JPS61202743A - 内燃機関用高強度弁の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 り又上立皿ユ豆■ 本発明は、各秤内燃機関用弁、特に排気弁の製造方法に
関するものである。

【米且韮 内燃機関の動弁機構としてＯＨＣ方式（ｓｉｎｇｌｅｏ
ｖｅｒ　ｈｅａｄ　ｃａｍｓｈａｆｔ　ｔｙｐｅ　）が
知られており、ＯＨＣ方式によれば、動弁機構のＵ複連
動部分の慣性が少ないので、弁の加速度を大きくとるこ
とができ、高速でも安定した弁開１ｆｆ＋を行ない（り
ることから、高速性能が向上し、低速から高速まで速や
かに回転を上げることが可能である。また、ＤＯＨＣ方
式（ｄｏｕｂｌｅ　ｏｖｅｒ　ｈｅａｄ　ｃａｍ　５ｈ
ａｆｔ　ｔｙｐｅ　）によれば、前記ＯＨＣ方式に比し
て、吸、排気口の設計自由度が高く、点火栓を好適位置
に配し得るため、更に帰れた性能が得られ、近年では、
機関の高出力化を削るべく、従来のＯＨＣ方式に代って
該ＤＯＨＣ方式が採用される傾向にある。そして、機関
の高速化に対処するために、弁の軽ｒｔ化が要求され、
その一方策として弁軸部（バルブ・スアム）の細径化を
計ることが考えられる。

口が　゛しよ２とする。ｊ しかるに、内燃機関用弁、特に排気弁材としては１．ｕ
ｇａ　４３１１　ノ５ｕｕ３ｓ　、３１）、３８が多用
され、特に高出力、高負荷機関においては、Ｎｉ基合金
であるＪＩＳ　Ｇ　４９０１のＮＣＦ３０Ａ　（旧−１
５，５Ｃｒ−ＩＮｂ　−２，３１ｉ　−１，２ＡＩ−７
Ｆｅ　　）　　、ＮＣＦ３０Ａ（旧−１９，５Ｃｒ−２
，３Ｔｉ−１，４＾１）、ナイモニツク９０　（Ｎ　ｉ
　−２０Ｃｒ　−１８Ｃ。

−２，４Ｔｉ　−１，５Ａｉ−５Ｆｃ）がステライト盛
金不要材として使用されており、これ等の合金で形成し
た弁の弁軸径を従来に比して細径化した場合、その高温
強度が十分であるとは言いテ「く、特に弁頭部近傍の強
度が不十分となる。

そこで、従来材料に比して高温強度が犬なる材料が必要
とされるのであるが、弁製造方法として一般的な据込み
鍛造法（ｕｐ　ｓｅｔｔｉｎｇ）によって弁軸部を細径
化した弁を得ようとすると、その熱間変形抵抗が人なる
ため、加工が非常に困難となる。

すなわち、第１図は、従来の弁ＫｊΔ工程の一例を示し
ており、会頭用素材０１＜細径）と弁軸用素材０２を摩
擦溶接接合により一体化後、ばつ取りを行って合成素材
片０３となしく第Ｉ工程）、次いで合成素材片０３の研
磨を行って（第■工程）、温度１１００〜１２００℃に
て弁頭側を据込み、球状部０５を形成して予備成形品０
４となしく第工工程）、更に型鍛造を行って球状部０５
を弁頭０６になした（第■工程）後、矯正、焼鈍、機械
加工、表面処３！ｌ！（軟窒化処理）、弁軸端の焼入れ
を行って製品を得るのであるが、弁頭用素材０１として
前記高強度材を用いると、■第■、■工程において、弁
軸部の曲がりが生ずる、■据込みによる球状部０５の成
形が困難である、■第■工程における据込み加工用上パ
ンチ（または上型）の摩耗が甚だしい等の問題が生ずる
。また、前記高強度材を用いた場合、弁軸径ｄと弁頭径
りの比（Ｄ／（ｊ）を５以上（Ｄ／ｄ≧５）にすること
、および圧延加工技術上、怪（ｄｏ　）≦８胴なる弁頭
用素材０１を得ることは困何である。

