JPH0617543B2 - マルテンサイト系耐熱ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ディーゼルエンジンの予燃焼室等の材料とし
て好適な耐ヒートチェック性、冷間鍛造性、耐酸化性に
優れたマルテンサイト系耐熱ステンレス鋼に関する。

（従来技術） ディーゼルエンジンの主燃料室内で効率的に燃焼が行わ
れるように燃焼ガスを吹き込むための予燃焼室は，850
℃前後の高温酸化性雰囲気で使用され、かつ繰り返し加
熱、冷却を受け、さらにシリンダーヘッドによる拘束を
受ける等、苛酷な環境下で用いられるため、予燃焼室用
材料としては耐ヒートチェック性、耐酸化性、高温強度
に優れ、かつ耐膨張が小さいことが要求されていた。

このため、従来予燃焼室用材料としてNi、Co基の超耐熱
合金が使用されていたが、これら合金は高価であるとと
もに加工性が悪く、精密鋳造法で作られており生産性に
ついても劣るものであった。近年、前記のNi、Co基合金
の欠点を解消するための耐熱鋼として、マルテンサイト
系のSUH 616や、SUH 616のＣ、Si、Cr含有量を増加させ
た鋼が一部使用されている。

（解決しようとする問題点） しかしながら、前者のSUH 616はCo、Ni基合金に比べて
耐ヒートチェック性、高温強度が劣るものであり、か
つ、後者の鋼は高温強度、耐酸化性については優れては
いるが、耐ヒートチェック性、冷間鍛造性については満
足し得るものではなかった。

このように、従来鋼には850℃という高温域での使用に
耐える、優れた耐ヒートチェック性、高温強度、耐酸化
性を有し、かつ複雑な形状を有する予燃焼室を冷間で成
形し得る優れた冷間鍛造性を有する耐熱鋼はなかった。

（問題点を解決するための手段） 本発明はかかる従来鋼の欠点に鑑みてなしたもので、本
発明者等は0.5Ni-12〜18Cr-1Mo鋼において耐ヒートチェ
ック性、冷間鍛造性、耐酸化性に及ぼす各種合金元素の
影響について調査した結果、第１図より知られるように
加熱温度800℃における割れ発生までの加熱、冷却の繰
り返しサイクル数は0.10％以上のAlを含有させることに
より、急激に上昇し、耐ヒートチェック性が大幅に向上
すること、また第２図より知られるようにAl含有量が0.
10％以上に達すると焼まなし後の硬さが低下し、冷間鍛
造性を大幅に向上させることを見出した。

これは、0.10％以上のAlを含有させることにより、Ac₁
変態点が850℃以上に上昇し、予燃焼室の最高使用温度
を上まわり、かつAlがAl₂O₃の保護皮膜を生成し、耐酸
化性を向上させることによりヒートチェックの発生を抑
制し、耐ヒートチェック性を向上させるものであり、ま
たAlは鋼中においてAlNを生成し、Ｎを固定し、かつ結
晶粒を微細化することにより、冷間鍛造性を向上させる
ものである。

さらに、本発明においてはフェライト量を抑制するため
Si含有量の上限を0.60％と規制するとともにCr、Mo、Ｖ
等の含有量の上限を抑制し、高温強度を高めたものであ
り、また優れた冷間鍛造性を得るためSi量の上限を0.60
％、より好ましくは0.45％以下と抑制したものである。

本発明はこれらの知見をもとに、Al量を0.10〜1.00％、
Si量を0.60％以下、Cr量を15.0〜18.0％とすることによ
って、優れた耐ヒートチェック性、冷間鍛造性および耐
酸化性を有し、ディーゼルエンジンの予燃焼室等の耐熱
材料として好適なマルテンサイト系耐熱ステンレス鋼の
開発に成功したものである。

以下に、本発明鋼について詳述する。

第１発明鋼は、重量比にしてＣ0.15〜0.65％、Si0.60％
以下、Mn1.0％以下、Ni0.20〜1.5％、Cr15.0〜18.0％、
Mn0.50〜2.0％、Al0.10〜1.0％を含有し、残部Feならび
に不純物元素からなり、第２発明鋼は第１発明鋼にＶ0.
20〜1.0％、Ｗ0.20〜1.0％のうち１種ないし２種を含有
させ、第１発明鋼の高温強度をさらに向上させたもの
で、第３発明鋼は第１発明鋼にTi0.75〜3.0％、Nb0.75
〜3.0％、Zr0.75〜3.0％のうち１種ないし２種以上を含
有させ、第１発明鋼の冷間鍛造性を向上させたものであ
る。

以下に本発明鋼の成分限度理由について説明する。

Ｃはオーステナイト生成元素であるとともにCr、Mo、Ｖ
等と結合して炭化物を形成し、高温強度を向上させるた
めに有効な元素であり、この効果を得るには0.15％以上
含有させる必要がある。

