JPH01159355A - 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穴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〕

従来の耐熱磐鉄、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。

自動軍用エンジ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、ニレジスト鋳鉄、Ａ
Ｉ鋳鉄等の耐熱鋳鉄や、特例的にはオーステナイト系ス
テンレス１０Ｍ等の高価な高合金耐熱鋳鋼が採用されて
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、ニレジスト鋳鉄にお
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耐酸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Ａｉｍ鉄やオーステナイト系ステンレス鋳鋼等
の高合金釘熱倚鋼においては、８００℃以上での耐久性
には優れているものの、ＩＩ造性が悪く鋳造時にひけ巣
、湯廻り不良等の債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％、Ｍ
ｎ　：　０．３−１．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：
０，０４％以下、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｎｂ　：　０．
０１〜２．０％、Ｔｉ：　ｏ、ｏ　ｔ−ｏ、ｉ　ｏ％、
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％、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２種の総和：０．
０１〜１．０％、　Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ａ！
：　ｏ、ｉ−ｓ、ｏ％、Ｃｕ　：　０．１−５．０％、
残部実質的にＦｅからなる組成を有し、匍造後に２相部
合域以下の温度で規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、耐熱惰鉄と同等の舞
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情調と同
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ＭＳ１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（ＩＩ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
お上り重要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Ｃｒ２Ｎ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、耐酸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、７工ライ
ト基地組織中の８１合有量が過多となって靭性の低下を
起こしたり、高温でのσ相形成を助長するため　２，０
％以下とした。

Ｍｎ（マンガン）：　０．３〜】、Ｏ％Ｍｎはパーライ
トＡ１１ＩＩＬの形成元素であることから、本発明材の
ように基地組織をフェライト組織とした耐熱鋳鋼にはあ
まり好もしくない元素であるが、Ｓｌと同様に溶湯の脱
酸剤として有効であり、鋳造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、不純物として酎食性
および耐熱疲労性を低下させるため０．０４％以下とす
る。

Ｓ　（イオウ）：０，０４％以下 ＳはＭｎＳ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ａ−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Ｃ「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相形成
を助長し著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鋳造時に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Ｃｒ炭
化物の析出を抑制することから高温靭性、耐酸化性、酎
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
鋳造性を看しく害するため、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７エ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：０．０１〜０．２％ 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
。

Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）の１種また
は２種の総和：０．０１〜１．０％Ｚｒ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、また結晶粒
を微細化させるが、コストを勘案して０．０１〜１．０
％とする。

Ｂ　（ボロン）：ｏ、ｏｏｉ〜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、高温靭性を増す目的で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。

Ａ１（アルミニウム）：０．１〜５．０％ＡＩはα−Ａ
ｆ２０．を形成し耐酸化性を向上させる目的で０．１％
以上とする。

ただし、多量の含有は非金属介在物を多く生成し靭性を
低下させるので　５．０％以下とする。

Ｃｕ　（＠）：　０．１−５．０％ Ｃｕ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０．１〜５．０％と
する。

〔実施例〕

以下、この発明を実施例により説明する。

第１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１３種類の比較材■〜■の
供試材を初造により製造した。

なお、各供試材の鋳造に当たっては、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℃以上で注湯し、ＪＩＳ規格Ａ号の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、
空冷する規準処理を行なった。

なお第１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、比較材のはニレジスト球状
黒鉛鋳鉄であり、比較材■はオーステナイト系耐熱鋳鋼
（ＪＩＳ規格５ＣＨ２１相当）であり、比較材■は高Ｓ
ｉ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。

上述により鋳造した第１表に示すような０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
を行なった。

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２０ａｍ、操、弘間
の直径が１０ＩＩ１１１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“Ｃ１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より熱疲労
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
８０１１１Ｑ＋の丸棒試験片を製作し、９００℃におい
て２００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
化試験後にショツ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表面積当たりの重量変化
（ｌｉｔ化減量二ｍｇ／ｃ−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１．８１ターボチヤーツヤガソ
リンエンジン用の排気マニホールドを鋳造により製造し
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、鋳造歩留まりも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相
混合域以下の温度で規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（Ｊ　Ｉ　Ｓ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鋳鋼である。

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表においで、比較材■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　
ｒｐｍ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ド　
（本発明品■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マニホ
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〕

以上の説明してきたように、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　：　Ｏ。

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％、Ｔ
ｉ：　　０．０　１〜０．１０％、　　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
％、Ｚｒ　、Ｈｆの１種または２種の総和：０．０１〜
１．０％、　Ｂ：０，００１〜０．０１％、　Ａ１：０
．１−５．０％、Ｃｕ　：　０．１〜５．０％、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
下の温度で規準処理を施したので、エンジン排気系部品
においで待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
性は従来の耐熱匍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、エンジン排気系部品用材料に
適眉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％、Ｚｒ、Ｈｆの１種または２
   種の総和：０．０１〜１．０％、Ｂ：０．００１〜０．
   ０１％、Ａｌ：０．１〜５．０％、Ｃｕ：０．１〜５．
   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規準処理を施したことを特徴と
   する耐熱鋳鋼。