JPH07228948A

JPH07228948A - 鋳造性および被削性の優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼およびそれからなる排気系部品

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Publication number: JPH07228948A
Application number: JP1942094A
Authority: JP
Inventors: Rikizo Watanabe; 力蔵渡辺; Norio Takahashi; 紀雄高橋; Hirofumi Kimura; 浩文木村; Toshio Fujita; 利夫藤田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1994-02-16
Filing date: 1994-02-16
Publication date: 1995-08-29
Anticipated expiration: 2018-02-10
Also published as: JP3375001B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高温度での強度、かつ被削性に優れたオース
テナイト系耐熱鋳鋼およびそれからなるエキゾーストマ
ニホールドやタービンハウジング等の自動車の排気系部
品を得る。【構成】オーステナイト系耐熱鋳鋼は、重量比率で、
Ｃ：０．２〜１．０％，Ｃ−Ｎｂ／８：０．０５〜０．
６％，Ｓｉ：２％以下，Ｍｎ：２％以下，Ｎｉ：８〜２
０％，Ｃｒ：１５〜３０％，Ｎｂ：０．５〜６％，Ｗ：
１〜６％，Ｎ：０．０１〜０．３％，Ｓ：０．０１〜
０．５％，残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成を
有する。このオーステナイト系耐熱鋳鋼は、自動車の排
気系部品に使用される。【効果】特に９００℃を越える加熱と室温までの冷却
の繰り返し熱サイクルを受けても、高温領域における強
度に優れ、変形が僅かで、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。そして、このようなオーステナイト系耐熱
鋳鋼は、エキゾーストマニホールドやタービンハウジン
グ等の自動車用排気系部品に好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車エンジンの排気
系部品等に適する耐熱鋳鋼に関し、特に９００℃以上の
高温度での強度の優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼およ
びそれからなる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に従来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。更
に、特開平５−５１６１号公報には、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ
オーステナイト系耐熱鋳鋼にＮｂ，Ｗ，Ｍｏ，Ｂ，Ｃｏ
を添加して、高温強度を飛躍的に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、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６１−８７８５２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６１−１７７３５２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、損傷を受ける虞れがある。

【０００７】また、特公昭５７−８１８３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
する虞れがある。

【０００８】また、特開平５−５１６１号公報のもの
は、高温に曝される排気系部品に適するものの、オース
テナイト系耐熱鋳鋼特有の鋳造性および被削性に問題が
ある。

【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、より鋳造性および被削性に
優れ、かつ安価に製造可能な耐熱鋳鋼を提供することを
目的とする。

【００１０】本発明のもう一つの目的は、かかる耐熱鋳
鋼からなる排気系部品を提供することである。

【００１１】

【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、ＮおよびＳを適量添加すること
により、高温強度はもとより鋳造性および被削性を向上
することができることを見い出し、本発明に想到した。

【００１２】すなわち、本第１の発明の鋳造性および被
削性の優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼は、重量比率
で、Ｃ：０．２〜１．０％，Ｃ−Ｎｂ／８：
０．０５〜０．６％，Ｓｉ：２
％以下，Ｍｎ：２％以下，Ｎ
ｉ：８〜２０％，Ｃｒ：１５〜
３０％，Ｎｂ：０．５〜６．０％，Ｗ：
１〜６％,Ｎ：０．０１〜
０．３％，Ｓ：０．０１〜０．５％，残部：Ｆ
ｅ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２の発明の排気系部品は、上記
第１の発明に記載の鋳造性および被削性の優れたオース
テナイト系耐熱鋳鋼からなる。そして、この排気系部品
としては、エキゾーストマニホールドまたはタービンハ
ウジングである。

【００１４】

【作用】以下、本発明の鋳造性および被削性の優れたオ
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。

【００１５】（１）Ｃ（炭素）：０．２〜１．０％Ｃは溶湯の流動性、即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。一
方、一次および二次炭化物を形成し、高温強度を高める
作用もある。更に、Ｎｂと共晶炭化物を形成し、鋳造性
を高める作用がある。このような作用を有効に発揮する
ために、Ｃは０．２％以上必要である。

