JPH0249380B2

JPH0249380B2 -

Info

Publication number: JPH0249380B2
Application number: JP57183555A
Authority: JP
Inventors: Tatsumori Yabuki; Junya Ooe; Sadao Saito
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1982-10-19
Filing date: 1982-10-19
Publication date: 1990-10-30
Also published as: JPS5974266A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、すぐれた高温硬さ，耐熱衝撃性，
および耐酸化鉛腐食性を有し、特にこれらの特性
が要求される内燃機関のエンジンバルブおよび同
バルブシートの製造に、鋳物用あるいは肉盛溶接
用として使用するのに適した高硬度Fe―Ni―Cr
系合金に関するものである。従来、内燃機関のエンジンバルブや同バルブシ
ートの製造に際しては、肉盛溶接用として、アメ
リカ溶接協会規格5.13RCoCr―Ａ（Ｃ：0.9〜1.4
％，Si：2.0％以下，Mn：1.0％以下，Ｗ：3.0〜
6.0％，Cr：26〜32％，Ni：3.0％以下，Fe：3.0
％以下，Mo：1.0％以下，Coおよび不可避不純
物：残り）や、同5.13RCoCr―Ｂ（Ｃ：1.2〜1.7
％，Si：2.0％以下，Mn：1.0％以下，Ｗ：7.0〜
9.5％，Cr：26〜32％，Ni：3.0％以下，Fe：3.0
％以下，Mo：1.0％以下，Coおよび不可避不純
物：残り，以上重量％）などのCo基合金（以下
従来Co基合金という）が多く使用されてきた。一方、近年、内燃機関の高性能化がはかられる
ようになるにしたがつて、内燃機関のエンジンバ
ルブや同バルブシートにも、よりすぐれた特性を
具備することが要求されるようになつており、特
に、高硬度が要求される場合、いずれも肉盛溶接
状態で、温度：800℃におけるビツカース硬さが
320以上の高温硬さ、並びに温度：700℃に15分間
保持した後、水冷の操作を繰返し行なつた場合に
肉盛溶接部に割れが発生するまでの前記操作回数
が５回以上の耐熱衝撃性、さらに温度：920℃に
加熱した溶融酸化鉛中に１時間浸漬した後の重量
減が0.09ｇ／cm²／hr以下の耐酸化鉛腐食性を具備
することが要求されるようになつている。なお、
これらの特性を具備することは、鋳造により製造
された内燃機関のエンジンバルブ鋳物や同バルブ
シート鋳物に対しても同様に要求されることは勿
論のことである。しかしながら、上記の従来Co基合金は、高温
硬さの点で、上記要求条件を満足しないばかりで
なく、耐熱衝撃性および耐酸化鉛腐食性について
も、これを満足する性質をもたず、したがつて特
に高硬度が要求される高性能エンジンのエンジン
バルブや同バルブシートの製造に、前記従来Co
基合金を肉盛溶接用として、さらに鋳物用として
用いた場合に十分満足する使用寿命を示さないの
が現状である。そこで、本発明者等は、上述のような観点か
ら、内燃機関、特に高性能エンジンのエンジンバ
ルブや同バルブシートに要求される高温硬さ、耐
熱衝撃性，および耐酸化鉛腐食性を具備し、かつ
肉盛溶接用および鋳物用として使用することので
きる材料を開発すべく研究を行なつた結果、Ｃ：
1.9％超〜3.4％，Cr：28〜37％，Ni：25〜55％，
Co：１〜８％，Ｗ：0.1〜15.0％，Mo：0.1〜9.0
％，Ti：0.01〜4.5％，Al：0.01〜4.5％を含有し、
さらに必要に応じてSi：0.1〜3.0％，Mn：0.1〜
2.0％，およびＢ：0.001〜1.5％のうちの１種また
