技術解説＞エンジンバルブ用材料技術の温故知新

19

技術解説
Technical Review

エンジンバルブ用材料技術の温故知新
植田茂紀＊

Knowledge of Material Technologies for Engine Valves from Studying
the Past
Shigeki UETA
Synopsis

An engine valve controls flow of air with fuel and exhaust gas into and out of a piston cylinder, and is an important engine
part. Daido Steel has long been a main supplier of engine valves in Japan and has developed new materials and manufacturing
technologies to meet changing market demands. As new development will also be required in the future, it is important tounderstand the history of engine valve development when working on new development, in order to utilize knowledge anddetermine the direction of development. However, regarding engine valve material technologies, although some of our seniors
have summarized early development in Japan and the overall conditions of about half a century ago, there have been few
technical reviews since then. As over 100 years have now passed since Daido Steel was founded, an opportunity is presented tosummarize the history of technological trends from pre-war days to the present.

1．はじめに用材料技術に関して，約半世紀前に錦織清治博士，日下

現在，大同特殊鋼㈱（以下，当社という）グループはと当時の概況をまとめて以来 8），9），材料を主体にまとめ

国内のエンジンバルブ用耐熱鋼および耐熱合金で高いた技術解説はいくつかある程度である 10）～ 12）．また海外シェアを有している．当社のエンジンバルブ用材料に関でも，約 20 年前にアメリカで国際シンポジウムが開催さわる歴史は古く 1）～ 7），戦前より当社 3 社合併前の各社

邦男博士らの先輩諸氏が日本における黎明期からの歴史

れ欧米におけるエンジンバルブ技術が議論されて以来 13），（大同製鋼㈱，日本特殊鋼㈱，特殊製鋼㈱）で，製造技まとまった文献は必ずしも多くない 14）～ 17）．そこで，当術の向上，さらには時代の変化に合わせ JIS や各種規格

社創業 100 年を超えたこの機会に，再び戦前からの歴史にない新しい材料の研究開発に取り組んできた．今後にを振り返り，最近までの技術動向をまとめてみたい．

おいても，コスト低減や資源リスク回避のための希少金
属使用削減はもとより，時代のニーズに合わせた材料技
術開発は恒久的に求められていくものと思われる．
一般的に新たな開発を検討するうえで，過去の経緯を理解することは，知識の活用や開発の方向性見極めといった観点から重要である．しかしながら，エンジンバルブ

2．エンジンバルブについて
2.

1

求められる特性

Fig. 1 にエンジンバルブの外観を示す．形状的には傘2020年 4月 17日 受付＊ 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）

20

電気製鋼 第 91 巻 1 号 2020 年

形状になっており，各部位は Fig. 2 のように呼称されのリスクが高い．この高温腐食は酸化のみならず，燃焼ている．エンジンバルブはピストンの往復運動と連携しガスに含まれる硫黄などに起因した硫化腐食 19）やバナて動き，フェース部がエンジンヘッドに嵌め込まれたバ

ジウム酸化物による腐食 20）などがある．また 90 年代以

ルブシートという輪状の部品と当たりながらシリンダー

前には有鉛ガソリンが流通していたため，低融点の酸化内の密閉と解放を繰返し，シリンダー内へ燃料および鉛による腐食も問題となっていたが 21），最近は無鉛化

空気を取込む弁（吸気バルブ）と燃焼後のガスを排出すされたため，この酸化鉛による腐食問題はほぼ解消してる弁（排気バルブ）の役割を果たす．使用温度はガソリいる．むしろ，最近は EGR（排ガス再循環装置）使用

ンエンジンの吸気バルブで約 500 ℃程度，排気バルブで

約 800 ℃に上がり，ディーゼルエンジンではそれより各100 ～ 200 ℃程度低いと言われている11）．

やアルコール燃料使用などで，硫黄分の濃化した凝縮液やアルコールが加水分解して生成した蟻酸や酢酸などによる湿潤腐食が問題となりつつある 22）～ 24）．

2.

2

製造方法

バルブの製造は，鋳造品や粉末焼結品で造られるもの
もごくわずかにあるが，世の中に流通しているほとんどが鍛造によるものである．鍛造でも大別すると 2 つあり，Fig. 3 に示すように，(a) 通電アップセット法と (b)

搾出法がある 6），25）．Fig. 3(a) は，素材の直径がそのまま
バルブの軸径となるようにあらかじめ細径としてある素材を用い，直接電流を流すことで内部抵抗によるジュー
Fig. 1. Appearance of an engine valve.
Tip

ル熱で自ら発熱したところ，プレスで頭部を丸形状に膨
らませ，さらに外部ヒーターで丸形状部を再加熱して傘状に熱間鍛造する手法である．Fig. 3(b) は，バルブの軸

Keeper groove

部は前方押出しで成形するため，素材の径は比較的太いものを用い，外部ヒーターで加熱して前方押出しと傘打
Stem

ちを行う方法である．しかし生産性向上や省エネ化を志向し，一部で冷間成形や赤熱するまで加熱しない温間成

HeadFilletSeat face形が適用される場合がある 25），26）．この場合，素材の軟質化はもちろんのこと，表面潤滑処理や金型設計の最適化が非常に重要になる．

Combustion faceFig. 2. Schematic illustration of typical valve design.

