JPH0116904B2

JPH0116904B2 -

Info

Publication number: JPH0116904B2
Application number: JP54051926A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kato; Norioki Uehara; Kenkichi Matsunaga; Hisao Kamya; Yasushi Koyanagi; Masaki Matsuno; Masanori Iizuka
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1979-04-25
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1989-03-28
Also published as: JPS55145155A

Description

【発明の詳細な説明】

＜産業上の利用分野＞この発明は内燃機関、気体圧縮機関などに使用
される吸気バルブの改良に関する。＜従来の技術＞例えば、内燃機関には一般に第１図の動弁機構
図にみられるような排気バルブ１と吸気バルブ２
が用いられている。このうち排気側は作動温度が
600〜850℃と高く、したがつて排気バルブ自体に
は、耐熱性、耐食性、耐摩耗性等厳しい特性が要
求されるため高温特性の良好なオーステナイト系
耐熱鋼が用いられている。一方吸気側は温度が上
昇していないガスを常に吸入するため作動温度は
200〜450℃と低く、したがつて吸気バルブ自体は
排気バルブほど高温特性が要求されないため、一
般に、フエライト系耐熱鋼、たとえばSUH3、
SUH11等が使用されている。しかしながら最近吸気バルブの耐焼付き性およ
び耐摩耗性を向上させる処理法として、熱処理歪
が少ない軟窒化処理が注目され実用化されつつあ
る。＜発明が解決しようとする問題点＞ところが従来の吸気バルブに用いられていた
SUH3、SUH11等のフエライト系耐熱鋼では組
成的に軟窒化処理性が充分でなく、深い表面硬化
層を形成させるためにはきわめて長時間の軟窒化
処理が必要となる難点がある。＜問題点を解決するための手段＞そこで、本発明者等は軟窒化処理性が良好で、
しかも吸気バルブとして要求される諸特性を充分
に満足しうる鋼を開発するために種々検討した結
果、以下に示した成分組成を有する鋼はきわめて
効果的であり、当該鋼を用いてバルブ粗形とし軟
窒化処理を施して深い表面硬化層を形成させた吸
気バルブは、従来の吸気バルブにくらべて耐焼付
き性および耐摩耗性が良好であり、かつ安価に製
造できることを確認した。すなわち、本発明は第１の発明において、Ｃ：0.10〜0.60％、Si：
0.10〜2.0％、Mn：0.20〜2.0％、Cr：0.50〜5.0
％、Mo：0.10〜2.0％、Ti：1.50％以下を含有し、
残部が実質的にFeからなり、軟窒化処理を施し
て表面硬化層を形成させた高耐摩耗性を有する吸
気バルブである。第２の発明において、Ｃ：0.10〜0.60％、Si：
0.10〜2.0％、Mn：0.20〜2.0％、Cr：0.50〜5.0
％、Mo：0.10〜2.0％、Ti：1.50％以下、Al：2.0
％以下を含有し、残部が実質的にFeからなり、
軟窒化処理を施して表面硬化層を形成させた高耐
摩耗性を有する吸気バルブである。次に本発明の吸気バルブ用鋼材（以下単に本発
明用材という）の成分、組成範囲の限定理由を述
べる。Ｃ：0.10〜0.60％Ｃは母材の強度を向上させるために有効な元素
であり少なくとも0.10％以上添加する必要があ
る。しかし多量に添加すると靭性及び軟窒化性が
劣化するため0.60％以下が好ましい。 Si：0.10〜2.0％ Siは脱酸精錬剤として溶解時に有効であるとと
もに、軟窒化処理により母材中に窒化ケイ素を析
出させ、硬化層の形成に補助的な役割りをはたす
ため0.1％以上必要である。しかし多量に添加す
ると靭性が低下し、かつ被削性が劣化するので
2.0％以下とした。 Mn：0.20〜2.0％ Mnは脱酸、脱硫精錬剤として、また鋼の焼入
性を向上させるのに有効な元素であつて0.20％以
上添加する必要があるが、多量に添加すると熱間
加工性が劣化し、アプセツト鍛造によるバルブの
製造が不可能になるので2.0％以下とした。 Cr：0.5〜5.0％ Crは本発明用材において最も基本的な元素の
１つである。Crは、軟窒化処理により母材内部
にクロム炭（窒）化物を析出させ高い表面硬さと
厚い硬化層を形成させるので、バルブの耐焼付
性、耐摩耗性を向上させるのに極めて有効な元素
である。0.5％以下ではその効果が期待されず５
％以上では実験例１で示すように硬化層の深さが
むしろ浅くなるので５％以下とした。 Mo：0.1〜2.0％ Moは本発明用材において最も基本的な元素の
１つである。Moは450℃以上の焼もどしにより
Mo₂Cを形成し二次硬化に寄与する元素であり軟
窒化処理後の硬さをH_RC35以上にするために少な
くとも0.1％以上の添加が必要である。しかし２％以上のMoの添加は経済性がないば
かりでなく熱間加工性も劣化し有害となるので
2.0％以下とした。 Ti：1.50％以下、Al：2.0％以下 Ti、Alは軟窒化処理により母材内部にチタン
ナイトライド又はアルミニウムナイトライドを析
出させ基本鋼のCrと同様高い表面硬さと厚い硬
化層を形成させるのに有効な元素である。窒化物
を形成する傾向はTi＞Al＞Crの順に強いため
Ti、AlはCrより少量の添加でその効果が明瞭と
なる。しかしTi、Alは鋼中の非金属介在物を多
くし、バルブの疲労強度を低下させるのでTiは
1.50％以下、Alは2.0％以下とする必要がある。次に本発明用材の特徴を実施例により詳細に説
