JPH04193932A

JPH04193932A - エンジンバルブ用耐熱合金

Info

Publication number: JPH04193932A
Application number: JP32491190A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Uehara; 利弘上原
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1990-11-27
Filing date: 1990-11-27
Publication date: 1992-07-14

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］本発明は、自動車等の内燃機関に用いられるエンジンバ
ルブ用耐熱合金に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、地球的規模の環境汚染の問題に対し、従来にもま
して、省エネルギー化、排気ガスの清浄化が求められて
いる。このような目的に対し、自動車等の内燃機関の燃
焼温度の上昇は避けられず、とりわけ負荷の大きいエン
ジンバルブ材の材質改善が強く待ち望まれている。

これまでに、排気バルブ鋼としては、高温強度、ガソリ
ン中に含まれる鉛や硫黄に対する耐食性、および耐酸化
性が適度に優れ、しかも安価な利点を有する高Ｍｎ系耐
熱鋼として知られる２】−４Ｎ鋼（０，５５Ｃ〜０．２
５１−９Ｍｎ−４Ｎｉ−２１Ｃｒ〜０．４Ｎ）をベース
として特公昭６１−２０６２３号、特開昭６０〜７７９
６４号、特開昭５９−２１１５５７号、特開昭６３−８
９６４５号、特開平１−７９３５１号、特開平１−２１
９１４７号などの鋼が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］エンジンバルブ材は、燃焼温度の上昇に伴って、バルブ
傘部のクリープ現象とバルブの首下部の疲労強度が特に
問題となってくる。

２ｌ−４Ｎ鋼の改良を目的とした上述の鋼は、基本的に
はいずれも炭素量が高く、炭窒化物の析呂によって強化
される。しかしながら、このような強化機構では、９０
０℃以上の温度でのクリープラブチャー強度、あるいは
８００℃以上の温度での疲労強度の両方を同時に満足す
るような特性は得られず、エンジンの高温燃焼に耐える
エンジンバルブ用合金は、ないのが現状である。

本発明の目的は、前記の温度以上でのクリープラブチャ
ー強度と疲労強度を同時に満足するエンジンバルブ用耐
熱合金を提供することである。

［課題を解決するための手段］本発明者は、従来の炭窒化物の析出強化型合金と異なり
、以下の３つの機構を利用してグリープラブチャー強度
と疲労強度に優れた合金を見出すに至った。

■侵入型固溶強化元素であるＮと、置換型固溶強化元素
であるＷやＭＯの相互作用（一般にＩ−３効果と呼ばれ
ている）による強度向上。

■上記のＷやＭｏの固溶度を高めるためにＮｂを添加し
て、ＣはＮｂＣとして固着するとともに二のＮｂＣのピ
ニング効果を利用した高温での固溶化処理による強度向
上。

■Ｃｏ添加による積層欠陥エネルギーの低下に伴う疲労
強度の向上。

すなわち、本発明は、重量％で、Ｃ０．０１％以上０．
２０％未満、Ｓｉ　１．０％以下、Ｍｎ　８．０〜１５
．０％、Ｎ１１０．０％を越え１５．０％以下、Ｃｒ　
１８．０〜２３．０％、Ｗｌ、０〜７．０％、Ｍｏ　１
．０〜５．０％、Ｇｏ　１．０〜５．０％、Ｎ　０．３
５〜０．６５％、Ｎｂ　０．５０〜０．９０％、Ｂ　０
．００１〜０．０２％、および不可避の不純物を含み、
残部Ｆｅの組成からなることを特徴とするエンジンバル
ブ用耐熱合金である。

〔作用］以下、本発明における数値の限定理由を述べる。

ＣはＮｂと結び付いてＮｂＣを生成し、高温での固溶化
処理中の粒成長を防止するとともに常温での強度を高め
る作用を持つ。そのために、Ｃは最低０．０１％を必要
とするが、０．２０％以上の過度の添加は、ＷやＭＯの
炭化物を生成し、本発明が目的とするレベルの高温強度
が得られなくなるので、Ｃは０．０１％以上０．２０％
未満とする。

