JP3671271B2 - エンジン排気バルブの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンの排気バルブの製造方法に関し、低減されたコストで耐久性のあるバルブを製造することのできる方法を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの排気バルブの製造には、これまで、ＪＩＳのＳＵＨ３５やＳＵＨ３８のようなオーステナイト系耐熱鋼を材料とするか、または、とくに高出力エンジンの場合には耐熱性に優れたInconel ７５１などのＮｉ基超合金を材料とし、熱間鍛造によりバルブ形状を与えた素材に対して、固溶化熱処理を施したのち時効熱処理を行なって製品とする工程が採用されている。 別の製法では、オーステナイト系耐熱鋼を用いてバルブ素材を成形し、フェース部にステライト等の盛金を施す。 Ｎｉ基超合金製のバルブの構成を図１に、オーステナイト系耐熱鋼を用いたバルブの構成を図２に、それぞれ示す。 これらの図において、符号１は傘部、２は軸部、３は軸端部であり、４は盛金を示す。
【０００３】
バルブ素材への成形を冷間鍛造により行なうことができれば、バルブ製造のコストを低減できる。 さらに、固溶化熱処理の工程を省略して、直接時効処理を行なって製品にすることができれば、いっそうのコスト削除が可能になる。 また、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系耐熱合金を用いてバルブを製造できれば、フェース部の盛金を省略できるため、さらなるコスト削減が可能である。 ただし、コストを下げることが、バルブ性能とくに耐久性の低下を招くことは許されない。
【０００４】
しかし、排気バルブ用の上記した材料は、室温における塑性変形抵抗が大きいうえに延性が低いため、冷間鍛造による成形は不可能であった。 ＳＵＨ６６０等の在来の冷間鍛造用の耐熱鋼は、成形は可能であるが、排気バルブ用材料としては耐熱性が不足するため、採用できなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、エンジン排気バルブの製造に関する上記のような課題を解決し、バルブの材料とする合金の組成を選択することによって、冷間鍛造または温間鍛造によるバルブ素材の成形と、直接時効熱処理の実現すなわち固溶化熱処理工程の省略とを可能にし、しかもバルブ性能は従来品にまさるとも劣らないものを製造することのできる方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のエンジン排気バルブの製造方法は、重量％で、Ｃ：０．００５〜０．２０％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％およびＮｉ:２０％以上２５％未満に加えて、Ｎｂ＋Ｔａ:１．５％以下、Ｔｉ：１．０％以上３．０％未満、Ａｌ：０．７〜２．０％、ただしＴｉ／Ａｌの原子比：０．４〜１．５、およびＣｕ：０．１〜５．０％を含有し、残部が実質上Ｆｅからなる組成の耐熱鋼を材料とし、基本的態様においては、溶体化処理を施したのち、冷間鍛造または温間鍛造により傘部（１）と軸部（２）とからなる排気バルブの形状を与え、ついで６００〜８００℃において０．５〜４時間の直接時効処理を施すことからなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明には、上記の基本的態様に限らず、さまざまな実施態様が可能である。以下、それらを説明する。
【０００８】
バルブの材料とする耐熱鋼は、上記の基本的な合金組成のものに加えて、下記のグループの少なくともひとつに属する成分を含有する合金組成のものを使用することができる。
【０００９】
ａ）Ｗ：３．０％以下、Ｍｏ：３．０％以下およびＶ：１．０％以下の１種または２種以上を、０．５Ｗ％＋Ｍｏ％＋Ｖ％：３以下の量、
ｂ）Ｂ：０．００１〜０．０２％およびＺｒ：０．００１〜０．１％の１種または２種、
ｃ）ＣａおよびＭｇの１種または２種（２種の場合は合計量で）：０．００１〜０．０１％。
【００１０】
基本的な合金組成においても、また上記の任意添加成分を含有する合金組成においても、Ｎｉの一部分を、Ｃｏ：５．０％以下で置き換えることができる。
【００１１】
上述の合金組成を構成する各成分のはたらきと組成範囲の限定理由とを説明すれば、つぎのとおりである。
【００１２】
Ｃ：０．００５〜０．２０％
Ｃは、Ｔｉ,Ｎｂ,Ｃｒと結合して炭化物を形成し、合金の高温強度を高める。この効果は０．００５％以上の存在で認められるが、多量になると析出する炭化物の量が過大になって加工性を損ね、耐食性をも低くするので、０．２％を上限とする。
