專利名稱：高溫強度優(yōu)異的發(fā)動機閥用耐熱鋼的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)異的高溫疲勞強度的發(fā)動機閥用耐熱鋼，特別是涉及一種在汽車用內(nèi)燃機中使用的發(fā)動機閥用耐熱鋼。
背景技術：
以往，在汽車用發(fā)動機閥的排氣閥用耐熱鋼中，廣泛使用高溫強度、耐氧化性優(yōu)異且廉價的高Mn系耐熱鋼的21-4N鋼(JIS規(guī)格SUH35)及其改良鋼。發(fā)動機閥的面部由于與閥座的間斷性的接觸，要求高的耐磨耗性。因此，在使用了上述21-4N鋼或改良鋼的閥的面部，通常進行司太立合金等的堆焊，由此補償在更高溫度下的硬度或耐磨耗性。另外，通過在負荷更高的部位使用的閥材料中含有大量的Ni，使金屬間化合物的 Y'(gamma prime)析出，在一部分中使用提高了高溫強度的析出強化型耐熱合金或超耐熱合金的NCF751。但是，這種合金由于含有大量的Ni，存在成本提高等問題。但是，隨著近年來的環(huán)境限制強化，由于汽油發(fā)動機的高效化、高輸出化帶來的燃燒溫度的高溫化，要求比上述的耐熱合金更廉價且高溫強度優(yōu)異的閥用耐熱鋼。針對這種情況，在日本特開2001-323323號公報(專利文獻1)中提案了下述發(fā)動機閥的制造方法，即以廉價的Fe基耐熱鋼為基礎，除C、N、Mn、Ni、Cr以外，適當添加Mo、 Nb、V，由此，使用極力抑制了 Ni等高價原料的母材，實施1100 1180°C的固溶化熱處理后， 對于閥形成，通過以700 1000°C的溫度區(qū)域進行鍛造，儲存加工形變，實施以形變實效硬化為目標的時效處理，將發(fā)動機閥的面部的硬度提高到400HV以上，在高溫區(qū)域下的使用中也可抑制過實效軟化的發(fā)動機閥的制造方法。另外，在日本特開2002-294411號公報(專利文獻2)及日本特開平3-177543號公報(專利文獻3)中提案了下述發(fā)動機閥材料，即作為高Mn系耐熱鋼的21-4N鋼的改良材料，添加Mo、W、Nb、V等合金元素而實現(xiàn)固溶強化或析出強化，改善了高溫強度或耐磨耗性的發(fā)動機閥材料。先行技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開2001-323323號公報專利文獻2 日本特開2002-294411號公報專利文獻3 日本特開平3-177543號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的技術問題在上述的專利文獻1中公開的合金由于以Fe基耐熱鋼為基礎，因此在原材料成本方面優(yōu)異。但是，在閥的制造工序中需要在原材料內(nèi)儲存形變，并且因要利用氮化物的析出強化所以需要在高溫下的固溶化熱處理，要求嚴格的溫度管理或制造管理，反而在成本方面的優(yōu)越性有可能減弱。另外，在專利文獻2及3中公開的合金雖然具備比現(xiàn)有的21-4N鋼更優(yōu)異的高溫強度，但是作為適用于近年來的燃燒溫度的高溫化的發(fā)動機閥材料，其強度不足。本發(fā)明的目的在于，通過用Fe基耐熱鋼實現(xiàn)不比Ni基耐熱合金差的高溫強度，提供廉價的發(fā)動機閥用耐熱鋼。用于解決問題的手段本發(fā)明人以Fe基耐熱鋼為基礎，銳意研究了高溫強度和各種合金元素的關系的結果發(fā)現(xiàn)，除P、Mo、W、Nb、N的添加量之外，通過嚴格地管理它們的相互關系，可以得到極其良好的高溫強度，直至完成了本發(fā)明。S卩，本發(fā)明的高溫強度優(yōu)異的發(fā)動機閥用耐熱鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計，C 0. 