JPS6339654B2

JPS6339654B2 -

Info

Publication number: JPS6339654B2
Application number: JP59240432A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Takagi; Susumu Isobe; Kenkichi Matsunaga
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1984-11-16
Filing date: 1984-11-16
Publication date: 1988-08-05
Also published as: DE3540287A1; CA1255927A; GB8527941D0; JPS61119640A; GB2167440A; US4871512A; GB2167440B

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）この発明は、各種内燃機関の排気バルブ材料と
して好適に使用される排気バルブ用合金に関する
ものである。（従来技術）近年、エンジンの高出力化を実現するため、従
来のSOHC（１頭上カム軸型）エンジンにおいて
例えば１気筒毎に３バルブの構造としたり、ある
いはこのSOHCエンジンに変えてDOHC（２頭上
カム軸型）エンジンとして例えば１気筒毎に４バ
ルブの構造としたりする傾向が多くなりつつあ
る。そして、このような傾向に伴なつて、エンジ
ンの高回転・高出力化に対応するために、エンジ
ンバルブの細径化が急速に進んでいる。一方、ガ
ソリンエンジンやデイーゼルエンジンの排気バル
ブ用材料としては、従来、高Mn系のオーステナ
イト鋼であるSUH36（Fe−8.5Mn−21Cr−4Ni−
0.5C−0.4N）が多用されてきた。しかしながら、上述したようなバルブの細径化
傾向によつて、上記のSUH36よりもさらに高温
強度の高い排気バルブ用材料の採用が要望される
ようになつてきている。他方、高強度排気バルブ用材料としては、従来
から、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）があり、ステライト肉盛
不要の材料として使用されているが、これらの合
金においても上述の細径化により要求される高温
強度を十分に満足しているとはいいがたいもので
あつた。（発明の目的）この発明は、上述したような実情に着目してな
されたもので、従来のNi基耐熱合金よりもさら
に高温強度が高く、かつ、バルブ用材料としての
優れた熱間加工性を有する高強度バルブ用合金を
得ることを目的として研究を重ねた結果、目標と
する特性を十分にそなえたNi基耐熱合金よりな
る排気バルブ用合金を開発するに至つたものであ
る。（発明の構成）この発明による排気バルブ用合金は、重量％
で、Ｃ：0.01〜0.15％、Si：2.0％以下、Mn：2.5
％以下、Cr：15〜25％、Mo＋1/2Ｗ：0.5〜5.0
％、Nb＋Ta：0.3〜3.0％、Ti：1.5〜3.5％、
Al：0.5〜2.5％、Ｂ：0.001〜0.02％、Fe：５％以
下、残部が実質的にNi（Niの一部はCoで置換が
可）からなることを特徴とするものである。次に、この発明による排気バルブ用合金の成分
組成範囲（重量％）の限定理由について述べる。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、高温強度を高めるのに有効な元素である。
そして、このような効果を得るためには、少なく
とも0.01％の添加が必要であるが、多量に添加す
ると高温における強度および靭延性が低下するた
め、0.15％以下に限定した。 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靭延性が低下するばかり
でなく、バルブ材料に要求される耐PbOアタツク
性も低下するため、2.0％以下とした。 Mn：2.5％以下 Mnは、Siと同様に脱酸元素として添加される
が、多量に添加すると高温での耐酸化性が低下す
るので、2.5％を上限とした。 Cr：15〜25％ Crは、高温における耐酸化性および耐食性を
維持するための必須な元素である。そして、この
ためには最低15％添加することが必要であるが、
多量に添加するとオーステナイト相が不安定とな
り、σ相やα相等の脆化相が析出し、高温におけ
る強度および靭延性が低下するので、25％以下に
