JP5011622B2 - 耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼に関する。本発明のステンレス鋳鋼は、エンジンの排気マニホルド、タービンハウジング、これらの結合部、排ガス浄化装置用部品などの、高温において繰り返し加熱される部品の材料として好適である。
【0002】
【従来の技術】
従来、自動車エンジンの排気マニホルドなどの耐熱性が要求される部品の材料としては、一般に球状黒鉛鋳鉄が使用されており、排気温度がとくに高いものに対しては、ニレジスト鋳鉄(C:2.5〜3.0%、Si:1.4〜1.8%、Cu:6〜8%、Ni:13〜16%、Cr:1.5〜2.4%、Fe:残部)や、フェライト系ステンレス鋳鋼(JIS G SC1〜SC3)が採用されている。
【0003】
近年、エンジンの高効率化が要求され、そのため排ガスの温度がより高温になり、また自動車の排ガス規制がより厳しくなっているため、排ガスをより高温で取り扱う必要が生じている。上記した既存の材料をエンジンの排ガス処理機器用部品に使用すると、変形、熱疲労割れなどが発生し、使用できない。使用温度が950℃以上になると、強度の点で、フェライト系ステンレス鋳鋼はもはや使用できないため、オーステナイト系ステンレス鋳鋼が使用されてきた。しかし、既知のオーステナイト系ステンレス鋳鋼は、クリープ強度の向上に主眼を置いたものが多く、繰り返し加熱を受ける部品に要求される熱疲労に焦点を合わせたものは少ない。特開昭54−96418号に開示された耐熱鋳鋼が知られているに止まる。
【0004】
上記の公開公報に記載されているステンレス耐熱鋳鋼は、C:0.1〜1.5%、Si:0.5〜5.0%、Mn:2.5%以下、Ni:8〜45%、Cr:15〜35%、W:0.5〜3.0%、必要に応じてMo:0.5〜2.0%またはS:0.05〜0.25%を含有し、Fe:残部という合金組成であって、この鋼は、耐熱疲労特性はすぐれたものであるが、950℃以上の高温における引張強さが十分でなく、また被削性が不満足であるから、これらの点について改良が望まれていた。
【0005】
発明者らは、この要望に応えるために研究し、オーステナイト系ステンレス鋳鋼において、C,Ni,Cr,WおよびNbの含有量を特定の範囲に選択することにより、高温強度、熱疲労強度および耐酸化性がすぐれたものとなること、および、Seを含有させることにより、S含有量を少なくしても、被削性を改善できること、などを知った。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、このような発明者らの得た新しい知見にもとづいて上記の問題を解決し、950℃以上の高温で使用することができる高い耐熱性を有するとともに、すぐれた被削性をもつオーステナイト系ステンレス鋳鋼を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼は、基本的な合金組成として、質量%で、C:0.2〜0.4%、Si:0.5〜2.0%、Mn:0.5〜2.0%、P:0.10%以下、S:0.04〜0.2%、Ni:21.0〜42.0%、Cr:15.0〜28.0%、W:0.5〜7.0%、Nb:0.5〜2.0%、Al:0.02%以下、Ti:0.05%以下、N:0.15%以下およびSe:0.001〜0.50%を含有し、残部がFeおよび不可避の不純物からなる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼は、上記の基本的な合金成分に加えて、下記のグループに属する任意添加元素の一つまたは両方を含有することができる。
I)Mo:2.0%以下、Zr:0.05%以下、B:0.10%以下、およびCo:10.0%以下の1種または2種以上、ならびに
II)Ca:0.10%以下およびREM:0.50%以下の1種または2種。
【0009】
本発明の耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼において、成分組成を上記のように特定した理由を以下に説明する。
【0010】
C:0.2〜0.4%
Cは、Nb、Wなどと結合して炭化物を生成し、高温強度および熱疲労強度を向上させる。この効果を得るためには、0.2%以上含有させる必要があるが、0.4%を超えると、CがCrと結合してマトリクス中のCr濃度を低下させて、合金の耐酸化性を低くする。好ましいC含有量は、0.25〜0.33%である。
【0011】
Si:0.5〜2.0%
Siは、耐酸化性および溶湯の流動性を向上させる。この効果は0.5%以上の含有で得られるが、2.0%を超えて含有させると、オーステナイト組織の安定性が低下するとともに、靭性が低下する。
【0012】
Mn:0.5〜2.0%
Mnは、耐酸化性を向上させるとともに、SおよびSeと化合して介在物を生じ、それが被削性を向上させる働きがある。この効果を得るには、0.5%以上含有させる必要があるが、2.0%を超えて含有させると、靭性が低下する。好ましい含有量は、0.8〜1.5%である。
P:0.10%以下
Pは、被削性に寄与する成分であるが、0.10%を超える存在は耐酸化性および靱延性を著しく低下させるので、含有量をそれ以下に抑える。
