JPH05287457A - 室温延性、耐酸化性の優れたフェライト系耐熱鋳鋼およびそれからなる排気系部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 フェライト系耐熱鋳鋼は、重量比率で、Ｃ：
０．０５〜０．３０％，Ｓｉ：２．０％以下，Ｍｎ：
１．０％以下，Ｃｒ：１６．０〜２５．０％，Ｗ：１．
０〜３．０％，Ｎｂ：０．０１〜０．４５％，Ｎｉ：
０．１〜２．０％，ＲＥＭ：０．０１〜０．５％，Ｃａ
および／またはＭｇ：０．００５〜０．０３％，あるい
はさらにＶ：０．０１〜０．３％，残部：Ｆｅおよび不
可避不純物からなる組成を有し、通常のα相のほかにγ
相から（α＋炭化物）に変態したα’相を有するととも
に、α’相の面積率｛α’／（α＋α’）｝が２０〜９
０％（Ｖ添加のときは２０〜７０％）である。このフェ
ライト系耐熱鋳鋼は、自動車用排気系部品に使用され
る。 【効果】 高温引張強度、耐熱疲労性、耐酸化性につい
て、従来の耐熱鋳鋼を上回る特性を示し、また、更に室
温強度、延性、鋳造性および加工性に優れているので、
安価に製造することがでる。この排気系部品は熱亀裂を
生じることなく、極めて優れた耐久性を示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車エンジンの排気
系部品などに適する耐熱鋳鋼に関し、特に熱疲労寿命、
耐酸化性といった耐久性に優れているとともに、室温強
度、延性、鋳造性、加工性に優れ、安価なコストで製造
可能な耐熱鋳鋼およびそれからなる排気系部品に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の耐熱鋳鉄、耐熱鋳鋼としては、例
えば表１に比較例として示す組成のものがある。自動車
のエキゾーストマニフォールドやタービンハウジングな
どの排気系部品等においては、使用条件が高温過酷とな
ることから、表１に示すような高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄、ニ
レジスト鋳鉄（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃｕ系オーステナイト鋳
鉄）等の耐熱鋳鉄や、特例的にはオーステナイト鋳鋼等
の高価な高合金耐熱鋳鋼が採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の耐熱
鋳鉄、耐熱鋳鋼のうち、例えば高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄やニ
レジスト鋳鉄は、比較的鋳造性が良好であるものの、耐
熱疲労性、あるいは耐酸化性といった耐久性が劣ること
から、９００℃以上の高温となる部材には適用できな
い。また、オーステナイト系耐熱鋳鋼等の高合金耐熱鋳
鋼は、９００℃以上での耐久性に優れているものの熱膨
張係数が大きいことに起因して熱疲労寿命が短いという
欠点を有する。また、鋳造性が悪いために、鋳造時にひ
け巣や湯廻り不良等の鋳造欠陥が発生しやすく、さらに
機械加工性が悪いために、それから部品等を製造する場
合に、生産性が低いという問題点もあった。なお、その
他にフェライト系ステンレス鋳鋼もあるが、通常のフェ
ライト系ステンレス鋼は、高温強度を改善しようとする
と、室温における延性に乏しくなり機械的衝撃等の加わ
る部材には使用できないという問題がある。

【０００４】従って、本発明は、上記従来の耐熱鋳鉄、
耐熱鋳鋼の問題点を解決し、耐熱疲労性、耐酸化性とい
った耐久性、更に室温の強度、延性、鋳造性、および加
工性に優れ、安価に製造可能な耐熱鋳鋼を提供すること
を目的とする。

【０００５】本発明のもう一つの目的は、かかる耐熱鋳
鋼からなる排気系部品を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、Ｗ，Ｎｂ，Ｎｉ，ＲＥＭ，Ｃａ
および／またはＭｇ，あるいはそれらにＶ等を適量添加
することにより、フェライト基地および結晶粒界を強化
し、室温のおける延性を損なわずに変態点を上昇させ、
高温強度を向上することができることを見いだし本発明
に想到した。

【０００７】すなわち、本第１の発明の室温延性、耐酸
化性の優れたフェライト系耐熱鋳鋼は、重量比率で、 Ｃ ： ０．０５〜 ０．３０％， Ｓｉ： ２．０ ％以下， Ｍｎ： １．０ ％以下， Ｃｒ：１６．０ 〜２５．０ ％， Ｗ ： １．０ 〜 ３．０ ％， Ｎｂ： ０．０１〜 ０．４５％， Ｎｉ： ０．１ 〜 ２．０ ％， ＲＥＭ：０．０１〜０．５ ％， Ｃａおよび／またはＭｇ：０．００５〜０．０３％， 残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、通
常のα相とγ相から（α＋炭化物）に変態したパーライ
トコロニー状のα’相を有するとともに、α’相の面積
率｛α’／（α＋α’）｝が２０〜９０％であることを
特徴とする。

