JPS59211557A

JPS59211557A - 耐熱鋼

Info

Publication number: JPS59211557A
Application number: JP8576383A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kato; 哲男加藤; Susumu Isobe; 磯部　晋; Kenkichi Matsunaga; 松永　健吉
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1983-05-18
Filing date: 1983-05-18
Publication date: 1984-11-30

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】この発明は、高温強度および耐食性に優れ、特に内燃機
関の動弁機構部品であるバルブ用材料として優れた特性
を有する高Ｍｎ系の耐熱鋼に関するものである。

従来、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃
機関の排気バルブには、２ｌ−２Ｎ鋼（Ｃ：０．５５％
、Ｓｔ：≦０．２５％、Ｍｎ：８．５％、Ｎｉ：２％、
Ｃｒ：２１％、Ｎ：０゜３％、Ｓ：０．０４％）や、２
１　Ｌ−４Ｎ鋼（ＳＵＨ３６鋼）（Ｃｏｏ。５３％、Ｓ
ｉ：≦０．７５％、Ｍｎ：９．０％、Ｎｉ：４％、Ｃｒ
：２１％、Ｎ：０．４％、Ｓ：０．０６％）などの耐熱
鋼が多く用いられてきた。しかしながら、従来の耐熱鋼
では、Ｃｒを２１％前後含有しているため、戦略物質で
ありしかもＣｒの産出国が限られていることからその入
手に大きな不安があるという問題点があった。

この発明は、上記した従来の問題点に着目してなされた
もので、Ｃｒ含有量を少なくしたときでも高温強度およ
び耐酸化性に優れており、価格ならびに原料入手の上で
有利であると共に、現用の排気バルブ用鋼とほぼ同等の
高温疲労強度を肴し、排気／ヘルプ用材料あるいは耐熱
ボルト用材料として好適に使用することができる耐熱鋼
を提供することを目的としている。

すなわち、この発明による耐熱鋼は、重量％で、Ｃ＋Ｎ：０．５〜１．０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：８〜２０％Ｃｒ：　５〜２
０％、Ｎｉ：０．５〜５％Ｖ：０．２〜２％を基本組成
とし、− Ｍ　ｏ　：　０　、３〜３．５％、Ａ文二０．５〜４％
のうちの１種または２種を含み、さらに使用目的等に応じて、Ｔｉ：０１１〜２％、Ｗ：０．１〜３％。

Ｎｂ＋Ｔａ：０．１〜３％のうちの１種または２種以上
、Ｚｒ：０．０１〜０．２％。

Ｂ：０．ＯＯ１〜０，０２％のうちの１種または２種を
含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなることを特徴とし
、高Ｍｎ鋼において炭窒化物〔Ｖ（Ｃ、Ｎ）　）を適量
形成させることによって強度の改善をはかると共に、Ｍ
ｏ、ＡＭの１種以上を添加することによってとくに高温
での短時間引張強度およびクリープ破断強度を著しく向
上させたものであり、高負荷の排気バルブ、耐熱ボルト
。

耐熱部品等に適するものであることを特徴とじている。

以下、この発明の耐熱鋼の成分範囲（重量％）の限定理
由について説明する。

Ｃ＋Ｎ　（炭素＋窒素）’　：　０　、５〜ｔ、ｏ７１
０ＣおよびＮはＶと結合して炭窒化物を形成することに
より母材の強度を高めるのに有効な元素であって、この
ためにはＣおよびＮの合計で０，５％以上含有させるこ
とが必要である。しかし、多量に含有すると耐食性か劣
化するばかりでなく、靭性も低下するので１，０％以下
とする必要がある。

Ｓｉ（けい素）：１．０％以下Ｓｉは溶解精錬時の脱酸成分として有効な元素であるが
、多量に含有すると靭性が劣化し、被削性やＰｂＯｌｔ
食性も低下するので１．０％以下とする必要がある。

