JP2542778B2 - 排気系部品 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車エンジン等の薄
肉部を有する排気系部品に関し、特に熱疲労性、耐酸化
性といった耐久性に優れているとともに、構造用部品と
して室温延性に優れ、かつ鋳造性及び機械加工性に優
れ、安価なコストで製造可能なフェライト系耐熱鋳鋼か
らなる薄肉部を有する排気系部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の排気系部品としては、例えば表１
の比較例に示す組成からなる耐熱鋳鉄及び耐熱鋳鋼を用
いたものがある。自動車のエキゾーストマニフォールド
やタービンハウジングなどの排気系部品等においては、
使用条件が高温過酷であることから、表１に示すような
高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄、ニレジスト鋳鉄（Ｎｉ−Ｃｒ系オ
ーステナイト鋳鉄）等の耐熱鋳鉄や、特例的にはオース
テナイト鋳鋼等の高価な高合金耐熱鋳鋼が採用されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の耐熱
鋳鉄、耐熱鋳鋼のうち、例えば高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄やニ
レジスト鋳鉄は、比較的鋳造性が良好であるものの、耐
熱疲労性、あるいは耐酸化性といった耐久性が劣ること
から、９００℃以上の高温となる部材には適用できな
い。また、オーステナイト系耐熱鋳鋼等の高合金耐熱鋳
鋼は、９００℃以上での耐久性に優れているものの、熱
膨張係数が大きいことに起因して熱疲労寿命が短いとい
う欠点を有する。また、鋳造性が悪いために、鋳造時に
ひけ巣や湯廻り不良等の鋳造欠陥が発生しやすく、さら
に機械加工性が悪いために、それから部品等を製造する
場合に、生産性が低いという問題点もあった。なお、そ
の他にフェライト系ステンレス鋳鋼もあるが、通常のフ
ェライト系ステンレス鋳鋼は、高温強度を改善しようと
すると、室温における延性に乏しくなる。これらを用い
た排気系部品は高価なうえ、極めて短寿命である。

【０００４】従って、本発明は、上記従来の耐熱鋳鉄、
耐熱鋳鋼を用いた排気系部品の問題点を解決し、耐熱疲
労性、耐酸化性といった耐久性、及び鋳造性、機械加工
性に優れ、安価に製造可能なフェライト系耐熱鋳鋼から
なる長寿命で薄肉部を有する排気系部品を提供すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、Ｃ及びＣｒを適正量に調整する
ことにより、フェライト基地および結晶粒界を強化し、
室温における延性を損なわずに変態点を上昇させ、高温
強度を向上することができるフェライト系耐熱鋳鋼から
なる排気系部品は、耐熱疲労性、耐酸化性といった耐久
性に優れており、安価に製造可能であることを見出し、
本発明に想到した。

【０００６】すなわち、本発明の排気系部品は薄肉部を
有し、重量比率で、Ｃ：０．０５〜０．４５％及びＣ
ｒ：１６．０〜２５．０％を含有し、通常のα相のほか
に、γ相からα相＋炭化物に変態した相（以下α’相）
を有するとともに、α’相の面積率（α’／α＋α’）
が２０〜９０％であるフェライト系耐熱鋳鋼からなり、
前記薄肉部の少なくとも一部は４．１ｍｍ以下の肉厚を
有することを特徴とする。

【０００７】

【作用】上述したように、フェライト系耐熱鋳鋼とし
て、重量比率で、Ｃを０．０５〜０．４５％、Ｃｒを１
６．０〜２５．０％に調整し、さらに使用目的により、
所定量のＳｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂおよび／またはＶ
を単独で又は組み合わせて添加すると、α’相を含有す
る組織が得られ、それにより、従来の高合金鋼を上回る
耐熱疲労性および耐酸化性を有し、室温における延性を
損なうことなく耐熱鋳鉄と同等の鋳造性、機械加工性を
有し、かつ低価格な耐熱鋳鋼が得られる。このようなフ
ェライト系耐熱鋳鋼からなる排気系部品は、従来の排気
系部品にくらべて極めて耐久性に優れ、長寿命である。

【０００８】これらの基地組織を得るために、本発明の
フェライト系耐熱鋳鋼からなる排気系部品では、次のよ
うに条件を設定する。

【０００９】本発明の排気系部品では、フェライト系耐
熱鋳鋼として通常のα相のほかに、γ相からα相＋炭化
物に変態したパーライトコロニー状のα’相を析出さ
せ、これらの相の面積率を適正にした基地組織とするこ
とが重要である。なお、通常のα相とは、δ（デルタ）
フェライト相を意味する。また、析出した炭化物は、Ｆ
ｅ、Ｃｒ、Ｗ、またはＮｂ等の炭化物（Ｍ₂₃Ｃ₆ 、Ｍ₇
Ｃ₃、ＭＣ等）である。