【０００８】上記第１の発明の室温延性、耐酸化性の優
れたフェライト系耐熱鋳鋼において、α’相からγ相へ
の変態点は９００℃以上である。

【０００９】次に、本第２の発明の室温延性、耐酸化性
の優れたフェライト系耐熱鋳鋼は、重量比率で、 Ｃ ： ０．０５〜 ０．３０％， Ｓｉ： ２．０ ％以下， Ｍｎ： １．０ ％以下， Ｃｒ：１６．０ 〜２５．０ ％， Ｗ ： １．０ 〜 ３．０ ％， Ｎｂ： ０．０１〜 ０．４５％， Ｎｉ： ０．１ 〜 ２．０ ％， ＲＥＭ：０．０１〜 ０．５ ％， Ｃａおよび／またはＭｇ：０．００５〜０．０３％， Ｖ ： ０．０１〜０．３ ％， 残部：Ｆｅおよび不可避不純物 からなる組成を有し、通常のα相とγ相から（α＋炭化
物）に変態したパーライトコロニー状のα’相を有する
とともに、α’相の面積率｛α’／（α＋α’）｝が２
０〜７０％である。

【００１０】上記第２の発明の室温延性、耐酸化性の優
れたフェライト系耐熱鋳鋼において、α’相からγ相へ
の変態点が９５０℃以上である。

【００１１】さらに、上記第１および第２の発明の室温
延性、耐酸化性の優れたフェライト系耐熱鋳鋼におい
て、残留歪の除去や加工上の必要性がある場合、α’相
がγ相に変態しない温度域で焼鈍処理を施す。

【００１２】さらに、本発明の室温延性、耐酸化性の優
れたフェライト系耐熱鋳鋼からなる排気系部品は、上記
組成を有する耐熱鋳鋼により形成され、エキゾーストマ
ニフォールド、タービンハウジングであることを特徴と
する。

【００１３】

【作用】上述したように、フェライト系耐熱鋳鋼に、重
量比率で、Ｗを１．０〜３．０％、Ｎｂを０．０１〜
０．４５％、Ｎｉを０．１〜２．０％、ＲＥＭを０．０
１〜０．５％、Ｃａおよび／またはＭｇ：０．００５〜
０．０３％、あるいは必要に応じてＶを０．０１〜０．
３％添加すると、α’相を含有する組織が得られ、それ
により、従来の高合金鋼を上回る耐熱疲労性および耐酸
化性を有し、室温における延性を損なうことなく耐熱鋳
鉄と同等の鋳造性、加工性を有し、かつ低価格な耐熱鋳
鋼が得られる。さらに変態点温度が第１の発明において
は９００℃以上、第２の発明においては９５０℃以上と
なるので、耐熱疲労性が向上する。

【００１４】以下、本発明の室温延性、耐酸化性の優れ
たフェライト系耐熱鋳鋼の各合金元素の組成範囲および
組織範囲の限定理由について詳細に説明する。

【００１５】（１） Ｃ（炭素）：０．０５〜０．３０
％ Ｃは、溶湯の流動性すなわち鋳造性を良くするととも
に、α’相を適量生成する作用を有し、さらには変態点
以下での高温における強度を高く維持する働きがある。
このような作用を有効に発揮するためには、Ｃは０．０
５％以上必要である。なお、一般のフェライト系耐熱鋳
鋼では室温でα相のみであるが、炭素量の調整により、
高温から常温まで存在するα相のほかに、高温ではＣが
固溶したγ相ができる。このいγ相は冷却中に炭化物を
析出して（α相＋炭化物）に変態する。このような相を
α’相と呼ぶ。

【００１６】一方、Ｃの含有量が０．３０％を越えると
α’相が存在しにくくなって、マルテンサイト組織にな
り、また耐酸化性、耐蝕性および加工性の低下を引き起
こすＣｒ炭化物の析出が顕著になる。このため、Ｃは
０．０５〜０．３０％とする。望ましくは、０．１０〜
０．２５％である。

【００１７】（２） Ｓｉ（ケイ素）：２．０％以下 Ｓｉは、本発明のＦｅ−Ｃｒ系合金のγ相の範囲を狭
め、組織の安定性を増し、耐酸化性の改善効果もある。
さらに鋳造性の改善、脱酸剤としての作用、鋳物のピン
ホール欠陥の低減効果等もある。しかし多すぎると、Ｃ
とのバランス（炭素当量）により一次炭化物を粗大化
し、鋳鋼の加工性を低下したり、またフェライト基地組
織中のＳｉ含有量が過多となって延性の低下を起こした
り、高温でのδ相を形成したりする。このためＳｉの含
有量は２．０％以下とする。望ましくは、０．５〜１．
５％である。

【００１８】（３） Ｍｎ（マンガン）：１．０％以下 Ｍｎは、Ｓｉと同様に溶湯の脱酸剤として有効であり、
また鋳造時の湯流れ性を向上させて生産性を改善する
が、多すぎると靱性が低下するので、Ｍｎの含有量は
１．０％以下とする。望ましくは、０．４〜０．７％で
ある。

