JPH04218643A - エンジンバルブ用耐熱合金 - Google Patents

エンジンバルブ用耐熱合金

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JPH04218643A
JPH04218643A JP41148090A JP41148090A JPH04218643A JP H04218643 A JPH04218643 A JP H04218643A JP 41148090 A JP41148090 A JP 41148090A JP 41148090 A JP41148090 A JP 41148090A JP H04218643 A JPH04218643 A JP H04218643A
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JP
Japan
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less
alloy
present
strength
oxidation resistance
Prior art date
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JP41148090A
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English (en)
Inventor
Toshihiro Uehara
利弘 上原
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Proterial Ltd
Original Assignee
Hitachi Metals Ltd
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Publication date
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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】
【0001】
【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。
【0002】
【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21−4N鋼(0.55
C−0.2Si−9Mn−4Ni−21Cr−0.4N
)をベースとして特公昭61−2741号、特公昭61
−20623号、特開昭60−77964号、特開昭5
9−211557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。
【0003】
【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。21−4N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
ラプチャー強度、あるいは800℃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VやN
b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。
【0004】本発明の目的は、これらのクリープラプチ
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。
【0005】
【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4つの方法
でクリープラプチャー強度、疲労強度および耐酸化性に
優れた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−S効果)による強度向上。■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。■Co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。■MnとCrの最適組成
範囲を見出したことによる高温強度の向上と耐酸化性の
向上。
【0006】すなわち、本発明は、重量%で、C 0.
05%以上0.20%未満、Si 1.0%以下、Mn
4.5%以上7.5%未満、Ni 10.0%を越え1
5.0%以下、Cr 23.0%を越え26.0%以下
、Co 1.0〜5.0%、N 0.40%を越え0.
70%以下、Nb 0.01〜0.70%、B 0.0
01〜0.02%を含むとともに、W 1.0〜7.0
%、Mo 1.0%を越え5.0%以下を1/2W+M
oが2.0〜6.0%を満足する範囲で含み、さらに不
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。
【0007】また本発明は、重量%で、C 0.05%
以上0.20%未満、Si 1.0%以下、Mn 4.
5%以上7.5%未満、Ni 10.0%を越え15.
0%以下、Cr 23.0%を越え26.0%以下、C
o 1.0〜5.0%、N 0.40%を越え0.70
%以下、Nb 0.01〜0.70%、B 0.001
〜0.02%を含むとともに、W 1.0〜7.0%、
Mo 3.0%を越え5.0%以下を1/2W+Moが
2.0〜6.0%を満足する範囲で含み、さらに不可避
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。
【0008】
【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0.0
5%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。
【0009】Mnは、基地のオーステナイトを安定化さ
せ、高価なNi,Coの代替元素として作用するととも
に本発明合金の主要強化元素であるNの溶解度を高める
効果をもたらす元素の一つであるため、最低4.5%必
要である。しかし、7.5%以上のMnは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、さらに耐酸化性に対して有害な
スピネル構造の酸化皮膜の生成量も増加させるので、M
nは4.5%以上7.5%未満とする。
【0010】Crは密着性の高いCr2O3の保護酸化
皮膜を生成するためにバルブ用耐熱合金の耐食性、耐酸
化性向上に不可欠な元素であり、さらに本発明合金の主
要強化元素であるNの溶解度を高める元素の一つである
ため23%を越える量の添加を必要とする。しかし、2
6%を越えるとMnとの相乗作用によりシグマ相が析出
し易くなるとともに高温強度と靭性を低めるので、Cr
は 23.0%を越え26.0%以下に限定する。Mn
を含有する固溶強化型エンジンバルブ用耐熱合金におい
て、上述のような低いMn量と高いCr量の組成範囲が
高温強度と耐酸化性をともに向上させることを見出した
ことが、本発明の最も特徴とするところである。
【0011】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
溶度を減ずるばかりでなく、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−S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1.0〜7.0%、M
oは1.0%を越え5.0%以下でかつ1/2W+Mo
は2.0〜6.0%にそれぞれ限定する。 十分な疲労強度を確保するためにはMoは3.0%を越
え5.0%以下が望ましい。
