JP2010255055A - フェライト系耐熱鋳鋼および排気系部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】フェライト系耐熱鋳鋼は、質量%で、炭素0.10〜0.40%、シリコン0.5〜2.0%、マンガン0.2〜1.2%、リン0.3%以下、イオウ0.01〜0.4%、クロム14.0〜21.0%、ニオブ0.05〜0.6%、アルミニウム0.01〜0.8%、ニッケル0.15〜2.3%、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつ。
【選択図】図5
Description
炭素は鋳造性(流動性)を改善し高温強度を向上させ、耐熱性を高める。排気系部品等のように薄肉製品では、鋳造性(流動性)が特に要請される。但し、炭素が過剰になると、炭化物が過剰になり、脆くなる。炭素の上限値としては要請される性質に応じて、0.39%、0.38%、0.37%が例示される。この上限値と組み合わせ得る炭素の下限値としては、要請される性質に応じて、0.12%、0.14%、0.16%が例示される。また、0.15〜0.40%、0.17〜0.35%、0.20〜0.30%が例示される。
シリコンは耐酸化性を向上させる。過少であると、耐酸化性が低下する。過剰であると、靭性が悪化する。シリコンの上限値としては、要請される性質に応じて、1.9%、1.8%、1.7%、1.6%が例示される。この上限値と組み合わせ得るシリコンの下限値としては、要請される性質に応じて、0.55%、0.60%、0.70%が例示される。また、0.70〜1.80%、0.90〜1.50%、1.00〜1.30%が例示される。
マンガンは製造過程において脱酸効果を発揮させる元素である。マンガンの上限値としては、要請される性質に応じて、1.10%、1.00%、0.90%、0.80%、0.70%が例示される。この上限値と組み合わせ得るマンガンの下限値としては、要請される性質に応じて、0.25%、0.30%、0.40%が例示される。また、0.30〜1.00%、0.40〜0.90%、0.50〜0.80%が例示される。
リンは切削性に影響する元素である。リンの上限値としては、要請される性質に応じて、0.25%、0.20%、0.15%、0.10%が例示される。この上限値と組み合わせ得るリンの下限値としては、要請される性質に応じて、0.002%、0.005%、0.01%、0.02%が例示される。
イオウは切削性を向上させる元素である。イオウが過剰であると、切削性が改善されるものの、耐熱性が低下するおそれがある。イオウの上限値としては、要請される性質に応じて、0.38%、0.35%、0.30%、0.28%、0.25%、0.20%が例示される。この上限値と組み合わせ得るイオウの下限値としては、要請される性質に応じて、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%が例示される。また、0.03〜0.25%、0.05〜0.20%、0.06〜0.18%が例示される。
クロムはフェライト系耐熱鋳鋼の主要元素であり、組織をフェライト組織にすると共に、フェライトに固溶する。過少であると、高い耐熱性をもつ基地であるフェライト組織を充分確保できなくなる。過剰であると、脆くなる。クロムの上限値としては、要請される性質に応じて、20.0%、19.0%、18.0%、17.0%が例示される。この上限値と組み合わせ得るクロムの下限値としては、要請される性質に応じて、14.5%、15.0%、15.5%が例示される。また、14.5〜20.5%、15.0〜20.0%、15.5〜18.0%が例示される。
ニオブは安定的なニオブ炭化物を形成する元素であり、高温強度を向上させる。ニオブの上限値としては要請される性質に応じて、0.55%、0.50%、0.45%が例示される。この上限値と組み合わせ得るニオブの下限値としては、要請される性質に応じて、0.07%、0.08%が例示される。また、0.07〜0.55%、0.10〜0.50%、0.12〜0.45%が例示される。
アルミニウムは製造過程において脱酸および脱ガス用に添加される元素である。アルミニウムの上限値としては、要請される性質に応じて、0.70%、0.60%、0.50%が例示される。この上限値と組み合わせ得るアルミニウムの下限値としては、要請される性質に応じて、0.02%、0.04%、0.06%が例示される。また、0.01〜0.55%、0.02〜0.45%、0.03〜0.35%が例示される。
過少であると、室温伸びが低下するし、強度および硬さも低下する。過剰であれば、基地の全部またはほとんどが、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する相となり、硬さが高くなるものの、室温伸びが低下する。これを考慮して、要請される性質に応じて、ニッケルの上限値としては2.2%、2.1%、2.0%、1.9%、1.8%、1.7%が例示され、更に1.6%、1.5%が例示される。この上限値と組み合わせ得るニッケルの下限値としては、要請される性質に応じて、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%が例示され、さらには、0.6%、0.7%が例示される。また、0.20〜2.10%、0.30〜2.10%、0.25〜1.90%、0.30〜1.80%が例示される。
バナジウムは高温強度を向上させる役割を有する。バナジウムは炭化物を形成させる。過剰であると、粗大な炭化物が生成され、常温における伸びが低下すると共に熱疲労性が低下するおそれがある。更にコストが高くなる。バナジウムの上限値としては要請される性質に応じて、0.45%、0.40%、0.30%、0.20%、0.15%、0.10%が例示される。この上限値と組み合わせ得るバナジウムの下限値としては、要請される性質に応じて、0.015%、0.020%、0.025%が例示される。また、0.01〜0.50%、0.02〜0.45%、0.03〜0.35%が例示される。本発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼においては、伸びおよび熱疲労性を向上させること、コスト低減等を考慮すると、バナジウムは含有されていなくも良い。
