること、通電加熱に時間がかかるため、バルブ１本を
製造するのに要する時間が長いこと、また加熱のためエ
ネルギーを消費すること、などの問題がある。搾出法
も、熱エネルギーを要することは同じである。

【０００３】吸気バルブの製造コスト低減の要請に応え
るには、合金材料のコストと加工のコストの両面から検
討しなければならないが、前者は、バルブ鋼として必要
な特性を確保するためには自ら限界があり、後者によら
なければならない。もし素材からバルブまでを冷間加
工、たとえば冷間鍛造で加工できれば、大きなコスト低
減が図れる。しかし、現在用いられている耐熱鋼は冷間
加工性が悪く、冷間鍛造でバルブを得ることは、きわめ
て困難である。

【０００４】吸気バルブ用の材料として、冷間加工性を
高めた鋼が以前に開発された（特開昭５７−２０３７５
２）が、近年好まれる細径の軸に大径の傘がついたバル
ブを製造するためには、このバルブ鋼では加工性が不足
であって、より高い冷間加工性をそなえた鋼の出現が要
望されていた。

【０００５】発明者らは、この要望に応えることを意図
して研究を重ねた結果、鋼中のＳｉおよびＭｎの量の著
しい低減が冷間加工性の向上に有効であること、また、
従来は冷間加工性を低下させるといわれていたＣは、そ
の量を低減しなくても、Ｃｒ／Ｃの原子比を制限するこ
とで球状化焼鈍硬さが低下し、その結果として十分な冷
間加工性が得られることを見出した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した発明者らの新知見を活用し、ガソリンエンジンやデ
ィーゼルエンジンの吸気バルブに代表される機械部品の
材料とするマルテンサイト系耐熱鋼であって、部品に要
求される特性を確保しつつ、高度の冷間加工性を実現し
た鋼、具体的には、据え込み率にして８２％以上という
強冷間加工が可能である程度に、冷間加工性がすぐれた
ものを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の冷間加工性にす
ぐれたマルテンサイト系耐熱鋼は、基本的な合金組成と
して、重量で、Ｃ：０．４５〜０．５５％、Ｓｉ：０．
３％未満、Ｍｎ：０．４％未満およびＣｒ：３．０〜
９．０％を含有し、ただし、Ｃｒ／Ｃの原子比が１．５
〜４．０であり、不純物を、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：
０．０１％以下、Ｎ：０．０１５％以下およびＯ：０．
０１％以下に規制し、残部が実質上Ｆｅからなる合金組
成を有し、球状化焼鈍後の硬さがＨＲＢ９０以下であ
り、かつ、焼入れ後の硬さがＨＲＣ５８以上であること
を特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】このマルテンサイト系耐熱鋼は、
上記した基本的な合金組成に加えて、下記の任意添加元
素のグループに属する成分の一種類または二種類以上を
含有することができる。１）Ｍｏ：０．０５〜１．５％およびＷ：０．０５〜
１．０％の、一方または両方、ただし、（Ｃｒ＋Ｍｏ＋
Ｗ）／Ｃの原子比が１．５〜４．０であること、２）Ｖ：０．０１〜０．５０％、３）Ａｌ：０．０１〜０．５０％、４）Ｎｂ：１．０％以下およびＴｉ：１．０％以下の、
一方または両方、５）Ｃｕ：１．０％以下、ならびに、６）Ｎｉ：２．０％以下。

【０００９】上記の基本的な合金を構成する各成分のは
たらきと、組成範囲の限定理由、および硬さの限定理由
を以下に示す。

【００１０】Ｃ：０．４５〜０．５５％Ｃは、焼入れ・焼戻し後の母材の強度を高め、またＣ
ｒ，Ｍｏ，Ｗと炭化物を形成して高温強度を高く得るた
めに、必須の元素である。この鋼の代表的な用途である
吸気バルブについていえば、耐摩耗性が必要とされる軸
端部だけを再度焼入れして用いるが、必要な強度を得る
ためには０．４５％以上のＣの含有が必要であって、こ
れに満たないＣ量では、軸端部にタタキ摩耗によるチッ
ピングが起こり、また首部では焼戻し強度が不足して折
損してしまう可能性がある。十分な軸端部の硬さを得る
ためには、０．５０％以上のＣ量が望ましい。一方、多
量のＣの存在は、冷間加工性を低くし、発明の目的に反
するから、０．５５％以内のＣ量とする。

