JPS6230857A - 耐熱鋳鋼 - 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、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、車両用エンジンの排気系
部品等に好適に通用することのできる耐熱＆ｓ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にある。

とりわけ、自動車用エンジンのエキゾーストマニホルド
、ターボチャージャ用タービンハウジング、ディーゼル
エンジン用予燃焼室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Ｓ
ｉ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
レス鋳鋼等の高価な高合金耐熱（ステンレス）鋳鋼が探
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の排気系
部品用材料として使用されている、高Ｓｉ＆１ｉＰ鉄、
ニレジスト鋳鉄、Ａｔ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等といった生産性特性は良
好であるものの、耐熱性（高温強度）２耐熱亀裂性、耐
酸化性等といった性能・耐久性特性が劣ることから、８
００℃以上の高温における耐熱性に対する要求の厳しい
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、８００℃以上における
耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化性等といった
性能・耐久性特性には優れているものの、鋳造性が悪い
ため鋳造成形時に“ひけ巣”、“湯廻り不良”等の鋳造
不良を発生し易いこと２機械加工性が悪いこと等からそ
の生産性が劣り、耐熱部材としての優れた鋳造性２機械
加工性、低価格性等といった生産性特性、及び、優れた
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、バランス良く兼ね備えた耐熱鋳
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
における組成的な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、バランス良く兼
ね備えた耐熱鋳鋼とすることにある。

〔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；　０．５〜２．５％、Ｓｉ；１．５％〜
４．５％、Ｍｎ；０．７％以下、Ｐ；０゜０５％以下、
Ｓｉ０．１％以下、　Ｃｒ　；　５．０〜１４゜０％、
　Ｔ　ｉ　；　０．１５−４．６％、残部実質的にＦｅ
からなる組成を有し、鋳造後の焼なまし処理により、黒
鉛を含有しないフェライト基地組織中の炭化物を、デン
ドライト状に晶出させた１次炭化物と微細に分散析出さ
せた粒状の２次炭化物と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いて鋳造後の熱処理は、９
００〜９５０°ＣＸ　００５時間以上のオーステナイト
化処理後、６８０〜７５０℃まで炉冷し、６８０〜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、特にＴｉ添加と他合金元素との
バランスにより耐熱特性を改善して、従来の耐熱鋳鉄に
匹敵する鋳造性２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３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得る範囲
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、バランス良
く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ｖｆ鋼において強度特性及び鋳
造性を向上させることから有効であるが、０．５％未満
ではそれらの特性の改善効果が充分でなく、一方、２．
５％を越えて添加すると炭素の黒鉛化を促進して耐熱鋳
鋼の強度特性を低下させることから０．５〜２．５％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く、鋳造性及び耐酸化性を改善させ
ることから有効であるが、１．５％未満ではそれらの特
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せて生産性を悪化させる。

等の理由から１．５〜４．５％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Ｉ・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、Ｓ
ｉ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”を向上させて生産性を改善させる合金元素と
して有効であることから０．７％以下の範囲で含有させ
るのが良い。

また、Ｐは０．０５％を越えて添加すると基地組織のバ
ーライ１へ組織化を促進させたり、ステダイトの晶出を
促進させることから０．０５％以下とした。

また、Ｓは通常においては特に必須の合金元素ではない
が、機械加工性の要求が厳しい部品を製造する場合にお
いては、Ｓ量とＭｎ量の添加量を多くしてＭｎＳを晶出
させ、機械加工性を改善させることができることから０
．１％以下とした。

また、ＣｒはＳｉと同様に耐酸化性を改善させることか
ら有効であるが、５．０％未満ではその耐酸化性の改善
効果が充分でなく、１４．０％を越えて添加すると高硬
度のＣｒ炭化物の析出量が多くなって、機械加工性を著
しく悪化させることから５．０〜１４．０％とした。

また、Ｔｉは本発明材において特に重要な合金元素であ
り、耐酸化性及び耐熱性（高温強度）を改善させるため
に有効であるが、０．１５％未満ではその耐熱性（高温
強度）の改善効果が充分でなく、４．６％を越えて添加
するとＴｉＣ０晶出により耐熱鋳鋼の機械加工性を著し
く悪化させることから０．１５〜４．６％とした。

〔実施例〕

以下、添付図面に基づいて、本発明の１実施例を説明す
る。

本発明材の耐酸化性と耐熱亀裂性を評価するために、第
１表に示すような３種類の本発明材■〜■及び４種類の
比較材■〜■を鋳造成形により製造した。

なお、鋳造に当たっては２０Ｋｇ用高周液溶解炉を用い
て大気溶解し、Ｆｅ−３ｉ　　（７５重量％）を０．３
％添加することにより脱酸処理した後、１６５０°Ｃ以
上で出湯して１５５０℃以上にて注湯した。