【００１３】
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは脱酸元素として有用であり、適量の存在は耐酸化性を高くする。 多量に添加すると加工性を低下させ、発明の目的に沿わなくなるので、２．０％以内とする。
【００１４】
Ｍｎ：２．０％以下
ＭｎはＳｉと同様に脱酸作用をするが、多量に含有させると合金の加工性および耐酸化性を損なうだけでなく、靱性を害するη相(Ｎｉ3Ｔｉ）の析出を助長するので、上限値を２．０％とした。
【００１５】
Ｃｒ：１０．０〜２５．０％
Ｃｒは合金の耐高温酸化性および腐食性を確保する上で必須の成分であり、１０％以上の添加を要する。 含有量が２５．０％を超えるとオーステナイト相が不安定になり、脆化相であるσ相(ＦｅＣｒ)が析出して合金の靱性が低下する。好適な範囲は、１０〜２０％である。
【００１６】
Ｎｉ：２０％以上２５％未満
Ｎｉは合金の素地であるオーステナイトを形成する元素であって、耐熱性・耐食性を担う。 また、強化相であるγ′相を析出させる上で必須の成分である。このような役割をはたすためには２０％以上の添加を必要とする。しかし、Ｎｉは比較的高価な原料であるから、あまり多量に加えたくない。そこで、上限を２５％までとした。 Ｎｉの一部は、Ｃｏで置き換えることができる。 Ｃｏが加われば強度の点から好ましいが、ＣｏはＮｉにくらべてなお高価であるから、多量の使用はコスト的に不利になる。 ５％の限界は、主としてこの観点から設けた。
【００１７】
Ｎｂ＋Ｔａ：１．５％以下
これらはＮｉとともに重要な析出相である金属間化合物のγ′（ガンマプライム）相Ｎｉ3(Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ）を形成する元素であり、このγ′相の析出が合金の高温強度を効果的に高める。 ただしＮｂ＋Ｔａの含有量が１．５％をこえるとラーバス相(Ｆｅ2Ｎｂ）が多量に析出して、合金の靱性が低下する。
【００１８】
Ｔｉ：１．０％以上３．０％未満
Ｔｉは上記Ｎｂ＋Ｔａおよび下記Ａｌとともに、Ｎｉと結合して高温強度を向上させるのに有用な、γ′相を形成する。 含有量が１．０％に達しないとγ′相の固溶温度が低くなるので、少なくともこれ以上の量を添加する。 一方、３．０％を超えると、前記η相(Ｎｉ3Ｔｉ）が析出して高温強度および靱性を低下させるので、この値を上限とする。 好ましい範囲は１．５〜２．６％である。Ａｌ：０．７〜２．０％
ＡｌもＮｉと結合して上記γ′相を形成する点で、最も重要な元素である。 含有量が０．７％に達しないとγ′相の析出が不十分になって、高温強度が確保できない。 しかし、含有量が２．０％を超えると、合金の熱間加工性が低下する。 そこで、上記の範囲内の添加量とする。 好ましくは、１．０〜１．８％の範囲から選ぶ。
【００１９】
Ｔｉ／Ａｌの原子比：０．４〜１．５
脆化相であるη相の析出の度合は、Ｔi／Ａlの比に依存し、この比が大きいほど高くなる。 冷間加工によりη相の析出が促進されるので、Ｔｉ／Ａｌは低目に抑える必要があり、上限値１．５は、この理由で設けた。 一方、Ｔｉ／Ａｌを低くするとγ′相の固溶温度が低下して高温強度が低下するため、あまり小さくすべきでない。 下限値０．４は、この理由から置いた。好適なＴｉ／Ａｌ比の範囲は、０．６〜１．０である。
【００２０】
Ｃｕ：０．１〜５．０％
Ｃｕはオーステナイト中に固溶して積層欠陥エネルギーを高め、加工硬化を抑制するはたらきがあり、それによって合金の冷間加工性が向上する。 さらにＣｕは、この合金の高温における酸化被膜の密着性を高める作用があり、これが耐高温酸化性をよくするものと考えられる。 こうした効果は、含有量が０．１％に足らないと得られないから、この値を下限とする。 一方、５％を超えて含有させても、耐高温酸化性はそれ以上高くならない。 多量のＣｕは熱間加工性を低下させるので、５．０％を上限とした。 好ましい範囲は、０．５〜３．０％である。
【００２１】
Ｗ：３．０％以下、Ｍｏ：３．０％以下、Ｖ：１．０％以下、ただし０．５Ｗ％＋Ｍｏ％＋Ｖ％：３以下
これらの元素の添加は任意であるが、添加すれば固溶強化により高温強度が向上する。 ＷおよびＭｏについては３％、Ｖについては１％を超えて添加しても、効果の増大は望めない。 加えて、コストが高くなり加工性が低下する。 そこで上記の限界を設けた。
【００２２】
Ｂ：０．００１〜０．０２％、Ｚｒ：０．００１〜０．１％
ＢおよびＺｒは結晶粒界に偏析して粒界を強化する。 この効果が得られるのは、それぞれの含有量が０．００１％以上の領域である。 ただし、Ｂは０．０２％、Ｚｒは０．１％を超えて含有させると熱間加工性が損なわれるため、これらを上限とした。
