JP4985941B2 - 高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼及びそれからなる排気系部品 - Google Patents
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Description
[A] 組成
本発明の高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼の組成を以下詳細に説明するが、各元素の含有量(%)は特に断らない限り重量基準である。
Cは溶湯の流動性(鋳造性)を良くするとともに、基地を固溶強化する。また一次及び二次の炭化物を形成し、耐熱鋳鋼の高温強度を高める。更にNbと共晶炭化物を形成して鋳造性を高めるとともに、高温強度を向上する。このような作用を有効に発揮するために、Cは0.2%以上必要である。一方、Cが1.0%を超えると共晶炭化物やその他の炭化物の析出量が多くなり過ぎ、耐熱鋳鋼は脆化し、延性が低下するとともに加工性が劣化する。このためCの含有量を0.2〜1.0%とする。Cの好ましい含有量は0.3〜0.6%である。
Siは、溶湯の脱酸剤としての役割を有するほか、耐酸化性の改善に有効な元素である。しかし、過剰に含有するとオーステナイト組織が不安定になり、鋳造性の劣化を招く。このためSiの含有量は3%以下であり、好ましくは2%以下である。
Mnは、Siと同様に溶湯の脱酸剤として有効であるが、余り多く含有すると耐熱鋳鋼の耐酸化性が劣化する。このためMnの含有量は2%以下であり、好ましくは0.5〜2%である。
Sは、鋳鋼においては球状又は塊状の硫化物を生成させ、機械加工において切粉の分断を促進して被削性を向上させる。しかし、Sの含有量が多すぎると粒界に析出する硫化物が多すぎ、耐熱鋳鋼の高温強度を劣化する。このため、Sの含有量は0.5%以下であり、好ましくは0.05〜0.3%である。
Crは、オーステナイト系耐熱鋳鋼の基本元素であり、特に耐酸化性を高めるほか、炭化物を形成して高温強度を高めるのに有効である。特に1000℃以上の高温域で効果的であるためには、Crを15%以上含有する必要がある。しかし、Crの含有量が30%を超えると、過剰に二次炭化物が析出し、更にはσ相等の脆い析出物等が析出し、脆化が著しくなる。このためCrの含有量は15〜30%であり、好ましくは18〜27%である。
Niは、Crと同様にオーステナイト系耐熱鋳鋼の基本元素であり、鋳鋼のオーステナイト組織を安定化するとともに、鋳造性を高めるのに有効である。特に薄肉の排気系部品の鋳造性を良好にするためには、Niは6%以上必要である。しかし、Niが30%を超えると上記特性の向上効果は飽和し、経済的に不利なだけである。このためNiの含有量は6〜30%であり、好ましくは8〜25%である。
WとMoはいずれも耐熱鋳鋼の高温強度を改善するため、少なくとも一方を含有させるが、両者とも耐酸化性を劣化させるので、過剰に含有させるのは好ましくない。従って、Wを単独で添加する場合、Wの含有量は0.5〜6%であり、好ましくは1〜4%である。MoはW=2Moの割合でWとほぼ同様の効果を発揮するので、Wの一部又は全量をMoに置換することも可能である。Moを単独で添加する場合、Moの含有量は0.25〜3%であり、好ましくは0.5〜2%である。両者を複合添加する場合には、(W+2Mo)として0.5〜6%とし、好ましくは1〜4%とする。
Nbは、Cと結合して微細な炭化物を形成することにより耐熱鋳鋼の高温強度及び熱疲労寿命を増大させるとともに、Cr炭化物の生成を抑制することにより耐熱鋳鋼の耐酸化性及び被削性を向上させる。さらにNbは共晶炭化物を生成するため、薄肉の排気系部品の鋳造性を向上させる。このため、Nbの含有量は1.01%以上とする。しかし、Nbの含有量が多すぎると、結晶粒界に生成する共晶炭化物が多くなって、耐熱鋳鋼は脆化し、その強度及び延性は著しく低下する。このため、Nbの含有量の上限は5%であり、下限は1.01%である。従って、Nbの含有量は1.01〜5%であり、好ましくは1.01〜2.5%である。
Nは、強力なオーステナイト生成元素であり、耐熱鋳鋼のオーステナイト基地を安定にして、高温強度を向上させる。また結晶粒微細化に有効な元素であり、鍛造、圧延等の加工による結晶粒微細化が不可能な複雑形状の鋳造部材の結晶粒を微細化させるのに極めて有効である。結晶粒微細化により構造物として重要な延性が高くなり、また高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼に特有な低被削性の問題を解消できる。またNはCの拡散速度を遅らせるので、析出炭化物の凝集を遅らせて炭化物の粗大化を防止する。従って、Nは耐熱鋳鋼の脆化防止にも有効である。
