JPH0559978B2 - - Google Patents

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
熱性（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化性等とい
つた性能、耐久性特性を有するとともに、優れた
鋳造性と機械加工性を有しているため生産性が良
好であり、しかも安価に製造することができるこ
とから、車両用エンジンにおける排気系部品等に
好適に適用することのできる耐熱鋳鋼にかかる。 〔従来の技術〕 近年、ガソリンエンジンもしくはデイーゼルエ
ンジン等の車両用エンジン、特に自動車用エンジ
ンにおいては、高出力化、低燃費化に対する改善
要求の高まりに伴い、燃焼効率の改善のための研
究開発が積極的に実施されている。 その結果、このような要求に応える自動車用エ
ンジンにおいては、従来の自動車用エンジンに比
較して、排気ガス温度が著しく高温となる傾向に
ある。 とりわけ、自動車用エンジンにおけるエキゾー
ストマニホルド、ターボチヤージヤ用タービンハ
ウジング、デイーゼルエンジン用予燃焼室、排気
ガス浄化装置用部品等の排気系部品においては、
使用条件が特に高温苛酷となることから、従来に
おいては高Si鋳鉄、ニレジスト鋳鉄、Al鋳鉄等
の耐熱鋳鉄や、特例的にはフエライト系もしくは
オーステナイト系ステンレス鋳鋼等の高価な高合
金耐熱鋳鋼が採用されていた。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上述のような従来の技術の現状に鑑み、本発明
が解決しようとする問題点は、従来の自動車エン
ジンにおける排気系部品用材料として使用されて
いる、高Si鋳鉄、ニレジスト鋳鉄、Al鋳鉄等の
耐熱鋳鉄においては、その優れた鋳造性と機械加
工性から生産性は良好であるものの、耐熱性（高
温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化性等といつた性
能・耐久性特性が劣ることから800℃以上の高温
となる部材には適用することができず、また、ス
テンレス鋳鋼等の高合金耐熱鋳鋼においては、
800℃以上の高温においても耐熱性（高温強度）、
耐熱亀裂性、耐酸化性等といつた性能・耐久性特
性には優れているものの、鋳造性が悪く鋳造成形
時に“ひけ巣”、“油廻り不良”等の鋳造不良を発
生し易いこと、機械加工性が悪いこと等によりそ
の生産性に劣ることから、耐熱部材としての優れ
た鋳造性、機械加工性、低価格性等といつた生産
性特性、並びに、優れた耐熱性（高温強度）、耐
熱亀裂性、耐酸化性等といつた性能・耐久性特性
とを兼ね備えた耐熱鋳造材料の開発が強く望まれ
ていたということである。 従つて、本発明の技術的課題とするところは、
耐熱鋳鋼における組成の調整と鋳造後の焼なまし
処理の実施によつて、従来の耐熱鋳鉄に匹敵する
鋳造性、機械加工性、低価格性等といつた生産性
特性と、従来の高合金耐熱鋳鋼に匹敵する耐熱性
（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化性等といつた性
能・耐久性特性とを兼ね備えた耐熱鋳鋼とするこ
とにある。 〔問題点を解決するための手段〕 このような従来の技術における問題点に鑑み、
本発明における従来の技術の問題点を解決するた
めの手段は、重量比率で、Ｃ；0.3〜2.0％、Si；
2.0％〜4.5％、Mn；1.0％以下、Ｐ；0.05％以下、
Ｓ；0.05％以下、Cr；7.0〜10.0％と、Nb、Ta，
Ｖのうち少なくとも１種類を3.0〜6.0％含有し、
残部実質的にFeからなる組成を有し、鋳造後に
焼なまし処理を施して基地組織をフエライト組織
としたことを特徴とする耐熱鋳鋼からなつてい
る。 なお、本発明の耐熱鋳鋼における鋳造後の熱処
理は、900〜950℃×0.5時間以上のオーステナイ
ト化処理後、680〜750℃まで炉冷し、680〜750℃
×0.5時間以上保持して冷却するという通常の焼
なまし処理で充分である。 〔作用〕 以下、本発明の作用について説明する。 本発明において、従来の技術の問題点を解決す
るための手段を上述のような構成とすることによ
つて、本発明の耐熱鋳鋼を組成的にはＰ，Ｓ等の
不純物を低く抑えるとともに、Ｃ，Si，CrとNb，
Ta，Ｖのうち少なくとも１種類をバランスよく
添加することにより、従来の耐熱鋳鉄に匹敵する
鋳造性、機械加工性、低価格性等といつた生産性
特性を保有させた上で、従来のステンレス鋳鋼等
の高合金耐熱鋳鋼と同等以上の耐熱性（高温強
度）、耐熱亀裂性、耐酸化性等といつた性能・耐
久性特性を付与し得る範囲としており、しかも、
鋳造後の焼なまし処理により基地組織をフエライ
ト組織化するとともに、１次炭化物の分解を図つ
て基地フエライト組織中のCr含有量を多くして
いることから、従来の耐熱鋳鉄に匹敵する鋳造
性、機械加工性、低価格性等といつた生産性特性
と、従来の高合金耐熱鋳鋼と同等以上の耐熱性
（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化性等といつた性
能・耐久性特性とを兼ね備えた耐熱鋳鋼とするこ
とができるのである。 以下、本発明の耐熱鋳鋼に添加する各合金元素
の、添加量の範囲限定理由について説明する。 なお、以下の説明において各合金元素の添加量
は全て重量％にて表示している。 まず、Ｃは本発明の耐熱鋳鋼において強度特性
の向上と溶湯の流動性（鋳造性）を改善させるこ
とから有効であるが、0.3％未満ではその鋳造性
の改善効果が充分でなく、一方、2.0％を超えて
添加すると後述するSi量との関係から炭素の黒鉛
化を促進して耐熱鋳鋼の強度特性を低下させるば
かりでなく、耐酸化性をも悪化させることから
0.3〜2.0％とした。 また、Siは本発明の耐熱鋳鋼において脱酸剤と
して有効であるばかりでなく、耐酸化性を改善さ
せるために有効であるが、2.0％未満ではその耐
酸化性の改善効果が充分でなく、4.5％を超えて
添加すると、 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耐熱鋳鋼の機械加工性を悪
化させる。 フエライト基地組織中のSi含有量が過多とな
つて、耐熱鋳鋼の靱性を低下させて生産性を悪
化させる。 等の理由から2.0〜4.5％とした。 また、Mn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フエライト
組織とした耐熱鋳鋼にはあまり好ましくない合金
元素であるが、Siと同様に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
産性を改善させる合金元素としては有効であるこ
とから1.0％以下の範囲で含有させるのが望まし
い。 また、Ｐ及びＳはともに0.05％を超えて添加す
ると熱亀裂を発生し易くなり、有害な不純物であ
ることからいずれも0.05％以下とした。 また、Crは耐酸化性を改善するとともに、共
析変態温度を上昇させ後述のフエライト組織の熱
履歴による組織変化の抑制に有効であるが、7.0
％未満ではそれらの特性の改善効果が充分でな
く、10.0％を超えて添加するとCrの１次炭化物を
粗大化させ機械加工性を著しく悪化させることか
ら7.0〜10.0％とした。 また、Nb，Ta，Ｖは本発明材において特に重
要な合金元素であつて共に同様な作用を有してお
り、共析変態温度を上昇させ後述のフエライト組
織の熱履歴による組織変化の抑制に有効であるば
かりでなく、鋳造時にCrより優先的に炭化物を
形成させることから、機械加工性を悪化させる１
次Cr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耐酸
化性の改善にも有効であるが、３％未満ではそれ
らの諸特性の改善効果が充分でなく、一方、6.0
％を超えて添加するとNb，Ta，Ｖが未溶解状態
で基地組織中に残留して、耐熱鋳鋼の靱性を低下
させ易いことから3.0〜6.0％とした。 なお、鋳造後の焼なまし処理は、耐熱鋳鋼の被
削性を改善させるために必要であるばかりでな
く、鋳放し状態で析出しているパーライト組織を
分解して、炭化物を球状化させ、基地組織をフエ
ライト組織とするために有効である。 〔実施例〕 以下、添付図面に基づいて、本発明の実施例を
詳しく説明する。 本発明材の各種の特性を評価するために、第１
表に示すような10種類の本発明材〜、及び３
種類の比較材〜の供試材を鋳造成形により製
造した。 なお、各供試材の鋳造成形に当たつては50Kg用
高周波溶解炉を用いて大気溶解し、Fe−Si（75重
量％）にて脱酸処理した後、直に、1550℃以上で
出湯して1450℃以上に注湯し、JIS規格Ａ号のＹ
ブロツク形状に鋳造成形した。 ついで、上述により鋳造成形されたＹブロツク
形状の鋳造粗形材状態の各供試材に対して、焼な
まし処理炉中にて950℃×１時間加熱保持し、750
℃まで炉冷した後その温度で３時間保持して放冷
させる焼なまし処理を行つた。