【００２３】
ＣａおよびＭｇの１種または２種（２種の場合は合計量で）：０．００１〜０．０１％
これらの元素は、合金の溶製時に脱酸・脱硫剤として添加すれば、合金の熱間加工性の向上に役立つ。 この効果は、添加量が０．００１％という微量でも認められるが、０．０１％を超えると、かえって熱間加工性を低下させる傾向がある。
【００２４】
直接時効処理：６００〜８００℃において０．５〜４時間
冷間加工後、直接時効を行なうのは、冷間加工により導入された歪みが時効を促進させるからである。 それにより、時効温度の低下または時効時間の短縮が期待できる。 バルブに必要な硬さのめやすは、エンジンを約２００時間にわたり連続運転したとき７００℃においてバルブフェ−ス部の硬さがＨＶ３００以上に維持されることである。 上記の時効処理の条件は、このような観点から定めた。 すなわち、温度が６００℃未満では、所望の硬さを得るために要する時効時間が長くなりすぎ、８００℃を超えてはオ−バ−エ−ジングとなって所望の硬さが得られない。 時効時間を０．５〜４時間としたのは、既設の設備を利用できるとともに、生産上現実的な長さだからである。 なお、好適な時効条件は、７００℃×１時間である。
【００２５】
バルブの軸端部（３）は、ロッカーアームとの接触により摩耗するから、耐摩耗性の高い材料、たとえばマルテンサイト系耐熱鋼の軸端部用の部材を、摩擦接合や抵抗溶接により一体に接合したのち、高周波または火焔による焼き入れを行なうか、またはステライト合金で盛金することが行なわれている。 図３は、軸端部用部材（３Ａ）を接合した場合のバルブ製品を示し、図４は、軸端部に盛金（４）を行った場合のバルブ製品を示す。 本発明の排気バルブの製造方法は、このような手法をとり入れた態様をも包含する。
【００２６】
別法として、一般に高価なＮｉ基超合金を排気バルブに用いる場合には、耐熱製が必要な傘部のみＮｉ基超合金で製造し、傘部ほど耐熱性を必要としない軸部には前記のマルテンサイト系耐熱鋼を用い、傘部と軸部とを摩擦接合によって一体化したのち、上記のように軸端部を焼き入れして製品とすることが行なわれている。 図５は、接合部（５）において傘部（１）と軸部（２）とを接合し、軸端部（２Ａ）を焼き入れしてなるバルブの構成を示す。 こうした手法を実施する態様も、本発明の排気バルブの製造方法に包含される。
【００２７】
耐摩耗性の向上には、材料表面の強化処理が有用であって、本発明のバルブに関しては窒化処理が好適である。 タフトライドなどの窒化処理を付加したバルブ製造工程もまた、本発明の態様のひとつである。
【００２８】
【実施例】
表１に示す組成の合金各５０kgを高周波誘導炉で溶製し、インゴットに鋳造した。 インゴットを１１００℃で６時間ソーキングしたのち、１１００〜９００℃の温度範囲で鍛造、圧延して直径２５mmの丸棒とした。
【００２９】
【００３０】
上記の丸棒を、９７５℃×３０分間加熱後油冷の条件で固溶化熱処理した。 ただし、比較例４および５は、固溶化熱処理を、１０５０℃×６０分間の条件で行なった。 熱処理を経た丸棒から直径２４mm、長さ４５．０mmの試験片を切り出した。
【００３１】
これらの試験片を用い、まず室温で６５％に据え込み、そのときの変形抵抗を測定して、冷間鍛造性を評価した。 つぎに、室温において絞り６５％の前方押出しを行ない、押出しにより得た棒に７５０℃×１時間の時効処理を施した。 このとき、比較例４（Inconel ７５１）と比較例５（ＳＵＨ３８）とは、押出しに用いた金型パンチが破損してしまい、絞り６５％の押出しは不可能であった。そこで、後述の硬さ試験および疲労試験では、上記の丸棒に従から行なわれている１０５０℃×３０分間の固溶化熱処理と７５０℃×４時間の時効処理を施した物を対象にした。
【００３２】
上記の各試験片について、硬さを測定した。 ついでそれらから並行部直径８mmの平滑試験片および直径１０mm×長さ５．５mmの試験片を切り出し、前者を対象にして回転曲げ疲労試験機を用いた８００℃における回転曲げ疲労試験を、また後者を対象にして７００℃における高温硬さを測定した。 試験の結果を、表２に示す。
【００３３】
【００３４】
既知のバルブ材料であるInconel ７５０（比較例４）およびＳＵＨ３８（比較例５）は、６５％の据え込みで割れが発生し、変形抵抗も著しく高く、６５％以上の変形能が必要なバルブの冷間成形は不可能なことがわかる。 これに対し本発明の鋼は、いずれも６５％の据え込みが可能であり、変形抵抗も従来の冷間鍛造用耐熱鋼ＳＵＨ６６０（比較例１）と同等であって、冷間鍛造性に優れていることがわかる。
【００３５】
