JPH0364588B2

JPH0364588B2 -

Info

Publication number: JPH0364588B2
Application number: JP58154504A
Authority: JP
Inventors: Susumu Isobe; Kenkichi Matsunaga; Yoshiaki Takagi; Tokukatsu Sato
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1983-08-23
Filing date: 1983-08-23
Publication date: 1991-10-07
Also published as: JPS6046343A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は各種内燃機関の排気バルブに使用する
合金に関する。従来、ガソリンエンジンやデイーゼルエンジン
の排気バルブの材料としては、高マンガンオース
テナイト鋼であるSUH36（Fe−8.5Mn−21Cr−
4Ni−0.5C−0.4N）が多用されてきた。しかし近
年になつて、エンジンの高圧縮比、高出力化の傾
向が一段と高まり、バルブの使用条件はますます
過酷なものとなつている。それに応じて、バルブ
の傘部にステライト（例えば、No.６：Co−28Cr
−4.5W）を肉盛して耐食性と耐摩耗性とを向上
させたり、高温強度および耐食性ともすぐれた
Ni基耐熱合金であるNCF751（Ni−15.5Cr−1Nb
−2.3Ti−1.2Al−7Fe）やNCF80A（Ni−19.5Cr
−2.5Ti−1.4Al）を使用するといつた対策がとら
れている。しかしいずれの場合も、高価なCoまはNiを多
量に含有する合金を使用するため、バルブのコス
トが著しく高くなるという問題がある。過酷な使用条件に耐え、コストは低廉なバルブ
材料をという要求にこたえるため、本発明者らの
一人は、さにに析出硬化型Fe基耐熱合金を開発
して、すでに開示した（特開昭56−20148号）。ひきつづき、製造性および高温特性に及ぼす合
金元素の影響について研究を重ねた結果、以下に
示す合金組成を採用することにより、バルブの素
材の製造性が著しく改善されるうえに、排気バル
ブ材料として上記Ni基合金とほぼ同等の性能を
有するものが得られることを見出して本発明に至
つた。すなわち本発明の排気バルブ用合金は、Ｃ：
0.01〜0.15％、Si：2.0％以下、Mn：2.5％以下、
Ni：40％超過〜60％、Cr15〜25％、Mo：0.5〜
3.0％、Nb：0.3〜3.0％、Ti：2.0〜3.5％、Al：
0.2〜1.5％およびＢ：0.0010〜0.020％を基本合金
成分とし、Mg：0.001〜0.030％、Ca：0.001〜
0.030％およびREM：0.001〜0.050％からえらん
だ少なくとも１種を含有し、残部が実質的にFe
からなる耐熱合金である。本発明合金の成分組成範囲の限定理由について
述べれば、つぎのとおりである。Ｃ：0.01〜0.15％Ｃは、Cr、NbまたはTiと結合して炭化物を形
成し、高温強度を高める元素である。この硬化を
得るには、少なくとも0.01％の添加を必要とす
る。しかし、多量に添加すると高温における強度
および靫延性が低下するため、0.15％以下に止め
る。 Si：2.0％以下 Siは脱酸元素として必要であるが、多量に添加
し過ぎると強度および靫延性が低下するばかりで
なく、バルブ材に要求される耐Pb0アタツク性も
劣るため、2.0％以下に限定した。 Mn：2.5％以下 MnはSiと同様、脱酸元素として添加されるが、
あまり多量になると高温における耐酸化性が低下
するので、2.5％を上限とした。 Ni：40％超過〜60％ Niはオーステナイトの安定化に必要であると
同時に、時効処理によりγ′相｛Ni₃（Al、Ti）｝を
析出させ、材料に高温強度を付与する。また、耐
Pb0アタツク性を改善する元素でもある。ただ
し、40％まではこの硬化が十分高くないうえ、σ
相などの脆化相が析出するおそれが残つているた
め、40％を超える量を添加する。しかし、必要以
上に添加しても、効果が飽和し、材料コストの上
昇を招くだけであるため、60％以下に限定した。 Cr：15〜25％ Crは高温における耐酸、耐食性を維持するた
めに必須な元素である。この目的には、最低15％
の含有を必要とするが、多量に添加するとオース
テナイト相が不安定となつてσ相等の脆化相が析
出し、高温における強度および靫延性が低下する
ので、25％以下とする。 Mo：0.5〜3.0％ Moはオーステナイト相に固溶して、固溶強化
作用により高温強度を向上させる。この効果を得
るためには0.5％以上添加する必要があるが、添
加し過ぎるとCrと同様、脆化相を析出させ逆効
果となるので、3.0％を限界とする。 Nb：0.3〜3.0％ Nbは炭化物やγ′相を形成して高温強度を高め
る元素である。この使用目的からは、最低0.3％
の添加が必要であるが、添加し過ぎるとδ相
｛Ni₃Nb｝やLaves相｛Fe₂Nb｝が析出し、高温
における強度および靫延性が低下するほか、耐酸
化性および耐食性を劣化させるので、３％を上限
とした。 Ti：2.0〜3.5％ γ′相の主形成元素であるTiは、高温強度を維持
するために重要な元素である。添加量があまりわ
ずかであるとγ′相の析出量が少なく、十分な高温
強度が得られない。一方、添加し過ぎるとη相
｛Ni₃Ti｝が析出し、強度が低下する。そこで、
添加量は2.0〜3.5％の範囲からえらぶ。 Al：0.2〜1.5％ AlはTiおよびNbと同様γ′相の主構成元素であ
る。添加量が少な過ぎるとγ′相が不安定となつて
η相が析出し、強度低下を招くため、0.2％以上
添加することが必要である。しかし、添加し過ぎ
るとγ′相とマトリツクスとの整合性が高まつて整
合歪が減少し、十分な強度が得られなくなる。ま
た、Alの過剰添加は製造性を低下させる。これ
らの理由から、上限を1.5％にえらんだ。Ｂ：0.0010〜0.020％Ｂは結晶粒界に偏析してクリープ強度を高める
ほか、粒界へのη相を析出を抑える働きをする。
この作用を十分にさせるためには0.0010％以上添
加する必要があるが、添加し過ぎると熱間加工性
が悪くなるため、上限を0.020％とした。 Mg：0.001〜0.030％ Ca：0.001〜0.030％ REM：0.001〜0.050％これらの元素は、本発明において最も重要であ
る。いずれも、溶解時に脱酸、脱硫元素として作
用するほか、残留硫黄を硫化物として固定し、熱
間加工性を著しく改善する。同時にクリープ破断
強度および破断伸びをも向上させる効果がある。
また、REMは耐酸化性の改善にも役立つ。しか
し、いずれの元素も、添加し過ぎると熱間加工性
を著しく損うため、Mgにあつては0.001〜0.030
％、Caにあつては0.001〜0.030％、REMにあつ
ては0.001〜0.050％の限界を設定した。次に実施例をあげて、本発明のバルブ用材料を
具体的に説明する。第１表に示す化学組成の合金を高周波真空誘導
炉で溶製し、50Kgのインゴツトに鋳造した。1150
℃で15時間のソーキング処理を施したインゴツト
から試験片を採取し、高温高速引張試験を行ない
熱間加工性を調査した。また、ソーキング処理を施したインゴツトの一
部を皮削りし、1150〜900℃の温度域で鍛伸およ
び圧延により径18mmの丸棒とし、高温引張特性お
よび耐酸・耐食性を評価する供試材とした。な
お、この丸棒は固溶化処理（1050℃×30分−油
冷）および時効処理（750℃×４時間−空冷）を
施した後、実験に供した。

