JPS6237343A - 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
特性を有するとともに、優れた鋳造性２機械加工性、低
価格性等といった生産特性とを、バランス良く兼ね備え
ていることから、車両用エンジンにおける排気系部品等
に好適に通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にある。

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ハウジング、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、使用条件が高温となり耐熱亀
裂性、耐酸化性に対する要求が特に苛酷となることから
、従来においては高Ｓｉ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
ーステナイト系耐熱鋳鋼等の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鋳鉄、
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、耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化性等と
いった性能・耐久特性が劣ることから、８００″Ｃ以上
の高温における耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂性。

耐酸化性等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、高合金耐熱鋳鋼は８００℃以上の高温
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
鋳造不良を発生し易いこと２機械加工性が悪いこと等に
よりその生産性が劣ることから、耐熱部材としての優れ
た鋳造性１機械加工性、低価格性等といった生産特性、
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；　０．３〜２．０％、Ｓｉ；２．０〜４
．５％、ＭｎＨ１，Ｑ％以下、Ｐ；０．０５％以下、Ｓ
；０．０５％以下、Ｃｒ；５．０〜１０゜０％と、Ｔ　
ｉ　；　０．２〜１．０％、及び、Ｎｂ、Ｔａ。

■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焼なまし処理
は、９００〜９５０’ＣＸ０．５時間以上のオーステナ
イト化処理後６８０〜７５０ｃまで炉冷し、６８０〜７
５０’ＣＸ０．５時間以上保持して冷却するという通常
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、耐熱鋳鋼
において、組成的にはＰ、ｓ等の不純物を低く抑えると
ともに、Ｃ，Ｓｉ、Ｃｒと、Ｔｉ、及び、Ｎｂ、Ｔａ、
Ｖのうち少な（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
９低価格性等といった生産特性を保有させた上で、従来
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Ｃｒｌｉ度を高く
していることがら、本発明の耐熱鋳鋼を、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
久特性とを、バランス良く兼ね備えた耐熱鋳８岡とする
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を向上し
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
量との兼ね合いから炭素の黒鉛化を促進して耐熱鋳鋼の
強度特性を低下させるばかりでなく、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く、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Ｓｉ１度が過多となって、
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ため、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、Ｓｉ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”を改善して生産性を向上させる合金元素として有効
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
、加熱冷却の繰り返しによる熱亀裂を発生し易くなり、
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は耐酸化性を改善するとともに、共析変態温
度を上昇させて耐熱特性（高温強度、耐熱亀裂性等）を
改善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て機械加工
性を著しく悪化させることから５．０〜１０．０％とし
た。

また、Ｔｉは本発明材において特に重要な合金元素であ
り、共析変態温度を上昇させて上述のような耐熱特性を
改善させることから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せて機械加工性を悪化
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炭化物の析出も抑制させることから耐酸化
性の改善にも有効であるが、０．２％未満ではそれらの
緒特性の改善効果が充分でなく、一方、１．０％を越え
て添加するとＴｉが未熔解となり基地組織中に偏析して
残留し、耐熱鋳鋼の靭性を低下させ易いことから０．２
〜１．０％とした。

また、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖも本発明材において特にＭ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
温度を上昇させて上述のような耐熱特性を改善させるこ
とから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せて機械加工性を悪化させる１次Ｃ
ｒ炭化物の形成を抑制し、また、高温における２次Ｃｒ
炭化物の析出も抑制させることから耐酸化性の改善にも
有効であるが、その添加量の合計が１．０％未満ではそ
れらの緒特性の改善効果が充分でなく、６．０％を越え
て添加するとＮｂ、Ｔａ、Ｖが未溶解となり基地Ｍｌｎ
ｉ＋中に偏析して残留し、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、耐熱鋳鋼の機械加工性
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
状化させるためにも有効である。

〔実施例〕

以下、添付図面及び表に基づいて、本発明の実施例を詳
しく説明する。

本発明材の耐熱亀裂性及び耐酸化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■〜■、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、各供試材の鋳造に当たっては、５０Ｋｇ用高周波
溶解炉を用いて大気熔解し、Ｆｅ−３ｉ（７５重量％）
にて脱酸処理した後、直に１５５０℃以上で出湯して１
４５０℃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、上述により紘造成形
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
放冷させる焼なまし処理を行った。

