(57)【要約】【課題】高温強度に優れた冷間加工用鋼の冷間加工性の向上およびコストの削減を図る。【解決手段】必須合金元素が、重量％でＣ：０．２０〜１．１０、Ｓｉ：１．００以下、Ｍｎ：１．５０以下、Ｎｉ：１．００以下、Ｃｒ：０．５０〜２．００、Ｍｏ：０．１０〜１．００であり、任意合金元素が、重量％でＶ：０．００〜０．５０であり、各合金元素の添加量は、冷間加工性パラメータＸ１および強度パラメータＸ２を満足し、残部が実質上Ｆｅである組成の冷間加工用鋼。  Ｘ１≦１．３０  Ｘ２≧２．００  冷間加工性パラメータＸ１および５００°Ｃで所要硬度を得るための強度パラメータＸ２は次式で定義される。    Ｘ１＝Ｃ＋（３／８）Ｓｉ＋（１／５）Ｍｎ＋（１／６）Ｎｉ＋（１／２２）Ｃｒ＋          （１／３）Ｍｏ＋（７／９）Ｖ    Ｘ２＝（１／３）Ｃ＋（４／５）Ｓｉ＋（２／５）Ｍｎ＋（３／２０）Ｎｉ＋          （８／７）Ｃｒ＋（８／５）Ｍｏ＋（３／２）Ｖ【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
必須合金元素が、重量％でＣ：０．２０〜１．１０、Ｓｉ：１．００以下、Ｍｎ：１．５０以下、Ｎｉ：１．００以下、Ｃｒ：０．５０〜２．００、Ｍｏ：０．１０〜１．００であり、任意合金元素が、重量％でＶ：０．００〜０．５０であり、
前記各合金元素の添加量は、以下の冷間加工性パラメータＸ１および強度パラメータＸ２を満足し、残部が実質上Ｆｅである組成の冷間加工用鋼。
Ｘ１≦１．３０
Ｘ２≧２．００
ここで、冷間加工性パラメータＸ１および５００°Ｃで所要硬度以上の硬度を得るための強度パラメータＸ２は、前記各合金元素を重量％での数値として、それぞれ次式で定義される。
Ｘ１＝Ｃ＋（３／８）Ｓｉ＋（１／５）Ｍｎ＋（１／６）Ｎｉ＋（１／２２）Ｃｒ＋          （１／３）Ｍｏ＋（７／９）Ｖ
Ｘ２＝（１／３）Ｃ＋（４／５）Ｓｉ＋（２／５）Ｍｎ＋（３／２０）Ｎｉ＋
（８／７）Ｃｒ＋（８／５）Ｍｏ＋（３／２）Ｖ
【請求項２】
３０％以上の冷間加工による加工率で、硬度が前記所要硬度を越えた状態で飽和する請求項１記載の冷間加工用鋼。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の冷間加工用鋼からなる素材に冷間鍛造を施すことにより内燃機関の機関弁を製造する機関弁の製造方法。
【請求項４】
前記冷間鍛造後に窒化処理を施すことを特徴とする請求項３記載の機関弁の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷間鍛造などの冷間加工に使用される冷間加工用鋼に関し、該鋼は、使用温度が高い部品、例えば内燃機関の機関弁や高温用ボルトの材料として使用される。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の吸気弁または排気弁である機関弁など、使用温度が高い部品の材料としてマルテンサイト系ステンレス鋼が使用される場合、高温での焼入れおよび焼戻しを行うことにより、使用温度での所要硬度が確保される。
【０００３】
また、機関弁に使用される耐熱鋼として、例えば特許文献１に開示されたＦｅ基耐熱合金がある。このＦｅ基耐熱合金は、Ｎｉを可能な限り低減することにより冷間加工性を良好にし、Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ等の合金元素の量をバランス良く添加して、長時間加熱を行った際の析出物の量を厳密に制御することにより、高温強度を良好にするものであり、重量％でＣ：０．１以下、Ｓｉ：１．０以下、Ｍｎ：１．０以下、Ｎｉ：１８〜２５、Ｃｒ：１０〜１６、Ａｌ：０．７〜１．８、Ｔｉ：０．６〜２．０およびＮｂ：０．１〜１．５と、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａの１種または２種以上をＴｉ、Ｎｂとの合計で１．２〜６．５を含み、視野面積率で０．１〜６．０％のη相組織を有する。
