JPH01159354A - 耐熱鋳鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、詳しくは優れた耐熱疲労性
、耐酸化性といった耐久性を有するとともに、鋳造性、
加工性にも優れ安価なコストで製造可能な耐熱鋳鋼に関
する。

〔従来の技術〕

従来の耐熱鋳鉄、鋳鋼としては、例えば第１表に比較材
として示すようなものがある。

自ａｎｔ用エンノンのエキゾーストマニホールド、ター
ボチャージャ用タービンハウジング、ディーゼルエンジ
ン用予燃焼室、排気〃ス浄化装置用部品等の排気系部品
においては、使用条件が高温苛酷となることから、第１
表に示すような高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄、ニレノス）ＩＩ鉄
、Ａ１匍鉄等の耐熱鋳鉄や、特例的にはオーステナイト
系ステンレス鋳鋼等の高価な高合金耐熱ｇ！鋼が採用さ
れていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような従来の耐熱鋳鋼、鋳鋼にあっ
ては、例えば高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄、二レノスト鋳鉄にお
いては、比較的、鋳造性や加工性等の生産性は良好であ
るものの耐熱疲労性やｉｔａ化性といった耐久性が劣る
ことから、８００℃以上の高温となる部材には適用でき
ず、またＡ１１ｌ鉄やオーステナイト系ステンレス鋳鋼
等の高合金耐熱鋳鋼においては、８００℃以上での耐久
性には優れているものの、鋳造性が悪く舞造時にひけ巣
、湯廻り不良等の僑造欠陥が発生し易いこと、機械加工
性が悪いことにより、その生産性が劣るという問題点が
あった。

本発明は、上記問題点を解決することを目的とするもの
である。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たもので、重量比率でＣ：０，０６′　　〜０．２０％
、Ｎ：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ：　０．４〜２．０
％、Ｍｎ　：　０．３−１．０％、Ｐ：０．０４％以下
、Ｓ：０．０４％以下、Ｃ「：１５〜２２％、Ｎｂ　：
　０．０１〜２．０％、Ｔｉ：　０．０１−０．１０％
、Ｍｏ　：　０．２〜　１．０％、Ｎｉ　：　０．０１
−１．０％、Ｙ、Ｃｅの１種または２種の総和：０．０
１〜０．２％、Ｗ：０，０１〜１．０％、　Ｂ：０．０
０１〜０゜０１％、Ｖ：０．０１〜１．０％、残部実質
的にＦｅからなる組成を有し、鉤造後に２相混合域以下
の温度で焼準処理を施したことを特徴とするものである
。

〔作　用〕

本発明において、従来の問題点を解決するための手段と
して耐熱疲労性および耐酸化性の要因分析を行なった結
果、その構成を上述のような組成範囲としたものである
。

このような組成としたことにより、耐熱鋳鉄と同等の鋳
造性、加工性、低価格性等といった生産性特性を保有さ
せた上で、従来のステンレス鋳鋼の高合金耐熱鋳鋼と同
等の耐熱疲労性および同等以上の耐酸化性を付与するこ
とができたものである。

以下、本発明の耐熱鋳鋼に含有する各合金元素の組成範
囲の限定理由について説明する。

Ｃ（炭素）：０．０６〜０．２０％ まず、耐熱疲労性について第１表および第２表のデータ
をもとに重回帰分析を行なった結果、フェライト系ステ
ンレス鋳鋼においては従来から重要性が指摘されていた
破断伸びよりも高温における強度が支配要因であること
が明らかとなった。

そのためには、Ｃ含有量を黒鉛化しない範囲で増す必要
がある。

また、Ｃは溶湯の流動性（Ｉｌｌ造性）を改善させるこ
とから０．０６％以上は必要である。

しかし一方、後述の主にＣｒ含有量との関係からａ−γ
相変態に伴なう局部熱応力による耐熱疲労性の低下を防
ぐ目的でＣは０．２０％以下とする。

また、上記の低Ｃ範囲とすることにより耐酸化性の向上
および耐食性および加工性の低下を引き起こすＣｒ炭化
物の析出を抑制することができる。

Ｎ　（窒素）：０，０１〜０．１０％ ＮはＣと同様に高温強度を改善し耐熱疲労性を改善する
ことが本データより明らかとなった重要な元素であり、
含有量０．０１％以上で効果があられれるが、一方、製
造の安定性を確保するためとＣｒ　ｘ　Ｎ析出による脆
化を避けるために０．１０％以下とした。

