(57)【要約】【課題】本発明は、自動車ターボチャージャーのタービンハウジング用耐熱鋳鋼に関し、高温における高い引張強度と高耐熱性を有し、原価節減のためにＮｉ含量を最小にしたＮｉ低減型高耐熱鋳鋼を提供する。【解決手段】本発明によれば、Ｘ／Ｙの値が０．４４〜０．４７であることを特徴とするＮｉ低減型高耐熱鋳鋼であり、前記Ｘは下記の数式１によって算出される値であり、数式１はＸ＝Ｃｒのｗｔ％＋１．５×Ｓｉのｗｔ％＋０．５×Ｎｂのｗｔ％であり、前記Ｙは下記の数式２によって算出される値であり、数式２はＹ＝Ｎｉのｗｔ％＋０．５×Ｍｎのｗｔ％＋３０×Ｃのｗｔ％＋３０×Ｎのｗｔ％である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ／Ｙの値が０．４４〜０．４７であることを特徴とするＮｉ低減型高耐熱鋳鋼；
前記Ｘは下記の数式１によって算出される値であり；
（数式１）
Ｘ＝Ｃｒのｗｔ％＋１．５×Ｓｉのｗｔ％＋０．５×Ｎｂのｗｔ％
前記Ｙは下記の数式２によって算出される値。
（数式２）
Ｙ＝Ｎｉのｗｔ％＋０．５×Ｍｎのｗｔ％＋３０×Ｃのｗｔ％＋３０×Ｎのｗｔ％
【請求項２】
前記Ｃのｗｔ％は０．５〜０．７ｗｔ％であることを特徴とする、請求項１に記載のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼。
【請求項３】
前記Ｓｉのｗｔ％は１．３〜１．７ｗｔ％であることを特徴とする、請求項１に記載のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼。
【請求項４】
前記Ｍｎのｗｔ％は０．６〜１．０ｗｔ％であることを特徴とする、請求項１に記載のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼。
【請求項５】
前記Ｎｉのｗｔ％は２４．０〜２６．０ｗｔ％であることを特徴とする、請求項１に記載のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼。
【請求項６】
前記Ｃｒのｗｔ％は１８．０〜２０．０ｗｔ％であることを特徴とする、請求項１に記載のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼。
【請求項７】
前記Ｎｂのｗｔ％は１．０〜２．０ｗｔ％であることを特徴とする、請求項１に記載のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼。
【請求項８】
前記Ｎのｗｔ％は０．１５〜０．２０ｗｔ％であることを特徴とする、請求項１に記載のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼。
【請求項９】
前記Ｃのｗｔ％は０．５〜０．７ｗｔ％であり、前記Ｓｉのｗｔ％は１．３〜１．７ｗｔ％であり、前記Ｍｎのｗｔ％は０．６〜１．０ｗｔ％であり、前記Ｎｉのｗｔ％は２４．０〜２６．０ｗｔ％であり、前記Ｃｒのｗｔ％は１８．０〜２０．０ｗｔ％であり、前記Ｎｂのｗｔ％は１．０〜２．０ｗｔ％であり、前記Ｎのｗｔ％は０．１５〜０．２０ｗｔ％であることを特徴とする、請求項１に記載のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼から製造された自動車タービンハウジング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のターボチャージャーのタービンハウジング用の耐熱鋳鋼に関し、高温における高い引張強度と高耐熱性を有し、原価節減のためにＮｉ含量を最小にしたＮｉ低減型高耐熱鋳鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境保全のために自動車エンジンの高性能化、燃費向上、排気ガスの削減が求められている。このため、最近の自動車には燃費および出力の向上、排気ガスの低減のためにターボチャージャーを取り付けた高効率、高性能エンジンが拡大適用される傾向である。
【０００３】
この中、ターボチャージャーはターボ（Ｔｕｒｂｉｎｅ）とスーパーチャージャーを合成して作った言葉であり、タービンとそれに直結したコンプレッサーとから構成されており、排出ガスのエネルギーでタービンホイールを回転させ、コンプレッサーによって吸入された空気を圧縮してシリンダーに送る。ターボチャージャーの本体はブレード（Ｂｌａｄｅ）が設けられたタービンホイール（Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｗｈｅｅｌ）とコンプレッサーホイール（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  Ｗｈｅｅｌ）を１個の軸に連結し、各々をハウジングで囲んだ簡単な構造で排気マニホールド集合部の近くに位置する。
