JPH09111394A - 耐熱球状黒鉛鋳鉄 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】青熱脆性を防止するとともに、全温度域にて破
断伸びを大幅に向上させることで、熱疲労寿命を向上さ
せる。 【解決手段】Ｃと、Ｓｉと、Ｍｎと、Ｐと、Ｓと、Ｃｒ
と、Ｍｇと、Ｂ及び不可避の元素を含む球状黒鉛鋳鉄で
あって、Ｐを０．０４重量％以下とし、かつＢを０．０
０１〜０．０１重量％とした。ＰとＢを上記組成で併用
することにより、室温から４００℃程度まで従来より高
い破断伸びが得られ熱疲労寿命が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は球状黒鉛鋳鉄に関
し、詳しくは耐熱性に優れかつ青熱脆性の発生を防止で
きる耐熱球状黒鉛鋳鉄の組成に関する。本発明の耐熱球
状黒鉛鋳鉄は、自動車エンジンの排気系に用いられる排
気マニホールドなどの部品の材料として好適である。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンの排気系に用いられてい
る排気マニホールドやターボチャージャーのタービンハ
ウジングなどの材料としては、フェライト系鋳鉄として
の球状黒鉛鋳鉄が多く用いられている。ところが近年の
エンジンの性能の向上や高速道路網の発達による高速走
行時間の長大化などにより排気ガス温度が上昇し、さら
に高い耐熱性を有する材料の開発が求められていた。

【０００３】そこで近年では、自動車の排気系部品用の
材料として、Ｓｉを高濃度で含む球状黒鉛鋳鉄が使用さ
れるようになっている。このようにＳｉを高濃度で含む
ことにより、共析変態温度が上昇し耐酸化性が向上する
ことがわかっている。ところがフェライト系球状黒鉛鋳
鉄では、４００℃付近において破断伸びが大幅に低下す
るいわゆる青熱脆性が発生するため、高Ｓｉの球状黒鉛
鋳鉄であっても繰り返し加熱冷却時に亀裂が発生し、従
来の球状黒鉛鋳鉄に比べて亀裂発生による寿命（以下、
熱疲労寿命という）を長くする効果は望めない。

【０００４】この青熱脆性を防止するものとして、特公
昭６２−５０５４６号公報には、Ｃ：２．６〜３．８
％、Ｓｉ：３％以上３．５％未満、Ｍｎ：０．５％以
下、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｏ：
０．１〜０．４％、黒鉛球状化元素０．０２〜０．１５
％、残部実質的に付随元素及びＦｅよりなり、平均フェ
ライト結晶粒径が２１μｍ以下で、青熱脆性温度域にお
ける破断伸びが７％以上である耐熱球状黒鉛鋳鉄が開示
されている。

【０００５】また特開平７−１８３６７号公報には、化
学成分としてＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｍｇを含
み、その他の化学成分の有無、並びにその含有量を特定
せずにＭｇ：０．０２１〜０．０４９重量％、Ｐ：０．
０２〜０．０６５重量％とし、かつＭｇ／Ｐ％＝０．５
〜１．５として鋳造することによって、青熱脆性状態に
おいて１０％以上の引張り伸びを与える球状黒鉛鋳鉄の
製造方法が開示されている。

【０００６】さらに第１０９回日本鋳物協会全国講演大
会予稿集第９頁（１９８６年５月）には、高Ｓｉ（３〜
５％）球状黒鉛鋳鉄においてＰ量を０．０２５％以上と
することで、４００℃破断伸びが向上し青熱脆化量を緩
和できることが記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが特公昭６２−
５０５４６号公報に記載の耐熱球状黒鉛鋳鉄では、Ｓｉ
の上限が３．５重量％と少ないために、Ｓｉ量だけでは
近年の排気ガス温度の上昇に耐え得るだけの耐熱性を確
保することが困難である。またフェライト粒径を２１μ
ｍとするための特殊な鋳造方法や熱処理が必要となる。

【０００８】また特開平７−１８３６７号公報に記載の
球状黒鉛鋳鉄の製造方法では、Ｍｇ：０．０２１〜０．
０４９重量％、かつＭｇ／Ｐ％＝０．５〜１．５として
いる。しかし、一般に球状黒鉛鋳鉄を得るには少なくと
も０．０４％程度のＭｇ量が必要であるから（「球状黒
鉛鋳鉄の理論と実際」日本金属学会編、丸善社発行第１
６３頁参照）、上式からＰは０．０２６％以上必要とな
る。したがって特開平７−１８３６７号公報には、第１
０９回日本鋳物協会全国講演大会予稿集第９頁（１９８
６年５月）と同じことが記載されている。

