JP2579151B2

JP2579151B2 - 耐熱鋳鋼

Info

Publication number: JP2579151B2
Application number: JP61267344A
Authority: JP
Inventors: 正実鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1986-11-10
Filing date: 1986-11-10
Publication date: 1997-02-05
Anticipated expiration: 2012-02-05
Also published as: JPS63121639A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、耐熱鋳鋼に関し、より詳しくは耐酸化性及
び耐熱亀裂性ばかりでなく鋳造性及び機械加工性にすぐ
れた車両用エンジンの排気系部分に好適な耐熱鋳鋼に関
するものである。

（従来の技術）近年、車両用特に自動車用エンジンは、ガソリンエン
ジン、ディーゼルエンジンとを問わず高出力化及び低燃
量化を達成するために燃焼効率の改善が図られており、
この結果として排気ガス温度が著しく高温となる傾向に
ある。特にエキゾーストマニホールド、ターボチチャー
ジー用のタービンハウジング、ディーゼルエンジン用の
予燃焼室、排気ガス浄化装置用部品等の排気系部品は、
使用条件がより苛酷となるため、その材質選定は極めて
重要である。従来、上記の排気系部品としては、一般的
に高ケイ素鋳鉄、ニレジスト鋳鉄等の耐熱鋳鉄が使用さ
れ、また特例的に高クロム系（フェライト系及びマルテ
ンサイト系）または高クロム−高ニッケル系（オーステ
ナイト系）の耐熱鋳鋼が使用されている。（“自動車用
耐熱材料とその熱処理”、田中義政ら、熱処理、第25巻
６号、第333貢参照）。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、耐熱鋳鋼の場合、その鋳造性と機械加
工性の良さにより生産性にすぐれている反面、耐熱亀裂
性、耐酸化性等の特性が劣るため、800℃以上の高温に
おける耐久性に欠けるという問題がある。一方、耐熱鋳
鋼の場合、耐熱亀裂性、耐酸化性にすぐれていて800℃
以上の高温でも良好な耐久性を有するものの、逆に鋳造
性及び機械加工性に劣り、生産性の低下を招くという問
題がある。さらに、これらの従来材料に溶接を施した場
合、その熱影響部の結晶粒が阻大化して、耐熱亀裂性が
低下するという問題もある。

本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、
その目的とするところは、従来の耐熱鋳鋼の有する耐酸
化性及び耐熱亀裂性に加えて従来の耐熱鋳鉄が示す鋳造
性及び機械加工性をも有する耐熱鋳鋼を提供することで
ある。

（問題点を解決するための手段）本発明の耐熱鋳鋼は、上記問題点を解決するため、重
量比で、炭素0.3ないし1.5％、ケイ素1.5ないし3.0％、
マンガン1.0％以下、リン0.05％以下、硫黄0.1％以下、
クロム5.0ないし13.0％、アルミニウム0.04ないし0.2
％、残部が鉄および不可避の不純物から成り、焼なまし
処理を施したことを特徴とする。

本発明の耐熱鋳鋼において、炭素は強度特性及び鋳造
性の向上に有効であるが、その含量が0.3重量％（以下
単に％）未満では上記効果が十分でなく、一方1.5％を
越えると炭化物の生成が著しく多くなり、靭性が低下す
ると共に鋳造後の機械加工性を悪化させる。これらのこ
とから炭素含量は0.3ないし1.5％とした。

また、ケイ素は脱酸剤として有効であるばかりでな
く、鋳造性、耐酸化性及び耐熱亀裂性、さらには共析変
態温度の上昇による高温での組織安定性の向上に有効で
ある。しかし、このケイ素の含量は、1.5％未満ではそ
の効果が十分でなく、３％を越えると鋳造後の基地を硬
化させて靭性が低下すると共に機械加工性を悪化させる
ことから、1.5％ないし3.0％とした。

また、マンガンは前記ケイ素と共に複合脱酸効果を有
するばかりでなく、高温割れに有害な硫黄を硫化マンガ
ン（MnS）として固定し、高温割れを防ぐ効果を有する
が、このマンガンの含量が1.0％を越えると、鋳造時鋳
型としてよく用いられる砂鋳型のケイ砂と反応し鋳造欠
陥を生じ易くするので、1.0％以下とした。

リン及び硫黄は、各々リンが0.05％、硫黄が0.1％を
越えると高温割れが起こり易くなるため、それらの含量
はリンを0.05％以下、硫黄を0.1％以下とした。

さらにクロムは、耐酸化性及び耐熱亀裂性の向上、さ
らに共析変態温度の上昇による高温での組織安定性の向
上に有効であるが、5.0％未満ではその効果が不十分で
あり、一方13.0％を越えると炭化物の生成が多くなり靭
性が低下すると共に鋳造後の機械加工性を悪化させるこ
とから5.0ないし13.0％とした。

