JP2011219864A - Heat resistant steel for exhaust valve - Google Patents
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Abstract
【課題】Ni含有量が相対的に少なく、しかも、高温での機械的特性(例えば、引張強度、疲労強度、耐摩耗性、硬さなど)が高く、しかも耐食性に優れた排気バルブ用耐熱鋼を提供すること。
【解決手段】以下の構成を備えた排気バルブ用耐熱鋼。(1)前記排気バルブ用耐熱鋼は、0.50<C<0.80mass%、0.30<N<0.60mass%、17.0≦Cr<25.0mass%、4.0≦Ni<12.0mass%、7.0≦Mn<14.0mass%、2.0≦Mo<6.0mass%、及び、0.5<Si<1.5mass%、0.025≦Nb<1.0mass%を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、かつ、P<0.03mass%に規制した組成を有する。(2)前記排気バルブ用耐熱鋼は、0.85≦C+N≦1.3mass%を満たす。(3)前記排気バルブ用耐熱鋼は、0.05≦Nb/C<1.8を満たす。
【選択図】なしA heat resistant steel for exhaust valves that has a relatively low Ni content, high mechanical properties at high temperatures (for example, tensile strength, fatigue strength, wear resistance, hardness, etc.) and excellent corrosion resistance. To provide.
A heat-resistant steel for exhaust valves having the following configuration. (1) The heat resistant steel for exhaust valves is 0.50 <C <0.80 mass%, 0.30 <N <0.60 mass%, 17.0 ≦ Cr <25.0 mass%, 4.0 ≦ Ni <. 12.0 mass%, 7.0 ≦ Mn <14.0 mass%, 2.0 ≦ Mo <6.0 mass%, and 0.5 <Si <1.5 mass%, 0.025 ≦ Nb <1.0 mass% The remainder is composed of Fe and inevitable impurities, and has a composition regulated to P <0.03 mass%. (2) The heat resistant steel for exhaust valve satisfies 0.85 ≦ C + N ≦ 1.3 mass%. (3) The heat resistant steel for exhaust valve satisfies 0.05 ≦ Nb / C <1.8.
[Selection figure] None
Description
本発明は、排気バルブ用耐熱鋼に関する。 The present invention relates to heat resistant steel for exhaust valves.
エンジンには、燃料と空気の混合ガスをシリンダー内に導入するための吸気バルブと、燃焼ガスをシリンダー外に排出するための排気バルブが用いられている。これらの内、排気バルブは高温の燃焼ガスに曝されるため、排気バルブには高温特性(例えば、高温硬さ、疲労特性、高温強度、耐摩耗性、耐酸化性など)の高い材料が用いられている。排気バルブ用材料としては、Ni基超合金(例えば、NCF751)、オーステナイト系耐熱鋼(例えば、SUH35)などが知られている。 An engine uses an intake valve for introducing a mixed gas of fuel and air into a cylinder and an exhaust valve for discharging combustion gas outside the cylinder. Of these, exhaust valves are exposed to high-temperature combustion gases, so materials with high-temperature characteristics (for example, high-temperature hardness, fatigue characteristics, high-temperature strength, wear resistance, and oxidation resistance) are used for the exhaust valves. It has been. Known exhaust valve materials include Ni-based superalloys (for example, NCF751), austenitic heat-resistant steel (for example, SUH35), and the like.
Ni基超合金は、時効処理によってγ'相を析出させ、これによって高温での強度及び耐摩耗性を高めた材料である。Ni基超合金は、高価であるが、耐熱性が極めて高い。そのため、これを用いたバルブは、主として800℃以上の温度に曝される高出力エンジンに用いられている。
一方、オーステナイト系耐熱鋼は、M23C6型炭化物を析出させ、これによって高温での強度及び耐摩耗性を高めた材料である。オーステナイト系耐熱鋼は、Ni基超合金に比べて高温特性に劣るが、安価である。そのため、これを用いたバルブは、主として高い耐熱性が要求されないエンジンに用いられている。
The Ni-base superalloy is a material in which the γ ′ phase is precipitated by an aging treatment, thereby increasing the strength and wear resistance at high temperatures. Ni-base superalloys are expensive but have extremely high heat resistance. Therefore, a valve using this is mainly used in a high-power engine that is exposed to a temperature of 800 ° C. or higher.
On the other hand, austenitic heat-resisting steel is a material in which M 23 C 6 type carbide is precipitated, thereby increasing the strength and wear resistance at high temperatures. Austenitic heat-resisting steel is inferior in high-temperature characteristics as compared with Ni-base superalloys, but is inexpensive. Therefore, the valve using this is mainly used for engines that do not require high heat resistance.
このような排気バルブに適した材料については、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、重量%で、C:0.01〜0.2%、Si:1%以下、Mn:1%以下、Ni:30〜62%、Cr:13〜20%、W:0.01〜3.0%、Al:0.7%以上1.6%未満、Ti:1.5〜3.0%、及びB:0.001〜0.01%を含有し、P:0.02%以下、S:0.01%以下、残部がFe及び不可避的不純物からなる排気バルブ用耐熱合金が開示されている。
Various proposals have been made for materials suitable for such exhaust valves.
For example, Patent Document 1 discloses that by weight, C: 0.01 to 0.2%, Si: 1% or less, Mn: 1% or less, Ni: 30 to 62%, Cr: 13 to 20%, W : 0.01 to 3.0%, Al: 0.7% or more and less than 1.6%, Ti: 1.5 to 3.0%, and B: 0.001 to 0.01%, P : 0.02% or less, S: 0.01% or less, and a heat-resistant alloy for exhaust valves consisting of Fe and unavoidable impurities in the balance is disclosed.
また、特許文献2には、重量%で、C:0.01〜0.10%、Si:2%以下、Mn:2%以下、Cr:14〜18%、Nb+Ta:0.5〜1.5%、Ti:2.0〜3.0%、Al:0.8〜1.5%、Ni:30〜35%、B:0.001〜0.01%、Cu:0.5%以下、P:0.02%以下、S:0.01%以下、O:0.01%以下、N:0.01%以下を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、かつ、所定の成分バランスを持つFe−Cr−Ni系耐熱合金が開示されている。 Further, Patent Document 2 discloses that by weight%, C: 0.01 to 0.10%, Si: 2% or less, Mn: 2% or less, Cr: 14 to 18%, Nb + Ta: 0.5 to 1. 5%, Ti: 2.0 to 3.0%, Al: 0.8 to 1.5%, Ni: 30 to 35%, B: 0.001 to 0.01%, Cu: 0.5% or less , P: 0.02% or less, S: 0.01% or less, O: 0.01% or less, N: 0.01% or less, with the balance being Fe and inevitable impurities, and a predetermined component A balanced Fe—Cr—Ni heat-resistant alloy is disclosed.
