JPH08176745A

JPH08176745A - 耐熱鋳鋼

Info

Publication number: JPH08176745A
Application number: JP31970694A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kuwabara; 敏行桑原; Tetsuro Uno; 鉄郎宇野; Hideji Fujita; 秀嗣藤田
Original assignee: Asahi Tec Corp
Current assignee: Asahi Tec Corp
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1996-07-09

Abstract

(57)【要約】【目的】耐熱性の優れた材料でありながら、材料コス
トが安価で生産性が良好な耐熱鋳鋼を提供する。【構成】重量比率で、Ｃ：０．１０〜０．３０％，Ｓ
ｉ：０．７０〜２．００％，Ｍｎ：≦１．００％，Ｃ
ｒ：１５．００〜２５．００％，Ｗ：≦１．００％，Ｎ
ｂ：≦１．００％の各元素を含有し、残部はＦｅおよび
不可避不純物からなる組成を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば自動車用エン
ジンのエキゾーストマニホールドやターボチャージャの
タービンハウジング等の排気系部品に適した耐熱鋳鋼に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車用エンジンのエキゾースト
マニホールド等の排気系部品は、一般に高Si球状黒鉛鋳
鉄，ニレジスト球状黒鉛鋳鉄等により形成されている。

【０００３】しかし、近時の自動車用エンジンの高出力
化，低燃費化の中で、より耐熱性の優れた材料の使用が
望まれている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、耐熱性の優
れた材料としては、高Ni高Cr系のオーステナイト系耐熱
鋳鋼やNi基Co基の超合金が知られているが、前者は熱膨
張率が大きく，かつ機械加工性等の生産性が良くなく材
料コストが高価である。また、後者においても、鋳造性
等の生産性が良くないうえ、材料コストが著しく高価で
あるため、実用性の点で問題がある。

【０００５】この発明は、このような事情に基づいてな
されたもので、耐熱性の優れた材料でありながら、材料
コストが安価で生産性が良好な耐熱鋳鋼を提供すること
を目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、重量比率で、Ｃ：０．１０
〜０．３０％，Ｓｉ：０．７０〜２．００％，Ｍｎ：≦
１．００％，Ｃｒ：１５．００〜２５．００％，Ｗ：≦
１．００％，Ｎｂ：≦１．００％の各元素を含有し、残
部はＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有すること
を特徴とする耐熱鋳鋼である。

【０００７】また、請求項２記載の発明は、重量比率
で、Ｃ：０．１０〜０．３０％，Ｓｉ：０．７０〜２．
００％，Ｍｎ：≦１．００％，Ｃｒ：１５．００〜２
５．００％，Ｗ：≦１．００％，Ｎｂ：≦１．００％の
各元素およびＣｏ：≦０．１０％のＣｏを含有し、残部
はＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有することを
特徴とする耐熱鋳鋼である。

【０００８】

【作用】請求項１あるいは請求項２に記載した耐熱鋳鋼
は、いずれもフェライト系の金属組織を形成するので、
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、良好な耐熱性を発揮することができるとともに、比
較的安価で生産性も良好である。

【０００９】以下、各元素についての組成範囲の限定理
由について説明する。

【００１０】(1)Ｃ：０．１０〜０．３０％Ｃは高温強度を高めるためにある程度高めることは有効
であるが、一方酸化減量を抑えるため，および常温強度
を低めず常温での伸びを小さくして鋳造品の割れ防止の
ためにもＣを０．３０％以下とした。

【００１１】また、Ｃを低めると溶湯の流動性を悪くす
るので、Ｃ量を０．１０％以上とした。

【００１２】(2)Ｓｉ：０．７０〜２．００％ＳｉはSiO₂被膜を作り、耐酸化性を向上させ、鋳造性も
改善する効果があるが、高温での強度を低下させるの
で、２．００％以下とした。