明する。二つの発明用材は、Ｃ、Si、Mn、Cr、Mo、
Tiの基本成分を共通としており、一つは更にAl
を添加したものである。実施例１供試材S11は第１表に示す組成を有しており、
Tiを含有して、軟窒化処理により母材内部にチ
タンナイトライドを析出させ、Crと同様の高い
表面硬さと深い硬化層が形成されている。実施例２供試材S6は第１表に示す組成を有し、Alを含
有して軟窒化処理により母材内部にアルミニウム
ナイトライドを析出させ、Crと同様の高い表面
硬さと深い硬化層が形成されている。また、上記実施例の展開にあたり、二つの発明
用材とＣ、Si、Mn、Cr、Moを共通成分とする
吸気バルブ用素材の特性を基礎実験により把握し
た。この比較のために実験された比較材は、第１
表の比較材S1、S2、S3、S4に示す成分を有して
いる。更に従来から用いられている吸気バルブ用
素材は比較材A1、A2として第１表に成分組成を
示す。尚、供試材S5は上記共通成分にNi：0.51
％添加した参考用材であり、供試材S7は上記共
通成分にＷ：0.55％添加した参考用材であり、供
試材S8は同じく上記共通成分にNb：0.11％、
Ｖ：0.10％添加した参考用材であり、供試材S9は
上記共通成分にＳ：0.15％、Pb：0.011％添加し
た参考用材であり、供試材S10は上記共通成分に
Al：2.0％添加した参考用材である。以下の各実験例はこの第１表の素材を高周波誘
導炉で溶解し、各種特性値を調査したものであ
る。実験例１ (1) 軟窒化処理による表面かたさ（第２図）第１表の供試材の中、S2、S3、A1、A2につ
いて鍛造加工により直径20mmの棒材とした後焼
入れ（1025℃×１時間）し、さらにKCN、
NaCN、KCNO、NaCNOの混合溶液中で塩浴
軟化処理（570℃×90分油冷）を施した。上記処理材について表面からのかたさ分布
〔マイクロビツカースかたさ（荷重100ｇ）〕を
測定した結果を第２図に示す。同図にみられる
ように、クロム含有量が高い比較材（A1、
A2）の表面かたさは高いが、硬化深さが浅い。
これに対して比較材（S2、S3）の表面かたさ
はHv900以上を示しており、かつ硬化深さも比
較材（A1、A2）にくらべて深いことを示して
いる。ここで表面近傍のかたさはクロム含有量が多
い程高くなるが1.5％以上ではその変化量が少
なく、５％以上では硬化深さが浅いことが判
る。 (2) 軟窒化処理による硬化層深さ（第３図）つぎに軟窒化処理を施した第１表の供試材の
表面かたさ分布測定結果に基づいて、ビツカー
スかたさHv700が得られる深さを求め、その結
果を第３図に示した。この時の軟窒化処理条件は、NH₃と吸熱反
応型ガス（RXガス）との混合ガス中で590℃
で１時間保持して行なつた。第３図より本発明用材（供試材S6、S11）
は、比較材A1、A2に比べていずれもビツカー
スかたさHv700が得られる表面からの距離は遥
かに深く、また、比較材S1、S2、S3、S4に比
べ、それを上回る優れた硬化層深さが得られ、
また、参考用材S5、S7、S8、S9、S10に比べ、
同等かそれを上回る硬化層深さが得られること
を示している。すなわち、本発明用材は軟窒化
処理における硬化性がきわめて優れていること
を確認した。 (3) 軟窒化処理条件と硬化深さの関係（第４図）つぎに第１表の供試材のうちS6およびA1を
用いて軟窒化処理条件と硬化深さの関係を調べ
た。なお、ガス軟窒化処理はNH₃と吸熱反応
型ガス（RXガス）との混合ガス（１：１）中
で行ない、硬化深さはビツカースかたさHv700
が得られる深さで整理した。その結果を第４図
に示した。同図にみられるように同一硬化深さを得るに
は処理温度が高いほど処理時間が短かくなる傾
向が認められる。S6およびA1の軟窒化処理に
おける等かたさ曲線を比較すると、たとえば軟
窒化処理温度580℃において、50μの硬化深さ
（Hv700のビツカースかたさが得られる深さ）
が得られる処理時間はA1では100分以上である
のにたいしてS6では20分程度である。すなわ
ち、本発明バルブ用材は従来のバルブ用材にく
らべてきわめて短時間に同一硬化層深さの表面
硬化層が形成されることを示している。実験例２第１表の供試材のうちS2およびA1を用いて高
温摩耗試験片、焼付き試験片および疲労試験片を
採取し、焼入および塩浴軟窒化処理（570℃×90
分）を施し各種試験に供した。なお高温摩耗性は
大越式摩耗試験により、また耐焼付き性はFalex
式焼付き試験により、また耐疲労性は小野式回転
曲げ疲労試験により行つた。その結果を第５，
６，７図に示した。 (1) 高温摩耗特性（第５図） (2) 耐焼付き特性（第６図） (3) 耐疲労特性（第７図）図から判るように、S2はA1にくらべて高温摩
耗特性、耐焼付き性および耐疲労性ともにいずれ
も優れていることを示しており、S2より深い表
面硬化層を有するS6、S11の各特性は、上記S2と
同等以上の性能を発揮することが推定される。す
なわち、本発明バルブ用材は従来の吸気バルブ用
材にくらべて、吸気バルブ自体に要求される諸特
性がいずれも優れていることを確認した。実験例３ (1) 実機試験における耐摩耗特性（第２表）第１表の供試材のうちS5およびA1を用いて、
軟窒化処理を施した吸気バルブを製造し、これ
を４サイクルエンジンに組込んで実機試験を行
なつた。試験条件および試験結果を第２表に示
す。同表にみられるごとく短時間の試験ではある
が、S5素材を用いて製造した吸気バルブはA1
素材を用いて製造した吸気バルブにくらべて軸
端部の摩耗が少なく、かつ全長延びも少ないこ
とを示している。この供試材S5よりも厚い表
面硬化層を有する本発明用材S6、S11は、S5と
同等以上の耐摩耗性を有することが推定され
る。

