JP2004292868A

JP2004292868A - 安価で、鋳造性、高温強度、耐酸化性の良好なオーステナイト系耐熱鋳鋼及びそれからなる排気系部品

Info

Publication number: JP2004292868A
Application number: JP2003085408A
Authority: JP
Inventors: Kazumitsu Tsuda; 和光津田; Mitsuo Amisaki; 三雄網崎
Original assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP3700977B2

Abstract

【課題】ＳＣＨ２１と同程度かそれ以上の高温強度と耐酸化性を確保しつつ、安価で、鋳造性の良好なオーステナイト系耐熱鋳鋼及びそれからなる排気系部品を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：８．０〜１２．０％、Ｃｒ：１８．０〜２３．０％、Ｎ：０．０２〜０．０８％にＮｂ：０．２〜０．８％、Ｖ：０．２〜０．８％、あるいはさらにＭｏ：０．８〜２．０％、Ｗ：０．８〜２．０％、またはＡｌ：０．６〜１．０％、Ｚｒ：０．０２〜０．１０％、Ｂ：０．００１〜０．０５％含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする安価で鋳造性、高温強度、耐酸化性の良好なオーステナイト系耐熱鋳鋼である。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、９００℃以上の高温で使用される自動車等用エンジンの排気系部品等に好適に用いられる、安価で鋳造性と高温強度、耐酸化性の良好なオーステナイト系耐熱鋳鋼及びそれからなる排気系部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等のエンジン用の排気系部品として、例えば、エグゾーストマニホールドやタービンハウジングがあるが、エンジンの高性能化に伴い、より高温で使用されるため、従来使用されていたオーステナイト系耐熱鋳鉄やフェライト系耐熱鋳鋼では対応ができなくなってきている。
オーステナイト系耐熱鋳鋼として、特許文献１、特許文献２には、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系耐熱鋳鋼にＮｂ、Ｗ、Ｎ、Ｓを添加し、高温強度、鋳造性、加工性に優れた自動車エンジン用排気系部品等を提供する開示がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２２８９４８号公報
【特許文献２】
特開平７−２２８９４９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このため、オーステナイト系耐熱鋳鉄やフェライト系耐熱鋳鋼に代えて、ＪＩＳ規格のＳＣＨ１２やＳＣＨ２１のようなオーステナイト系耐熱鋳鋼が使用されるが、ＳＣＨ１２では、高温強度、耐酸化性が不足し、ＳＣＨ２１では、高温強度、耐酸化性については問題ないが、ＳＣＨ１２に比較して、Ｎｉ、Ｃｒ含量が多く高価である。
また、上記特許文献１、特許文献２には、Ｎｂ含量を０．５〜６．０％としているが、０．８％を超えてＮｂを添加すると耐酸化性が低下するので、上記のＮｂ含量範囲では、耐酸化性が要求される自動車エンジン用排気系部品には不可である。