【００１９】（４） Ｃｒ（クロム）：１６．０〜２
５．０％ Ｃｒは耐酸化性を改善し、フェライト組織を安定にする
元素であるが、その効果を確実にするため１６．０％以
上とする。一方、多量の添加はＣｒの一次炭化物を粗大
化させ、高温でのδ相形成を助長し、著しく脆化を起こ
す。そのため、Ｃｒの上限を２５．０％以下とする。望
ましくは、１７．０〜２２．０％である。

【００２０】（５） Ｗ（タングステン）：１．０〜
３．０％ Ｗはフェライト基地を強化して、室温の延性を損なわず
高温強度を向上させる作用を持つ。従って、耐クリープ
性および変態点温度上昇による耐熱疲労性向上の目的
で、Ｗを１．０％以上とする。しかし、Ｗの含有量が
３．０％を越えると粗大な共晶炭化物が生成し、延性の
低下および機械加工性の悪化を引き起こすので３．０％
以下とする。望ましくは、１．２〜２．５％である。

【００２１】なお、Ｗとほぼ同様の効果は、Ｍｏを添加
しても得られるが（ただし、Ｍｏは原子比でＷの２倍で
あるので、重量比率では添加量が１／２となる）、Ｗの
方がＭｏより融点が高く、高温での拡散速度が遅く、高
温特に９００℃の高温強度に大きく寄与すること、また
耐酸化性が優れるので、本発明ではＭｏを含有せず、Ｗ
のみを含有する。

【００２２】（６） Ｎｂ（ニオビウム）：０．０１〜
０．４５％ Ｎｂは、Ｃと結合して微細な炭化物を形成し、高温での
引張強さならびに耐熱疲労性を増大させる。また、Ｃｒ
の炭化物の生成を抑制することによって耐酸化性と切削
性を向上させる。このような目的で、Ｎｂの含有量は
０．０１％以上とする。しかし、多量に添加すると、結
晶粒界に炭化物を形成し、またＮｂの炭化物を生成する
ことによりＣが消費されα’相が形成されにくくなり、
強度と延性が著しく低下する。このため、Ｎｂの含有量
は０．４５％以下とする。望ましくは、０．５〜１．５
％である。望ましくは、０．０２〜０．３０％である。

【００２３】（７） Ｎｉ（ニッケル）：０．１〜２．
０％ Ｎｉは、Ｃと同様にγ相形成元素であり、α’相を適当
量存在させるためには、０．１％以上添加するのが好ま
しい。一方、２．０％を越えると、耐酸化性の優れた
α’相が減少し、かつα’相がマルテンサイト化して、
著しく延性を低下させる。そのため、Ｎｉ添加量を２．
０％以下とする。望ましくは、０．３〜１．５％であ
る。

【００２４】（８） ＲＥＭ（希土類金属）：０．０１
〜０．５％ ＲＥＭとは、Ｃｅ（セリウム）、Ｌａ（ランタン）等を
主とした軽希土類元素であり、安定な酸化物を形成し、
耐酸化性を改善し、また結晶粒界を微細にする作用があ
る。さらに、非金属介在物を球状化し、室温延性を向上
する。このような作用を有効にするため、ＲＥＭを０．
０１％以上添加する。一方、多量に添加すると、非金属
介在物となって特に延性に対して有害である。そのた
め、ＲＥＭの上限を０．５％とする。なお、ＲＥＭ添加
はα’相の量や変態点には影響を及ぼさない。望ましく
は、０．０５〜０．３％である。

【００２５】（９） Ｃａおよび／またはＭｇ：０．０
０５〜０．０３％ Ｃａおよび／またはＭｇは、脱酸、脱硫作用とともに、
非金属介在物を球状化させることにより、延性を向上さ
せる作用を有する。非金属介在物とは、Ｓｉ、Ｍｎ等か
らなるもので、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ
等からなる金属元素と、Ｏ、Ｓの元素により表せる化合
物、即ち酸化物、硫化物である。Ｃａおよび／またはＭ
ｇの含有量が、０．００５％未満であると十分効果が得
られず、一方、０．０３％を越えると脆化する。Ｃａお
よびＭｇを同時に添加する場合、両者の含有量は、０．
００５〜０．０３％の範囲内である。望ましくは、０．
０１５〜０．０２５％である。第２発明の室温延性、耐
酸化性の優れたフェライト系耐熱鋳鋼は、前記必須元素
の作用は第１の発明と同じであり、更に追加してＶを含
有する。Ｖの添加量の限定理由は以下の通りである。

【００２６】（９） Ｖ（バナジウム）：０．０１〜
０．３％ Ｖは、Ｎｂと同様の作用であるが、Ｖは原子％ではＮｂ
の２倍であるので、複合添加の場合、（Ｎｂ＋Ｖ）が
０．５％を越えないことが望ましい。Ｖ単独添加の場
合、望ましくは、０．０５〜０．２％である。