Ｓｉ（けい素）：０，４〜２．０％ Ｓｉは本Ｆｅ−Ｃｒ系合金系のγ相範囲を狭め組織安定
性を増し、１ｔＷｌ化性の改善効果もある。さらに、鋳
造性を改善し、脱酸剤として働き鋳物のピンホール欠陥
を減らす効果もあるため０，４％以上とする。

しかし一方で、Ｃとのバランス　（炭素当量）により１
次炭化物を粗大化させて加工性を悪化し、また、フェラ
イト基地組織中のＳｉ含有量が過多となって靭性の低下
を起こしたり、高温でのび相形成を助長するため　２．
０％以下とした。

Ｍｎ　（ｖン〃ン）：０．３−１．０％Ｍｎはパーライ
ト組織の形成元素であることから、本発明材のように基
地組織を７エライ）Ａｌ１織とした耐熱素鋼にはあまり
好もしくない元素であるが、Ｓｉ　と同様に溶湯の脱酸
剤として有効であり、舞遺時の湯流れ性を向上させて生
産性を改善させるため０．３〜１゜０％とする。

Ｐ　（リン）：　０．０４％以下 ０．０４％以下を超えて含有するとパーライト化やステ
ゲイト晶出による加工性の悪化や、不純物として耐食性
および耐熱疲労性を低下させるため０．０４％以下とす
る。

Ｓ　（イオク）：０．０４％以下 ＳはＭ　ｎ　Ｓ晶出による加工性の改善は期待できるが
、不純物として耐食性および耐熱疲労性を低下させるた
め０．０４％以下とする。

Ｃｒ（クロム）：１５−２２％ Ｃｒは耐酸化性を改善し、共析変態温度を上昇させ、主
にＣ含有量との関係から実用高温域でのα−γ相変態を
防止し、組織安定性を狙う目的で１５％以上とする。

しかし一方で、多量の添加はＣｒの１次炭化物を粗大化
させ機械加工性を悪化させることと、高温でのσ組形成
を助長し着しく脆化を起こすため２２％以下とする。

Ｎｂ（ニオブ）：０．０１〜２．０％ ＮｂはＣと結合して微細な炭化物を生成し、高温強度を
増大させる。またＣｒ系炭化物の生成を抑制することに
よってｉｔ食性と被削性を向上させる目的で０．０１％
以上とする。

しかし一方で、多量の添加は結晶粒界に炭化物を形成し
、靭性を低下させるため　２．０％以下とする。

Ｔｉ（チタン）：ｏ、ｏｉ〜０．１０％Ｔｉは共析変態
温度の上昇に有効であると同時に債造時にＣｒより優先
的に炭化物を形成させるため加工性を悪化させる１次Ｃ
ｒ炭化物の形成を抑制し、また高温における２次Ｃ「炭
化物の析出を抑制することから高温靭性、耐酸化性、耐
食性を向上させるため０゜０１％以上とする。

しかし一方で、多量の添加は大気溶解では酸化が激しく
匍造性を著しく害するため、Ｃ含有量との関係から０．
１％以下とする。

−ＭＯ（モリブデン）：０，２〜１．０％ＭｏはＣ％Ｎ
と同様にフェライト基地を強化して高温強度を向上させ
る作用をもつ。

従って、耐熱疲労性の向上の目的で０．２％以上とする
。

しかし、含有量が１．０％を超えると共晶粗大炭化物が
生成されて機械加工性を悪化させ、脆化も起こす、また
、耐酸化性も悪化させるためその上限を１．０％とする
。

Ｎｉにッケル）：　０．０１〜１．０％Ｎｉは靭性の改
善と耐食性の改善に有効であるが、高温での組織安定性
、コストを勘案して０．０１〜１．０％とする。

Ｙ（イツトリウム）、Ｃｅ（セリウム）の１種または２
種の総和：ｏ、ｏｉ〜０．２％ Ｙは溶湯を清浄にし、微量不純物と非金属介在物を減少
させるが、コストを勘案して０゜０１〜０．２％とする
。