20 0. 50%、Si :1. 0% 以下、Mn :5. 0% 以下、P :0. 1 0. 5%、Ni 8. 0 15. 0%、Cr 16. 0 25. 0%、Cu :0·5% 以下、Nb :1·0% 以下(含 0% )、W :2· 0% 以下(含 0% )、Μο :2· 0% 以下(含0% )、Ν:0. 02 0. 30%、Β :0. 01%以下、余量由Fe及雜質(zhì)構成，并且滿足以下的關系式156. 42P(% )+0. 91Mo(% )+0. 73ff(% )-12. 27Nb(% )+220. 96N(% )+120. 59 彡 17 0…⑴式13. 70Ρ(% )-6· 97Μο(% )_4· 32ff(% )_3· 29Nb(% )+119. 10Ν(% )+27. 75 彡 25... (2)式。在本發(fā)明中，優(yōu)選的P、Mo及Nb的范圍如下。P 超過 0. 15%、0· 5% 以下Mo :0· 03 1.6%Nb :0· 03 0.2%其中，關于Mo，更優(yōu)選的范圍為0.03 1.0%。另外，上述的(1)式及⑵式的優(yōu)選的值為(1)式185以上、⑵式30以上。發(fā)明的效果本發(fā)明的發(fā)動機閥用耐熱鋼能夠用Fe基耐熱鋼表現(xiàn)不比M基耐熱合金差的高溫強度，因此，非常有利于發(fā)動機閥用耐熱鋼的低成本化。
具體實施例方式本發(fā)明是基于上述的新的見解而開發(fā)的技術，下面對本發(fā)明中的各元素的作用進行敘述。在本發(fā)明的發(fā)動機閥用耐熱鋼中，規(guī)定各化學組成的理由如下。需要說明的是，只要沒有特別記載就記為質(zhì)量％。C :0· 20 0.50%C是固溶于基質(zhì)中而使Y組織穩(wěn)定化的同時使強度增加。另外， 通過時效處理析出碳化物，使常溫及高溫強度增加的同時形成基質(zhì)中的Cr碳化物，由此也有助于耐磨耗性。另外，在添加Nb、W、Mo的情況下，通過形成富含Nb、W、Mo的碳化物，有助于更確實地提高耐摩耗性。特別是通過使C和Nb結在一起，具有防止在高溫下的固溶化熱處理中的晶粒生長以及使低溫區(qū)域下的強度增加的效果。若C少于0. 20%，則得不到上述的效果。另一方面，即使添加量超過0. 5%，不但不能獲得特性進一步提高的效果，而且使得Cr碳化物過多地形成，造成耐氧化性、韌性的降低及N的固溶度降低。因此，C設定為0.2 0.5%。優(yōu)選的C的范圍為超過0.25%、0. 4% 以下。Si: 1.0% 以下 Si是作為溶制時的脫氧劑發(fā)揮作用，另外使耐高溫氧化性增加。另一方面，過量的添加使熱加工性、韌性降低，并且促進O相的形成。因此，Si設定為1.0%以下。優(yōu)選的 Si的范圍為0.6%以下。需要說明的是，為了確實地達到通過添加Si得到的上述的效果， 將Si的下限設定為0. 05%為宜，更優(yōu)選的上限為0. 50%。Mn: 5.0% 以下Mn是γ穩(wěn)定化元素，并且在冷加工以及溫熱加工時促進加工硬化，另外通過提高 N的固溶度對強度的提高有利。另一方面，過量的添加會引起在高溫區(qū)域下的熱加工性的降低、高溫強度的降低。因此，Mn設定為5.0%以下。優(yōu)選的Mn的范圍為3.0%以下。需要說明的是，為了確實地達到通過添加Mn得到的上述的效果，將Mn的下限設定為0.05%為宜，更優(yōu)選的上限為2.0%。進一步優(yōu)選為0.5 1.5%的范圍。Ρ:0·1 0.5%P是與C 一同促進M23C6型碳化物的析出，與C置換而取入碳化物中，由此晶格常數(shù)變大，有助于析出強化。