【表】 なお、第１表において、比較材及びは従来
自動車用耐熱部材に使用されている耐熱鋳鉄であ
つて、比較材は高Si鋳鉄と称されるものであ
り、比較材はオーステナイト基地球状黒鉛鋳鉄
であり、また、比較材はオーステナイト系耐熱
鋳鋼（JIS規格SCH21相当）である。 上述により鋳造成形した第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実施した。 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を15mm、標点間
径をφ10mmとした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拘束させた状態で、下
限温度を200℃、上限温度を900℃とし、１サイク
ル10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。 なお、拘束率（％）は次の式により求められる
値である。 拘束率（％）＝自由伸び−拘束伸び／自由伸び×100 そして、各試験片に負荷させる加熱冷却サイク
ルを上述のように一定とし各試験片の拘束率を変
化させて、各供試材の拘束率と熱疲労による破損
までの繰り返し数（回）との関係によつて、各供
試材の耐熱亀裂性（耐熱疲労強度）を評価した。 このようにして熱疲労試験した結果を、第１図
及び第２図に示している。 第１図及び第２図から明らかなように、本発明
材〜はいずれも従来材である３種類の比較材
〜と比較すると、熱疲労寿命（耐熱亀裂性）
において格段に優れていることが理解される。 次に、鋳造成形された上述の組成を有する各供
試材を用いて、30mm×20mm×５mmの形状の板状試
験片を製作し、900℃において100時間の大気中保
持による酸化試験を実施した。 なお、この酸化試験における試験結果の評価方
法としては、酸化試験後にシヨツトブラスト処理
を施して酸化スケールを除去し、酸化試験前後の
単位面積当たりの重量変化（酸化減量；mg／cm²）
により評価した。 上述により酸化試験した結果を第３図に示して
いる。 第３図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、著しく優れた耐酸化性を有しており、また、
比較材と比較しても同等以上の耐酸化性を有し
ていることが理解される。 次に、本発明材を用いてエキゾーストマニホル
ドを鋳造成形により製造したところ、“ひけ巣”、
“ピンホール”、“ブローホール”、“砂かみ”、“湯
廻り不良”、“湯境い”等といつた鋳造不良を発生
させることなく、鋳造歩留りも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。 ついで、本発明材及び比較材を用いて3.0ガ
ソリンエンジン用のエキゾーストマニホルドを製
作し、エンジンに搭載してエンジン台上苛酷耐久
試験によりエキゾーストマニホルドとしての耐熱
亀裂耐久性を評価した。 第２表に、このエンジン台上苛酷耐久試験に用
いたエキゾーストマニホルドの各供試品における
化学成分を示している。