【００１１】Ｓｉ：０．３％未満Ｓｉは溶製時に脱酸剤として役立つとともに、鋼の耐酸
化性および高温強度の向上に有効である。しかしＳｉ
は、マトリクス中に固溶して硬さを高め、冷間加工性を
低下させる。そこで、常用の耐熱鋼に比べて、Ｓｉ量を
著しく低減し、上限を０．３％未満と低い値とした。

【００１２】Ｍｎ：０．４％未満Ｍｎも脱酸剤として役立つほか、脱硫剤としても有効で
あり、かつ鋼の焼入れ性を向上させて、強度の増大に寄
与する。しかしＭｎも、Ｓｉと同様に、マトリクスの硬
さを高め、さらに非金属介在物ＭｎＳを生成して冷間加
工性を悪くするうえ、耐酸化性も低下するから、添加量
を０．４％未満に制限する。

【００１３】Ｃｒ：３．０〜９．０％Ｃｒは耐熱鋼に不可欠な成分であり、耐酸化性、耐食
性、高温強度を高めるはたらきがあるから、少なくとも
３．０％を添加する。過大に添加すると、冷間加工性お
よび靭性が損なわれるので、９．０％を上限とする。焼
鈍硬さをより低くし、冷間加工性を一層高くするために
は、この範囲内で高い側の添加量５．０〜９．０％をえ
らぶことが好ましい。

【００１４】Ｃｒ／Ｃの原子比：１．５〜４．０合金中のＣは、焼鈍時に炭化物としてマトリクスから排
出され、排出された炭化物が球状に粗大化することで、
硬さが低下する。このような炭化物の球状化焼鈍を促進
するためには、焼き鈍し時にＭ₇Ｃ₃やＭ₂₃Ｃ₆の型のＣ
ｒ炭化物を析出させて、炭化物が球状化しやすい条件を
与えればよい。そのために、ＣｒとＣの原子比を、上記
の炭化物中のＣｒ／Ｃ比（化学量論比２．３〜３．８）
に近づけることが有効である。この比が１．５に達しな
いと完全な球状化ができず、パーライトが多く残存し、
一方で４．０を超えると、母相中のＣｒ分が多くなりす
ぎて、いずれにしても硬さが高くなる。一般にＣは冷間
加工性を低くするため、従来の冷間鍛造用の材料では強
度を犠牲にしてもＣ量を低目にしていたが、本発明では
Ｃｒ／Ｃの原子比を上記のように選択することで、Ｃ量
を低減することなくバルブ成形に必要な冷間加工性を確
保することに成功した。

【００１５】不純物を規制した理由は、つぎのとおりで
ある。

【００１６】Ｐ：０．０３０％以下Ｐの存在は熱間加工性や疲労特性にとって有害であるだ
けでなく、冷間加工性をも低くするから、許容限度であ
る０．０３０％以下にする。

【００１７】Ｓ：０．０１０％以下Ｍｎに関して上述したように、Ｓは非金属介在物ＭｎＳ
を生成して冷間加工性を低くするから、０．０１０％以
下の少量に規制する。

【００１８】Ｎ：０．０１５％以下Ｎは、窒化物系の介在物を生成するばかりでなく、侵入
型元素であるため、加工時にマトリクス元素の動き（転
位運動）を阻害し、冷間加工性を低める成分である。許
容限度として、０．０１５％の値を定めた。

【００１９】Ｏ：０．０１％以下Ｏは酸化物系介在物を生成し、これも冷間加工性を悪く
する。含有量を０．０１％以内に低減すべきである。

【００２０】球状化焼鈍後の硬さ：ＨＲＢ９０以下、焼
入れ後の硬さ：ＨＲＣ５８以上冷間加工の加工性は、球状化焼鈍後の硬さが低いほどす
ぐれているが、後記する実施例に見るとおり、ＨＲＢ９
０以下を実現すれば、実用上十分な冷間加工性が得られ
る。一方、加工後、焼入れ−焼戻しして得たバルブ製品
に対しては、焼入れ後の硬さがＨＲＣ５８以上であるこ
とが要求される。

