WO2010122969A1 - 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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勝彦 大石
大野　丈博
上原　利弘
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日立金属株式会社
本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a heat resistant steel for engine valves having excellent high temperature fatigue strength, and more particularly to a heat resistant steel for engine valves used in an internal combustion engine for automobiles.
  • valve materials used in places with higher loads contain a large amount of Ni, and precipitate ⁇ '(gamma prime), an intermetallic compound, to increase the high-temperature strength, precipitation strengthening heat-resistant alloys and super heat-resistant alloys.
  • ⁇ '(gamma prime) an intermetallic compound
  • NCF751 is partly used, but since it contains a large amount of Ni, there is a problem that the cost increases.
  • Patent Document 1 proposes a method of manufacturing an engine valve in which the hardness of the face portion is increased to 400 HV or more and overaging softening is suppressed even when used in a high temperature range.
  • An engine with improved high-temperature strength and wear resistance by adding alloying elements such as Mo, W, Nb, V, etc. as an improvement material of high Mn heat-resistant steel 21-4N steel to enhance solid solution strengthening and precipitation strengthening Valve materials have been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-294411 (Patent Document 2) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-177543 (Patent Document 3).
  • the alloy disclosed in Patent Document 1 described above is superior in material cost because it is based on Fe-base heat-resisting steel, but it is necessary to store strain in the material in the valve manufacturing process, and nitride precipitation Since the strengthening is used, a solution heat treatment at a high temperature is required, and strict temperature control and production control are required. On the contrary, there is a possibility that the superiority in terms of cost may be lost. Further, the alloys disclosed in Patent Documents 2 and 3 have a high temperature strength superior to that of the conventional 21-4N steel, but the strength as an engine valve material applied to the recent increase in the combustion temperature is low. being insufficient. An object of the present invention is to provide an inexpensive heat-resistant steel for engine valves by realizing high-temperature strength that is not inferior to that of Ni-based heat-resistant alloys with Fe-based heat-resistant steel.
  • the present invention is, in mass%, C: 0.20 to 0.50%, Si: 1.0% or less, Mn: 5.0% or less, P: 0.1 to 0.5%, Ni: 8 0.0 to 15.0%, Cr: 16.0 to 25.0%, Mo: 2.0 to 5.0%, Cu: 0.5% or less, Nb: 1.0% or less (including no addition) W: 8.0% or less (including no addition), N: 0.02 to 0.2%, B: 0.01% or less, the balance being heat resistant steel for engine valves made of Fe and impurities, It is a heat-resistant steel for engine valves with excellent high-temperature strength that satisfies the following formula.
  • the heat resistant steel for engine valves of the present invention can contribute to the cost reduction of the heat resistant steel for engine valves because the high temperature strength that is not inferior to Ni-based heat resistant alloys can be expressed in the Fe-based heat resistant steel. It is.
  • each chemical composition is specified in the following range is as follows. Unless otherwise specified, the mass% is indicated. C dissolves in the matrix to stabilize the ⁇ structure and increase the strength. In addition, carbides are precipitated by aging treatment to increase the normal temperature and high temperature strength, and also contribute to wear resistance by forming carbides rich in Nb, W, and Mo in the matrix. In particular, by being combined with Nb, there is an effect of preventing crystal grain growth during solution heat treatment at high temperature and increasing strength in a low temperature region. If the amount is less than 0.2%, the above-described effects cannot be obtained.
  • C is set to 0.2 to 0.5%.
  • a preferable range of C is more than 0.25% and 0.4% or less.
  • Si acts as a deoxidizer during melting and increases high-temperature oxidation resistance. However, excessive addition reduces the hot workability and toughness and promotes the formation of the ⁇ phase. 0% or less. A preferable Si range is 0.6% or less.
  • Mn is a ⁇ -stabilizing element and promotes work hardening during cold and warm processing, and contributes to strength improvement by increasing the solid solubility of N, but excessive addition is hot in the high temperature range. Since it causes a decrease in workability and a decrease in high-temperature strength, the content was made 5.0% or less. A preferable range of Mn is 3.0% or less.
