JPS6223963A

JPS6223963A - 耐熱鋳鋼

Info

Publication number: JPS6223963A
Application number: JP16257885A
Authority: JP
Inventors: Masami Suzuki; 鈴木　正実
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-07-23
Filing date: 1985-07-23
Publication date: 1987-01-31
Also published as: JPH0559978B2

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〕本発明は耐熱鋳鋼に関し、詳しくは、優れた耐熱性（高
温強度）、耐熱亀裂性５耐酸化性等といった性能・耐久
性特性を有するとともに、優れた鋳造性と機械加工性を
有しているため生産性が良好であり、しかも、安価に製
造することができることから、車両用エンジンにおける
排気系部品等に好適に適用することのできる耐熱鋳鋼に
かかる。

〔従来の技術〕

近年、ガソリンエンジンもしくはディーゼルエンジン等
の車両用エンジン、特に自動車用エンジンにおいては、
高出力化、低燃費化に対する改善要求の高まりに伴い、
燃焼効率の改善のための研究開発が積極的に実施されて
いる。

その結果、このような要求に応える自動車用エンジンに
おいては、従来の自動車用エンジンに比較して、排気ガ
ス温度が著しく高温となる傾向Ｇこある。

とりわけ、自動車用エンジンにおけるエキゾーストマニ
ホルド、ターボチャージャ用タービンノ＼うジンク、デ
ィーゼルエンジン用予燃焼室、排気ガス浄化装置用部品
等の排気系部品においては、使用条件が特に高温苛酷と
なることから、従来においては高３＋鋳鉄、ニレジスト
鋳鉄、ＡＩ鋳鉄等の耐熱鋳鉄や、特例的にはフェライト
系もしくはオーステナイト系ステンレス鋳鋼等あ高価な
高合金耐熱鋳鋼が採用されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のような従来の技術の現状に鑑み、本発明が解決し
ようとする問題点は、従来の自動車用エンジンにおける
排気系部品用材料として使用されている、高ＳＩ鋳躾、
ニレジスト鋳鉄、ＡＩ鋳鉄等の耐熱鋳鉄においては、そ
の優れた鋳造性と機械加工性から生産性は良好であるも
のの、ｉ＋＝性（高温強度）、耐熱亀裂性、１ｌｖ４酸
化性等といった性能・耐久性特性が劣ることから８００
℃以上の高温となる部材には適用することができず、ま
た、ステンレス鋳鋼等の高合金耐熱鋳鋼においては、８
００℃以−１ｍの高温においても耐熱性（高温強度）、
耐熱亀裂性、耐酸化性等といった性能・耐久性特性には
優れているものの、鋳造性が悪く鋳造成形時に“ひけ巣
”、“湯廻り不良”等の鋳造不良を発４ニジ易いこと１
機械加工性が悪いこと等によりその生産性に劣ることか
ら、耐熱部材としての優れた鋳造性１機械加工性、低（
油路性等といった生産性特性、並びに、優れた面（熱性
（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化性等といった性能・
耐久性特性とを兼ね備えた耐熱鋳造材料の開発が強く望
まれていたということである。

従って、本発明の技術的課題とするところは、耐熱鋳鋼
における組成の調整と鋳造後の焼なまし処理の実施によ
って、従来の耐熱鋳鉄に匹敵する鋳造性１機械加工性、
低価格性等といった生産性特性と、従来の高合金耐熱鋳
鋼に匹敵する而（熱性（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸
化性等といった性能・耐久性特性とを兼ね備えた耐熱鋳
鋼とすることにある。

ｃ問題点を解決するための手段〕このような従来の技術における問題点に鑑み、本発明に
おける従来の技術の問題点を解決するための手段は、重
量比率で、Ｃ；　０．３〜２．０％、Ｓｉ；２．０％〜
４．５％、Ｍｎ；１．０％以下、　　Ｐ　、　０゜０５
％以下、ｓ；ｏ、ｏｓ％以下、ＣｒＢ２．Ｏ〜１０．０
％と、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖのうち少なくとも１種類を１．０
〜６．０％含有し、残部実質的にＦｅからなる組成を有
し、鋳造後に焼なまし処理を施したことを特徴とする耐
熱鋳鋼からなっている。

