JPH08188856A - フェライト系耐熱鋳鋼およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐酸化性、機械加工性及び組織的安定性を犠
牲にすることなく高強度や耐熱疲労性などの耐熱性の向
上を図り、自動車用エンジン排気系への適用性を高め
る。 【構成】 重量％で、Ｃ： 0.05 〜0.5 、Ｓi ：1.0 〜
2.0 、Ｍn ：0.6 未満、Ｐ：0.04未満、Ｓ：0.04未満、
Ｎi ：0.5 未満、Ｃr ：10〜20、Ｖ：0.1 〜1.0、Ｎb
：0.5 〜1.0 、Ｍo ：0.10〜0.50、Ｗ：0.01未満、Ａl
：0.01〜0.50、およびＢ：0.001 〜0.5 ，Ｔi ：0.05
〜0.5 ，Ｃo ：0.1 〜5.0 のうちの少なくとも一種を含
有し、鋳造後、 850〜1000℃で１〜５時間保持し、引続
いて700 ℃以下の温度まで徐冷する焼なまし処理を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フェライト系耐熱鋳鋼
に係り、特に自動車用エンジンの排気系のエキゾースト
マニホールドやタービンハウジング等に用いて好適なフ
ェライト系耐熱鋳鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のエキゾーストマニホールドやタ
ービンハウジングには、従来一般には高Ｓi 球状黒鉛鋳
鉄、ニレジスト等が用いられていたが、自動車用エンジ
ンの高出力化、低燃費化が進む中で、より耐熱性に優れ
た材料が望まれるようになってきている。耐熱性に優れ
た材料としては、高Ｎi 高Ｃr 系のオーステナイト系耐
熱鋼が良く知られているが、これらは鋳造性や機械加工
性に劣り、生産性とコストの点で実用性に乏しいという
問題があった。

【０００３】そこで最近、適度の鋳造性と機械加工性と
を備えているところから、高Ｃr フェライト系耐熱鋳鋼
が注目され、例えば特開平５−３２０８３０号公報に
は、重量％で、Ｃ： 0.05 〜0.5 、Ｓi ： 1.0〜2.0 、
Ｍn ： 0.6未満、Ｐ：0.04未満、Ｓ：0.04未満、Ｎi ：
0.5 未満、Ｃr ：10〜20、Ｖ：0.1 〜1.0 、Ｎb ： 0.5
〜1.0 、Ｍo ： 0.1〜0.5 、Ｗ：0.01未満、Ａl ：0.01
〜0.50から成るフェライト系耐熱鋳鋼が開示されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に開示されたフェライト系耐熱鋳鋼によれば、高温強
度や耐熱疲労性などの耐熱性がいま一つ不足し、最近の
自動車用エンジンに充分に対応しきれないという問題が
あった。

【０００５】本発明は、上記従来の問題を解決すること
を課題としてなされたもので、その目的とするところ
は、耐熱性のより一層の向上を図り、もって自動車用エ
ンジンの排気系への適用性を高めたフェライト系耐熱鋳
鋼を提供し、併せてその製造方法を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明にかゝるフェライト系耐熱鋳鋼は、その基本
成分を、重量％（wt％）で、Ｃ： 0.05 〜0.5 、Ｓi ：
1.0〜2.0 、Ｍn ： 0.6未満、Ｐ：0.04未満、Ｓ：0.04
未満、Ｎi ：0.5 未満、Ｃr ：10〜20、Ｖ：0.1〜1.0
、Ｎb ： 0.5〜1.0 、Ｍo ： 0.1〜0.5 、Ｗ：0.01未
満、Ａl ：0.01〜0.50、およびＢ： 0.001〜0.5 ，Ｔi
：0.05〜0.5 ，Ｃo ： 0.1〜5.0 のうちの少なくとも
一種から成るようにしたことを特徴とする。

【０００７】また、本発明にかゝるフェライト系耐熱鋳
鋼の製造方法は、上記成分を有する素材を鋳造した後、
850〜1000℃に１〜５時間保持し、引き続いて700 ℃以
下の温度まで徐冷する焼なまし処理を行うようにしたこ
とを特徴とする。

【０００８】こゝで、本発明における成分限定理由につ
いて説明すると、Ｃは、強度と靭性の向上および溶湯の
流動性（鋳造性）の改善に有効であるが、0.05重量（w
t）％未満ではそれらの効果が充分でなく、一方0.50wt
％を越えると耐酸化性を悪化させかつ共析変態温度を下
げてオーステナイトの析出をもたらすので、これを 0.0
5 〜0.50wt％とした。

