JPS6233746A - 耐熱鋳鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐熱鋳鋼に関し、詳しくは、優れた耐熱性（高
温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化性等といった性能・耐久
特性を有するとともに、優れた鋳造性９機械加工性、低
価格性等といった生産特性を有していることから、車両
用エンジンにおける排気系部品等に好適に適用すること
のできる耐熱鋳鋼にかかる。

〔従来の技術〕

近年、ガソリンエンジンもしくはディーゼルエンジン等
の車両用エンジン、特に自動車用エンジンにおいては、
高出力化、低燃費化に対する改善要求の高まりに伴い、
燃焼効率の改善のための研究開発が積極的に実施されて
いる。

その結果、このような要求に応える自動車用エンジンに
おいては、従来の自動車用エンジンに比較して、排気ガ
ス温度が著しく高温となる傾向にある。

とりわけ、自動車用エンジンにおけるエキゾーストマニ
ホルド、ターボチャージャ用ターヒフ　／％１ウジング
、ディーゼルエンジン用予燃焼室、排気ガス浄化装置用
部品等の排気系部品においては、使用条件が高温となり
耐熱亀裂性、耐酸化性等に対する要求が特に苛酷となる
ことから、従来においては高Ｓｉ鋳鉄、ニレジスト鋳鉄
、ＡＩ鋳鉄等の耐熱鋳鉄や、特例的にはフェライト系も
しくはオーステナイト系耐熱鋳鋼等の高価な高合金耐熱
鋳鋼が採用されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のような従来の技術の現状に鑑み、本発明が解決し
ようとする問題点は、従来の自動車用エンジンにおける
排気系部品用材料として使用されている、高Ｓｉ鋳鉄、
ニレジスト鋳鉄、ＡＩ鋳鉄等の耐熱鋳鉄においては、そ
の優れた鋳造性と機械加工性から生産性は良好であるも
のの、耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化性等と
いった性能・耐久特性が劣ることから、８００℃以上の
高温における耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂性。

耐酸化性等に対する要求の厳しい部材には通用すること
ができず、また、高合金耐熱鋳鋼は８００゛Ｃ以上の高
温においても耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化
性等といった性能・耐久特性には優れているものの、鋳
造性が悪く鋳造成形時に“ひけ巣”、“湯廻り不良”等
の鋳造不良を発生し易いこと１機械加工性が悪いこと等
によりその生産性に劣ることから、耐熱部材としての優
れた鋳造性１機械加工性、低価格性等といった生産特性
、及び、優れた耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸
化性等といった性能・耐久特性とを、バランス良く兼ね
備えた耐熱鋳造材料の開発が強く望まれていたというこ
とである。

従って、本発明の技術的課題とするところは、耐熱鋳鋼
における組成的な調整と鋳造後の焼なまし処理の実施に
よって、従来の耐熱鋳鉄に匹敵する鋳造性２機械加工性
、低価格性等といった生産特性と、従来の高合金耐熱鋳
鋼に匹敵する耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化
性等といった性能・耐久特性とを、バランス良く兼ね備
えた耐熱鋳鋼とすることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このような従来の技術における問題点に鑑み、本発明に
おける従来の技術の問題点を解決するだめの手段は、重
量比率で、Ｃ；　０．３〜２．０％、Ｓｉ；２．０％〜
４．５％、Ｍｎ；１，０％以下、Ｐ；０゜０５％以下、
Ｓ、０．０５％以下、Ｃｒ；５．０〜１０．０％と、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｖのうち少なくとも１種類を１．０〜６．０
％含有するとともに、Ｍｏ、Ｗのうち少なくとも１種類
を０．２〜１．０％含有し、残部実質的にＦｅからなる
組成を有し、鋳造後に焼なまし処理を施したことを特徴
とする耐熱鋳鋼からなっている。

なお、本発明の耐熱鋳鋼における鋳造後の焼なまし処理
は、９００〜ｂ オーステナイト化処理後６８０〜７５０℃まで炉冷し、
６８０〜ｂ 冷却するという通常の焼なまし処理で充分である。