【特許文献１】特開２０００−２０４４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、使用温度が高い部品の材料としてのマルテンサイト系ステンレス鋼は、硬度が高いために加工性が悪いことから、寸法精度が高い成形品が得られる冷間鍛造などの冷間加工が困難である。また、高温での硬度を確保するための熱処理が必要になり、しかも高価なＣｒの含有量が多いことから、コストが高くなる。また、特許文献１のＦｅ基耐熱合金は、Ｎｉの含有量が多いために冷間鍛造などの冷間加工時の変形抵抗が大きくなることから、冷間加工性の点で改善の余地があり、さらに高価なＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏの含有量が多いため、コスト削減の点でも改善の余地がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１，２記載の発明は、高温強度に優れた冷間加工用鋼の冷間加工性の向上およびコストの削減を図ることを目的とする。そして、請求項３，４記載の発明は、高温強度に優れた機関弁を低コストで提供することを目的とし、請求項４記載の発明は、さらに、機関弁の高温強度の一層の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、必須合金元素が、重量％でＣ：０．２０〜１．１０、Ｓｉ：１．００以下、Ｍｎ：１．５０以下、Ｎｉ：１．００以下、Ｃｒ：０．５０〜２．００、Ｍｏ：０．１０〜１．００であり、任意合金元素が、重量％でＶ：０．００〜０．５０であり、前記各合金元素の添加量は、以下の冷間加工性パラメータＸ１および強度パラメータＸ２を満足し、残部が実質上Ｆｅである組成の冷間加工用鋼である。
Ｘ１≦１．３０
Ｘ２≧２．００
ここで、冷間加工性パラメータＸ１および５００°Ｃで所要硬度以上の硬度を得るための強度パラメータＸ２は、前記各合金元素を重量％での数値として、それぞれ次式で定義される。
Ｘ１＝Ｃ＋（３／８）Ｓｉ＋（１／５）Ｍｎ＋（１／６）Ｎｉ＋（１／２２）Ｃｒ＋          （１／３）Ｍｏ＋（７／９）Ｖ
Ｘ２＝（１／３）Ｃ＋（４／５）Ｓｉ＋（２／５）Ｍｎ＋（３／２０）Ｎｉ＋
（８／７）Ｃｒ＋（８／５）Ｍｏ＋（３／２）Ｖ
【０００７】
これによれば、本発明の冷間加工用鋼は、冷間加工性を劣化させるＮｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの含有量が少ないことから冷間加工性に優れるので、熱間加工を要することなく冷間加工のみで塑性加工による最終加工品を得ることができる。しかも、Ｃ、ＭｏおよびＶが適量だけ添加されることにより５００°Ｃでの硬度が所要硬度以上となって、高温強度に優れるので、硬度を確保するための焼入れ焼戻しなどの熱処理工程を省略することができる。さらに、高価なＮｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの含有量が少ない。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の冷間加工用鋼において、３０％以上の冷間加工による加工率で、硬度が前記所要硬度を越えた状態で飽和するものである。
【０００９】
これによれば、３０％以上の加工率での冷間加工後にも所要硬度が確実に安定して確保されて、部位に応じて加工率が異なる部品においても、該部品の部位によらず安定した高温強度が確保される。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の冷間加工用鋼からなる素材に冷間鍛造を施すことにより内燃機関の機関弁を製造する機関弁の製造方法である。
