JPH06256890A - 耐熱性鋳物用鉄合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 １３〜４０％の範囲内のＮｉと、３．５〜
７．０％の範囲内のＳｉと、２．５％以下のＣとを含
み、残部を実質的にＦｅとする。 【効果】 Ｃを２．５％以下と少なくするので、合金組
織中においては黒鉛が球状化され、熱疲労性や耐力の改
善により、合金の耐熱性が向上する。そのうえ、Ｃ量を
調整するものであるため、製造コストを高価にすること
もない。さらに、Ｓｉの含有量が３．５〜７．０％であ
るので鋳造性が良好であり、薄肉の鋳物の鋳造が容易と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、耐熱鋳鉄等の耐熱性
鋳物用鉄合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】耐熱鋳鉄等の耐熱性鋳物用鉄合金とし
て、多量のNiを含みニレジストと称される，オーステナ
イトダクタイル鋳鉄があり、その良好な耐熱性から広く
用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種のオ
ーステナイトダクタイル鋳鉄においても、その耐熱性に
も限界があり、この耐熱性をより以上に向上させること
が望まれている。

【０００４】そして、その耐熱性の向上に際しては、そ
の製造コストが安価であることも同時に求められてい
る。

【０００５】この発明は、このような事情に基づいてな
されたもので、製造コストが安価でありながら、従来の
オーステナイトダクタイル鋳鉄よりも耐熱性の優れた耐
熱性鋳物用鉄合金を提供することを目的とするものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、13〜40%の範囲内のNiと、
3.5〜7.0%の範囲内のSiと、2.5%以下のCとを含み、残部
を実質的にFeとしたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】請求項１記載の発明によれば、Cを2.5%以下と
少なくするので、合金組織中においては黒鉛が球状化さ
れ、熱疲労性や耐力の改善により、合金の耐熱性が向上
する。そのうえ、C量を調整するものであるため、製造
コストを高価にすることもない。

【０００８】

【実施例】以下、実施例によりこの発明を説明する。

【０００９】まず、実施例の合金と比較例としての従来
のオーステナイトダクタイル鋳鉄のFe以外の化学組成
（重量％）を、表．１に示す。

【００１０】 実施例の前記化学組成において、各化学成分を前記とし
た理由は次のとおりである。

【００１１】すなわち、Si量については、3.5%より小さ
くすると合金の耐酸化性が低下し，7.0%より大きくする
と合金がもろくなり切削性が悪くなるからである。

【００１２】Ni量については、13%より小さくすると合
金のオーステナイト化が困難となり，40%より大きくす
ると合金が軟化するからである。

【００１３】Cr量については、1.0%より小さくすると高
温での合金の熱疲労性が低下するとともに高温強度が低
下し，4.0%より大きくすると合金中の黒鉛がくずれるか
らである。このCr量としては、2.0〜3.5%の範囲がとく
に有効である。

【００１４】Nb量については、Nbが結晶粒内で化合物を
形成するものであるので、0.1%より小さくすると結晶粒
内での化合物形成が行なわれにくく結晶粒界での不純物
除去作用が低下する。Nb量を1.0%より大きくすると、合
金の基地中に多量の化合物が発生し合金の靭性が低下す
るからである。

【００１５】Moは、Siの添加によりもろくなる合金に靭
性を付与して合金基地の強度を高めるものであるが、Mo
量を0.3%より小さくすると付与される靭性が小さく，2.
0%より大きくするとMoの化合物が発生することにより靭
性が低下するからである。

【００１６】Ce量については、0.01%より小さくすると
合金の耐酸化性が低下し，1.0%より大きくすると結晶粒
界に不純物が発生してもろくなるからである。

【００１７】なお、前記比較例１はASTM規格のD-2（ISO
規格のNiCr20 2）に相当する合金であり、前記比較例２
はASTM規格のD-5（ISO規格のNi35）に相当する合金であ
る。

【００１８】このような化学組成からなる実施例および
比較例の各鉄合金を同一条件で鋳造し、一定形状のテス
トピースを形成し、これを所要の測定器で測定すること
によって各鉄合金の機械的性質を得た。各鉄合金の機械
的性質は表．２に示すとおりである。