〔作用〕

以下、本発明の作用について説明する。

本発明において、従来の技術の問題点を解決するための
手段を上述のような構成とすることによって、耐熱鋳鋼
において、組成的にはＰ、Ｓ等の不純物を低く抑え、Ｃ
，Ｓ１．Ｃｒ、及び、Ｎｂ。

Ｔａ、Ｖのうち少なくとも１種類とＭｏ、Ｗのうち少な
くとも１種類とをバランスよく添加することにより、耐
熱性（高温強度）、耐熱亀裂性１機械加工性を改善して
、従来の耐熱鋳鉄に匹敵する鋳造性２機械加工性、低価
格性等といった優れた生産特性を保有させた上で、従来
の高合金耐熱鋳鋼に近い耐熱性（高温強度）、耐熱亀裂
性、耐酸化性等といった性能・耐久特性を付与し得る範
囲としており、しかも、鋳造後の焼なまし処理により基
地組織をフェライト組織化するとともに、１次炭化物の
分解を図って基地フェライト組織中のＣｒ濃度を高くし
ていることから、本発明の耐熱鋳鋼を、従来の耐熱鋳鉄
に匹敵する鋳造性２機械加工性、低価格性等といった生
産特性、及び、従来の高合金耐熱鋳鋼に匹敵する耐熱性
（高温強度）、耐熱亀裂性、耐酸化性等といった性能・
耐久特性とを、バランス良く兼ね備えた耐熱鋳鋼とする
ことができるのである。

以下、本発明の耐熱鋳鋼に添加する各合金元素の添加量
の範囲附定理由について説明する。

なお、以下の説明において各合金元素の添加量は全て重
量％にて表示している。

まず、Ｃは本発明の耐熱鋳鋼における強度特性を向上し
溶湯の流動性（鋳造性）を改善させることから有効であ
るが、０．３％未満ではその鋳造性の改善効果が充分で
なく、一方、２．０％を越えて添加すると後述するＳｉ
量との兼ね合いから炭素の黒鉛化を促進して耐熱鋳鋼の
強度特性を低下させるばかりでなく、耐酸化性をも悪化
させることから０．３〜２．０％とした。

また、Ｓｉは本発明の耐熱鋳鋼において脱酸剤として有
効であるばかりでなく、耐酸化性を改善させるために有
効であるが、２．０％未満ではその耐酸化性の改善効果
が充分でなく、４．５％を越えて添加すると、 ■　Ｃとのバランス（炭素当量）により、１次炭化物を
粗大化させて耐熱鋳鋼の機械加工性を悪化させる。

■　フェライト基地組織中のＳｉ濃度が過多となって、
耐熱鋳鋼の靭性を低下させて生産性を悪化させる。

等の理由から２．０〜４．５％とした。

また、Ｍｎはパーライト組織の形成元素であるため、本
発明材のように基地組織をフェライト組織とした耐熱鋳
鋼にはあまり好ましくない合金元素であるが、Ｓｉと同
様に脱酸剤として有効であり、また、鋳造時の“湯流れ
性“を改善して生産性を向上させる合金元素として有効
であることから、１．０％以下の範囲で含有させるのが
望ましい。

また、Ｐ及びＳはともに０．０５％を越えて添加すると
、加熱冷却の繰り返しによる熱亀裂を発生し易くなり、
有害な不純物であることからいずれも０．０５％以下と
した。

また、Ｃｒは耐酸化性を改善するとともに共析変態温度
を上昇させて耐熱特性（高温強度、耐熱亀裂性等）を改
善させることから有効であるが、５．０％未満ではそれ
らの特性の改善効果が充分でなく、１０．０％を越えて
添加するとＣｒの１次炭化物を粗大化させて機械加工性
を著しく悪化させることから５．０〜１０．０％とした
。

また、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖは本発明材において特に重要な合
金元素であって共に同様な作用を有しており、共析変態
温度を上昇させて上述のような耐熱特性を改善させるこ
とがら有効であるばかりでなく、鋳造時にＣｒより優先
的に炭化物を形成させることから、機械加工性を悪化さ
せる１次Ｃｒ炭化物の形成を抑制し、また、高温におけ
る２次Ｃｒ炭化物の析出も抑制させることから耐酸化性
の改善にも有効であるが、１．０％未満ではそれらの諸
特性の改善効果が充分でなく、一方、６．０％を越えて
添加するとＮｂｌ　Ｔａ、Ｖが未溶解となり基地組織中
に偏析して残留し、耐熱鋳鋼の靭性を低下させ易いこと
から１．０〜６．０％とした。

