JPH03166342A

JPH03166342A - エンジンバルブ用耐熱鋼

Info

Publication number: JPH03166342A
Application number: JP2071110A
Authority: JP
Inventors: Koji Sato; 光司佐藤; Rikizo Watanabe; 力蔵渡辺
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1989-08-02
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1991-07-18
Anticipated expiration: 2015-08-07
Also published as: JP3073754B2; EP0411569B1; DE69007201T2; US5064610A; DE69007201D1; EP0411569A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、自動車等の内燃機関に用いられるエンジンバ
ルブ用耐熱鋼に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、排気バルプ鋼には、高温強度、ガソリン中に含ま
れる鉛や硫黄に対する耐食性、および耐酸化性が適度に
優れ、しかも安価な利点を有する高Ｍｎ系耐熱鋼として
知られる２１−４Ｎ鋼（０．５５Ｇ−０．２　Ｓ　Ｌ−
９Ｍｎ−４　Ｎ　ｉ−２１　Ｃ　ｒ−０．４　Ｎ　）が
広く用いられてきた。しかし、近年、ガソリンエンジン
の高効率、高出力化による燃焼温度の上昇に伴い、２１
−４Ｎ鋼より、さらに高温強度の優れたバルブ用耐熱鋼
に対する要求が高まり、これまでに、いくつかの鋼が提
案されている（特公昭６１−２０６２３号、特開昭６０
−７７９６４号、特開昭５９−２１１５５７号、特開昭
６３−８９６４５号、特開平１−７９３５１号）。

〔発明が解決しようとする課題〕

２１−４Ｎａの高温強度改良を目的とした、上述の鋼は
、いずれも２１−４Ｎ鋼と比較してＣ量が高く、またＶ
，Ｎｂ，Ｍｏ．Ｗ等の合金元素の添加量を増加させてい
るものである。高温強度の向上には、これらの添加元素
を基地に固溶させた状態、あるいは微細な炭化物として
析出強化させた状態が望ましいので、これらの合金元素
の粗大炭化物の存在は好ましくない。そこで、これらの
改良鋼は、目的とする強度を得るため、通常行なわれて
いる２１−４Ｎｌの溶体化処理温度である１０５０℃よ
りも高い１１００〜１１５０℃の固溶化処理を実施しな
ければならない。

このような固溶化処理温度の高温化は、エンジンバルブ
の製造の観点からは消費熱量の増加、炉体の損傷、場合
によっては既存設備の改良を必要とし、製品のコスト高
につながるので、従来のｌ０５０゜Ｃ付近の固溶化処理
温度でも十分な高温強度が得られる鋼が待ち望まれてい
た。

また、上記改良鋼は、高温強度の向上を図るために、Ｖ
．Ｎｂ等の耐酸化性に対し有害な元素を多く含むため、
２ｌ−４Ｎ＠よりも耐酸化性が低下してしまう欠点があ
った。

２１−４Ｎ鋼の既存の改良鋼の欠点を以下に述べる，特
公昭６１−２０６２３号に示される鋼は■、Ｎｂを多く
含むために耐酸化性が２１−４ＮｊＭより劣化してしま
う欠点があった。特開昭６０−７７９６４号に示される
合金もやはり、Ｖ．Ｎｂの添加量が多いために、耐酸化
性が不十分で、またＣの添加量が多いために、固溶化処
理を高温で行なった場合には、強度が出るものの、２１
−４Ｎ鋼と同じ固溶化処理温度では、粗大な一次炭化物
を十分に固溶することができず、強度が低下してしまう
という問題があった。

特開昭５９−２１１５５７号に示される鋼もやはりＶが
必須添加され、耐酸化性に問題がある。また、ＣとＮは
ともに炭窒化物をつくる目的で添加されているが、実施
例中にはＮの添加量が示されてなく、とりわけＣ含有量
は、０．６５〜０．７２％と高く、やはり低温の固溶化
処理では、一次炭化物が十分固溶することができず、高
温強度が不足してしまう。

特開昭６３〜８９６４５号や特開平１−７９３５　１号
に示される鋼もやはりＣが高く、低温の固溶化処理では
強度が出ないという問題があり、さらに固溶強化元素と
して、ＭｏおよびＷの作用効果が十分発揮されない難点
があった。