為了得到該效果，P需要為0.1%以上。但是，若P的添加量超過 0.5%，則導致熱加工性、晶界強度、韌性的降低。因此，P設定為0.1 0.5%。需要說明的是，為了確實地達到通過添加P得到的上述的效果，將P的下限設定為超過0. 15%的范圍為宜。P的更優(yōu)選的上限為0.4%。Ni:8.0 15.0%Ni是使基質(zhì)的Y組織穩(wěn)定化，使強度、耐腐蝕性、耐氧化性提高，并且在冷加工以及溫熱加工時，促進加工硬化。為了得到該效果，需要Ni為8.0%以上。另一方面，若Ni的添加量超過15.0%，則不僅使N的固溶度降低而且關聯(lián)到成本提高。因此，Ni設定為8.0 15.0%。優(yōu)選的Ni的范圍為9.0 11.0%。Cr :16· 0 25. 0%Cr是對發(fā)動機閥的耐腐蝕性、耐氧化性的提高不可或缺的元素，并且通過時效處理形成碳化物，使得常溫及高溫強度增加，因此，需要為16.0%以上。但是，若Cr的添加量超過25%，則會形成有害的σ相。因此，Cr設定為16.0 25.0%。優(yōu)選的Cr的下限為 18. 0%、優(yōu)選的上限為22.0%。Cu:0.5% 以下Cu是將基質(zhì)的Y組織穩(wěn)定化，并且通過冷加工時的韌性改善以及微細Cu相化合物的析出使高溫強度提高。但是，若Cu的添加量增加，則會使熱加工性、耐氧化性降低。因此，Cu設定為0. 5%以下。Cu的優(yōu)選的下限為0. 03%、更優(yōu)選的上限為0. 35%。Nb :1· 0% 以下(含 0% )Nb是與C、N結在一起而防止在高溫下的固溶化熱處理中的晶粒生長或提高疲勞強度，因此可以將1. 0%作為上限進行添加。但是若Nb的添加量增加，則固溶C、N量會增力口，反而會導致疲勞強度降低，并且大量的碳化物、氮化物的形成使得冷加工性降低。因此， Nb的下限可以為無添加(含0% )。需要說明的是，為了確實地達到通過添加Nb得到的上述的效果，將Nb的下限設定為0. 03%為宜。另外，更優(yōu)選的上限為0. 50%，進一步優(yōu)選的上限為0. 20%。Mo :2· 0% 以下(含 0% )
Mo是在基質(zhì)中作為置換型原子固溶并進行強化的同時，一部分形成碳化物并使高溫強度提高的元素，可以將2. 0%作為上限進行添加。但是若Mo的添加增加，則有時會產(chǎn)生合金的脆化。因此，Mo的下限可以為無添加(含0% )。需要說明的是，為了確實地達到通過添加Mo得到的上述的效果，將Mo的下限設定為0.03%為宜。另外，優(yōu)選的Mo的上限為1.6%以下，更優(yōu)選的Mo的范圍為1.0%以下。另外，Mo雖然是得到與后述的W同樣的作用效果的元素，但是為了得到發(fā)動機閥材料所要求的優(yōu)異的疲勞強度，添加Mo是有利的。W與Mo—樣在基質(zhì)中作為置換型元素固溶并進行強化的同時，一部分形成碳化物并使高溫強度提高。W雖然基本上具有與Mo同樣的作用，但是就耐氧化性而言W—方比較有利。由于W的原子量是Mo的兩倍，因此高溫中的擴散速度小，使蠕變強度提高的效果顯著，在提高蠕變強度的情況下，添加W是有效的。但是，若W的添加量增加，則會形成碳化物、 氮化物，對于高溫強度得不到充分的效果，因此設定為2.0%以下。W的下限與Mo同樣可以為無添加(含0% )。N是與C并列地使Y組織穩(wěn)定化的元素，其大部分在基質(zhì)中作為浸入型原子進行固溶，有助于進行強化。為了得到這種效果，需要為0.02%以上。但是，若N的添加量超過 0. 30%，則在拉制加工中的加工硬化顯著，關聯(lián)到韌性降低。因此，N的范圍設定為0. 02 0. 30%。B可強化γ晶界而對熱加工性、高溫強度及耐蠕變特性的改善有效。