JPH07109539A - Fe−Ni−Cr基超耐熱合金、エンジンバルブおよび排ガス触媒用ニットメッシュ - Google Patents
Fe−Ni−Cr基超耐熱合金、エンジンバルブおよび排ガス触媒用ニットメッシュInfo
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- JPH07109539A JPH07109539A JP5621994A JP5621994A JPH07109539A JP H07109539 A JPH07109539 A JP H07109539A JP 5621994 A JP5621994 A JP 5621994A JP 5621994 A JP5621994 A JP 5621994A JP H07109539 A JPH07109539 A JP H07109539A
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Abstract
ュ材などに適した、長時間加熱後の高温強度と常温延性
に優れ、かつ十分な耐酸化性を有する省資源のFe-Ni
基超耐熱合金を提供する。 【構成】 重量%でC0.15%以下,Si1.0%以
下,Mn3.0%以下,Ni30〜49%,Cr10〜
18%,Al1.6〜3.0%を含み、IVa賊とVa
族から選ばれる1種または2種以上の元素を合計で1.
5〜8.0%含有し、残部は不純物を除き本質的にFe
からなることを特徴とするFe−Ni−Cr基超耐熱合
金であり、必要に応じて特定範囲内でMo,W,Co,B,M
g,Ca,Y,REMを添加することができる。
Description
Fe−Ni−Cr基超耐熱合金と、この合金を用いて製
造される自動車用エンジンバルブおよび自動車用排ガス
触媒用ニットメッシュに関するものである。
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とともに一方では、部品の省資源化
が望まれている。このような目的に対し、自動車等の内
燃機関においてもっとも高温で高い応力下に曝されるエ
ンジンバルブ材や排気ガスメッシュ材などの高品質部材
の省資源化が強く待ち望まれている。
ジンの排気バルブ用材料としては、高Mn系のオーステ
ナイト鋼であるSUH35(Fe−8.5Mn−21C
r−4Ni−0.5C−0.4N)が広く使用されてき
たが、一部使用温度の高温化に伴ってNi基超耐熱合金
であるNCF751(Ni−15.5Cr−1Nb−
2.3Ti−1.2Al−7Fe)が用いられるように
なってきた。しかし、NCF751はNiを約70%も
含むためにSUH35に比べて非常に高価である。そこ
で、NCF751よりも省資源で、かつできるだけNC
F751に近い高温強度と長時間加熱後の組織安定性を
有する合金開発が行なわれてきた。その結果、例えば特
公平1−12827号、特開昭62−214149号、
特開昭58−189359号、特開昭63−21363
1号、特開昭61−238942号、特公昭62−50
542号、特公平4−11613号、特開昭60−21
1028号等多くの提案がある。
用ガソリン燃料は、排ガスの清浄化要求に対して、無鉛
化対策が進められるようになり、無鉛ガソリン専用エン
ジンが主流となりつつある。自動車エンジンバルブや排
ガス触媒用ニットメッシュ材のようにエンジン部品のな
かでも特に高温で使用される部材にとっては、無鉛化は
腐食環境の改善につながり、NCF751と同レベルの
耐酸化性さえ有すればよく、従来問題とされていた酸化
鉛に対する耐食性は、考慮せずともよくなった。一方
で、自動車の保証期間の延長に伴って、耐久性に関して
は性能改善が要求されるようになり、高温長時間使用後
の材料の強度低下ならびに脆化が極力少ない合金が要求
されるようになってきた。
3−213631号、特公平4−11613号および特
開昭60−211028号で提案される合金は、NCF
751に近い高温強度と長時間組織安定性が得られる
が、Ni含有量が50%を超えるために、NCF751
よりも十分に省資源化と低価格化が計れていない。ま
た、特公平1−12827号、特開昭62−21414
9号、および特開昭58−189359号で提案される
合金は、Cr含有量が高いために耐酸化性・耐食性には
優れるがCrに富んだσ相やα’相等の常温の延性を劣
化させる異相が析出する。一方、特開昭61−2389
42号および特公昭62−50542号で提案される合
金は、低Ni、低Alの合金組成のため、長時間加熱時
に析出強化相であるγ’(ガンマプライム)相の粗大化
や、γ’相からη(イータ)相への変態が生じて長時間
加熱後の高温強度の低下量が大きくなる。
達成し得なかった長時間加熱後の高温強度と常温延性に
優れ、併せて十分な耐酸化性を有する省資源のFe−N
i−Cr基超耐熱合金を提供すること、さらにはこの合
金を用いて製造されるエンジンバルブおよび排ガス触媒
用ニットメッシュを提供することにある。
測する手段として、本研究では800℃にて400時間
加熱した試料を作製し、800℃での引張強度ならびに
回転曲げ疲労強度を測定することにより、合金の長時間
