JPS6046172B2 - 内燃機関のエンジンバルブおよびバルブシ−ト用Ｎｉ基合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、きわめて高い高温硬さを有し、しかも耐熱
衝撃性および耐酸化鉛腐食性にすぐれ、かつ酸素アセチ
レン肉盛溶接の実施も可能な、特に内燃機関のエンジン
バルブおよびバルブシートの製造に際して、肉盛溶接用
として、またこれら部材の鋳物用として使用するのに適
したＮ１基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バルブシートの製造
に関し、例えばこれらの部材を肉盛溶接により製造する
のに際しては、アメリカ溶接協会規格５．１３ＲＣ０Ｃ
ｒ−Ａ（Ｃ：０．９〜１．４％，Ｓｉ：２％以下，Ｍｎ
：１％以下，Ｗ：３〜６％，Ｃｒ：２６〜３２％，Ｎｉ
：３％以下，Ｆｅ：３％以下，ＭＯ：１％以下，ＣＯお
よび不可避不純物：残り）や、同５．１３ＲＣ０Ｃｒ−
Ｂ（Ｃ：１．２〜１．７％，Ｓｉ：２％以下，Ｍｎ：１
％以下，Ｗ：７．０〜９．５％，Ｃｒ：２６〜３２％，
Ｎｉ：３％以下、Ｆｅ：３％以下，ＭＯ：１％以下，Ｃ
Ｏおよび不可避不純物：残り，以上重量％，なお、以下
％はすべて重量％を意味する）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、内燃機関のエンジンの高性能化がはかられ
るようになるにしたがつて、エンジンバルブやバルブシ
ートにも、よりすぐれた特性を具備することが要求され
るようになつてきており、一般に、いずれも肉盛溶接状
態で、温度：８００℃におけるビッカース硬さが２８５
以上の高温硬さ、温度：７００℃に１紛保持した後、水
冷の操作を繰．返し行なつた場合、肉盛溶接部に割れが
発生するまでの前記操作回数が７回以上の耐熱衝撃性、
および温度：９１５℃に加熱した溶触酸化鉛中に１時間
浸漬した後の重量減が０．０９ｇ／Ｃｌｔ／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。

また、これらの特性は鋳造により制造された内燃機関の
エンジンバルブ鋳物や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
足するものの、耐熱衝撃性および耐酸化鉛腐食性につい
ては、これを満足する性質をもたず、したがつて高性能
エンジンのエンジンバルブやバルブシートの製造に際し
て、肉盛溶接用として、またこれら部材の鋳物用として
使用し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。

また、上記の従来のＣＯ基合金は、世界的に資・源の少
ないＣＯを多量に含有するため、省資源的および経済的
観点から使用に供することが困難になりつつある。

そこで、最近、アメリカ溶接協会規格 ５．１３ＲＮｉＣｒ−Ａ（Ｃ：０．３〜０．６％，ＣＯ
：１．５％以下，Ｃｒ：８〜１４％，Ｆｅ：１．２５〜
３．２５％，Ｂ：２〜３％，Ｓｉ：１．２５〜３．２５
％，Ｎｉおよび不可避不純物：残り）や、同５．１３Ｒ
ＮｉＣｒ−Ｂ（Ｃ：０．４〜０。

８％，ＣＯ：１．２５％以下，Ｃｒ：１０〜１６％，Ｆ
ｅ：３〜５％，Ｂ：２〜４％，Ｓｉ：３〜５％，Ｎｊお
よび不可避不純物：残り）、さらにイートナイト（ＥＡ
ＴＯＮＩＴＥ；Ｃ：２．０〜２．７５％，Ｓｊ：１．０
％以下，ＣＯ：９〜１１％，Ｃｒ：２１〜３１％，Ｆｅ
：８％以下，Ｗ：１４％以下，Ｎｉ：３７〜４１％）な
どのＣＯ含有量の低いＮｉ基合金（以下従来Ｎｉ基合金
という）が注目されつつあるが、これらの従来Ｎｉ基合
金においても、高温硬さ、耐熱衝撃性、および耐酸化鉛
腐食性に関して、上記の要求条件を必ずしも満足するも
のではなく、なかでも特にＮｉ含有量が高いために酸素
アセチレンによる肉盛溶接が困難であつて、ＴＩＧ溶接
によらなければ肉盛溶接を実施することができないとい
う問題点がある。

