CN102199739A - 用于排气阀的耐热钢 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于排气阀的耐热钢，包含：大于0.50质量％但小于0.80质量％的C，大于0.30质量％但小于0.60％质量的N，大于或等于17.0质量％但小于25.0质量％的Cr，大于或等于4.0质量％但小于12.0质量％的Ni，大于或等于7.0质量％但小于14.0质量％的Mn，大于或等于2.0质量％但小于6.0质量％的Mo，大于0.5质量％但小于1.5质量％的Si，以及大于或等于0.025质量％但小于1.0质量％的Nb，余量为Fe和不可避免的杂质，其中在不可避免的杂质中包含的P的含量被调节为小于0.03质量％，C和N的总含量为0.85质量％至1.3质量％，并且Nb的含量与C含量的比值为大于或等于0.05但小于1.8。

Description

用于排气阀的耐热钢
技术领域
本发明涉及用于排气阀的耐热钢。
背景技术
已经在发动机中使用了用于将燃料和空气的混合气体引入气缸中的进气阀，以及用于将燃烧气体排出到气缸外部的排气阀。其中，由于排气阀暴露于高温燃料气体中，因此已经在排气阀中使用了具有优异高温特性(例如，高温硬度、疲劳特性、耐磨性和抗氧化性)的材料。作为用于排气阀的材料，已知有Ni基超合金(例如，NCF751)、奥氏体耐热钢(例如，SUH35)等。
Ni基超合金是这样一种材料：其中通过时效处理使得γ′相析出，从而增强了其在高温下的强度和耐磨性。Ni基超合金价格昂贵，但具有极高的耐热性。因此，采用Ni基超合金的阀门主要在暴露于800℃或更高的温度下的大功率发动机中使用。
另一方面，奥氏体耐热钢是这样一种材料：其中使得M23C6型碳化物析出，从而增强了其在高温下的强度和耐磨性。奥氏体耐热钢在高温特性方面次于Ni基超合金，但其价格低廉。因此，采用奥氏体耐热钢的阀门主要在不要求高耐热性的发动机中使用。
关于适合用于排气阀的这些材料，迄今为止已提出了多项建议。例如，JP-A-2004-277860公开了一种用于排气阀的耐热合金，其包含(按重量％计)C：0.01％至0.2％，Si：小于或等于1％，Mn：小于或等于1％，Ni：30％至62％，Cr：13％至20％，W：0.01％至3.0％，Al：0.7％至小于1.6％，Ti：1.5％至3.0％，B：0.001％至0.01％，P：小于或等于0.02％以及S：小于或等于0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质。
此外，JP-A-9-279309公开了一种Fe-Cr-Ni耐热合金，其包含(按重量％计)：C：0.01％至0.10％，Si：小于或等于2％，Mn：小于或等于2％，Cr：14％至18％，Nb+Ta：0.5％至1.5％，Ti：2.0％至3.0％，Al：0.8％至1.5％，Ni：30％至35％，B：0.001％至0.01％，Cu：小于或等于0.5％，P：小于或等于0.02％，S：小于或等于0.01％，O：小于或等于0.01％，以及N：小于或等于0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质，并且该Fe-Cr-Ni耐热合金具有预定的组分平衡。
此外，JP-A-2001-323323公开了一种制造汽车发动机阀的方法，包括使具有Fe-0.53％C-0.2％Si-9.2％Mn-3.9％Ni-21.5％Cr-0.43％N组成的Fe基耐热钢在1,100℃至1,180℃的温度下进行固溶处理(solution treatment)，并在700℃至1,000℃的温度下锻造阀的斜面部分，然后进行时效处理。
该文献记载了当使具有预定组成的Fe基耐热钢在预定条件下进行固溶处理、锻造和时效处理时，可以将阀面部分的硬度调节为大于或等于HV 400。
由于最近原材料的成本上涨，因此排气阀的生产成本受到原材料成本波动的显著影响。特别是，Ni基超合金具有高的Ni含量，因此原材料成本和由Ni基超合金制成的排气阀的生产成本很大程度上受到Ni价格的影响。因此，已经期望这样的材料：在该材料中Ni的量降低从而降低了原材料成本的波动幅度。然而，在Ni基超合金中，Ni是用于形成作为增强相的γ′相的元素，因此进一步降低Ni含量会导致难以利用γ′相获得高的强度。
