JPH0987796A - 耐熱球状黒鉛鋳鉄 - Google Patents
耐熱球状黒鉛鋳鉄Info
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- JPH0987796A JPH0987796A JP24648995A JP24648995A JPH0987796A JP H0987796 A JPH0987796 A JP H0987796A JP 24648995 A JP24648995 A JP 24648995A JP 24648995 A JP24648995 A JP 24648995A JP H0987796 A JPH0987796 A JP H0987796A
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Abstract
性、耐熱亀裂性に優れたターボチャージャーハウジング
やエキゾーストマニホルドを安価に得ることができる、
耐熱球状黒鉛鋳鉄を提供することである。 【解決手段】 重量比でC2.7〜3.2%、Si4.
4〜5.0%、Mn0.6%以下、Cr0.5〜1.0
%、Ni0.1〜1.0%、Mo1.0%以下、球状化
処理剤0.1%以下、残部実質的にFeよりなり、基地
組織がフェライト相主体で、黒鉛が球状化しており、耐
酸化性、耐熱亀裂性に優れた自動車用エンジンの排気系
部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄である。
Description
される使用条件で、耐酸化性、耐熱亀裂性に優れた耐熱
球状黒鉛鋳鉄の改良に関するものである。本発明は例え
ば自動車用エンジンの排気系部品であるターボチャージ
ャーハウジング、エキゾーストマニホルドなどに利用す
ることができる。
としてターボチャージャーハウジング、エキゾーストマ
ニホルドがある。これらの部品は排気ガスにより繰り返
し高温にさらされるため高い耐酸化性、耐熱亀裂性が要
求されている。そこで従来のターボチャージャーハウジ
ングやエキゾーストマニホルドにはSiを4%前後に増
量して耐酸化性を改善した高Si球状黒鉛鋳鉄(例えば
特公昭60−53736号公報、特公昭60−1781
9号公報等)が主に使用されている。
各国の環境規制に伴い、現状より更に排気ガス温度が上
昇し、そのため排気系部品に一層の耐酸化性、耐熱亀裂
性が要求され始めている。これらの要求に対応するため
にNiを20〜35%添加したオーステナイト球状黒鉛
鋳鉄、あるいはCrを18%以上添加したフェライト系
またはCrを18%以上、Niを8%以上添加したオー
ステナイト系のステンレス鋳鋼やステンレス鋼管によっ
て製作されたターボチャージャーハウジング、エキゾー
ストマニホルドが増加している。
鋳鉄は製造が容易で、安価に得ることが可能であるが、
耐酸化性、耐熱亀裂性に限界があり、排気ガスの高温化
に対応することが出来ない。また、より高温の条件に対
応が可能なオーステナイト球状黒鉛鋳鉄、ステンレス鋳
鋼あるいはステンレス鋼管等の材質はNi、Crなどの
金属を大量に添加するため高価であり、鋳造や溶接に関
して難易度の高い製造技術を必要とする。さらに材質は
難削材となり加工に関しても高度の技術を要し、コスト
アップの要因となる。本発明は上記した実情に鑑みなさ
れたものであり、その目的は繰り返し高温にさらされる
条件下で耐酸化性、耐熱亀裂性に優れたターボチャージ
ャーハウジングやエキゾーストマニホルドを安価に得る
ことができる、耐熱球状黒鉛鋳鉄を提供することにあ
る。
黒鉛鋳鉄は重量比で、C2.7〜3.2%、Si4.4
〜5.0%、Mn0.6%以下、Cr0.5〜1.0
%、Ni0.1〜1.0%、Mo1.0%以下、残部実
質的にFeよりなり、Mg、Ca、Ce等の黒鉛球状化
剤を、処理終了後に0.1%以下となるように計量添加
して黒鉛球状化処理を行なったものである。
の温度条件に基づいて熱処理を行うことにより、基地組
織をフェライト相主体にしている。すなわち、図1にお
いて、製品を930℃に保持することにより、基地組織
中のパーライト相を形成するセメンタイトを分解してオ
ーステナイト化し、熱処理炉内で徐冷して720℃で保