従来鋼ＳＵＨ６６０を用いた比較例１は、常温の硬さは一応確保されているものの、高温硬さが目標とするＨＶ３００を下回っているため耐摩耗性が不足しているうえ、疲労強度も不足である。 比較例２および３も疲労強度が実用の域にない。 これに対し本発明の実施例は、いずれも７００℃の硬さがＨＶ３００を上回り、高温で十分な耐摩耗性を発揮できることが明らかであり、８００℃における１０7 回疲れ強さが、従来材ＳＵＨ３８（比較例５）の値１７５ＭＰａを超えていて、高温で長時間での使用に耐えることがわかる。
【００３６】
次に、前記の溶体化処理（９７５℃×３０分、油冷）を施した丸棒を材料としてスラグを用意し、傘部の直径が２５mmで軸の長さ９１mmのバルブを、冷間鍛造により成形した。 このとき、比較例２の材料は割れが発生して成形できなかった。 Inconel ７５０（比較例４）およびＳＵＨ３８（比較例５）については、バルブ成形が不可能なため、製造を行わなかった。
【００３７】
実施例１〜７ならびに比較例１および３の材料で製造したバルブについて、７５０℃×１時間の直接時効熱処理を行ない、機械加工により仕上げた後、軸部の表面を窒化するため、５７０℃で３０分間のタフトライド処理を施した。 軸端部に、低温焼きなまししたＳＵＨ１１鋼の、軸と同径の棒を抵抗溶接により一体化し、高周波加熱によって焼き入れを行ない、ＨＲＣ６０の硬さに仕上げた。
【００３８】
実施例８のバルブについては、傘部から４０mmの位置で軸を切断し、これに同径のＳＵＨ１１鋼の軸を抵抗溶接によって接合した後、７５０℃×１時間の直接時効熱処理を行ない、機械加工をしてから、上記と同じ条件のタフトライド処理を施した。 その後、高周波加熱によって軸端部を焼き入れし、ＨＲＣ６０に仕上げた。
【００３９】
このようにして製作した排気バルブのうち、実施例１〜８ならびに比較例１および３の材料を用いたものをガソリンエンジンに組み込んで、８０００rpm ×２００時間連続運転の耐久試験を行なって、フェース部の硬さの変化を測定するとともに、傘部と首部の状態、とくに脆化相であるη相の析出の有無を観察した。この時の使用温度は、約８００℃であった。 観察結果を、成形性とともに表３に示す。
【００４０】
耐久試験後、比較例のバルブは硬さが低下しており、そのため生じたフェース部の減耗に加えて首部の破損したものもあり、脆化相であるη相の析出が認められたのに対し、本発明に従ったものはフェース部の硬さが維持され、η相の析出もなく、なお使用に耐えるものであった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明により、エンジン排気バルブを冷間鍛造または温間鍛造と、鍛造後の固溶化熱処理を省略して直接時効処理を行なうことにより製造することが可能になった。 しかも、フェース部の盛金は不要である。 これらのことは、バルブ製造のコスト低減に大いに寄与する。 しかも製品のバルブは、耐久性のすぐれたものである。 高温での使用に耐えるバルブは、エンジンの高出力化の要求をみたすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のＮｉ基超合金を材料とするエンジン排気バルブの側面図。
【図２】 従来のオーステナイト系耐熱鋼を材料とするエンジン排気バルブの側面図。
【図３】 本発明のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系耐熱鋼を材料とするエンジン排気バルブの一例について、その構成を示す側面図。
【図４】 本発明のエンジン排気バルブの別の例について、その構成を示す側面図。
【図５】 本発明のエンジン排気バルブのさらに別の例について、その構成を示す側面図。
【符号の説明】
１ 傘部
２ 軸部 ２Ａ マルテンサイト系耐熱鋼製の軸部
３ 軸端部 ３Ａ 軸端部用の部材
４ 盛金
５ 接合部
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンの排気バルブの製造方法に関し、低減されたコストで耐久性のあるバルブを製造することのできる方法を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの排気バルブの製造には、これまで、ＪＩＳのＳＵＨ３５やＳＵＨ３８のようなオーステナイト系耐熱鋼を材料とするか、または、とくに高出力エンジンの場合には耐熱性に優れたInconel ７５１などのＮｉ基超合金を材料とし、熱間鍛造によりバルブ形状を与えた素材に対して、固溶化熱処理を施したのち時効熱処理を行なって製品とする工程が採用されている。 別の製法では、オーステナイト系耐熱鋼を用いてバルブ素材を成形し、フェース部にステライト等の盛金を施す。 Ｎｉ基超合金製のバルブの構成を図１に、オーステナイト系耐熱鋼を用いたバルブの構成を図２に、それぞれ示す。 これらの図において、符号１は傘部、２は軸部、３は軸端部であり、４は盛金を示す。