また、Ｍｏ、Ｗも本発明材において特に重要な合金元素
であって共に同様な作用を有しており、基地組織中に固
溶して耐熱鋳鋼の耐熱性（高温強度）を改善するととも
に、共析変態温度を上昇させてＮｂ、Ｔａ、Ｖ等と同様
に耐熱特性を改善させることから有効であるばかりでな
く、鋳造時にＣｒより優先的に炭化物を形成させること
から機械加工性を悪化させる１次Ｃｒ炭化物の形成を抑
制し、また、高温における２次Ｃｒ炭化物の析出も抑制
させることから耐酸化性の改善にも有効であるが、０．
２％未満ではそれらの諸特性の改善効果が充分でなく、
一方、１．０％を越えて添加すると１次炭化物を粗大化
させて機械加工性を悪化させることから０．２〜１．０
％とした。

なお、鋳造後の焼なまし処理は、耐熱鋳鋼の機械加工性
を改善させるために必要であるばかりでなく、鋳放し状
態で析出しているパーライト組織を分解して炭化物を球
状化させるためにも有効である。

〔実施例〕

以下、添付図面及び表に基づいて、本発明の実施例を詳
しく説明する。

本発明材の耐熱亀裂性及び耐酸化性を評価するために、
第１表に示すような２０種類の本発明材Ａ−Ｔ、及び、
３種類の比較材■〜■の各供試材を鋳造成形により製造
した。

なお、各供試材の鋳造に当たっては、５０Ｋｇ用高周液
溶解炉を用いて大気熔解し、Ｆｅ−３ｉ（７５重量％）
にて脱酸処理した後、直に１５５０℃以上で出湯して１
４５０℃以子にて注湯し、ＪＩｓ規格Ａ号のＹブロック
形状に鋳造成形した。

ついで、上述により鋳造成形されたＹプロソク形状の鋳
造粗形材状態の各供試材に対して、焼なまし処理炉中に
て９５０℃×１時間加熱保持し、７５０℃まで炉冷した
後その温度で３時間保持して放冷させる焼なまし処理を
行った。

第１表 第１表（前頁の続き） なお、第１表において、本発明材Ａ−Ｔ及び比較材■に
おけるＰ及びＳはいずれも０．０１％以下であり、また
、比較材■におけるＰは０．０２り％。

Ｓは０．０２２％であり、比較材■におけるＰは０゜０
２３％、Ｓは０．０２１％である。

また、比較材■及び比較材■には、それぞれ０゜０３３
％及び０．０３５％のＭｇを含有している。

また、第１表において、本発明材Ａ−ＥはＣ２５１．Ｍ
ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒからなる基本組成にＮｂ及びＭＯを添
加した供試材であり、本発明材Ｆ〜Ｊは上述の基本組成
に■及びＭＯを添加した供試材であり、本発明材に−０
は上述の基本組成にＮｂ及びＷを添加した供試材であり
、本発明材Ｐ〜Ｔは上述の基本組成に■及びＷを添加し
た供試材である。

また、第１表における比較材■及び■は従来自動車用耐
熱部材に使用されている耐熱鋳鉄であって、比較材■は
高Ｓｉ鋳鉄と称されるものであり、比較材■はオーステ
ナイト基地球状黒鉛鋳鉄であり、また、比較材■はオー
ステナイト系耐熱鋳鋼（Ｊ　Ｉ　Ｓ規格５ＣＨ２１相当
）である。

上述により鋳造成形して製造した第１表に示すような組
成を有する各供試材を用いて、耐熱亀裂性及び耐酸化性
の評価試験を実施した。

まず、電気−油圧サーボ方式の熱疲労試験機を用いて、
上述の各供試材に対する耐熱亀裂性の評価試験を実施し
た。

なお、耐熱亀裂性の評価試験は、標点間距離を１５ｆｌ
、標点間径をφＬｏｗとした丸棒試験片を用いて、試験
片の加熱による熱膨張伸びを機械的に拘束させた状態で
、下限温度を２００℃、上限温度を９００℃とし、１サ
イクル１０分とする加熱冷却サイクルの繰り返しにより
熱疲労破壊させた。

