JP5302192B2 - 耐磨耗性耐熱合金 - Google Patents
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Description
本発明は、高温での耐磨耗性がNi系超合金を超えて改良されたFe−Ni系合金に関する。この合金は、エンジンの排気弁およびエンジンのその他の耐熱構成要素を製造するのに特に有用である。
高温強度、耐アブレイジョン(abrasion)性、および耐食性/耐酸化性が、一般に、800℃を超える温度にさらされる排気弁の材料に求められている。大部分の往復機関で用いられる排気弁は、一般に、3つのセクション:先端部(head)、ステムおよびステムチップに分割することができる。先端部およびステムにつながる先端部の一部分は、オーステナイト系ステンレス鋼または超合金などの耐熱、高強度および耐食性の合金からなる。弁のシール面は、コバルト系耐熱合金などの、溶接肉盛材料を含む場合が多い。ステムの残部は、弁先端部末端の高温用耐熱合金に溶接された硬化性マルテンサイト鋼から作製される場合が多い。
本発明の一態様では、0.15重量%から0.35重量%までのC、1重量%までのSi、1重量%までのMn、25重量%超から40重量%未満のNi、15重量%から25重量%のCr、0.5重量%までのMo、0.5重量%までのW、1.6重量%超から3重量%のAl、1重量%から3.5重量%のTi、1.1超から3重量%のNbとTaとの合計、0.015重量%までのB、および残余のFeと不可避な不純物から本質的になり、やはり重量%基準でMo+0.5W≦0.75%であり、Ti+Nb≧4.5%であり、13≦(Ti+Nb)/C≦50である耐磨耗合金が提供される。
本発明は、鉄−ニッケル系合金に関する。この合金の熱間硬度、高温強度、疲労強度、および耐磨耗性のために、この合金は、種々の高温用途において有用である。この合金は、シリンダーヘッド吸気弁、排気弁、および排気ガス再循環弁として内燃エンジンにおいて特に有用である。合金のその他の用途として、タービン用途、ファスナー、アフターバーナ部材、燃焼チャンバ部材、排気系酸素センサ用のシールド、ならびに高温、ならびに排気ガス環境および凝縮物環境に曝露されるその他の部材が挙げられる。
真空誘導溶融によって、表1に示す本発明の合金を50ポンド(22.7kg)インゴットの形で製造し、鍛造して直径1インチの八角棒とする。この棒から機械試験供試体を切り出し、1650°F(900℃)で30分間溶体化処理し、空冷または水冷し、次いで、1350°F(730℃)で4時間エージングし、空冷する。実施例1〜8は、本発明の実施形態であり、合金A〜Gは、比較の合金である。比較の合金A、CおよびDは、市販の超合金であり、比較の合金E〜Gは、市販のオーステナイト系弁用鋼である。合金Bは、合金Aの改変形態であり、炭素量を合金Aの機械特性に対する炭素の効果が現れるまで増量してある。
本発明の合金には、36/39HRC硬度を得るために、1650°F(899℃)で30分間の溶体化処理、および1350°F(732℃)で4時間のエージングが必要である。この溶体化処理温度は、合金A、CおよびDを含めての市販の超合金を溶体化処理するのに通常用いられる温度より低い。こうした超合金は、通常、1950°F(1066℃)以上で溶体化処理し、一般に、十分な硬度を得るために2段階エージング過程が必要である。本発明の合金は、十分な硬度応答を得るために1つの温度の単一過程でエージングすることができる。
1650°F(899℃)で30分間溶体化処理し、1350°F(732℃)で4時間エージングした本発明の実施例4の合金のエッチング微細構造を図1Aに示す。1950°F(1066℃)で30分間溶体化処理し、1380°F(749℃)で4時間エージングした比較の合金Aのエッチング微細構造を図1Bに示す。こうした微細構造は、オーステナイト系マトリックス中の一次炭化物からなる。一次炭化物は、インゴットの固化中に析出する炭化物である。
ASTM G132によるピンアブレイシブ磨耗試験を使用して、合金の耐アブレイシブ磨耗性を評価した。本試験では、熱処理することによって用途向けの硬化にした直径1/4インチの供試体を用いる。22rpmで回転中の供試体に15ポンドの荷重を賦課する。この供試体は、オーバラッピングしないようなパターンで150メッシュガーネット紙上を500インチ(12.7m)移動する(traverse)。試験前後の供試体の重量を用いてピンアブレイジョン重量損失を求める。重量損失が少ないほど、合金は耐アブレイシブ磨耗性が大きい。データを表2に示す。実施例4は、重量損失が93mgであり、これは、合金AからDの超合金より少ない。耐磨耗性は、合金中の一次炭化物の量(したがって、チタンとニオブの含量の合計)と直接的な関係がある。