JP2724826B2 - ブッシュ用のオーステナイトアロイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は比較的高温下で使用される可動部品をなすブ
ツシユ、例えば高温で充分な硬度および強度を有し且つ
比較的高い熱膨張率を持たせるターボチヤージヤの排
弁、エンジンの弁案内部材等のブツシユに用いられるス
テンレススチールのアロイに関する。 ベアリングまたはブツシユ面に用いられるこの種のア
ロイは、エンジンあるいはモータハウジングに用いられ
る同種のアロイと異なり、特に熱ガスあるいは高速回転
を受けるターボチヤージヤ若しくはスーパチヤージヤ適
用可能に作成される。この場合自動車若しくは航空機の
ターボチヤージヤハウジングに内装されるブツシユは最
大約2000゜F（約1090℃）の高温動作温度あるいは腐蝕
性排気ガスの影響を受けることになる。例えばトラツク
のデイーゼルエンジン用のターボチヤージヤの場合、温
度が1300〜1400゜F（約700〜760℃）に達するので、ハ
ウジングの金属温度は1200〜1300゜F（約650〜700℃）
になる。一方乗用車用のターボチヤージヤにおいては、
動作温度が最大1750〜2000゜F（約950〜1090℃）に達
し、ハウジングの金属温度は1550〜1950゜F（約816〜10
70℃）になる。 ターボチヤージヤのハウジング用あるいはターボチヤ
ージヤ用の排弁のような弁若しくはこれと同等物に使用
されるブツシユには、熱膨張率が比較的高く、強度ある
いは耐酸化性が充分高い上、ターボチヤージヤあるいは
エンジンの受ける比較的高温下でも好適に機能しうるア
ロイを用いる必要がある。 （従来の技術） 従来この種のブツシユは２種類の方法、即ちフエライ
トを母材とするステンレススチールのアロイを鋳造する
か、あるいは複合材を粉末冶金技術に沿つて作成されて
いる。この場合フエライトを母材とするアロイを鋳造す
る方法で作成されたブツシユは耐酸化性に優れ且つ高温
での硬度も優れているので、汎用されている。また複合
材を用いて作成されたブツシユでは、耐酸化性が中程度
である反面、熱膨張率が高いステンレススチールを含ん
だラビス（Laves）相コバルトアロイであるトライブロ
イ（Triabloy）のような成分が10〜20％含まれている。 （発明が解決しようとする問題点） しかしながら上述のフエライトを母材とするアロイで
作成されたブツシユにおいては、アロイ材の熱膨張率が
低くなり、ブツシユの寿命が相対的に短かくなる問題が
あつた。即ちこのアロイの熱膨張率は約11×10^-6cm/cm/
℃であるが、例えば本願と同一出願人による米国出願第
749,153号に開示の鋳造ターボチヤージヤハウジングの
ステンレススチール材の熱膨張率は約18.6cm/cm/℃であ
り、また、ニツケル・レジスト〔Ni−Resist:インタナ
シヨナル ニツケル社（International Nickel Co）の
商標名〕のような他のハウジング材も同様な熱膨張率を
有していて、ブツシユとハウジング母材との間の熱膨張
率の差が大きいと、ブツシユは加熱および冷却の都度離
脱あるいは転位し勝ちになり、かかるブツシユを備える
排弁等が正常に機能しなくなる問題があつた。一方フエ
ライトアロイを用いて作成されたブツシユにおいては、
高価である上、高い酸化作用を受けると割れが生じ易
く、延いてはかかるブツシユを備えた排弁等が充分に機
能しないことが判明した。即ちこのアロイに含まれるス
テンレススチール成分は多孔性なので、長時間酸化環境
下に置かれると表面が酸化され、これに伴い割れを生じ
ることになり、ブツシユの機械的故障が多くなり勝ちで
あつた。 しかして本発明の目的は最高1800〜2000゜F（約980〜
1090℃）のターボチヤージヤ動作温度における耐酸化性
および硬度が高くまた熱膨張率が比較的高くハウジング
母材と実質的に同質のブツシユ用のアロイを提供するこ
とにある。 （問題点を解決するための手段） 本発明によれば、29〜32％のクロム、４〜８％のニツ