【００１０】このα’相の面積率α’／（α＋α’）が
２０％未満では、室温における延性が低く、極めて脆
い。一方、α’相の面積率が９０％を越えると硬くなり
すぎ、室温の延性が低下するとともに、機械加工性が著
しく悪くなる。そのためα’相の面積率は２０〜９０％
とする。ここで、α’相の面積率とは、後述の図３の金
属組織写真中のふちどりの内部のやや灰黒色に見える組
織（α’相）の面積を全体（α＋α’）の面積で割って
求めたものである。

【００１１】上述したフェライト系耐熱鋳鋼においては
使用温度域にα相からγ相への変態点が存在すると、加
熱−冷却のサイクルを受けて発生する熱応力が増大し、
熱疲労寿命が短くなる。そのため、本発明の排気系部品
を構成するフェライト系耐熱鋳鋼は９００℃以上の変態
点を有するのが好ましい。このように高い変態点を有す
るためには、フェライト生成元素であるＣｒとオーステ
ナイト生成元素であるＣのバランスが適正であることが
必要である。なお、使用目的によりフェライト生成元素
としてＳｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、オーステナイト生成元素
としてＭｎ、Ｎｉを添加してもよい。

【００１２】また、本発明の排気系部品を構成するフェ
ライト系耐熱鋳鋼は、鋳造後にα’相がγ相に変態しな
い温度域で焼鈍してもよい。このときの焼鈍処理の温度
は、一般に７００〜８５０℃であり、焼鈍時間は１〜１
０時間である。

【００１３】以下、本発明の排気系部品を構成するフェ
ライト系耐熱鋳鋼の各合金元素の組成範囲の限定理由に
ついて詳細に説明する。上記フェライト系耐熱鋳鋼にお
いては、Ｃ及びＣｒを必須元素とする。

【００１４】(1) Ｃ（炭素）：０．０５〜０．４５％ Ｃは、溶湯の流動性すなわち鋳造性を改善するととも
に、α’相を適当量生成する作用を有し、さらには変態
点以下の高温における強度を高く維持する働きがある。
このような作用を有効に発揮するために、Ｃは０．０５
％以上必要である。なお、一般のフェライト系耐熱鋳鋼
では室温でα相のみであるが、炭素量の調整により、高
温から常温まで存在するα相（δ−フェライト相）のほ
かに、高温ではＣが固溶したγ相ができる。このγ相は
冷却過程で炭化物を析出してパーライトコロニー状のα
相＋炭化物に変態する。このような相をα’相と呼び、
通常のα相にくらべて極めて強靱な相となる。

【００１５】一方、Ｃの含有量が０．４５％を越えると
α’相が存在しにくくなって、マルテンサイト組織にな
り、また耐酸化性、耐食性および機械加工性の低下を引
き起こすＣｒ炭化物の析出が顕著になる。このため、Ｃ
は０．０５〜０．４５％とする。好ましくは０．１５〜
０．４０％とする。

【００１６】(2) Ｃｒ（クロム）：１６．０〜２５．０
％ Ｃｒは耐酸化性を改善し、フェライト組織を安定にする
元素であるが、その効果を確実にするため１６．０％以
上必要である。一方、多量の添加はＣｒの一次炭化物を
粗大化させ、また高温でのδ−フェライト相の形成を助
長し、著しい脆化を起こす。このため、Ｃｒの上限を２
５．０％とする。好ましくは１７．０〜２１．０％とす
る。

【００１７】なお、使用目的によって、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍ
ｏ、Ｗ、Ｎｂおよび／またはＶを添加するが、そのとき
の各々の元素の範囲は以下のように限定する。なお、そ
れぞれの元素は単独で添加してもよいし、組み合わせて
添加してもよい。

【００１８】(3) Ｓｉ（ケイ素）：２．０％以下 Ｓｉは、フェライト系耐熱鋳鋼のγ相の範囲を狭め、フ
ェライト基地の安定性を増し、耐酸化性の改善効果もあ
る。さらに鋳造性の改善、脱酸剤としての作用、鋳物の
ピンホール欠陥の低減効果等もある。しかし多すぎる
と、Ｃとのバランス（炭素当量）により一次炭化物を粗
大化し、鋳鋼の加工性を低下させたり、またフェライト
基地中のＳｉの含有量が過多となって延性の低下を起こ
したり、高温でのδ−フェライト相を増加したりする。
このためＳｉの含有量は２．０％以下とする。好ましく
は０．４〜２．０％とし、さらに好ましくは０．５〜
１．５％とする。

【００１９】(4) Ｍｎ（マンガン）：１．０％以下 Ｍｎは、Ｓｉと同様に溶湯の脱酸剤として有効であり、
また鋳造時の湯流れ性を向上させて生産性を改善する
が、多すぎると延性が低下するので、Ｍｎの含有量は
１．０％以下とする。好ましくは０．３〜１．０％と
し、さらに好ましくは０．３〜０．７％とする。

