BRPI1100940A2

BRPI1100940A2 - aço resistente ao calor para válvula de escape

Info

Publication number: BRPI1100940A2
Application number: BRPI1100940-3A
Authority: BR
Inventors: Mototsugu Osaki; Shigeki Ueta; Takashi Tsuyumu
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-08-21
Also published as: US20110236247A1; CN102199739A; EP2371980A1; JP2011219864A

Abstract

AçO RESISTENTE AO CALOR PARA VáLVULA DE ESCAPE. A presente invenção refere-se a um aço resistente ao calor para uma válvula de escape, contendo: mais de 0,50% em massa, mas menos de 0,80% em massa de C, mais de 0,30% em massa, mas menos de 0,60% em massa de N, 17,0% em massa ou mais, mas menos de 25,0% em massa de Cr, 4,0% em, massa ou mais, mas menos de 12,0% em massa de Ni, 7,0% em massa ou mais, mas menos de 14,0% em massa de Mn, 2,0% em mas- sa ou mais, mas menos de 6,0% em massa de Mo, mais de 0,5% em massa, mas menos de 1,5% em massa de Si, e 0,025% em massa ou mais, mas menos de 1,0% em massa de Nb, com o saldo consistindo em Fe e as inevitáveis impurezas, no qual o teor de P contido nas inevitáveis impurezas é regulado para menos de 0,03% em massa, o teor total de C e N é de 0,85% em massa a 1,3% em massa, e a razão do teor de Nb para o teor de C é 0,05 ou mais, mas menos de 1,8.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "AÇO RESIS- TENTE AO CALOR PARA VÁLVULA DE ESCAPE"

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a aço resistente ao calor para vál- vulas de escape.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Uma válvula de entrada para introduzir um gás misto de com- bustível e ar em um cilindro e uma válvula de escape para descarregar o gás de combustão para fora do cilindro foram usadas em um motor. Dessas, a yálvula de escape é exposta a um gás de combustão a alta temperatura de modo que um material tendo excelentes propriedades a altas temperaturas *(por exemplo, dureza a alta temperatura, propriedades de fadiga, resistência ao desgaste e resistência à oxidação) tem sido usado na válvula de escape. Como material para a válvula de escape, foram conhecidas uma superliga à base de NI (por exemplo, NCF751), um aço austenítico resistente ao calor, por exemplo, SUH35) ou similar.

Superligas à base de Nl são um material no qual a fase γ' é dei- xada ser precipitada pelo tratamento de envelhecimento, aumentando assim a sua resistência e a sua resistência ao desgaste a alta temperatura. Super- ligas à base de Ni são caras, mas têm resistência ao calor extremamente alta. Consequentemente, uma válvula usando a mesma tem sido usada prin- cipalmente em um motor de alta potência exposto a uma temperatura de 800°C ou mais.

Por outro lado, aços austeníticos resistentes ao calor são um material no qual carbonetos do tipo M23C6 são deixados ser precipitados, aumentando assim sua resistência e sua resistência ao desgaste a alta tem- peratura. Os aços austeníticos resistentes ao calor são inferiores às superli- gas em propriedades a altas temperaturas, mas são baratos. Consequente- mente, uma válvula usando os mesmos tem sido principalmente usada em um motor para o qual não é necessária uma alta resistência ao calor.

Em relação a tais materiais adequados para a válvula de esca- pe, várias propostas foram feitas até agora. Por exemplo, a JP-A-2004- 277860 descreve uma liga resistente ao calor para uma válvula de escape compreendendo, em % em peso, C: 0,01% a 0,2%, Si: 1% ou menos, Mn: 1% ou menos, Ni: 30% a 62%, Cr: 13% a 20%, W: 0,01% a 3,0%, Al: 0,7% a menos de 1,6%, Ti: 1,5% a 3,0%, B: 0,001% a 0,01%, P: 0,02% ou menos e S: 0,01% ou menos, com o saldo consistindo de Fe e as inevitáveis impurezas.

Além disso, a JP-A-9-279309 descreve uma liga Fe-Cr-Ni resis- tente ao calor compreendendo, em % em peso, C: 0,01% a 0,10%, Si: 2% ou - menos, Mn: 2% ou menos, Cr: 14% a 18%, Nb+Ta: 0,5% a 1,5%, Ti: 2,0% a 3,0%, Al: 0,8% a 1,5%, Ni: 30% a 35%, B: 0,001% a 0,01%, Cu: 0,5% ou menos, P: 0,02% ou menos, S: 0,01% ou menos, O: 0,01% ou menos e N: -0,01% ou menos, com o saldo consistindo de Fe e as inevitáveis impurezas e tendo um equilíbrio de componentes predeterminado.

Além disso, a JP-A-2001 -323323 descreve um método para pro- dução de uma válvula de motor automotivo compreendendo submeter um aço resistente ao calor a base de Fe tendo uma composição de 0,53% de C, 0,2% de Si, 9,2% de Mn 3,9% de Ni, 21,5% de Cr: 0,43% de N para trata- mento em solução a 1100 a 1180°C, e forjando uma porção chanfrada da válvula a 700°C a 1000°C, seguido de tratamento de envelhecimento.