ケル、1.0〜1.5％のニオブおよびタンタル、1.3〜1.7％
の炭素、0.25〜0.45％の硫黄、0.3〜0.4％の窒素、最大
1.0％のマンガン、最大2.0％のシリコン、最大1.0％の
モリブデン、最大0.1％の燐、残りが鉄からなり、最高2
000゜F（約1090℃）の動作温度で耐酸化性および強度を
有し、少なくとも15×10^-6cm/cm/℃の熱膨張率を有する
母材がオーステナイトで、且つカーバイト微細構造を有
するブツシユ用のオーステナイトアロイにより上記の目
的を達成する。 （作用） 上述の如き本発明によるアロイは、オーステナイト母
材内にカーバイド構造を有するステンレススチールとし
て作成されるから、熱膨張率が充分に高く且つ高温下で
の耐酸化性および硬度が充分高くなる。 （実施例） 腐食を生じ易い環境下にあるターボチヤージヤハウジ
ングにおいて比較的高温を受けるブツシユを形成する本
発明による好ましい鋳造スチールのアロイとしてオース
テナイト母材内にカーバイト構造を有する鋳造オーステ
ナイトステンレススチールのアロイが使用される。更に
詳述するに、本発明の好ましいアロイは、クロム29〜32
％、ニツケル４〜８％、ニオブおよびタンタル1.0〜1.5
％、炭素1.3〜1.7％、硫黄0.25〜0.45％、窒素0.3〜0.4
％、マンガン最大1.0％、シリコン最大2.0％、モリブデ
ン最大1.0％、燐最大1.0％、残りが鉄からなる。上記の
配合範囲にあるアロイは鋳造された最大５時間の間最高
2200゜F（1200℃）で熱処理される。その後、アロイは
炉内または空冷により室温まで冷却される。 オーステナイト母材内にカーバイト構造を形成するた
め炭素が付加され、且つ所望の硬度を得るために少なく
とも1.3％の炭素を加入することが好ましい。炭素の最
大添加量はカーバイトが過度に形成されるか否かにより
判別できる。炭素添加量が過多になればアロイは脆弱に
なる。またマンガンの添加によりオーステナイトは安定
化されるが、マンガンの最大添加量は1.0％にされる。 本発明のアロイにおいて機械加工性を向上するために
硫黄が添加される。硫黄も添加量が過多になるとアロイ
が脆弱になり、且つ硫化物は溶融点が低くなる傾向にあ
るので、ブツシユ用の鋳造スチールアロイとして不適当
になる。 本発明のアロイにおいて鋳造性を向上するためシリコ
ンが添加される。シリコンは化合されて最大２％の錯M
₂₃C₆カーバイドが形成される。シリコン添加量を１％以
下にすると上記の効果が低下せしめられ、また２％以上
にするとアロイが極めて脆弱になる。 本発明のアロイに含まれるクロムは重要な要素であ
り、耐酸化性を与え且つM₂₃O₆錯カーバイドの形成に寄
与する。 一方、本発明のアロイの強度を高めるのにニツケルを
含有させることが有効であり、これによりオーステナイ
ト母材が形成される。特に本発明のアロイの鋳造にあつ
ては、ニツケルの添加量を正確に制御すると共に、オー
ステナイト生成の際ニツケルと同様にこの生成に寄与す
る窒素量の増加を平衡調整する。従つて本発明のアロイ
においてはニツケルの添加時のシビアな条件を軽減する
ため窒素の加入が極めて大きな要素をなし、少なくとも
0.3％加入される。 本発明のアロイには補強のためニオブおよびタンタル
が1.0〜1.5％添加される。この場合ニオブおよびタンタ
ルは極めて安定した（MC）カーバイドの形成に寄与す
る。 また本発明のアロイにモリブデンを含有させることに
より、硫黄との化合が図られ、アロイの機械加工性が向
上され、且つシリコンと炭化物を形成することにより高
温での強度を向上させ得るので望ましい。モリブデンの
添加量は最大１％であり、１％以上にしても製造コスト
が高くなる反面、強度はそれほど向上されない。 実験例１ ターボチヤージヤのハウジングを上記の米国出願第74
9,153号に開示の材料を用いて鋳造した。またこのター
ボチヤージヤの排弁のブツシユを29〜32％のクロム、４
〜８％のニツケル、1.0〜1.5％のニオブおよびタンタ
ル、1.3〜1.6％の炭素、0.25〜0.45％の硫黄、0.3〜0.4
％の窒素、最大1.0％のマンガン、最大2.0％のシリコ