【０００９】Ｓi は、耐酸化性を改善し、共析変態温度
を上昇させ、また脱酸剤として有効であるが、1.0 wt％
未満ではそれらの効果が充分でなく、一方2.0 wt％を越
えると低温（常温）での靭性を悪化させかつ高温での強
度を低下させるので、これを1.0〜2.0 wt％とした。

【００１０】Ｍn は、パーライト組織の形成元素である
ことから、本発明のように基地をフェライト組織とする
耐熱鋳鋼には余り好ましくなく、また強度を低下させる
ので、これを0.6 wt％未満と低く抑えた。

【００１１】Ｐ，Ｓは、0.04wt％以上では熱亀裂（ヒー
トクラック）の発生を助長するので、これを有害な不純
物扱いとして0.04wt％未満に低く抑えた。

【００１２】Ｎi は、共析変態温度を低下させてオース
テナイトの析出を促してフェライト組織を不安定にする
ので、これを0.5 wt％未満と低く抑えた。

【００１３】Ｃr は、耐酸化性を改善しかつ共析変態温
度を上昇させることからきわめて有用な元素であるが、
10wt％未満ではそれらの効果が充分でなく、一方20wt％
を越えると低温での靭性を低下させ、かつ粗大な一次炭
化物の晶出を促して機械加工性を著しく悪化させるの
で、これを10〜20wt％とした。

【００１４】Ｖは、共析変態温度を大きく上昇させ、ま
たＣr に優先して炭化物を形成して、機械加工性を悪化
させるＣr の一次炭化物の形成を抑制することから、本
発明において特に重要な元素の一つであるが、0.1 wt％
未満ではそれらの効果が充分でなく、一方1.0 wt％を越
えると耐酸化性の悪化を招きかつ高温での強度を低下さ
せるので、これを0.1 〜1.0 wt％とした。

【００１５】Ｎb は、Ｖと同様に共析変態温度を大きく
上昇させ、またＣr に優先して炭化物を形成して、機械
加工性を悪化させるＣr の一次炭化物の形成を抑制し、
しかも高温における二次炭化物の析出を抑制して耐酸化
性を向上させる効果を有するが、0.5 wt％未満ではそれ
らの効果が充分でなく、一方1.0 wt％を越えると多量の
炭化物を形成して母相中のＣ量を著しく減少させ、強度
低下を招くので、これを0.5 〜1.0 wt％とした。

【００１６】Ｍo は、強度を向上させかつ共析変態温度
を上昇させる効果を有するが、0.10wt ％未満ではそれ
らの効果が充分でなく、一方0.50wt％を越えると低温で
の靭性を低下させかつ耐酸化性を悪化させるので、これ
を 0.10 〜0.50wt％とした。

【００１７】Ｗは、耐酸化性を著しく悪化させる有害な
元素であるので、本発明ではこれを不純物扱いとして0.
01wt％未満の低い値に抑えた。

【００１８】Ａl は、結晶粒を微細化して熱疲労寿命を
著しく延長させるが、0.01wt％未満ではそれらの効果が
充分でなく、一方0.50wt％を越えると低温での靭性を低
下させるので、これを0.01〜0.50wt％とした。

【００１９】Ｂは、結晶粒を微細化して熱疲労寿命を著
しく延長させるため、本発明において特に重要な元素で
あるが、0.001 wt％未満ではその効果が充分でなく、0.
5wt％を越えると低温での靭性を低下させるので、これ
を 0.001〜0.5wt ％とした。

【００２０】Ｔi は、結晶粒を微細化して熱疲労寿命を
著しく延長させるため、Ｂと同様に極めて重要な元素で
あるが、0.05wt％未満ではその効果が充分でなく、0.5w
t ％を越えると低温での靭性を低下させるので、これを
0.05〜0.5wt ％とした。

【００２１】Ｃo は、高温強度を著しく向上させるた
め、本発明において特に重要な元素であるが、0.1 wt％
未満ではその効果が充分でなく、5.0wt ％を越えると靭
性を低下させるので、これを 0.1〜5.0 wt％とした。

【００２２】

【作用】上記のように構成したフェライト系耐熱鋳鋼に
おいては、Ｍn 、Ｎi 、Ｗを低く抑える一方で、Ｃ，Ｓ
i ，Ｃr ，Ｖ，Ｎb ，Ｍo ，Ａl ，Ｂ，Ｔi ，Ｃo 等を
所定の割合で含有させたので、耐酸化性、機械加工性、
組織的安定性などを損なうことなく耐熱強度、耐熱疲労
性を大幅の向上を図ることができる。さらに、鋳造後に
所定の温度に保持し引続いて徐冷する焼なまし処理を行
うことにより、マルテンサイトが分解してフェライト組
織となる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面も参照して
説明する。

