JP3492848B2 - 高温疲労強度、常・高温耐食性および耐酸化性に優れた排気弁用鋼 - Google Patents
高温疲労強度、常・高温耐食性および耐酸化性に優れた排気弁用鋼Info
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- JP3492848B2 JP3492848B2 JP12460696A JP12460696A JP3492848B2 JP 3492848 B2 JP3492848 B2 JP 3492848B2 JP 12460696 A JP12460696 A JP 12460696A JP 12460696 A JP12460696 A JP 12460696A JP 3492848 B2 JP3492848 B2 JP 3492848B2
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- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関とくに自
動車の排気弁としての用途に供して好適な、高温疲労強
度、常・高温耐食性および耐酸化性に優れた排気弁用鋼
に関するものである。
動車の排気弁としての用途に供して好適な、高温疲労強
度、常・高温耐食性および耐酸化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】近年、自動車のエンジンはますます高性
能化の傾向にあるが、それに伴って、高熱効率化および
高出力化が求められ、その結果排気弁稼働温度は 800℃
以上に上昇してきている。かような自動車エンジンの排
気弁用材料としては、従来、21−２Ｎ、21−４Ｎ（JIS
SUH35 など）系の高クロム・高マンガン鉄基合金が多用
されてきたが、このような鋼材は高温強度に余裕がない
ため、上記した高温の稼働温度では実用に供し得なくな
ってきている。
能化の傾向にあるが、それに伴って、高熱効率化および
高出力化が求められ、その結果排気弁稼働温度は 800℃
以上に上昇してきている。かような自動車エンジンの排
気弁用材料としては、従来、21−２Ｎ、21−４Ｎ（JIS
SUH35 など）系の高クロム・高マンガン鉄基合金が多用
されてきたが、このような鋼材は高温強度に余裕がない
ため、上記した高温の稼働温度では実用に供し得なくな
ってきている。
【０００３】そこで、21−２Ｎ、21−４Ｎに代わるもの
として、例えば NCF 751などの高Ni合金やMo, Ｗ，Ｖ，
Nbなどの耐火金属を高濃度で含有する鋼材が開発された
が、いずれも強度と耐硫化・酸化鉛腐食性の両機能を兼
備するには至っていない。例えば、 NCF 751などの高Ni
合金でも、 850℃以上の疲労強度は21−４Ｎ系鋼と大差
なく、逆に高温の耐硫化腐食性に劣るという問題があ
る。
として、例えば NCF 751などの高Ni合金やMo, Ｗ，Ｖ，
Nbなどの耐火金属を高濃度で含有する鋼材が開発された
が、いずれも強度と耐硫化・酸化鉛腐食性の両機能を兼
備するには至っていない。例えば、 NCF 751などの高Ni
合金でも、 850℃以上の疲労強度は21−４Ｎ系鋼と大差
なく、逆に高温の耐硫化腐食性に劣るという問題があ
る。
【０００４】上記の問題を解決するものとして、発明者
らは先に、Ｃ，Ｎ量の調整、Mn，Mo，Nbの低減およびN
i，Crの増加により、熱間疲労強度が高く、耐酸化性、
耐食性およびクリープ特性に優れた排気弁用鋼を開発
し、特開平３−177543号公報において開示した。上記の
排気弁用鋼の開発により、高温強度、高温耐食性および
耐酸化性が大幅に改善され、高性能エンジン用の排気弁
材料として大きな期待が寄せられている。
らは先に、Ｃ，Ｎ量の調整、Mn，Mo，Nbの低減およびN
i，Crの増加により、熱間疲労強度が高く、耐酸化性、
耐食性およびクリープ特性に優れた排気弁用鋼を開発
し、特開平３−177543号公報において開示した。上記の
排気弁用鋼の開発により、高温強度、高温耐食性および
耐酸化性が大幅に改善され、高性能エンジン用の排気弁
材料として大きな期待が寄せられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平３−177543号公報に開示した排気弁用鋼には、常温
における耐食性とくに耐硫化腐食性の点に若干の問題を
残していた。この常温耐食性が悪いと、燃焼ガスとくに
ディーゼルエンジン燃焼ガス中の含硫黄生成物に起因し
た粒界腐食が進行し、疲労強度の低下が避けられないと
いう問題があり、高性能エンジン用の排気弁材料として
無視できない特性である。
開平３−177543号公報に開示した排気弁用鋼には、常温
における耐食性とくに耐硫化腐食性の点に若干の問題を
残していた。この常温耐食性が悪いと、燃焼ガスとくに
ディーゼルエンジン燃焼ガス中の含硫黄生成物に起因し
