JPH03177543A

JPH03177543A - 弁用鋼

Info

Publication number: JPH03177543A
Application number: JP31572589A
Authority: JP
Inventors: Yuji Okada; 裕二岡田; Shinji Shibata; 新次柴田; Makoto Tabei; 誠田部井; Yoshitaka Nishizawa; 西沢　義喬; Katsuji Kanda; 神田　勝司
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd; Tohoku Tokushuko KK; Tohoku Steel Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd; Tohoku Tokushuko KK; Tohoku Steel Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1989-12-05
Filing date: 1989-12-05
Publication date: 1991-08-01
Anticipated expiration: 2011-10-16
Also published as: JP2543417B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は内燃機関の弁、特に自動車用エンジンの排気弁
として疲労強度、耐食性および耐クリープ性に優れた弁
用鋼に関する。

「尽凄の姑枕１］従来より自動車等の内燃機関としてガソリン・エンジン
およびディーゼル・エンジンが主流であり、その排気弁
にはＪＩＳ　　５ＵＨ３５系の高マンガン鉄基合金が多
く用いられてきている９近羊特にディーゼル・エンジン
においても、ガソリン・エンジン同様高熱効率化、高回
転化等と共に、メインテナンス・フリー化のげ向が強ま
ってきている。このように高熱効率化のための燃焼温度
の上昇と高回転化による非摩耗に対し、５ＵＨ３５系弁
用鋼使用に際しては、高Ｃｏ−Ｃｒ含有のステライト肉
盛りを施した高価な加工弁を用いるか、または高温強度
およびクリープ特性の優れたニッケル基合金、例えばＪ
ＩＳ　　ＮＣＦ７５１等を用いて対処している。

しかし、上記の５ＵＨ３５系き金では８５０°Ｃ程度の
疲労強度が１．５　ｋｇｆ　／　ｍｍ２以下であり、ま
たＮＣＦ７５１でも大差なく、逆に硫ｆヒ耐食性が劣る
ほか、Ｎ１が主成分で１ｐ）るためコスト高の問題があ
る。

そ、＝て゛　特公昭６２−１３４２８号公報等に記載さ
れた鉄基で高温強度の大きな安価な合金が開発されたが
、実用上で耐酸化性、耐クリープ性がなお不足している
ことが判った。

［発明が解決しようとする課題］本発明は前記のごとき内燃機関用の弁用鋼の従来技術に
鑑みてなされたものであり、その目的は特公昭６２−１
３／１２８号公報の弁用鋼の改良を主とし、鉄基で各種
高性能エンジンに対応する熱間疲労強度の大きな、耐酸
化性、耐食性、耐クリープ性に優れた排気弁用鋼を提供
することにある。

［課題を解決するための手段］本発明者はエンジンの高性能化に十分対応できる熱間疲
労強度が大きく、耐酸化性、耐食性、クリープ特性に優
れた装置な材料を得るため、多数の鉄基合金を検討した
結果、本発明を完成したものである。

すなわち、本発明の弁用鋼は、重量％で、Ｃ；０．３５
５〜０．／＋　５％、Ｓｉ；１．０％以下、Ｍｎ；５０
〜８，０％未満、Ｎｉ；７．０〜１１．０％、Ｃｒ；２
２．０〜２５．０％、Ｎ　；ｏ　、３０〜０．４５％、
しかもＣ＋Ｎ；０．７５〜０．８５％であって、さらに
Ｍｏ・１．０を越えて３．０％、Ｎｂ；０．３０〜１．
５％、５ｏｌＡ　Ｉ；０．００５〜０．０３％、Ｂ；０
゜００１〜０．０１％を複合含有し、残部がＦｅおよび
不可避の不純物元素からなることを要旨とする熱間疲労
強度の大きな、かつ耐食性、クリープ特性に優れた弁用
鋼である。