アルミニウムは極めて強力な脱酸剤であるばかりでな
く、結晶粒の微細化を促進し、母材あるいは溶接時の熱
影響部の耐熱亀裂性の向上に有効である。しかし、その
含量が0.04％未満では、上記の効果が十分でなく、一方
0.2％を越えると介在物の生成が多くなり耐熱亀裂性を
悪化させるため、0.04ないし0.2％とした。

本発明の耐熱鋳鋼は、上記の限定された組成からな
り、鋳造成形後焼なまし処理を施したものであるが、こ
の焼なまし処理は、機械加工性の向上に有効であり、望
ましくは900ないし950℃に30分以上保持後、750℃程度
まで炉冷し、その後常温まで放冷する。この焼なまし処
理後の材料の顕微鏡組織は、フェライト基地に粒状の炭
化物が分散したものとなり、機械加工性はその鋳放しの
状態からさらに向上する。

（作用）本発明の耐熱鋳鋼は、上記したような組成からなるこ
とにより、各成分の特性が十分にひきだされ、耐熱鋳鋼
の特性であった耐酸化性及び耐熱亀裂性を一層高め、同
時に耐熱鋳鉄が示すと同等の鋳造性及び機械加工性をも
有する。さらに焼なまし処理により、本発明の耐熱鋳鋼
は、一層の機械加工性を示す。

（実施例）次に本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明する。

実施例１実験室規模で第１表に示す組成からなる本発明の実施
例１−１ないし１−３及び比較例１−１ないし１−４の
各々の材料を溶製し、これらを熱疲労試験及び酸化試験
に共した。上記材料の溶製は、50kg高周波溶解炉を用い
て大気溶解し、Fe−Si（75％）合金0.3％、続いてAlを
所定量添加した後、直ちに1550℃以上で出湯し、1450℃
以上にて注湯して鋳造試片とする方法によった。次にこ
の鋳造試片に対し、炉中にて930℃で30分加熱保持し750
℃まで炉冷し、その後常温まで放冷する焼まなし処理を
施した。その後、この焼まなし後の鋳造試片から各種試
験片を製作し、これを上記試験に共した。

熱疲労試験電気−油圧サーボ方式の熱疲労試験機を用い、これに
標点距離15mm、標点間部分径10mmの丸棒試験片をセット
し、該試験片の伸びを機械的に拘束した状態で、200℃
と900℃の温度間を往復させ、１サイクル10分として拘
束率を種々変化させ、破断までの繰り返し数を求める。

なお、拘束率は次式により求められる値である。

この熱疲労試験の結果を第１図に示すが、これから明
らかなように、本発明の実施例１−１ないし１−３は、
いずれも従来材である比較例１−１ないし１−４に比
べ、種々の拘束率においてはるかに高い繰り返し数に耐
え、耐熱亀裂性にすぐれている。

酸化試験 30×20×5mmの板状試験片を用い、これを大気中900℃
で100時間加熱保持し、その後ショットブラスト処理を
施して酸化スケールを除去し、単位面積当りの重量変化
（酸化減量:mg/cm²）を求める。

この酸化試験結果を第２図に示す。これより、本発明
の実施例１−１ないし１−３はいずれも従来の耐熱鋳鉄
である比較例１−１及び１−２に比し、著しく酸化減量
が小さく、一方従来の耐熱鋳鋼である比較例１−３及び
１−４に比べ、同等またはそれ以下の酸化減量を示すこ
とから、その耐酸化性にすぐれていることが明らかであ
る。

実施例２本発明の耐熱鋳鋼からなるエキゾーストマニホール
ド、ターボチャージャーのタービンハウジング及びディ
ーゼルエンジン用予燃焼室を鋳造したところ、引け巣、
ピンホール、ブローホール、湯まわり不良、湯境、砂か
け等の鋳造欠陥は皆無であり、鋳造歩留も50％以上とす
ることができ、その後の機械加工においても刃具の早期
摩耗や欠け等の幣害も認められず、本発明の材料が著し
く生産性の高いものであることが明らかとなった。

実施例３第２表に示す組成からなる本発明の実施例３−１及び
３−２並びに比較例３−１の材料を用いて、1.6ガソ
リンエンジン用エキゾーストマニホールドを得、これを
エンジン台上苛酷耐久試験に供した。

