JPS6346141B2

JPS6346141B2 -

Info

Publication number: JPS6346141B2
Application number: JP16067079A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kato
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 1979-12-10
Filing date: 1979-12-10
Publication date: 1988-09-13
Also published as: JPS5684445A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はガソリン機関用排気弁等耐熱材料に用
いられる高温耐食性、高温強度に優れ、かつ大気
溶解で製造が可能な高温耐食性合金に関するもの
である。ガソリン機関の排気弁は高温腐食性の排気ガス
にさらされ、しかも800℃以上の高温下で高速運
動するなど苛酷な条件で使用される。高温の燃焼
ガス中にはCo₂、H₂Oおよび残留O₂等が存在し、
これらによつて酸化作用を受け、特にアンチノツ
ク剤としてガソリン中に添加されている四エチル
鉛又は四エチル鉛が燃焼して生成した酸化鉛、さ
らにはガソリン中に不純物として含まれるＳ、
Cl、Br、Ｐ等との反応生成物（PbSO₄、
PbBrCl、Pb₃（PO₄）₂等）によつて弁フエース部
が激しく侵食される。また、弁ばねの張力および弁自身の慣性力によ
り着座時に弁首部に大きな引張応力および曲げ応
力が作用する。現在、欧米および日本においてガソリン機関の
排気弁用材料として最も多用されているものに21
−4N鋼（Fe−21Cr−9Mn−4Ni−0.5C−0.4N）
がある。しかし、最近の高性能機関においてはさらに高
出力あるいは高速化しつつあり、このような苛酷
な条件下では前記の21−4N鋼では高温耐食性や
高温強度が不足し、使用に耐え難い状況も出現
し、21−4N鋼より数段優れた高温耐食性おび高
温強度を有する合金の開発が要望されている。このような情勢に対応して、近時排気弁にNi
基合金を使用したり、ステライト合金の盛金弁を
使用する傾向にある。しかしながらNi基合金は
材料が高価なため弁コストが高くなり、その上高
負荷機関ではＳを含む高温燃焼ガスに対する耐食
性が不十分である。また、ステライト合金の盛金弁は盛金作業が煩
雑であり、多くの人手を要するため弁コストが高
くなり、しかも高負荷機関では排気弁としての諸
性能も不十分である。本発明はかかる従来鋼の欠点を解消するもの
で、発明者が種々研究を重ねた結果、Ni基合金
のNiの一部をMnで置換し、Mnを含有させたこ
とによりＳ化合物を含む溶融酸化鉛による耐食性
（以下複合酸化鉛耐食性という）を改善し、さら
に高温での強度を向上させる強化元素として、
Ti、Al等のように高温での耐食性を害する作用
がなく、しかも大気溶解で製造が可能なＮ、Ｃを
使用することによつて、従来使用されているNi
基合金に比べ優れた高温耐食性を有するとともに
同等の高温強度を有するものであり、かつ格段に
安価な高温耐食性合金である。また、本発明合金は弁製造に際してステライト
盛金のような複雑な工程を必要とせず、従来の21
−4N鋼排気弁と同様にアツプセツト鍛造により
製造可能であるためステライト合金の盛金弁と比
べてもより安価で、かつ優れた性能を有するもの
である。以上のように本発明合金は高温耐食性、高温耐
酸化性および高温強度において優れたもので、排
気弁のほか各種耐熱部品、耐熱工具用材、高温摺
動部材などに広く使用できるものである。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C0.05〜0.15％、
Si1.00％以下、Mn5.0〜15.0％、Ni35.0〜65.0％、
Cr28.0〜35.0％、N0.10〜0.60％を含有したもの
で、第２発明合金は第１発明合金にMo0.05〜
