JP2014185361A

JP2014185361A - オーステナイト系耐熱鋳鋼

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Publication number: JP2014185361A
Application number: JP2013059952A
Authority: JP
Inventors: Takayasu Ueda; 貴康上田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2014-10-02

Abstract

【課題】オーステナイト系耐熱鋳鋼における高温強度および被削性の両方を向上させること。
【解決手段】重量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：２．５〜３．５％、Ｍｎ：１．０〜５．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：５．０〜２０．０％、Ｃｒ：１４．０〜２０．０％、Ｎ：０．１〜０．３％およびＣａ：０．００１〜０．００５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物であり、かつＣａ／Ｍｎ重量比が０．０００２〜０．００１である合金組成を有するオーステナイト系耐熱鋳鋼。
【選択図】図１

Description

本発明はオーステナイト系耐熱鋳鋼に関し、特に被削性および耐熱性に優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼に関する。

オーステナイト系耐熱鋳鋼は９００℃以上の高温でも高い強度を有することが知られている。自動車用エンジンにおいて、燃費向上やエミッションの低減に伴う排気温度の上昇に対応するため、オーステナイト系耐熱鋳鋼が排気系部品に用いられるようになってきた。

オーステナイト系耐熱鋳鋼は、組織がフェライト化することにより高温強度が著しく低下してしまうため、組成によりオーステナイト組織を安定化させ、高温強度の向上を図る必要がある。

また、従来のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、切削時に生じる加工誘起マルテンサイトおよび加工硬化等のため被削性があまりよくないことが知られている。従って、実用化のためには高温強度の向上とともに、被削性の向上も要求される。

特許文献１に記載の鋳鋼は、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｓ：０．０４〜０．２％、およびＳｅ：０．００１〜０．５％を含み、組織中にＭｎＳやＭｎＳｅなどからなる快削性に寄与する粒子を生成させることにより、被削性を向上させている。特許文献２〜４に記載の鋳鋼においても、同様にＭｎＳ粒子やＭｎＳｅ粒子を生成させることにより被削性を向上させている。しかし、特許文献１〜４に記載されているような鋳鋼の高温強度は未だ満足できるものではなく、さらなる向上が望まれる。

特開２００２−１６７６５５号特開２００６−１１８０４８号特開２００３−２７７８８０号特開平８−２２５８９８号

オーステナイト系耐熱鋳鋼の高温強度の向上には、オーステナイト組織の安定化が不可欠である。ＮｉやＣｏに加えて、上記の特許文献１〜４に記載の鋳鋼に含まれるＭｎもオーステナイト形成元素であることが知られており、Ｍｎを固溶させることにより安価にオーステナイト組織の安定化が図れる。しかしながら、特許文献１〜４に記載の鋳鋼では、そのＭｎが有するオーステナイト組織の安定化効果が十分得られていない。これは、固溶状態のＭｎの量が考慮されておらず、オーステナイト組織安定化効果を奏する固溶状態のＭｎと、被削性向上効果を奏するＭｎＳまたはＭｎＳｅの量が適切に制御されていないことが原因と考えられる。

本発明は、高温強度および被削性の両方において優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼を提供することを課題とする。

検討の結果、本発明者は、ＣａをＭｎに対して所定の重量比を有するように適量添加することにより、オーステナイト系耐熱鋳鋼における高温強度および被削性の両方を向上させることに成功した。本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）重量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：２．５〜３．５％、Ｍｎ：１．０〜５．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：５．０〜２０．０％、Ｃｒ：１４．０〜２０．０％、Ｎ：０．１〜０．３％およびＣａ：０．００１〜０．００５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物であり、かつＣａ／Ｍｎ重量比が０．０００２〜０．００１である合金組成を有するオーステナイト系耐熱鋳鋼。
（２）重量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：２．５〜３．５％、Ｍｎ：１．０〜５．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：５．０〜８．０％、Ｃｒ：１４．０〜２０．０％、Ｎ：０．１〜０．３％およびＣａ：０．００１〜０．００５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物であり、かつＣａ／Ｍｎ重量比が０．０００２〜０．００１である合金組成を有するオーステナイト系耐熱鋳鋼。

本発明の組成を有するオーステナイト系耐熱鋳鋼は、ＣａがＭｎに対して所定の重量比となるように添加されていることにより、硫化物化するＭｎが減少すると共に固溶状態のＭｎが増加し、オーステナイト組織が安定化され、優れた高温強度を有する。また、Ｃａの添加により快削化に寄与するＣａＳ粒子および（Ｍｎ，Ｃａ）Ｓ粒子が生成され、被削性にも非常に優れている。