持することによりフェライト相の生成を促す。この熱処
理により基地組織をフェライト相を主体とすることが可
能となる。基地組織をフェライト相主体とする効果とし
て、耐熱亀裂性、高温での寸法安定性、被削性に有利と
なる点が挙げられる。
球状黒鉛鋳鉄は、従来の高Si球状黒鉛鋳鉄よりも優れ
た耐酸化性、耐熱亀裂性を示し、従来の高Si球状黒鉛
鋳鉄熱と同等の鋳造性、被削性を確保できるため、極め
て実用的価値大である。以下、本発明による耐熱球状黒
鉛鋳鉄の成分範囲(重量%)の限定理由について説明す
る。
な球状黒鉛鋳鉄ではC3.5%、Si2.5%が標準的
な組成である。本発明では後述するようにSi含有量を
高く設定するため、以下に従ってC含有量を決定した。
即ち、C含有量は炭素当量CE=C%+0.31Si%
=4.3〜4.5を満足するため、2.7〜3.2%を
目標とする。その理由として、CE値が4.3未満では
亜共晶組成となり、ピンホール欠陥が発生し易く、また
CE値が4.5を越えると過共晶組成になり過ぎ、カー
ボンドロス(黒鉛の偏析)が発生し易くなる。そのた
め、2.7〜3.2%にC含有量の範囲を設定する。
鉛化、基地のフェライト化に効果がある。一般的な球状
黒鉛鋳鉄ではC3.5%、Si2.5%が標準的な組成
である。また高いSi球状黒鉛鋳鉄では耐酸化性を向上
する目的で4.0%前後添加される。本発明では従来の
高Si球状黒鉛鋳鉄より、更に耐酸化性を向上させる目
的でSi含有量の下限を4.4%とする。また、Si含
有量が過多であると材質が脆くなる弊害が発生するため
上限を5.0%とする。
化して影響を除外するため、球状黒鉛鋳鉄の製造に必要
不可欠な元素であるが、同時に基地のパーライト化を促
進して耐熱亀裂性を低下させるため、その上限を0.6
%とする。さらに好ましくは0.4%以下の成分範囲と
する。
例えば高温使用を目的として耐酸化性および高温強度向
上のため使用される場合がある。またステンレス鋳鋼、
ステンレス鋼管にはフェライト系、オーステナイト系共
に18%以上添加されるが、炭化物の発生で鋳造性や被
削性を低下させる要因となる。本発明では耐酸化性の向
上およびフェライト基地の強化による耐熱亀裂性向上を
目的とし、0.5%以上添加する。但しその添加量が多
くなり過ぎると、炭化物の増加などにより硬度が高くな
って被削性を損なう弊害が発生するため上限を1.0%
とする。
ける引張強さ、耐力の強化が挙げられ、例えばニレジス
ト鋳鉄の製造に20〜35%、オーステナイト系ステン
レス鋳鋼に10〜20%程度の割合で添加されるが、高
価な金属であるため、これらの材料のコストアップの要
因となっている。本発明では高温における引張強さ、耐
力の強化により耐熱亀裂性を向上する目的で0.1%以
上添加する。但しその添加量が多くなり過ぎると、基地
のパーライト化傾向が強くなるため上限を1.0%とす
る。また添加が少量であるため、コストアップ要因とは
ならない。
して耐熱亀裂性を向上する目的で添加することができ
る。但しその添加量が多くなり過ぎると、炭化物の増加
などにより、硬度が高くなって被削性を損なう弊害が発
生するため上限を1.0%とする。
(カルシウム)、Ce(セリウム)等を用いることがで
きるが、例えばMgの場合、含有量が多すぎると炭化物
の発生やドロス(酸化物の巻き込み)欠陥の発生が見ら
れるため、黒鉛球状化処理後の含有量が0.1%以下と
なるように、歩留まりを計算して用いることが望まし
い。
下させるため、0.1%以下とするのが望ましい。
阻害するため、0.04%以下とするのが望ましい。
の実施の形態について、実施例に基づき比較材と共に説
明する。
鉄の戻り屑を、300kg高周波誘導炉を用いて溶解温
度1500℃で溶解し、更にFe−Si、Fe−Cr、
Fe−Moの各合金とNi地金を用いて成分調整を行な
った。次に鋼板屑によるカバー材と共にFe−Si−M
g合金を設置した取鍋内に溶湯を注入してサンドイッチ
法による球状化処理を行なった。そして球状化処理の反
応が停止後、直ちにYブロック鋳型に注湯を行なった。
この際、取鍋内あるいは注湯の流れ中にFe−Si合金
粉末を添加して接種を行なった。以上の鋳造作業によ
り、表1に示す組成を有する本発明に係わる試片No.
