JPH03177543A - 弁用鋼 - Google Patents

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］ 本発明は内燃機関の弁、特に自動車用エンジンの排気弁
として疲労強度、耐食性および耐クリープ性に優れた弁
用鋼に関する。

「尽凄の姑枕１］ 従来より自動車等の内燃機関としてガソリン・エンジン
およびディーゼル・エンジンが主流であり、その排気弁
にはＪＩＳ　　５ＵＨ３５系の高マンガン鉄基合金が多
く用いられてきている９近羊特にディーゼル・エンジン
においても、ガソリン・エンジン同様高熱効率化、高回
転化等と共に、メインテナンス・フリー化のげ向が強ま
ってきている。このように高熱効率化のための燃焼温度
の上昇と高回転化による非摩耗に対し、５ＵＨ３５系弁
用鋼使用に際しては、高Ｃｏ−Ｃｒ含有のステライト肉
盛りを施した高価な加工弁を用いるか、または高温強度
およびクリープ特性の優れたニッケル基合金、例えばＪ
ＩＳ　　ＮＣＦ７５１等を用いて対処している。

しかし、上記の５ＵＨ３５系き金では８５０°Ｃ程度の
疲労強度が１．５　ｋｇｆ　／　ｍｍ２以下であり、ま
たＮＣＦ７５１でも大差なく、逆に硫ｆヒ耐食性が劣る
ほか、Ｎ１が主成分で１ｐ）るためコスト高の問題があ
る。

そ、＝て゛　特公昭６２−１３４２８号公報等に記載さ
れた鉄基で高温強度の大きな安価な合金が開発されたが
、実用上で耐酸化性、耐クリープ性がなお不足している
ことが判った。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は前記のごとき内燃機関用の弁用鋼の従来技術に
鑑みてなされたものであり、その目的は特公昭６２−１
３／１２８号公報の弁用鋼の改良を主とし、鉄基で各種
高性能エンジンに対応する熱間疲労強度の大きな、耐酸
化性、耐食性、耐クリープ性に優れた排気弁用鋼を提供
することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明者はエンジンの高性能化に十分対応できる熱間疲
労強度が大きく、耐酸化性、耐食性、クリープ特性に優
れた装置な材料を得るため、多数の鉄基合金を検討した
結果、本発明を完成したものである。

すなわち、本発明の弁用鋼は、重量％で、Ｃ；０．３５
５〜０．／＋　５％、Ｓｉ；１．０％以下、Ｍｎ；５０
〜８，０％未満、Ｎｉ；７．０〜１１．０％、Ｃｒ；２
２．０〜２５．０％、Ｎ　；ｏ　、３０〜０．４５％、
しかもＣ＋Ｎ；０．７５〜０．８５％であって、さらに
Ｍｏ・１．０を越えて３．０％、Ｎｂ；０．３０〜１．
５％、５ｏｌＡ　Ｉ；０．００５〜０．０３％、Ｂ；０
゜００１〜０．０１％を複合含有し、残部がＦｅおよび
不可避の不純物元素からなることを要旨とする熱間疲労
強度の大きな、かつ耐食性、クリープ特性に優れた弁用
鋼である。

本発明の弁用鋼は、時効によって炭窒化物等を組織中に
析出させ、これによって機械的性質が強化される析出効
果型合金である。従って、本発明鋼は、棒鋼に圧延後非
成形において、１１５０℃以上の温度で加熱・加工後、
さらに１０５０〜１１５０℃の温度で固溶化および適正
な時効処理を施して用いられる。

本発明の弁用鋼において、加工温度を１１５０℃以上と
し、１０５０〜１１５０℃の固溶化温度を選択したのは
、オーステナイト基地への合金元素による固溶強化と結
晶粒の成長作用を意図したものである。また１時効処理
により炭窒化物を組織中に析出させ、これによって高温
機械的性質が強化され、かつクリープ特性の向上が達成
される。