【００１６】しかし、Ｃの含有量が１．０％を越えると
共晶炭化物をはじめ、各種の炭化物の析出量が多くなり
過ぎて脆化し延性が低下すると共に加工性が劣化する。
このため、Ｃは０．２〜１．０％とする。望ましくは、
Ｃは０．３〜０．６％である。

【００１７】（２）Ｃ−Ｎｂ／８：０．０５〜０．６％本発明の鋳造性および被削性の優れたオーステナイト系
耐熱鋳鋼は、Ｎｂの共晶炭化物を生成させて鋳造性を高
めると共に、適当量の炭化物を析出させ、高強度を得て
いる。共晶炭化物（ＮｂＣ）は、重量比率でＣとＣの８
倍のＮｂとで形成されるが、共晶炭化物（ＮｂＣ）のほ
かに析出炭化物を適当量得るには、共晶炭化物生成に消
費されるＣ以上のＣが必要となる。即ち、本発明におい
て鋳造性が優れ、高温強度の優れるオーステナイト系耐
熱鋳鋼を得るためには、Ｃ−Ｎｂ／８が０．０５％以上
必要である。しかし、Ｃ−Ｎｂ／８が０．６％を越える
と硬く脆くなり、延性と加工性が劣化するので、０．０
５〜０．６％とする。特に、薄肉鋳物では共晶炭化物の
割合は鋳造性に重要であるので、望ましくは０．０７〜
０．３％である。

【００１８】（３）Ｓｉ（ケイ素）：２％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、鋳造性の劣化を
招くので、Ｓｉの含有量は２％以下とする。望ましくは
０．３〜１．５％である。

【００１９】（４）Ｍｎ（マンガン）：２％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、２％
以下とする。望ましくは０．３〜１．５％である。

【００２０】（５）Ｎｉ（ニッケル）：８〜２０％Ｎｉは、後記の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鋳造性を高め
るのに有効な元素である。特に、９００℃以上の高温域
において良好な鋳造性を有するためには、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。望ま
しくは８〜１５％である。

【００２１】（６）Ｃｒ（クロム）：１５〜３０％Ｃｒは、上記Ｎｉ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、９
００℃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１５〜３０％とす
る。望ましくは１７〜２５％である。

【００２２】（７）Ｎｂ（ニオブ）：０．５〜６％Ｎｂは、Ｃと結合して微細な炭化物を形成し、高温での
引張強さ並びに耐熱疲労性を増大させる。また、Ｃｒの
炭化物の生成を抑制することによって耐酸化性と被削性
を向上させる。更に、共晶炭化物を生成するため、排気
系部品のような薄肉複雑形状鋳物製造に重要な鋳造性を
向上させる。このような目的でＮｂの含有量は０．５％
以上必要とする。しかし、多量に添加すると、結晶粒界
に生成する共晶炭化物が多くなって脆化し強度と延性が
著しく低下するため、Ｎｂの含有量は６％以下とする。
望ましくは１〜４％である。

【００２３】（８）Ｗ（タングステン）：１〜６％Ｗは高温強度を改善する。この効果を得るためには１％
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１〜６％とする。望ましくは２〜４％である。
なお、Ｗとほぼ同様の効果はＭｏを添加しても得られる
ので、Ｗの一部または全量をＭｏに置換することも可能
である。この場合、重量比率でＷ＝２Ｍｏの割合でＷを
Ｍｏに置換するものとする。

【００２４】（９）Ｎ（窒素）：０．０１〜０．３％Ｎは強力なオーステナイト生成元素であり、オーステナ
イト基地を安定にする。また、結晶粒微細化に有効な元
素であり、本発明のような鍛造・圧延などの加工による
結晶粒微細化が不可能な鋳造部材では極めて有効であ
る。この結晶粒微細化により構造物として重要な材料の
延性の確保が可能になり、また、本系耐熱鋳鋼のような
オーステナイト系耐熱鋳鋼に特有な被削性が悪いという
欠点を改善できる。