【表】

【表】上記のごとく本発明の吸気バルブは従来から用
いられている吸気バルブにくらべて実用時におけ
る耐久性が優れていることを確認した。＜発明の効果＞以上の実施例にみられるごとく、第１発明用材
は深い表面硬化層を形成するとともに耐摩耗性が
高く、第２発明用材は特に深い表面硬化層を形成
し、かつ、短時間の軟窒化処理を可能とし、高耐
摩耗性を発揮している。また、吸気バルブとして要求される高温摩耗
性、耐焼付き性、及び耐疲労性も、従来の吸気バ
ルブ用材にくらべて優れているため、吸気バルブ
用材としてきわめて好適であることを確認した。
さらに上記素材からバルブ粗形を加工仕上げし、
軟窒化処理を施して製造した本発明吸気バルブは
従来の吸気バルブにくらべて実用時における耐久
性も優れていることを確認した。以上のごとく本
発明は吸気バルブ用としては新規な低合金鋼を用
いて、熱処理歪が少ない軟窒化処理を施して表面
硬化層を形成させたものであり、製造性が良好で
しかも安価である等工業的価値は多大である。

【表】【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の弁機構を示す図、第２図は
比較材における軟窒化処理後の表面かたさ分布を
示す図、第３図は本発明用材と比較材、参考用材
における軟窒化処理後の硬化深さを示す図、第４
図は、本発明用材と比較材における軟窒化処理後
の等かたさ曲線を示す図、第５図は比較材におけ
る軟窒化処理後の高温摩耗特性を示す図、第６図
は比較材における軟窒化処理後の焼付き性を示す
図、第７図は比較材における軟窒化処理後の疲労
特性を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.10〜0.60％、Si：0.10〜2.0％、Mn：
0.20〜2.0％、Cr：0.50〜5.0％、Mo：0.10〜2.0
％、Ti：1.50％以下を含有し、残部が実質的に
Feからなり、軟窒化処理を施して表面硬化層を
形成させた高耐摩耗性を有する吸気バルブ。２Ｃ：0.10〜0.60％、Si：0.10〜2.0％、Mn：
0.20〜2.0％、Cr：0.50〜5.0％、Mo：0.10〜2.0
％、Ti：1.50％以下、Al：2.0％以下を含有し、
残部が実質的にFeからなり、軟窒化処理を施し
て表面硬化層を形成させた高耐摩耗性を有する吸
気バルブ。