た粒界腐食が進行し、疲労強度の低下が避けられないと
いう問題があり、高性能エンジン用の排気弁材料として
無視できない特性である。
【０００６】本発明は、上記の問題を有利に解決するも
ので、高温での疲労強度や耐食性、耐酸化性に優れるだ
けでなく、常温での耐食性にも優れ、しかも安価な、高
性能エンジン用材料として最適の排気弁用鋼を提案する
ことを目的とする。
ので、高温での疲労強度や耐食性、耐酸化性に優れるだ
けでなく、常温での耐食性にも優れ、しかも安価な、高
性能エンジン用材料として最適の排気弁用鋼を提案する
ことを目的とする。
【０００７】
【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、Niを低減す
ると共に適量のCuを添加すれば、高温耐食性などの諸特
性の劣化を招くことなしに、常温耐食性が有利に改善さ
れ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。
目的を達成すべく、鋭意研究を重ねた結果、Niを低減す
ると共に適量のCuを添加すれば、高温耐食性などの諸特
性の劣化を招くことなしに、常温耐食性が有利に改善さ
れ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。
【０００８】すなわち、本発明は、
Ｃ：0.50〜0.65wt％、 Si：0.1 〜0.3 wt％、
Mn：5.0 〜8.0 wt％、 Cr：22.0〜24.0wt％、
Ni：5.0 〜7.0 wt％、 Cu：0.4 〜1.0 wt％、
Mo：0.4 〜2.0 wt％、 Ｗ：0.4 〜2.0 wt％、
Nb：0.4 〜2.0 wt％、 Ti：0.1 〜0.3 wt％、
Ｎ：0.35〜0.50wt％、 sol.Al：0.005 〜0.03wt％、
Ｂ：0.001 〜0.01wt％
を、
（Cu＋Ni）：5.8 〜7.6 wt％
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、高温疲労強
度、常・高温耐食性および耐酸化性に優れた排気弁用鋼
である。
的不純物の組成になることを特徴とする、高温疲労強
度、常・高温耐食性および耐酸化性に優れた排気弁用鋼
である。
【０００９】本発明では、上記の成分組成範囲内で、Ｃ
およびＮと、Cr，Mo，Ｗ，NbおよびTi等の炭窒化物形成
元素との比が、次式 （Ｃ＋Ｎ）／｛（Cr−22）＋Mo＋Ｗ＋Nb＋Ti｝：0.28〜
0.46 の関係を満足するように成分調整することが、高温強度
を改善する上で一層有利である。
およびＮと、Cr，Mo，Ｗ，NbおよびTi等の炭窒化物形成
元素との比が、次式 （Ｃ＋Ｎ）／｛（Cr−22）＋Mo＋Ｗ＋Nb＋Ti｝：0.28〜
0.46 の関係を満足するように成分調整することが、高温強度
を改善する上で一層有利である。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明において、成分組成を上記
の範囲に限定したのは次の理由による。 Ｃ：0.50〜0.65wt％ Ｃは、オーステナイト組織の安定化のみならず、炭窒化
物の形成・析出により常・高温強度を確保するために不
可欠の元素である。本合金系では、合金元素添加量バラ
ンス上、0.50wt％未満では強度不足をきたし、一方0.65
wt％超では靱性低下により熱・冷間加工が困難となるの
で、0.50〜0.65wt％の範囲に限定した。
の範囲に限定したのは次の理由による。 Ｃ：0.50〜0.65wt％ Ｃは、オーステナイト組織の安定化のみならず、炭窒化
物の形成・析出により常・高温強度を確保するために不
可欠の元素である。本合金系では、合金元素添加量バラ
ンス上、0.50wt％未満では強度不足をきたし、一方0.65
wt％超では靱性低下により熱・冷間加工が困難となるの
で、0.50〜0.65wt％の範囲に限定した。
【００１１】Si：0.1 〜0.3 wt％
Siは、脱酸剤として作用するだけでなく、耐酸化性の改
善元素としても有用である。しかしながら、含有量が
0.1wt％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.3w
t％を超えるとかえって耐酸化鉛腐食性が劣化するの
で、 0.1〜0.3 wt％の範囲に限定した。
善元素としても有用である。しかしながら、含有量が
0.1wt％に満たないとその添加効果に乏しく、一方 0.3w
t％を超えるとかえって耐酸化鉛腐食性が劣化するの
で、 0.1〜0.3 wt％の範囲に限定した。
【００１２】Mn：5.0 〜8.0 wt％
Mnは、Niおよび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、耐硫化腐食性の改善
にも有用な元素である。かような効果を発揮させるため
には、少なくとも 5.0wt％の添加を必要とするが、 8.0