０　　を　　するため些１段史主ｍ 本発明の目的は、高強度材を採用しながら、前記のごと
き製造上の難点を解消して弁軸部の細径化を可能にする
点にある。

この目的は、高温強度が大きな弁素材を、２≦ｄｏ／ｄ
≦３．５≦Ｄ／ｄ≦７（但し、ｄは弁軸径、Ｄは弁頭径
、ｄｏは弁素材径である）なる方案でｇ造成形して朗気
弁な１！？ることにより達成される。

本発明者は、高温強度が優れた弁用合金材料として、下
記組成のものを開発した。

０．０１≦Ｃ≦０．１５ｗｔ％、　Ｓｉ≦３．０ｗｔ％
Ｈｎ≦　２．５ｗｔ％、　　１５≦ｃｒ≦２５ｗｔ％、
０．５≦Ｍｏ＋１／２ｗ≦　ｓ、ｏｗｔ％、０．３≦Ｎ
ｂ＋Ｔａ≦　３．０ｗｔ％、１５≦１１≦　３．５ｗｔ
％、　　　０５≦＾１≦　２．５ｗｔ％、０　　、（＋
０１≦Ｂ≦　Ｏ，Ｇ２　ｗｔ％、　　Ｆｅ≦５ｗｔ％、
残部＝Ｎ１ト不可避不純物。

この合金材料は、従来材に比して、高温における耐力（
σα２）、引張り強さくＧ８）が大幅に向上しており、
弁軸の細径化を計ることができる。第１表は、前記組成
範囲の合金材料（Ａ、８．Ｃ，・・・ト（）を比較合金
材料（１，Ｊ、Ｋ）と共に示し、第２表は、８００℃に
おけるそれ等の機械的特性を示している。また、第３図
、第４図は、合金材料Ｈ，にの高温高速引張り試験結果
−最大応力（Ｉｌ、Ｔ、Ｓ　Ｋｓｆ／ａｒｍ２）　、断
面減少率（Ｒ％）を示している。

第１表 ＊Ｓｉ％Ｈｎは、全てｏ、　ｓｗｔ％以下＊合金には、
Ｎ　ＣＦ　７５１相当材である。

第２表 ＊σｕ：　　０．２％耐力＜Ｋ９ｆ／ｍ２）σ日；引張
り強さく　Ｋｙ　ｆ　／履２）ε；伸び（％） Ｒ：絞り（％） ＊引張り特性評価には、固溶化処理（ｉｏｓｏ℃×３０
分加熱後油冷）および時効処理（７５０℃×４時間加熱
後空冷）を施した。

次に、前記開発材における各合金元素の添加ｍ限定理由
について説明する。

（１）Ｃについて（０，０１≦Ｃ≦０．１５ｗｔ％）：
Ｃは、Ｃｒ、　Ｎｂ、　Ｔａと結合して炭化物を形成し
、材料の高温強度を向上させる元素である。この効果を
得るには、少くとも０．０１ｗｔ％を添加すべきである
が、多聞に添加すると高温における強度、靭性が低下す
るため、０．１５ｗｔ％以下にするのが好ましい。

（２）　Ｓｉについて（Ｓ＋≦２．０ｗｔ％）：Ｓｉは
、脱酸用元素として必要であるが、添加し過ぎると、強
度、靭性が低下するだけでなく、弁材料に要求される耐
ＰｂＯアタック性も低下するため、２．０ｗｔ％以下に
するのが好ましい。

（３）Ｍｎについて（Ｈｎ≦２．　ｓｗｔ％）：Ｈｎは
、Ｓｉと同じく脱酸用元素として添加されるが、多聞に
添加すると、高温における耐酸化性、強度が低下するた
め、２．５Ｗｔ以下にするのが好ましい。

（４）Ｃｒについて（１５≦Ｃｒ≦２５Ｗ［％）：Ｃｒ
は、高温における耐酸化性、耐食性を維持するための必
須元素である。その特性を付与するために１５Ｗ【％以
上添加する必要があるが、多量に添加すると、オーステ
プイト相が不寞定となり、σ相、α′相などの脆化相が
析出し、高温における強度、靭性が低下するため２５Ｗ
１％以下にするのが好ましい。