Esse documento descreve que quando o aço resistente ao calor à base de Fe tendo uma composição predeterminada é submetido a um tra- tamento em solução, o forjamento e o tratamento em solução sob as condi- ções predeterminadas, a dureza da porção de face da válvula pode ser ajus- tada para Hv 400 ou mais.

Devido ao recente aumento de custo das matérias primas, o cus- to de produção de válvulas de escape é significativamente afetado pelas flu- tuações do custo das matérias primas. Em particular, a superliga à base de Ni tem um grande teor de Ni, de forma que o custo da matéria prima e o cus- to da produção de válvulas de escape feitas de superliga à base de Ni são grandemente afetados pelo preço do Ni. Consequentemente, têm sido dese- jados materiais nos quais a quantidade de Ni é diminuída para diminuir a banda de flutuação do custo da matéria prima. Entretanto, na superliga à base de Ni, o Ni é um elemento para a formação da fase γ' como fase de reforço, de modo que uma outra diminuição na quantidade de Ni resulta na dificuldade de alcançar alta resistência usando a fase γ'.

Por outro lado, o aço austenítico resistente ao calor do tipo de precipitação de carbonetos é difícil de ser afetado pelo preço do Ni, mas tem o problema de ser pobre em propriedades a alta temperatura, comparado com a superliga à base de Nl do tipo precipitação de γ'. Foi também desco- berto que um material obtido pelo aumento da resistência de SUH35 para resolver esse problema (por exemplo, aço overseas standard LV 21-43 (SUS 35+1W, 2Nb)). Entretanto, em relação ao aço LV 21-43, problemas de difícil controle da textura e capacidade pobre de trabalho a quente ainda permanecem.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um problema que a invenção deve resolver é fornecer um aço resistente ao calor para uma válvula de escape, que tenha um teor de Nl relativamente baixo, tenha altas propriedades mecânicas (por exemplo, re- sistência à tração, resistência à fadiga, resistência ao desgaste, dureza e similares), e,além disso, tenha uma excelente resistência à corrosão.

A saber, a presente invenção fornece os seguintes itens 1 a 4:

1. Um aço resistente ao calor para uma válvula de escape, com- preendendo:

mais de 0,50% em massa mas menos de 0,08% em massa de C, mais de 0,30% em massa mas menos de 0,60% em massa de N, 17% em massa ou mais mas menos de 25% em massa de Cr, 4,0% em massa ou mais mas menos de 12,0% em massa de Ni, 7,0% em massa ou mais mas menos de 14% em massa de Mn, 2,0% em massa ou mais mas menos de 6% em massa de Mo, mais de 0,5% em massa mas menos de 1,5% em massa de Si, e 0,025% em massa ou mais mas menos de 1,0% em massa de Nb, com o saldo consistindo de Fe e as inevitávies impurezas, onde o teor de P contido nas inevitáveis impurezas é regulado para menos de 0,03% em massa, onde o teor total de C e N é de 0,85% em massa a 1,3% em massa, e onde a razão do teor de Nb para o teor de C é de 0,05% ou mais mas menos de 1,8.

2. O aço resistente ao calor para uma válvula de escape confor- me o item 1 acima, que também compreende 0,001% em massa ou mais mas menos de 0,01% em massa de Mg e Ca no total.

3. O aço resistente ao calor para uma válvula de escape confor- me o item 1 ou 2 acima, que também compreende pelo menos um elemento selecionado do grupo consistindo de:

0,001% em massa mas menos de 0,03% em massa de B, e

0.001% em massa mas menos de 0,1 % em massa de Zr.

4. O aço resistente ao calor para uma válvula de escape confor- me qualquer um dos itens 1 a 3 acima, que também compreende 0,01% em massa ou mais mas menos de 5,0% em massa de Co.

Ambos entre CeN são elementos estabilizadores de austenita e também, ao mesmo tempo, elementos formadores de carbonitretos do tipo MX (incluindo um carboneto do tipo MC). Na invenção, a quantidade total de (C+N) (teor total de C e N) e a razão Nb/C (razão do teor de Nb para o teor de C) são regulados em faixas específicas, de forma que os carbonitretos do tipo MX (incluindo carbonitretos do tipo MC) tendo um tamanho adequado são formados em quantidades adequadas no material após o tratamento em solução. Consequentemente, grãos não são embrutecidos após o tratamento em solução, e o cristal primário bruto dos carbonitretos do tipo MX também não permanecem. Além disso, uma vez que carbonetos do tipo M23C6 são precipitados em quatidades adequadas no material pelo tratamento de enve- lhecimento, as propriedades a alta temperatura são melhoradas. Além disso, uma vez que o elemento de endurecimento em solução sólida é limitado ao Mo, as propriedades a alta temperatura são melhoradas.

MELHOR MODO DE EXECUÇÃO DA INVENÇÃO

Algumas configurações da invenção serão descritas em detalhes abaixo.

Aqui, na presente especificação, todas as porcentagens defini- das em massa são as mesmas que as definidas em peso, respectivamente.