另一方面，虽然碳化物析出型奥氏体耐热钢难以受到Ni价格的影响，但与γ′析出型Ni基超合金相比，碳化物析出型奥氏体耐热钢的问题是高温特性较差。为了解决该问题，还已知通过增加SUH35的强度而获得的材料(例如，海外标准LV21-43钢(SUH 35+1W，2Nb))。然而，关于LV21-43钢，仍然存在难以控制纹理并且其具有差的热加工性的问题。
发明内容
本发明要解决的问题是提供用于排气阀的耐热钢，这种耐热钢具有相对较低的Ni含量、具有高机械特性(例如，拉伸强度、疲劳强度、耐磨性、硬度等等)，此外，这种耐热钢还具有优异的耐腐蚀性。
即，本发明提供下列1至4项。
1.一种用于排气阀的耐热钢，包含：
大于0.50质量％但小于0.80质量％的C，
大于0.30质量％但小于0.60％质量的N，
大于或等于17.0质量％但小于25.0质量％的Cr，
大于或等于4.0质量％但小于12.0质量％的Ni，
大于或等于7.0质量％但小于14.0质量％的Mn，
大于或等于2.0质量％但小于6.0质量％的Mo，
大于0.5质量％但小于1.5质量％的Si，以及
大于或等于0.025质量％但小于1.0质量％的Nb，
余量为Fe和不可避免的杂质，
其中在不可避免的杂质中包含的P的含量被调节为小于0.03质量％，
其中C和N的总含量为0.85质量％至1.3质量％，并且
其中Nb的含量与C含量的比值为大于或等于0.05但小于1.8。
2.上述项1所述的用于排气阀的耐热钢，其还包含总量大于或等于0.001质量％但小于0.01质量％的Mg和Ca。
3.上述项1或2所述的用于排气阀的耐热钢，其还包含选自由下列组分组成的组中的至少一种组分：
大于或等于0.001质量％但小于0.03质量％的B，以及
大于或等于0.001质量％但小于0.1质量％的Zr。
4.上述项1至3中任一项所述的用于排气阀的耐热钢，其还包含大于或等于0.01质量％但小于5.0质量％的Co。
C和N均为奥氏体稳定元素，同时，它们还是形成MX型碳氮化物(包括MC型碳化物)的元素。在本发明中，将(C+N)量(C和N的总含量)和Nb/C的比值(Nb的含量与C含量的比值)调节在特定范围内，使得在固溶处理之后，在材料中形成适量的具有合适尺寸的MX型碳氮化物(包括MC型碳化物)。因此，在固溶处理之后晶粒没有粗化，另外也不存在粗的初晶MX型碳氮化物。此外，由于通过时效处理在材料中析出了适量的M23C6型碳化物，因此提高了高温特性。此外，由于将固溶体硬化元素限定为Mo，因此提高了高温特性。
具体实施方式
下面将详细对本发明的一些实施方案进行描述。在本文中，在本说明书中，所有由质量定义的百分数分别与由重量定义的百分数相同。
[1.用于排气阀的耐热钢]
本发明的用于排气阀的耐热钢包含下列元素，余量为Fe和不可避免的杂质。添加元素的种类、其组分范围以及其限制原因如下所述。在一个实施方案中，本发明的耐热钢包含下列主要组成元素和可任选的次要组成元素，余量为Fe和不可避免的杂质。在另一个实施方案中，本发明的耐热钢基本上由下列主要组成元素和可任选的次要组成元素组成，余量的Fe和不可避免的杂质。在另一个实施方案中，本发明的耐热钢由下列主要组成元素和可任选的次要组成元素、其余的Fe和不可避免的杂质组成。
[1.1.主要组成元素]
(1)0.05质量％＜C＜0.80质量％
C为奥氏体稳定元素，并且抑制作为有害相的西格玛(sigma)相或莱夫斯(Laves)相的形成。此外，C优先与Nb结合，从而生成MC型碳化物。适量的具有合适尺寸的MC型碳化物抑制晶粒在固溶处理期间粗化，并提高强度特性。此外，适量的具有合适尺寸的MC型碳化物还充当硬质相，从而提高耐磨性。此外，C与Cr结合生成M23C6型碳化物，从而提高耐磨性和强度特性。为了获得这些效果，C含量超过0.50质量％是必要的。C含量优选超过0.52质量％。
另一方面，过量的C导致形成过量的碳化物，从而导致可加工性劣化。因此C含量小于0.80质量％是必要的。C含量更优选小于0.70质量％，并且进一步更优选小于0.67质量％。
(2)0.30质量％＜N＜0.60质量％
