JP4463709B2 - Cold-working steel and method for producing engine valve made of the steel - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a cold work steel used for cold working such as cold forging, and the steel is used as a material for parts having a high operating temperature, for example, engine valves and high-temperature bolts for internal combustion engines.
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。 When martensitic stainless steel is used as a material for parts with high operating temperatures, such as engine valves that are intake valves or exhaust valves of internal combustion engines, the required hardness at the operating temperature by quenching and tempering at high temperatures Is secured.
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。
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。
By the way, martensitic stainless steel as a material for parts with high operating temperatures is difficult to work with because cold work such as cold forging, which can produce molded products with high dimensional accuracy, due to its high hardness. is there. In addition, heat treatment is required to ensure hardness at high temperature, and the cost is high because of the high content of expensive Cr. In addition, since the Fe-based heat-resistant alloy of
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。
This invention is made | formed in view of such a situation, and the invention of
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は、前記各合金元素を重量％での数値として、次式で定義され、強度パラメータＸ２は、５００°Ｃで、低負荷環境で所要硬度１６０ＨＶ以上の硬度を、また高負荷環境で所要硬度２００ＨＶ以上の硬度を得るためのパラメータであって、前記各合金元素を重量％での数値として、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
In the invention according to
X1 ≦ 1.30
X2 ≧ 2.00
Here, the cold workability parameter X1 is defined by the following formula using the values of each alloy element in weight%, and the strength parameter X2 is 500 ° C. and has a required hardness of 160 HV or higher in a low load environment. Further, it is a parameter for obtaining a required hardness of 200 HV or higher in a high load environment, and each alloy element is defined as a numerical value in weight% and is defined by the following equation.
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。 According to this, the steel for cold work according to the present invention is excellent in cold workability because it has a low content of Ni, Cr, Mo and V, which deteriorate the cold workability, and therefore requires hot working. In addition, a final processed product by plastic working can be obtained only by cold working. Moreover, by adding appropriate amounts of C, Mo and V, the hardness at 500 ° C. is equal to or higher than the required hardness and is excellent in high-temperature strength, so that heat treatment steps such as quenching and tempering to ensure hardness are omitted. be able to. Furthermore, the contents of expensive Ni, Cr, Mo and V are small.
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。 According to a second aspect of the present invention, in the cold work steel according to the first aspect, the steel is saturated when the hardness exceeds the required hardness at a working rate by cold working of 30% or more.
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。 According to this, even after cold working at a working rate of 30% or more, the required hardness is ensured stably and stably even for parts with different working rates depending on the parts, regardless of the parts of the parts. High temperature strength is ensured.
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。
The invention described in
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。 According to this, the engine valve is formed by the cold work steel of the present invention which is excellent in high temperature strength and low in cost.
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。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method of manufacturing an engine valve according to the third aspect, nitriding is performed after the cold forging.
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。 According to this, the high temperature strength of the engine valve is further improved by the nitriding treatment.
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。
According to invention of
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。
According to invention of
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。
According to invention of
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。 According to invention of Claim 4, the following effect is show | played. That is, an engine valve with further improved high temperature strength can be obtained.
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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.
Cold-working steel to which the present invention is applied (hereinafter referred to as “invention steel”) is used as a material for parts having high operating temperatures, for example, engine valves that are intake valves or exhaust valves of internal combustion engines, or high-temperature bolts. In this embodiment, it is a steel for cold forging to which cold forging is applied.
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。
Invented steel is suitable as a material for parts (hereinafter referred to as “applied parts”) whose operating temperature reaches 500 ° C., and satisfies the required properties such as tensile strength and wear resistance at 500 ° C. Therefore, the applied part has a hardness at 500 ° C. (hereinafter referred to as “500 ° C. hardness”) equal to or higher than a required hardness (hereinafter referred to as “required hardness”) after completion of cold working including cold forging. It is necessary to ensure high temperature strength.