本発明においては、Alの含有量を0.008〜0.23%とする。Alは溶湯に対して強力な脱酸作用を有し、Oと反応して酸化物系介在物であるAl2O3を生成する。Al2O3の殆どはスラグとして溶湯から排除されるので、Alは鋳鋼中のOの含有量を低減させることになる。鋳鋼に残留するAl2O3は酸化に対する保護膜として作用し、鋳鋼の耐酸化性を高める。また、Nとの共存により微細なAlNを析出し、鋳鋼の結晶粒を微細化して延性を改善する。しかしながら、OやNの含有量が多い溶湯にAlを多量に添加すると、Al2O3及びAlNが多量に生成する。Al2O3の一部は介在物として鋳鋼中に残留する。またAlNは著しく硬く脆いため、過剰に析出すると室温及び高温での靱性を著しく悪化させるとともに、クリープ強さを低下させる。これらの介在物及び析出物は、亀裂や割れの起点となり、耐熱鋳鋼の高温耐力及び高温引張強さを低下させるだけでなく、却って耐酸化性を劣化させ、またいずれも硬く脆いため、室温伸び及び被削性を低下させる。
Oは鋳鋼中にAl2O3、SiO2等の酸化物系介在物として存在するとともに、空孔巣としても存在する。また本発明の高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼は多量のCrを含有するので、Cr2O3も多量に形成する。酸化物系介在物や空孔巣は亀裂や割れの起点になるほか、極めて硬い介在物は延性、靱性及び被削性を低下させる。またOを過剰に含有すると、加熱によるオーステナイト結晶粒の成長が促進され、耐熱鋳鋼が脆化するだけでなく、鋳造時にピンホールやブローホール等のガス欠陥の発生が助長される。従って、Oの含有量は0.012〜0.07%とし、好ましくは0.012〜0.06%とする。
Alの含有量の規制によりOの含有量が多くなり、また高温強度、室温伸び及び熱疲労寿命の向上のためにNを添加するため、本発明の耐熱鋳鋼ではO及びNの含有量が多くなる傾向にある。そこで、鋳鋼中の酸化物系介在物、窒化物、空孔巣等の生成を抑制するとともに、鋳造時にピンホールやブローホール等のガス欠陥の発生を防止するため、O及びNの各含有量を規制するだけでなく、O及びNの合計量も規制するのが好ましい。ガス欠陥の発生に及ぼす影響力はOがNの約6倍であるので、O及びNの合計量として、(6O+N)を用いるのが適当である。(6O+N)が0.5%を超えるとガス欠陥が発生しやすくなるので、(6O+N)は0.5%以下とする。
本発明の高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼は、高温耐力、耐酸化性、室温伸び及び熱疲労寿命を損なわない範囲で、下記元素を含有しても良い。
本発明の高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼に含有される不可避的不純物の主なものはPである。Pは原料から不可避的に混入するが、結晶粒界に偏析して靭性を著しく低下させるので少ないほど好ましく、0.1%以下にするのが望ましい。
本発明の高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼は、加熱上限温度1000℃、温度振幅800℃以上、及び拘束率0.25の条件で加熱冷却する熱疲労試験により測定した熱疲労寿命が500サイクル以上であるのが好ましい。排気系部品には、エンジンの運転(加熱)と停止(冷却)の繰り返しに対する熱疲労寿命が長いことが要求される。熱疲労寿命は、耐熱性及び耐久性の優劣を表す指標の1つであり、熱疲労試験での加熱冷却の繰り返しで生じる亀裂や変形により、熱疲労破壊に至るまでのサイクル数が多いほど熱疲労寿命が長く、耐熱性及び耐久性に優れていることを表す。
