WO2010150795A1 - 高温強度に優れたエンジンバルブ用耐熱鋼 - Google Patents
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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 material used in places with higher loads contains a large amount of Ni and precipitates ⁇ '(gamma prime), an intermetallic compound, thereby increasing the high-temperature strength precipitation-resistant heat-resistant alloys and super heat-resistant alloys.
- NCF751 is partly used. However, since these alloys contain a large amount of Ni, there is a problem that the cost becomes high.
- Patent Document 1 proposes an engine valve manufacturing method in which the hardness of the face portion of the valve is increased to 400 HV or more and overaging softening is suppressed even in use 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 excellent in terms of material cost because it is based on Fe-based heat-resistant steel. However, it is necessary to store strain in the material in the valve manufacturing process, and because it uses the precipitation strengthening of nitride, it requires a solution heat treatment at a high temperature, which requires strict temperature control and manufacturing control. Cost advantage may be weakened. 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 0.0-15.0%, Cr: 16.0-25.0%, Cu: 0.5% or less, Nb: 1.0% or less (including 0%), W: 2.0% or less (0% Mo: 2.0% or less (including 0%), N: 0.02 to 0.30%, 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 excellent in high temperature strength characterized by satisfying the following relational expression.
- preferred ranges of P, Mo and Nb are as follows. P: more than 0.15% and 0.5% or less Mo: 0.03-1.6% Nb: 0.03-0.2% Among these, the more preferable range for Mo is 0.03 to 1.0%. Moreover, the preferable value of said (1) Formula and (2) Formula is (1) Formula: 185 or more, (2) Formula: 30 or more.
- 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.
- the combination of C and Nb has the effect of preventing crystal grain growth during the solution heat treatment at high temperature and increasing the strength in the low temperature region.
- C is less than 0.20%, 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 1.0% or less Si acts as a deoxidizer during melting and increases high-temperature oxidation resistance.
- excessive addition reduces hot workability and toughness and promotes the formation of the ⁇ phase. Therefore, Si was made 1.0% or less.
- a preferable Si range is 0.6% or less.
- the lower limit of Si is preferably 0.05%, and the more preferable upper limit is 0.50%.
- Mn 5.0% 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.
- excessive addition causes a decrease in hot workability in a high temperature range and a decrease in high temperature strength.
- Mn is 5.0% or less.
- a preferable range of Mn is 3.0% or less.
- the lower limit of Mn is preferably 0.05%, and the more preferable upper limit is 2.0%. More preferably, it is in the range of 0.5 to 1.5%.
- P 0.1 to 0.5% P promotes the precipitation of M 23 C 6 type carbide together with C, and substitutes for C to be incorporated into the carbide, thereby increasing the lattice constant and contributing to precipitation strengthening. To obtain this effect, P needs to be 0.1% or more. However, when P exceeds 0.5%, hot workability, grain boundary strength, and toughness are reduced. Therefore, P is set to 0.1 to 0.5%. In order to secure the above effect obtained by adding P, the lower limit of P is preferably set in a range exceeding 0.15%. A more preferable upper limit of P is 0.4%. Ni: 8.0 to 15.0% Ni stabilizes the ⁇ structure of the matrix, improves strength, corrosion resistance, and oxidation resistance, and promotes work hardening during cold and warm processing.
- Ni is required to be 8.0% or more.
- Ni is set to 8.0 to 15.0%.
- a preferable range of Ni is 9.0 to 11.0%.
- Cr 16.0-25.0% 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, when Cr exceeds 25%, a harmful ⁇ phase is formed. Therefore, Cr is determined to be 16.0 to 25.0%. A preferable lower limit of Cr is 18.0%, and a preferable upper limit is 22.0%. Cu: 0.5% or less Cu stabilizes the ⁇ structure of the matrix and improves the high-temperature strength by improving toughness during cold working and precipitation of fine Cu phase compounds. However, when the addition amount of Cu increases, hot workability and oxidation resistance are lowered. Therefore, Cu was made 0.5% or less. A preferable lower limit of Cu is 0.03%, and a more preferable upper limit is 0.35%.
- Nb 1.0% or less (including 0%) Nb may be added to the upper limit of 1.0% because it combines with C and N to prevent crystal grain growth during high temperature solution heat treatment and improve fatigue strength.
- the lower limit of Nb may be additive-free (including 0%).
- the lower limit of Nb is preferably 0.03%.
