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Info
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
〜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。
耐熱鋳鋼で,JIS規格SCH−12である。
を行った。
験片(JIS4号試験片)を用いて行った。
き試験片を用いて、900℃および1050℃で行っ
た。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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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