JPS62142816A - 吸気バルブ - 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】 〈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、したがっ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、したがって吸気バルブ
自体は排気バルブはど高温特性が要求されないため、一
般に、フェライト系耐熱鋼、たとえば５ＵＨ３，５ＵＨ
１１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５ＵＨ３，
５ＵＨＩ　１等のフェ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。

く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、かつ被剛性良
好で安価に製造できることを確認した。すなわち、本発
明はｃ　：　ｏ、ｉｏ〜０．６０％、Ｓｔ：０．１０〜
２．０％、　Ｍ　ｎ　：　０．２０〜２．０％、　Ｃｒ
　：　０．５０〜５．０％。

Ｍ　ｏ　：　０．１０〜２．０％と、Ｓ　：　０．３０
％以下、Ｐｂ：０．１０％以下、Ｃａ：０．０２％以下
のうち１種または２ｆｍ以上を含有し、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　：　ｏ、ｔｏ〜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０．６
０％以下が好ましい。

Ｓ　ｉ　：　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
被剛性が劣化するので２．０％以下とした。

Ｍ　ｎ　：　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って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、
アプセッ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，Ｃ３５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。

Ｓ　：　０．３０％以下、Ｐｂ：０．１０％以下、Ｃａ
：０．０２％以下 これらの元素は被剛性の改善に有効な元素であり、本発
明鋼に対して適量添加する事によりバルブの被剛性を改
善できる。

しかし多量の添加は熱間加工性及び疲労強度を低下させ
るのでＳ、Ｐｂ、Ｃａの上限をそれぞれ０．３’０．０
．１０．０．０２％とした。

次に本発明用材の特徴を実施例により詳細に説明する。

実施例では第１表の供試材Ｓ９に示すように、Ｃ：　０
．４９％、　Ｓ　ｉ　：１．４９％、Ｍｎ：０．７２％
、Ｃｒ：１．５９％、Ｍｏ：０．５３％、　Ｓ　：　０
．１５％、Ｐｂ：０．０１１％の成分組成を有し、 Ｓ、Ｐｂ、Ｃａがバルブの被剛性を改善させ、表面に軟
窒化処理による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、本発明用材とＣ，Ｓ
ｉ、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Ｓｌ、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ＡＩ、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
Ｎ　ｉ：　０．５１％添加した参考用材であり、供試材
Ｓ６は同共通成分にＡ　ｊ２　：　０．２１％、Ｔｉ＋
０．１５％添加した参考用材、供試材Ｓ７は同共通成分
にＷ：０．５５％添加した参考用材、供試材Ｓ８は同共
通成分にＮ　ｂ　：　０．１１％、Ｖ：０．１０％添加
した参考用材、供試材ＳｔＯは同共通成分にＡ　ｆＬ：
　０．２０％添加した参考用材、供試材Ｓｉｔは同共通
成分にＴｉ：　０．１６％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く第２図）第１表の
供試材の中、３２．Ｓ３．ＡＩ、Ａ２について鍛造加工
により直径２０）の棒材とした後焼入れ（１０２５℃×
１時間）し、さらにＫＣＮ、　ＮａＣＮ、　ＫＣＮＯ，
ＮａＣＮ０の混合溶液中で塩浴軟化処理（５７０″ｔｌ
：Ｘ９０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
ッカースかたさく荷重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（Ａｔ、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（ＡＩ、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く第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、ビッカースかたさ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
行なった。

第３図より本発明用材（供試材Ｓ９）は、比較材ＡＩ、
Ａ２に比べていずれもビッカースかたさ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に比べ同等の優れた硬化層深さが得
られ、また、参考用材Ｓ５に比べ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ぎ
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、硬化深さはビッカースかたさ
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−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。Ｓ
６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、５
０μの硬化深さくＨｖ７００のビッ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−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ＡＩ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℃ｘ９０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った。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と同等の深い表面硬化層を有す
るＳ９の各特りは、上記Ｓ２と同等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った。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Ｓ９は、Ｓ５と
同等以上の耐摩耗性を有することが推定される。

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。

第　　２　　表 実験例４ （１）被削特性（第８図） バルブ製造時には種々の切削加工が施されるため、素材
自体も、より優れた被削性が要求される。そこで第１表
の供試材のうちＳ２．Ｓ９およびＡ１を用いて被剛性を
調べた。供試材はともに焼準状態とし切削条件は工具：
Ｐｌｏ、送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切込み：　２０　
ｍｍ、切削速度：１００ｍ／ｍｉｎとした。その結果を
第８図に示した。

同図にみられるように本発明用材Ｓ９は比較材Ｓ２およ
び従来バルブの素材Ａ１にくらべて同一切削時間におけ
るフランク摩耗量が明らかに少なく良好な被剛性を示し
ている。本発明用材Ｓ９は、上記のように被剛性改善元
素であるＳおよびｐｂを添加した効果により特に被剛性
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、本発明用材は深い表面
硬化層を形成して高耐摩耗性を有するとともに、良好な
被剛性を発揮している。

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
て優れているうえに被剛性も優れているため、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。

【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図は比較材、参考用材におけ
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、第８図は本発明用材と比較材の被剛性を示す図であ
る。 特　　許　　出　　願　　人 大同特殊鋼株式会社 第　１　図 第　２　厘 生　面　乃＼　５ｃ−）　　足巨　富亡　（□□）↑（ 第５図 を式耳史温区（°Ｃ） 処エヱ＄、ｆＬ（°Ｃ） 気捏５翫区（°Ｃ） 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）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％と、Ｓ：０．３０
   ％以下、Ｐｂ：０．１０％以下、Ｃａ：０．０２％以下
   のうち１種または２種以上を含有し、残部が実質的にＦ
   ｅ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。