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DE602006000160T2 - Heat resistant alloy for 900oC sustainable exhaust valves and exhaust valves made from this alloy - Google Patents

Heat resistant alloy for 900oC sustainable exhaust valves and exhaust valves made from this alloy Download PDF

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DE602006000160T2
DE602006000160T2 DE602006000160T DE602006000160T DE602006000160T2 DE 602006000160 T2 DE602006000160 T2 DE 602006000160T2 DE 602006000160 T DE602006000160 T DE 602006000160T DE 602006000160 T DE602006000160 T DE 602006000160T DE 602006000160 T2 DE602006000160 T2 DE 602006000160T2
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alloy
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weight
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DE602006000160T
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German (de)
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Shigeki c/o Daido Steel Co. Ltd. Minami-ku Nagoya Ueta
Seiji c/o Daido Steel Co. Ltd. Minami-ku Nagoya Kurata
Tetsuya c/o Daido Steel Co. Ltd. Minami-ku Nagoya Shimizu
Toshiharu c/o Daido Steel Co. Ltd. Minami-ku Nagoya Noda
Katsuhiko Wako-shi Saitama Tominaga
Makoto Wako-shi Saitama Asami
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Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Daido Steel Co Ltd
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Description

TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND

Industrielles GebietIndustrial area

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Auslassventile für Brennstoffmaschinen, typischerweise Automobil-Benzinmotoren, welche bei so hohen Temperaturen wie 900°C beständig sind, und gute Ermüdungseigenschaften und eine Oxidationsbeständigkeit darlegen. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine hitzebeständige Legierung, welche als das Material für die obigen Auslassventile verwendet wird, als auch das Verfahren zum Herstellen von Auslassventilen mit der Legierung.The The present invention relates to exhaust valves for fuel engines, typically automobile gasoline engines which are at such high temperatures like 900 ° C resistant are, and good fatigue properties and oxidation resistance explain. The invention also relates to a heat-resistant alloy, which as the material for the above exhaust valves are used as well as the method for making exhaust valves with the alloy.

Stand der TechnikState of the art

Als das Material für die Auslassventile von Automobil-Benzinmotoren wurden weit verbreitet Ni basierte hitzebeständige Legierungen, wie beispielsweise NCF751 und NCF80A, verwendet. Um die Anforderung nach einer höheren Festigkeit einzuhalten, ist eine weitere Ni basierte Legierung ( japanische Patentoffenbarung 61-119640 ) geeignet. Diese Legierung wurde durch den Anmelder mit einem Neben-Anmelder vorgeschlagen und enthält, neben den geeigneten Mengen von C, Si und Mn, im Gewichtsanteil Cr: 15–25%, Mo + 0,5 W: 0,5–5,0%, Nb + Ta: 0,3–3,0%, Ti: 1,5–3,5%, Al: 0,5–2,5% und B: 0,001–0,02%. Ferner wurde eine weitere Ni basierte Legierung entwickelt und offenbart ( japanische Patentveröffentlichung 05-059472 ), welche, zusätzlich zu den geeigneten Mengen von C, Si und Mn, im Gewichtsanteil enthält Co: 2,0–8,0%, Cr: 17,0–23,5%, Mo + 0,5 W: 2,0–5,5%, Al: 1,0–2,0%, Ti: 2,5–5,0%, B: 0,001–0,020% und Zr: 0,005–0,15%.As the material for the exhaust valves of automobile gasoline engines, widely used Ni-based heat-resistant alloys such as NCF751 and NCF80A have been used. To meet the requirement for higher strength, another Ni based alloy ( Japanese Patent Disclosure 61-119640 ) suitable. This alloy was proposed by the applicant with a co-applicant and contains, in addition to the appropriate amounts of C, Si and Mn, in the weight fraction Cr: 15-25%, Mo + 0.5 W: 0.5-5.0% , Nb + Ta: 0.3-3.0%, Ti: 1.5-3.5%, Al: 0.5-2.5%, and B: 0.001-0.02%. Further, another Ni-based alloy has been developed and disclosed ( Japanese Patent Publication 05-059472 ) which, in addition to the appropriate amounts of C, Si and Mn, contains by weight Co: 2.0-8.0%, Cr: 17.0-23.5%, Mo + 0.5 W: 2, 0-5.5%, Al: 1.0-2.0%, Ti: 2.5-5.0%, B: 0.001-0.020% and Zr: 0.005-0.15%.

Wie bereits bekannt ist, ist es zum Zwecke einer Beibehaltung von einer Beständigkeit von Auslassventilen für die Ventile notwendig, einer wiederholt gegebenen Biegebelastung zu widerstehen. Die 108-Zyklen-Ermüdungsfestigkeit von den oben erwähnten neu entwickelten Legierungen beträgt, bis die Nutztemperatur auf bis zu 850°C ist, gleich 245 MPa oder mehr. In den Maschinen der heutigen Zeit wird beabsichtigt, eine Verbrennung unter nahezu der Stöchiometrie zu realisieren, und dies erfordert manchmal eine Hitzebeständigkeit der Ventile bei einer solch hohen Temperatur wie 900°C. Jedoch nimmt die Ermüdungsfestigkeit von den bekannten hitzebeständigen Legierungen für Auslassventile bei 900°C auf weniger als 245 MPa ab, und die bekannten Legierungen sind hinsichtlich der Festigkeit als das Material für die Maschinen der gewünschten Hochleistung unzufriedenstellend.As is already known, for the purpose of maintaining a durability of exhaust valves for the valves, it is necessary to withstand a repeatedly given bending load. The 10 8- cycle fatigue strength of the above-mentioned newly developed alloys is 245 MPa or more until the use temperature is up to 850 ° C. In today's machines, it is intended to realize combustion below near stoichiometry, and this sometimes requires heat resistance of the valves at such a high temperature as 900 ° C. However, the fatigue strength decreases from the known heat-resistant alloy exhaust valves at 900 ° C to less than 245 MPa, and the known alloys are unsatisfactory in terms of strength as the material for the machines of the desired high performance.