2.00％、W0.05〜2.00％、V0.05〜3.00％、Nb0.05
〜3.00％、B0.0005〜0.0100％のうち１種ないし
２種以上を含有し第１発明合金の高温耐食性をあ
まり劣化させることなく高温強度を一層高めたも
ので、第３発明合金は第１発明合金にAl0.01〜
0.50％、希土類元素0.005〜0.100％、Ca0.0005〜
0.0200％、Mg0.0005〜0.0200％のうち１種ないし
２種以上を含有し第１発明合金の熱間加工性、高
温靭性を一層高めたもので、第４発明合金は第２
発明合金にAl0.01〜0.50％、希土類元素0.005〜
0.100％、Ca0.0005〜0.0200％、Mg0.0005〜
0.0200％のうち１種ないし２種以上を含有させ第
２発明合金の熱間加工性、高温靭性を一層高めた
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は一部地質に固溶してそれを強化するととも
に炭化物を形成し素地を強化する。炭化物による
素地強化は効果的ではあるが0.05％未満では少な
く、0.15％を越えると熱間加工性を著しく害する
のでその範囲を0.05〜0.15％とした。 Siは地質に固溶してそれを強化し、また高温耐
酸化性を改善するが、1.00％を越えると高温酸化
鉛耐食性を害するので上限を1.00％とした。Mn
は高Ni合金のＳ化合物およびその他の不純物を
含む複合酸化鉛耐食性を著しく改善する。第１図
は複合酸化鉛耐食性におよぼすMnの影響を示し
たものであり、これからしてMnが5.0％以上で著
しく耐食性を改善することが知られる。このため
Mnの下限を5.0％とした。また、Mnが15.0％を越えると低融点のNi−
Mn共晶が生成し、熱間加工性が著しく困難とな
るため上限を15.0％とした。 Niは安定なオーステナイト組織を得、シグマ
相等の機械的性質を劣化させる有害な析出物の生
成を防止し、酸化鉛ならびに複合酸化鉛耐食性を
向上させるために不可欠であり、したがつて、
Niの下限を35.0％とした。また、65.0％を越えて
含有させても効果の向上が小さく高価となるので
上限を65.0％とした。 Crは複合酸化鉛耐食性の向上に不可欠であり、
28.0％未満では不十分であるので下限を28.0％と
した。また35.0％を越えて含有させても効果の向
上が小さく、シグマ相等の機械的性質を劣化させ
る有害な析出物がでやすくなるので上限を35.0％
とした。ＮはTi、Alと同様に高温強度を向上させる元
素である。第２図に示した複合酸化鉛耐食性にお
よぼすＮ、Ti、Alの影響から知られるようにTi、
Alが著しく耐食性を劣化させるのに対して、Ｎ
は劣化作用が殆んどなく、高温強度を向上させる
には最適な元素である。上記の性能を発揮させる
には0.10％以上含有させる必要があり下限を0.10
％とした。また0.60％を越えて含有させると熱間
加工性を害するので上限を0.60％とした。以上のＣ、Si、Mn、Ni、Cr、Ｎの他に0.05〜
2.00％のMo、0.05〜2.00％のＷ、0.05〜3.00％％
のＶ、0.05〜3.00％のNb、0.0005〜0.0100％のＢ
を単独あるいは２種以上を複合して添加すれば高
温耐食性をあまり劣化させることなく高温強度を
一層高めることができる。この場合各元素とも下
限未満では効果が小さく、上限を越えて添加した
場合には高温耐食性あるいは熱間加工性を劣化さ
せる。さらに、以上の各成分の合金に対して0.01〜
0.50％のAl、0.005〜0.100％の希土類元素、
0.0005〜0.0200％のCa、0.0005〜0.0200％のMgを
単独あるいは２種以上複合して添加すれば各合金
の熱間加工性、高温靭性を一層向上させることが
できる。この場合各元素とも下限未満では効果が
小さく、上限を越えて添加した場合には有害相が
生成し、熱間加工性、高温靭性をかえつて劣化さ
せる。つぎに本発明合金の特徴を従来合金、比較合金
と比べ実施例でもつて明らかにする。第１表は本発明合金、従来合金、比較合金の化
学成分を示すものである。

