(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．０６〜０．５０％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｐ：０．５０％以下、Ｓ：０．５０％以下およびＳｅ：０．００１〜０．５０％、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｎｂ：０．０１〜３．０％、ならびにＮ：０．０１〜０．１５％を含有し、ただし、２［％Ｓ］＋［％Ｓｅ］：１．００以下であって、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有し、自動車エンジンの排気系部品を製造するためのフェライト系耐熱鋳鋼。
【請求項２】
請求項１に規定した合金成分に加え、さらに、Ｗ：０．１〜５．０％を含有させた請求項１の耐熱鋳鋼。
【請求項３】
請求項１または２に規定した合金成分に加え、さらに、Ｖ：０．１〜２．０％、Ｔｉ：０．０１〜１．０％およびＡｌ：０．０１〜１．０％の１種または２種以上を含有させた請求項１または２の耐熱鋳鋼。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに規定した合金成分に加え、さらに、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．１〜５．０％およびＣｏ：０．１〜５．０％の１種または２種以上を含有させた請求項１ないし３のいずれかの耐熱鋳鋼。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに規定した合金成分に加え、さらに、Ｂ：０．００５〜０．１０％およびＣａ：０．００１〜０．０５％の１種または２種を含有させた請求項１ないし４のいずれかの耐熱鋳鋼。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに規定した合金成分に加え、さらに、ＲＥＭ：０．００１〜０．５０％を含有させた請求項１ないし５のいずれかの耐熱鋳鋼。
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】
本発明は、自動車エンジンの排気マニホールド、タービンハウジング、フロントパイプおよびその結合部、排気ガス浄化装置用部品、ならびにディーゼルエンジン用予燃室等の、自動車用排気系部品の材料として好適なフェライト系耐熱鋳鋼に関する。
【従来技術】
【０００２】
自動車エンジンの排気マニホールドやタービンハウジングなどの排気系部品には、従来から球状黒鉛鋳鉄、または耐熱性を高めた高Ｓｉ球状黒鉛鋳秩が用いられている。一部の高出力エンジンでは、排気ガス温度が高く、高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄でも耐久性が十分でないために、ニレジスト鋳鉄、ステンレス鋳鋼を用いるか、またはステンレス鋼板の溶接構造体が使用されている。
【０００３】
近年、自動車エンジンの高出力化が一層進むとともに、自動車の排気ガス清浄化の要求が高まっている。とくに、エンジンの始動時に発生する排気ガスを速やかに清浄化するためには、排気ガスの温度を、速やかに排気ガス浄化装置が作用する温度にする必要がある。そのためには、排気ガス浄化装置よりもエンジン側にある、排気マニホールド、タービンハウジング等の排気系部品に奪われる熱量を極力減少させる必要がある。そこで、これら排気系部品の薄肉軽量化が進められており、前記したステンレス鋼薄板の溶接構造体、および特殊な鋳造法により鋳造される薄肉鋳物が使われ始めている。
【０００４】
しかしながら、薄肉鋳物の場合、肉厚が薄くなることに伴って、部品に加わる熱応力が大きくなり、かつ、表面温度が上昇しるため、従来の球状黒鉛鋳鉄では熱疲労特性および耐酸化性が不十分であって、耐久性が不足する。そのため、一部でステンレス鋳鋼鋳物が使われつつある。
【０００５】
