JPH08176752A

JPH08176752A - 冷鍛性に優れたマルテンサイト系耐熱鋼

Info

Publication number: JPH08176752A
Application number: JP33795294A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Oka; 政宏岡; Yasushi Kiguchi; 靖城口; Michio Tsuzuki; 教夫都筑; Satoru Iwase; 悟岩瀬
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd; Aichi Steel Corp
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd; Aichi Steel Corp
Priority date: 1994-12-26
Filing date: 1994-12-26
Publication date: 1996-07-09

Abstract

(57)【要約】【構成】重量比にしてC:0.10〜0.34% 、Si:2.00%以
下、Mn:0.10 〜0.55% 、Cr:5.0〜8.5%、P:0.030%以下、
S:0.003%以下、N:0.015%以下、O:0.01% 以下を含有し、
かつ2.9 ≦14.5C(%)+Si(%)≦5.9 を満足し、残部がFeお
よび不純物元素からなることを特徴とする冷鍛性に優れ
たマルテンサイト系耐熱鋼。【効果】 SUH11 に比べ、大幅に冷鍛性向上を図ること
ができ、例えばエンジンの吸気弁として使用した場合に
は、全冷鍛を実現し大幅な生産性向上が可能となる。ま
た、耐食性、耐酸化性についても優れた特性が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば内燃機関の吸気
弁用材料等の 500℃程度の高温環境で使用される部品へ
の適用に適し、特に冷鍛性に優れたマルテンサイト系耐
熱鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等のガソリンエンジン、ディーゼ
ルエンジンの吸気弁には、Si-Cr 系耐熱鋼(JIS SUH11)
、Si-Cr-Mo系耐熱鋼(JIS SUH3)が広く用いられてい
る。吸気弁は通常熱間鍛造により製造されており、その
工程は棒状の素材の一端を据込み加工して、膨大部と
し、仕上型打ちして傘部を成形するものである。

【０００３】しかしながら、熱間鍛造による製造では、
素材を切断後加工部を通電加熱するのに時間がかかるた
め、生産性、コストの面で劣る。従ってこの問題を解決
するために、最近、吸気弁の製造工程の一部を熱間鍛造
に比べ生産性、コスト面で有利な冷間鍛造に変更するた
めの生産技術開発が盛んに進められている。

【０００４】傘部の冷鍛化を実現するためには、製造工
程の改善も必要であるが、前記したSUH3、SUH11 は冷鍛
性が極めて劣るため、冷鍛性を大幅に改善できる新しい
材料の開発が不可欠となる。

【０００５】前記課題を解決するために提案されている
材料として、例えば特開平3-36236号、特開平6-93384
号公報に記載の耐熱鋼がある。これらの発明は、冷鍛性
に悪影響を及ぼすC 、Si、Cr量の上限を従来鋼に比べ低
めに規制するとともに、不純物元素であるS 、O を極力
低減して冷鍛性の改善を図ったものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来鋼であるSUH3、SU
H11 では前記したように熱間における鍛造しか不可能で
あったが、前記公報記載の発明により、吸気弁の製造に
ついては傘部の予備加工である膨大部の成形まで冷鍛で
行うことを実現することができた。従って、素材として
線材を使用し、ボルトの製造によく使用される多段自動
圧造機を使用した場合には、切断から傘部の予備成形ま
で連続して冷鍛による効率的な製造が可能となった。

【０００７】しかしながら、依然として傘部の最終成形
については熱鍛に頼らざるをえず、さらなる生産性の改
善のためには、より一層の製造工程の改善と冷鍛性の優
れた材料の開発が必要である。このような厳しい要求に
対応できる新しい材料を開発するためには、吸気弁等の
ように500 ℃程度の高温と高圧の環境で使用される部位
への使用を考えると、冷鍛性だけでなく、高温強度、耐
食性、耐酸化性も考慮した成分設計が必要となり、全て
の要求特性を満足できる新しい耐熱鋼の開発が不可欠で
ある。

【０００８】本発明は、吸気弁の傘部まで冷鍛可能な程
度に優れた冷鍛性を有し、かつ500℃程度の高温かつ高
圧が負荷される厳しい環境にさらされる部位においても
安心して使用できる、優れた高温強度、耐酸化性、耐食
性を有する耐熱鋼を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】従来鋼であるSUH3とSUH1
1 とを比較すると、Moを積極添加しないSUH11 の方が若
干強度が低めで冷鍛性の面で有利である。そこで、本願
発明ではSUH11 の成分をベースに前記した公報によって
明らかとなった技術を考慮して新鋼種の開発を行った。

