(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.０１〜0.１重量％，Ｓｉ：２重量％以下，Ｍｎ：２重量％以下，Ｃｒ：１２〜２５重量％，Ｎｂ＋Ｔａ：0.２〜2.０重量％，Ｔｉ：3.５重量％以下，Ａｌ：0.５〜3.０重量％，Ｎｉ：２５〜４５重量％，Ｃｕ：0.１〜5.０重量％，Ｂ：0.００１〜0.０１重量％，残部がＦｅおよび不可避的不純物から成る耐熱鋼素材に溶体化処理を施したのち、冷間加工または温間加工を行って傘部を成形し、ついで前記傘部にマルテンサイト系耐熱鋼から成る軸部を接合したのち時効処理を行い、ついで窒化処理を行うことを特徴とする排気バルブの製造方法。
【請求項２】
前記耐熱鋼素材には、更に、Ｗ：３重量％以下，Ｍｏ：３重量％以下，Ｃｏ：５重量％以下，Ｃａ＋Ｍｇ：0.００１〜0.０１重量％の１種または２種が含有されている請求項１の排気バルブの製造方法。
【請求項３】
前記窒化処理後に、前記軸部の端部に焼入れ処理を行う請求項１または２のいずれかの排気バルブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気バルブの製造方法に関し、更に詳しくは、性能は従来のものと変わることのない排気バルブを安価に製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジン用の排気バルブは、従来から概ね次のようにして製造されている。
まず、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系耐熱鋼を冷間で引き抜き加工して所定寸法の棒材を成形する。ついで、その棒材に対し例えば電気アップセットで予備成形したのち熱間据え込みを行って傘部を成形する。そして、この傘部に、通常はＪＩＳ  ＳＵＨ−１１やＪＩＳ  ＳＵＨ−３として規格化されているマルテンサイト系耐熱鋼から成る軸部を例えば摩擦溶接して接合一体化する。
【０００３】
その後、前記した加工処理によって蓄積されている加工歪みを除去するために溶体化処理を行い、ついで時効処理を行って（Ｎｉ，Ｃｒ)3（Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ）のようなγ’相を析出せしめることにより高温強度を確保する。
そして、必要により軸端の焼入れを行って硬化させ、最後に、機械的な仕上げ加工を行って出荷される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の製造方法には次のような問題がある。すなわち、傘部の成形時には、電気アップセットで予備成形しその後に熱間据え込みを行うという２工程を必要とすることである。また、成形された傘部の寸法精度はあまり高くなく、発生した表面傷の完全な除去ということも加味されて、仕上げ加工時における加工代は大きくなりやすく、したがって仕上げ加工に要する時間も長くなりやすいということである。更に、時効処理前に溶体化処理が必要となる。
【０００５】
これらの問題は、いずれも製造コストの上昇要因であり、その解決が要求されている。
上記した問題のうちの前者の問題は、傘部の成形を熱間で行うのではなく、例えば冷間加工または温間加工の１工程で行うことにより基本的には解消することができる。その場合には、傘部用の耐熱鋼素材は冷間加工性に優れていることが必要になる。
【０００６】
しかしながら、現在まで提案されている耐熱鋼はいずれも熱間加工することを前提としたものであるため、それら素材に対して冷鍛や温鍛を行って傘部を成形することは困難である。
本発明は上記したような問題を解決し、既に本発明者らが特願平８−３０１２２３号や特願平８−３０１２２４号として出願した冷間加工性に優れる耐熱鋼を排気バルブの傘部用素材とすることにより傘部の冷間加工が可能となり、従来の排気バルブの性能と同等な排気バルブを安価に製造する方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、Ｃ：0.０１〜0.１重量％，Ｓｉ：２重量％以下，Ｍｎ：２重量％以下，Ｃｒ：１２〜２５重量％，Ｎｂ＋Ｔａ：0.２〜2.０重量％，Ｔｉ：3.５重量％以下，Ａｌ：0.５〜3.０重量％，Ｎｉ：２５〜４５重量％，Ｃｕ：0.１〜5.０重量％，Ｂ：0.００１〜0.０１重量％，残部がＦｅおよび不可避的不純物から成る耐熱鋼素材に溶体化処理を施したのち、冷間加工または温間加工を行って傘部を成形し、ついで前記傘部にマルテンサイト系耐熱鋼から成る軸部を接合したのち時効処理を行い、ついで窒化処理を行うことを特徴とする排気バルブの製造方法が提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明では、まず、上記した組成の耐熱鋼素材を用いて傘部が成形される。