【００１９】なお、表．２において、常温とは２０℃の
値であり、高温とは９００℃での値である。

【００２０】 ところで、前記実施例の金属組織を顕微鏡で観察する
と、その黒鉛は概ね球状化されており、浮上黒鉛はほと
んど見あたらないものである。

【００２１】そこで、この実施例の合金に関して、その
添加された炭素量およびSi量を変動させて、合金組織中
に浮上黒鉛を生じず，黒鉛が球状化される範囲を炭素当
量とNi量との関係下において、調査してみると図１に斜
線部で示すように、炭素当量をＹとし、前記Ni量をＸと
した場合、Ｙ≦（−0.93／20）Ｘ＋5.0 のようであっ
た。なお、炭素当量CEは、CE=C+1/3*Siで定義され、Cは
炭素量、Siはシリコン量である。

【００２２】そして、前記実施例の合金は、前記炭素当
量の条件を満足しており、前記事実と合致するものであ
る。

【００２３】このような実施例と前記各比較例の合金を
用いて、それぞれ所定形状の棒状のテストピースを鋳造
して、次のような熱疲労試験を行なった。

【００２４】この熱疲労試験は、合金の耐熱性に密接な
関連性を有する熱疲労性を試験するものであって、テス
トピースの両端をサーボパルサーに保持させ、そのテス
トピースを高周波装置で加熱し，圧縮空気で強制的に冷
却させることにより一定の熱サイクルを加え、そのテス
トピースが破断するまでに加えた熱サイクルの回数を測
定するものである。

【００２５】前記熱サイクルは、具体的には１５０℃の
テストピースを高周波装置で加熱して９００℃まで１０
０秒で昇温させ、９００℃で３０秒間保持させた後、圧
縮空気を吹き付けて２１０秒で１５０℃に冷却するもの
である。

【００２６】そして、サーボパルサーに保持されたテス
トピースにかかる荷重は常温で0.25kgf/mm²にそろえて
セットすることとし、この熱疲労試験においては、前記
テストピースを軽く拘束した軽拘束の場合と、前記テス
トピースの両端を完全に固定した完全拘束の場合との２
種類についてそれぞれ行なった。

【００２７】このようにして得られた前記実施例および
各比較例の熱疲労試験の結果は図２に示すとおりであ
る。図２において、斜線の施された棒グラフは軽拘束で
の試験結果を示し、白抜きの棒グラフは完全拘束での試
験結果を示す。

【００２８】軽拘束での試験結果において、実施例は比
較例１の1,70倍の耐久性を示し、比較例２の1.45倍の耐
久性を示している。

【００２９】完全拘束での試験結果においても同様の傾
向が認められるが、いずれの合金のテストピースにおい
ても繰り返し回数が少ないため、各合金の耐酸化性の大
小による影響が少なく、比較的耐酸化性が小さいと考え
られる比較例１の耐久性が相対的にそれほど小さくは現
われていない。

【００３０】これらの試験結果を総合的に評価すると、
実施例の合金は、比較例１および２のいずれよりも良好
な熱疲労に対する耐久性を有するものである。

【００３１】かかる熱疲労試験（軽拘束）により破断し
た各テストピースの破断面を観察すると、前記比較例１
においては酸化が激しく，酸化による剥離が認められ、
比較例２においては酸化はそれほど顕著ではないもの
の、表面に大きなクラックの発生が認められる。一方、
前記実施例の場合には、酸化が顕著でないことは比較例
２と同様であるが、その破断面には微小なクラックが存
在するものの比較例２のような大きなクラックは皆無で
あった。

【００３２】このような観察結果を前記熱疲労試験の結
果と対照させると、合金の熱疲労性は、前記の大きなク
ラックの発生が影響しているものと考えられる。

【００３３】そこで、前記クラックの発生状況を観察す
ると、これらのクラックは黒鉛部分から発生し、粒界に
沿ってクラックが進行していた。また、酸化も黒鉛の周
辺およびクラックに沿って生じていることが確認され
た。

【００３４】このような観察結果を考えると、合金の熱
疲労性を向上させるには、合金組織中での黒鉛形状を球
状とすることが重要であると考えられる。

【００３５】実施例の合金においては、前記したように
炭素量を低減させ、浮上黒鉛が発生せず，黒鉛が球状化
する条件を備えているので、その黒鉛の球状化率が各比
較例よりも良好であり、これが前記熱疲労試験の結果と
して反映されたものと考えられる。