  • P promotes precipitation of M23C6 type carbide together with C, and is substituted for C to be incorporated into the carbide, thereby increasing the lattice constant and contributing to precipitation strengthening.
  • P is required to be 0.1% or more. However, if added over 0.4%, hot workability, grain boundary strength, and toughness are reduced, so P is 0.1%. It was set to 0.5%.
  • a preferable range of P is more than 0.15% and 0.4% or less.
  • Ni stabilizes the ⁇ structure of the matrix, improves strength, corrosion resistance, and oxidation resistance, and promotes work hardening during cold and warm processing. In order to obtain such an effect, Ni is required to be 8.0% or more. However, if it is added in excess of 15.0%, Ni not only lowers the solid solubility of N but also leads to high cost, so Ni is 8.0. To 15.0%.
  • a preferable range of Ni is 9.0 to 11.0%.
  • Cr is an element indispensable for improving the corrosion resistance and oxidation resistance of the engine valve, and needs to be 16.0% or more in order to form carbides by aging treatment and increase the normal temperature and high temperature strength. However, if added over 25%, a harmful ⁇ phase is formed, so Cr was made 16.0-25.0%. A preferable lower limit of Cr is 18.0%, and a preferable upper limit is 22.0%. Mo dissolves and strengthens as substitutional atoms in the matrix, and at the same time, partly forms carbides and improves high-temperature strength. In order to obtain such an effect, 2.0% or more is necessary. However, if added over 5.0%, a ⁇ phase is formed and ductility is lowered, so Mo was made 2.0 to 5.0%. A preferable range of Mo is 3.0 to 5.0%.
  • Cu stabilizes the ⁇ structure of the matrix and improves toughness during cold working, and improves high-temperature strength by precipitation of fine Cu phase compounds, but excessive addition reduces hot workability and oxidation resistance. Therefore, it was set to 0.5% or less.
  • Nb is added to the upper limit of 1.0% because it combines with C and N to prevent crystal grain growth and improve strength during solution heat treatment at high temperatures. However, excessive addition increases the amount of solute C and N, which in turn leads to a decrease in strength and decreases cold workability due to the formation of a large amount of carbide and nitride. There is no problem.
  • W is an element belonging to the same group as Mo. Like Mo, it is solid-dissolved and strengthened as a substitutional element in the matrix, and at the same time, a part forms a carbide to improve high temperature strength. Since W basically has the same action as Mo, in the present invention in which Mo is essential, W does not necessarily have to be added, and it does not matter if it is not added. However, with respect to oxidation resistance, W is more advantageous, and since the atomic weight is twice that of Mo, the diffusion rate at high temperatures is small and the effect of improving creep strength is great. The addition of W is effective. However, excessive addition forms carbides and nitrides, and a sufficient effect on the high temperature strength cannot be obtained.
  • N is an element that stabilizes the ⁇ structure along with C, and most of it is dissolved as an intrusive atom in the matrix and contributes to strengthening. In order to obtain such an effect, 0.02% or more is necessary. However, excessive addition exceeding 0.2% causes remarkable work hardening in the drawing process and leads to a decrease in toughness. Therefore, the range of N is set to 0.02 to 0.2%.
  • B is effective in improving the hot workability, high temperature strength and creep resistance by strengthening the ⁇ grain boundary, but excessive addition lowers the melting temperature of the grain boundary and degrades the hot workability. B was set to 0.01% or less.
  • the elements other than those described above are Fe and impurities.
  • the heat resistant steel for engine valves of the present invention is obtained by appropriately adding an alloy element contributing to solid solution strengthening and precipitation strengthening based on an inexpensive Fe-based heat resistant steel to obtain high temperature strength.