したがって、本発明は、上記従来の耐熱鋳鉄、耐熱鋳鋼の問題点を解決し、ＳＣＨ２１と同程度かそれ以上の高温強度と耐酸化性を確保しつつ、安価で、鋳造性の良好なオーステナイト系耐熱鋳鋼及びそれからなる排気系部品を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＳＣＨ１２を基本成分とする合金系に、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｂ、Ｎを適当な量で添加することにより、安価でありながら、鋳造性と高温強度、耐酸化性の良好なオーステナイト系耐熱鋳鋼を得る。
【０００６】
本発明の第一のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：８．０〜１２．０％、Ｃｒ：１８．０〜２３．０％、Ｎ：０．０２〜０．０８％、Ｎｂ：０．２〜０．８％、Ｖ：０．２〜０．８％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第二のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：８．０〜１２．０％、Ｃｒ：１８．０〜２３．０％、Ｎ：０．０２〜０．０８％、Ｎｂ：０．２〜０．８％、Ｖ：０．２〜０．８％、Ｍｏ：０．８〜２．０％、Ｗ：０．８〜２．０％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第三のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、質量％で、Ｃ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：８．０〜１２．０％、Ｃｒ：１８．０〜２３．０％、Ｎ：０．０２〜０．０８％、Ａｌ：０．６〜１．０％、Ｚｒ：０．０２〜０．１０％、Ｂ：０．００１〜０．０５％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【０００９】
そして、さらに本発明の第四は、上記第一から第三のオーステナイト系耐熱鋳鋼からなる排気系部品である。
【００１０】
以下に本発明のオーステナイト系耐熱鋳鋼の組成範囲の限定理由について詳細に説明する。
Ｃ：０．２０〜０．５０％
Ｃは、溶湯の流動性すなわち鋳造性を良くし、また、固溶強化と共に、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｎの共存下において、炭化物あるいは炭窒化物を形成し、高温強度やクリープ破断強度を高める作用がある。このような効果を得るためには、０．２０％以上を必要とする。一方、Ｃの含有量が０．５０％を超えると、二次炭化物が過剰に析出して靭性が低下することと、被削性が悪くなるので、０．５％以下とする。
【００１１】
Ｓｉ：１．０〜２．０％
Ｓｉは脱酸剤として働き、耐酸化性の改善に有効な元素である。また、溶湯の流動性すなわち鋳造性を良くする。以上の効果を得るためには、少なくとも１．０％以上を必要とする。しかし、２．０％を超えて添加すると、オーステナイト組織が不安定となり、高温強度が低下するので２．０％以下とする。
【００１２】
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｍｎは脱酸剤として働く他、ＳをＭｎＳとして固定し、無害化する働きがあるが、０．２％未満ではこのような効果は期待できず、２．０％を超えて加えると耐酸化性が低下するので、２．０％以下とする。
【００１３】
Ｎｉ：８．０〜１２．０％
Ｎｉはオーステナイト組織を安定化し、９００℃以上の温度域で良好な高温強度と耐酸化性を保持するためには、少なくとも８．０％以上は必要である。Ｎｉは高価な元素であり、安価にするために１２．０％以下にし、高温強度の不足分は、本発明の他の添加元素で補う。
【００１４】
Ｃｒ：１８．０〜２３．０％