本発明の弁用鋼は、時効によって炭窒化物等を組織中に
析出させ、これによって機械的性質が強化される析出効
果型合金である。従って、本発明鋼は、棒鋼に圧延後非
成形において、１１５０℃以上の温度で加熱・加工後、
さらに１０５０〜１１５０℃の温度で固溶化および適正
な時効処理を施して用いられる。

本発明の弁用鋼において、加工温度を１１５０℃以上と
し、１０５０〜１１５０℃の固溶化温度を選択したのは
、オーステナイト基地への合金元素による固溶強化と結
晶粒の成長作用を意図したものである。また１時効処理
により炭窒化物を組織中に析出させ、これによって高温
機械的性質が強化され、かつクリープ特性の向上が達成
される。

次に、本発明の弁用鋼において、成分組成を限定した埋
巾について説明する。

Ｃはオーステナイト組織の安定化と共に、炭窒化物を形
成し、組織の強化に不可欠であるが、０３５％以下では
強度不足を来し、０４５％を越えると、クリープ特性を
劣化させるため、Ｃ含有量は０．３５５〜０．４５％と
した。

ＮはＣと作用して炭窒化物を形成し、高温強度を促すた
め、少なくとも０．３０％以上を含有する必要がある。

しかし、０．／１５％を越えるとクリープ特性が急激に
劣化する。そのため、Ｎ含有量は０．３０〜０　・１５
％とした。

Ｃ＋Ｎは本発明鋼において適正な含有量が不可欠で、０
．７５％未満では本発明鋼が意図する高温強度が得られ
ず、またＣｒ含有量と相応し、σ相析田による靭性劣化
の弊害を考慮して、下限をｏ　　７５？ｇとした。一方
Ｃ＋Ｎが０．８５％を越えると、Ｃｒ含有量下限の場合
クリープ特性が得られないため、Ｃ＋Ｎ含有量は０．７
５〜０．８５％に限定した。なお、第３図は本発明鋼お
よび比較鋼のＣ＋Ｎ含有量と９００℃における引張強度
（σＢ〉およびクリープたわみ量（ΔＸ）との関係を示
す線図であるが、第３図より明らかなように、０゜７５
％未満になると、引張強さが２２　ｋｇｆ　／　ｍ＋＊
”を下回り、０．８５％を越えるとクリープたわみ量が
２０１を越るので、Ｃ＋Ｎ含有量の適正範囲が０．７５
〜０．８５％であることが判る。

Ｓｉは脱酸剤として、また硫化腐食に対して有効な元素
であるが、酸化鉛腐食性には有害である。

また、高Ｃｒ鋼ではσ相生成を助長し、さらに過度の含
有は熱間加工性の劣化につながるので、１０％以下とし
た。なお、第５図は鍛造試験における限界加工率とＳｉ
含有量との関係を示す線図であるが、第５図において、
Ｓｉ含有量０．２０５’≦であるのものに比べて、Ｓｉ
含有量が１．５７％になると変形率がかなり劣化するこ
とが判る。

ＭｎはＮｉおよびＣ，Ｎと共にオーステナイト組織の安
定化を促す有効元素である。また、硫化杓系環境での耐
食性改善のため最低限５．０％以上必要であり、８．０
％以上では本発明鋼のクリープ特性および酸化抵抗が減
少するため、Ｍｎ含有量は５．０〜８．０％未満とした
。

Ｎｉはオーステナイト組織安定化のための必須構成成分
であるが、耐食性、耐酸化性改善のため７．０％以上を
必要とし、１１．０％を越えても耐熱・耐食効果に寄与
−せず、高温硬度の低下を招き、またコストアップにつ
ながる。そのため、Ｎｉ含有量は７．０〜１１．０％と
した。

Ｃｒは耐熱・耐酸化性および耐食性を向上させ、かつ多
量のＮを固溶させるため２２．０％以上必要である、し
かし、過多の含有はσ相形成による脆化を招くので、２
５．０％以下とした。

Ｍｏは基地に固溶すると同時に、一部炭窒化物を形成し
て高温の強度を維持する。そのため、最低限１．０％以
上が必要であり、３．０％で飽和するので、Ｍｏ含有量
は１．０を越えて〜３．０％とした。

