JP5483180B2 - フェライト系球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法、並びにこれを用いた自動車の排気系部品 - Google Patents
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Description
[1]800〜900℃域での高温強度(引張強さ、0.2%耐力)が向上している。
[2]ボルトのリラクゼーションに対処可能なように、高温負荷時の最小クリープ速度が低減し、耐クリープ性が改善されている。
[3]Ac1変態開始温度が、排気ガス温度の高温域である900℃以上である。
本発明者は、800℃〜900℃域における高温強度(引張強さ、0.2%耐力)を高めるためには、従来材の組成に、さらにWを添加することが有効であることを見出した。従って、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、Wを含有し、その含有量は、0.09〜1.1質量%である。
鋳鉄製のエキゾーストマニホールドとそれを締結する耐熱鋼製ボルトは、線膨張係数や圧縮耐力が異なるため締結後のリラクゼーション(=ボルトの軸力低下)に対処する必要がある。例えば、図1のスタッドボルト18は冷却機構を有するアルミシリンダヘッドに予め組み込まれたボルトであって900℃を超える排気ガスがエキゾーストマニホールド11内に排出されても昇温度合いは低く膨張量も少ない。一方、これと締結ナット19によって締結されるエキゾーストマニホールド11は上記シリンダヘッドとはシリンダヘッドガスケット17を介して締結されるため熱負荷が高く膨張量も大きい。よって、高温時においてエキゾーストマニホールド11のシリンダヘッドフランジ14には締結ナット19によって締結座面に強い圧縮応力が作用し続ける。ここで、エキゾーストマニホールド材のクリープ速度が大きいと長時間の運転によってシリンダヘッドフランジ14の締結座面が塑性変形して座屈し、その後の運転停止などで冷却が進むとエキゾーストマニホールド11側も収縮するために座面圧の低下(=軸力低下)が発現してしまう。こうした状況下では、シリンダヘッドフランジ14面からの高温排気ガスの吹き抜けが生じやすくなり、ターボ加給性能や触媒浄化性能を低下させてしまう。よって、エキゾーストマニホールド材料にも高温時の最小クリープ速度が小さく、クリープ破断時間の長い性質が求められる。
ここで、最小クリープ速度とは、クリープ曲線上において、遷移域から定常域にかけて現出する最小のクリープ速度のことである。最小クリープ速度とクリープ破断時間の積は常に一定となる(=モンクマングラントの法則)ため、最小クリープ速度は耐クリープ性評価の重要因子である。
図2(b)に示されるように、フェライト系球状黒鉛鋳鉄は、昇温によりAc1変態温度を超えるとオーステナイトへ変態する。この共析変態の過程では、共析変態域でのTMA曲線の接線nの傾きがマイナスに転じ、フェライト系球状黒鉛鋳鉄の体積は一旦収縮する。共析変態が完了した後はオーステナイト特有の線膨張係数により大きく膨張・変形する。オーステナイト域ではフェライト域と比較して線膨張率が大きいことは、図2(b)のフェライト域でのTMA曲線の接線lとオーステナイト域でのTMA曲線の接線mとを比較すれば明らかである。高温加熱と冷却が繰り返される環境下で、相変態が繰り返されると、大きな変態ひずみが発生し、熱疲労破壊が問題となる。従って、このAc1変態温度をエキゾーストマニホールドの実使用温度域外へと高めることは、エキゾーストマニホールド自体の変形抑制や耐熱疲労性向上にも寄与する。ここで、図2(b)に示されるフェライト域からオーステナイト域へのAc1変態は、図2(a)に示される熱機械分析(TMA)の分析結果のP部分に相当する。
[熱処理]
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、鋳造したまま熱処理を行わずに鋳放しで用いることができるが、任意に熱処理を施すこともできる。熱処理を行うことにより、フェライト系球状黒鉛鋳鉄の延性を改善し、機械加工性を高めることができる。
[1]高温強度の向上と延性の確保
[2]クリープ特性の向上
[3]高温焼鈍処理
[4]共析変態温度の確保
[5]基地フェライト内部の析出物同定
