JPWO2010150795A1 - 高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼 - Google Patents

高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼 Download PDF

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Abstract

【課題】Ni基耐熱合金にも劣らない高温強度をFe基耐熱鋼で発現することにより安価なエンジンバルブ用耐熱鋼を提供する。【解決手段】質量%で、C:0.20〜0.50%、Si:1.0%以下、Mn:5.0%以下、P:0.1〜0.5%、Ni:8.0〜15.0%、Cr:16.0〜25.0%、Mo:2.0%以下(0%含む)、Cu:0.5%以下、Nb:1.0%以下(0%含む)、W:2.0%以下(0%含む)、N:0.02〜0.30%、B:0.01%以下、残部はFe及び不純物からなるエンジンバルブ用耐熱鋼であって、以下の関係式を満たすことを特徴とする高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼。156.42P(%)+0.91Mo(%)+0.73W(%)-12.27Nb(%)+220.96N(%)+120.59≧170…(1)式13.70P(%)-6.97Mo(%)-4.32W(%)-3.29Nb(%)+119.10N(%)+27.75≧25…(2)式【選択図】 なし

Description

本発明は、優れた高温疲労強度を有するエンジンバルブ用耐熱鋼であって、特に自動車用内燃機関に使用されるエンジンバルブ用耐熱鋼に関するものである。
従来、自動車用エンジンバルブの排気バルブ用耐熱鋼には、高温強度、耐酸化性に優れ、且つ、安価である高Mn系耐熱鋼の21−4N鋼(JIS規格:SUH35)及びその改良鋼が広く使用されてきた。
エンジンバルブのフェース部は、バルブシートとの断続的な接触のため、高い耐磨耗性が要求される。このため、上記21−4N鋼や改良鋼を用いたバルブのフェース部には、通常、ステライト等の肉盛りがなされており、これにより高温での硬さや耐摩耗性を補っている。
また、更に負荷の高いところで使用されるバルブ材にはNiを多量に含み、金属間化合物のγ’(ガンマプライム)を析出させることにより、高温強度を高めた析出強化型耐熱合金や超耐熱合金のNCF751が一部で使用されている。しかし、これらの合金はNiを多く含むためコストが高くなるという問題がある。
しかし、近年の環境規制強化にともない、ガソリンエンジンの高効率化、高出力化による燃焼温度の高温化により、上記した耐熱合金よりも安価で、且つ、高温強度に優れるバルブ用耐熱鋼の要求が出てきている。
これに対して、安価なFe基耐熱鋼をベースにC、N、Mn、Ni、Crに加え、Mo、Nb、Vを適正添加することによりNi等の高価な原料を極力抑えた母材を用いて、1100〜1180℃の固溶化熱処理を施した後、バルブ形成を700〜1000℃の温度域で鍛造を行うことで加工歪を蓄え、歪時効硬化を狙った時効処理を施して、エンジンバルブのフェース部の硬さを400HV以上に高め、高温域での使用でも過時効軟化を抑えたエンジンバルブの製造方法が特開2001−323323号公報(特許文献1)に提案されている。
また、高Mn系耐熱鋼の21−4N鋼の改良材としてMo、W、Nb、V等の合金元素を添加して固溶強化や析出強化を図り、高温強度や耐摩耗性を改善したエンジンバルブ材が特開2002−294411号公報(特許文献2)及び特開平3−177543号公報(特許文献3)に提案されている。
特開2001−323323号公報 特開2002−294411号公報 特開平3−177543号公報
上述した特許文献1に開示される合金は、Fe基耐熱鋼をベースにしているため素材コストの面では優れる。しかし、バルブの製造工程で歪を素材内に蓄える必要があると共に、窒化物の析出強化を利用することから高温での固溶化熱処理を必要とし、厳密な温度管理や製造管理が求められ、かえってコスト面での優位性が薄れる可能性がある。