フェライト量と９００℃における引張強度の相関関係を表すグラフである。組成のＣａ／Ｍｎ比とフェライト量の相関関係を表すグラフである。実施例１〜８と比較例１〜５の組成におけるＭｎ量とＣａ量の相関関係を示す図である。実施例７と、Ｃａを添加していない比較例２のそれぞれの試験片についてＥＢＳＤ分析によって相の同定を行った結果を示す図である。

本発明のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：２．５〜３．５％、Ｍｎ：１．０〜５．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：５．０〜２０．０％、Ｃｒ：１４．０〜２０．０％、Ｎ：０．１〜０．３％およびＣａ：０．００１〜０．００５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物であり、かつＣａ／Ｍｎ重量比が０．０００２〜０．００１である合金組成を有する。各成分の範囲を上記のように限定した理由は以下のとおりである。

Ｃ：０．１〜０．６％。Ｃは、オーステナイト安定化元素として作用し、高温強度の向上と鋳造性の改善に寄与するため、０．１％以上とする。一方、Ｃが過剰となるとＣｒＣの析出により組織の硬さが増加し被削性が低下するため、０．６％以下とする。

Ｓｉ：２．５〜３．５％。Ｓｉは鋳造性の改善に寄与するため２．５％以上とする。一方、Ｓｉが過剰となると被削性が低下するため、３．５％以下とする。

Ｍｎ：１．０〜５．０％。Ｍｎはオーステナイト安定化元素であり、熱疲労寿命の向上に寄与するため１．０％以上とする。一方、Ｍｎが過剰となると、加工時に加工誘起マルテンサイトを生じ、被削性が低下するため、５．０％以下とする。

Ｐ：０．０５％以下。Ｐは不可避不純物であり、鋳造割れの原因となるため、０．０５％以下とする。

Ｓ：０．１〜０．３％。Ｓは被削性の向上に寄与するため０．１％以上とする。一方、Ｓが過剰となると、母相に溶け込み、熱疲労寿命を低下させるため、０．３％以下、より好ましくは０．２５％以下とする。

Ｎｉ：５．０〜２０．０％。Ｎｉは耐酸性の向上、およびオーステナイト組織の安定化による熱疲労寿命の向上に寄与するため５．０％以上とする。一方、Ｎｉが過剰となると鋳造性が低下するため２０．０％以下とする。コストを考慮すると、Ｎｉは１４．０％以下、特に８．０％以下とすることが好ましい。

Ｃｒ：１４．０〜２０．０％。Ｃｒは耐酸性の向上に寄与するため１４．０％以上とする。一方、Ｃｒが過剰となると、ＣｒＣの析出により組織の硬さが増加し被削性が低下するため、２０．０％以下とする。

Ｎ：０．１〜０．３％。Ｎはオーステナイト組織を安定化し熱疲労寿命を向上させるため０．１％以上とする。一方、Ｎが過剰となると、鋳造時にガス欠陥が生じるため、０．３％以下とする。

Ｃａ：０．００１〜０．００５％。Ｃａを添加することにより、快削性に寄与するＣａＳ粒子および（Ｍｎ，Ｃａ）Ｓ粒子が生成され、被削性を飛躍的に向上させることができる。また、Ｃａの添加は、硫化物化するＭｎを減少させ、固溶状態のＭｎを増加させることで、オーステナイト組織を安定化し、高温強度、特に高温引張強度の向上に寄与する。Ｃａは０．００１％以上とすることでそのような効果が十分得られる。一方、Ｃａが過剰となると鋳造割れの原因となるため、０．００５％以下とする。

本発明のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、Ｃａ／Ｍｎ重量比を０．０００２〜０．００１の範囲とすることにより、フェライト相の割合が１０％以下であることを特徴とする。ここで、フェライト相の割合は、ＶＳＭによってＪＩＳＨ７３１１に基づいて飽和磁化の値を測定し算出したものである。後述する実施例により実証されているように、フェライト相の割合を１０％以下とすることにより高温引張強度が著しく向上する。本発明のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、９００℃における引張強度が８０ＭＰａ以上、特に９０ＭＰａ以上、とりわけ１００ＭＰａ以上であることを特徴とする。