【００２１】任意に添加する合金成分の、添加の意義と
組成範囲の限定理由は、下記のとおりである。

【００２２】１）Ｍｏ：０．０５〜１．５％およびＷ：
０．０５〜１．０％の一方または両方ただし、（Ｃｒ＋
Ｍｏ＋Ｗ）／Ｃの原子比１．５〜４．０ＭｏとＷとはともに、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を
向上させ、Ａ１変態点を高める。焼戻し時には主として
Ｍ2Ｃ型の炭化物を生成し、高温強度を高める上でも有
効である。こうした効果は、それぞれ０．０５％程度の
添加で認められる。一方、多量の添加は、どちらも冷間
加工性を損なう。多量のＭｏは、耐酸化性をも低下させ
る。またこれら、とくにＭｏは価格が高いので、多量の
使用はコスト面でも不利になる。（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｗ）／
Ｃの原子比を１．５〜４．０の範囲に選ぶ意味は、Ｃｒ
／Ｃに関して上述したところと同じである。

【００２３】２）Ｖ：０．０１〜０．５０％Ｖは、高温強度を改善する。高温まで安定なＶＣなどの
炭化物を生成するため、熱間加工時や焼入れ時の結晶粒
粗大化を防止する。これらの効果は０．０１％以上の含
有で得られるが、多量に添加すると靭性や焼入れ硬さを
低下させるので、０．５０％の上限までに止める。

【００２４】３）Ａｌ：０．０１〜０．５０％この鋼から成形した部品を軟窒化処理する場合、Ａｌは
表層に窒化物を析出させて硬化相を形成するため、バル
ブのステム部分の耐摩耗性を向上させる上で役立つ。こ
の効果は０．０１％以上の添加で得られる。０．５０％
を超えて過剰に添加すると、冷間加工性や焼入れ硬さを
低下させる。

【００２５】４）Ｎｂ：１．０％以下およびＴｉ：１．
０％以下の一方または両方ＮｂもＴｉも、鋼中のＣやＮと化合して、炭化物や窒化
物（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｃ，（Ｎｂ，Ｔｉ）Ｎを形成する。そ
の結果、高温強度が改善されるばかりでなく、高温まで
安定な炭化物の存在で、熱間加工時や焼入れ時の結晶粒
粗大化を防止するという、Ｖの存在がもたらすと同じ利
益が得られる。それに加えて、軟窒化処理時に表層に窒
化物を析出させて硬化相を形成し、耐摩耗性の向上に役
立つという、Ａｌに関して述べた利益もある。過剰の添
加は冷間加工性と焼入れ硬さを低下させるので、上限値
それぞれ１．０％以下の添加量をえらぶ。

【００２６】５）Ｃｕ：１．０％以下Ｃｕは析出強化により高温強度を向上させる。また、耐
硫酸性が改善されるので、とくにディーゼルエンジン用
のバルブの材料としてこの鋼を使用する場合には、推奨
される合金成分である。多量の添加は熱間加工性を害す
るので、１．０％以内の量とする。

【００２７】６）Ｎｉ：２．０％以下Ｎｉは、焼入れ性および耐食性を高める。多量になると
冷間加工性が低下するし、不経済になるので、上限値
２．０％を設けた。

【００２８】

【実施例】表１に示す化学組成の各種合金を５０kgず
つ、高周波誘導炉で溶製して、インゴットを得た。

【００２９】上記のインゴットを１１５０℃に３時間保
持した後、１１５０〜９５０℃の温度範囲で鍛造および
圧延し、直径１６mmの丸棒とした。この丸棒を供試材と
して、下記の試験法により、焼鈍硬さ、冷間加工性、焼
入れ硬さおよび疲労強度を測定した。