【０００３】
バルブ素材への成形を冷間鍛造により行なうことができれば、バルブ製造のコストを低減できる。 さらに、固溶化熱処理の工程を省略して、直接時効処理を行なって製品にすることができれば、いっそうのコスト削除が可能になる。 また、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系耐熱合金を用いてバルブを製造できれば、フェース部の盛金を省略できるため、さらなるコスト削減が可能である。 ただし、コストを下げることが、バルブ性能とくに耐久性の低下を招くことは許されない。
【０００４】
しかし、排気バルブ用の上記した材料は、室温における塑性変形抵抗が大きいうえに延性が低いため、冷間鍛造による成形は不可能であった。 ＳＵＨ６６０等の在来の冷間鍛造用の耐熱鋼は、成形は可能であるが、排気バルブ用材料としては耐熱性が不足するため、採用できなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、エンジン排気バルブの製造に関する上記のような課題を解決し、バルブの材料とする合金の組成を選択することによって、冷間鍛造または温間鍛造によるバルブ素材の成形と、直接時効熱処理の実現すなわち固溶化熱処理工程の省略とを可能にし、しかもバルブ性能は従来品にまさるとも劣らないものを製造することのできる方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のエンジン排気バルブの製造方法は、重量％で、Ｃ：０．００５〜０．２０％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ：１０．０〜２５．０％およびＮｉ:２０％以上２５％未満に加えて、Ｎｂ＋Ｔａ:１．５％以下、Ｔｉ：１．０％以上３．０％未満、Ａｌ：０．７〜２．０％、ただしＴｉ／Ａｌの原子比：０．４〜１．５、およびＣｕ：０．１〜５．０％を含有し、残部が実質上Ｆｅからなる組成の耐熱鋼を材料とし、基本的態様においては、溶体化処理を施したのち、冷間鍛造または温間鍛造により傘部（１）と軸部（２）とからなる排気バルブの形状を与え、ついで６００〜８００℃において０．５〜４時間の直接時効処理を施すことからなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明には、上記の基本的態様に限らず、さまざまな実施態様が可能である。以下、それらを説明する。
【０００８】
バルブの材料とする耐熱鋼は、上記の基本的な合金組成のものに加えて、下記のグループの少なくともひとつに属する成分を含有する合金組成のものを使用することができる。
【０００９】
ａ）Ｗ：３．０％以下、Ｍｏ：３．０％以下およびＶ：１．０％以下の１種または２種以上を、０．５Ｗ％＋Ｍｏ％＋Ｖ％：３以下の量、
ｂ）Ｂ：０．００１〜０．０２％およびＺｒ：０．００１〜０．１％の１種または２種、
ｃ）ＣａおよびＭｇの１種または２種（２種の場合は合計量で）：０．００１〜０．０１％。
【００１０】
基本的な合金組成においても、また上記の任意添加成分を含有する合金組成においても、Ｎｉの一部分を、Ｃｏ：５．０％以下で置き換えることができる。
【００１１】
上述の合金組成を構成する各成分のはたらきと組成範囲の限定理由とを説明すれば、つぎのとおりである。
【００１２】
Ｃ：０．００５〜０．２０％
Ｃは、Ｔｉ,Ｎｂ,Ｃｒと結合して炭化物を形成し、合金の高温強度を高める。この効果は０．００５％以上の存在で認められるが、多量になると析出する炭化物の量が過大になって加工性を損ね、耐食性をも低くするので、０．２％を上限とする。
【００１３】
Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは脱酸元素として有用であり、適量の存在は耐酸化性を高くする。 多量に添加すると加工性を低下させ、発明の目的に沿わなくなるので、２．０％以内とする。
【００１４】
Ｍｎ：２．０％以下
ＭｎはＳｉと同様に脱酸作用をするが、多量に含有させると合金の加工性および耐酸化性を損なうだけでなく、靱性を害するη相(Ｎｉ3Ｔｉ）の析出を助長するので、上限値を２．０％とした。
【００１５】
Ｃｒ：１０．０〜２５．０％
Ｃｒは合金の耐高温酸化性および腐食性を確保する上で必須の成分であり、１０％以上の添加を要する。 含有量が２５．０％を超えるとオーステナイト相が不安定になり、脆化相であるσ相(ＦｅＣｒ)が析出して合金の靱性が低下する。好適な範囲は、１０〜２０％である。
【００１６】
Ｎｉ：２０％以上２５％未満