Die Erfinder beabsichtigen eine hitzebeständige Legierung bereitzustellen, welche die hitzebeständige Bedingung von „eine 108-Zyklen- Ermüdungsfestigkeit bei 900°C beträgt 245 MPa oder mehr" erfüllt, und bemerkten als Ergebnis der Untersuchung, dass Materialien für Scheiben und Schaufeln von Gasturbinen eine Hitzebeständigkeit haben, welche höher als jene von herkömmlichen Legierungen für Auslassventile ist. Genaue Untersuchungen auf die Eigenschaften von den Legierungen für Gasturbinen enthüllten, dass sie im Allgemeinen als die Materialien für die Auslassventile verwendet werden könnten. Die bemerkten hitzebeständigen Legierungen werden als „Waspaloy" und „Udimet 520" bezeichnet, welche die folgenden typischen Legierungszusammensetzungen (in Gewichtsanteil) haben:
Waspaloy Ni – 19 Cr – 4,3 MO – 14 Co – 1,4 Al – 3 Ti – 0,003 B
Udimet 520 Ni – 20 Cr – 6 Mo – 1 W – 12 Co – 2 Al – 3 Ti – 0,003 B
The inventors intend to provide a heat-resistant alloy satisfying the heat-resistant condition of "a 10 8- cycle fatigue strength at 900 ° C is 245 MPa or more", and as a result of the investigation, noted that materials for disks and blades of gas turbines have heat resistance Exact investigations on the properties of the gas turbine engine alloys revealed that they could generally be used as the materials for the exhaust valves, the noted heat resistant alloys being referred to as "Waspaloy" and " Udimet 520 ", which have the following typical alloy compositions (by weight):
Waspaloy Ni - 19 Cr - 4.3 MO - 14 Co - 1.4 Al - 3 Ti - 0.003 B
Udimet 520 Ni - 20 Cr - 6 Mo - 1 W - 12 Co - 2 Al - 3 Ti - 0.003 B

Die Erfinder haben ferner gelernt, dass sich die Beständigkeit von diesen Legierungen in den Gasturbinen und den Auslassventilen von Maschinen unterscheidet, und dass es notwendig ist, sich dieser Unterscheidung gegenüberzustellen. Genauer gesagt ist eine Hochtemperatur-Kriecheigenschaft für das Gasturbinen-Material erforderlich, während die Hochtemperatur-Ermüdungsfestigkeit für die Auslassventil-Materialien wesentlich ist, und daher müssen nicht nur die Legierungszusammensetzung, sondern ebenfalls Bedingungen zur Verarbeitung und Wärmebehandlung derart ausgewählt werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erlangen.The Inventors have also learned that consistency of these alloys in the gas turbines and the exhaust valves different from machines, and that it is necessary to join this Contrast discrimination. More specifically, a high-temperature creep property for the gas turbine material required while the high-temperature fatigue strength for the Exhaust valve materials is essential, and therefore do not have to only the alloy composition, but also conditions for Processing and heat treatment selected in this way be to the desired ones To obtain properties.

Im Hinblick darauf, die höchste Ermüdungsfestigkeit zu erzielen, suchten die Erfinder die Wege, um die Eigenschaften der Gasturbinen-Materialien zu verbessern, und entdeckten, dass, indem die Mo- und W-Inhalte auf solch relativ hohe Bereiche wie Mo + W: 3–10% gewählt werden, der Co-Gehalt auf eine geeignete Größe gewählt wird, und die Größen von Al und Ti im Atomaranteil auf Al + Ti: 6,3–8,5% angeordnet werden und das Ti/Al-Verhältnis auf 0,4–0,8 angeordnet wird, die obige Erfordernis für die Ermüdungsfestigkeit, nämlich die 108-Zyklen Biqege-Ermüdungsfestigkeit beträgt gleich 245 MPa oder mehr, erfüllt werden kann. Die Erfinder haben ebenfalls entdeckt, dass eine Hinzufügung einer geringen Menge von Cu wirksam ist, um die Oxidationsbeständigkeit bei 900°C zu verbessern.With a view to achieving the highest fatigue strength, the inventors sought ways to improve the properties of the gas turbine materials and discovered that by subjecting the Mo and W contents to such relatively high ranges as Mo + W: 3 -10% are selected, the Co content is selected to a suitable size, and the sizes of Al and Ti in the atomic portion are set to Al + Ti: 6.3-8.5%, and the Ti / Al ratio is set to 0 4-0.8, the above requirement for the fatigue strength, namely, the 10 8 cycles Biqege fatigue strength is equal to 245 MPa or more, can be satisfied. The inventors have also discovered that addition of a small amount of Cu is effective to control the oxides dationsbeständigkeit at 900 ° C to improve.

UMRISS DER ERFINDUNGOutline of the invention

Es ist eine allgemeine Aufgabe von der vorliegenden Erfindung, basierend auf der obigen Kenntnis, welche die Erfinder erlangt haben, eine hitzebeständige Legierung für Auslassventile bereitzustellen, welche bei einer solch hohen Temperatur wie 900°C verwendet werden kann, und eine hohe Ermüdungsfestigkeit als auch eine hohe Oxidationsbeständigkeit hat. Es ist eine spezifische Aufgabe von der vorliegenden Erfindung, eine hitzebeständige Legierung bereitzustellen, welche eine besonders hohe Ermüdungsfestigkeit hat, mit anderen Worten, eine Legierung, welche viel mehr Testzyklen bei dem gleichen erforderlichen Festigkeitspegel darlegt. Die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen von Auslassventilen mit der vorliegenden hitzebeständigen Legierung ist ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung.It is a general object of the present invention, based on the above knowledge which the inventors have obtained heat-resistant Alloy for To provide exhaust valves, which at such a high temperature like 900 ° C can be used, and high fatigue strength as well high oxidation resistance Has. It is a specific object of the present invention, a heat-resistant To provide alloy, which has a particularly high fatigue strength in other words, has an alloy, which has much more testing cycles at the same required level of strength. The provision a method of manufacturing exhaust valves with the present invention heat-resistant Alloy is also an object of the present invention.