すなわち、例えば内燃機関のエンジンバルブを肉盛溶接
により製造するに際しては、例えば巾：３７７０７！、
深さ：１ｗｎの狭い部分に一層肉盛溶接で高い硬さを保
持した肉盛溶接部を形成する必要があり、この場合母材
の溶け込み（１％）の少ない酸素アセチレン肉盛溶接が
適しているものであり、これに対して、ＴＩＧ溶接では
母材の溶け込み（１０％）が多いために、肉盛溶接部に
所定の高い硬さを確保するには２〜３層以上の肉盛溶接
が必要となることから、適さないものである。

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
腐食性を備え、しかもコスト上昇の原因となるＣＯを含
有せず、さらに酸素アセチレン肉盛溶接の適用も可能な
合金を得べく研究を行なつた結果、Ｃ：１．０〜３．５
％，Ｓｉ：０．１〜１．８％，Ｍｎ：０．１〜０．９％
，Ｗ：５〜２０％，Ｃｒ：２０〜４０％，Ｚｎ：０．０
０１〜０．３５％を含有し、さらに必要に応じてＦｅ：
１〜３０％，ＭＯ：０．１〜９．０％，Ｔｌ，Ｔａ，お
よびＮｂのうちの１種または２種以上：０．０１〜１．
６％からなる群のうちの１種または２種以上を含有し、
残りがＮｌと不可避不純物からなる組成を有するＮｉ基
合金は、きわめて高い高温硬さ、すぐれた耐熱衝撃性お
よび耐酸化鉛腐食性を有し、かつ鋳物用としては勿論の
こと、酸素アセチレン肉盛溶接用としても使用すること
ができ、しかもこのＮ１基合金を、特に高性能のエンジ
ンのエンジンバルブおよびバルブシートの製造に使用し
た場合には著しくすぐれた性能を発揮するという知見を
得たのである。

したがつて、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、以下に成分組成範囲を上記の通り限定し
た理由を説明する。

（ａ）Ｃ Ｃ成分には、Ｃｒ，Ｗ，ＭＯ，Ｔｉ，Ｎｂ，およびＴａ
と炭化物を形成して常温および高温硬さを．向上させる
作用があるが、その含有量が１．０％未満ては前記作用
に所望の向上効果が得られず、一方３．５％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ことから
、その含有量を１．０〜３．５％と定めた。

（ｂ）Ｓｉ 所望の脱酸効果，鋳造性，肉盛溶接性，および湯流れ性
を確保するためには最低０．１％の含有が必要であり、
一方１．８％を越えて含有させてもよソー層の改善効果
は期待てきないことか．ら、その含有量を０．１〜１．
８％と定めた。

（ｃ）ＭｎＭｎ成分には脱酸，脱硫作用のほか、肉盛溶
接性を向上させる作用があり、特にＺｎとの複合効果に
よつて酸素アセチレン肉盛溶接の良好・なる状態での実
施を可能とする作用があるが、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０．９％
を越えて含有させると肉盛溶接性が低下するようになる
ことから、その含有量を０．１〜０．９％と定めた。

ｉ）ＷＷ成分には、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５％未満では前
記作用に所望の効果が得られず、一方２０％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５〜２０％と定めた。

ｃ）Ｃｒ Ｃｒ成分には、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耐酸化性を向上させる作用がある
が、その含有量が２０％未満では前記作用に所望の向上
効果を確保することができず、一方４０％を越えて含有
させると、合金が脆化するようになることから、その含
有量を２０〜４０％と定めた。

ｒ）Ｚｎ Ｚｎ成分には、脱酸作用および清浄作用があるほか、前
記のようにＭｎとの共存により、特に酸素アセチレン肉
盛溶接においてすぐれた溶接性を発揮し、かつ耐酸化鉛
腐食性、並びにバルジウムおよび硫黄化合物に対する耐
食性を向上させる作用があるが、その含有量が０．００
１％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方０
．３５％を越えて含有させると、耐酸化性および高温硬
さが低下するようになると共に脆化し、かつ合金溶製時
におけるＺｎの添加含有に際して激しい反応を伴い実用
的でないことから、その含有量を０．００１〜０．３５
％と定めた。

ｇ）ＦｅＦｅ成分には、合金の耐熱衝撃性をさらに一段
と向上させる作用があるので、特にすぐれた耐熱衝撃性
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１％未満では、所望の耐熱衝撃性向上効果が得ら
れず、一方３０％を越えて含有させるど欄．硬さが低下
するようになり、温度：８００℃におけるビッカース硬
さ：２８５以上を保持することができなくなることから
、その含有量を１〜３０％と定めた。