N为奥氏体稳定元素，并且充当奥氏体形成元素(例如Ni和Mn)的可替代元素。此外，由于N的原子半径较小，因此其充当间隙型固溶体硬化元素以增强基质。此外，N与置换型固溶体硬化元素(例如Mo和W)复合，从而有助于提高强度。另外，N取代MC型碳化物的C位点，从而形成MX型碳氮化物。为了获得这些效果，N含量超过0.30质量％是必要的。氮含量更优选超过0.35质量％。
另一方面，过量的N导致难以使N溶于基质中。因此，N含量小于0.60质量％是必要的。N含量更优选小于0.50质量％，并且进一步更优选小于0.47质量％。
(3)17.0质量％≤Cr＜25.0质量％
Cr在排气阀的工作温度范围内能够形成Cr2O3保护性氧化物涂层。因此Cr为提高耐腐蚀性和抗氧化性必不可少的元素。此外，Cr与C结合形成Cr23C6碳化物，从而有助于提高强度特性。为了获得这些效果，Cr含量为大于或等于17.0质量％是必要的。Cr含量更优选大于或等于18.0质量％，并且进一步更优选大于或等于19.5质量％。
另一方面，由于Cr为铁素体稳定元素，因此过量的Cr将导致奥氏体不稳定。此外，添加过量的Cr促进了作为脆化相的西格玛相或莱夫斯相的形成，从而导致热加工性和强度特性劣化。因此，Cr含量小于25.0质量％是必要的。Cr含量更优选小于23.5质量％，并且进一步更优选小于或等于22.5质量％。
(4)4.0质量％≤Ni＜12.0质量％
Ni作为奥氏体稳定元素添加。为了稳定奥氏体，Ni含量为大于或等于4.0质量％是必要的。Ni含量更优选大于或等于4.5质量％，并且进一步更优选大于或等于5.1质量％。
另一方面，过量的Ni导致成本增加。因此Ni含量小于12.0质量％是必要的。Ni含量更优选小于11.5质量％，并且进一步更优选小于或等于10.5质量％。
(5)7.0质量％≤Mn＜14.0质量％
Mn作为奥氏体稳定元素添加。Mn不仅充当对于昂贵Ni的可替代元素，还具有增加N的溶解度的效果。为了获得这些效果，Mn含量为大于或等于7.0质量％是必要的。Mn含量更优选为大于或等于7.5质量％，并且进一步更优选大于或等于8.0质量％。
另一方面，过量的Mn使得熔点降低，从而导致高温特性劣化。因此Mn含量小于14.0质量％是必要的。Mn含量更优选小于或等于12.5质量％，并且进一步更优选小于11.0质量％。
(6)2.0质量％≤Mo＜6.0质量％
Mo充当基质的γ相的固溶体硬化元素，并且能够有效改善高温强度。为了获得此效果，Mo含量为大于或等于2.0质量％是必要的。Mo含量更优选大于或等于2.9质量％，并且进一步更优选大于或等于3.3质量％。
另一方面，过量的Mo导致变形阻力增大。此外，其会促进作为脆化相的西格玛相或莱夫斯相的形成，由此导致热加工性和疲劳特性劣化。因此，Mo含量小于6.0质量％是必要的。Mo含量更优选小于5.1质量％，并且进一步更优选小于或等于4.5质量％。
顺便提及，除了将Mo作为固溶体硬化因素添加的技术之外，还存在添加W的技术。然而，在本发明中，将该技术限定为添加Mo。由于固溶体硬化元素(例如Mo或W)引起的固溶体硬化的量很大程度上取决于元素的原子量。Mo的原子量小于W，并且每单位质量％的原子数大于W。因此，Mo提供更大的固溶体硬化量。为此，当期望通过添加W获得等价量的固溶体硬化时，莱夫斯相的析出成为主导，从而导致不能获得与Mo等价的效果。因此，为了最大程度获得固溶体硬化的效果，在本发明中将技术限定为添加Mo。
(7)0.5质量％＜Si＜1.5质量％
Si是在溶解时作为脱氧剂的有效元素，并且是在高温区域赋予抗氧化性的有效元素。此外，Si作为固溶体硬化元素具有提高强度的效果。为了获得这些效果，Si含量超过0.5质量％是必要的。Si含量更优选为大于或等于0.55质量％。Si含量进一步更优选为超过0.60质量％。
另一方面，过量的Si将不利地导致强度特性降低。此外，Si的氧化物易于剥离。当生成大量Si的氧化物时，氧化物层剥离，从而使得抗氧化性劣化。因此，Si含量小于1.5质量％是必要的。Si含量更优选小于1.1质量％，并且进一步更优选小于0.9质量％。