【００１０】C 、Si、Cr量の上限を低めに規制し、不純
物元素であるS 、O を低減するという基本的考え方は、
本願発明も前記公報に記載の発明と同様である。しかし
ながら、前記公報の発明では、強度を室温での強度で評
価していた。室温における強度を一定水準以上に確保す
ることは、冷鍛性向上を妨げる結果となり、成分設計の
自由度を狭くする原因となっていた。そこで、本願発明
は、吸気弁が実際に使用される環境に近い500 ℃におけ
る強度にて必要な強度を評価し、室温における強度との
関係を調べることによって、真に必要な強度が得られる
範囲の中で冷鍛性が最も優れる成分範囲を求める方法に
より、開発を進めた。

【００１１】その結果、C 、Si量を低減し、室温強度を
低下させた時の高温強度の変化量は室温強度の変化に比
べ小さく、全冷鍛できる程度まで室温強度を低下させて
も、500 ℃では400N/mm²以上と、使用上問題のない高温
強度が得られるC 、Si量の範囲を明確にすることによ
り、本願発明の完成に到ったものである。

【００１２】以上説明した検討の結果得られた本発明
は、重量比にしてC:0.10〜0.34% 、Si:2.00%以下、Mn:
0.10 〜0.55% 、Cr:5.0〜8.5%、P:0.030%以下、S:0.003
%以下、N:0.015%以下、O:0.01% 以下を含有し、かつ2.9
≦14.5C(%)+Si(%)≦5.9 を満足し、残部がFeおよび不
純物元素からなることを特徴とする冷鍛性に優れたマル
テンサイト系耐熱鋼である。

【００１３】次に、本発明鋼における化学成分組成の限
定理由について以下に説明する。 C:0.10〜0.34% Cは高温強度を確保するために必要な元素であり、必要
最低限度の強度を得るためには、0.10% 以上、望ましく
は0.20% 以上添加する必要がある。しかし、過度に含有
させると優れた冷鍛性を得ることができなくなるので、
上限を0.34% とした。望ましくは上限を0.30% とするの
が良い。

【００１４】Si:2.00%以下 Siは製鋼時の脱酸剤として添加される元素であり、鋼の
耐酸化性と強度の向上に効果のある元素である。従っ
て、C 量との関係で後述する式を満足するように含有す
る必要がある。また、後述の式に関係なく0.80% 以上含
有させることが好ましい。しかし、多量に含有させると
冷鍛性が低下するので、上限を2.00% とした。望ましく
は上限を1.50% とするのが良い。

【００１５】Mn:0.10 〜0.55% Mnは製鋼時の脱酸および脱硫成分として有効で、かつ強
度の向上に寄与する元素であり、0.10% 以上、望ましく
は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、耐酸化性、冷鍛性が低下するので、その添加
は必要最低限度の量に抑える必要があり、上限を0.55%
とした。望ましくは、上限を0.40% と厳しく規制するの
が良い。

【００１６】Cr:5.0〜8.5% Crは耐食性、耐酸化性の向上に効果のある元素であり、
5.0%以上、望ましくは7.1%以上含有させる必要がある。
しかしながら、多量に含有させると必要な冷鍛性が得ら
れなくなるので、上限を8.5%とした。

【００１７】P:0.030%以下 P は特に添加しなくても鋼中に不純物として含有される
元素であるが、冷鍛性にとって悪影響を及ぼす元素であ
るため極力低減する必要があり、上限を0.030%とした。

【００１８】S::0.003% 以下 S はMnS 等の硫化物系介在物を生成し、冷鍛性、耐食性
を阻害する元素であり、極力低減することが必要である
ので、上限を0.003%とした。なお、より優れた冷鍛性、
耐食性を得るには、0.002%以下に低減することが望まし
い。

【００１９】N:0.015%以下 Nは溶解中に大気から混入し、不純物として含有する元
素であり、通常の溶解では0.015%以下に抑制できない場
合がある。しかし、 Nは微量の含有で伸び、絞りを低下
し、冷鍛性を阻害するので、特に優れた冷鍛性を得る場
合には極力低減することが望ましく、0.015%以下に低減
することとした。望ましくは0.010%以下とするのが良
い。

