JPH03257143A

JPH03257143A - 耐熱疲労性にすぐれたフェライト系耐熱鋳鋼

Info

Publication number: JPH03257143A
Application number: JP2294315A
Authority: JP
Inventors: Rikizo Watanabe; 力蔵渡辺; Koji Sato; 光司佐藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1990-10-31
Publication date: 1991-11-15
Also published as: EP0440220B1; DE69110913T2; DE69110913D1; US5096514A; EP0440220A1

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、主に自動車用エンジン部品などの繰返し加熱
冷却を受ける用途に使われる耐熱疲労性にすぐれた耐熱
ｇ鋼に関するものである。

［従来の技術］ジーゼルエンジンの予燃焼室などの自動車エンジン部品
用材料には、耐熱疲労性および経済性の点から近年、フ
ェライト系耐熱鋳鋼が使われるようになり、種々の材質
のものが提案されている。

例えば、特公昭４６−１８８４５号では耐変形性および
餠クラック性の向上を主目的としたＣ　０．０５〜０．
４０％、Ｓｉ　０．５−１．０％、Ｍｎ　０．２−１，
０％、Ｃｒ　２０．０−２３．０％、Ｍｏ　０．５−２
．５％、Ｗ　０．５−３．５％、Ｎ＋）　０．５−３．
５％、残部実質的にＦｅからなるフェライト系耐熱鋼が
、特開昭４８−５２６１８号では前記特公昭４６−１８
８４５号で提案された鋼のＷの代りにＮｉを１．０〜４
．０％含有せしめ靭性、耐酸化性を向上させたフェライ
ト系耐熱鋼が、特公昭５４−１８６４７号では前記特開
昭４８−５２６１８号で提案された鋼にＢ　０．０１〜
０．１５％およびＺｒ０００１〜０．１５％を含有せし
めることにより、より過酷な熱負萄のかかるエンジンに
使用しても十分な耐クラツク性を発揮するフェライト系
耐熱鋳鋼がそれぞれ提案されている。

また、特開昭５６−４１３５４号では耐ヒートクラツク
性および耐酸化性の向上を目的としたＣ　０．１〜０，
５％、Ｓｉ３．５％以下、Ｍｎ２．０％以下、Ｎｉ　１
２．０％以下、Ｃｒ２Ｏ〜３０％、残部実質的にＦｅよ
りなるフェライト系耐熱鋼、あるいはＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、
Ｖ、Ｔｉの一種以上を所定量含有したフェライト系耐熱
鋼、さらにＣｕ、Ｃｏ、Ｂ、Ｒ，Ｅ（希土類元素）の一
種以上を所定量含有せしめたフェライト系耐熱鋼、ある
いはさらにＳを所定量含有せしめたフェライト系耐熱鋼
が提案されている。

また、特公昭６２−１７０２１号ではＮｉを添加しない
ため低置であって、しかも耐クラツク性が優れたものと
してＣ０．０５〜０．４％、Ｓｉ　０．０５−２．０％
、Ｍｎ０．０５−２．０％、Ｃｒ　１８．０−２５．０
％、Ｎ　ｂ　０．０１〜０．５０％、残部実質的にＦｅ
からなるフェライト系耐熱鋼が提案されている。

さらに、特開昭６１〜１１７２５１号では、耐熱疲労性
の向上を主目的としたＣ＋Ｎ０．０５〜０゜４０％、Ｓ
ｉ０．５−３．５％、Ｍｒｉ２．（１％以下、Ｃｒ　１
８．０−２５．０％、Ａ１０．２−２．０％、およびＮ
ｂ、Ｔｉ、Ｚｒの一種または二種以上を合計で０．１〜
１．５％、残部実質的にＦｅからなるフェライト系耐熱
鋼、あるいはさらにＮｉ、Ｍｏ。

Ｗ、Ｖ、Ｂの一種または二種以上を所定量添加したフェ
ライト系耐熱鋼が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、近年、エンジンの性能向上の点から、エンジン
部品の使用温度が高くなる傾向があり、従来提案されて
いるものより、さらに耐熱疲労性のすぐれた、安価な耐
熱鋳鋼が望まれている。

