JP2542753B2 - 高温強度の優れたオ―ステナイト系耐熱鋳鋼製排気系部品 - Google Patents

高温強度の優れたオ―ステナイト系耐熱鋳鋼製排気系部品

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JP2542753B2 JP3188457A JP18845791A JP2542753B2 JP 2542753 B2 JP2542753 B2 JP 2542753B2 JP 3188457 A JP3188457 A JP 3188457A JP 18845791 A JP18845791 A JP 18845791A JP 2542753 B2 JP2542753 B2 JP 2542753B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はオーステナイト系耐熱鋳
鋼製排気系部品に関し、特に900℃を越える高温領域
において強度に優れ、しかも室温延性を損なわず、かつ
鋳造性、加工性に優れて安価に製造できる、燃焼室や排
気バルブ等のエンジン室内周囲の部品を除く、エキゾー
ストマニホールドやタービンハウジング等として好適な
排気系部品に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の耐熱鋳鉄、耐熱鋳鋼としては、例
えば表1に比較材として示すような組成のものがある。
自動車のエキゾーストマニホールドやタービンハウジン
グ等の排気系部品等においては、使用条件が高温過酷と
なることから、表1に示すような高Si球状黒鉛鋳鉄、
ニレジスト鋳鉄(Ni−Cr−Cu系オーステナイト鋳
鉄)等の耐熱鋳鉄や、フェライト系耐熱鋳鋼などが採用
されていた。
【0003】オーステナイト系耐熱鋳鋼として、特開昭
61ー87852号公報には、C,Si,Mn,N,N
i,Cr,V,Nb,Ti,B,WおよびFeからなる
組成を特定し、クリープ強度と耐力を向上する開示があ
る。また、特開昭61ー177352号公報には、C,
Si,Mn,Cr,Ni,Al,Ti,B,Nbおよび
Feからなる組成を限定し、酸素含有量および清浄度を
特定して、高温特性とともに室温特性をに改善する開示
がある。更に、特公昭57ー8183号公報には、Fe
−Ni−Crオーステナイト系耐熱鋳鋼の炭素量を増加
させるとともに、Nb,Coを添加して、高温耐酸化性
を低下させずに、高温強度を向上する開示がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記、従来の耐熱鋳
鉄、耐熱鋳鋼のうち、高Si球状黒鉛鋳鉄は、室温強度
は比較的良好であるが、高温強度、耐酸化性が劣る。ま
た、ニレジスト鋳鉄は、900℃までは高温強度は比較
的良好であるが、それ以上の温度では耐久性が劣る。ま
た、このニレジスト鋳鉄は、Ni含有量が多く高価であ
るという問題点がある。その他にフェライト系耐熱鋳鋼
があるが、通常のフェライト系耐熱鋳鋼は、900℃以
上の高温強度が絶対的に劣るという問題点がある。
【0005】また、上記特開昭61ー87852号公報
のものは、C量が0.15重量%以下と低いことによ
り、900℃以上での高温強度が不足し、またTiを
0.002〜0.5重量%含有するため、大気溶解では
有害な非金属介在物の生成を招く恐れがある。
【0006】また、上記特開昭61ー177352号公
報のものは、Niを多量に含有するため、高温でイオウ
(S)雰囲気が存在すると、損傷を受ける恐れがある。
【0007】また、特公昭57ー8183号公報のもの
は、高炭素(C)のため、高温で長時間の使用中に脆化
する恐れがある。
【0008】
【0009】 従って、本発明は、上記従来の耐熱鋳
鉄、耐熱鋳鋼の問題点を解決し、より高温強度に優れ、
かつ安価に製造可能な耐熱鋳鋼からなる排気系部品を提
供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、Ni−Cr基オーステナイト系
耐熱鋳鋼に、Nb、W、BあるいはそれらにMoおよび
/またはCoを適量添加することにより、高温強度を向
上することができることを見い出し、本発明に想到し
た。
【0011】すなわち、本第1の発明の高温強度の優れ
たオーステナイト系耐熱鋳鋼製排気系部品は、重量比率
で、 C : 0.20〜 0.60%, Si: 2.00%以下, Mn: 1.00%以下, Ni: 8 〜20 %, Cr:15 〜30 %, Nb: 0.2 〜 1.0 %, W : 2 〜 6 %, B : 0.001〜0.01% 残部:Feおよび不可避不純物 からなることを特徴とする。
【0012】次に、本第2の発明の高温強度の優れたオ