【００２０】O:0.010%以下 Oは溶解時に大気から不純物として混入し、鋼中でAl₂O
₃などの酸化物系介在物となって存在し、冷鍛性を阻害
するので、極力低減することが必要であり、0.010%以下
に規制することとした。なお、より優れた冷鍛性を得る
には、さらに低減して、0.006%以下とすることが望まし
い。

【００２１】2.90≦14.5C(%)+Si(%)≦5.90 C とSiはどちらも高温強度を高め、冷鍛性を低下させる
元素である。従って、必要な高温強度を得つつ優れた冷
鍛性を確保するには、C とSiの両者を同時に考慮して適
切な範囲を設定する必要がある。14.5C(%)+Si(%)が2.90
未満では必要な高温強度の確保が困難となり、また5.90
を超えると要求される冷鍛性を確保できなくなるので、
2.90≦14.5C(%)+Si(%)≦5.90の式を満足するようにC 、
Si量の範囲を規制したものである。

【００２２】また、本発明鋼の冷鍛性を優れたものとす
るためには、適切な温度で焼鈍することが必要であり、
700〜800 ℃で行うことが望ましい。その理由は 700℃
未満の温度では硬さが十分に下がらず、良好な冷鍛性が
得られないからであり、 800℃を超えると、冷鍛性は向
上するが、特にC 、Siを本発明の範囲の中でも低めとし
た場合には、強度が下がりすぎて必要な高温強度を確保
できない可能性が高くなるからである。

【００２３】

【作用】本発明のマルテンサイト系耐熱鋼は、500 ℃に
おける強度を詳細に調査した結果に基づき、C 、Si量を
高温強度と冷鍛性を両立できる範囲に規制し、さらに
S、O 等の不純物元素の含有量を極力低減したことによ
って、従来の冷鍛用耐熱鋼に比べ一層優れた冷鍛性を得
つつ、必要な高温強度、耐食性、耐酸化性を確保するこ
とができる。

【００２４】

【実施例】次に本発明鋼の特徴を、比較鋼、従来鋼と比
較して、実施例でもって明らかにする。表１に実施例で
使用した供試材の化学成分を示す。表１において、鋼番
１〜７鋼は本発明鋼である。また、鋼番８〜17鋼は一部
の元素が本発明の成分範囲外である比較鋼であり、その
うち鋼番17鋼は前記した特開平3-36236 号公報記載の発
明の鋼である。また、鋼番18鋼はSUH11 に相当する従来
鋼である。

【００２５】

【表１】

【００２６】上記鋼を作製するに当たっては、まず、30
kgVIM 溶解炉にて表１に示す成分を有する鋼塊を溶製
し、1100〜1200℃に加熱し、後述する試験をするに都合
の良い寸法に鍛伸した後、1000℃×30分の条件で焼入処
理を施した。その後 750℃×120 分の条件で焼鈍を行っ
て、冷鍛しやすい硬さに調整することにより、供試材を
作製した。そして、表２に示すごとく、各特性を評価、
測定した。

【００２７】冷鍛性は、据込み加工時の割れ率にて評価
した。据込み試験は直径10mm、高さ15mmの試験片を作製
後、日本塑性加工学会冷間鍛造分科会から提案されてい
る方法にて据込み率75% 、80% 、85% における割れ率を
測定した。本願発明では、吸気弁の製造時において傘部
まで冷鍛可能にできる程度の冷鍛性を得ることを目的と
しているため、据込み率の試験条件は、前記した公報に
記載の評価に比べかなり厳しく設定している。なお、表
２において、割れ率は割れ発生のないものを○、5%未満
のものを△、5%以上のものを×で示した。強度は、前記
供試材から平行部長さ25mm、直径5mm の試験片を作製
し、室温と500 ℃における引張強さを測定することによ
り評価した。

【００２８】耐食性は、直径20mm、長さ20mmの供試材を
準備し、全面を#800まで乾式研磨し、試験片とした。こ
の試験片を35℃、湿度100%の環境中に200hr 放置し、錆
の発生状況を観察した。評価結果は、表２に示すごと
く、錆の全く発生していないものを◎、錆の発生は認め
られるが極めてわずかであるものを○、面積率5%未満の
錆発生が認められるものを△、面積率5%以上の錆発生が
認められたものを×で示した。