なお、本発明の耐熱鋳鋼における鋳造後の熱処理は、９
００〜ｂテナイト化処理後、６８０〜７５０℃まで炉冷し、６８
０〜ｂるという通常の焼なまし処理で充分である。

〔作用〕

以下、本発明の作用について説明する。

本発明において、従来の技術の問題点を解決するための
手段を上述のような構成とすることによって、本発明の
耐熱鋳鋼を組成的にはｐ、　　ｓ等の不純物を低く抑え
るとともに、Ｃ，Ｓｔ、ＣｒとＮｂ、Ｔａ、Ｖのうち少
なくとも１種類をバランスよく添加することにより、従
来の耐熱鋳鉄に匹敵する鋳造性１機械加工性、低価格性
等といった生産性特性を保有させた上で、従来のステン
レス鋳鋼等の高合金耐熱鋳鋼に近い耐熱性（高温強度）
、耐熱亀裂性、耐酸化性等とい□った性能・耐久性特性
を付与しＩＵる範囲としており、しかも、鋳造後の焼な
まし処理により基地組織をフェライト組織化するととも
に、１次炭化物の分解を図って基地フェライト組織中の
Ｃｒ含有量を多くしていることから、従来の耐熱鋳鉄に
匹敵する鋳造性。

機械加工性、低価格性等といった生産性特性と、従来の
高合金耐熱鋳鋼に匹敵する耐熱性（高温強度）、耐熱亀
裂性、耐酸化性等といった性能・耐久性特性とを兼ね備
えた耐熱鋳鋼とすることができるのである。

以下、本発明の耐熱鋳鋼に添加する各合金元素の、添加
量の範囲限定理由について説明する。

なお、以下の説明において各合金元素の添加量は全て重
量％にて表示している。

まず、Ｃは本発明の耐熱鋳鋼において強度特性の向上と
溶湯の流動性（鋳造性）を改善させることから有効であ
るが、０．３％未満ではその鋳造性の改善効果が充分で
なく、一方、２．０％を越えて添加すると後述するＳｉ
量との関係から炭素の黒鉛化を促進して耐熱鋳鋼の強度
特性を低下さゼるばかりでなく、耐酸化性をも悪化させ
ることから０．３〜２．０％とした。

また、Ｓｉは本発明の耐熱鋳鋼において脱酸剤として有
効であるばかりでな（、耐酸化性を改善させるために有
効であるが、２．０％未満ではその耐酸化性の改善効果
が充分でなく、４．５％を越えて添加すると、 ■　Ｃとのバランス（炭素当量）により、１次炭化物を
粗大化させて耐熱鋳鋼の機械加工性を悪化させる。

■　フェライト基地組織中のＳｉ含有量が過多となって
、耐熱鋳鋼の靭性を低下さゼて生産性を悪化させる。

等の理由から２．０〜４．５％とした。

また、Ｍｎはパーライト組織の形成元素であることから
、本発明材のように基地組織をフェライト組織とした耐
熱鋳鋼にはあまり好ましくない合金元素であるが、５ｊ
と同様に脱酸剤として有効であり、また、鋳造時の“湯
流れ性”を向上させて仕度性を改善させる合金元素とし
ては有効であることから１．０％以下の範囲で含有させ
るのが望ましい。

また、Ｐ及びＳはともに０．０５％を越えて添加すると
熱亀裂を発律し易くなり、有害な不純物であることから
いずれも０．０５％以下とした。

また、Ｃｒは耐酸化性を改善し共析変態温度を上昇させ
ることから有効であるが、５．０％未満ではそれらの特
性の改善効果が充分でなく、１０．０％を越えて添加す
るとＣｒの１次炭化物を粗大化させ機械加工性を著しく
悪化させることから５．０〜１０．０％とした。

また、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖは本発明材において特に重要な合
金元素であって共に同様な作用を有しており、共析変態
温度の上昇に有効であるばかりでなく、鋳造時にＣｒよ
り優先的に炭化物を形成さセることから、機械加工性を
悪化させる１次Ｃｒ炭化物の形成を抑制し、また、高温
における２次Ｃｒ炭化物の析出を抑制することから耐酸
化性の改善にも有効であるが、１％未満ではそれらの緒
特性の改善効果が充分でなく、一方、６．０％を越えて
添加するとＮｂ、Ｔａ、Ｖが未溶解状態で基地組織中に
残留して、耐熱鋳鋼の靭性を低下させ易いことから１．
０〜６．０％とした。

なお、鋳造後の焼なまし処理は、耐熱鋳鋼の被削性を改
善させるために必要であるばかりでなく、鋳放し状態で
析出しているパーライト組織を分解して、炭化物を球状
化させるために有効である。

〔実施例〕

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施例を詳しく説
明する。

本発明材の各種の特性を評価するために、第１表に示す
ような１０種類の本発明材■〜Ｏ１及び、３種類の比較
材■〜■の供試材を鋳造成形により製造した。

なお、各供試材の鋳造成形に当たっては５０Ｋｇ用高周
波熔解炉を用いて大気溶解し、Ｆｅ−３ｉ（７５重量％
）にて脱酸処理した後、直に、１５５０℃以上で出湯し
て１４５０℃以上にて注湯し、ＪＩＳ規格Ａ号のＹブロ
ック形状に鋳造成形した。