Die hitzebeständige Legierung für die Auslassventile, welche die obige Aufgabe erzielt, welche bei der Temperatur von 900°C beständig ist, enthält gemäß der Erfindung im Wesentlichen im Gewichtsanteil: C: 0,01–0,15%, Si: bis zu 2,0%, Mn: bis zu 1,0%, P: bis zu 0,02%, S: bis zu 0,01%, Co: 0,1–15%, Cr: 15–25%, ein oder zwei aus Mo: 0,1–10% und W: 0,1–5%, in einer Größe von: Mo + 1/2W: 3–10%, Al: 1,0–3,0%, Ti: 2,0–3,5%, mit der Maßgabe, dass im Atomaranteil ein Al + Ti: 6,3–8,5% und ein Ti/Al Verhältnis gilt von 0,4–0,8, und ferner durch ein Gewichtsanteil von B: 0,001–0,01%, Fe: bis zu 3%, und die Ausgeglichenheit von Ni und unvermeidbaren Fremdkörpern.The heat-resistant Alloy for the exhaust valves, which achieves the above object, which at the temperature of 900 ° C resistant is, contains according to the invention essentially in the proportion by weight: C: 0.01-0.15%, Si: up to 2.0%, Mn: up to 1.0%, P: up to 0.02%, S: up to 0.01%, Co: 0.1-15%, Cr: 15-25%, one or two from Mo: 0.1-10% and W: 0.1-5%, in a size of: Mo + 1 / 2W: 3-10%, Al: 1.0-3.0%, Ti: 2.0-3.5%, with the proviso that the atomic content of an Al + Ti: 6.3-8.5% and a Ti / Al ratio from 0.4-0.8, and further by a weight proportion of B: 0.001-0.01%, Fe: up to 3%, and the balance of Ni and unavoidable foreign bodies.

Das Verfahren zum Herstellen der Auslassventile unter Verwendung der oben erwähnten hitzebeständigen Legierung als das Material enthält ein Verarbeiten des Materials, um ein Auslassventil auszubilden, welches einen Schaft und einen Kopf enthält, durch ein Schmieden bei 1000–1200°C, und ein Unterwerfen des erzeugten Zwischenproduktes einer feste Lösung Behandlung bei 1000–1200°C und eine Alterungsbehandlung bei 700–950°C.The Method of manufacturing the exhaust valves using the mentioned above heat-resistant Alloy as the material contains processing the material to form an outlet valve, which includes a shank and a head by forging 1000-1200 ° C, and a Subjecting the generated intermediate to a solid solution treatment at 1000-1200 ° C and a Aging treatment at 700-950 ° C.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN VON DER ERFINDUNGPREFERRED EMBODIMENTS FROM THE INVENTION

Die hitzebeständige Legierung für Auslassventile gemäß der Erfindung kann, zusätzlich zu den oben erwähnten grundlegenden Legierungsbestandteilen, im Gewichtsanteil ein oder mehreres aus V: 0,5–1,5% Nb: 0,5–1,5% und Ta: 0,5–1,5% in einer solchen Größe, dass, im Atomaranteil gilt Al + Ti + Nb + Ta + V: 6,3–8,5% enthalten. Die Beanspruchbarkeit von der Legierung wird durch Zusatz des Elements oder der Elemente erhöht.The heat-resistant Alloy for Exhaust valves according to the invention can, in addition to the above mentioned basic alloying constituents, in weight percentage one or more from V: 0,5-1,5% Nb: 0.5-1.5% and Ta: 0.5-1.5% in such a size that, in atomic content, Al + Ti + Nb + Ta + V: 6.3-8.5% is included. The resistance The alloy is made by adding the element or elements elevated.

Die hitzebeständige Legierung für Auslassventile der Erfindung kann, zusätzlich zu den oben erwähnten Bestandteilen, ein oder mehreres aus Mg: 0,001–0,03% Ca: 0,001–0,03%, Zr: 0,001–0,1% und REM: 0,001–0,1% enthalten. Durch ein Hinzufügen des Elements oder der Elemente wird eine Hitzeverarbeitbarkeit von der Legierung verbessert. REM verbessert, zusätzlich zu diesem Effekt, eine Oxidationsbeständigkeit von der Legierung.The heat-resistant Alloy for Exhaust valves of the invention may, in addition to the above-mentioned components, One or more of Mg: 0.001-0.03% Ca: 0.001-0.03%, Zr: 0.001-0.1% and REM: 0.001-0.1% contain. By adding the element or elements will have a heat processability of the alloy improved. REM improves, in addition to this effect oxidation resistance from the alloy.

Die vorliegende hitzebeständige Legierung für Auslassventile kann ferner Cu: 0,01–2% enthalten. Ein Zusatz von Cu verbessert die Oxidationsbeständigkeit von den erzeugten Ventilen.The present heat-resistant Alloy for Exhaust valves may further contain Cu: 0.01-2%. An addition of Cu improves the oxidation resistance from the produced valves.

Im Folgenden werden die Gründe zum Auswählen der oben beschriebenen Zusammensetzung von der hitzebeständigen Legierung für die Auslassventile gemäß der Erfindung in der Reihenfolge der wesentlichen Elemente und der optional hinzugefügten Elemente erläutert.in the Following are the reasons to choose the composition of the refractory alloy described above for the Exhaust valves according to the invention in the order of the essential elements and the optionally added elements explained.