wt％を超えると耐酸化性の劣化を招くので、 5.0〜8.0
wt％の範囲に限定した。
定化を促す有用元素である。また、耐硫化腐食性の改善
にも有用な元素である。かような効果を発揮させるため
には、少なくとも 5.0wt％の添加を必要とするが、 8.0
wt％を超えると耐酸化性の劣化を招くので、 5.0〜8.0
wt％の範囲に限定した。
【００１３】Cr：22.0〜24.0wt％
Crは、耐熱性、耐酸化性および耐食性を確保すると共
に、Ｎの固溶量を増すために、少なくとも22.0wt％を必
要とする。しかしながら、あまりに多量に含有されると
σ相を生成し、靱性低下による延性劣化を招くので、2
2.0〜24.0wt％の範囲で含有させるものとした。
に、Ｎの固溶量を増すために、少なくとも22.0wt％を必
要とする。しかしながら、あまりに多量に含有されると
σ相を生成し、靱性低下による延性劣化を招くので、2
2.0〜24.0wt％の範囲で含有させるものとした。
【００１４】Ni：5.0 〜7.0 wt％
Niは、オーステナイト形成元素で常温における組織安定
化のために重要な成分であり、また耐食性および耐熱性
の改善にも不可欠である。そのためには、少なくとも
5.0wt％の含有を必要とするが、 7.0wt％を超えて添加
しても耐熱性、耐食性の改善効果は小さく、むしろコス
ト高となるので、Niは 5.0〜7.0 wt％の範囲で含有させ
るものとした。
化のために重要な成分であり、また耐食性および耐熱性
の改善にも不可欠である。そのためには、少なくとも
5.0wt％の含有を必要とするが、 7.0wt％を超えて添加
しても耐熱性、耐食性の改善効果は小さく、むしろコス
ト高となるので、Niは 5.0〜7.0 wt％の範囲で含有させ
るものとした。
【００１５】Cu：0.4 〜1.0 wt％
Cuは、本発明において特に重要な元素で、高温のみなら
ず常温における耐硫化腐食性の改善に有効に寄与する。
また、微細なCu化物析出による高温強度の向上にも有効
に寄与する。かような効果を得るためには、少なくとも
0.4wt％の含有を必要とするが、 1.0wt％を超えて添加
しても耐食性および高温強度の改善効果は飽和に達し、
逆に熱間加工性などの製造性および耐酸化性の劣化を招
くので、0.4 〜1.0 wt％の範囲で含有させるものとし
た。また、常温耐硫化腐食性をはじめとして、高温耐硫
化腐食性、さらには疲労強度の改善には、CuとNiの含有
量が重要で、図１に示すように、これらの特性全てに良
好な結果を得るには、合計量で 5.8〜7.6 wt％の範囲に
制限することが肝要である。
ず常温における耐硫化腐食性の改善に有効に寄与する。
また、微細なCu化物析出による高温強度の向上にも有効
に寄与する。かような効果を得るためには、少なくとも
0.4wt％の含有を必要とするが、 1.0wt％を超えて添加
しても耐食性および高温強度の改善効果は飽和に達し、
逆に熱間加工性などの製造性および耐酸化性の劣化を招
くので、0.4 〜1.0 wt％の範囲で含有させるものとし
た。また、常温耐硫化腐食性をはじめとして、高温耐硫
化腐食性、さらには疲労強度の改善には、CuとNiの含有
量が重要で、図１に示すように、これらの特性全てに良
好な結果を得るには、合計量で 5.8〜7.6 wt％の範囲に
制限することが肝要である。
【００１６】Mo：0.4 〜2.0 wt％
Moは、基地に固溶して耐食性および高温強度を向上させ
るだけでなく、炭化物形成により高温強度の向上にも効
果がある。しかしながら、含有量が 0.4wt％未満ではそ
の添加効果に乏しく、一方 2.0wt％を超えて添加しても
高温特性は大差なく、むしろコスト高となるので、 0.4
〜2.0 wt％の範囲に限定した。
るだけでなく、炭化物形成により高温強度の向上にも効
果がある。しかしながら、含有量が 0.4wt％未満ではそ
の添加効果に乏しく、一方 2.0wt％を超えて添加しても
高温特性は大差なく、むしろコスト高となるので、 0.4
〜2.0 wt％の範囲に限定した。
【００１７】Ｗ：0.4 〜2.0 wt％
Ｗは、固溶強化による高温強度の向上に有用な元素で、
その効果は 0.4wt％以上で認められるが、 2.0wt％を超
えて添加してもその改善効果が変わらないので、 0.4〜
2.0 wt％の範囲に限定した。
その効果は 0.4wt％以上で認められるが、 2.0wt％を超
えて添加してもその改善効果が変わらないので、 0.4〜
2.0 wt％の範囲に限定した。
【００１８】Nb：0.4 〜2.0 wt％
Nbは、高温で安定な炭窒化物を形成することによって、
高温における結晶粒の粗大化を効果的に抑制し、強度の
低下防止に寄与する。その効果は 0.4wt％以上で認めら
れるが、 2.0wt％を超える添加は基地中のＣ濃度を減少
させ硬度の低下をもたらすので 0.4〜2.0 wt％の範囲に
限定した。
高温における結晶粒の粗大化を効果的に抑制し、強度の