さらに、特許文献3には、Fe−0.53%C−0.2%Si−9.2%Mn−3.9%Ni−21.5%Cr−0.43%N組成を有するFe基耐熱鋼を1100〜1180℃で固溶化熱処理し、傘部を700〜1000℃で鍛造し、時効処理する自動車用エンジンバルブの製造方法が開示されている。
同文献には、所定の組成を有するFe基耐熱鋼を所定の条件下で固溶化熱処理、鍛造及び時効処理すると、バルブフェース部の硬さをHV400以上にすることができる点が記載されている。
Further, Patent Document 3 discloses Fe group having a composition of Fe-0.53% C-0.2% Si-9.2% Mn-3.9% Ni-21.5% Cr-0.43% N. A method for manufacturing an automotive engine valve is disclosed in which heat-resistant steel is subjected to solution heat treatment at 1100 to 1180 ° C., the umbrella portion is forged at 700 to 1000 ° C., and subjected to aging treatment.
The document describes that the hardness of the valve face portion can be increased to HV400 or more by solution treatment, forging and aging treatment of Fe-base heat-resisting steel having a predetermined composition under predetermined conditions. .
近年の原料費の高騰により、排気バルブの製造コストは、原料コストの変動に大きく影響する。特に、Ni基超合金は、Niの含有量が多いため、Ni基超合金製排気バルブの原料コスト及び製造コストは、Ni価格の影響を大きく受ける。そのため、よりNi量を低減させ、原料コストの変動幅を小さくした材料が望まれる。しかしながら、Ni基超合金において、Niは強化相であるγ'相の生成元素であるため、これ以上のNi量の低減は、γ'相を利用した高強度化が困難になる。
一方、炭化物析出型のオーステナイト系耐熱鋼は、Ni価格の影響を受けにくいが、γ'析出型のNi基超合金に比べて高温特性に劣るという問題がある。この問題を解決するために、SUH35を高強度化した材料(例えば、海外規格LV21−43鋼(SUH35+1W、2Nb))も知られている。しかしながら、LV21−43鋼は、組織制御が難しい、熱間加工性に劣る等の課題が残る。
Due to soaring raw material costs in recent years, the manufacturing cost of exhaust valves greatly affects fluctuations in raw material costs. In particular, since the Ni-based superalloy has a high Ni content, the raw material cost and manufacturing cost of the Ni-based superalloy exhaust valve are greatly affected by the Ni price. Therefore, a material in which the amount of Ni is further reduced and the fluctuation range of the raw material cost is reduced is desired. However, in the Ni-base superalloy, since Ni is a γ ′ phase generation element that is a strengthening phase, further reduction in Ni content makes it difficult to increase the strength using the γ ′ phase.
On the other hand, carbide precipitation type austenitic heat resistant steels are less susceptible to Ni price, but have a problem that they are inferior in high-temperature characteristics as compared to γ ′ precipitation type Ni-base superalloys. In order to solve this problem, a material in which SUH35 is strengthened (for example, overseas standard LV21-43 steel (SUH35 + 1W, 2Nb)) is also known. However, LV21-43 steel still has problems such as difficult structure control and poor hot workability.
本発明が解決しようとする課題は、Ni含有量が相対的に少なく、高温での機械的特性(例えば、引張強度、疲労強度、耐摩耗性、硬さなど)が高く、しかも耐食性に優れた排気バルブ用耐熱鋼を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is that the Ni content is relatively low, the mechanical properties at high temperatures (for example, tensile strength, fatigue strength, wear resistance, hardness, etc.) are high, and the corrosion resistance is excellent. The object is to provide heat resistant steel for exhaust valves.
上記課題を解決するために本発明に係る排気バルブ用耐熱鋼は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記排気バルブ用耐熱鋼は、
0.50<C<0.80mass%、
0.30<N<0.60mass%、
17.0≦Cr<25.0mass%、
4.0≦Ni<12.0mass%、
7.0≦Mn<14.0mass%、
2.0≦Mo<6.0mass%、
0.5<Si<1.5mass%、及び、
0.025≦Nb<1.0mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
前記不可避的不純物中で、
P<0.03mass%、
に規制した組成を有する。
(2)前記排気バルブ用耐熱鋼は、0.85≦C+N≦1.3mass%を満たす。
(3)前記排気バルブ用耐熱鋼は、0.05≦Nb/C<1.8を満たす。
In order to solve the above problems, the heat-resistant steel for exhaust valves according to the present invention is summarized as having the following configuration.
(1) The heat resistant steel for the exhaust valve is
0.50 <C <0.80 mass%,
0.30 <N <0.60 mass%,
17.0 ≦ Cr <25.0 mass%,
4.0 ≦ Ni <12.0 mass%,
7.0 ≦ Mn <14.0 mass%,
2.0 ≦ Mo <6.0 mass%,
0.5 <Si <1.5 mass%, and
0.025 ≦ Nb <1.0 mass%
And the balance consists of Fe and inevitable impurities,
In the inevitable impurities,
P <0.03 mass%,
It has a regulated composition.
(2) The heat resistant steel for exhaust valve satisfies 0.85 ≦ C + N ≦ 1.3 mass%.
(3) The heat resistant steel for exhaust valve satisfies 0.05 ≦ Nb / C <1.8.
C及びNは、いずれもオーステナイト安定化元素であると同時に、MX型炭窒化物(MC型炭化物を含む)の生成元素でもある。本発明においては、C+N量及びNb/C比を最適化したので、固溶化熱処理後の材料中には、適度な大きさ及び適量のMX型炭窒化物(MC型炭化物を含む)が生成する。そのため、固溶化熱処理後において、結晶粒が粗大化することがなく、かつ、粗大な初晶MX型炭窒化物が残存することもない。また、時効処理によって材料中に適量のM23C6型炭化物が析出するので、高温特性が向上する。さらに、固溶強化元素をMoに限定したので、高温特性が向上する。 C and N are both austenite stabilizing elements and at the same time forming elements of MX type carbonitrides (including MC type carbides). In the present invention, since the amount of C + N and the Nb / C ratio are optimized, an appropriate size and an appropriate amount of MX type carbonitride (including MC type carbide) are generated in the material after the solution heat treatment. . Therefore, after the solution heat treatment, the crystal grains do not become coarse and coarse primary crystal MX carbonitride does not remain. Further, since an appropriate amount of M 23 C 6 type carbide is precipitated in the material by the aging treatment, the high temperature characteristics are improved. Furthermore, since the solid solution strengthening element is limited to Mo, the high temperature characteristics are improved.
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 排気バルブ用耐熱鋼]
本発明に係る排気バルブ用耐熱鋼は、以下のような元素を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Heat-resistant steel for exhaust valves]
The heat-resistant steel for exhaust valves according to the present invention contains the following elements, with the balance being Fe and unavoidable impurities. The kind of additive element, its component range, and the reason for limitation are as follows.