C: 0,01–0,15%C: 0.01-0.15%

Kohlenstoff, kombiniert mit Ti, Nb und Ta, um MC-Karbit auszubilden und mit Cr, Mo und W, um M23C6, M6C-Karbide auszubilden, welche hilfreich sind, um eine Vergröberung der Körnungen zu verhindern, und die Korngrenzen zu verbessern. Um diese Vorzüge zu erlangen, sind zumindest 0,01% von Kohlenstoff notwendig. Zu viel Kohlenstoff bildet eine zu hohe Menge von Karbiden aus, welches die Verarbeitbarkeit bei der Ausbildung der Ventile, die Zähigkeit und die Formbarkeit von der Legierung verringert. Somit ist 0,15% das obere Limit des C-Inhalts.Carbon combined with Ti, Nb and Ta to form MC carbide and with Cr, Mo and W to form M 23 C 6 , M 6 C carbides, which are helpful to prevent grain coarsening, and the To improve grain boundaries. To gain these benefits, at least 0.01% of carbon is necessary. Too much carbon forms too high an amount of carbides, which reduces the processability in forming the valves, the toughness, and the formability of the alloy. Thus, 0.15% is the upper limit of the C content.

Si: bis zu 2%Si: up to 2%

Silizium ist ein Element, welches als das Deoxidationsmittel beim Schmelzen und Veredeln der Legierung verwendet wird, und kann, wenn notwendig, verwendet werden. Silizium ist ebenfalls hilfreich zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit von der Legierung. Jedoch verringert ein zu hoher Gehalt von Si die Fähigkeit und die Verarbeitbarkeit von der Legierung, und die Hinzufügung sollte in einer Größe von bis zu 2,0% sein.Silicon is an element which acts as the deoxidizer in melting and refining the alloy used and can be used if necessary. Silicon is also helpful in increasing the oxidation resistance of the alloy. However, too high a content of Si reduces the ability and processability of the alloy, and the addition should be as large as 2.0%.

Mn: bis zu 1,0%Mn: up to 1.0%

Mangan übernimmt ebenfalls die Rolle eines Deoxidationsmittels wie Silizium und kann, wenn notwendig, hinzugefügt werden. Eine zu hohe Hinzufügung zerstört die Verarbeitbarkeit und die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit von der Legierung, und daher sollte die Größe der Hinzufügung im Bereich von bis zu 1,0% gewählt werden.Manganese takes over also plays the role of a deoxidizer such as silicon and can, if necessary, added become. Too high an addition destroyed the workability and the high-temperature oxidation resistance from the alloy, and therefore the size of the addition should be in the Range of up to 1.0% become.

P: bis zu 0,2% S: bis zu 0,01%P: up to 0.2% S: up to 0.01%

Phosphor und Schwefel sind unvermeidbare Unreinheiten von der Ni-Legierung von der Erfindung und nicht gewünscht, weil sie die Hitze-Verarbeitbarkeit von der Legierung verringern. Insbesondere ist der praktische Bereich von Verarbeitungsbedingungen der Hitzebearbeitung von der Legierung der Erfindung aufgrund des niedrigen Ni-Gehaltes schmal. Im Hinblick einer Sicherstellung der Hitze-Verarbeitbarkeit werden die erlaubbaren Grenzen von P und S wie oben bestimmt.phosphorus and sulfur are inevitable impurities of the Ni alloy of the invention and not desired because they reduce the heat processability of the alloy. In particular, the practical range of processing conditions the heat treatment of the alloy of the invention due to low Ni content narrow. With a view to ensuring the Heat processability becomes the permissible limits of P and S as determined above.

Co: 0,1–15%Co: 0.1-15%

Kobalt stabilisiert eine γ'-Phase bei einer hohen Temperatur und festigt die Matrix, um bei der Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit beizutragen. Andererseits führt eine Hinzufügung einer zu hohen Menge von Kobalt zu erhöhten Kosten, und darüber hinaus gestaltet ein Übermaß an Kobalt die Austenit-Phase instabil. Somit ist eine Menge an Hinzufügung von Kobalt im obigen Bereich, vorzugsweise bei 2–15%, weiter vorzugsweise bei 8–14%.cobalt stabilizes a γ'-phase at a high temperature and strengthens the matrix to help improve the fatigue strength contribute. On the other hand leads an addition too high an amount of cobalt at increased cost, and beyond creates an excess of cobalt the austenite phase is unstable. Thus, there is a lot of addition of Cobalt in the above range, preferably at 2-15%, more preferably at 8-14%.

Cr: 15–25%Cr: 15-25%

Chrom ist wesentlich, um die Hitzebeständigkeit von der Legierung zu erhöhen, und die notwendige Menge an Hinzufügung beträgt zu diesem Zweck zumindest 15%. Weil eine Hinzufügung von Cr, welche 20% übersteigt, eine Ausfällung der σ-Phase bewirkt, welches zu einer Abnahme in der Zähigkeit und hohen Temperaturfestigkeit führt, sollte eine Menge von bis zu 25% gewählt werden. Eine bevorzugte Menge von Cr ist in einem relativ niedrigen Bereich, nämlich bei 15–20%.chrome is essential to the heat resistance to increase from the alloy, and the necessary amount of addition is at least for this purpose 15%. Because an addition of Cr, which exceeds 20%, a precipitate the σ-phase which leads to a decrease in toughness and high temperature resistance leads, should be chosen up to 25%. A preferred Amount of Cr is in a relatively low range, namely at 15-20%.

Ein oder mehreres aus Mo: 0,1–10% und W: 0,1–5% vorausgesetzt, das gilt Mo + 0,5 W: 3–10%.One or more from Mo: 0.1-10% and W: 0.1-5% provided that Mo + 0.5 W: 3-10%.

