JPH0230373B2

JPH0230373B2 -

Info

Publication number: JPH0230373B2
Application number: JP57069364A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kato; Hidenori Yamaoka
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 1982-04-23
Filing date: 1982-04-23
Publication date: 1990-07-05
Also published as: JPS58185741A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はガソリン機関、デイーゼル機関用排気
弁などの耐熱材料に用いられる、高温耐食性、高
温強度に優れ、かつ従来のNi基合金に比べ安価
な高温用合金に関するものである。ガソリン機
関、デイーゼル機関用の排気ガスにさらされ、し
かも800℃以上の高温下で高速運動するなど苛酷
な条件で使用される。高温の燃焼ガス中には
CO₂、H₂Oおよび残留O₂等が存在し、これらによ
つて酸化作用を受け、特にアンチノツク剤として
ガソリン中に添加されている四エチル鉛又は四メ
チル鉛が燃焼して生成した酸化鉛、さらには燃料
中に不純物として含まれるＳ、Cl、Br、Ｐ等と
の反応生成物（PbSO₄、PbBrCl、Pb₃（PO₄）₂等）
によつて弁フエース部が激しく侵食される。また、弁ばねの張力および弁自身の慣性力によ
り着座時に弁首部に大きな引張応力および曲げ応
力が作用する。現在、欧米および日本においてガソリン、デイ
ーゼル機関用の排気弁用材料として最も多用され
ているものに21−4N鋼（Fe−21Cr−9Mn−4Ni
−0.5C−0.4N）がある。しかし、最近の高性能機関においてはさらに高
出力あるいは高速化しつつあり、このような苛酷
な条件下では前記の21−4N鋼では高温耐食性や
高温強度が不足し、使用に耐え難い状況も出現
し、21−4N鋼より数段優れた高温耐食性および
高温強度を有する合金の開発が要望されている。
このような情勢に対して、近時排気弁にNi基合
金を使用したり、ステライト合金の盛金弁を使用
する傾向にある。しかしながらNi基合金は材料
が高価なため弁コストが高くなり、その上高負荷
機関ではＳを含む高温燃焼ガスに対する耐食性が
不十分である。また、ステライト合金の盛金弁は盛金作業が煩
雑であり、多くの人手を要するため弁コストが高
くなり、しかも高負荷機関では排気弁としての諸
性能も不十分である。本発明はかかる従来鋼の欠点を解消するもので
発明者が種々研究を重ねた結果、Ni基合金のNi
の一部をMnで置換し、5.0〜15.0％のMnを含有
させたことによりＳ化合物を含む燃焼生成物によ
る耐食性を改善し、さらに高温での強度を向上さ
せる強化元素として0.5〜6.0％のNb、Taと1.7〜
4.0％のTiを含有させ、かつAl量を1.5％以下に低
減することにより、Ni基合金に比べ優れた高温
耐食性を有するとともに同等の高温強度を有する
ものであり、かつ格段に安価な高温耐食性合金で
ある。また、本発明合金は弁製造に際してステライト
盛金のような複雑な工程を必要とせず、従来の21
−4N鋼排気弁と同様にアプセツト鍛造により製
造可能であるためステライト合金の盛金弁と比べ
てもより安価で、かつ優れた性能を有するもので
ある。以上のように本発明合金は高温耐食性、高温耐
酸化性および高温強度において優れたもので、排
気弁のほか各種耐熱部品、耐熱工具用材、高温摺
動部材などに広く使用できるものである。以下に本発明合金について詳述する。第１発明合金は、重量比にして、C0.15％以下、
Si1.0％以下、Mn5.0〜15.0％、Ni35.0〜65.0％、
Cr15.0〜35.0％、Ti1.7〜4.0％、Al1.5％以下と、
Nb0.5〜6.0％、Ta0.5〜6.0％のうち１種ないし２
種を含有したもので、第２発明合金は第１発明合
金にCa0.0005〜0.020％、Mg0.0005〜0.020％、希
土類元素0.005〜0.050％、B0.0005〜0.01％、
Y0.005〜0.10％のうち１種ないし２種以上を含有
し第１発明合金の高温強度、熱間加工性を一層向
上させたもので、第３発明合金は第１発明合金に
Mo0.3〜4.0％、V0.1〜3.0％のうち１種ないし２
種を含有し、第１発明合金の高温耐食性をあまり
劣化させることなく高温強度を向上させたもの
で、第４発明合金は第１発明合金にZr0.005〜
0.50％、Hf0.005〜0.50％のうち１種ないし２種
を含有し、第１発明合金の高温耐食性をあまり劣
化させることなく高温強度を向上させたもので、
第５発明合金は第２発明合金にMo0.34〜4.0％、
V0.1〜3.0のうち１種ないし２種を含有し第２発
明合金の高温強度をさらに向上させたもので第６
発明合金は第２発明合金にZr0.005〜0.50％
Hf0.005〜0.50％のうち１種ないし２種を含有し