  • an alloy element contributing to solid solution strengthening and precipitation strengthening based on an inexpensive Fe-based heat resistant steel In order to obtain high strength, it is important to appropriately adjust the addition amounts of the alloying elements P, Mo, W, Nb, and N. The reason will be described in detail below.
  • the high-temperature strength which is a particularly required characteristic, can be improved by changing the precipitation amount of ⁇ ′ and its composition in the case of Ni-base heat-resistant alloys and superheat-resistant alloys.
  • the strengthening mechanism is limited mainly to precipitation strengthening by carbides, nitrides, etc.
  • formula (1) 442P (%) + 12 Mo (%) + 5 W (%) + 7 Nb (%) + 328 N (%) + 171 ⁇ 300 so as to satisfy the mutual relationship. If this value is less than 300, the strengthening mechanism of each element does not work effectively, leading to a decrease in high-temperature strength and hence tensile strength at high temperatures.
  • the content of P, Mo, W, Nb, and N in the steel is based on the relationship using the appropriate coefficient (2) formula: ⁇ 38.13P (%) + 1.06Mo (%) + 0.13W ( %) + 9.64Nb (%) + 13.52N (%) + 4.83 ⁇ 0.12 can be adjusted so as to prevent the deterioration of the high-temperature strength and hence the fatigue strength at high temperature. .
  • this value is smaller than 0.12, the original strengthening mechanism is lowered by the interaction of each element, and the high-temperature strength is lowered.
  • a preferred range is 2.0 or more according to the above formula.
  • the solid solution strengthening and precipitation strengthening that these elements act on can be used in a combined manner.
  • the heat resistant steel for engine valves of the present invention is one of the areas that cannot be applied to 21-4N steel and its improved steels, for example, the area where ⁇ 'precipitation strengthened heat resistant alloys have been used up to now, with the recent increase in combustion temperature. Therefore, it can be applied from the excellent high-temperature strength characteristics, and a significant cost reduction can be achieved.
  • the alloys of the present invention have inferior hardness and tensile strength at room temperature compared to comparative alloys, but both show high values in the temperature range of 800 ° C. and are excellent in properties at high temperatures. I understand.
  • the steel according to the present invention has a higher fatigue strength than the comparative steel, indicating that the performance is high.
  • the higher the value of the formula (1) the better the tensile strength at normal temperature and high temperature, and the greater the influence of precipitation of P or N or solid solution strengthening.
  • the value of the formula (2) in Table 1 is an index representing the standard of fatigue strength, and the larger the value, the more the number of fatigue fractures tends to increase.
  • the present invention it is excellent in high-temperature strength as a heat-resistant steel for engine valves, and contributes to cost saving and resource saving because it is based on Fe-based heat-resistant steel.
  • the valve By using the valve, the engine performance can be greatly improved.

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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:２.０～５.０％、Ｃｕ:０.５％以下、Ｎｂ:１.０％以下(無添加含む)、Ｗ:８.０％以下(無添加含む)、Ｎ:０.０２～０.２％、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高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼。　442P(%)+12Mo(%)+5W(%)+7Nb(%)+328N(%)+171≧300…(1)式　-38.13P(%)+1.06Mo(%)+0.13W(%)+9.64Nb(%)+13.52N(%)+4.83≧0.12…(2)式

Description

高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼
　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が、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ベースに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が、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％、Ｍｏ：２．０～５．０％、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｂ：１．０％以下（無添加含む）、Ｗ：８．０％以下（無添加含む）、Ｎ：０．０２～０．２％、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、以下の式を満たす高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼である。
　442P(%)+12Mo(%)+5W(%)+7Nb(%)+328N(%)+171≧300…(1)式