このような排気系部品に使用されるステンレス鋳鋼としては、熱疲労特性の点からみて、熱膨張係数の小さいフェライト系ステンレス鋳鋼が好ましいとされる。しかし、従来のフェライト系ステンレス鋼（たとえばAlloy Casting Institute規格のＣＢ３０）は、球状黒鉛鋳鉄と比較すると被削性が悪く、機械加工のコストが高いという難点がある。
【０００６】
従来のフェライト系ステンレス鋳鋼はまた、使用時にα−γ相変態が生じ、変態により発生する局部熱応力が原因となって著しい変形が生じるため、α−γ変態温度以上では使用できないという欠点がある。そのため、α−γ相変態温度を上昇させるか、さもなければ、α−γ相変態が生じないようにし、使用可能な上限温度を上昇させることが要望されている。フェライト系ステンレス鋼は一般に、高温強度が低いことも弱点であって、高温強度を高めて熱疲労特性を向上させることも要望されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような要望に応えるためになされたものであって、その目的は、被削性がすぐれていて機械加工のコストが低廉であり、かつα−γ相変態温度を高くするかあるいはα−γ相変態を生じさせなくすることにより、使用上限温度が高められ、さらに高温強度の増大により熱疲労特性が向上したフェライト系耐熱鋳鋼を提供し、それによって、安価で特性の高い排気系部品の製造を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成する本発明の耐熱鋳鋼は、基本的には、重量％で、Ｃ：０．０６〜０．５０％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｐ：０．５０％以下、Ｓ：０．５０％以下、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｎｂ：０．０１〜３．０％、Ｎ：０．０１〜０．１５％およびＳｅ：０．００１〜０．５０％を含有し、ただし、２［％Ｓ］＋［％Ｓｅ］：１．００以下であって、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の耐熱鋳鋼の高温強度をさらに向上させようとする場合は、上記した基本的な合金成分に加えて、Ｗ：０．１〜５．０％を含有させることができる。
【００１０】
本発明の耐熱鋳鋼は、α−γ相変態温度をいっそう上昇させることを意図する場合は、上記した基本的な合金成分に加えて、Ｖ：０．１〜２．０％、Ｔｉ：０．０１〜１．０％およびＡｌ：０．０１〜１．０％の１種または２種以上を含有させることができる。
【００１１】
本発明の耐熱鋳鋼の高温強度をさらに向上させようとする場合は、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．１〜５．０％、Ｃｏ：０．１〜５．０％の１種または２種以上を含有させることができる。
【００１２】
被削性のさらなる改善を希望する場合は、Ｂ：０．００５〜０．１０％およびＣａ：０．００１〜０．０５％の１種または２種を含有させることができる。
【００１３】
本発明の耐熱鋳鋼の耐酸化性を高める上では、ＲＥＭ：０．００１〜０．５０％を添加することが効果的である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の耐熱鋳鋼は、既知の耐熱鋳鋼が有していた高温強度、耐酸化性および熱疲労特性を実質上低下させることなく、被削性が改善され、機械加工性が良好になっている。これにより、耐熱性の高い自動車エンジンの排気系部品を安価に製造することが可能になった。
【００１５】