ＣｒはＮｉとの共存下において、オーステナイト組織を形成し、高温強度と耐酸化性を確保するのに有効であるが、１８．０％未満ではこの効果が少なく、２３．０％を超えるとシグマ相脆化による割れが懸念されるので、成分範囲は１８．０〜２３．０％とする。
【００１５】
Ｎ：０．０２〜０．０８％
Ｎは強力なオーステナイト生成元素であり、間接的にシグマ相脆化を抑制したり、結晶粒の微細化や高温強度を上昇させる働きがあるが、０．０２％未満ではこのような効果は期待できず、０．０８％を超えて含有させると、多量の窒化物を形成し、脆化を促進させると共に、耐酸化性が低下するので０．０８％以下とする。
【００１６】
Ｎｂ：０．２〜０．８％
ＮｂはＣやＮと結合して微細な炭化物や炭窒化物を形成し、高温強度やクリープ特性を向上させる。また、Ｃｒ炭化物の生成を抑制することによって、耐酸化性を向上させる。これらの効果を有効に発揮させるためには０．２％以上を必要とする。Ｎｂはシグマ相脆化を促進する元素で、０．８％を超えて添加すると、結晶粒界に共析状の炭化物が析出し、延性と靭性が劣化するためと耐酸化性が低下するので０．８％以下とする。
【００１７】
Ｍｏ：０．８〜２．０％
０．８％以上のＭｏは、マトリックスを強化すると共に炭化物を形成して、高温強度、クリープ破断強度を向上し、靭性を改善する。また、２．０％を超えて添加すると、６５０℃以上の加熱でシグマ相の析出を促進し、靭性が低下したり、高温において異常酸化を引き起こす恐れがあるのに加え、Ｍｏは高価な金属なのでコスト高となる。
【００１８】
Ｗ：０．８〜２．０％
０．８％以上のＷはマトリックスを強化し、さらに炭化物を形成して、高温強度、クリープ破断強度を向上する。２．０％を超えて添加するとシグマ相の析出を促進し、靭性が低下する恐れがあるのに加え、Ｗは高価な金属なのでコスト高となる。
【００１９】
Ａｌ：０．６〜１．０％
Ａｌは高温における耐酸化性を改善する元素であり、少なくとも０．６％以上を必要とする。しかし、１．０％を超えて添加すると介在物が増えるのと、溶湯表面にアルミナの酸化被膜が発生して湯流れが悪くなり、鋳造性が低下する。
【００２０】
Ｚｒ：０．０２〜０．１％
Ｚｒはクリープ破断強度、延性、耐酸化性を向上させるが、０．０２％未満ではその効果を発揮することができない。また、０．１％を超えて添加すると、介在物が増え、靭性と延性が低下する。
【００２１】
Ｖ：０．２〜０．８％
Ｖは高温強度やクリープ破断強度を向上させるが、この効果を発揮させるためには少なくとも０．２％以上を必要とする。また、Ｖは０．８％を超えて添加すると、高温において耐酸化性が低下する。
【００２２】
Ｂ：０．００１〜０．０５％
Ｂは高温強度、特に高温靭性の改善に効果的な元素であり、粒界における炭化物の析出を抑制し、析出物を微細かつ安定化する効果がある。かかる効果を発揮するためには、少なくとも０．００１％以上を必要とする。しかし、Ｂを多量に添加するとボライドが現れ、靭性が低下するので、０．０５％以下とする。
【００２３】
本発明では、このような組成限定を有するオーステナイト系耐熱鋳鋼を用いて、安価で鋳造性と高温強度、耐酸化性の良好な排気系部品を提供する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る、９００℃以上で使用される自動車エンジン用排気系部品等に適し、安価で鋳造性と高温強度、耐酸化性の良好なオーステナイト系耐熱鋳鋼の実施例を説明する。
【００２５】
表１に示す化学成分の発明鋼と比較鋼を、２２．５ｋｇ用高周波炉で大気溶解し、砂鋳型に鋳込み、供試材［ＪＩＳ−Ｇ０３０７、図（ａ）］を採取した。なお、この時の出湯温度は、１５５０℃で５秒以内で鋳込みを完了した。
【００２６】
【表１】

