JPS6250542B2

JPS6250542B2 -

Info

Publication number: JPS6250542B2
Application number: JP59089100A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Nishino; Takuo Ito; Satoshi Kato; Hidenori Yamaoka
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc; Aichi Steel Corp
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc; Aichi Steel Corp
Priority date: 1984-05-02
Filing date: 1984-05-02
Publication date: 1987-10-26
Also published as: US4767597A; JPS60234938A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はデイーゼルエンジン、ターボチヤジヤ
付エンジン等の内燃機関の排気弁用材料として好
適な高温域での硬さ、疲労強度、クリープ強度、
耐硫化腐食性に優れた排気弁用合金に関する。従来、ガソリンおよびデイーゼルエンジンの排
気弁用材料として、SUH35に代表される炭窒化
物析出強化型のオーステナイト系耐熱鋼が多く用
いられてきた。最近、ターボチヤジヤ付エンジン
等、内燃機関の高出力化が指向されるようにな
り、上記用途に対してSUH35に替えて高温強度
に優れたInconeI751（以下単に751と称す）等の
Ni基合金が使用されている。 751は850℃における高温硬さがHv150以上と優
れた高温硬さを有し、かつ疲労強度についても
850℃において破断繰り返し数が10⁷回で24Kg/mm²
であり、高温硬さ、疲労強度については前記高出
力エンジンの排気弁用合金として満足し得るもの
であつた。反面、751は70％程度ものNiを含有す
るため、高価な排気弁用合金となり、かつ高温硫
化腐食性についても前記SUH35に比べて劣ると
いう欠点を有していた。近年、751の上記欠点を解消するため、751の
Ni量を40％程度まで低減し、低コスト化を図る
とともに高温硫化腐食性を改善した43Ni−13Cr
−6Mo−3Ti−0.3Alからなる合金Incoloy901（以
下単に901と称す）が提案されている。 901は40％Ni合金にもかかわらず850℃におけ
る高温硬さは前記751と同等のHv150以上である
が、疲労強度については850℃において10⁷回で22
Kg/mm²と751よりも低いものである。しかも、901はNi量を40％程度まで低減したこ
とによりγ′相が不定安となりη相（Ni₃Ti）が析
出し脆化するという欠点を有し、かつ、クリープ
変形速度が応力7.0Kg/mm²で５×10^-3％h^-1程度と
大きく、使用中に弁の傘部がカツプ状に変形する
という欠点をも有し、さらに耐硫化腐食性につい
ても満足し得るものではなかつた。このように、従来合金には850℃という高温域
で硬さ、疲労強度、耐硫化腐食およびクリープ変
形速度のいずれをも満足する排気弁用合金はなか
つた。本発明はかかる従来鋼の欠点に鑑みてなしたも
ので、本発明は40Ni−20Cr−3.5Mo−Fe合金に
おいてクリープ変形速度に対するTi、Al量と、
Ti、Alの比についてその影響を調査した結果、
Ti2.0〜3.2％、Al0.5〜1.5％の範囲中で第１図よ
り知られるようにTi／Alの比によつてクリープ
変形速度が大きく変化し、応力7.0Kg/mm²で、４×
10^-3％h^-1以下のクリープ変形速度を得るには
Ti／Alを５以下に制御する必要があることを見
い出したものである。また、本発明は42Ni−3.5Mo−2.5Ti−1Al−Fe
合金において高温耐硫化腐食性に対する各種合金
元素の影響を調査した結果、第２図より知られる
ようにCr含有量によつて高温耐硫化腐食性が変
化し、Cr含有量の増加とともに腐食減量が少な
くなり、800℃で腐食減量を５mg/cm²以下にするに