【００２７】以上を要約すると。本発明の室温延性、耐
酸化性の優れたフェライト系耐熱鋳鋼の組成は以下の通
りである。第１の発明は、重量比率で、 Ｃ ： ０．０５〜 ０．３０％， Ｓｉ： ２．０ ％以下， Ｍｎ： １．０ ％以下， Ｃｒ：１６．０ 〜２５．０ ％， Ｗ ： １．０ 〜 ３．０ ％， Ｎｂ： ０．０１〜 ０．４５％， Ｎｉ： ０．１ 〜 ２．０ ％， ＲＥＭ：０．０１〜０．５ ％， Ｃａおよび／またはＭｇ：０．００５〜０．０３％， 残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる。

【００２８】そして、第１の発明の好ましい組成範囲は
以下の通りである。 Ｃ ： ０．１０〜 ０．２５％， Ｓｉ： ０．７ 〜 １．５ ％， Ｍｎ： ０．４ 〜 ０．７ ％， Ｃｒ：１７．０ 〜２２．０ ％， Ｗ ： １．２ 〜 ２．５ ％， Ｎｂ： ０．０２〜 ０．３ ％， Ｎｉ： ０．３ 〜 １．５ ％， ＲＥＭ：０．０５〜０．３ ％， Ｃａおよび／またはＭｇ：０．０１５〜０．０２５％， 残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる。

【００２９】第２の発明は、 Ｃ ： ０．０５〜 ０．３０％， Ｓｉ： ２．０ ％以下， Ｍｎ： １．０ ％以下， Ｃｒ：１６．０ 〜２５．０ ％， Ｗ ： １．０ 〜 ３．０ ％， Ｎｂ： ０．０１〜 ０．４５％， Ｎｉ： ０．１ 〜 ２．０ ％， ＲＥＭ：０．０１〜 ０．５ ％， Ｃａおよび／またはＭｇ：０．００５〜０．０３％， Ｖ ： ０．０１〜０．３ ％， 残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる。

【００３０】そして、第２の発明の好ましい組成範囲は
以下の通りである。 Ｃ ： ０．０８〜 ０．２５％， Ｓｉ： ０．７ 〜 １．５ ％， Ｍｎ： ０．４ 〜 ０．７ ％， Ｃｒ：１７．０ 〜２２．０ ％， Ｗ ： １．２ 〜 ２．５ ％， Ｎｂ： ０．０２〜 ０．３ ％， Ｎｉ： ０．３ 〜 １．５ ％， ＲＥＭ：０．０５〜 ０．３ ％， Ｃａおよび／またはＭｇ：０．０１５〜０．０２５％， Ｖ ： ０．０５〜 ０．２ ％， 残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる。

【００３１】上記組成を有する本発明の室温延性、耐酸
化性の優れたフェライト系耐熱鋳鋼は、通常のα相のほ
かにγから（α＋炭化物）に変態したα’相を有する。
α’相とは図２の金属組織写真に見られるふちどりの内
部のやや黒色のの組織である。なお通常のα相とは、δ
（デルタ）フェライトを意味する。また、析出した炭化
物は、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ等の炭化物（Ｍ23Ｃ6 ，Ｍ
7Ｃ3，ＭＣ等）である。

【００３２】このα’相の面積率｛α’／（α＋
α’）｝が２０％未満では、室温における延性が低く、
極めて脆い。一方、α’相の面積率が第１の発明では９
０％、第２の発明では７０％を越えると硬くなりすぎ、
室温の延性が低下するとともに、機械加工性が著しく悪
くなる。そのため面積率｛α’／（α＋α’）｝は、第
１の発明では２０〜９０％、第２の発明では２０〜７０
％とする。

【００３３】なお、フェライト系耐熱鋳鋼に対して、残
留歪の除去や加工上の必要がある場合、鋳造後にα’相
がγ相に変態しない温度域で焼鈍処理を施してもよい。
このときの焼鈍処理の温度は、一般に７００〜８５０℃
であり、焼鈍時間は１〜１０時間である。

【００３４】なお、使用温度域にα’相からγ相に変態
点が存在すると、加熱−冷却のサイクルを受けて発生す
る熱応力が増大し、熱疲労寿命が短くなる。そのため、
９００℃以上の変態点を有する必要がある。このように
高い変態点を有するためには、フェライト生成元素であ
るＣｒ，Ｓｉ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂとオーステナイト生成元素
であるＣ，Ｎｉ，Ｍｎのバランスが適正であることが必
要である。

【００３５】なお、各発明のフェライト系耐熱鋳鋼にお
けるα’相の面積率および変態点は以下の通りである。
α’相の面積率とは、後述の図２の金属組織中のふとど
りの内部のやや黒色に見える組織（α’相）の面積を全
体（α＋α’）の面積で割って求めたものである。 第１の発明；面積率：２０〜９０％、変態点：９００℃
以上 第２の発明；面積率：２０〜７０％、変態点：９５０℃
以上 このような本発明の室温延性、耐酸化性の優れたフェラ
イト系耐熱鋳鋼は、特に自動車の排気系部品を製造する
のに適している。自動車の排気系部品として、過給機付
き直列４気筒エンジンに取り付けられた一体構造型エキ
ゾーストマニフォールドを図１に示す。エキゾーストマ
ニフォールド１はターボチャージャのタービンハウジン
グ２に結合しており、またタービンハウジング２には、
エキゾーストアウトレットパイプ３を介して、排気ガス
浄化用触媒コンバータ容器４が接続している。さらにコ
ンバータ容器４にはメインキャタライザ５が接続してい
る。メインキャタライザ５の出口はマフラー（Ｄ）に連
通している。一方、タービンハウジング２は、インテー
クマニフォールド（Ｂ）に連通しており、かつ（Ｃ）よ
り吸気されるようになっている。なお排気ガスは、
（Ａ）よりエキゾーストマニフォールド１に流入する。