【００２０】(5) Ｍｏ（モリブデン）：２．５％以下 Ｍｏはフェライト基地を強化し、室温における延性をあ
まり損なわず高温強度を向上させる作用を有する。しか
し、多量に添加するとα’相が生成しにくくなって脆化
し、延性の低下を引き起こすので２．５％以下とする。
好ましくは、０．５〜２．０％とする。

【００２１】(6) Ｗ（タングステン）：５．０％以下 ＷはＭｏと同様に、フェライト基地を強化し、室温の延
性をあまり損なわず高温強度を向上させる作用を有す
る。Ｗは原子量がＭｏの１／２なので、添加量は重量比
率でＭｏの２倍までにするのが好ましい。多量に添加す
るとα’相が生成しにくくなり脆化し、延性の低下を引
き起こすので５．０％以下とする。好ましくは１．０〜
５．０％とし、さらに好ましくは１．０〜４．０％とす
る。なお、Ｍｏ，Ｗは単独で又は組み合わせて添加する
ことができるが、組み合わせて添加する場合には（２Ｍ
ｏ＋Ｗ）で５％以下とする。好ましくは１．０〜４．０
％とする。また、ＭｏはＷに比べ耐熱性が若干劣るの
で、本発明のような排気系部品ではＷのみを添加するほ
うが好ましい。

【００２２】(7) Ｎｂ（ニオビウム）および／またはＶ
（バナジウム）：１．０％以下 Ｎｂ及びＶはＣと結合して微細な炭化物を形成し、高温
での引張強さならびに耐熱疲労性を増大させる。またＣ
ｒの炭化物の生成を抑制することによって耐酸化性と切
削性を向上させる。しかし、多量に添加すると、結晶粒
界に炭化物を形成し、またＮｂ及びＶの炭化物を生成す
ることによりＣが消費され、α’相が形成されにくくな
り、強度と延性が著しく低下するため、各々０．５０％
以下（合計１．０％以下）とする。好ましくは各々０．
０１〜０．５％とし、さらに好ましくは各々０．０３〜
０．３％とする。

【００２３】なお、ＮｂとＶでは炭化物を形成する温度
域が異なるので、広い温度域にわたり析出強化（硬化）
作用が期待できる。従って、どちらか一方の単独含有の
みならず、複合添加により大きな効果が期待できる。

【００２４】好ましい実施例においては、上記元素の他
に、Ｎｉ、Ｎを単独で又は組み合わせて含有してもよ
い。

【００２５】(8) Ｎｉ（ニッケル）：２．０％以下 Ｎｉは、Ｃと同様にγ相生成元素であり、α’相を適当
量存在させるのに有効な元素である。しかし、多量に添
加すると耐酸化性に優れたα相が減少し、かつα’相が
マルテンサイト化して著しく延性を低下させるため、
２．０％以下とする。好ましくは０．１〜２．０％と
し、さらに好ましくは０．１〜１．５％とする。

【００２６】(9) Ｎ（窒素）：０．１５％以下 Ｎは、Ｃと同様に高温強度及び耐熱疲労性を改善する元
素であるが、製造の安定性を確保するためとＣｒ窒化物
の析出により脆化を避けるため、０．１５％以下とす
る。好ましくは０．０１〜０．１５％とする。

【００２７】以上を要約すると、本発明の排気系部品に
使用し得るフェライト系耐熱鋳鋼の組成例は、以下の通
りである。

【００２８】（１）Ｃ：0.05〜0.45％ Ｃｒ：16.0〜25.0％ Ｓｉ：2.0 ％以下 Ｍｎ：1.0 ％以下 Ｍｏ：2.5 ％以下 Ｗ：5.0 ％以下 Ｎｂ：1.0 ％以下 Ｎｉ：2.0 ％以下

【００２９】好ましい組成範囲は以下の通りである。 Ｃ：0.15〜0.40％ Ｃｒ：17〜21％ Ｓｉ：0.5 〜1.5 ％ Ｍｎ：0.3 〜0.7 ％ Ｍｏ：0.5 〜2.0 ％ Ｗ：1.0 〜4.0 ％ Ｎｂ：0.03〜0.3 ％ Ｎｉ：1.5 ％以下

【００３０】（２）Ｃ：0.10〜0.30％ Ｓｉ：0.4 〜2.0 ％ Ｍｎ：0.3 〜1.0 ％ Ｃｒ：16.0〜25.0％ Ｗ：1.0 〜5.0 ％ Ｎｂ：0.01〜0.5 ％ Ｎｉ：0.1 〜2.0 ％ Ｎ：0.01〜0.15％