傘形状を鍛造で製造したあと，軸部に別材種を摩擦圧
接などで接合したツーピースバルブと呼ばれるバルブにすることもある 14），25）．これは傘部に Ni などを多く含

エンジンバルブに求められる特性は部位によって異な有する高価な材料を用いる場合，ガイド部分の冷却でそり，主に耐摩耗性，疲労強度，耐高温腐食性がある 11）．

れほど温度が上がらない軸部を低廉な材料として低コス

例えば，前述のようにフェース部は繰返しバルブシート

ト化を図るために行われる．より高温となる排気バルブと接触するため，摩耗が生じやすく，耐摩耗性が必要とでは傘部に高級材が使われるため，ツーピースは排気バされる．ただし，バルブシートが熱を奪ってくれるため，ルブで多用されている．また，軸側の端部はカムシャフ

温度としては傘表面や首下部よりも 100 ℃程度低い．同トにより押されるため，耐摩耗性が必要とされ，軸部が様に，バルブガイドと摺動する軸部やロッカーアーム機

マルテンサイト系の場合は高周波焼入されたり，それで構と接触する軸端部でも耐摩耗性が必要とされる．さらも硬さが不足する場合はより高硬度が得られる鋼や合金に，フェース部にはデポジットが部分的に付着しバルブを溶接したり肉盛したりすることがある 14），25）．

おもてめん

シートとの接触が均一でない場合がある．その場合は首部に曲げ応力が発生し

12）
，18）

，この曲げ応力が繰り返されることで疲労が生じるため，疲労強度が重要となる．
おもてめん

一方，傘表面は燃焼ガスに直接曝されるため，高温腐食

さらに，軽量化やバルブ温度低下を目的に中心部を空洞化した中空バルブもあるが，中空バルブについては 4章で別途詳細に述べることとする．

技術解説＞エンジンバルブ用材料技術の温故知新

21

吸気バルブ材料の歴史を振り返ると，戦前のエンジンから耐酸化性（耐高温腐食性）と高温強度に優れたElectrode(a)高 Si-Cr 系でシルクロム鋼と呼ばれる，現在は JIS 規格となっている SUH1 や SUH3（旧 JIS SEH1，SEH3）が使用されてきた 8），9），27）．これら鋼種は，耐摩耗性や強Load
Hot forging

Electrode upset
to form stem

度を担保するために室温で 50 HRC 以上の硬さが得られるよう，C 量が 0.4 mass% 以上含有されている．また，SUH3 では焼戻し軟化抵抗を高める Mo が添加されている．なお，SUH1 はアメリカ SAE 規格の HNV3

（通称 Silchrom 1）やイギリス規格の En52 とほぼ同成(b)分であり，シルクロム鋼はアメリカの Ludlum Steel 社の Armstrong 氏によって開発されている 16）．また SUH3

Hot extrusion
to form stem

Hot forging

Fig. 3. Schematic illustration of valve manufacturing
process: (a) Electrode upset, (b) Hot extrusion.

3 ．エ ン ジ ン バ ル ブ 材 料 と技術開発動向の変遷
3.

1は同じく SAE 規格の HNV1 とほぼ同成分である．したがって，我が国における吸気バルブ材は海外材を参考にして国内で製造されるようになったと推測される 2）．
戦前 で は 旧 SEH3 が 航 空 機 用 耐 熱 鋼 規 格 の イ 302
としても登録され，ガスタービン用途にも適用された 8），28），29）． し か し SEH3 は Mo を 含 み， 戦 時 中 は この Mo の輸入が制限されたことで，東アジア地区で埋蔵量が多い W を代替元素として使用する材料開発が進められ 30），31），イ 332 という鋼種が開発，規格化されてい吸気バルブ材料る 28）．1961 年の論文によると，このイ 332 は戦後におTable 1 に代表的な吸気バルブ用材料を示す．吸気バ

いても若干使用されたようであるが，1950 年代には使ある材料でもその温度を超えて軟化する懸念はない．そより Cr 量の多いイギリス規格の En59（SAE 規格ではルブは前述のように 500 ℃程度で収まるため，変態点がのため変態点以下では高強度が保たれ，高価な Ni が含用されなくなったようである 8）．また同論文によると，
HNV6，通称 Silchrome XB）が使われ出したようである

まれないマルテンサイト系耐熱鋼が主に使用されていが，1978 年の論文では SUH3 の使用がほとんどと記載

る．

されており 10），En59 の使用は一過性であったと推測さ
Table 1. Nominal chemical composition of representative intake valve materials.

Country

JPN

USA
UK
USA

Alloy

C

Si

JIS-SNB16
JIS-SUH1
JIS-SUH11
JIS-SUH3
JIS-SUH4
HR28
イ302 (Before WWⅡ)
イ332 (Before WWⅡ)
SAE1541
HNV1
HNV3
HNV6
En52
En59

0.4
0.5
0.5
0.4
0.8
0.5
0.4
0.4
0.4
0.6
0.5
0.8
0.5
0.8

0.3
3.3
1.5
2.0
2.0
1.7
2.0
2.0
0.3
1.5
3.3
2.3
3.4
2

Ti6Al4V

-

-

Mn
Ni
Cr
Mo
Heat-resistant steels
0.6
1
0.55
0.3
9
0.2
9
0.2
11
1.0
0.4
1.4
20
5
<0.60
12
1.0
<0.60
12
1.5
0.4
8
0.75
0.4
9
0.4
1.3
20
0.5
8
0.4
1.4
20
Heat-resistant Ti alloy-(mass%)
Others

W

Al

Ti

Nb

Fe

-

-

-

-

V: 0.3

1.0
-

-

-

-

Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.

-

6

Bal.