はCr量を少なくとも17％以上にする必要がある
ことを見い出したものである。本発明はこれらの知見をもとに40％Ni合金に
おいて、Ti量を2.0〜3.2％、Al量を0.5〜1.5％と
するとともにTi／Al比を５以下に制御し、かつ
Cr量を17〜25％とすることによつてInconeI751
同等の高温硬さ、高温疲労強度、クリープ変形速
度を有し、かつ高温耐硫化腐食性に優れた安価な
高出力エンジンに適した排気弁用合金の開発に成
功したものである。以下に本発明合金について詳述する。第１発明合金は、重量比にしてC0.10％以下、
Si2.0％以下、Mn2.0％以下、Ni35〜50％、Cr17
〜25％、Mo3.2〜５％、Ti2.0〜3.2％、Al0.5〜
1.5％を含有し、残部Feならびに不純物元素から
なり、Ti／Alが５以下であり、第２発明合金は
第１発明合金にB0.0005〜0.01％、Ca0.0005〜
0.02％、Mg0.0005〜0.02％のうち１種なしし２種
以上を含有し、第１発明合金の熱間加工性を向上
させたもので、第３発明合金は第１発明合金に
Nb0.05〜2.0％、Ta0.05〜2.0％のうち１種ないし
２種を含有し、第１発明合金の結晶粒度を調整
し、強度をさらに向上させたもので、第４発明合
金は第２発明合金にNb0.05〜2.0％、Ta0.05〜2.0
％のうち１種ないし２種を含有し、第２発明合金
の結晶粒度を調整し、強度をさらに向上させたも
のである。以下に本発明合金の成分限定理由につ
いて説明する。Ｃはオーステナイト中に固溶するとともに
Ti、Cr、Mo等と結合して炭化物を形成し、高温
強度を向上させるために有効な元素である。しか
し0.10％を越えて含有させるとクリープ強度が低
下し、かつ靭性、延性についても損うので上限を
0.10％とした。 Siは脱酸作用を有するとともに耐酸化性、耐浸
炭性を高めるのに有効な元素である。しかし、2.0％を越えて含有すると靭性、延性
が劣化するので上限を2.0％とした。 MnはSiと同様に脱酸作用を有する元素であ
る。しかし、Mnを多量に含有すると高温耐酸化性
が低下するので上限を2.0％とした。 Niはオーステナイト相を安定化させるととも
に耐熱合金の高温強度を保持するγ′相〔Ni₃
（Al、Ti）〕を形成させるために必須の元素であ
り、35％未満では排気弁として使用中にη相が析
出し易くなり、高温強度を低下させる原因ともな
るため下限を35％とした。しかし50％を越えて含
有させても高温強度の向上が殆ど望めなく、いた
ずらに高価な合金となるので上限を50％とした。 Crは排気弁に必要な高温域での耐酸化性、耐
硫化腐食性を確保するためには不可欠な元素であ
り、少なくとも17％以上の含有が必要である。し
かし、多量に含有しすぎると高温で長時間使用
時、σ相が形成され、クリープ強度が劣下し、か
つ靭性、延性についても低下するので上限を25％
とした。 Moはオーステナイト相に固溶することにより
素地を強化しη相（Ni₃Ti）の析出を防止し、疲
労強度、クリープ強度を向上するに有効な元素で
あり、少なくとも3.2％以上含有させる必要があ
る。しかし５％を越えて含有するとσ相が析出
し、クリープ強度を低下させるとともに熱間加工
性についても低下するので上限を５％とした。 TiはNiおよびAlと結合してγ′を析出させ、高
温強度を向上させるに有効な元素であり、2.0％
以上含有させる必要がある。しかし3.2％を越え
て含有するとη相が析出して高温強度が低下する
ので上限を3.2％とした。 AlはTiと同様にγ′相形成に必要な元素であ
り、少なくとも0.5％以上の含有が必要である。
しかし、1.5％を越えて含有させると靭性、延性
ならびに熱間加工性を損うので上限を1.5％とし
た。 Ti／Alについては前述のようにクリープ変形
速度に大きく影響するものである。本発明におい
ては応力7.0Kgf/mm²で４×10^-3％h^-1以下のクリー
プ変形速度を得ることを目的とするものであり、
Ti／Alの比を5.0以下とした。Ｂ、Ca、Mgについてはいずれも本発明合金の
結晶粒界を強化し、高温強度をさらに高めるとと
もに熱間加工性を向上させるために有効な元素で