【００１３】また、Ｓｉの下限値を０．７０％としたの
は、溶湯の流動性が悪くなること，および常温における
靭性を低下させるからである。

【００１４】(3)Ｍｎ：≦１．００％Ｍｎは適量の添加で脱酸効果およびＳの害を抑える効果
を有するが、高温における強度低下を来すので１．０％
以下とした。

【００１５】なお、本願において、Ｍｎの添加されない
ものは包含しない。

【００１６】(4)Ｃｒ：１５．００〜２５．００％Ｃｒは本願の発明の最重要構成元素であり、フェライト
組織生成のためには、１５．００％以上を添加すること
が必要である。また、Ｃｒ量が増加するに従い，耐酸化
性は向上するが、溶湯の流動性が低下し，凝固収縮率が
増加するため鋳造性が悪くなる。Ｃｒ量が２５％を越え
ると常温の強度，靭性を害するようになるため２５．０
０％以下とした。

【００１７】(5)Ｗ：≦１．００％Ｗは耐熱疲労性，高温強度を向上させる最重要元素であ
るが、常温強度を損なうとともに高価な材料であるので
１．００％以下とした。

【００１８】なお、本願において、Ｗの添加されないも
のは包含しない。

【００１９】(6)Ｎｂ：≦１．００％Ｎｂは、Ｃｒに優先して炭化物を形成し、しかも高温に
おける二次炭化物の析出を抑制し、耐酸化性を向上さ
せ、かつ高温強度を向上させる効果を有するが、１．０
０％を越えると多量の炭化物の析出により常温の強度を
著しく害する。

【００２０】また、Ｎｂは高価な材料であるので１．０
０％以下とした。

【００２１】なお、本願においてＮｂの添加されないも
のは包含しない。

【００２２】(7)Ｃｏ：≦０．１０％ＣｏはＣと結合して微細な炭化物を形成して常温，高温
の引張強度を向上させる効果があり、さらに熱疲労性を
著しく改善する効果が認められる。

【００２３】Ｃｏの上限値を０．１０％としたのは、Ｃ
ｏが高価な材料であり、材料費が過度に高価となるのを
防止するためである。

【００２４】なお、本願においてＣｏが添加されないも
のは請求項１の対象であり、請求項２においてはＣｏが
添加されないものは包含されない。

【００２５】

【実施例】以下、この発明を実施例に基づき説明する。

【００２６】まず、表．１および表．２において、この
発明の実施例の耐熱ステンレス鋳鋼の化学組成を重量％
で示す。

【００２７】なお、これらの表．１および２において、
例えば実１とは実施例１を意味するものであり、各実施
例において残部は実質的にＦｅである。

【００２８】これらの実施例１から実施例１２の耐熱ステンレス鋳鋼
は、いずれも鋳造によりフェライト系の金属組織を形成
するものであり、これらの各実施例はいずれもフェライ
ト系耐熱ステンレス鋳鋼である。

【００２９】これらの各実施例の添加元素の選択等につ
いては、次のような事柄を考慮したものである。

【００３０】すなわち、例えば、自動車用エンジンのエ
キゾーストマニホールドやターボチャージャのタービン
ハウジング等の排気系部品に適した耐熱鋳鋼において
は、高温において熱疲労に耐えること，および高温下で
の耐酸化性に優れていることが必要である。

【００３１】自動車用エンジンにおいては、起動・停止
の繰り返しや，急速起動により過酷な熱サイクルを受け
るため、熱応力や熱歪みを発生し、熱疲労となって亀裂
を生じ破損に至る。

【００３２】したがって、熱疲労の寿命を長期化するた
めには、熱膨張係数が小さく，熱サイクルによる歪み
量が小さいこと、変形抵抗が小さいこと、破壊抵抗
が高いことが好ましいものである。

【００３３】これらの条件を念頭において耐熱性ステン
レス鋼の物性を調査してみると、フェライト系耐熱ステ
ンレス鋼がオーステナイト系耐熱ステンレス鋼より熱疲
労の寿命が長期化すると考えられる。