The required hardness varies depending on the heat load of the application part, and is 200 HV when the application part is used in a high heat load environment in which the use temperature is frequently around 500 ° C., and the use temperature is around 500 ° C. When the application part is used in a low heat load environment whose frequency is lower than that of the high heat load environment, it is 160 HV. When the applied part is an intake valve of an internal combustion engine, the required hardness is 200 for a high load internal combustion engine where the combustion temperature is relatively high and the intake valve is used in the high heat load environment, and the combustion temperature is relatively low, The intake valve is 160 in a low load internal combustion engine used in the low heat load environment.
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。 On the other hand, the invention steel has a working rate of 30% by cold working including cold forging (hereinafter, unless otherwise specified, cold working including cold forging is represented by cold forging). Since the above processing is performed, no cracks are generated in processing at 50% or more and the maximum processing rate of 85% or less, and cold including cold forgeability by reducing deformation resistance. Molds for cold work such as cold forging while improving workability (hereinafter, unless otherwise noted, cold workability including cold forgeability is represented by cold forgeability) In order to reduce the load on the steel, it is necessary that the hardness is low.
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。 Therefore, in order to achieve both contradictory properties of improving cold forgeability and ensuring hardness after cold forging, the inventors have determined that the amount of each alloy element added to Fe is cold forgeability and cold. Research has been conducted on the influence on the hardness after hot forging to limit the addition amount of each alloy element to Fe and have a specific relationship (hereinafter referred to as “parameter”) between the addition amounts of each alloy element. It has been found that the required characteristics of cold forgeability and high temperature strength can be satisfied.
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。 Hereinafter, the grounds for limiting the amount of each alloy element C, Cr, Mo, Si, Mn, Ni, and V added to Fe will be described. In addition, the numerical value about each alloy element is weight%. Moreover, in invention steel, the remainder other than each said alloy element is substantially Fe.
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。
C: 0.20 to 1.10.
C is an element necessary for improving the strength and generating carbide necessary for 500 ° C. hardness. If it is less than 0.20, the strength and the generation of carbide are insufficient. Moreover, when it exceeds 1.10, the hardness before cold forging becomes high and cold forgeability falls.
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。
Si: 1.00 or less Si is a ferrite strengthening element, and increases the strength by annealing, which is a heat treatment before cold forging. The strength after cold forging is improved by the addition of Si, but if it exceeds 1.00, the cold forgeability is significantly reduced.
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。
Mn: 1.50 or less Mn is a ferrite strengthening element like Si, and increases the strength by annealing before cold forging. The strength after cold forging is improved by the addition of Mn, but if it exceeds 1.50, the cold forgeability is significantly lowered.
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。
Ni: 1.00 or less Ni, like Si, is a ferrite strengthening element, and increases the strength by annealing before cold forging. The addition of Ni improves the strength after cold forging, but if it exceeds 1.00, the cold forgeability is significantly lowered, and the cost increases due to the increase in expensive Ni.
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。
Cr: 0.50 to 2.00
Cr is an element necessary for the formation of carbide, and has an effect of finely dispersing the carbide by annealing before cold forging. Thereby, the cold forgeability can be improved, and the limit processing rate which is the maximum processing rate at which cracks do not occur can be increased. If it is less than 0.50%, this effect is insufficient, and if it exceeds 2.00, the cold forgeability decreases, and the cost increases due to an increase in expensive Cr.
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。
Mo: 0.10 to 1.00
Mo is an element necessary for improvement of strength and generation of carbide necessary for 500 ° C. hardness. When it is less than 0.10, strength and generation of carbide are insufficient. Moreover, when it exceeds 1.00, cold forgeability will fall, and also it will become high-cost by increase in expensive Mo.
