JPH05140700A - フエライト系耐熱鋳鋼部材及びその製造法 - Google Patents

フエライト系耐熱鋳鋼部材及びその製造法

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JPH05140700A
JPH05140700A JP3328136A JP32813691A JPH05140700A JP H05140700 A JPH05140700 A JP H05140700A JP 3328136 A JP3328136 A JP 3328136A JP 32813691 A JP32813691 A JP 32813691A JP H05140700 A JPH05140700 A JP H05140700A
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carbide
cast steel
cast
steel member
carbides
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JP3328136A
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Yasushi Asai
裕史 浅井
Nobuhide Takeshige
伸秀 武重
Yasuo Uosaki
靖夫 魚崎
Masahiko Shibahara
雅彦 芝原
Motofumi Omori
元文 大森
Shigenori Morimoto
茂典 森本
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Mazda Motor Corp
Original Assignee
Mazda Motor Corp
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/32Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with boron
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/26Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with niobium or tantalum

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Abstract

(57)【要約】 【目的】C(炭素)と結合してNb炭化物を生成し、粗
大なCr炭化物の生成を抑制し、耐熱性を向上させるN
b(ニオブ)と、結晶粒を微細化して、熱疲労に有害な
粗大なCr炭化物の析出を抑制するB(硼素)とを適量
添加することにより、疲労強度および耐熱性に優れたフ
ェライト系耐熱鋳鋼部材を得る。 【構成】重量比率でC 0.05〜0.25%、Si
0.3〜2.0%、Mn0.2〜1.0%、P 0.0
5%以下、S 0.05%以下、Cr 16〜20%、
Nb 0.5〜1.5%、B 0.02〜0.15%、
残部Feから成り、微細なNb炭化物が分散したことを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば、排気マニホ
ルドや排気管フランジ等の自動車用排気系部品に用いら
れるような耐熱疲労性および耐酸化性に優れたフェライ
ト系耐熱鋳鋼部材及びその製造法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、上述例の自動車用排気系部品とし
ては一般的に高Siダクタイル鋳鉄やニレジスト鋳鉄な
どの耐熱鋳鉄が用いられている。
【0003】これらの耐熱鋳鉄は優れた鋳造性を有する
反面、耐熱性が低いので、自動車用エンジンの高出力化
に伴って、排気ガス温度が高温化した場合には、充分な
耐熱性が得られない問題点があった。
【0004】一方、従来よりCr(クロム)を16〜2
0wt%含むフェライト系ステンレス鋳鋼が耐熱性に優
れていることが知られている。しかし、この従来のフェ
ライト系ステンレス鋳鋼では、粗大なクロム炭化物が析
出するため、耐疲労強度が悪化する問題点があった。
【0005】上述のフェライト系ステンレス鋳鋼の一例
として、例えば、特開平1−159354号公報に記載
のような耐熱鋳鋼がある。すなわち、C 0.06〜
0.20wt%、N 0.01〜0.10wt%、Si
0.4〜2.0wt%、Mn0.3〜1.0wt%、
P 0.04wt%以下、S 0.04wt%以下、C
r 15〜22wt%、Nb 0.01〜2.0wt
%、Ti 0.01〜0.10wt%、Mo 0.2〜
1.0wt%、Ni 0.01〜1.0wt%、Y,C
eの1種または2種の総合0.01〜0.2wt%、W
0.01〜1.0wt%、B 0.001〜0.01
wt%、V 0.01〜1.0wt%、残部Feからな
る耐熱鋳鋼である。なおwt%は重量比率を示す。この
耐熱鋳鋼においてはB(硼素)を含有するものの、組成
中におけるBの重量比率が過少であるため、結晶粒を微
細化する効果が得られず、熱疲労に有害な粗大なクロム
炭化物の析出を抑制することが不可能であった。
【0006】ところで、上述のフェライト系耐熱鋳鋼部
材を鋳造する場合、従来の砂型鋳造法を用いると、部材
の形状に対応して中子が必要であり、寸法精度が悪く、
引け性が強い関係上、材料歩留りが悪く、合わせ面にバ
リが形成された場合には材料のねばりに起因して、ハツ
リ作業性が悪いので、生産性が大幅に劣化する。このた
め従来の砂型鋳造法に代えて、発泡PS(ポリスチレ
ン)製の消失性模型を用いて鋳造することが考えられる
が、この場合には、発泡PS製の消失性模型が溶湯と置
換される時、C(炭素)が溶湯中に入り込んで、激しい
浸炭現象が発生し、この結果、炭化物が表面付近に多量
に析出するため、耐熱疲労性および被削性が著しく悪化
する問題点があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この発明の請求項1記
載の発明(第1発明)は、C(炭素)と結合してNb炭
化物を生成し、粗大なCr炭化物の生成を抑制し、耐熱
性を向上させるNb(ニオブ)と、結晶粒を微細化し
て、熱疲労に有害な粗大なCr炭化物の析出を抑制する
B(硼素)とを適量添加することにより、疲労強度およ
び耐熱性に優れたフェライト系耐熱鋳鋼部材の提供を目
的とする。
【0008】この発明の請求項2記載の発明(第2発
明)は、消失性模型として分解熱量が高く、溶湯の冷却
速度が速い発泡PMMA(Polymethymethacrylate 、ポ
リメチルメタクリレート)製の消失性模型を用いること
により、溶湯の適度の冷却が達成され、炭化物の微細化
が促進されると共に、浸炭性がなく、耐熱疲労性および
被削性に優れるフェライト系耐熱鋳鋼部材の製造法の提
供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項1記載
の発明(第1発明)は、C 0.05〜0.25wt
%、Si 0.3〜2.0wt%、Mn 0.2〜1.