本発明の目的は、従来用いられている２ｌ−４Ｎ鋼と同
程度の固溶化処理温度で熱処理できて、優れた高温強度
と２１−４Ｎ鋼並みの耐食性、耐酸化性を兼備するエン
ジンバルブ用耐熱鋼を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、上述の問題点を鑑み、エンジンバルブ用耐
熱鋼の強化手段として従来の炭化物の析出強化よりも、
むしろ各種元素の固溶強化による強化を試みた。その結
果、Ｃを必要最小限の添加にとどめ、固溶強化元素とし
て置換型固溶強化元素のうち、耐酸化性の劣化の度合い
が少なく、最もクリープ強度向上に効果のあったＷと侵
入型固溶強化元素であるＮの相互作用を組合せた強化機
構により、２１−４Ｎ鋼と同じ従来の低い固溶化熱処理
温度（１０５０℃付近）において、良好な耐酸化性と高
温強度を兼ね備えた特性を有する鋼を新規に見出したも
のである。

本発明の耐熱鋼の特徴のひとつは、先に述べた２１−４
Ｎ鋼の改良鋼と異なり、耐酸化性に対し有害な作用を及
ぼす元素である■を添加しない点にある。

すなわち、本発明のうちの第１発明は、重量％で、Ｇ　
０．０１％以上０．２０％未満、Ｓｉ０．０５〜１．０
％、Ｍｎ　７．５〜１５．０％、ＮｉとＣｏの１種また
は２種をＮｉ十Ｇｏで２．０−２０．０％，　Ｃｒ　１
５．０−２５．０％，　Ｍｏ　３．０％以下、Ｗ２。０
％を越え１０．０％以下、Ｎｂ　０．０１％以上０．５
０％未満、Ｎ　０．３０〜０．６５％、Ｂ　０．０２％
以下、および不可避の不純物を含み、残部Ｆｅの組成の
鋼からなることを特徴とするエンジンバルブ用耐熱鋼で
あり、第２発明はＣｏの含有量がＧｏ％＝（Ｎｉ±５）
尤の範囲である第１発明に記載のエンジンバルブ用耐熱
鋼である。第３発明は大気中において、１０００℃で１
００時間保持したときの酸化減量が０．１５ｍｇ／ａｄ
／時間以下であり、かつ１０３０〜ｌ０７０゜Ｃの固溶
化処理後に時効処理を行なった鯛が９００℃における引
張強さで２０ＩＣｇｆ／ｍｍ”以上、また９００℃にお
ける６ｋｇｆ／　ｍｍ　”の応力負荷時のクリープ破断
寿命が２５時間以上である第１発明または第２発明に記
載のエンジンバルブ用耐熱鋼である。

〔作用〕

まず、本発明における数値の限定理由について述べる。

Ｃは極めて強いオーステナイト生成元素で、基地をオー
ステナイトにし、強度を上げるために必要な元素である
ので、最低０．０１％を必要とする。

しかし、Ｃ量が増加するにつれて炭化物の生成量が増加
し、０．２０％以上になると１０５０℃前後の低温の固
溶化処理温度では、炭化物の固溶が十分に行なわれず、
添加合金元素が基地の強化に役立たない。また、高温の
クリープ強度向上に対しては、結晶粒が適度な大きさに
成長することが望ましく、このような炭化物の増加は粒
或長を抑制し、クリープ強度に対し有効でない。

さらに、過度のＣの添加は、本発明鋼の主要強化元素で
あるＮの固溶度を低下させることになるので、Ｃの範囲
を０．０１〜０．２０％未満に限定する。バルブ用耐熱
鋼にあって、Ｃ量をこのように低く限定していることは
本合金の１つの大きな特徴である。

Ｓｉは、溶解時の脱酸剤、ならびに高温での耐酸化性を
付与するのに有効な元素であり、最低０．０５％を必要
とする。しかし、１．０％を越えるＳＬは有鉛ガソリン
中に含まれるＰｂＯの耐食性に対し、有害であり、また
、高温強度に対しても有効でないので、Ｓｔの範囲は０
．０５〜１．０％とした。

Ｍｎは、基地のオーステナイトを安定化させ、高価なＮ
ｉ．Ｇｏの代替元素として作用する。さらに、ＭｎはＮ
との組合せで、ＰｂＯに対する耐食性の改善に顕著な効
果を与えるため、最低限７．５％必要である。しかし、
１５．０％を越えるとＣｒとの相乗効果で有害なシグマ
相を析出しやすくなるので、Ｍｎは７．５〜１５．０％
とする。