は２種以上を含有し、残りがFeと不可避不純物
からなる組成（以上重量％）を有するFe―Ni―
Cr系合金は、温度：800℃におけるビツカース硬
さ：330以上のきわめて高い高温硬さを有し、ま
た温度：700℃に15分間加熱後水冷の操作を１サ
イクルとする熱衝撃試験で、割れ発生に至るまで
のサイクル数が７回以上のすぐれた耐熱衝撃性を
示し、さらに温度：920℃に加熱した溶融酸化鉛
中に１時間浸漬の酸化鉛腐食試験では重量減が
0.038ｇ／cm²／hr以下のすぐれた耐酸化鉛腐食性
を示し、しかも肉盛溶接用および鋳物用として使
用することができ、したがつてこのFe―Ni―Cr
系合金を高性能エンジンのエンジンバルブおよび
同バルブシートの製造に用いた場合にきわめて長
期に亘つてすぐれた性能を発揮するという知見を
得たのである。この発明は、上記知見にもとづいてなされたも
のであつて、以下に成分組成を上記の通りに限定
した理由を説明する。 (a) ＣＣ成分には、Cr，Ｗ，Mo，Ti，およびNbな
どと結合して炭化物を形成し、常温および高温硬
さを著しく向上させる作用があるが、その含有量
が1.9％以下では、特に著しく高い高温硬さを確
保することができず、一方3.4％を越えて含有さ
せると耐熱衝撃性が急激に劣化するようになるこ
とから、その含有量を1.9％超〜3.4％と定めた。 (b) Cr Cr成分には、その一部が素地に固溶し、残り
の部分が炭化物を形成して、特に高温硬さを向上
させ、もつて高温耐摩耗性を向上させるほか、耐
酸化鉛腐食性を向上させる作用があるが、その含
有量が28％未満では前記作用に所望の効果が得ら
れず、一方37％を越えて含有させると耐熱衝撃性
に低下傾向が現われるようになることから、その
含有量を28〜37％と定めた。 (c) Ni Ni成分には、オーステナイト地を安定にして
耐熱衝撃性および靭性を向上させるほか、Alお
よびTiと結合して金属間化合物：Ni₃（Al，Ti）
を形成し、もつて高温硬さ（高温耐摩耗性）およ
び高温強度を改善し、さらにCrとの共存におい
て耐酸化鉛腐食性を向上させる作用があるが、そ
の含有量が25％未満では前記作用に所望の効果が
得られず、一方55％を越えて含有させてもより一
層の向上効果は得られず、経済性を考慮して、そ
の含有量を25〜55％と定めた。 (d) Co Co成分には、素地に固溶して耐熱衝撃性を一
段と向上させ、かつ高温硬さ（高温耐摩耗性）を
改善する作用があるが、その含有量が１％未満で
は前記作用に所望の効果を得ることができず、一
方８％を越えて含有させてもより一層の向上効果
は得られず、経済性を考慮して、その含有量を１
〜８％と定めた。 (e) ＷＷ成分には、炭化物を微細化すると共に、自身
も炭化物を形成し、かつ素地に固溶して、これを
強化し、もつて合金の高温硬さおよび高温強度を
向上させる作用があるが、その含有量が0.1％未
満では前記作用に所望の効果が得られず、一方
15.0％を越えて含有させると肉盛溶接性や切削性
が劣化するようになることから、その含有量を
0.1〜15.0％と定めた。 (f) Mo Mo成分には、Ｗとの共存において、素地に固
溶して、これを強化し、かつ炭化物を形成して合
金の高温硬さ（高温耐摩耗性）および高温強度を
向上させる作用があるが、その含有量が0.1％未
満では前記作用に所望の効果が得られず、一方
9.0％を越えて含有させると、Ｗ成分の場合と同
様に耐熱衝撃性および靭性が劣化するようになる
ことから、その含有量を0.1〜9.0％と定めた。 (g) Ti Ti成分には、素地の結晶粒の成長を抑制する
ばかりでなく、むしろ結晶粒を微細化し、かつ
MC型の炭化物および窒化物、さらにNiおよび
Alと結合してNi₃（Al，Ti）の金属間化合物を形
成して、高温硬さおよび耐熱衝撃性、さらに高温
強度および靭性を向上させる作用があるが、その
