JPS599146A - エンジンバルブおよび同バルブシ−ト用Ｎｉ基合金 - 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】 この発明は、すぐれた高温硬さ、耐熱衝撃性、および耐
酸化鉛腐食性を有し、特にこれらの特性が要求される内
燃機関のエンジンバルブおよび同バルブシートの製造に
、鋳物用あるいは肉盛溶接用として使用するのに適した
Ｎｉ基合金に関するものである、 従来、内燃機関のエンジンパルプや同バルブシートの製
造に際して目２、肉盛溶接用として、アメリカ溶接協会
規格５．１３ＲＣｏＣｒ−Ａ　（Ｃ：　０．９−１．４
チ、Ｓｉ　：　２０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｗ　
：　３．０〜６．０％、Ｃｒ：２６〜３２％、　Ｎｉ　
：　３．０　ｑ６以下、Ｆｅ　：　３．０％以Ｆ、　Ｍ
ｏ　：　１．０％以下、Ｃｏおよび不可避不純物：残り
）や、同５．１３ＲＣｏＣｒ−Ｂ　　（Ｃ：１．２〜１
．７　％、Ｓｉ　：　２．０％以下、Ｍｎ：１．０％以
下、Ｗ　　：　　　７．０　〜９．５　　％　　、　Ｃ
ｒ　　二　　２　６　〜３　２　　ｓ　　、　ＮＩ　　
：　　　３．０％匂、下、Ｆｅ　：　３．０　％以−Ｆ
、Ｍｏ　：　１．０　％以下、Ｃｏおよび不可避不純物
：残り、以上重量％）などのＣ。

基合金（以下従来Ｃｏ基合金という）が多く使用されて
きた。

一方、近年、内燃機関の高１７１：能化がはがられるよ
うになるにしだがって、内燃機関のエン・シン・ぐルブ
や同バルブシートにも、よりすぐれた特性を具備するこ
とが要求されるようになっており、一般に、いずれも肉
盛溶接状態で、温ｉ：ｓｏｏ℃におけるビッカース硬さ
が２８５以上の高温硬さ、並びに温度ニア００℃に１５
分間保持した後、水冷の操作を繰返し行なった場合に肉
盛溶接部に割れが発生するまでの前記操作回数が７回以
上の耐熱衝撃性、さらに温度：９１５℃に加熱した溶融
酸化船中に１時間浸漬した後の重量−減が帆０９１／ｃ
ｌ／ｈｒ以下の耐酸化鉛腐食性を具備することが要求さ
れるようになっている。々お、これらの特性を具備する
ことり、鋳造により製造された内燃機関のエン、シンパ
ルプ鋳物や同バルブシート鋳物に対しても同様に要求さ
れることは勿論のことであしかしながら、上記の従来Ｃ
ｏ基合金は、高温硬σの点で、上記要求条件を満足する
ものの、耐熱衝撃性および耐酸化鉛腐食性については、
これを満足する性質をもたず、しだがって高性能エンジ
ンのエンジンパルプや同バルブシートの製造ニ、前記従
来Ｃｏ基合金を肉盛溶接用として、さらに鋳物用として
用いた場合に十分満足する使用寿命を示さないのが現状
である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、内燃機
関、特に高性能エンジンのエンジンパルプや同バルブシ
ートに要求される高温硬さ、耐熱衝撃性、および耐酸化
鉛腐食性を具備し、かっ肉盛溶接用および鋳物用としで
使用することのできる材料を開発すべく研究を行なった
結果、Ｃ：０．５５〜２．０％、Ｃｒ：１０〜２８％未
満、Ｆｅ：１〜３゜チ、Ｗ：０．１〜１７０％、Ｍｏ　
：　０．１〜８．０　％、Ｔｉ：　００１〜４．５　％
、　Ａｔ：　０．０１〜４．５％を含有し、必要に応じ
てＳｔ　：　０．１〜３．０％またはＭｎ二〇、ｉ〜２
．０％を含有し、さらに必要に応じてＮｂ　：　（１０
１〜１．５％およびＢ　；　０．００１〜１５％のうち
の１種１だＶｉ２種を含有し、残りがＮｉと不可避不純
物からなる組成（以」二重量％）を有するＮｉ基合金は
、温ａ：ｓｏｏ℃におけるビッカース硬さ１３００以上
のきわめて高い高温硬さを有し、また温度ニア００℃に
１５分間加熱後水冷の操作’ｒｌサイクルとする熱衝撃
試験で、割れ発生に至るまでのサイクル数が１２回以上
のすぐれた面１熱衝撃性を示し、さらに温度：９１５℃
に加熱した溶融酸化船中に１時間浸漬の酸化鉛腐食試験
では重量減が０．０２７　ｆ〜／ｈｒ以下のすぐれた耐
酸化鉛腐食性を示し、しかも肉盛溶接用および鋳物用と
して使用することができ、したがってこのＮｉ基合金を
高性能エンシンのエンジンバルブおよび同ノぐルプシー
トの製造に用いた場合にきわめて長期に亘ってすぐれた
性能を発揮するという知見を得たのである。