【００３４】また、高温下での耐酸化性については、耐
熱性ステンレス鋼の耐酸化性は主にＣｒの作用によるも
のであり、Ｃｒが高くなると，微細な酸化スケール（Fe
O,Cr₂O₃）と母地（マトリックス）との境界面にCr₂O₃層
が現れ、内部からの金属イオンの外部への拡散を妨げて
耐酸化性に寄与することとなる。

【００３５】逆に、このスケールに割れや剥がれを生じ
ると、酸化が促進されるので材質の熱膨張率は耐酸化性
に大きく影響する。

【００３６】とくに、断続加熱の場合には、スケールの
割れや剥がれが生じやすいので、フェライト系の方がオ
ーステナイト系に比べてスケールが剥がれにくく耐酸化
性が優れたものとなりうる。

【００３７】これらの観点の下で各実施例に添加すべき
成分元素，および添加量については次のような方針に基
づいて決定したものである。

【００３８】すなわち、添加すべき成分元素として、Ｗ
は耐熱疲労性，高温強度を向上させるものであり、Ｎｂ
は、Ｃｒに優先して炭化物を形成し、しかも高温におけ
る二次炭化物の析出を抑制し、耐酸化性を向上させ、か
つ高温強度を向上させるものであるので採用することと
した。

【００３９】さらに、ＣｏはＣと結合して微細な炭化物
を形成して常温，高温の引張強度を向上させるととも
に、熱疲労性を著しく改善するので追加的に添加すべき
成分元素として採用することとした。

【００４０】その一方、成分元素の添加量については、
一般に成分元素の添加量が多いと鋳造時に割れ，ひけ等
の鋳造欠陥が多発するおそれがあるので、各実施例にお
いては成分元素の添加量はできるだけ少なく設定するこ
ととして、前記鋳造欠陥の防止を図ることとした。

【００４１】そして、成分元素としてのＷやＮｂはとく
に高価な材料であるので、材料費を安価に維持する意味
からもこれらのＷやＮｂの添加量を少なくし、このよう
にＷやＮｂの添加量が少ないものであっても高温強度等
の物理的性質を十分に維持するようその他の成分元素を
調整することとしたものである。

【００４２】なお、各実施例による鋳造品は、使用温度
範囲内に金属組織上の変態点が存在せず、また熱膨張の
大きいオーステナイト組織およびマルテンサイト組織が
存在せず、フェライト相およびフェライト相と炭化物相
との混在組織により構成されるものである。

【００４３】一方、表．３には、自動車用エンジンの排
気系部品等に用いられる，公知の比較例についての化学
成分を重量％で示す。表．３において、例えば比１は比
較例１を意味するものであり、各比較例において残部が
実質的にＦｅであることは前記表．１および２と同様で
ある。

【００４４】これらの比較例はいずれも自動車用排気系部品に使用さ
れるもので、比較例１は高Si球状黒鉛鋳鉄の例であり、
比較例２はニレジスト球状黒鉛鋳鉄の例である。

【００４５】比較例３はフェライト系ステンレスJIS,SU
S430相当の鋳鋼である。

【００４６】前記の各実施例と比較例とを用いて鋳造に
より、JIS規格のＹ型供試材を作成することとし、鋳造
にあたっては50kg用高周波誘導炉を用いて大気溶解し、
Ｙ型供試材用鋳型に鋳込んで作成した。

【００４７】このようにして得られた各実施例と各比較
例とについて、必要な処理等を行なったうえで、次のよ
うな試験を行なった。

【００４８】各実施例のフェライト系ステンレス鋳鋼に
ついては、前記のようにして得られた供試材を、900〜1
000℃の炉内雰囲気を持つ汎用性の炉内に1〜2時間保持
した後徐冷した。前記比較例１および２については鋳放
しのまま供試材とし、比較例３は800℃で2時間保持した
後、徐冷し、650℃以下の温度より空冷を行なって供試
材を得た。