顺便提及，存在含有Si的Fe基合金通常易于在Pb共存的高温环境下腐蚀的问题。因此，目前已将不含Si的材料用于排气阀用的钢中。然而，根据现有的燃料情况(生产无铅汽油)，耐铅腐蚀性已经不是问题。因此，在本发明中，主动地添加Si以有效地利用其来提高抗氧化性和强度特性。这一点是本发明的主要特征之一。
(8)0.025质量％≤Nb＜1.0质量％
Nb结合C和N，从而使得MX型碳氮化物(包括MC型碳化物，下文同)析出。适量的具有合适尺寸的MX型碳氮化物抑制在固溶处理之后晶粒粗化，从而有效提高了高温强度特性。为了获得这种效果，Nb含量为大于或等于0.025质量％是必要的。
另一方面，添加过量的Nb会促进铁素体的产生，并生成大量粗MX型碳氮化物。即使在固溶处理之后，这些粗碳氮化物仍然部分存在，这使得热加工性劣化。此外，疲劳特性也劣化。因此，Nb的含量小于1.0质量％是必要的。Nb含量更优选小于0.9质量％，并且进一步更优选小于0.8质量％。
顺便提及，用于形成MX型碳化物的元素包括Ti、V等，以及Nb。然而，在本发明中，将形成元素限定为Nb。其原因如下。
Ti对于C和N的结合力较强，因此相对较粗的初晶MX型碳氮化物(初生碳化物)大量析出。即使在固溶处理之后这些初生碳化物也没有溶解，使得粗的碳氮化物显著影响了疲劳特性和冲击特性，导致它们劣化。
此外，V可有效用于提高强度特性。然而，V对于O的结合力较强，从而导致形成V氧化物，使得材料的抗氧化性显著劣化。
因此，从保持强度特性和抗氧化性这两者的平衡来看，将MX型碳氮化物的形成元素限定为Nb。
(9)P＜0.03质量％
添加P促进了碳化物的细化作用，并有效用于改善高温强度特性。然而，添加的过量P显著降低熔点，从而使得高温强度和热加工性劣化。此外，根据时效处理条件，析出的碳化物粗化。关于疲劳特性，粗碳化物是破裂的起始点，从而导致性能劣化。因此，有必要将P含量调节为小于0.03质量％。本发明的目的为通过提高固溶体硬化元素的量和碳化物的量，从而改善高温强度特性，因此为了尽可能防止可加工性劣化，优选P含量较低。
[1.2.次要组成元素]
除了上述元素之外，本发明的用于排气阀的耐热钢还可以包含任意一种或两种或更多种下列元素。
(1)0.001质量％≤(Mg、Ca)＜0.01质量％
在熔融合金时，Mg和Ca均可以作为脱氧剂/脱硫剂添加。Mg和/或Ca有助于提高合金的热加工性。为了获得这些效果，Mg和Ca的总量为大于或等于0.001质量％是必要的。
另一方面，过量的Mg和/或Ca往往使得可加工性劣化，而不是提高可加工性。因此，Mg和Ca的总量小于0.01质量％是必要的。
(2)0.001质量％≤B＜0.03质量％
(3)0.001质量％≤Zr＜0.1质量％
B和Zr均在晶界处偏析(segregate)，从而强化晶界。为了获得这种效果，B和Zr的含量均为大于或等于0.001质量％是必要的。
另一方面，过量的B和Zr会削弱热加工性。因此，B含量小于0.03质量％是必要的。此外，Zr含量小于0.1质量％是必要的。可以添加B和Zr中的任意一者或两者。
(4)0.01质量％≤Co＜5.0质量％
Co充当奥氏体稳定元素，并且被用作Ni的可替代元素。此外，Co有助于提高强度特性。为了获得这些效果，Co含量为大于或等于0.01质量％是必要的。
另一方面，过量的Co导致成本增加。因此，Co含量小于5.0质量％是必要的。
在这方面，关于在本发明的钢中所含的各元素，根据一个实施方案，各元素在钢中存在的最小量是在已开发的钢的实施例中使用的最小非零量(如表1中所总结)。根据其他实施方案，各元素在钢中存在的最大量是在已开发的钢的实施例中使用的最大量(如表1中所总结)。
[1.3.组分平衡]
除了组分元素在上述范围内之外，本发明的用于排气阀的耐热钢还满足下列条件。
(1)0.85质量％≤C+N≤1.3质量％
如上所述，C和N均为强的奥氏体稳定元素，并且在降低成本方面可有效地充当昂贵Ni的可替代元素。此外，C和N均具有形成MX型碳氮化物的作用。
适量的具有合适尺寸的MX型碳氮化物抑制在固溶处理之后晶粒粗化，这可有效地改善高温强度特性。为了获得这些效果，(C+N)含量(C和N的总含量)为大于或等于0.85质量％是必要的。(C+N)含量更优选为大于或等于0.87质量％，并且进一步更优选大于或等于0.9质量％。