Ｎｉは合金の素地であるオーステナイトを形成する元素であって、耐熱性・耐食性を担う。 また、強化相であるγ′相を析出させる上で必須の成分である。このような役割をはたすためには２０％以上の添加を必要とする。しかし、Ｎｉは比較的高価な原料であるから、あまり多量に加えたくない。そこで、上限を２５％までとした。 Ｎｉの一部は、Ｃｏで置き換えることができる。 Ｃｏが加われば強度の点から好ましいが、ＣｏはＮｉにくらべてなお高価であるから、多量の使用はコスト的に不利になる。 ５％の限界は、主としてこの観点から設けた。
【００１７】
Ｎｂ＋Ｔａ：１．５％以下
これらはＮｉとともに重要な析出相である金属間化合物のγ′（ガンマプライム）相Ｎｉ3(Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ）を形成する元素であり、このγ′相の析出が合金の高温強度を効果的に高める。 ただしＮｂ＋Ｔａの含有量が１．５％をこえるとラーバス相(Ｆｅ2Ｎｂ）が多量に析出して、合金の靱性が低下する。
【００１８】
Ｔｉ：１．０％以上３．０％未満
Ｔｉは上記Ｎｂ＋Ｔａおよび下記Ａｌとともに、Ｎｉと結合して高温強度を向上させるのに有用な、γ′相を形成する。 含有量が１．０％に達しないとγ′相の固溶温度が低くなるので、少なくともこれ以上の量を添加する。 一方、３．０％を超えると、前記η相(Ｎｉ3Ｔｉ）が析出して高温強度および靱性を低下させるので、この値を上限とする。 好ましい範囲は１．５〜２．６％である。Ａｌ：０．７〜２．０％
ＡｌもＮｉと結合して上記γ′相を形成する点で、最も重要な元素である。 含有量が０．７％に達しないとγ′相の析出が不十分になって、高温強度が確保できない。 しかし、含有量が２．０％を超えると、合金の熱間加工性が低下する。 そこで、上記の範囲内の添加量とする。 好ましくは、１．０〜１．８％の範囲から選ぶ。
【００１９】
Ｔｉ／Ａｌの原子比：０．４〜１．５
脆化相であるη相の析出の度合は、Ｔi／Ａlの比に依存し、この比が大きいほど高くなる。 冷間加工によりη相の析出が促進されるので、Ｔｉ／Ａｌは低目に抑える必要があり、上限値１．５は、この理由で設けた。 一方、Ｔｉ／Ａｌを低くするとγ′相の固溶温度が低下して高温強度が低下するため、あまり小さくすべきでない。 下限値０．４は、この理由から置いた。好適なＴｉ／Ａｌ比の範囲は、０．６〜１．０である。
【００２０】
Ｃｕ：０．１〜５．０％
Ｃｕはオーステナイト中に固溶して積層欠陥エネルギーを高め、加工硬化を抑制するはたらきがあり、それによって合金の冷間加工性が向上する。 さらにＣｕは、この合金の高温における酸化被膜の密着性を高める作用があり、これが耐高温酸化性をよくするものと考えられる。 こうした効果は、含有量が０．１％に足らないと得られないから、この値を下限とする。 一方、５％を超えて含有させても、耐高温酸化性はそれ以上高くならない。 多量のＣｕは熱間加工性を低下させるので、５．０％を上限とした。 好ましい範囲は、０．５〜３．０％である。
【００２１】
Ｗ：３．０％以下、Ｍｏ：３．０％以下、Ｖ：１．０％以下、ただし０．５Ｗ％＋Ｍｏ％＋Ｖ％：３以下
これらの元素の添加は任意であるが、添加すれば固溶強化により高温強度が向上する。 ＷおよびＭｏについては３％、Ｖについては１％を超えて添加しても、効果の増大は望めない。 加えて、コストが高くなり加工性が低下する。 そこで上記の限界を設けた。
【００２２】
Ｂ：０．００１〜０．０２％、Ｚｒ：０．００１〜０．１％
ＢおよびＺｒは結晶粒界に偏析して粒界を強化する。 この効果が得られるのは、それぞれの含有量が０．００１％以上の領域である。 ただし、Ｂは０．０２％、Ｚｒは０．１％を超えて含有させると熱間加工性が損なわれるため、これらを上限とした。
【００２３】
ＣａおよびＭｇの１種または２種（２種の場合は合計量で）：０．００１〜０．０１％
これらの元素は、合金の溶製時に脱酸・脱硫剤として添加すれば、合金の熱間加工性の向上に役立つ。 この効果は、添加量が０．００１％という微量でも認められるが、０．０１％を超えると、かえって熱間加工性を低下させる傾向がある。
【００２４】
直接時効処理：６００〜８００℃において０．５〜４時間
冷間加工後、直接時効を行なうのは、冷間加工により導入された歪みが時効を促進させるからである。 それにより、時効温度の低下または時効時間の短縮が期待できる。 バルブに必要な硬さのめやすは、エンジンを約２００時間にわたり連続運転したとき７００℃においてバルブフェ−ス部の硬さがＨＶ３００以上に維持されることである。 上記の時効処理の条件は、このような観点から定めた。 すなわち、温度が６００℃未満では、所望の硬さを得るために要する時効時間が長くなりすぎ、８００℃を超えてはオ−バ−エ−ジングとなって所望の硬さが得られない。 時効時間を０．５〜４時間としたのは、既設の設備を利用できるとともに、生産上現実的な長さだからである。 なお、好適な時効条件は、７００℃×１時間である。