Ｃｒはバルブ用耐熱鋼の耐食性、耐酸化性向上に不可欠
な元素で、最低１５．０％を必要とする。しかし、２５
％を越えるとシグマ相が析出しゃすくなるのでＣｒは１
５．０〜２５．０％に限定する。

ＮｉとＣｏは基地のオーステナイトを安定化するために
必要な元素であり、強度、耐食性、耐酸化性を保つため
に、ＮｉおよびＣｏの少なくとも１種は２．０％以上必
要である。

しかし、過度のＮｉとＣｏの添加は、本発明鋼の主要強
化元素であるＮの固溶度を減ずる二とと、鋼を高価にす
ることのために、ＮｉとＧｏの１種または２種をＮｉ＋
Ｃｏで２．０〜２０．０％に限定する。

また、本発明鋼においては、ＮｉとＧｏは単独でも良好
な特性が得られるが、特に両者が重量比でほぼ１：１の
割合で含まれるときに最も強度が高くなることがわかっ
たので、望ましくはＣｏ％＝（Ｎｉ±５）％の範囲内で
ＮｉとＣｏをほぼ等量に添加するとよい。

Ｍｏは、基地に置換型原子として固溶すると同時に一部
が炭化物を形成して高温強度を保つ。しかし、その効果
については次に述べるように、Ｗの方が明らかに有効に
働くので、Ｍｏは３．０％以下に限定する。

ＷはＭＯと同族の元素でＭｏと同様、基地に置換型原子
として固溶すると同時に、一部が炭化物を生成して高温
強度を保つ。しかし、ＷはＭＯの２倍の原子量をもつが
ゆえに、高温における拡散速度が小さく、その結果、ク
リープ破断強度を向上する効果が大きい。また、置換型
固溶強化元素であるＷは侵入型固有強化元素であるＮと
の相互作用により、それぞれ単独の添加の場合に比べ、
よリー層高温強度向上に役立つ。

以上の理由により、Ｗは本発明鋼の必須添加元素であり
、２．０％以下では十分な高温強度が得られず、また、
１０．０％を越えるＷの添加は十分な効果をもたらさず
、いたずらに鋼の比重と価格を高めるだけなので、Ｗは
２．０％を越えＬ０．Ｏ％以下に限定する。

Ｎｂは高温まで安定な微細一次炭化物を生成し、オース
テナイトの結晶粒粗大化を防止して、適度な結晶粒径が
得られ、その結果、良好な高温引張強度と、クリープ破
断強度が得られる。そのために、必要なＮｂ量は０．０
１％以上であるが、０．５％以上になると耐酸化性が著
しく劣化するので、Ｎｂの含有量は０．０１％以上０．
５％未満とする。

ＮはＣと並ぶ強いオーステナイト生成元素であるが、本
発明鋼においてはＣと異なってＮｂ，Ｍｏ、Ｗ，Ｃｒ等
の合金元素とほとんど化合物を作らず、侵入型固溶強化
元素として働く。そのために、本発明鋼が目的とする１
０５０℃前後の溶体化処理温度ても、添加したほぼ全量
が基地の固溶強化に役立ち、上述の置換型固溶強化元素
とともに、高温強度向上に対し非常に有効に働く。この
ような効果を付与するために、Ｎは最低０．３０％以上
を必要とするが、本発明鋼の組成範囲では、Ｎの固溶度
は最大０．６５％であるので、Ｎは０．３０〜０．６５
％に限定する。

Ｂは微量添加により、結晶粒界に偏析し、クリープ破断
強度と熱間加工性改善に役立つが、そのために有効な量
は０．０２％以下である。

本発明にかかるエンジンバルブ用耐熱鋼は、上記した主
要元素と、下記に示す不可避の不純物と残部Ｆｅから構
成される鉄基の合金である。

Ｐ≦０．０４％　　　　■≦０．１％　　　　Ｃａ≦０
．０２％Ｓ≦０．０３％　　　　Ｔａ≦０．１％Ｃｕ≦
０．３０％　　　　Ｍｇ≦０．０２％次に、本発明の第
３発明の数値限定理由について解説する。