限定した。 Mo＋1/2Ｗ：0.5〜5.0％ MoおよびＷは、オーステナイト相に固溶して
この固溶強化作用により高温強度を向上させるの
に有効な元素である。しかし、Ｗの原子量はMo
の約２倍であるため、その効果は同一重量％では
Moの約半分である。そして、このような効果を
得るためには最低0.5％添加する必要がある。し
かし、添加し過ぎると熱間加工性が低下するばか
りでなく、Crと同様に脆化相を析出させるので、
5.0％を上限とした。なお、この発明ではMoおよ
びＷのいずれか一方が有効量以下である場合も含
まれる。 Nb＋Ta：0.3〜3.0％ NbおよびTaは炭化物｛NbC｝、｛TaC｝やγ′相
｛Ni₃（Al、Ti、Nb、Ta）｝を形成して高温強度
を高めるのに有効な元素である。そして、このよ
うな効果を得るためには0.3％以上添加する必要
があるが、添加し過ぎるとδ相｛Ni₃（Nb、Ta）｝
が析出して高温における強度および靭延性が低下
するほか、耐酸化性および耐食性をも劣化させる
ので、3.0％以下に限定した。なお、この発明で
は、NbおよびTaのいずれか一方が有効量以下で
ある場合も含まれる。 Ti：1.5〜3.5％ Tiは、Niと結合して高温強度の維持に必要な
γ′相を形成する重要な元素である。しかし、添加
量が少ないと前記γ′相の析出量が少なく、十分な
強度が得られない。一方、添加し過ぎると熱間加
工性が低下するばかりでなく、η相｛Ni₃Ti｝が
析出して強度が低下する。そこで、Tiの添加量
は1.5〜3.5％の範囲に限定した。 Al：0.5〜2.5％ Alは、Tiと同様にNiと結合してγ′相を形成す
ることにより高温強度を高めるのに有効な元素で
ある。しかし、添加量が少な過ぎると上記γ′相の
析出量が減少するばかりでなく、γ′相ものものが
不安定となり、η相が析出して強度の低下を招く
ため、0.5％以上添加することが必要である。一
方、添加し過ぎると熱間加工性が低下し、バルブ
への成形が困難となるため、その上限を2.5％と
した。Ｂ：0.001〜0.02％Ｂは、結晶粒界に偏析してクリープ強度を高め
るほか、少量添加で熱間加工性を向上させる作用
を有する。そして、このような作用を十分発揮さ
せるためには0.001％以上添加する必要があるが、
添加し過ぎると逆に熱間加工性が低下するため、
その上限を0.02％とした。 Fe：5.0％以下 Feは、この発明による排気バルブ用合金の高
温強度の点からは積極的に添加する元素ではない
が、溶解原料（含リターン材）等からの混入は避
け難いと同時に、むしろ添加元素をFe合金の形
で含有させることによつて製造コストを著しく低
減させることが可能となるので、支障のない範囲
内で含有していてもよい。そして、この場合、５
％以下であれば高温強度の低下はわずかであるの
で、その上限を５％とした。そのほか、本発明者らの先行特許出願（特願
昭：58−154504）でその効果が明らかとなつてい
るMg、CaおよびREMのいずれか一種以上をい
ずれも0.001〜0.03％の範囲で本発明合金に添加
してその熱間加工性を改善するようになすことも
有効な手段である。 Ni：残部 Niは、安定したオーステナイト相を形成して
合金の耐食性および耐熱性の向上に寄与する元素
であるので残部とした。この場合、Niの一部を
Coで置換してもこの発明の目的を達成する優れ
た特性が得られる。（実施例）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、それぞれ30Kgのインゴツトに鋳造し
た。次いで、各インゴツトに対し1150℃で16時間
の均熱処理を施したのち皮削りし、続いて1180〜
1000℃の温度域で鍛造および圧延を行うことによ
り直径16mmの丸棒とした。この過程で、本発明合
金はいずれも鍛造および圧延時に割れの発生はな
く、優れた熱間加工性を有していることが確認さ
れた。次いで、各丸棒に対して固溶化処理（1050
℃×30分加熱後油冷）および時効処理（750℃×
４時間加熱後空冷）を施したのち、特性評価に供
した。

【表】 (1) 高温引張特性バルブはエンジン作動中にバルブスプリング
の反ぱつ力によつて繰返し引張応力を受けるた
め、作動温度付近での引張特性に優れているこ
とが要求される。そこで、800℃で高温引張試験を行つた。そ
の結果を第２表に示す。第２表に示すように、800℃における本発明
合金Ａ〜Ｇの0.2％耐力および引張強さは、現
用Ni基合金Ｊ並びにNbおよびTa、Moおよび
Ｗを含有しない比較合金ＨおよびＩに比較して
まさつていることが明らかである。