ｈ）ＭＯＭＯ成分には、合金の高温硬さをさら゛に一段
と向上させる作用があるので、特によソー層の高温硬−
さを必要とする場合に、選択的に含有されるが、その含
有量が０．１％未満では、所望の高温硬さ向上効果を得
ることができず、一方９％を越えて含有させると、合金
の靭性および耐酸化鉛腐食性が低下するようになること
から、その含有量を０．１〜９％と定めた。

（１）Ｔｉ，Ｔａ，およびＮｂ これらの成分には、特に素地の結晶粒の成長を抑制し、
かつＭＣ型炭化物および窒化物を形成して、高温強度を
向上させる作用があるので、特に高い高温強度を合金に
付与する必要がある場合に選択的に含有されるが、その
含有量が０．０１％未満では所望の高温強度向上効果を
得ることができず、一方１．６％を越えて含有させると
、酸化物の生成が著しくなつて、肉盛溶接性が劣化する
ようになることから、その含有量を０．０１〜１．６％
と定めた。

つぎに、この発明のＮ１基合金を実施例により比較例と
対比しながら説明する。

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
成をもつた合金溶湯を調製し、真空吸に鋳造によつて、
それぞれ直径：４．８７０７７！φを有する本発明合金
１〜３２、比較合金１〜１４、および従来合金１，２を
それぞれ製造した。

なお、比較合金１〜１４は、いずれも構成成分の−うち
のいずれかの成分がこの発明の範囲から外れた組成をも
つものであり、これに該当する成分含有量に※印を付し
た。

ついで、この結果得られた本発明合金１〜３２，比較合
金１〜１４，および従来合金１，２を溶接棒．として用
い、（０２＋Ｃ２Ｈ２）ガス自動溶接機を使用して、直
径：１２０ｍ！ｎφ×厚さ：２ｃｙｍＪｎの寸法をもつ
たステンレス鋼（ＪＩＳ−ＳＵＳｌ６）製台金の表面に
、外径：１００Ｔｓｎφ×幅：２−×厚さ：５噸の円環
状ヒートを一層肉盛溶接した。

この結果形成された上記円環状ヒートについて、常温に
おけるロックウェル硬さ（Ｃスケール）および温度：８
００℃におけるビッカース硬さを測定すると共に、前記
円環状ヒートを形成した台金に対して、温度：７００℃
に加熱して１紛間保″持後水冷の操作を繰り返し行ない
、前記円環状ヒートに割れが発生するまでの前記操作回
数を測定する耐熱衝撃性試験を行なつた。

また、同様に形成した直径：１５Ｔｍｍφｘ長さ：１０
０ｗＩｔの肉盛材より直径：１２Ｔｒ＄ｉφ×高さ：１
２？の寸法をもつた試験片を削り出し、温度：９１５℃
に加熱した溶融酸化鉛：４０ｇ中に前記試験片を１時間
浸漬した後、その重量減を測定する高温腐食試験（耐酸
化鉛腐食性試験）を行なつた。

さらに、酸素アセチレンガスを用い、長さ：５０？×幅
２５？×厚さ：５？の寸法をもつた軟鋼（ＪＩＳ−ＳＳ
４ｌ）製台金の表面にビードを一層肉盛溶接し、その肉
盛溶接状況と前記ビードの表面性状を観察した。

これらの結果を第１表に合せて示した。なお、酸素アセ
チレン肉盛溶接試験においては、従来合金１と同等の最
も良好なビードが得られた場合を◎印、これに準する従
来合金２と同等のビードが得られた場合をＯ印、肉盛溶
接時に火花やガスの発生が見られ、かつ表面に気孔が存
在する。

ビードが形成された場合を×印で表わし、それぞれ評価
した。

第１表に示される結果から明らかなように、本発明合金
１〜３２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
示し、しかもこれらの特性値は高性能エンジンのエンジ
ンバルブおよびバルブシートに要求される特性条件を完
全に余裕をもつて満足するものであり、さらにＮｉ基合
金であるにもかかわらず、Ｎｉを含有しない従来合金１
，２と同等にきわめて良好な状態で酸素アセチレン肉盛
溶接を実施することができるのである。

