JPS6324041A

JPS6324041A - 耐熱性球状黒鉛鋳鉄

Info

Publication number: JPS6324041A
Application number: JP16737686A
Authority: JP
Inventors: Masami Suzuki; 鈴木　正実
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1986-07-16
Filing date: 1986-07-16
Publication date: 1988-02-01
Anticipated expiration: 2009-11-02
Also published as: JPH0686642B2

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〕この発明は、耐熱性球状黒鉛鋳鉄にかかり、特に、車両
用エンジンの排気系部品等に使用するのに好適な耐熱性
球状黒鉛鋳鉄の改良に関するものである。

〔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、
燃焼効率の改善のだ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、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、従来の高Ｓｉ球状黒
鉛鋳鉄の耐熱性をさらに向上させるため、Ｃｒ、ＡＡ、
ＭｏあるいはＣａ、Ｌａ等の希土類元素の惰力Ｕが試み
られてきた。

すなわち、鋳物第４９巻第１２号の第４２頁には鋳鉄の
耐熱性を向上させる方法としては、■パーライト安定化
、■人、変ｆ１３４度の上昇、■基地の固溶強化等があ
り、その目的に応じてＶ、Ｗ、ＭＯ％　Ｃｒ、Ｍｎ、Ａ
ｔ！、、Ｓ　ｉ等の合金元素の添加が試みられているこ
とが開示されている。

また、出願人は先に出願した特公昭５４−３８９６８号
の中で鋳鉄にＳｉ、Ｍｎ、Ｍｇを添加した排気マニホル
ドを開示している。

また、特公昭６０−１７８１９号にはＭ　ｏ　−、Ｃｅ
、Ｌａの含有が開示され、特開昭５８−５８２４８号に
はＣｒ、、Ｍｏの含有が開示されている。

さらに、特開昭６０−７０１６２号にもＭｏの含有が開
示され、特開昭４８−３１１１３号にはＡＩ！を含有し
た球状黒鉛鋳鉄が開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄の性質を改善するために
は、特に耐酸化性と熱疲労特性を同時に向上させるとと
もに、鋳造性と加工性を悪化させないことが必要である
。

しかしながら、従来の耐熱性の向上の方法には以下のよ
うな問題があった。

Ｓｉ含有量を高めることは耐酸化性を向上させるが、フ
ェライト基地を脆化させ熱疲労特性を悪化させる。

また、ＣｒあるいはＡ２を含有させることも耐酸化性を
向上させるが、Ｃｒは網状の１次炭化物を析出させ被削
性を著しく低下させ、またＡ１は溶湯の流動性を低下さ
せ鋳造性を著しく悪化させる。

また、Ｍｏは基地を強化して熱疲労特性を向上させるが
、Ｃｒと同様網状の１次炭化物を析出させ被削性を著し
く低下させるとともに、引は巣の発生を増加させ易い。

さらに、希土類元素の添加は、酸化スケールの密着性を
良くして耐酸化性を向上させるが、熱疲労特性を向上さ
せる効果が小さいという問題がある。

従って、本発明の目的は、従来の耐熱性球状黒鉛鋳鉄よ
りも格段にすぐれた熱疲労特性と耐酸化性を有するとと
もに、鋳造性と機械加工性を兼ね備えた耐熱性球状黒鉛
鋳鉄を提供することにある。

〔問題点を解決するだめの手段〕

このため、本発明にかかる耐熱性球状黒鉛鋳鉄は、重量
比率で、Ｃ；３．２〜４．２％、Ｓｉ；３．５〜４．５
％、Ｍｎ；０．８％以下、ｐ；ｏ。

１％以下、ｓ；ｏ、ｏ、３％以下、Ｃｒ；０．２〜０、
８％、ｖ；Ｑ、　　５〜１．　８％、Ｍｇ、　　Ｃａ。

Ｃｅ等の黒鉛球状化元素を黒鉛の球状化のために必要な
量含有し、残部実質的にＦｅと不可避の不純物からなる
ことを特徴とするものである。

〔作用〕

上記の構成にかかる本発明の詳細な説明すると、組成的
にはｐ、ｓ等の不純物を低く抑える一方、Ｃ，Ｓｉ、Ｃ
ｒ、Ｖをバランスよく添加したことにより、従来の耐熱
性球状黒鉛鋳鉄よりも格段にすぐれた熱疲労特性と耐酸
化性を有するとともに、鋳造性と機械加工性を兼ね備え
た耐熱性球状黒鉛鋳鉄を提供することができたのである
。

以下、本発明の耐熱性球状黒鉛鋳鉄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％で表示する。

まず、Ｃは３．２％未満では鋳造性が悪化し、４．２％
を超えると黒鉛量が多（なり材質を脆弱化させるため、
３．２〜４．２％とした。

ＳＬは高温における耐酸化性を向上させるためには３．
５％以上必要であるが、４．５％を超えると基地が脆弱
化して熱疲労特性を著しく低下させるため、３．５〜４
．５％とした。

また、Ｍｎは溶解原料から不可避的に混入するＳの害毒
をＭ　ｎ　Ｓとして無害な形に固定するために有効な元
素であるが、０．８％を超えると耐酸化性を悪化させる
ため０．　８％以下とした。

Ｐはやはり溶解原料から不可避的に混入するが、多量に
混入すると被削性を悪化させるステダイトを晶出させる
ため、その影響が無視できる程度の０．１％以下とした
。

また、Ｓも溶解原料から不可避的に混入するが、多量に
混入すると黒鉛の球状化を阻害するため、やはりその影
響が無視できる程度の０．０３％以下とした。

Ｃｒは耐酸化性の向上に有効であるが０．２％未満では
その効果が十分でなく、０．８％を超えて添加するとＶ
の含有鼠との関係で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ため、０．２〜０．８％と
した。