[1.1. 主構成元素]
(1)0.50<C<0.80mass%。
Cは、オーステナイト安定化元素であり、有害相であるシグマ相やLaves相の生成を抑制する。また、Cは、Nbと優先的に結合してMC型炭化物を生成させる。適度な大きさ及び適量のMC型炭化物は、固溶化熱処理中の結晶粒粗大化を抑制し、強度特性を向上させる。また、適度な大きさ及び適量のMC型炭化物は、硬質相として働き、耐摩耗性を向上させる。さらに、Cは、Crと結合してM23C6型炭化物を生成させることで耐摩耗性及び強度特性を向上させる。このような効果を得るためには、C含有量は、0.50mass%超である必要がある。
一方、C含有量が過剰になると、炭化物量が過剰となり、加工性を低下させる。従って、C含有量は、0.80mass%未満である必要がある。C含有量は、さらに好ましくは、0.70mass%未満である。
[1.1. Main constituent elements]
(1) 0.50 <C <0.80 mass%.
C is an austenite stabilizing element and suppresses the generation of sigma phase and Laves phase which are harmful phases. Further, C preferentially bonds with Nb to generate MC type carbide. The MC type carbide having an appropriate size and an appropriate amount suppresses crystal grain coarsening during the solution heat treatment and improves strength characteristics. In addition, the MC type carbide having an appropriate size and an appropriate amount works as a hard phase and improves wear resistance. Furthermore, C improves the wear resistance and strength characteristics by combining with Cr to form M 23 C 6 type carbide. In order to obtain such an effect, the C content needs to be more than 0.50 mass%.
On the other hand, when the C content is excessive, the amount of carbide is excessive and the workability is reduced. Therefore, the C content needs to be less than 0.80 mass%. The C content is more preferably less than 0.70 mass%.
(2)0.30<N<0.60mass%。
Nは、オーステナイト安定化元素であり、Ni、Mnなどのオーステナイト生成元素の代替元素として作用する。また、Nは、原子半径が小さいことから、侵入型の固溶強化元素として母相の強化に働く。また、Nは、MoやWなどの置換型固溶強化元素と複合的に働き、強度の向上に寄与する。さらに、Nは、MC型炭化物のCサイトに置換してMX型炭窒化物を形成する。このような効果を得るためには、N含有量は、0.30mass%超である必要がある。N含有量は、さらに好ましくは、0.35mass%超である。
一方、N含有量が過剰になると、母相に固溶させるのが困難となる。従って、N含有量は、0.60mass%未満である必要がある。N含有量は、さらに好ましくは、0.50mass%未満である。
(2) 0.30 <N <0.60 mass%.
N is an austenite stabilizing element and acts as an alternative element for austenite-generating elements such as Ni and Mn. Further, since N has a small atomic radius, it works to strengthen the matrix as an interstitial solid solution strengthening element. Further, N works in combination with substitutional solid solution strengthening elements such as Mo and W, and contributes to improvement in strength. Further, N substitutes for the C site of MC type carbide to form MX type carbonitride. In order to obtain such an effect, the N content needs to be more than 0.30 mass%. The N content is more preferably more than 0.35 mass%.
On the other hand, when the N content is excessive, it is difficult to make a solid solution in the parent phase. Therefore, the N content needs to be less than 0.60 mass%. The N content is more preferably less than 0.50 mass%.
(3)17.0≦Cr<25.0mass%。
Crは、排気バルブの使用温度域においてCr2O3の保護酸化被膜を形成する作用がある。そのため、Crは、耐食性・耐酸化性を向上させるのに不可欠な元素である。また、Crは、Cと結合してCr23C6炭化物を形成し、強度特性の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Cr含有量は、17.0mass%以上である必要がある。Cr含有量は、さらに好ましくは18.0mass%以上である。
一方、Crはフェライト安定化元素であるため、Cr含有量が過剰になると、オーステナイトを不安定化させる。また、Crの過剰添加は、脆化相であるシグマ相やLaves相の生成を促進させ、熱間加工性・強度特性の低下をもたらす。従って、Cr含有量は、25.0mass%未満である必要がある。Cr含有量は、さらに好ましくは23.5mass%未満である。
(3) 17.0 ≦ Cr <25.0 mass%.
Cr acts to form a protective oxide film of Cr 2 O 3 in the operating temperature range of the exhaust valve. Therefore, Cr is an indispensable element for improving corrosion resistance and oxidation resistance. Further, Cr combines with C to form Cr 23 C 6 carbide, which contributes to improvement of strength characteristics. In order to acquire such an effect, Cr content needs to be 17.0 mass% or more. The Cr content is more preferably 18.0 mass% or more.
On the other hand, since Cr is a ferrite stabilizing element, if the Cr content is excessive, austenite is destabilized. Moreover, excessive addition of Cr promotes the formation of a sigma phase or a Laves phase, which are embrittled phases, and causes a decrease in hot workability and strength characteristics. Therefore, the Cr content needs to be less than 25.0 mass%. The Cr content is more preferably less than 23.5 mass%.
(4)4.0≦Ni<12.0mass%。
Niは、オーステナイト安定化元素として添加される。オーステナイトを安定化させるためには、Ni含有量は、4.0mass%以上である必要がある。Ni含有量は、さらに好ましくは5.1mass%以上である。
一方、Ni含有量が過剰になると、高コストとなる。従って、Ni含有量は、12.0mass%未満である必要がある。Ni含有量は、さらに好ましくは、11.5mass%未満である。
(4) 4.0 ≦ Ni <12.0 mass%.
Ni is added as an austenite stabilizing element. In order to stabilize austenite, the Ni content needs to be 4.0 mass% or more. The Ni content is more preferably 5.1 mass% or more.
On the other hand, when the Ni content is excessive, the cost is increased. Therefore, the Ni content needs to be less than 12.0 mass%. The Ni content is more preferably less than 11.5 mass%.
(5)7.0≦Mn<14.0mass%。
Mnは、オーステナイト安定化元素として添加される。Mnは、高価なNiの代替元素として働くだけでなく、Nの溶解度を高める効果を有する。このような効果を得るためには、Mn含有量は、7.0mass%以上である必要がある。Mn含有量は、さらに好ましくは7.5mass%以上である。
一方、Mn含有量が過剰になると、融点の低下により高温特性が低下する。従って、Mn含有量は、14.0mass%未満である必要がある。Mn含有量は、さらに好ましくは11.0mass%未満である。
(5) 7.0 ≦ Mn <14.0 mass%.
Mn is added as an austenite stabilizing element. Mn not only works as an alternative element for expensive Ni, but also has an effect of increasing the solubility of N. In order to obtain such an effect, the Mn content needs to be 7.0 mass% or more. The Mn content is more preferably 7.5 mass% or more.
On the other hand, when the Mn content is excessive, the high temperature characteristics are lowered due to the lowering of the melting point. Therefore, the Mn content needs to be less than 14.0 mass%. The Mn content is more preferably less than 11.0 mass%.
