JPH05148591A - 被削性の優れた排気弁用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 重量比にしてC:0.20% 〜0.45% 、Si:1.00%以
下、Mn:5.0〜15.0% 、Ni:2.0〜8.0%、Cr:18.0 〜25.0%
、N:0.20〜0.55% とSe:0.03 〜0.50% 、Te:0.03〜0.50
% のうち１種または２種を含有し、必要に応じてS:0.03
〜0.30% 、Ca:0.0005 〜0.0050% のうち１種または２種
を含有し、残部がFeならびに不純物元素からなることを
特徴とする被削性の優れた排気弁用鋼。 【効果】 C 含有量を0.20〜0.45% に低減したので、従
来鋼であるSUH35 と同等の熱間加工性を確保しつつ、被
削性改善元素であるSe、Te、S 、Caの添加が可能とな
り、被削性が著しく向上し、従来鋼であるSUH36 に比較
してドリル寿命を７倍以上に伸ばすことができた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気弁用の材
料として用いられ、従来鋼に比べ被削性に著しく優れ、
安価な排気弁の製造を可能とし、特に中空排気弁の適用
範囲の拡大を可能とする被削性の優れた排気弁用鋼に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車エンジンの部品である排気
弁は、エンジン回転中に極めて高温にさらされるため、
高温での強度、耐食性に優れた耐熱鋼であるSUH35 など
の21-4N 鋼(0.5C-9Mn-21Cr-4Ni-0.4N)が使用されてい
る。

【０００３】近年、自動車の高性能化に対する要求は極
めて強く、高性能エンジンの開発が盛んに進められてい
る。エンジンの高性能化をはかるためには、回転数を高
めることが有効であるが、通常の排気弁を使用して高回
転化すると、排気弁の動作が不安定となり、目標とする
高出力が得られない。従来よりも高い回転数を達成する
ためには、排気弁を軽量化して高回転域の弁の動作安定
化を図ることが必要不可欠となる。

【０００４】この問題を解決する従来技術としては、排
気弁の軸部を中空構造とし、内部にNaなどの液体を封入
した中空排気弁が知られている。この中空排気弁は、中
空構造とすることによって生じる排気弁の強度低下を、
Naなどの冷却媒体を封入することによる排気弁の冷却効
果によって解決し、軽量化を可能として高回転域での弁
の動作安定化をはかるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、SUH35
などの21-4N 鋼を使用して中空排気弁を製造する場合に
は、次のような問題点がある。すなわち、中空排気弁を
製造するためには、直径7mm 程度の材料の中心に、直径
4mm 程度で長さ60〜80mmの穴をあける必要がある。その
ため、中空排気弁には通常の排気弁に使われるSUH35 に
被削性向上元素であるS を含有させたSUH36 が使用され
ている。

【０００６】しかし、被削性向上元素であるS を含有さ
せたSUH36でも多量のCr、Mn、Niが含有された高合金で
あるため、充分な被削性を有しておらず、超硬のドリル
を使用しても１本のドリルで７〜８本の排気弁しか製造
できないのが現実である。その結果、穴あけのコストが
極めて高くなってしまうため、かなり以前から中空排気
弁に関する技術はよく知られていたが、実際に量産車に
適用されることは少なく、レース用自動車や一部の高級
自動車しか使用されていなかった。また、中空でない排
気弁の製造時においても傘部は切削工程が入り、以前か
ら切削工具の寿命が悪く問題となっていた。さらに、SU
H36 はS を含有するため熱間加工性に劣り、圧延時に割
れが発生する場合があり、製造上問題のない熱間加工性
を得ようとすると、S を0.03% 以上添加することは困難
であった。従って、被削性、熱間加工性のともに優れた
排気弁用鋼の開発が強く望まれていた。