另一方面，过量的(C+N)导致大量粗MX型碳氮化物的形成。即使在固溶处理之后，这些粗碳氮化物仍然部分残留，这导致热加工性劣化。因此，(C+N)的量为小于或等于1.3质量％是必要的。(C+N)的量更优选小于或等于1.20质量％，并且进一步更优选小于或等于1.15质量％。
(2)0.05≤Nb/C＜1.8
由于钉轧效应(pinning effect)，适量的具有合适尺寸的MX型碳氮化物具有抑制晶粒粗化的作用。为了获得这种效果，Nb含量(质量％)与C含量(质量％)的比值(Nb/C)为大于或等于0.05是必要的。Nb/C的比值更优选为大于或等于0.07，并且进一步更优选大于或等于0.1。
另一方面，当Nb相对于C过量时，Nb优先与C结合，并且粗的初晶MX型碳氮化物大量析出。即使在固溶处理后，粗的初晶MX型碳氮化物也不会完全消失，这导致疲劳特性劣化。此外，C被消耗，从而降低了析出的M23C6型碳化物(其可有效地提高耐磨性和强度特性)的量。因此，Nb/C的比值小于1.8是必要的。Nb/C的比值更优选小于1.5，并且进一步更优选小于或等于1.3。
[2.用于排气阀的耐热钢的制造方法]
本发明的用于排气阀的耐热钢的制造方法包括熔融/浇铸步骤、均匀化热处理步骤、锻造步骤、固溶处理步骤和时效步骤。
[2.1.熔融/浇铸步骤]
熔融/浇铸步骤是对按预定组成共混的原材料进行熔融并浇铸的步骤。对原材料的熔融方法和熔融金属的浇铸方法没有进行特别限定，并且可以使用各种方法。可以采用任意熔融条件，只要在这些条件下能够获得具有均匀组分并可以被浇铸的熔融金属即可。
[2.2.均匀化热处理步骤]
均匀化热处理步骤是使在熔融/浇铸步骤中获得的铸锭进行均匀化热处理的步骤。为了使铸锭的组分均匀化，进行均匀化热处理步骤。
作为均匀化热处理的条件，根据组分选择最佳条件。通常，热处理温度为1,100℃至1,250℃。此外，热处理时间为5小时至25小时。
[2.3.锻造步骤]
锻造步骤是将进行了均匀化热处理的铸锭塑性变形为预定形状的步骤。对锻造方法和锻造条件没有进行特别限定，并且可以采用任意方法和条件，只要可以有效生产出所需的形状即可。
[2.4.固溶处理步骤]
固溶处理步骤是对在锻造步骤中得到的材料进行固溶处理的步骤。为了使粗的初晶MX型碳氮化物消失，进行固溶处理。
作为固溶处理条件，根据组分选择最佳条件。通常，随着固溶处理温度的增加，初生碳化物的残留量减少，并且在时效处理中析出的细晶粒内碳化物的量增加。因此这可有效地提高疲劳特性。然而，当在高于1,200℃的温度下进行处理时，会促进晶界反应碳化物(grain boundary reaction carbide)的析出，从而导致性能劣化。因此，固溶处理优选在1,000℃至1,200下进行20分钟或更长的时间，然后进行油冷却处理。
[2.5.时效步骤]
时效步骤是在固溶处理后对材料进行时效处理的步骤。为了使M23C6型碳化物析出，进行时效处理。
作为时效处理条件，根据组分选择最佳条件。虽然取决于组分，但时效处理优选在700℃至850℃下进行2小时或更长的时间，然后进行空气冷却处理。
[3.用于排气阀的耐热钢的操作]
C和N均为奥氏体稳定元素，同时，它们还是形成MX型碳氮化物的元素。在本发明中，分别将(C+N)的量和Nb/C的比值控制在特定范围内，使得在固溶处理后在材料中形成适量的具有合适尺寸的MX型碳氮化物。因此，在固溶处理之后，晶粒没有粗化，另外也没有残留粗的初晶MX型碳氮化物。此外，由于通过时效处理在材料中析出了适量的M23C6型碳化物，因此提高了高温特性。此外，由于将固溶体硬化元素限定为Mo，因此提高了高温特性。
此外，将添加的Si的量控制在特定范围内，使得抗氧化性提高，并且还实现了固溶体硬化作用。此外，相比于传统的奥氏体耐热钢，提高了Ni的量，使得γ相稳定，从而提高了刚性。
例子
(实施例1至24和比较例1至16)
[样品的制备]
将具有表1和2所示的组成的各合金在高频感应炉中熔融，以获得50kg的铸锭。在1,180℃下将通过熔融制备的各铸锭均匀化热处理16小时。然后，将铸锭锻造为直径为18mm的线材坯(rod stock)。对锻造的材料进一步进行固溶处理(ST)。在1,050℃的条件下使固溶处理进行30分钟，然后进行油冷却(实施例1至24)，或在1,050℃的条件下使固溶处理进行30分钟，然后进行油冷却(比较例1至16)。此外，在750℃的条件下对固溶处理(ST)之后的材料进行时效处理(AG)4小时，然后进行空气冷却。
