JPH04147949A

JPH04147949A - エンジンバルブ用耐熱合金

Info

Publication number: JPH04147949A
Application number: JP27274390A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Uehara; 利弘上原
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1990-10-11
Filing date: 1990-10-11
Publication date: 1992-05-21

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、自動車等の内燃機関に用いられるエンジンバ
ルブ用耐熱合金に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、地球的規模の環境汚染の問題に対し、従来にもま
して、省エネルギー化、排気ガスの清浄化が求められて
いる。このような目的に対し、自動車等の内燃機関の燃
焼温度の上昇は避けられず、とりわけ負荷の大きいエン
ジンバルブ材の材質改善が強く待ち望まれている。

これまでに、排気バルブ鋼としては、高温強度、ガソリ
ン中に含まれる鉛や硫黄に対する耐食性、および耐酸化
性が適度に優れ、しかも安価な利点を有する高Ｍｎ系耐
熱鋼として知られる２ｌ−４Ｎ鋼（０，５５Ｇ−０，２
Ｓ　１〜９Ｍｎ−４Ｎ　１〜２１　Ｃｒ−０，４Ｎ　）
をベースとして特公昭６１〜２０６２３号、特開昭６０
−７７９６４号、特開昭５９−２１１５５７号、特開昭
６３−８９６４５号、特開平１〜７９３５１号、特開平
１〜２１９１４７号などの鋼が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

エンジンバルブ材は、燃焼温度の上昇に伴って、バルブ
傘部のクリープ現象とバルブの首下部の疲労強度が特に
問題となってくる。さらに、使用温度が上昇する場合に
は、バルブ傘部や首下部の耐酸化性も問題となる。

２ｌ−４Ｎ鋼の改良を目的とした上述の鋼は、具体的に
はいずれも炭素量が高く、炭窒化物の析出によって強化
される。しかしながら、このような強化機構では９００
℃以上の温度でのクリープラブチャー強度、あるいは８
００℃以上の温度での疲労強度の両方を同時に満足する
ような特性は得られていないのが現状である。また、高
温強度向上のために■やＮｂ等の耐酸化性を劣化させる
元素を含む鋼も見受けられる。

本発明の第１の目的は、これらのクリープラブチャー強
度、疲労強度および耐酸化性を同時に満足するエンジン
バルブ用耐熱合金を提供することである。

また、以上のような問題に加え、エンジンバルブ材は、
長時間使用後の材質の劣化する度合もできる限り小さい
方が好ましい。よって本発明の第２の目的は、上記特性
に加え、高温長時間加熱後の材質低下の割合が低いエン
ジンバルブ用耐熱合金を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、従来の炭窒化物の析出強化型合金と異なり
、以下に示す３つの方法でクリープラブチャー強度、疲
労強度および耐酸化性に優れ、さらに高温長時間加熱後
の材質低下が低い合金を見出すに至った。

■侵入型固溶強化元素であるＮと、置換型固溶強化元素
であるＷやＭＯの相互作用（Ｉ−５効果）による強度向
上。特にＷとＭｏの最適なバランスを発見することで長
時間加熱後の材質低下を抑える。

■上記のＷやＭｏの固溶度を高めるために耐酸化性に害
を及ぼさない範囲でＮｂを添加して、ＣはＮｂＣとして
固着するとともにこのＮｂＣのピニング効果を利用した
高温での固溶化処理による強度向上。

■Ｇｏ添加による積層欠陥エネルギーの低下に伴う疲労
強度の向上。

すなわち、本発明のうち、第１の発明は、重量％で、Ｃ
０．０１％以上０．２０％未満、ＳＬ　　１．０％以下
、Ｍｎ　８．０−１５．０％、Ｎｉ　１０．０％を越え
１５．０％以下、Ｃｒ１８．０〜２３．０％、Ｗ　０．
１〜５．０％、Ｍｏ３．０％を越え５．０％以下、Ｃｏ
　１．０−５．０％、Ｎ　０．３５−０，６５％、Ｎｂ
　０．０１〜０，４５％、Ｂ　０．００１〜０．０２％
、および不可避の不純物を含み、残部Ｆｅの組成からな
ることを特徴とするエンジンバルブ用耐熱合金であり、
さらに第２の発明は重量％で、Ｇ　０．０１％以上０．
２０％未満、Ｓｉ１．０％以下、Ｍｎ　８．０−１５．
０％、Ｎｉ　１０．０％を越え１５．０％以下、Ｃｒ　
１８．０−２３．０％、ＷＯ０１％以上２．０％未満１
Ｍｏ　３．０％ヲ越工５．０％１．Ａ　下、Ｇｏ　１．
０−５．０％、Ｎ００３５〜０．６５％、Ｎｂ　０．０
１〜０．４５％、Ｂ　０．００１〜０．０２％、および
不可避の不純物を含み、残部Ｆｅの組成からなることを
特徴とするエンジンバルブ用耐熱合金である。