(6)2.0≦Mo<6.0mass%。
Moは、母相γ相の固溶強化元素として働き、高温強度の改善に有効な元素である。このような効果を得るためには、Mo含有量は、2.0mass%以上である必要がある。Mo含有量は、さらに好ましくは2.9mass%以上である。
一方、Mo含有量が過剰になると、変形抵抗を増大させる。また、脆化相であるシグマ相やLaves相の生成を促進させ、熱間加工性や疲労特性を低下させる。従って、Mo含有量は、6.0mass%未満である必要がある。Mo含有量は、さらに好ましくは5.1mass%未満である。
(6) 2.0 ≦ Mo <6.0 mass%.
Mo works as a solid solution strengthening element of the parent phase γ phase and is an effective element for improving the high temperature strength. In order to acquire such an effect, Mo content needs to be 2.0 mass% or more. The Mo content is more preferably 2.9 mass% or more.
On the other hand, when the Mo content is excessive, the deformation resistance is increased. Further, it promotes the generation of a sigma phase and a Laves phase, which are embrittled phases, and reduces hot workability and fatigue characteristics. Therefore, the Mo content needs to be less than 6.0 mass%. The Mo content is more preferably less than 5.1 mass%.
なお、固溶強化元素としては、Moの他にW添加による手法もあるが、本発明では、Mo添加に限定する。MoやWなどの固溶強化元素による固溶強化量は、原子量に大きく依存する。MoはWに比較して原子量が小さく、単位mass%当たりの原子数が多いため、固溶強化量が大きい。そのため、同等の固溶強化量をW添加で得ようとした場合、Laves相の析出が支配的となり、Moと同等の効果が得られない。そのため、本発明では、固溶強化の効果を最大限得るため、Mo添加に限定した。 In addition, as a solid solution strengthening element, there is a method by addition of W in addition to Mo, but in the present invention, it is limited to addition of Mo. The amount of solid solution strengthening by solid solution strengthening elements such as Mo and W greatly depends on the atomic weight. Mo has a small atomic weight as compared with W and a large number of atoms per unit mass%, so that the solid solution strengthening amount is large. Therefore, when an equivalent solid solution strengthening amount is obtained by adding W, the precipitation of the Laves phase becomes dominant, and the same effect as Mo cannot be obtained. Therefore, in this invention, in order to acquire the effect of solid solution strengthening to the maximum, it limited to Mo addition.
(7)0.5<Si<1.5mass%。
Siは、溶解時の脱酸剤、及び、高温域での耐酸化性を付与するために有効な元素である。また、Siは、固溶強化元素として強度向上の効果がある。このような効果を得るためには、Si含有量は、0.5mass%超である必要がある。Si含有量は、さらに好ましくは0.55mass%以上である。
一方、Si含有量が過剰になると、逆に強度特性が低下する。また、Siの酸化物は剥離しやすい。多量のSi酸化物が生成すると、酸化物層が剥離することで、耐酸化性が悪くなる。従って、Si含有量は、1.5mass%未満である必要がある。Si含有量は、さらに好ましくは1.1mass%未満である。
(7) 0.5 <Si <1.5 mass%.
Si is an element effective for imparting a deoxidizer at the time of dissolution and oxidation resistance in a high temperature range. Si has an effect of improving strength as a solid solution strengthening element. In order to obtain such an effect, the Si content needs to be more than 0.5 mass%. The Si content is more preferably 0.55 mass% or more.
On the other hand, when the Si content is excessive, the strength characteristics are reduced. Also, Si oxides are easy to peel off. When a large amount of Si oxide is generated, the oxide layer is peeled off, resulting in poor oxidation resistance. Therefore, the Si content needs to be less than 1.5 mass%. The Si content is more preferably less than 1.1 mass%.
なお、Siを含むFe基合金は、一般に、Pbが共存する高温環境下では腐食しやすいという問題がある。そのため、排気バルブ用鋼には、従来、Siを含まない材料が用いられてきた。しかし、現在の燃料事情(ガソリンの無鉛化)により、耐鉛腐食性が問題にされなくなったため、本発明では、Siを積極添加し、耐酸化性・強度特性の向上に有効利用した。この点が本発明の大きな特徴の1つである。 Note that Fe-based alloys containing Si generally have a problem of being easily corroded in a high-temperature environment in which Pb coexists. For this reason, materials that do not contain Si have been conventionally used for exhaust valve steel. However, due to the current fuel situation (lead-free gasoline), lead corrosion resistance is no longer a problem. Therefore, in the present invention, Si is positively added and effectively used to improve oxidation resistance and strength characteristics. This is one of the major features of the present invention.
(8)0.025≦Nb<1.0mass%。
Nbは、C、Nと結合してMX型炭窒化物(MC型炭化物を含む。以下同じ。)を析出させる。適度な大きさ及び適量のMX型炭窒化物は、固溶化熱処理後の結晶粒粗大化を抑制し、高温強度特性の改善に有効である。このような効果を得るためには、Nb含有量は、0.025mass%以上である必要がある。
一方、Nbの過剰添加は、フェライト生成を促進させ、また粗大なMX型炭窒化物を多量に生成させる。粗大炭窒化物は、固溶化熱処理後もその一部が残存するため、熱間加工性を低下させる原因となる。また、疲労特性も低下する。従って、Nb含有量は、1.0mass%未満である必要がある。Nb含有量は、さらに好ましくは0.9mass%未満である。
(8) 0.025 ≦ Nb <1.0 mass%.
Nb combines with C and N to precipitate MX type carbonitride (including MC type carbide, the same applies hereinafter). An appropriate size and an appropriate amount of MX type carbonitride suppresses the coarsening of crystal grains after the solution heat treatment and is effective in improving the high-temperature strength characteristics. In order to acquire such an effect, Nb content needs to be 0.025 mass% or more.
On the other hand, excessive addition of Nb promotes the formation of ferrite and generates a large amount of coarse MX type carbonitride. A part of the coarse carbonitride remains even after the solution heat treatment, which causes a decrease in hot workability. In addition, fatigue properties are also reduced. Therefore, the Nb content needs to be less than 1.0 mass%. The Nb content is more preferably less than 0.9 mass%.
なお、MX型炭化物の生成元素としては、Nbの他にTi、V等があるが、本発明では、Nbに限定する。その理由は、以下の通りである。
Tiは、C、Nとの結合力が強く、比較的粗大な初晶MX炭窒化物(1次炭化物)が多量に晶出する。固溶化熱処理によってもそれらの1次炭化物は固溶しないため、粗大炭窒化物が疲労特性、衝撃特性の低下に大きく影響する。
また、Vは、強度特性の改善には有効である。しかし、VはOとの結合力が強いため、V酸化物を生成し、素材の耐酸化性を著しく低下させる。
よって、強度特性、耐酸化性のバランスから、MX型炭窒化物生成元素は、Nbに限定した。
In addition, as a production element of MX type carbide, there are Ti, V, etc. in addition to Nb, but in the present invention, it is limited to Nb. The reason is as follows.