1. Válvula de escape para aço resistente ao calor O aço resistente ao calor para uma válvula de escape resistente ao calor compreende os seguintes elementos com o saldo consistindo de Fe e as inevitáveis impurezas. O tipo de elementos aditivos, sua faixa de com- ponentes e a razão para limitação são conforme segue. Em uma configura- ção, o aço resistente ao calor conforme a invenção compreende os seguin- tes elementos principais constituintes e elemento(s) constituinte(s) secundá- rio(s) opcional(is) com o saldo consisindo de Fe e as inevitáveis impurezas. Em outra configuração, o aço resistente ao calor conforme a invenção con- siste essencialmente dos elementos constituintes principais a seguir e ele- mento(s) constituinte(s) secundário(s) opcional(is), com o saldo consistindo de Fe e as inevitáveis impurezas. Em ainda outra configuração, o aço resis- tente ao calor conforme a invenção consiste dos elementos constituintes principais a seguir e elemento(s) constituinte(s) secundário(s) opcional(is), com o saldo consistindo de Fe e as inevitáveis impurezas.

[1.1- Elementos Constituintes Principais]

(1) 0,50 < C < 0,80% em massa

O C é um elemento estabilizador da austenita, e inibe a forma- ção de uma fase sigma ou uma fase Laves como fase prejudicial. Além dis- so, o C é preferivelmente ligado ao Nb para produzir um carboneto do tipo MC. A quantidade adequada de carboneto do tipo MC tendo um tamanho adequado inibe o embrutecimento dos grãos durante o tratamento em solu- ção e melhora as propriedades de resistência. Além disso, uma quantidade adequada de carbonetos do tipo MC tendo um tamanho adequado age como fase dura para melhorar a resistência ao desgaste. Além disso, o C é agluti- nado ao Cr para produzir carbonetos do tipo M23C6, melhorando assim as propriedades de resistência ao desgaste e resistência. Para obter tais efei- tos, é necessário que o teor de C exceda 0,50% em massa.

Por outro lado, um teor excessivo de C resulta em uma quanti- dade excessiva de carbonetos que provocam a deterioração na capacidade de processamento. É, portanto, necessário que o teor de C seja menor que 0,80% em massa.

(2) 0,30 < N < 060% em massa N é um elemento estabilizador da austenita, e age como um e- lemento alternativo para elementos formadores de astenita tais como Ni e Mn. Além disso, o N age como reforço de uma matriz como um elemento de endurecimento da solução sólida intersticial, devido ao seu pequeno raio atômico. Além disso, o N age em complexo com os elementos substitutos endurecedores da solução sólida tais como Mo e W para contribuir para me- lhorar a resistência. Em adição, o N é substituído por um local C do carbone- to do tipo MC para formar um carbonitreto do tipo MX. Para obter tais efeitos, é necessário que o teor de N exceda 0,30% em massa. É mais preferível que o teor de N exceda 0,35% em massa.

Por outro lado, um teor excessivo de N resulta em uma dificul- dade de permitir que o N seja dissolvido na martriz. É, portanto, necessário que o teor de N seja menor que 0,60% em massa. O teor de N é mais prefe- rivelmente menor que 0,50% em massa.

(3) 17,0 ≤ Cr ≤ 25,0% em massa

O Cr tem a função de formar uma camada protetora de óxido de Cr2O3 em uma faixa de temperatura de operação da válvula de escape. O Cr é, portanto, um elemento indispensável para melhorar a resistência à corro- são e a resistência à oxidação. Além disso, o Cr se liga ao C para formar o carboneto Cr23Ce, contribuindo assim para a melhoria das propriedades de resistência. Para se obter tais efeitos, é necessário que o teor de Cr seja 17% em massa ou mais. O teor de Cr é mais preferivelmente 18% em mas- sa ou mais.

Por outro lado, um teor excessivo de Cr provoca desestabiliza- ção da austenita, porque o Cr é um elemento estabilizador da ferrita. Além disso, a adiçao excessiva de Cr promove a formação da fase sigma ou da fase Laves que são fases fragilizadoras, causando assim a deterioração da capacidade de trabalho a quente e da propriedade de resistência. É, portan- to, necessário que o teor de Cr seja menor que 25% em massa. O teor de Cr é mais preferivelmente menor que 23,5% em massa.

(4) 4,0 ≤ Ni ≤ 12,0% em massa

Ni é adicionado como elemento estabilizador da austenita. Para estabilizar a austenita, é necessário que o teor de Ni seja 4,0% em massa ou mais. O teor de Ni é mais preferivelmente 5,1% em massa ou mais.

Por outro lado, um teor excessivo de Ni provoca um aumento no custo. É, portanto, necessário que o teor de Ni seja menor que 12% em massa. O teor de Ni é mais preferivelmente menor que 11,5% em massa.

(5) 7,0 ≤ Mn < 14,0% em massa

O Mn é adicionado como um elemento estabilizador da austeni- ta. O Mn não apenas age como um elemento alternativo para o Ni, que é caro, mas também tem o efeito de aumentar a solubilidade do N. Para obter tais efeitos, é necessário que o teor de Mn seja 7,0% ou mais. O teor de Mn é mais preferivelmente 7,5% em massa ou mais.

Por outro lado, um teor excessivo de Mn provoca a deterioração das propriedades a alta temperatura, devido a uma diminuição no ponto de fusão. É, portanto, necessário que o teor de Mn seja menor que 14,0% em massa. O teor de Mn é preferivelmente menor que 11,0% em massa.