0wt%、P 0.05wt%以下、S 0.05wt
%以下、Cr 16〜20wt%、Nb 0.5〜1.
5wt%、B 0.02〜0.15wt%、(ここにw
t%は重量比率を示す)残部Feから成り、微細なNb
炭化物が分散したフェライト系耐熱鋳鋼部材であること
を特徴とする。
【0010】この発明の請求項2記載の発明(第2発
明)は、C 0.05〜0.25wt%、Si 0.3
〜2.0wt%、Mn 0.2〜1.0wt%、P0.
05wt%以下、S 0.05wt%以下、Cr 16
〜20wt%、Nb0.5〜1.5wt%、B 0.0
2〜0.15wt%、残部Feから成るフェライト系耐
熱鋳鋼部材を鋳造する際、発泡PMMA製の消失性模型
を用いて鋳造するフェライト系耐熱鋳鋼部材の製造法で
あることを特徴とする。
【0011】上述の各成分範囲の限定理由は次の通りで
ある。すなわち、C(炭素)は、0.05wt%以下で
は鋳造性を著しく悪化させ、かつ適切なNb炭化物の生
成が困難となるので、これを下限とし、また0.25w
t%以上では過剰な粗大炭化物が生成し、靭性の低下と
被削性の低下をもたらすため、これを上限とする。
【0012】Si(ケイ素)は、脱酸剤としての作用を
もち、ガス欠陥を抑制し、また湯流れ性を改善するため
に0.3wt%以上必要であるから、これを下限とし、
また2.0wt%を超えると、靭性、加工性の低下を招
くので、これを上限とする。
【0013】Mn(マンガン)は、脱酸剤として有効で
あり、0.2wt%以下では鋳造性を悪化させるため、
これを下限とし、また1.0wt%以上では靭性、加工
性が悪化するので、これを上限とする。
【0014】P(リン)は、0.05wt%以上になる
と、パーライトやステダイトの生成により、加工性や耐
熱性を低下させるため、これを上限とする。
【0015】S(イオウ)は、被削性を向上させる元素
であるが、0.05wt%以上になると、耐熱性を低下
させるため、これを上限とする。
【0016】Cr(クロム)は、フェライト単一相を得
て、高温まで安定した材料特性の確保と、耐熱疲労性を
確保するために重要な元素であり、両特性を得るために
は16wt%以上が必要であるから、これを下限とし、
また20wt%を超えると大物部品あるいは冷却速度が
遅くなるような場合に、耐熱疲労性の著しい低下を招
き、粗大なCr炭化物を生成するので、20wt%を上
限とする。
【0017】Nb(ニオブ)は、C(炭素)と結合して
Nb炭化物を生成し、粗大なCr炭化物の生成を抑制
し、耐熱性を著しく向上させる重要な元素であり、0.