実施例1では、鋼材および合金材を高周波溶解炉(重量:500kg)で大気雰囲気において溶解した。溶解温度を1700℃とした。そして、溶湯をYブロックの砂型鋳型(生砂)に注入し(注湯温度:1600℃)、凝固させて凝固体とした。その後、熱処理として、凝固体を930℃で大気雰囲気において3.5時間加熱保持した。その後、700℃以下(具体的に500℃)まで大気雰囲気において炉冷させた。熱処理により切削性が改善される。その後、凝固体から引張試験片(JIS4号試験片)を切削加工で形成した。このように本発明材に係るフェライト系耐熱鋳鋼の試験片を形成した。炉冷に代えて空冷としても良い。
ニッケルが0.74%の試験片(No.2)では、フェライトで形成された海状の第1相の面積率が低下しており、且つ、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する島状の第2相(フェライトおよび炭化物の相)が占める面積率が増加しており、60%以上と考えられる。更に、ニッケルが1.20%に増加した試験片(No.4)では、海と島との面積率が完全に逆転しており、フェライトで形成された第1相の面積率がかなり低下しており、且つ、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第2相(フェライトおよび炭化物の相)が占める面積率がかなり増加しており、70%以上と考えられる。更にまた、ニッケルが1.97%に増加した試験片(No.7)では、フェライトで形成された第1相の面積率が更に低下しており、且つ、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第2相(フェライトおよび炭化物の相)が占める面積率が更に増加しており、90%以上と考えられる。
実施例1と同様の手順で本発明材に相当する実施例2に係るフェライト系耐熱鋳鋼の試験片を形成した。その試験片について常温において引張試験を実施した。組成を表3に示す。比較例1〜4についても基本的には同様な手順で試験片を形成し、同様に試験した。比較例1では、炭素が1.18%であり本発明材の組成に比較して過剰であり、クロムが25%であり本発明材の組成に比較して過剰であり、ニオブが5.80%であり本発明材の組成に比較して過剰であり、更に、タングステンも4.28%と多量に含有されている。
実施例1と同様な手順で、本発明材に係るフェライト系耐熱鋳鋼で熱疲労試験用の試験片を形成した。試験片は丸棒状をなしており、試験片の平行部の直径を10ミリメートルとし、平行部の長さを25ミリメートとした。平行部の表面を機械加工で仕上げた。その試験片について熱疲労サイクル試験を実施した。試験では、試験片の拘束率を50%とした状態で、200℃から850℃に4.5分間で昇温させ、850℃から200℃に4.5分間で降温させ、これを1サイクルとし、試験片の軸長方向において圧縮応力および引張応力を作用させた。
表4および表5は、本発明者が実施した数々の試験に基づいて、本発明材と同等の特性を確保できると考えられる例を示す。これらは、安価で且つ常温における靭性、熱疲労性を大きく改善して信頼性を向上させ得るフェライト系耐熱鋳鋼を形成できる。表4に示す試験片No.1B〜試験片No.8Bは、本発明材と同等の特性を確保できると考えられる例である。試験片No.1B〜試験片No.8Bは、バナジウムを含んでいない。表5に示す試験片No.1C〜試験片No.8Cは、本発明材と同等の特性を確保できると考えられる例であり、バナジウムを0.48%以下、0.30%以下、0.20%以下含んでいる。
本発明材の用途としては耐熱部品が例示される。耐熱部品としては車両用または産業機器用の排気系部品が例示される。排気系部品としては、エキゾーストマニホルド(図12参照)、タービンハウジング(図13参照)、タービンハウジング一体エキゾーストマニホルド(図14)が例示される。近年、車両用または産業機器用の排気系部品の分野においては、排ガス規制の強化に伴い、排ガス温度がますます高くなり、雰囲気温度が850℃以上、900℃以上、950℃以上となりつつある。このような排気系部品においては、要請される熱疲労性は益々高いものが要請されている。このような排気系部品に使用される材料として本発明材は適する。
Claims (6)
- 質量%で、炭素0.10〜0.40%、シリコン0.5〜2.0%、マンガン0.2〜1.2%、リン0.3%以下、イオウ0.01〜0.4%、クロム14.0〜21.0%、ニオブ0.05〜0.6%、アルミニウム0.01〜0.8%、ニッケル0.15〜2.3%、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつフェライト系耐熱鋳鋼。
- 質量%で、炭素0.10〜0.40%、シリコン0.5〜2.0%、マンガン0.2〜1.2%、リン0.3%以下、イオウ0.01〜0.4%、クロム14.0〜21.0%、バナジウム0.01〜0.5%、ニオブ0.05〜0.6%、アルミニウム0.01〜0.8%、ニッケル0.15〜2.3%、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつフェライト系耐熱鋳鋼。
- 請求項1または2において、フェライトで形成された第1相と、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する相で形成された第2相とが共存する組織を有するフェライト系耐熱鋳鋼。
- 請求項1〜3のうちの一項において、伸びが4%以上で、引張強度が400MPa以上であるフェライト系耐熱鋳鋼。
- 請求項1〜4のうちの一項において、800〜970℃で加熱保持された後に、700℃以下まで冷却される熱処理が実施されたフェライト系耐熱鋳鋼。
- 請求項1〜5のうちのいずれか一項に係るフェライト系耐熱鋳鋼で形成された排気系部品。
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