また、特許文献2及び3に開示される合金は、従来の21−4N鋼よりも優れた高温強度を具備しているが、近年の燃焼温度の高温化に適用するエンジンバルブ材としては強度が不足している。
本発明の目的は、Ni基耐熱合金にも劣らない高温強度をFe基耐熱鋼で実現することにより安価なエンジンバルブ用耐熱鋼を提供することである。
本発明者は、Fe基耐熱鋼をベースに、高温強度と各種合金元素の関係を鋭意検討した結果、P、Mo、W、Nb、Nの添加量に加えて、それらの相互関係こそを厳格に管理することで、極めて良好な高温強度を得ることができることを見いだし、本発明に至ったものである。
即ち本発明は、質量%で、C:0.20〜0.50%、Si:1.0%以下、Mn:5.0%以下、P:0.1〜0.5%、Ni:8.0〜15.0%、Cr:16.0〜25.0%、Cu:0.5%以下、Nb:1.0%以下(0%含む)、W:2.0%以下(0%含む)、Mo:2.0%以下(0%含む)、N:0.02〜0.30%、B:0.01%以下、残部はFe及び不純物からなるエンジンバルブ用耐熱鋼であって、以下の関係式を満たすことを特徴とする高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼である。
156.42P(%)+0.91Mo(%)+0.73W(%)-12.27Nb(%)+220.96N(%)+120.59≧170…(1)式
13.70P(%)-6.97Mo(%)-4.32W(%)-3.29Nb(%)+119.10N(%)+27.75≧25…(2)式
本発明において、好ましいP、Mo及びNbの範囲は以下のとおりである。
P:0.15%を超えて0.5%以下
Mo:0.03〜1.6%
Nb:0.03〜0.2%
このうち、Moについては、更に好ましい範囲は0.03〜1.0%である。
また、上記の(1)式及び(2)式の好ましい値は、(1)式:185以上、(2)式:30以上である。
本発明のエンジンバルブ用耐熱鋼は、Ni基耐熱合金にも劣らない高温強度をFe基耐熱鋼で発現することが可能になることから、エンジンバルブ用耐熱鋼の低コスト化に大きく寄与するものである。
本発明は、上述の新規な知見に基づいてなされたものであり、以下に本発明における各元素の作用について述べる。
本発明のエンジンバルブ用耐熱鋼において、各化学組成を規定した理由は以下の通りである。なお、特に記載のない限り質量%として記す。
C:0.20〜0.50%
Cは、マトリックスに固溶してγ組織を安定化させると共に強度を増加させる。また、時効処理により炭化物を析出し、常温及び高温強度を増加させると共にマトリックス中のCr炭化物を形成することにより耐摩耗性にも寄与する。
また、Nb、W、Moを添加した場合は、Nb、W、Moに富む炭化物を形成することで、より確実に耐摩耗性の向上に寄与する。特にCとNbが結びつくことによって、高温での固溶化熱処理中の結晶粒成長の防止並びに低温域での強度を増加させる効果がある。
Cは、0.20%より少ないと上記した効果が得られない。一方、0.5%を越えて添加してもより一層の特性向上の効果がみられないばかりか、Cr炭化物の過度な形成による耐酸化性、靭性の低下、及びNの固溶度を低下させる。そのため、Cは0.2〜0.5%とした。好ましいCの範囲は0.25%を超え0.4%以下である。
Si:1.0%以下
Siは、溶製時の脱酸剤として作用し、また耐高温酸化性を増加させる。一方、過度の添加は熱間加工性、靭性を低下させると共にσ相の形成を助長する。そのため、Siは1.0%以下とした。好ましいSiの範囲は0.6%以下である。なお、Si添加によって得られる上記の効果を確実とするには、Siの下限を0.05%とするのがよく、より好ましい上限は0.50%である。
Mn:5.0%以下