加熱後の高温強度を測定した。一方でこの試料の常温(2
0℃)Uノッチシャルピー衝撃試験を実施し、その衝撃値
から材料の靭性を評価した。さらに耐酸化性について
は、850℃にて400時間加熱後の重量変化を測定し
た。
手法を用いることにより、省資源のために50%を超え
ないNi量で、かつ目的を満足する合金を新規に発明す
るに至った。 (1) Ni3(Al,IVa,Va)からなるγ’相において、原子%
で表される1.8[Al]/([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[T
a])の量を高めることにより、γ’相を安定化させた
(これは、Al量単独の増加にもつながる)。この考え
に基づき、Al量を重量%で1.6〜3.0%とし、さ
らに原子%で表される[Al]/([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+
[Nb]+[Ta])量比を0.45〜0.75の範囲とすること
で、従来のFe-Ni-Cr基合金で問題となっていた長時間加
熱時のγ’相からη相やδ相への変態による高温強度の
低下を防ぐことができた。また、このAl量の増量は、
高温加熱時にAl2O3の生成量を増し、(3)のCr量の低下
による耐酸化性の低下を補完する働きももつ。50%を
下回るNi量と20%以下のCr量を含有するFe-Ni-Cr
基超耐熱合金において、このような高Alと高1.8[Al]/
([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])量を有する従来
合金はなく、まったく新規の発明である。
強度の低下をγ’相の増量で補う。これらは従来合金と
一部重複するIVa族およびVa族の添加量に加え、さ
らに高いAl量を添加することで達成された。さらに詳細
には、目的とする強度を得るためのγ’量は原子%で表
される([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])の量と相
関があり、この値を従来の鍛造合金よりも高い6.5〜
10.0の範囲に管理することで、短時間高温強度の向
上が可能になった(この量の4倍が計算γ’量とな
る)。このように高い計算γ’量がエンジンバルブ用な
どの鍛造合金で、実用化されたことはなく、この点も全
く新規の発明である。Ni量が50%以上のNi基超耐
熱合金の場合、γ’相が高温まで安定となりこのレベル
のγ’量では熱間加工が困難となる。また、(1)で示し
た[Al]/([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])量が低い
合金の場合も,IVa族およびVa族の固溶強化とγ’
相の格子ひずみ量の増加によって、熱間加工が困難とな
る。よって、このような高い計算γ’量はNi量が50
%を超えず、かつ(1)で示した[Al]/([Al]+[Ti]+[Zr]+[H
f]+[V]+[Nb]+[Ta])量が高い場合のみ加工できることを
見出した。
Crに富んだ脆化相が析出しないようマトリックスのC
r量を耐酸化性を劣化させない最小限の添加に留める。
さらに、Crと同族の元素であるMoとWの添加量につ
いても必要に応じて、重量%を原子%に換算した場合の
総和で定めた。上記(1),(2)とこのCr量の最適化もま
ったく新規の組み合わせであり、これらを同時に実施す
ることにより目的とする長時間加熱後の強度と延性を兼
備する合金を得ることができた。
以下,Si1.0%以下,Mn3.0%以下,Ni30
〜49%,Cr10〜18%,Al1.6〜3.0%を
含み、IVa族とVa族から選ばれる1種または2種以
上の元素を合計で1.5〜8.0%含有し、残部は不純
物を除き本質的にFeからなるFe−Ni−Cr基超耐
熱合金を基本組成とし、必要に応じてMo3%以下とW
3%以下の1種または2種を含有できる。
i0.5%以下,Mn1.0%以下,Ni30〜49
%,Cr13〜18%,Al1.6〜3.0%,Ti
1.5〜3.0%,Nb0.3〜2.5%を含み、残部
は不純物を除き本質的にFeからなるFe−Ni−Cr
基超耐熱合金であり。これも必要に応じてMo3%以下
とW3%以下の1種または2種を含有できるが、Moを
単独で3%以下含有させるのがより好ましい。さらに望
ましい範囲は、重量%でC0.08%以下,Si0.2
%以下,Mn0.5%以下,Ni30〜45%,Cr1
3.5〜16%,Mo0.1〜1.0%,Al1.8〜
2.4%,Ti2.0〜3.0%,Nb0.5〜1.5
%である。これらの合金は、必要に応じて重量%で5%
以下のCoを、Ni+Co≦49の範囲で含むことがで
きる。
添加とし、IVa族およびVa族から選ばれる1種また
は2種以上の元素が,以下の関係式を満たす範囲で添加
するのがよい。 6.5≦[Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta]≦10.0 0.45≦[Al]/([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])≦0.