Ｎｂは高温で安定な炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化
防止および高温の強度低下を防止する。

そのため、０．３〜１．５％含有できる。しかし過多の
含有は固溶Ｃ濃度を減じ基地の硬化特性を減じるため、
望ましくは０．３０〜０．４９５％の範囲が有効である
。

Ｂはオーステナイト粒界を強化するため、熱間加工性、
高温の強度およびクリープ特性改善に効果がある。前記
効果を得るためには０．００１％以上添加する必要があ
るが、過度の含有は粒界溶融温度が低下し熱間加工性が
劣化するので、０゜０１％以下に限定した。なお、第４
図は鍛造試験における限界加工率とＢ含有量との関係を
示す線図であるが、第４図において、０．００３％添加
のものは、無添加のものに比べて限界加工率の上昇がみ
られる。しかし、０．０１５％添加したものは、無添加
のものより限界加工率は改善されているものの、０．０
０３％添加のものより、やや限界加工率の低下が見られ
る。従って、Ｂ含有量の適正範囲は、０．００１〜ｏ、
ｏｔｏ％であることが知見された。

Ａ１は強力な脱酸元素である。非金属介在物低減に基づ
く熱間加圧性改善（ｍ塊から弁数形まで）のため、鋼中
Ａ１を０．００５〜０．０３％にコントロールした。０
．００５％以下では耐火物や含有成分系酸化物が排除で
きず、また０、０３％以上では、大気汚染を受は易いか
らである。なお、第６図は鋼中Ａ１含有量と酸素含有量
および弁数形加工不良率との関係を示す線図であるが、
第６図から明らかなように、ＡＩ含有量が０．００５〜
０．０３％において、酸素含有量および弁成形加工不良
率共に低い値を示している。

［作用］本発明鋼においては、特公昭６２　１３４２８号公報の
弁用鋼に対比してＣ，Ｎの３Ｊｌ整とＭ　ｎ、Ｍｏ、Ｎ
ｌ）の低減により、熱間疲労強度が維持され、クリープ
特性の改善が図られ、Ｎｉ、Ｃｒを増加することにより
耐食性を、Ｍｎ低減およびＣｕ削除で耐酸化性の改善を
図ったものである。

本発明の弁用鋼の製造方法および弁数形の条件を説明す
れば、前記組成の合金を大気溶解炉と炉鍛造および所定
寸法に圧延加工後、１０５０℃で３０分保持した後、水
冷する簡易固溶化処理を施して棒鋼を製造する。

次に所定の長さに切断し、１１５０℃以上に加熱して弁
を成形した後、１０５０〜１１５０℃で３０〜６０分保
持して水冷する。仕上加工温度を１１５０℃以上、およ
び固溶化処理温度を１０５０〜１１５０℃に限定する理
由は、前記したように合金元素をオーステナイトに固溶
させるためであり、また結晶粒度を調整するためである
０次に７５０℃に加熱して４時間保持し空冷する時効処
理を施す。

［実施例］本発明の弁用鋼の実施例を比較例および従来例と共に説
明し、本発明の特徴を明らかにする。

先ず、第１表に示す化学組成のき金を大気高周波炉にて
溶製し、３．５ｋｇのインゴットに鋳造した後、鍛造（
２０ｍｍ角〉、圧延加工（１０■丸）して９種類の試料
を作製した。

／　　　　Ｎ”’Ｉτ　　　、７＞　　　　内　　　　
＼第１表に示すＮｏ、１〜Ｎｏ、３は本発明品であり、
Ｎｏ、４〜Ｎｏ、６はＭｏ、　ＮｂまたはＢ、ＡＩを含
有しない比較例である。Ｎｏ、７〜９は従来例でＮｏ。