〔作用〕

以下、本発明における数値の限定理由を述べる。

Ｃは優先的にＮｂと結び付いてＮｂＣを生成し。

高温での固溶化処理中の粒成長を防止するとともに常温
での強度を高める作用を持つ。そのために、Ｃは最低０
．０５％を必要とするが、０．２０％以上の過度の添加
は、ＷやＭｏの炭化物を生成し、本発明が目的とする高
レベルの高温強度が得られなくなるので、Ｃは０．０５
％以上０．２０％未満とする。

Ｓｉは溶解時の脱酸剤、ならびに高温での耐酸化性を付
与するのに有効な元素であるが、１．０％を越えるＳｉ
は高温強度を低下させるので１．０％以下とする。

Ｍｎは、基地のオーステナイトを安定化させ、高価なＮ
ｉ、Ｇｏの代替元素として作用する。さらにＭｎはＮの
溶解度を高めるとともに、Ｎとの組み合わせでＰｂＯに
対する耐食性の改善に効果をもたらすため、最低８．０
％必要である。しかし、１５％を越えるとＣｒとの相乗
作用で有害なシグマ相の生成を助長するとともに高温強
度と靭性をも低下させるので、Ｍｎは８．０−１５．０
％とする。

Ｃｒはバルブ用耐熱鋼の耐食性、耐酸化性向上に不可欠
な元素であり、最低１８％を必要とする。

しかし、２３％を越えるとともにシグマ相が析出し易く
なるとともに高温強度を低めるので、Ｃｒは１８．０〜
２３．０％に限定する。

Ｎｉは基地のオーステナイトを安定化させるために必要
な元素であり、強度、耐酸化性、耐食性を保つために、
１０％を越える添加を必要とする。

しかし、過度の添加は本発明合金の主要強化元素である
Ｎの固溶度を減するばかりでなく、いたずらに合金を高
価にするのでＮｉは１０．０％を越え１５．０％以下と
する。

ＷとＭｏは、本発明合金の主要強化元素であり、Ｎとと
もにＩ−３効果によって、高温強度を高める。また、両
者は同族の元素であるが、それぞれを単独に添加する場
合よりも複合添加した場合の方が窒化物の固溶温度域が
拡がる。ただし、過度の添加はやはりＷとＭＯの窒化物
を生成することになるため、Ｗは０．１〜５．０％、Ｍ
ｏは３．０％を越え５．０％以下にそれぞれ限定する。

さらに本発明では、ＷとＭＯの最適範囲を見出すことに
より、高温長時間加熱後の高温強度の低下を最低限に抑
えることができる。すなわち、本発明合金において、０
．１％以上２％未満のＷと３．０％を越え５．０％以下
のＭ。

を選べば、長時間加熱中のＷ、ＭＯの炭窒化物の析出と
成長を最低限に抑えることが可能となり、高温強度（例
えば疲労強度）の低下を従来鋼基下にできる。

ＣＯは積層欠陥エネルギーを低下させて高温における疲
労強度を向上させる効果をもち、疲労強度向上に必須の
元素である。そのために最低１．０％を必要とするが、
５．０％を越える過度の添加はＮの固溶度を低下させる
ため、Ｃｏは１．０〜５．０％に限定する。

ＮはＣと並ぶ強いオーステナイト生成元素であるが、本
発明合金の成分範囲においてはＣと異なってＮｂ、Ｍｏ
、Ｗ、Ｃｒ等の合金元素とほとんど化合物を作らず、侵
入型固溶強化元素としてＷ、ＭｏとともにＩ−Ｓ効果に
よって、高温強度の向上に役立つ（実際には組成によっ
て、高温長時間保持中に一部析出が生じる）。そのため
にＮは最低０．３５％を必要とするが、本発明鋼の成分
範囲では、Ｎの溶解度は最大０．６５％であるので、Ｎ
は０．３５〜０．６５％に限定する。

ＮｂはＣとＮｂＣを生成することで、固溶化処理中の異
常粒成長を抑制する整粒化作用を持ち、固溶化処理温度
を高めることができる。その結果、副次的にＷやＭＯの
均質な固溶を促進させる効果を持つ。さらにＮｂは溶湯
中のＮの活量を下げて溶解度を高める。Ｎｂはこれらの
利点とは逆に唯一、耐酸化性を劣化させる欠点をもつ。

これらの理由により、本発明合金の基地の組成に対し、
Ｎｂは最低０．０１％を必要とするが、０．４５％を越
える過度の添加は耐酸化性を劣化させるため、Ｎｂは０
、０．〜０．４５％に限定する。

Ｂは微量添加によって、結晶粒界に偏析し、クリープ破
断強度と熱間加工性改善に効果がある。

そのための有効なり含有量は０．００１〜０．０２％で
ある。

本発明に係わるエンジンバルブ用耐熱鋼は、上記の主要
元素のほか、下記に示す不可量の不純物と残部Ｆｅから
構成される鉄基の合金である。

Ｐ≦０．０５％、Ｓ≦０．０３％、Ｃａ≦０．０２％、
Ｍｇ≦０．０２％、ＺｒＳ２．１％、Ｃｕ≦０．３％、
■≦０．１％、Ｔａ≦０．１％〔実施例〕第１表に示す組成の本発明鋼、比較鋼および従来鋼を大
気誘導炉にて溶製し、１０ｋｇのインゴットにした後、
１１５０℃加熱で２５ｍｍ角の棒材に鍛伸した。