【００２５】
バルブの軸端部（３）は、ロッカーアームとの接触により摩耗するから、耐摩耗性の高い材料、たとえばマルテンサイト系耐熱鋼の軸端部用の部材を、摩擦接合や抵抗溶接により一体に接合したのち、高周波または火焔による焼き入れを行なうか、またはステライト合金で盛金することが行なわれている。 図３は、軸端部用部材（３Ａ）を接合した場合のバルブ製品を示し、図４は、軸端部に盛金（４）を行った場合のバルブ製品を示す。 本発明の排気バルブの製造方法は、このような手法をとり入れた態様をも包含する。
【００２６】
別法として、一般に高価なＮｉ基超合金を排気バルブに用いる場合には、耐熱製が必要な傘部のみＮｉ基超合金で製造し、傘部ほど耐熱性を必要としない軸部には前記のマルテンサイト系耐熱鋼を用い、傘部と軸部とを摩擦接合によって一体化したのち、上記のように軸端部を焼き入れして製品とすることが行なわれている。 図５は、接合部（５）において傘部（１）と軸部（２）とを接合し、軸端部（２Ａ）を焼き入れしてなるバルブの構成を示す。 こうした手法を実施する態様も、本発明の排気バルブの製造方法に包含される。
【００２７】
耐摩耗性の向上には、材料表面の強化処理が有用であって、本発明のバルブに関しては窒化処理が好適である。 タフトライドなどの窒化処理を付加したバルブ製造工程もまた、本発明の態様のひとつである。
【００２８】
【実施例】
表１に示す組成の合金各５０kgを高周波誘導炉で溶製し、インゴットに鋳造した。 インゴットを１１００℃で６時間ソーキングしたのち、１１００〜９００℃の温度範囲で鍛造、圧延して直径２５mmの丸棒とした。
【００２９】
上記の丸棒を、９７５℃×３０分間加熱後油冷の条件で固溶化熱処理した。 ただし、比較例４および５は、固溶化熱処理を、１０５０℃×６０分間の条件で行なった。 熱処理を経た丸棒から直径２４mm、長さ４５．０mmの試験片を切り出した。
【００３１】
これらの試験片を用い、まず室温で６５％に据え込み、そのときの変形抵抗を測定して、冷間鍛造性を評価した。 つぎに、室温において絞り６５％の前方押出しを行ない、押出しにより得た棒に７５０℃×１時間の時効処理を施した。 このとき、比較例４（Inconel ７５１）と比較例５（ＳＵＨ３８）とは、押出しに用いた金型パンチが破損してしまい、絞り６５％の押出しは不可能であった。そこで、後述の硬さ試験および疲労試験では、上記の丸棒に従から行なわれている１０５０℃×３０分間の固溶化熱処理と７５０℃×４時間の時効処理を施した物を対象にした。
【００３２】
上記の各試験片について、硬さを測定した。 ついでそれらから並行部直径８mmの平滑試験片および直径１０mm×長さ５．５mmの試験片を切り出し、前者を対象にして回転曲げ疲労試験機を用いた８００℃における回転曲げ疲労試験を、また後者を対象にして７００℃における高温硬さを測定した。 試験の結果を、表２に示す。
【００３３】
既知のバルブ材料であるInconel ７５０（比較例４）およびＳＵＨ３８（比較例５）は、６５％の据え込みで割れが発生し、変形抵抗も著しく高く、６５％以上の変形能が必要なバルブの冷間成形は不可能なことがわかる。 これに対し本発明の鋼は、いずれも６５％の据え込みが可能であり、変形抵抗も従来の冷間鍛造用耐熱鋼ＳＵＨ６６０（比較例１）と同等であって、冷間鍛造性に優れていることがわかる。
【００３５】
従来鋼ＳＵＨ６６０を用いた比較例１は、常温の硬さは一応確保されているものの、高温硬さが目標とするＨＶ３００を下回っているため耐摩耗性が不足しているうえ、疲労強度も不足である。 比較例２および３も疲労強度が実用の域にない。 これに対し本発明の実施例は、いずれも７００℃の硬さがＨＶ３００を上回り、高温で十分な耐摩耗性を発揮できることが明らかであり、８００℃における１０7 回疲れ強さが、従来材ＳＵＨ３８（比較例５）の値１７５ＭＰａを超えていて、高温で長時間での使用に耐えることがわかる。
【００３６】
次に、前記の溶体化処理（９７５℃×３０分、油冷）を施した丸棒を材料としてスラグを用意し、傘部の直径が２５mmで軸の長さ９１mmのバルブを、冷間鍛造により成形した。 このとき、比較例２の材料は割れが発生して成形できなかった。 Inconel ７５０（比較例４）およびＳＵＨ３８（比較例５）については、バルブ成形が不可能なため、製造を行わなかった。
【００３７】