75 より好適な関係式を満たす範囲は、 6.5≦[Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta]≦8.5 0.50≦[Al]/([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])≦0.
60 である。
添加とし,さらにMoおよびWの1種または2種が、1
3≦[Cr]+[Mo]+[W]≦18の範囲で含むこ
とが望ましい。これらの合金は、必要に応じて0.01
5%以下のB、0.02%以下のMgと0.02%以下
のCaの1種または2種、さらに、0.1%以下のYと
0.1%以下の希土類元素(以下REMという)の1種
または2種を適宜含むことができる。これらの組成を有
する合金の一部は、800℃にて400時間加熱後のU
ノッチシャルピー衝撃値が0.5MJ/m2以上であること
を特徴とする。さらに,800℃にて400時間加熱後
の800℃−294MPaにおける回転曲げ疲労試験の
破断回数が0.5×106回以上であることを特徴とす
る。また、これらのFe−Ni−Cr基超耐熱合金を用
いて製造される自動車用エンジンバルブと自動車用排ガ
ス触媒用ニットメッシュは、従来にない優れた特性を有
する。
MC炭化物を形成し、結晶粒の粗大化防止やクリープ破
断延性の改善に役立つため、少量添加する必要がある。
しかし、0.15%を超える過度の添加は、長時間加熱
時にMC炭化物からM23C6炭化物への分解反応が多量
に生じて、常温における粒界の延性を低下させる。よっ
て、Cは0.15%以下の添加とする。好適なCの範囲
は、0.08%以下である。
として添加されるが、いずれも過度の添加は高温強度の
低下を招くため、Siは1.0%以下,Mnは3.0%
以下にそれぞれ限定する。好適には、Siは0.5%以
下,Mnは1.0%以下である。さらに望ましくは、S
iは0.2%以下、Mnは0.5%以下である。
するとともに高温強度も高める。さらに、γ’相の構成
元素として、必須の添加元素である。Niが30%を下
回るとγ’相の析出が不十分となり、高温強度が低下す
る。一方、Ni量が49%を超えるとNCF751の省
資源材として価格上のメリットがなくなるため、Ni量
は30〜49%の範囲に限定する。より望ましいNiの
範囲は、30〜45%である。
欠の元素であり、自動車用等の耐熱部品としての耐酸化
性を保証するために最低10%は必要であるが、18%
を超えると組織が不安定となり、Crに富んだα’相ま
たはσ相などの有害脆化相を生成し、クリープ破断強度
と常温延性の低下を招くので、Crは10〜18%とす
る。好適なCr量は13〜18%で、より望ましいCr
量は13.5〜16%である。
相を析出させて所望の高温強度を得るために本発明にお
いて不可欠な元素であり、最低1.6%を必要とする
が、3.0%を越えると熱間加工性が劣化するので、
1.6〜3.0%に限定する。また、この高いAl量
は、高温加熱時にAl2O3の生成量を増し耐酸化性の向上
にも寄与する。より望ましいAl量は1.8〜2.4%
である。50%を下回るNi量と20%以下のCr量を
含有するFe-Ni基超耐熱合金の範疇にあって、このよう
にAlの添加量の高い合金は、これまでまったく存在せ
ず、この点が本発明のもっとも特徴とするところの1つ
である。
いて、AlとともにNiと結びついてガンマプライム相
を析出させ高温強度を高める作用があり、1種または2
種以上を合計で1.5%以上添加する必要がある。しか
し、これらの元素が合計で8.0%を越えると高温長時
間加熱時にガンマプライム相が不安定となってη相やδ
相等のγ相と非整合の金属間加工物を生成しやすくな
り、また熱間加工性も害するようになる。よってIVa
族、Va族の元素は、1種または2種以上を合計で1.