- a more preferred upper limit is 0.50%, and a more preferred upper limit is 0.20%.
- Mo 2.0% or less (including 0%)
- Mo is an element that solidifies and strengthens as substitutional atoms in the matrix and at the same time partially forms carbides and improves high temperature strength, and may be added up to 2.0%.
- the lower limit of Mo may be additive-free (including 0%).
- the upper limit of preferable Mo is 1.6% or less, and the more preferable range of Mo is 1.0% or less.
- Mo is an element that can obtain the same effect as W, which will be described later. However, addition of Mo is advantageous in order to obtain excellent fatigue strength required for engine valve materials.
- W like Mo, solidifies and strengthens as a substitutional element in the matrix, and at the same time, partially forms carbides and improves high-temperature strength.
- W basically has the same action as Mo, but W is more advantageous in terms of oxidation resistance. Since W has an atomic weight twice that of Mo, the diffusion rate at high temperature is small and the effect of improving the creep strength is large. Therefore, the addition of W is effective in improving the creep strength. However, if the added amount of W increases, carbides and nitrides are formed and sufficient effects on the high temperature strength cannot be obtained.
- the lower limit of W may be additive-free (including 0%) as in the case of Mo.
- 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, if N is added in excess of 0.30%, the work hardening in the drawing process becomes remarkable, leading to a decrease in toughness. Therefore, the range of N is set to 0.02 to 0.30%. B is effective in improving the hot workability, high temperature strength and creep resistance by strengthening the ⁇ grain boundary. On the other hand, excessive addition lowers the melting temperature of the grain boundary and degrades hot workability, so B was made 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
- the high-temperature strength which is a particularly required characteristic, can be improved by changing the amount of ⁇ 'deposited and its composition in the case of Ni-base heat-resistant alloys and super heat-resistant alloys. is there.
- the strengthening mechanism is limited mainly to precipitation strengthening by carbides, nitrides, and the like and solid solution strengthening of alloy elements.
- a strengthening mechanism such as precipitation strengthening or solid solution strengthening is used in combination, the characteristics may deteriorate due to the interaction of each element. Therefore, as a result of studying various alloy elements so that these strengthening mechanisms can be exhibited to the maximum, it has become clear that P, N, Mo, W, and Nb have a large influence on high temperature strength.
- the mutual relation to the characteristics of each element was evaluated by a relation based on an accurate coefficient using a method of multiple regression analysis. He found that it was necessary to strictly manage this relationship.
- the contents of P, N, Mo, W, and Nb in the steel are in the relationship using the coefficient (1) formula: 156.42P (%) + 0.91 Mo (%) + 0.73 W (%) ⁇ 12.27 Nb (%) + 220.96 N (%) + 120.59 ⁇ 170 is adjusted so as to satisfy the mutual relationship. If this value is less than 170, the strengthening mechanism of each element does not work effectively, leading to a decrease in high-temperature strength and hence hardness at high temperatures. In addition, it becomes easy to make high temperature hardness in 800 degreeC into 180HV or more by making the value of (1) Formula into 185 or more, and the fall of the intensity
- the contents of P, Mo, W, Nb, and N in the steel are expressed by the following formula (2): 13.70 P (%) ⁇ 6.97 Mo (%) ⁇ 4.32 W (%) ) ⁇ 3.29 Nb (%) + 119.10 N (%) + 27.75 ⁇ 25 is adjusted so as to satisfy the mutual relationship, it is possible to prevent a decrease in high-temperature strength and thus creep strength at high temperature.
- this value is smaller than 25, the original strengthening mechanism is lowered by the interaction of each element, and the high-temperature strength is lowered.
- a preferable range is 30 or more according to the above formula (2).
- the solid solution strengthening and precipitation strengthening that these elements act on can be used in a combined manner. It becomes possible. As a result, it is possible to provide heat resistant steel for engine valves that has excellent high temperature strength.
- the heat resistant steel for engine valves of the present invention has a range that cannot be applied to 21-4N steel and its improved steel, for example, a region using a heat resistant alloy of ⁇ 'precipitation strengthening type so far. In part, it can be applied due to its excellent high-temperature strength characteristics, and a significant reduction in cost can be achieved.
- the steel of the present invention is superior in properties at high temperatures, showing a hardness at normal temperature, 800 ° C. and a rupture time in a creep rupture test higher than those of the comparative steel.