【００２５】また、ＮはＣの拡散速度を遅らせ析出炭化
物の凝集を遅らせるので、脆化に対して有効である。こ
の効果を得るためには、０．０１％以上の添加が必要で
ある。しかし、多量に添加すると、Ｃｒ₂Ｎ-Ｃｒ₂₃Ｃ₆
の粒界析出を生じ、脆化を促進する一方、有効なＣｒ量
が減少し耐酸化性を劣化させるので、０．３％を上限と
する。望ましくは、０．０３〜０．２％である。

【００２６】（１０）Ｓ（硫黄）：０．０１〜０．５％Ｓは鋳鋼においては球状もしくは塊状の硫化物を生成
し、機械加工において切粉の分断を促進するため被削性
が向上する。この効果を得るためには、０．０１％以上
必要である。しかし、多量に添加すると粒界に硫化物か
多量に析出し、高温強度を劣化させるので０．５％を限
度とする。そのため、Ｓの含有量は０．０１〜０．５％
である。望ましくは０．０３〜０．２５％である。

【００２７】このような本発明の鋳造性および被削性の
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。実施例１〜１０、従来例１１〜１４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。

【００２９】本発明材（実施例１〜１０）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１〜１０）、および従来例１１、１２、１３
および１４の供試材（Ｙブロック）を加熱炉にて１００
０℃で２時間保持後空冷する熱処理を行った。

【００３０】なお、表１において、従来材（従来例１１
〜１４）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、従来例１１および１２の供試材は、それぞれ
ニレジスト鋳鉄Ｄ２およびＤ５Ｓである。また、従来例
１３は汎用オーステナイト系耐熱鋳鋼で，ＪＩＳ規格Ｓ
ＣＨ−１２である。また、従来例１４は特開平５−５１
６１号公報に開示されるオーステナイト系耐熱鋳鋼であ
る。

【００３１】

【表１】化学成分（重量％）実施例 C Si M n Ni Cr W Nb N S C-Nb/8 No.1 0.21 1.01 0.58 8.45 16.55 1.02 0.68 0.03 0.03 0.12 2 0.45 0.85 1.02 10.55 20.88 3.02 2.50 0.12 0.10 0.14 3 0.98 0.52 0.75 18.55 28.44 5.80 3.18 0.24 0.20 0.58 4 0.43 0.75 0.60 10.02 20.12 2.94 1.53 0.08 0.41 0.24 5 0.80 0.66 0.78 10.32 21.02 3.50 5.95 0.14 0.13 0.06 6 0.44 1.05 0.85 9.83 20.33 3.02 1.62 0.09 0.11 0.24 7 0.45 0.54 1.05 10.11 20.52 3.14 2.02 0.06 0.15 0.20 8 0.50 1.11 0.70 10.51 19.58 3.08 1.75 0.06 0.13 0.28 9 0.55 0.95 0.51 9.96 20.75 3.35 1.08 0.07 0.21 0.41 10 0.42 1.09 0.92 10.54 21.02 2.98 2.70 0.06 0.18 0.08 従来例 11 2.77 2.12 0.88 21.10 2.44 - - - - - 12 1.89 5.32 0.41 34.50 2.35 - - - - - 13 0.21 1.24 0.50 9.1 18.80 - - - - - 14 0.41 1.02 0.48 10.50 20.08 3.01 0.49 - - 0.34 B:0.005

【００３２】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。（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。

【００３３】（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、１０００℃で行った。

【００３４】（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。

【００３５】（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。以上の室温引張試験結果を表３に、高温引張試
験結果を表４に、熱疲労試験結果および酸化試験結果を
表５に示す。

【００３６】（５）被削性試験被削性試験が、この種の材料で最も被削性が問題となる
ドリル試験にて調査した。表２に示すような条件で試験
を行い、１０回穴明けを行った後、ドリルの逃げ面摩耗
幅を測定し、更に１穴当りの摩耗幅を比較した。

【００３７】

【表２】項目切削条件工作機械マシンニングセンタ（５．５ｋＷ）ドリルソリッド超硬ドリル（φ６．８）切削速度４０ｍ／ｍｉｎ送り０．２ｍｍ／ｒｅｖ，ステップフィード穴深さ２０ｍｍ突出長さ４２ｍｍ切削油油性