この発明は、−に記知見にもとづいてなされたものであ
つで、以下に成分組成を上記の通りに限定した理由全説
明する。

（ａ）　　　Ｃ Ｃ成分には、Ｃｒ　ｒ　Ｗ　！　ＭＯｒ　Ｔｌ　、およ
び縄などと結合して炭化物を形成し、常温および高温硬
さ全向上させる作用があるが、その含有相が０．５５％
未満では所望の高硬度を確保することができず。

一方２０チを越えて含有させると側熱衝撃Ｖトが劣化す
るように々ることがら、その含有１ｆｆｉ０．５５〜２
．０係と定めだ。

（ｈ）　　（シｒ Ｃｒ成分にれ１１、その一部が素地に固溶し、残りの部
分が炭化物を形成して、特に高温硬さを向」ニさせ、も
って晶温酬摩れ性を向上させるほか、耐酸化鉛１１■食
性を・向」−さぜる作用があるが、その含イ１ｈ１が１
０係未満では前記作用に所望の効果が得らｉｌず、一方
２８係以上含有させると耐熱衝撃性に低下傾向が現われ
るようになることから、その含有量を１０〜２８％未満
と定めた。

（ｃ）　　Ｆｅ Ｆｅ成分には、合金の剛熱衝９＃姓を一段と向上させる
作用があるが、その含有用二がｌチ未満で妹所９１の耐
熱衝撃性を確保することができず、一方３０％を越えて
含有させると高温硬さが低下するようになって、温度：
ＳＯＯ℃におけるビッカース硬さ二２８５以上を確保す
ることができない仁とから、その含有量を１〜３０％と
定めた。

（ｄ）　　Ｗ Ｗ成分には、炭化物を微細化すると共に、自身も炭化物
を形成し、かつ素地に固溶して、これを強化し、もって
合金の高温硬さおよび高温強度全向上させる作用がある
が、その含有量が０．１％未満では前記作用に所望の効
果が得られず、一方１７．０％ｔ−越えて含有させると
肉盛溶接性や切削性が劣化するようになることから、そ
の含有量を０．１〜１７，０チと定めた。

（ｅ）　　Ｍ。

Ｍｏ成分には、Ｗとの共存において、素地に固溶して、
これを強化し、かつ炭化物を形成して合金の高温硬さく
高温耐摩耗性）および高温強度を向上させる作用がある
が、その含有量が帆１％未満では前記作用に所望の効果
が得られず、一方８．０耐熱衝撃性および靭性が劣化す
るようになることから、その含有量に０．１〜８．０　
％と定めた。

（ｆ）　　Ｔｉ Ｔｌ成分には、素地の結晶粒の成長を抑制するばかりで
なく、むしろ結晶粒を微細化し、かつＭ　Ｃ型の炭化物
および窒化物、さらにＮｉおよびＡｔと結合してＮｉｓ
　（ｋｌ　ｒ　Ｔｓ　）の金属間化合物を形成して、高
温硬さおよび耐熱衝撃性、さらに高温強度および靭性を
向上させる作用があるが、その含有量が０．０ｉチ未満
でＬ前記作用に所望の効果が得られず、一方４．５％を
越えて含有させると、炭化物の隈が多くなりすぎて耐熱
衝撃性および靭性が劣化するようになると共に、耐酸化
鉛腐食性にも劣化傾向が現われるようになることから、
その含有量１ｆｃ０．０１〜４．５％と定めた。