Ｗ（タングステン）：０．０１〜１．０％Ｗは固溶体強
化効果によって靭性を向上させるが、コストを勘案して
ｏ、ｏ　ｉ〜１．０％とする。

Ｂ　（ボロン）：０．００１〜０．０１％Ｂは結晶粒を
微細化し、粒界への炭化物の析出を抑制することによっ
て、高温有性を増す目的で０．００１％以上とする。

しかし一方で、多量の含有はＢ化合物を晶出させること
によって、靭性や溶接性を低下させるため０．０１％以
下とする。

■　（バナジウム）：　０．０１〜１．０％■は炭化物
または窒化物を生成し、高温強度を増大させる。またＣ
ｒ系炭化物の生成を抑制することによって耐食性と被削
性を向上させる目的で０．０１％以上とする。

しかし一方で、多量の含有は結晶粒界に炭化物または窒
化物を形成し、靭性を低下させるため１．０％以下とす
る。

〔実施例〕

以下、この発明を実施例により説明する。

ｆ５１表は、この発明の実施例を示す表である。

本発明材の各種の特性を評価するために第１表のような
３種類の本発明材■〜■および３１１類の比較材■〜■
の供試材を鋳造により製造した。

なお、各供試材の１０？Ｌに当たっては、１００ｋｇ用
高周波溶解炉を用いて大気溶解し、直ちに１５５０℃以
上で出湯して１５００°Ｃ以上で注湯し、Ｊ■Ｓ規脩八
号へＹブロック形状に鋳造した。

ついで、上述により鋳造されたＹブロックを加熱炉中に
て８００℃で２８ｒ保持後、空冷する焼準処理を行なっ
た。

なおｔＩＳ１表において、比較材■〜■は自動車用ター
ボチャージャ・ハウジングや排気マニホールドなどの耐
熱部品に使用されているもので、比較材■はニレジスト
球状黒鉛鋳鉄であり、比較材■はオーステナイト系耐熱
ｉ［（ＪＩＳ規格５ＣＨ２ｉ相当）であり、比較材■は
高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄と称されるものの１種である。

また、第１表の（−）は未分析を表わす。

上述によりａ遺した第１表に示すような組成を有する各
供試材を用いて、以下に述べるような各種の評価試験を
打なった。

まず、電気−油圧サーボ方式の熱疲労試験機を用いて、
上述の各供試材に対して熱疲労試験を実施した。

なお、熱疲労試験は、標点間距離が２０ｍ５、標、ｒ！
（＋１１１の直径が１０ｍｍの丸棒試験片を用いて、試
験片の加熱による伸びを機械的に完全拘束した状態で下
限温度を１００℃、上限温度を９００℃とし、１サイク
ル１２分として加熱冷却サイクルの繰り返しに上り熱疲
労破壊させた。

また、耐熱疲労性を支配する要因解析をする目的で各供
試材に対して９００℃での高温引張試験およびφ１４Ｘ
８０ｍｍの丸棒試験片を製作し、９００℃において２０
０時間の大気中保持による酸化試験を実施した。

なお、この酸化試験での試験結果の評価方法としては酸
化試験後にシ！Ｉ７トブラスト処理を施して酸化スケー
ルを除去し、酸化試験前後の一単位表面積当たりの重１
変化（酸化減量二ｓｇ／Ｃ鴫２）により評価した。

以上の熱疲労試験、高温引張試験、酸化試験の結果を第
２表に示す。

第２表から明らかなように、本発明材■〜■は、いずれ
も従来材である比較材■〜■と比較すると耐熱疲労性、
耐酸化性は同等以上の性能を有していることがわかる。

次に、本発明材を用いて１．１’ターボチヤージヤガソ
リンエンジン用の排気マニホールドを鋳造によ’）＊遺
したところ、湯廻り不良やピンホールなどの鋳造不良を
発生させることなく、ｌ遣歩留まりも５０％以上とする
ことができ、生産性に優れていることを確認することが
できた。