1〜6並びに比較材としての試片7(従来の高Si球状
黒鉛鋳鉄)を得た。以上の試片1〜7は、図1に示す温
度パターンによって熱処理され、フェライト相化された
基地組織を得た後に、所定の形状に加工され試験に供さ
れた。
マトリックス組織全体を100%としたときパーライト
相が組織に占める面積比を示し、組織の残部はフェライ
ト相となる。表1の結果から見ると、本発明材である試
片No.1〜6のパーライト率は従来の高Si球状黒鉛
鋳鉄(試片No.7)と同等かやや高い程度であり、基
地組織のフェライト相化に問題はない。また、本発明材
である試片No.1〜6のブリネル硬度は、従来の高S
i球状黒鉛鋳鉄と同等かやや高い程度であり被削性は同
等である。
る試片No.1〜6の断面組織写真(倍率:400倍)
を示す。図3の(G)に表1に示す比較材としての試片
No.7(公知の高Si球状黒鉛鋳鉄相当材)の断面組
織写真(倍率:400倍)を示す。図2と図3に示す断
面組織写真において、黒色球状のものは黒鉛、白色部分
はフェライト相、縞状部分はパーライト層である。本発
明材である試片No.1〜6の基地組織は、比較材であ
る試片No.7と同様にフェライト相を主体とすること
は図の写真から明らかである。表1に示す本発明材とし
ての試片No.1〜3は比較材としての試片No.7
(公知の高Si球状黒鉛鋳鉄相当材)に、Cの減量とS
iの増量およびCr、Niの添加、Moの減量を行なっ
たものであり、試片No.4は比較材としての試片N
o.7にCの減量とSiの増量およびCr、Niの添加
を行なったものである。さらに、試片No.5、6は比
較材としての試片No.7にCの減量とSiの増量およ
びCr、Niの添加、Moの増量を行なったものであ
る。
における耐酸化性を評価するために、酸化試験を行なっ
た。酸化試験は保持温度を800℃、850℃の2水準
とし、昇温12分〜保持6分〜降温20分を1サイクル
として断続加熱を250サイクル繰り返し、酸化減量の
測定を行なった。その結果を図4に示す。図4の棒グラ
フにおいて白地にハッチングは800℃、黒地にハッチ
ングは850℃における結果を表す。
減量の改善が見られ、従来材である試片No.7の酸化
減量は800℃において約45(mg/cm2 )である
のに対し、特に試片No.1、2の酸化減量は10〜1
5(mg/cm2 )となり改善が顕著であった。この結
果は850℃においても同様で、従来材である試片N
o.7の酸化減量約60(mg/cm2 )に対し、本発
明材の試片No.1、2では酸化減量6〜16(mg/
cm2 )と改善され、従来材と比較してより高温に対応
できることは明らかである。以上の結果は従来材である
試片No.7(公知の高Si球状黒鉛鋳鉄)に対し、S
iの増量およびCrの限定した添加を行なって耐酸化性
を改善した効果であり、本発明の優位性を示すものであ
る。
る耐熱亀裂性を評価するために、熱疲労試験を行なっ
た。熱疲労試験は電気−油圧サーボ式熱疲労試験機を用
い、図5に示す丸棒試験片(以下TPという。)の平行
部を繰り返し加熱冷却し、試験片の伸び縮みを機械的に
拘束して生ずる歪みにより試験片を破断させることによ
り行なった。評価は試験片が破断するまでの加熱冷却の
繰り返し回数で行なった。図5中に記載の各数値はこの
TPの寸法(mm)を示す。
温度を800℃とし、昇温2分〜保持1分〜降温4分を
1サイクルとした温度サイクルで加熱冷却を行ない、各
試験片の拘束率は0.25とした。ここで拘束率は以下
の式によって求められる値である。 拘束率=(自由伸び−拘束伸び)/自由伸び 実際の自動車エンジンの排気系部品の拘束率は0.1〜
0.4程度になると推定されるため、本実施例の熱疲労
試験では拘束率を0.25と設定した。試験の結果を図
6の棒グラフに示す。従来材である試片No.7は熱疲
労寿命が約440回であるのに対し、特に発明材である
試片No.2の熱疲労寿命は1250回と3倍近くに寿
命が伸びており耐熱亀裂性が向上していることは明らか
である。その他の発明材においても、従来材の約2倍以
上の熱疲労寿命を有しており耐熱亀裂性は改善されてい
る。
した場合の耐熱亀裂性を確認するために、図7に示す1
20°ベンド管を、発明材で試片No.1〜6および従
来材である試片No.7で製作した。この120°ベン
ド管の両端フランジを固定し、管内部に燃焼ガスを流し
て実際のエキゾーストマニホルドと同様のサイクル加熱
で耐久試験を行ない、耐熱亀裂性の評価を試みた。試験
の温度サイクルは下限温度を150℃、上限温度を80
0℃とし、加熱5分〜冷却4分を1サイクルとして耐久
試験を行なった。この場合、拘束率は0.35に相当し
た。試験の結果を図8に示す。従来材である試片No.