【００３１】好ましい組成範囲は以下の通りである。 Ｃ：0.15〜0.25％ Ｓｉ：0.7 〜1.5 ％ Ｍｎ：0.4 〜0.7 ％ Ｃｒ：17〜22％ Ｗ：1.2 〜３％ Ｎｂ：0.02〜0.1 ％ Ｎｉ：0.3 〜1.5 ％ Ｎ：0.02〜0.08％

【００３２】（３）Ｃ：0.15〜0.45％ Ｓｉ：0.4 〜2.0 ％ Ｍｎ：0.3 〜1.0 ％ Ｃｒ：17.0〜22.0％ Ｗ：1.0 〜4.0 ％ Ｎｂおよび／またはＶ：0.01〜0.5 ％

【００３３】好ましい組成範囲は以下の通りである。 Ｃ：0.20〜0.40％ Ｓｉ：0.7 〜1.5 ％ Ｍｎ：0.4 〜0.7 ％ Ｃｒ：18〜21％ Ｗ：1.2 〜3.0 ％ Ｎｂおよび／またはＶ：0.02〜0.4 ％

【００３４】なお、各例のフェライト系耐熱鋳鋼におけ
る面積率及び変態点は以下の通りである。

【００３５】（１）〜（２）面積率：２０〜９０％ 変態点：９００℃以上

【００３６】（３）面積率：２０〜８０％ 変態点：１０００℃以上

【００３７】本発明の排気系部品は、上述したフェライ
ト系耐熱鋳鋼を用いて製造する。ここで、自動車用排気
系部品の例として、過給機付き直列４気筒エンジンに取
り付けられた一体構造型エキゾーストマニフォールドを
図１に、過給機付きＶ型６気筒エンジンに取り付けられ
た一体構造型エキゾーストマニフォールドを図２に示
す。エキゾーストマニフォールドは、図１で示すフレキ
シブル型（たこ足型）１ａと、図２で示すリジッド型
（いも虫型）１ｂがある。

【００３８】エキゾーストマニフォールド１ａ及び１ｂ
は、それぞれターボチャージャのタービンハウジング２
に結合しており、またタービンハウジング２には、エキ
ゾーストアウトレットパイプ３を介して、排気ガス浄化
用触媒コンバータ容器４が接続している。さらにコンバ
ータ容器４にはメインキャタライザ５が接続している。
メインキャタライザ５の出口はマフラー（Ｄ）に連通し
ている。一方、タービンハウジング２は、インテークマ
ニフォールド（Ｂ）に連通しており、かつ（Ｃ）より吸
気されるようになっている。なお排気ガスは、（Ａ）よ
りエキゾーストマニフォールド１ａ及び１ｂに流入す
る。

【００３９】このようなエキゾーストマニフォールド１
ａ及び１ｂやタービンハウジング２等の排気系部品は、
熱容量を小さくするためにできるだけ薄肉にするのが好
ましく、少なくとも一部を４．１ｍｍ以下とする。例え
ば排気系部品全体を４．１ｍｍ以下としてもよく、また
薄肉部の一部を４．１ｍｍ以下としてもよい。具体的に
は、エキゾーストマニフォールド１ａ、１ｂおよびター
ビンハウジング２の肉厚は、例えば、それぞれ２．５〜
３．４ｍｍ、２．７〜４．１ｍｍである。なお、各々の
フランジ部の肉厚は５．０〜１０．０ｍｍである。

【００４０】このような薄肉のフェライト系耐熱鋳鋼か
らなるエキゾーストマニフォールド１ａ及び１ｂやター
ビンハウジング２は、加熱−冷却の熱サイクルを受けて
も亀裂が生じることがなく、優れた耐久性を有する。

【００４１】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。

【００４２】実施例１〜１０、比較例１〜４ 表１に示す種類の組成のフェライト系耐熱鋳鋼につい
て、鋳造によりＪＩＳ規格のＹ形Ｂ号供試材を作製し
た。なお、鋳造にあたっては、１００ｋｇ用高周波炉を
用いて大気中溶解し、直ちに１５５０℃以上で出湯して
約１５００℃で注湯した。

【００４３】 表１ 化学成分（重量％） 実施例No. Ｃ Si Mn Cr Ｗ Nb Ni 1 0.08 0.72 0.45 17.5 1.02 0.25 0.50 2 0.15 1.45 0.53 20.5 1.52 - - 3 0.25 1.05 0.69 21.4 2.32 0.08 0.52 4 0.43 1.65 0.93 21.7 2.85 0.10 - 5 0.20 0.92 0.42 18.8 2.03 0.06 0.82 6 0.33 0.81 0.61 19.5 1.92 0.05 1.02 7 0.29 0.96 0.48 20.1 2.08 0.15 0.65 8 0.25 1.12 0.55 19.2 2.11 - 0.76 9 0.34 1.08 0.58 19.7 1.88 0.10 0.78 10 0.31 1.02 0.44 19.9 1.95 0.06 - 比較例No. Ｃ Si Mn Cr Mo Nb Ni 1 3.16 4.08 0.41 - 0.56 - - 2 1.99 4.75 0.48 1.98 - - 35.3 3 0.27 0.99 0.52 17.2 - - - 4 0.22 1.08 0.55 18.6 - - 9.9