エンジン台上苛酷耐久試験条件は最高回転数6400rpmとし、全負荷、冷熱パター
ンにて900サイクルまで実施し、熱亀裂発生の有無を観
測する。

この結果、実施例３−１及び３−２は、900サイクル
までの試験終了まで熱亀裂の発生が認められず、しかも
酸化スケールの生成も極めて軽微であったのに対し、比
較例３−１は620サイクルで肉厚を貫通する熱亀裂の発
生が認められ、また酸化スケールの生成も厚く、剥離を
生じた。このことから本発明の材料は熱負荷の厳しいエ
キゾーストマニホールドとして著しくすぐれた耐熱亀裂
性と耐酸化性を有していることが明らかである。

実施例４第３表に示す組成からなる本発明の実施例４−１及び
４−２並びに比較例４−１の材料を用いて2.0ガソリ
ンエンジン用タービンハウジングを得、これをエンジン
台上苛酷耐久試験に供した。

エンジン台上苛酷耐久試験は、最高回転数を6000rpm
とした他は実施例３と同一の条件とした。

この結果、実施例４−１及び４−２は、900サイクル
までの試験終了まで熱亀裂の発生が認められず、しかも
酸化スケールの生成も極めて軽微であったのに対し、比
較例４−１は540サイクルで肉厚を貫通する熱亀裂の発
生が認められ、また酸化スケールの生成も厚く、剥離を
生じた。このことから本発明の材料は熱負荷の厳しいタ
ーボチャージャーのタービンハウジングとして著しくす
ぐれた耐熱亀裂性と耐酸化性を有していることが明らか
である。

実施例５第４表に示す組成からなる本発明の実施例５−１及び
５−２並びに比較例５−１の材料を用いて2.4ディー
ゼルエンジン用予燃焼室を得、これをエンジン台上苛酷
耐久試験に供した。

エンジン台上苛酷耐久試験は、最高回転数を4400rpm
とした他は実施例３と同一の条件とした。

この結果、実施例５−１及び５−２は900サイクルま
での試験終了まで熱亀裂の発生が認められなかったのに
対し、比較例５−１は600サイクルで熱亀裂の発生が認
められ、本発明の材料は耐熱亀裂性にすぐれていること
が明らかとなった。

実施例６第５表に示す組成からなる本発明の実施例６−１ない
し６−３及び比較例６−１及び６−２の材料を用いて溶
接熱影響部の熱衝撃試験を行なった。なお比較例は実施
例の組成のうちAlを全く含有しないもの（比較例６−
１）及びAlを過剰に含有するもの（比較例６−２）であ
る。

熱衝撃試験 φ10cm×5mmの円板状試験片としてこの試験に共し、
該試験片の片面中央部φ20mmの範囲にステンレスの溶接
ワイヤを用いて溶接肉盛りを施してある。この試験は、
該試験片の溶接肉盛りの部分をプロパン−酸素バーナー
で加熱し、溶接肉盛りと母材との境界部が900℃に達し
たのち、エアーにて50℃に達するまで強空冷を行なう。
これを１サイクルとして加熱空冷を繰り返す。そして溶
接肉盛りと母材との境界部に発生する亀裂が10mmに達す
るまでの繰り返し数を求める。

この結果は前掲の第５表に示した。これから本発明の
実施例６−１ないし６−３は、いずれも比較的６−１及
び６−２に比し、溶接熱影響部の耐熱亀裂性が格段にす
ぐれていることがわかる。

（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明にかかる耐熱鋳鋼
は、炭素、ケイ素、マンガン、リン、硫黄、クロム、ア
ルミニウムをバランスよく添加したもので、各々の成分
の特性が十分に生かされさらに焼なまし処理が施されて
おり、このため従来の耐熱鋳鋼の示す耐酸化性及び耐熱
亀裂性を一層高めると共に、従来の耐熱鋳鉄の示すと同
等の鋳造性及び機械加工性をも示すものである。

またアルミニウムが本発明に規定した量で含まれるこ
とにより、従来問題となっていた溶接時の熱影響部の耐
熱亀裂性の低下の問題も解決された。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる耐熱鋳鋼の熱疲労試験の結果
を比較例と対比して示す特性図、第２図は、本発明にかかる耐熱鋳鋼の酸化試験の結果を
比較例と対比して示す特性図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比で、炭素0.3ないし1.5％、ケイ素1.
5ないし3.0％、マンガン1.0％以下、リン0.05％以下、
硫黄0.1％以下、クロム5.0ないし13.0％、アルミニウム
0.04ないし0.2％、残部が鉄および不可避の不純物から
成り、焼なまし処理を施したことを特徴とする耐熱鋳
鋼。