【０００４】
このようなタービンハウジングはタービンチャージャーの重量および原価の半分近くを占め、エンジン燃焼室にから排出される８００〜９５０℃レベルの高温の排気ガスが通過する部品であり、高い高温引張強度と耐久性が求められる。
【０００５】
このように、一般的なエンジン排気ガス温度は８００〜９５０℃レベルであるが、今後、ターボチャージャーの性能および出力を向上させるために１０００〜１０５０℃レベルに高くなる展望である。よって、排気ガス温度が向上すれば、ターボチャージャーのタービンハウジングにはより高い耐熱性を有した素材の適用が必要である。
【０００６】
よって、従来技術におけるタービンハウジングはＮｉ（ニッケル）が約１０〜２０ｗｔ％添加された鋳鋼素材が用いられ、一部エンジンの排気温度が１０００℃以上である時にはＮｉが約３５ｗｔ％添加された高耐熱鋳鋼が用いられる。また、３５ｗｔ％  Ｎｉ系合金の場合、高温引張強度が９００℃基準に１８０〜１９０ＭＰａレベルであって、１０〜２０ｗｔ％  Ｎｉ系合金に比べて約３０〜４０％高温強度に優れるが、高価のＮｉ合金元素の多量添加のために原価競争力に限界がある。
【０００７】
さらに、このような高い耐久性のために、従来技術におけるタービンハウジングに用いられる素材は高温耐酸化鋳鉄などがある。このような素材は高温における物性の向上と耐酸化性のために既存の球状黒鉛鋳鉄材にシリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）などの元素を添加して製造している。しかし、このような耐熱鋳鉄が用いられる一般的な使用温度範囲は約６３０〜７６０℃であり、これを排気ガス温度にすれば約７００〜８００℃であり、この温度範囲で前記材質は約６０ＭＰａ程度の引張強度を有するため、これより高い高耐熱性が求められる。よって、これを適用するのに限界があるものである。
【０００８】
そこで、本発明は、前記問題点を解決するためのタービンハウジングに適用される高耐熱鋳鋼に関し、原価節減のためにＮｉ含量を低めると同時に高耐熱性および高温における高い引張強度を有するＮｉ低減型高耐熱鋳鋼に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前述した従来技術の問題点を解決するために導き出されたものであり、高温における高い引張強度を確保し、高耐熱性を有し、さらにはＮｉ含量を減らして原価節減の効果を提供することにその目的がある。
【００１０】
また、本発明のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼をタービンハウジングに適用する時に軽量化が可能となり、さらには高性能および高出力のターボチャージャーに応じた高い排気ガス温度に耐えられる高い耐熱性を確保できることに他の目的がある。
【００１１】
本発明が解決しようとする技術的課題は以上に言及した技術的課題に制限されず、言及していないまた他の技術的課題は本発明の記載から当分野で通常の知識を有する者に明らかに理解できるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した従来技術の問題点を解決するための本発明によれば、Ｘ／Ｙの値が０．４４〜０．４７であることを特徴とし、前記Ｘは下記の数式１によって算出される値であり、数式１はＸ＝Ｃｒのｗｔ％＋１．５×Ｓｉのｗｔ％＋０．５×Ｎｂのｗｔ％であり、Ｙは下記の数式２によって算出される値であり、数式２はＹ＝Ｎｉのｗｔ％＋０．５×Ｍｎのｗｔ％＋３０×Ｃのｗｔ％＋３０×Ｎのｗｔ％であることを特徴とするＮｉ低減型高耐熱鋳鋼を提供する。
【００１３】
本発明における前記Ｃのｗｔ％は０．５〜０．７ｗｔ％であることが好ましい。
本発明における前記Ｓｉのｗｔ％は１．３〜１．７ｗｔ％であることが好ましい。
本発明における前記Ｍｎのｗｔ％は０．６〜１．０ｗｔ％であることが好ましい。
【００１４】
本発明における前記Ｎｉのｗｔ％は２４．０〜２６．０ｗｔ％であることが好ましい。
本発明における前記Ｃｒのｗｔ％は１８．０〜２０．０ｗｔ％であることが好ましい。
本発明における前記Ｎｂのｗｔ％は１．０〜２．０ｗｔ％であることが好ましい。
本発明における前記Ｎのｗｔ％は０．１５〜０．２０ｗｔ％であることが好ましい。
【００１５】
本発明における前記Ｃのｗｔ％は０．５〜０．７ｗｔ％であり、前記Ｓｉのｗｔ％は１．３〜１．７ｗｔ％であり、前記Ｍｎのｗｔ％は０．６〜１．０ｗｔ％であり、前記Ｎｉのｗｔ％は２４．０〜２６．０ｗｔ％であり、前記Ｃｒのｗｔ％は１８．０〜２０．０ｗｔ％であり、前記Ｎｂのｗｔ％は１．０〜２．０ｗｔ％であり、前記Ｎのｗｔ％は０．１５〜０．２０ｗｔ％であることが好ましい。
