JPS6012417B2 - 耐熱性球状黒鉛オ−ステナイト鋳鉄 - Google Patents

耐熱性球状黒鉛オ−ステナイト鋳鉄

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JPS6012417B2
JPS6012417B2 JP12717781A JP12717781A JPS6012417B2 JP S6012417 B2 JPS6012417 B2 JP S6012417B2 JP 12717781 A JP12717781 A JP 12717781A JP 12717781 A JP12717781 A JP 12717781A JP S6012417 B2 JPS6012417 B2 JP S6012417B2
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/02Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • F02B1/04Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder

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  • Refinement Of Pig-Iron, Manufacture Of Cast Iron, And Steel Manufacture Other Than In Revolving Furnaces (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は耐熱性にすぐれたNi−Mn−Si系オース
テナィト組織の球状黒鉛鋳鉄に係る。
近年ディーゼルエンジンやガソリンエンジンの高出力化
に伴ない排気ガス温度が上昇し、これに伴なつてターボ
チャージヤケーシングの使用条件もきびしくなって来て
いる。
このため従来使われて来た球状黒鉛鋳鉄や珪素含有量の
高い耐熱球状黒鉛鋳鉄ではターボチャージャケーシング
材料としては不充分になり、その代りにオーステナィト
基地組織のニレジスト球状黒鉛鋳鉄が使用されるように
なって来た。然しながら周知のとおりニレジスト鋳鉄に
はNiが多量に配合されており、そのうちでも最も安価
なASTM規格のニレジストD2でさえNiが18〜2
0%含まれている。従ってNiの一部をオーステナィト
形成元素であるMnで置き替えることによってNiの使
用量を減らすことができれば材料費を大幅に低減できる
ことになる。従来もNiのほかにMnを添加して基地を
オーステナィト組織とした鋳鉄は知られている(例えば
DINQ℃一Ni・Mn137,Q℃一Ni一Mn23
4)。
しかしながらこれらはオース・テナィト組織を得るため
Ni,Mn,Si含有量の相互的な関係を定めたもので
はなく、またSjの靭性に対する効果を考えていない。
従って、単にかたい遊離炭化物の晶出によって切削性や
耐食性が阻害されるという理由で非磁性用材料として使
用されているに過ぎない。Ni含有量がこれらのオース
テナィト鋳鉄よりも少なく、Mnが3%以上含有され、
かつSi含有量が3.5%を超えるオーステナィト鋳鉄
は見当らない。ところで鋳鉄にMnを多量に添加すると
比較的大きなMn炭化物が形成され易く、銭放しのまま
では硬さが高く、伸びも悪くなり、或いはN;を少なく
したため基地組織が不安定になり易い。従って加工によ
ってマルテンサィト変態を起し易く、切削性が悪い等の
問題点がある。本発明は上記のような各種問題点を解決
するオーステナィト基地の球状黒鉛鋳鉄を提供すること
を目的とし、C2.0〜3.8%、Mn3〜15%、N
j4〜32%、Si3.5〜7%で、かつ【ィ} Si
3.5%超、4.21%以下の範囲で(Ni+7)(M
n+3)≧1$i+65Ni−o‐肌≧輩−8 の両式で示される範囲内のNiおよびMn含有量、なら
びに{o} Si4.21%超「 7%以下の範囲で、
(Ni+7)(Mn十3)ZIるi+65Siミ○‐0
5(Ni−○.虫いn)2十4.2の両式で示される範
囲内のNiおよびMn含有量、ならびにCa,Mgおよ
び希士類元素(REで示す)より成る黒鉛球状化処理元
素のうち一種もしくは二種以上を0.2%以下、残部実
質的にFeおよび不純物より成る伸びが大きく、耐熱性
良好な球状黒鉛オーステナィト鋳鉄に係る。
(なお本明細書ではパーセントは重量パーセントを示す
。)本発明に係るオーステナィト鋳鉄においてはC含有
量は2.0〜3.8%とする。これが2%より少なくて
は鋳造性が悪くなるし、一方これが多くなるに従って晶
出する黒鉛量が多くなり機械的性質を損なうようになる
ので3.8%を上限とする。Mn含有量について言えば
本発明ではNjの一部をMnで置きかえてNiの使用量