Molybdän und Wolfram sind Elemente, welche die hohe Temperaturfestigkeit von der Legierung verbessern, indem die feste Lösung von der Matrix erhöht wird, und sind daher wichtige Bestandteile für die hohe Ermüdungsfestigkeit bei 900°C, wie durch die Erfinder beabsichtigt. Um diesen Zweck zu erzielen, werden beide Elemente in den jeweiligen Mengen von zumindest 0,1% hinzugefügt. Eine Hinzufügung von hohen Mengen bewirkt erhöhte Kosten und eine verringerte Verarbeitbarkeit, und somit sind die oberen Grenzen wie oben vorgegeben. Eine bevorzugte Menge von Mo ist für gewöhnlich im höheren Bereich von 5–10%. Jedoch ist eine übermäßige Hinzufügung aufgrund einer verringerten Oxidationsbeständigkeit nicht vorteilhaft.Molybdenum and tungsten are elements that the high temperature resistance of the alloy improve by the solid solution increased from the matrix and are therefore important components for the high fatigue strength at 900 ° C, as intended by the inventors. To achieve this purpose, both elements in the respective amounts of at least 0.1% added. An addition of high amounts causes increased Cost and reduced processability, and thus are the upper limits as specified above. A preferred amount of Mo is usually in higher Range of 5-10%. However, an excessive addition is due a reduced oxidation resistance is not advantageous.

Al: 1,0–3,0%, Ti: 2,0–3,5%Al: 1.0-3.0%, Ti: 2.0-3.5%

Aluminium ist ein wichtiges Element in Kombination mit Nickel, um eine γ'-Phase auszubilden. Bei einem Al-Gehalt von weniger als 1,0% ist eine Ausfällung der γ'-Phase derart unzureichend, dass die gewünschte hohe Temperaturfestigkeit nicht erlangt werden kann. Andererseits, bei einem Al-Gehalt, welcher 3,0% übersteigt, ist eine Hitze-Verarbeitbarkeit von der Legierung gering.aluminum is an important element in combination with nickel to form a gamma prime phase. With an Al content of less than 1.0%, precipitation of the γ 'phase is so insufficient, that the desired high temperature resistance can not be obtained. On the other hand, at an Al content exceeding 3.0% is a heat processability low from the alloy.

Titan verbindet sich ebenfalls mit Nickel, um die γ'-Phase auszubilden, welches hilfreich ist, um die hohe Temperaturfestigkeit zu verbessern. In einem Fall, bei welchem der Ti-Gehalt so klein wie weniger als 2,0% ist, wird eine feste Lösung Temperatur von der γ'-Phase niedrig, und daraus folgend kann eine ausreichend hohe Temperaturfestigkeit nicht erlangt werden. Ein Hinzufügen von Ti bei einer solch hohen Menge wie mehr als 3,5% verringert die Verarbeitbarkeit und bewirkt eine Ausfällung von einer η-Phase (Ni3Ti), welches die hohe Temperaturfestigkeit und die Zähigkeit von der Legierung verringert. Ebenfalls wird eine Hitzeverarbeitung von der Legierung schwierig.Titanium also combines with nickel to form the γ'-phase, which is helpful to improve the high temperature resistance. In a case where the Ti content is as small as less than 2.0%, a solid solution temperature becomes low from the γ'-phase, and as a result, sufficiently high temperature strength can not be obtained. Addition of Ti at such a high level as more than 3.5% reduces processability and causes precipitation of η-phase (Ni 3 Ti), which lowers the high temperature strength and the toughness of the alloy. Also, heat processing from the alloy becomes difficult.

Im Atomaranteil Al + Ti: 6,3–8,5%; Ti/Al-Verhältnis: 0,4–0,8In the atomic fraction Al + Ti: 6.3-8.5%; Ti / Al ratio: 0.4-0.8

Wie anhand des Obigen zu erkennen, ist die Menge von Al + Ti (+Nb) ein Maß für die Größe der γ'-Phase bei 900°C. In einem Fall, bei welchem die Menge von Al + Ti (+Nb) klein ist, ist die Ermüdungsfestigkeit von der Legierung gering, während in einem Fall, bei welchem die Menge hoch ist, eine Hitzeverarbeitung schwierig wird. Dies ist der Grund dafür, weshalb der Bereich, im Atomaranteil, bei 6,3–8,5%, gewählt ist.As From the above, the amount of Al + Ti (+ Nb) is one Measure of the size of the γ 'phase at 900 ° C. In one Case where the amount of Al + Ti (+ Nb) is small is the fatigue strength from the alloy low while in a case where the amount is high, heat processing is difficult becomes. This is the reason why the range, in the atomic fraction, at 6.3-8.5%, is selected.

Das Ti/Al-Verhältnis ist ein wichtiger Faktor, um die γ'-Phase bei 900°C zu stabilisieren und die Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen. Bei einem solch niedrigen Wert des Verhältnisses wie weniger als 0,4, ist ein Alterungseffekt so klein, dass die ausreichende Festigkeit nicht erlangt werden kann. Andererseits bewirkt ein solch hoher Wert wie mehr als 0,8 eine Ausfällung der η-Phase und die Festigkeit von der Legierung wird niedrig werden. Ein bevorzugtes Verhältnis im obigen Bereich beträgt 0,6–0,8, in welchem die beabsichtigte Verbesserung in der Ermüdungsfestigkeit wirksam erzielt werden wird.The Ti / Al ratio is an important factor in stabilizing the γ 'phase at 900 ° C and the fatigue strength to increase. With such a low value of the ratio as less than 0.4, an aging effect is so small that the sufficient strength can not be obtained. On the other hand causes such a high Value like more than 0.8 a precipitate the η phase and the strength of the alloy will be low. A preferred one relationship in the above range 0.6-0.8, in which the intended improvement in fatigue strength will be achieved effectively.

B: 0,001–0,01%B: 0.001-0.01%

Bor trägt zur Verbesserung bei der Hitze-Verarbeitbarkeit von der Legierung bei und verbessert ferner die Ermüdungsfestigkeit durch eine Absonderung an den Körnergrenzen, um die Festigkeit von den Körnergrenzen zu erhöhen. Somit wird B in einer Menge von 0,001% oder mehr hinzugefügt, bei welcher die obigen Wirkungen erlangt werden können. Eine übermäßige Hinzufügung von B verringert den Schmelzpunkt von der Matrix, welches die Hitze-Verarbeitbarkeit zerstört, und daher sollte eine hinzugefügte Menge bis zu 0,01% sein.boron contributes to Improvement in the heat processability of the alloy and further improves fatigue strength by a separation at the grain boundaries, about the strength of the grain boundaries to increase. Thus, B is added in an amount of 0.001% or more at where the above effects can be obtained. Excessive addition of B reduces the melting point from the matrix destroying the heat processability, and therefore, an added Amount can be up to 0.01%.