ーステナイト系耐熱鋳鋼製排気系部品は、重量比率で、 C : 0.20〜 0.60%, Si: 2.00%以下, Mn: 1.00%以下, Ni: 8 〜20 %, Cr:15 〜30 %, Nb: 0.2 〜1.0 %, W : 2 〜6 %, Mo: 0.2 〜1 %, B : 0.001〜0.01% 残部:Feおよび不可避不純物 からなることを特徴とする。
【0013】次に、本第3の発明の高温強度の優れたオ
ーステナイト系耐熱鋳鋼製排気系部品は、重量比率で、 C : 0.20〜 0.60%, Si: 2.00%以下, Mn: 1.00%以下, Ni: 8 〜20 %, Cr:15 〜30 %, Nb: 0.2 〜 1.0 %, W : 2 〜 6 %, Co: 20 %以下, B : 0.001〜0.01% 残部:Feおよび不可避不純物 からなることを特徴とする。
【0014】次に、本第4の発明の高温強度の優れたオ
ーステナイト系耐熱鋳鋼製排気系部品は、重量比率で、 C : 0.20〜 0.60%, Si: 2.00%以下, Mn: 1.00%以下, Ni: 8 〜20 %, Cr:15 〜30 %, Nb: 0.2 〜1.0 %, W : 2 〜6 %, Mo: 0.2 〜1 %, Co: 20 %以下, B : 0.001〜0.01% 残部:Feおよび不可避不純物 からなることを特徴とする。
【0015】
【作用】以下、本発明の高温強度の優れたオーステナイ
ト系耐熱鋳鋼の各合金元素の組成範囲の限定理由につい
て詳細に説明する。
【0016】(1)C(炭素):0.20〜0.60% Cは、溶湯の流動性すなわち鋳造性を良くする作用があ
り、また一部基地に固溶して、固溶強化する作用があ
る。さらに、一次炭化物を形成し、高温強度を高めるの
に必要である。このような作用を有効に発揮するために
は、Cは少なくとも0.20%以上を必要である。
【0017】一方、Cの含有量が0.60%を越えると
二次炭化物が過剰に析出し、靭性を著しく劣化する。こ
のため、Cは0.20〜0.60%とする。
【0018】(2)Si(ケイ素):2.0%以下 Siは、溶湯の脱酸剤としての役割を有するほか、耐酸
化性の改善に有効な元素である。しかし、過剰に加える
とオーステナイト組織が不安定になり、高温強度の劣化
を招くので、Siの含有量は2.00%以下とする。
【0019】(3)Mn(マンガン):1.00%以下 Mnは、Siと同様に溶湯の脱酸剤として有効である
が、あまり多く加えると耐酸化性が劣化するので、1.
00%以下とする。
【0020】(4)Ni(ニッケル):8〜 20% Niは、後記のCoおよびCrとともに本発明の耐熱鋳
鋼をオーステナイト組織とし、その組織を安定にして高
温強度を高めるのに有効な元素である。特に、900℃
以上の高温域において良好な高温強度を有するために
は、8%以上の添加が必要である。Niの増加とともに
上記特性は向上するが、20%を越えても効果は飽和
し、経済的にも不利である。そのためNi含有量は8〜
20%とする。
【0021】(5)Co(コバルト):20%以下 Coは、Niと同様オーステナイト組織を安定にし高温
強度を高める元素であり、特にNiと複合添加させるこ
とにより、一層オーステナイト組織が安定する。また、
Sが存在する使用雰囲気では、Niは低融点の硫化物を
つくるため、一般にCoの使用が有利である。NiとC
oは相互に置換することが可能であるが、Ni+Coの
合計が30%を越えても効果が飽和し、経済的にも不利
であるので、8%以上、30%以下とする。なお、Co
単独で20%を越えても効果が飽和し、経済的にも不利
であるので、20%以下とする。
【0022】(6)Cr(クロム):15〜30% Crは、上記NiおよびCoと共存し、鋳鋼組織をオー
ステナイト化して、高温強度や耐酸化性を高めるほか、
炭化物を形成し高温強度を高めるのに有効な元素であ
る。特に、900℃の高温域でこれらの効果を有効なも
のにするためには、15%以上の添加が必要である。し
かし、添加量が30%を越えると、過剰に二次炭化物が
析出すること、更にはσ相などの脆い析出物などが析出
し、脆化が著しくなる。そのためCr含有量を15〜3
0%とする。
【0023】(7)W(タングステン):2〜6% Wは高温強度を改善する。この効果を得るためには2%
以上の添加が必要である。しかし、多量に添加すると耐
酸化性が劣化するので6%が上限である。そのためWの
含有量は2〜6%とする。
【0024】(8)Mo(モリブデン):0.2〜1% Moは、Wと同様の作用を有する元素である。しかし、
Moの単独添加は、Wよりも効果が少ない。Wの一部を
置換し複合効果させるため、Moの添加量は0.2〜1
%とする。
【0025】(9)Nb(ニオブ):0.2〜1.0% Nbは、Cと結合して微細な炭化物を形成し、高温強度
を改善する。また、Cr炭化物の生成を抑制することに
よって耐酸化性を向上させる。これらの効果を有効に発
揮させるためには、0.2%以上の添加が必要である。
しかし、多量の添加は靭性を劣化させるので上限を1.