【００１１】
これによれば、高温強度に優れ、しかも低コストの本発明の冷間加工用鋼により機関弁が形成される。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の機関弁の製造方法において、前記冷間鍛造後に窒化処理を施すものである。
【００１３】
これによれば、窒化処理により、機関弁の高温強度が一層向上する。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の発明によれば、次の効果が奏される。すなわち、５００°Ｃでの使用温度における高温強度に優れた冷間加工用鋼は、加工性を劣化させる合金元素の含有量が少ないことから冷間加工性が向上する。そして、熱間加工および熱処理工程が不要になり、しかも高価な合金元素の含有量が少ないので、コストが削減される。
【００１５】
請求項２記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、高温強度に優れ、しかも低コストの本発明の冷間加工用鋼を、部位により加工率が異なる部品や加工率が異なる多様な部品に使用することが可能になる。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、次の効果が奏される。すなわち、高温強度に優れた機関弁が低コストで得られる。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、次の効果が奏される。すなわち、高温強度が一層向上した機関弁が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図１〜図３を参照して説明する。
本発明が適用された冷間加工用鋼（以下、「発明鋼」という。）は、使用温度が高い部品、例えば内燃機関の吸気弁または排気弁である機関弁、または高温用ボルトの材料として使用されるものであり、この実施形態では冷間鍛造が施される冷間鍛造用鋼である。
【００１９】
発明鋼は、使用温度が５００°Ｃに達する部品（以下、「適用部品」という。）の材料として好適なものであり、５００°Ｃでの引張り強度および耐摩耗性などの要求特性を満足するために、適用部品は、冷間鍛造を含む冷間加工終了後に、５００°Ｃでの硬度（以下、「５００°Ｃ硬度」という。）が所要硬度（以下、「所要硬度」という。）以上となる高温強度が確保される必要がある。
所要硬度は、適用部品の熱負荷により異なり、使用温度が５００°Ｃ付近になる頻度が高い高熱負荷環境で適用部品が使用される場合には２００ＨＶであり、使用温度が５００°Ｃ付近になる頻度が前記高熱負荷環境よりも低い低熱負荷環境で適用部品が使用される場合には１６０ＨＶである。適用部品が内燃機関の吸気弁である場合、所要硬度は、燃焼温度が比較的高く、吸気弁が前記高熱負荷環境で使用される高負荷内燃機関では２００であり、燃焼温度が比較的低く、吸気弁が前記低熱負荷環境で使用される低負荷内燃機関では１６０である。
【００２０】
一方で、発明鋼には、冷間鍛造を含む冷間加工（以下、特に断らない限り、冷間鍛造を含む冷間加工を、冷間鍛造で代表させて記載する。）により加工率３０％以上の加工が施されるために、５０％以上で、かつ最大の加工率である８５％以下での加工で割れが発生しないこと、および変形抵抗を低下させて冷間鍛造性を含む冷間加工性（以下、特に断らない限り、冷間鍛造性を含む冷間加工性を、冷間鍛造性で代表させて記載する。）を向上させると共に冷間鍛造などの冷間加工時の金型への負荷を低減するために、硬度が低いことが必要になる。
【００２１】