Fe: bis zu 3%Fe: up to 3%

Eisen ist ein Bestandteil, welcher, unabhängig von der Wahl der Materialien, unweigerlich in die Produkt-Legierung kommt. Dann, wenn der Fe-Gehalt hoch ist, wird die Festigkeit von der Legierung niedrig werden, und daher ist ein niedrigerer Fe-Gehalt bevorzugt. Als die erlaubbare Grenze sind die obigen 3% vorgegeben. Es wird empfohlen, den Fe-Gehalt auf weniger als 1% zu begrenzen, welches vorgenommen werden kann, wenn die Materialien ausgewählt werden.iron is a component which, regardless of the choice of materials, inevitably comes in the product alloy. Then, if the Fe content is high, the strength of the alloy will be low, and therefore, a lower Fe content is preferred. As the permissible Limit are given the above 3%. It is recommended to reduce the Fe content to less limit as 1%, which can be made if the materials selected become.

Ein oder mehreres aus V: 0,2–1,0% Nb: 0,5–1,5% und Ta: 0,5–1,5% im Atomaranteil Al + Ti + Nb + Ta + V: 6,3–8,5%One or more of V: 0.2-1.0% Nb: 0.5-1.5% and Ta: 0.5-1.5% in atomic content Al + Ti + Nb + Ta + V: 6.3-8.5%

Niob, Tantal und Vanadium, alle mit Al und Ni zusammengefasst, um die γ'-Phase zu festigen. Vanadium trägt ebenfalls zur Lösungshärtung bei. Wenn diese Effekte erwartet werden, wird empfohlen, ein oder mehrere dieser Elemente in einer Menge oder in Mengen von der obigen unteren Grenze oder mehr hinzuzufügen. Weil ein übermäßiger Gehalt oder Gehalte die Zähigkeit von der Legierung verringern werden, sollte die Hinzufügung in der Menge oder den Mengen bis zu den jeweiligen oberen Grenzen, und nicht die begrenzte Gesamtmenge überschreitend, vorgenommen werden.Niobium, Tantalum and vanadium, all combined with Al and Ni to strengthen the γ'-phase. Vanadium wears also for solution hardening. If these effects are expected, it is recommended one or more of these elements in an amount or in amounts from the above lower one To add border or more. Because an excessive salary or hold toughness from the alloy, the addition should be in the quantity or quantities up to the respective upper limits, and not exceeding the limited total amount become.

Ein oder mehreres aus Mg: 0,001–0,03% Ca: 0,001–0,03% Zr: 0,001–0,1% und REM: 0,001–0,1%One or more of Mg: 0.001-0.03% Ca: 0.001-0.03% Zr: 0.001-0.1% and REM: 0.001-0.1%

Eine Hinzufügung dieser Elemente verbessert die Hitze-Verarbeitbarkeit von der Legierung. Zirkonium weist ebenfalls die Wirkung einer Verbesserung der Korngrenzen durch Absonderung an den Korngrenzen auf. REM (Seltenerden-Metalle) verbessern nicht nur die Hitze-Verarbeitbarkeit, sondern ebenfalls die Oxidationsbeständigkeit von der Legierung. Um diese Vorzüge zu erlangen, wird empfohlen, das Element oder die Elemente in einer Menge oder in Mengen von zumindest der unteren Grenze oder den Grenzen hinzuzufügen. Übermäßige Gehalte erstellen die Temperatur, bei welcher ein Schmelzen von der Legierung beginnt, niedriger, welches zu der verringerten Hitze-Verarbeitbarkeit führt, und daher sollte eine Hinzufügung derart vorgenommen werden, dass die Menge oder die Mengen von dem Element oder den Elementen nicht die jeweiligen oberen Grenzen übersteigen, bzw. übersteigen.A addition of these elements improves the heat processability of the alloy. Zirconium also has the effect of improving grain boundaries by segregation at the grain boundaries. REM (rare earth metals) not only improve the heat processability, but also the oxidation resistance from the alloy. To these benefits It is recommended to obtain the element or elements in one Quantity or in quantities of at least the lower limit or the limits add. Excessive levels create the temperature at which melting of the alloy starts lower, which leads to reduced heat processability leads, and therefore should be an addition be made such that the amount or amounts of the Element or elements do not exceed the respective upper limits, or exceed.

Cu: 0,01–2%Cu: 0.01-2%

Wie oben erwähnt, erhöht eine Hinzufügung von Kupfer die Oxidationsbeständigkeit von der Legierung und verbessert die Haltbarkeit von den erzeugten Ventilen. Eine Hinzufügung in der Menge von 0,01% oder mehr wird empfohlen. Eine übermäßige Hinzufügung von Cu führt zu einer verringerten Hitze-Verarbeitbarkeit, und daher muss eine Hinzufügung bis zu 2,0% betragen.As mentioned above, elevated an addition of copper the oxidation resistance from the alloy and improves the durability of the produced Valves. An addition in the amount of 0.01% or more is recommended. An excessive addition of Cu leads to a reduced heat processability, and therefore a must addition up to 2.0%.