5〜8.0%の添加とする。より望ましい範囲は、3.
0〜5.0%である。
添加がもっとも好ましく、好適なTiの添加量は、1.
5〜3.0%の範囲である。より望ましいTiの範囲は
2.0〜3.0%である。また、ZrとHfは、γ相へ
の固溶度がTiよりも低く、Tiほど多量に添加できな
い。反面、一部が結晶粒界に偏析して、高温域での粒界
強度を高める作用ももつ。また、Va族の元素において
は、Nbの添加がもっとも好ましく、好適なNbの添加
量は、0.3〜2.5%の範囲である。より望ましいN
bの範囲は、0.5〜1.5%である。一方、Vの場合
は、Nbよりも固溶強化作用が弱く、また、耐酸化性も
低下させるので、過度の添加は好ましくない。また、T
aの場合は、Nb以上にγ’相を固溶強化するが、希少
資源で価格が大幅に上昇することもあり、多量に添加す
るには至らない。
ともにオーステナイト基地を固溶強化し、高温疲労強度
と高温クリープ破断強度を高める効果をもつ。そのため
に必要に応じてMoとWの1種または2種をそれぞれ3
%以下の範囲で添加できる。しかし、合金価格と比重の
点ではMoの方が望ましく、その場合のより望ましいM
o量は0.1〜1.0%である。また、α’相やσ相の
析出にはCr量とあわせこれら3元素の原子%における
総和が効いてくるため、Crと同族の元素であるMoと
Wの添加量についても必要に応じて、重量%を原子%に
換算した場合の総和を一定値に保つことが望ましい。よ
って原子%で表される[Cr]+[Mo]+[W]量
は,13〜18とすることが望ましい。さらに望ましい
範囲は、15.0〜17.5の範囲である。Coはオー
ステナイト基地に固溶して、熱間加工域では、γ’相の
固溶を促進させ加工性を改善する一方、実用温度域で
は、γ’相の析出量を増加させ、高温強度を高める。そ
のために、Coは必要に応じて、Ni量と置換する形
で、Ni+Co≦49の範囲で添加することができる
が、CoはNiに比べて高価な元素であるため、上限は
5.0%とするのが良い。
a族元素およびVa族元素はそれぞれ単独に上述の成分
範囲を満足する必要があるだけでなく、ガンマプライム
構成元素として、それぞれの元素の総和ならびにAlの
比率を適正範囲とすることも重要である。前述のとお
り、Ni3(Al,IVa,Va)からなるγ’相において、原子%で
表される[Al]/([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])の
量を高めることで、γ’相を安定化することができる。
この[Al]/([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])比が
0.45に満たないと、長時間加熱時にγ’相からη相
やδ相への変態による高温強度の低下が生じやすくな
る。一方、この量比が0.75を超えるとγ’相が十分
に固溶強化されず、常温強度が低下する。よって、[Al]
/([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])比は0.45〜
0.75の範囲が望ましい。より望ましくは0.50〜
0.60の範囲である。
高温強度の低下をγ’相の増量で補うために、原子%で
表される([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])量につ
いても適性範囲に制御するのが良い。この値が、6.5
を下回ると、Ni量が50%を越える従来のFe-Ni-Cr基
超耐熱合金の強度に及ばないようになり、逆に10を超
えるとエンジンバルブ用等の熱間加工が困難となる。よ