実施例１〜７ならびに比較例１および３の材料で製造したバルブについて、７５０℃×１時間の直接時効熱処理を行ない、機械加工により仕上げた後、軸部の表面を窒化するため、５７０℃で３０分間のタフトライド処理を施した。 軸端部に、低温焼きなまししたＳＵＨ１１鋼の、軸と同径の棒を抵抗溶接により一体化し、高周波加熱によって焼き入れを行ない、ＨＲＣ６０の硬さに仕上げた。
【００３８】
実施例８のバルブについては、傘部から４０mmの位置で軸を切断し、これに同径のＳＵＨ１１鋼の軸を抵抗溶接によって接合した後、７５０℃×１時間の直接時効熱処理を行ない、機械加工をしてから、上記と同じ条件のタフトライド処理を施した。 その後、高周波加熱によって軸端部を焼き入れし、ＨＲＣ６０に仕上げた。
【００３９】
このようにして製作した排気バルブのうち、実施例１〜８ならびに比較例１および３の材料を用いたものをガソリンエンジンに組み込んで、８０００rpm ×２００時間連続運転の耐久試験を行なって、フェース部の硬さの変化を測定するとともに、傘部と首部の状態、とくに脆化相であるη相の析出の有無を観察した。この時の使用温度は、約８００℃であった。 観察結果を、成形性とともに表３に示す。
【００４０】
【００４１】
【発明の効果】
本発明により、エンジン排気バルブを冷間鍛造または温間鍛造と、鍛造後の固溶化熱処理を省略して直接時効処理を行なうことにより製造することが可能になった。 しかも、フェース部の盛金は不要である。 これらのことは、バルブ製造のコスト低減に大いに寄与する。 しかも製品のバルブは、耐久性のすぐれたものである。 高温での使用に耐えるバルブは、エンジンの高出力化の要求をみたすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のＮｉ基超合金を材料とするエンジン排気バルブの側面図。
【図２】 従来のオーステナイト系耐熱鋼を材料とするエンジン排気バルブの側面図。
【図３】 本発明のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系耐熱鋼を材料とするエンジン排気バルブの一例について、その構成を示す側面図。
【図４】 本発明のエンジン排気バルブの別の例について、その構成を示す側面図。
【図５】 本発明のエンジン排気バルブのさらに別の例について、その構成を示す側面図。
【符号の説明】
１ 傘部
２ 軸部 ２Ａ マルテンサイト系耐熱鋼製の軸部
３ 軸端部 ３Ａ 軸端部用の部材
４ 盛金
５ 接合部
Claims (6)
- 重量で、Ｃ：０．００５〜０．２０％、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｃｒ:１０．０〜２５．０％およびＮｉ:２０％以上２５％未満に加えて、Ｎｂ＋Ｔａ:１．５％以下、Ｔｉ:１．０％以上３．０％未満、Ａｌ：０．７〜２．０％、ただしＴｉ／Ａｌの原子比：０．４〜１．５、およびＣｕ：０．１〜５．０％を含有し、残部が実質上Ｆｅからなる組成の耐熱鋼を材料とし、溶体化処理を施したのち、冷間鍛造または温間鍛造により軸と傘部とからなる排気バルブの形状を与え、ついで６００〜８００℃において０．５〜４時間の直接時効処理を施すことからなるエンジン排気バルブの製造方法。
- 耐熱鋼として、請求項１に記載の合金成分に加えて、下記のグループの少なくともひとつに属する成分を含有する合金組成のものを使用して実施する請求項１のエンジン排気バルブの製造方法：
ａ）Ｗ：３．０％以下、Ｍｏ：３．０％以下およびＶ：１．０％以下の１種または２種以上を、０．５Ｗ％＋Ｍｏ％＋Ｖ％：３以下の量、
ｂ）Ｂ：０．００１〜０．０２％およびＺｒ：０．００１〜０．１％の１種または２種、
ｃ）ＣａおよびＭｇの１種または２種（２種の場合は合計量で）：０．００１〜０．０１％。 - 耐熱鋼として、請求項１または２に記載の合金組成において、Ｎｉの一部をＣｏ：５．０％以下で置き換えたものを使用して実施する請求項１または２のエンジン排気バルブの製造方法。
- 請求項１に記載の工程に加えて、軸の端部にマルテンサイト系耐熱鋼部材を摩擦接合もしくは抵抗溶接により一体に設けたのち焼き入れするか、または硬化肉盛りにより一体に設ける工程を有する請求項１ないし３のいずれかに記載のエンジン排気バルブの製造方法。
- 請求項１に記載の工程において、排気バルブの傘部のみを冷間鍛造もしくは温間鍛造により成形し、マルテンサイト系耐熱鋼の軸を摩擦接合により一体に設けたのち直接時効処理し、ついで軸の端部を焼き入れする工程を有する請求項１ないし３のいずれかに記載のエンジン排気バルブの製造方法。
- 請求項１，４または５に記載の工程に加えて、最後に表面の窒化処理を行なう請求項１ないし５のいずれかの排気バルブの製造方法。
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