【００４４】 表１（続き） α’／（α＋α’） 変態点 実施例No. （％） （℃） 1 70 980 2 55 1010 3 30 1050 4 60 1070 5 75 980 6 50 1040 7 60 990 8 75 960 9 80 950 10 60 1000 比較例No． 1 - 800〜850 2 - - 3 95 900 4 - -

【００４５】実施例１〜１０のフェライト系耐熱鋳鋼に
ついては、鋳造時の湯流れが良く、鋳造欠陥の発生が見
られなかった。次に、鋳造した本発明材（実施例１〜１
０）の供試材（Ｙブロック）を加熱炉中にて８００℃で
２時間保持後空冷する熱処理を行った。一方、比較材
（比較例１〜４）については全て鋳放しのまま試験に供
した。

【００４６】なお、比較材（比較例１〜４）はいずれも
自動車のターボチャージャー用ハウジングやエキゾース
トマニフォールド等の耐熱部品に使用されているもの
で、比較例１の供試材は高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄であり、比
較例２の供試材はニレジスト鋳鉄であり、比較例３の供
試材はＡＣＩ（Ａｌｌｏｙ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｉｎｓｔ
ｉｔｕｔｅ）規格のＣＢ−３０であり、また比較例４の
供試材はオーステナイト系耐熱鋳鋼（ＪＩＳ規格ＳＣＨ
１２）と称されるものの一種である。

【００４７】表１に示す通り、本発明材１〜１０は、変
態点温度が９５０℃以上であり、比較例１および３に比
較して高いことがわかる。

【００４８】次に、各供試材を用いて、以下に述べる各
種の評価試験を行った。 （１） 室温引張試験 標点間距離が５０ｍｍ、標点間の直径が１４ｍｍの丸棒
試験片（ＪＩＳ４号試験片）を用いて行った。

【００４９】（２） 高温引張試験 標点間距離が５０ｍｍ、標点間の直径が１０ｍｍのつば
つき試験片を用いて、９００℃で行った。

【００５０】（３） 熱疲労試験 標点間距離が２０ｍｍ、標点間の直径が１０ｍｍの丸棒
試験片を用い、加熱−冷却による伸び縮みを機械的に完
全に拘束した状態で、下記の条件下で、加熱−冷却サイ
クルを繰り返し、熱疲労破壊を起こさせた。

【００５１】下限温度：１００℃ 上限温度：９００℃ 各サイクル：１２分 なお、試験機として、電気−油圧サーボ方式の熱疲労試
験機を用いた。

【００５２】（４） 酸化試験 直径１０ｍｍ×長さ２０ｍｍの丸棒試験片を作製し、９
００℃において２００時間大気中に保持し、取り出し後
にショットブラスト処理を施して酸化スケールを除去
し、酸化試験前後の単位面積当たりの重量変化（酸化減
量；ｍｇ／ｃｍ²）を求めることにより、耐酸化性を評
価した。

【００５３】以上の室温引張試験結果を表２に、高温引
張試験、熱疲労試験および酸化試験の結果を表３にそれ
ぞれ示す。

【００５４】 表２ 室温 0.2%耐力 引張強さ 伸び 硬さ 実施例 No. (MPa) (MPa) (%) (Ｈ_B ) 1 365 460 5 179 2 370 475 8 197 3 390 515 10 207 4 430 545 8 229 5 420 535 10 223 6 410 540 14 212 7 410 525 8 223 8 395 510 6 217 9 415 515 6 212 10 405 505 6 207 比較例 No. 1 515 630 8 215 2 230 500 16 139 3 545 720 4 240 4 250 545 18 170

【００５５】 表３ ９００℃ 0.2%耐力 引張強さ 伸び 熱疲労寿命 酸化減量 実施例 No. (MPa) (MPa) (%) (サイクル) (mg/cm2) 1 22 37 65 195 2 2 24 40 60 205 2 3 25 42 55 210 1 4 27 40 45 300 1 5 29 47 40 370 1 6 31 45 40 455 2 7 28 42 50 390 1 8 30 43 55 430 1 9 27 41 45 340 1 10 28 43 60 320 1 比較例 No. 1 19 38 35 10 205 2 40 95 45 25 22 3 26 42 60 85 3 4 68 130 35 35 2