表1
Figure BSA00000464437800121
表2
Figure BSA00000464437800131
[2.测试方法]
[2.1.硬度]
使用洛式硬度计的C级测量常温下的硬度。此外，使用高温维式硬度计在5kg的测量负荷下测量800℃下的硬度。
[2.2.拉伸测试]
从各材料中切下测试部分直径为8mm的试片，该试片长度为90mm。使用该试片在800℃下进行拉伸测试，以测量拉伸强度。
[2.3.疲劳测试]
从各材料中切下平行部分直径为8mm的试片，该试片长度为90mm。使用该测试片在800℃下进行Ono-型旋转弯曲疲劳测试，以测量107循环疲劳强度。
[2.4.氧化测试]
从各材料中制备直径为8mm、长度为17mm的筒状试片。在850℃的大气气氛下将该试片连续加热400小时，然后空气冷却。由测试之前和之后的重量差计算出由于氧化而引起的重量增加，并将其作为抗氧化性指数。
[结果]
结果在表3和表4中示出。从表3和表4中可得知如下内容。
(1)在所有的实施例1至24中，获得的在800℃下的高温硬度为约200HV或更高，并且样品具有在用于排气阀应用中时所需的足够高温耐磨性。此外，在所有的实施例1至24中，样品在800℃的拉伸强度为370MPa或更高。上述这些受到由Mo引起的固溶体硬化和由碳化物(特别是，M23C6型碳化物)引起的硬化的影响。
(2)在所有的实施例1至24中，样品的107循环疲劳强度为240MPa或更高，并且作为用于排气阀材料的碳化物析出型奥氏体耐热钢，样品还具有优异的高温疲劳特性。其原因认为如下：由于Nb基MX型碳氮化物的钉轧效应而抑制了晶粒粗化，并且Nb/C标准优化了导致早期断裂的粗碳化物(初晶碳化物)的尺寸和量。
(3)比较例1和2为传统钢。比较例1为SUH35，比较例2为LV21-43。这两者在高温下都具有低的机械特性、疲劳特性和抗氧化性。
在比较例3和4中，高温下的机械特性和疲劳特性都较低，因为在比较例3中Mo含量少，并且比较例4中Nb含量过高。
在其中Mo部分或全部被W取代的比较例5和6中，高温机械特性较低，特别是，疲劳强度较低。
Ti和V为类似于Nb的MX型碳氮化物形成元素，并且认为两者具有与Nb相当的效果。然而，在添加了这些元素的比较例7和8中，由氧化导致的重量增加比起实施例1至24而言较大。其原因认为是与Nb相比，Ti和V与O的结合力更强，从而导致更易于生成氧化物。此外，在比较例8中，107循环疲劳强度较低。其原因认为是由于Ti对于C和N的结合力很强，因此生成了稳定的粗碳氮化物，其在重复负荷下导致早期破裂。因此，Ti和V不能作为Nb的可替代元素。
在比较例9中，由于P过量，因此疲劳强度较低。
在比较例10和11中，抗氧化性均较低，这是因为在比较例10中Si含量低，而在比较例11中Si含量过高。
在比较例12和13中，疲劳强度较低，这是因为在比较例12中Nb/C比值低，而在比较例13中，Nb/C比值过高。
在比较例14中，高温下的机械特性和疲劳强度都低，这是因为(C+N)含量较低。
在比较例15中，疲劳强度低，这是因为(C+N)的含量过高。
此外，在比较例16中，疲劳强度低，这是因为Mo含量过高。
与此形成对比的是，根据在大气气氛、850℃下进行的400小时抗氧化性测试，已经示出与比较例1至16中的样品相比，实施例1至24中的样品具有良好的抗氧化性。
此外，如表3和4中所示，当组分在更优选的范围内时，排气阀所期望的高温硬度、疲劳特性和抗氧化性被优化为良好的水平。具体而言，800℃下的高温硬度为210或更高，800℃下的107循环疲劳强度为260MPa或更高，并且在850℃下进行400小时的氧化测试后由于氧化而引起的重量增加为1.3mg/cm2或更低。
从上述结果中已经示出了本发明的耐热钢具有优异的高温特性，并可用作排气阀材料。
表3
Figure BSA00000464437800161
*热处理：固溶处理/1050℃×0.5小时，油冷却，时效处理/750℃×4小时，空气冷却