【００３８】

【表３】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. 1 290 500 19 170 2 350 570 17 179 3 420 625 5 223 4 355 555 9 187 5 390 625 8 187 6 345 570 10 192 7 360 560 12 192 8 365 590 8 197 9 370 590 6 197 10 355 565 10 187 従来例 No.11 190 455 16 179 12 255 485 9 163 13 250 560 20 170 14 350 560 4 201

【００３９】

【表４】高温引張試験結果（１０００℃） 0.2%耐力引張強さ伸び (MPa) (MPa) (%) 実施例 No.1 55 62 75 2 60 110 55 3 80 125 26 4 67 108 37 5 78 115 32 6 64 105 31 7 66 110 38 8 69 115 48 9 68 105 40 10 66 105 29 従来例 No.11 33 41 33 12 33 44 29 13 35 55 49 14 66 108 26

【００４０】

【表５】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.1 145 35 2 160 30 3 210 18 4 185 28 5 200 26 6 165 30 7 170 40 8 180 48 9 160 50 10 175 22 従来例 No.11 56 765 12 85 55 13 80 85 14 180 25

【００４１】表６にドリルによる被削性試験結果を示
す。

【表６】被削性試験；一刃当りの摩耗量（ｍｍ）実施例 No.1 0.015 2 0.010 3 0.008 4 0.005 5 0.009 6 0.010 7 0.008 8 0.012 9 0.010 10 0.007 従来例 11 0.005 12 0.005 13 0.095 14 0.105

【００４２】表３、表４および表５から明らかなよう
に、本発明による実施例１〜１０は、従来材である従来
例１１、１２のニレジスト鋳鉄Ｄ２およびＤ５Ｓ、更に
従来例１３のＳＣＨ−１２と比較して、室温性質が同等
以上であって、高温性質が著しく優れていることがわか
る。更に、従来例１４の特開平５−５１６１号公報に開
示されるオーステナイト系耐熱鋳鋼と機械的性質がほぼ
同等の性能を有していることがわかる。

【００４３】表６から明らかなように本発明による実施
例１〜１０は、適当量のＳ、Ｎの含有、更にＣ−Ｎｂ／
８のバランスにより、従来例１３および１４のオーステ
ナイト系耐熱鋳鋼と比較して著しく被削性が改善されて
いることがわかる。

【００４４】次に、実施例７の鋳造性および被削性の優
れた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：２．０〜
２．５ｍｍ）およびタービンハウジング（肉厚：２．５
〜３．５ｍｍ）を鋳造した。得られた排気系部品はいず
れも健全なものであった。

【００４５】更に、これらの排気系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。

【００４６】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。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明の通り、本発明の鋳造性およ
び被削性の優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼は、特に高
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
耐熱鋳鋼は、エキゾーストマニホールドやタービンハウ
ジング等の自動車用排気系部品に好適である。本発明の
オーステナイト系耐熱鋳鋼からなる排気系部品は、鋳造
性に優れ、極めて優れた耐久性を示す。

フロントページの続き (72)発明者藤田利夫東京都文京区向丘１丁目14番４号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比率で、Ｃ：０．２〜１．０％，Ｃ−Ｎｂ／８：０．
０５〜０．６％，Ｓｉ：２％
以下，Ｍｎ：２％以下，Ｎｉ：
８〜２０％，Ｃｒ：１５〜３０
％，Ｎｂ：０．５〜６％，Ｗ：１
〜６％,Ｎ：０．０１〜０．３
％，Ｓ：０．０１〜０．５％，残部：Ｆｅおよ
び不可避不純物からなることを特徴とする鋳造性および
被削性の優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼。
【請求項２】請求項１に記載の鋳造性および被削性の
優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼からなる排気系部品。
【請求項３】請求項２に記載の排気系部品において、
エキゾーストマニホールドであることを特徴とする排気
系部品。
【請求項４】請求項２に記載の排気系部品において、
タービンハウジングであることを特徴とする排気系部
品。