【表】 (1) 熱間加工性グリーブル試験機による高温高速引張試験の
結果のうち、合金ＡおよびＫについての結果を
第１図に示す。一般に、50％以上の絞りが得られる温度域に
おいて圧延が可能といわれている。従つて、そ
の温度域が広いほど、熱間加工性がすぐれてい
ると判断できるので、各合金について、高温高
速引張試験を行ないその温度幅を求めた。第２
表にその結果を示す。第２表にみるように、Mg、CaおよびREM
のいずれをも含まない比較合金Ｋに比べ、それ
らの元素のいずれかを含む本発明合金Ａ〜Ｊの
熱間加工可能な温度幅は広く、熱間加工性が大
幅に改善されたことが分る。また、比較合金ＬおよびＭのデータが示すよ
うに、MgおよびREMをそれぞれ本発明の範囲
を超えて多量に添加した場合、著しく熱間加工
性が低下する。第２表合金 50％以上の絞りが得られる温度幅（℃）本発明Ａ 230 Ｂ 235 Ｃ 220 Ｄ 220 Ｅ 230 Ｆ 225 Ｇ 200 Ｈ 210 Ｉ 235 Ｊ 230 比較例Ｋ 160 Ｌ 50 Ｍ０ (2) 高温引張特性バルブは作動中にバルブスプリングのバネ力
によつて繰返し打撃を受けるため、バルブ材に
は作動温度付近において引張特性がすぐれてい
ることが要求される。前述の熱処理を施した径18mmの丸棒につい
て、800℃で行なつた高温張試験の結果を、第
３表に示す。表にみるように、800℃における本発明合金
の0.2％耐力および引張強さは、現用Ni基合金
Ｏとほぼ同等である。また、本発明合金の高温
強度は、MoおよびNbを含有しない比較合金Ｎ
に比べてまさつている。