って、原子%で表される([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[N
b]+[Ta])量は、従来の鍛造合金よりも高い6.5〜1
0.0の範囲に管理することで、短時間高温強度の向上
が可能となる。より好適な範囲は、7.0〜8.5であ
る。このように高い計算γ’量がエンジンバルブ用など
の鍛造合金で、実用化されたことはなく、この点も全く
新規の発明である。Ni量が50%以上のNi基超耐熱
合金の場合、γ’相が高温まで安定となりこのレベルの
γ’量ではエンジンバルブ等の強度の熱間加工が困難と
なる。
l]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])量が低い合金の場合
も,Ti,Nb,Ta等の元素の固溶強化とγ’相の格子ひずみ
量の増加によって、熱間加工が困難となる。よって、こ
のような高い計算γ’量はNi量が50%を超えず、か
つ[Al]/([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])量比が高
い場合のみ熱間加工が可能となる。上述の関係式で表さ
れる原子%のうち、無添加の元素については、ゼロとし
て計算する。
高温の強度と延性を高めるのに有効であり、本発明合金
に適量添加できる。その効果は少量の添加量から始まる
が、0.015%を超えると加熱時の初期溶融温度が低
下して熱間加工性が劣化するので、Bの上限は、0.0
15%とするのが良い。MgとCaは、強力な脱酸・脱
硫元素として合金の清浄度を高めるとともに、高温引張
やクリープ変形時さらに熱間加工時の延性改善に役立つ
ため、1種または2種を適量添加できる。その効果は少
量の添加量から始まるが、Mg,Caがそれぞれ、0.
02%を超えると加熱時の初期溶融温度が低下して熱間
加工性が劣化するので、MgおよびCaの上限は、それ
ぞれ0.02%とするのが良い。
耐酸化性を高めるのに有効であり、本発明合金に1種ま
たは2種を適量添加できる。その効果は少量の添加量か
ら始まるが、YおよびREMがそれぞれ、0.1%を超
えると加熱時の初期溶融温度が低下して熱間加工性が劣
化するので、YおよびREMの上限は、それぞれ0.1
%とするのが良い。なお、本発明合金をベースに、耐酸
化性を限界まで高めるために、ランタノイドの元素群の
中から最適な添加割合を求めることは容易であり、この
ような操作は、本発明の範囲を越えるものではない。
は、オーステナイト基地を固溶強化し、同時にγ’相の
析出も促進し、高温耐食性にも有効に働くため、本発明
合金に2.0%以下の範囲で添加してもよい。ただし、
希少資源で合金価格が大幅に高くなるので、過度に添加
する必要はない。Feは、省資源合金として安価なオー
ステナイト基地を形成するのに有効な元素である。ま
た、Niよりも高温域で基地を軟化させるので、上述の
強化合金元素量を含んでも熱間加工が可能となる。以上
の理由によりFeは不可避の不純物を除き残部とする。
また、不純物のうち、下記の元素については、以下に示
す範囲であれば本発明合金に含まれてもよい。 P≦0.04%, S≦0.02%, O≦0.02
%, N≦0.05% より望ましくは、以下の範囲である。 P≦0.02%, S≦0.005%, O≦0.01
%, N≦0.01% 以上述べたFe-Ni-Cr基超耐熱合金は、単一の真空溶解、
または真空溶解後のエレクトロスラグ再溶解や真空アー
ク再溶解等の精練工程を経て得られたインゴットを熱間
鍛造や熱間圧延等の加工工程を通して1次製品に仕上げ
られる。
に一般的に用いられる900〜1100℃の固溶化処理