を減らすことを目的としており、後述するようにMnの
Ni当量は0.5であるからMn量が余りに少なくては
認めるほどのNiの節約にはならない。よってMn含有
量は3%以上とし、また多過ぎてはMn炭化物が多量に
析出して機械的性質を低下させるので上限は15%とす
る。Ni含有量は4%以下では伸びが5%以下になるの
で下限は4%とし、一方従来のオーステナイト鋳鉄では
Ni含有量の上限を36%とするものもあるが、本発明
ではNiと共存するMn,Siの効果からNiの節約を
目的としており、Niを30%以上としても耐熱性や機
械的性質の改善はそれに比例して大きくはならず、かえ
って価格の上昇を来たすだけなので本発明においてはN
i含有量の上限は32%とし、好ましくは30%とする
Si含有量については後述する第3〜4図から判るよう
におよそSi3.5%以上で本願鋳鉄の機械的性質に及
ぼすMn炭化物の影響を緩和する効果が認められる。
一方、これが7%以上になるとSj・Mn炭化物が多く
なり過ぎ、第4図からも明らかなように伸びが著しく低
下するようになるので7%を上限とする。そのほかに本
発明のオーステナィト鋳鉄は球状黒鉛鋳鉄であり、Ca
,Mg、希士類元素等の球状化処理元素の一つまたは二
つ以上を0.2%以下含有している。
更に不純物としておよそPO.04%以下、SO.02
%以下含有することは通例のとおりである。
本発明に係る鋳鉄では伸びを5%以上とする。
その理由は本鋳鉄は排気ガス圧力や熱サイクル等厳しい
条件にさらされる例えばターボチャージャケーシングの
材料として使用されることを考慮して、これら条件に充
分耐えるだけの級■性が必要である。従って伸びの最低
限を5%とするのが適当であると判断されたからである
。籾て上記のようなCおよびSi,Mn,Niそれぞれ
単独に限定された含有範囲内でSi,Mn,Ni三者が
協同して存在する本発明に係るオーステナィト鋳鉄の組
成範囲は次のとおりである。
まず本願鋳鉄をオーステナィト組織とする要件について
述べる。
本発明者はC2.0〜3.8%の範囲内でNi,Mn,
Sj含有量と基地組織との関係を定量的に求めることに
ついて種々研究し、常温でオーステナィト組織であり、
鉾放しまたは熱処理によって十分な伸びが得られ、かつ
耐熱性良好なNi,Mn,Si組成領域を相互に関連さ
せて求める方法を開発した。ところで合金元素の種類と
その含有量から鉄鋼の基地組織を判定するシェフラー組
織図は鋳鉄に対してはC含有量が多いため使用すること
ができない。
通例、鋳鉄にはNi当量の計算式からCの項を除いた式
を使っているので、これによって実験結果を整理して機
軸にCr当量を、縦軸にNi当量をとって基地組織との
関係を示すと第1図の如くになり、図中のP領域には(
オーステナィトA+マルテンサイトM)組織のほかに(
オーステナィトA+マンガン炭化物CN)組織が混在す
ることが判ったが、これらの区別は単にこの方法によっ
ては判別できない。これを第2図に示すように縦軸にN
i,Mn含有量に関連させた値、機軸にSj含有量をと
って整理すれば、基地組織がオーステナィトAまたは(
オーステナィトA十Mn炭化物CM)である領域をC2
.0〜3.8%、Si3.5〜7%の範囲で次式によっ
て求めることができる。
(ただし式中Nj,Mn,Sjはそれぞれ含有量(%)
を示す。以下同じ)(Ni+7)(Mn十3)之Iるi
+65・・・式(1}次に、伸びが大きくするためには
Mn炭化物を少なくすることが必要である。
従釆の鋳鉄中のSi含有量はおよそ2〜3%であり、こ
れより多くなるとフェライト系鋳鉄では基地のフェライ
トが腕化して伸びが著しく低下する。しかしながらオー
ステナィト鋳鉄ではフェライト鋳鉄に比して基地の脆化
が少なく、かえってMnが多量に含まれている場合には
Sjがさらに含まれるとMn炭化物の影響の緩和に効果
があることが発明者の研究によって明らかになった。例
えば第3図は硬さとSi含有量、第4図は伸びとSi含
有量との関係の一例を示しているが、Ni含有量が減り
、Mn含有量が多くなるほど硬さの極小値がSi含有量
の多い方へ移り、同様に伸びの極大値もSi含有量の多
い方へ移っている。すなわちMn含有量の増加に伴なう
Mn炭化物の伸びに対する影響がSjの添加によって緩
和されていることが認められる。これらの関係からNi
およびMn含有量に対し、Mn炭化物量の低下、または
Mn炭化物の本願鋳鉄の伸びに対する影響の緩和に最も
効果のあるSi含有量の関係を求めると次式で表わされ
る。
Ni−0.8Mn=30一おi……式‘21この式の直
線を第5図において直線ABで示してある。
次式■を基準にしてNi,Mn,Siに対し伸びが5%
以上になると境界線を950℃×狐功ロ熱後、炉冷した
試料による実験値に基づいて求めると次式で示される。
すなわち直線ABよりもSi含有量の低い範囲において