次に、本発明の弁用鋼において、成分組成を限定した埋
巾について説明する。

Ｃはオーステナイト組織の安定化と共に、炭窒化物を形
成し、組織の強化に不可欠であるが、０３５％以下では
強度不足を来し、０４５％を越えると、クリープ特性を
劣化させるため、Ｃ含有量は０．３５５〜０．４５％と
した。

ＮはＣと作用して炭窒化物を形成し、高温強度を促すた
め、少なくとも０．３０％以上を含有する必要がある。

しかし、０．／１５％を越えるとクリープ特性が急激に
劣化する。そのため、Ｎ含有量は０．３０〜０　・１５
％とした。

Ｃ＋Ｎは本発明鋼において適正な含有量が不可欠で、０
．７５％未満では本発明鋼が意図する高温強度が得られ
ず、またＣｒ含有量と相応し、σ相析田による靭性劣化
の弊害を考慮して、下限をｏ　　７５？ｇとした。一方
Ｃ＋Ｎが０．８５％を越えると、Ｃｒ含有量下限の場合
クリープ特性が得られないため、Ｃ＋Ｎ含有量は０．７
５〜０．８５％に限定した。なお、第３図は本発明鋼お
よび比較鋼のＣ＋Ｎ含有量と９００℃における引張強度
（σＢ〉およびクリープたわみ量（ΔＸ）との関係を示
す線図であるが、第３図より明らかなように、０゜７５
％未満になると、引張強さが２２　ｋｇｆ　／　ｍ＋＊
”を下回り、０．８５％を越えるとクリープたわみ量が
２０１を越るので、Ｃ＋Ｎ含有量の適正範囲が０．７５
〜０．８５％であることが判る。

Ｓｉは脱酸剤として、また硫化腐食に対して有効な元素
であるが、酸化鉛腐食性には有害である。

また、高Ｃｒ鋼ではσ相生成を助長し、さらに過度の含
有は熱間加工性の劣化につながるので、１０％以下とし
た。なお、第５図は鍛造試験における限界加工率とＳｉ
含有量との関係を示す線図であるが、第５図において、
Ｓｉ含有量０．２０５’≦であるのものに比べて、Ｓｉ
含有量が１．５７％になると変形率がかなり劣化するこ
とが判る。

ＭｎはＮｉおよびＣ，Ｎと共にオーステナイト組織の安
定化を促す有効元素である。また、硫化杓系環境での耐
食性改善のため最低限５．０％以上必要であり、８．０
％以上では本発明鋼のクリープ特性および酸化抵抗が減
少するため、Ｍｎ含有量は５．０〜８．０％未満とした
。

Ｎｉはオーステナイト組織安定化のための必須構成成分
であるが、耐食性、耐酸化性改善のため７．０％以上を
必要とし、１１．０％を越えても耐熱・耐食効果に寄与
−せず、高温硬度の低下を招き、またコストアップにつ
ながる。そのため、Ｎｉ含有量は７．０〜１１．０％と
した。

Ｃｒは耐熱・耐酸化性および耐食性を向上させ、かつ多
量のＮを固溶させるため２２．０％以上必要である、し
かし、過多の含有はσ相形成による脆化を招くので、２
５．０％以下とした。

Ｍｏは基地に固溶すると同時に、一部炭窒化物を形成し
て高温の強度を維持する。そのため、最低限１．０％以
上が必要であり、３．０％で飽和するので、Ｍｏ含有量
は１．０を越えて〜３．０％とした。

Ｎｂは高温で安定な炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化
防止および高温の強度低下を防止する。