その場合、目的製品である排気バルブは、それがロッカーアーム式，直動式のものであるを問わず、高温・腐食性の環境下で稼働するので、前記した冷間加工性または温間加工性に優れていると同時に、高温強度と耐食性にも優れていることが必要になる。
【０００９】
この素材において、Ｃは、他の成分であるＮｂ，Ｔａ，Ｔｉとの間で炭化物を生成して素材の高温強度の向上に資する成分であって、その含有量は0.０１〜0.１重量％に設定される。
0.０１重量％より少ない場合は上記した炭化物の生成量は少なくなって高温強度は低下傾向を示し、また0.１重量％より多い場合は、炭化物が多量に析出して冷間加工性の低下や表面傷の発生が多くなるからである。好ましくは0.０１〜0.０５重量％である。
【００１０】
Ｓｉは脱酸剤として機能し、また素材の耐酸化性の確保に寄与する。しかし、あまり多量に含有されていると、素材の冷間加工性は低下するので、その上限値は２重量％とする。
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として機能する。しかし、あまり多量に含有されていると、素材の高温下における耐酸化性が悪くなるだけではなく、靭性を阻害するη相（Ｎｉ3Ｔｉ）の析出を助長するので、その含有量は２重量％以下に設定する。
【００１１】
Ｃｒは高温下における耐酸化性と耐食性の向上に資する成分であり、その含有量は１２〜２５重量％に設定される。
１２重量％より少なくなると、上記した効果は発揮されず、また２５重量％より多くなると、母地のオーステナイト相が不安定となり、脆化相であるσ層が析出して素材の脆性低下を招くからである。好ましくは、１２〜２０重量％である。
【００１２】
Ｎｂ，Ｔａは、いずれもＮｉと一緒になって前記したγ’相を形成して素材の高温強度の向上に資する成分である。
その合量が0.２重量％より少なくなると上記した効果は現れず、また合量が2.０重量％より多くなると、δ相（Ｎｉ3（Ｎｂ，Ｔｉ））の析出が起こりはじめて素材の靭性低下を招く。好ましくは、0.５〜1.５重量％である。
【００１３】
Ｔｉは、前記したようにγ’相の析出に寄与する成分であるが、とくに後述する時効処理時にγ’相の析出を促進する成分である。しかし、あまり多量に含有させると、脆化相である前記したη相を析出させることにより素材の靭性低下を引き起こすので、その含有量は3.５重量％以下に設定する。好ましくは、0.５〜2.５重量％である。
【００１４】
Ａｌはγ’相の析出にとって必要な成分であり、素材の高温強度の向上に資する。その含有量が0.５重量％より少ないと、γ’相の析出量が不充分となって上記した効果の発現は少なくなり、また3.０重量％より多くなると、素材の熱間加工性の低下が引き起こされるようになるので、その含有量は0.５〜3.０重量％に設定される。好ましくは、0.７〜2.０重量％である。
【００１５】
Ｎｉはオーステナイト形成用の成分であり、素材の耐熱性と耐食性を向上せしめ、また高温下において組織を安定化せしめ、更には、強化相であるγ’相の析出のために必須な成分であって、その含有量は２５〜４５重量％に設定される。２５重量％より少ない場合は上記した効果が充分に発揮されず、また４５重量％より多くなると、Ｎｉが高価な金属であることからして素材のコスト上昇を招き、本発明の目的と合致しなくなる。しかも、Ｎｉ含有量が多くなると、後述する溶体化処理後の素材の硬さを高め、そのため、冷間加工性が低下して、後述する冷間加工または温間加工が行いづらくなる。好ましくは２７〜３５重量％である。
【００１６】
Ｃｕは、加工硬化を抑制し、もって素材の冷間加工性の向上に資する成分であって、その含有量は0.１〜5.０重量％に設定される。