Ｍｎ（マンガン）二８〜２０％Ｍｎは組織をオーステナイト化して高温強度の向上をは
かるのに有効な元素であるが、８％未満ではオーステナ
イトか不安定となるので８％以上含有させることが必要
である。しかし、多量に含有すると耐酸化性が劣化する
ので２０％以下とする必要がある。

Ｃｒ（クロム）：５〜２０％Ｃｒは耐熱鋼として要求される耐食性や耐酸化性を確保
するために必要な元素であり、とくに排気用バルブに要
求される耐酸、耐食性の向上に有効な元素であって、こ
のためには５％以上含有させることが必要である。しか
し、あまり多量に含有させるとオーステナイト相が不安
定になり高温強度が低下するため、２０％以下とする必
要がある。しかし本発明は省Ｃｒの観点から出来る限り
Ｃｒ使用量を減らすことを目的としているため１５％以
下とすることがより望ましい。

Ｎｉにッケル）：０．５〜５％Ｎｉはオーステナイトの安定化に寄与する元素であり、
このためには０．５％以上含有させる必要がある。しか
し、多量に含有させてもオーステナイト安定化の効果は
飽和し価格の上昇を来たすだけであるので５％以下とす
る必要がある。なお、Ｃｏもオーステナイトの安定化に
寄与する元素であり、Ｎｉの一部をＣｏで置きかえても
良い。

■（バナジウム）：０．２〜２％ＶはＣおよびＮと結びついて炭窒化物を析出することに
より高温強度を改善するのに有効な元素であり、このた
めには０．２％以上含有させることが必要である。しか
し、多すぎると固溶化処理温度を高める必要が生ずると
共に靭性や伶腓鍛造性を劣化させるので２％以下とする
必要がある。

Ｍｏ（モリブデン）：０．３〜３．５％、Ａ文（アルミ
ニウム）ぺ０．５〜４％のうちの１種または２種ＭＯおよびＡＭは高Ｍｎオーステナイト鋼における高温
引張強度および高温クリープ破断強度等の高温強度を著
しく向上させるのに有効な元素である。また、Ａ見はＡ
！Ｌ２ｏ３皮膜を形成し、て耐酸化性をより一層向上さ
せるのに寄与する元素である。そして、このような効果
を得るためには、ＭＯについては０．３％以上、Ａ文に
ついては０．５％以上含有させることが必要である。し
かし、Ｍｏ含有量を多くしても強度改善の向上が大きく
なく、かえって高価につくので３．５％以下とする必要
があり、Ａ４含有量が多すぎるとこのＡｌは酸素との親
和力が強いために製造性を悪化させるので４％以下とす
る必要がある。したがって、ＭｏおよびＡ文については
、Ｍｏ：０・３〜３．５％、Ａｌ：０．５〜４％の範囲
で１種または２種を含有させる。

Ｔｉ　（チタン）：０．１〜２％、Ｗ（タングステ：／
）：０．１〜３％、Ｎｂ十Ｔａ（−オブ＋タンタル）：
０．１〜３％のうちの１種または２種以」二Ｔｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａはいずれも高温強度を依善するの
に有効な元素であり、このような効果を得るためには、
Ｔｉについてはｏ、１％以上、Ｗについては０．１％以
上、Ｎｂ＋Ｔａについては０．１％以上含有させること
が必要である。しかし、多量に含有するとオーステナイ
トが不安定になると共に、靭性や加工性を害するので、
Ｔｉについては２％以下、Ｗについては３％以下、Ｎｂ
＋Ｔａについては３％以下とする必要があり、これらの
範囲内でＴｉ、Ｗ、Ｎｂ＋Ｔａの１種または２種以上を
含有させる。