なお、拘束率（％）は次の式により算出される値である
。

そして、各試験片に負荷させる加熱冷却サイクルを上述
の条件に固定して、各試験片の拘束率（％）を変えて各
供試材の拘束率（％）と熱疲労による破損までの繰り返
し数（回）との関係によって、各供試材の耐熱亀裂性（
ｉｔ熱疲労強度）を評価した。

このようにして実施した耐熱亀裂性の評価試験結果を、
第１図〜第４図に示している。

第１図〜第４図から明らかなように、本発明材Ａ−Ｔは
、いずれも従来材である３種類の比較材■〜■と比較す
ると、格段に優れた熱疲労寿命（耐熱亀裂性）を有して
いることが理解される。

次に、鋳造成形された上述の組成を有する各供試材を用
いて、３　ＱｍＸ　２　ＱｍＸ　５ｍｍの形状をした板
状試験片を製作し、９００℃において１００時間の大気
中保持による酸化試験を実施した。

なお、この酸化試験における試験結果の評価方法として
は、酸化試験後の試験片にショツトブラスト処理を施し
て酸化スケールを除去し、酸化試験前後における単位面
積当たりの重量変化（酸化減量ｉ　ｍｇ／　Ｃｍ　２）
により評価した。

上述により酸化試験した結果を第５図に示している。

第５図から明らかなように、本発明材Ａ−Ｔは、いずれ
も従来材である比較材■〜■と比較すると著しく優れた
耐酸化性を有しており、また、オーステナイト系耐熱鋳
鋼である比較材■と比べても、同等以上の耐酸化性を有
していることが理解される。

次に、本発明材及び比較材を用いて３．Ｏｊ’ガソリン
エンジン用のエキゾーストマニホルドを製作し、エンジ
ンに搭載してエンジン台上苛酷耐久試験によりエキゾー
ストマニホルドとしての耐熱亀裂耐久性を評価した。

第２表に、このエンジン台上苛酷耐久試験に用いたエキ
ゾーストマニホルドの、各供試品における化学成分を示
している。

なお、第２表におけるこのエキゾーストマニホルドとし
ての耐熱亀裂耐久試験に用いた比較品は、高Ｓｉ球状黒
鉛鋳鉄材を用いて製造したエキゾーストマニホルドであ
る。

また、本発明品■〜■はいずれも９５０℃×１時間＋７
５０℃×１時間の焼なまし処理を実施したエキゾースト
マニホルドを用い、比較品は鋳放し状態のエキゾースト
マニホルドを用いた・第２表 なお、第２表において、本発明品■〜■におけるＰ及び
Ｓはいずれも０．０１％以下であり、比較品におけるＰ
は０．０２５％、Ｓは０．０２２％である。

また、比較品には０．０３５％のＭｇを含有している。

そして、エンジン台上苛酷耐久試験条件は、最高回転数
を５６００　ｒｐｍとして全負荷条件での冷熱サイクル
耐久試験にて９００サイクルまで実施し、熱亀裂の発生
の有無によりエキゾーストマニホルドとしての耐熱亀裂
性を評価した。

このようにしてエンジン台上苛酷耐久試験によりエキゾ
ーストマニホルドとしての耐熱亀裂性を評価した結果、
本発明材により製造したエキゾーストマニホルド（本発
明品■〜■）においては、いずれも９００サイクルの試
験終了まで熱亀裂の発生が認められなかったのに対して
、比較品である高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄材により製造したエ
キゾーストマニホルドにおいては、３８６サイクルで肉
厚を貫通する熱亀裂の発生が認められた。

上述のエンジン台上苛酷耐久試験結果から明らかなよう
に、本発明材により製造したエキゾーストマニホルド（
本発明品■〜■）は、比較材である高ｓｉ球状黒鉛鋳鉄
により製造したエキゾーストマニホルドに比較して、熱
負荷の厳しいエキゾーストマニホルドとして著しく優れ
た熱亀裂耐久性を存していることを確認することができ
た。