Die hitzebeständige Legierung für Auslassventile gemäß der vorliegenden Erfindung weist, nachdem sie der Lösungsbehandlung und der Alterung unterworfen ist, eine 108-Zyklen-Ermüdungsfestigkeit bei 900°C von 245 MPa oder mehr auf, und die Gewichtszunahme nach einem Unterwerfen eines Oxidationstestes bei einer Beibehaltung bei 900°C für 400 Stunden beträgt 5 mg/cm2 oder weniger. Die Auslassventile, welche aus der vorliegenden Legierung erstellt sind, können einer solch hohen Temperatur wie 900°C widerstehen, welche die Ventile, welche aus herkömmlichen Materialien gemacht sind, nicht widerstehen können. Somit haben die Ventile eine hohe Haltbarkeit, welche durch eine hohe Ermüdungsfestigkeit und eine hohe Oxidationsbeständigkeit gegeben wird, und entsprechen dem Wunsch nach einer erhöhten Leistung von Automobil-Motoren.The heat-resistant alloy for exhaust valves according to the present invention, after being subjected to the solution treatment and the aging, has a 10 8- cycle fatigue strength at 900 ° C of 245 MPa or more, and the weight gain after subjecting to an oxidation test with retention at 900 ° C for 400 hours is 5 mg / cm 2 or less. The exhaust valves made of the present alloy can withstand such a high temperature as 900 ° C which the valves made of conventional materials can not withstand. Thus, the valves have high durability given by high fatigue strength and high oxidation resistance, and meet the desire for increased performance of automotive engines.

BEISPIELEEXAMPLES

Ni basierte Legierungen, welche die Legierungs-Zusammensetzungen haben, welche in Tabelle 1 (Arbeitsbeispiele) und Tabelle 2 (Steuerbeispiele) gezeigt sind, werden in einem 50 kg HF-Induktionsofen vorbereitet und in Gussblöcke abgegossen. Die Ni basierten Legierungen, welche für den Vergleich vorbereitet sind, sind jene, welche als das Material der herkömmlichen Auslassventile verwendet oder vorgeschlagen sind, welche aus den folgenden Stahl-Kennzeichen sind.

  • Steuerung 1: NCF751
  • Steuerung 2: NCF80
  • Steuerung 3: Ni basierte Legierung, wie in der japanischen Patentoffenbarung 61-119640 offenbart
  • Steuerung 4: Ni basierte Legierung, wie in der japanischen Patentoffenbarung 05-059472 offenbart
Ni-based alloys having the alloy compositions shown in Table 1 (working examples) and Table 2 (control examples) are prepared in a 50 kg HF induction furnace and poured into ingots. The Ni-based alloys prepared for comparison are those used or proposed as the material of the conventional exhaust valves, which are of the following steel characteristics.
  • Control 1: NCF751
  • Control 2: NCF80
  • Control 3: Ni based alloy, as in the Japanese Patent Disclosure 61-119640 disclosed
  • Control 4: Ni based alloy, as in Japanese Patent Disclosure 05-059472 disclosed

Die jeweiligen Gussblöcke werden geformt und auf Stäbe eines Durchmessers von 16 mm gerollt. Die Stäbe werden einer feste Lösung Behandlung einer Erhitzung bei 1050°C für 1 Stunde, gefolgt durch eine Wasserabschreckung und einer Alterung bei einer Erhitzung bei 750°C für 4 Stunden, gefolgt durch eine Luftkühlung, unterworfen. Die erlangten Materialien werden einer Zerreißprüfung und einem Drehbiegungs-Ermüdungstest bei 900°C und einem kontinuierlichen Oxidationstest für 400 Stunden unterworfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 (Arbeitsbeispiele) und Tabelle 4 (Steuerbeispiele) zusammen mit den Werten von Ti/Al-Verhältnissen und Atomaranteil von Al + Ti gezeigt.

Figure 00110001
Figure 00120001
TABELLE 3 Testergebnisse, Arbeitsbeispiele Nr. Ti/Al Atomarverhältnis Al + Ti + (Nb + Ta + V) (Atomaranteil) 900°C Zerreissprüfung (MPa) 900°C 10-Zyklen Ermüdungsfestigkeit (MPa) 900°C × 400 Stunden Gewichtszunahme durch Oxidation (mg/cm2) A 0.77 7.05 582 270 1.4 B 0.62 8.01 609 284 1.7 C 0.66 6.93 571 265 1.3 D 0.75 6.64 548 250 1.3 E 0.64 8.42 620 294 1.8 F 0.44 8.05 583 265 1.3 G 0.75 6.26 624 294 1.6 H 0.69 6.67 546 250 1.2 I 0.54 6.91 557 250 1.4 J 0.64 8.09 585 274 1.4 K 0.76 8.41 627 299 1.1 L 0.72 6.56 556 252 1.4 TABELLE 4 Testergebnisse, Steuerbeispiele Nr. Ti/Al Atomarverhältnis Al + Ti + (Nb + Ta + V) (Atomaranteil) 900°C Zerreissprüfung (MPa) 900°C 10-Zyklen Ermüdungsfestigkeit (MPa) 900°C × 400 Stunden Gewichtszunahme durch Oxidation (mg/cm2) 1 1.18 5.41 333 89 1.7 2 1.05 5.91 380 104 1.4 3 1.01 5.89 436 142 1.5 4 0.77 7.55 479 196 1.5 The respective ingots are shaped and rolled on rods of 16 mm diameter. The bars are subjected to a solid solution treatment of heating at 1050 ° C for 1 hour, followed by water quenching and aging on heating at 750 ° C for 4 hours, followed by air cooling. The obtained materials are subjected to a tensile test and a flexing fatigue test at 900 ° C and a continuous oxidation test for 400 hours. The results are shown in Table 3 (working examples) and Table 4 (control examples) together with the values of Ti / Al ratios and atomic ratio of Al + Ti.
Figure 00110001
Figure 00120001
TABLE 3 Test results, working examples No. Ti / Al atomic ratio Al + Ti + (Nb + Ta + V) (atomic content) 900 ° C tensile test (MPa) 900 ° C 10 cycles fatigue strength (MPa) 900 ° C × 400 hours weight gain by oxidation (mg / cm 2 ) A 0.77 7:05 582 270 1.4 B 0.62 8:01 609 284 1.7 C 0.66 6.93 571 265 1.3 D 0.75 6.64 548 250 1.3 e 0.64 8:42 620 294 1.8 F 12:44 8:05 583 265 1.3 G 0.75 6.26 624 294 1.6 H 0.69 6.67 546 250 1.2 I 12:54 6.91 557 250 1.4 J 0.64 8:09 585 274 1.4 K 0.76 8:41 627 299 1.1 L 0.72 6:56 556 252 1.4 TABLE 4 Test Results, Control Examples No. Ti / Al atomic ratio Al + Ti + (Nb + Ta + V) (atomic content) 900 ° C tensile test (MPa) 900 ° C 10 cycles fatigue strength (MPa) 900 ° C × 400 hours weight gain by oxidation (mg / cm 2 ) 1 1.18 5:41 333 89 1.7 2 1:05 5.91 380 104 1.4 3 1:01 5.89 436 142 1.5 4 0.77 7:55 479 196 1.5