供試材について高温引張試験を行った。高温引張試験は、供試材の優劣判断を容易にするため、全ての供試材の共析変態温度以下の800℃で実施した。また、フェライト系鋳鉄特有の中温脆性の有無を確認するために400℃でも実施した。高温引張試験では、供試材を30分かけて各試験温度まで昇温し、室温(20℃)、400℃、又は800℃の各試験温度に30分保持した後、引張を開始した。ここで、800℃以上に加熱すると、パーライト分解が起こるため、試験温度への保持時間を30分間に厳守した。各供試材は、図4に示す形状のものを採用した。引張速度は、室温では1mm/min、400℃以上では5mm/minに設定した。引張試験には、引張試験機(AG−E型 250KNオートグラフ、(株)島津製作所製)、及び変位計(DT−10S型、(株)島津製作所製)を用いた。
高温クリープ試験は、初期応力15MPa、試験温度800℃の一定荷重方式で行い、時間とともに増大するクリープひずみを測定した。クリープ試験は、神港科学器械(株)SK−3(容量30kN)の試験機にて実施した。各供試材は、図11に示す形状とした。クリープ試験の測定結果を表7及び図12に示す。比較には、従来よりエキゾーストマニホールド材料として既知の従来材及び比較材1、2と、W添加の効能を検証するため、Wを除き他の元素の成分組成がほぼ同一なベース合金にそれぞれNb、Ta、Reを添加した比較材6、9、10とを用いた。
実施材3と従来材についてTMAによる熱分析を行い、変態温度を測定した。実施材3と従来材とを比較したのは、W添加による共析変態温度への影響を調査するためである。TMA熱分析では、窒素雰囲気下で、10gの圧縮荷重を負荷しつつφ5×h15mmの試験片の線膨張量の変化を測定した。加熱範囲は室温〜1000℃とし、加熱⇔冷却の速度は5℃/分とした。TMA熱分析には、TMA8140C((株)リガク製)を用いた。実施材3と従来材のそれぞれについて2つのサンプルを用いた。TMA熱分析の測定結果を表8及び図13に示す。ここで、図13の(a)は従来材のサンプル1、(b)は従来材のサンプル2、(c)は実施材3のサンプル1、(d)は実施材3のサンプル2の測定結果を示している。図13(a)〜(d)において、実線はTMA(線膨張変位)、破線は加熱温度を表している。
次いで、熱処理の前後における硬さと金属組織の変化を観察するため、実施材1、3、5、及び6、比較材1及び2に熱処理を行った。実施材1、3、5、及び6、比較材1及び2を比較に用いたのは、基地パーライト面積率の異なる供試材にて熱処理の効能を定量比較するためである。図14に、熱処理パターン1を示す。各供試材を、約1.5時間かけて、Ac1開始温度直下である900℃に昇温し、そのままの温度で約0.4、1、2、又は7時間保持した。その後、600℃以下になるまで約1時間かけて、5℃/分以下の冷却速度で徐冷した。900℃に0.4時間保持した実施材1、3、5、及び6については、熱処理前後の金属組織を光学顕微鏡(オリンパス製)を用いて観察し(図15)、黒鉛球状化率とパーライト率をデジタル画像計測ソフト(Quick Grain Pro 株式会社イノテック製)を用いて求めた(表9)。さらに、各供試材の硬さをロックウェル試験機を用いて測定した(表10)。
また、図17及び表11によると、Wの含有量が1.07%と多い実施材であっても、Ac1変態開始温度−70℃に相当する830℃に0.25時間保持するだけで、その後空冷をしても基地パーライトは完全分解することが示された。黒鉛成長は起きておらず、硬さが5.6ポイントも低下して99.6HRBとなり、延性を改善すると共に切削性も支障のないレベルまで改善できることが分かった。従って、強度低下を最小限に抑え、延性を改善する新しい熱処理システムを採用すれば、Wの含有量を最大1.1質量%まで、Si+Wの含有量も5.45質量%まで許容可能になることが明らかになった。
実施材で認められた高温での著しい性能向上のメカニズムを探るため、透過電子顕微鏡により実施材3の基地フェライト内部を観察した。分析には鋳放し材の他、析出物の安定性を調査するため800℃×50時間保持の熱履歴を与えた試料を用いた。分析方法は、抽出レプリカ法を採用した。鋳込みYブロック全長さの1/4位置で横断面試料を採取し、中央より析出物を選択捕捉した抽出レプリカを採取した。機械研磨最終仕上げはダイヤモンド粉1μmでの研磨後、OP−AN(0.03μmのアルミナ懸濁液)で仕上げ研磨し、その後、電解エッチングを行った。電解エッチング条件は10%アセチルアセトン−90%メタノール溶液を使用し、3Vの定電圧とした。