【００２９】耐酸化性は縦30mm、横20mm、厚さ2mm の板
状の供試材を準備し、全面を#400まで乾式研磨した後、
700℃×100hr の連続酸化試験を行い、酸化増量を測定
することにより評価した。なお、耐酸化性については、
実部品として使用時の局部的温度上昇を考慮する必要が
あり、引張試験に比べ試験温度を高くして評価を行っ
た。以上説明した試験方法にて評価した結果を表２に示
す。

【００３０】

【表２】

【００３１】表２及び表１から明らかなように、比較鋼
である８、９鋼は、それぞれC 含有率、または前記の
「14.5C(%)+Si(%)」式（以下、式という）の値がわず
かに高いため、据込み率80% で割れが若干発生したもの
であり、10、11鋼は、それぞれC 含有率または式の値
が低いため、冷鍛性には優れるが、500 ℃における強度
が劣る上に、さらに11鋼はCr含有率が低いため、耐食
性、耐酸化性が若干劣るものである。

【００３２】また、12鋼は、Cr含有率が著しく低いた
め、耐食性、耐酸化性が大幅に劣るものであり、13、14
鋼は、それぞれSi含有率またはMn含有率が高いため、冷
鍛性が劣るものであり、15鋼は、Mn及びS 含有率が、16
鋼は不純物元素であるN 、O 含有率が高いため、冷鍛性
が著しく劣るとともに、15鋼は耐食性、耐酸化性も若干
劣るものである。

【００３３】また、特開平3-36236 号公報に記載の発明
の条件を満足する17鋼は、吸気弁の軸部の強度を重視し
すぎて室温での強度が高すぎるため冷鍛性の向上が全冷
鍛を可能とするには十分でなく、前記公報記載のように
70% の据込み率までは割れが生じないが、75% では割れ
の発生を抑えることができないものであり、従来鋼であ
る18鋼(SUH11) は、17鋼に比べてもさらに冷鍛性が劣る
ものである。

【００３４】これに対して本発明鋼である１〜６鋼は、
500℃における強度を可能な限り低めに設定することに
よって、室温における強度を低下させ、据込み率80% に
おける割れ率を0%とすることができ、優れた冷鍛性を得
ることができた。また、Cr含有率の比較的高い１、４、
６鋼は、その他の発明鋼に比べ、優れた耐食性、耐酸化
性の得られることが確認できた。

【００３５】本発明鋼の性能向上の程度を実際の製造に
よって確認するため、従来傘部の予備成形までしか冷鍛
で行っていなかった自動車エンジン用吸気弁の１品番に
ついて、本発明鋼の焼鈍処理を施した線材を用い、予備
成形の後の傘部までの成形について、実際の生産設備に
よって製造テストを実施した。従来鋼にて同じテストを
行った場合には、パンチの折損により加工不可となった
り、加工はできても製品に割れが発生するという問題を
全く防止することは不可能であった。しかし、前述の基
礎評価にて優れた冷鍛性が得られることを確認した本発
明鋼を用いたテストにおいては、何ら問題なく製造でき
ることが確認できた。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の冷鍛性に
優れたマルテンサイト系耐熱鋼は、SUH11 の冷鍛性を改
善するために 500℃における強度を詳細に調べ、高温強
度に支障のない範囲で可能な限りC 、Si量を低減して室
温強度の低下と、限界据込み率の向上を図っているの
で、優れた冷鍛性を確保できる。この結果、吸気弁等の
ように500 ℃程度の高温にさらされる箇所に使用される
部品を製造する場合においても、その製造を冷鍛化して
生産性を著しく向上することが可能となり、その貢献度
は極めて大きい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者都筑教夫愛知県大府市共和町一丁目１番地の１愛三工業株式会社内 (72)発明者岩瀬悟愛知県大府市共和町一丁目１番地の１愛三工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比にしてC:0.10〜0.34% 、Si:2.00%
以下、Mn:0.10 〜0.55% 、Cr:5.0〜8.5%、P:0.030%以
下、S:0.003%以下、N:0.015%以下、O:0.010%以下を含有
し、かつ2.90≦14.5C(%)+Si(%)≦5.90を満足し、残部が
Feおよび不純物元素からなることを特徴とする冷鍛性に
優れたマルテンサイト系耐熱鋼。