そのため、０．３〜１．５％含有できる。しかし過多の
含有は固溶Ｃ濃度を減じ基地の硬化特性を減じるため、
望ましくは０．３０〜０．４９５％の範囲が有効である
。

Ｂはオーステナイト粒界を強化するため、熱間加工性、
高温の強度およびクリープ特性改善に効果がある。前記
効果を得るためには０．００１％以上添加する必要があ
るが、過度の含有は粒界溶融温度が低下し熱間加工性が
劣化するので、０゜０１％以下に限定した。なお、第４
図は鍛造試験における限界加工率とＢ含有量との関係を
示す線図であるが、第４図において、０．００３％添加
のものは、無添加のものに比べて限界加工率の上昇がみ
られる。しかし、０．０１５％添加したものは、無添加
のものより限界加工率は改善されているものの、０．０
０３％添加のものより、やや限界加工率の低下が見られ
る。従って、Ｂ含有量の適正範囲は、０．００１〜ｏ、
ｏｔｏ％であることが知見された。

Ａ１は強力な脱酸元素である。非金属介在物低減に基づ
く熱間加圧性改善（ｍ塊から弁数形まで）のため、鋼中
Ａ１を０．００５〜０．０３％にコントロールした。０
．００５％以下では耐火物や含有成分系酸化物が排除で
きず、また０、０３％以上では、大気汚染を受は易いか
らである。なお、第６図は鋼中Ａ１含有量と酸素含有量
および弁数形加工不良率との関係を示す線図であるが、
第６図から明らかなように、ＡＩ含有量が０．００５〜
０．０３％において、酸素含有量および弁成形加工不良
率共に低い値を示している。

［作用］ 本発明鋼においては、特公昭６２　１３４２８号公報の
弁用鋼に対比してＣ，Ｎの３Ｊｌ整とＭ　ｎ、Ｍｏ、Ｎ
ｌ）の低減により、熱間疲労強度が維持され、クリープ
特性の改善が図られ、Ｎｉ、Ｃｒを増加することにより
耐食性を、Ｍｎ低減およびＣｕ削除で耐酸化性の改善を
図ったものである。

本発明の弁用鋼の製造方法および弁数形の条件を説明す
れば、前記組成の合金を大気溶解炉と炉鍛造および所定
寸法に圧延加工後、１０５０℃で３０分保持した後、水
冷する簡易固溶化処理を施して棒鋼を製造する。

次に所定の長さに切断し、１１５０℃以上に加熱して弁
を成形した後、１０５０〜１１５０℃で３０〜６０分保
持して水冷する。仕上加工温度を１１５０℃以上、およ
び固溶化処理温度を１０５０〜１１５０℃に限定する理
由は、前記したように合金元素をオーステナイトに固溶
させるためであり、また結晶粒度を調整するためである
０次に７５０℃に加熱して４時間保持し空冷する時効処
理を施す。

［実施例］ 本発明の弁用鋼の実施例を比較例および従来例と共に説
明し、本発明の特徴を明らかにする。

先ず、第１表に示す化学組成のき金を大気高周波炉にて
溶製し、３．５ｋｇのインゴットに鋳造した後、鍛造（
２０ｍｍ角〉、圧延加工（１０■丸）して９種類の試料
を作製した。

／　　　　Ｎ”’Ｉτ　　　、７＞　　　　内　　　　
＼第１表に示すＮｏ、１〜Ｎｏ、３は本発明品であり、
Ｎｏ、４〜Ｎｏ、６はＭｏ、　ＮｂまたはＢ、ＡＩを含
有しない比較例である。Ｎｏ、７〜９は従来例でＮｏ。

７は特公昭６２−１３４２８の弁用鋼であり、Ｎｏ、８
はＪＩＳ　　５ＵＨ３５、ＮＯ１９はＪＩＳ　　ＮＣＦ
７５１である。

次ニ、第１　ａ中ｆ）Ｎｏ、　１〜Ｎｏ、８ノ試ｆｕヲ
１１００℃で、またＮｏ、９の試料を１０００℃でそれ
ぞれ２０分保持後水冷し、さらに７５０℃に加熱して４
時間保持後空冷し、次の試験を行った。