（ｇ）　　Ａｔ Ａｔ成分には、Ｃｒと共に耐酸化鉛腐食性を向上させ、
かつ上記のようにＮｉおよびＴＩと結合してＮ’ｉｓ　
（Ａｔ、　Ｔｉ　）　　の金属間化合物を形成すると共
に、嗜化物を形成して常温および高温硬さを向上させて
耐摩耗性を一段と高め、さらに耐熱衝撃性、高温強度を
改善する作用があるが、そげ含有量が０．０１％未満で
鉱前記作用に所望の効果が得らｉ＋ず、一方４．５％を
越えて含有させると、溶湯の流動性および鋳造性が低下
するようになるばかりでなく、溶接性および靭性も低下
して実用的でなくなることから、その含有＃を０．０１
〜４．５チと定めた。

（ｈ）　　５ｉ Ｓｉ成分には、鋳造性、肉盛溶接性、および湯流れ性を
改善する作用があるので、特にこれらの特性が要求され
る場合に必要に応じて含有されるが、その含有量が帆１
％未満では前記作用に所望の改善効果が得られず、一方
３．０チを越えて含有させてもよシ一層の改善効果社期
待できないことから、その含有量を０．１〜３．ＯＬ％
と定めた。

まだ、Ｓｌ成分には脱酸作用があるので、通常脱酸剤と
して使用する場合が多く、この場合には不可避不純物と
して帆１％未満の範囲で含有することになるが、合金成
分としての含有ｆｖ１′は、この不可避不純物含有ｍを
含め、全体で帆１チ以上になるようにすればよい。

（ｉ）　　八りｎ Ｍｎ成分に社、肉盛溶接性を改善する作用があるので、
特に肉盛溶接性が要求される場合に必要に応じて含有さ
れるが、その含有紙が０．１％未満でｋま肉盛溶接性に
所望の改善効果が得られず、一方２．０４　ｆ越えて含
有させてもより一層の改善効果は現われないことがら、
その含有ｔ′ｆ：０．１〜２゜チと定めた。

また、Ｍｎ成分には脱酸脱硫作用があるので、通？に脱
酸脱硫剤として使用する場合が多く、この場合にし」、
Ｓｉ成分と同様に不可避不純物として帆１チ未満の範囲
で含有することになるが、合金成分としての含有＃ｄは
、この不可避不純物含有ｔを含め、全体で０９１％以上
になるようにずればよい。

（ｊ）　　　Ｎｂ 卵成分には、特に素地の結晶粒の成長を抑制すると共に
、ＭＣ型の炭化物および窒化物を形成して高温硬さく高
温耐摩耗性）および高温強度１−一段ど向」ニさせる作
用があるので、特に乱温硬さが要求される場合に必要に
応じて含有さｉするが、その名有量が００１％未満でン
よ前記作用に所望の向上効果が得られず、一方１．５％
を越えて含有させると、耐酸化鉛腐食性および耐熱衝撃
性が劣化するようになり、さらに靭性も低下するように
なることから、その含有量ｉ０．０１〜１．５％と定め
た。

（ｋ）　　Ｂ Ｂ成分にｔＪ：、高温硬さく高温耐摩耗ｔ／Ｊ、、）、
耐熱衝撃性、耐酸化鉛腐食性、および高温強度を一層向
上させる作用があるので、必要に応じて含有させるが、
その含有量がｏ、ｏ　ｏ　ｔ％未満では前記作用に所望
の同上効果が得られず、一方１５チを越え１含有さぜる
と、面１熱衝撃性が低下する」、うになると共に、鋳造
性および溶液性も劣化するようになることから、その含
有量を０．００１〜１．５％と定めだ。