【００３６】次に、これらの実施例と前記各比較例の合
金をそれぞれ所定の矩形状に鋳造してなるテストピース
を用いて行なった耐酸化試験について説明する。

【００３７】この耐酸化試験も、前記熱疲労試験と同様
に合金の耐熱性と密接な関連性を有するものであって、
荷重の加わらないテストピースに加熱炉を用いて大気中
で一定の熱サイクルを加えてこれに伴う酸化減量を測定
するものである。

【００３８】この熱サイクルは、具体的には、２００℃
のテストピースを加熱炉で３０秒加熱して８７０℃と
し、８７０℃の状態を３００秒間維持させ、この後１２
０秒で２００℃に冷却するものである。

【００３９】そして、この耐酸化試験においては、前記
熱サイクルを５００回繰り返した時点での酸化減量と、
１０００回繰り返した時点での酸化減量とを測定した。

【００４０】これらの測定結果は、図３に示すとおりで
あり、図３において斜線を施した棒グラフは５００回時
点での酸化減量，白抜きの棒グラフは１０００回時点で
の酸化減量を示す。

【００４１】図３から明らかなように、比較例１の酸化
減量は５００回，１０００回のいずれの時点においても
極めて大きく、この比較例１に較べると比較例２および
実施例の耐酸化性は極めて良好である。

【００４２】しかし、比較例２と実施例のテストピース
について、その金属組織を顕微鏡で観察すると、比較例
２の表面には厚く酸化層が形成されており、比較例２の
酸化減量が小さいことはその酸化層が剥がれにくいこと
によるものと考えられる。

【００４３】一方、実施例においては、表面に形成され
ている酸化層が前記比較例２よりも薄いものである。

【００４４】したがって、実施例は、前記比較例１はも
ちろんのこと，前記比較例２と較べても酸化減量が少な
く酸化層も薄いことから、その合金自体は酸化されにく
いものであると結論することができる。

【００４５】さらに、これらの実施例と各比較例とにつ
いて、その熱膨張率と成長性とをそれぞれ測定した。な
お、成長性については、２０℃から９００℃までの昇降
温を１０回繰り返してその寸法変化から測定した。

【００４６】これらの測定結果は、表．３に示すとおり
である。

【００４７】 表．３からあきらかなように、熱膨張率は比較例２が最
も小さいが、合金の耐熱性と関連があるものと考えられ
る成長性については、実施例が最も小さく、これに次い
で比較例２が小さく、比較例１はかなり大きいものであ
り、前記の熱疲労試験および耐酸化試験の結果を裏付け
るものとなっている。

【００４８】以上の各試験の結果から、前記実施例の合
金は比較例として示した従来の耐熱鋳鉄と較べて良好な
耐熱性を有するものであり、高価な成分を多量に使用す
るものでなく，炭素量を低減させたものであるので、そ
の製造コストが高価になることもない。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、Cを2.5%以下と少なくするので、合金組織
中においては黒鉛が球状化され、熱疲労性や耐力の改善
により、合金の耐熱性が向上する。そのうえ、C量を調
整するものであるため、製造コストを高価にすることも
ない。

【００５０】さらに、Siの含有量が3.5〜7.0%であるの
で鋳造性が良好であり、薄肉の鋳物の鋳造が容易とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の合金において、その炭素等量およびNi
量を変化させた場合の浮上黒鉛の発生しない範囲を示す
グラフである。

【図２】熱疲労試験の試験結果を示すグラフである。

【図３】耐酸化試験により得られた酸化減量を示すグラ
フである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 13〜40%の範囲内のNiと、3.5〜7.0%の範
   囲内のSiと、2.5%以下のCとを含み、残部を実質的にFe
   としたことを特徴とする耐熱性鋳物用鉄合金。
2. 【請求項２】 請求項１記載の耐熱性鋳物用鉄合金にお
   いて、その鋳物用鉄合金の炭素当量をＹとし、前記Ni量
   をＸとした場合、Ｙ≦（−0.93／20）Ｘ＋5.0 を満足さ
   せることを特徴とする耐熱性鋳物用鉄合金。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の耐熱性鋳物用鉄
   合金において、1.0〜4.0%の範囲内のCrを含むことを特
   徴とする耐熱性鋳物用鉄合金。