第１表 なお、第１表において、本発明材■〜■及び坊較材■に
おけるＰ及びＳは、いずれも０，０１％以下であり、ま
た、比較材■におけるＰ及びＳはそれぞれ０．０２２％
及び０．０２５％であり、また、比較材■におけるＰ及
びＳはそれぞれ０．０２３％及び０．０２１％である。

また、比較材■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。

また、第１表において、本発明材■〜■はＣ１Ｓｉ、Ｍ
ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒからなる基本組成に、Ｔｉ及びＮｂを
所定量添加した供試材であり、本発明材■〜■は上述の
基本組成にＴｉ及び■を所定量添加した供試材である。

また、第１表において、比較材■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、比較材の
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起筆１表に示すような組成を有す
る各供試材を用いて、耐熱亀裂性及び耐酸化性の評価試
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する耐熱亀裂性の評価試験を実施し
た。

なお、耐熱亀裂性の評価試験は、標点間距離を１５鶴、
標点間径をφ１０■ｌとした丸棒試験片を用い、試験片
の加熱による熱膨張伸びを機械的に拘束させた状態で、
下限温度を２００℃、上限温度を９００℃とし、１サイ
クル１０分とする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を上述
の条件に固定し各試験片の拘束率（％）を変えて、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）との関係により各供試材の耐熱亀裂性（耐熱疲
労強度）を評価した。

このようにして実施した耐熱亀裂性の評価試験結果を第
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■〜Ｏ
は、いずれも従来材である３種類の比較材■〜■と比較
して格段に優れた熱疲労寿命（耐熱亀裂性）を有してい
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、３０ｍｘ　２ＱｍＸ５ｍの形状をした板状試験片
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、酸化試験後の試験片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、酸化試験前後における単位面
積当たりのＭ量変化（酸化減量；　ｍｇ／　ｃｍ　’　
）により評価した。

上述により各供試材の酸化試験を実施した結果を第３図
に示している。

第３図から明らかなように、本発明材■〜Ｏは、いずれ
も従来材である比較材■及び■と比較して著しく優れた
耐酸化性を有しており、また、オーステナイト系耐熱鋳
鋼である比較材■と比べ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、本発明材及び比較材を用いて３．Ｏｆｆ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 なお、第１表において、本発明材■及び■におけるＰ及
びＳは、いずれも０．０１％以下であり、比較界におけ
るＰ及びＳは、いずれも０．０２５％及び０．０２２％
である。

また、比較界には０．０３５％のＭｇを含有している。

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界は、高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄を用いて
製造したエキゾーストマニホルドである。

また、本発明品■及び■はいずれも９５０　”ＣＸ１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、比較界は鋳放し状態のエキゾ
ーストマニホルドを用いた。

そして、エンジン台上苛酷耐久試験条件は、最高回転数
を５６００　ｒｐｍ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
ーストマニホルドとして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、いずれも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、比較界である高Ｓｉ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サイクルで
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したエキゾーストマニホルド（
本発明品■及び■）は、高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄である比較
材により製造したエキゾーストマニホルド（比較界）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を確認す
ることができた。

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 なお、第１表において、本発明材■及び■と比較界にお
けるＰ及びＳは、いずれも０．０１％以下である。

また、比較界はオーステナイト系耐熱鋳８Ｍ（ＪＩｓ規
格５ＣＨ２１相当）により製造された予燃焼室である。

また、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、比較界は鋳放し状態の予燃焼室を用いた。

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
無により予燃焼室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予燃焼
室の耐熱亀裂性の評価試験を実施した結果、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、いずれも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６１ｉｌ（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２龍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した予燃焼室（本発明品の及び
■）は、比較材であるオーステナイト系耐熱鋳鋼（ＪＩ
Ｓ規格５ＣＨ２１相当）により製造した予燃焼室と比較
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を確認
することができた。

〔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關整と鋳造後の焼な
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・面寸久特性とを、
バランス良く兼ね備えた耐熱鋳鋼とすることができ、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耐熱亀裂性の
評価ｖ：、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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、
   Ｔｉ；０．２〜１．０％、及び、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。