なお、鋳造成形のための鋳型としてはＪＩＳ規格Ａ号の
Ｙブロック鋳造用の鋳型を使用した。

ぞして、上述により鋳造成形された鋳造粗形材状態の各
供試材に対して、通常の焼なまし処理を実施した。

このようにして製造された本発明にかかる耐熱鋳鋼の金
属組織の顕微鏡写真を第３図に示す。

なお、第３図（３１は本発明材の金属組織を倍率１００
倍の低倍率にて観察したものであり、第３図ｔｂ）は同
一金属組織を４００倍の高倍率にて観察したちのである
。

第３図（ａ）から明らかなように、本発明材においでは
基地フェライト組織中に１次炭化物がデンドライト状に
晶出していることが観察され、また、第３図（ｂ）から
明らかなように、基地フェライト組織中に粒状の２次炭
化物が微細に分散して析出しでいることが観察される。

第１表 ト 「 なお、第１表において、比較材■及び■は耐熱鋳鉄であ
って、比較材■は球状黒鉛鋳鉄に４．２正量％のＳｉを
添加した、いわゆる高Ｓｉ鋳鉄と称されるものであり、
比較材■はＮｉ及びＣｒを添加した、いわゆるニレジス
ト鋳鉄と称されるものである。

また、比較材■及び■はステンレス鋳鋼であり、比較材
■はＪＩＳ規格５Ｃ３Ｉ　　（フェライト系ステンレス
鋳鋼）、比較材■はＪＩＳ規格ＳＣ３１３（オーステナ
イト系ステンレス鋳鋼）である。

以下、本発明材と比較材の各供試材における、耐酸化性
及び耐熱亀裂性を比較評価した結果について説明する。

まず、鋳造成形により製造した上述の組成を有する各供
試材を用いて、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。

その酸化試験による酸化減量を測定した結果を第１図に
示している。

第１図から明らかなように、本発明材■〜■は、ＪＩＳ
規格５Ｃ３Ｉ（フェライト系ステンレス鋳鋼−゛パ比較
材■）及びＪＩＳ規格ＳＣ’５１３（オーステナイト系
ステンレス鋳鋼−一−−比較材■）と同等の優れた耐酸
化性を有していることが理解される。

もちろん、従来の耐熱鋳鉄である高Ｓｉ鋳鉄（比較材■
）やニレジスト鋳鉄（比較材■）に比べれば、格段に優
れた耐酸化性を有していることはいうまでもない。

次に、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１５ｎ、標点間径をφ
Ｉｏｎとした丸棒試験片を用いて、試験片の加熱に伴う
熱膨張による伸びを機械的に拘束させた状態で、下限温
度を５０’Ｃ，上限温度を９００℃とし、拘束率を７０
％と３０％に変化させて加熱冷却サイクルの繰り返しに
より熱疲労破壊させた。

なお、拘束率（％）は次の式により算出される値である
。

そして、各試験片に負荷させる加熱冷却サイクル（上限
温度及び下限温度）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２図に示して
いる。

第２図から明らかなように、本発明材■は拘束率が７０
％においては比較材■のオーステナイト系ステンレス鋳
６１４（ＪＩＳ規格５ＣＨ１３相当）と比較するとやや
劣っており、ニレジスト鋳鉄（比較材■）とほぼ同等の
耐熱亀裂性であるが、拘束率が３０％という比較的弱い
拘束状態においては、オーステナイト系ステンレス鋳６
１（ＪＩＳ規格５ＣＨ１３−・−・−・比較材■）に比
べても著しく優れた耐熱亀裂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２０００　ｃｅクラスのガソリ
ンエンジン用の４気筒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”。

６ピンホール”、′プローホール”、′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、生産性に優れていることを確認するこ
とができた。

また、本発明材の機械加工性については、熱処理（焼な
まし処理）を施こすことによって硬さをＨＶ２８０以下
とすることができ、この硬さは通常の球状黒鉛鋳鉄（Ｊ
ＩＳ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、従来の耐熱鋳鉄に匹
敵する鋳造性２機械加工性、低価格性等といった生産性
特性と、従来のステンレス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、バランス良く兼ね備え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的な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９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、バランス良
く兼ね備えた耐熱鋳鋼とすることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明材と比較材の９００℃における耐酸化
性を比較した結果を示す図。 第２図は、本発明材と比較材の耐熱亀裂性を比較した結
果を示す図。 第３図は、本発明材の金属組織の顕微鏡写真を示す図で
ある。 出願人　　　　　　トヨタ自動車株式会社第１図 石β４謁コでの奎トリＪξし委す（回）第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、重量比率で、Ｃ；０．５〜２．５％、Ｓｉ；１．５
   ％〜４．５％、Ｍｎ；０．７％以下、Ｐ；０．０５％以
   下、Ｓ；０．１％以下、Ｃｒ；５．０〜１４．０％、Ｔ
   ｉ；０．１５〜４．６％、残部実質的にＦｅからなる組
   成を有し、鋳造後の焼なまし処理により、黒鉛を含有し
   ないフェライト基地組織中の炭化物を、デンドライト状
   に晶出させた１次炭化物と微細に分散析出させた粒状の
   ２次炭化物としたことを特徴とする耐熱鋳鋼。