（５）Ｎｏ　、　Ｗについて（０５≦Ｍｏ＋１／２Ｗ≦
５０Ｗ［％）： ＨＯｌＷは、オーステナイト相に固溶して材料の高温強
度を向上させる元素であり、またＷの原子量がＭＯの約
二倍であるため、その効果は約１７２である。そして、
斯かる効果を得るためには、少なくとも０．５ｗｔ％添
加しなければならず、添加し過ぎると、材料の熱間加工
性が低下するだけでなく、Ｃｒど同様に脆化相を析出さ
せるため、５．０ｗｔ％以下にするのが好ましい。なお
、本発明ではＮｏ、　Ｗのいずれか一方が有効Ｇ以下で
ある場合も含まれる。

（６）Ｎｂ　＋Ｔａにライて（０，３≦Ｎｂ＋　Ｔａ≦
３．０ｖｉｔ％）：ＮｂＪ３よびＴａは、炭化物（Ｎｂ
Ｃ，ＴａＣ）　、７’　相（Ｎ１３（八１．Ｔｉ、Ｎｂ
、Ｔａ）ｌを形成して高温強度を向上させる元素である
。その効果を得るには、０．３ｗｔ％以上添加しなけれ
ばならないが、多用に添加すると、δ相（Ｎｉ３（Ｎｂ
、　Ｔａ））が析出し、高温における強度、靭性が低下
する上、耐酸化性が低下するため、３０Ｗ【％以下にす
るのが好ましい。なお、本発明ではＮｂおよび丁ａのい
ずれか一方が有効？以下である場合し含まれる。

（７）Ｔｉについて（１５≦Ｔｉ≦３．５ｗｔ％）：１
１は、Ｎ１と結合して高温強度の維持に必要なγ′相を
形成する重要な元素である。その添加量が少ないと、γ
′相の析出Ｂが不足して十分な強度が得られない。しか
しながら、多急に添加すると、熱間加工性が低下するば
かりでなく、η相（Ｎｉ３　Ｔｉ）が析出して強度、靭
性が低下することから、１５〜３．５ｗｔ％にするのが
好ましい。

（８）＾１について（０，５≦Ａｌ≦２．５ｗｔ％）；
Ａｌは、Ｔｉと同じ＜Ｎｉと結合してγ′相を形成し、
高温強度を向上させる元素である。添加量が少ないと、
γ′相の析出量が不足するばかりでなく、γ′相自体が
不安定になり、η相が析出して強度低下を招くため、ｏ
、　５ｗｔ％以上必要である。しかしながら、添加ωが
多いと、熱間加工性が低下１ノ、弁の成形が不可能にな
るため、２．５ｗｔ％以下にするのが好ましい。

（９）Ｂについて＜　ｏ、ｏｏ１≦Ｂ≦０．０２ｗｔ％
）：Ｂは、結晶粒界に偏析してクリープ強度を高めると
とらに少ルの添加で材料の熱間加工性を改善する作用を
有している。その効果を得るには、０、００１ｗｔ％以
上添加する必要があるが、多過ぎると逆に熱間加工性を
低下させるため、０．０２ｗｔ％以下にするのが好まし
い。

（１０）Ｆｅについて（Ｆｃ５５ｗｔ％）：Ｆｅは、本
発明におりる弁合金の高温強度改善の点からは積極的に
添加する元素ではなく、各合金元素を鉄合金の形態で添
加する必要上、および材料配合時（溶解時）のリターン
材中の成分として合金材中に含まれることになるが、多
回に混入すると、高温強度、耐酸化性が低下するため、
５ｗｔ％以下にするのが好ましい。

なお、Ｈｇ、Ｃａ、希土類元素のうち一種以上を０．０
０１〜０．０３ｗｔ％の範囲で前記組成材料に添加すれ
ば、熱間加工性が改善される。

（１１）Ｎｉ　（残部）について： Ｎ１は、安定したオーステティ１〜相を形成して合金の
耐食性および耐熱性向上に寄与する元素であるため、残
部とした。また、Ｎｉは、八Ｉ、　Ｔｉ、　Ｎｂ。