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

１．試験方法
（１）材料の作成
表１に示した組成を有する鋼材を、３５ｋｇ高周波誘導炉で大気溶解し、１６００℃で出湯、１５５０℃で注湯し、Ｙ型Ｂ号ブロック（ＪＩＳ規格）を鋳造した。

（２）フェライト量測定
上記（１）のブロックから５ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍの試験片を切り出し、ＶＳＭ（Vibrating Sample Magnetometer）によって飽和磁化の値を測定し、フェライト量を算出した。測定は、振動試料型磁力計ＶＳＭ−３（東英工業製）を用い、ＪＩＳＨ７３１１に基づいて行った。１０ＫＯｅ、０．１３Ｐａの真空中において、室温から９００℃まで１０℃／分で磁化量を求めた。

フェライト相の分布については、電子後方散乱回折像解析（ＥＢＳＤ法：Electron Backscatter Diffraction）により測定した。測定は、Hikari High Speed EBSD Detector（ＴＳＬ社製）、ＳＥＭ：ULTRA 55（Carl Zeiss社製）、およびソフトウェア：OIMTM Ver 5.2を用い、ＪＩＳＧ４３０３に基づいて行った。

（３）引張試験
上記（１）のブロックから平行部長さが５０ｍｍ、標点間の直径が１０ｍｍの丸棒試験片を作製し、クロスヘッド速度０．０１ｍｍ／ｓで、９００℃において引張試験を実施し、引張強度を測定した。測定は、万能試験機ＡＧ−２５０ｋＮＸ（島津製作所製）を用い、ＪＩＳＺ２２４１に基づいて行った。

２．試験結果
図１は、フェライト量と９００℃における引張強度の相関関係を表すグラフである。図中に破線で示したように、フェライト量がおよそ１０％以下となった場合に引張強度が著しく向上した。

図２は、組成のＣａ／Ｍｎ比とフェライト量の相関関係を表すグラフである。図中に破線で示したように、Ｃａ／Ｍｎが０．０００２以上かつ０．００１以下でフェライト量が１０％以下となった。図１に示されるように、その範囲では９００℃における引張強度が著しく向上した。図３は、実施例１〜８と比較例１〜５の組成におけるＭｎ量とＣａ量の相関関係を示す図であり、破線は本発明の耐熱鋳鋼の組成比におけるＭｎ量およびＣａ量の範囲を、直線はＣａ／Ｍｎ＝０．００１または０．０００２の境界をそれぞれ示す。実施例１〜８はすべてＭｎ：１．０〜５．０％、Ｃａ：０．００１〜０．００５％、かつＣａ／Ｍｎ＝０．０００２〜０．００１の範囲に包含されている。

図４は、実施例７と、Ｃａを添加していない比較例１のそれぞれの試験片についてＥＢＳＤ分析によって相の同定を行った結果を示す図である。

Ｃａを添加した実施例７では、ＭｎＳと（Ｍｎ，Ｃａ）Ｓが球状に析出しており、その周囲のオーステナイト組織が安定化されている様子がわかる。これはＭｎのサイトにＣａが入ることで固溶状態のＭｎが増加し、オーステナイト安定化元素として働いているためであると推定された。また、この測定点でのフェライト量は０％であった。

一方、Ｃａを添加していない比較例１では、基地がオーステナイト組織であるのに対し、ＭｎＳの周囲がフェライト化していることが確認された。この測定点でのフェライト量は１１％であった。これは、基地に固溶していたＭｎ（オーステナイト安定化元素）がＭｎＳとして析出することでＭｎＳの周囲にＭｎ欠乏層が形成されたためと推定された。

Claims

重量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：２．５〜３．５％、Ｍｎ：１．０〜５．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：５．０〜２０．０％、Ｃｒ：１４．０〜２０．０％、Ｎ：０．１〜０．３％およびＣａ：０．００１〜０．００５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物であり、かつＣａ／Ｍｎ重量比が０．０００２〜０．００１である合金組成を有するオーステナイト系耐熱鋳鋼。
重量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：２．５〜３．５％、Ｍｎ：１．０〜５．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：５．０〜８．０％、Ｃｒ：１４．０〜２０．０％、Ｎ：０．１〜０．３％およびＣａ：０．００１〜０．００５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物であり、かつＣａ／Ｍｎ重量比が０．０００２〜０．００１である合金組成を有するオーステナイト系耐熱鋳鋼。