【表】

【表】 (2) 耐過時効性排気バルブは高温で長時間使用されるため、
使用に伴なう硬さの低下の少ないことが要求さ
れる。そこで、本発明合金（代表としてＢ、Ｅ）お
よび現用Ni基合金Ｊについて、排気バルブの
使用温度付近である800℃で最長400時間加熱し
た時の硬さ変化を調査した。第１図にその結果
を示す。図に示すように、現用Ni基合金Ｊは加熱に
伴なつて硬さが次第に低下し、400時間加熱後
にはH_RC30まで低下しているのに対し、本発明
合金Ｂ、Ｅは短時間側で一度硬さが上昇した
後、徐々に低下する傾向を示すものの、400時
間加熱後でも、H_RC35前後の高い値を維持して
いることが明らかであり、長時間使用後の硬さ
低下が少ないという要求を満足するものであ
る。 (3) 高温疲れ強さ前述したように、バルブは繰返し引張応力を
受けるため、作動温度付近での高い疲れ強さが
要求される。そこで、本発明合金について、800℃で回転
曲げ疲れ試験を行つて10⁷サイクルの時間強さ
を求めた。第３表にその結果を示す。

【表】第３表に示したように、800℃における本発
明合金の疲れ強さは、いずれも現用合金Ｊを含
めた比較合金よりも高いことが明らかである。 (4) 耐酸化性および耐PbOアタツク性エンジンの高性能化に伴ないバルブの作動温
度は上昇する傾向にあるため、バルブ材には優
れた耐酸化性が要求される。そこで、本発明合金および比較合金につい
て、900℃の静止空気中で200時間加熱した後の
酸化増量を求めた。その結果を第４表に示す。

【表】第４表に示すように、本発明合金の耐酸化性
は現用Ni基合金Ｊに比べてそん色のないもの
であることがわかる。また、高オクタン化を図るため、ガソリンに
四エチル鉛を添加して使用することがある。こ
の場合、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（通
称：PbOアタツク）を生ずることがある。従つて、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が共存すると、Ｓ
アタツクも同時に進行するため、腐食は一段と
激しくなる。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）を行つた。そ
の結果を第５表に示す。

【表】第５表に示すように、本発明合金はいずれも
現用Ni基合金Ｊに比較してほぼ同等の耐食性
を有しており、ステライト肉盛不要のバルブ合
金として十分使用に耐えうるものである。（発明の効果）以上説明してきたように、この発明による排気
バルブ用合金は、重量％で、Ｃ：0.01〜0.15％、
Si：2.0％以下、Mn：2.5％以下、Cr：15〜25％、
Mo＋1/2Ｗ：0.5〜5.0％、Nb＋Ta：0.3〜3.0％、
Ti：1.5〜3.5％、Al：0.5〜2.5％、Ｂ：0.001〜
0.02％、Fe：５％以下、残部が実質的にNi（Niの
一部がCoで置換が可）よりなるものであるから、
従来より使用されているNi基耐熱合金（例えば
NCF51相当材）よりも高温引張特性に優れたも
のであり、また高温での長時間使用後の硬さ低下
が上記Ni基耐熱合金よりも小さいと共に、高温
疲れ強さも大であり、しかも耐酸化性および耐
PbOアタツク性については上記のNi基耐熱合金
と比べて何んらそん色のないものであり、排気バ
ルブ用合金材料として著しく優れた特性を有する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明合金および比較合金の耐過時効
性を調べた結果の一例を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量％で、Ｃ：0.01〜0.15％、Si：2.0％以
下、Mn：2.5％以下、Cr：15〜25％、Mo＋1/2
Ｗ：0.5〜5.0％、Nb＋Ta：0.3〜3.0％、Ti：1.5
〜3.5％、Al：0.5〜2.5％、Ｂ：0.001〜0.02％、
Fe：５％以下、残部が実質的にNiからなること
を特徴とする排気バルブ用合金。