Ni−o‐秋n=馨−8‐‐‐‐‐‐式(31)、また
直線ABよりもSi含有量の多い範囲においてはSi=
0.05(Ni−0.8Mn)2十4.2・・・式(3
2)、すなわち第5図において式{2}の直線ABと式
(3一1)の曲線との交点Cで示されるSi量4.21
%よりも小で、かつ式(3−2)で示される曲線よりも
上の領域および式■の直線ABと式(3一02)の曲線
との交点Cで示されるSi量4.21%よりも大で、か
つ式(3−2)で示される曲線よりも上の領域において
Ni,Mn,Si量の組合せの組成であれば伸びが5%
以上になる。
なお銭放しのままで伸び5%以上を示す領域に夕ついて
言えば、同様にして求めたNj−o‐肌=袋−lo‐4
・・・式側 または Si=0.02(Ni−0.9Mn)2十4.1・・・
式(4‐2)0と直線ABとの交点Dは近似的に同じで
そのSiの量は4.13%であるから、Siが3.5%
超、4.13%以下の範囲では式(4一1)で示される
曲線より上の領域、およびSiが4.13%超、7%以
下の範囲では式(4一2)で示される曲線より上の領域
にな夕り、従ってこの領域内においてNi,Mn,Sj
量の組合せの組成であれば伸びが5%以上になる。
黒鉛球状化処理剤としては通例のCa・Si・Mg合金
を用いても良いし、或いはCa・Si・Mg・RE合金
を用いても良い。REの入った球状化処理剤0を用いる
と球状黒鉛が細かくなり、Mn炭化物も細かく分散され
る結果機械的性質が改善される。REはフェライト系球
状黒鉛鋳鉄には一般に使用されているが、上記のような
目的で使用されている例は見当らない。タ Ca・Si
・Mg・RE合金の球状化処理剤を使用した場合、前述
したと同様にして銭放しのままの試料について5%以上
の伸びを示す領域を求めると第5図において、Si3.
5%超、4.14%以下の錫合 ひ Ni+o‐肌=蟹−8‐4‐・・・‐・式側および
Si4.14超、7%以下の場合Si=0.025(N
i−0.8Mn)2十4.1…式(52で示される曲線
より上の領域であって、(4−1)、(4−2)曲線と
比べるとCa・Sj・Mg系球状化処理剤の場合よりも
伸び5%以上の領域が拡大されたことが判る。
次にSiの耐熱性(耐酸化性)に及ぼす効果について述
べれば、Sjは耐酸化性を高める元素として知られてい
る。
本願のNi・Mn・Siオーステナイト鋳鉄について大
気中で行なった高温酸化試験の結果によればNi或いは
Mn量の多少によって影響を受けることが少ないが、S
i量の多少によって大きく影響を受ける。第6図はその
実験結果の一例を示すが、90000×4袖r大気中加
熱の場合にSi含有量と単位面積当り酸化増量(机9/
塊)との関係を示している。NiとMnとの量が異なっ
ても大きな差がなく、Si量の影響を大きく受けること
が判る。ニレジストD2について同様に試験した結果を
破線で示してある。本発明の鋳鉄においてSiをおよそ
4.5%以上含有すればニレジストD2よりも耐酸化性
が良好になることが判る。以上述べたところにより本発
明に係るNi・Mn・Siの鋳鉄において基地組織がオ
ーステナイト組織であって、伸びが5%以上、かつ耐酸
化性が良好な鋳鉄の成分組成を求めることができる。
実施例 1Si3.6%でオーステナィト縦織球状黒鉛
鋳鉄のNjおよびMn含有量領域を求める。
{1} オーステナィト組織であるため: **
式‘1}のSiに3.6を代入して(Ni+7)(Mn
+3)≧12×3.6十652108.2…式【6}■
次に伸びが5%以上であるため: (熱処理後)Ni−o‐肌≧巽6−o‐4Z−o‐4・
・・式(61)(倣い Ni−o‐5Mn≧器6−lo
‐422.940
・・・式(62)而してMn3〜15%、Ni4〜
32%、であるから所望の領域は第7図の斜線をひいた
領域になる。
この領域内にあり、かつC2.0〜3.8%の本発明に
係るオーステナィト鋳鉄の一例を挙げれば第1タ表、第
2表中の試料(A)であり、第1表は化学成分組成、第
2表は常温における機械的性質および金属組織を示す。
第1表 係) 第2表 注 ※1 SI単位、ナガパスカル ※2 銭放し,※3 950C×2hr、空冷試料(A
)〜(DI)及び(E)の組織:A+少量のCM試料の
1):A+細かな黒鉛実施例 2 耐熱オーステナィト鋳鉄として広く使用されているニレ
ジストD2以上の耐酸化性を持ち、かつ伸び5%以上の
Ni・Mn・Sj球状黒鉛オーステナィト鋳鉄の組成を
求める。
第6図よりニレジストD処〆上の耐酸化性を持つために
はSiを4.5%以上含有しなければならない。
従ってSi=4.5%の場合、 ‘11オーステナィト組織:式{11から(Ni十7)
(Mn+3)≧119・・・式‘7’‘2’伸び5%以
上:(熱処理):式(3一2)から 4.5SO.05(Ni−0.8Mn)2十4.2(N
i−0.9Mn)226故に Ni一0.8VnZ2.