【0013】
S:0.04〜0.2%
Sは、Mnと化合してMnSを生成し、被削性を向上させる。この効果を与えるS量は、最低0.04%である。0.2%を超えるS量は、靭性および延性を著しく低下させる。好ましいS含有量は、0.06〜0.14%である。
【0014】
Ni:21.0〜42.0%
Niは、マトリクスのオーステナイト相を安定化させ、合金の耐熱性および耐食性を向上させる。そこで、この鋼にはNi:21.0%以上を添加する。多量に添加しても効果が飽和するし、コストの上昇を招くので、42%を上限として定めた。
【0015】
Cr:15.0〜28.0%
Crは、Cと結合して炭化物を生成し、高温強度および耐酸化性を高める。この利益は、15.0%以上の添加で得られる。より高い添加量においては、効果が飽和し、さらに、脆化相であるσ相の生成を促進するので、28.0%を上限とする。好ましい含有量は、19〜26%である。
【0016】
W:0.5〜7.0%
Wは、Cと結合して炭化物を生成し、高温強度および熱疲労特性を顕著に改善する。Wの炭化物形成能はCrのそれより大きいため、マトリクスのオーステナイト相に存在するCrの量が減少することを防止し、耐酸化性を高く保つのに役立つ。このWの効果は、0.5%以上の添加で得られる。あまり多量の添加は、耐酸化性および靭−延性を低下させる。この観点から、7.0%を上限として設けた。好ましい含有量は、1〜6%である。
【0017】
Nb:0.5〜2.0%
Nbは、Wと同様にCと結合して炭化物を生成し、高温強度および熱疲労特性を顕著に改善する。Nbの炭化物形成能も、Wと同様に、Crのそれよりも高いため、マトリクスを構成するオーステナイト相中のCr量が低下することを防止し、耐酸化性を高く保つ。この効果を得るには、少なくとも0.5%のNbを含有させる必要がある。一方、多量のNbは共晶炭化物を多量に晶出させ、その結果、靭−延性が低下するので、2.0%以下の添加に止める。好ましいNb含有量は、0.9〜1.7%である。
【0018】
Al:0.02%以下
Alは、耐酸化性の向上に寄与する。0.02%を超える添加は、溶湯の流動性を悪くし、かつ靱−延性を著しく低下させる。
【0019】
Ti:0.05%以下
Tiは、Cと結合して炭化物を生成し、高温強度および熱疲労特性の向上に寄与する。過剰に添加すると、Cと結合するTi量が多くなるため、NbおよびWと結合するCの量が少なくなる。NbおよびWの炭化物量の減少は、高温強度および熱疲労特性を低下させる。そこで、Tiの添加量は、0.05%を上限とする。
【0020】
N:0.15%以下
Nは、強度およびオーステナイト組織の安定性の向上に寄与する。N含有量が0.15%を超えると、熱疲労特性および靭延性が低下する。
【0021】
Se:0.001〜0.50%
Seは、Sと同様にMnと結合して介在物を生成し、被削性を向上させるために必要な元素である。その作用は0.001%という少量でも認められるが、0.50%を超えると、高温強度、靭延性および熱疲労特性が低下する。コストも高くなる。
【0022】
上記の基本的な合金組成に対して任意に添加することができる成分の作用と、その組成範囲の限定理由は、つぎのとおりである。
【0023】
Mo:2.0%以下
Moは、オーステナイト相中に固溶して高温強度を向上させる。多量になると、900℃以上の温度における耐酸化性が著しく低下するとともに、靭延性が低下するので、Mo添加量は、2.0%以下にする。好ましい含有量は、1.8%以下である。
【0024】
Zr:0.05%以下
Zrは、結晶粒および共晶炭化物の粗大化を抑制し、高温強度および熱疲労特性を向上させる。多量の添加は靭−延性を著しく低下させるので、その含有量の上限を、0.05%とした。
【0025】
Co:10.0%以下
Coは、オーステナイト組織を安定性し、固溶強化により高温強度を高め、また耐食性も向上させる。これらの効果は次第に飽和し、10.0%を超える添加は意義を失う。コストも上昇する。
【0026】
B:0.10%以下
Bは、結晶粒界を強化し、高温強度を向上させる。0.10%を超える多量の添加は、鋼の耐酸化性および靱−延性を著しく低下させ、熱疲労特性をも低下させる。
【0027】
Ca:0.10%以下
Caは、Oと結合して酸化物を生成し、被削性を向上させる。0.10%を超えるCaの添加は、靱−延性を低下させ、熱疲労特性を著しく低下させる。
【0028】
REM:0.50%以下
REMは、鋼の耐酸化性を向上させる。0.50%を超える添加は靭−延性を低下させる、熱疲労特性を著しく低下させる。
【0029】
【実施例】
表1(実施例および参考例)ならびに表2(比較例)に示した合金組成のステンレス鋳鋼を、高周波誘導炉を用いて溶製し、JIS−A号試験片に鋳込んだ。これに、1100℃に30分間加熱する焼鈍を施した後、高温引張り試験片、熱疲労試験片および被削性試験片を採取した。それらの試験片を対象に、下記の方法および条件で、高温引張り試験、熱疲労試験および被削性試験を行なった。その結果を表3(実施例および参考例)ならびに表4(比較例)に示す。
【0030】
[高温引張り試験]