(6) 2,0 ≤ Mo < 6,0% em massa

O Mo age como elemento endurecedor da solução sólida para uma fase γ de uma matriz, e é um elemento eficaz para melhorar a resistên- cia a alta temperatura. Para obter tal efeito, é necessário que o teor de Mo seja 2,0% em massa ou mais. O teor de Mo é mais preferivelmente 2,9% em massa ou mais.

Por outro lado, uma quantidade excessiva de Mo provoca um aumento na resistência à deformação. Além disso, é promovida a formação da fase sigma ou da fase Laves, que são fases fragilizadoras, e assim a ca- pacidade de trabalho a quente e as propriedades de fadiga são deterioradas. É, portanto, necessário que o teor de Mo seja menor que 6,0% em massa. O teor de Mo é mais preferivelmente menor que 5,1% em massa.

Incidentalmente, há também a técnica de adicionar W além do Mo como elemento endurecedor da solução sólida. Entretanto, na invenção, a técnica é limitada à adição de Mo. A quantidade de endurecimento da so- lução sólida devida ao elemento de endurecimento da solução sólida tal co- mo Mo ou W depende grandemente do peso atômico do elemento. O Mo tem peso atômico menor que o W, e maior número de átomos por unidade de massa percentual. Consequentemente, o Mo fornece uma maior quanti- dade de endurecimento da solução sólida. Por essa razão, quando se pre- tende obter a quantidade equivalente de endurecimento da solução sólida pela adição de W, a precipitação da fase Laves se torna dominante, resul- tando em uma falha para obter um efeito equivalente àquele devido ao Mo. Consequentemente, para se obter maximamente o efeito de endurecimento da solução sólida, na invenção, a técnica é limitada à adição de Mo.

(7) 0,5 ≤ Si < 1,5 % em massa

Si é um elemento eficaz como agente desoxidante no momento da dissolução e para transmitir resistência à oxidação em uma região de alta temperatura. Além disso, o Si tem também o efeito de melhorar a resistência como elemento de endurecimento da solução sólida. Para obter tais efeitos, é necessário que o teor de Si exceda 0,5% em massa. O teor de Mn é mais preferivelmente 0,55% em massa ou mais.

Por outro lado, uma quantidade excessiva de Si reciprocamente resulta em uma diminuição das propriedades de resistência. Além disso, um óxido de Si é responsável pela delaminação. Quando são produzidos óxidos de Si em grandes quantidades, camadas de óxido delaminam, deteriorando assim a resistência à oxidação. É, portanto, necessário que o teor de Si seja menor que 1,55% em massa. O teor de Si é mais preferivelmente menor que 1,1% em massa.

Incidentalmente, há um problema de que a liga à base de Fe contendo Si é geralmente responsável por corroer em ambientes de alta temperatura onde o Pb coexista. Consequentemente, materiais isentos de Si foram usados até agora em aços para válvulas de escape. Entretanto, de acordo com as atuais circunstâncias de combustível (produção de gasolina isenta de chumbo), a resistência à corrosão pelo chumbo se tornou fora de questão. Na invenção, portanto, o Si é adicionado positivamente para fazer uso eficiente dele para melhorar a resistência à oxidação e as propriedades de resistência. Esse ponto é uma das principais características da invenção.

(8) 0,025 < Nb < 1,0 % em massa O Nb se liga ao C e ao N para provocar precipitação de carebo- nitretos do tipo MX (incluindo carbonetos do tipo MC, doravante o mesmo). Uma quantidade adequada de carbonitretos do tipo MX tendo um tamanho adequado inibe o embrutecimento dos grãos após o tratamento em solução, o que é eficaz para melhorar aa propriedades de resistência à alta tempera- tura. Para obter tal efeito, é necessário que o teor de Nb seja 0,025% ou mais.

Por outro lado, a adição excessiva de Nb promove a produção de ferrita e gera carbonitretos brutos do tipo MX em grandes quantidades. Os carbonitretos brutos permanecem parcialmente mesmo após o tratamen- to em solução, o que provoca a deterioração na capacidade de trabalho a quente. Além disso, as propriedades de fadiga também deterioram. É, por- tanto, necessário que o teor de Nb seja menor que 1,0% em massa. O teor de Nb é mais preferivelmente menor que 0,9% em massa.

Incidentalmente, elementos para a formação de carbonetos do tipo MX incluem Ti, V e similares, bem como Nb. Entretanto, na invenção, o elemento formador é limitado ao Nb. A razão é a seguinte:

o Ti tem uma forte força de ligação ao C e ao N, e carbonitretos do tipo MX com cristais primários relativamente brutos (carbonetos primá- rios) são precipitados em grandes quantidades. Os carbonetos primários não são dissolvidos nem mesmo pelo tratamento em solução, de forma que os carbonitretos brutos exercem uma influência significativa na deterioração das propriedades de fadiga e nas propriedades de impacto.

Além disso, o V é eficaz para melhoria das propriedades de re- sistência. Entretanto o V tem uma força de aglutinação forte ao O, de forma que um óxido de V é formado para deteriorar significativamente a resistência à oxidação do material.

Consequentyemente, do equilíbrio das proprieades de resistên- cia e de resistência à oxidação, o elemento formador de carbonitreto do tipo MX é limitado ao Nb.