ン、最大1.0％のモリブデン、最大0.1％の燐、残りが鉄
からなるアロイを用いて作成した。このブツシユの熱膨
張率は19.6×10^-6cm/cm/℃であつた。またハウジング基
材の熱膨張率は18.6×10^-6cm/cm/℃であり、一方フエラ
イトを母材とした従来の鋳造ブツシユに用いたアロイの
熱膨張率は約11×10^-6cm/cm/℃であり、トリアボリ（Tr
iaboly）の熱膨張率が11.2×10^-6cm/cm/℃であるから、
本発明によるブツシユの方が優れていることが判明し
た。本発明によるブツシユに用いたアロイの膨張率は約
15×10⁶以上になつた。 上記の米国出願第749,153号に開示されるアロイを用
いたハウジングを備れるターボチヤージヤに本発明のア
ロイを用いた排弁のブツシユを具備させたところ、この
ターボチヤージヤは400時間以上、故障を来たすことな
く作動した。 実験例２ 多数のブランクを、1.66％の炭素、1.96％のシリコ
ン、30.8％のクロム、47％のニツケル、0.70％のマンガ
ン、0.04％の燐、0.28％の硫黄、0.78％のモリブデン、
0.4％の範囲内の窒素、残りが鉄からなるアロイで鋳造
した。ブランクの硬度は29〜33HRCであつた。その後ブ
ランクの一部を950℃で５時間熱処理し空冷した。この
ブランクの硬度は44〜46HRCであつた。一方残りのブラ
ンクを950℃で２時間、熱処理し炉により冷却した。こ
のブランクの硬度は36〜46HRCであつた。 また空気鋳造のブランクはカーバイド916〜1353HV0.0
10,母材292〜351HV0.025および非金属混入物302−313HV
0.025を含有していることが判明した。且つ非金属混入
物には元素の鉄、クロム、マンガンおよび硫黄が含まれ
ていた。 本発明は上述の実施例に限定されることはなく特許請
求の範囲に含まれるすべての設計変更物を包有すること
は理解されよう。 （発明の効果） 上述のように構成された本発明のブツシユ用のアロイ
によれば、高温下での耐酸化性および硬度が充分高いの
で、耐用性が大巾に増大される上、高い熱膨張率を維持
するので、高い熱膨張を有するターボチヤージヤのハウ
ジング等に内設するブツシユに採用して、作動時にハウ
ジングとブツシユの寸法上の誤差などを生せず、円滑な
連係動作を保証する等々の顕著な効果を達成する。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．29〜32％のクロム、４〜８％のニツケル、1.0〜1.5
   ％のニオブおよびタンタル、1.3〜1.7％の炭素、0.25〜
   0.45％の硫黄、0.3〜0.4％の窒素、最大1.0％のマンガ
   ン、最大2.0％のシリコン、最大1.0％のモリブデン、最
   大0.1％の燐、残りが鉄からなり、最高2000゜F（約1090
   ℃）の動作温度で耐酸化性および強度を有し、少なくと
   も15×10^-6cm/cm/℃の熱膨張率を有する母材がオーステ
   ナイトで、且つカーバイド微細構造を有するブツシユ用
   のオーステナイトアロイ。 ２．非フエライト材である特許請求の範囲第１項記載の
   ブツシユ用のオーステナイトアロイ。 ３．2200゜F（約1200℃）で約１時間、熱処理されて作
   成された特許請求の範囲第１項記載のブツシユ用のオー
   ステナイトアロイ。 ４．熱膨張率が19.6×10^-6cm/cm/℃である特許請求の範
   囲第１項記載のブツシユ用のオーステナイトアロイ。 ５．1650゜F〜2200゜F（約900〜1200℃）で、最大５時
   間、熱処理され次に冷却されて作成された特許請求の範
   囲第１項記載のブツシユ用のオーステナイトアロイ。 ６．1740゜F（950℃）で、５時間、熱処理されその後空
   冷されて作成された特許請求の範囲第５項記載のブツシ
   ユ用のオーステナイトアロイ。 ７．1740゜F（950℃）で２時間熱処理され、次いで炉に
   より冷却されてなる特許請求の範囲第５項記載のブツシ
   ユ用のオーステナイトアロイ。