【００５６】表２および表３から明らかなように、本発
明材１〜１０はいずれも従来例である比較例１〜４の供
試材と比較して、高温強度、耐酸化性および熱疲労寿命
が著しく改善されていることがわかる。これは、Ｃ及び
Ｃｒが適正量に調整されているとともにα’相の面積率
が適正な値を示すことにより、フェライト基地が強化さ
れ、室温の延性を損なわずに変態点が９５０℃以上に上
昇したためである。０．２％耐力、引張強さ、伸び、熱
疲労寿命および酸化減量等の材料特性を各々単独で比較
すると、比較材のなかに本発明材より優れるものがある
が、総合的にみると本発明材は、諸性質のバランスが良
好で、排気系部品材料として極めて優れている。

【００５７】また、表２に示す通り、本発明材（実施例
１〜１０）は硬さ（Ｈ_B ）が１７０〜２２３と比較的低
く、機械加工性にも優れていることがわかる。

【００５８】なお、実施例５および比較例３について、
その顕微鏡写真（１００倍）をそれぞれ図３および図４
に示す。図３の白色部はδ−フェライトと呼ばれる通常
のα相で、ふちどりの内部のやや灰黒色部はγ相からα
相＋炭化物に変態したα’相である。実施例５における
α’の面積率α’／（α＋α’）は７５％であり、比較
例３におけるα’相の面積率は９５％であった。

【００５９】実施例11〜19、比較例５〜９ 表４に示す種類の組成のフェライト系耐熱鋳鋼につい
て、実施例１と同様にしてＪＩＳ規格のＹ型Ｂ号の供試
材を作製した。

【００６０】 表４ 化学成分（重量％） 実施例No. Ｃ Si Mn Cr Ｗ Nb １１ 0.12 0.80 0.55 16.2 1.15 0.20 １２ 0.16 0.93 0.48 18.4 1.95 0.34 １３ 0.21 1.14 0.62 20.1 3.52 0.15 １４ 0.25 1.52 0.78 22.4 4.05 0.08 １５ 0.28 1.03 0.57 24.8 4.78 0.12 １６ 0.18 0.88 0.60 18.4 1.25 0.45 １７ 0.20 1.08 0.44 18.6 2.45 0.25 １８ 0.23 0.95 0.61 18.1 2.93 0.09 １９ 0.24 0.82 0.53 17.8 2.02 0.15 比較例No. ５ 3.33 4.04 0.35 − − − ６ 2.01 4.82 0.45 1.91 − − ７ 0.28 1.05 0.44 17.9 − − ８ 0.21 1.24 0.50 18.8 − − ９ 0.12 1.05 0.48 18.1 − 1.12

【００６１】 表４（続き） 化学成分（重量％） α'/（α＋α') 変態点 実施例No. Ni Ｎ （％） （℃） １１ 0.20 0.03 65 920 １２ 0.75 0.04 50 970 １３ 0.94 0.02 35 1020 １４ 1.45 0.04 30 1050 １５ 1.82 0.04 28 1090 １６ 1.25 0.03 65 920 １７ 0.65 0.03 50 990 １８ 0.94 0.03 75 930 １９ 0.52 0.04 85 930 比較例No. ５ 0.62* − − 800〜850 ６ 35.3 − − − ７ − − 93 910 ８ 9.1 − − − ９ − − ０ ＞1100 （注） *：Ｍｏ

【００６２】実施例11〜19のフェライト系耐熱鋳鋼につ
いては、鋳造時の湯流れ性が良く、鋳造欠陥の発生が見
られなかった。次に、鋳造した本発明材（実施例11〜1
9）の供試材（Ｙブロック）を加熱炉中にて８００℃で
２時間保持後空冷する熱処理を行った。一方、比較材
（比較例５〜９）については、すべて鋳放しのまま試験
に供した。

【００６３】なお、比較材（比較例５〜９）はいずれも
自動車のターボチャージャー用ハウジングやエキゾース
トマニフォールド等の耐熱部品に使用されているもの
で、比較例５の供試材は、高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄であり、
比較例６の供試材はニレジスト球状黒鉛鋳鉄であり、比
較例７の供試材はＡＣＩ（Alloy Casting Institute ）
規格のＣＢ−３０であり、また比較例８の供試材は、オ
ーステナイト系耐熱鋳鋼（ＪＩＳ規格ＳＣＨ１２）と称
されるものの一種であり、さらに比較例９の供試材は、
高性能エンジン用エキゾーストマニフォールドに使われ
ているフェライト系耐熱鋳鋼（ＮＳＨＲ−Ｆ２、日立金
属（株）の商標）である。

【００６４】表４に示す通り、本発明材11〜19は変態点
が９００℃以上であり、比較材５及び７に比較して高い
ことがわかる。次に、鋳造後の各供試材を用いて、室温
引張試験、高温引張試験、熱疲労試験及び酸化試験を、
実施例１〜10と同じ条件で行った。