【0012】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、M
o、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0.40%を越える量を必要とするが、本発明
鋼の成分範囲では、Nの溶解度は最大0.70%である
ので、Nは0.40%を越え0.70%以下に限定する
【0013】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。N
b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0.05%を必要とするが、0
.70%を越える過度の添加は耐酸化性を劣化させるた
め、Nbは 0.05〜0.70%に限定する。
【0014】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B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、下記に示す不可避の不純物と残部F
e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%,Zr≦0.1%,Cu≦0.3
%,V≦0.1%,Ta≦0.1%
【0015】
【実施例】表1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
【0016】
【表1】
【0017】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107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。これらの実験結果を
表2に示す。
【0018】
【表2】
【0019】試料No.1〜6は本発明合金、試料No
.7〜14は比較合金、試料No.15と16は従来合
金である。試料No.15は21−4N鋼であり、試料
No.16は、21−4N鋼よりもクリープ破断強度に
優れた特公昭61−20623号に記載された高Mn耐
熱鋼である。表2より本発明合金は、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、
さらに耐酸化性を兼備していることがわかる。本発明合
金の中でも試料No.1、2および5のようにNbの低
いものは特に耐酸化性は良好である。
【0020】これらの本発明合金に対し、比較合金試料
No.7は、強度面ではほぼ同等の特性を示すが、本発
明合金に比べ高Mn、低Crの組成となっているために
、本発明合金と同等のNb含有量にもかかわらず、耐酸
化性が本発明合金に比べて大幅に低下している。また、
試料No.8のようにCo無添加材では、本発明合金に
対し疲労強度が低下しており、Coは本発明合金の疲労
強度向上のために必須の添加元素であることがわかる。 試料No.9は、固溶強化元素であるWとMoのうち、
Moを単独添加したものであり、本発明合金と同等の1
/2W+Moを持つが、この場合には、WとMoの複合
添加の場合より合金中のNの固溶度を低め、窒化物が生
成し、特にクリープ破断強度に低下が見られる。
【0021】試料No.10は、本発明合金に比べてC
が高く、固溶強化元素であるWやMoと炭化物を生成し
て、基地の固溶強化が不十分となり、高温強度が低下し
ている。さらに試料No.11は、本発明合金に比べて
Nbが高く、本発明合金のように調整されたMnとCr
の組成範囲においても、やはり耐酸化性が低下してしま
い、過度のNb添加がいかに耐酸化性に有害となるかが
わかる。また試料No.12は、本発明合金に比べNの
含有量が低いために高温強度が明らかに低い。試料No
.12より本発明合金において、いかにNが高温強度向
上に寄与しているかがわかる。さらに試料No.13の
ように1/2W+Mo量が高すぎると、W,Moおよび
Crの窒化物が生成し、クリープ破断強度が低下し、逆
に試料No.14のように1/2W+Mo量が低すぎる
とクリープ破断強度、疲労強度とともに大きく低下する
ことがわかる。
【0022】従来合金に関しては、確かにNo.16は
No.15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21−4N系のエンジンバルブ用
耐熱鋼に対し、いかに優れた強度をもっているかがわか
る。また、従来合金No.16は、本発明合金と同等以
下のNb含有量であるが、耐酸化性が悪い。これはNo
.16が同じく耐酸化性に有害なVを含むことと、マト
リックスのNi含有量が低いこと、Mn量が高いこと、
およびCr量が低いことのために、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、従来良好な良好な耐酸化性を持つ
とされてきたNo.15と比較してもより優れたもので
あり、いかにマトリックスの耐酸化性が優れているかが
わかる。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、従来21−4N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、疲労強度ならびに良好な耐酸化性を得ること
ができる。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 (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  重量%で、C 0.05%以上0.2
    0%未満、Si1.0%以下、Mn 4.5%以上7.
    5%未満、Ni 10.0%を越え15.0%以下、C
    r 23.0%を越え26.0%以下、Co 1.0〜
    5.0%、N 0.40%を越え0.70%以下、Nb
     0.01〜0.70%、B 0.001〜0.02%
    を含むとともに、W 1.0〜7.0%、Mo 1.0
    %を越え5.0%以下を1/2W+Moが2.0〜6.
    0%を満足する範囲で含み、さらに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. 【請求項2】  重量%で、C 0.05%以上0.2
    0%未満、Si1.0%以下、Mn 4.5%以上7.
    5%未満、Ni 10.0%を越え15.0%以下、C
    r 23.0%を越え26.0%以下、Co 1.0〜
    5.0%、N 0.40%を越え0.70%以下、Nb
     0.01〜0.70%、B 0.001〜0.02%
    を含むとともに、W 1.0〜7.0%、Mo 3.0
    %を越え5.0%以下を1/2W+Moが2.0〜6.
    0%を満足する範囲で含み、さらに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。
JP41148090A 1990-12-18 1990-12-18 エンジンバルブ用耐熱合金 Pending JPH04218643A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0649913B1 (fr) * 1993-10-21 2000-01-26 Creusot-Loire Industrie Acier inoxydable austénitique à hautes caractéristiques ayant une grande stabilité structurale et utilisations

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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