本発明の目的は、安価なフェライト系耐熱鋳鋼において
、耐熱疲労性を従来の合金より一段と改善した合金を提
供することにある。

［課題を解決するための手段〕本発明者らは、フェライト系耐熱鋳鋼の組織と熱疲労強
度の関係について、予備的な検討を行なった結果、同じ
フェライトでもδフェライトが主体の合金より、鋳造時
にオーステナイトから変態したαフェライトとＭよｓ　
Ｃｓ炭化物をδフェライト中に分散した組織の合金が、
最高使用温度がオーステナイトの加熱変態点以下の場合
は、耐熱疲労性が優れることを見出し、凝固時に上記組
織が主体となり、かつ使用温度範囲で上記組織が安定で
あるように合金組成を調整することによって、本発明の
目的を達成するに至った。

すなわち本発明は、重量百分率でＣ０．２５〜０．４５
％、Ｓｉ　０．３〜２，０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｃｒ
　１７−２２％、Ｃｏ６％以下およびＮｉ１．５％以下
の一種または二種を％Ｑｏ＋３×％Ｎｉで１〜６％、Ｙ
および希土類元素の一種または二種以上をｏ、ｏｏｉ〜
０．１％、残部は実質的にＦｅよりなる組成を有し、そ
の組織がδフェライト中にαフェライトおよびＭ、、Ｃ
，炭化物が分散したものであることを特徴とする耐熱疲
労性にすぐれたフェライト系耐熱鋳鋼、および重量百分
率でＧ　０．２５〜０．４５％、Ｓｉ　０．３〜２，０
％、Ｍｎ１．０％以下、Ｃｒ　１７−２２％、Ｃｏ６％
以下およびＮｉ　１．５％以下の一種または二種を％Ｃ
ｏ＋３×％Ｎｉで１〜６％、ｗ５％以下およびＭｏ２．
５％以下の一種または二種を％Ｗ十２×％Ｍｏで５％以
下、Ｙおよび希土類元素の一種または二種以上を０．０
０１〜０．１％、残部は実質的にＦｅよりなる組成を有
し、その組織がδフェライト中にαフェライトおよびＭ
、、Ｃ，炭化物が分散したものであることを特徴とする
耐熱疲労性にすぐれたフェライト系耐熱鋳鋼であり、こ
のような限定された組成範囲で得られる特定組織とする
ことにより、従来提案されたフェライト系耐熱鋳鋼より
すぐれた耐熱疲労性を得ることを可能とした。

本発明において、ＣｏおよびＮｉのうちＣｏを単独で１
〜６％の範囲で含有せしめた鋼は、特に高い温度域で使
用される場合にもすぐれた耐熱疲労性を有し、最も望ま
しい。

また、ＮｉとＣｏｔｉ−複合添加する場合には、Ｎｉを
１％以下にして、％Ｃｏ＋３×％Ｎｉで１〜６％とする
ことが望ましい。

ここで前記特公昭４６−１８８４５号、特開昭４８−５
２６１８号、特公昭５４−１８６４７号等にて提案され
た鋼は、本発明のようにδフェライト中にαフェライト
およびＭ、ｍＣ，炭化物が分散した組織でないため、本
発明のようなすぐれた耐熱疲労性が得られない。

また、前記特開昭５６−４１３５４号で開示されている
合金は、鋳造状態においてフェライト単相（すなわちδ
フェライト）またはフェライト（δフェライト）十オー
ステナイトの二相組織を有する合金であることが説明さ
れており、その実施例において具体的に提案された鋼は
いずれもδフェライト中にαフェライトおよびＭ＊ｓＣ
１炭化物が分散した組織の鋼でない。このような組織で
は、本発明のようなすぐれた耐熱疲労性を得る目的を達
成するには不十分である。

すなわち、特定の組成であって、その組織がδフェライ
ト中にαフェライトおよびＭ！ｓＣ，炭化物が分散した
ものであることが本発明の目的を達成するための重要な
条件であり、この点で従来提案されていた綱と明らかな
差異がある。