好ましい態様に従って、Ｖ、ＴｉおよびＡｌの１種または２種以上を含有させることにより、この耐熱鋳鋼は、α−γ変態温度が上昇し、その結果、高温強度が向上して熱疲労特性が改善される。Ｗを、または、Ｎｉ、ＭｏおよびＣｏの１種または２種以上を含有させることによっても、高温強度が向上して熱疲労特性を改善することができる。ＢおよびＣａの１種または２種を含有させることにより、被削性のいっそうの改善ができ、また、ＲＥＭを添加することにより、耐酸化性のさらなる向上が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の耐熱鋳鋼を構成する、必須合金元素および任意添加元素について、それらの働きと組成範囲の限定理由を、以下に説明する。
【００１７】
Ｃ：０．０６〜０．５０％
Ｃは鋳造時の溶湯の流動性を良くし、高温強度を高める働きがある。しかし、Ｃ量の増加によりα−γ相変態温度が低くなり、使用可能な上限温が著しく低下するので上限を０．５０％とした。鋳物製品の使用温度が上昇するとα−γ相変態量が増加し、変態による局部熱応力が高まって変形量が大きくなるため、とくに９５０℃以上の高温で使用する場合には、α−γ相変態自体を生じなくさせることが望ましい。その場合には、α−γ相変態が生じなくなる低いC量、すなわち０．０６％未満のＣ量とすればよいが、C量を低くすると鋳造性が悪くなり、とくに薄肉鋳物の鋳造が困難になるという問題が生じるので、０．０６％をＣ量の下限とした。鋳造性低下の問題は、特殊な減圧鋳造法を用いることにより解決され、複雑な形状の薄肉鋳物を、鋳造欠陥の発生を避けて得られることがわかった。
【００１８】
Ｓｉ：４．０％以下
Ｓｉはフェライト安定化元素であり、α−γ変態温度を上昇させるとともに、耐酸化性および溶湯の流動性を向上させる働きがある。しかし、多量の添加は延性を低下させ、高温でのσ相の形成を助長するので、４．０％を上限とした。
【００１９】
Ｍｎ：３．０％以下
Ｍｎは耐酸化性を向上させるとともに、ＭｎＳおよびＭｎＳｅを生成して被削性の向上に役立つ。しかし、３．０％を超えて添加しても被削性向上の効果は増さないだけでなく、延性が低下してくるため、３．０％の上限を設けた。
【００２０】
Ｐ：０．５０％以下
Ｐはリン化合物を生成することにより、被削性を向上させる作用がある。多量に添加しても、この効果が飽和するだけでなく、耐酸化性および熱疲労特性の著しい低下が起こるので、上限として０．５０％を定めた。被削性よりも熱疲労特性を重視する場合には、Ｐ量を０．０４％以下にすることが望ましい。
【００２１】
Ｓ：０．５０％以下
Ｓは、Ｍｎについて述べたように、ＭｎＳを生成して被削性を向上させるが、多量に添加しても、それ以上の被削性向上が望めなくなるだけでなく、延性、耐酸化性および熱疲労特性の著しい低下を招くので、上限を０．５０％とする。被削性よりも熱疲労特性を重視する場合には、Ｓ量を０．０４％以下にすることが望まれる。
【００２２】
Ｓｅ：０．００１〜０．５０％
ＳｅはＭｎＳｅを生成することにより、被削性を向上させる。この効果を得るためには、０．００１％以上のＳｅが必要である。０．５０％以上の添加は、被削性向上の効果が飽和するだけでなく、コストの上昇を招く。
【００２３】
２［％Ｓ］＋［％Ｓｅ］：１．００以下
ＳおよびＳｅは、上述のように、どちらもＭｎと化合物を生成して被削性を向上させる作用があり、その効果の現れ方は、Ｓ：Ｓｅ＝２：１である。２［％Ｓ］＋［％Ｓｅ］が１．００（％）を超えると、被削性向上の効果はそれ以上にならないだけでなく、延性、耐酸化性および熱疲労特性の著しい低下を招き、コストも上昇するの、この値を上限として定めた。
【００２４】
ＳおよびＳｅの添加量は、上記の範囲および限界内で、目的に応じて選択して定めることができる。すなわち、Ｓは被削性を向上せる効果が大きく、また、含有量を増加させることによるコストの上昇は小さいが、添加量の増加が熱疲労特性の低下に与える影響が大きい。一方、Ｓｅは、被削性向上の効果はＳと比較すると小さく、添加量を増加させることによるコストの上昇が大きいが、量の増加による熱疲労特性の低下はほとんど見られない。そこで、被削性を向上させたいがコストの上昇は防ぎたい場合は、Ｓ量を増加させればよく、被削性を向上させたうえで熱疲労特性を低下させないことを望む場合、Ｓｅ量を増加させればよい。
【００２５】
Ｃｒ：１５〜２２％