(9) P < 0,03% em massa

A adição de P estimula o efeito de refino do carboneto, e é eficaz para a melhoria das propriedades de resistência a alta temperatura. Entre- tanto, a adição excessiva de P diminui significativamente o ponto de fusão para deteriorar a resistência à alta temperatura e a capacidade de trabalho a quente. Além disso, o carboneto precipitado é embrutecido dependendo das condições de tratamento de envelhecimento. Em relação às propriedades de fadiga, o carboneto bruto se torna o ponto de partida de ruptura para provo- car a deterioração das propriedades. É, portanto, necessário que o teor de P, seja regulado para meno de 0,03% em massa. O presente pedido visa uma melhoria nas propriedades de resistência à alta temperatura pelo au- mento da quantidade do elemento endurecedor da solução sólida e da quan- tidade de carboneto, de modo que um teor menor é preferido para inibir a deterioração da capacidade de processamento tanto quanto possível.

1.2 - Elementos Constituintes Secundários

O aço resistente ao calor para uma válvula de escape conforme a invenção pode também conter qualquer uma ou duas ou mais dos elemen- tos seguintes, em adição aos elementos acima mencionados.

(1) 0,001 ≤ (Mg, Ca) < 0,01% em massa

Tanto Mg quanto Ca podem ser adicionados como agente deso- xidante/dessulfurante no momento da fusão da liga. Mg e/ou Ca cntribuem para a melhoria da capacidade de trabalho a quente da liga. Para se obter tais efeitos, é necessário que o teor total de Mg e Ca seja 0,001% em massa ou mais.

Por outro lado, um teor excessivo de Mg e/ou Ca tende a deteri- orar a capacidade de processamento ao invés de melhorá-la. É, portanto, necessário que o teor total de Mg e Ca seja menor que 0,01% em massa.

(2) 0,001 ≤ B < 0,03% em massa

(3) 0,001 ≤ Zr < 0,1% em massa

Tanto o B quanto o Zr segregam nas bordas dos grãos para re- forçar as bordas. Para obter tal efeito, é necessário que os teores de B e de Zr sejam cada um 0,001% em massa ou mais.

Por outro lado, teores excessivos de B e Zr resultam em prejudi- car a capacidade de trabalho a quente. É, portanto, necessário que o teor de B seja menor que 0,03% em massa, além disso, é necessário que o teor de Zr seja menor que 0,1% em massa. Qualquer um ou ambos entre B e Zr po- dem ser adicionados.

(4) 0,01 ≤ Co ≤ 5,0% em massa

O Co age como elemento estabilizador da austenita, e é usado como elemento alternativo para o Ni. Além disso, o Co contribui para a me- lhoria das propriedades de resistência. Para se obter tais efeitos, é necessá- rio que o teor de Co seja 0,01% em massa ou mais.

Por outro lado, uma quantidade excessiva de Co resulta em alto custo. É, portanto, necessário que o teor de Co seja menor que 5,0% em massa.

A esse respeito, cada elemento contido no aço da invenção, con- forme uma representação, a sua quantidade mínima presente no aço é a menor quantidade diferente de zero usada nos Exemplos dos aços desen- volvidos conforme resumido na Tabela 1. De acordo com uma outra configu- ração, a sua quantidade máxima presente no aço é a quantidade máxima usada nos Exemplos dos aços desenvolvidos conforme resumido na Tabela 1.

1.3 - Equilíbrio de componentes

O aço resistente ao calor para uma válvula de escape conforme a invenção satisfaz as condições a seguir, em adição a que os elementos componentes estão dentro das faixas acima mencionadas.

(1) 0,85 ≤ C+N ≤ 1,3% em massa

Conforme descrito acima, cada um enter C e N é um forte ele- mento estabilizador de austenita, e age efetivamente como elemento alterna- tivo para o Ni, que é oneroso, em redução de custo. Além disso, tanto o C quanto o N têm a função de formar carbonitretos do tipo MX.

Uma quantidade adequada de carbonitretos do tipo MX tendo um tamanho adequado inibe o embrutecimento dos grãos após o tratamento em solução, o que é eficaz para a melhoria das propriedades de resistência a alta temperatura. Para obter tais efeitos, é necessário que o teor de (C+N)(teor total de C e N) seja 0,85% em massa ou mais. O teor de (C+N) é mais preferivelmente 0,9% em massa ou mais.

Por outro lado, um teor excessivo de (C+N) resulta na formação de carbonitretos brutos do tipo MX em grandes quantidades. Os carbonitre- tos brutos permanecem parcialmente mesmo após o tratamento em solução, o que causa a deterioração da capacidade de trabalho a quente. É, portanto, necessário que o teor de (C+N) seja 1,3% em massa ou menos. O teor de (C+N) é mais preferivelmente 1,15% em massa ou menos.

(2) 0,05 ≤ Nb/C < 1,8 em massa

Uma quantidade adequada de carbonitretos do tipo MX tendo um tamanho adequado tem o papel de evitar o embrutecimento dos grãos devido a um efeito de fixação. Para obter tal efeito, é necessário que a razão (Nb/C) do teor de Nb (em % em massa) para o teor de C (em % em massa) seja 0,05 ou mais. A razão Nb/C é mais preferivelmente 0,1 ou mais.