（１）熱間疲労強度 本発明品と比較例の材料について、小野式回転曲げ試験
機で７５０℃および８５０℃における疲労試験を実施し
た。試験結果を第２表に示す９（以下余白〉 第 表 熱間疲労強度（ｋｇｆ／間２〉 第２表に示したように、本発明品のＮ０１１〜Ｎｏ、３
は、７５０℃においては２３　ｋｇｆ／　ｍｍ２以上、
８５０℃においては１７ｋｇｆ／ｍｍ２以上であり、Ｎ
ｏ、７の改良前高と同等以上の強度が得られ、Ｎｏ。

８の５ＵＨ３５系合金よりもかなり大きく、また熱処理
省略のＮＣＦ７５１よりも改善されていることが確認さ
れた。

（２）硫化腐食減量、酸化鉛腐食減量 および酸化増量 本発明品および比較例の材料について耐硫化腐食試験、
酸化鉛腐食試験および耐酸化試験を行った。試験結果を
第３表に示した。

耐硫化腐食試験は、軽油等の燃焼生成物による含硫黄の
高温腐食雰囲気に対する耐食性の試験であって、８７０
℃るつぼ中の合成炭（１０ＣａＳ○４−６ＢａＳＯ，・
２ＮａＳＯ，’　ＩＣ）を２４時間毎に交換して７７時
間経過後、試料表面を清浄化して腐食減量を調べた。ま
た、酸化鉛腐食減量は、試料を９２０℃の酸化鉛・硫酸
鉛を混合したき成調べた。

硫化腐食減量については、本発明のＮｏ、１〜Ｎｏ、３
はそれぞれ３〜５　ｍｇ／　ａｍ２であり、比較例のＳ
　Ｕ　Ｎ　３５系に比較し半減しており、ＮＣＦ７５１
より遥かに少なく、またＮｏ、７の改良前高より相当改
善されていることが判明した。

また、酸化鉛腐食減量は本発明のＮｏ、１〜３では、３
５〜４０ｆｆ１ｇ／ｃｍ２であって、Ｎｏ、７の改良前
高の２２０　ｍｇ／　ａｎ２、Ｎｏ、８の５ＵＨ３５系
の２４０τｆｉｇ／ｃ、、２に比べて、著しく改善され
たことが確認された。

耐酸化試験は、試料を大気中で１０００℃で１００時間
保持した後の酸化増量を測定するものである。第３表（
こ示す酸化増量より明らかなように、Ｎｏ、１〜Ｎｏ、
３の本発明品はＮｏ、７改良前品より大幅に減少し、Ｍ
ｎ低減およびＣｕ削除の効果が認ｙ）られた。また、Ｓ
　Ｕ　Ｈ３５系合金より優れている。

（３）引張強度と曲げクリープ・たわみ量次に、本発明
品および比較例を用いて９００’Ｃで１５分の短時間加
熱保持後の引張試験を行い、同時に２００時間保持の曲
げクリープ試験を行い、得られた結果を第１図にまとめ
て示した。

第１図に見られるように、本発明品のＮｏ、１〜Ｎｏ、
３とその合金組成の範囲の材料は、引張強さ（σ、）が
２２　、５　ｋｇｒ／　ｍｍ”以上であり。かつ曲げ応
力３　、２　ｋｇｆ　／　ｍ＋ｍ２の条件下のクリープ
たわみ量（ΔＸ）が目標値の２０ｍｎ＋以下であった。

一方、比較例の材料のＮ０１８の５ＵＨ３５系合金はσ
８は２１　ｋｇｆ／　ｍｍ２およびΔＸが２０１以上と
両特性で本発明品に遠くおよばない、また、Ｎｏ、５〜
６等本北本発明Ｃ＋Ｎ；０．７５〜０．８　’３％範囲
外の材料は、０．７５％以下ではσ８が低く、０．８５
％を越え、かつＮが０，４５％を越える材料では、ΔＮ
が大きく劣るものである。さらに、改良前高Ｎｏ、７の
Δ×は試験温度８５０℃のとき、大略間等であった。