つぎに、この発明のＨｉ基合金を実施例により比較例と
対比しながら具体的に説明する。

通常の溶解法により、それぞれ第１表に示される成分組
成全もった本発明Ｎ１基合金１〜３３、比較Ｎｉ基合金
１〜１１、および上記の従来Ｃｏ基合金に相当する成分
組成をもった従来合金１，２を溶製し、引続いて通常の
条件にて連続鋳造することにより直径：４．８ｒＭｌφ
の溶接ロッドを成形した。

なお、比較Ｎ１基合金１〜１１Ｌ、いずれも構成成分の
うちのいずれかの成分含有量（第１表に秦印金付したも
の）がこの発明の範囲から外れた組成をもつものである
。

ついで、この結果得られた本発明Ｎｌ基合金１〜３３、
比較Ｎｉ基合金１〜１１、および従来合金１゜２の溶接
ロッドを用い、ＴＩＧ自動溶接機にて、直径：１２０ｍ
ｍφ×厚さ：２０ｗｈの寸法をもったステンレス鋼（５
ＵＳ３１６　）製台金の表面に、外径：１００開×幅＝
２０門×厚さ＝５鯖の円環状ビードを２層肉盛溶接した
。

引続いて、上記台金上に形成された円環状ビードについ
て常温におけるロックウェル硬さくＣス第１表（ 第１？ ・の２ 第　１− ケール）および温度：８００℃におけるビッカース硬さ
を測定すると共に、前記円環状ビード紮形成した合金に
対して、温度、７００℃に加熱して１５分間保持後水冷
の操作を１ザイクルとして繰り返し行ない、前記円環状
ビードに割れが発生するまでの前記ザイクル回数を測定
する耐熱衝撃性試験を行なった。さらに同様に直径：１
５門φ×長さ’　１００　ｖａｎの寸法をもったステン
レス鋼片（ＳＯ８３１６）の一方端面に厚さ：５刷の２
層肉盛溶接を行ない、この鋼片の肉盛部より直径。

１２ｍｍφ×厚さ：１２駒の寸法をもった試験片を削り
１１３シ、この試験片を用い、温朋：　９１５℃に加熱
した溶融酸化鉛：４０２中に１時間浸漬の耐酸化鉛腐食
性試験を行ない、試験後の肉盛材の車端、減を測定した
。これらの測定結果を第１表に合せて示しだ。

第１表に示される結果から、本発明Ｎｉ基合金１〜３３
は、いずれも従来合金Ｊ、２に比して一段とすぐれた高
温硬さ、耐熱衝撃性、および耐酸化鉛腐食性を有するこ
とが明らかである。これに対して、比較Ｎｉ基合金１〜
１１に見られるように、＋１４成成分のうちのいずれか
の成分含有量がこの発明の範囲から外れると、本発明Ｎ
ｌ基合金に比して、ｆｌｉｔ記特性のうち少なくともい
ずれかの特性が劣ったものになることが明らかである。

、 なお、上記実施例では、この発明のＮｉ基合金を肉盛溶
接用として用いた場合についで述べだが、これを鋳物用
として使用しても肉盛溶接の場合と同様にすぐれた！特
性を示すことは勿論である。

−に述のように、この発明のＮｉ基合金は、島性能エン
ジンのエンジンバルブおよび同バルブシートに紗求され
る上記の厳格な条件を十分余裕をもって満足するすぐれ
た高温硬さ、耐熱衝撃性、および耐酸化鉛腐食性を有す
るので、これらの部材の製造に肉盛溶接用および鋳物用
として用いた場合この結果の部材は著しく長期に亘つで
すぐれた性能ｆ：発揮するようになるのである。