Ｓｉは溶解時の脱酸側、ならびに高温での耐酸化性を付
与するのに有効な元素であるが、１．０％を越えるＳｉ
は高温強度を低下させるので、Ｓｌは１．０％以下とす
る。

Ｍｎは、基地のオーステナイトを安定化させ、高価なＮ
ｉ、Ｃｏの代替元素として作用する。さらにＭｎはＮの
溶解度を高めるとともに、Ｎとの組み合わせでｐｂ○に
対する耐食性の改善に効果をもたらすため、最低８．Ｏ
ｚ必要である。しかし、１５％を越えるとＣｒとの相乗
作用で有害なシグマ相を生成するとともに高温強度と靭
性を低下させるので、Ｍｎは８．０〜１５．０％とする
。

Ｃｒはバルブ用耐熱鋼の耐食性、耐酸化性向上に不可欠
な元素であり、最低１８％を必要とする。

しかし、２３％を越えるとシグマ相が析出し易くなると
ともに高温強度が低下するので、Ｃｒは１８．０〜２３
，０％に限定する。

Ｎｉは基地のオーステナイトを安定化させるために必要
な元素であり、強度、耐酸化性、耐食性を保つために、
１０％を越える添加を必要とする。

しかし、過度の添加は本発明合金の主要強化元素である
Ｎの固溶度を減するばかりでなく、いたずらに合金を高
価にするのでＮｉは１０．０％を越え１５．０２以下と
する。

ＷとＭｏは、本発明合金の主要強化元素であり、Ｎとと
もにＩ−３効果によって、高温強度を高める。また、両
者は同族の元素であるが、それぞれを単独に添加する場
合よりも複合添加した場合の方が窒化物の固溶温度域が
拡がる。ただし、過度の添加はやはりＷとＭｏの窒化物
を生成することになるため、Ｗは１．０〜７．０％、Ｍ
ｏは１．０〜５．０％にそれぞれ限定する。

ＣＯは積層欠陥エネルギーを低下させて高温における疲
労強度を向上させる効果をもち、疲労強度向上に必須の
元素である。そのために最低１．０％を必要とするが、
５．０％を越える過度の添加はＮの固溶度を低下させる
ため、Ｃｏは１．０〜５．０％に限定する。

ＮはＣと並ぶ強いオーステナイト生成元素であるが、本
発明合金の成分範囲においてはＣと異なってＮｂ、Ｍｏ
、Ｗ、Ｃｒ等の合金元素とほとんど化合物を作らず、侵
入型固溶強化元素としてＷ、ＭｏとともにＴ−８効果に
よって、高温強度の向上に役立つ。そのためにＮは最低
０．３５％を必要とするが、本発明鋼の成分範囲では、
Ｎの溶解度は最大０．６５％であるので、Ｎは０．３５
〜０．６５％に限定する。

ＮｂはＣとＮｂＣを生成することで、固溶化処理中の異
常粒成長を抑制する整粒化作用を持ち、固溶化処理温度
を高めることができる。その結果、副次的にＷやＭＯの
均質な固溶を促進させる効果を持つ。さらにＮｂは溶湯
中のＮの活量を下げて溶解度を高める。Ｎｂはこれらの
理由により、Ｎｂは最低０．５０％を必要とするが、０
．９０％を越える過度の添加は耐酸化性を劣化させるた
め、Ｎｂは０．５０〜０．９０％に限定する。

