JP2003342697A - 高温耐食性にすぐれた舶用バルブ合金 - Google Patents

高温耐食性にすぐれた舶用バルブ合金

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JP2003342697A
JP2003342697A JP2002157971A JP2002157971A JP2003342697A JP 2003342697 A JP2003342697 A JP 2003342697A JP 2002157971 A JP2002157971 A JP 2002157971A JP 2002157971 A JP2002157971 A JP 2002157971A JP 2003342697 A JP2003342697 A JP 2003342697A
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alloy
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marine
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Yoshito Suzuki
義人 鈴木
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Daido Steel Co Ltd
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Daido Steel Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 舶用ディーゼルエンジンの排気バルブであっ
て、70%Ni系合金であるNimonic 80Aの製品と同等
の性能、とくに高温耐食性とフェイス面硬さを有するバ
ルブを、Ni含有量を低減した材料で製造可能にするこ
と。 【解決手段】 重量で、C:0.01〜0.15%、S
i:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Ni:35〜
45%、Cr:15〜25%、Ti:2.0〜3.5
%、Al:0.2〜1.5%およびNb:0.2〜1.
5%を含有し、残部がFeおよび不可避の不純物からな
る合金組成を有する合金を材料とし、熱間加工によりバ
ルブの軸部を成形し、ついで加工温度750〜1100
℃、加工率10%の仕上げ加工を行なって傘部を成形
し、最後に温度700〜750℃で6時間以上の時効処
理を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温耐食性にすぐ
れた舶用バルブ合金と、それを材料として用いる舶用デ
ィーゼルエンジンの排気バルブの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃エンジンのバルブのなかでも、舶用
ディーゼルエンジンの排気バルブは、品質の低い燃料が
使用されるため、単に高温にさらされるだけでなく、イ
オウやバナジウムを含んだ腐食性の排気ガスが接触する
使用環境にある。したがって、高温耐食性にすぐれた材
料で製造しなければならない。この要求を満たす舶用バ
ルブ材料として、これまで、ニッケル基合金であるNimo
nic 80Aが、もっぱらといっていいほど使用されてき
た。しかし、この合金はNiを70%も含有するため高
価である。材料価格の高いことがバルブ製造コストを高
いものにしていたので、より安価で性能の劣らない材料
の出現が要望されていた。
【0003】高温耐食性が高いバルブに関しては、たと
えば特開昭60−34606「Ni基合金製弁体の製造
方法」に、析出硬化型Ni基合金を素材とし、特定の加
工条件で加工して耐熱摩耗性および高温耐食性にすぐれ
たバルブを製造する技術が開示されている。この素材
も、Niを70%以上含有するNi基合金であるから、
材料コストの問題はそのまま残っている。
【0004】出願人がかつて提案した特開昭64−86
99「舶用ディーゼルエンジンバルブ」は、強析出強化
型耐熱合金を材料とするものであり、上記Nimonic 80A
のほか、Inconel 751やSUH 660を使用する。Inconel 75
1もまた、Ni含有量が70%を超えるNi基合金であ
る。SUH 660はNi含有量25%程度の耐熱合金である
が、高温耐食性に関しては、高Ni含有量のものに及ば
ない。
【0005】同じく出願人が提案した特開昭60−46
343「排気バルブ用合金」は、自動車エンジンの排気
バルブを対象としたものであるが、Ni含有量が35〜
60%と、常用のNi基合金にくらべて低く、それにも
かかわらず、比較的高い高温耐食性を示す。この合金
は、Niの低減に伴って、加工性が改善されている。そ
こで発明者は、上記のSUH 660よりは高Niであるが、
Ni含有量を在来のNi基合金よりは著しく減らした領
域において、舶用バルブとして必要な高温耐食性を有す
るバルブ材料が実現可能であると考え、研究の結果、本
発明の舶用バルブ合金を開発するに至った。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した発明者の得た新知見を活かし、Ni含有量を在来の