Ti has strong bonding strength with C and N, and a relatively coarse primary crystal MX carbonitride (primary carbide) is crystallized in a large amount. Since these primary carbides are not dissolved even by solution heat treatment, coarse carbonitrides greatly affect the deterioration of fatigue characteristics and impact characteristics.
V is effective in improving strength characteristics. However, since V has a strong bonding force with O, V oxide is generated, and the oxidation resistance of the material is significantly reduced.
Therefore, the MX type carbonitride-forming element is limited to Nb from the balance of strength characteristics and oxidation resistance.
(9)P<0.03mass%。
P添加は、炭化物の微細化効果を促し、高温強度特性の向上に有効である。しかしながら、Pの過剰添加は、融点を著しく下げ、高温強度、熱間加工性を低下させる。また、時効処理条件によっては、析出炭化物が粗大化する。疲労特性においては、それらの粗大炭化物が破断起点となり特性の低下を招く。従って、P含有量は、0.03mass%未満に規制する必要がある。本願では、固溶強化元素量及び炭化物量の増加によって高温強度特性の向上を狙っているため、加工性の低下を極力抑えるためには、P含有量は少ないほど良い。
(9) P <0.03 mass%.
Addition of P promotes a refinement effect of carbide and is effective in improving high temperature strength characteristics. However, excessive addition of P significantly lowers the melting point and lowers the high temperature strength and hot workability. Further, depending on the aging treatment conditions, the precipitated carbide is coarsened. In the fatigue characteristics, these coarse carbides serve as starting points for breakage, leading to deterioration of the characteristics. Therefore, the P content needs to be regulated to less than 0.03 mass%. In this application, since the improvement of the high-temperature strength characteristics is aimed at by increasing the amount of solid solution strengthening element and the amount of carbide, the smaller the P content, the better in order to suppress the deterioration of workability as much as possible.
[1.2. 副構成元素]
本発明に係る排気バルブ用耐熱鋼は、上述した元素に加えて、以下のいずれか1種又は2種以上の元素をさらに含んでいても良い。
[1.2. Sub-constituent elements]
The heat resistant steel for exhaust valves according to the present invention may further contain any one or more of the following elements in addition to the elements described above.
(1)0.001≦(Mg、Ca)<0.01mass%。
Mg及びCaは、いずれも合金の溶製時に脱酸・脱硫剤として添加することができる。Mg及び/又はCaは、合金の熱間加工性の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Mg及びCaの含有量は、総量で0.001mass%以上である必要がある。
一方、Mg及び/又はCaの含有量が過剰になると、かえって加工性を低下させる傾向がある。従って、Mg及びCaの含有量は、総量で0.01mass%未満である必要がある。
(1) 0.001 ≦ (Mg, Ca) <0.01 mass%.
Both Mg and Ca can be added as a deoxidizing / desulfurizing agent during the melting of the alloy. Mg and / or Ca contribute to the improvement of hot workability of the alloy. In order to obtain such effects, the total content of Mg and Ca needs to be 0.001 mass% or more.
On the other hand, when the content of Mg and / or Ca is excessive, the workability tends to be lowered. Therefore, the total content of Mg and Ca needs to be less than 0.01 mass%.
(2)0.001≦B<0.03mass%。
(3)0.001≦Zr<0.1mass%。
B及びZrは、いずれも結晶粒界に偏析して粒界を強化する。このような効果を得るためには、B及びZrの含有量は、それぞれ、0.001mass%以上である必要がある。
一方、B及びZrの含有量が過剰になると、熱間加工性が損なわれる。従って、B含有量は、0.03mass%未満である必要がある。また、Zr含有量は、0.1mass%未満である必要がある。
B及びZrは、いずれか一方を添加しても良く、あるいは、双方を添加しても良い。
(2) 0.001 ≦ B <0.03 mass%.
(3) 0.001 ≦ Zr <0.1 mass%.
Both B and Zr segregate at the grain boundaries to strengthen the grain boundaries. In order to obtain such an effect, the contents of B and Zr need to be 0.001 mass% or more, respectively.
On the other hand, when the contents of B and Zr are excessive, hot workability is impaired. Therefore, the B content needs to be less than 0.03 mass%. Moreover, Zr content needs to be less than 0.1 mass%.
One of B and Zr may be added, or both may be added.
(4)0.01≦Co<5.0mass%。
Coは、オーステナイト安定化元素として働き、Niの代替元素として用いられる。また、Coは、強度特性の向上に寄与する。このような効果を得るためには、Co含有量は、0.01mass%以上である必要がある。
一方、Co含有量が過剰になると、高コストとなる。従って、Co含有量は、5.0mass%未満である必要がある。
(4) 0.01 ≦ Co <5.0 mass%.
Co acts as an austenite stabilizing element and is used as an alternative element for Ni. Co contributes to improvement of strength characteristics. In order to obtain such an effect, the Co content needs to be 0.01 mass% or more.
On the other hand, when the Co content is excessive, the cost is increased. Therefore, the Co content needs to be less than 5.0 mass%.
[1.3. 成分バランス]
本発明に係る排気バルブ用耐熱鋼は、成分元素が上述した範囲にあることに加えて、以下の条件を満たしていることを特徴とする。
[1.3. Ingredient balance]
The heat-resisting steel for exhaust valves according to the present invention is characterized in that, in addition to the component elements being in the above-described range, the following conditions are satisfied.
(1)0.85≦C+N≦1.3mass%。
上述したように、C、Nは、いずれも強力なオーステナイト安定化元素であり、高価なNiの代替元素としてコスト低減に有効に働く。また、C、Nは、いずれもMX型炭窒化物を生成させる作用がある。
適度な大きさ及び適量のMX型炭窒化物は、固溶化熱処理後の結晶粒粗大化を抑制し、高温強度特性の改善に有効である。このような効果を得るためには、C+Nは、0.85mass%以上である必要がある。C+Nは、さらに好ましくは、0.9mass%以上である。
一方、C+Nが過剰になると、粗大なMX炭窒化物が多量に生成する。粗大炭窒化物は、固溶化熱処理後もその一部が残存するため、熱間加工性を低下させる原因となる。従って、C+Nは、1.3mass%以下である必要がある。C+Nは、さらに好ましくは、1.15mass%以下である。
(1) 0.85 ≦ C + N ≦ 1.3 mass%.
As described above, C and N are both strong austenite stabilizing elements and effectively work to reduce costs as expensive alternative elements for Ni. Moreover, both C and N have the effect | action which produces | generates MX type carbonitride.
An appropriate size and an appropriate amount of MX type carbonitride suppresses the coarsening of crystal grains after the solution heat treatment and is effective in improving the high-temperature strength characteristics. In order to obtain such an effect, C + N needs to be 0.85 mass% or more. C + N is more preferably 0.9 mass% or more.