Claims (7)

Hitzebeständige Legierung für Auslassventile, welche bei 900°C beständig sind, welche im Gewichtsanteil im Wesentlichen enthält: C: 0,01–0,15%, Si: bis zu 2,0%, Mn: bis zu 1,0%, P: bis zu 0,02%, S: bis zu 0,01%, Co: 0,1–15%, Cr: 15–25%, ein oder zwei aus Mo: 0,1–10% und W: 0,1–5%, in einer Größe von: Mo + 1/2W: 3–10%, Al: 1,0–3,0%, Ti: 2,0–3,5%, mit der Maßgabe, dass im Atomaranteil ein Al + Ti: 6,3–8,5% und ein Ti/Al Verhältnis gilt von 0,4–0,8, und ferner durch ein Gewichtsanteil von B: 0,001–0,01%, Fi: bis zu 3%, und die Ausgeglichenheit von Ni und unvermeidbaren Fremdkörpern.Refractory Alloy for Exhaust valves, which at 900 ° C resistant which essentially contains by weight: C: 0.01-0.15%, Si: up to 2.0%, Mn: up to 1.0%, P: up to 0.02%, S: up to 0.01%, Co: 0.1-15% Cr: 15-25%, one or two from Mo: 0.1-10% and W: 0.1-5%, in a size of: Mo + 1 / 2W: 3-10%, Al: 1.0-3.0%, Ti: 2.0-3.5%, with the proviso that the atomic content of an Al + Ti: 6.3-8.5% and a Ti / Al ratio from 0.4-0.8, and further by a weight proportion of B: 0.001-0.01%, Fi: up to 3%, and the balance of Ni and unavoidable foreign bodies. Hitzebeständige Legierung für Auslassventile nach Anspruch 1, wobei die Legierung ferner im Gewichtsanteil ein oder mehreres aus V: 0,2–1,0%, Nb: 0,5–1,5% und Ta: 0,5–1,5% in einer solchen Größe, wie im Atomanteil von Al + Ti + Nb + TA + V: 6,3–8,5% enthält.Refractory Alloy for Exhaust valves according to claim 1, wherein the alloy further comprises by weight one or more of V: 0.2-1.0%, Nb: 0.5-1.5% and Ta: 0.5-1.5% in such a size as in Atomic proportion of Al + Ti + Nb + TA + V: 6.3-8.5%. Hitzebeständige Legierung für Auslassventile nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Legierung ferner im Gewichtsanteil ein oder mehreres aus Mg: 0,001–0,03%, Ca: 0,001–0,3%, Zr: 0,001–0,1% und REM: 0,001–0,1% enthält.Refractory Alloy for Exhaust valves according to claim 1 or claim 2, wherein the alloy further in weight proportion one or more of Mg: 0.001-0.03%, Ca: 0.001-0.3%, Zr: 0.001-0.1% and REM: 0.001-0.1% contains. Hitzebeständige Legierung für Auslassventile nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Legierung ferner im Gewichtsanteil Cu: 0,01–2% enthält.Heat-resistant alloy for exhaust valves according to one of claims 1 to 3, wherein the alloy furthermore in the weight fraction Cu: 0.01-2%. Hitzebeständige Legierung für Auslassventile nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Legierung nach einer Behandlung durch eine feste Lösung und einer Alterung eine 108-Zyklen Ermüdungsfestigkeit bei 900°C von 245 MPa oder mehr aufweist, und die Gewichtszunahme nach einem Unterwerfen eines Oxidationstests bei einer Beibehaltung von 900°C für 400 Stunden gleich 5 mg/cm2 oder kleiner ist.A heat-resistant exhaust valve alloy according to any one of claims 1 to 4, wherein the alloy has a 10 8- cycle fatigue strength at 900 ° C of 245 MPa or more after solid solution aging and aging, and the weight gain after subjecting to an oxidation test at a temperature of 900 ° C for 400 hours, it is equal to or less than 5 mg / cm 2 . Verfahren zum Herstellen eines Auslassventils, welches ein Verarbeiten der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durch ein Schmieden bei 1000°C bis 1200°C, um ein Zwischenprodukt auszubilden, welches die Form von einem Auslassventil hat, welches einen Schaft und einen Kopf enthält, und dann ein Unterwerfen des Zwischenprodukts einer feste Lösung Behandlung durch ein Erhitzen bei 1000°C bis 1200°C, und eine Alterungsbehandlung durch Erhitzen auf 700°C bis 950°C enthält.Method for producing an exhaust valve, which Processing of the alloy according to one of claims 1 to 4 by forging at 1000 ° C up to 1200 ° C, to form an intermediate product which takes the form of an outlet valve has, which contains a shaft and a head, and then a submission of the intermediate of a solid solution treatment by heating at 1000 ° C up to 1200 ° C, and an aging treatment by heating at 700 ° C to 950 ° C. Verfahren zum Herstellen einer Auslassventils, welches ein Zusammenführen von einer Schaftspitze, welche aus martensitisch oder austenitisch hitzebeständigem Stahl gemacht ist, an das Schaftende von dem Zwischenprodukt des Auslassventils, welches durch das Verfahren nach Anspruch 6 gemacht ist, durch eine Reibbindung enthält.Method for producing an exhaust valve, which a merge from a stem tip, which is martensitic or austenitic heat-resistant Steel is made to the shank end of the intermediate product of Exhaust valve made by the method according to claim 6 is contained by a friction bond.
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