【００３０】（焼鈍硬さ）供試材を８２５℃×６時間−徐冷の熱処理により焼鈍
し、厚さ１０mmの硬さ試験片を、圧延方向に対し直角に
切り出した。この試験片を用いて、ロックウエル硬さ
（Ｂスケール）を測定した。

【００３１】（冷間加工性）供試材を８２５℃×６時間−徐冷の熱処理により焼鈍
し、直径１５mm×高さ２２．５mmの試験片を切り出し
て、冷間据え込み試験を行なった。試験方法は、日本塑
性学会冷間鍛造分科会で制定した方法［「塑性と加工」
第２２巻第２４１号（１９８１−２）参照］によった。
バルブ成形時における冷間加工性の目標である、据え込
み率８２％で据え込んだときの割れの状況を調べ（ｎ＝
１０）、割れ発生率ゼロのとき○、０．５未満のとき
△、０．５以上のとき×と評価した。

【００３２】（焼入れ硬さ）供試材を１０５０℃×３０分間−油冷の条件で焼入れ
後、厚さ１０mmの硬さ試験片を、圧延方向に対し直角に
切り出した。この試験片を用いて、ロックウエル硬さ
（Ｃスケール）を測定した。

【００３３】（疲労強度）供試材を１０５０℃×３０分間−油冷の条件で焼入れ、
７００℃×１時間−空冷の条件で焼戻しし、直径８mmの
平滑試験片を切り出し、小野式回転曲げ疲労試験機を用
いて、４００℃で回転速度３５００rpmの回転曲げ疲労
試験を行ない、１０⁷回疲労強度を求めた。

【００３４】以上の結果を、表２に示す。なお、耐酸化
性に関しては、本発明の実施例の鋼はいずれも、吸気バ
ルブの材料として要求される水準を満たしていた。

【００３５】表１ No. ＣＳｉＭｎＣｒＰＳＯＮその他Ｍ／Ｃ実施例１ 0.49 0.20 0.41 5.02 0.021 0.003 0.005 0.014 − 2.37 ２ 0.46 0.26 0.37 3.45 0.023 0.005 0.004 0.013 − 1.73 ３ 0.51 0.23 0.38 4.17 0.020 0.005 0.003 0.012 Mo:0.61 2.04 ４ 0.54 0.19 0.35 5.58 0.021 0.006 0.004 0.013 Mo:0.30 W: 0.41 2.51 ５ 0.54 0.19 0.34 7.50 0.019 0.007 0.005 0.014 Nb:0.10 Ti:0.12 3.21 ６ 0.50 0.21 0.40 4.81 0.022 0.006 0.004 0.013 Mo:0.50 V: 0.21 2.35 ７ 0.47 0.22 0.41 5.09 0.020 0.005 0.012 0.004 Mo:0.32 W: 0.20 2.61 Ti:0.11 ８ 0.52 0.20 0.33 8.63 0.023 0.004 0.014 0.007 Mo:0.21 W: 0.21 3.91 V:0.18 ９ 0.49 0.24 0.39 5.28 0.018 0.003 0.012 0.003 Mo:0.50 Al:0.15 2.62 10 0.51 0.22 0.35 8.72 0.021 0.005 0.013 0.003 W: 0.62 Nb:0.15 4.03 Al:0.12 11 0.55 0.21 0.40 7.98 0.022 0.006 0.014 0.006 Mo:0.49 Cu:1.03 3.46 12 0.48 0.20 0.36 6.04 0.019 0.004 0.014 0.004 Mo:0.30 V: 0.20 2.98 Al:0.10 Ni:0.80 比較例１ 0.51 1.98 0.54 7.83 0.025 0.004 0.021 0.008 − 3.55 ２ 0.43 2.03 0.35 10.2 0.023 0.008 0.023 0.010 Mo:0.93 5.74 ３ 0.38 0.24 0.48 0.85 0.023 0.017 0.024 0.015 Mo:0.52 V: 0.28 0.69 ４ 0.25 0.50 0.83 4.93 0.024 0.006 0.022 0.013 − 5.02 ５ 0.42 0.23 0.41 8.78 0.022 0.004 0.008 0.015 Mo:0.50 4.98 ６ 0.54 0.25 0.37 3.22 0.023 0.006 0.009 0.017 Mo:0.32 V: 0.11 1. 45 重量％、残部Ｆｅ。Ｍ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｗ比較例１：ＳＵＨ１１比較例２：ＳＵＨ３比較例３：ＪＩＳＳＮＢ１６