しかし、Ｃを多量に含有させると冷間鍛造性、耐食性を
損うので上限を0.65％とした。

Siは脱酸作用を有するとともに耐酸化性を高めるのに有
効な元素である。しかし、Siを多量に含有させると素地
を強化し、冷間鍛造性を損うため上限を0.60％とした。
なお、より優れた冷間鍛造性を得るには0.45％以下にす
ることが望ましい。

MnはSiと同様に脱酸作用を有する元素である。しかし、
Mnを多量に含有させると耐酸化性が低下するので上限を
1.0％とした。

Niはオーステナイト生成元素であるとともに高温強度を
高めるのに有効な元素であり、この効果を得るには0.20
％以上含有させる必要がある。しかし、1.5％を越えて
含有させると冷間鍛造性を損うとともに変態点を下げ、
耐ヒートチェック性を害するので上限を1.5％とした。

Crは耐熱鋼として要求される耐酸化性と耐食性を確保す
るために必要な元素であり、少なくとも15.0％以上含有
させる必要がある。しかし、Crを多量に含有させると冷
間鍛造性を損うとともにフェライト量が増加し必要な強
度が得られるなくなるため上限を18％とした。

Moは炭化物を形成し高温強度を高めるために有効な元素
であり、0.50％以上含有させる必要がある。しかし、多
量に含有させるとフェライト量が増加し強度が低下する
ので上限を2.0％とした。AlはAl₂O₃の保護皮膜を生成
し、耐酸化性を改善するとともに変態点を上げ、耐ヒー
トチェック性を高め、かつAlNを生成し、Ｎを固定する
ことによって冷間鍛造性を改善する元素であり、これら
の効果を得るには0.10％以上含有させる必要があり、下
限を0.10％とした。

しかし、Alを多量に含有させると、必要以上にAl₂O₃が
増加し、かえって冷間鍛造性を害するので上限を1.0％
とした。Ｖ、Ｗは炭化物を形成することによって高温強
度を高めるに有効な元素であり、この効果を得るには
Ｖ、Ｗともに0.20％以上含有させる必要があり下限0.20
％とした。

しかし、Ｖ、Ｗを多量に含有させても効果の向上が小さ
く、かつフェライト量が多くなることによって強度が低
下するので上限を1.0％とした。Ti、Nb、ZrはＣ、Ｎと
結合し、Ｃ、Ｎを固定化することによって冷間鍛造性を
改善する元素であり、いずれも0.75％以上含有させる必
要がある。

しかし、Ti、Nb、Zrを多量に含有させると強度が低下す
るので上限を3.0％とした。

（実施例） つぎに本発明鋼の特徴を従来鋼、比較鋼と比べて実施例
でもって明らかにする。

第１表はこれらの供試鋼の化学成分を示すものである。

第１表においてＡ〜Ｌ鋼は本発明鋼で、Ｍ〜Ｑ鋼は比較
鋼で、Ｒ鋼は従来鋼でSUH 616である。

そして、高周波誘導炉で第１表の化学成分を有する供試
鋼を溶解し、20kg鋼塊を製造した。第２表は前記鋼塊を
60φに鍛伸し、1050℃で１時間加熱したのち空冷し、つ
いで750℃で２時間加熱した後、空冷し、切削により試
験片を作製し、耐ヒートチェック性を測定しその結果を
示したものである。

試験片として、外径40φ×高さ８mm×内径上端８φ、下
端27φのテーパ孔を有するものを用い、試験条件とし
て、高周波加熱装置を使用し、加熱温度を800℃、900℃
とし、１サイクル38.5秒で急速加熱−強制空冷、100〜1
50℃で水冷という処理を施し、耐ヒートチェック性は面
焼きにより試験片のエッジ部に初期割れが発生するまで
の回数で評価した。

第２表から知られるように、従来鋼であるＲ鋼の初期割
れ発生までの加熱−冷却の繰り返し回数は800℃で43
回、900℃で24回と少なく、耐ヒートチェック性は低い
ものであり、また比較鋼であるＭ鋼の初期割れ発生まで
の回数は800℃で51回、900℃で28回と従来鋼と同様に低
いものであった。さらに比較鋼であるＰ鋼は800℃で85
回、900℃で51回と、従来鋼に比べて若干向上している
が満足し得るものではなかった。

従来鋼であるＲ鋼、比較鋼であるＭ、Ｐ鋼に対して、本
発明鋼であるＡ〜Ｌ鋼の初期割れ発生までの加熱−冷却
の繰り返し数は、800℃で112〜155回、900℃で65〜91回
と従来鋼に比べて800℃、900℃ともに３倍程度の繰り返
し数を示しており、本発明鋼であるＡ〜Ｌ鋼は従来鋼に
比べて優れた耐ヒートチェック性を有するものである。

また、第３表は前記と同様に溶製した20kg鋼塊を15φに
鍛伸し、前記と同一の熱処理を施した後切削加工によっ
て10φ×15mmの試験片を作製し、耐酸化性を測定しその
結果を示したものである。