低下防止に寄与する。その効果は 0.4wt％以上で認めら
れるが、 2.0wt％を超える添加は基地中のＣ濃度を減少
させ硬度の低下をもたらすので 0.4〜2.0 wt％の範囲に
限定した。
【００１９】Ti：0.1 〜0.3 wt％
Tiは、Nbよりも安定な炭化物、窒化物、酸化物の形成元
素で、鋼塊組織の微細化および高温加熱時における結晶
粒の粗大化防止に有効に寄与する。その結果、高温で実
施する熱間加工および固溶強化処理による高温強度の向
上に有効である。また、Ti炭窒化物の優先析出により、
基地中のCr濃度がアップし、耐食性の向上にも寄与す
る。上記のような効果を得るためには、少なくとも 0.1
wt％の添加を必要とするが、過多の添加はNbと併せて高
温で安定な炭窒化物を形成し、Ｃ，Ｎを固定することに
より高温強度の劣化を招くので、含有量は 0.1〜0.3 wt
％の範囲に限定した。
素で、鋼塊組織の微細化および高温加熱時における結晶
粒の粗大化防止に有効に寄与する。その結果、高温で実
施する熱間加工および固溶強化処理による高温強度の向
上に有効である。また、Ti炭窒化物の優先析出により、
基地中のCr濃度がアップし、耐食性の向上にも寄与す
る。上記のような効果を得るためには、少なくとも 0.1
wt％の添加を必要とするが、過多の添加はNbと併せて高
温で安定な炭窒化物を形成し、Ｃ，Ｎを固定することに
より高温強度の劣化を招くので、含有量は 0.1〜0.3 wt
％の範囲に限定した。
【００２０】Ｎ：0.35〜0.50wt％
Ｎは、Ｃと作用してCr炭窒化物を形成し、析出強化を図
る上で有用な成分であるが、含有量が0.35wt％に満たな
いとその添加効果に乏しく、一方0.50wt％を超えると熱
・冷間加工性および溶接性が劣化するので、0.35〜0.50
wt％の範囲に限定した。
る上で有用な成分であるが、含有量が0.35wt％に満たな
いとその添加効果に乏しく、一方0.50wt％を超えると熱
・冷間加工性および溶接性が劣化するので、0.35〜0.50
wt％の範囲に限定した。
【００２１】sol.Al：0.005 〜0.03wt％
Alは、強力な脱酸元素であり、非金属介在物を低減して
熱間加工性（分塊から弁成形まで）を改善する有用元素
である。しかしながら、含有量が 0.005wt％に満たない
と溶解炉耐火物や合金源等からの酸化物を排除できず、
一方0.03wt％超では造塊時等に大気汚染を受け易いた
め、sol.Alで 0.005〜0.03wt％の範囲に限定した。
熱間加工性（分塊から弁成形まで）を改善する有用元素
である。しかしながら、含有量が 0.005wt％に満たない
と溶解炉耐火物や合金源等からの酸化物を排除できず、
一方0.03wt％超では造塊時等に大気汚染を受け易いた
め、sol.Alで 0.005〜0.03wt％の範囲に限定した。
【００２２】Ｂ：0.001 〜0.01wt％
Ｂは、オーステナイト粒界を強化して、熱間加工性、高
温における強度およびクリープ特性を改善する有用元素
であるが、含有量が 0.001wt％に満たないとその添加効
果に乏しく、一方0.01wt％を超えると結晶粒界に凝集し
て熱間加工性を劣化させたり、高温強度の低下を招くの
で、 0.001〜0.01wt％の範囲で含有させるものとした。
温における強度およびクリープ特性を改善する有用元素
であるが、含有量が 0.001wt％に満たないとその添加効
果に乏しく、一方0.01wt％を超えると結晶粒界に凝集し
て熱間加工性を劣化させたり、高温強度の低下を招くの
で、 0.001〜0.01wt％の範囲で含有させるものとした。
【００２３】以上、必須成分の限定理由について説明し
たが、高温強度の一層の向上を図る上では、上記の組成
範囲内において、ＣおよびＮ量と、Cr，Mo，Ｗ，Nbおよ
びTi等の炭窒化物形成元素量との比を所定の範囲に制限
することが好ましい。図２に、（Ｃ＋Ｎ）と（Cr＋Mo＋
Ｗ＋Nb＋Ti）の比が高温における疲労強度および引張り
強度に及ぼす影響について調査した結果を示したが、同
図に示したとおり、（Ｃ＋Ｎ）／｛（Cr−22）＋Mo＋Ｗ
＋Nb＋Ti｝比が0.28〜0.46を満足する場合に、特に優れ
た高温特性が得られている。
たが、高温強度の一層の向上を図る上では、上記の組成
範囲内において、ＣおよびＮ量と、Cr，Mo，Ｗ，Nbおよ
びTi等の炭窒化物形成元素量との比を所定の範囲に制限
することが好ましい。図２に、（Ｃ＋Ｎ）と（Cr＋Mo＋
Ｗ＋Nb＋Ti）の比が高温における疲労強度および引張り
強度に及ぼす影響について調査した結果を示したが、同
図に示したとおり、（Ｃ＋Ｎ）／｛（Cr−22）＋Mo＋Ｗ
＋Nb＋Ti｝比が0.28〜0.46を満足する場合に、特に優れ
た高温特性が得られている。
【００２４】さらに、高温強度の向上には、NbおよびTi
の合計量も影響を及ぼすことが判明した。図３に、（Nb
＋Ti）量が高温における疲労強度および引張り強度に及