Ni基合金よりは著しく減らした領域、代表的には40
%程度にした合金であって、しかも舶用バルブとしては
在来のNi基合金の製品と同等の性能、とくに高温耐食
性とフェイス面硬さを有するバルブを製造することがで
きるバルブ合金を提供することにある。この合金を用い
て高性能な舶用バルブを製造する方法を提供することも
また、本発明の目的に包含される。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の高温耐食性にす
ぐれた舶用バルブ合金は、重量%で、C:0.01〜
0.15%、Si:2.0%以下、Mn:2.0%以
下、Ni:35〜45%、Cr:15〜25%、Ti:
2.0〜3.5%、Al:0.2〜1.5%およびN
b:0.2〜1.5%を含有し、残部がFeおよび不可
避の不純物からなる合金組成を有する。
【0008】上記の合金を用いた本発明の高温耐食性に
すぐれたバルブの製造方法は、熱間加工によりバルブの
軸部を成形し、ついで加工温度750〜1100℃、加
工率10%以上の仕上げ加工を行なって傘部を成形し、
最後に温度700〜750℃で6時間以上の時効処理を
行なうことからなる。
【0009】
【発明の実施形態】本発明の舶用バルブ合金は、前記の
合金成分に加えて、B:0.01%以下、Zr:0.2
%以下、Mg:0.02%以下およびCa:0.02%
以下の1種または2種以上を含有することができる。
【0010】本発明の舶用バルブ合金において、合金組
成を上記のように限定した理由は、つぎのとおりであ
る。 C:0.01〜0.15% Cは、Cr、NbおよびTiと結合して炭化物を形成
し、高温強度を高めるとともに、耐摩耗性をもたらす。
この合金の組織はオーステナイトであり、炭化物と金属
間化合物とは、オーステナイト粒界にあってその転移を
防ぐ、いわゆるピンニング作用をするので、強度が発現
する。こうしたCの効果を得るには、合金中に0.01
%以上のCを存在させなければならない。一方で、多量
に存在すると、かえって高温強度が低下し、靱延性も低
くなるので、0.15%以下の添加に止める。
【0011】Si:2.0%以下 Siは脱酸剤として添加するが、多量に過ぎると強度お
よび靱延性が低下するので、2.0%以下に限定した。
【0012】Mn:2.0%以下 Mnもまた脱酸剤であるが、あまり多量に添加すると、
高温における耐酸化性が低下するので、2.0%までの
添加量を選ぶ。
【0013】Ni:35〜45% Niは、まずオーステナイト組織の安定化に必要であ
る。それとともに、時効処理によりγ’相すなわちNi
(Al,Ti)を析出させ、材料に高温強度をもたら
す。耐食性にとっても、必須の成分である。Niの与え
る効果を確実にするには、35%以上の添加を必要とす
る。それに、35%に満たない少量では、σ相などの脆
化相が生成しやすくなる。しかし、Niは高価であるか
ら、その添加量は必要最小限に止めたい。この観点から
いえば40%程度で足りるので、添加効果が飽和する4
5%をもって上限とした。
【0014】Cr:15〜25% Crは、高温耐食性を確保する上で必須の成分であり、
少なくとも15%の添加は必要である。20%程度を添
加することが好ましい。一方で、多量の添加はオーステ
ナイト相を不安定にし、σ相などが生成しやすくなっ
て、高温強度および靱延性の低下を招く。Niほどでは
ないにせよ、Crもまた高価な材料であるから、あまり
多量に使いたくない。これらの因子を総合して、Cr量
の上限値として25%を設けた。
【0015】Ti:2.0〜3.5% Tiは、前記したγ’相を生成する重要な成分であり、
高温強度を維持するために必要である。添加量がわずか
では、γ’相の生成量が少なくて、期待した効果が得ら
れない。過大な添加はη相すなわちNiTiの析出を
もたらし、強度が低下する。そこで、添加量の範囲とし
て2.0〜3.5%を定めた。
【0016】Al:0.2〜1.5% 上の記述から明らかなように、AlはTiおよびNiと
ともに、γ’相の主構成元素である。Alの存在が不足
であると、γ’相が不安定となってη相が析出し、高温
強度が確保できない。0.2%の下限は、この理由から
設けた。一方で添加量が過大になると、γ’相とマトリ
クスの整合性が高まって整合歪みが減少し、歪みに起因
する強度が不十分になる。1.5%の上限は、これが限
定理由である。
【0017】Nb:0.2〜1.5% Nbも前記のように炭化物を形成し、またγ’相の形成
にも寄与し、高温強度を発揮させる成分である。この目
的からは、下限値0.2%以上の添加が必要であるが、
Nb量が過大になると、δ相(NiNb)やLaves相
(FeNb)が析出して、高温における強度および靱
延性が低下する。耐食性にとっても不利になる。そこ
で、上限値を1.5%に設定した。
【0018】本発明のバルブ合金に任意に添加すること
ができる成分の作用と、組成範囲の限定理由は、つぎの
とおりである。 B:0.01%以下 Bは、結晶粒界に偏析してクリープ強度を高めるほか、
粒界へのη相の析出ヲ抑えるから、適量の添加が好まし
い。多量を添加すると、熱間加工性を損なうので、0.