本発明の排気系部品は、上記高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼を用いて製造される。排気系部品の好ましい例は、エキゾーストマニホルド、タービンハウジング、タービンハウジングとエキゾーストマニホルドとを一体に鋳造したタービンハウジング一体エキゾーストマニホルド、触媒ケース、触媒ケースとエキゾーストマニホルドとを一体に鋳造した触媒ケース一体エキゾーストマニホルド、又はエキゾーストアウトレットである。本発明の排気系部品は1000℃以上と高温の排気ガスに曝されても優れた耐久性を発揮する。その上、排気系部品の排気ガスに接する通路の少なくとも一部の肉厚を5 mm以下、更に4 mm以下と薄くするとともに、エンジンの後方に配置することにより、排気ガス浄化用触媒の初期機能を向上させることができる。
表1-1〜表1-4は実施例1〜23、参考例1〜24の耐熱鋳鋼供試材の化学組成を示し、表2-1及び表2-2は比較例1〜14の耐熱鋳鋼供試材の化学組成を示す。比較例1〜8はAlの含有量が多すぎOの含有量が少なすぎる鋳鋼であり、比較例9はAlとNの含有量が少なすぎる鋳鋼であり、比較例10はNの含有量が多すぎる鋳鋼であり、比較例11及び12はAlの含有量が少なすぎOの含有量が多すぎる鋳鋼であり、比較例13はAlの含有量が少なすぎO及びNの含有量が多すぎる鋳鋼である。また比較例14は特開2000-291430号に記載の高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼の一例である。
(1)熱疲労寿命
熱疲労寿命を評価するため、各供試材から切り出した標点間距離25 mm、直径10 mmの平滑丸棒試験片を、油圧サーボ式材料試験機(株式会社島津製作所製、商品名、サーボパルサーEHF-ED10TF-20L)に二通りの拘束率(加熱冷却に伴う伸縮の機械的拘束の程度)0.25及び0.5でそれぞれ取り付けた。各拘束率において、各試験片に大気中で、冷却下限温度150℃、加熱上限温度1000℃、及び温度振幅850℃の加熱冷却サイクル(昇温時間2分、保持時間1分、冷却時間4分の合計7分)を繰り返した。2サイクル目の荷重−温度線図における最大引張荷重が25%低下するまでの加熱冷却サイクルの数をカウントし、熱疲労寿命とした。試験結果を表3-1〜表3-3(単に表3という)に示す。
各供試材から切り出した標点間距離50 mm、直径10 mmの平滑丸棒つばつき試験片を、前記熱疲労寿命試験と同じ油圧サーボ式材料試験機に取り付け、各試験片の高温耐力及び高温引張強さとして、大気中1050℃で0.2%耐力(MPa)及び引張強さ(MPa)を測定した。結果を表3に示す。表3から明らかなように、Alの含有量を0.23%以下に規制した実施例1〜23及び参考例1〜24の試験片の高温耐力及び高温引張強さは、Alの含有量が0.23%超の比較例1〜8のものより優れている。特にAlの含有量が0.17%以下では高温耐力が40 MPa以上であり、Alの含有量の低減が高温強度の向上に寄与することが分かる。
各供試材から切り出した標点間距離50 mm、直径10 mmの平滑丸棒つばつき試験片を、前記熱疲労寿命試験と同じ油圧サーボ式材料試験機に取り付け、25℃における室温伸び(%)を測定した。結果を表3に示す。Nを0.01%以上含有する全ての実施例及び参考例が、本発明の好ましい範囲の2.0%以上の室温伸びを有していたのに対し、Nの含有量の少ない比較例9及び14の室温伸びはそれぞれ1.8%及び1.7%と、排気系部品には不十分であった。Nを0.05%以上含有する実施例1〜23及び参考例3〜24では、室温伸びが本発明のより好ましい範囲の2.8%以上であり、室温伸びを向上するにはNの含有が有効なことが分かる。
排気系部品が1000℃以上の排気ガスに曝されることを想定し、1000℃及び1050℃における耐酸化性を評価した。耐酸化性の評価は、各供試材から切り出した直径10 mm及び長さ20 mmの丸棒試験片を、大気中1000℃及び1050℃の各温度に200時間保持し、取り出した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、酸化試験前後の単位面積当たりの質量変化[酸化減量(mg/cm2)]を求めることにより、行った。結果を表3に示す。
実施例及び比較例の耐熱鋳鋼のガス欠陥の発生傾向を調べるため、実際の鋳物よりガス欠陥が発生しやすい形状の平板状試験片を作製した。そのため、ガス欠陥面積率の測定値は実際の鋳物のものより著しく多めになっている。この平板状試験片20は、図2(a)に示す形状を有し、幅W:50 mm、長さL:185 mm、及び厚さT:20 mmであった。各平板状試験片20は、平板状試験片20と、直径25 mm×高さ50 mmの押湯21と、湯口22aと、湯道22bと、堰22cとからなるキャビティを形成した砂鋳型に、1インチYブロックと同じ各溶湯を、1500℃以上で湯口22aより注湯した後、冷却及び型ばらしを行い、押湯21を切断し、ショットブラスト処理を施すことにより得た。
