JPS62156255A - マルテンサイト系耐熱ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、８５
０℃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タドによる拘束
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、かつ熱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Ｓｕｎ　６１６や
、５ｔｌ１）６１６のＣ５５ｉＳＣｒ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５Ｕ１）６１６はＧＯ％　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０．５　Ｎｉ　−１２〜１８Ｃｒ　−Ｉ　Ｍ
ｏ鋼において耐ヒートチェック性、冷間鍛造性、耐酸化
◆蟲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°Ｃ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Ａ１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＾１含有量が０．１０％以上
に達すると焼なま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
　Ａｃ＋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＾ｌがＡｌ）Ｏｓ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、かつ結晶粒を微糊化することにより、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
Ｓｔ含有量の上限を０．６０％と規制するとともにＣｒ
ｓ　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Ｓ
ｉ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、へ！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％、
Ｓｉ　０．６０％以下、Ｍｎ　１．０％以下、Ｎｉ　０
．２０〜１．５％、Ｃｒ　１５．０〜１８．０％、Ｍｏ
　０．５０〜２．０％、Ａｌｏ、　１０〜１．０％を含
有し、残部Ｐｅ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Ｖ　０．２０〜１．０％、Ｗ　０．２
０〜１．０％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％、Ｎｂ　０．７
５〜３．０％、Ｚｒ　０．７５〜３．０％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定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Ｃｒ５Ｍ０
％　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は説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ｔｉ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Ｓｔ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Ａｌ工０コ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０．１θ
％とした。

しかし、Ａｌを多量に含有させると、必要以上に＾１ｈ
０３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を効な元素であり、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
り下限を０．２０％とした。

しかし、ｖＳＷ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。

ＴＬ　Ｎｂｓ　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、ＴＬ　Ｎｂｓ　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。

以下余白 第１表 ト レ レ 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５Ｕ１）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
鋼を熔解し、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８ｆｌ×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、１００〜１５０℃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ツジ部に初
期割れが発生するまでの回数で評価した。

第２表 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４
３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、Ｐｉｌｌ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一１８００℃で１）２〜１５５回、
９００℃で６５〜９１回と従来鋼に比べて８００℃、９
００℃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２０ｋｃ鋼塊を１
５φ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１０φＸ１５龍の試験片を作製し、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
２ＱＩＩｒ連続加熱した後、酸化増量を測定した。

以下余白 第３表 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０．４５９　ｍｇ／ｃｎｉ、９００℃で
１２．３７　ｎａｇ／ｃｄ、　１０００℃で４３．４ｍ
ｇ／ｃｎｌ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８
００℃において０．２６ｍｇ／ｃｊ以上、９００℃にお
いて７ｍｇ／ｃｄ以上、１０００℃において２７ｍｇ／
ｃｎ１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　ＳＩの酸化
増量は８００℃で０．２２０〜０．１０６　ｍｇ／ｃ４
．９００℃で６．１２〜２．９６ｔｓｇ／　ｃｒＡ　、
　１０００℃で１９．７〜１０．６ｍｇ／ｃａｌ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　ｍ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、９５
０℃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、ＪＩＳＡ号試験片を用いて測定したも
のである。

以下余白 第４表 硬さはＨＲＢ９１．５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ＩＩ　Ｒ
３９１，０〜９２．７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）Ｉ
ＲＢ８７．６〜７５．５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
Ａ１）ｌとの関係を示した線図で、第２図は焼なまし硬
さとＡｌｉとの関係を示した線図である。 代表特許出願人 じ′

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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. （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. （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％、Ｍｏ０．５０〜２．
   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。