ついで、上述により鋳造成形されたＹブロック形状の鋳
造粗形材状態の各供試材に対して、焼なまし処理炉中に
て９５０℃×１時間加熱保持し、７５０℃まで炉冷した
後その温度で３時間保持して放冷さセる焼なまし処理を
行った。

第１表注１）表中のｆとは０．０１％未満であることを示して
いる。

注２）比較材の及び比較材■には、それぞれ０゜０３３
％及び０．０３５％のＭｇを含有している。

なお、第１表において、比較材の及び■は従来自動車用
耐熱部材に使用されている耐熱鋳鉄であって、比較材■
は高Ｓｉ鋳鉄と称されるものであり、比較材■はオース
テナイト基地球状黒鉛鋳鉄であり、また、比較材■はオ
ーステナイト系耐熱鋳鋼（ＪＩＳ規格５ＣＨ２１相当）
である。

上述により鋳造成形した第１表に示すような組成を有す
る各供試材を用いて、以下に述べるような各種の評価試
験を実施した。

まず、電気−油圧サーボ方式の熱疲労試験機を用いて、
上述の各供試材に対して熱疲労試験を実施した。

なお、熱疲労試験は標点間距離を１５ｍｍ、標点間径を
φ１０ｍ■とした丸棒試験片を用いて、試験片の加熱に
よる伸びを機械的に拘束させた状態で、下限温度を２０
０℃、上限温度を９００℃とし、■サイクル１０分とし
て加熱冷却サイクルの繰り返しにまり熱疲労破壊させた
。

なお、拘束率（％）は次の式により求められる値である
。

そして、各試験片に負荷させる加熱冷却サイクルを上述
のように一定とし各試験片の拘束率を変化させて、各供
試材の拘束率と熱疲労による破損までの繰り返し数（回
）との関係によって、各供試材の耐熱亀裂性（耐熱疲労
強度）を評価した。

このようにして熱疲労試験した結果を、第１図及び第２
図に示している。

第１図及び第２図から明らかなように、本発明材■〜［
相］はいずれも従来材である３ｆ！類の比較材■〜■と
比較すると、熱疲労寿命（耐熱亀裂性）において格段に
優れていることが理解される。

次に、鋳造成形された上述の組成を有する各供試材を用
いて、３０龍Ｘ２０ｍｍＸ５ｍの形状の板状試験片を製
作し、９００℃において１００時間の大気中保持による
酸化試験を実施した。

なお、この酸化試験における試験結果の評価方法として
は、酸化試験後にショツトブラスト処理を施して酸化ス
ケールを除去し、酸化試験前後の単位面積当たりの重量
変化（酸化減量；　ｍｇ／　ｃ＋ｓ　”）により評価し
た。

上述により酸化試験した結果を第３図に示している。

第３図から明らかなように、本発明材■〜◎はいずれも
、従来材である比較材■〜■と比較すると、著しく優れ
た耐酸化性を有しており、また、比較材■と比較しても
同等以上の耐酸化性を有していることが理解される。

次に、本発明材を用いてエキゾーストマニホルドを鋳造
成形により製造したところ、“ひけ巣”。

“ピンホール”、“ブローホール”、“砂かみ”。

“湯廻り不良”、“湯境い”等といった鋳造不良を発生
させることなく、鋳造歩留りも５０％以上とすることが
でき、生産性に優れていることを確認することができた
。

ついで、本発明材及び比較材を用いて３．０βガソリン
エンジン用のエキゾーストマニホルドを製作し、エンジ
ンに搭載してエンジン台上苛酷耐久試験によりエキゾー
ストマニホルドとしての耐熱亀裂耐久性を評価した。

第２表に、このエンジン台上苛酷耐久試験に用いたエキ
ゾーストマニホルドの各供試品における化学成分を示し
ている。

第２表注１）表中のｆとは０．０１％未満であることを示して
いる。

注２）比較品には０．０３５％のＭｇを含有している。

なお、本発明品■及び■はいずれも９５０°Ｃ×１時間
＋７５０℃×１時間の焼なまし処理を実施したエキゾー
ストマニホルドを用い、比較品は鋳放し状態のエキゾー
ストマニホルドを用いた。

また、このエキゾーストマニホルドとしての耐熱亀裂耐
久試験に用いた比較品は、高Ｓｔ球状黒鉛鋳鉄材を用い
て製造したエキゾーストマニホルドである。

そして、エンジン台上苛酷耐久試験条件は、最高回転数
を５６０　Ｏｒｐｍとして全負荷条件での冷熱サイクル
耐久試験にて９００サイクルまで実施し、熱亀裂の発生
の有無によりエキゾーストマニホルドとしての耐熱亀裂
性を評価した。