そこで、冷間鍛造性の向上および冷間鍛造後の硬度の確保という、相反する特性を両立させるために、発明者は、Ｆｅに添加される各合金元素の添加量が冷間鍛造性および冷間鍛造後の硬度に与える影響について研究を重ね、各合金元素のＦｅへの添加量を限定すると共に、各合金元素の添加量の間に特定の関係（以下、「パラメータ」という。）を持たせることにより、冷間鍛造性および高温強度の要求特性を満たすことができることを見出した。
【００２２】
以下、Ｆｅに添加される各合金元素Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖの添加量の限定根拠について説明する。なお、各合金元素についての数値は重量％である。また、発明鋼において、前記各合金元素以外の残部は実質上Ｆｅである。
【００２３】
Ｃ：０．２０〜１．１０
Ｃは、強度の向上と、５００°Ｃ硬度に必要な炭化物の生成とに必要な元素であり、０．２０未満では強度および炭化物の生成が不足する。また、１．１０を越えると冷間鍛造前の硬度が高くなって、冷間鍛造性が低下する。
【００２４】
Ｓｉ：１．００以下
Ｓｉは、フェライト強化元素であり、冷間鍛造前の熱処理である焼鈍による強度を高める。Ｓｉの添加により冷間鍛造後の強度は向上するが、１．００を越えると冷間鍛造性が著しく低下する。
【００２５】
Ｍｎ：１．５０以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様にフェライト強化元素であり、冷間鍛造前の焼鈍による強度を高める。Ｍｎの添加により冷間鍛造後の強度は向上するが、１．５０を越えると冷間鍛造性が著しく低下する。
【００２６】
Ｎｉ：１．００以下
Ｎｉは、Ｓｉと同様にフェライト強化元素であり、冷間鍛造前の焼鈍による強度を高める。Ｎｉの添加により、冷間鍛造後の強度は向上するが、１．００を越えると冷間鍛造性が著しく低下し、しかも高価なＮｉの増加によりコスト高となる。
【００２７】
Ｃｒ：０．５０〜２．００
Ｃｒは、炭化物の生成に必要な元素であり、冷間鍛造前の焼鈍により炭化物を微細に分散させる効果がある。これにより、冷間鍛造性を向上させ、割れが発生しない最大の加工率である限界加工率を高めることができる。０．５０％未満では、この効果が不十分であり、２．００を越えると冷間鍛造性が低下し、しかも高価なＣｒの増加によりコスト高となる。
【００２８】
Ｍｏ：０．１０〜１．００
Ｍｏは、強度の向上と、５００°Ｃ硬度に必要な炭化物の生成とに必要な元素であり、０．１０未満では、強度および炭化物の生成が不足する。また、１．００を越えると冷間鍛造性が低下し、しかも高価なＭｏの増加によりコスト高となる。
【００２９】
Ｖ：０．００〜０．５０
Ｖは、Ｍｏと同様に、強度の向上と、５００°Ｃ硬度に必要な炭化物の生成とに必要な元素であり、０．５０を越えると冷間鍛造性が低下し、しかも高価なＶの増加によりコスト高となる。０．０５未満では、強度および炭化物の生成が減少する。強度および炭化物の生成についてより優れた効果を得るためには、下限値は０．０５以上であることが好ましい。
【００３０】
また、パラメータは、冷間鍛造を含む冷間加工による良好な加工性に関する冷間加工性パラメータＸ１と、５００°Ｃ以下の使用温度での所要硬度を得るための強度パラメータＸ２とであり、両パラメータＸ１，Ｘ２は次式で定義される。
Ｘ１＝Ｃ＋（３／８）Ｓｉ＋（１／５）Ｍｎ＋（１／６）Ｎｉ＋（１／２２）Ｃｒ＋          （１／３）Ｍｏ＋（７／９）Ｖ
Ｘ２＝（１／３）Ｃ＋（４／５）Ｓｉ＋（２／５）Ｍｎ＋（３／２０）Ｎｉ＋
（８／７）Ｃｒ＋（８／５）Ｍｏ＋（３／２）Ｖ
ここで、各合金元素は、重量％での添加量の数値である。
【００３１】
次に、各パラメータＸ１，Ｘ２の数値の限定根拠について説明する。
冷間加工性パラメータＸ１：１．３０以下
冷間加工性パラメータＸ１は、冷間鍛造性の指標であり、１．３０を越えると、冷間鍛造を含む冷間加工時の変形抵抗が大きくなって、冷間鍛造性が低下する。