-

-

V: 4

電気製鋼 第 91 巻 1 号 2020 年

22

れる．En59 については現在 JIS で SUH4 として規格登録されているが，現在においてもほとんど適用されていない

旧 SEH4 は戦前に航空機耐熱鋼規格のイ 301 として登録され，前述のイ 302 同様，ガスタービン用途にも適用された 2），28）．しかし吸気バルブ材における Mo と同

12）．

1970 年以降になると，石油の精製技術が年々向上し様，戦時中は Ni の輸入が制限されたため，Ni の代わりたことで，ガソリンや軽油に含まれる硫黄分が低減されに Mn でオーステナイト相を安定にする開発がなされた

耐高温腐食に対してマイルドな材料環境に変化してき7），33）～ 35）

た．そのため，耐酸化性や高温腐食に対して有効であるとともに，続けて高強度化を図って W の代わりに V をが加工性を犠牲にする Si を低減した SUH11 が，SUH1に取って代わり増加した

10）．さらに，欧米の一部の汎．開発材はイ 307，イ 308 として規格化される

使用したイ 309 やイ 310，さらにイ 310 に N を添加した

イ 311 も開発されている 28），36）．

用エンジンでは SAE1541 といった Cr すら含まない機械

しかしながら戦後になると SUH31 はほとんど使われ構造用鋼が使われていることから，低廉化を目的に国なくなった．これはガソリンのオクタン価を高めるた

内では 1980 年代には SUH11 をベースに Cr を 5 % にまめに添加されていた鉛に対し，Si の添加が鉛腐食を加で低減した鋼種 HR28 が開発され適用されるようになっ

速させることがわかったためである 37）～ 39）．その代わJIS 鋼 SNB16 が転用されるようになった．この SNB16

た 21-12N（SAE 規格 EV4，現在の JIS SUH37）が，日た 32）．1990 年代になると Cr が一層低い 1 % のボルト用は低 Si のため，焼なまし状態では比較的軟らかく冷間

りに低 Si 化した 21-12（SAE 規格 EV3）や N を添加し本でも使われるようになった 8），9），14）．さらに Ni を最

加工性に優れており，バルブ製造方法を熱間鍛造から冷小限の添加とし，Mn と N でオーステナイト組織の安定26）化と高温強度向上を図った鋼種開発が行われている 37），

間鍛造に変更して，さらなる低廉化も図られている．

このように吸気バルブ用耐熱鋼では歴史的に省 Mo，低．しかし 21-4N 鋼が 1950 年代にアメリカで開発され40）

Cr 化の省資源型開発が行われ，低 Cr 鋼の適用は増え

14），41）～ 43）

経っても大きな変化はない．特に海外においては石油系

る．この 21-4N 鋼に被削性を高めるため S を添加した

たが，現在でも主流は SUH3 と SUH11 であり，数十年

燃料の一部をアルコール系燃料で代替するケースが増えており，耐食性が担保できる高 Cr の SUH3 や SUH11 の，価格と性能のバランスが良いことから現在の JIS SUH35 として最も多く使われる鋼種となっていArmco 22-4-9 という鋼種も開発されており 44），JIS では

SUH36 として登録されているが，現在はほとんど使用

適用ニーズは引き続き高い．これは前述のようにアルされていない．その後，Ni をさらに低減した 21-2N 鋼

コールが空気中の水分を吸収して加水分解することで，も実用化され，一部のユーザーで適用されている．ま蟻酸や酢酸などの酸になって腐食を引き起こす可能性がた，1960 年代にはガス成分である N を使わず高温強度あるためである．このように最近は環境負荷軽減ニーズを背景に，材料の低グレード化からむしろ性能重視の高級化にシフトしている傾向がある．

を高める研究の結果，少量の P を添加することで効果がある知見 45）～ 48） を活かし，現在の JIS SUH38 として登録される P 添加の耐熱鋼 CRK22 が国内で開発され
49）

3.

2

排気バルブ材料

Table 2 に代表的な排気バルブ用材料を示す．排気バ
ルブにおいても吸気バルブと同様に耐酸化性（耐高温腐食性）と高温強度に優れた高 Si 系の耐熱鋼が使用され，主に二輪車用排気バルブに使用されてきた 26）．海外

では 21-4N をベースに高強度化を図った鋼種の開発が引き続き行われ，Nb や W 添加による炭化物強化を向上させた 21-4N+Nb+W や 23-8N 鋼が開発され，高強度化ニーズがあるケースで使用されてきた 14）．国内でも東たが，吸気バルブよりも高温になるため，加熱変態点の北特殊鋼㈱，日立金属㈱，山陽特殊製鋼㈱，愛知製鋼㈱ない Ni が添加されたオーステナイト系が使用されていなど特殊鋼メーカーで種々のバルブ用耐熱鋼の開発が行る．鋼種としては，古くから旧 JIS の SEH4，現在の JIS

では SUH31 として登録されているものが主に使用されて き た 8）．SUH31 は W も 含 有 し た 鋼 種 で， ア メ リ カ

SAE 規格の EV9 やイギリス規格の En54 と類似しており，吸気バルブと同じく排気バルブ材も海外材を参考に2）導入されたと推測される ．なお，En54 の起源はイギ
リスの Kayser Ellison 社の Henshaw 氏が開発した KE965という鋼種である

16）．

われ一部量産もされたが，特許情報のみの公表であった
り，大量生産にまで至らなかったものも多く，ここでは割愛したい．
このように，排気バルブには炭化物で強化したオース
テナイト系耐熱鋼が主に使用されるが，一部では Fe-Ni

基超合金や Ni 基超合金が使用されることがある 9），14）．
Fig. 4 に各種排気バルブ材料の 800 ℃回転曲げ疲労強度と 107 回疲労強度が 200 MPa になる温度を，Fig. 5 に技術解説＞エンジンバルブ用材料技術の温故知新

Table 2. Nominal chemical composition of representative exhaust valve materials.
Country