Mnは、γ安定化元素であると共に冷間並びに温間加工時に加工硬化を促進し、またNの固溶度を上げることで強度向上に寄与する。一方、過度の添加は高温域での熱間加工性の低下、高温強度の低下を引き起こす。そのため、Mnは5.0%以下とした。好ましいMnの範囲は3.0%以下である。なお、Mn添加によって得られる上記の効果を確実とするには、Mnの下限を0.05%とするのがよく、より好ましい上限は2.0%である。さらに好ましくは、0.5〜1.5%の範囲である。
P:0.1〜0.5%
Pは、Cと共にM23型炭化物の析出を促進し、Cと置換して炭化物中に取り込まれることによって格子定数が大きくなり析出強化に寄与する。この効果を得るためにPは0.1%以上必要である。しかし、Pは0.5%を超えて添加すると熱間加工性、粒界強度、靭性の低下を招く。そのため、Pは0.1〜0.5%とした。なお、P添加によって得られる上記の効果を確実とするには、Pの下限を0.15%を超える範囲とするとよい。Pのより好ましい上限は0.4%である。
Ni:8.0〜15.0%
Niは、マトリックスのγ組織を安定化し、強度、耐食性、耐酸化性を向上させると共に冷間並びに温間加工時には加工硬化を促進する。この効果を得るためにNiは8.0%以上が必要となる。一方で、Niは15.0%を超えて添加するとNの固溶度を低下させるばかりかコスト高に繋がる。そのため、Niは8.0〜15.0%とした。好ましいNiの範囲は9.0〜11.0%である。
Cr:16.0〜25.0%
Crは、エンジンバルブの耐食性、耐酸化性向上に不可欠な元素であると共に、時効処理により炭化物を形成し、常温及び高温強度を増加させるため16.0%以上が必要である。しかし、Crは25%を超えて添加すると有害なσ相を形成する。そのため、Crは16.0〜25.0%とした。好ましいCrの下限は18.0%、好ましい上限は22.0%である。
Cu:0.5%以下
Cuは、マトリックスのγ組織を安定化すると共に冷間加工時の靭性改善、並びに、微細Cu相化合物の析出により高温強度を向上させる。しかし、Cuの添加量が増えると、熱間加工性、耐酸化性を低下させる。そのため、Cuは0.5%以下とした。Cuの好ましい下限は0.03%であり、より好ましい上限は0.35%である。
Nb:1.0%以下(0%含む)
Nbは、C、Nと結びついて高温での固溶化熱処理中の結晶粒成長の防止や疲労強度が向上するため、1.0%を上限に添加しても良い。しかしNbの添加量が増えると、固溶C、N量が増加してしまい、かえって疲労強度低下を招くと共に多量の炭化物、窒化物の形成により冷間加工性を低下させる。そのため、Nbの下限は無添加(0%を含む)であってもよい。
なお、Nb添加によって得られる上記の効果を確実とするには、Nbの下限を0.03%とするのがよい。また、より好ましい上限は0.50%であり、さらに好ましい上限は0.20%である。
Mo:2.0%以下(0%含む)
Moは、マトリックス中に置換型原子として固溶し強化すると同時に一部は炭化物を形成し高温強度を向上させる元素であり、2.0%を上限に添加しても良い。しかし、Moの添加量が増えると、合金の脆化を生じさせる場合がある。そのため、Moの下限は無添加(0%を含む)であってもよい。
なお、Mo添加によって得られる上記の効果を確実とするには、Moの下限を0.03%とするのがよい。また、好ましいMoの上限は1.6%以下であり、更に好ましいMoの範囲は1.0%以下である。
また、Moは後述するWと同様の作用効果を得られる元素であるが、エンジンバルブ材に求められる優れた疲労強度を得るには、Moの添加が有利である。
Wは、Moと同様、マトリックス中に置換型元素として固溶し強化すると同時に、一部は炭化物を形成し高温強度を向上させる。Wは、基本的にMoと同様の作用を有するが、耐酸化性に関してはWの方が有利である。Wは、原子量がMoの2倍であることから高温における拡散速度が小さく、クリープ強度を向上させる効果が大きいため、クリープ強度を向上させる場合にはWの添加は有効である。しかし、Wの添加量が増えると、炭化物、窒化物を形成し高温強度に対し、十分な効果が得られないため2.0%以下とした。Wの下限はMoと同様、無添加(0%を含む)でよい。
