JP2002294411A

JP2002294411A - 高温強度が大きく、かつ耐食性および耐磨耗性に優れた排気弁用鋼

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Publication number: JP2002294411A
Application number: JP2001095777A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Nishizawa; 義喬西沢; Naoyuki Owari; 尚幸尾張; Kimihiko Ando; 公彦安藤; Tadayoshi Tominaga; 忠良冨永; Koji Sakurai; 浩二櫻井
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd; Tohoku Tokushuko KK; Tohoku Steel Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd; Tohoku Tokushuko KK; Tohoku Steel Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2002-10-09
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP4827308B2

Abstract

(57)【要約】【課題】理論空燃比（λ＝１）燃焼により上昇する排
気温度に対応できる、優れた高温強度ならびに耐食性お
よび耐磨耗性を有し、しかもガソリン・ディーゼルエン
ジン両用に適用可能な排気弁用鋼を提供する。【解決手段】質量％でＣ：0.45〜0.60％， Si：0.
1 〜0.5 ％， Mn：6.0 〜8.0 ％，Ni：8.0 〜11.0
％， Cr：22.0〜24.0％， Cu：0.4 〜1.0 ％，N
b：0.3 〜0.6 ％， Mo：0.5 〜2.0 ％，Ｎ：0.3
5〜0.50％，Ｗ：0.5 〜2.0 ％およびＢ：0.001 〜0.01
％を、Ｃ＋Ｎ：0.85〜1.00％，Mo＋Ｗ：2.0 〜3.0 ％を
満足する範囲において含有し、残部はFe及び不可避的不
純物の組成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車の排気弁、
特に理論空燃比（λ＝１）燃焼により上昇する高温排気
用の排気弁として好適な、高温強度が大きく、かつ耐食
性および耐磨耗性に優れた排気弁用鋼に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自動車の排気弁用鋼として
は、適度の高温強度、耐食性および耐酸化性を有する J
IS SUH35系の高Cr−高Mn・Fe基合金が使用されてきた。
しかしながら、近年、エンジンの種類によっては、高出
力・高性能化に伴う燃焼温度の上昇に対応できるような
高強度でかつ耐食性および耐摩耗性に優れた弁用鋼が求
められるようになってきたが、これらの要請に対し、従
来の SUH35系鋼では十分に応えることができなくなって
きた。

【０００３】このため、SUH35 系弁用鋼に替わるものと
して、JIS NCF751などの高ニッケル合金や SUH35系鋼に
Mo, Ｗ, NbおよびＶなどの強化成分を添加して固溶強化
や析出強化を図り、高温強度や耐磨耗性を改善した鋼種
が提案されている（例えば、特許第 1407918号公報、特
許第 2543417号公報、特開平９−310154号公報）。しか
しながら、これらの鋼種でも、まだ高温強度と耐磨特性
の両者を兼備するまでには至っておらず、特に高温強度
が不足していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の現状
に鑑み開発されたもので、上記した特許第 2543417号公
報に開示された弁用鋼の優れた耐食性、耐酸化性および
耐クリープ特性は維持したまま、空燃比リーン化など燃
焼温度の上昇に対応できる耐熱性の向上、特に熱間疲労
強度と耐磨耗性の向上を図り、しかもガソリン・ディー
ゼルエンジン両用の排気弁としての使用が可能な、高温
強度が大きく、かつ耐食性および耐磨耗性に優れた排気
弁用鋼を提案することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】さて、発明者らは、上記
の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、鋼中の（Ｃ
＋Ｎ）量を調整した上で、Cuを添加し、さらにはMoとＷ
を複合添加することが、所期した目的の達成に関し、極
めて有効であることの知見を得た。また、特に、鋼中
に、粒径が３μm 以上の炭窒化物を４％以上の個数率で
析出させることが、上記の目的を達成する上で一層有利
であることの知見を得た。本発明は、上記の知見に立脚
するものである。

【０００６】すなわち、本発明は、質量％でＣ：0.45〜0.60％， Si：0.1 〜0.5 ％， Mn：6.0 〜8.0 ％， Ni：8.0 〜11.0％， Cr：22.0〜24.0％， Cu：0.4 〜1.0 ％， Nb：0.3 〜0.6 ％， Mo：0.5 〜2.0 ％，Ｎ：0.35〜0.50％，Ｗ：0.5 〜2.0 ％およびＢ：0.001 〜0.01％を、Ｃ＋Ｎ：0.85〜1.00％， Mo＋Ｗ：2.0 〜3.0 ％を満足する範囲において含有し、残部はFeおよび不可避
的不純物の組成になることを特徴とする、高温強度が大
きく、かつ耐食性および耐磨耗性に優れた排気弁用鋼で
ある。