*疲劳测试：Ono-型旋转弯曲疲劳测试(转数/3,500rpm)
表4
Figure BSA00000464437800171
*热处理：固溶处理/1050℃×0.5小时，油冷却，
时效处理/750℃×4小时，空气冷却
*疲劳测试：Ono-型旋转弯曲疲劳测试(转数/3,500rpm)
虽然已经在上面详细描述本发明的实施方案，但本发明不应被解释为以任何方式限于上文所述的实施方案，并且可以在不脱离本发明的要领的情况下进行各种更改。
本专利申请基于2010年3月25日提交的日本专利申请No.2010-070720，其全文内容以引用方式并入本文。
本发明的用于排气阀的耐热钢可以在各种发动机的排气阀中使用。

Claims (8)

1.一种用于排气阀的耐热钢，包含：
大于0.50质量％但小于0.80质量％的C，
大于0.30质量％但小于0.60％质量的N，
大于或等于17.0质量％但小于25.0质量％的Cr，
大于或等于4.0质量％但小于12.0质量％的Ni，
大于或等于7.0质量％但小于14.0质量％的Mn，
大于或等于2.0质量％但小于6.0质量％的Mo，
大于0.5质量％但小于1.5质量％的Si，以及
大于或等于0.025质量％但小于1.0质量％的Nb，
余量为Fe和不可避免的杂质，
其中在所述不可避免的杂质中包含的P的含量被调节为小于0.03质量％，
其中C和N的总含量为0.85质量％至1.3质量％，并且
其中Nb的含量与C含量的比值为大于或等于0.05但小于1.8。
2.权利要求1所述的用于排气阀的耐热钢，其还包含总量大于或等于0.001质量％但小于0.01质量％的Mg和Ca。
3.权利要求1所述的用于排气阀的耐热钢，其还包含选自由下列组分组成的组中的至少一种组分：
大于或等于0.001质量％但小于0.03质量％的B，以及
大于或等于0.001质量％但小于0.1质量％的Zr。
4.权利要求2所述的用于排气阀的耐热钢，其还包含选自由下列组分组成的组中的至少一种组分：
大于或等于0.001质量％但小于0.03质量％的B，以及
大于或等于0.001质量％但小于0.1质量％的Zr。
5.权利要求1所述的用于排气阀的耐热钢，其还包含大于或等于0.01质量％但小于5.0质量％的Co。
6.权利要求2所述的用于排气阀的耐热钢，其还包含大于或等于0.01质量％但小于5.0质量％的Co。
7.权利要求3所述的用于排气阀的耐热钢，其还包含大于或等于0.01质量％但小于5.0质量％的Co。
8.权利要求4所述的用于排气阀的耐热钢，其还包含大于或等于0.01质量％但小于5.0质量％的Co。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105603330A (zh) * 2016-01-19 2016-05-25 重庆材料研究院有限公司 细晶粒抗疲劳气阀钢棒线材及其制造方法
CN105839028A (zh) * 2015-01-12 2016-08-10 宝钢特钢有限公司 奥氏体耐热气阀钢及其制造方法
CN106191709A (zh) * 2016-08-17 2016-12-07 徐振伟 一种发动机排气门用铁基高温合金
CN110938781A (zh) * 2019-10-30 2020-03-31 武汉科技大学 一种低成本高铝耐热钢及其制备方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5788360B2 (ja) 2011-08-24 2015-09-30 大同特殊鋼株式会社 排気バルブ用耐熱鋼
US9540714B2 (en) 2013-03-15 2017-01-10 Ut-Battelle, Llc High strength alloys for high temperature service in liquid-salt cooled energy systems
US9683280B2 (en) 2014-01-10 2017-06-20 Ut-Battelle, Llc Intermediate strength alloys for high temperature service in liquid-salt cooled energy systems