Nは、Cと並んでγ組織を安定化させる元素であり、その大部分がマトリックス中に浸入型原子として固溶し、強化に寄与する。このような効果を得るためには0.02%以上が必要である。しかし、Nは0.30%を超えて添加すると、引き抜き加工での加工硬化が著しくなり、靭性低下に繋がる。そのため、Nの範囲は0.02〜0.30%とした。
Bは、γ粒界を強化して熱間加工性、高温強度および耐クリープ特性の改善に有効である。一方、過度の添加は粒界の溶融温度を低下させ熱間加工性を劣化させることからBは0.01%以下とした。
以上、説明する元素以外は、Fe及び不純物とする。
本発明のエンジンバルブ用耐熱鋼は安価なFe基耐熱鋼をベースに固溶強化、析出強化に寄与する合金元素を適正添加し、高温強度を得るものである。そして、高強度化を得るため、合金元素のPとN及び、選択的に添加するMo、W、Nbの添加量を適正に調整することが重要である。以下にその理由を詳しく説明する。
エンジンバルブ材において、特に要求される特性である高温強度は、Ni基耐熱合金や超耐熱合金の場合では、γ’の析出量やその組成を変えることにより、高温強度を向上させることが可能である。しかしながら、Fe基耐熱合金の場合では、その強化機構が主に炭化物、窒化物等による析出強化や合金元素の固溶強化に限られている。そのため、析出強化や固溶強化などの強化機構を複合的に利用しようとすると、各元素の相互作用により逆に特性が低下してしまうことがある。
そこで、これらの強化機構を最大限に発揮できるよう種々の合金元素について研究した結果、P、N、Mo、W、Nbが高温強度に及ぼす影響が多いことが明らかとなった。更には各元素の特性に対する相互関係を、重回帰分析の手法を用いて的確な係数による関係で評価した。そして、この関係を厳密に管理することが必要であることをつきとめた。
すなわち、鋼中のP、N、Mo、W、Nbの含有量が、係数を用いた関係において、(1)式:156.42P(%)+0.91Mo(%)+0.73W(%)−12.27Nb(%)+220.96N(%)+120.59≧170の相互関係を満たすように調整することである。
この値が170よりも小さいと各元素の強化機構が有効に作用しなくなり、高温強度、しいては高温での硬さ低下を招くことになる。なお、(1)式の値を185以上とすることで800℃における高温硬度を180HV以上とすることが容易となり、高温での強度や硬さの低下を更に抑制できる。
また、鋼中のP、Mo、W、Nb、Nの含有量が、係数を用いた関係において、(2)式:13.70P(%)−6.97Mo(%)−4.32W(%)−3.29Nb(%)+119.10N(%)+27.75≧25の相互関係を満たすように調整することで高温強度、しいては高温でのクリープ強度の低下を防ぐことができる。
この値が25よりも小さくなると各元素の相互作用で本来の強化機構が低下してしまい、高温強度が低下してしまう。好ましい範囲は、上記(2)式による値が30以上である。
上述した2つの式を満たすよう、適確にP、N、Mo、W、Nbを調整することで、これらの元素が作用する固溶強化、析出強化を最大限、複合的に利用することが可能となる。その結果、優れた高温強度を兼ね備えたエンジンバルブ用耐熱鋼の提供ができる。なお、上述した式(1),(2)において、Mo、W、Nbの元素が無添加の場合は、ゼロとして計算する。
本発明のエンジンバルブ用耐熱鋼は、近年の燃焼温度の高温化に伴い、21−4N鋼やその改良鋼では適用できない領域、例えば、今までγ’析出強化型の耐熱合金を利用した領域の一部において、その優れた高温強度特性から適用することが可能となり大幅な低コスト化が達成できる。
以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
エンジンバルブ用耐熱鋼を真空誘導溶解炉で溶解し、10kgのインゴットを作製後、1100℃に加熱して熱間鍛造を施し30mm角の棒材に鍛伸した。さらに1130℃で20分保持後、油焼入れの固溶化熱処理を行った後、750℃で100分保持、空冷の時効処理を行った。化学組成を表1に示す。
Figure 2010150795
