Por outro lado, quando o Nb se torna relativamente excessivo para o C, o Nb preferivelmente se aglutina com o C e carbonitretos do tipo MX com cristal primário bruto são precipitados em uma grande quantidade. Os carbonitretos do tipo MX com cristal primário bruto não desaparecem completamente mesmo após o tratamento em solução, o que provoca dete- rioração nas propriedades de fadiga. Além disso, o C é esgotado para dimi- nuir a quantidade de carbonetos precipitados do tipo M23C6, que são efica- zes para a melhoria da resistência ao desgaste e das propriedades de resis- tência. É, portanto, necessário que a razão Nb/C seja menor que 1,8. A razã Nb/C é mais preferivelmente 1,3.ou menos.

2. Método de Produção de Aço resistente ao Calor para Válvula de Escape

Um método de produção de aço resistente ao calor para válvula de escape conforme a invenção compreende uma etapa de fu- são/lingotamento, uma etapa de tratamento térmico homogeneizado, uma etapa de forjamento, uma etapa de tratamento em solução, e uma etapa de envelhecimento.

2.1 - Etapa de fusão/lingotamento

A etapa de fusão/lingotamento é uma etapa para fusão e lingo- tamento das matérias primas misturadas até uma composição predetermi- nada. O método de fusão das matérias primas e o método de Iingotamento do metal fundido não são particularmente limitados, e vários métodos podem ser usados. Quaisquer condições de fusão podem ser usadas desde que sejam condições sob as quais o metal fundido que tem componentes homo- gêneos e seja possível de ser Iingotado seja obtido.

2.2 - Etapa de Tratamento Térmico Homogeneizado

A etapa de tratamento térmico homogeneizado é a etapa de submeter um lingote obtido na etapa de fusão/lingotamento ao tratamento térmico homogeneizado. O tratamento térmico homogeneizado é executado para homogeneizar os componentes do lingote.

Como condições para o tratamento térmico homogeneizado são selecionadas condições ótimas dependendo dos componentes. Geralmente a temperatura do tratamento térmico é de 1.100°C a 1.250°C. Além disso, o tempo de tratamento térmico é de 5 horas a 25 horas.

2.3 - Etapa de forjamento

A etapa de forjamento é uma etapa de deformar plasticamente o lingote submetido ao tratamento térmico homogeneizado até uma forma pre- determinada. O método de forjamento e as condições de forjamento não são particularmente limitados, e quaisquer métodos e condições podem ser usa- dos desde que a forma desejada possa ser produzida eficientemente.

2.4 - Etapa de Tratamento em Solução

A etapa de tratamento em solução é uma etapa de submeter o material obtido na etapa de forjamento ao tratamento em solução. O trata- mento em solução é executado para fazer o carbontreto do tpo MX com cris- tal primário bruto desaparecer.

Como condições do tratamento em solução, são selecionadas condições ótimas dependendo dos componentes. Em geral, com o aumento da temperatura do tratamento em solução a quantidade remanescente de carbonetos primários diminui e a quantidade de carbonetos intergranulares finos precipitados no tratamento de envelhecimento aumenta. Isto é, portan- to, eficaz para melhorar as propriedades de fadiga. Entretanto, quando o tratamento é executado a uma temperatura maior que 1.200°C, a precipita- ção decarbonetos de reação das bordas dos grãos é promovida, levando à deterioração de propriedades.

Consequentemente, o tratamento em solução é executado prefe- rivelmente a 1.000 até 1,200°C por 20 minutos ou mais, seguido de trata- mento de resfriamento a óleo.

2.5 - Etapa de Envelhecimento

A etapa de envelhecimento é a etapa de submeter o material após o tratamento em solução ao tratamento de envelhecimento. O trata- mento de envelhecimento é executado para permitir que os carbonetos do tipo M23C6 sejam precipitados.

Como condições do tratamento de envelhecimento, são selecio- nadas condições ótimas dependendo dos componentes. O tratamento de envelhecimento é preferivelmente executado a 700°C a 850°C por 2 horas ou mais, seguido de tratamento de resfriamento a ar, embora dependendo dos componentes.

3. Operação do Aço Resistente ao Calor para Válvulas de Escape

Tanto o C quanto o N são elementos estabilizadores da austeni- ta e, ao mesmo tempo, são também os elementos para a formação de car- bonitretos do tipo MX. Na invenção, a quantidade de (C+N) e a razão Nb/C são respectivamente controladas em faixas específicas, de forma que os carbonitretos do tipo MX tendo um tamanho adequado são formados em quantidades adequadas no material após o tratamento em solução. Conse- quentemente os grãos não são embrutecidos após o tratamento em solução e os carbonitretos do tipo MX com cristal primário bruto também não perma- necem. Além disso, uma vez que carbonetos do tipo M23C6 são precipitados em quantidades adequadas no material pelo tratamento de envelhecimento, as propriedades a alta temperatura são melhoradas. Além disso, uma vez que o elemento de endurecimento da solução sólida é limitado ao Mo, as propriedades a alta temperatura são melhoradas.

Além disso, a quantidade de Si adicionada é controlada em uma faixa específica, de forma que a resistência à oxidação é melhorada, e o en- durecimento da solução sólida é também alcançado.

Além disso, a quantidade de Nl é aumentada comparada com os aços austeníticos resistentes ao calor convencionais, de forma que a fase γ é estabilizada para melhorar a tenacidade.