と600〜800℃の時効処理を実施したのち実用に供
される。熱間加工が固溶化処理を兼ねる場合は、熱間加
工後、直接時効処理を実施してもよい。本合金はさらに
実用を模擬した長時間加熱処理、例えば、800℃にて
400時間程度の長時間加熱を実施したのちの状態でも
十分な常温の靭性・延性が得られる。これは従来の高C
rのFe−Ni−Cr基超耐熱合金では、得られなかっ
た特性で、具体的な数値としてはシャルピー衝撃値で
0.5MJ/m2以上の値が得られる。
来よりも各部品材の耐久性を改善する必要性が出てきた
ために、あらたに着目した特性である。自動車エンジン
用バルブ材として800℃で400時間加熱後の衝撃値
が0.5MJ/m2に満たないと長期使用後のエンジンを寒
冷地で急速に高温まで回転させた場合等に、靭性が不十
分なためにバルブの折損につながる可能性がある。した
がって、必要に応じ、本発明合金の800℃で400時
間加熱後の衝撃値は0.5MJ/m2以上に規定するのが良
い。また、本合金は同じく800℃にて400時間加熱
したのちの状態でも十分な疲労強度が得られる。エンジ
ンバルブのように高温で繰り返し応力が働く部材におい
て、寿命を律速する最大の因子は疲労であり、自動車の
保証期間の延長に伴い、バルブの性能を保証するために
は、800℃にて400時間加熱後の800℃−294
MPaの試験条件下での回転曲げ疲労破断回数が0.5
×106回以上に規定するのが良い。より望ましい破断
回数は2.5×106回以上である。本発明合金は、最
適な熱処理条件下においてこれらの疲労強度を満足する
ことができる。
優れた常温靭性と高い高温疲労強度を両立することがで
きる。これは、従来のFe−Ni−Cr基超耐熱合金で
は為し得なかった性能であり、本発明合金がもつ優れた
性質を具体的に表す数値である。さらに本合金製の熱間
圧延棒材を必要寸法に切断後、熱間据え込み鍛造や熱間
押し出しによって成型された自動車用エンジンバルブ
は、高温疲労強度、高温硬度、組織安定性、耐酸化性お
よび長時間加熱後の常・高温強度に優れたバルブフェー
ス部の肉盛り不要の安価な省資源バルブであり、自動車
の経済性に大きく寄与することができる。なお、このエ
ンジンバルブは、種々のプロセスによる表面窒化や各種
硬質めっきを施して使用することもできる。さらに軸部
側に各種耐熱鋼や高硬度の合金工具鋼を溶接した接合バ
ルブとしても使用できる。また、種々の加工方法によ
り、中空エンジンバルブとして使用するとさらに耐久性
が向上する。
理した状態から冷間あるいは温間加工と焼鈍の繰り返し
により、最小直径0.2mm程度のワイヤーに加工し、排ガ
ス触媒のセラミック担体を支えるニットメッシュに成形
すると、従来のニットメッシュ材であるSUS310S等のス
テンレス鋼に比べてより優れた耐酸化性と高温強度を有
するため、高い信頼性と耐久性に優れたニットメッシュ
が得られる。
って10kgのインゴットにした後、熱間加工によって3
0mm角の棒材を作成した(REMはミッシュメタルとし
て添加)。これに1050℃×30分保持後水冷の固溶
化処理と750℃×4時間保持後空冷の時効処理を行な
い、この標準熱処理ままおよびさらにこの状態から80
0℃×400時間保持した後の常温硬さ、常温シャルピ
ー衝撃試験、常温および800℃の引張試験、800℃
−294MPaの条件下での回転曲げ疲労試験を実施し
た。さらに850℃×400h加熱時の耐酸化性につい
ても調査した。常温硬度は、ロックウェル硬度計により
測定した。シャルピー衝撃試験は試験温度20℃で、J
IS法により、2Uノッチ3号試験片を用いて測定し
た。また、引張試験はASTM法により、平行部直径6.