【００３６】表２Ｎｏ．焼鈍硬さ冷間加工性焼入れ硬さ疲労強度（ＨＲＢ）（割れ発生率）（ＨＲＣ）（ＭＰａ）実施例１８２．３ ○ ６２．８３７２２８７．６ ○ ５９．３３６８３８５．２ ○ ６２．５３７２４８５．０ ○ ６３．１４１２５８４．４ ○ ６２．４３９７６８４．９ ○ ６２．９４１２７８３．７ ○ ６１．６３８２８８４．８ ○ ６３．７４０７９８３．５ ○ ６３．０３９７ 10 ８４．２ ○ ６３．３４０２ 11 ８４．９ ○ ６５．０４１７ 12 ８５．３ ○ ６３．８４０２比較例１９４．５ × ６１．３４４１２９６．４ × ５８．７３８７３９６．３ △ ５４．５４９０４８７．０ △ ６０．８４３１５９２．８ △ ５７．３３５３６９１．７ △ ６４．９４０２

【００３７】本発明の実施例の成績をみると、焼鈍硬さ
が高過ぎず、据え込み時の割れが見られないことから、
比較例にない、すぐれた冷間加工性を有することがわか
る。一方、焼入れ硬さは十分であり、疲労強度も高い。

【００３８】

【発明の効果】本発明のマルテンサイト系耐熱鋼は、主
たる用途であるガソリンエンジンまたはディーゼルエン
ジンの吸気バルブ用材料としてみたとき、バルブに要求
される諸特性は維持したまま、冷間加工性は顕著に改善
した合金であって、バルブへの成形を、すべて冷間加工
によることが可能なものである。従ってこの鋼は、バル
ブをはじめとする機械部品製造の能率を高め、コストの
画期的な低減を可能にする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤克明埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (56)参考文献特開昭57−203752（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−145155（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−200742（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量で、Ｃ：０．４５〜０．５５％、Ｓ
ｉ：０．３％未満、Ｍｎ：０．４％未満およびＣｒ：
２．５〜９．５％を含有し、ただし、Ｃｒ／Ｃの原子比
が１．４〜４．０であり、不純物を、Ｐ：０．０３％以
下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．０１５％以下および
Ｏ：０．０１％以下に規制し、残部が実質上Ｆｅからな
る合金組成を有し、球状化焼鈍後の硬さがＨＲＢ９０以
下であり、かつ、焼入れ後の硬さがＨＲＣ５８以上であ
ることを特徴とする冷間加工性にすぐれたマルテンサイ
ト系耐熱鋼。
【請求項２】請求項１に記載した合金成分に加えて、
Ｍｏ：０．０５〜１．５％およびＷ：０．０５〜１．０
％の一方または両方を含有し、ただし、［Ｃｒ＋Ｍｏ＋
Ｗ］／Ｃの原子比が１．４〜４．０である請求項１のマ
ルテンサイト系耐熱鋼。
【請求項３】請求項１または２に記載した合金成分に
加えて、Ｖ：０．０１〜０．５０％を含有するマルテン
サイト系耐熱鋼。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載した
合金成分に加えて、Ａｌ：０．０１〜０．５０％を含有
するマルテンサイト系耐熱鋼。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載した
合金成分に加えて、Ｎｂ：１．０％以下およびＴｉ：
１．０％以下の一方または両方を含有するマルテンサイ
ト系耐熱鋼。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載した
合金成分に加えて、Ｃｕ：１．０％以下を含有するマル
テンサイト系耐熱鋼。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれかに記載した
合金成分に加えて、Ｎｉ：２．０％以下を含有しするマ
ルテンサイト系耐熱鋼。
【請求項８】焼入れ・焼戻し後の４００℃／１０^７回
疲労強度が３５０ＭＰａ以上である請求項１ないし７の
いずれかのマルテンサイト系耐熱鋼。