【００３６】このようなエキゾーストマニフォールド１
やタービンハウジング２は、熱容量を小さくするため
に、できるだけ薄肉にするのが好ましい。エキゾースト
マニフォールド１およびタービンハウジング２の肉厚
は、例えば、それぞれ２．５〜３．４ｍｍ、２．７〜
４．１ｍｍである。

【００３７】このような薄肉の室温延性、耐酸化性の優
れたフェライト系耐熱鋳鋼からなるエキゾーストマニフ
ォールド１やタービンハウジング２は、加熱−冷却の熱
サイクルを受けても、亀裂が生じることがなく、優れた
耐久性を有する。

【００３８】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。

【００３９】実施例１〜１２、比較例１〜６ 表１に示す種類のフェライト系耐熱鋳鋼について、鋳造
によりＪＩＳ規格のＹ形Ｂ号供試材を作製した。なお、
鋳造にあたっては、１００ｋｇ用高周波炉を用いて大気
溶解し、直ちに１５５０℃以上で出湯して約１５００℃
で注湯した。

【００４０】実施例１〜１２のフェライト系耐熱鋳鋼に
ついては、鋳造時の湯流れが良く、鋳造欠陥の発生が見
られなかった。次に、鋳造した実施例１〜１２および比
較例６の供試材（Ｙブロック）を加熱炉中にて８００℃
で２時間保持後空冷する熱処理を行った。一方、比較例
１〜５については全て鋳放しのまま試験に供した。

【００４１】なお、表１において、比較例１〜５はいず
れも自動車のターボチャージャー用ハウジングやエキゾ
ーストマニフォールド等の耐熱部品に使用されているも
ので、比較例１の供試材は高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄であり、
比較例２の供試材はニレジスト鋳鉄であり、比較例３の
供試材はＡＣＩ（Ａｌｌｏｙ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｉｎｓ
ｔｉｔｕｔｅ）規格のＣＢ−３０であり、また比較例４
の供試材はオーステナイト系耐熱鋳鋼（ＪＩＳ規格ＳＣ
Ｈ１２相当）と称されるものの一種であり、さらに比較
例５の供試材は、特開平２−１７５８４１号公報に示さ
れるフェライト系耐熱鋳鋼である。また、比較例６は、
主成分は本発明の実施例と同じであるが、脱酸剤にＲＥ
Ｍ、Ｃａ、Ｍｇを使用せず、Ａｌのみを使用したフェラ
イト系耐熱鋳鋼である。

【００４２】表１に示す通り、本発明材である実施例１
〜１２は、変態点温度が９００℃以上あり、比較例１お
よび３に比較して高いことがわかる。

【００４３】次に、各供試材を用いて、以下に述べる各
種の評価試験を行った。 （１） 室温引張試験 標点間距離が５０ｍｍ、標点間の直径が１４ｍｍの丸棒
試験片（ＪＩＳ４号試験片）を用いて行った。

【００４４】（２） 高温引張試験 標点間距離が５０ｍｍ、標点間の直径が１０ｍｍのつば
つき試験片を用いて、９００℃で行った。

【００４５】（３） 熱疲労試験 標点間距離が２０ｍｍ、標点間の直径が１０ｍｍの丸棒
試験片を用い、加熱−冷却による伸び縮みを完全に拘束
した状態で、下記の条件で、加熱−冷却サイクルを繰り
返し、熱疲労破壊を起こさせた。 下限温度：１００℃ 上限温度：９００℃ 各サイクル：１２分 なお、試験機として、電気−油圧サーボ方式の熱疲労試
験機を用いた。

【００４６】（４） 酸化試験 直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの丸棒試験片を作製し、９
００℃において２００時間の大気中に保持し、取り出し
後にショッ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面積当たりの重量変化（酸化減
量；ｍｇ／ｃｍ2 ）を求めることにより、耐酸化性を評
価した。