JPN

USA
UK

JPN

USA

JPN
USA

Alloy

C

Si

JIS-SUH31
JIS-SUH35
JIS-SUH37
JIS-SUH38 (CRK22)
21-2N
DY2-D
DY2-H
イ301 (Before WWⅡ)
イ307 (Before WWⅡ)
イ308 (Before WWⅡ)
イ309 (Before WWⅡ)
イ310 (Before WWⅡ)

0.4
0.5
0.2
0.3
0.5
0.5
0.3
0.4
0.2
0.4
0.2
0.4

2.0
0.1
0.9
0.5
0.1
0.1
0.1
2.0
1.0
1.0
1.0
1.0

イ311 (Before WWⅡ)

0.2

1.0

SAE EV-3
SAE EV-4
SAE EV-9
23-8N
21-4N+Nb+W
En54

0.2
0.2
0.5
0.4
0.5
0.4

1.0
1.0
0.6
0.8
0.3
1.8

NCF2415C
NCF3015H
NCF3015D
NCF4015H
NCF4015D
HI461
NCF5015H
NCF5015D
NCF6018
NCF440
Nimonic®80A
Nimonic®90
Inconel®751
Pyromet®31
Waspaloy®
Udimet®520

0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.27
0.03
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.04
0.05
0.04

DAT®54
Ti6242S
TIMETAL®1100

0.06
-

Mn

Ni
Cr
Mo
Heat-resistant steels<0.60 14
15
9
4
21
1
11.5
21
0.5
11
20
2.0
9
2
21
9
6
21
3.2
1
11
20
0.5
<0.60 14
15
16
11
<0.5
16
13
<0.5
16
11
16
12
16

-

11

-

1
11.5
21
1
11.5
21
<1.00 14
14
0.35
2.5
8
23
9
5
21
1.2
14
15
Ni-based superalloys
0.1
0.1
24
15
0.1
0.1
32
14
2.0
0.1
0.1
32
16
0.1
0.1
41
15
0.7
0.1
0.1
42
16
0.02 0.01
46
18
0.1
0.1
55
16
3.7
0.1
0.1
50
15
1.0
0.1
0.1
60
18
0.1
0.1
Bal.
19
1.0
0.1
0.1
Bal.
21
0.1
0.1
Bal.
20
0.1
0.1
Bal.
16
0.1
0.1
57
23
2.0
Bal.
19
4.0
Bal.
19
6.0
Heat-resistant Ti alloys
0.4
2.8
0.1
2.0
0.5
0.4

23

(mass%)
Others

W

Al

Ti

Nb

Fe

2.5
2.5
2.0
2.0
-

-

-

0.1
0.1
-

-

-

-

-

2.4
1.0
2.5

-

-

2.0
-

Bal.
Bal.
N: 0.4Bal.
N: 0.2
Bal. P: 0.2, B :0.05
Bal.
N: 0.3Bal.
N :0.4
Bal. P: 0.22, N: 0.18
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
V: 0.5-1.0
Bal.
V: 1.0-1.5
N: 0.15-0.20
Bal.
V: 0.6-0.8
Bal.
Bal.
N: 0.15-0.25
Bal.
Bal.
N: 0.3Bal.
N: 0.5
Bal.

1.5
1.5
1.0

1.6
1.9
1.2
1.9
0.9
1.2
1.8
1.4
1.0
1.4
1.4
1.4
1.2
1.25
1.4
2.0

2.2
2.6
2.7
2.3
2.7
4.0
2.1
2.5
2.5
2.5
2.3
2.4
2.4
2.25
3.0
3.0

0.5
0.6
0.8
1.3
0.8
1.2
1.3
0.9
1.3
1.0
-

Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
Bal.
3
2
Bal.
7
Bal.
-

-

5.8
6.0
5.0

Bal.
Bal.
Bal.

0.7
-

-

Cu: 2

Co: 18
Co: 13
Co: 12
Sn: 4.0, Zr: 3.5
Sn: 2.0, Zr: 4.0
Sn: 2.7, Zr: 4.0

Inconel, Nimonic, Udimet: SMC, Waspaloy: Raytheon Technologies, Pyromet: Carpenter Technology Corp., TIMETAL: Titanium Metals Corp., DAT: Daido Steel

800 ℃の引張強度と高温硬さを示すが，耐熱鋼の SUH35

カーやスポーツカー，大型トラックのような特殊なエに比べて，超合金は耐熱強度および高温硬さが高い．

ンジン用の排気バルブのみに適用されていた 9）．とこ

SUH35 などの耐熱鋼の場合，この高温硬さを補うため

ろが，1970 年代後半に Co の主産地であるアフリカで

どの硬質耐摩耗合金を肉盛溶接することがある．しかメーカーはフェース部の肉盛溶接が不要となる Inconel®

に耐摩耗性が必要なバルブフェース部に Co ベースなし超合金の場合には，高温硬さが高いため，この肉盛は不要となる．元々超合金は第 2 次世界大戦中に航空起きた騒乱によって Co が高騰したことで，一部のカー

751（Inconel：Special Metals 社の登録商標）と呼ばれる超合金の排気バルブを一般車に適用するようになった機ジェットエンジンなどの超耐熱用途に開発されたが

50）
，51）

28）

軸を耐熱鋼製よりも細く軽量化できることから，エン，その後一般車に比べて高温環境となるレーシング．超合金の場合，高温強度が高いため，傘首部の24

電気製鋼 第 91 巻 1 号 2020 年

Rotating fatigue strengthof 107 cycles at 800 °C (MPa)