0%とする。そのためNbの含有量は、0.2〜1.0
%とする。
【0026】(10)B(ボロン):0.001〜0.
01% Bは、鋳鋼の結晶粒界を強化するほか、粒界炭化物を微
細にするとともに、その凝集粗大化を遅らせ高温強度と
靭性を改善する。このため、0.001%以上の添加が
望ましい。一方、Bの多量の添加は硼化物を析出させ、
高温強度を劣化させるので、0.01%を上限とする。
そのためBの含有量は0.001〜0.01%とする。
【0027】このような本発明の高温強度の優れたオー
ステナイト系耐熱鋳鋼は、特に自動車の排気系部品とし
て、エンジンに取り付けられるエキゾーストマニホール
ドやタービンハウジングとして薄肉に鋳造して用い、加
熱冷却のサイクルを受けても変形が僅かであり、優れた
耐久性を有する。
【0028】
【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。
【0029】実施例1〜19、比較例21〜25 表1に示す種類の組成の耐熱材料について、JIS規格
Y形B号供試材を作製した。なお、鋳造にあたっては、
100kg用高周波炉を用いて大気溶解し、直ちに15
50℃以上で出湯して1500℃以上で注湯した。
【0030】本発明材(実施例1〜19)のオーステナ
イト系耐熱鋳鋼については、鋳造時の湯流れが良く、鋳
造欠陥の発生が見られなかった。次に、鋳造した本発明
材((実施例1〜19)、および比較例23、24およ
び25の供試材(Yブロック)を加熱中にて1000℃
で2時間保持後空冷する熱処理を行った。また、比較例
21は鋳放しのまま、さらに比較例22は加熱炉にて8
00℃で2時間保持後空冷する熱処理を行って試験に供
した。
【0031】なお、表1において、比較材(比較例21
〜25)は自動車のターボチャージャー用ハウジングや
エキゾーストマニホールド等の耐熱部品に使用されてい
るもので、比較例21の供試材は、高Si球状黒鉛鋳鉄
であり、比較例22の供試材は、ACI(Alloy
Casting Institute)規格のCB−3
0であり、比較例23および24の供試材は、それぞれ
ニレジスト鋳鉄D2およびD5Sである。
【0032】また、比較例25は汎用オーステナイト系
耐熱鋳鋼で,JIS規格SCH−12である。
【0033】
【表1】 化学成分(重量%) 実施例 C Si Mn Ni Cr Co Mo W Nb B No.1 0.19 1.04 0.51 9.78 20.63 - - 2.02 0.28 0.002 2 0.29 0.96 0.55 10.14 16.50 - - 2.50 0.32 0.003 3 0.28 1.05 0.49 15.09 28.20 - - 3.01 0.31 0.004 4 0.30 1.01 0.59 15.05 25.31 - - 3.07 0.29 0.004 5 0.29 0.99 0.47 18.44 21.47 - - 3.02 0.32 0.008 6 0.29 1.02 0.47 9.86 19.33 - - 2.93 0.28 0.004 7 0.31 1.01 0.51 9.79 18.82 - - 2.89 0.48 0.003 8 0.30 0.87 0.54 10.80 19.78 - 0.49 2.02 0.31 0.003 9 0.31 1.05 0.48 10.43 19.85 - 0.52 2.03 0.52 0.004 10 0.29 1.03 0.52 9.97 20.02 - - 2.86 0.94 0.003 11 0.49 1.00 0.49 9.97 19.58 - - 3.09 0.98 0.003 12 0.28 1.06 0.49 9.74 19.28 - - 4.88 0.48 0.003 13 0.48 1.06 0.50 9.93 20.28 - - 5.03 0.48 0.003 14 0.41 1.00 0.50 9.96 20.21 - - 3.05 0.50 0.003 15 0.43 0.97 0.51 9.05 20.52 4.50 - 3.02 0.44 0.003 16 0.38 0.92 0.46 9.26 19.56 9.31 0.55 2.04 0.42 0.004 17 0.37 0.97 0.49 10.09 19.26 18.74 - 2.94 0.47 0.004 18 0.32 0.98 0.53 10.70 20.62 10.39 - 3.00 0.51 0.004 19 0.27 0.96 0.49 9.89 20.17 17.66 - 2.89 0.47 0.003 比較例 21 3.33 4.04 0.35 - - - 0.62 - - - 22 0.28 1.05 0.44 - 17.9 - - - - - 23 2.77 2.12 0.88 21.10 2.44 - - - - - 24 1.89 5.32 0.41 34.50 2.35 - - - - - 25 0.21 1.24 0.50 9.1 18.8 - - - - - 次に、各供試材を用いて、以下に述べる各種の評価試験