これに対して、構成成分のうちのいずれかの成分の含有
量がこの発明の範囲から外れた組成を有する比較合金１
〜１４においては、常温および高温硬さ，耐熱衝撃性，
並びに耐酸化鉛腐食性のうちの少なくともいずれかの性
質が劣つたものになつており、特にＭｎ．（５Ｚｎの含
有量がこの発明の範囲から外れた比較合金４，５、並び
にＴｉ，ＴａおよびＮｂのそれが外れた比較合金１２〜
１４は、良好な酸素アセチレン肉盛溶接を実施すること
ができないものであつた。なお、上記実施例では、この
発明のＮｉ基合金を肉盛溶接用として使用した場合につ
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Ｎｊ基合金は、高い高温硬さ
、すぐれた耐熱衝撃性および耐酸化鉛腐食性を有し、か
つ酸素アセチレン肉盛溶接にも使用することができる特
性を有するので、内燃機関、特に高性能エンジンのエン
ジンバルブおよびバルブシートの製造に肉盛溶接用とし
て、またこれら部材の鋳物用として使用した場合、これ
ら部材は著しくすぐれた性能を発揮するようになるなど
工業上有用な特性を有するのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ：１．０〜３．５％、Ｓｉ：０．１〜１．８％、
   Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｗ：５〜２０％、Ｃｒ：２０
   〜４０％、Ｚｎ：０．００１〜０．３５％を含有し、残
   りがＮｉおよび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
   およびバルブシート用Ｎｉ基合金。 ２ Ｃ：１．０〜３．５％、Ｓｉ：０．１〜１．８％、
   Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｗ：５〜２０％、Ｃｒ：２０
   〜４０％、Ｚｎ：０．００１〜０．３５％を含有し、さ
   らにＦｅ：１〜３０％を含有し、残りがＮｉおよび不可
   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バルブシート
   用Ｎｉ基合金。 ３ Ｃ：１．０〜３．５％、Ｓｉ：０．１〜１．８％、
   Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｗ：５〜２０％、Ｃｒ：２０
   〜４０％、Ｚｎ：０．００１〜０．３５％を含有し、さ
   らにＭｏ：０．１〜９．０％を含有し、残りがＮｉおよ
   び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バルブ
   シート用Ｎｉ基合金。 ４ Ｃ：１．０〜３．５％、Ｓｉ：０．１〜１．８％、
   Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｗ：５〜２０％、Ｃｒ：２０
   〜４０％、Ｚｎ：０．００１〜０．３５％を含有し、さ
   らにＴｉ、ＴａおよびＮｂのうちの１種または２種以上
   ：０．０１〜１．６％を含有し、残りがＮｉおよび不可
   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バルブシート
   用Ｎｉ基合金。 ５ Ｃ：１．０〜３．５％、Ｓｉ：０．１〜１．８％、
   Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｗ：５〜２０％、Ｃｒ：２０
   〜４０％、Ｚｎ：０．００１〜０．３５％を含有し、さ
   らにＦｅ：１〜３０％およびＭｏ：０．１〜９．０％を
   含有し、残りがＮｉおよび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
   ジンバルブおよびバルブシート用Ｎｉ基合金。 ６ Ｃ：１．０〜３．５％、Ｓｉ：０．１〜１．８％、
   Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｗ：５〜２０％、Ｃｒ：２０
   〜４０％、Ｚｎ：０．００１〜０．３５％を含有し、さ
   らにＦｅ：１〜３０％と、Ｔｉ、Ｔａ、およびＮｂのう
   ちの１種または２種以上：０．０１〜１．６％を含有し
   、残りがＮｉおよび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
   ルブおよびバルブシート用Ｎｉ基合金。 ７ Ｃ：１．０〜３．５％、Ｓｉ：０．１〜１．８％、
   Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｗ：５〜２０％、Ｃｒ：２０
   〜４０％、Ｚｎ：０．００１〜０．３５％を含有し、さ
   らにＭｏ：０．１〜９．０％と、Ｔｉ、Ｔａ、およびＮ
   ｂのうちの１種または２種以上：０．０１〜１．６％を
   含有し、残りがＮｉおよび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
   ジンバルブおよびバルブシート用Ｎｉ基合金。 ８ Ｃ：１．０〜３．５％、Ｓｉ：０．１〜１．８％、
   Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｗ：５〜２０％、Ｃｒ：２０
   〜４０％、Ｚｎ：０．００１〜０．３５％を含有し、さ
   らにＦｅ：１〜３０％と、Ｍｏ：０．１〜９．０％と、
   Ｔｉ、Ｔａ、およびＮｂのうち１種または２種以上：０
   ．０１〜１．６％を含有し、残りがＮｉおよび不可避不
   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バルブシート用Ｎ
   ｉ基合金。