Ｃｒは耐酸化性を確保し、α−γ相変態温度を上昇させる効果がある。この効果が得られる下限の添加量が１５％である。多量の添加により、高温でのσ相形成が助長され、脆化を引き起こす。そこで、上限を２２％とした。
【００２６】
Ｎｂ：０．０１〜３．０％
Ｎｂは安定なＮｂＣの生成により高温強度を壇大させ、α−γ相変態を上昇させる。またＮｂはＣｒにくらべ炭化物形成傾向が高く、Ｃｒ炭化物の生成を抑制し、耐酸化性を向上させる働きがあるため使用上限温度をさらに上昇させたい場合には添加してもよい。その場合、０．０１％以下ではその効果が現れないので下限を０．０１％とする。しかし３．０％以上添加してもその効果が得られなくなるばかりでなく延性の著しい低下を招くため上限を３．０％とする。
【００２７】
Ｎ：０．０１〜０．１５％
Ｎは高温強度を向上させる効果がある。この効果は０．０１％に達しないＮ量では得られない。一方、０．１５％を超える添加は、Ｃｒ２Ｎの過剰の析出に起因する延性の低下を結果するので、この値を上限とする。
【００２８】
Ｗ：０．１〜５．０％
Ｗは、固溶強化により高温強度を向上させる。それゆえ、高温強度のさらなる向上を希望する場合には、Ｗの添加を考慮する価値がある。添加する場合、０．１％未満の添加量ではその効果が現れない。５．０％を超えて添加すると、延性が著しく低下する。
【００２９】
Ｖ：０．１〜２．０％
Ｖは安定なＶＣを生成し、それにα−γ相変態温度を上昇させる作用があり、かつ、高温強度の向上にも効果があるため、使用上限温度をさらに向上させたい場合には、Ｖを添加することが推奨される。この場合、０．１％に足りない添加ではその効果が現れない。しかし、２．０％を超えて添加しても意味がないばかりでなく、延性の著しい低下を招く。
【００３０】
Ｔｉ：０．０１〜１．０％
Ｔｉは安定なＴｉＣを生成し、α−γ相変態温度を上昇させる効果があり、高温強度の向上に対しても有用であるため、Ｖと同様、使用上限温度をさらに向上させたい場合には添加するとよい。添加量が０．０１％未満ではその効果が現れない。しかし、１．０％を超えて添加しても、それ以上の効果は望めないし、延性が著しく低下する。
【００３１】
Ａｌ：０．０１〜１．０％
Ａｌはフェライトを安定させて、α−γ相変態温度を上昇させる効果があり、かつ、高温強度を向上させるという利益がある。そこで、ＶやＴｉと同様、使用上限温度をいっそう高めたい場合には、Ａｌを添加することが得策である。添加量が０．０１％に達しないと添加効果が得られず、一方、１．０％を超えて添加しても、延性の著しい低下という不利益を招くだけである。
【００３２】
Ｎｉ：０．１〜１．０％
Ｎｉもまた、固溶強化により高温強度を高めるから、その利益を得たい場合には、Ｎｉの添加が有意義である。添加量０．１％未満では効果が微弱であり、１．０％を超えて添加するとα−γ相変態温度が低下するので、上記の範囲から選択する。
【００３３】
Ｍｏ：０．１〜５．０％
Ｍｏはフェライト相を安定させて、α−γ相変態温度を上昇させる効果とともに、高温強度の向上にも役立つ。したがって、高温強度の向上を望む用途に対しては、Ｍｏの添加が推奨される。０．１％の下限に届かない添加量は効果に乏しく、５．０％の上限を外れる添加は延性の顕著な低下をもたらす。
【００３４】
Ｃｏ：０．１〜５．０％
Ｃｏは、固溶強化により高温強度を高める。そこで、高温強度をさらに高めようと意図する場合には、添加を考慮する価値がある。下限の０．１％以上添加しないと、効果がない。上限の５．０％を超えて添加すると、α−γ相変態温度を上昇させる。
【００３５】
Ｂ：０．００５〜０．１０％
ＢはＢＮを生成し、被削性を改善する。この効果を得るためにＢを添加する場合、少なくとも０．００５％を必要とする。しかし、過大な量を添加しても、被削性改善の効果は頭打ちとなり、熱疲労特性の著しい低下が見られるので、０．１０％までの添加量とする。
【００３６】
Ｃａ：０．００１〜０．０５％