次に、本発明材及び比較材を用いて２．４１デイーセル
ターボエンジン用予燃焼室を製作し、エンジン台上苛酷
耐久試験により予燃焼室としての耐熱亀裂耐久性を評価
した。

第３表は、このエンジン台上苛酷耐久試験に用いた、デ
ィーゼルエンジン用予燃焼室の各供試品における化学成
分を示している。

なお、第３表におけるこのディーゼルエンジン用予燃焼
室としての耐熱亀裂耐久試験に用いた比較品は、オース
テナイト系耐熱鋳鋼（ＪＩＳ規格５ＣＨ２１相当）によ
り製造した予燃焼室である。

また、本発明品■〜■は、いずれも９５０℃×１時間＋
７５０℃×１時間の焼なまし処理を実施した予燃焼室を
用い、比較品は鋳放し状態の予燃焼室を用いた。

第３表 なお、第１表において本発明品■〜■及び比較品におけ
るＰ及びＳはいずれも０．０１％以下である。

そして、エンジン台上苛酷耐久試験条件は、最高回転数
を４４０　Ｏｒｐｍとして全負荷での冷熱サイクル耐久
試験にて９００サイクルまで実施し、熱亀裂の発生の有
無により予燃焼室としての耐熱亀裂性を評価した。

このようにしてエンジン台上苛酷耐久試験により予燃焼
室としての耐熱亀裂性を評価した結果、本発明材により
製造した予燃焼室（本発明品■〜■）においては、いず
れも９００サイクルの試験終了まで熱亀裂の発生が認め
られなかったのに対して、比較品であるオーステナイト
系耐熱鋳＆Ｉ（ＪＩＳ規格５ＣＨ２１相当）により製造
した予燃焼室においては、６００サイクルで噴孔部に長
さ２１１程度の熱亀裂の発生が認められた。

上述のエンジン台上苛酷耐久試験結果から明らかなよう
に、本発明材により製造した予燃焼室（本発明品■〜■
）は、比較材であるオーステナイト系耐熱鋳１１（ＪＩ
Ｓ規格５ＣＨ２１相当）により製造した予燃焼室と比較
して、熱負荷の厳しいディーゼルエンジンの予燃焼室に
通用しても優れた熱亀裂耐久性を有していることを確認
することができた。

〔発明の効果〕

以上により明らかなように、本発明にかかる耐熱鋳鋼に
よれば、耐熱鋳鋼における組成的な調整と鋳造後の焼な
まし処理の実施によって、従来の耐熱鋳鉄に匹敵する鋳
造性２機械加工性、低価格性等といった生産特性と、従
来の高合金耐熱鋳鋼に匹敵する耐熱性（高温強度）、耐
熱亀裂性、耐酸化性等といった性能・耐久特性とを、バ
ランス良く兼ね備えた耐熱鋳鋼とすることができ、従っ
て、価格的及び性能的な観点から、自動車用エンジンに
おける排気系部品用材料として好適に通用することがで
きる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は、本発明材と比較材の耐熱亀裂性の評
価試験結果を示すグラフ。 第５図は、本発明材と比較材の酸化試験結果を示すグラ
フである。 出願人　　トヨタ自動車株式会社 石１ｔｌＨ−の車粂話ししゃ（（回） 第、１図 ｇＬｔｌｊτ゛のｓｔしｓ灯回） 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、重量比率で、Ｃ；０．３〜２．０％、Ｓｉ；２．０
   ％〜４．５％、Ｍｎ；１．０％以下、Ｐ；０．０５％以
   下、Ｓ；０．０５％以下、Ｃｒ；５．０〜１０．０％と
   、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖのうち少なくとも１種類を１．０〜６
   ．０％含有するとともに、Ｍｏ、Ｗのうち少なくとも１
   種類を０．２〜１．０％含有し、残部実質的にＦｅから
   なる組成を有し、鋳造後に焼なまし処理を施したことを
   特徴とする耐熱鋳鋼。