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。
V: 0.00 to 0.50
V, like Mo, is an element necessary for improving the strength and generating carbide necessary for 500 ° C. hardness. If it exceeds 0.50, cold forgeability is reduced, and expensive V Increase in cost. Below 0.05, strength and carbide formation are reduced. In order to obtain more excellent effects on strength and carbide generation, the lower limit value is preferably 0.05 or more.
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。
The parameters are a cold workability parameter X1 relating to good workability by cold working including cold forging, and a strength parameter X2 for obtaining a required hardness at a use temperature of 500 ° C. or lower. Parameters X1 and X2 are defined by the following equations.
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
Here, each alloy element is a numerical value of the addition amount in weight%.
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。
Next, the grounds for limiting the numerical values of the parameters X1 and X2 will be described.
Cold workability parameter X1: 1.30 or less The cold workability parameter X1 is an index of cold forgeability, and if it exceeds 1.30, deformation resistance during cold work including cold forging increases. As a result, cold forgeability is reduced.
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。
Strength parameter X2: 2.00 or more The strength parameter X2 is an index of hardness at 500 ° C. as a high-temperature strength. If it is less than 2.00, the required hardness required for the application parts used in a low thermal load environment Hardness of (160HV) or higher cannot be obtained. Moreover, if it is less than 3.00, the hardness more than required hardness (200HV) required for the application components used in a high heat load environment cannot be obtained.
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。 Inventive steel having such a composition saturates when the hardness at 500 ° C. exceeds the required hardness at a processing rate by cold forging of 30% or more. For this reason, the required hardness is reliably ensured even after cold forging at a processing rate of 30% to 85% when the applied part is manufactured.
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。 And for applied parts manufactured using invention steel, the final processed product by plastic working obtained by subjecting the material made of invention steel to cold forging has the strength increased by work hardening. Therefore, after finishing processing such as grinding and cutting, the product can be used as it is. In the case where a further improved high-temperature strength is required, after the cold forging, the final processed product that has been finished is subjected to nitriding.
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。
This will be described with reference to FIG. 1 for the manufacture of an intake valve for an internal combustion engine formed of inventive steel.
In manufacturing an intake valve composed of a poppet valve, a material 1 (see FIG. 1 (A)) is cut out from a wire composed of inventive steel by cutting. The
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。 A steel ingot obtained by melting steel having the composition shown in Table 1 is rolled to φ25 mm, and then subjected to an annealing treatment, a compression test piece (φ14 × 21) is taken from the steel material, and a compression test is performed. went. As an evaluation of cold forgeability, deformation resistance at 50% compression was measured. Further, as an evaluation of the high-temperature strength, a test piece compressed by 50% was held at 500 ° C. for 200 hours, and then the hardness at 500 ° C. was measured. The results are shown in Table 2.
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。 In test pieces Nos. 1 to 3 (invention steel), the strength parameter X2 ≧ 2, and a 500 ° C. hardness of not less than the required hardness (160 HV) is obtained. Further, in the test pieces Nos. 4 and 5 (invention steel), the strength parameter X2 ≧ 3, and a 500 ° C. hardness not less than the required hardness (200 HV) is obtained.
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。 In test pieces Nos. 6 to 8 (comparative steel), the strength parameter X2 <2, and the necessary 500 ° hardness cannot be obtained. Moreover, in test piece No. 9 and 10 (comparative steel), it is understood that the cold workability parameter X1 ≧ 1.3, the deformation resistance at the time of 50% compression is increased, and the cold workability is inferior.
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。 The result of investigating the influence of the processing rate by cold forging is shown in FIG. Test pieces Nos. 2 and 5 (invention steel) and test piece No. 6 (comparative steel) were compressed to 85%, held at 500 ° C. for 200 hours, and then measured for 500 ° C. hardness. As a result, when the compression ratio as the processing rate is 30% or more and 85% or less, the 500 ° C hardness is saturated in the state exceeding the required hardness (160HV or 200HV), and the required hardness is maintained. I understand.