Ｚｒ（ジルコニウム）二〇、０１〜０．２％。

Ｂ（ボロｙ）：０．００１〜０．０２％のう５０１種ま
たは２種ＺｒおよびＢはオーステナイト結晶粒界に選択的に存在
してクリープ破断強度を改善する粒界強化元素としての
作用を有するので、必要に応じて、Ｚｒについては０．
０１％以上１より望ましくは０．０３％以上、Ｂについ
ては０．００１％以上、より望ましくは０．００３％以
上含有させる。じかし、Ｚｒ、Ｂを多量に含有・させて
も効果の上昇はみられずかえって製造性を悪化させるの
で、Ｚｒ”）いては０．２％以下、より望ましくは０．
１％以下、Ｂについては０．０２％以下、より望ましく
は０．０１％以下とする。

このほか、鋼の被削性を改善するために、Ｓ：０．０３
〜０．３％、Ｃａ：０．００１〜０．０２％のうちの１
種または２種以上を含有させるのも良い。また、耐酸化
性をさらに向上させるために、Ｃｕ：０．３〜２％、Ｒ
ＥＭ：０．００１〜０．０５％のうちの１種以上を含有
させるのも良い。

次に、この発明の実施例を比較例とともに説明する。

表１に示す化学成分を有する本発明鋼Ａ−Ｇおよび比較
鋼Ｈ−Ｊを各々５０ｋｇ高周波誘導炉で３０ｋｇ鋼塊に
溶製したのち造塊し、続いて、鍛伸および圧延によって
直径１６＋ｎｍの丸棒にした。次いで、各丸棒に対し、
比較鋼Ｊを除いて、１１００°Ｃ×３０分の水冷、７０
０°Ｃ×５時間空冷の熱処理を施した。また、比較鋼Ｊ
は現用の排気バルブ鋼（ＳＵＨ３６）テアリ、Ｊのみに
ついて、１０５０”（！Ｘ１時間水冷、７６０°Ｃ×１
０時間空冷の熱処理を施した。その後、各供試鋼につい
て、（１）高温引張特性、（２）高温疲れ強さ、（３）
耐酸化性な調べた。

（１）高温引張特性 ′内燃機関用のバルブは、作動中にバルブスプリングの
反発力によって繰返し打撃を受けるため、バルブ素材に
は作動温度付近における優れた引張特性が要求される。

そこで、表１の各供試鋼について、７００’Ｃにおける
高温引張特性を調査した。その結果を表２に示す。

表　　　　　　２表２に示すように、０．２％耐力で比較すると、本発明
鋼Ａ−Ｇはいずれも比較鋼Ｈ−Ｊ、とくに現用の排気バ
ルブ鋼である高Ｃｒ含有量の５ＵＨ３６（２１−４Ｎ、
比較鋼Ｊ）に比べて耐力がかなり高いという結果が得ら
れた。また、強゛　度が高い割りには伸びおよび絞りで
示される靭延性の低下は少ないことが明らかであり、本
発明鋼は高温強度および靭性の優れたものである。

（２）高温疲れ強さバルブ素材は前述の理由により作動中に繰返し引張り応
力を受けるため、高温疲れ強さは重要な特性の一つであ
る。

そこで、排気バルブとしての作動温度付近である７６０
℃で回転曲げ疲労試験を行い、疲れ強さを調査した。こ
こでは１０’サイクルでの疲れ強さを求めた結果を表３
に示す。

表３に示すように、本発明鋼Ａ−Ｇの高温疲れ強さは高
Ｃｒである現用バルブ鋼（ＳＵＨ３６゜比較鋼Ｊ）のそ
れに比べ、同等以上である。

表　　　　　　３（３）耐酸化性排気バルブの使用温度は、前述したように７００〜８０
０℃付近であるため、耐酸化性も重要な特性の一つであ
る。

そこで電気炉を使用し、９２７°Ｃに加熱した静止置気
中で１００時間保持した後脱スケールを行い、酸化減量
を求めることにより耐酸化性を調査した。

その結果を表４に示す。

表　　　　　　４表４に示すように、本発明鋼Ａ〜Ｇでは、Ｃｒを１０％
付近まで減らしたため、２１％Ｃｒである比較鋼Ｊ　（
ＳＵＨ３６）に比べて耐醇化性は若干劣っているものの
、大きな差はなく、十分刊気バルブ用素材として使用に
酎えうる耐酸化性を有している。なお、ＡＭを添加した
鋼（Ｂ　、　Ｃ。