5wt%以下ではこのような効果が有効に作用しないの
で、0.5wt%を下限とし、また1.5wt%以上で
は靭性が低下するので、1.5wt%を上限とする。
【0018】B(硼素)は、結晶粒を微細化する効果が
あり、この結果、熱疲労に有害な粗大なCr炭化物の析
出を抑制し、0.02wt%未満ではこのような効果が
得られないので、0.02wt%を下限とし、0.15
wt%以上では靭性が低下するため、0.15wt%を
上限する。
【0019】
【発明の効果】この発明の請求項1記載の発明(第1発
明)によれば、上記組成の如く0.5〜1.5wt%の
Nb(ニオブ)を添加したので、このNbがC(炭素)
と結合してNb炭化物を生成し、粗大なCr炭化物の生
成を抑制し、耐熱性を向上させ、また0.02〜0.1
5wt%のB(硼素)を添加したので、このBが結晶粒
を微細化して、熱疲労に有害な粗大なCr炭化物の析出
を抑制するので、疲労強度および耐熱性に優れたフェラ
イト系耐熱鋳鋼部材を得ることができる効果がある。
【0020】この発明の請求項2記載の発明(第2発
明)によれば、上記請求項1記載の組成のフェライト耐
熱鋳鋼部材を鋳造いる際、発泡PMMA製の消失性模型
を用いる。この発泡PMMA製の消失性模型は分解熱量
が高く、溶湯の冷却速度が速いので、溶湯の適度の冷却
が達成され、炭化物の微細化が促進されると共に、浸炭
性がないので、耐熱疲労性および被削性に優れるフェラ
イト系耐熱鋳鋼部材を製造することができる効果があ
る。
【0021】
【実施例】この発明の実施例を、以下に詳述する。 実施例1. C 0.18wt%、Si 1.35wt%、Mn
0.76wt%、P 0.027wt%、S 0.00
9wt%、Cr 18.6wt%、Nb 1.21wt
%、B 0.043%、残部Feからなる組成の鋳鋼を
用いてテストピース素材を鋳造し、熱疲労評価を行なっ
た。テストピースの溶解は500kg高周波溶解炉を用
い、1620℃で砂型に鋳造して素材を製作した。この
テストピースを熱疲労試験用テストピースに加工した
後、試験に供した。上述の熱疲労試験は試験片平行部1
0mmφの丸棒試片を用い、高周波加熱、油圧サーボ式試
験機にて行なった。温度範囲は下限100℃、上限85
0℃とし、拘束率0.8の条件下にて歪制御熱疲労試験
を行なった。この結果、熱疲労寿命(サイクル数)は2
32サイクルであった。なお金属組織は、フェライト+
Nb炭化物+Cr炭化物であり、Cr炭化物の平均面積
は646μm2 であった。
【0022】実施例2. C 0.13wt%、Si 0.90wt%、Mn
0.81wt%、P 0.025wt%、S 0.00
7wt%、Cr 18.4wt%、Nb 1.14wt
%、B 0.036%、残部Feからなる組成の鋳鋼を
用いてテストピース素材を鋳造し、上述と同一条件下に
て熱疲労評価を行なった結果、熱疲労寿命(サイクル
数)は280サイクルであった。なお金属組織は、フェ
ライト+Nb炭化物+Cr炭化物であり、Cr炭化物の
平均面積は453μm2 であった。
【0023】実施例3. C 0.08wt%、Si 0.61wt%、Mn
0.83wt%、P 0.026wt%、S 0.00
7wt%、Cr 18.7wt%、Nb 1.17wt
%、B 0.039%、残部Feからなる組成の鋳鋼を
用いてテストピース素材を鋳造し、上述と同一条件下に
て熱疲労評価を行なった結果、熱疲労寿命(サイクル
数)は296サイクルであった。なお金属組織は、フェ
ライト+Nb炭化物+Cr炭化物であり、Cr炭化物の
平均面積は438μm2 であった。 実施例4. C 0.15wt%、Si 1.13wt%、Mn
0.80wt%、P 0.027wt%、S 0.00
8wt%、Cr 18.5wt%、Nb 1.15wt
%、B 0.042%、Mo 0.51wt%、Ni
0.50wt%、残部Feからなる組成の鋳鋼を用いて
テストピース素材を鋳造し、上述と同一条件下にて熱疲
労評価を行なった結果、熱疲労寿命(サイクル数)は2
75サイクルであった。なお金属組織は、フェライト+
Nb炭化物+Cr炭化物であり、Cr炭化物の平均面積
は562μm2 であった。この実施例4では限定成分の
他に高温変形強度の向上を図る目的で、Mo(モリブデ
ン)およびNi(ニッケル)を少量添加した。
【0024】比較例1. C 0.17wt%、Si 1.25wt%、Mn
0.80wt%、P 0.026wt%、S 0.00
9wt%、Cr 18.6wt%、残部FeからなるN
bおよびB無添加の鋳鋼を用いて比較品テストピース素