このようにしてエンジン台上苛酷耐久試験によりエキゾ
ーストマニホルドの耐熱亀裂性を評価した結果、本発明
材により製造したエキゾーストマニホルド（本発明品■
及び■）においては、９００サイクルの試験終了まで熱
亀裂の発生が認められなかったのに対して、比較品であ
る高８１球状黒鉛鋳鉄材により製造したエキゾーストマ
ニホルドにおいては、３８６ザイクルで肉厚を貫通する
熱亀裂の発生が認められた。

上述のエンジン台上苛酷耐久試験結果から明らかなよう
に、本発明材により製造されたエキゾーストマニホルド
（本発明品■及び■）は、比較材により製造されたエキ
ゾーストマニホルドに比較して、熱負荷の厳しいエキゾ
ーストマニホルドとして著しく優れた熱亀裂耐久性を有
していることが明らかとなった。

次に、本発明材及び比較材を用いて２．４１デイーゼル
ターボエンジン用予燃焼室を製作し、エンジン台上苛酷
耐久試験により予燃焼室としての耐熱亀裂耐久性を評価
した。

第３表は、このエンジン台上苛酷耐久試験に用いたディ
ーゼルエンジン用予燃焼室の、各供試品における化学成
分を示している。

第３表注１）表中のｆとは０．０１％未満であることを示して
いる。

なお、本発明品■及び■はいずれも９５０℃×１時間＋
７５０℃×１時間の焼なまし処理を実施した予燃焼室を
用い、比較品は鋳放し状態の予燃焼室を用いた。

また、比較品はオーステナイト系耐熱鋳ｍ（ＪＩｓ規格
５ＣＨ２１相当）により製造された予燃焼室である。

そして、エンジン台上苛酷耐久試験条件は、最高回転数
を４４０　Ｏｒｐｍとして全負荷での冷熱ザイクル爾久
試験にて９００サイクルまで実施し、熱亀裂の発生の有
無により予燃焼室の耐熱亀裂性を評価した。

１にのようにしてエンジン台上苛酷耐久試験により予燃焼室
の耐熱亀裂性を評価した結果、本発明材により製造した
予燃焼室（本発明品■及び■）においては、９００サイ
クルの試験終了まで熱亀裂の発生は認められなかったの
に対して、比較品であるオーステナイト系耐熱鋳＃ｌ４
（ＪＩＳ規格５ＣＨ２１相当）により製造した予燃焼室
においては、６００サイクルで噴孔部に長さ２ｎ程度の
熱亀裂の発生が認められた。

上述のエンジン台上苛酷耐久試験結果から明らかなよう
に、本発明材により製造された予燃焼室（本発明品■及
び■）は、比較材であるオーステナイト系耐熱鋳ｗｉ（
Ｊ　Ｉ　５ｆｆｌＪ＆５ＣＨ２１相当）により製造され
た予燃焼室と比較して、熱負荷の厳しいディーゼルエン
ジンの予燃焼室に適用しても優れた熱亀裂耐久性を有し
ていることが明らかとなった。

また、本発明材の機械加工性については、鋳造後１こ熱
処理（焼なまし処理）を施こすことによって硬さをＨｖ
２８０以下とすることができ、この硬さは球状黒鉛鋳鉄
（ＪＩＳ規格ＦＣＤ７０）材と同等であることを考慮す
れば、本発明材は機械加工性においても問題のない耐熱
鋳鋼であることが推察される。

上述のように本発明の耐熱鋳鋼は従来の高合金耐熱鋳鋼
に匹敵する耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化性
等といった性能・耐久性特性と、従来の耐熱鋳鉄に匹敵
する鋳造性１機械加工性。

低価格性等といった生産性特性を併せ有していることが
理解される。

〔発明の効果〕

以上により明らかなように、本発明にかかる耐熱鋳鋼に
よれば、耐熱鋳鋼における組成の調整と鋳造後の焼なま
し処理の実施によって、従来の耐熱鋳鉄に匹敵する鋳造
性、ｔａ械加工性、低価格性等といった生産性特性と、
従来の高合金耐熱鋳鋼に匹敵する耐熱性（高温強度）、
耐熱亀裂性、耐酸化性等といった性能・耐久性特性とを
兼ね備えた耐熱鋳鋼とすることができ、従って、価格的
及び性能的な観点から、自動車用エンジンにおける排気
系部品用材料として好適に適用することができる利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明材と比較材の熱疲労試験結
果を示すグラフ。第３図は、本発明材と比較材の酸化試験結果を示すグラ
フである。

Claims

【特許請求の範囲】

１、重量比率で、Ｃ；０．３〜２．０％、Ｓｉ；２．０
％〜４．５％、Ｍｎ；１．０％以下、Ｐ；０．０５％以
下、Ｓ；０．０５％以下、Ｃｒ；５．０〜１０．０％と
、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖのうち少なくとも１種類を１．０〜６
．０％含有し、残部実質的にＦｅからなる組成を有し、
鋳造後に焼なまし処理を施したことを特徴とする耐熱鋳
鋼。