７は特公昭６２−１３４２８の弁用鋼であり、Ｎｏ、８
はＪＩＳ　　５ＵＨ３５、ＮＯ１９はＪＩＳ　　ＮＣＦ
７５１である。

次ニ、第１　ａ中ｆ）Ｎｏ、　１〜Ｎｏ、８ノ試ｆｕヲ
１１００℃で、またＮｏ、９の試料を１０００℃でそれ
ぞれ２０分保持後水冷し、さらに７５０℃に加熱して４
時間保持後空冷し、次の試験を行った。

（１）熱間疲労強度本発明品と比較例の材料について、小野式回転曲げ試験
機で７５０℃および８５０℃における疲労試験を実施し
た。試験結果を第２表に示す９（以下余白〉第表熱間疲労強度（ｋｇｆ／間２〉第２表に示したように、本発明品のＮ０１１〜Ｎｏ、３
は、７５０℃においては２３　ｋｇｆ／　ｍｍ２以上、
８５０℃においては１７ｋｇｆ／ｍｍ２以上であり、Ｎ
ｏ、７の改良前高と同等以上の強度が得られ、Ｎｏ。

８の５ＵＨ３５系合金よりもかなり大きく、また熱処理
省略のＮＣＦ７５１よりも改善されていることが確認さ
れた。

（２）硫化腐食減量、酸化鉛腐食減量および酸化増量本発明品および比較例の材料について耐硫化腐食試験、
酸化鉛腐食試験および耐酸化試験を行った。試験結果を
第３表に示した。

耐硫化腐食試験は、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の試験であって、８７０
℃るつぼ中の合成炭（１０ＣａＳ○４−６ＢａＳＯ，・
２ＮａＳＯ，’　ＩＣ）を２４時間毎に交換して７７時
間経過後、試料表面を清浄化して腐食減量を調べた。ま
た、酸化鉛腐食減量は、試料を９２０℃の酸化鉛・硫酸
鉛を混合したき成調べた。

硫化腐食減量については、本発明のＮｏ、１〜Ｎｏ、３
はそれぞれ３〜５　ｍｇ／　ａｍ２であり、比較例のＳ
　Ｕ　Ｎ　３５系に比較し半減しており、ＮＣＦ７５１
より遥かに少なく、またＮｏ、７の改良前高より相当改
善されていることが判明した。

また、酸化鉛腐食減量は本発明のＮｏ、１〜３では、３
５〜４０ｆｆ１ｇ／ｃｍ２であって、Ｎｏ、７の改良前
高の２２０　ｍｇ／　ａｎ２、Ｎｏ、８の５ＵＨ３５系
の２４０τｆｉｇ／ｃ、、２に比べて、著しく改善され
たことが確認された。

耐酸化試験は、試料を大気中で１０００℃で１００時間
保持した後の酸化増量を測定するものである。第３表（
こ示す酸化増量より明らかなように、Ｎｏ、１〜Ｎｏ、
３の本発明品はＮｏ、７改良前品より大幅に減少し、Ｍ
ｎ低減およびＣｕ削除の効果が認ｙ）られた。また、Ｓ
　Ｕ　Ｈ３５系合金より優れている。

（３）引張強度と曲げクリープ・たわみ量次に、本発明
品および比較例を用いて９００’Ｃで１５分の短時間加
熱保持後の引張試験を行い、同時に２００時間保持の曲
げクリープ試験を行い、得られた結果を第１図にまとめ
て示した。

第１図に見られるように、本発明品のＮｏ、１〜Ｎｏ、
３とその合金組成の範囲の材料は、引張強さ（σ、）が
２２　、５　ｋｇｒ／　ｍｍ”以上であり。かつ曲げ応
力３　、２　ｋｇｆ　／　ｍ＋ｍ２の条件下のクリープ
たわみ量（ΔＸ）が目標値の２０ｍｎ＋以下であった。

一方、比較例の材料のＮ０１８の５ＵＨ３５系合金はσ
８は２１　ｋｇｆ／　ｍｍ２およびΔＸが２０１以上と
両特性で本発明品に遠くおよばない、また、Ｎｏ、５〜
６等本北本発明Ｃ＋Ｎ；０．７５〜０．８　’３％範囲
外の材料は、０．７５％以下ではσ８が低く、０．８５
％を越え、かつＮが０，４５％を越える材料では、ΔＮ
が大きく劣るものである。さらに、改良前高Ｎｏ、７の
Δ×は試験温度８５０℃のとき、大略間等であった。