【００３２】
強度パラメータＸ２：２．００以上
強度パラメータＸ２は、高温強度としての５００°Ｃでの硬度の指標であり、２.００未満では、低熱負荷環境で使用される適用部品に必要とされる所要硬度（１６０ＨＶ）以上の硬度が得られない。また、３．００未満では、高熱負荷環境で使用される適用部品に必要とされる所要硬度（２００ＨＶ）以上の硬度が得られない。
【００３３】
また、このような組成からなる発明鋼は、３０％以上の冷間鍛造による加工率で、５００°Ｃ硬度が所要硬度を越えた状態で飽和する。このため、適用部品が製造される際の３０％〜８５％に渡る加工率での冷間鍛造後も、所要硬度が確実に確保される。
【００３４】
そして、発明鋼を使用して製造される適用部品については、発明鋼からなる素材に冷間鍛造が施されて得られた塑性加工による最終加工品は、加工硬化により高められた強度を有することから、研削加工や切削加工などの仕上げ加工が施された後、そのまま製品として使用され得る。また、一層向上した高温強度が要求される場合においては、冷間鍛造後に、仕上げ加工が施された前記最終加工品に窒化処理が施される。
【００３５】
このことを、図１を参照して、発明鋼により形成される内燃機関の吸気弁の製造について説明する。
ポペット弁からなる吸気弁を製造するにあたり、発明鋼からなる線材から切断加工により素材１（図１（Ａ）参照）が切り出される。素材１には冷間加工である押出し加工が施されて第１中間加工品２（図１（Ｂ）参照）が成形され、次いで第１中間加工品２に冷間加工である冷間鍛造としての据込み加工が施されて第２中間加工品３（図１（Ｃ）参照）が成形され、第２中間加工品３にさらに据込み加工が施されて、塑性加工による最終加工品４（図１（Ｄ）参照）が成形される。その後、最終加工品４に研削加工などの仕上げ加工が施された後、窒化処理が施されて、適用部品としての吸気弁が製造される。そして、前述の押出加工および２回の据込み加工を含む全冷間加工（ここでは全塑性加工）の工程において、素材１には３０％〜８５％の範囲での加工率の冷間加工が施され、５００°Ｃ硬度が所要硬度以上の吸気弁が得られる。
【実施例】
【００３６】
表１に示す組成を有する鋼を溶製して得られた鋼塊をφ２５ｍｍに圧延し、次いで焼鈍処理を施して得られた鋼材から圧縮試験片（φ１４×２１）を採取し、圧縮試験を行った。冷間鍛造性の評価として５０％圧縮時の変形抵抗を測定した。また、高温強度の評価として、５０％圧縮した試験片を５００°Ｃで２００時間保持した後、５００°Ｃ硬度を測定した。その結果を表２に示す。
【００３７】
【表１】
2006249466.tif 000002
【００３８】
【表２】
2006249466.tif 000003
【００３９】
試験片Ｎｏ１〜３（発明鋼）では、強度パラメータＸ２≧２であり、所要硬度（１６０ＨＶ）以上の５００°Ｃ硬度が得られる。また、試験片Ｎｏ４，５（発明鋼）では、強度パラメータＸ２≧３であり、所要硬度（２００ＨＶ）以上の５００°Ｃ硬度が得られる。
【００４０】
試験片Ｎｏ６〜８（比較鋼）では、強度パラメータＸ２＜２であり、必要な５００°硬度が得られない。また、試験片Ｎｏ９，１０（比較鋼）では、冷間加工性パラメータＸ１≧１．３であり、５０％圧縮時の変形抵抗が高くなり、冷間加工性が劣ることがわかる。
【００４１】
冷間鍛造による加工率の影響を調査した結果を図２に示す。試験片Ｎｏ２，５（発明鋼）および試験片Ｎｏ６（比較鋼）を８５％まで圧縮し、５００°Ｃで２００時間保持した後、５００°Ｃ硬度を測定した。その結果、加工率としての圧縮率が３０％以上で、８５％以下の範囲において、５００°Ｃ硬度が、所要硬度（１６０ＨＶまたは２００ＨＶ）を越えた状態で飽和し、所要硬度が維持されることがわかる。
【００４２】