ぼす影響について調査した結果を示す。同図から明らか
なように、（Nb＋Ti）量が0.75〜1.06wt％の場合に良好
な高温特性が得られている。
の合計量も影響を及ぼすことが判明した。図３に、（Nb
＋Ti）量が高温における疲労強度および引張り強度に及
ぼす影響について調査した結果を示す。同図から明らか
なように、（Nb＋Ti）量が0.75〜1.06wt％の場合に良好
な高温特性が得られている。
【００２５】本発明鋼の製造方法については、特に制限
はなく、常法に従い、電気炉により大気溶解、成分調
整、精錬の後、鋼塊に鋳込み、所定寸法に熱間加工（鍛
造および圧延）し、固溶化熱処理を実施する要領で製造
すれば良い。
はなく、常法に従い、電気炉により大気溶解、成分調
整、精錬の後、鋼塊に鋳込み、所定寸法に熱間加工（鍛
造および圧延）し、固溶化熱処理を実施する要領で製造
すれば良い。
【００２６】
【実施例】表１に示す成分組成になる鋼を、電気炉で溶
製した後、鍛造、圧延、歪取り焼鈍を施した。同表中、
No.1〜３は発明鋼、No.4〜８は比較鋼、そしてNo.9，10
は従来鋼であるJIS SUH35 、23−８Ｎ鋼である。ついで
1080℃で20分保持後、水冷の固溶化熱処理を施したの
ち、 750℃で４時間保持後、空冷の時効処理を施して、
製品鋼とした。かくして得られた各製品鋼の高温強度
（引張り、クリーブ、疲労）、常・高温における耐腐食
性（硫化、酸化鉛）および酸化増量について調査した結
果を、表２，３に示す。
製した後、鍛造、圧延、歪取り焼鈍を施した。同表中、
No.1〜３は発明鋼、No.4〜８は比較鋼、そしてNo.9，10
は従来鋼であるJIS SUH35 、23−８Ｎ鋼である。ついで
1080℃で20分保持後、水冷の固溶化熱処理を施したの
ち、 750℃で４時間保持後、空冷の時効処理を施して、
製品鋼とした。かくして得られた各製品鋼の高温強度
（引張り、クリーブ、疲労）、常・高温における耐腐食
性（硫化、酸化鉛）および酸化増量について調査した結
果を、表２，３に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【００３０】以下、各実験結果について具体的に説明す
る。 (1) 高温強度 まず、 800℃および 900℃における高温引張り強度を調
べた。試験方法は、平行部：５mmφのJIS Z 2201・14A
号試験片を、各温度に10分加熱保持後、３mm／分の歪み
速度で引っ張ることにより行った。表２に示したとお
り、No.1〜３の発明鋼は、 800℃および 900℃の引張強
さはそれぞれ34〜36 kgf/mm2、21〜22 kgf/mm2であり、
No.9のSUH35 およびNo.10 の23−８Ｎ鋼に比べて10〜20
％程度改善されている。なお、比較鋼の全てが従来鋼よ
りも強度が大きく、特にNo.5，７は発明鋼と同等の強度
を呈しているが、この理由は、Cr, Mo, Ｗ，Nb, Tiおよ
びＶ等の炭・窒化物形成元素量と（Ｃ＋Ｎ）含有量との
バランスが大きく影響しているものと考えられる。
る。 (1) 高温強度 まず、 800℃および 900℃における高温引張り強度を調
べた。試験方法は、平行部：５mmφのJIS Z 2201・14A
号試験片を、各温度に10分加熱保持後、３mm／分の歪み
速度で引っ張ることにより行った。表２に示したとお
り、No.1〜３の発明鋼は、 800℃および 900℃の引張強
さはそれぞれ34〜36 kgf/mm2、21〜22 kgf/mm2であり、
No.9のSUH35 およびNo.10 の23−８Ｎ鋼に比べて10〜20
％程度改善されている。なお、比較鋼の全てが従来鋼よ
りも強度が大きく、特にNo.5，７は発明鋼と同等の強度
を呈しているが、この理由は、Cr, Mo, Ｗ，Nb, Tiおよ
びＶ等の炭・窒化物形成元素量と（Ｃ＋Ｎ）含有量との
バランスが大きく影響しているものと考えられる。
【００３１】次に、各発明鋼と従来鋼である SUH35，23
−８Ｎおよび比較鋼のNo.5, 6, 7について、小野式回転
曲げ試験機で 800℃における疲労試験を実施した。表２
に示したとおり、1150℃で固溶化熱処理を行ったもの
の、107 回疲労強度は、発明鋼No.1〜３が23〜24kgf/mm
2 であったのに対し、従来鋼の SUH35（1177℃の完全固
溶化熱処理）、23−８Ｎ鋼は19〜20 kgf/mm2であり、疲
労強度は従来鋼よりも15〜26％程度向上している。また
比較例のNo.5〜７も22〜23 kgf/mm2と良好な値を呈した
が、後述する耐食性が目標値をクリヤーできなかった。
−８Ｎおよび比較鋼のNo.5, 6, 7について、小野式回転
曲げ試験機で 800℃における疲労試験を実施した。表２
に示したとおり、1150℃で固溶化熱処理を行ったもの
の、107 回疲労強度は、発明鋼No.1〜３が23〜24kgf/mm