【０００７】本発明は、排気弁を製造する際に、従来材
が難切削性であるため、製造コストが極めて高くなって
しまうという問題点を解決し、さらに排気弁を大幅に軽
量化してエンジン性能の著しい向上を可能とするために
なされたものであって、従来の排気弁用鋼であるSUH35
の高温耐食性および熱間加工性を劣化させないで、Sを
含有したSUH36 に比べて優れた被削性と同等以上の高温
強度を有し、特に中空排気弁の適用の拡大に最適な被削
性の優れた快削排気弁用鋼を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】優れた排気弁用鋼を提供
するためには、前述した被削性の他、高温での強度およ
び耐食性が優れ、かつ容易に製造できるレベルの熱間加
工性を有することが必要である。しかし、優れた高温で
の強度、耐食性を確保するためにCr、Niが多量に含有さ
れた従来鋼は、被削性、熱間加工性は非常に悪く、この
従来鋼の被削性を向上させるために、被削性向上元素を
含有させると、さらに熱間加工性が悪化してしまう。従
って、被削性、高温強度、高温耐食性、熱間加工性の４
つの要求特性を同時に満足させるのは極めて難しく、こ
れが本課題の解決を遅らせてきた大きな理由である。

【０００９】本発明者等は前記課題を解決すべく鋭意研
究を重ねた結果、従来からCr、Mn、Ni以外の元素で強度
確保のため必要であると考えられてきたC の含有率を0.
2%程度まで減少させても、 900℃前後における高温強度
があまり低下しないことを実験により発見した。そし
て、この発見が優れた排気弁用鋼を製造可能とするため
著しい効果があることを見出した。

【００１０】表１には、従来排気弁用鋼として用いられ
ている21-4N 鋼(0.5C-9Mn-21Cr-4Ni-0.4N)のC 含有率の
みを低減させた場合の 800℃および 900℃における高温
強度の測定値を示す。表１より明らかなように、炭素量
が0.20% 以上であれば高温強度が大きく変化せず、炭素
量が0.20% 未満になると高温強度が急激に下がる。

【００１１】

【表１】

【００１２】すなわち、一般にC 量を減少させる程熱間
加工性は良くなるが、C 量0.2%程度までの減少ならば、
高温強度をあまり低下させることなく、熱間加工性を向
上させることができる。そのため、熱間加工性が悪化す
るために困難であった被削性向上元素の添加が可能とな
り、その結果、従来鋼であるSUH35 に比べ高温強度、高
温耐食性、熱間加工性を悪化させることなく、SUH35 よ
り優れた被削性を有するSUH36 よりも被削性を大幅に改
善できる鋼の開発に成功したものである。

【００１３】前述した考えのもとに完成された本発明の
第１発明は、重量比にしてC:0.20〜0.45% 、Si:1.00%以
下、Mn:5.0〜15.0% 、Ni:2.0〜8.0%、Cr:18.0 〜25.0%
、N:0.20〜0.55% と、Se:0.03 〜0.50% 、Te:0.03 〜
0.50% のうち１種または２種を含有し、残部がFeならび
に不純物元素からなることを特徴とする被削性の優れた
排気弁用鋼であり、第２発明は被削性をさらに改善させ
るため、第１発明にさらにS:0.03〜0.30% 、Ca:0.005〜
0.0005% のうち１種または２種を含有させたものであ
る。

【００１４】

【作用】本発明においては、従来鋼に比べてC 含有量を
0.20〜0.45% に低減したので、被削性改善元素であるS
e、Te、S 、Caを添加しても、S 含有量の低い従来鋼で
あるSUH35 と同等以上の熱間加工性を確保することがで
きた。

【００１５】また、C 含有量を低減し被削性向上元素で
あるSe、Te、S 、Caを適量含有させたので、被削性が著
しく向上し、従来鋼に比較してドリル寿命を７倍以上に
改善することができた。

【００１６】次に、本発明の被削性の優れた排気弁用鋼
における成分限定理由について、以下に説明する。 C:0.20〜0.45% C は高温での強度を確保するために必要な元素であり、
0.20% 以上の含有が必要である。しかし、多量に含有さ
せると被削性および熱間加工性が低下し、さらに被削性
向上元素であるSe、Te、S 、Caの添加が、製造上の理由
から困難となり、著しく切削が困難となるので、上限を
0.45% とした。なお、高温強度に問題がない限り0.38%
以下であることが好ましい。