材を鋳造し、上述と同一条件下にて熱疲労評価を行なっ
た結果、熱疲労寿命(サイクル数)は134サイクルで
あった。なお金属組織は、フェライト+粗大なCr炭化
物であった。
【0025】比較例2. C 0.30wt%、Si 1.20wt%、Mn
0.78wt%、P 0.026wt%、S 0.00
8wt%、Cr 18.5wt%、Nb 1.18wt
%、B 0.041wt%、残部Feからなる高炭素材
の鋳鋼を用いて比較品テストピース素材を鋳造し、上述
と同一条件下にて熱疲労評価を行なった結果、熱疲労寿
命(サイクル数)は118サイクルであった。なお金属
組織は、フェライト+Nb炭化物+粗大なCr炭化物で
あり、Cr炭化物の平均面積は2580μm2 であっ
た。この平均面積の数値が大きい程、寿命が低いことを
示す。
【0026】比較例3. C 0.18wt%、Si 1.18wt%、Mn
0.79wt%、P 0.026wt%、S 0.00
8wt%、Cr 18.6wt%、Nb 1.15wt
%、残部FeからなるB無添加の鋳鋼を用いて比較品テ
ストピース素材を鋳造し、上述と同一条件下にて熱疲労
評価を行なった結果、熱疲労寿命(サイクル数)は16
2サイクルであった。なお金属組織は、フェライト+N
b炭化物+粗大なCr炭化物であり、Cr炭化物の平均
面積は1863μm2 であった。
【0027】比較例4. C 2.75wt%、Si 2.63wt%、Mn
1.05wt%、P 0.028wt%、S 0.00
8wt%、Cr 3.04wt%、Ni 20.3wt
%、Mg 0.041wt%、残部Feからなる組成の
ダクタイルニレジスト鋳鉄を用いて比較品テストピース
素材を鋳造し、上述と同一条件下にて熱疲労評価を行な
った結果、熱疲労寿命(サイクル数)は85サイクルで
あった。なお金属組織は、オーステナイト+球状黒鉄+
炭化物であった。
【0028】比較例5. C 0.18wt%、Si 1.16wt%、Mn
0.79wt%、P 0.026wt%、S 0.00
7wt%、Cr 18.5wt%、Nb 1.12wt
%、B 0.012wt%、残部FeからなるB添加量
過少の鋳鋼を用いて比較品テストピース素材を鋳造し、
上述と同一条件下にて熱疲労評価を行なった結果、熱疲
労寿命(サイクル数)は測定不能であった。なお金属組
織は、フェライト+Nb炭化物+粗大なCr炭化物であ
り、Cr炭化物の平均面積は1032μm2 であった。
【0029】上述の実施例1〜4および比較例1〜5を
まとめると次の表1、表2の通りである。
【0030】
【表1】
【0031】
【表2】
【0032】上述の表2から明らかなように、0.5〜
1.5wt%の範囲内のNb(ニオブ)および0.02
〜0.15wt%の範囲内のB(硼素)を添加した実施
例1〜4のものは優れた熱疲労寿命を示し、これに対し
て、比較例1〜5のものは何れも熱疲労寿命が低く、特
に粗大なクロム炭化物はクラック発生の起点となる。な
お、耐熱疲労性を高めるには、Cr炭化物の平均面積は
1000μm2 以下が好ましい。
【0033】次に砂型鋳造法と消失模型鋳造法とによる
鋳鋼材料の引け性を比較評価するために、図1に示すよ
うな同一寸法の砂型、消失模型による引け量測定用テス
トピースを用いて、上述の表1で示した実施例2の成分
の材料すなわちC0.13wt%、Si 0.90wt
%、Mn 0.81wt%、P 0.025wt%、S
0.007wt%、Cr 18.4wt%、Nb
1.14wt%、B0.036wt%、残部Feの材料
で、鋳込温度1620℃にてそれぞれフェライト系耐熱
鋳造鋼部材を鋳造し、直径75mmφの球部Aの引け部に
砂を入れて引け量を測定した結果、砂型鋳造法によるも
のは引き量が11ccであるのに対して、発泡PMMA製
の消失性模型を用いた消失性模型鋳造法によるものは引
け量が僅かの1ccであった。
【0034】このように砂型鋳造法によるものは鋳鋼の
引け性が大きく、実体部品に適用した際には、押湯を大
きく取る必要があり、かつ砂型鋳物においては型合せ面
にバリが生じ、ハツリ作業が必要となるが、本発明の製
造法により発泡PMMA製の消失性模型を用いて鋳造し
た場合には、大幅な引け性の改善効果が得られ、実体部
品に適用した際には押湯を大幅に削減することができ
て、大幅な材料歩留りの改善効果が得られ、かつバリの
発生もなくなる。
【0035】次に砂型鋳造と消失模型鋳造とによるCr
炭化物の微細化およびNb炭化物の結晶粒界の大きさを
比較評価するために、10mmφの丸棒テストピースを表
1で示した実施例2の成分の材料によりそれぞれ鋳造
し、その比較評価を図2、図3に示す。なお、図2およ