Exemplos

Exemplos 1 a 24 e Exemplos Comparativosl a 16

1. Preparação de Espécimes

Ligas tendo as composições mostradas nas tabelas 1 e 2 foram fundidas cada uma em um forno de indução de alta freqüência para obter um lingote de 50kg. Para cada lingote preparado por fusão, foi executado trata- mento térmico homogeneizado a 1.180°C por 16 horas. Então o lingote foi forjado em uma vara tendo um diâmetro de 18 mm. Para o material forjado, tratamento em solução (ST) foi também executado. O tratamento em solu- ção foi conduzido sob condições de 1.050°C por 30 minutos, seguido de resfriamento a óleo (exemplos 1 a 24) ou condições a 1.050°C por 30 minu- tos seguido de resfriamento a óleo (Exemplos Comparativos 1 a 16). Além disso, foi aplicado tratamento de envelhecimento (AG) ao material após o tratamento em solução (ST) sob condições de 750°C por 4 horas, seguido de resfriamento a ar. Tabela 1

<table>table see original document page 17</column></row><table> Tabela 2

<table>table see original document page 18</column></row><table> 2. Métodos de Teste

2.1 - Dureza

A dureza a uma temperatura comum foi medida usando-se a es- cala C de um testador de dureza Rockwell. Além disso, a dureza a 800°C foi medida a uma carga de medição de 5 kg usando-se um testador de dureza Vickers a alta temperatura.

2.2 - Teste de Tração

Um corpo de prova tendo um diâmetro da porção de teste de 8 mm e um comprimento do corpo de prova de 90 mm foi cortado de cada ma- terial. O teste de tração foi executado a 800°C usando-se esse corpo de pro- va para medir a resistência à tração.

[2.3 - Teste de Fadiga]

Um corpo de prova tendo um diâmetro da porção paralela de 8 mm e um comprimento do corpo de prova de 90 mm foi cortado de cada ma- terial. O teste de fadiga de dobramento giratório do tipo Ono foi executado a 800°C usando esse corpo de prova para medir a resistência à fadiga em 107 ciclos.

2.4 - Teste de Oxidação

Um corpo de prova cilíndrico tendo um diâmetro de 8 mm e um comprimento de 17 mm foi preparado de cada material. Esse corpo de prova foi aquecido continuamente por 400 horas em uma atmosfera de 850°C, e resfriado ao ar. O aumento de peso pela oxidação foi calculado da diferença em peso entre antes e após o teste, e tomado como índice de resistência à oxidação.

Resultados

Os resultados estão mostrados nas tabelas 3 e 4. O que segue é conhecido das tabelas 3 e 4.

(1) Em todos os exemplos 1 a 24, é obtida uma dureza a alta temperatura a 800°C de 200 Hv ou mais, e os espécimes tiveram uma resis- tência ao desgaste à alta temperatura suficiente no momento do uso em uma aplicação em válvula de escape. Além disso, em todos os exemplos 1 a 24, os espécimes tiveram uma resistência à tração de 370 MPa ou mais a 800°C. Esses são afetados pelo endurecimento da solução sólida devido ao Mo e endurecimento devido aos carbonetos particularmente, os carbonetos do tipo M23C6).

(2) Em todos os exemplos 1 a 24 os espécimes têm uma resis- tência à fadiga de 107 ciclos de 240 Mpa ou mais, e são também excelentes nas propriedades de fadiga a alta temperatura como aços do tipo austenítico resistentes ao calor com precipitação de carbonetos usados como material para válvulas de escape. Considera-se que a razão para isso ser que evita- se o embrutecimento dos grãos devido ao efeito de fixação dos carbonitretos do tipo MX à base de Nb, e que o tamanho e quantidade dos carbonetos brutos (carbonetos de cristal inicial) que contribuem para a ruptura prematu- ra são otimizadas pelo padrão Nb/C.

(3) Os Exemplos Comparativos 1 e 2 são aços convencionais. O Exemplo Comparativo 1 é SUH35 e o Exemplo Comparativo 2 é LV21-43. Ambos têm baixas propriedades mecânicas, propriedades de fadiga, e resis- tência à oxidação a alta temperatura.

Em ambos os Exemplos Comparativos 3 e 4, as propriedades mecânicas e a resistência à fadiga a altas temperaturas são baixas, porque o teor de Mo é pequeno no Exemplo Comparativo 3 e porque o teor de Nb é excessivo no Exemplo Comparativo 4.

Nos Exemplos Comparativos 5 e 6 nos quais uma parte ou todo o Mo é substituído por W, as propriedades mecânicas a altas temperaturas são baixas, e, particularmente, a resistência à fadiga é baixa.

Ti e V são elementos formadores de carbonitretos do tipo MX similarmente ao Nb, e foram considerados como tendo um efeito igual ao do Nb. Entretanto, nos Exemplos Comparativos 7 e 8 nos quais esses elemen- tos são adicionados, o aumento de peso pela oxidação é grande, comparado aos Exemplos 1 a 24. Considera-se que a razão para isso seja que o Ti e o V têm uma força de aglutinação ao O forte se comparado com o Nb, resul- tando na fácil ocorrência de produção de óxidos. Também, no Exemplo Comparativo 8, a resistência à fadiga de 107 ciclos é baixa. Considera-se que a razão para isso seja que carbonitretos estáveis e brutos são produzi- dos porque à força de aglutinação do Ti ao C e ao N é forte, o que provoca ruptura prematura sob estresse repetido. Consequentemente, Ti e V não podem ser elementos alternativos para o Nb.