なお、曲げクリープ試験は、３　、２　ｋｇｆ　／　ｍ
ｍ２の片持ち応力のもとで、９００℃で２時間保持した
ときのたわみ量を測定したものである。これは排気弁と
して作動中に弁傘部の湾曲および弁首部曲がりにより、
着座不良の原因となるため、その判断基準に用いたもの
である。

第２図はＩＩＪＩ　４デクリープ試験済み力試験片の結
晶粒度を調べ曲げクリープたわみ量との関係をまとめた
ものである。第２図の結果から明らかなように、本発明
が意図する曲げクリープたわみ量を確保するために、オ
ーステナイト結晶粒度をＪＩＳＧ−０５５１の粒度番号
でＮｏ、５〜８に調整することが必要である。

［発明の効果］ 本発明の弁用鋼は以上説明したように、熟間疲労強度、
耐酸化性、耐食性、およびクリープ特性の優れたもので
ある。

すなわち、８５０℃における熟間疲労強度はＭＯおよび
Ｎｂを含まない比較鋼で１．６　ｋｇｆ　／　ｍｎ＋２
以上、ＭｏおよびＮｌｌを複き添加した本発明鋼で１７
ｋｇｆ／ｌｌｌｍ２以上であり、Ｓ　Ｕ　Ｈ３５系今金
に対し概ね１５％改善されている。また、固溶化処理を
省略したＮＣＦ７５１より大きい。

また、燃焼生成物による硫化物腐食性については、き戒
灰を用い８７０℃で７７時間侵食させたときの腐食減量
が、３〜５ｍｇ／ａｍ２であり、ＮＣＦ７５１の約１０
分の１と大幅に改善され、かつ５ＵＨ３５系合金より少
ない。また、酸化鉛・硫酸鉛混合の合戒灰を用い９２０
℃で１時間浸食させた腐食減量も３５〜４０ｍｇ／ｃ−
と少ない。

さらに、本発明の弁用鋼は高温における引張強さが大き
く、曲げクリープたわみ量が小さく、かつ高温酸化度合
も小さい特徴を有する。

そのため、本発明の弁用鋼は、高性能エンジンの排気用
弁材料として極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼と比較鋼の引張強さと曲げクリープた
わみ量を示す線図、第２図は曲げクリープたわみ量と結
晶粒度の関係を示すＶ＆図、第３図は本発明鋼および比
！２Ｗ４のＣ＋Ｎ含有量と９００℃における引張強度（
σｌＩ）および曲げクリープたわみＭ（Δ×）との関係
を示す線図、第１１図は鍛造試験における限界加工率と
Ｂ含有量との関係を示す線図、第５図は鍛造試験におけ
る限界加工率とＳｉ含有量との関係を示す線図、第６図
は鋼中Ａ１含有量と酸素含有量および非成形加工不良率
との関係を示す線図である。 許 出 埋 願 トヨタ自動車株式会社 東北特殊鋼株式会社 愛三工業株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ；０．３５５〜０．４５％、Ｓｉ；
   １．０％以下、Ｍｎ；５．０〜８．０％未満、Ｎｉ；７
   ．０〜１１．０％、Ｃｒ；２２．０〜２５．０％、Ｎ；
   ０．３０〜０．４５％、しかもＣ＋Ｎ；０．７５〜０．
   ８５％であって、さらにＭｏ；１．０を越えて３．０％
   、Ｎｂ；０．３０〜１．５％、ｓｏｌＡｌ；０．００５
   〜０．０３％、Ｂ；０．００１〜０．０１％を複合含有
   し、残部がＦｅおよび不可避の不純物元素からなること
   を特徴とする熱間疲労強度の大きな、かつ耐食性、クリ
   ープ特性に優れた弁用鋼。