On the other hand, when C + N is excessive, a large amount of coarse MX carbonitride is generated. A part of the coarse carbonitride remains even after the solution heat treatment, which causes a decrease in hot workability. Therefore, C + N needs to be 1.3 mass% or less. C + N is more preferably 1.15 mass% or less.
(2)0.05≦Nb/C<1.8。
適度な大きさ及び適量のMX型炭窒化物は、ピン止め効果による結晶粒粗大化防止の役割がある。このような効果を得るためには、C含有量(mass%)に対するNb含有量(mass%)の比(=Nb/C)は、0.05以上である必要がある。Nb/Cは、さらに好ましくは、0.1以上である。
一方、Cに対してNbが相対的に過剰になると、NbがCと優先的に結合し、粗大な初晶MX炭窒化物が多量に晶出する。粗大な初晶MX炭窒化物は、固溶化熱処理後も完全に消失しないため、疲労特性の低下原因となる。また、Cが枯渇し、耐摩耗性や強度特性の向上に有効なM23C6型炭化物の析出量が減少する。従って、Nb/Cは、1.8未満である必要がある。Nb/Cは、さらに好ましくは、1.3以下である。
(2) 0.05 ≦ Nb / C <1.8.
An appropriate size and appropriate amount of MX carbonitride has a role of preventing crystal grain coarsening due to the pinning effect. In order to obtain such an effect, the ratio (= Nb / C) of the Nb content (mass%) to the C content (mass%) needs to be 0.05 or more. Nb / C is more preferably 0.1 or more.
On the other hand, when Nb is relatively excessive with respect to C, Nb is preferentially bonded to C, and a large amount of coarse primary crystal MX carbonitride is crystallized. Coarse primary crystal MX carbonitride does not disappear completely even after the solution heat treatment, which causes a decrease in fatigue characteristics. Further, C is depleted, and the amount of precipitation of M 23 C 6 type carbide effective for improving wear resistance and strength characteristics is reduced. Therefore, Nb / C needs to be less than 1.8. Nb / C is more preferably 1.3 or less.
[2. 排気バルブ用耐熱鋼の製造方法]
本発明に係る排気バルブ用耐熱鋼の製造方法は、溶解鋳造工程と、均質化熱処理工程と、鍛造工程と、固溶化熱処理工程と、時効工程とを備えている。
[2. Manufacturing method of heat-resistant steel for exhaust valves]
The manufacturing method of the heat-resistant steel for exhaust valves according to the present invention includes a dissolution casting process, a homogenization heat treatment process, a forging process, a solution heat treatment process, and an aging process.
[2.1. 溶解鋳造工程]
溶解鋳造工程は、 所定の組成となるように配合された原料を溶解・鋳造する工程である。原料の溶解方法及び溶湯の鋳造方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。溶解条件は、成分が均一であり、かつ、鋳造が可能な溶湯が得られる条件であれば良い。
[2.1. Melting and casting process]
The melting and casting process is a process of melting and casting raw materials blended to have a predetermined composition. The raw material melting method and the molten metal casting method are not particularly limited, and various methods can be used. The melting conditions may be any conditions as long as the components are uniform and a castable molten metal is obtained.
[2.2. 均質化熱処理工程]
均質化熱処理工程は、溶解鋳造工程で得られたインゴットを均質化熱処理する工程である。均質化熱処理は、インゴットの成分を均質化するために行われる。
均質化熱処理条件は、成分に応じて最適な条件を選択する。通常、熱処理温度は、1100〜1250℃である。また、熱処理時間は、5〜25時間である。
[2.2. Homogenization heat treatment process]
The homogenizing heat treatment step is a step of homogenizing heat treatment of the ingot obtained in the melt casting step. The homogenization heat treatment is performed to homogenize the components of the ingot.
As the homogenization heat treatment conditions, optimum conditions are selected according to the components. Usually, the heat treatment temperature is 1100 to 1250 ° C. The heat treatment time is 5 to 25 hours.
[2.3. 鍛造工程]
鍛造工程は、固溶化熱処理が行われたインゴットを所定の形状に塑性変形させる工程である。鍛造方法及び鍛造条件は、特に限定されるものではなく、目的とする形状を効率よく製造可能なものであれば良い。
[2.3. Forging process]
The forging step is a step of plastically deforming the ingot subjected to the solution heat treatment into a predetermined shape. The forging method and forging conditions are not particularly limited as long as the target shape can be efficiently manufactured.
[2.4. 固溶化熱処理工程]
固溶化熱処理工程は、鍛造工程で得られた材料を固溶化熱処理する工程である。固溶化熱処理は、粗大な初晶MX炭窒化物を消失させるために行われる。
固溶化熱処理条件は、成分に応じて最適な条件を選択する。一般に、固溶化熱処理の温度が高くなるほど、一次炭化物の残存量が低下し、かつ、時効処理時に析出する粒内の微細炭化物量が増加するため、疲労特性の改善に有効である。しかし、1200℃より高い温度で処理を行うと、粒界反応炭化物の析出が促進され、特性の低下を招く。従って、固溶化熱処理条件は、1000〜1200℃×20分以上+油冷処理が好ましい。
[2.4. Solution heat treatment process]
The solution heat treatment step is a step for solution heat treatment of the material obtained in the forging step. The solution heat treatment is performed to eliminate coarse primary crystal MX carbonitride.
As the solution heat treatment conditions, optimum conditions are selected according to the components. In general, the higher the temperature of the solution heat treatment, the lower the amount of primary carbide remaining, and the more the amount of fine carbide in the grains precipitated during the aging treatment increases, which is effective in improving fatigue characteristics. However, when the treatment is performed at a temperature higher than 1200 ° C., precipitation of grain boundary reaction carbide is promoted, resulting in deterioration of characteristics. Accordingly, the solution heat treatment condition is preferably 1000 to 1200 ° C. × 20 minutes or more + oil cooling treatment.
[2.5. 時効工程]
時効工程は、固溶化熱処理後の材料を時効処理する工程である。時効工程は、M23C6型炭化物を析出させるために行われる。
時効処理条件は、成分に応じて最適な条件を選択する。成分にもよるが、時効処理条件は、700〜850℃×2時間以上+空冷処理が好ましい。
[2.5. Aging process]
The aging step is a step of aging the material after the solution heat treatment. The aging process is performed to precipitate M 23 C 6 type carbide.
As the aging treatment conditions, optimum conditions are selected according to the components. Although it depends on the components, the aging treatment condition is preferably 700 to 850 ° C. × 2 hours or more + air cooling treatment.