あり、Ｂ、Ca、Mgについては0.0005％以上含有
させる必要がある。しかし、Ｂ、Ca、Mgについ
ては必要以上に含有させると低融点化合物が生成
し、かえつて熱間加工性を低下させるので上限を
B0.01％、Ca0.02％、Mg0.02％とした。 Nb、Taについてはオーステナイト相に固溶す
ることにより素地を強化し、炭化物を形成するこ
とによつてクリープ強度、延性を高め、かつ粒界
酸化を防止する元素であり、Nb、Taについては
0.50％以上含有させる必要がある。しかし、いず
れも2.0％を越えて含有させるとσ相が生成し、
クリープ強度が低下するので上限を2.0％とし
た。つぎに本発明合金の特徴を従来合金、比較合金
と比べて実施例でもつて明らかにする。第１表は、これらの供試鋼の化学成分を示すも
のである。

【表】

【表】第１表においてＡ、Ｂ合金は従来合金で、Ａ合
金はInconeI751、Ｂ合金はIncoloy901で、Ｃ〜Ｅ
合金は比較合金で、Ｆ〜Ｎ合金は本発明合金であ
る。第２表は第１表の合金について、高周波真空溶
解炉を用いて30Kgインゴツトを溶製し、1100℃×
5Hrソーキング処理を施したのち、熱間鍛造によ
つ14mmφの丸棒に成形し、ついで1100℃×1Hr空
冷後、750℃×4Hr空冷という熱処理を施した供
試材につて、高温硬さ、高温疲労強度、クリープ
変形速度、耐硫化腐食性について調査した結果を
示したものである。高温硬さについては、５×５×10mmの試片を真
空下で850℃の温度に加熱し300g荷重を５秒間保
持し、その硬さを微少硬度計によつて測定したも
のである。疲労強度については、平行部、直径８
mm、長さ20mmの試片を製作し、クラウゼ型高温回
転曲げ疲労試験機を用いて、大気中850℃で毎分
3000回転させ、10⁷回破断強度を測定したもので
ある。クリープ強度については平行部５mmφ×25mmの
試片を作製し、７Kg/mm²の応力かけながら850℃に
長時間保持し、その伸びを計測し、定常クリープ
変形速度と、最終破断に至るまでの時間を求めた
ものである。高温耐硫化腐食性については８mmφ×15mmの試
片を作製し、その平滑試験片の平行部に、90％
Na₂SO₄＋10％NaClからなる腐食剤を40mg/cm²の
割合で塗布し、800℃×20Hr加熱保存し、その腐
食減量を測定したものである。

【表】第２表から知られるように、従来合金であるＡ
合金は高温硬さについては、850℃でHv180程度
と高出力排気弁合金として満足し得る高温硬さを
有し、かつ高温での疲労強度についても、850℃
において10⁷回での破断強度が24.0Kg/mm²と優れて
おり、さらに850℃でのクリープ強度については
定常クリープ変形速度が2.0×10^-3％h^-1、最終破
断に至るまでの時間が400Hrと、クリープ強度に
ついても優れており、Ａ合金については850℃と
いう高温域で硬さ、疲労強度、クリープ強度につ
いて優れた合金である。反面、Ａ合金は高温域で
の耐硫化腐食性について、800℃の腐食減量が
85.5mg/m²と多く、耐硫化腐食性については劣る
ものである。また、従来合金であるＢ合金は、850℃での硬
さがHv160程度、疲労強度については850℃で10⁷
回での破断強度が22Kg/mm²と、高温域での硬さ、
疲労強度については優れた合金であるがＡ合金に
比較すれば低いものである。さらに、Ｂ合金はク
リープ強度については最終破断に至るまでの時間
こそ550Hrと長いが定常クリープ変形速度が4.8
×10^-3％h^-1と大きくクリープ強度についてはＡ
合金に比較して低いものであり、かつ耐硫化腐食
性についてもその腐食減量が30.6mg/cm²と低いも
のである。また、比較合金であるＣ、Ｄ合金については、
850℃での硬さがHv163、160、耐硫化腐食性につ
いて800℃での腐食減量が3.3、4.8mg/cm²と、高温
硬さ、耐硫化腐食性については優れているが、反
面Mo量が1.80％、2.28％と低く、さらにAl量が
低いとともにTi／Al比が6.1、7.0と高いことによ
つて、疲労強度については10⁷回転での破断強度
がＣ合金は18.5Kg/mm²、Ｄ合金は17.8Kg/mm²といず
れも低いものであり、かつクリープ強度について