0.１重量％より少ない場合は上記した効果が有効に発揮されず、また5.０重量％より多くしても、上記した効果が発揮されないだけではなく素材の熱間加工性の低下も引き起こされるようになる。好ましくは0.５〜3.０重量％である。
【００１７】
Ｂは結晶粒界に偏析して粒界強度の向上に資する成分で、その含有量は0.００１〜0.０１重量％に設定される。
0.００１重量％より少ない場合は上記効果が充分に発揮されず、また0.０１重量％より多くなると素材の熱間加工性が低下するようになる。
本発明で用いる耐熱鋼素材には、更にＰ，Ｓ，Ｏ，Ｎなどの不可避的不純物が含有されているが、これら不可避的不純物は、いずれも、他の成分との間で非金属介在物を生成して素材の機械的強度の低下を引き起こす要因になるので、その含有量は0.０１重量％に制限されることが好ましい。
【００１８】
この素材は、上記した組成を必須とするが、更に必要に応じては、Ｗ：３重量％以下，Ｍｏ：３重量％以下，Ｃｏ：５重量％以下，Ｃａ＋Ｍｇ：0.００１〜0.０１重量％の１種または２種を含有していてもよい。
その場合、Ｗ，Ｍｏ，Ｖはいずれも溶体化処理後における素材の高温強度の向上に資する成分である。これらの成分の含有量をあまり多くしても、上記した効果は飽和状態に達するだけではなく、素材のコスト上昇，冷間加工性の低下を招くようになるので、それらの含有量は上記した値を上限値とする。
【００１９】
Ｃｏは、Ｎｉと略同じ作用を示す成分であって、Ｎｉの一部を置換する状態で含有させることができる。しかしながら、ＣｏはＮｉに比べても高価な金属であるため、多量に含有させると素材のコスト上昇を招くので、その含有量は上記した値を上限にする。
Ｃａ，Ｍｇは、いずれも、素材を溶製するときに、脱酸剤および脱硫剤として機能する成分であり、脱酸，脱硫効果を発揮させるためには0.００１重量％以上を必要とするが、あまり多く含有させると素材の熱間加工性の低下が引き起こされるので0.０１重量％以下に制限することが好ましい。
【００２０】
本発明は次のようにして実施される。
最初に、上記した組成の耐熱鋼を素材として、以下の手順で傘部が成形される。
【００２１】
すなわち、まず、素材に均熱処理を施したのち、熱間で鍛伸および圧延を行って所定形状の棒材にする。
ついで、この棒材に溶体化処理を行う。具体的には、棒材を１０００〜１１００℃の温度域で１０〜６０分間程度保持したのち、水または油を用いて急冷する。
【００２２】
この溶体化処理により、Ｃｒ炭化物や、前記したγ’相，脆化相であるη相は固溶し、再結晶による軟化がすすみ、また前記した鍛伸および圧延で蓄積された内部応力が除去され、棒材は全体として軟化する。
傘部を成形するに際しては、上記した溶体化処理後の棒材が出発の素材となる。
【００２３】
すなわち、上記棒材に対し、直接、冷間加工または間鍛加工が施されることにより、目的とする形状の傘部が成形される。
棒材は既に溶体化処理されて軟質になっているので、この冷間による据え込み加工は円滑に行うことができる。そして、成形された傘部の寸法精度は高くなるため、最後の仕上げ加工時における加工代が少なくなる。また、冷間加工または温間加工であるため、傘部の形成に要する費用は熱間加工の場合に比べて節約される。
【００２４】
ついで、上記傘部に、例えばＪＩＳ  ＳＵＨ−１１やＪＩＳ  ＳＵＨ−３のような低温焼きなましをしたマルテンサイト系耐熱鋼から成る軸部が例えば摩擦接合されて目的形状の排気バルブが成形される。
そして、本発明においては、成形された排気バルブに対し、従来のように溶体化処理を施すことなく、直ちに、例えば６５０〜８００℃の温度域で0.５時間程度の高温時効処理が行われる。
【００２５】
この時効処理により、前記した冷間加工時の残留歪みで加工硬化していることに加えて、更に傘部ではγ’相の析出が進んでＨＶ３５０〜５００程度にまで硬化する。また、硬化した接合部では、マルテンサイトの焼戻しが起こってＨＶは２５０〜３５０程度にまで低下し、かつ靭性は向上する。
そして最後に、仕上げ加工を行って、目的とする排気バルブが製造される。
【００２６】
なお、本発明においては、上記した仕上げ加工に続けて、軸部に窒化処理を行って当該軸部に窒化層を形成すると、耐摩耗性が向上するので好適である。