【０００７】また、本発明では、鋼中に、粒径：３μm
以上の炭窒化物を、４％以上の個数率で分散析出させる
ことが好ましい。

【０００８】なお本発明で目標とする高温強度とは、 9
00℃における引張強度が245 N/mm²以上、また 800℃に
おける高温疲労強度が 235 N/mm²以上のことである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。まず、本発明において、成分組成を上記の範囲に限
定した理由について説明する。なお、以下に示す成分組
成の％表示はいずれも「質量％」である。Ｃ：0.45〜0.60％Ｃは、オーステナイト組織を安定化させるだけでなく、
炭窒化物を形成・析出して、常温および高温強度を確保
するために不可欠な元素である。また、本発明鋼では、
基地にNbおよびＷ，Moに富む炭窒化物を析出させること
によって、耐磨耗性の向上にも有効に寄与する。上記の
効果を得るためには、0.45％以上の含有を必要とする
が、0.60％を超えると耐酸化性や耐クリープ特性の低下
をきたすので、Ｃは0.45〜0.60％の範囲に限定した。

【００１０】Ｎ：0.35〜0.50％Ｎは、オーステナイトを生成し、組織の安定化を促すだ
けでなく、Ｃと作用して炭窒化物を形成、析出し、高温
強度を向上させる有用元素である。かような効果は0.35
％以上の含有で認められるが、0.50％を超えると耐クリ
ープ特性の劣化につながり、また引抜き加工での加工硬
化が著しくなるなど靱性低下にもつながるので、Ｎは0.
35〜0.50％の範囲に限定した。

【００１１】Ｃ＋Ｎ：0.85〜1.00％上記したＣおよびＮはそれぞれ、単独で上記の範囲を満
足するだけでは不十分で、合計量で0.85〜1.00％の範囲
に制限する必要がある。というのは、（Ｃ＋Ｎ）合計量
が0.85％に満たないと目標とする高温強度が得難く、ま
た耐磨耗性の低下も懸念されるからであり、一方（Ｃ＋
Ｎ）量が1.00％を超えると高温強度の向上効果は飽和に
達し、むしろ未固溶炭窒化物残留量が多くなって、結晶
粒成長が阻害され、耐クリープ特性が劣化するからであ
る。

【００１２】Si：0.1 〜0.5 ％ Siは、溶鋼の脱酸剤として、また高温耐酸化性および耐
硫化腐食性の向上に有用な元素であり、少なくとも 0.1
％の含有を必要とするが、過度の添加は高Cr鋼ではσ相
生成の助長および酸化鉛腐食の面で有害であり、特に
0.5％を超えるとこれらの弊害が著しくなるので、Siは
0.1〜0.5 ％の範囲に限定した。

【００１３】Mn：6.0 〜8.0 ％ Mnは、NiやＣ, Ｎと共にオーステナイト組織の安定化を
促す有用元素である。また、硫化物系環境下における耐
食性の改善元素および高価なNiの代替元素としても有用
である。しかしながら、含有量が 6.0に満たないとその
添加効果に乏しく、一方 8.0％を超えると本発明鋼では
耐酸化性および耐クリープ特性の低下を招くので、Mnは
6.0〜8.0 ％の範囲に限定した。

【００１４】Ni：8.0 〜11.0％ Niは、オーステナイト形成元素であり、常温における組
織安定化のために重要な成分である。また、耐食性、耐
熱性および耐酸化性の改善に不可欠な元素でもある。上
記の目的のためには、少なくとも 8.0％の添加を必要と
するが、11.0％を超えて含有させても耐食性および耐熱
性の改善効果は小さく、むしろコスト高となるので、Ni
は 8.0〜11.0％の範囲に限定した。

【００１５】Cr：22.0〜24.0％ Crは、耐熱性、耐酸化性および耐食性を確保するための
必須成分であり、本発明鋼のようにＣ、Ｎを多量に固溶
させるためには、少なくとも22.0％の含有を必要とす
る。しかしながら、含有量が24.0％を超えるとシグマ相
が生成し易くなり、靱性の低下をきたすので、Crは22.0
〜24.0％の範囲に限定した。

【００１６】Cu：0.4 〜1.0 ％ Cuは、ディーゼルエンジン対応の面で常温および高温に
おける耐硫化腐食性の改善に効果があり、また微細なCu
化合物の析出により高温強度の向上にも有効に寄与す
る。上記の効果を得るためには、少なくとも 0.4％の含
有を必要とするが、1.0 ％を超えて添加してもその効果
は飽和に達し、むしろ熱間加工性や耐酸化性の面ではマ
イナスとなるので、Cuは 0.4〜1.0 ％の範囲に限定し
た。

