JP2004360071A

JP2004360071A - 自動車のエンジン排気系用鋳鉄組成物

Info

Publication number: JP2004360071A
Application number: JP2004155865A
Authority: JP
Inventors: Jong Moon Kim; 種文金
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2004-12-24
Also published as: KR20040105278A; US20040223866A1; CN1572894A; CN1303239C; DE102004027366A1

Abstract

【課題】高温耐酸化性と高温強度を増大させるとともに、耐久性、信頼性の向上および酸化スケールによる触媒の損傷を最小化できる自動車のエンジン排気系用鋳鉄組成物を提供する。
【解決手段】本発明は、自動車のエンジン排気系用鋳鉄組成物において、鉄を主材とし、これに、炭素（Ｃ）２．９〜３．８重量％、ケイ素（Ｓｉ）４．０〜４．５重量％、マンガン（Ｍｎ）０．３重量％以下、リン（Ｐ）０．０５重量％以下、硫黄（Ｓ）０．１重量％以下、モリブデン（Ｍｏ）０．８〜１．２重量％、マグネシウム（Ｍｇ）０．０２５重量％以下を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のエンジン排気系用鋳鉄組成物に関し、さらに詳しくは、鉄（Ｆｅ）を主材とし、これに、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、モリブデン（Ｍｏ）、そして、マグネシウム（Ｍｇ）を適宜に含むエンジン排気系用鋳鉄組成物を排気マニフォールドやタービンハウジングに適用することによって、高温の使用条件の下で、優れた耐酸化性および高温強度を増大できる自動車のエンジン排気系用鋳鉄組成物に関する。

一般的に、自動車の排気系統は、エンジン性能の低下を防止するために、排気干渉の少ない構造とし、エンジンの始動直後、炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）などの有害ガス成分の放出を低めるために、触媒が作動する活性化温度まで短時間で上昇できるように熱容量の少ない材質から構成されている必要がある。また、７００〜９５０℃の高温排気ガスが通過するため、基本的に高温強度、高温疲労強度、クリープ（Ｃｒｅｅｐ）強度、高温耐酸化性などの物性が求められる。

現在、自動車用排気多岐管の材料には、ニッケルを多量含有するオーステナイト系の高ニッケル球状黒鉛鋳鉄が最も多用されている。たとえば、特開平６−２２８７１２号公報に開示されている高温剛性に優れた８〜２０重量％のＮｉを含有するオーステナイト鋳鉄を挙げることができる。しかし、この材料は、材料の特性上、耐熱性の点から薄肉化が不可能であるため、熱容量を大きくせざるを得ず、触媒のライトオフ時間（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ−ｔｉｍｅ）の遅延によって始動初期に排気ガス量が増加するという問題がある。

従って、最近は、熱膨張係数が少なく、耐熱特性に優れたフェライト（Ｆｅｒｒｉｔｅ）系ステンレス鋳鋼材料を使用しているが、フェライト系ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼に比べて安価であるものの、加工性、軟性、高温強度などに劣る。このような特性を改善するために、特開昭６１−２６１４６０号公報にはＢを添加することを提示しているが、これは、耐熱性や耐食性については十分考慮していない。また、特開平２−１７５８４３号公報および特開平３−２７４２４５号公報などには、ＭｏやＮｂを比較的多量添加することによって、耐食性および耐熱性を改善したフェライト系ステンレス鋼が提示されている。
しかし、前記添加元素は高価であるので、従来のステンレス鋳鋼材料の使用は経済性に劣り、産業上利用が制限されるという問題がある。

前記のような問題を解決するために提案された韓国特許出願第１９９７−５７２７１号公報は、タングステンとニオブの代わりに、チタン、アルミニウムを添加し、ケイ素の含量を増加させたＳＵＳステンレス鋳鋼材料を開示しているが、この鋳鋼材料は高温強度の点で問題が指摘された。
特開平６−２２８７１２号公報特開昭６１−２６１４６０号公報特開平２−１７５８４３号公報特開平３−２７４２４５号公報韓国特許出願第１９９７−５７２７１号公報