　-38.13P(%)+1.06Mo(%)+0.13W(%)+9.64Nb(%)+13.52N(%)+4.83≧0.12…(2)式
　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、以下の範囲で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Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏに富む炭化物を形成することにより耐磨耗性にも寄与する。特にＮｂと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。０．２％より少ないと上記した効果が得られず、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ことから、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が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ことから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。
　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が、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ことから５．０％以下とした。好ましいＭｎの範囲は３．０％以下である。
　Ｐは、Ｃと共にＭ２３Ｃ６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。このような効果を得るためにＰは０．１％以上必要であるが、０．４％を超えて添加すると熱間加工性、粒界強度、靭性の低下を招くことからＰは０．１～０．５％とした。好ましいＰの範囲は０．１５％を超え０．４％以下である。
　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。このような効果を得るためにＮｉは８．０％以上必要であるが、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ことから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、２５％を超えて添加すると有害なσ相を形成することから、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。
　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。このような効果を得るためには２．０％以上が必要である。しかし、５．０％を超えて添加するとσ相を形成し、延性を低下させることからＭｏは２．０～５．０％とした。好ましいＭｏの範囲は３．０～５．０％である。
　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が過度の添加は熱間加工性、耐酸化性を低下させることから０．５％以下とした。
　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強度が向上するため、１．０％を上限に添加する。しかし、過度の添加は固溶Ｃ、Ｎ量が増加してしまい、かえって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ことからＮｂは無添加であっても差し支えない。
　Ｗは、Ｍｏと同属元素であり、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ため、Ｍｏを必須とする本発明においては、Ｗは必ずしも添加しなくとも良く、無添加であっても差し支えない。しかし、耐酸化性に関してはＷの方が有利であり、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、過度の添加は炭化物、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８．０％以下とした。
　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０．２％を超える過度の添加は引き抜き加工での加工硬化が著しくなり、靭性低下に繋がることからＮの範囲は０．０２～０．２％とした。
　Ｂは、γ粒界を強化して熱間加工性、高温強度及び耐クリープ特性の改善に有効であるが、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、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎ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で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おり、これら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、これらの強化方法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、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎが高温強度に及ぼす影響が多いことが明らかとなり、更には各元素の特性に対する相互関係を、的確な係数による関係で評価でき、よって、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、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎの含有量が、的確な係数を用いた関係において、（１）式：４４２Ｐ（％）＋１２Ｍｏ（％）＋５Ｗ（％）＋７Ｎｂ（％）＋３２８Ｎ（％）＋１７１≧３００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３００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、しいては高温での引張強度低下を招くことになる。
　また、鋼中のＰ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎの含有量が、的確な係数を用いた関係において、（２）式：－３８．１３Ｐ（％）＋１．０６Ｍｏ（％）＋０．１３Ｗ（％）＋９．６４Ｎｂ（％）＋１３．５２Ｎ（％）＋４．８３≧０．１２の相互関係を満たすように調整することで高温強度、しいては高温での疲労強度の低下を防ぐことができる。
　この値が０．１２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、上記式による値が２．０以上である。
　上述した２つの式を満たすよう、適確にＰ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎ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り、すぐ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可能となる。
　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 JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　表１に示す素材から常温及び８００℃の硬さ、引張試験、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。引張試験はＡＳＴＭ法により平行部直径６．３５ｍｍにて測定した。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で試験片が破断するまでの回転数を求めた。各種試験結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　表２より、本発明合金は、常温での硬さや引張強さが比較合金よりも劣るものがあるが、８００℃の温度域では何れ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）式の値が高いほど常温並びに高温域での引張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）式の値は疲労強度の目安を表す指標であり、この値が大きいほど疲労破断回数が多くなる傾向にある。Ｎｂの析出強化、結晶粒微細化効果やＮの析出強化の影響が大きい。
　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 (1)

  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％、Ｍｏ：２．０～５．０％、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｂ：１．０％以下（無添加含む）、Ｗ：８．０％以下（無添加含む）、Ｎ：０．０２～０．２％、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。
    　442P(%)+12Mo(%)+5W(%)+7Nb(%)+328N(%)+171≧300…(1)式
    　-38.13P(%)+1.06Mo(%)+0.13W(%)+9.64Nb(%)+13.52N(%)+4.83≧0.12…(2)式
    　
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