固溶化処理は、１１５０℃で３０分保持後、空冷とし、
さらに７５０℃で４時間保持後、空冷の時効処理を行な
った。その後、所定の試験片形状に加工し、クリープ破
断試験、回転曲げ疲労試験および耐酸化試験を行ない、
それぞれ９００℃における１００時間クリープ破断強度
、８００℃における１０’回疲労強度および１０００℃
にて１６時間保持後、空冷の熱処理を５回繰り返した後
の酸化減量を求めた。さらに、高温長時間加熱後の強度
低下を見るため、上記の固溶化十時効処理を実施したの
ち、９００℃にて３００時間加熱後の疲労強度を測定し
た。これらの実験結果を第２表に示す。

試料Ｎ　ｏ、３１．３２．４１および４２は、本発明合
金でそのうちＮ　ｏ、３１と３２は第１発明、Ｎｏ、４
１と４２は第２発明の合金である。Ｎ０８１と１４は比
較合金、Ｎｏ。

２１．２２は従来合金である。従来合金のうち、Ｎｏ。

２１は２ｌ−４Ｎ鋼であり、Ｎｏ、２２は、２１〜４Ｎ
鋼よりもクリープ破断強度に優れた特公昭６１〜２０６
２３号に記載された高Ｍｎ耐熱鋼である。

本発明合金は、いずれも比較合金や従来合金に比べて高
いクリープ破断強度と疲労強度、さらに良好な耐酸化性
を兼備していることがわかる。特に、本発明合金Ｎ　ｏ
、４１と４２では、９００″ＣＸ３００ｈ保持後の疲労
強度が高く、第２発明の組成範囲では、長時間加熱後の
材質の劣化の度合が小さいことがわかる。

これらの本発明合金に対し、比較合金Ｎ００１は、強度
面ではほぼ同等の特性を示すが、高Ｎｂのために耐酸化
性の点で本発明合金に劣っている。また、Ｎｏ、１４の
ように逆にＮｂが存在しない場合には、耐酸化性は良好
となるが、１１５０℃の固溶化処理の際に、結晶粒が粗
大化してしまい、疲労強度が低下している。

従来合金に関しては、確かにＮｏ、２２はＮｏ、２１を
上回るクリープ破断強度と疲労強度を示すが、これらは
本発明合金どころか、比較合金にも及ばず、本発明合金
が従来の２ｌ−４Ｎ糸のエンジンバルブ用耐熱鋼に対し
、如何に優れた強度をもっているかがわかる。また、従
来合金Ｎｏ、２２は、本発明合金とほぼ同等のＮｂ含有
量であるが、耐酸化性が悪い。これはＮｏ、２２が同じ
く耐酸化性に有害な■を含むことと、マトリックスのＮ
１含有量が低いために、マトリックスそのものの耐酸化
性が低いことに起因するものであり、本発明に含まれる
Ｎｂ量は、良好な耐酸化性を持つＮｏ、２１と比較して
も同等以上であり、実用性能上、全く問題のないレベル
であることがわかる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来２ｌ−４Ｎ系のエンジンバルブ用
耐熱鋼が達成し得なかった高いクリープ破断強度と疲労
強度を得ると同時に良好な耐酸化性も持つことができる
。さらに、本発明の第２発明によれば、高温長時間使用
後でも材質の劣化度が小さく、その結果自動車エンジン
バルブの使用温度の向上が可能となり、高出力、高効率
のエンジンが製造可能となる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で、Ｃ０．０１％以上０．２０％未満、Ｓ
ｉ１．０％以下、Ｍｎ８．０〜１５．０％、Ｎｉ１０．
０％を越え１５．０％以下、Ｃｒ１８．０〜２３．０％
、Ｗ０．１〜５．０％、Ｍｏ３．０％を越え５．０％以
下、Ｃｏ１．０〜５．０％、Ｎ０．３５〜０．６５％、
Ｎｂ０．０１〜０．４５％、Ｂ０．００１〜０．０２％
、および不可避の不純物を含み、残部Ｆｅの組成からな
ることを特徴とするエンジンバルブ用耐熱合金。
（２）重量％で、Ｃ０．０１％以上０．２０％未満、Ｓ
ｉ１．０％以下、Ｍｎ８．０〜１５．０％、Ｎｉ１０．
０％を越え１５．０％以下、Ｃｒ１８．０〜２３．０％
、Ｗ０．１％以上２．０％未満、Ｍｏ３．０％を越え５
．０％以下、Ｃｏ１．０〜５．０％、Ｎ０．３５〜０．
６５％、Ｎｂ０．０１〜０．４５％、Ｂ０．００１から
０．０２％、および不可避の不純物を含み、残部Ｆｅの
組成からなることを特徴とするエンジンバルブ用耐熱合
金。