Ｔａとの間で金属間化合物を作り、これがγ′相（Ｎｉ
３　　（＾ｌ、　Ｔｉ、　Ｎｂ（Ｔａ））として析出す
るが、そのけを、最終製品において２５０〜４０．０体
積％にするのが好ましい。その理由は、２５．０体積％
未満では、材料の高温強度が低下し、４０．０体積％を
上回る様なＡＩ、　Ｔｉ、　Ｎｂ、　Ｔａの添加量にお
いては、熱間鍛造性が悪化し、弁の成形が著しく困難に
なるからである。

なお、Ｎｉの一部をＣＯて・回模しても本発明の目的を
達成する侵れた特性が１７られる。

斯かる組成範囲の高強度材料を用いる場合、第１図に示
す製造工程では、押成形加工が困難であるため、例えば
第２図図示の製造工程で押成形加工を行なうのが好まし
い。

すなわち、その径（ｄｏ　）が、８≦ｄ、≦２１＃ｌＩ
Ｉ＋であって、圧延加工後、溶体化処理を行って、更に
引抜き加工を行い、矯正を行って得た弁頭用素材（開発
された高強度材）１と、弁軸用素材２を用意し、弁頭用
素材１のみを高周波誘導加熱により１１００〜１２００
℃に加熱しく第エエ稈）、これを押出し鍛造加工によっ
て予備成形品３になしく第■工程）、次いで型鍛造加工
を施して弁頭および弁軸の一部を含む半製品４をＩ７．
　（第１工程）、該半製品４と弁軸用素材２を摩擦溶接
にて一体に接合処Ｉ１１り、軸端焼入れを行って製品を
得る。

第■工程で形成する予備成形品３の細径部の径（ｄ）と
弁頭用素材１の径（ｄｏ　）との関係は、これを２≦ｄ
ｏ／ｄ≦３とする。その理由は、ｄｏ／ｄ＜２では、素
材径（ｄｏ　）に比して弁軸部（細径部）の径（ｄ）が
大きく、弁頭径を確保できないからであり、ｄｏ／ｄ＞
３では、素材径（ｄｏ　）に比して弁軸部の径（ｄ）が
小さく、押出し比が大き過ぎて予備成形ダイの割れ、パ
ンチ（ラム）の過摩耗を惹起し、加工が非常に困難とな
るからである。

また、第Ｉ工程で形成する半製品４の弁頭径（Ｄ）と弁
軸径（ｄ）との関係は、これを５≦Ｄ／ｄ≦７、好まし
くは５．５≦Ｄ／ｄ≦６．５とする。その理由は、Ｄ／
ｄ　＜５では、弁頭径（Ｄ）に比して弁軸径（ｄ）が大
ぎく、従来のＮｉ基合金でも所望の強度が１９られ、敢
えて高強度材を必要とせず、従来方法と同様に鋸込みＷ
ｔ’ｆｌａ加工によれば良いからであり、Ｄ／ｄ＞７で
は、弁頭径（Ｄ）に比して弁軸径（ｄ）が小さく、弁軸
部の必要な剛性を確保し得ないのみならず、金型ないし
パンチの過摩耗が発生して加工が非常に困舅となるから
である。

さらにまた、第■工程において、鍛造加工温度を１１０
０〜１２００℃にした理由は、１１００℃未満では、第
Ｉ工程に到るまでの成形品の温度降下が約５０℃であっ
て、月利の熱間加工性（高温での延性）が低下し、熱間
変形抵抗が増大して金型の割れ、かじり、パンチの破損
、摩耗、および成形品の割れ等が発生するからであり、
１２００℃を超えると、成形品材料の結晶粒が粗大化す
るとともにその延＋！１が低下して鍛造加工性が極端ｌ
、：悪化するからである。