7による120°ベンド管の熱疲労寿命は約150回
で、これに対し発明材である試片No.1〜6による1
20°ベンド管の熱疲労寿命は図8に示す通り、従来材
と同等以上の耐熱亀裂性を示した。特に本発明材のう
ち、試片No.4からなる120°ベンド管の熱疲労寿
命は520回と、熱疲労寿命の伸びが顕著である。以上
の効果は従来材である試片No.7に対してCrおよび
Niを限定して添加を行ない、高温の引張強さ、耐力を
改善した効果であり、本発明の優位性を示すものであ
る。
黒鉛鋳鉄は、Siの増量およびCr、Niの限定添加の
効果により、800℃〜150℃といった繰り返し熱負
荷を受ける環境下で、従来の高Si球状黒鉛鋳鉄より優
れた耐酸化性、耐熱亀裂性を持つことは明らかである。
また従来の高Si球状黒鉛鋳鉄と鋳造性、被削性が同等
で容易に製造が可能であり、極めて実用的価値が大き
い。本発明材を自動車用エンジンの排気系部品であるタ
ーボチャージャーハウジング、エキゾーストマニホルド
等に利用した場合、従来の高Si球状黒鉛鋳鉄では対応
が出来なかった排気ガスの高温化に対応することが可能
となり、従来排気ガスの高温化に対処するため使用され
てきたオーステナイト球状黒鉛鋳鉄やステンレス鋳鋼の
ような高級材料に比べ、安価にターボチャージャーハウ
ジングやエキゾーストマニホルドを提供することが可能
となる。
理サイクルを示す図である。
(倍率:400倍)を示す図である。
0倍)を示す図である。
フである。
験片の形状を示す図である。
験の結果を示すグラフである。
120°ベンド管の形状を示す図である。
験結果を示すグラフである。
Claims (2)
- 【請求項1】 重量比でC2.7〜3.2%、Si4.
4〜5.0%、Mn0.6%以下、Cr0.5〜1.0
%、Ni0.1〜1.0%、Mo1.0%以下、球状化
処理剤0.1%以下、残部実質的にFeよりなる耐酸化
性、耐熱亀裂性に優れた自動車用エンジンの排気系部品
用の耐熱球状黒鉛鋳鉄。 - 【請求項2】 基地組織をフェライト相主体とし、黒鉛
が球状化していることを特徴とする請求項1記載の組成
の耐酸化性、耐熱亀裂性に優れた自動車用エンジンの排
気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄。
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JP24648995A JP3821310B2 (ja) | 1995-09-25 | 1995-09-25 | 耐熱球状黒鉛鋳鉄 |
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JP24648995A JP3821310B2 (ja) | 1995-09-25 | 1995-09-25 | 耐熱球状黒鉛鋳鉄 |
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JPH0987796A true JPH0987796A (ja) | 1997-03-31 |
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JP24648995A Expired - Fee Related JP3821310B2 (ja) | 1995-09-25 | 1995-09-25 | 耐熱球状黒鉛鋳鉄 |
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- 1995-09-25 JP JP24648995A patent/JP3821310B2/ja not_active Expired - Fee Related
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