【０００９】ところが「ダクタイル鋳鉄の進歩」（昭和
５７年９月日本ダクタイル鋳鉄協会発行）の第１５４頁
には、Ｐ含有量が増すと引張強さ、耐力及び硬さは上昇
するが伸びは低下することが記載され、Ｐ量を増せば青
熱脆性は防止できるものの、熱疲労寿命の大幅な向上は
望めない。本発明はこのような事情に鑑みてなされたも
のであり、青熱脆性を防止するとともに、全温度域にて
破断伸びを大幅に向上させることで、熱疲労寿命を向上
させることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１に記載の第１発明の耐熱球状黒鉛鋳鉄の特徴は、化
学成分としてＣと、Ｓｉと、Ｍｎと、Ｐと、Ｓと、Ｃｒ
と、Ｍｇと、Ｂ及び不可避の元素を含む球状黒鉛鋳鉄で
あって、Ｐを０．０４重量％以下とし、かつＢを０．０
０１〜０．０１重量％としたことにある。

【００１１】そして請求項２に記載の第２発明の耐熱球
状黒鉛鋳鉄の特徴は、請求項１に記載の第１発明の耐熱
球状黒鉛鋳鉄においてＳｉを４．５重量％以下としたこ
とにある。さらに請求項３に記載の第３発明の耐熱球状
黒鉛鋳鉄の特徴は、請求項１に記載の第１発明の耐熱球
状黒鉛鋳鉄においてＳｉを３．５〜４．５重量％とし、
耐酸化性にも優れることにある。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１と図２に４００℃及び室温で
試験したときの破断伸びとＰ量との関係を示し、図３と
図４に４００℃及び室温での破断伸びとＳｉ量との関係
を示し、図５に８００℃で１００時間加熱保持したとき
の酸化スケール量の調査結果を示す。以下、本発明者の
研究結果であるこれらの図１〜５を参照しながら、本発
明における化学成分組成について述べる。なお、図１〜
５において、実１〜実５及び比１がＢを含み、他はＢを
含んでいない。

【００１３】Ｐは破断伸びに大きく影響する元素であ
り、図１に示す４００℃での破断伸びにおいては、Ｐが
０．０４重量％を超えると、Ｂの有無に係わらず青熱脆
性の発生は見られない。一方、室温においては、Ｐが
０．０４重量％以下であればＢを添加することにより破
断伸びが向上するが、Ｐが０．０４重量％を超えると図
２に示すようにＢを含んでいても室温での破断伸びが低
下している。したがって全温度域で高い破断伸びを確保
し熱疲労寿命を向上させるために、Ｐを０．０４重量％
以下とし、さらにＢを添加することとした。なお図３に
は、Ｐが０．０４重量％以下ではＢの添加が破断伸びに
大きく影響することが示され、Ｂの添加が不可欠である
ことが改めて示されている。

【００１４】Ｂは上記したように低いＰ量の場合におい
て４００℃近傍における破断伸びを向上させる元素であ
り、その含有量が０．００１重量％未満ではその効果が
顕れず、０．０１重量％を超えて含有させても効果が飽
和するばかりか黒鉛の球状化を妨げる弊害が顕れるた
め、０．００１〜０．０１重量％とした。Ｓｉは共析変
態温度を上昇させて耐酸化性を向上させる元素である
が、図３に示すように４００℃ではＳｉ量は破断伸びに
ほとんど影響がない。しかし図４に示すように、Ｓｉ量
が４．５重量％を超えると室温における破断伸びが著し
く低くなるので、第２発明においてはＳｉを４．５重量
％以下とした。なお図４より、破断伸びに関してはＳｉ
を３．５重量％以下とするのが特に望ましい。

【００１５】しかしＳｉを３．５重量％未満とすると、
図５に示すように酸化スケール量が急激に増大して耐酸
化性が充分でないので、耐酸化性を重視する第３発明に
おいてはＳｉ量を３．５〜４．５重量％とした。すなわ
ち、耐熱性を付与するためにＳｉ量を多くすると一般に
破断伸びは低下するが、Ｐ量を０．０４％以下とし、か
つＢを０．００１〜０．０１重量％添加することによ
り、室温から４００℃程度まで従来より高い破断伸びが
得られ、熱疲労寿命が大幅に向上する。

【００１６】他の化学成分であるＣ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｒ及
びＭｇの組成範囲は特に限定されず、従来と同様の範囲
で含有させることができる。例えば各元素について表１
における上限と下限の数値の間の範囲とすることが好ま
しい。

【００１７】

【実施例】以下、実施例及び比較例により本発明をさら
に具体的に説明する。なお、以下にいう「％」は全て重
量％を意味する。 （実施例１）表１にも示すように、Ｃ：３．６２％、Ｓ
ｉ：３．８１％、Ｍｎ：０．２２％、Ｐ：０．０２７
％、Ｍｇ：０．０４２％、Ｂ：０．００１％、残部Ｆｅ
の組成にて鋳造し、球状黒鉛鋳鉄よりなる試験片を作製
した。