よ−施一久 弁頭用素材１として開発された酪記高強度祠を用イ、弁
’Ｉｔ　ＩＩ索材２として、ＪＴＳ　Ｇ　４３１１ノＳ
Ｕｌ＋１１．５Ｕ１１３．５ＵＩＩ　１７３　ｃｉ　ヒ
ＪＴｓ　Ｇ　４４０３（７）　５ＫＩＩ９　ヲ用いて、
第２図図示の工程で、ｄ　６　＝　１３．５ｍｍ．ｄ＝
５ｍａｒ．Ｄ＝３０ｍ／、ｄｏ／ｄ＝２．７、Ｄ／ｄ＝
６として製品５を１９だ。

第１Ｖ工程後には、溶体化処理（１０５０℃）、時効処
理（７５０℃×４時間）を施した。その結果、製品５（
第■工程後）における弁頭側部分の硬さは、ＨＲＣ＝３
５、弁＠端側部分の硬さは、１ＩＲｃ＝２４であった。

次いで、焼付き、摩耗対策として、弁軸部に軟窒化処理
（５８０℃×２５分）を施した。その窒化層深さは２〜
３μｍであり、弁軸部、弁頭部共に、硬さは、Ｈｖ　（
０，１）　＝　７００であった。その後、弁軸端面に高
周波焼入れ処理を施し、硬さＨＲＣ＝６０を得た。

斯くして得た排気弁を機関に組込み、従来の朗気弁（ｄ
＝６．５〜７馴）による通常の回転数に比して５００回
転以上上回る回転数で最大正味出力下の運転を行った結
果、排気弁の耐久性が十分であることが確認された。

ｌ豆立ｌ」 以上の説明から明らかな様に１、高温強度が大きな弁素
材を、２≦ｄｏ／ｄ≦３．５≦Ｄ／ｄ≦７（但し、ｄは
弁軸径、Ｄは弁頭径、ｄ、は弁素材径である）なる方案
で鍛造成形して得ることを特徴とする内燃１１１１用高
強度弁の製造方法が提案の小さな弁を材質的欠陥なく容
易に１７ることができ、該弁軸径の細径化された軽岳弁
を用いて機関の高速化に効果的に対処することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知に係る弁製造工程を示す模式図、第２図は
本発明に係る弁製造工程の一例を示す模式図、第３図は
開発された高強度材（表１に示した合金１−１）を用い
た高温高速引張り試験による引張り強さくＵ、Ｔ、Ｓ　
／（ｇ’ｆ　／ｍｍ２）　ｆｃヲ示Ｔ　り”７７、第４
図は同じく断面減少率（Ｒ％）を示すグラフである。 １・・・弁頭用素材、２・・・弁軸用系材、３・・・予
備成形品、４・・・半製品、５・・・製品。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）高温強度が大なる弁素材を、 ２≦ｄ＿０／ｄ≦３、５≦Ｄ／ｄ≦７ （但し、ｄは弁軸径、Ｄは弁頭径、ｄ＿０は弁素材径で
   ある。） なる方案で鍛造成形して得ることを特徴とする内燃機関
   用高強度弁の製造方法。 （２）鍛造成形温度が１１００〜１２００℃であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載された内燃機
   関用高強度弁の製造方法。 （３）高温強度が大なる弁素材がＮｉ基合金で形成され
   、合金元素であるＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａと、Ｎｉとの
   金属間化合物析出量が、最終製品において２５．０〜４
   ０．０体積％であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項または第２項に記載された内燃機関用高強度弁の製
   造方法。 （４）前記弁素材が、 ０．０１≦Ｃ≦０．１５ｗｔ％、Ｓｉ≦２．０ｗｔ％Ｍ
   ｎ≦２．５ｗｔ％、１５≦Ｃｒ≦２５ｗｔ％、０．５≦
   Ｍｏ＋１／２Ｗ≦５．０ｗｔ％、 ０．３≦Ｎｂ＋Ｔａ≦３．０ｗｔ％、 １．５≦Ｔｉ≦３．５ｗｔ％、０．５≦Ａｌ≦２．５ｗ
   ｔ％、０．００１≦Ｂ≦０．０２ｗｔ％、Ｆｅ≦５ｗｔ
   ％、残部＝Ｎｉ（一部Ｃｏで置換可能）＋不可避不純物
   なる組成材で形成されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項、または特許請求の範囲第２項に記載され
   た内燃機関用高強度弁の製造方法。