標点間距離30mm、直径6mmの試験片を用いて、1050℃で実施した。
[熱疲労試験]
直径60mm、厚さ10mmの円盤型試験片を、1050℃のアルミナ媒体流動床炉に3分間浸漬した後、速やかに150℃のアルミナ媒体流動床炉へ移して4分間浸漬するサイクルを500回繰り返した後の、延べ割れ長さ。
[被削性試験]
超硬チップを取り付けた切削工具を用いてフライス加工を行ない、超硬チップの摩耗量が200μmになるまでの切削長さ。結果は、代表的なオーステナイ系ステンレス鋳鋼であるHK40(比較例5)のデータと対比して表した。
【0031】
【表1】
【0032】
【0033】
実施例および参考例
【0034】
【表4】
比較例
【0035】
表4のデータにみる各比較例の問題は、つぎの理由による。まず比較例1は、S含有量が低すぎるために、高温引張強さは良好であるが、被削性が不十分である。比較例2は、S含有量が多過ぎるために、被削性は良好であるが、高温引張強さが十分でない。比較例3は、WおよびNbの含有量が低いために、高温引張強さが低い。一方、比較例4は、WおよびNb含有量が多過ぎるために、高温引張強さは良好であるものの、熱疲労による割れが発生しやすい。比較例5は、WもNbも含有していないし、またS含有量も低いために高温引張強さが低く、かつ被削性が十分でない。比較例6は、Ni含有量が少量すぎて、高温引張強さが低く、割れも発生しやすい。比較例7も、Cr含有量が不足であるため、やはり高温引張強さと割れに関して劣っている。
【0036】
これに対して、本発明の実施例1〜13および参考例1〜6は、いずれも比較例にくらべて1050℃における高温引張強さおよび熱疲労特性にすぐれ、かつ被削性も良好であって、HK40の被削性を基準にしたとき、2倍以上の工具寿命を示すことが確認された。
【0037】
【発明の効果】
本発明のステンレス鋳鋼は、前記した合金組成を選択したことにより、950℃以上においても引張強さおよび熱疲労特性がともに良好であり、さらに従来のオーステナイト系ステンレス鋳鋼に比べて約2倍またはそれ以上の被削性が得られるという、すぐれた効果を奏する。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.2〜0.4%、Si:0.5〜2.0%、Mn:0.5〜2.0%、P:0.10%以下、S:0.04〜0.2%、Ni:21.0〜42.0%、Cr:15.0〜28.0%、W:0.5〜7.0%、Nb:0.5〜2.0%、Al:0.02%以下、Ti:0.05%以下、N:0.15%以下およびSe:0.001〜0.50%を含有し、残部がFeおよび不可避な不純物からなる合金組成を有する耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼。
- 質量%で、C:0.2〜0.4%、Si:0.5〜2.0%、Mn:0.5〜2.0%、P:0.10%以下、S:0.04〜0.2%、Ni:21.0〜42.0%、Cr:15.0〜28.0%、W:0.5〜7.0%、Nb:0.5〜2.0%、Al:0.02%以下、Ti:0.05%以下、N:0.15%以下およびSe:0.001〜0.50%を含有し、さらにMo:2.0%以下、Zr:0.05%以下、B:0.10%以下およびCo:10.0%以下の1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避な不純物からなる合金組成を有する耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼。
- 質量%で、C:0.2〜0.4%、Si:0.5〜2.0%、Mn:0.5〜2.0%、P:0.10%以下、S:0.04〜0.2%、Ni:21.0〜42.0%、Cr:15.0〜28.0%、W:0.5〜7.0%、Nb:0.5〜2.0%、Al:0.02%以下、Ti:0.05%以下、N:0.15%以下およびSe:0.001〜0.50%を含有し、さらにCa:0.10%以下およびREM:0.50%以下の1種または2種を含有し、残部がFeおよび不可避な不純物からなる合金組成を有する耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼。
- 質量%で、C:0.2〜0.4%、Si:0.5〜2.0%、Mn:0.5〜2.0%、P:0.10%以下、S:0.04〜0.2%、Ni:21.0〜42.0%、Cr:15.0〜28.0%、W:0.5〜7.0%、Nb:0.5〜2.0%、Al:0.02%以下、Ti:0.05%以下、N:0.15%以下およびSe:0.001〜0.50%を含有し、さらにMo:2.0%以下、Zr:0.05%以下、B:0.10%以下およびCo:10.0%以下の1種または2種以上を含有し、かつ、Ca:0.10%以下およびREM:0.50%以下の1種または2種を含有し、残部がFeおよび不可避な不純物からなる合金組成を有する耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼。
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