- 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 hardness and fatigue strength at high temperatures, and the greater the influence of precipitation or solid solution strengthening of P and N.
- the value of the expression (2) in Table 1 is an index representing the standard of the rupture time of the creep rupture test, and the influence of P and N is large.
- the present invention it is excellent in high-temperature strength as a heat-resistant steel for engine valves, and contributes to cost 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
Description
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (7)
- 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 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018016878A1 (ko) * | 2016-07-22 | 2018-01-25 | (주)계양정밀 | 텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강 및 이를 이용한 터보차저 터빈하우징 |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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KR101809853B1 (ko) * | 2016-11-25 | 2017-12-26 | 포항공과대학교 산학협력단 | 고온강도가 우수한 오스테나이트강 |
CN107099753B (zh) * | 2017-04-13 | 2020-02-04 | 山东远大锅炉配件制造有限公司 | 循环流化床锅炉风帽用稀土高铬镍钨多元合金耐热钢 |
US11530472B2 (en) * | 2019-10-30 | 2022-12-20 | Garrett Transportation I Inc. | Stainless steel alloys, turbocharger components formed from the stainless steel alloys, and methods for manufacturing the same |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5144505A (ja) * | 1974-08-12 | 1976-04-16 | Armco Steel Corp | |
JPS5271325A (en) * | 1975-12-11 | 1977-06-14 | Honda Motor Co Ltd | Heat resistance steel for bulbes |
JPH03177543A (ja) | 1989-12-05 | 1991-08-01 | Toyota Motor Corp | 弁用鋼 |
JP2001323323A (ja) | 2000-05-12 | 2001-11-22 | Aichi Steel Works Ltd | 自動車用エンジンバルブの製造方法 |
JP2002294411A (ja) | 2001-03-29 | 2002-10-09 | Tohoku Tokushuko Kk | 高温強度が大きく、かつ耐食性および耐磨耗性に優れた排気弁用鋼 |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2686116A (en) * | 1952-06-18 | 1954-08-10 | Crucible Steel Company | Age hardening austenitic steel |
JPS5130525A (ja) | 1974-09-09 | 1976-03-15 | Tokushu Seiko Co Ltd | Reikanatsuzoseinoyoihaikibarubuyotainetsuko |
JPS5140321A (ja) * | 1974-10-04 | 1976-04-05 | Tokushu Seiko Co Ltd | Reikanatsuzonokanonahaikibarubuyotainetsuko |
US5415706A (en) * | 1993-05-28 | 1995-05-16 | Abb Management Ag | Heat- and creep-resistant steel having a martensitic microstructure produced by a heat-treatment process |
US6685881B2 (en) * | 2000-09-25 | 2004-02-03 | Daido Steel Co., Ltd. | Stainless cast steel having good heat resistance and good machinability |
CN100513620C (zh) * | 2005-12-26 | 2009-07-15 | 李东阁 | 铬镍铜铌氮高温耐热耐磨铸钢 |
JP4946242B2 (ja) | 2006-07-27 | 2012-06-06 | 住友金属工業株式会社 | オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手及びオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料 |
EP2119802B1 (en) * | 2007-01-15 | 2019-03-20 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Austenitic stainless steel welded joint and austenitic stainless steel welding material |
CN100503871C (zh) * | 2007-08-15 | 2009-06-24 | 金雹峰 | 一种铁合金 |
-
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5144505A (ja) * | 1974-08-12 | 1976-04-16 | Armco Steel Corp | |
JPS5271325A (en) * | 1975-12-11 | 1977-06-14 | Honda Motor Co Ltd | Heat resistance steel for bulbes |
JPH03177543A (ja) | 1989-12-05 | 1991-08-01 | Toyota Motor Corp | 弁用鋼 |
JP2001323323A (ja) | 2000-05-12 | 2001-11-22 | Aichi Steel Works Ltd | 自動車用エンジンバルブの製造方法 |
JP2002294411A (ja) | 2001-03-29 | 2002-10-09 | Tohoku Tokushuko Kk | 高温強度が大きく、かつ耐食性および耐磨耗性に優れた排気弁用鋼 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
See also references of EP2447385A4 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018016878A1 (ko) * | 2016-07-22 | 2018-01-25 | (주)계양정밀 | 텅스텐 저감형 터보차저 터빈하우징용 내열주강 및 이를 이용한 터보차저 터빈하우징 |
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