本発明は、前記のような問題を解決するために案出されたものであって、高温で用いられる自動車のエンジン排気系用合金、すなわち、球状黒鉛鋳鉄材料の構成成分のうち、ケイ素（Ｓｉ）およびモリブデン（Ｍｏ）の含量を一定に調整して高温耐酸化性と高温強度を増大させるとともに、鋳造性をよくすることによって、耐久信頼性の向上および酸化スケールによる触媒の損傷を最小化できる自動車のエンジン排気系用鋳鉄組成物を提供することにその目的がある。

本発明の自動車のエンジン排気系用鋳鉄組成物は、自動車のエンジン排気系用鋳鉄組成物において、鉄を主材とし、これに、炭素（Ｃ）２．９〜３．８重量％、ケイ素（Ｓｉ）４．０〜４．５重量％、マンガン（Ｍｎ）０．３重量％以下、リン（Ｐ）０．０５重量％以下、硫黄（Ｓ）０．１重量％以下、モリブデン（Ｍｏ）０．８〜１．２重量％、マグネシウム（Ｍｇ）０．０２５〜０．０４５重量％を含むことを特徴とする。

本発明に係る自動車のエンジン排気系用鋳鉄組成物によれば、従来の球状黒鉛鋳鉄材料に比べて、高温耐酸化性および高温強度などの物性がそれぞれ約５０％、２０％程度向上し、このような物性の向上とともに、従来のＳＵＳステンレス鋳鋼材料に比べて安価であるため、経済的かつ実用的なエンジン排気系用合金を製造できる。

一般的に、自動車のエンジン排気系用に用いられる鋳鉄材は、炭素、ケイ素、マンガン、リン、硫黄、マグネシウム（Ｍｇ）およびモリブデン（Ｍｏ）などの合金を用いる。
本発明は、従来の自動車のエンジン排気系用鋳鉄組成物に比べて、材質の耐酸化性を増大させるために上記組成においてケイ素（Ｓｉ）の含量を一定に調整し、フェライト（ｆｅｒｒｉｔｅ）比率を下げ炭化物形成によりマトリックス（ｍａｔｒｉｘ）を強化することによって高温強度を増大できるようにモリブデン（Ｍｏ）を調整することにその特徴がある。

この際、ケイ素（Ｓｉ）の含量は４．０〜４．５重量％範囲が好ましい。
これは、ケイ素（Ｓｉ）の含量がこの範囲を外れて４．０重量％未満の場合、耐酸化性に劣るため従来材との差がなくなり、４．５重量％を超える場合、鋳物溶湯の流動性が急激に低下して、鋳造時に多くの問題が発生するためである。従って、ケイ素（Ｓｉ）の含量を４．０〜４．５重量％に限定することが妥当であるといえる。

モリブデン（Ｍｏ）の含量は０．８〜１．２重量％範囲である。
モリブデン（Ｍｏ）が０．８重量％未満の場合は、高温強度の不足現象が発生するため不適であり、１．２重量％を超える場合は、パーライト（ｐｅａｒｌｉｔｅ）の生成が増加し、硬度、引張り強度は増加するが、逆に伸び、衝撃値などは減少するという問題が生じる。
一方、前記成分の以外に、本発明は、炭素（Ｃ）２．９〜３．８重量％、マンガン（Ｍｎ）０．３重量％以下、リン（Ｐ）０．０５重量％以下、硫黄（Ｓ）０．１重量％以下、マグネシウム（Ｍｇ）０．０２５〜０．０４５重量％を含む。

炭素（Ｃ）の含量が２．９重量％未満であると、収縮欠陥が起こり、３．８重量％を超えると、炭素の浮選（ｃａｒｂｏｎｆｌｏｔａｔｉｏｎ）が発生し、問題がある。
また、マンガン（Ｍｎ）は鋳鉄の基本５大元素として０．３重量％以下添加したものである。マンガン（Ｍｎ）はパーライトを促進する元素であり、過量添加すると、材質がブリットル（ｂｒｉｔｔｌｅ）になることがあるので、前記のように限定した。