【００１７】Nb：0.3 〜0.6 ％ Nbは、高温で安定な一次炭窒化物を形成することによ
り、高温固溶化熱処理における結晶粒の粗大化を抑制
し、疲労強度の低下防止に有用なだけでなく、耐磨耗性
の改善にも寄与する。そのためには少なくとも 0.3％の
含有を必要とするが、0.6 ％を超える添加は固溶Ｃ濃度
を減少させ基地の強度低下を招くので、Nbは0.3〜0.6
％の範囲に限定した。

【００１８】Mo：0.5 〜2.0 ％ Moは、後述するＷと共に、本発明では特に重要な元素で
ある。すなわち、Moは、基地に固溶して耐食性を改善す
るだけでなく、一部炭化物を形成し高温強度を向上させ
る効果がある。そのためには、少なくとも 0.5％の含有
を必要とするが、Mo単独で 2.0％を超えて添加しても高
温特性は大差なく、むしろ耐酸化性の低下やコスト高を
招くので、Moは 0.5〜2.0 ％の範囲に限定した。

【００１９】Ｗ：0.5 〜2.0 ％Ｗは、Moと同様、基地に固溶すると同時に、一部はMo・
Ｗ複合炭窒化物を形成して、高温強度および耐磨耗性の
向上に有効に寄与する。しかしながら、含有量が 0.5％
に満たないとその添加効果に乏しく、一方 2.0％を超え
て添加しても高温強度の向上効果は飽和に達し、むしろ
耐硫化腐食性の劣化やコスト高を招くので、Ｗは 0.5〜
2.0 ％の範囲に限定した。

【００２０】Mo＋Ｗ：2.0 〜3.0 ％ Mo, Ｗは、単独でも上記の効果を示すが、単にMoとＷを
上記の範囲で含有させただけでは、必ずしも十分な高温
強度が得られるとは限らず、本発明で目標とする優れた
高温強度を得るためには、両者の合計量を所定の範囲に
規制することが重要である。すなわち、MoとＷを所定量
複合含有させると、適正な大きさの複合炭窒化物が適正
量析出し、これにより高温強度の有利な向上が達成され
るからである。このためには、MoとＷを合計で 2.0％以
上含有させる必要があるが、3.0 ％を超えるとその効果
は飽和に達するので、（Mo＋Ｗ）は合計で 2.0〜3.0 ％
の範囲で含有させるものとした。

【００２１】Ｂ：0.001 〜0.01％Ｂは、オーステナイト結晶粒界を強化して、熱間加工
性、高温強度および耐クリープ特性の改善に有効に寄与
する。上記の効果を得るためには、0.001 ％以上の含有
を必要とするが、過度の含有は粒界の溶融温度を低下さ
せ熱間加工性を劣化させるので、上限は0.01％に限定し
た。

【００２２】以上、本発明に従う適正な成分組成範囲に
ついて説明したが、その他、組織の面からは、鋼中に、
粒径：３μm 以上の炭窒化物を、４％以上の個数率で析
出させることが好ましい。図１に、発明鋼として後掲す
る表１中のNo.1の鋼、また比較鋼としてSUH35 鋼（比較
鋼１）、特許第 1407918号公報に開示の鋼（比較鋼
２）、特許第 2543417号公報に開示の鋼（比較鋼３）お
よび特開平９−310154号公報に開示の鋼（比較鋼４）を
用い、それぞれ1150℃で 0.5ｈの固溶化熱処理後、750
℃で４ｈ時効処理を施した試料について、粒径：３μm
以上の炭窒化物の個数率と 900℃における引張強度およ
び 800℃における高温疲労強度との関係について調べた
結果を、比較して示す。ここに、個数率は、熱処理条件
毎に光学顕微鏡組織を調べたのち、電子顕微鏡・２次電
子像を得、結晶粒内に析出している粒状の全炭窒化物を
大きさ別に分類する画像処理とデータ解析を行って求め
た。

【００２３】同図に示したとおり、本発明鋼は、粒径：
３μm 以上の析出炭窒化物の個数率が６％と際立って高
く、しかもかように高い個数率の場合には引張強度(900
℃）≧245 N/mm² でかつ高温疲労強度(800℃）≧235 N/
mm² という極めて優れた高温強度特性を得ることができ
た。また、上記の要件を満足する場合には、高温強度特
性だけでなく、耐磨耗性や耐クリープ特性も向上するこ
とが確認されている。