【００４９】これらの処理をした供試材を用いて、以下
の評価試験を行なった。

【００５０】(1)室温引張試験標点間距離が35mm，標点間の直径を10mmとした丸棒試験
片（準JIS4号試験片）を用いて各実施例および各比較例
についての室温引張強度を測定した。

【００５１】(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、850℃の温度条件で引張強度を測定した。
なお、比較例１については800℃の温度条件で行なった
測定結果を示す。

【００５２】(3)熱疲労試験標点間距離が15mm,標点間の直径が10mmの丸棒試験片を
用いて、加熱−冷却による伸び，縮みを完全に拘束した
状態で加熱−冷却サイクルを繰り返し熱疲労破壊を生じ
させ、熱疲労試験とした。

【００５３】なお、加熱−冷却サイクルは、下限温度を
200℃，上限温度を900℃として、各サイクルを720秒と
して、電気−油圧サ−ボ方式の熱疲労試験機を用いて行
なった。

【００５４】(4)酸化試験長さ30mm,幅20mm,厚さ3mmの板状試験片を、900℃の大気
雰囲気下で200時間保持し、試験前の重量と試験後表面
の酸化物をワイヤブラシで除去した重量とを測定し、単
位面積あたりの酸化減量を求めて耐酸化性の評価を行な
った。

【００５５】以上の各試験の結果は表．４〜表．７に示
すとおりであり、表．４は実施例についての常温強度
を、表．５は実施例についての高温強度を、表．６は実
施例についての熱疲労試験および酸化減量試験の結果を
それぞれ示すものであり、表．７は比較例についての各
試験結果をまとめて示すものである。

【００５６】これらの表においても例えば実１や比１等
が実施例１や比較例１等を意味することは前記と同様で
ある。

【００５７】以上の評価試験の結果からあきらかなように、前記各実
施例は概ね各比較例と同等の常温強度，高温強度であ
り、熱疲労および酸化減量の面から各比較例より優れた
耐熱性を有することがわかる。

【００５８】そして、これらの各実施例は、いずれもフ
ェライト系耐熱ステンレス鋳鋼であって比較的安価なＣ
ｒ元素をベースとしており、Ｗ，Ｎｂ，Ｃｏ等の高価な
成分元素の添加量が少ないので、そのコストは比較的安
価である。

【００５９】また、本願の各実施例は普通鋳鋼程度の鋳
造性であることが判明していること、押湯，湯口の除去
をネックダウンで容易に可能であることにより、生産性
が良好であって、一般的な鋳造設備により行なうことが
可能であることからも製造コストが安価である。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１あるいは
請求項２に記載した耐熱鋳鋼は、いずれもフェライト系
の金属組織を形成するので、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、良好な耐熱性を発揮す
ることができる。

【００６１】そして、請求項１記載の発明によれば、高
価な材料である，成分元素としてのＷやＮｂについて、
その添加量を少なくしつつ高温強度等の物理的性質を十
分に維持するようその他の成分元素を調整してあるので
比較的安価であり、鋳造欠陥も生じにくいので生産性も
良好である。

【００６２】また、請求項２記載の発明によれば、高価
な材料である，Ｃｏについても同様にその添加量が少な
く、比較的安価であり、鋳造欠陥も生じにくいので生産
性が良好である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比率で、Ｃ：０．１０〜０．３０
％，Ｓｉ：０．７０〜２．００％，Ｍｎ：≦１．００
％，Ｃｒ：１５．００〜２５．００％，Ｗ：≦１．００
％，Ｎｂ：≦１．００％の各元素を含有し、残部はＦｅ
および不可避不純物からなる組成を有することを特徴と
する耐熱鋳鋼。
【請求項２】重量比率で、Ｃ：０．１０〜０．３０
％，Ｓｉ：０．７０〜２．００％，Ｍｎ：≦１．００
％，Ｃｒ：１５．００〜２５．００％，Ｗ：≦１．００
％，Ｎｂ：≦１．００％の各元素およびＣｏ：≦０．１
０％のＣｏを含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物か
らなる組成を有することを特徴とする耐熱鋳鋼。