第２発明合金の高温強度をさらに向上させたもの
である。以下に本発明合金の成分限定理由について説明
する。Ｃは一部地質に固溶してそれを強化するととも
に炭化物を形成し素地を強化する。炭化物による
素地強化は効果的ではあるが0.15％を越えると結
晶粒界に炭化物が析出し、熱間加工性を著しく害
するので上限を0.15％とした。Siは地質に固溶し
てそれを強化し、また高温耐酸化性を改善する
が、100％を越えると高温酸化鉛耐食性を害する
ので上限を100％とした。 Mnは高Ni合金のＳ化合物およびその他の不純
物を含む燃焼生成物による耐食性を著しく改善す
る。第１図は複合酸化鉛（燃焼生成物相当組成）
耐食性におよぼすMnの影響を示したものであり
これからしてMnが5.0％以上で著しく耐食性を改
善することが知られる。このためMnの下限を5.0
％とした。また、Mnが15.0％を越えると融点のNi−Mn
共晶が生成し、熱間加工性が著しく困難となるた
め上限を15.0％とした。 Niは安定なオーステナイト組織を得、シグマ
相等の機械的性質を劣化させる有害な析出物の生
成を防止するために必要であり、複合酸化鉛耐食
性の向上、Ni₃（Al、Ti）やNi₃Nbによる析出硬
化等を果すために不可欠であり、したがつて、
Niの下限を35.0％とした。また、65.0％を越えて
含有させても効果の向上が小さく高価となるので
上限を65.0％とした。Crは複合酸化鉛耐食性向上
に不可欠であり、15.0％未満では不十分であるの
で下限を15.0％とした。また35.0％を越えて含有
させても効果の向上が小さく、シグマ相等の機械
的性質を劣化させる有害な析出物がでやすくなる
ので上限を35.0％とした。 Nb、TaはTi、Al等と同様に高温強度を向上
させる元素である。第２図に示した複合酸化鉛耐食性におよぼす
Nb、Ta、Ti、Alの影響から知られるようにAl
が著しく耐食性を劣化させるのに対して、Nb、
Ta、Tiは劣化作用が小さいので、高温耐食性の
劣化を最小に保ち、高温強度を強化させるには最
適な元素である。またNb、TaはNbC、TaC型炭
化物を形成して材質を強化し、過剰のNb、Taは
Ni₃Nb、Ti₃Taを形成し、材質強化に寄与する。
上記の性能を発揮させるにはNb、Taを0.5％以
上含有させる必要があり、下限を0.5％とした。
また6.0％を越えて含有させると熱間加工が困難
となり、かつ高温耐食性も劣化するため上限を
6.0％とした。 TiはNi₃（Al、Ti）を形成して、著しく高温強
度を向上する。第２図より明らかなようにTi高
温耐食性劣化作用はAlに比べて小さく高温強度
の強化元素として適している。必要な性能を発揮
させるには1.7％以上含有させる必要があり、下
限を1.7％とした。また、4.0％を越えて含有させると熱間加工が
困難となり、かつ高温耐食性も劣化するためその
上限を4.0％とした。 AlはNi₃（Al、Ti）を形成して、著しく高温強
度を向上するが、第２図より明らなように高温耐
食性の劣化作用が強く含有量を低く制限する必要
がある。Alの含有量が1.5％を越えると高温耐食
性の劣化が著しく、実用上支障をきたすため上限
を1.5％とした。以上の各成分元素のほかに、0.5〜6.0％の
NbTa、1.7〜4.0％のTi、1.5％以下のAl含有のも
とに、0.0005〜0.020％のCa、0.0005〜0.020％の
Mg0.005〜0.050％の希土類元素、0.0005〜0.010
％のB0.005〜0.10％のＹを単独あるいは２種以上
を複合して添加すれば高温耐食性をあまり劣化さ
せることなく高温強度を一層高めることができ、
かつ熱間加工性についても向上する。この場合、
各元素とも下限未満では効果が小さく、上限を越
えて含有した場合には高温耐食性あるいは熱間加
工性を劣化させる。 Mo、Ｖについては、Mo0.3〜4.0％、V0.1〜3.0
％を単独あるいは２種を複合して含有すれば、高
温耐食性をあまり劣化することなく高温強度を一
層高めることができる。この場合各元素とも下限
未満では効果が小さく、上限を越えて含有した場
合には高温耐食性、熱間加工性を劣化させる。また、Mo0.3〜4.0％、V0.1〜3.0％単独あるい
は２種と、上記範囲内のCaMg、希土類元素、
Ｂ、Ｙの１種ないし２種以上を含有すれば、より
優れた高温強度を有する合金とすることができ
る。 Zr、Hfについては、Zr0.005〜0.50％、Hf0.005
〜0.50％を単独あるいは２種を含有すれば、高温
耐食性をあまり劣化することなく高温強度ならび
に熱間加工性を一層高めることができる。この場
合Zr、Hfとも下限未満では効果が小さく、上限
を越えて含有した場合には、それに見合つた効果
を期待できない。また、Zr0.005〜0.50％、Hf0.005〜0.50％を１
種ないし２種と、上記範囲内のCa、Mg、希土類
元素、Ｂ、Ｙの１種ないし２種以上を含有すれば
高温強度ならびに熱間加工性をより高めることが
できる。つぎに本発明合金の特徴を従来合金、比較合金
と比べて実施例でもつて明らかにする。第１表は本発明合金、従来合金、比較合金の化
学成分を示すものである。