[3. 排気バルブ用耐熱鋼の作用]
C及びNは、いずれもオーステナイト安定化元素であると同時に、MX型炭窒化物の生成元素でもある。本発明においては、C+N量及びNb/C比を最適化したので、固溶化熱処理後の材料中には、適度な大きさ及び適量のMX型炭窒化物が生成する。そのため、固溶化熱処理後において、結晶粒が粗大化することがなく、かつ、粗大な初晶MX型炭窒化物が残存することもない。また、時効処理によって材料中に適量のM23C6型炭化物が析出するので、高温特性が向上する。さらに、固溶強化元素をMoに限定したので、高温特性が向上する。
また、Siの添加量を最適化したので、耐酸化性が向上し、固溶強化も図られる。さらに、従来のオーステナイト系耐熱鋼に比べてNiを増量したので、γ相が安定化し、靱性も向上する。
[3. Action of heat-resistant steel for exhaust valves]
C and N are both austenite-stabilizing elements and MX-carbonitride forming elements. In the present invention, since the amount of C + N and the Nb / C ratio are optimized, an appropriate size and an appropriate amount of MX carbonitride are generated in the material after the solution heat treatment. Therefore, after the solution heat treatment, the crystal grains do not become coarse and coarse primary crystal MX carbonitride does not remain. Further, since an appropriate amount of M 23 C 6 type carbide is precipitated in the material by the aging treatment, the high temperature characteristics are improved. Furthermore, since the solid solution strengthening element is limited to Mo, the high temperature characteristics are improved.
Moreover, since the addition amount of Si was optimized, oxidation resistance is improved and solid solution strengthening is also achieved. Furthermore, since the amount of Ni is increased as compared with the conventional austenitic heat resistant steel, the γ phase is stabilized and the toughness is improved.
(実施例1〜24、比較例1〜16)
[1. 試料の作製]
表1及び表2に示す組成の合金を高周波誘導炉で溶解し、50kgのインゴットを得た。溶製したインゴットに対し、1180℃で16時間の均質化熱処理を実施した後、φ18mmの棒材に鍛造加工した。鍛造加工した材料に対し、さらに固溶化熱処理(ST)を施した。固溶化熱処理条件は、1050℃×30分−油冷(実施例1〜24)、又は1050℃×30分−油冷(比較例1〜16)とした。さらに、ST後の材料に対し、750℃×4時間−空冷の時効処理(AG)を行った。
(Examples 1-24, Comparative Examples 1-16)
[1. Preparation of sample]
Alloys having the compositions shown in Table 1 and Table 2 were melted in a high frequency induction furnace to obtain a 50 kg ingot. The melted ingot was subjected to a homogenization heat treatment at 1180 ° C. for 16 hours, and then forged into a bar with a diameter of 18 mm. The forged material was further subjected to solution heat treatment (ST). The solution heat treatment conditions were 1050 ° C. × 30 minutes-oil cooling (Examples 1 to 24) or 1050 ° C. × 30 minutes-oil cooling (Comparative Examples 1 to 16). Furthermore, aging treatment (AG) of 750 ° C. × 4 hours—air cooling was performed on the material after ST.
[2. 試験方法]
[2.1. 硬さ]
常温における硬さは、ロックウェル硬さ計を用いて、Cスケールにて測定した。また、800℃における硬さは、高温ビッカース硬さ計を用いて、測定加重5kgで測定した。
[2.2. 引張試験]
各材料より、試験部直径φ8mm、試験片長さ90mmの試験片を切り出した。この試験片を用いて800℃にて引張試験を行い、引張強度を測定した。
[2.3. 疲労試験]
各材料より、平行部直径φ8mm、試験片長さ90mmの試験片を切り出した。この試験片を用いて800℃にて小野式回転曲げ疲労試験を行い、107回の疲労強度を測定した。
[2.4. 酸化試験]
各材料からφ8mm、長さ17mmの円柱状試料を作製した。この試験片を850℃の大気雰囲気中で400hの連続加熱を実施し、空冷した。試験前後の重量差から酸化増量を算出し、耐酸化性の指標とした。
[2. Test method]
[2.1. Hardness]
The hardness at room temperature was measured on a C scale using a Rockwell hardness meter. Moreover, the hardness in 800 degreeC was measured by the measurement load of 5 kg using the high temperature Vickers hardness meter.
[2.2. Tensile test]
A test piece having a test part diameter of 8 mm and a test piece length of 90 mm was cut out from each material. Using this test piece, a tensile test was performed at 800 ° C. to measure the tensile strength.
[2.3. Fatigue test]
A test piece having a parallel part diameter of 8 mm and a test piece length of 90 mm was cut out from each material. Using this test piece, an Ono type rotating bending fatigue test was performed at 800 ° C., and the fatigue strength was measured 10 7 times.
[2.4. Oxidation test]
A cylindrical sample having a diameter of 8 mm and a length of 17 mm was prepared from each material. This test piece was subjected to continuous heating for 400 hours in an air atmosphere at 850 ° C. and air-cooled. The increase in oxidation was calculated from the weight difference before and after the test and used as an index of oxidation resistance.
[3. 結果]
表3及び表4に、結果を示す。表3及び表4より、以下のことがわかる。
(1)実施例1〜24は、いずれも800℃における高温硬さで約200HV以上が得られ、排気バルブ用途での使用時に要求される高温耐摩耗性を十分に有する。また、実施例1〜24は、いずれも800℃において370MPa以上の引張強度を有する。これらは、Moによる固溶強化、及び、炭化物(特に、M23C6型炭化物)による強化が影響している。
[3. result]
Tables 3 and 4 show the results. Table 3 and Table 4 show the following.
(1) Each of Examples 1 to 24 has a high temperature hardness at 800 ° C. of about 200 HV or more, and has sufficient high temperature wear resistance required for use in exhaust valve applications. Moreover, all Examples 1-24 have the tensile strength of 370 Mpa or more in 800 degreeC. These are affected by solid solution strengthening by Mo and strengthening by carbides (particularly, M 23 C 6 type carbides).
(2)実施例1〜24は、いずれも240MPa以上の107回疲労強度を有し、排気バルブ材料に用いられる炭化物析出型のオーステナイト系耐熱鋼としては高温疲労特性にも優れている。これは、Nb系のMX型炭窒化物のピン止め効果により結晶粒の粗大化が抑制されたこと、及び、早期破断の原因となる粗大炭化物(初晶炭化物)の大きさ及び量がNb/C規格によって最適化されたことによると考えられる。 (2) Examples 1 to 24 all have 10 7 times fatigue strength of 240 MPa or more, and are excellent in high temperature fatigue characteristics as carbide precipitation type austenitic heat resistant steel used for exhaust valve materials. This is because the coarsening of crystal grains is suppressed by the pinning effect of the Nb-based MX type carbonitride, and the size and amount of coarse carbides (primary crystal carbides) that cause early fracture are Nb / This is considered to be due to optimization by the C standard.