35mm、伸び4Dにて測定した。回転曲げ疲労試験は、J
IS Z2274号に従い、平行部直径8mmの試験片を
用いて、回転数3600回転で、試験片が破断するまで
の回数を求めた。さらに耐酸化試験は直径10mm、長さ20
mmの丸棒試験片を用いて850℃×400時間加熱前後
の重量測定による酸化重量変化を評価した。各種試験結
果を表2に示す。
o.31〜33は比較合金、No.41は特公平4−1
1613号に開示される従来合金である。表1の各種化
学組成に併記したA値、B値、およびC値は、それぞれ
原子%で表される[Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta]
量、[Al]/([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])量、お
よび[Cr]+[Mo]+[W]量である。なお、これらの計算にあ
たって、REMの添加量はLaの原子量を代表値として
用いた。また、A値とB値の関係を図1に示す。本発明
合金の各種機械的性質および耐酸化性は、60%のNi
を含む従来合金No.41と同等以上の優れた特性が得
られており、いかに本発明合金が省資源の優れた耐熱合
金であるかがわかる。
造時に割れが発生し評価試験を実施しなかった。これは
表1のIVa族とVa族の和が8.2%と高く、併せて
A値が高すぎたことによるものである。また、No.3
2は図1に示すように、A値およびB値は本発明合金と
同じレベルにあり、標準熱処理後の機械的性質は優れて
いるが、長時間加熱後の常温の引張絞り、およびシャル
ピー衝撃値が大きく低下している。これは、Cr量およ
びC値が高すぎるために結晶粒界にσ相が析出したため
である。また、No.33は標準熱処理後の機械的性質
は優れているが、長時間加熱後の高温引張強度と回転曲
げ疲労破断回数が本発明合金に比べて低く、また常温の
引張絞りやシャルピー衝撃値の低下量が大きい。これら
はAl量と図1に示すようにB値が低いために長時間加
熱中にγ’相の粗大化とγ’相からη相への変態が生じ
たためである。
さらに熱間鍛造と切削および研削加工により、直径6mm
の丸棒に仕上げた。さらにこの丸棒の1端を熱間据え込
みにより、エンジンバルブの形状に成形した。このエン
ジンバルブと特公平4−11613号に開示される従来
合金製の量産エンジンバルブを実施例1に記載の標準熱
処理を実施した後、無鉛ガソリン仕様のエンジンテスタ
ーを用いてベンチテストを実施した。試験条件は高速高
温連続耐久試験として、バルブの最高温度が780〜8
30℃となる条件を選び、400時間の連続運転を行な
った。試験終了後、本発明合金と従来合金製のエンジン
バルブの形状変化および断面の腐食状況を確認したとこ
ろ、両者ともまったく実用に問題ないレベルの性状であ
ることが確認できた。
2製の6mmの丸棒を冷間引抜と焼鈍の繰り返しで、直径
0.25mmのワイヤーに加工したのち、排ガス触媒用セラミ
ック担体のニットメッシュに成形した。この触媒ユニッ
トを実施例2のベンチテスト時に同時に組み入れ、ニッ
トメッシュとしての性能を調査した。ニットメッシュの
温度はバルブの温度よりさらに高温であるが、試験終了
後、本発明合金製のニットメッシュはクリープ変形や異
常酸化を起こすことなく、排ガスニットメッシュとして
も優れた性能を有することがわかった。
用される50%以上のNiを含むNi基超耐熱合金と同
等以上の優れた組織安定性、長時間加熱後の優れた常温
・高温の引張性質、高温耐酸化性、優れた高温疲労特性
および耐食性を有する省資源かつ安価なFe−Ni−C
r基超耐熱合金が得られ、この合金を用いたエンジンバ
ルブや排ガス触媒用ニットメッシュを自動車エンジンに
使用すると経済性と耐久性にすぐれた信頼性の高いエン
ジンを製造することができる。
うち、[Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta]と、[Al]/
([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])の関係をプロッ
トした図である。
Claims (17)
- 【請求項1】 重量%でC0.15%以下,Si1.0
%以下,Mn3.0%以下,Ni30〜49%,Cr1
0〜18%,Al1.6〜3.0%を含み、IVa族と
Va族から選ばれる1種または2種以上の元素を合計で
1.5〜8.0%含有し、残部は不純物を除き本質的に
Feからなることを特徴とするFe−Ni−Cr基超耐
熱合金。 - 【請求項2】 重量%でC0.15%以下,Si1.0
%以下,Mn3.0%以下,Ni30〜49%,Cr1
0〜18%,Mo3%以下とW3%以下の1種または2
種,Al1.6〜3.0%を含み、IVa族とVa族か
ら選ばれる1種または2種以上の元素を合計で1.5〜
8.0%含有し、残部は不純物を除き本質的にFeから
なることを特徴とするFe−Ni−Cr基超耐熱合金。 - 【請求項3】 重量%でC0.08%以下,Si0.5
%以下,Mn1.0%以下,Ni30〜49%,Cr1
3〜18%,Al1.6〜3.0%,Ti1.5〜3.