表1に示すNo.1〜No.7、No.11〜No.12の9種の素材について、常温及び800℃の硬さ、800℃−180MPaの条件下でクリープ破断試験を、800℃−250MPaの条件下で回転曲げ疲労試験を実施した。硬さ測定はビッカース硬度計により測定した。クリープ破断試験は平行部直径30.0mmの試験片を800℃の加熱、180MPaの引張荷重を与え、破断までの時間を測定した。回転曲げ疲労試験にはJIS Z2274号に従い、平行部直径8mmの試験片を用いて、回転数3300rpmで試験片の破断繰返し数(回)を求めた。各種試験結果を表2に示す。なお、表1及び表2に示すNo.4〜No.7及びNo.12は、基礎出願に対して新たに追加したデータである。
Figure 2010150795
























表2より、本発明鋼は、常温、800℃の硬さやクリープ破断試験の破断時間が比較鋼よりも高い値を示しており、高温での特性に優れることが分かる。エンジンバルブには一般に機械的特性では疲労強度が特に重要であることから本発明鋼は比較鋼よりも疲労強度が高い値を示しており、高い性能を示していることが分かる。
また、(1)式の値が高いほど高温での硬さや疲労強度が優れる傾向にあり、PやNの析出あるいは固溶強化の影響が大きい。また、表1の(2)式の値はクリープラプチャ試験の破断時間の目安を表す指標であり、PやNの影響が大きい。
このように高温強度を得る為に、(1)式及び(2)式の値を適宜、添加する合金元素量でコントロールすることで各相互作用の影響により特性低下を招くことなく析出強化や固溶強化を最大限に利用することが可能となる。
以上のように、本発明によればエンジンバルブ用耐熱鋼として高温強度に優れ、なお且つFe基耐熱鋼をベースにしていることからコスト面、省資源化に貢献するものであり、自動車用エンジンバルブに使用することによりエンジンの性能を大幅に向上させることができる。

Claims (7)

  1. 質量%で、C:0.20〜0.50%、Si:1.0%以下、Mn:5.0%以下、P:0.1〜0.5%、Ni:8.0〜15.0%、Cr:16.0〜25.0%、Cu:0.5%以下、Nb:1.0%以下(0%含む)、W:2.0%以下(0%含む)、Mo:2.0%以下(0%含む)、N:0.02〜0.30%、B:0.01%以下、残部はFe及び不純物からなるエンジンバルブ用耐熱鋼であって、以下の関係式を満たすことを特徴とする高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼。
    156.42P(%)+0.91Mo(%)+0.73W(%)-12.27Nb(%)+220.96N(%)+120.59≧170…(1)式
    13.70P(%)-6.97Mo(%)-4.32W(%)-3.29Nb(%)+119.10N(%)+27.75≧25…(2)式
  2. Pの含有量が0.15%を超えて0.5%以下である請求項1に記載の高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼。
  3. Moの含有量が0.03〜1.6%である請求項1または2に記載の高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼。
  4. Moの含有量が0.03〜1.0%である請求項1乃至3の何れかに記載の高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼。
  5. Nbの含有量が0.03〜0.2%である請求項1乃至4の何れかに記載の高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼。
  6. 156.42P(%)+0.91Mo(%)+0.73W(%)-12.27Nb(%)+220.96N(%)+120.59で示される(1)式の値が185以上である請求項1乃至5の何れかに記載の高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼。
  7. 13.70P(%)-6.97Mo(%)-4.32W(%)-3.29Nb(%)+119.10N(%)+27.75で示される(2)式の値が30以上である請求項1乃至6の何れかに記載の高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼。
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