45・・・式(7‐1)(籍放し):式(4−2)から
4.5SO.o2(Ni−0.3Mn)2十4.1(N
i−o.9Mn)2Z20故に Ni−0.8Mn24
.47・・・式(7‐2)Ni4〜32%、Mn3〜1
5%で式‘7}および式(7−1)または式(7一2)
を満足する領域は第8図において曲線{7はり右側で、
直線(7−1)または直線(7一2)より上、かつNi
4〜32%、Mn3〜15%の領域である。
この領域内の本発明に係るオーステナィト鋳鉄の例を挙
げると第1表および第2表の試料(B)および(C)で
ある。
試料(B)は銭放しのまま、試料(C)は950qC×
水r、空冷後のものである。実施例 3 第6図から判るようにSiを多く含有させると酸化増量
は著しく減少する。
一方、第4図から判るようにSi量が多くなると伸びが
減少する。これを避けるためにはNiの含有割合を増す
ことが必要になる。耐酸化性に優れ、かつ鋳造性の良い
本鋳鉄の例してSi:6.3%、銃放しの場合を説明す
る。
前述したと同様にして【1} オーステナィト組織とす
るため式‘1}から(Ni十7)(Mn十3)≧140
.6・・・式脚【2’伸びが5%以上とするため鏡放し
の式(4−2)から6‐3ミ○.○2くNi−0‐虫M
n)2十4‐1(Ni一0.9Mn)2≧11○故に
Ni−0.9MnZIO.5・・・式(82)Ni4〜
32%、Mn3〜15%で式職および(8一2)を満足
する領域は第9図において曲線8より右側で直線8−2
より上、かつMn3〜15%、Ni4〜32%の領域で
ある。
この領域内の本発明に係るオーステナィト鋳鉄の例を挙
げると第1表の試料(D)および第2表の試料(DI)
、(D2)である。
第2表の試料o(DI)は球状化処理剤としてCa・S
i・Mg合金を、試料(D2)はCa・Si・Mg・R
E合金をを使用したもので、試料(D2)は試料(DI
)に比して黒鉛がこまかく分布し、炭化物がこまかくな
ったため引張り強さ、伸びおよび絞りが一段と改善夕さ
れていることが認められる。第10図は試料(DI)の
、また第11図は試料(D2)の顕微鏡組織(ナィタル
ェッチ、50倍)を示す写真で、黒鉛および炭化物が試
料(DI)に比して試料(D2)において顕著に細かに
0分散しているのが判る。
実施例 4 Si・Mn・Niオーステナィト鋳鉄の耐酸化性を向上
させるためには第6図からも判るように、Si含有量を
増せばよく、酸化増量を900℃×4斑功ロタ熱で約1
0の9/稀以下とするためにはSi含有量はおよそ6%
以上とすればよく、一方このSi含有量で下記対比材と
同様に約10%以上の伸びを得るためにはNi:Mnの
比をおよそ3以上とすればよいことが第4図から判る。
o このような考えからDINGGG−Ni・Si・
Cr3552(C≦2%、Si4.0〜6.0%、Mn
o.5〜〜1.5%、Ni34.0〜36.0%、Cr
l.5〜2.5%)相当の本発明に係るNi・Si・M
n球状黒鉛鋳鉄として第1表の試料Eの化学組成を有す
る試料を溶製した。タ これは対比材(DINQ℃−3
552)よりもNi含有量を4〜6%少なくし、代りに
Mnを約9%多く含有させ、Crを省いたものである。
第2表に試料Eおよび対比材(DINQ℃−3552)
の機機的性質の規格値を対比して示しておいた。なお同
0試料についての酸化試験結果(900oo×4紬r)
の結果は2.0雌/洲であった。なお試料(8)をNi
,Mn含有量に関連させて第9図に示してある。第2表
から判るように本発明に係る試料Eは対比材の規格値に
対して強さはかなりに大きいにもかかわらず、伸びおよ