【００４７】以上の室温引張試験結果を表２に、高温引
張試験、熱疲労試験および酸化試験の結果を表３に示
す。

【００４８】

【表１】 実施例 化学成分（重量％） No. C Si Mn Cr W Nb Ni REM Ca Mg V 1 0.08 0.52 0.55 16.5 1.15 0.03 0.21 0.04 0.008 - - 2 0.15 0.92 0.84 18.5 1.86 0.13 0.52 0.14 0.015 - - 3 0.19 1.05 0.48 20.5 2.13 0.41 0.78 0.25 0.024 - - 4 0.22 1.85 0.35 22.4 2.50 0.25 1.55 0.08 - 0.007 - 5 0.28 1.05 0.60 24.8 2.06 0.06 1.91 0.11 - 0.012 - 6 0.21 0.98 0.51 19.8 1.96 0.08 1.08 0.13 - 0.028 - 7 0.25 0.86 0.56 18.2 2.19 0.09 0.77 0.09 0.009 0.015 - 8 0.18 0.92 0.44 18.8 2.02 0.07 0.75 0.05 0.005 0.021 - 9 0.23 1.02 0.53 18.6 2.05 0.05 0.69 0.13 0.009 0.010 - 10 0.20 1.08 0.49 18.8 2.10 0.09 0.78 0.07 0.012 0.015 0.08 11 0.24 0.95 0.58 17.9 1.82 0.04 0.59 0.12 0.020 0.005 0.15 12 0.22 1.01 0.49 18.4 1.99 0.05 0.72 0.08 0.013 0.011 0.26 比較例 化学成分（重量％） No. C Si Mn Cr W Nb Ni REM Ca Mg V 1 3.16 4.08 0.41 - 0.56* - - - - - - 2 1.99 4.75 0.48 1.98 - - 35.3 - - - - 3 0.27 0.99 0.52 17.2 - - - - - - - 4 0.22 1.08 0.55 18.6 - - 9.9 - - - - 5 0.13 1.11 0.52 18.3 - 1.14 - - - - - 6 0.22 0.96 0.48 18.8 2.05 0.05 0.78 0.05** - - 0.08 （注） * ：Ｍｏ, **：Ａｌ

【００４９】 表１（続き） α’／（α＋α’） 変態点 実施例 （％） （℃） No.1 40 930 2 60 940 3 65 960 4 55 970 5 75 930 6 80 940 7 70 950 8 50 960 9 60 940 10 50 980 11 40 1010 12 35 1050 比較例 No.1 - 800〜850 2 - - 3 90 900 4 - - 5 0 ＞1100 6 50 950

【００５０】

【表２】

【００５１】

【表３】 ９００℃ 0.2% 引張 熱疲労 酸化 耐力 強さ 伸び 寿命 減量 (MPa) (MPa) (%) (サイクル) (mg/cm2) 実施例 No.1 22 35 60 195 3 2 23 38 50 220 2 3 25 40 48 270 1 4 25 38 65 310 1 5 30 45 45 210 1 6 28 41 50 380 1 7 29 44 70 430 2 8 24 39 62 330 2 9 26 42 55 295 2 10 22 37 78 355 2 11 27 43 42 415 2 12 23 40 65 305 2 比較例 No.1 19 38 35 10 205 2 40 95 45 25 22 3 26 42 60 20 3 4 68 130 35 35 2 5 14 29 90 190 1 6 20 33 48 195 2

【００５２】表２および表３から明らかなように、本発
明による実施例１〜１２は、比較例１〜５の供試材と比
較して、高温強度、耐酸化性および熱疲労寿命が著しく
改善されていることがわかる。これは、適量のＷ，Ｎ
ｂ，ＮｉおよびＲＥＭやＣａ，Ｍｇを含有することによ
り、フェライト基地が強化され、室温の延性を損なわず
に変態点が９００℃以上に上昇したためである。さらに
Ｖを含有することにより、変態点が９５０℃以上に上昇
する。なお、０．２％耐力、引張強さ、伸び、熱疲労寿
命および酸化減量等の材料特性を各々単独で比較する
と、比較例のなかに本発明材より優れるものがあるが、
総合的にみると本発明材は、諸性質のバランスが良好
で、排気系部品材料として極めて優れている。

【００５３】また、表２に示す通り、本発明材（実施例
１〜１２）は硬さ（ＨＢ）が１７０〜２２３と比較的低
く、機械加工性にも優れていることがわかる。

【００５４】なお、実施例７および比較例５について、
その顕微鏡写真（１００倍）をそれぞれ図２および図３
に示す。図２の白色部はδ−フェライトと呼ばれる通常
のα相で、ふちどりの内部のやや灰黒色部はγ相から
（α相＋炭化物）に変態したα’相であり、実施例７
は、α’の面積率｛α’／（α＋α’）｝が７０％であ
る。

【００５５】また、図３の白色部はδ−フェライトと呼
ばれる通常のα相で、粒界にＮｂの炭化物のＮｂＣが観
察される。比較例５のα’相の面積率は０％である。さ
らに実施例１０の耐熱鋳鋼について、非金属介在物の顕
微鏡写真（４００倍）を図４に示す。ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍ
ｇの添加により、非金属介在物が球状化し、これが室温
延性を高めている。比較例６の耐熱鋳鋼について、非金
属介在物の顕微鏡写真（４００倍）を図５に示す。Ａｌ
のみを脱酸剤としているので、非金属介在物はクラスタ
ー状になっており、これが室温延性を低くしている。