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。 FIG. 3 shows a change in hardness at 500 ° C. when nitriding treatment (nitriding temperature 580 ° C.) is performed after cold forging. Test specimen No. 2 (invention steel) with strength parameter X2 of 2.00 or more and 3.00 or less, nitriding treatment for test specimen No. 5 (invention steel) and specimen No. 6 (comparative steel) with strength parameter X2 of 3.00 or more The hardness at 500 ° C. after applying was measured. As a result, it can be seen that the invention steel having the strength parameter X2 of 3.00 or more has an increased hardness of 500 ° C. as compared with the case where the nitriding treatment is not performed, and further improves the fatigue strength.
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。 As described above, the inventive steel is excellent in cold workability because it has a low content of Ni, Cr, Mo and V, which deteriorates cold workability, so that it is plastic only by cold work without requiring hot work. A final processed product by processing can be obtained. Moreover, by adding appropriate amounts of C, Mo and V, the 500 ° C hardness becomes equal to or higher than the required hardness and is excellent in high-temperature strength, so that heat treatment steps such as quenching and tempering to ensure hardness can be omitted. it can. As a result, the invention steel is excellent in high temperature strength at a use temperature of 500 ° C., and the cold workability is improved because the content of the alloy element that deteriorates the workability is small. Since the heat treatment process is not necessary, the cost is reduced. Furthermore, since the content of expensive Ni, Cr, Mo and V is small, the cost is reduced.
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。 Invented steel has a working rate by cold working of 30% or more and 85% or less, and is saturated at a working rate of 30% or more and 85% or less by saturation when the 500 ° hardness exceeds the required hardness. The required hardness is ensured stably even after inter-machining, and stable high-temperature strength is ensured regardless of the part of the applied part, even in the applied part where the processing rate varies depending on the part, such as an engine valve. Is done. As a result, it is possible to use the invention steel having excellent high-temperature strength and low cost for application parts having different processing rates and various application parts having different processing rates.
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。 By manufacturing the intake valve of the internal combustion engine by cold forging the material made of the steel of the invention, an intake valve excellent in high temperature strength at 500 ° C. can be obtained at low cost, and the processing rate varies depending on the part. Stable high-temperature strength is ensured regardless of the location of the intake valve. Furthermore, by subjecting the final processed product that has been subjected to the finishing process to nitriding treatment, an intake valve with improved high-temperature strength and improved fatigue strength can be obtained.
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。 In addition, in the said embodiment, invention steel was used as a material of the application part shape | molded by cold forging, However, It can also be used as a material of the application part shape | molded only by cold processing other than cold forging. .
１…素材、２，３…中間加工品、４…最終加工品。
1 ... Material, 2, 3 ... Intermediate processed product, 4 ... Final processed product.
Claims (4)
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は、前記各合金元素を重量％での数値として、次式で定義され、強度パラメータＸ２は、５００°Ｃで、低負荷環境で所要硬度１６０ＨＶ以上の硬度を、また高負荷環境で所要硬度２００ＨＶ以上の硬度を得るためのパラメータであって、前記各合金元素を重量％での数値として、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 The essential alloy elements are C: 0.20 to 1.10, Si: 1.00 or less, Mn: 1.50 or less, Ni: 1.00 or less, Cr: 0.50 to 2.00, Mo by weight%. : 0.10 to 1.00, optional alloying elements in weight% V: 0.00 to 0.50,
The amount of each alloy element added satisfies the following cold workability parameter X1 and strength parameter X2, and the steel for cold work has a composition in which the balance is Fe .
X1 ≦ 1.30
X2 ≧ 2.00
Here, the cold workability parameter X1 is defined by the following formula using the values of each alloy element in weight%, and the strength parameter X2 is 500 ° C. and has a required hardness of 160 HV or higher in a low load environment. Further, it is a parameter for obtaining a required hardness of 200 HV or higher in a high load environment, and is defined by the following equation as a numerical value in terms of weight% for each of the alloy elements.
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
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