また、本発明材の機械加工性については、鋳造後に２和
製合域以下の温度で焼準処理を施すことによって硬さを
ＨＢ２００以下とすることができ、この硬さは、球状黒
鉛鋳鉄（ＪＩＳ規格ＦＣＤ４０）材と同等であり、機械
加工性においても釘等問題のない耐熱情調である。

ついで本発明材および比較材による１、８１ターボチヤ
ージヤガソリンエンジン用の排気マニホールドをエンノ
ンに搭載してエンジン台上耐久試験により排気マニホー
ルドとしての耐熱疲労性を評価した。

第３表に耐久用の排気マニホールドの各化学成分を示す
。

なお、第３表において、比較材のはニレジスト球状黒鉛
鋳鉄であり、比較材■は高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄と称される
ものの１種である。

エンジン台上耐久試験条件は、最高回転数を５６００　
ｒｐｔａとして全負荷条件での冷熱サイクル耐久試験に
て５００サイクルまで実施し、熱疲労亀裂の発生の有無
により、その耐久性の評価を行なった。

その結果、本発明材により製造した排気マニホールｌ’
（本発明品のと■）では、５００サイクルの試験終了ま
で熱疲労亀裂の発生が認められなかったのに対して、比
較品■は４２１サイクルで、また比較品■は３６５サイ
クルで肉厚を貫通する熱疲労亀裂が発生した。

以上の結果から、本発明材により製造された排気セニホ
ールド　（本発明品■と■）は、従来村により製造され
た排気マニホールド　（比較品■と■）に比べて、熱負
荷の厳しい排気マニホールドとして優れた耐熱疲労性を
有していることが明らかとなった。

〔発明の効果〕

以上の説明しで外たように、この発明によれば、その構
成を重量比率でＣ：０，０６〜０゜２０％、Ｎ：０．０
１〜０．１０％、Ｓｉ　：　０゜４〜２．０％、　Ｍｎ
：０．３−１．０％、　Ｐ：０．０４％以下、　Ｓ：０
，０４％以下、　Ｃｒ：１５〜２２％、Ｎｂ：０．０１
〜２．０％、Ｔｉ：　０．０１〜０．１０％、Ｍｏ　：
　０．２〜　１．０％、Ｎｉ　：　０．０１−１．０％
、Ｙ、Ｃｅの１種または２種の総和：０．０１〜０．２
％、Ｗ　：　０，０１〜１．０％、　Ｂ：０，００１〜
０゜０１％、ｖ：ｏ、ｏｉ〜１．０％、残部実質的−に
Ｆｅからなる組成を有し、鋳造後に２和製合域以下の温
度で焼準処理を施したので、エンジン排気系部品におい
て特に重要な耐熱疲労性と耐酸化性について従来の耐熱
鋳鋼を上回る特性を有し、かつ鋳造性、機械加工性は従
来の耐熱鋳鉄と同等の特性を有する耐熱鋳鋼を廉価に製
造することができ、エンノン排気系部品用材料に適用し
て優れた効果を奏するものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 重量比率でＣ：０．０６〜０．２０％、Ｎ：０．０１〜
   ０．１０％、Ｓｉ：０．４〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜
   １．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０４％以下、
   Ｃｒ：１５〜２２％、Ｎｂ：０．０１〜２．０％、Ｔｉ
   ：０．０１〜０．１０％、Ｍｏ：０．２〜１．０％、Ｎ
   ｉ：０．０１〜１．０％、Ｙ、Ｃｅの１種または２種の
   総和：０．０１〜０．２％、Ｗ：０．０１〜１．０％、
   Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｖ：０．０１〜１．０％
   、残部実質的にＦｅからなる組成を有し、鋳造後に２相
   混合域以下の温度で焼準処理を施したことを特徴とする
   耐熱鋳鋼。