【００２４】そこで、発明者らは、上記のような極めて
優れた高温強度特性を得ることができる析出炭窒化物の
大きさと個数率について調べたところ、粒径：３μm 以
上の析出炭窒化物の個数率が４％以上（好ましくは５％
以上）であれば、目標とする高温強度特性が得られるこ
とが判明した。

【００２５】次に、かかる析出炭窒化物の成分について
検討した。図２に、上記した発明鋼のCr成分についての
特性Ｘ線マッピング組織写真を示す。図２中、赤く見え
るのがCr化合物であるが、同図に示したとおり、発明鋼
では、比較的大きなCr化合物が適度に分散していること
が分かる。なお、図中、黒く見えるのはNb化合物であ
る。また、図３および図４には、同じ鋼組織におけるMo
およびＷ成分についての特性Ｘ線マッピング組織写真を
それぞれ示す。図３，４から明らかなように、MoやＷが
検出された位置は、図２に示したCrが検出された位置と
一致している。従って、かかる析出炭窒化物は、Cr，Mo
およびＷの複合炭窒化物であることが確認された。

【００２６】なお、上記したような粒径が３μm 以上の
複合炭窒化物を個数率で４％以上析出させるためには、
1100〜1150℃の温度で固溶化熱処理した後、 700〜800
℃程度の温度で時効熱処理を施すことが有利である。

【００２７】

【実施例】実施例１表１に示す成分組成になる鋼を、誘導炉で大気溶解した
後、８kgの鋼塊に鋳込み、1150℃に加熱後、20mm角の鍛
造を経て、10mmφの丸棒に圧延し、ついで1050℃で焼鈍
して製品棒とした。なお、同表中、No.1〜３は発明鋼、
No.4〜８は比較鋼、No.9は特許第2543417号公報に開示
の従来鋼、No.10 は従来のJIS SUH35 鋼である。

【００２８】ついで、各鋼を、1050℃、1100℃および11
50℃の温度で30分保持後、水冷する固溶化熱処理を施し
たのち、750 ℃で４時間保持後、空冷する時効処理を施
してから、高温強度試験（引張；平行部５mmφ、高温疲
労；平行部６mmφ）、高温腐食試験（酸化鉛およびサル
ファーアタック；８mmφ×20mmＬ）および酸化増量（８
mmφ×20mmＬ）用の試験片を作成し、各試験に供した。
得られた結果を、表２, ３に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】

【表３】

【００３２】以下、各実験結果について具体的に説明す
る。 (1) 高温強度発明鋼と比較鋼および従来鋼について、常温および 800
℃、 900℃における引張強度を調べた。試験方法は、電
気炉付帯の万能試験機で、平行部５mmφのJISZ2201 14A
号試験片を、各温度に10分加熱保持後、３mm／分の歪み
速度で引張り強度および靱性を調査した。表２に示した
とおり、No.1〜３の発明鋼は、 800℃および 900℃にお
ける引張強度はそれぞれ 800℃：368 N/mm² 以上、 900
℃：252 N/mm² 以上であり、No.9の特許第2543417 号よ
り各々 15 N/mm² 以上、また No.10の JIS SUH35鋼の引
張強度 800℃：343 N/mm² および 900℃：220 N/mm² よ
り、各々 25 N/mm² 強の強度改善が認められた。

【００３３】次に、本発明鋼と比較鋼および従来鋼につ
いて、小野式回転曲げ試験機を用いて 800℃における疲
労強度を調べた。表２に示したとおり、発明鋼No.1〜３
はいずれも、固溶化温度：1150℃処理の場合、疲労強度
は 235 N/mm²以上であり、特許第2543417 号に開示の鋼
やSUH35鋼よりも 35 N/mm² 以上も強度が向上してい
る。なお、No.6, ８の比較鋼も、 900℃における引張強
度および 800℃における疲労強度については、発明鋼と
同程度の値が得られたが、これらは、後述するように、
耐食性および耐酸化性の面で劣っている。