〔作用〕

本発明において耐熱疲労性が向上するのは、δフェライ
トとαフェライトの界面（通常Ｍ、Ｃ１１が析出してい
る）により、クラックの進行が抑制されるためと考えら
れる。

そのため、δフェライト中のαフェライトは、耐熱疲労
性を向上させるだけの量が分布する必要があり、また使
用温度域において組織は安定なものにするために、Ｍ、
、Ｃ，炭化物の存在が必要である。

上記αフェライトの瓜、ならびに組織の温度による安定
性は合金成分に依存するため、合金成分が本発明のよう
に特定範囲に限定されなければならない。

以下、本発明の成分限定理由について説明する。

本発明において、Ｃはγオーステナイトからαフェライ
トとＭ、、　Ｃ，を生成するのに不可欠の元素であり、
最低０．２５％を必要とするが、０．４５％を越えると
、晶出炭化物を生成して、合金を脆化させるので０．２
５〜０．４５％に限定する。

Ｓｉは、脱酸剤としての作用のほか、Ｃｒの酸化被膜の
密着性を改善し、耐酸化性を高める効果をもち、最低０
．３％は必要であるが、２．０％を越えると、組織中の
δフェライトが多くなりすぎ、αフェライトとＭ！ＳＣ
１炭化物の分散による効果が得られず、熱疲労強度が低
下するので０．３〜２．０％に限定する。Ｓｉの望まし
い範囲は、０．７〜１．６％である。

Ｍｎは、脱酸剤として少量必要であるが、過度に存在す
ると耐酸化性が劣化するので、１．０％以下に限定する
。

Ｃｒは、合金に耐酸化性を付与し、δフェライト中にα
フェライトとＭ、、Ｃ，が分散した組織を生成するのに
不可欠の元素であり、最低１７％必要であるが、２２％
を越えると、δフェライトを過度に多くして、熱疲労強
度を劣化させるので１７〜２２％に限定する。Ｃｒの望
ましい範囲は、１７．５〜１９．５％である。

ＣｏおよびＮｉは、本発明の特徴をなす重要な元素であ
り、凝固過程でオーステナイトからαフェライトとＭ、
、　Ｃ，炭化物を変態により生成させるために少なくと
も１種以上は不可欠な元素である。

ＣｏとＮｉを比較すると、その効果はＣｏに比べてＮｉ
が３倍程度大きいため、ＣｏとＮｉは％Ｃｏ＋３×％Ｎ
ｉでその添加量が計算される。ｃｏ、Ｎｉの量は、上記
効果を得るため、％Ｃｏ＋３×％Ｎｉで１％以上必要で
あるが、多すぎるとオーステナイト相が安定化して変態
が起こらず、αフェライトおよびＭ！。

Ｃ６炭化物が得られなくなるので、Ｎｉ　１．５％以下
、Ｃｏ６％以下であって、かつ％Ｃｏ＋３×％Ｎｉで６
％以下に限定する必要がある。

ＮｉはＣｏに比べて、加熱時のオーステナイト変態温度
を低下させる作用が強く、また焼入性が大きすぎるため
に、αフェライトおよびＭ、３Ｃ６炭化物を生成する変
態を抑制してマルテンサイト変態を生じ易くする。した
かって、特に高温域で使用する用途の場合は、ＣＯを単
独で含有せしめるのが最も望ましい。ただし、この場合
であっても、Ｎｉ１％以下の範囲であれば、３倍のＣｏ
を代替してＮｉ１％以下、Ｃｏ６％以下であって、％Ｃ
ｏ＋３×％Ｎｉで１〜６％の範囲で含有しても特性は顕
著に劣化しないので、コストを考慮した場合には望まし
い。

Ｙおよびその他の希土類元素（Ｒ，Ｅ）は、ごく少量の
存在でＣｒの酸化被膜中の原子空孔を埋めて、耐酸化性
を向上させる効果があるが、過度に多量に存在すると共
晶を生成して粒界を脆化させるので０．００１〜０．１
％に限定する。