リン（Ｐ）は、鋳鉄の基本５大元素であるが、０．０５重量％以下とした理由は、０．０５重量％を超えると、炭化物が生成するので、これを防止するためである。
硫黄（Ｓ）も鋳鉄の基本５大元素であるが、０．１重量％以下とした理由は、０．１重量％を超えると、介在物が生成するので、これを防止するためである。
マグネシウム（Ｍｇ）を０．０２５〜０．０４５重量％添加した理由は、マグネシウム（Ｍｇ）の含量が前記重量％を超えると、強度は増加するが、靱性は減少し、その含量が前記重量％未満であると、逆に靱性は増加するが強度は減少するためである。

表１に、本発明の実施例および比較例１〜２の構成成分をそれぞれ示す。

図１と図２は、本発明の実施例および比較例における高温引張り強度の試験結果と高温耐酸化性の試験結果をそれぞれ示すものであって、その構成成分は表１の通りである。図１，２より、本発明の実施例は比較例に比べて引張り強度および高温耐酸化性が遥かに優れていることが分かる。
さらに詳しく説明すると、高温引張り強度の試験結果、試験温度を７００℃〜８００℃に保持する場合、温度が上昇すると引張り強度は減少するが、この際、実施例では１２０〜６０Ｍｐａの引張り強度を保持し、比較例１では１００〜５０Ｍｐａの引張り強度を保持し、比較例２では７０〜４０Ｍｐａの引張り強度を保持している。
また、高温耐酸化性の試験結果、温度７００℃、時間３００（ｈｒ）で、実施例では酸化減少量が約１１０ｇ／ｍ^２であり、比較例１では約２３５ｇ／ｍ^２、比較例２では約２９０ｇ／ｍ^２を示している。

一方、表２は、本発明による実施例と比較例のフェライト組織および硬度を示すものであって、本発明に係るエンジン排気系用鋳鉄において、厚肉部（該当製品において相対的に厚い部位をいう）とポート部のフェライト比率を最小８０％以上に制御し、試製品を分析した結果、部位に拘わらず前記要件を満たすと判断されるので、本発明による実施例では、モリブデン（Ｍｏ）の多量添加によるフェライト比率の減少および炭化物の生成によって、比較例に比べて約３０％の硬度（ＨＢ）が向上することが分かる。
従って、本発明は、前記のような鋳鉄組成物の含量を調整し、特に、ケイ素（Ｓｉ）とモリブデン（Ｍｏ）の含量を異にすることによって、従来の高ニッケル球状黒鉛鋳鉄材およびＳＵＳステンレス鋳鋼材に比べて、高温強度と高温耐熱特性が増大できる新たな自動車のエンジン排気系用鋳鉄材を期待できる。

本発明に係る実施例および比較例における高温引張り強度の試験結果を示すグラフである。本発明に係る実施例および比較例における高温耐酸化性の試験結果を示すグラフである。本発明の実施例に従って製造された鋳鉄の厚肉部を示す顕微鏡写真である。本発明の実施例に従って製造された鋳鉄のポート（ｐｏｒｔ）部を示す顕微鏡写真である。比較例に従って製造された鋳鉄の厚肉部を示す顕微鏡写真である。比較例に従って製造された鋳鉄のポート部を示す顕微鏡写真である。

Claims

自動車のエンジン排気系用鋳鉄組成物において、鉄を主材とし、これに、炭素（Ｃ）２．９〜３．８重量％、ケイ素（Ｓｉ）４．０〜４．５重量％、マンガン（Ｍｎ）０．３重量％以下、リン（Ｐ）０．０５重量％以下、硫黄（Ｓ）０．１重量％以下、モリブデン（Ｍｏ）０．８〜１．２重量％、マグネシウム（Ｍｇ）０．０２５〜０．０４５重量％以下を含むことを特徴とする自動車のエンジン排気系用鋳鉄組成物。