No Exemplo Comparativo 9, a resistência à fadiga é baixa, por- que o teor de P é excessivo.

Em ambos os Exemplos Comparativos 10 e 11 a resistência à oxidação é baixa, porque o teor de Si é baixo no Exemplo Comparativo 10, e porque o teor de Si é excessivo no Exemplo Comparativo 11.

Em ambos os Exemplos Comparativos 12 e 13 a resistência à fadiga é baixa, porque a razão Nb/C é baixa no Exemplo Comparativo 12, porque a razão Nb/C é excessivamente alta no Exemplo Comparativo 13.

No Exemplo Comparativo 14 as propriedades mecânicas e a re- sistência à fadiga a altas temperaturas são baixas, porque o teor de (C+N) é baixo.

No Exemplo Comparativo 15 a resistência à fadiga é baixa, por- que o teor de (C+N) é excessivamente grande.

Além disso, no Exemplo Comparativo 16 a resistência à fadiga é baixa, porque o teor de Mo é excessivamente grande.

Em contraste, do teste de resistência à oxidação a 850°C por 400 horas em uma atmosfera atmosférica, foi mostrados que os espécimes nos exemplos 1 a 24 têm boa resistência à oxidação em comparação com os Exemplos Comparativos 1 a 16.

Além disso, conforme mostrado nas tabelas 3 e 4, a dureza a alta temperatura, as propriedades de fadiga e a resistência à oxidação que são desejadas para as válvulas de escape são otimizadas em bons níveis, quando os colmponentes estão em suas faixas mais preferíveis. Especificamente a dureza a altas temperaturas a 800°C é 210 ou mais, a resistência à fadiga de 107ciclos a 800°C é 260 MPa ou mais, e o aumento de peso pela oxidação após o teste de oxidação a 850°C por 400 horas é 1,3 mg/cm2 ou menos.

Dos resultados acima, foi mostrado que aços resistentes ao calor conforme a invenção são excelentes nas propriedades a altas temperaturas e úteis como materiais para válvulas de escape. Tabela 3

<table>table see original document page 22</column></row><table> Tabela 4

<table>table see original document page 23</column></row><table> Embora configurações da invenção tenham sido descritas em detalhes acima, a invenção não poderia de forma alguma ser construída co- mo sendo limitada às configurações apresentadas acima, e várias modifica- ções são possíveis sem sair da essência da invenção.

Essa aplicação é baseada no Pedido de Patente Japonesa n° 2010-070720 registrada em 25 de março de 2010, seu teor por inteiro estan- do aqui incorporado como referência.

O aço resistente ao calor para uma válvula de escape conforme a invenção pode ser usada em válvulas de escape de vários motores.

Claims

1. Aço resistente ao calor para uma válvula de escape, caracte- rizado pelo fato de que compreende: mais de 0,50% em massa mas menos de 0,80% em massa de C, mais de 0,30% em massa mas menos de 0,60% em massa de N, 17,0% em massa ou mais mas menos de 25,0% em massa de Cr, 4,0% em massa ou mais mas menos de 12,0% em massa de Ni, 7,0% em massa ou mais mas menos de 14,0% em massa de Mn1 2,0% em massa ou mais mas me- nos de 6,0% em massa de Mo1 mais de 0,5% em massa mas menos de - 1,5% em massa de Si, e 0,025% em massa ou mais mas menos de 1,0% em massa de Nb, com o saldo consistindo em Fe e as inevitáveis impurezas, em que o teor de P contido nas invevitáveis impurezas é regula- do para menos de 0,03% em massa, em que o teor total de C e N é de 0,85% em massa a 1,3% em massa, e em que a razão do teor de Nb para o teor de C é 0,05 ou mais mas menos de 1,8.

2. Aço resistente ao calor para válvulas de escape, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que também compreen- de 0,001% em massa ou mais mas menos de 0,01% em massa de Mg e Ca no total.

3. Aço resistente ao calor para válvulas de escape, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que também compreen- de pelo menos um elemento selecionado do grupo consistindo de: - 0,001% em massa ou mais, mas menos de 0,03% em massa de B, e - 0,001% em massa, mas menos de 0,1% em massa de Zr.

4. Aço resistente ao calor para válvulas de escape, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que também compreen- de pelo menos um elemento selecionado do grupo consistindo em: - 0,001% em massa ou mais, mas menos de 0,03% em massa de B, e - 0,001% em massa, mas menos de 0,1% em massa de Zr.

5. Aço resistente ao calor para válvulas de escape, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que também compreen- de 0,01% em massa ou mais mas menos de 5% em massa de Co.

6. Aço resistente ao calor para válvulas de escape, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que também compreen- de 0,01% em massa ou mais mas menos de 5% em massa de Co.

7. Aço resistente ao calor para válvulas de escape, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que também compreen- de 0,01% em massa ou mais mas menos de 5% em massa de Co.

8. Aço resistente ao calor para válvulas de escape, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que também compreen- de 0,01% em massa ou mais mas menos de 5% em massa de Co.