【００１７】Si:1.00%以下 Siは脱酸に効果のある元素であるが、多量に含有すると
σ相等の脆化相が出やすくなり、熱間加工性が悪化する
ので、上限を1.00% とした。なお、充分な脱酸効果を得
るためには、0.10% 以上含有させることが好ましい。

【００１８】Mn:5.0〜15.0% Mnは必要な高温強度を確保するとともに、同じく高温強
度の向上に効果のあるN の添加を容易にする元素であ
る。前記効果を得るためには5.0%以上の含有が必要であ
る。しかし、15.0% を越えて含有させても効果が飽和す
るとともに、コスト高となるため、上限を15.0% とし
た。

【００１９】Ni:2.0〜8.0% Niはγ相を安定化させて、高温での耐食性向上のために
必要な元素であり、2.0%以上の含有が必要である。しか
し、多量に含有させると高温強度が低下するとともにコ
スト高となるので、上限を8.0%とした。

【００２０】Cr:18.0 〜25.0% CrはNiと同様にγ相を安定化させて、高温において必要
な耐食性を確保するための基本元素であり、18.0% 以上
の含有が必要である。しかし、多量に含有させるとσ相
等の脆化相が出やすくなり、熱間加工性が悪化し、かつ
被削性も低下するので、上限を25.0% とした。

【００２１】N:0.20〜0.55% N は高温での強度を確保するために必要な元素であり、
0.20% 以上の含有が必要である。しかし、多量に含有さ
せると溶解後の造塊時に気泡が発生し、製造が困難とな
るため、上限を0.55% とした。

【００２２】Se:0.03 〜0.50% 、Te:0.03 〜0.50% Se、Teは、被削性を改善し、安価な排気弁を製造するた
めの必須元素であり、それぞれ0.03% 以上の含有が必要
である。しかし、多量の含有は熱間加工性を低下させ、
熱間圧延による製造を困難にするので、上限を0.50% と
した。

【００２３】S:0.03〜0.30% 、Ca:0.0005 〜0.0050% S 、Caは、Se、Teと同様に被削性を改善する効果のある
元素であり、必要に応じて添加することができ、効果を
得るためにはS は0.03% 、Caは0.0005% 以上の含有が必
要である。しかし、多量の含有は熱間加工性を低下さ
せ、熱間圧延による製造を困難にするため、その上限を
Sは0.30% 、Caは0.0050%とした。

【００２４】

【実施例】本発明の実施例を比較例および従来例と比較
して説明し、本発明の特徴を明らかにする。表２は実施
例として使用した供試材の化学成分を示すものである。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２において、１〜９鋼は本発明鋼であ
り、１〜４鋼は第１発明鋼、５〜９鋼は第２発明鋼であ
る。また、10〜16鋼は比較鋼であり、その内10鋼はC 含
有量の低い比較鋼、11鋼はC 含有量の高い比較鋼、12鋼
はSi含有量の高い比較鋼、13鋼はSeおよびTe含有量の低
い比較鋼、14鋼はCr含有量の高い比較鋼、15鋼はN 含有
量の低い比較鋼、16鋼はCa含有量の高い比較鋼である。
なお、17鋼はSUH36 に相当する従来鋼、18鋼はSUH35 に
相当する従来鋼である。

【００２７】表２に示した供試材は、実験用溶解炉にて
5kgの鋼塊に製造し、適当な寸法に鍛伸した後1050℃に
て固溶化熱処理し、その後機械加工して試験片を作製し
た。得られた試験片について被削性、高温強度、熱間加
工性について評価した。

【００２８】被削性は直径50mm、高さ30mmの試験片を作
製し、直径 5mmの超硬チップ付きドリルを使用して穿孔
試験を行い、１本のドリルによる穿孔距離（ドリル寿
命）によって評価した。なお、試験は回転数790r.p.m.
、送り0.1mm/rev.の条件で切削油を使用して行った。