本発明は前記組成の鋼を、溶解精錬後、造塊し、鍛造ま
たは圧延等で所望の形状に成形する。次いで、２１−４
Ｎ鋼の標準的な溶体化処理温度である１０３０〜１０７
０℃の温度範囲で１５〜６０分の溶体化処理後、急冷す
る。そして再び加熱して７５０℃前後にて１〜４時間の
時効処理をして、使用する。

このようにして得られたエンジンバルブ用耐熱鋼は、２
１−４Ｎ鋼並みの耐食性、耐酸化性と，特公昭６１−２
０６２３号に開示される鋼と同等以上の高温強度とを兼
備させるために、以下に示す特性を同時に満足すること
が望ましい。すなわち、本発明鋼は大気中において、１
０００℃で１００時間保持したときの酸化減量が０．ｌ
５■／ａｄ／時間以下であり、かつ１０３０〜１０７０
℃の固溶化処理後に時効処理を行なった鋼が９００℃に
おける引張強さで２０１ｇ（ｆ／ｍｍ″以上または９０
０℃における６　ｋｇｆ　／　ｍｍ　”の応力負荷時の
クリープ破断寿命が２５時間以上とする。上記高温特性
のうちのひとつでも未達の場合には、エンジンバルブ用
耐熱鋼として不十分なため、それぞれの値を０．１５ｍ
ｇ／ｃｍ／時間以下、２０ｋｇｆ／ｍｍ”以上および２
５時間以上に限定する。

〔実施例〕

本発明鋼、比較鋼および従来鋼は、大気誘導炉にて溶製
し、１０ｋｇのインゴットにした後、１１００℃加熱で
３０＋＋＋＋ｎ角の棒材に鍛伸した。固溶化処理は、１
０５０℃で３０分保持後、空冷とし、さらに７５０℃で
４時間保持後、空冷の時効処理を行なった。その後、所
定の試験片形状に加工し、実験に供した。各試料の組成
を第ｌ表に、また実験結果を第２表に示す。試料Ｎｏ．
１〜５および３１〜３７は本発明鋼、Ｎｏ．１１，ｌ２
および４１は比較鋼、Ｎｏ．２１．２２は従来鋼である
。

従来鋼ノウチ、Ｎｏ．２１は２　１−４Ｎｇであり、Ｎ
ｏ．２２は２１−４Ｎ＃Ｉよりもクリープ破断強度に優
れた特公昭６１−２０６２３号に記載された高Ｍｎ耐熱
鋼である。

本発明鋼はいずれも優れた高温強度と耐食、耐酸化性を
示す。Ｎ０．１〜５はＣが０．１５％レベルのもので、
Ｎｏ．３１〜３７はＣが０．０５％レベルのものである
。

Ｎｏ．１〜５を比較すると、ＮＬとＣｏを３％ずつ含む
Ｎｏ．２は、それぞれＮｉとＣｏを単独で６％ずつ含む
Ｎ０．ｌやＮｏ．５に比べ、９００℃の耐力、引張強さ
が高く、ＮｉとＣｏは複合添加した方が効果が大きい。

また、９％Ｎｊと６％Ｃｏを含むＮｏ．３３は、１２％
Ｎｉと３％Ｃｏを含むＮｏ．３５より９００℃の耐力、
引張強さが高く、Ｎｏ．３３とＮｏ．３５を比較してみ
ると、同じ（Ｎｉ十Ｃ　ｏ　）％の場合でも、ＮｉとＧ
ｏの比がより１に近い方が、より高温強度が高いことが
わかる。これらの例から、Ｃｏ％＝（Ｎｉ±５）％を満
足すると強度がさらに高くなることがわかる。

また、Ｎｏ．３のようにＮ量が低くなると高温強度は低
下する傾向にあり、Ｎは本発明鋼において、重要な役割
を果していることがわかる。Ｎｏ．３１，Ｎｏ．３２も
Ｎｏ．３と同等のＮｉであるが、これらの合金の場合は
Ｃ量の低下、Ｗ当量の増加によってＮ低下による強度低
下を最小限に留めている。