Ｂは微量添加によって、結晶粒界に偏析し、クリープ破
断強度と熱間加工性改善に役立つが、そのために有効な
量は０．００１−０．０２χである。

本発明に係わるニンジンバルブ用耐熱鋼は、上記の主要
元素のほか、下記に示す不可避の不純物と残部Ｆｅから
構成される鉄基の合金である。

Ｐ≦０．０５％、Ｓ≦０．０３％、Ｃａ≦０．０２％、
Ｍｇ≦０．０２％、Ｚｒ≦０．１％、　　Ｃｕ≦０．３
％、■≦０．１％、Ｔａ≦０．１％［実施例］第１表に示す組成の本発明鋼、比較鋼および従来鋼を大
気誘導炉にて溶製し、ｌｏｋｇのインゴットに鋳造した
後、インゴットを１１５０℃に加熱して２５吋角の棒材
に鍛伸した。固溶化処理は、１１５０℃で３０分保持後
、空冷とし、さらに７５０℃で４時間保持後、空冷の時
効処理を行なった。その後、所定の試験片形状に加工し
、クリープ破断試験、回転曲げ疲労試験を行ない、それ
ぞれ、９００℃における１００時間クリープ破断強度、
および８００℃における１０“回での疲労強度を求めた
。

これらの実験結果を第１表に併記する。試料Ｎｏ、１−
５は、本発明合金、Ｎｏ、１ｌ−１４は比較合金、Ｎｏ
、２Ｉ、２２は従来合金である。従来合金のうち。

Ｎｏ、２１は２１〜４Ｎ鋼であり、Ｎｏ、２２は２ｌ−
４Ｎ鋼よりもクリープ破断強度に優れた特公昭６１−２
０６２３号に記載された高Ｍｎ耐熱鋼である。

本発明合金は、いずれも比較合金や従来合金に比べて高
いクリープ破断強度と疲労強度を兼備していることがわ
かる。特に、本発明合金ＮＯ１２では、高い強度が得ら
れ、これはＮ含有量が高いことに起因する。

これらの本発明合金に対し、比較合金Ｎｏ、ＩＩのよう
にＷとＭｏのバランスが悪くなるとＷとＭＯの窒化物の
固溶が不十分となって、本来、基地に固溶すべき合金元
素が析出することによって高温強度が低下してしまう。

また、Ｎｏ、１２のようにＮが低くても強度は低下する
し、Ｎｏ、　１３のようにＣＯ無添加材では、本発明合
金に対し、疲労強度が低下しており、Ｃｏは本発明合金
に必須の添加元素であることがわかる。さらに、Ｎｏ、
１４のようにＮｂ無添加材では、１１５０℃の固溶化処
理の際に、結晶粒が粗大化してしまい、クリープ破断強
度は本発明合金並みとなるが、疲労強度が低下してしま
う。

従来合金に関しては、確かにＮｏ、２２はＮｏ、２１を
上回るクリープ破断強度と疲労強度を示すが、これらは
本発明合金どころか、比較合金にも及ばず、本発明合金
が、従来の２１−４Ｎ系のエンジンバルブ用耐熱鋼に対
し、はるかに優れた強度をもっているかがわかる。

（発明の効果］本発明の耐熱合金によれば、従来２ｌ−４Ｎ系のエンジ
ンバルブ用耐熱鋼が達成し得なかった８００℃以上の高
温域での高いクリープ破断強度と疲労強度を得ることが
できる。その結果、自動車エンジンバルブの使用温度を
高めることが可能となり、高出力、高効率のエンジンが
製造可能となる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で、Ｃ０．０１％以上０．２０％未満、Ｓ
ｉ１．０％以下、Ｍｎ８．０〜１５．０％、Ｎｉ１０．
０％を越え１５．０％以下、Ｃｒ１８．０〜２３．０％
、Ｗ１．０〜７．０％、Ｍｏ１．０％〜５．０％、Ｃｏ
１．０〜５．０％、Ｎ０．３５〜０．６５％、Ｎｂ０．
５０〜０．９０％、Ｂ０．００１〜０．０２％、および
不可避の不純物を含み、残部Ｆｅの組成からなることを
特徴とするエンジンバルブ用耐熱合金。