【００５６】

【表４】 化学成分（重量％） 実施例 C Si Mn Cr W Nb Ni REM V No.10 0.12 0.88 0.48 15.6 1.48 0.02 0.07 0.12 0.20 11 0.14 1.00 0.65 18.8 2.05 0.42 0.50 0.08 0.08 12 0.23 1.50 0.82 21.8 1.52 0.10 1.50 0.05 0.42 13 0.27 1.20 0.48 23.0 2.92 0.07 0.62 0.29 0.13 14 0.15 0.75 0.78 18.1 2.65 0.21 0.15 0.24 0.04 15 0.17 0.92 0.45 20.3 1.94 0.05 1.02 0.03 0.18 16 0.09 1.05 0.54 18.6 2.24 0.08 1.92 0.13 0.06 17 0.41 1.11 0.49 18.3 2.25 0.09 0.15 0.006 0.25 18 0.30 0.89 0.54 17.7 1.88 0.08 0.11 0.09 0.16 19 0.13 1.32 0.91 18.9 2.12 0.13 0.09 0.4 0.10

【００５７】 表４（続き） α’／（α＋α’） 変態点 実施例 （％） （℃） No.10 60 970 11 30 1045 12 28 1080 13 28 1080 14 35 1020 15 25 1080 16 40 1010 17 35 1010 18 50 960 19 40 1020

【００５８】

【表５】

【００５９】

【表６】 ９００℃ 0.2% 引張 熱疲労 酸化 耐力 強さ 伸び 寿命 減量 実施例 (MPa) (MPa) (%) (サイクル) (mg/cm2) No.10 22 42 48 215 3 11 24 46 54 180 2 12 20 44 45 200 1 13 25 52 52 240 2 14 23 48 54 260 2 15 27 52 60 270 1 16 22 47 51 200 1 17 24 45 48 245 1 18 26 50 57 320 2 19 25 48 50 255 1

【００６０】次に、実施例５および実施例１５のフェラ
イト系耐熱鋳鋼を用いて、図１に示すエキゾーストマニ
フォールド（パイプ部の肉厚：２．５〜３．４ｍｍ）お
よびタービンハウジング（肉厚：２．７〜４．１ｍｍ）
を鋳造した。得られた耐熱鋳鋼部品はいずれも健全なも
のであった。

【００６１】更に、これらの鋳鋼部品に機械加工を施し
て、切削性の評価を行ったが、いずれのものにも何等問
題は生じなかった。

【００６２】次に、図１に示すように、エキゾーストマ
ニホールドとタービンハウジングを組み付けた直列４気
筒で排気量２０００ｃｃの高性能ガソリンエンジン相当
の排気ガスを発する排気シミュレータにより、耐久試験
を実施した。試験条件として、６０００回転相当での全
負荷運転（連続１４分）−アイドリング（１分）−完全
停止（１４分）−アイドリング（１分）を１サイクルと
する熱冷（ＧＯ−ＳＴＯＰ）サイクルを、５００サイク
ルまで実施した。全負荷時の排気ガス温度は、タービン
ハウジングの入口温度で、９３０℃であった。この条件
下でのエキゾーストマニホールドの表面温度は、エキゾ
ーストマニホールドの集合部で、約８７０℃、タービン
ハウジングの表面温度は、ウエストゲート部で約８９０
℃であった。評価試験の結果、熱変形によるガスの漏洩
や熱亀裂は生じず、優れた耐久性および信頼性を有する
ことが確認された。

【００６３】一方、表７に示す化学成分の高Ｓｉ球状黒
鉛鋳鉄によりエキゾーストマニフォールドを作製し、ま
た同表の化学成分のＮＩ−ＲＥＳＩＳＴ Ｄ２（ＩＮＣ
Ｏ社の商標）なるオーステナイト系球状黒鉛鋳鉄により
タービンハウジングを作製した。この結果、高Ｓｉ球状
黒鉛鋳鉄製エキゾーストマニフォールドは、９８サイク
ルで集合部近傍に酸化による熱亀裂が生じ、使用不能と
なった。その後、エキゾーストマニフォールドを実施例
７のものに取り替え、試験を続行したところ、３２４サ
イクル目にオーステナイト系球状黒鉛鋳鉄のタービンハ
ウジングのスクロール部に肉厚を貫通する亀裂が生じ
た。以上の結果、本発明品であるエキゾーストマニフォ
ールドおよびタービンハウジングは、優れた耐久性を有
していることが明らかとなった。

【００６４】

【表７】 材種 C Si Mn P S Cr Ni Mo Mg 高Ｓｉ 球状黒鉛鋳鉄 3.15 3.95 0.47 0.024 0.008 0.03 - 0.55 0.048オーステナイト 系 球状黒鉛鋳鉄 2.91 2.61 0.81 0.018 0.010 2.57 21.5 - 0.084