【表】第１表においてＡ、Ｂは従来合金で、Ａは21−
4N鋼、ＢはNi基合金で、Ｃ、Ｄは比較合金で、
Ｅ、Ｆは第１発明合金、Ｇは第２発明合金、Ｈは
第３発明合金、Ｊは第４発明合金である。第２表は第１表のＡ〜Ｊ合金を鍛造後、1050℃
×1/2ｈ固溶化加熱後水冷し、ついで800℃×4h
時効処理し、高温耐食性については960℃の酸化
鉛または900℃の溶融複合酸化鉛で１時間浸漬し
た場合の腐食減量を示し、高温引張り強さについ
ては、前記処理を施した平行部10φ×50mmの試片
を用いて測定した。

【表】ガソリン機関用排気弁の使用条件に合わせて前
記熱処理を施したＡ〜Ｊ合金の機械的性質は第２
表から明らかなよう、その硬さはＡ〜Ｊ合金のい
ずれもHRC30〜33と所望の硬さを得ることがで
きた。高温強度については、従来合金であるＡ合
金がFe基合金であることから19Kg／mm²と低い値
となつているが、その他のＣ〜Ｊ合金は必要量の
Ni量と強化元素としてＮ、Al、Tiを含有してい
ることから24〜26Kg／mm²とNi基合金であるＢ合
金と同等の値を示し、なかでもＧ、Ｊ合金は高温
強度をさらに向上させる元素としてMo、Nb、
Ｗ、Ｂ等を含有させたことにより最も高くなつて
いる。また、高温耐食性については、Ａ合金が
Fe基合金であることからＳ化合物を含む複合酸
化鉛腐食性については2.1ｇ／ｄm²・ｈと優れて
いるが、酸化鉛腐食減量はNi含有量が低いこと
から26.5ｇ／ｄm²・ｈと劣つている。Ｂ合金はＡ
合金がFe基合金であるのに対してNi基合金であ
ることから全く反対の傾向を示しており、酸化鉛
腐食減量が2.5ｇ／ｄm²・ｈと優れているが、複
合酸化鉛腐食減量については85.3ｇ／ｄm²・ｈと
大変劣つている。Ｃ合金についてはMn量が必要
量含有されてはいるが、多量のAl、Tiを含有し
ていることから酸化鉛および複合酸化鉛腐食減量
がともに大きく24.0ｇ／ｄm²・ｈ、66.5ｇ／ｄ
m²・ｈとともに劣つている。Ｄ合金については
Ni量およびＮ量については必要量含有されてい
るがMn量が3.80％と低いことから酸化鉛腐食減
量は2.1ｇ／ｄm²・ｈと優れているが複合酸化鉛
腐食減量は85.0ｇ／ｄm²・ｈと大変劣つている。
これらに対して本発明合金であるＥ〜Ｊ合金は必
要量のNi、Mn等を含有させたことにより酸化鉛
腐食減量については2.1〜3.5ｇ／ｄm²・ｈとNi基
合金と同等の優れた耐食性を有し、さらに複合酸
化鉛耐食性についてはその腐食減量が1.9〜2.2
ｇ／ｄm²・ｈとNi基合金に比べ格段に優れた高
温耐食性を示している。これからしても本発明合
金が高温強度および酸化鉛腐食性のみならずＳ化
合物および他の不純物を含む複合酸化鉛腐食性に
も優れ高温燃焼ガスに対する耐食性が非常に優れ
ていることがわかる。つぎに第３図は本発明合金の熱間加工性につい
て示したもので、図中Ｅ、Ｇ、Ｈ、Ｊは前記第１
および第２表に示した合金と同一組成からなる第
１発明合金ないし第４発明合金である。高温ねじ
り試験に際しては50Kg鋼塊表層部から柱状晶に直
角な方向に切出し、平行部10φ×30mmの試片を用
いた。試験条件としては回転数25r.p.m、加熱温
度900℃、1000℃、1100℃、1200℃の各温度で15
分間保持した後、測定した。試験結果は第３図から明らかなように、第３発
明および第４発明合金である0.0083％のCaおよび
0.030％の希土類元素を含有させたＨ合金、さら
に0.0064％のCaおよび0.027％の希土類元素を含
有させたＪ合金は第１発明および第２発明合金で
あるＥ、Ｇ合金に比べ高い破断ねん回数を示して
いる。これからしてもCa、希土類元素を含有さ
せた第３発明および第４発明合金が熱間加工性に
ついても優れていることがわかる。上述の如く、本発明合金は35.0〜65.0％のNi、
28.0〜35.0％のCr合金に、5.0〜15.0％のMnと0.10
〜0.60％のＮを含有させ、かつ必要に応じてMo、
Ｗ、Ｖ、Nb、Ｂをさらに含有させたことにより、
Ni基合金と同等もしくはそれ以上の高温強度を
有するとともにNi基合金に比べて優れた高温燃
焼ガス耐食性を有しており、さらにAl、希土類
元素、Ca、Mgを含有させたことにより熱間加工
性および高温靭性を一層向上させたものであり、
かつ本発明合金は大気溶解で製造が可能なもので
Ni基合金およびステライト合金の盛金に比べ格
段に安価に製造が可能な高温耐食性の優れた耐熱
合金で産業上寄与するところ極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合酸化鉛耐食性におよぼずMnの影
響を示した線図、第２図は複合酸化鉛耐食性にお
よぼすＮ、Ti、Alの影響を示した線図、第３図
は本発明合金の各加熱温度における破断ねん回数
を示したものである。

Claims

【特許請求の範囲】１重量比にしてC0.05〜0.15％、Si1.00％以下、
Mn5.0〜15.0％、Ni35.0〜65.0％、Cr28.0〜35.0
％、N0.10〜0.60％を含有して残部Feならびに不
純物元素からなることを特徴とする高温耐食性の
優れた耐熱合金。２重量比にしてC0.05〜0.15％、Si1.00％以下、
Mn5.0〜15.0％、Ni35.0〜65.0％、Cr28.0〜35.0
％、N0.10〜0.60％を含有し、さらにMo0.05〜
2.00％、W0.05〜2.00％、V0.05〜3.00％、Nb0.05
〜3.00％、B0.0005〜0.0100％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
からなることを特徴とする高温耐食性の優れた耐
熱合金。３重量比にしてC0.05〜0.15％、Si1.00％以下、
Mn5.0〜15.0％、Ni35.0〜65.0％、Cr28.0〜35.0
％、N0.10〜0.60％を含有し、さらにAl0.01〜
0.50％、希土類元素0.005〜0.100％、Ca0.0005〜
0.0200％、Mg0.0005〜0.0200％のうち１種ないし
２種以上を含有して残部Feならびに不純物元素
からなることを特徴とする高温耐食性の優れた耐
熱合金。４重量比にしてC0.05〜0.15％、Si1.00％以下、
Mn5.0〜15.0％、Ni35.0〜65.0％、Cr28.0〜35.0
％、N0.10〜0.60％を含有し、さらにMo0.05〜
2.00％、W0.05〜2.00％、V0.05〜3.00％、Nb0.05
〜3.00％、B0.0005〜0.0100％のうち１種ないし
２種以上と、Al0.01〜0.50％、希土類元素0.005〜
0.100％、Ca0.0005〜0.0200％、Mg0.0005〜
0.0200％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ることを特徴と
する高温耐食性の優れた耐熱合金。