出願人　　三菱金属株式会社 代理人　　　富　　１）　　和　　夫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　Ｃ：　０．５５〜２．０　％、Ｃｒ：１０〜
   ２８％未満、Ｆｅ：１〜３０チ、Ｗ：０．１〜１７．０
   チ、　Ｍｏ　：０１〜８．０％、Ｔｉ　：　０．０１〜
   ４．５チ、Ａｔ：　０．０１〜４．５％を含有し、残シ
   がＮｉと不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有
   することを特徴とする内燃機関のエンジンパルプおよび
   同バルブシート用Ｎｉ基合金。 （２１Ｃ：０．５５〜２．０％、Ｃｒ、１０〜２８％未
   満、Ｆｅ　：　１〜３０％、Ｗ　：　０．１〜１７．０
   　％、　Ｍｏ　：０．１〜８．０％、Ｔｉ　：　０．０
   １〜４．５％、ＡＬ：０・０１〜４．５％、およびＳｉ
   　：　０１〜３．０チを含有し、残りがＮｉと不可避不
   純物からなる組成（以上重電チ〕を有することを！特徴
   とする内燃機関のエンジンバルブおよび同バルブシート
   用Ｎ１基合金。 （３）　　　　Ｃ二　０．５　５　〜２．０　　％　　
   、　Ｏｒ：　　１　０　〜２　８　　％　未満、Ｆｅ：
   １〜３０％、Ｗ　：　０．１〜１７．Ｏｓ、　Ｍｏ　：
   Ｏ２１〜８．０　ｆＤ、　’ｒｉ　：　０．０１〜４６
   ５チ、Ａｔ：０．０１〜４．５％、およびＭｎ　：　０
   ．１〜２．０％を含有し、残シがＮｉと不可避不純物か
   らなる組成（以上重量％）を有することを特徴とする内
   燃機関のエンジンパルプおよび同バルブシート用Ｎ１基
   合金。 （４１Ｃ：　０．５５〜２．０　％、Ｃｒ：ＩＯ〜２８
   ％未満、Ｆｅ：１〜３０％、Ｗ　：　０．１〜１７．０
   ％、　Ｍｏ　：０．１〜８．０チ、Ｔｆ　：　０．０１
   〜４．５　％、　Ａｔ：　０．０１〜４．５％を含有し
   、さらにＮｂ　：　０．０１〜１．５−を含有し、残シ
   がＮｉと不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有
   することを特徴とする内燃機関のエン・シンパルプおよ
   び同バルブシート用Ｎｌ基合金。 （５）　　Ｃ：　０．５５〜２．０　％、　Ｃｒ：　１
   ０〜２８％未満、Ｆｅ二　１〜３０％、Ｗ：　帆１〜１
   ７．０　％、　Ｍｏ　二〇、１〜８．０チ、Ｔｉ　：　
   ０．０１〜４．５チ、Ａｔ：０．Ｏ１〜４．５チ、およ
   びｓｉ　：　ｏ、ｉ〜３．０％を含有し、さらにＮｂ：
   ０．０１〜１５％を含有し、残シがＮｉと不可避不純物
   からなる組成（以上重量％）を有することを特徴とする
   内燃機関のエンジンパルプおよび同・ぐルブシート用Ｎ
   ｌ基合金。 （６）Ｃ：０．５５−２０％、Ｃｒ：］Ｏ〜２８％未満
   、Ｆｅ：１〜３０％、Ｗ：０．１〜１７０％、　Ｍｏ　
   ：ｏ、ｉ〜８．０％、Ｔｉ　：　０．０１〜４．５％、
   　Ａｔ：　０．０１〜４．５チ、およびＭＪＩ：０．１
   〜２．０％を含有し、さらにＮｂ　：　０．０１〜１．
   ５チを含有し、残シがＮｉと不可避不純物からなる組成
   （以上重量％）を有することを特徴とする内燃機関のエ
   ンシンパルプ゛および同バルブシート用Ｎｉ基合金。 （７）　　Ｃ：　Ｏ５５−２，０％、Ｃｒ：１０〜２８