例えば、実施例4および合金Aは、それぞれ、炭化物の全体積分率が約2.1%および0.4%であり、実施例4の耐磨耗性がより良好である。合金AおよびBのピンアブレイジョン重量損失が証明するように、合金Aの炭素含量を増加させても、耐磨耗性は十分上昇しないであろう。十分な耐磨耗性を有する合金を製造するには、追加のチタンおよびニオブが必要である。市販のオーステナイト系弁用鋼である合金EおよびFは、自動車の排気弁用として十分な耐磨耗性を有するので表面硬化を必要としない。実施例4の耐磨耗性は、合金Eと同程度であり、これは、実施例4と類似の合金を用いて製造された排気弁には表面硬化を必要としない可能性があることを示唆するものである。
実施例3の合金ならびに比較の合金DおよびFから作製した排気弁を高温における磨耗シミュレーション試験にかけた。スパーク着火内燃エンジン中で約500〜550ポンドの燃焼負荷をシミュレーションするために、弁を作動させる荷重下、弁座面温度1000°F(540℃)で排気弁を試験した。実施例3ならびに比較の合金Dおよび合金Fの排気弁について、平均の磨耗深さ(mm)を測定した。図2に示した結果より、本発明の排気弁の平均の磨耗深さはそれぞれの比較の排気弁より小さいことが分かる。本発明の合金の対磨耗性がより良好であることは、より高い硬度および一次炭化物の存在に起因すると考えられる。
熱間硬度とは、所与の高温で測定した硬度である。合金の熱間硬度もまた、材料の耐磨耗性に影響を及ぼす。熱間硬度が大きいほど、合金の耐磨耗性は高い。熱間硬度の測定は、室温、および1100°F(593℃)〜1400°F(760℃)の温度で行われる。供試体および圧子の周囲に炉を置くことによって、本試験を実施し、炉内の温度をゆっくりと試験温度まで上昇させる。供試体をその温度で約30分間ソーキングすることによって、硬度を試験する前に、供試体全体を確実に均一に加熱する。ロックウェルA(HRA)スケールを用いて、硬度の測定を行う。本発明の合金および市販の比較の合金の熱間硬度を図3に示す。本発明の合金の熱間硬度は、比較の合金A、B、CおよびDより大きく、オーステナイト系弁用鋼合金EおよびFよりはるかに大きい。オーステナイト系弁用鋼の熱間硬度が顕著に減少することは、微細構造の変化に関係している。本データによって、本発明の合金の耐磨耗性が改良されたことがさらに示されている。
エンジンの作動中、排気弁は、1600°F(871℃)までの温度に曝露する場合がある。したがって、排気弁は、耐酸化性でなければならない。実施例2の合金および合金Aの試料を1500°F(816℃)で500時間曝露した。実施例2の合金の酸化深さは、500時間で0.0174mmである。合金Aの酸化深さは、500時間で0.0333mmである。これにより、実施例2では、市販の弁用超合金である合金Aよりも耐酸化性が改良されていることが示される。
1500°F(816℃)における実施例2の合金および比較の弁用合金の高温での引張り特性を表3に示す。実施例2の合金の降伏強度は、合金AおよびBより大きく、オーステナイト系弁用鋼である合金FおよびGよりはるかに大きい。エンジン内で作動中に弁が変形するのを防止するために、十分な降伏強度が必要である。実施例2で実施された本発明の合金の降伏強度は、その他の市販の比較Fe系弁用合金より大きく、これは、本発明の合金が十分な強度を有することを示すものである。実施例2の合金の引張り強度は、合金B〜Gの強度より大きく、合金Aと同程度であり、これは、本発明の合金が、壊滅的な破壊が生じる前に、より大きい応力水準を受けることができることを示している。
弁のフィレット領域におけるクリープ関連の破壊を防止するために、十分なクリープ強度が必要である。1500°F(816℃)、100時間で、本発明の合金および数種の比較の弁用合金を破壊するのに必要なクリープ応力を表4に示す。実施例2の合金のクリープ破壊応力は、合金AおよびBと同等であり、オーステナイト系弁用鋼FおよびGよりはるかに良好である。そのオーステナイト系弁用鋼は、排気弁用途において、弁のフィレット領域におけるクリープによる破壊を防止するのに十分なクリープ破壊強度を有する。したがって、本発明の合金も、やはり、破壊を防止するのに十分なクリープ強度を有するはずである。
エンジンの作動中、弁座面は、インサートに対して衝撃を与える。座面の亀裂を防止するために、十分な靭性が必要である。1472°F(800℃)における熱処理ならびに熱処理および400時間曝露の後における実施例2の合金および数種の比較の弁用合金のUノッチ衝撃靭性(規格JIS Z2202)を試験した。その結果を表4に示す。400時間曝露の後、実施例2で実施された本発明の合金は、合金Fより有意に良好な衝撃靭性を有し、合金Aと同程度である。この結果より、本発明の合金の靭性は、自動車弁用途に適していることが分かる。