ＷとＭｏは、拡散を抑制して組織を微細、安定化させる
作用があり、熱疲労強度の向上に有効な元素である点で
等価であり、本発明の基本組成にさらにＷ、Ｍｏの１種
または２種を添加すると良い。しかし、過度に多量に存
在するとδフェライトが多くなり過ぎるので、Ｗは５％
以下、Ｍｏは２．５Ｘ以下でかつ、Ｗ当量（％Ｗ＋２×
％Ｍ　ｏ　）は５％以下に限定する。望ましい範囲は、
Ｗを単独で２〜３％添加するものである。

本発明合金において、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａなどのＭＣ
炭化物生成元素は、必ずしも必要でないが、Ｃを不足さ
せない範囲ならば、特に有害でないのでＴｉ、Ｖは０．
２％以下、Ｎｂは０．４％以下、Ｔａは０．８％以下の
少量の混入は許容できる。

また粒界強化元素のＢ、Ｚｒ等も、本合金では特に必要
ないが、Ｂ　０．０３％以下、Ｚｒ０．２％以下の少量
なら混入しても有害ではない。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づき説明する。

第１表に示す合金を大気溶解、大気鋳造にてＹブロック
に鋳造し、８００″Ｃｘ５ｈの焼鈍後、試験片を切り出
して、熱疲労試験と耐酸化試験を行なった。熱疲労試験
は、８ｍｍφ×２４哩の平行部をもつ全長１６０価の試
験片の両端を固定し、誘導加熱によって平行部を９００
℃に加熱し、６分間保持後放冷するサイクルを繰返し、
試験片が破断するまでの回数を求めた。一方、耐酸化試
験は、１０ｍｍφＸ２０■長さの各２ケ宛の試験片を１
０００℃で２００時間加熱後、スケールを除去して平均
減量を求めた。結果を第１表にあわせて示す。また、１
ｏｏｏ℃までの熱膨張測定を行ない、オーステナイトへ
の加熱変態が生ずるかどうかをチエツクした結果も合わ
せて示す。

第１表から、本発明合金（試料Ｎ００１〜９）は比較合
金（試料Ｎ０．１１〜１５）に比べて、耐熱疲労性が格
段に高く、また耐酸化性も良好であることがわかる。ま
た、１０００℃まで変態が生じないことは、１０００℃
程度の高温まで使用可能なことを示している。

本発明合金と比較合金Ｎｏ、１１．１２．１４を比べる
と、本発明合金の方が耐酸化性がすぐれているが、これ
はＹの効果である。比較合金Ｎｏ、１３，１５のような
高Ｃｒ＃４は、Ｙを含有しなくても耐酸化性が良いが、
δフェライト主体の組織になるため耐熱疲労性が悪い。

本発明合金である試料Ｎｏ、２．９および８の１００倍
のミクロ組織写真をそれぞれ第１図、第２図および第３
図として示す。

図中δフェライト部を矢印ａ　−、Ｍ　＠　＠　Ｃ＠炭
化物を矢印ｂ、αフェライト部を矢印Ｃで示す。

これらの図より、本発明合金の組織がδフェライト中に
αフェライトとＭ、、Ｃ１炭化物が分散していることが
わかる。

また、Ｍ、、　Ｃ，炭化物はαフェライト中にＭ。

Ｃ１炭化物が分散した共析組織（第１図）かあるいはα
フェライトとδフェライトの界面近傍にＭ＊、　Ｃ，炭
化物が凝集した組織（第２図、第３図）となって存在し
ていることが確認される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、耐酸化性は従来合金と同等以上であり
、従来合金で不十分であった耐熱疲労特性が著しく改善
されるので、本発明鋼でジーゼルエンジンの予燃焼室、
ターボローターケーシング、エキゾーストマニホールド
など、自動車エンジン用耐熱部品を製造すれば従来材料
より、より高温で使用できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は、本発明鋼の金属組織を
示す写真である。ａ：δフェライト部、ｂ：Ｍ、Ｃ，炭化物、Ｃ：αフェ
ライト部、ゝ第く１．・ミ、［＼　、昌賊１　＼ｊｌ！、ネ　＼（・、ミ