【００６５】

【発明の効果】以上の説明の通り、本発明によれば、特
にＷ，Ｎｂ，Ｎｉ，ＲＥＭ，あるいはそれらにＶを適量
添加することにより、それぞれフェライト基地および結
晶粒界を強化し、室温の延性を損なわずに変態点を上昇
させ、特に重要な高温引張強度、耐熱疲労性、耐酸化性
について、従来の耐熱鋳鋼を上回る特性を示す。また、
鋳造性、加工性に優れているので、安価に製造すること
がでる。このような本発明の室温延性、耐酸化性の優れ
たフェライト系耐熱鋳鋼は、エンジン排気系部品に特に
好適である。本発明の室温延性、耐酸化性の優れたフェ
ライト系耐熱鋳鋼からなる排気系部品は熱亀裂を生じる
ことなく、極めて優れた耐久性を示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の室温延性、耐酸化性の優れたフェライ
ト系耐熱鋳鋼により作製し得るエキゾーストマニフォー
ルドおよびタービンハウジングを示す概略図である。

【図２】実施例７のフェライト系耐熱鋳鋼の金属組織を
示す顕微鏡写真（１００倍）である。図中の白色部はα
相（高温からのδ−フェライト相）で、ふちどりの内部
のやや灰黒色部がα’相｛γ相から（α相＋炭化物）に
変態した相｝である。

【図３】比較例５の耐熱材料の金属組織を示す顕微鏡写
真（１００倍）である。図中の白色部はα（高温からの
δ−フェライト相）で、粒界にＮｂの炭化物（ＮｂＣ）
が観察される。

【図４】実施例１０の金属組織の顕微鏡写真（４００
倍）である。図中の球状の灰黒色部が非金属介在物であ
る。

【図５】比較例６の金属組織の顕微鏡写真（４００倍）
である。図中のクラスター状の灰黒色部が非金属介在物
である。

【符号の説明】

１ エキゾーストマニフォールド ２ タービンハウジング ３ エキゾーストアウトレット ４ コンバータ容器 ５ メインキャタライザ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比率で、 Ｃ ： ０．０５〜 ０．３０％， Ｓｉ： ２．０ ％以下， Ｍｎ： １．０ ％以下， Ｃｒ：１６．０ 〜２５．０ ％， Ｗ ： １．０ 〜 ３．０ ％， Ｎｂ： ０．０１〜 ０．４５％， Ｎｉ： ０．１ 〜 ２．０ ％， ＲＥＭ：０．０１〜０．５ ％， Ｃａおよび／またはＭｇ：０．００５〜０．０３％， 残部：Ｆｅおよび不可避不純物 からなる組成を有し、通常のα相（高温からのδ−フェ
   ライト相）とγ相から（α＋炭化物）に変態したパーラ
   イトコロニー状の相（以下α’相という）を有するとと
   もに、α’相の面積率｛α’／（α＋α’）｝が２０〜
   ９０％であることを特徴とする室温延性、耐酸化性の優
   れたフェライト系耐熱鋳鋼。
2. 【請求項２】 請求項１記載のフェライト系耐熱鋳鋼に
   おいて、α’相からγ相への変態点が９００℃以上であ
   ることを特徴とする室温延性、耐酸化性の優れたフェラ
   イト系耐熱鋳鋼。
3. 【請求項３】 重量比率で、 Ｃ ： ０．０５〜 ０．３０％， Ｓｉ： ２．０ ％以下， Ｍｎ： １．０ ％以下， Ｃｒ：１６．０ 〜２５．０ ％， Ｗ ： １．０ 〜 ３．０ ％， Ｎｂ： ０．０１〜 ０．４５％， Ｎｉ： ０．１ 〜 ２．０ ％， ＲＥＭ：０．０１〜 ０．５ ％， Ｃａおよび／またはＭｇ：０．００５〜０．０３％， Ｖ ： ０．０１〜０．３ ％， 残部：Ｆｅおよび不可避不純物 からなる組成を有し、通常のα相とγ相から（α＋炭化
   物）に変態したパーライトコロニー状のα’相を有する
   とともに、α’相の面積率｛α’／（α＋α’）｝が２
   ０〜７０％であることを特徴とする室温延性、耐酸化性
   の優れたフェライト系耐熱鋳鋼。
4. 【請求項４】 請求項３記載のフェライト系耐熱鋳鋼に
   おいて、α’相からγ相への変態点が９５０℃以上であ
   ることを特徴とするフェライト系耐熱鋳鋼。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４記載のフェライト系耐熱
   鋳鋼において、残留歪の除去や加工の必要性がある場
   合、α’相がγ相に変態しない温度域で焼鈍処理を施す
   ことを特徴とする室温延性、耐酸化性の優れたフェライ
   ト系耐熱鋳鋼。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５いずれかに記載の室温延
   性、耐酸化性の優れたフェライト系耐熱鋳鋼からなる排
   気系部品。
7. 【請求項７】 請求項６記載の排気系部品において、エ
   キゾーストマニフォールドであることを特徴とする排気
   系部品。
8. 【請求項８】 請求項６記載の排気系部品において、タ
   ービンハウジングであることを特徴とする排気系部品。