【００６５】以上の室温引張試験の結果を表５に、高温
引張試験、熱疲労試験及び酸化試験の結果を表６にそれ
ぞれ示す。

【００６６】 表５ 室温 0.2％耐力 引張強さ 伸び 硬さ 実施例No. （ＭＰａ） （ＭＰａ） （％） （Ｈ_B ) １１ 380 480 ６ 179 １２ 450 650 10 223 １３ 500 770 12 235 １４ 440 620 12 201 １５ 500 605 ８ 207 １６ 480 590 ５ 207 １７ 460 530 10 217 １８ 530 600 ８ 192 １９ 570 610 ５ 201 比較例No. ５ 510 640 11 215 ６ 245 510 19 139 ７ 540 760 ４ 240 ８ 250 560 20 170 ９ 300 370 １ 149

【００６７】 表６ ９００℃ 0.2％耐力 引張強さ 伸び 熱疲労寿命 酸化減量実施例No. （ＭＰａ） （ＭＰａ） （％） （サイクル） (mg/cm² ) １１ 20 36 44 82 ２ １２ 23 40 50 276 １ １３ 25 44 48 514 １ １４ 27 48 52 157 ２ １５ 20 40 51 553 １ １６ 24 50 54 360 １ １７ 23 46 48 331 １ １８ 26 52 38 531 １ １９ 28 58 40 480 １比較例No. ５ 20 40 33 ９ 200 ６ 40 90 44 23 20 ７ 25 42 58 18 １ ８ 65 128 31 35 ２ ９ 15 28 93 185 ２

【００６８】表５及び表６から明らかなように、本発明
材11〜19はいずれも従来例である比較例５〜９の供試材
と比較して、高温強度、耐酸化性及び熱疲労寿命が著し
く改善されていることがわかる。これは適量のＷ、Ｎ
ｂ、Ｎｉ及びＮを含有することにより、フェライト基地
が強化され、室温の延性を損なわずに変態点が９００℃
以上に上昇したためである。

【００６９】また表５に示す通り、本発明材11〜19は硬
さ（Ｈ_B ）が１７９〜２３５と比較的低く、機械加工性
にも優れていることがわかる。

【００７０】なお、実施例18及び比較例９の耐熱鋳鋼に
ついて、顕微鏡写真（100 倍）をそれぞれ図５及び図６
に示す。

【００７１】次に、実施例５のフェライト系耐熱鋳鋼を
用いて、図１及び図２に示すエキゾーストマニフォール
ド（パイプ部の肉厚：２．５〜３．４ｍｍ）１ａ、１ｂ
およびタービンハウジング（肉厚：２．７〜４．１ｍ
ｍ）２の排気系部品を鋳造した。得られた排気系部品は
いずれも健全なものであった。

【００７２】更に、これらの排気系部品に機械加工を施
して、切削性の評価を行ったが、いずれのものにも何等
問題は生じなかった。

【００７３】次に、図２に示すように、本発明品である
フェライト系耐熱鋳鋼製エキゾーストマニフォールド１
ｂとタービンハウジング２を組み付けたＶ型６気筒の高
性能ガソリンエンジンに相当する排気ガスを発する排気
シミュレータにより、耐久試験を実施した。試験条件と
して、６０００回転相当での全負荷運転（連続１４分）
−アイドリング（１分）−完全停止（１４分）−アイド
リング（１分）を１サイクルとする熱冷（ＧＯ−ＳＴＯ
Ｐ）サイクルを、５００サイクルまで実施した。全負荷
時の排気ガス温度は、タービンハウジング２の入口で、
９３０℃であった。この条件下でのエキゾーストマニフ
ォールド１ｂの表面最高温度は、エキゾーストマニフォ
ールド１ｂの集合部で、約８７０℃、タービンハウジン
グ２の表面最高温度は、ウエストゲート部で約８９０℃
であった。評価試験の結果、熱変形によるガスの漏洩や
熱亀裂は生じず、優れた耐久性および信頼性を有するこ
とが確認された。

【００７４】一方、表７に示す化学成分の高Ｓｉ球状黒
鉛鋳鉄によりエキゾーストマニフォールドを作製し、ま
た同表の化学成分のＮＩ−ＲＥＳＩＳＴ Ｄ２（ＩＮＣ
Ｏ社の商標名）なるオーステナイト系球状黒鉛鋳鉄によ
りタービンハウジングを作製し、同じエンジンにこれら
の部品を取り付けて、前記と同じ条件で試験を行った。
この結果、高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄製エキゾーストマニフォ
ールドは、９８サイクルで集合部近傍に酸化による熱亀
裂を生じ、使用不能となった。その後、エキゾーストマ
ニフォールドを実施例５のものに取り替え、試験を続行
したところ、３２４サイクル目にオーステナイト系球状
黒鉛鋳鉄のタービンハウジングのスクロール部に肉厚を
貫通する亀裂が生じた。以上の結果、本発明品であるエ
キゾーストマニフォールドおよびタービンハウジング
は、優れた耐久性を有していることが明らかになった。