Ｃａは酸化物を生成し、被削性を改善する。この効果を期待してＣａを添加するのであれば、効果が得られる０．００１％以上であって、効果が飽和し、熱疲労特性が低下するというという弊害のない、０．０５％以下の添加量を選ぶべきである。
【００３７】
ＲＥＭ：０．００１〜０．５０％
ＲＥＭは耐酸化性を向上させる作用があるから、耐酸化性を向上させ使用上限温度を高めたい場合には、有用な添加元素である。添加量は、効果が認められる最小限の０．００１％以上であって、効果が飽和し熱疲労特性が悪くならない限界の０．５０％以下の範囲から選択するのがよい。
【実施例】
【００３８】
表１に示す合金組成（重量％、残部Ｆｅ）の耐熱鋳鋼を、５０kg高周波誘導炉で溶解し、ＪＩＳ−Ａ号試験片に鋳込成形した。各試験片を７５０℃に加熱した後、空冷して、引張試験、熱疲労試験、酸化試験および被削性試験を行なった。室温および９００℃における引張試験の結果を表２に、熱疲労試験、酸化試験および被削性試験の結果を表３に示す。これらの表において「比較例」は、比較のため掲げた、Alloy Casting Institute 規格のＣＢ３０である。
【００３９】
各試験は、つぎのように実施した。
［熱疲労試験］
円盤型試験片（直径４５mm、厚さ7．５mm）を１５０℃の流動床炉中に３分間曝露した後、９００℃または９５０℃の流動床炉中に３分間曝露するサイクルを１０００回繰り返し、その後の試験片円周上に発生する割れの総長さ、および試験片の厚さの変化量を測定した。割れの長さは、熱疲労による割れの発生しやすさを表し、厚さの変化量は、加熱冷却により発生する熱応力およびα−γ変態により発生する局部熱応力による塑性変形のしやすさを表す。
［被削性試験］
超硬合金チップによるフライス加工を施したとき、チップのコーナー摩耗量が２００μmになるときの切削長さを、工具寿命として評価した。
【００４０】
【表１】
0003605874.tif 000002
【００４１】
【表２】
0003605874.tif 000003
【００４２】
【表３】
0003605874.tif 000004
【００４３】
本発明の実施例を比較例と比較したとき、常温における引張試験の結果が示す強度および伸びは、劣ってはいるが、その差は著しいものではなく、肝心の高温（９００℃）試験においては、大差ないデータである。９００℃および９５０℃の熱疲労試験においても、割れ長さおよび変形量は比較例にくらべてはるかに小さく、明らかに比較例よりすぐれた熱疲労特性が認められる。
【００４４】
被削性試験の結果を表３にみると、本発明の実施例は工具寿命が少なくとも４０００mm以上であり、比較材の１０５０mmにくらべて、顕著に改善された被削性が認められる。２［％Ｓ］＋［％Ｓｅ］の値が０．５０％以上である実施例３は、工具寿命が１２０００mm以上であり、その条件に加えて多量のＰを含有する実施例１は、工具寿命１５０００mm以上と、とくにすぐれた被削性を示している。ＢおよびＣａの１種または２種を含有させた実施例４および５も、高い被削性を示した。
【００４５】
本発明の好ましい実施態様に従って、Ｖ、ＡｌおよびＴｉの１種または２種以上を含有させることにより、またさらに、Ｍｏ、または、Ｗ、ＮｉおよびＣｏの１種または２種以上を含有させることにより、９００℃での高温強度が増大し、熱疲労試険における変形量が小さくなっており、いっそうの熱疲労特性向上が実証された。
【００４６】
前述したＳおよびＳｅの選択の問題について表３のデータをみると、ＳまたはＰを０．０４％以上含有させる（実施例１〜３）と、９５０℃の熱疲労試験において、変形量が小さい試験片も微小な割れが発生し、熱疲労特性がいくぶん低いことがわかる。一方、Ｓｅの添加量だけ０．０４％以上の高い値にした場合（実施例４）は、９５０℃の熱疲労試験で割れが発生していないことから、Ｓｅ量を増加させても熱疲労特性は低下しないことがわかる。
【００４７】
本発明の耐熱鋳鋼を用いて、ガソリンエンジン用排気マニホールドおよびタービンハウジングを減圧鋳造法により鋳造したところ、湯回り不良や引け巣などの鋳造欠陥の発生はなく、鋳造歩留りも８０％以上を確保することができた。