JPH0559979B2 - - 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、耐久特性を有するとともに、優れた鋳
造性、機械加工性、低価格性等といつた生産特性
を有していることから、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、
使用条件が高温となり耐熱亀裂性、耐酸化性等に
対する要求が特に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
ーステナイト系耐熱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、従来の自動車用エ
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・耐久特性が劣ることから、800℃以上の高温
における耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸
化性等に対する要求の厳しい部材には適用するこ
とができず、また、高合金耐熱鋳鋼は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”、“湯廻り不良”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特性、及
び、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・耐久特性とを、バランス
良く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的な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
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・耐久特性とを、バランス良く兼ね備えた耐熱
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％含有する
とともに、Mo，Ｗのうち少なくとも１種類を0.2
〜1.0％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焼な
まし処理は、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、耐熱鋳鋼において、組成的にはＰ，Ｓ等の
不純物を低く抑え、Ｃ，Si，Cr，及び，Nb，
Ta，Ｖのうち少なくとも１種類とMo，Ｗのうち
少なくとも１種類とをバランスよく添加すること
により、耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂性、機械
加工性を改善して、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優れた生
産性特性を保有させた上で、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濃度を高くしていることから、本発明
の耐熱鋳鋼を、従来の耐熱鋳鉄と同等以上の鋳造
性、機械加工性、低価格性等といつた生産特性、
及び、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・耐久特性とを、バランス良く兼ね備えた耐熱
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ける強度特性
を向上し溶湯の流動性（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量との兼ね合いから炭素の
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濃度が過多となつ
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はパーライト組織の形成元素である
ため、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”を改善して生産
性を向上させる合金元素として有効であることか
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、加熱冷却の繰り返しによる熱亀裂を発生し
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て、後述のフエライト組織の
熱履歴による組織変化を抑制することにより、耐
熱特性（高温強度、耐熱亀裂性等）を改善させる
ことから有効であるが、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％を越えて添
加するとCrの１次炭化物を粗大化させて機械加
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て上述のような耐熱
特性を改善させることから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炭化物の析出も抑制させ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が未溶解となり基地
組織中に偏析して残留し、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。 また、Mo，Ｗも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、
基地組織中に固溶して耐熱鋳鋼の耐熱性（高温強
度）を改善するとともに、共析変態温度を上昇さ
せてNb，Ta，Ｖ等と同様に耐熱特性を改善させ
ることから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
も抑制させることから耐酸化性の改善にも有効で
あるが、0.2％未満ではそれらの諸特性の改善効
果が充分でなく、一方、1.0％を越えて添加する
と１次炭化物を粗大化させて機械加工性を悪化さ
せることから0.2〜1.0％とした。 なお、鋳造後の焼なまし処理は、耐熱鋳鋼の機
械加工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るためにも有効で
ある。 〔実施例〕 以下、添付図面及び表に基づいて、本発明の実
施例を詳しく説明する。 本発明材の耐熱亀裂性及び耐酸化性を評価する
ために、第１表に示すような12種類の本発明材Ａ
〜Ｌ、及び、３種類の比較材〜の各供試材を
鋳造成形により製造した。 なお、各供試材の鋳造に当たつては、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℃以上にて注湯し、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】

【表】 なお、第１表において、本発明材Ａ〜Ｌ及び比
較材におけるＰ及びＳはいずれも0.01％以下で
あり、また、比較材におけるＰは0.025％、Ｓ
は0.022％であり、比較材におけるＰは0.023
％、Ｓは0.021％である。 また、比較材及び比較材には、それぞれ
0.033％及び0.035％のMgを含有している。 また、第１表において、本発明材Ａ〜ＣはＣ，
Si，Mn，Ｐ，Ｓ，Crからなる基本組成にNb及
びMoを添加した供試材であり、本発明材Ｄ〜Ｆ
は上述の基本組成にＶ及びMoを添加した供試材
であり、本発明材Ｇ〜Ｉは上述の基本組成にNb
及びＷを添加した供試材であり、本発明材Ｊ〜Ｌ
は上述の基本組成にＶ及びＷを添加した供試材で
ある。 また、第１表における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て製造した第１表に示す
ような組成を有する各供試材を用いて、耐熱亀裂
性及び耐酸化性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する耐熱亀裂性の評
価試験を実施した。 なお、耐熱亀裂性の評価試験は、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熱膨脹伸びを機械的に拘
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分とする加熱冷却サイ
クルの繰り返しにより熱疲労破壊させた。 なお、拘束率（％）は次の式により算出される
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
ルを上述の条件に固定して、各試験片の拘束率
（％）を変え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。 このようにして実施した耐熱亀裂性の評価試験
結果を、第１図〜第４図に示している。 第１図〜第４図から明らかなように、本発明材
Ａ〜Ｔは、いずれも従来材である３種類の比較材
〜と比較すると、格段に優れた熱疲労寿命
（耐熱亀裂性）を有し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の形状をした板
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、酸化試験後の試験片にシヨツトブラ
スト処理を施して酸化スケールを除去し、酸化試
験前後における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５図に示して
いる。 第５図から明らかなように、本発明材Ａ〜Ｌ
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、
オーステナイト系耐熱鋳鋼である比較材と比べ
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。 なお、第２表における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。 また、本発明品〜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。

【表】 なお、第２表において、本発明品〜におけ
るＰ及びＳはいずれも0.01％以下であり、比較品
におけるＰは0.025％、Ｓは0.022％である。 また、比較品には0.035％のMgを含有してい
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としての耐熱亀裂性を
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〜）においては、
いずれも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したエキゾース
トマニホルド（本発明品〜）は、比較材であ
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を確認することができた。 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。 なお、第３表におけるこのデイーゼルエンジン
用予燃焼室としての耐熱亀裂耐久試験に用いた比
較品は、オーステナイト系耐熱鋳鋼（JIS規格
SCH21相当）により製造した予燃焼室である。 また、本発明品〜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
予燃焼室を用い、比較品は鋳放し状態の予燃焼室
を用いた。

〔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的な調整
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・耐久特性とを、バラン
ス良く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〜第４図は、本発明材と比較材の耐熱亀
裂性の評価試験結果を示すグラフ、第５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％含有するととも
   に、Mo，Ｗのうち少なくとも１種類を0.2〜1.0
   ％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。