なお、曲げクリープ試験は、３　、２　ｋｇｆ　／　ｍ
ｍ２の片持ち応力のもとで、９００℃で２時間保持した
ときのたわみ量を測定したものである。これは排気弁と
して作動中に弁傘部の湾曲および弁首部曲がりにより、
着座不良の原因となるため、その判断基準に用いたもの
である。

第２図はＩＩＪＩ　４デクリープ試験済み力試験片の結
晶粒度を調べ曲げクリープたわみ量との関係をまとめた
ものである。第２図の結果から明らかなように、本発明
が意図する曲げクリープたわみ量を確保するために、オ
ーステナイト結晶粒度をＪＩＳＧ−０５５１の粒度番号
でＮｏ、５〜８に調整することが必要である。

［発明の効果］本発明の弁用鋼は以上説明したように、熟間疲労強度、
耐酸化性、耐食性、およびクリープ特性の優れたもので
ある。

すなわち、８５０℃における熟間疲労強度はＭＯおよび
Ｎｂを含まない比較鋼で１．６　ｋｇｆ　／　ｍｎ＋２
以上、ＭｏおよびＮｌｌを複き添加した本発明鋼で１７
ｋｇｆ／ｌｌｌｍ２以上であり、Ｓ　Ｕ　Ｈ３５系今金
に対し概ね１５％改善されている。また、固溶化処理を
省略したＮＣＦ７５１より大きい。

また、燃焼生成物による硫化物腐食性については、き戒
灰を用い８７０℃で７７時間侵食させたときの腐食減量
が、３〜５ｍｇ／ａｍ２であり、ＮＣＦ７５１の約１０
分の１と大幅に改善され、かつ５ＵＨ３５系合金より少
ない。また、酸化鉛・硫酸鉛混合の合戒灰を用い９２０
℃で１時間浸食させた腐食減量も３５〜４０ｍｇ／ｃ−
と少ない。

さらに、本発明の弁用鋼は高温における引張強さが大き
く、曲げクリープたわみ量が小さく、かつ高温酸化度合
も小さい特徴を有する。

そのため、本発明の弁用鋼は、高性能エンジンの排気用
弁材料として極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼と比較鋼の引張強さと曲げクリープた
わみ量を示す線図、第２図は曲げクリープたわみ量と結
晶粒度の関係を示すＶ＆図、第３図は本発明鋼および比
！２Ｗ４のＣ＋Ｎ含有量と９００℃における引張強度（
σｌＩ）および曲げクリープたわみＭ（Δ×）との関係
を示す線図、第１１図は鍛造試験における限界加工率と
Ｂ含有量との関係を示す線図、第５図は鍛造試験におけ
る限界加工率とＳｉ含有量との関係を示す線図、第６図
は鋼中Ａ１含有量と酸素含有量および非成形加工不良率
との関係を示す線図である。許出埋願トヨタ自動車株式会社東北特殊鋼株式会社愛三工業株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で、Ｃ；０．３５５〜０．４５％、Ｓｉ；
１．０％以下、Ｍｎ；５．０〜８．０％未満、Ｎｉ；７
．０〜１１．０％、Ｃｒ；２２．０〜２５．０％、Ｎ；
０．３０〜０．４５％、しかもＣ＋Ｎ；０．７５〜０．
８５％であって、さらにＭｏ；１．０を越えて３．０％
、Ｎｂ；０．３０〜１．５％、ｓｏｌＡｌ；０．００５
〜０．０３％、Ｂ；０．００１〜０．０１％を複合含有
し、残部がＦｅおよび不可避の不純物元素からなること
を特徴とする熱間疲労強度の大きな、かつ耐食性、クリ
ープ特性に優れた弁用鋼。