を行った。
【0034】(1)室温引張試験 標点間距離が50mm、標点の直径が14mmの丸棒試
験片(JIS4号試験片)を用いて行った。
【0035】(2)高温引張試験 標点間距離が50mm、標点の直径が10mmのつばつ
き試験片を用いて、900℃および1050℃で行っ
た。
【0036】(3)熱疲労試験標点間距離が20mm,
標点間の直径が10mmの丸棒試験片を用いて、加熱 冷却に伴う伸び縮みを機械的に完全に拘束した状態で、
下記の条件で加熱冷却サイクルを繰り返し、熱疲労破壊
を起こさせた。 下限温度:150℃ 上限温度:1000℃ 各1サイククル:12分 なお、試験機として、電気−油圧サーボ方式の熱疲労試
験機を用いた。
【0037】(4)酸化試験 直径10mm,長さ20mmの丸棒試験片を作製し、1
000℃において200時間大気中に保持し、取り出し
後にショッ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あたりの重量変化(酸化減
量:mg/mm2 )を求めることにより、耐酸化性を評
価した。
【0038】以上の室温引張試験結果を表2に、高温引
張試験結果を表3に、熱疲労試験結果および酸化試験結
果を表4に示す。
【0039】
【表2】 室温引張試験結果 0.2%耐力 引張強さ 伸び 硬さ (MPa) (MPa) (%) (HB) 実施例 No. 1 250 595 26 170 2 300 555 11 179 3 280 510 7 201 4 265 555 13 179 5 275 560 12 187 6 275 590 19 179 7 300 565 11 197 8 285 540 12 183 9 300 555 11 192 10 255 565 14 179 11 325 540 4 223 12 280 600 14 197 13 325 525 4 217 14 335 540 4 217 15 315 540 10 201 16 290 540 6 217 17 320 545 5 223 18 305 540 7 201 19 305 535 9 201 比較例 No.21 510 640 11 217 22 540 760 4 240 23 190 455 16 179 24 255 485 9 163 25 250 560 20 170
【0040】
【表3】 高温引張試験結果 900℃ 1050℃ 0.2%耐力 引張強さ 伸び 0.2%耐力 引張強さ 伸び (MPa) (MPa) (%) (MPa) (MPa) (%) 実施例 No.1 65 120 36 33 59 38 2 66 129 32 36 65 36 3 84 172 27 35 77 27 4 80 153 42 42 75 37 5 84 151 28 44 77 33 6 82 145 34 37 65 38 7 88 155 25 46 75 34 8 81 140 34 40 69 42 9 85 150 31 43 72 36 10 77 139 29 37 68 34 11 97 173 22 62 101 30 12 77 146 32 40 74 34 13 94 177 28 50 97 30 14 103 206 32 60 96 27 15 90 150 38 53 88 40 16 97 167 27 56 91 30 17 108 186 31 54 89 35 18 97 166 28 46 77 30 19 98 166 36 49 82 38 比較例 No.21 20 40 33 − − − 22 25 42 58 15 28 103 23 41 64 27 22 36 36 24 48 73 29 25 45 22 25 65 128 93 30 50 100
【0041】
【表4】 熱疲労試験結果および酸化試験結果 熱疲労寿命 酸化減量 (サイクル) (mg/mm2実施例 No.1 88 25 2 92 30 3 115 15 4 105 18 5 102 18 6 120 35 7 135 40 8 105 50 9 110 50 10 152 26 11 145 35 12 160 30 13 175 35 14 185 18 15 180 23 16 150 28 17 195 15 18 165 20 19 177 22 比較例 No.21 - - 22 10 105 23 56 765 24 85 55 25 80 85
【0042】表2、表3および表4から明らかなよう
に、本発明による実施例1〜19は、従来材である比較
例23、24のニレジスト鋳鉄D2およびD5Sと比較
して、特に900℃以上の高温強度が著しく改善され、