■は本発明において特に重要な合金元素である。

すなわち、鋳造時にＣｒよりも優先的に微細な粒状炭化
物を形成し、機械加工性を悪化させるＣｒＯ網状１次炭
化物の形成を抑制する。

また、高温におけるＣｒの２次炭化物の析出を抑制する
ため耐酸化性の向上に有効であるが、０゜５％未満では
それらの緒特性の改善効果が十分でなく、一方１．８％
を超えて添加するとＶが未溶解状態で基地中に残留して
靭性を低下させ易いため、０．５〜１．８％とした。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を添付図面を参照して詳細に説
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４種類の本発明材■〜■および４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あたっては５０ｋｇ用高周
被溶解炉を使用して大気溶解し、１５５０℃以上で出湯
し取鍋中にてＦｅ−３ｉ　−Ｍｇ合金により黒鉛球状化
処理を行った。

その後、これをＦｅ−３ｉ合金にて接種後１４４０℃以
上で注湯し、ＪＩＳ規格Ａ号のＹブロック形状に鋳造成
形した。このようにして製造した各供試材の化学組成を
第１表に示した。

第１表第１表に示すような組成を有する各供試材を使用して、
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−油圧サーボ方式熱疲労試験機を使用して、
上記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１５ｍ、標点間径を１
０ｍφとした丸棒試験片を使用して、試験片の加熱によ
る伸びおよび冷却による収縮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分とし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。

そして、各試験片に負荷させる加熱冷却サイクルを上記
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壊までの繰り返し数（回
）との関係によって、各供試材の熱疲労特性を評価した
。ここで、拘束率（％）は次の式により求められる値で
ある。

自由伸び一拘束伸び拘束率（％）＝　　　　　　　　　　　　ｘｉｏ。

自由伸びこのようにして熱疲労試験した結果を第１図に示した。

第１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４種類の比較材■〜■と比較すると、熱疲
労寿命が格段にすぐれていることがわかる。

次に、耐酸化性を評価するために、鋳造成形された上記
の組成を有する各供試材を使用して、３Ｑ　ｍ　Ｘ　２
Ｑ　ｔｘ　Ｘ　５　ｍの形状の板状試験片を製作し、９
００℃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−４
７ｃｍ２）を求めることにより評価した。

上記の方法により酸化試験した結果を第２図に示した。

第２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■〜■と比較すると酸化減量が少な
くとも約半分以下であり、耐酸化性が格段にすぐれてい
ることがわかる。

次に、鋳造性、機械加工性を評価するために本発明材を
使用してエキゾーストマニホルドを鋳造成形によって製
造した。

その結果、“ひけ巣”、“ピンホール″、”ブローホー
ル”、“砂かみ”、“湯廻り不良”、“湯境”等といっ
た鋳造不良を生じることなく成形でき、良好な鋳造性を
有していることが確認できた。

そして、次にこれにドリル加工、フライス加工等の機械
加工を施したところ、刃具の欠けあるいは異常摩耗を生
じることもなく、従来の高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄と同等の機
械加工性を存していることが確認できた。

次に、耐熱耐久性を評価するために本発明材および比較
材を使用して２．８４！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、実際にエンジンに搭載してエ
ンジン台上苛酷耐久試験を行った。

第２表にこのエンジン台上苛酷耐久試験に使用したエキ
ゾーストマニホルドの各供試品の化学組成を示した。

なお、比較品は従来の高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄である。

第１表試験条件は最高回転数を５６０Ｏｒｐｍとして全負荷条
件での冷熱サイクル耐久を９００サイクルまで実施し、
熱亀裂の発生の存無によってエキゾーストマニホルドの
耐久性を評価した。

この結果、本発明品は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、比較品は６
３０サイクルで肉厚を貫通する熱亀裂の発生が認められ
た。

以上の結果より、本発明材によって製造されたエキゾー
ストマニホルドは熱負荷の厳しい条件下において十分な
熱亀裂耐久性を有していることが明らかになった。

以上、本発明を特定の実施例に基づいて説明したがこれ
に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した
範囲内で当業者が実施可能な種々の別な態様が考えられ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明にかかる耐熱性球状黒鉛鋳
鉄は、組成的にはＰ、Ｓ等の不純物を低（抑える一方、
Ｃ，Ｓｉ、（：ｒ、Ｖをバランスよく添加したことによ
り、従来の耐熱性球状黒鉛鋳鉄よりも格段にすぐれた熱
疲労特性と耐酸化性を有するとともに、鋳造性と機械加
工性を兼ね備えることができた。

これによって、自動車用エンジンにおける排気系部品用
材料、例えばエキゾーストマニホルド等に適用できると
いうすぐれた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明材と比較材の熱疲労試験の結果を示すグ
ラフ、第２図は本発明材と比較材の酸化試験の結果を示
すグラフである。石叉狽まで゛のＳ１１し子（（回）第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

重量比率で、Ｃ；３．２〜４．２％、Ｓｉ；３．５〜４
．５％、Ｍｎ；０．８％以下、Ｐ；０．１％以下、Ｓ；
０．０３％以下、Ｃｒ；０．２〜０．８％、Ｖ；０．５
〜１．８％、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅ等の黒鉛球状化元素を黒
鉛の球状化のために必要な量含有し、残部実質的にＦｅ
と不可避の不純物からなることを特徴とする耐熱性球状
黒鉛鋳鉄。