【００１８】（他の実施例及び比較例）各化学成分組成
を表１に示すようにしたこと以外は実施例１と同様にし
て、実施例２〜５及び比較例１〜１４の球状黒鉛鋳鉄よ
りなる試験片を作製した。 （試験）それぞれの試験片について、４００℃と室温に
おける破断伸びを測定し、それぞれの結果を表１に示
す。またそれぞれのデータを整理してグラフ化し、Ｐ量
を横軸として図１及び図２に示し、Ｓｉ量を横軸として
図３及び図４に示す。

【００１９】また実施例１〜５及び比較例１の試験片に
ついて、大気中にて８００℃×１００時間加熱保持する
条件で酸化スケール量を測定し、結果を表１に示す。ま
たデータを整理してグラフ化し、Ｓｉ量を横軸として図
５に示す。なお、例えば実施例２の試験片は「実２」、
比較例１の試験片は「比１」としてグラフ中に示した。

【００２０】

【表１】

【００２１】（評価）図１より４００℃における破断伸
びは、Ｂを含まない比較例２〜１４ではＰが０．０４％
を境にして大きく変化し、Ｐが０．０４％を超えた場合
と、Ｂを含みＰが０．０４％以下の場合に高い破断伸び
を示している。またこの関係は図３からも明らかであ
り、４００℃における破断伸びはＳｉ量にはほとんど無
関係であり、Ｐ量の影響が大きい。そしてＰが０．０４
％以下の場合にはばらつきが大きく破断伸びは低いが、
Ｐが０．０４％を超えるとＳｉ量に係わらず高い値を示
している。

【００２２】これから、４００℃で高い破断伸びを得る
ためには、Ｐを０．０４％以上とするか、又はＢを添加
してＰを０．０４％以下とすればよいことになる。しか
し図２及び図４より、室温における破断伸びはＢの添加
の有無にはほとんど依存せず、Ｐが０．０４％以下の場
合に高い破断伸びを示している。したがって室温及び４
００℃の両方で高い破断伸びを確保するためには、Ｐを
０．０４％以下として、さらにＢを添加すればよいこと
が明らかである。

【００２３】また図２及び図４より、室温で高い破断伸
びを確保するためには、Ｓｉが４．５％以下が好まし
く、３．５％以下が特に好ましいことがわかる。さら
に、比較例１は各実施例に比べて破断伸びが低いが、こ
れはＰが０．０５４％と実施例に比べて高いことが原因
していると考えられる。さらに図５より、Ｓｉが３．５
％未満となると酸化スケール量が急激に増大するので、
耐酸化性を重視する場合にはＳｉは３．５％以上とする
ことが望ましいことが明らかである。

【００２４】（応用例）排気量２０００ｃｃの４気筒ガ
ソリンエンジン用の排気マニホールドを、実施例２と比
較例８の化学組成の材料からそれぞれ鋳造した。そして
それぞれ実機に組付けて全負荷で１０分、停止５分を１
サイクルとする耐久試験を行ったところ、比較例８の材
料から鋳造されたものは１１０サイクルで亀裂が発生し
たのに対し、実施例２の材料から鋳造されたものは３０
０サイクルでも何ら損傷が発生せず、比較例８の材料か
ら鋳造されたものに比べて熱疲労寿命が格段に向上して
いた。

【００２５】

【発明の効果】すなわち本発明の耐熱球状黒鉛鋳鉄によ
れば、Ｐを０．０４重量％以下に規制しかつＢを含むこ
とにより、青熱脆性が防止されるとともに、全温度域に
て破断伸びを大幅に向上させることができ、熱疲労寿命
が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】４００℃におけるＰ量と破断伸びの関係を示す
グラフである。

【図２】室温におけるＰ量と破断伸びの関係を示すグラ
フである。

【図３】４００℃におけるＳｉ量と破断伸びの関係を示
すグラフである。

【図４】室温におけるＳｉ量と破断伸びの関係を示すグ
ラフである。

【図５】Ｓｉ量と酸化スケール量との関係を示すグラフ
である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学成分としてＣと、Ｓｉと、Ｍｎと、
   Ｐと、Ｓと、Ｃｒと、Ｍｇと、Ｂ及び不可避の元素を含
   む球状黒鉛鋳鉄であって、Ｐを０．０４重量％以下と
   し、かつＢを０．００１〜０．０１重量％としたことを
   特徴とする耐熱球状黒鉛鋳鉄。
2. 【請求項２】 Ｓｉを４．５重量％以下としたことを特
   徴とする請求項１記載の耐熱球状黒鉛鋳鉄。
3. 【請求項３】 Ｓｉを３．５〜４．５重量％とし、耐酸
   化性にも優れることを特徴とする請求項１記載の耐熱球
   状黒鉛鋳鉄。