【００３４】(2) 高温耐食性、耐酸化性セラミック坩堝内の60％PbＯ＋40％PbSO₄ 混合合成灰中
で、920 ℃，１時間浸漬し、腐食減量について調査し
た。なお、この 6：4 PbＯ腐食減量が130 mg/cm²以下で
あれば、優れた高温耐食性を有しているといえる。表３
に示したとおり、発明鋼No.1〜３は、（Ｃ＋Ｎ）が低い
特許第2543417 号よりも劣った結果を呈したが、従来材
の SUH35鋼とはほぼ同等の腐食減量を示し、開発目標を
達成した。また、耐酸化性は、試験片を坩堝に入れ、ブ
ロアーで大気吸入（0.9 m³/min）可能なボックス内に設
置した環状電気炉（900 ℃）中で連続 100時間加熱し、
冷却時には坩堝蓋でスケール飛散防止を図り、重量増を
調査した。この酸化増量が4.0 mg/cm²以下であれば、優
れた耐酸化性を有しているといえる。表３に示したとお
り、発明鋼No.1〜３はいずれも、酸化増量が3.8 mg/cm²
以下と優れた耐酸化性を有していた。なお、前述した比
較鋼No.6, No.8は、高温耐食性および耐酸化性とも著し
く劣っていた。さらに、硫化腐食は、55％CaSO₄ ＋30％
BaSO₄ ＋10％Na₂SO₄＋５％Ｃ配合の合成灰入りセラミッ
ク坩堝中で、 870℃に80時間浸漬加熱して腐食減量を調
べた。ただし、24時間毎新しい合成灰に取替えて加熱
し、積算80時間とした。この腐食減量が 25 mg/cm²以下
であれば、優れた耐硫化腐食性を有しているといえる。
表３に示したとおり、発明鋼No.1〜３はいずれも、No.9
の特許第2543417 号に開示の鋼よりも腐食減量が増加し
たが、高Ｃ含有の SUH35鋼やMoを含有しない高Ｃ・Ｗ添
加鋼の比較鋼No.7, No.8よりも腐食減量が少ない好結果
を得た。

【００３５】実施例２次に、発明鋼No.1, ２と従来鋼No.9, 10を素材とするエ
ンジンバルブ粗形材に、所定の機械加工と熱処理を施し
て得たエンジンバルブ単体について高温磨耗試験を行っ
た。試験は、繰返し回転数：3250rpm 、試験時間：４
ｈ、加熱温度：600 ℃の条件で実施した。得られた結果
を表４に示す。

【００３６】

【表４】

【００３７】同表から明らかなように、発明鋼を用いて
作成したバルブは、従来鋼No.9〜10のバルブに比べて、
明らかにバルブとシートの総磨耗量の減少が見られ、耐
磨耗性に優れていることが分かる。

【００３８】

【発明の効果】かくして、本発明によれば、引張強度(9
00℃）≧245 N/mm² かつ高温疲労強度(800℃）≧235 N/
mm² という高温強度特性に優れるだけでなく、高温での
耐食性、耐酸化性および耐磨耗性に優れる排気弁用鋼を
安定して得ることができる。従って、本発明の弁用鋼
は、空燃費リーン化など燃焼温度の上昇に対応した高温
排ガス用の排気弁として極めて有効であり、またガソリ
ン・ディーゼルエンジン両用の排気弁として使用するこ
ともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明鋼と既存の比較鋼について、粒径：３μ
m 以上の炭窒化物の個数率と 900℃における引張強度お
よび 800℃における高温疲労強度との関係を示した図で
ある。

【図２】発明鋼のCr成分についての特性Ｘ線マッピン
グ組織写真である。

【図３】発明鋼のMo成分についての特性Ｘ線マッピン
グ組織写真である。

【図４】発明鋼のＷ成分についての特性Ｘ線マッピン
グ組織写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西沢義喬宮城県柴田郡村田町大字村田字西ケ丘23番地東北特殊鋼株式会社内 (72)発明者尾張尚幸宮城県柴田郡村田町大字村田字西ケ丘23番地東北特殊鋼株式会社内 (72)発明者安藤公彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者冨永忠良愛知県大府市共和町一丁目１番地の１愛三工業株式会社内 (72)発明者櫻井浩二愛知県大府市共和町一丁目１番地の１愛三工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％でＣ：0.45〜0.60％， Si：0.1 〜0.5 ％， Mn：6.0 〜8.0 ％， Ni：8.0 〜11.0％， Cr：22.0〜24.0％， Cu：0.4 〜1.0 ％， Nb：0.3 〜0.6 ％， Mo：0.5 〜2.0 ％，Ｎ：0.35〜0.50％，Ｗ：0.5 〜2.0 ％およびＢ：0.001 〜0.01％を、Ｃ＋Ｎ：0.85〜1.00％， Mo＋Ｗ：2.0 〜3.0 ％を満足する範囲において含有し、残部はFeおよび不可避
的不純物の組成になることを特徴とする、高温強度が大
きく、かつ耐食性および耐磨耗性に優れた排気弁用鋼。
【請求項２】請求項１において、鋼中における粒径：
３μm 以上の析出炭窒化物の個数率が４％以上であるこ
とを特徴とする、高温強度が大きく、かつ耐食性および
耐磨耗性に優れた排気弁用鋼。