另一方面，過量的添加會使晶界的溶融溫度降低，使熱加工性劣化，因此B設定為0. 01 %以下。除以上說明的元素以外，還有Fe及雜質(zhì)。本發(fā)明的發(fā)動機閥用耐熱鋼以廉價的Fe基耐熱鋼為基礎，適當添加有助于固溶強化、析出強化的合金元素，得到高溫強度。而且，為了得到高強度化，重要的是適當調(diào)節(jié)合金元素的P和N、及有選擇地添加的Mo、W、Nb的添加量。下面對其理由進行詳細的說明。在發(fā)動機閥材料中，作為特別要求的特性的高溫強度，在M基耐熱合金或超耐熱合金的情況下，通過改變Y’的析出量或其組成，能夠提高高溫強度。但是，在為Fe基耐熱合金的情況下，其強化機制主要被限定于碳化物、氮化物等引起的析出強化或合金元素的固溶強化。因此，當復合利用析出強化或固溶強化等強化機制時，由于各元素的相互作用， 相反地有時特性會降低。因此，對于可最大限度地發(fā)揮這些強化機制的各種各樣的合金元素進行了研究， 結果發(fā)現(xiàn)，P、N、Mo、W、Nb對高溫強度產(chǎn)生的影響多。進一步利用多元回歸分析的手法，用恰當?shù)南禂?shù)關系對相對于各元素的特性的相互關系進行了評價。而且查明了需要對該關系進行嚴格的管理。S卩，鋼中的P、N、Mo、W、Nb的含量在使用系數(shù)的關系中，以滿足(1)式156.42P(% )+0. 91Mo(%) +0. 73ff(%)-12. 27Nb(% ) +220. 96N(%) +120. 59 彡 170 的相互關系的方式進行調(diào)節(jié)。若該值小于170，則各元素的強化機制不能有效地起作用，導致高溫強度甚至在高溫下 的硬度降低。需要說明的是，通過將(1)式的值設定為185以上，能夠?qū)?00°C中的高溫硬度容易地提高至180HV以上，可進一步抑制高溫下的強度或硬度的降低。另夕卜，鋼中的P、Mo、W、Nb、N的含量在使用系數(shù)的關系中，通過以滿足⑵式13. 70P(%)-6. 97Mo(%)-4. 32ff(%)-3. 29Nb(%)+119. 10N(%)+27. 75 彡 25 的相互關系的方式進行調(diào)節(jié)，能夠防止高溫強度甚至在高溫下的蠕變強度的降低。若該值小于25，則因各元素的相互作用往往會使本來的強化機制降低，高溫強度降低。優(yōu)選的范圍是基于上述⑵式的值為30以上。通過以滿足上述的兩個式子的方式，適當?shù)卣{(diào)節(jié)P、N、Mo、W、Nb，最大限度地復合利用這些元素所作用的固溶強化、析出強化。其結果，能夠提供兼?zhèn)鋬?yōu)異的高溫強度的發(fā)動機閥用耐熱鋼。需要說明的是，在上述的式(1)、(2)中，不添加Mo、W、Nb元素的情況下，設為
零來計算。本發(fā)明的發(fā)動機閥用耐熱鋼伴隨近年來的燃燒溫度的高溫化，在不能適用21-4N 鋼或其改良鋼的領域，例如在迄今為止利用Y ’析出強化型的耐熱合金的一部分領域中，從其優(yōu)異的高溫強度特性考慮，可以適用，能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度的低成本化。實施例用下面的實施例進一步詳細地說明本發(fā)明。將發(fā)動機閥用耐熱鋼在真空感應溶解爐中溶解，制作IOkg的鋼錠后，加熱至 1100°C而實施熱鍛造，拉制成30mm方形的棒材。進一步在1130°C下保持20分鐘后，進行油淬火的固溶化熱處理，之后在750°C下保持100分鐘進行氣冷的時效處理。將化學組成示于表1。[表 1]
權利要求