もクリープ変形速度がＣ合金は24.7×10^-3％
h^-1、Ｄ合金は33.0×10^-3％h^-1と大きく、さらに
破断までの時間についても短いもので、Ｃ、Ｄ合
金については疲労強度、クリープ強度については
前記の従来合金であるＡ、Ｂ合金に比べて低いも
のである。さらに比較合金であるＥ合金については、850
℃での硬さがHv165程度、疲労強度については
10⁷回での破断強度が21.6Kg/mm²、クリープ強度に
ついては定常クリープ変形速度が3.2×10^-3％h^-1
以下と、高温域での硬さ、疲労強度およびクリー
プ強度については優れた合金であるが、反面Cr
含有量が15.12％と低いため高温での耐硫化腐食
性については800℃での腐食減量が15.2mg/cm²と、
Ｃ、Ｄ合金に比べて多く高温域での耐硫化腐食性
については低いものである。前記の従来合金、比較合金に対して、本発明合
金であるＦ〜Ｎ合金は40％Ni合金おいてTi量を
2.0〜3.2％、Al量を0.5〜1.5％とし、かつTi／Al
比を５以下としさらにCr量を17％以上、Mo量を
3.2％以上含有させたことによつて、いずれの合
金についても850℃という高温域で硬さがHv168
以上、疲労強度については10⁷回での破断強度が
24.0Kg/mm²以上、さらにクリープ強度についてと
定常クリープ変形速度が3.0×10^-3％h^-1以下、最
終破断に至るまでの時間が600Hr以上、耐硫化腐
食性についてもその腐食減量が2.4mg/cm²以下であ
り、本発明合金は高温での硬さ、疲労強度、クリ
ープ強度、耐硫化腐食性のいずれについても高出
力排気用合金として満足し得るものである。上述のように本発明合金は850℃という高温域
での硬さ、疲労強度およびクリープ強度について
はNi基合金であるInconeI751と同等あるいはそれ
以上であり、かつ751の欠点である耐硫化腐食性
についても大幅に改善したいものであり、本発明
合金はデイーゼルエンジン、ターボチヤジヤ付エ
ンジン等の内燃機関の排気弁用合金として高い実
用性を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はクリープ変形速度に及ぼすTi／Alの
影響について示した線図でで、第２図は耐硫化腐
食性に及ぼすCr含有量の影響について示した線
図である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量比にしてC0.10％以下、Si2.0％以下、
Mn2.0％以下、Ni35〜50％、Cr17〜25％、Mo3.2
〜５％、Ti2.0〜3.2％、Al0.5〜1.5％を含有し、
残部Feならびに不純物元素からなり、Ti／Alが
５以下であることを特徴とする高温特性の優れた
排気弁用合金。２重量比にしてC0.10％以下、Si2.0％以下、
Mn2.0％以下、Ni35〜50％、Cr17〜25％、Mo3.2
〜５％、Ti2.0〜3.2％、Al0.5〜1.5％を含有し、
さらにB0.0005〜0.01％、Ca0.0005〜0.02％、
Mg0.0005〜0.02％のうち１種ないし２種以上を
含有し、残部Feならびに不純物元素からなり、
Ti／Alが５以下であることを特徴とする高温特
性の優れた排気弁用合金。３重量比にしてC0.10％以下、Si2.0％以下、
Mn2.0％以下、Ni35〜50％、Cr17〜25％、Mo3.2
〜５％、Ti2.0〜3.2％、Al0.5〜1.5％を含有し、
さらにNb0.05〜2.0％、Ta0.05〜2.0％のうち１種
ないし２種を含有し、残部Feならびに不純物元
素からなり、Ti／Alが５以下であることを特徴
とする高温特性の優れた排気弁用合金。４重量比にしてC0.10％以下、Si2.0％以下、
Mn2.0％以下、Ni35〜50％、Cr17〜25％、Mo3.2
〜５％、Ti2.0〜3.2％、Al0.5〜1.5％と、B0.0005
〜0.01％、Ca0.0005〜0.02％、Mg0.0005〜0.02％
のうち１種ないし２種以上と、Nb0.05〜2.0％、
Ta0.05〜2.0％のうち１種ないし２種を含有さ
せ、残部Feならびに不純物元素からなり、Ti／
Alが５以下であることを特徴とする高温特性の
優れた排気弁用合金。