【００２７】
供試材の所定位置から、引張試験用と酸化損耗試験用の素材を切出し、試験を実施した。引張試験片は、ＪＩＳ−Ｇ０５６７、ＩＩ−６型試験片を用いた。８００℃と１０００℃の引張試験結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】

【００２９】
酸化損耗試験は、直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの丸棒試験片を作製し、大気中で１０５０℃に保持した熱処理炉中に試験片を挿入し、５０時間と２００時間保持後、取出し空冷し、試験前後の酸化損耗量を測定した。表３に酸化損耗量試験の結果を示す。
【００３０】
【表３】

【００３１】
ＳＣＨ１２の基本成分に、Ｎｂ、Ｖ、Ｎを添加した発明鋼Ｎｏ．１〜６は比較鋼Ｎｏ．２３（ＪＩＳ規格ＳＣＨ１２）と比較して、８００℃、１０００℃における高温強度、１０５０℃における耐酸化性、いずれについても遥かに優れており、比較鋼Ｎｏ．２７（ＪＩＳ規格ＳＣＨ２１）と比べても同等か、それ以上の性能を有することが判った。
【００３２】
比較鋼Ｎｏ．２４は、発明鋼Ｎｏ．１〜６のＮｂを更に増量した鋼種であるが、Ｎｂの増量によって、耐酸化性が低下するので、Ｎｂの上限は０．８％とすることが望ましい。
発明鋼Ｎｏ．１〜６はＶを含まない比較鋼Ｎｏ．２２と比べると、高温強度が改善され、耐酸化性も良好である。
比較鋼Ｎｏ．２５、２６は、発明鋼Ｎｏ．１〜６のＶを更に増量した鋼種で、高温強度は発明鋼１〜６より優れているが、耐酸化性が非常に低下するので、Ｖの上限は０．８％とすることが望ましい。
比較鋼Ｎｏ．１９は、発明鋼Ｎｏ．１〜６のＮｉ、Ｃｒ含量をそれぞれ７％、１７％に抑えた鋼種であるが、発明鋼Ｎｏ．１〜６に比較して、耐酸化性はかなり低下している。したがって、本発明の第一のオーステナイト系耐熱鋳鋼のＮｉ、Ｃｒ含量はそれぞれ８％、１８％以上であることが望ましい。
【００３３】
ＳＣＨ１２の基本成分に、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎを添加した発明鋼Ｎｏ．７〜１２は、比較鋼Ｎｏ．２３（ＪＩＳ規格ＳＣＨ１２）と比較して、８００℃、１０００℃における高温強度、１０５０℃における耐酸化性、いずれについても遥かに優れており、比較鋼Ｎｏ．２７（ＪＩＳ規格ＳＣＨ２１）と比べても同等かそれ以上の性能を有することが判った。
比較鋼Ｎｏ．２０は、発明鋼Ｎｏ．７〜１２のＮｉ、Ｃｒ含量をそれぞれ７％、１７％に抑えた鋼種であるが、発明鋼Ｎｏ．７〜１２に比較して、耐酸化性はかなり低下している。したがって、本発明の第二のオーステナイト系耐熱鋳鋼のＮｉ、Ｃｒ含量はそれぞれ８％、１８％以上であることが望ましい。
【００３４】
ＳＣＨ１２の基本成分に、Ａｌ、Ｚｒ、Ｂ、Ｎを添加した発明鋼Ｎｏ．１３〜１８は、比較鋼Ｎｏ．２３（ＪＩＳ規格ＳＣＨ１２）と比較して、８００℃、１０００℃における高温強度、１０５０℃における耐酸化性、いずれについても遥かに優れており、比較鋼Ｎｏ．２７（ＪＩＳ規格ＳＣＨ２１）と比べても同等かそれ以上の性能を有することが判った。
比較鋼Ｎｏ．２１は、発明鋼Ｎｏ．１３〜１８のＮｉ、Ｃｒ含量をそれぞれ７％、１７％に抑えた鋼種であるが、発明鋼Ｎｏ．１３〜１８に比較して耐酸化性がかなり低下している。
したがって、本発明の第三のオーステナイト系耐熱鋳鋼のＮｉ、Ｃｒ含量はそれぞれ８％、１８％以上であることが望ましい。
以上の発明鋼Ｎｏ．１〜１８を用い、肉厚が２．５〜３．５ｍｍの自動車エンジン用のタービンハウジングを鋳造した結果、内外部性状はいずれも健全であった。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明のオーステナイト系耐熱鋳鋼は鋳造性に優れ、高温強度、耐酸化性とも良好であり、溶解費についてコスト比較を行うと、ＪＩＳ規格ＳＣＨ２１に対し、２４〜３１％のコストダウンが可能で、非常に安価に製造できる。
このような本発明のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、エグゾーストマニホールドやタービンハウジング等の自動車等エンジン用排気系部品に好適である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：８．０〜１２．０％、Ｃｒ：１８．０〜２３．０％、Ｎ：０．０２〜０．０８％、Ｎｂ：０．２〜０．８％、Ｖ：０．２〜０．８％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする安価で、鋳造性、高温強度、耐酸化性の良好なオーステナイト系耐熱鋳鋼。
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：８．０〜１２．０％、Ｃｒ：１８．０〜２３．０％、Ｎ：０．０２〜０．０８％、Ｎｂ：０．２〜０．８％、Ｖ：０．２〜０．８％、Ｍｏ：０．８〜２．０％、Ｗ：０．８〜２．０％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする安価で、鋳造性、高温強度、耐酸化性の良好なオーステナイト系耐熱鋳鋼。
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：８．０〜１２．０％、Ｃｒ：１８．０〜２３．０％、Ｎ：０．０２〜０．０８％、Ａｌ：０．６〜１．０％、Ｚｒ：０．０２〜０．１０％、Ｂ：０．００１〜０．０５％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする安価で、鋳造性、高温強度、耐酸化性の良好なオーステナイト系耐熱鋳鋼。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の安価で、鋳造性、高温強度、耐酸化性の良好なオーステナイト系耐熱鋳鋼からなる排気系部品。