2 であったのに対し、従来鋼の SUH35（1177℃の完全固
溶化熱処理）、23−８Ｎ鋼は19〜20 kgf/mm2であり、疲
労強度は従来鋼よりも15〜26％程度向上している。また
比較例のNo.5〜７も22〜23 kgf/mm2と良好な値を呈した
が、後述する耐食性が目標値をクリヤーできなかった。
【００３２】(2) 耐食性、耐酸化性
発明鋼と比較鋼および従来鋼について、酸化鉛腐食試
験、高温での硫化腐食試験、常温での硫化腐食試験（硫
酸銅溶液浸漬試験）および耐酸化試験を行った。酸化鉛
腐食試験は、有鉛ガソリンの燃焼生成物により発生する
バルブ表面の付着〜溶融物に対する耐食性試験であっ
て、 PbO：50ｇを入れたセラミック坩堝を管状電気炉中
で 920℃に加熱して PbOを溶融させ、その中に８mmφ×
20mmの試料を投入して１ｈ後取り出し、酢酸水溶液中で
付着物を除去し、秤量して単位表面積当りの重量減少を
求めたものである。表３から明らかなように、No.1〜３
の発明鋼はいずれも、 200〜220 mg/cm2であり、従来鋼
であるSUH35 の220 mg/cm2と同等以上の耐食性を示し、
23−８Ｎ鋼よりかなり優れていることが判明した。な
お、比較鋼のNo.4, ５は、Si高め、Moレスの影響で 250
〜290 mg/cm2と発明鋼より劣り、またNo.6, ７は発明鋼
同様、Si低め、Cr高、Mo含有の効果により、従来鋼より
優れた結果を呈した。
験、高温での硫化腐食試験、常温での硫化腐食試験（硫
酸銅溶液浸漬試験）および耐酸化試験を行った。酸化鉛
腐食試験は、有鉛ガソリンの燃焼生成物により発生する
バルブ表面の付着〜溶融物に対する耐食性試験であっ
て、 PbO：50ｇを入れたセラミック坩堝を管状電気炉中
で 920℃に加熱して PbOを溶融させ、その中に８mmφ×
20mmの試料を投入して１ｈ後取り出し、酢酸水溶液中で
付着物を除去し、秤量して単位表面積当りの重量減少を
求めたものである。表３から明らかなように、No.1〜３
の発明鋼はいずれも、 200〜220 mg/cm2であり、従来鋼
であるSUH35 の220 mg/cm2と同等以上の耐食性を示し、
23−８Ｎ鋼よりかなり優れていることが判明した。な
お、比較鋼のNo.4, ５は、Si高め、Moレスの影響で 250
〜290 mg/cm2と発明鋼より劣り、またNo.6, ７は発明鋼
同様、Si低め、Cr高、Mo含有の効果により、従来鋼より
優れた結果を呈した。
【００３３】高温硫化腐食試験は、ディーゼルエンジン
用の軽油等の燃焼生成物による含硫黄の高温腐食雰囲気
に対する耐食性試験で、 10CaSO4−6BaSO4−２Na2SO4−
１Ｃの合成灰に試料を埋め込んで、 870℃で80ｈ経過
後、試料表面を清浄し、腐食減量を調べたものである。
表３に示したとおり、No.1〜３の発明鋼はいずれも、30
〜40 mg/cm2 を示し、従来鋼であるSUH35 の70mg/cm2に
比し半減しており、また23−８Ｎ鋼の50mg/cm2対比で同
等以上を示し、Mo, CuおよびNi, Crの適正量添加によっ
て改善されたことが判る。なお、比較例のいずれもが、
Cuの添加効果により、SUH35 の腐食減量より半減したこ
とが確認され、先の特開平３−177543号公報が、高Ni含
有効果でSUH35 対比半減したことと同様の効果を呈し
た。
用の軽油等の燃焼生成物による含硫黄の高温腐食雰囲気
に対する耐食性試験で、 10CaSO4−6BaSO4−２Na2SO4−
１Ｃの合成灰に試料を埋め込んで、 870℃で80ｈ経過
後、試料表面を清浄し、腐食減量を調べたものである。
表３に示したとおり、No.1〜３の発明鋼はいずれも、30
〜40 mg/cm2 を示し、従来鋼であるSUH35 の70mg/cm2に
比し半減しており、また23−８Ｎ鋼の50mg/cm2対比で同
等以上を示し、Mo, CuおよびNi, Crの適正量添加によっ
て改善されたことが判る。なお、比較例のいずれもが、
Cuの添加効果により、SUH35 の腐食減量より半減したこ
とが確認され、先の特開平３−177543号公報が、高Ni含
有効果でSUH35 対比半減したことと同様の効果を呈し
た。
【００３４】常温硫化腐食試験は、上記した燃焼生成物
による含硫黄雰囲気が常温近傍になり、かつ湿気を帯び
た状態対応の粒界腐食試験で、50℃に温めたシュトラウ
ス試薬(H2SO4・CuSO4 溶液) に10ｈ試料を半浸漬して腐
食した後、浸漬部表層の結晶粒界侵食深さを調べたもの
である。表３に示したとおり、No.1〜３の発明鋼には、
粒界腐食は認められなかった。これに対し、従来鋼のSU
H35 は 130μm 、23−８Ｎ鋼では30μm の腐食痕が認め
られたように、Mo, Cu添加およびNi含有で改善効果を呈
したことが判る。なお比較鋼のNo. ４，５はNi低め、Mo
レス、またNo.7, ８はNi, Cr低めが影響して改善されな