100 kg高周波溶解炉(塩基性ライニング)を用いて実施例18の鋳鋼を大気溶解した後、1550℃以上で取鍋に出湯し、直ちに1500℃以上で、図3に示すタービンハウジング32用の砂鋳型に注湯した。軽量化を図るため、タービンハウジング32の主要部の肉厚を5.0 mm以下とした。またタービンハウジング32のフランジ等に機械加工を施した。得られたタービンハウジング32には、ピンホールやブローホール等のガス欠陥、引け巣、湯廻り不良等の鋳造欠陥は認められず、また機械加工での切削不具合や切削工具の異常摩耗、損傷等もなかった。
比較例5の鋳鋼を使用し、実施例24と同じ条件で同一形状のタービンハウジング52を製造したところ、鋳造欠陥や機械加工での不具合はなかった。得られたタービンハウジング52を排気シミュレータに組み付け、実施例24と同一条件で1500サイクルを目標に耐久試験を実施したところ、1000サイクルでタービンハウジング52に排気ガスの漏洩が発生したため、耐久試験を中断した。図5は、耐久試験終了後のタービンハウジング52のウェイストゲート部52bを示す。図5に示すように、ウェイストゲート部52bに大きな亀裂52dが発生し、座面52cは変形していた。ウェイストゲート部52bに発生した亀裂52dの一部は外部まで到達する貫通亀裂であり、これが排気ガス漏洩の原因となった。またウェイストゲート部52b以外の部位にも多数の亀裂が発生した。さらに実施例24のタービンハウジング32と比較して、排気ガス通路であるスクロール部の内壁に酸化が進行していた。
Claims (7)
- 重量基準でC:0.2〜1.0%、Si:3%以下、Mn:2%以下、S:0.5%以下、Cr:15〜30%、Ni:6〜30%、W及び/又はMo:0.5〜6%(W+2Mo)、Nb:1.01〜5%、N:0.01〜0.5%、Al:0.008〜0.23%、及びO:0.012〜0.07%、残部Fe及び不可避的不純物からなり、(6O+N)が0.5%以下であることを特徴とする高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼。
- 請求項1に記載の高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼において、重量基準でC:0.3〜0.6%、Si:2%以下、Mn:0.5〜2%、S:0.05〜0.3%、Cr:18〜27%、Ni:8〜25%、W及び/又はMo:1〜4%(W+2Mo)、Nb:1.01〜2.5%、N:0.05〜0.4%、Al:0.008〜0.17%、及びO:0.012〜0.06%、残部Fe及び不可避的不純物からなることを特徴とする高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼。
- 請求項1又は2に記載の高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼において、加熱上限温度1000℃、温度振幅800℃以上、及び拘束率0.25の条件で加熱冷却する熱疲労試験により測定した熱疲労寿命が500サイクル以上であることを特徴とする高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼において、加熱上限温度1000℃、温度振幅800℃以上、及び拘束率0.5の条件で加熱冷却する熱疲労試験により測定した熱疲労寿命が300サイクル以上であることを特徴とする高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼において、1050℃における0.2%耐力が50MPa以上であり、室温伸びが2.0%以上であることを特徴とする高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の高Cr高Niオーステナイト系耐熱鋳鋼からなることを特徴とする排気系部品。
- 請求項6に記載の排気系部品において、エキゾーストマニホルド、タービンハウジング、タービンハウジング一体エキゾーストマニホルド、触媒ケース、触媒ケース一体エキゾーストマニホルド、又はエキゾーストアウトレットであることを特徴とする排気系部品。
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