【表】

【表】第１表においてＡ合金は73％Ni−15％Cr−３
％Ti−１％Nb−１％Alからなる従来のNi基合金
で、Ｂ、Ｃ合金は比較合金で、Ｄ〜Ｑ合金は本発
明合金で、Ｄ〜Ｆ合金は第１発明合金、Ｇ、Ｈ合
金は第２発明合金、Ｊ、Ｋ合金は第３発明合金、
Ｌ合金は第４発明合金、Ｍ、Ｎ合金は第５発明合
金、Ｐ、Ｑ合金は第６発明合金である。第２表は
第１表のＡ〜Ｑ合金を鍛造後、1050℃×１／2h
固溶化加熱後水冷し、ついで750℃×4h時効処理
し、960℃の酸化鉛または900℃の溶融複合酸化鉛
中で１時間浸漬した場合の腐食減量を示し、高温
引張り強さについては、前記処理を施した平行部
10φ×50mmの試片を用いて測定した。

【表】

【表】ガソリン機関用排気弁の使用条件に合わせて前
記熱処理を施したＡ〜Ｑ合金の機械的性質は、第
２表から明らかなように、その硬さがＡ〜Ｑ合金
のいずれもHRC30〜38と所望の硬さを得ること
ができ、900℃という高温での引張強さについて
は従来合金であるＡ合金、比較合金であるＢ、Ｃ
合金、本発明合金であるＤ〜Ｑ合金はともに強化
元素であるNb、Ti、Alなどを含有することによ
りＡ合金は33Kg／mm²、Ｂ、Ｃ合金は20〜35Kg／mm²
であり、本発明合金であるＤ〜Ｑ合金については
31〜39Kg／mm²と従来のNi基合金より高い値を示
している。そして、高温耐食性について、従来合金である
Ａ合金の酸化鉛腐食減量については2.0ｇ／ｄ
m²・ｈと優れているが、複合酸化鉛耐食性につい
てはMnを含有させず2.3％のTiと0.8％のAlを含
有させたことにより腐食減量が88.4ｇ／ｄm²・ｈ
と大変劣つており、Ni基合金がＳ化合物および
その他の不純物を含む高温燃焼ガスに対する耐食
性が不十分であることがわかる。また、比較合金であるＢ合金は従来合金Ａと同
様に酸化鉛耐食性については良好であるが、Mn
含有量が3.27％と本発明合金と比べ低いため複合
酸化鉛耐食性についてはその腐食減量が86.7ｇ／
ｄm²・ｈと大きく、不十分であることがわかる。さらに比較合金であるＣ合金はNbを含有せず
2.4％のTiと1.8％のAlを含有したことから酸化鉛
耐食性および複合酸化鉛耐食性ともに不十分であ
る。これに対して本発明合金であるＤ〜Ｑ合金は
必要量のMnを含有させたことにより酸化鉛腐食
減量については2.3〜6.8ｇ／ｄm²ｈと従来合金Ａ
と同等の耐食性を有し、さらに複合酸化鉛耐食性
についてはその腐食減量が11.8〜24.3ｇ／ｄm²．
ｈと従来合金Ａに比べ格段に優れた高温耐食性を
示しており、これからしても本発明合金がＳ化合
物および他の不純物を含む高温燃焼ガスに対する
耐食性が優れていることがわかる。上述のように、本発明合金は35.0〜65.0％の
Ni、15.0〜35.0％のCrを含む合金に、5.0〜15.0％
のMnと、0.5〜6.0％のNb、Ta、1.7〜4.0％の
Ti、1.5％以下のAlを含有させ、かつ必要に応じ
てCa、Mg、希土類元素Ｂ、Ｙのうち１種ないし
２種以上と、Mo、Ｖのうち１種ないし２種と、
Zr、Hfのうち１種ないし２種を含有させたこと
により、Ni基合金と同等またはそれ以上の高温
強度を有すとともにNi基合金に比べて優れた高
温燃焼ガス耐食性を有しており、Ni基合金およ
びステライト合金の盛金弁に比べ格段に安価に製
造が可能な高温耐食性合金で産業上寄与するとこ
ろは極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合酸化鉛耐食性におよぼすMnの影