かった。
による含硫黄雰囲気が常温近傍になり、かつ湿気を帯び
た状態対応の粒界腐食試験で、50℃に温めたシュトラウ
ス試薬(H2SO4・CuSO4 溶液) に10ｈ試料を半浸漬して腐
食した後、浸漬部表層の結晶粒界侵食深さを調べたもの
である。表３に示したとおり、No.1〜３の発明鋼には、
粒界腐食は認められなかった。これに対し、従来鋼のSU
H35 は 130μm 、23−８Ｎ鋼では30μm の腐食痕が認め
られたように、Mo, Cu添加およびNi含有で改善効果を呈
したことが判る。なお比較鋼のNo. ４，５はNi低め、Mo
レス、またNo.7, ８はNi, Cr低めが影響して改善されな
かった。
【００３５】次に耐酸化試験を実施した。エンジンの高
熱効率化および高出力化に伴い燃焼温度の上昇で、排気
バルブは高温酸化を受け強度、耐食性など高温特性劣化
要因になるため耐酸化性は重要である。試験は、８mmφ
×20mmの試料を、大気中で 900℃に 100ｈ加熱保持した
後、表面積当りの酸化増量を測定することにより行っ
た。表３に示したとおり、No.1〜３の発明鋼はいずれ
も、酸化増量は 1.5〜２mg/cm2と少なく、高Ni, Cr含有
の23−８Ｎ鋼に近似してSUH35 の 2.4mg/cm2より酸化増
量が小さく、Ni, Cr増およびMn低減による効果が確認さ
れた。なお比較鋼は、Ni＋Cr低め、Mn高め傾向にあり発
明鋼および従来鋼に及ばなかった。
熱効率化および高出力化に伴い燃焼温度の上昇で、排気
バルブは高温酸化を受け強度、耐食性など高温特性劣化
要因になるため耐酸化性は重要である。試験は、８mmφ
×20mmの試料を、大気中で 900℃に 100ｈ加熱保持した
後、表面積当りの酸化増量を測定することにより行っ
た。表３に示したとおり、No.1〜３の発明鋼はいずれ
も、酸化増量は 1.5〜２mg/cm2と少なく、高Ni, Cr含有
の23−８Ｎ鋼に近似してSUH35 の 2.4mg/cm2より酸化増
量が小さく、Ni, Cr増およびMn低減による効果が確認さ
れた。なお比較鋼は、Ni＋Cr低め、Mn高め傾向にあり発
明鋼および従来鋼に及ばなかった。
【００３６】なお、表３には、参考のため、特開平３−
177543号公報に開示の弁用鋼について行った試験結果も
併せて示したが、この弁用鋼は、同表に示したとおり、
高温での硫化腐食性および耐酸化性については、本発明
と遜色のない優れた結果が得られたが、本発明に比べる
と常温での硫化腐食性に劣っていた。
177543号公報に開示の弁用鋼について行った試験結果も
併せて示したが、この弁用鋼は、同表に示したとおり、
高温での硫化腐食性および耐酸化性については、本発明
と遜色のない優れた結果が得られたが、本発明に比べる
と常温での硫化腐食性に劣っていた。
【００３７】
【発明の効果】かくして、本発明によれば、高温での疲
労強度や耐食性、耐酸化性に優れるのはいうまでもな
く、常温における耐食性にも優れ、しかも安価な、高性
能エンジン用材料として極めて有用な排気弁用鋼を得る
ことができる。
労強度や耐食性、耐酸化性に優れるのはいうまでもな
く、常温における耐食性にも優れ、しかも安価な、高性
能エンジン用材料として極めて有用な排気弁用鋼を得る
ことができる。
【図１】（Cu＋Ni）量と粒界浸食深さ、高温腐食減量お
よび疲労強度との関係を示したグラフである。
よび疲労強度との関係を示したグラフである。
【図２】（Ｃ＋Ｎ）／｛（Cr−22）＋Mo＋Ｗ＋Nb＋Ti｝
比と高温における疲労強度および引張り強度との関係を
示したグラフである。
比と高温における疲労強度および引張り強度との関係を
示したグラフである。
【図３】（Nb＋Ti）量と高温における疲労強度および引
張り強度との関係を示したグラフである。
張り強度との関係を示したグラフである。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 海野 信一
神奈川県藤沢市円行１丁目22番地の１
フジオーゼックス株式会社内
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C22C 38/00 - 38/60
Claims (2)
- 【請求項１】 Ｃ：0.50〜0.65wt％、 Si：0.1 〜0.3 wt％、 Mn：5.0 〜8.0 wt％、 Cr：22.0〜24.0wt％、 Ni：5.0 〜7.0 wt％、 Cu：0.4 〜1.0 wt％、 Mo：0.4 〜2.0 wt％、 Ｗ：0.4 〜2.0 wt％、 Nb：0.4 〜2.0 wt％、 Ti：0.1 〜0.3 wt％、 Ｎ：0.35〜0.50wt％、 sol.Al：0.005 〜0.03wt％、 Ｂ：0.001 〜0.01wt％ を、 （Cu＋Ni）：5.8 〜7.6 wt％ 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、高温疲労強