01%以下の添加量がよい。
【0019】Zr:0.2%以下、Mg:0.02%以
下、Ca:0.02%以下の1種または2種以上 これらの元素は、合金の溶製時に脱酸・脱硫剤として作
用し、残留したイオウも硫化物として固定するから、熱
間加工性の改善に著しい効果がある。クリープ強度と破
断強度の向上にも寄与する。多量の添加は、かえって熱
間加工性を低下させるから、それぞれ上記した限度まで
の添加が適切である。
【0020】本発明のバルブの製造方法は、前述のとお
り、本発明のバルブ合金を材料として用い、その熱間加
工によりバルブの軸部を成形し、ついで加工温度750
〜1100℃、加工率10%以上の仕上げ加工を行なっ
て傘部を成形し、最後に温度700〜750℃で6時間
以上の時効処理を行なうことからなる。
【0021】加工温度の下限750℃は、Ni量の低減
により改善されるとはいえ、加工性がそれほどよくない
本発明の合金の、熱間加工が可能な温度として設定し
た。上限1100℃は、これを超える高温で加工したの
では、加工中に再結晶が進むためにより多くの加工量が
必要になって、加工による硬さの上昇が望めなくなるか
らである。仕上げ加工の加工率の下限10%もまた、加
工による硬さの向上が期待できる限度である。温度70
0〜750℃×6時間以上という時効処理の条件は、こ
の組成の合金の鍛造品に適切なものとして、経験的に導
き出された。
【0022】
【実施例】下記の組成(重量%)をもつ舶用バルブ合金
を、真空誘導溶解炉を用いて溶製した。 C Si Mn Ni Cr Ti Al Nb Fe 0.05 0.14 0.16 40.1 19.5 2.67 0.59 0.73 残部
【0023】インゴットを分塊して得たビレットを、加
熱温度1000〜1050℃でプレス鍛造機にかけ、加
工率が、小さい部分でも約18%、大きい部分では80
%以上におよぶ加工を行なって、つぎの寸法をもつ、舶
用ディーゼルエンジンバルブの素材を製造した。 全長:1180mm 傘部径:320mm ステム部
径:56〜66mm
【0024】バルブのステム部および傘部の常温におけ
る機械的強度を測定するとともに、傘部ディスク面の硬
さを測定した。それらの結果を、表1に示す。表1にお
いて「スペック」は、この種の製品に通常要求される規
格値である。
【0025】表 1
【0026】高温(500℃)における傘部ディスク面
の引張試験の結果を、硬さの測定値とともに表3に示
す。表2のデータは、本発明の合金を材料として用い、
本発明の方法で製造した舶用ディーゼルエンジン排気バ
ルブが、高温において十分な機械的性質を有することを
示している。
【0027】表 2
【0028】上記の排気バルブから試験片を切り出し、
腐食試験を行なった。試験条件と結果を表3にまとめて
示す。比較のため、Nimonic 80Aのデータを並べて掲げ
た。
【0029】表 3
【0030】
【発明の効果】本発明の舶用バルブ合金は、Ni含有量
が35〜45%と、従来のNi基合金の70%に対して
顕著に減少しているにもかかわらず、高温耐食性がそれ
にまさるとも劣らないレベルにあり、かつ、高温におけ
る機械的性質も、過酷な条件で使用される舶用バルブの
材料として、十分なものである。これを材料とし、本発
明の方法に従って舶用ディーゼルエンジン排気バルブを
製造すれば、従来の高価な材料を使用して製造したバル
ブに劣らない耐熱性および耐食性を示し、バルブの寿命
は、十分実用に耐える長さである。Ni量の大幅な減少
は、バルブ製造のコストを大きく低減するとともに、熱
間加工性の改善を通じて製造性の向上に寄与する。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成14年11月7日(2002.11.
7)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0003
【補正方法】変更
【補正内容】
【0003】高温耐食性が高いバルブに関しては、たと
えば特公昭60−34607「Ni基合金製弁体の製造
方法」に、析出硬化型Ni基合金を素材とし、特定の加
工条件で加工して耐熱摩耗性および高温耐食性にすぐれ
たバルブを製造する技術が開示されている。この素材
も、Niを70%以上含有するNi基合金であるから、
材料コストの問題はそのまま残っている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4K032 AA01 AA02 AA04 AA05 AA08 AA13 AA16 AA22 AA25 AA31 AA32 AA35 AA39 BA00 CB01 CB02 CC03 CC04 CF02 4K042 AA25 BA01 BA05 BA06 BA14 CA02 CA03 CA07 CA09 CA11 CA12 DA05 DC02

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量で、C:0.01〜0.15%、S
    i:2.0%以下、Mn:2.0%以下、Ni:35〜
    45%、Cr:15〜25%、Ti:2.0〜3.5
    %、Al:0.2〜1.5%およびNb:0.2〜1.
    5%を含有し、残部がFeおよび不可避の不純物からな
    る合金組成を有する高温耐食性にすぐれた舶用バルブ合
    金。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載した合金成分に加えて、
    B:0.01%以下を含有する舶用バルブ合金。
  3. 【請求項3】 請求項1または2に記載した合金成分に
    加えて、Zr:0.2%以下、Mg:0.02%以下お
    よびCa:0.02%以下の1種または2種以上を含有
    する舶用バルブ合金。
  4. 【請求項4】 請求項1ないし3のいずれかに記載した
    舶用バルブ合金を材料とし、熱間加工によりバルブの軸
    部を成形し、ついで、加工温度750〜1100℃、加
    工率10%以上の仕上げ加工を行なって傘部を成形し、
    最後に、温度700〜750℃で6時間以上の時効処理
    を行なうことからなる舶用ディーゼルエンジンの排気バ
    ルブの製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10335781B2 (en) 2014-05-16 2019-07-02 Konkuk University Industrial Cooperation Corp Nanopipette provided with membrane containing saturated ion-sensitive material, method for preparing same, and ion measuring apparatus comprising same
CN112359296A (zh) * 2020-11-10 2021-02-12 华能国际电力股份有限公司 一种析出强化铁基高温合金及其制备方法

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