響を示した線図、第２図は複合酸化鉛耐食性にお
よぼすNb、Ta、Alの影響を示した線図である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量比にして、C0.15％以下、Si1.0％以下、
Mn5.0〜15.0％、Ni35.0〜65.0％、Cr15.0〜35.0
％、Ti1.7〜4.0％、Al1.5％以下と、Nb0.5〜6.0
％、Ta0.5〜6.0％のうち１種ないし２種を含有し
て残部Feならびに不純物元素からなることを特
徴とする高温耐食性合金。２重量比にして、C0.15％以下、Si1.0％以下、
Mn5.0〜15.0％、Ni35.0〜65.0％、Cr15.0〜35.0
％、Ti1.7〜4.0％、Al1.5％以下と、Nb0.5〜6.0
％、Ta0.5〜6.0％のうち１種ないし２種を含有し
て、さらにCa0.0005〜0.020％、Mg0.0005〜0.020
％、希土類元素0.005〜0.050％、B0.0005〜0.010
％、Y0.005〜0.100％のうち１種ないし２種以上
を含有し残部Feならびに不純物元素からなるこ
とを特徴とする高温耐食性合金。３重量比にして、C0.15％以下、Si1.0％以下、
Mn5.0〜15.0％、Ni35.0〜65.0％、Cr15.0〜35.0
％、Ti1.7〜4.0％、Al1.5％以下と、Nb0.5〜6.0
％、Ta0.5〜6.0％のうち１種ないし２種を含有し
て、さらにMo0.3〜4.0％、V0.1〜3.0％のうち１
種ないし２種を含有し残部Feならびに不純物元
素からなることを特徴とする高温耐食性合金。４重量比にして、C0.15％以下、Si1.0％以下、
Mn5.0〜15.0％、Ni35.0〜65.0％、Cr15.0〜35.0
％、Ti1.7〜4.0％、Al1.5％以下と、Nb0.5〜6.0
％、Ta0.5〜6.0％のうち１種ないし２種を含有し
て、さらにZr0.005〜0.50％、Hf0.005〜0.50％の
うち１種ないし２種含有し残部Feならびに不純
物元素からなることを特徴とする高温耐食性合
金。５重量比にして、C0.15％以下、Si1.0％以下、
Mn5.0〜15.0％、Ni35.0〜65.0％、Cr15.0〜35.0
％、Ti1.7〜4.0％、Al1.5％以下と、Nb0.5〜6.0
％、Ta0.5〜6.0％のうち１種ないし２種を含有し
て、さらにCa0.0005〜0.020％、Mg0.0005〜0.020
％、希土類元素0.005〜0.050％、B0.0005〜0.010
％、Y0.005〜0.100％のうち１種ないし２種以上
と、Mo0.3〜4.0％、V0.1〜3.0％のうち１種ない
し２種を含有して残部Feならびに不純物元素か
らなることを特徴とする高温耐食性合金。６重量比にして、C0.15％以下、Si1.0％以下、
Mn5.0〜15.0％、Ni35.0〜65.0％、Cr15.0〜35.0
％、Ti1.7〜4.0％、Al1.5％以下と、Nb0.5〜6.0
％、Ta0.5〜6.0％のうち１種ないし２種を含有し
て、さらにCa0.0005〜0.020％、Mg0.0005〜0.020
％、希土類元素0.005〜0.050％、B0.0005〜0.010
％、Y0.005〜0.100％のうち１種ないし２種以上
と、Zr0.005〜0.50％、Hf0.005〜0.50％のうち１
種ないし２種を含有し残部Feならびに不純物元
素からなることを特徴とする高温耐食性合金。