窒化処理の方法としては格別限定されるものではないが、靭性に富みかつ耐摩耗性が優れた極めて薄い窒化層を形成できるという点で、タフトライド法に代表される液体窒化法を適用することが好ましい。
【００２７】
また、排気バルブがロッカーアーム式のものである場合には、更に軸端部に対して焼入れ硬化を行うと、当該軸端部の摩耗防止にとって有効である。焼入れの方法としては、例えば、高周波焼入れ，フレーム焼入れなどを適用することができる。
【００２８】
【実施例】
実施例１〜３，従来例
真空誘導炉で表１に示した組成の鋼を５０kg溶製したのちインゴットを製造した。
【００２９】
【表１】
0004203609.tif 000002
【００３０】
これら７種類のインゴットに１１００℃で１６時間の均熱処理を行ったのち、直径７０mmに鍛伸し、更に直径１６mmの丸棒に圧延した。ついで、これらの丸棒を、温度１０５０℃で３０分間保持したのち油冷して溶体化処理を行い、傘部の素材とした。
これらの素材を用いて、以下の態様で排気バルブを製造した。
【００３１】
1)各素材室温下で冷間加工して傘径が２4.３mmの傘部を成形し、それに、ＪＩＳ  ＳＵＨ−１１から成り、直径が5.８mmの軸部を摩擦接合した。
ついで、温度７５０℃で４時間保持したのち空冷する時効処理をおこなったのち仕上げ加工し、更に、温度５７０℃で３０分間のタフトライド処理を施して７種類の排気バルブを製造した。この排気バルブは直動式の動弁系に使用することを目的とする。これを実施例１とする。
【００３２】
2)各素材を温度５００℃で温間加工して傘部を成形したことを除いては、実施例１と同様にして排気バルブを製造した。この排気バルブもまた直動式動弁系への使用が目的とされている。これを実施例２とする。
3)実施例１で製造した排気バルブの軸端部に、高周波を用い、温度１０５０℃で３０秒間加熱したのち空冷を行った。
【００３３】
この排気バルブは、ロッカーアーム式の動弁系に使用することを目的としている。これを実施例３とする。
4)各素材を通電アップセット法で予備成形したのち熱間で据え込み加工して傘径２4.３mmの傘部を成形し、これにＪＩＳ  ＳＵＨ−１１から成る軸部（直径5.８mm）を摩擦接合した。
【００３４】
ついで、温度１０５０℃で３０分間保持したのち油冷して溶体化処理を行い、更に続けて、温度７５０℃で４時間保持したのち空冷して時効処理を行った。
その後、仕上げ加工を行い、更に温度５７０度で３０分間のタフトライド処理を行い、ついで軸端部を、高周波を用い、１０５０℃で３０秒間加熱したのち空冷を行ってロッカーアーム式動弁系に使用する排気バルブを製造した。これを従来例とする。
【００３５】
上記した態様で製造した各排気バルブのフェース面の硬度を測定した。また、従来例による製造コストと実施例１，２，３による製造コストを比較した。それらの結果を、表１で示した各素材に対比させて表２に示した。
【００３６】
【表２】
0004203609.tif 000003
【００３７】
本発明方法で製造した排気バルブのフェース面は、従来方法で製造した排気バルブのフェース面よりも硬くなっている。
そこで、試料No.１〜３の素材を用いて、実施例１の方法と従来例の方法で製造した直動式動弁系の排気バルブを実機に組み込んで６０００rpm，１００時間の耐久試験を行い、傘部と首部の損傷状態を観察した。このときの使用温度は約８００℃であった。
【００３８】
両者ともに損傷は認められなかった。また、耐久試験の終了後、本発明方法で製造した排気バルブを取り外し、そのフェース面の硬さを測定したところ、ＨＶは２８０〜３５０であり、従来の場合と同等の硬さになっていた。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明方法で製造した排気バルブは、実機試験において、従来方法で製造した排気バルブと同等の性能を発揮する。
そして、傘部の成形を冷間加工または温間加工で行うので、従来に比べて成形コストは低減し、しかも寸法精度が高くなって仕上げ加工時の加工代は少なくなり、全体としての製造コストは低減する。
【００４０】
すなわち、本発明は、従来と性能的に同等な排気バルブを安価に製造することができるので、その工業的価値は大である。