試験方法として、前記試験片を磁性ルツボに入れ、大気
中で800℃、900℃、1000℃の各温度において20Hr連続加
熱した後、酸化増量を測定した。

第３表より知られるように、従来鋼であるＲ鋼の酸化増
量は800℃で0.459mg／cm²、900℃で12.37mg／cm²、1000
℃で43.4mg／cm²と各温度ともに多いものである。

また、比較鋼であるＭ鋼、Ｐ鋼の酸化増量については80
0℃において0.26mg／cm²以上、900℃において７mg／cm²
以上、1000℃において27mg／cm²以上と従来鋼と同様に
多く、Ｍ鋼、Ｐ鋼はともに耐酸化性については劣るもの
である。

これらに対して、本発明鋼であるＡ〜Ｌ鋼の酸化増量は
800℃で0.220〜0.106mg／cm²、900℃で6.12〜2.96mg／c
m²、1000℃で19.7〜10.6mg／cm²と従来鋼に比べて800
℃、900℃、1000℃ともに半分以下であり、本発明鋼で
あるＡ〜Ｌ鋼は従来鋼に比べて酸化増量が大幅に少なく
優れた耐酸化性を有するものである。

また、第４表は前記と同一方法で15φに鍛伸し、950℃
で３時間加熱した後、炉冷し、切削加工によって試験片
を作製し、焼なまし硬さと、絞りを測定し、その結果を
示したものである。

絞りについては、ＪＩＳ４号試験片を用いて測定したも
のである。

第４表から知られるように、従来鋼であるＲ鋼の硬さは
ＨＲＢ 91.5と高いものであり、絞りは53.8％と低いも
のであり、従来鋼は冷間鍛造性について劣るものであ
る。

また、比較鋼であるＭ鋼、Ｎ鋼、Ｑ鋼の硬さはＨＲＢ9
1.0〜92.7であり、絞りは52.1〜54.3％と従来鋼に比べ
て劣るものである。

これらに対して、本発明鋼であるＡ〜Ｌ鋼の硬さはＨＲ
Ｂ87.6〜75.5と従来鋼に比べて低いものであり、絞りは
64.6〜86.5％と従来鋼に比べて高いものであり、本発明
鋼であるＡ〜Ｌ鋼は従来鋼に比べて優れた冷間鍛造性を
有するものである。

前記のように、従来鋼であるＲ鋼が耐ヒートチェック
性、耐酸化性および冷間鍛造性が劣るものであり、かつ
比較鋼であるＭ鋼は耐ヒートチェック性、耐酸化性、冷
間鍛造性のいずれもが劣るものであり、また比較鋼であ
るＮ鋼、Ｑ鋼は冷間鍛造性、Ｐ鋼は耐ヒートチェック
性、耐酸化性が劣るものであるのに対して、本発明鋼で
あるＡ〜Ｌ鋼はいずれも耐ヒートチェック性、耐酸化
性、冷間鍛造性のいずれについても優れたものである。

（発明の効果） 上述のように本発明鋼は、800〜1000℃という高温域で
優れた耐ヒートチェック性、耐酸化性を有するものであ
り、かつ冷間鍛造性についても大幅に改善したものであ
り、本発明鋼はディーゼルエンジンの予燃焼室等の850
℃前後の高温酸化性雰囲気で使用する材料として好適な
マルテンサイト系耐熱ステンレス鋼であり高い実用性を
有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は800℃における割れ発生までの繰り返し数とAl
量との関係を示した線図で、第２図は焼なまし硬さとAl
量との関係を示した線図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量比にして、Ｃ0.15〜0.65％、Si0.60％
   以下、Mn1.0％以下、Ni0.20〜1.5％、Cr15.0〜18.0％、
   Mo0.50〜2.0％、Al0.10〜1.0％を含有し、残部Feならび
   に不純物元素からなることを特徴とするマルテンサイト
   系耐熱ステンレス鋼。
2. 【請求項２】重量比にして、Ｃ0.15〜0.65％、Si0.60％
   以下、Mn1.0％以下、Ni0.20〜1.5％、Cr15.0〜18.0％、
   Mo0.50〜2.0％、Al0.10〜1.0％を含有し、さらにＶ0.20
   〜1.0％、Ｗ0.20〜1.0％のうち１種ないし２種を含有さ
   せ、残部Feならびに不純物元素からなることを特徴とす
   るマルテンサイト系耐熱ステンレス鋼。
3. 【請求項３】重量比にして、Ｃ0.15〜0.65％、Si0.60％
   以下、Mn1.0％以下、Ni0.20〜1.5％、Cr15.0〜18.0％、
   Mn0.50〜2.0％、Al0.10〜1.0％を含有し、さらにTi0.75
   〜3.0％、Nb0.75〜3.0％、Zr0.75〜3.0％のうち１種な
   いし２種以上を含有させ、残部Feならびに不純物元素か
   らなることを特徴とするマルテンサイト系耐熱ステンレ
   ス鋼。