び図3は何れも倍率100倍の光学顕微鏡写真である。
【0036】図2に示す本発明の製造法によるもの(発
泡PMMA製の消失性模型を用いて鋳造したもの)は、
金属組織がフェライト+Nb炭化物+Cr炭化物で、C
r炭化物(図2において黒い塊状に観察される部分)の
平均面積が342μm2 であった。またNb炭化物の結
晶粒界(図2において細い線で囲繞されたように観察さ
れる部分)の大きさも比較的小さい。
【0037】図3に示す砂型鋳造法によるものは、金属
組織がフェライト+Nb炭化物+Cr炭化物で、Cr炭
化物(図3において黒い塊状に観察される部分)の平均
面積が453μm2 であった。またNb炭化物の結晶粒
界(図3において細い線で囲繞されたように観察される
部分)の大きさも比較的大きい。
【0038】上述の図2および図3の対比により、砂型
鋳造法に比較して本発明の発泡PMMA製消失模型を用
いた製造法では、Cr炭化物がより一層微細に析出して
いることが明らかであり、熱疲労寿命が大幅に改善され
る効果がある。
【0039】次に発泡PMMA製の消失性模型と発泡P
S(Polystyrene 、ポリスチレン)製の消失性模型とに
よる浸炭の有無を比較評価するために、10mmφの丸棒
テストピースを表1で示した実施例2の成分の材料によ
りそれぞれ鋳造し、その比較評価を図4、図5に示す。
なお、図4および図5は何れも倍率50倍の光学顕微鏡
写真である。
【0040】図4に示す本発明の発泡PMMA製消失性
模型を用いた製造法によるものは、発泡PMMAの分解
熱量が高く、溶湯の冷却速度が速いうえ、鋳造された鋳
鉄部材の表面部に対する発泡PMMAからの炭素の浸入
がないので、硬さはビッカース硬さで220となり、耐
熱疲労性および被削性に優れていることが明らかとなっ
た。
【0041】一方、図5に示す発泡PS製消失性模型を
用いた製造法によるものは、鋳造された鋳鉄部材の表面
部に発泡PSから浸入した炭素による浸炭のため、多量
の炭化物が生じ、熱疲労性が悪化すると共に、浸炭によ
り硬度が上昇(表面部の硬さ、ビッカース硬さで39
2)するので、被削性が悪化することが明らかとなっ
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のフェライト系耐熱鋳鋼部材のテストピ
ースを製造するための説明図。
【図2】本発明の発泡PMMA製消失性模型を用いて鋳
造された鋳鋼の金属組織を示す図。
【図3】従来の砂型鋳造法により鋳造された鋳鋼の金属
組織を示す図。
【図4】本発明の発泡PMMA製消失性模型を用いて鋳
造された鋳鋼表面部分の金属組織を示す図。
【図5】従来の発泡PS製消失性模型を用いて鋳造され
た鋳鋼表面部分の金属組織を示す図。
【符号の説明】
なし
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 芝原 雅彦 広島県安芸郡府中町新地3番1号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 大森 元文 広島県安芸郡府中町新地3番1号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 森本 茂典 広島県安芸郡府中町新地3番1号 マツダ 株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量比率でC 0.05〜0.25%、S
    i 0.3〜2.0%、Mn 0.2〜1.0%、P
    0.05%以下、S 0.05%以下、Cr 16〜2
    0%、Nb 0.5〜1.5%、B 0.02〜0.1
    5%、残部Feから成り、微細なNb炭化物が分散した
    フェライト系耐熱鋳鋼部材。
  2. 【請求項2】重量比率でC 0.05〜0.25%、S
    i 0.3〜2.0%、Mn 0.2〜1.0%、P
    0.05%以下、S 0.05%以下、Cr 16〜2
    0%、Nb 0.5〜1.5%、B 0.02〜0.1
    5%、残部Feから成るフェライト系耐熱鋳鋼部材を鋳
    造する際、発泡ポリメチルメタリクリレート製の消失性
    模型を用いて鋳造するフェライト系耐熱鋳鋼部材の製造
    法。
JP3328136A 1991-11-15 1991-11-15 フエライト系耐熱鋳鋼部材及びその製造法 Pending JPH05140700A (ja)

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