室温性質が同等以上であることがわかる。更に、比較例
25のSCH12と比較して、1000℃の高温強度が
改善されていることがわかる。また、表2に示す通り、
本発明材(実施例1〜19)は硬さ(HB )度が170
〜223と比較的低く、機械加工性にも優れていること
がわかる。
【0043】次に、実施例5、15および19のオース
テナイト系耐熱鋳鋼を用いて、自動車用排気系部品のエ
キゾーストマニホールド(肉厚:2.5〜3.4mm)
およびタービンハウジング(肉厚:2.7〜4.1m
m)を鋳造した。得られた耐熱鋳鋼部品はいずれも健全
なものであった。
【0044】更に、これらの鋳鋼部品に機械加工を施し
て、切削性の評価を行ったが、いずれのものにも何等問
題は生じなかった。
【0045】次に、エキゾーストマニホールドとタービ
ンハウジングを組み付けた直列4気筒で排気量2000
ccの高性能ガソリンエンジン相当の排気ガスを発する
排気シミュレータにより、耐久試験を実施した。試験条
件として、6000回転相当での全負荷運転(連続14
分)−アイドリング(1分)−完全停止(14分)−ア
イドリング(1分)を1サイクルとする熱冷(GO−S
TOP)サイクルを、500サイクルまで実施した。全
負荷時の排気ガス温度は、タービンハウジングの入口温
度で、1050℃であった。この条件下でのエキゾース
トマニホールドの表面温度は、エキゾーストマニホール
ドの集合部で、約980℃、タービンハウジングの表面
温度は、ウエストゲート部で約1020℃であった。評
価試験の結果、熱変形によるガスの漏洩や熱亀裂は生じ
ず、優れた耐久性および信頼性を有することが確認され
た。
【0046】
【発明の効果】以上の説明の通り、本発明のオーステナ
イト系耐熱鋳鋼製排気系部品は、特に900℃を越える
高温領域において強度に優れ、しかも室温延性を損なわ
ず、かつ鋳造性、加工性に優れているので、安価に製造
することがでる。このような本発明のオーステナイト系
耐熱鋳鋼製排気系部品は、エキゾーストマニホールドや
タービンハウジング等として好適である。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量比率で、 C : 0.20〜 0.60%, Si: 2.00%以下, Mn: 1.00%以下, Ni: 8 〜20 %, Cr:15 〜30 %, Nb: 0.2 〜 1.0 %, W : 2 〜 6 %, B : 0.001〜0.01% 残部:Feおよび不可避不純物 からなることを特徴とする高温強度の優れたオーステナ
    イト系耐熱鋳鋼製排気系部品。
  2. 【請求項2】 重量比率で、 C : 0.20〜 0.60%, Si: 2.00%以下, Mn: 1.00%以下, Ni: 8 〜20 %, Cr:15 〜30 %, Nb: 0.2 〜1.0 %, W : 2 〜6 %, Mo: 0.2 〜1 %, B : 0.001〜0.01% 残部:Feおよび不可避不純物 からなることを特徴とする高温強度の優れたオーステナ
    イト系耐熱鋳鋼製排気系部品。
  3. 【請求項3】 重量比率で、 C : 0.20〜 0.60%, Si: 2.00%以下, Mn: 1.00%以下, Ni: 8 〜20 %, Cr:15 〜30 %, Nb: 0.2 〜 1.0 %, W : 2 〜 6 %, Co: 20 %以下, B : 0.001〜0.01% 残部:Feおよび不可避不純物 からなることを特徴とする高温強度の優れたオーステナ
    イト系耐熱鋳鋼製排気系部品。
  4. 【請求項4】 重量比率で、 C : 0.20〜 0.60%, Si: 2.00%以下, Mn: 1.00%以下, Ni: 8 〜20 %, Cr:15 〜30 %, Nb: 0.2 〜1.0 %, W : 2 〜6 %, Mo: 0.2 〜1 %, Co: 20 %以下, B : 0.001〜0.01% 残部:Feおよび不可避不純物 からなることを特徴とする高温強度の優れたオーステナ
    イト系耐熱鋳鋼製排気系部品。
  5. 【請求項5】 排気系部品が、エキゾーストマニホール
    ドである請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の高温
    強度の優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼製排気系部品。
  6. 【請求項6】 排気系部品が、タービンハウジングであ
    る請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の高温強度の
    優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼製排気系部 品。
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