Solid: Ordinary alloy
Open: Daido’s developed

Alloy U520用された 51）．同時期にアメリカでは 57 %Ni で Cr を高NCF440 (70 %Ni)

録商標）が開発され 14），大型ディーゼル用に使用されめた Pyromet® 31（Pyromet：Carpenter Technology 社の登た．国内では 1990 年代になり有鉛ガソリンが完全に廃
Alloy 751 (72 %Ni)

NCF5015D (50 %Ni)

NCF6018 (60 %Ni)

止されると，55 % を下回る Ni 量でも耐高温腐食性が成立するようになり，40 %Ni から 30 %Ni の順に省 Ni 合
金 NCF4015-D, -H，NCF3015-D, -H が 開 発 さ れ 55）， 汎NCF3015D (32 %Ni)

Higher strength anddurability at elevatedtemperature

SUH35 (21-4N)

用車に搭載された．スポーツカーでも省 Ni 化の流れで

NCF440 をベースに 50 %Ni と省 Ni 化した NCF5015-D,-H が開発されている 56）～ 58）．Fig. 6 に NCF5015 の 800℃における疲労特性 56） を示すが，NCF440 よりは若干

Temperature at which fatigue strengthof 107 cycles reaches 200 MPa °C

Fig. 4. Rotating fatigue strength of various exhaust valve

Tensile strength at 800 °C (MPa)materials at high temperature.

低いものの Inconel® 751 よりも高い疲労強度を有しており，Ni 量が少ないにもかかわらず高強度化を達成している．この他，先述の耐熱鋼同様に，東北特殊鋼㈱，日立金属㈱など各社で独自設計の合金が開発され一部実用化されているが，特許情報のみの公表であることから，

Alloy U520

割愛させていただく．なお，排気バルブ用超合金の合金

Higher strength
and wear resistance

工性の確保も非常に重要である．耐熱強度を高くするとSolid: Ordinary alloy
Open: Daido’s developed

NCF440 (70 %Ni)
NCF6018 (60 %Ni)
NCF5015D (50 %Ni)
Alloy 751 (72 %Ni)
NCF3015D (32 %Ni)

設計では，耐熱強度だけでなく幅広い温度域での熱間加いうことは反面で熱間加工性を低下させる．バルブのよ
うに小径の素材を製造する場合，加熱しても冷えやす
く，熱間加工性に劣ると割れが発生してしまう．また，
バルブとして長時間使用した時に，シグマ相といわれるような脆化相が析出することを避ける必要がある．そのため，Ni 量だけでなく，Cr や Al，Ti，Nb，Mo，W といった元素のバランスが考慮された合金設計となっていSUH35 (21-4N)る．
Hardness at 800 °C

HV: 5 kgf

Fig. 5. Tensile strength and hardness of various exhaust
valve materials at 800 °C.
ジン回転応答性を高める効果もあり，エンジン性能を向上できる．そこで，Inconel® 751 よりもさらに高強度化した NCF440 が 1980 年半ばに開発され 52），スポーツタイプの車に適用されている．一方，低廉化のニーズもあり，Inconel® 751 よりも省 Ni 化する開発も行われた．なお，省 Ni の開発は Co 高騰の以前から検討されており，1971 年には Ni の影響について，低 Ni 化により時効硬さが低下することや鉛腐食に対して Ni が 55 %以上必要ということが発表されている 53）．また，Ni を
40 % にした合金も開発されたが 50），54），当時は有鉛ガソリンが残っていたために，量産採用には至らなかった．
そこで有鉛ガソリンにも対応可能な NCF6018 という 60%Ni 合金も開発され，Inconel® 751 に代わり汎用車へ採Fig. 6. Rotating fatigue properties of NCF5015 and
NCF440 at 800 °C.
そ の 後，Waspaloy（Pratt & Whitney 社 の 開 発 材 ） や

Udimet® 520（Udimet：Special Metals 社の登録商標）といった NCF440 を上回るようなガスタービン用超耐熱超合金の適用も検討されたが，最近は省資源化の流れ

技術解説＞エンジンバルブ用材料技術の温故知新

25で，再び耐熱鋼をベースにした高強度化開発が行われて軽量化はバルブスプリングなどのバルブ周辺部品も軽量いる．すなわち，2000 年代後半に起こった Ni 高騰で省化でき，低燃費化や騒音低減にも貢献する．そのため，資源ニーズも高まり，Fe-Ni 基耐熱合金の省 Ni 化ではスポーツカーや高級ラグジュアリカーでは軽量合金であ限界があるため，炭化物強化型耐熱鋼を高強度化するこる Ti 合金製のエンジンバルブが開発，適用された 64）．

とで，省 Ni ながら Fe-Ni 基耐熱合金に匹敵する高温疲

吸気バルブは，比較的低い使用環境温度と流通汎用性

労強度を実現した鋼種 DY2-D, -H が開発され，実用化されている．Fig. 7 に DY2 の 800 ℃における疲労

59）
，60）

から標準的な Ti-6Al-4V やその低廉材が適用され，実用化された 65），66）．この Ti 合金製吸気バルブの開発では，

特性 59）を示すが，NCF3015 と同等レベルの疲労強度が軸部やフェース部の耐摩耗性を付与するために酸化処理得られている．その要因として，DY2-D は Mo を添加し，が適用され，耐摩耗性と高温疲労特性をバランスさせる

炭化物強化および固溶強化を熱間加工性と両立できる範囲

酸化条件の最適化が図られている 67）．

で最大限活用した合金バランスを見出したことにある 60）．

より高温となる排気バルブには，航空機ジェットエン

一方の DY2-H は SUH38 と同様に P を活用し，さらにジンの部材として用いられる Ti6242S という耐熱 Ti 合なっている．この P 添加の高強度化メカニズムについ気バルブでは，高温となる傘部は針状 α 相と粒界 β 相ては炭化物の粒内への微細均一析出によるものとされてからなる微細針状組織に，それほど温度が上がらない軸