US9683279B2 (en) 2014-05-15 2017-06-20 Ut-Battelle, Llc Intermediate strength alloys for high temperature service in liquid-salt cooled energy systems
US9605565B2 (en) 2014-06-18 2017-03-28 Ut-Battelle, Llc Low-cost Fe—Ni—Cr alloys for high temperature valve applications
GB2611819A (en) * 2021-10-18 2023-04-19 Alloyed Ltd A heat-resistant austenitic stainless steel

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB869010A (en) * 1957-04-03 1961-05-25 Crucible Steel Co America Improvements relating to alloy steels
US3165400A (en) * 1961-06-27 1965-01-12 Chrysler Corp Castable heat resisting iron alloy
DE3720605A1 (de) 1987-06-23 1989-01-05 Thompson Gmbh Trw Austenitischer stahl fuer gaswechselventile von verbrennungsmotoren
JPH03285050A (ja) * 1990-03-30 1991-12-16 Aichi Steel Works Ltd 高温特性の優れた排気バルブ用鋼
JPH09279309A (ja) 1996-04-12 1997-10-28 Daido Steel Co Ltd Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系耐熱合金
JP2001323323A (ja) 2000-05-12 2001-11-22 Aichi Steel Works Ltd 自動車用エンジンバルブの製造方法
JP3951943B2 (ja) * 2003-03-18 2007-08-01 本田技研工業株式会社 耐過時効特性にすぐれた高強度の排気バルブ用耐熱合金
JP5199804B2 (ja) 2008-09-22 2013-05-15 新日鉄住金化学株式会社 エポキシ樹脂組成物および成形物
JP2010280950A (ja) * 2009-06-04 2010-12-16 Daido Steel Co Ltd 排気バルブ用耐熱鋼及びその製造方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105839028A (zh) * 2015-01-12 2016-08-10 宝钢特钢有限公司 奥氏体耐热气阀钢及其制造方法
CN105839028B (zh) * 2015-01-12 2017-07-28 宝钢特钢有限公司 奥氏体耐热气阀钢制造方法
CN105603330A (zh) * 2016-01-19 2016-05-25 重庆材料研究院有限公司 细晶粒抗疲劳气阀钢棒线材及其制造方法
CN106191709A (zh) * 2016-08-17 2016-12-07 徐振伟 一种发动机排气门用铁基高温合金
CN110938781A (zh) * 2019-10-30 2020-03-31 武汉科技大学 一种低成本高铝耐热钢及其制备方法
CN110938781B (zh) * 2019-10-30 2021-02-19 武汉科技大学 一种低成本高铝耐热钢及其制备方法

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