0%,Nb0.3〜2.5%を含み、残部は不純物を除
き本質的にFeからなることを特徴とするFe−Ni−
Cr基超耐熱合金。 - 【請求項4】 重量%でC0.08%以下,Si0.5
%以下,Mn1.0%以下,Ni30〜49%,Cr1
3〜18%,Mo3%以下とW3%以下の1種または2
種,Al1.6〜3.0%,Ti1.5〜3.0%,N
b0.3〜2.5%を含み、残部は不純物を除き本質的
にFeからなることを特徴とするFe−Ni−Cr基超
耐熱合金。 - 【請求項5】 重量%でC0.08%以下,Si0.5
%以下,Mn1.0%以下,Ni30〜49%,Cr1
3〜18%,Mo3%以下,Al1.6〜3.0%,T
i1.5〜3.0%,Nb0.3〜2.5%を含み、残
部は不純物を除き本質的にFeからなることを特徴とす
るFe−Ni−Cr基超耐熱合金。 - 【請求項6】 重量%でC0.08%以下,Si0.2
%以下,Mn0.5%以下,Ni30〜45%,Cr1
3.5〜16%,Mo0.1〜1.0%,Al1.8〜
2.4%,Ti2.0〜3.0%,Nb0.5〜1.5
%を含み、残部は不純物を除き本質的にFeからなるこ
とを特徴とするFe−Ni−Cr基超耐熱合金。 - 【請求項7】 重量%で5%以下のCoを、Ni+Co
≦49の範囲で含むことを特徴とする請求項1〜6のい
ずれかに記載のFe−Ni−Cr基超耐熱合金。 - 【請求項8】 原子%で、Alを必須添加とし、さらに
IVa族およびVa族から選ばれる1種または2種以上
の元素が,以下の関係式を満たすことを特徴とする請求
項1〜7のいずれかに記載のFe−Ni−Cr基超耐熱
合金。 6.5≦[Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta]≦10.0 0.45≦[Al]/([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])≦0.
75 - 【請求項9】 原子%で、Alを必須添加とし、さらに
IVa族およびVa族から選ばれる1種または2種以上
の元素が,以下の関係式を満たすことを特徴とする請求
項1〜7のいずれかに記載のFe−Ni−Cr基超耐熱
合金。 6.5≦[Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta]≦8.5 0.50≦[Al]/([Al]+[Ti]+[Zr]+[Hf]+[V]+[Nb]+[Ta])≦0.
60 - 【請求項10】 原子%でCrを必須添加とし,さらに
MoおよびWの1種または2種が、13≦[Cr]+
[Mo]+[W]≦18の範囲で含まれることを特徴と
する請求項1〜9のいずれかに記載のFe−Ni−Cr
基超耐熱合金。 - 【請求項11】 重量%で、0.015%以下のBを含
むことを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の
Fe−Ni−Cr基超耐熱合金。 - 【請求項12】 重量%で、0.02%以下のMgと
0.02%以下のCaの1種または2種を含むことを特
徴とする請求項1〜11のいずれかに記載のFe−Ni
−Cr基超耐熱合金。 - 【請求項13】 重量%で、0.1%以下のYと0.1
%以下のREMの1種または2種を含むことを特徴とす
る請求項1〜12のいずれかに記載のFe−Ni−Cr
基超耐熱合金。 - 【請求項14】 800℃にて400時間加熱後の20
℃におけるUノッチシャルピー衝撃値が0.5MJ/m2以
上であることを特徴とする請求項1〜13のいずれかに
記載のFe−Ni−Cr基超耐熱合金。 - 【請求項15】 800℃にて400時間加熱後の80
0℃−294MPaにおける回転曲げ疲労試験の破断回
数が0.5×106回以上であることを特徴とする請求
項1〜14のいずれかに記載のFe−Ni−Cr基超耐
熱合金。 - 【請求項16】 請求項1〜15のいずれかに記載のF
e−Ni−Cr基超耐熱合金を用いて製造される自動車
用エンジンバルブ。 - 【請求項17】 請求項1〜15のいずれかに記載のF
e−Ni−Cr基超耐熱合金を用いて製造される自動車
用排ガス触媒用ニットメッシュ。
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