【表】 なお、本発明品及びはいずれも950℃×１
時間＋750℃×１時間の焼なまし処理を実施した
エキゾーストマニホルドを用い、比較品は鋳放し
状態のエキゾーストマニホルドを用いた。 また、このエキゾーストマニホルドとしての耐
熱亀裂耐久試験に用いた比較品は、高Si球状黒鉛
鋳鉄材を用いて製造したエキゾーストマニホルド
である。 そして、エンジン台上苛酷耐久試験条件は、最
高回転数を5600rpmとして全負荷条件での冷熱サ
イクル耐久試験にて900サイクルまで実施し、熱
亀裂の発生の有無によりエキゾーストマニホルド
としての耐熱亀裂性を評価した。 このようにしてエンジン台上苛酷耐久試験によ
りエキゾーストマニホルドの耐熱亀裂性を評価し
た結果、本発明材により製造したエキゾーストマ
ニホルド（本発明品及び）においては、900
サイクルの試験終了まで熱亀裂の発生が認められ
なかつたのに対して、比較品である高Si球状黒鉛
鋳鉄材により製造したエキゾーストマニホルドに
おいては、386サイクルで肉厚を貫通する熱亀裂
の発生が認められた。 上述のエンジン台上苛酷耐久試験結果から明ら
かなように、本発明材により製造されたエキゾー
ストマニホルド（本発明品及び）は、比較材
により製造されたエキゾーストマニホルドに比較
して、熱負荷の厳しいエキゾーストマニホルドと
して著しく優れた熱亀裂耐久性を有していること
が明らかとなつた。 次に、本発明材及び比較材を用いて2.4デイ
ーゼルターボエンジン用予燃焼室を製作し、エン
ジン台上苛酷耐久試験により予燃焼室としての耐
熱亀裂耐久性を評価した。 第３表は、このエンジン台上苛酷耐久試験に用
いたデイーゼルエンジン用予燃焼室の、各供試品
における化学成分を示している。

〔発明の効果〕

以上により明らかなように、本発明にかかる耐
熱鋳鋼によれば、耐熱鋳鋼における組成の調整と
鋳造後の焼なまし処理の実施によつて、従来の耐
熱鋳鉄に匹敵する鋳造性、機械加工性、低価格性
等といつた生産性特性と、従来の高合金耐熱鋳鋼
と同等以上の耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂性、
耐酸化性等といつた性能・耐久性特性とを兼ね備
えた耐熱鋳鋼とすることができ、従つて、価格的
及び性能的な観点から、自動車用エンジンにおけ
る排気系部品用材料として好適に適用することが
できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明材と比較材の熱疲
労試験結果を示すグラフ、第３図は、本発明材と
比較材の酸化試験結果を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重量比率で、Ｃ；0.3〜2.0％、Si；2.0％〜4.5
   ％、Mn；1.0％以下、Ｐ；0.05％以下、Ｓ；0.05
   ％以下、Cr；7.0〜10.0％と、Nb、Ta，Ｖのうち
   少なくとも１種類を3.0〜6.0％含有し、残部実質
   的にFeからなる組成を有し、鋳造後に焼なまし
   処理を施して基地組織をフエライト組織としたこ
   とを特徴とする耐熱鋳鋼。