含有量が0.01％未満では前記作用に所望の効果が
得られず、一方4.5％を越えて含有させると、炭
化物の量が多くなりすぎて耐熱衝撃性および靭性
が劣化するようになると共に、耐酸化鉛腐食性に
も劣化傾向が現われるようになることから、その
含有量を0.01〜4.5％と定めた。 (h) Al Al成分には、Crと共に耐酸化鉛腐食性を向上
させ、かつ上記のようにNiおよびTiと結合して
Ni₃（Al，Ti）の金属間化合物を形成すると共に、
窒化物を形成して常温および高温硬さを向上させ
て耐摩耗性を一段と高め、さらに耐熱衝撃性，高
温強度を改善する作用があるが、その含有量が
0.01％未満では前記作用に所望の効果が得られ
ず、一方4.5％を越えて含有させると、溶湯の流
動性および鋳造性が低下するようになるばかりで
なく、溶接性および靭性も低下して実用的でなく
なることから、その含有量を0.01〜4.5％と定め
た。 (i) Si Si成分には、鋳造性，肉盛溶接性，および湯流
れ性を改善する作用があるので、特にこれらの特
性が要求される場合に必要に応じて含有される
が、その含有量が0.1％未満では前記作用に所望
の改善効果が得られず、一方3.0％を越えて含有
させてもより一層の改善効果は期待できないこと
から、その含有量を0.1〜3.0％と定めた。また、Si成分には脱酸作用があるので、通常脱
酸剤として使用する場合が多く、この場合には不
可避不純物として0.1％未満の範囲で含有するこ
とになるが、合金成分としての含有量は、この不
可避不純物含有量を含め、全体で0.1％以上にな
るようにすればよい。 (j) Mn Mn成分には、肉盛溶接性を改善する作用があ
るので、特に肉盛溶接性が要求される場合に必要
に応じて含有されるが、その含有量が0.1％未満
では肉盛溶接性に所望の改善効果が得られず、一
方2.0％を越えて含有させてもより一層の改善効
果は現われないことから、その含有量を0.1〜2.0
％と定めた。また、Mn成分には脱酸脱硫作用があるので、
通常脱酸脱硫剤として使用する場合が多く、この
場合にはSi成分と同様に不可避不純物として0.1
％未満の範囲で含有することになるが、合金成分
としての含有量は、この不可避不純物含有量を含
め、全体で0.1％以上になるようにすればよい。 (k) ＢＢ成分には、高温硬さ（高温耐摩耗性），耐熱
衝撃性，耐酸化鉛腐食性，および高温強度を一層
向上させる作用があるので、必要に応じて含有さ
せるが、その含有量が0.001％未満では前記作用
に所望の向上効果が得られず、一方1.5％を越え
て含有させると、耐熱衝撃性が低下するようにな
ると共に、鋳造性および溶接性も劣化するように
なることから、その含有量を0.001〜1.5％と定め
た。つぎに、この発明のFe―Ni―Cr系合金を実施
例により比較例と対比しながら具体的に説明す
る。実施例通常の溶解法により、それぞれ第１表に示され
る成分組成をもつた本発明合金１〜28，比較合金
１〜12，および上記の従来Co基合金に相当する
成分組成をもつた従来合金１，２を溶製し、引続
いて通常の条件にて連続鋳造することにより直
径：4.8mmφの溶接ロツドを成形した。なお、比
較合金１〜12は、いずれも構成成分のうちのいず
れかの成分含有量（第１表に※印を付したもの）
がこの発明の範囲から外れた組成をもつものであ
る。ついで、この結果得られた本発明合金１〜28，
比較合金１〜12，および従来合金１，２の溶接ロ
ツドを用い、TIG自動溶接機にて、直経：120mm
φ×厚さ：20mmの寸法をもつたステンレス鋼
（SUS316）製台金の表面に、外径：100mm×幅：
20mm×厚さ：５mmの円環状ビードを２層肉盛溶接
した。引続いて、上記台金上に形成された円環状ビー
ドについて常温におけるロツクウエル硬さ（Ｃス
ケール）および温度：800℃におけるビツカース
硬さを測定すると共に、前記円環状ビードを形成