   ％未満、Ｆｅ：１〜３０％、Ｗ　：　０．１〜１７．０
   ％、ＭＯ：０．１〜８０％、Ｔｉ　：　０．０１〜４５
   ％、　Ａｔ：　０．０１〜４５％を含有し、さらにＢ　
   ：　０．００１〜１．５％を含有し、残りがＮｉと不可
   避不純物からなる組成（以上重量％）を有することを特
   徴とする内燃機関のエンノンパルプおよび同バルブシー
   ト用Ｎ１基（８）　　Ｃ：　０．５５〜２．０％、Ｃｒ
   ：１０〜２８％未満　、　　Ｆｅ：１−３０　　　％　
   、　　Ｗ　　　：　　　０．１　　〜１　　７．０　　
   ％　、　八１０　゛帆１　〜８．０　　％　　、　１゛
   １　二　　０．０　１　〜４．５　　％　、Ａ／＝：０
   ０１〜４．５％、お↓びＳｔ　：　０．１〜３．０　％
   ’ｉｃ含有し、さらにＢ：０．０（１１〜１．５％を含
   有し、残υがＮｉと不可避不純物からなる組成（以上型
   ？ｉ１％）を有すること全特徴とする内燃機関のエンジ
   ン・ぐルブおよび同バルブシート用Ｎｌ基合金。 （（リ　　　　Ｃ：０．５５−２０　　％　、　Ｃｒ：
   ＩＱ　　〜　２８％　　未（例、Ｆｅ：１〜３０％、Ｗ
   　：　０．１〜１７−０％、　Ｍｏ　：０．１〜８．（
   １％、　Ｔｉ　：　０．０１〜４．５％、ＡＩ−：　０
   ．０１−４．５％、およびＭｎ　：　０．１〜２．０　
   ％　’ｃ金含有、さらにＢ　：　０．００１〜１．５チ
   を合有し、残りがＮｉと不可避不純物からなる組成（以
   上１「Ｍ、％）を有することに’ｌを徴とする内燃機関
   のエンジンパルプおよび同バルブシート用Ｎｉ基合金。 （ＩＩ　　Ｃ：　０．５５−２．０　％、Ｃｒ二１０〜
   ２８％未溝、Ｆｅ：１〜３０チ、Ｗ　：　（１−１〜１
   ７．０　％　、　Ｍｏ、ｏ、ｉ　〜ｓ、ｏ％、Ｔｌ　：
   　０．０１〜４．５％、Ａｔ：０．０１〜４．５係を含
   有し、さらにＮｂ　：　０．０１〜１．５チおよびＢ　
   ：　０．０１）　１〜１．５係全含有し、残りがＮｉと
   不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有すること
   を特徴とする内燃機関のエン、シンパルプおよび同バル
   ブシート用Ｎｉ基合金。 （ＩＩ、ｌ　　Ｃ：０．５５〜２．０％、Ｃｒ：１０〜
   ２８ｑ！Ｉ未満、Ｆｅ：１〜３０％、Ｗ　：　０．１〜
   １７．０　％、Ｍｏ　：０．１〜８．０％、Ｔ１：帆０
   １〜４５％、ＡＩ−：　０．０１〜４，５チ、およびＳ
   ｉ　：　０．１〜３．０％を含有し、さらにＮｂ　：　
   ０．０１〜１．５％およびＢ：Ｏ，ＯＯ１〜１．５チを
   含有し、残υがＮｉと不可避不純物から々る組成（以上
   重量％）を有することを特徴とする内燃機関のエン・シ
   ンパルプおよび同パルプノート用Ｎｉ基合金。 ０４　　Ｃ：０．５５−２．０％、Ｃｒ：１０〜２８ｑ
   ｂ未満、Ｆｅ：１〜３０％、Ｗ　：　０．１〜１７．０
   ％、Ｍｏ　：０．１　〜８．０　　％　　、　’Ｉ”ｉ
   　　：　　　０．０　　１　〜４．５　　％、　　Ａｔ
   　二　　〇、０　　１〜４．５％、およびＭｎ二〇、１
   〜２０％を含有し、さらにＮｂ二帆ｏｉ〜１．５％およ
   びＢ　：　０．００１〜１５％を含有し、残りがＮｉと
   不可避不純物からなる組成（以上型にチ）を有すること
   を！特徴とする内燃機関のエンシンパルプおよび同バル
   ブシート用Ｎｉ基合金。