いるが，どのように P が炭化物形成に寄与するかも詳

部は靱性を重視して等軸 α 組織とした，1 部品で 2 つのN や Nb も添加することで高温強度を高めた合金設計と細に調査されている

61）

金が適用され，実用化された 68）～ 70）．この Ti6242S の排組織を有するように制御している．これまで，針状組織．

は等軸組織よりも低温側での延性や衝撃特性に劣るため，一般にこの組織が使われることは稀であったが，この当時の開発で 800 ℃のような高温では疲労強度に優れることがわかったため 71），2 相組織構造を採用した．また，耐摩耗性を付与する表面処理としてプラズマ浸炭が用いられた．この他，さらに航空機部材用に開発された
耐熱 Ti 合金の DAT®5472）（DAT：大同特殊鋼㈱の登録商

標）や TIMETAL®110073）（TIMETAL：Timet 社の登録商

標）の排気バルブへの適用が提案された．また，既存材の転用ではない排気バルブ専用のチタン合金開発も行われている．これは粉末冶金によって TiB 粒を約 5 vol%Fig. 7. Rotating fatigue properties of latest developed
heat resistant steel DY2 at 800 °C.

含 ん だ Ti-6Al-4Sn-4Zr-1Nb-1Mo-0.2Si-0.3O（mass%） の組成を有する合金にし，耐熱強度と延性を両立させ，量産車へ実用化した 74）．

以上紹介した超合金バルブは主に四輪車エンジン向けに開発，適用されてきたが，二輪車においてもスーパーバイクと言われるスポーツ車には 46Ni の超合金が開発，
62）

Ti 合金よりもさらに軽量で耐熱性に優れた材料として，比重が Ti 合金よりおおよそ半分である金属間化合物ベースの TiAl 基合金がある．TiAl 基合金は，超合金．またスクーターなどの小排気量車でよりも強度を比重で除した比強度が高く，耐熱部材としも 24Ni まで省 Ni 化し冷鍛性も向上させた Fe-Ni 基超合て期待されてきた．しかし，エンジン耐久試験で高性能適用されてきた，現在で化と実用性は確認されたものの 75）～ 77），靭延性が低く，はほとんどが SUH35 や SUH38 の耐熱鋼となっている．

熱間加工による製造が困難で製造コストも高いため，金が開発され，一時期量産適用されたが

3.
3.

3

26）
，63）

軽量エンジンバルブ材料

2 において，超合金使用による高強度化で軸径をターボチャージャのタービンホイール以外では量産実用されていない．また，軽くて耐熱性の高い材質として，セラミックス（特に窒化ケイ素）の排気バルブが 1990

細くしてエンジンバルブを軽量化するとスポーツ性能を年代に検討されたが 78），靱性が低いネガを払拭できず向上させることができると述べたが，エンジンバルブの一過性の技術となってしまった．

電気製鋼 第 91 巻 1 号 2020 年

26

部分も中空にする (d) や (e) のような構造のバルブが開発されている 85），86）．また，レーザー積層造形を適用し，より複雑な中空構造にする検討もなされている 87）．その冷却効果に関して，Fig. 9 に軸中空と中実バルブの表面温度分
布を，Fig. 10 に軸中空と傘中空の最高温度比較を示すが，明らかに中空とした方がバルブ温度は低下し，同じ軸中空
(b)

(c)

(d)

(e)

Fig. 8. Schematic illustrations of various hollow valves:(a) Conventional stem hollow type, head andstem hollow types (b) By plate forming andwelded cover, (c) By plate forming and pipe
combination by welding, (d) By back forward
extrusion and squeezing, (e) By machining andwelded cover.

4．中空バルブと最近の技術動向
材質変更ではなく，バルブ自体を中空構造にして形状によって軽量化する技術がある．Fig. 8 に各種中空構造をもったバルブの断面模式図を示す．排気バルブとして使う場合，中空部分には金属 Na を封入することが多い．これは Na が低融点（98 ℃）かつ熱伝導率が高いた

め，傘部分の熱が Na を介して軸側に逃げやすく，冷却効果が高くなるためである．中空バルブ自身の歴史は古く，元々は 1930 年代にアメリカで開発され 17），特許が出願されている 79），80）．同年代に日本でも中空バルブの径であれば傘まで中空にした方が温度低下する 88）．この
中空バルブの適用は，従来の軽量化によるスポーツカー向けのエンジン性能向上が主目的ではなく，前述のように理論空燃比燃焼による規制対応が主目的になるため適用車種
は大衆車となり，現在中空バルブの適用は急激に拡大している．材質としては，従来同様の耐熱鋼を適用しているが，特に (d) タイプは円柱状の素材から，冷間鍛造を主体に連続加工するため，冷間加工性も考慮した材料選定となっている．なお，レーシングカー向けには，(e) タイプ
で Ti 合金製の傘中空バルブも開発，適用されている 89）．

Distance from top of head mm

(a)

50

30
25

▲107

20
15
10

ブとして量産された 81）．戦後は，欧米では自動車用の高0500

性能エンジンで適用されてきたが，国内ではレーシング

8(a) のタイプの採用が復活し，少量ながら量産されてき

850

35

5

が 1980 年代になり，国内でも市販スポーツカーで Fig.