した台金に対して、温度：700℃に加熱して15分
間保持後水冷の操作を１サイクルとして繰り返し
行ない、前記円環状ビードに割れが発生す

【表】

【表】るまでの前記サイクル回数を測定する耐熱衝撃性
試験を行つた。さらに同様に直径：15mmφ×長
さ：100mmの寸法をもつたステンレス鋼片
（SUS316）の一方端面に厚さ：５mmの２層肉盛
溶接を行ない、この鋼片の肉盛部より直径：12mm
φ×厚さ：12mmの寸法をもつた試験片を削り出
し、この試験片を用い、温度：920℃に加熱した
溶融酸化鉛：40ｇ中に１時間浸漬の耐酸化鉛腐食
性試験を行ない、試験後の肉盛材の重量減を測定
した。これらの測定結果を第１表に合せて示し
た。第１表に示される結果から、本発明合金１〜28
は、いずれも従来合金１，２に比して一段とすぐ
れた高温硬さ，耐熱衝撃性，および耐酸化鉛腐食
性を有することが明らかである。これに対して、
比較Ni基合金１〜12に見られるように、構成成
分のうちのいずれかの成分含有量がこの発明の範
囲から外れると、本発明合金に比して前記特性の
うち少なくともいずれかの特性が劣つたものにな
ることが明らかである。なお、上記実施例では、この発明のFe―Ni―
Cr系合金を肉盛溶接用として用いた場合につい
て述べたが、これを鋳物用として使用しても肉盛
溶接の場合と同様にすぐれた特性を示すことは勿
論である。上述のように、この発明のFe―Ni―Cr系合金
は、高性能エンジンのエンジンバルブおよび同バ
ルブシートに要求される上記の厳格な条件を十分
余裕をもつて満足するすぐれた高温硬さ，耐熱衝
撃性，および耐酸化鉛腐食性を有するので、これ
らの部材の製造に肉盛溶接用および鋳物用として
用いた場合、この結果の部材は著しく長期に亘つ
てすぐれた性能を発揮するようになるのである。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：1.9％超〜3.4％，Cr：28〜37％，Ni：25
〜55％，Co：１〜８％，Ｗ：0.1〜15.0％，Mo：
0.1〜9.0％，Ti：0.01〜4.5％，Al：0.01〜4.5％を
含有し、残りがFeと不可避不純物からなる組成
（以上重量％）を有することを特徴とする内燃機
関のエンジンバルブおよび同バルブシート用高硬
度Fe―Ni―Cr系合金。２Ｃ：1.9％超〜3.4％，Cr：28〜37％，Ni：25
〜55％，Co：１〜８％，Ｗ：0.1〜15.0％，Mo：
0.1〜9.0％，Ti：0.01〜4.5％，Al：0.01〜4.5％，
およびSi：0.1〜3.0％を含有し、残りがFeと不可
避不純物からなる組成（以上重量％）を有するこ
とを特徴とする内燃機関のエンジンバルブおよび
同バルブシート用高硬度Fe―Ni―Cr系合金。３Ｃ：1.9％超〜3.4％，Cr：28〜37％，Ni：25
〜55％，Co：１〜８％，Ｗ：0.1〜15.0％，Mo：
0.1〜9.0％，Ti：0.01〜4.5％，Al：0.01〜4.5％，
Si：0.1〜3.0％，およびMn：0.1〜2.0％を含有
し、残りがFeと不可避不純物からなる組成（以
上重量％）を有することを特徴とする内燃機関の
エンジンバルブおよび同バルブシート用高硬度
Fe―Ni―Cr系合金。４Ｃ：1.9％超〜3.4％，Cr：28〜37％，Ni：25
〜55％，Co：１〜８％，Ｗ：0.1〜15.0％，Mo：
0.1〜9.0％，Ti：0.01〜4.5％，Al：0.01〜4.5％，
Si：0.1〜3.0％，およびMn：0.1〜2.0％を含有
し、さらにＢ：0.001〜1.5％を含有し、残りがFe
と不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有
することを特徴とする内燃機関のエンジンバルブ
および同バルブシート用高硬度Fe―Ni―Cr系合
金。