び酸化増量は同一水準にある。
すなわち対比材に比してNi含有量が約4〜6%少ない
にもかかわらず、Sj,Mmの効果によって同一水準の
耐酸化性を有し、而も同一もしくは優れた機械的性質を
示すことが判る。以上説明したように本発明に係る球状
黒鉛オーステナィト鋳鉄は基地組織および伸びとNi,
Mn,Si合金量との相互的な関係を実験結果から求め
た実験式に基づいて成分組成の組合せ範囲が決められて
いるので、各成分元素をそれぞれ単独の組成範囲で定め
られた通例のオーステナィト鋳鉄とは異なり、オーステ
ナィト組織および高い伸びとすぐれた耐熱性を確保する
ことができる。その高Ni含有側では現在最も耐熱性に
優れている鋳鉄と言われているDm q℃−Ni・Si
・Cr3552のNi含有量のうち約5%およびCrを
Mn約10%によって代替してNi30%としても同等
程度の機械的性質と耐熱性(耐酸化性)を持たせること
ができる。また従来耐熱鋳鉄として一般に使用されて来
たASTMニレジストD2と比較してNi含有量をおよ
そ2/5〜1/2に減らしてもニレジストD2より優れ
た耐酸化性を持たせることができる。
このように本発明に係る鋳鉄は機械的性質および耐酸化
性にすぐれた耐熱鋳鉄として、また省Ni材料としてき
わめて大きな効果を有する。図面の簡単な説明第1図は
オーステナィト組織を得るためのNi当量計算式による
ダイアグラム、第2図は本発明のNi・Mn・Si鋳鉄
についてオーステナィト組織を得るためのダイアグラム
、第3図は本願鋳鉄においてNi含有量とMn含有量と
を変えた場合のSi含有量が硬さに及ぼす影響を示すダ
イアグラム、第4図は同じく伸びに及ぼす影響を示すダ
イアグラム、第5図は本発明に係るNi・Mn・Si鋳
鉄について伸び5%以上の領域を示すダイアグラム、第
6図は耐熱試験結果を示すダイアグラム、第7図は本発
明の実施例の成分組成範囲の領域を示すダイアグラム、
第8図は同じく他の実施例について同機なダイアグラム
、第9図は同じくその他の実施例についての同様なダイ
アグラム、第10図は本発明に係るNi・Mn・Siオ
ーステナィト球状黒鉛鋳鉄の一例の顕微鏡組織を示す写
真(50倍)、第11図は同じく他の例の顕微鏡組織を
示す写真(5の音)である。
策/図 弟之図 第3図 第4図 第5図 乗る図 第7図 第8図 弟?図 弟の図(x50) 第〃図(×Sの

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 C2.0〜3.8%、Mn3〜15%、Ni4〜3
    2%、Si3.5〜7%で、かつ(イ) Si3.5%
    超、4.21%以下の範囲で(Ni+7)(Mn+3)
    ≧12Si+65Ni−0.5Mn≧36/Si−8の
    両式で示される範囲内のNiおよびMn含有量、ならび
    に(ロ) Si4.21%超、7%以下の範囲で(Ni
    +7)(Mn+3)≧12Si+65Si≦0.05(
    Ni−0.5Mn)^2+4.2の両式で示される範囲
    内のNiおよびMn含有量、 ならびにCa,Mgおよ
    び希土類元素より成る黒鉛球状化処理元素のうち一種も
    しくは二種以上を0.2%以下、 残部実質的にFeお
    よび不純物 より成る伸びが大きく、耐熱性良好な球状黒鉛鋳鉄。
JP12717781A 1981-08-13 1981-08-13 耐熱性球状黒鉛オ−ステナイト鋳鉄 Expired JPS6012417B2 (ja)

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