冷間鍛造後に窒化処理（窒化温度５８０°Ｃ）が施されたときの５００°Ｃ硬度の変化を図３に示す。強度パラメータＸ２が２．００以上で３．００以下の試験片Ｎｏ２（発明鋼）、強度パラメータＸ２が３．００以上の試験片Ｎｏ５（発明鋼）および試験片Ｎｏ６（比較鋼）に、窒化処理を施した後の５００°Ｃ硬度を測定した。その結果、強度パラメータＸ２が３．００以上である発明鋼は、窒化処理が施されない場合に比べて、５００°Ｃ硬度が増加することわかり、さらに疲労強度も向上する。
【００４３】
以上のように発明鋼は、冷間加工性を劣化させるＮｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの含有量が少ないことから冷間加工性に優れるので、熱間加工を要することなく冷間加工のみで塑性加工による最終加工品を得ることができる。しかも、Ｃ、ＭｏおよびＶが適量だけ添加されることにより５００°Ｃ硬度が所要硬度以上となって、高温強度に優れるので、硬度を確保するための焼入れ焼戻しなどの熱処理工程を省略することができる。この結果、発明鋼は、５００°Ｃでの使用温度における高温強度に優れること、および加工性を劣化させる合金元素の含有量が少ないことから冷間加工性が向上することから、熱間加工および熱処理工程が不要になるので、コストが削減される。さらに、高価なＮｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの含有量が少ないので、コストが削減される。
【００４４】
発明鋼は、３０％以上で８５％以下の冷間加工による加工率で、５００°硬度が前記所要硬度を越えた状態で飽和することにより、３０％以上で８５％以下の加工率での冷間加工後にも所要硬度が確実に安定して確保されて、例えば機関弁などのように部位に応じて加工率が異なる適用部品においても、該適用部品の部位によらず安定した高温強度が確保される。この結果、高温強度に優れ、しかも低コストの発明鋼を、部位により加工率が異なる適用部品や加工率が異なる多様な適用部品に使用することが可能になる。
【００４５】
発明鋼からなる素材に冷間鍛造を施すことにより内燃機関の吸気弁を製造することにより、５００°Ｃでの高温強度に優れた吸気弁が低コストで得られ、しかも部位により加工率が異なる吸気弁において部位によらず安定した高温強度が確保される。さらに、仕上げ加工が施された前記最終加工品に窒化処理を施すことにより、高温強度が一層向上し、かつ疲労強度も向上した吸気弁が得られる。
【００４６】
なお、前記実施形態では、冷間鍛造により成形される適用部品の材料として発明鋼が使用されたが、冷間鍛造以外の冷間加工のみにより成形される適用部品の材料として使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明が適用された冷間鍛造用鋼により形成される内燃機関の吸気弁の製造工程での成形品を示し、（Ａ）は、冷間鍛造用鋼からなる線材から切断加工により切り出された素材を示し、（Ｂ）は、素材に押出し加工が施された第１中間加工品を示し、（Ｃ）は、第１中間加工品に据込み加工が施された第２中間加工品を示し、（Ｄ）は、第２中間加工品に据込み加工が施された最終加工品を示す。
【図２】本発明が適用された冷間鍛造用鋼および比較鋼に対して、冷間鍛造を施したときの５００°Ｃ硬度と圧縮率との関係を示すグラフである。
【図３】本発明が適用された冷間鍛造用鋼および比較鋼に対して、窒化処理が施されたときの５００°Ｃ硬度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１…素材、２，３…中間加工品、４…最終加工品。
【図１】
2006249466.tif 000004
【図２】
2006249466.tif 000005
【図３】
2006249466.tif 000006