【００２９】高温強度は、島津製作所製の 10tオートグ
ラフを使用し、 800℃および 900℃の温度にて引張試験
を行うことにより測定した。

【００３０】熱間加工性は、供試材から作製した平行部
径10mmの試験片を1000℃、1100℃、1200℃の各温度まで
100秒で加熱し、60秒間温度保持した後50mm/secの引張
速度で破断させた試験片から測定した絞り率によって評
価した。

【００３１】得られた結果は表３にまとめて示した。な
お表３に示したドリル寿命は、従来鋼であるSUH36 の場
合を 1.0として、寿命比で示したものである。

【００３２】

【表３】

【００３３】表３から明らかなように、比較鋼である10
〜16鋼を本発明鋼と比較すると、10鋼はC 含有量が低い
ため、被削性は良いものの高温強度が低く、11鋼はC 含
有量が高いため、被削性および熱間加工性が劣るもので
あり、12鋼はSi含有量が高いので、11鋼同様に熱間加工
性に劣り、13鋼はSeおよびTe含有量が低いため、被削性
が十分に改善されず、ドリル寿命が劣るものであり、14
鋼はCr含有量が高いため、被削性と熱間加工性が劣るも
のであり、15鋼はN 含有量が低いため高温強度が劣るも
のであり、16鋼は被削性向上元素であるCa含有量が高い
ため、被削性は優れているが熱間加工性が劣るものであ
る。

【００３４】また、従来鋼である17鋼はC 含有量が高い
ので、被削性および熱間加工性に劣るものであり、18鋼
はC 含有量が高い上にS 含有量が低いので被削性が極端
に悪い。

【００３５】これに対して本発明鋼である１〜９鋼は、
従来鋼に比べC 含有量を高温強度があまり低下しない範
囲で低減したことにより、被削性向上元素であるSe、T
e、S、Caの添加を可能にした結果、高温強度、高温耐食
性および熱間加工性を損なうことなく、被削性の評価値
であるドリル寿命を７倍以上に向上させ、かつ熱間加工
性についても、S を不純物レベルしか含有していないSU
H35 と同等以上の性能を確保することができた。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の快削排気
弁用鋼は、従来鋼に比べてC 含有量を低減したので、被
削性改善元素であるSe、TeさらにはS 、Caを添加して
も、必要な高温強度を維持しつつ、S を不純物量しか含
有しない従来鋼であるSUH35 と同等の熱間加工性を確保
することができた。また、前記C の低減と被削性向上元
素であるSe、Te、S 、Caの添加によって、被削性が著し
く向上し、S を含有する従来鋼であるSUH36 に比較して
ドリル寿命を７倍以上に伸ばすことができた。そのた
め、排気弁製造時の傘部の切削工程や穴あけ工程のコス
トを大幅に低減し、安価な排気弁の製造が可能となり、
特に中空排気弁の適用範囲を拡大し、エンジンの高出力
化に大きく貢献するものである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比にしてC:0.20〜0.45% 、Si:1.00%
   以下、Mn:5.0〜15.0% 、Ni:2.0〜8.0%、Cr:18.0 〜25.0
   % 、N:0.20〜0.55% と、Se:0.03 〜0.50% 、Te:0.03 〜
   0.50% のうち１種または２種を含有し、残部がFeならび
   に不純物元素からなることを特徴とする被削性の優れた
   排気弁用鋼。
2. 【請求項２】 重量比にしてC:0.20〜0.45% 、Si:1.00%
   以下、Mn:5.0〜15.0% 、Ni:2.0〜8.0%、Cr:18.0 〜25.0
   % 、N:0.20〜0.55% と、Se:0.03 〜0.50% 、Te:0.03 〜
   0.50% のうち１種または２種と、S:0.03〜0.30% 、Ca:
   0.0005 〜0.0050% のうち１種または２種を含有し、残
   部がFeならびに不純物元素からなることを特徴とする被
   削性の優れた排気弁用鋼。