次に、抽出レプリカに捕捉された析出物を透過型電子顕微鏡(日立製作所製HF−2000、電解放射型透過電子顕微鏡(FE−TEM)、加速電圧200kV)を用い、径50nm以下の大きさの析出物につき成分分析で組成を確認の後にナノディフラクション(Kevex社製Sigma、エネルギー分散型X線検出器、カメラ長0.8m)により析出物の格子定数を測定し、JCPDSデータを参照して構造解析を行った。具体的には、TEMによる明視野像(図18A)にて観察した粒子状の析出物の中から、分析点1、2、3、及び4(図18A、矢印で示す)を選択し、それぞれの分析点についてナノディフラクション及びEDX成分分析を行った。図18Aにおいて、(a)は熱履歴材、(b)は鋳放し材を表す。それぞれの分析点から得たナノディフラクションパターン(電子線回折像)を図18B及び図18Cに示し、EDX分析結果を図19に示す。図18B及び図18Cにおいて、矢印は電子線の回折方位を表し、矢印の先に記載された数値は結晶方位の座標を表す。回折斑点の座標から計算した格子定数を、JCPDデータと共に表12に示す。次に、TEMによって得られた明視野像から、無作為に選択した視野で観察される析出物の平均析出物径、数密度、析出物面積率を、画像解析ソフト(Planetron(株)製Image−Pro Plus)を用いて求めた(表13、表14)。鋳放し材については1視野(視野No.1)を用いて計算し、熱履歴材では7視野(視野No.1〜7)を用いて計算した。ここで、平均析出物径は円相当直径((1)式)を用いて求めた。
11 エキゾーストマニホールド
12 ターボフランジ
13 ターボチャージャ締結ボルト
14 シリンダヘッドフランジ
15 ターボガスケット
17 シリンダヘッドガスケット
18 スタッドボルト
19 締結ナット
20 スティフナー
21 ボルト
22 締結ボルト
Claims (10)
- 質量%で、C:3.0〜3.6%、Si:4.0〜4.4%、Mo:0.3〜0.7%、V:0.2〜0.5%、及びW:0.09〜1.1%を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなるフェライト系球状黒鉛鋳鉄。
- 前記Wの含有量が、0.09〜0.6%である、請求項1に記載のフェライト系球状黒鉛鋳鉄。
- 前記Si及びWの含有量の合計が、4.7質量%以下である、請求項1または2に記載のフェライト系球状黒鉛鋳鉄。
- 基地パーライト面積が30%以下であり、かつ黒鉛球状化率が80%以上である、請求項1〜3のいずれかに記載のフェライト系球状黒鉛鋳鉄。
- 請求項1に記載のフェライト系球状黒鉛鋳鉄を熱処理して得られるフェライト系球状黒鉛鋳鉄であって、
前記熱処理が、前記フェライト系球状黒鉛鋳鉄の鋳造後に、Ac1変態開始温度−70℃からAc1変態開始温度の間の温度に0.2〜2時間保持した後、空冷または5℃/分以下の冷却速度でAr1変態終了温度以下まで徐冷することを含むフェライト系球状黒鉛鋳鉄。 - 前記Si及びWの含有量の合計が、5.45質量%以下である、請求項5に記載のフェライト系球状黒鉛鋳鉄。
- Mo及びWを固溶したV8C7粒子によって分散・析出強化されたフェライト系球状黒鉛鋳鉄であって、前記V8C7粒子が、フェライト内部に面積率2〜10%で析出しており、50〜230nmの粒子径を有する、請求項1〜6のいずれかに記載のフェライト系球状黒鉛鋳鉄。
- 請求項1〜7のいずれかに記載のフェライト系球状黒鉛鋳鉄を用いて製造される自動車の排気系部品。
- 前記排気系部品が、エキゾーストマニホールド、タービンハウジング、ターボハウジング、ターボハウジングアウトレットパイプ、又はターボハウジング一体型エキゾーストマニホールドである請求項8に記載の排気系部品。
- 質量%で、C:3.0〜3.6%、Si:4.0〜4.4%、Mo:0.3〜0.7%、V:0.2〜0.5%、及びW:0.09〜1.1%を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなる溶湯を鋳造する工程と、
鋳造後に熱処理を行う工程と
を含み、前記熱処理が、前記フェライト系球状黒鉛鋳鉄の鋳造後に、Ac1変態開始温度−70℃からAc1変態開始温度の間の温度に0.2〜2時間保持した後、空冷または5℃/分以下の冷却速度でAr1変態終了温度以下まで徐冷することを含む、フェライト系球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
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