1.一種高溫強度優(yōu)異的發(fā)動機閥用耐熱鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計，C 0. 20 0. 50%, Si 1. 0% 以下、Mn 5. 0% 以下、P :0. 1 0. 5%, Ni 8. 0 15. 0%Xr 16. 0 25. 0%Xu 0. 5% 以下、Nb 1. 0% 以下且含 0%、W 2. 0% 以下且含0%、Mo 2. 0%以下且含0%、N :0. 02 0. 30%,B 0. 01%以下、余量由Fe及雜質(zhì)構成， 并且滿足以下的關系式156. 42P(% )+0. 91Mo(% )+0. 73ff(% )_12· 27Nb(% )+220. 96N(% )+120. 59 彡 170... (1)式13. 70P(% ) -6. 97Mo (% )-4. 32ff(% ) -3. 29Nb (% )+l 19. 10N(% ) +27. 75 彡 25... (2)式。
2.根據(jù)權利要求1所述的高溫強度優(yōu)異的發(fā)動機閥用耐熱鋼，其中， P的含量超過0. 15%且0. 5%以下。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的高溫強度優(yōu)異的發(fā)動機閥用耐熱鋼，其中， Mo的含量為0. 03 1. 6%。
4.根據(jù)權利要求1 3中任一項所述的高溫強度優(yōu)異的發(fā)動機閥用耐熱鋼，其中， Mo的含量為0. 03 1. 0%。
5.根據(jù)權利要求1 4中任一項所述的高溫強度優(yōu)異的發(fā)動機閥用耐熱鋼，其中， Nb的含量為0. 03 0. 2%。
6.根據(jù)權利要求1 5中任一項所述的高溫強度優(yōu)異的發(fā)動機閥用耐熱鋼，其中，由 156. 42P(% )+0. 91Mo(% )+0. 73ff(% )-12. 27Nb(% )+220. 96N(% )+120. 59 表示的 (1)式的值為185以上。
7.根據(jù)權利要求1 6中任一項所述的高溫強度優(yōu)異的發(fā)動機閥用耐熱鋼，其中，由 13. 70P(% )-6. 97Mo(%)-4. 32ff(% )-3. 29Nb(% )+119. 10N(% )+27. 75表示的(2) 式的值為30以上。
全文摘要
本發(fā)明通過用Fe基耐熱鋼表現(xiàn)不比Ni基耐熱合金差的高溫強度，提供廉價的發(fā)動機閥用耐熱鋼。本發(fā)明的高溫強度優(yōu)異的發(fā)動機閥用耐熱鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計，C0.20～0.50％、Si1.0％以下、Mn5.0％以下、P0.1～0.5％、Ni8.0～15.0％、Cr16.0～25.0％、Mo2.0％以下(含0％)、Cu0.5％以下、Nb1.0％以下(含0％)、W2.0％以下(含0％)、N0.02～0.30％、B0.01％以下、余量由Fe及雜質(zhì)構成，滿足以下的關系式。156.42P(％)+0.91Mo(％)+0.73W(％)-12.27Nb(％)+220.96N(％)+120.59≥170…(1)式13.70P(％)-6.97Mo(％)-4.32W(％)-3.29Nb(％)+119.10N(％)+27.75≥25…(2)式。
文檔編號F01L3/02GK102159744SQ201080002624
公開日2011年8月17日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權日2009年6月24日
發(fā)明者大石勝彥, 都地昭宏 申請人:日立金屬株式會社, 本田技研工業(yè)株式會社