弁のステムフィレット領域における疲労関連破壊を防止するために、疲労強度が必要である。印加応力25〜45ksiを用いて1500°F(816℃)、108サイクルで本発明の合金ならびに合金A、BおよびDについて回転ビーム疲労試験を実施した。その結果を図4に示す。本発明の実施例3の合金の疲労強度は、合金AおよびBより幾分良好である。したがって、実施例3で実施された本発明の合金は、自動車弁用に十分な疲労強度を有する。1600°F(871℃)、108サイクルにおける実施例3の合金ならびに比較の合金BおよびDの疲労耐久限界を図5に示す。この温度では、実施例3の合金の疲労強度は、比較の合金Bより良好である。
実施例3の合金から作製された排気弁を、V8スパーク着火ガソリンエンジンにおける100時間ダイノ(dyno)試験、および大型車両用圧縮着火ディーゼルエンジンにおける500時間ダイノ試験にかけた。排気弁は、両方の磨耗試験に合格し、それぞれの試験において許容できる耐磨耗性を示した。
Claims (17)
- 0.15質量%から0.35質量%までのC、1質量%までのSi、1質量%までのMn、25質量%超から40質量%未満のNi、15質量%から25質量%のCr、0.5質量%までのMo、0.5質量%までのW、1.6質量%超から3質量%のAl、1質量%から3.5質量%のTi、1.1超から3質量%のNb、0.005質量%から0.015質量%までのB、および残余のFeと不可避な不純物からなり、質量%基準で、Mo+0.5W≦0.75%であり、Ti+Nb≧4.5%であり、13≦(Ti+Nb)/C≦50である耐磨耗合金。
- 以下の元素が、以下の量:0.15質量%超から0.3質量%のC、1.7質量%から2.5質量%のNbで存在する、請求項1に記載の合金。
- 元素W、MoおよびVが、合金において、不可避な不純物の量を超えて存在しない、請求項2に記載の合金。
- 一次炭化物の体積分率の合計が、1%超かつ4%までである、請求項1に記載の合金。
- ピンアブレイジョン磨耗損失によって測定された、溶体化処理およびエージング後100mg未満の良好な耐ピンアブレイジョン磨耗性を有する、請求項1に記載の合金。
- 合金の元素が、質量%基準で式:15≦(Ti+Nb)/C≦35を満足する、請求項1に記載の合金。
- 合金の元素が、質量%基準で式:17≦(Ti+Nb)/C≦30を満足する、請求項1に記載の合金。
- 0.15質量%超から0.3質量%までのC、1質量%までのSi、1質量%までのMn、29質量%から35質量%のNi、15質量%から20質量%のCr、0.25質量%までのMo、0.25質量%までのW、1.63質量%から2.3質量%のAl、2.0質量%から3.5質量%のTi、1.8質量%から2.5質量%のNb、0.005質量%から0.015質量%のB、および残余のFeと不可避な不純物からなり、質量%基準でTi+Nb≧4.5%であり、13≦(Ti+Nb)/C≦50である耐磨耗合金。
- 元素WおよびMoが、合金において、不可避な不純物の量を超えて存在しない、請求項8に記載の合金。
- 合金の元素が、質量%基準で式:15≦(Ti+Nb)/C≦35を満足する、請求項8に記載の合金。
- 合金の元素が、質量%基準で式:17≦(Ti+Nb)/C≦30を満足する、請求項8に記載の合金。
- 0.15質量%から0.35質量%までのC、1質量%までのSi、1質量%までのMn、25質量%超から40質量%未満のNi、15質量%から25質量%のCr、0.5質量%までのMo、0.5質量%までのW、1.6質量%超から3質量%のAl、1質量%から3.5質量%のTi、1.1超から3質量%のNb、0.005質量%から0.015質量%までのB、および残余のFeと不可避な不純物からなり、質量%基準で、Mo+0.5W≦0.75%であり、Ti+Nb≧4.5%であり、13≦(Ti+Nb)/C≦50である合金を含む自動車両用のエンジン弁。
- 以下の元素が、合金において、以下の量:0.15質量%超から0.3質量%のC、1.7質量%から2.5質量%のNbで存在する、請求項12に記載のエンジン弁。
- 元素W、MoおよびVが、合金において、不可避な不純物の量を超えて存在しない、請求項12に記載のエンジン弁。
- 合金の一次炭化物の体積分率の合計が、1%超から4%までである、請求項12に記載のエンジン弁。
- 合金の元素が、質量%基準で式:15≦(Ti+Nb)/C≦35を満足する、請求項12に記載のエンジン弁。
- 合金の元素が、質量%基準で式:17≦(Ti+Nb)/C≦30を満足する、請求項12に記載のエンジン弁。
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