Stem hollow

40

開発が進められ，1937 年には航空機エンジン用のバルカー以外ではあまり適用されることはなかった．ところ

Solid

45

．こ

れは SUS305 などの冷間成形性に優れたオーステナイト
系ステンレスの板を絞って成形するタイプや，傘だけを板金加工しパイプの軸と接合するタイプがあったが，燃

800

900

Fig. 9 Surface temperature distribution of under headportion.
850

oC

Temperature

工で傘部まで中空にしたバルブが開発された

82）～ 84）700

Temperature / oC

た．その後，2000 年頃から Fig. 8 の (b)(c) のような超軽量バルブ（Ultra-Lightweight Valve）と呼ばれる，板金加600

焼ガスの圧力を傘表焼火面で受け止めるには薄板の強度

800

Top of head
Under head

750
700
650

-

-

φ12.7

φ10

-

なかった．ここまでは軽量化を目的とした中空バルブの

600
Head hollow dia.
Stem hollow dia.

-

φ3.0

φ3.0

φ3.0

φ3.5

適用であったが，2010 年頃からは理論空燃比燃焼で排気Sodium filling ratio

面で信頼に劣り，汎用車向けの大量生産にまでは拡大しガス温度が上昇するのを中空バルブの冷却効果を主目的で採用するケースが増えてきた

85）．そこで，強度面の信頼性を担保しつつ冷却能を高めるため，板金ではなく傘

Valve type

-

55 %

55 %

55 %

55 %

Solid

Stem
hollowHeadhollowHeadhollowStem
hollowHead hollow = Head and stem hollow

Fig. 10 Temperature comparison by hollow form.

技術解説＞エンジンバルブ用材料技術の温故知新

27

5．おわりに

19）吉葉正行，宮川大海，藤代大：鉄と鋼，67（1981），

内燃エンジンが開発されて 100 年以上が経ち，エンジ20）日下邦男，鶴見州宏：日本学術振興会耐熱金属材

996．

ンの進化とともにエンジンバルブにおける材料や製造技

料第 123委員会耐熱金属材料委員会研究報告，9術も同時に進化してきた．エンジン内の小さな部品であ（1968），307．

るが，さまざまな新材料，新技術が適用され，現在でも技術開発が行われている．今回，過去から現在までの技術動向を大まかにまとめたが，本レビューを参考にして今後の未来に向けた新たな技術開発に進展することを期

21）日下邦男，山崎光雄，生嶋一丈：日本学術振興会耐熱金属材料第 123委員会耐熱金属材料委員会研究報
告，8（1967），573．

22）飯野隆弥，大平洋，一宮淳恭：日本マリンエンジニ
アリング学会誌，42（2007），75．

待したい．
最後に，新人時代から小職にバルブ材料開発を担当させていただき，多大なるご助言をいただいてきた上司の岡部道生博士，野田俊治氏，清水哲也氏に感謝申し上げ

23）古東文哉：日本マリンエンジニアリング学会誌，46（2011），6．
24）佐藤和彦，近崎充夫，古橋俊夫，寺門一佳，中川雄策：
材料と環境，43（1994），134．

たい．

25）岩瀬悟：日本塑性加工学会鍛造分科会第 24回鍛造実（文献）1）錦織清治：鐵と鋼，20（1934），91．

2）林美孝：電気製鋼，11（1935），436．

3）錦織清治：電気製鋼，14（1938），290．

務講座資料，4（1997），305．

26）H. Oketani，M. Ishida，T. Noda，S. Ueta andM. Kiriyama：SAE Technical Paper，（ 2000），
No.2000-01-0907．

4）錦織清治，浅田千秋：電気製鋼，17（1941），597．

27）出口喜勇爾：鐡と鋼，35（1949），207.

6）山中直道，佐藤恭次郎：鐵と鋼，28（1942），757．

29）佐藤忠雄：鉄と鋼，43（1955），745．

5）浅田千秋，中島秀剛：電気製鋼，18（1942），343．
7）出口喜勇爾，遠藤忠：鐵と鋼，29（1943），233．
8）錦織清治：日本学術振興会熱金属材料第 123委員

会報告書，2（1961），51．

9）日下邦男：日本金属学会誌，8（1969），335．

10）小柳 愷：自動車技術，32（1978），752．

11）笹倉利彦，目黒淳一：日本舶用機関学会誌，28（1993），577．
12）村山武海：日本舶用機関学会誌，34（1999），603．

13）H. A. Bolton，J. M. Larson：Proceedings of theinternational symposium on valvetrain system design28）阿部信男，池田義孝：鐵と鋼，39（1953），550．
30）河合正吉：鐵と鋼，29（1943），393．

31）出口喜勇爾：鐵と鋼，35（1949），24．

32）斉藤誠，飯久保知人：電気製鋼，54（1983），246．

33）錦織清治，柳沼 隆，浅田千秋：電気製鋼，17（1941），
465．

34）河合正吉，越智通夫：鐡と鋼，30（1944），153．
35）出口喜勇爾：鐡と鋼，35（1949），349．
36）浅田千秋：電気製鋼，21（1950），87．

37）錦織清治，藤原達雄，荒川昭夫：電気製鋼，31（1960），23．

and materials，ASM，（1997）．

38）日下邦男，生嶋一丈：鉄と鋼，53（1967），1268．

Belmore：Journal of Engineering for Gas Turbines and40）錦織清治，藤原達雄，荒川昭夫：電気製鋼，3014）J. M. Larson，L. F. Jenkins，S. L. Narasimhan and J. E.
Power，109（1987），355．

39）日下邦男，生嶋一丈：日本金属学会誌，32（1968），50．
（1959），398．

15）F. Starr：International Journal for the History of41）P. A. Tennings：U. S. Patent，2,602,738，（1952）．