【００７５】 表７ 化学成分（重量％） 材種 C Si Mn P S Cr Ni Mo Mg 高Ｓｉ 球状黒鉛鋳鉄 3.15 3.95 0.47 0.024 0.008 0.03 - 0.55 0.048オーステナイト 系 球状黒鉛鋳鉄 2.91 2.61 0.81 0.018 0.010 2.57 21.5 - 0.084

【００７６】また、図１に示すように、本発明品である
フェライト系耐熱鋳鋼製エキゾーストマニフォールド１
ａと、タービンハウジング２を組み付けた直列４気筒の
高性能ガソリンエンジンに相当する排気ガスを発する排
気シミュレータにより、耐久試験を実施した。試験条件
として、６０００回転相当での全負荷運転（連続１４
分）−アイドリング（１分）−完全停止（１４分）−ア
イドリング（１分）を１サイクルとする熱冷（ＧＯ−Ｓ
ＴＯＰ）サイクルを、５００サイクルまで実施した。全
負荷時の排気ガス温度は、タービンハウジングの入口
で、９３０℃であった。この条件下でのエキゾーストマ
ニフォールドの表面最高温度は、エキゾーストマニフォ
ールドの集合部で、約８７０℃、タービンハウジングの
表面最高温度は、ウエストゲート部で約８９０℃であっ
た。評価試験の結果、熱変形によるガスの漏洩や熱亀裂
は生じず、優れた耐久性および信頼性を有することが確
認された。

【００７７】

【発明の効果】以上に詳述した通り、ＣとＣｒを所定の
重量比率で含有し、通常のα相のほかに、γ相から変態
したパーライトコロニー状のα’相を有するとともに、
これらの相の面積率を適正にしたフェライト系耐熱鋳鋼
からなる本発明の排気系部品は、フェライト基地および
結晶粒界が強化され、室温の延性を損なわずに変態点も
高く、特に重要な高温引張強度、耐熱疲労性、耐酸化性
について、従来の排気系部品を上回る特性を示す。その
ため、本発明の排気系部品は熱亀裂を生じることなく、
極めて優れた耐久性を示す。また、本発明を構成するフ
ェライト系耐熱鋳鋼は、鋳造性、機械加工性に優れてい
るので、本発明の排気系部品を安価に製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフェライト系耐熱鋳鋼により作製し得
るフレキシブル型エキゾーストマニフォールドおよびタ
ービンハウジングを示す概略図である。

【図２】本発明のフェライト系耐熱鋳鋼により作製し得
るリジッド型エキゾーストマニフォールドおよびタービ
ンハウジングを示す概略図である。

【図３】実施例５のフェライト系耐熱鋳鋼の金属組織を
示す顕微鏡写真（１００倍）である。

【図４】比較例３の耐熱材料の金属組織を示す顕微鏡写
真（１００倍）である。

【図５】実施例18のフェライト系耐熱鋳鋼の金属組織を
表す顕微鏡写真（100 倍）である。

【図６】比較例９の耐熱鋳鋼の金属組織を表す顕微鏡写
真（100 倍）である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ エキゾーストマニフォールド ２ タービンハウジング ３ エキゾーストアウトレットパイプ ４ コンバータ容器 ５ メインキャタライザ

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄肉部を有する排気系部品において、重
   量比率で、Ｃ：０．０５〜０．４５％及びＣｒ：１６．
   ０〜２５．０％を含有し、通常のα相のほかに、γ相か
   らα相＋炭化物に変態した相（以下α’相）を有すると
   ともに、α’相の面積率（α’／α＋α’）が２０〜９
   ０％であるフェライト系耐熱鋳鋼からなり、前記薄肉部
   の少なくとも一部は４．１ｍｍ以下の肉厚を有すること
   を特徴とする排気系部品。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の排気系部品において、
   α相からγ相への変態点が９００℃以上であるフェライ
   ト系耐熱鋳鋼からなることを特徴とする排気系部品。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の排気系部品に
   おいて、α’相がγ相に変態しない温度領域で焼鈍処理
   を施したことを特徴とする排気系部品。
4. 【請求項４】 請求項１及至３のいずれかに記載の排気
   系部品において、自動車用であることを特徴とする排気
   系部品。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の排気系部品において、
   エキゾーストマニフォールドであることを特徴とする排
   気系部品。
6. 【請求項６】 請求項４に記載の排気系部品において、
   タービンハウジングであることを特徴とする排気系部
   品。
7. 【請求項７】 請求項５に記載のエキゾーストマニフォ
   ールドと請求項６に記載のタービンハウジングを組み合
   わせてなることを特徴とする排気系部品。