【表】

【表】比較例
N 43.6 54.8 18.3 28.1
O 52.3 64.5 6.7 12.8
(3) 耐酸化性前述したように、最近はエンジンの高圧縮
比、高出力比の傾向に伴ない、バルブの使用温
度が上昇する傾向にある。従つて、バルブ材に
とつて、高温における耐酸化性は非常に重要な
特性となつている。そこで、本発明合金について900℃で200時間
加熱後の酸化増量を求め、現用Ni基合金Ｏの
それと比較した。酸化試験の結果を第４表に示す。表にみるとおり、本発明合金の耐酸化性は現
用Ni基合金Ｏに比べて、まさるとも劣らない。本発明合金の中でも、REM添加材の耐酸化
性は無添加材のそれに比べ、若干すぐれている
ことが確認された。第４表合金酸化増量（mg／cm²）本発明Ａ 1.4 Ｂ 1.2 Ｃ 1.3 Ｄ 1.0 Ｅ 1.5 Ｆ 1.1 Ｇ 1.0 Ｈ 1.6 Ｉ 1.3 Ｊ 0.9 比較例Ｋ 1.4 Ｏ 1.7 (4) 耐PbOアタツク性燃料として、四エチル鉛を添加したガソリン
が使用される場合がある。加鉛ガソリンを使用
すると、燃焼生成物として酸化鉛（PbO）がで
き、これがバルブ表面に付着して高温腐食
（PbOアタツク）を生じることがある。そのた
め、バルブ材には耐PbOアタツク性も重要な特
性とされている。なお、バルブ表面に付着する燃焼生成物は純
粋なPbOであることは少なく、硫酸鉛
（PbSO₄）が混在していることが多い。しかも、
PbOとPbSO₄とが共存すると、腐食は一段と激
しく起るといわれている。そこで、本発明合金についてもPbOとPbSO₄
との混合灰（PbO：PbSO₄＝６：４）中での腐
食試験（920℃×１時間）を行なつた。その結
果を第５表に示す。表に明らかなように、本発明合金を耐食性は
現用Ni基合金Ｏのそれより、はるかにすぐれ
ている。これは、Ｓアタツクが生じるような腐
食雰囲気中での試験では、Cr含有量が多く、
Ni含有量が低い本発明合金の組成の方が有利
なためである。第５表合金腐食減量（mg／cm²）本発明Ａ 492 Ｂ 445 Ｃ 433 Ｄ 427 Ｅ 464 Ｆ 440 Ｇ 483 Ｈ 482 Ｉ 528 Ｊ 514 比較例Ｋ 449 Ｏ 765

【図面の簡単な説明】

図面は、高温高速引張試験における絞りの値と
試験温度との関係を、本発明の合金Ａおよび比較
例の合金Ｋについて示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

１Ｃ：0.01〜0.15％、Si：2.0％以下、Mn：2.5
％以下、Ni：40％超過〜60％、Cr：15〜25％、
Mo：0.5〜3.0％、Nb：0.3〜3.0％、Ti：2.0〜3.5
％、Al：0.2〜1.5％およびＢ：0.0010〜0.020％を
基本合金成分とし、Mg：0.001〜0.030％、Ca：
0.001〜0.030％およびREM：0.001〜0.050％から
えらんだ少なくとも１種を含有し、残部が実質的
にFeからなる排気バルブ用合金。