度、常・高温耐食性および耐酸化性に優れた排気弁用
鋼。 - 【請求項２】 請求項１において、ＣおよびＮと、Cr，
Mo，Ｗ，NbおよびTi等の炭窒化物形成元素との比が、次
式 （Ｃ＋Ｎ）／｛（Cr−22）＋Mo＋Ｗ＋Nb＋Ti｝：0.28〜
0.46 の関係を満足することを特徴とする高温疲労強度、常・
高温耐食性および耐酸化性に優れた排気弁用鋼。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12460696A JP3492848B2 (ja) | 1996-05-20 | 1996-05-20 | 高温疲労強度、常・高温耐食性および耐酸化性に優れた排気弁用鋼 |
| US08/717,456 US5753179A (en) | 1996-05-20 | 1996-09-20 | Steels for exhaust valves having improved fatigue strength at high temperature, corrosion resistance at room and higher temperatures and oxidation resistance |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12460696A JP3492848B2 (ja) | 1996-05-20 | 1996-05-20 | 高温疲労強度、常・高温耐食性および耐酸化性に優れた排気弁用鋼 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09310154A JPH09310154A (ja) | 1997-12-02 |
| JP3492848B2 true JP3492848B2 (ja) | 2004-02-03 |
Family
ID=14889607
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12460696A Expired - Lifetime JP3492848B2 (ja) | 1996-05-20 | 1996-05-20 | 高温疲労強度、常・高温耐食性および耐酸化性に優れた排気弁用鋼 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5753179A (ja) |
| JP (1) | JP3492848B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4827308B2 (ja) * | 2001-03-29 | 2011-11-30 | 東北特殊鋼株式会社 | 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 |
| WO2017021565A1 (es) | 2015-08-05 | 2017-02-09 | Gerdau Investigacion Y Desarrollo Europa, S.A. | Acero débilmente aleado de alta resistencia y alta resistencia a la oxidación en caliente |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3401036A (en) * | 1967-08-11 | 1968-09-10 | Crucible Steel Co America | Valve steel |
| JPS6213428A (ja) * | 1985-07-10 | 1987-01-22 | Toyo Tire & Rubber Co Ltd | 高硬度軟質ポリウレタンフオ−ム |
| JP2543417B2 (ja) * | 1989-12-05 | 1996-10-16 | トヨタ自動車株式会社 | 弁用鋼 |
| JPH0617198A (ja) * | 1992-06-30 | 1994-01-25 | Aichi Steel Works Ltd | 高温強度に優れた排気バルブ用鋼 |
-
1996
- 1996-05-20 JP JP12460696A patent/JP3492848B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1996-09-20 US US08/717,456 patent/US5753179A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09310154A (ja) | 1997-12-02 |
| US5753179A (en) | 1998-05-19 |
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