Ｆ　、　Ｇ）はＡ文を雄加しない鋼（Ａ　、　Ｄ　、　
Ｅ）に比べて＃酸化性がより優れていることが明らかで
ある。

以上説明してきたように、この発明の耐熱鋼では、高Ｍ
ｎ鋼において炭窒化物［：Ｖ　（Ｃ、Ｎ）　）を適量析
出させることによって強度の改善をはかると共に、Ｍｏ
、ＡｓＬの１種以上を添加することによってとくに高温
での短時間引張強度およびクリープ破断強度を著しく向
」二させたものであり、高価でかつ原料入手に不安のあ
るＣｒの含有量を少なくしたときでも、高温強度および
耐酸化性に優れると共に現用の排気バルブ用鋼に匹敵す
る高温疲労強度を有し、高負荷の排気バルブ、耐熱ボル
ト、耐熱部品の素材として好適であるという非常に優れ
た効果を有している。

代理人弁理士　小　　塩　　　豊

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で、Ｃ＋Ｎ：０．５〜１．０％Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：８〜２０％Ｃｒ：５〜２０
％、Ｎｉ：０．５〜５％Ｖ：０．２〜２％を基本組成と
し、Ｍ　ｏ　：　０　、３〜３．５％、Ａ文：０．５〜４％
のうちの１種または２種を含み、残部Ｆｅおよび不純物
からなることを特徴とする高温強度の優れた高Ｍ　ｎ　
Ｈ耐熱鋼
（２）重量％で、Ｃ＋Ｎ：０．５〜１．・０％Ｓｉ：　１．０％以下、Ｍｎ：８〜２０％Ｃｒ：５〜２
０％、Ｎｉ：０．５〜５％Ｖ：０．２〜２％を基本組成
とし、Ｍ　ｏ　：　０　、３〜３．５％、Ａ見二０．５〜４％
のうちの１一種または２種を含み、Ｔｉ：０．１〜２％、Ｗ：　　０．１〜３％。Ｎｂ＋Ｔａ：０．１〜３％のうち（７）１種または２種
以上を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなることを特徴とする高温強
度の優れた高Ｍｎ耐熱鋼。
（３）重量％で、Ｃ＋Ｎ：０．５〜ｉ、ｏ％Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：８〜２０％Ｃｒ：５〜２０
％、Ｎｉ：０．５〜５％Ｖ：０．２〜２％を基本組成と
し、Ｍｏ：０．３〜３．５％、　ＡＪＩ　：　０　、５〜４
％のうちの１種または２種を含み、Ｚｒ：０．０１〜０．２％。Ｂ：０．ＯＯ１〜０．０２％のうちの１種または２種を
含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなることを特徴とする高温強
度の優れた高Ｍｎ耐熱鋼。
（４）重量％で、Ｃ＋Ｎ　：　０　、５〜１．０％Ｓｉ　：　１．０％以下、Ｍ　ｎ　：　８〜２０％、Ｃ
ｒ：５〜２０％、Ｎｉ：０．５〜５％Ｖ：０．２〜２％を基本組成とし、Ｍｏ：０．３〜３．５％、ＡＪＩ：０．５〜４％のうち
の１種または２種を含み、Ｔｉ：０．１〜２％、Ｗ：　０．１〜３％。Ｎ　ｂ＋Ｔａ　：　０　、１〜３％のうちの１種または
２種以上、およびＺｒ：０．０１〜０．２％。Ｂ：０．００１〜０，０２％のうちの１種または２種を
含有し、１″残部Ｆｅおよび不純物からなる百とを特徴とする一
高温強度の優れた高Ｍ　ｎ　ｊｗ熱鋼。