(3)比較例1、2は、既存鋼である。比較例1はSUH35であり、比較例2はLV21−43であるが、いずれも、高温における機械的特性、疲労特性及び耐酸化性が低い。
比較例3は、Mo含有量が少ないために、比較例4は、Nb含有量が過剰であるために、いずれも高温における機械的特性、疲労強度が低い。
Moの一部又は全部をWに置換した比較例5、6は、高温における機械的特性が低く、特に、疲労強度が低くなる。
Ti、Vは、Nbと同様にMX型炭窒化物の生成元素であり、Nbと同等の効果があると考えられている。しかしながら、これらを添加した比較例7、8は、実施例1〜24に比較し酸化増量が大きい。これは、Ti、Vは、Nbと比較してOとの結合力が大きく、酸化物の生成が容易に起きたため考えられる。さらに、比較例8は、107回疲労強度が低い。これは、TiとC、Nとの結合力が大きいために、安定で粗大な炭窒化物が生成し、繰り返し応力下での早期破断の原因となったためと考えられる。よって、Ti、Vは、Nbの代替元素とはなり得ない。
比較例9は、P含有量が過剰であるために、疲労強度が低い。
比較例10はSi含有量が少ないために、また、比較例11は、Si含有量が過剰であるために、いずれも、耐酸化性が低い。
比較例12はNb/Cが小さいために、また、比較例13はNb/Cが大きすぎるために、いずれも、疲労強度が低い。
比較例14はC+Nが小さいために、高温における機械的特性、疲労強度が低い。また、比較例15はC+Nが大きすぎるために、疲労強度が低い。
さらに、比較例16は、Moが過剰であるために、疲労強度が低い。
(3) Comparative Examples 1 and 2 are existing steels. Comparative Example 1 is SUH35, and Comparative Example 2 is LV21-43, but all have low mechanical properties, fatigue properties, and oxidation resistance at high temperatures.
Since Comparative Example 3 has a low Mo content, and Comparative Example 4 has an excessive Nb content, both have low mechanical properties and fatigue strength at high temperatures.
Comparative Examples 5 and 6 in which part or all of Mo is replaced with W have low mechanical properties at high temperatures, and in particular, fatigue strength is low.
Ti and V are MX-type carbonitride-forming elements like Nb, and are considered to have the same effect as Nb. However, Comparative Examples 7 and 8 to which these are added have a larger oxidation gain than Examples 1 to 24. This is presumably because Ti and V have higher bonding strength with O than Nb, and oxide formation easily occurred. Further, Comparative Example 8 has a low fatigue strength of 10 7 times. This is presumably because the bond strength between Ti, C, and N is large, so that stable and coarse carbonitrides are generated, causing early breakage under repeated stress. Therefore, Ti and V cannot be substitute elements for Nb.
In Comparative Example 9, since the P content is excessive, the fatigue strength is low.
Since Comparative Example 10 has a low Si content, and Comparative Example 11 has an excessive Si content, both have low oxidation resistance.
Since Nb / C is small in Comparative Example 12, and Nb / C is too large in Comparative Example 13, both have low fatigue strength.
In Comparative Example 14, since C + N is small, mechanical properties and fatigue strength at high temperatures are low. Moreover, since C + N is too large in Comparative Example 15, the fatigue strength is low.
Furthermore, since the comparative example 16 has excessive Mo, the fatigue strength is low.
これに対し、実施例1〜24は、比較例1〜16に比較し、850℃×400時間大気雰囲気中における耐酸化性試験で良好な耐酸化性を有することがわかった。
また、表3及び表4の通り、より好ましい範囲の成分では、排気バルブに求められる高温硬さ、疲労特性、耐酸化性が良好なレベルで最適化される。具体的には、800℃における高温硬さ210以上、800℃での107回疲労強度260MPa以上、850℃×400h酸化試験後の酸化増量1.3mg/cm2以下となる。
On the other hand, it turned out that Examples 1-24 have favorable oxidation resistance in the oxidation resistance test in the air | atmosphere atmosphere of 850 degreeC x 400 hours compared with Comparative Examples 1-16.
In addition, as shown in Tables 3 and 4, in a more preferable range of components, the high temperature hardness, fatigue characteristics, and oxidation resistance required for the exhaust valve are optimized at a satisfactory level. Specifically, the high-temperature hardness at 800 ° C. is 210 or more, the 10 7 times fatigue strength at 800 ° C. is 260 MPa or more, and the oxidation increase after the 850 ° C. × 400 h oxidation test is 1.3 mg / cm 2 or less.
以上の結果から、本発明に係る耐熱鋼は、高温特性に優れており、排気バルブ用材料として有用であることがわかった。 From the above results, it was found that the heat-resistant steel according to the present invention is excellent in high temperature characteristics and useful as a material for exhaust valves.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 The embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明に係る排気バルブ用耐熱鋼は、各種エンジンの排気バルブに用いることができる。 The heat resistant steel for exhaust valves according to the present invention can be used for exhaust valves of various engines.
Claims (4)
(1)前記排気バルブ用耐熱鋼は、
0.50<C<0.80mass%、
0.30<N<0.60mass%、
17.0≦Cr<25.0mass%、
4.0≦Ni<12.0mass%、
7.0≦Mn<14.0mass%、
2.0≦Mo<6.0mass%、
0.5<Si<1.5mass%、及び、
0.025≦Nb<1.0mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、かつ、
前記不可避的不純物中で、
P<0.03mass%
に規制した組成を有する。
(2)前記排気バルブ用耐熱鋼は、0.85≦C+N≦1.3mass%を満たす。
(3)前記排気バルブ用耐熱鋼は、0.05≦Nb/C<1.8を満たす。 Heat-resistant steel for exhaust valves with the following configuration.
(1) The heat resistant steel for the exhaust valve is
0.50 <C <0.80 mass%,
0.30 <N <0.60 mass%,
17.0 ≦ Cr <25.0 mass%,
4.0 ≦ Ni <12.0 mass%,
7.0 ≦ Mn <14.0 mass%,
2.0 ≦ Mo <6.0 mass%,
0.5 <Si <1.5 mass%, and
0.025 ≦ Nb <1.0 mass%
And the balance consists of Fe and inevitable impurities, and
In the inevitable impurities,
P <0.03 mass%
It has a regulated composition.
(2) The heat resistant steel for exhaust valve satisfies 0.85 ≦ C + N ≦ 1.3 mass%.
(3) The heat resistant steel for exhaust valve satisfies 0.05 ≦ Nb / C <1.8.
をさらに含む請求項1に記載の排気バルブ用耐熱鋼。 0.001 ≦ (Mg, Ca) <0.01 mass%
The heat-resistant steel for exhaust valves according to claim 1, further comprising:
0.001≦Zr<0.1mass%
から選ばれる1種以上をさらに含む請求項1又は2に記載の排気バルブ用耐熱鋼。 0.001 ≦ B <0.03 mass%, and
0.001 ≦ Zr <0.1 mass%
The heat resistant steel for exhaust valves according to claim 1 or 2, further comprising at least one selected from the group consisting of:
をさらに含む請求項1から3までのいずれかに記載の排気バルブ用耐熱鋼。 0.01 ≦ Co <5.0 mass%
The heat-resistant steel for exhaust valves according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
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