Claims

【特許請求の範囲】１　重量百分率でＣ０．２５〜０．４５％、Ｓｉ０．３
〜２．０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｃｒ１７〜２２％、Ｃ
ｏ６％以下およびＮｉ１．５％以下の一種または二種を
％Ｃｏ＋３×％Ｎｉで１〜６％、Ｙおよび希土類元素の
一種または二種以上を０．００１〜０．１％、残部は実
質的にＦｅよりなる組成を有し、その組織がδフェライ
ト中にαフェライトおよびＭ＿２＿３Ｃ＿６炭化物が分
散したものであることを特徴とする耐熱疲労性にすぐれ
たフェライト系耐熱鋳鋼。２　重量百分率でＣ０．２５〜０．４５％、Ｓｉ０．３
〜２．０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｃｒ１７〜２２％、Ｃ
ｏ６％以下およびＮｉ１．５％以下の一種または二種を
％Ｃｏ＋３×％Ｎｉで１〜６％、Ｗ５％以下およびＭｏ
２．５％以下の一種または二種を％Ｗ＋２×％Ｍｏで５
％以下、Ｙおよび希土類元素の一種または二種以上を０
．００１〜０．１％、、残部は実質的にＦｅよりなる組
成を有し、その組織がδフェライト中にαフェライトお
よびＭ＿２＿３Ｃ＿６炭化物が分散したものであること
を特徴とする耐熱疲労性にすぐれたフェライト系耐熱鋳
鋼。３　重量百分率でＣ０．２５〜０．４５％、Ｓｉ０．３
〜２．０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｃｒ１７〜２２％、Ｃ
ｏ１〜６％、Ｙおよび希土類元素の一種または二種以上
を０．００１〜０．１％、残部は実質的にＦｅよりなる
組成を有し、その組織がδフェライト中にαフェライト
およびＭ＿２＿３Ｃ＿６炭化物が分散したものであるこ
とを特徴とする耐熱疲労性にすぐれたフェライト系耐熱
鋳鋼。４　重量百分率でＣ０．２５〜０．４５％、Ｓｉ０．３
〜２．０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｃｒ１７〜２２％、Ｃ
ｏ１〜６％、Ｗ５％以下およびＭｏ２．５％以下の一種
または二種を％Ｗ＋２×％Ｍｏで５％以下、Ｙおよび希
土類元素の一種または二種以上を０．００１〜０．１％
、残部は実質的にＦｅよりなる組成を有し、、その組織
がδフェライト中にαフェライトおよびＭ＿２＿３Ｃ＿
６炭化物が分散したものであることを特徴とする耐熱疲
労性にすぐれたフェライト系耐熱鋳鋼。５　重量百分率でＣ０．２５〜０．４５％、Ｓｉ０．３
〜２．０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｃｒ１７〜２２％、Ｃ
ｏ６％以下およびＮｉ１．５％以下の二種を％Ｃｏ＋３
×％Ｎｉで１〜６％、Ｙおよび希土類元素の一種または
一種以上を０．００１〜０．１％、残部は実質的にＦｅ
よりなる組成を有し、その組織がδフェライト中にαフ
ェライトおよびＭ＿２＿３Ｃ＿６炭化物が分散したもの
であることを特徴とする耐熱疲労性にすぐれたフェライ
ト系耐熱鋳鋼。６　重量百分率でＣ０．２５〜０．４５％、Ｓｉ０．３
〜２．０％、Ｍｎ１．０％以下、Ｃｒ１７〜２２％、Ｃ
ｏ６％以下およびＮｉ１％以下の一種または二種を％Ｃ
ｏ＋３×％Ｎｉで１〜６％、Ｗ５％以下およびＭｏ２．
５％以下の一種または二種を％Ｗ＋２×％Ｍｏで５％以
下、Ｙおよび希土類元素の一種または二種以上を０．０
０１〜０．０１％、残部は実質的にＦｅよりなる組成を
有し、その組織がδフェライト中にαフェライトおよび
Ｍ＿２＿３Ｃ＿６炭化物が分散したものであることを特
徴とする耐熱疲労性にすぐれたフェライト系耐熱鋳鋼。