比較鋼Ｎｏ．１２は、本発明鋼のＮｏ．１〜５のＭｏ当
量（Ｍｏ＋１／２Ｗ）＝２．２より高いＭｏ量（２．４
５％）であり、９００℃の引張強度は高いが、９００℃
のクリープ破断強度が本発明鋼に比べ劣っている。これ
は、本発ＩＩｓに含まれるＷの効果であり、Ｍｏ単独で
は、本発明の意図するバルブ材としての良好な特性が得
られないことがわかる。またＮｏ．３１とＮｏ．３２の
比較でもＷを一部ＭＯと置換することで、わずかにクリ
ープ破断寿命が低下することがわかる。さらにＮｏ．３
６のようにＷ量が高いほど、クリープ破断寿命は高くな
っているこどもわかる。

比較鋼Ｎｏ．１１は、本発明鋼Ｎｏ．１〜５と同等の（
Ｃ十Ｎ）量ではあるが、本発明鋼に比べＣが高く、Ｎの
低い組成である。この合金Ｎｏ．１１には、Ｗ，Ｍｏ．
Ｃｒの粗大炭化物が多く存在し、ｌ０５０℃の固溶化処
理ではこのような粗大な炭化物は十分に固溶せず、基地
の強化に十分役立たない。また、この粗大炭化物は結晶
粒成長を抑制するため、クリープ破断寿命が本発明鋼の
レベルに比べ半分以下であった。また、Ｎ量が低いため
、ＰｂＯの腐食減量値がやや大きくなっている。

比較鋼Ｎｏ．４１は、本発明鋼Ｎ０．２のＮｂ量を高め
たものであり、高温強度は良好な値が得られるが、耐酸
化性が本発明鋼に比べ、大幅に劣り、Ｎｂの過度の添加
は耐酸化性に対し、有害であることがわかる。

本発明鋼は従来鋼Ｎｏ．２１（２　１　−　４　Ｎ鋼）
に比べ、９００℃の耐力、引張強さ、クリープ破断強度
において大幅な改良がなされていることがわかる。

従来鋼Ｎｏ．２２は１０５０℃の固溶化処理では、９０
０℃のクリープ破断寿命が本発明鋼の半分以下であり、
低温の固溶化処理では十分に鋼Ｎｏ．２２の本来の特性
が引き出せない。また、この鋼には高温強度向上のため
に、Ｖ，Ｎｂ等の耐酸化性に有害な元素が多く含まれ、
他の鋼に比べ耐酸化性が大幅に低下していることがわか
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来から用いられている２１−４Ｎ鋼
と同程度の比較的低い固溶化処理温度で熱処理すること
ができ、従来の鋼よりも優れた高温強度を有する鋼を提
供することができる。しかも、本発明鋼は耐食、耐酸化
性においても２１−４Ｎ鋼と同程度の特性を有し、既存
の高温強度改良鋼より優れた耐食、耐酸化性を兼備して
いるものである。したがって、本発明鋼を用いれば，自
動車エンシンバルブの使用温度を上昇させることができ
、その結果、高出力、高効率のエンジンが製造可能とな
る。

手続補正書（自発）平成年２．　ｃＪ３２０日

Claims

【特許請求の範囲】１　重量％で、Ｃ０．０１％以上０．２０％未満、Ｓｉ
０．０５〜１．０％、Ｍｎ７．５〜１５．０％、Ｎｉと
Ｃｏの１種または２種をＮｉ＋Ｃｏで２．０〜２０．０
、Ｃｒ１５．０〜２５．０％、Ｍｏ３．０％以下、Ｗ２
．０％を越え１０．０％以下、Ｎｂ０．０１％以上０．
５０％未満、Ｎ０．３０〜０．６５％、Ｂ０．０２％以
下、および不可避の不純物を含み、残部Ｆｅの組成の鋼
からなることを特徴とするエンジンバルブ用耐熱鋼。２　Ｃｏの含有量がＣｏ％＝（Ｎｉ±５）％の範囲であ
る請求項１に記載のエンジンバルブ用耐熱鋼。３　大気中において、１０００℃で１００時間保持した
ときの酸化減量が０．１５ｍｇ／ｃｍ＾２／時間以下で
あり、かつ１０３０〜１０７０℃の固溶化処理後に時効
処理を行なった鋼が９００℃における引張強さで２０ｋ
ｇｆ／ｍｍ＾２以上、また９００℃における６ｋｇｆ／
ｍｍ＾２の応力負荷時のクリープ破断寿命が２５時間以
上である請求項１または２に記載のエンジンバルブ用耐
熱鋼。