16）F. Starr：International Journal for the History of43）M. J. Taushek：Steel，141（1957），2，169．

Engineering & Technology，82（2012），283．
Engineering & Technology，84（2014），1．

17）F. Starr：International Journal for the History of42）P. A. Tennings：U. S. Patent，2,657,130，（1953）．
4944）J. A. Mock：Materials in Design Engineering，（1959），
3，135．

Engineering & Technology，86（2016），70．

45）山中直道，日下邦男，外岡耀：鉄と鋼，46（1960），

系耐熱合金，日本鉄鋼協会，（2000），157．

46）山中直道，日下邦男，外岡耀：鉄と鋼，46（1960），

18）渡邊力蔵：超耐熱合金を中心としたオーステナイト

1458．

28

電気製鋼 第 91 巻 1 号 2020 年

1764．

鋳造工学，73（2001），818．

47）山中直道，日下邦男：日本金属学会誌，26（1962），

69）浅沼宏昭，廣瀬正仁，毛利彰良：自動車技術，56

48）山中直道，日下邦男：日本金属学会誌，26（1962），70）毛利彰良，廣瀬正仁，浅沼宏昭，岡部道生，野田俊治，

49）日下邦夫，大沢恂，鶴見州宏，深瀬忠夫：鉄と鋼，

71）鈴木昭弘，野田俊治，岡部道生：電気製鋼，73

65．

126．

13（1963），1906．

50）加藤哲男，上原紀興，松永健吉，磯村輝帆，松野雅樹，
飯塚正典：電気製鋼，52（1981），254．

51）K. Sato，Y. Takagi and T. Saka：Proceedings of theInternational Symposium on Valvetrain System Designand Materials，ASM，（1997），87．

（2002），2，50．
鈴木昭弘：チタン，50（2002），1，45．

（2002），2，107.
72）T. Noda，M. Okabe，S. Isobe，S. Nishikiori

and H. Hattori： Eighth World Conf. on Titanium，Birmingham，Oct．（1995），22．

7 3 ） 藤 井 秀 樹 ， 高 橋 一 浩 ， 山 下 義 人： 新 日 鉄 技 報 ，（2003），378，62．

52）Y. Takagi，M. Okabe，T. Iikubo and S. Isobe：Stahl74）古田忠彦，斎藤卓，山口登士也：豊田中央研究所

53）日下邦男，外岡耀，山崎光雄，大沢恂：鉄と鋼，5775）野田俊治，岡部道生，磯部晋，眞木邦雄，江平淳，

und Eisen，14（1990），138．

（1971），197．

R&Dレビュー，36（2001），51．

鞘師守，佐々木亨：電気製鋼，67（1996），109．

54）磯部晋，今村元昭，近藤行男：電気製鋼，56（1985），76）野田俊治：鋳造工学，73（2001），823．

55）佐藤克明，坂勉，大野丈博，野田俊治：Honda R&D

78）丸山正明：まてりあ，39（2000），31．

116．

Technical Review，9（1997），185．

56）富永克彦，清水哲也，植田茂紀，倉田征児，都地昭宏：
Honda R&D Technical Review，19（2007），55．

57）大崎元嗣，倉田征児，植田茂紀，露無崇志：電気製
鋼，81（2010），151．

58）都地昭宏，上原利弘，露無崇志：日立金属技報，30（2014），14．

77）野田俊治：チタン，50（2002），1，17．
79）S. D. Heron：U. S. Patent，1,823,452，（1931）．

80）E. A. McBride etal：U. S. Patent，1,984,751，（1932）．

81）内燃機関，15（1976），179，50．

82）村山（山田）武海：日本舶用機関学会誌，34（1999），603．

83）A. Kaenel，P. Grahle and M. Abele：SAE TechnicalPaper，（2000），No.2000-01-0906．

59）露無崇志，植田茂紀，大崎元嗣，都地昭宏，大石勝彦：84）村山武海，安藤輝明，六浦満夫：日本マリンエンジ

60）大崎元嗣，植田茂紀，露無崇志：電気製鋼，8585）三菱重工技報，47（2010），4，26．

Honda R&D Technical Review，26（2014），67．

（2014），107．
6 1 ） 大 石 勝 彦 ， 上 原 利 弘 ， 竹 山 雅 夫： 鉄 と 鋼 ， 1 0 2（2016），389，62）萩原好敏，石田正雄，岡智生：Honda R&D Technical
Review，4（1992），63．

63）植田茂紀，野田俊治，岡部道生，石田正雄，桶谷裕之：
電気製鋼，70（1999），205．

64）山下義人，高山勇，藤井秀樹，山崎達夫：新日鉄技報，（2001），375，11.

ニアリング学会誌，38（2003），5，9．

86）H. Ji，J. Liu，B. Wang，W. Xiao and Z. Hu：Journal of
Materials Processing Techonology，240（2017），1．

87）D. Cooper，J. Thornby，N. Blundell，R. Henrys，

M. A. Williams and G. Gibbons：Materials and Design，
69（2015），44．

88）熊谷隆暁，土山宏幸，高野雄次：電気製鋼，85（2014），115．
89）真田泰平：Honda R&D Technical Review, F1 Special，（2009），249．

6 5 ） 藤 井 秀 樹 ， 高 橋 一 浩 ， 山 下 義 人： 新 日 鉄 技 報 ，（2003），378，62．
66）高橋恭，丸井勇治：チタン，50（2002），2，93．

67）高山勇，山崎達夫：新日鉄技報，（2001），375，118．

68）岡田義夫，眞木邦雄，安保定幸，廣瀬正仁，浅沼宏昭：

植田茂紀