【００２４】表１に示すようにＣ、Ｓi 、Ｎi 、Ｃr 、
Ｖ、Ｎb 、Ｍo 、Ａl を含む基本組成（Ｐ、Ｓ、Ｗは不
可避不純物）に対してＢ、Ｔi 、Ｃo を単独にまたは複
合添加した本発明材１〜８を鋳造し、この鋳造材に９３
０℃に３時間保持した後、６５０℃まで炉冷（徐冷）す
る焼なまし処理を施し、その後、各鋳造材から所定の試
験片を採取してそれぞれを後述する熱疲労試験および高
温引張り試験に供した。なお、比較のため、表２に示す
ように本発明材の基本組成（Ｂ、Ｔi 、Ｃo を取り除い
た）を有する比較材９，１０、汎用の高Ｓi 球状黒鉛鋳
鉄である比較材１１、ニレジストである比較材１２およ
びＪＩＳ ＳＣＨ１である比較材１３を鋳造し、比較材
１１（高Ｓi 球状黒鉛鋳鉄）および比較材１２（ニレジ
スト）については鋳造のまゝとし、比較材１３（ＳＣＨ
１）については鋳造材に８５０℃に２時間保持した後、
６００℃まで炉冷する焼なまし処理を施し、それぞれを
熱疲労試験および高温引張り試験に供した。こゝで、熱
疲労試験は直径１０mm、長さ１５mmの切欠付試験片を両
端固定し（拘束率１００％）、２００℃から９５０℃の
熱サイクルを与えて破断するまでの繰返し数を求める方
法により行い、高温引張り試験は９５０で行った。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】図１は、熱疲労試験の結果を示したもので
ある。同図に示す結果より、基本組成に対してＢを単独
添加した本発明材１，２、Ｔi を単独添加した本発明材
３，４、Ｂ，Ｔi ，Ｃo を複合添加した本発明材７，８
の熱疲労寿命は、何れも従来汎用の比較材１１〜１３よ
り大幅に延長すると共に、本発明の基本組成である比較
材９および１０よりも延長し、耐熱疲労性に著しく優れ
ていることが明らかとなった。なお、本発明材の中で
は、Ｂ，Ｔi ，Ｃo を複合添加したものが、これらを単
独添加したものより熱疲労寿命は延長している。また、
全体として各元素を低目に添加したものが、全体として
各元素を高目に添加したものよりもわずかに熱疲労寿命
が延長する傾向にあるが、これは靭性の差から生じたも
のと推量される。

【００２８】図２は、高温引張り試験の結果を示したも
のである。同図に示す結果より、基本組成に対してＣo
を単独添加した本発明材５，６、Ｂ，Ｔi ，Ｃo を複合
添加した本発明材７，８の引張強さは、何れも従来汎用
の比較材１１〜１３より大幅に増大すると共に、本発明
の基本組成である比較材９および１０よりも増大し、高
温強度に著しく優れていることが明らかとなった。な
お、本発明材の中では、全体として各元素を高目に添加
したものが、全体として各元素を低目に添加したものよ
りも引張強さが増大する傾向にある。

【００２９】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
かゝるフェライト系耐熱鋳鋼によれば、耐酸化性、機械
加工性、組織的安定性などを損なうことなく耐熱強度、
耐熱疲労性の大幅な向上を図ることができ、例えば自動
車の高出力エンジンの排気系に適用して充分なる性能を
発揮するものとなる。また、耐熱性が向上する分、薄肉
化を図ることができ、軽量化にも寄与するものとなる。
さらに、本発明にかゝるフェライト系耐熱鋳鋼の製造方
法によれば、フェライト組織を安定して得ることがで
き、所望の耐熱性の確保に大きく寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本フェライト系耐熱鋳鋼の耐熱疲労性を比較材
と対比して示すグラフである。

【図２】本フェライト系耐熱鋳鋼の高温強度を比較材と
対比して示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ： 0.05 〜0.5 、Ｓi ：
   1.0〜2.0 、Ｍn ： 0.6未満、Ｐ：0.04未満、Ｓ：0.04
   未満、Ｎi ：0.5 未満、Ｃr ：10〜20、Ｖ：0.1 〜1.0
   、Ｎb ： 0.5〜1.0 、Ｍo ： 0.1〜0.5 、Ｗ：0.01未
   満、Ａl ：0.01〜0.50、およびＢ： 0.001〜0.5 ，Ｔi
   ：0.05〜0.5 ，Ｃo ： 0.1〜5.0 のうちの少なくとも
   一種から成ることを特徴とするフェライト系耐熱鋳鋼。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の成分を有する素材を鋳
   造した後、 850〜1000℃で１〜５時間保持し、引き続い
   て700 ℃以下の温度まで徐冷する焼なまし処理を行うこ
   とを特徴とするフェライト系耐熱鋳鋼の製造方法。