【００１６】
一方、上述した従来技術の問題点を解決するための本発明によれば、前記Ｎｉ低減型高耐熱鋳鋼から製造された自動車タービンハウジングを提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼によれば、高温における高い引張強度を確保することができ、高耐熱性を有し、さらにはＮｉ含量を減らして原価節減の効果を提供する。
【００１８】
また、本発明のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼をタービンハウジングに適用する時に軽量化が可能となり、さらには高性能および高出力のターボチャージャーに応じた高い排気ガス温度に耐えられる高い耐熱性を確保することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。それに先立ち、本明細書および請求範囲に用いられた用語や単語は通常的または辞典的な意味に限定して解釈してはならず、発明者は自身の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に立ち、本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈しなければならない。よって、本明細書に記載された実施例は本発明の最も好ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないため、本出願時点においてそれらを代替できる様々な均等物と変形例がありうることを理解しなければならない。
【００２０】
ターボチャージャーはターボ（Ｔｕｒｂｉｎｅ）とスーパーチャージャーを合成して作った言葉であり、タービンとそれに直結したコンプレッサーとから構成されており、排出ガスのエネルギーでタービンホイールを回転させ、コンプレッサーによって吸入された空気を圧縮してシリンダーに送る。ターボチャージャーの本体はブレード（Ｂｌａｄｅ）が設けられたタービンホイール（Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｗｈｅｅｌ）とコンプレッサーホイール（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  Ｗｈｅｅｌ）を１個の軸に連結し、各々をハウジングで囲んだ簡単な構造で排気マニホールド集合部の近くに位置する。
【００２１】
このようなタービンハウジングはタービンチャージャーの重量および原価の半分近くを占め、エンジン燃焼室にから排出される８００〜９５０℃レベルの高温の排気ガスが通過する部品であり、さらには、ターボチャージャーの性能および出力を向上させるために１０００〜１０５０℃レベルに高くなるにつれて、タービンハウジングの素材はより高い高温引張強度と耐久性が求められる。
【００２２】
以下では本発明を詳細に説明する。本発明は、タービンハウジングに適用される高耐熱鋳鋼に関し、原価節減のためにＮｉ含量を低めると同時に高温における高い引張強度および高耐熱性を有するＮｉ低減型高耐熱鋳鋼に関する。
【００２３】
前記で記述した効果を得るために、本発明ではＮｉ（ニッケル）当量に対してＣｒ（クロム）当量比を最適化する。Ｃｒ、Ｎｉなどの合金元素が添加される耐熱合金ではＣｒ当量およびＮｉ当量の値が耐熱性を示す指標であるためである。それにより、本発明では、Ｃｒ当量（Ｃｒｅｑ）をＸとし、Ｎｉ当量（Ｎｉｅｑ）をＹとし、ＸとＹは各々下記の数式１および２によって算出される値である。また、Ｘ／ＹはＮｉ当量に対するＣｒ当量比、すなわち、当量比を意味する。
【００２４】
（数式１）
Ｘ＝Ｃｒのｗｔ％＋１．５×Ｓｉのｗｔ％＋０．５×Ｎｂのｗｔ％
【００２５】
（数式２）
Ｙ＝Ｎｉのｗｔ％＋０．５×Ｍｎのｗｔ％＋３０×Ｃのｗｔ％＋３０×Ｎのｗｔ％
【００２６】
Ｃｒは原子構造がＢＣＣ（体心立方格子構造）であり、ＮｉはＦＣＣ（面心立方格子構造）である。ＢＣＣは常温における引張強度には優れるが、高温では引張強度が急激に低下する構造であり、ＦＣＣは常温では引張強度がＢＣＣに比べて多少低いが、高温では高い引張強度を維持する。よって、高温用の耐熱合金に好適な構造はＦＣＣ構造である。
【００２７】
また、ＣｒはＢＣＣ構造を安定化させる合金であり、それと類似する役割をする合金元素としてはＭｏ（モリブデン）、Ｓｉ（珪素）、Ｎｂ（ニオビウム）が挙げられる。これに対し、ＮｉはＦＣＣ構造を安定化させる元素であり、それと類似する役割をする元素としてはＭｎ（マンガン）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）が挙げられる。
【００２８】
すなわち、耐熱性を向上させるためにはＸを低めるかまたはＹを高めなければならない。このように、Ｎｉ当量、すなわち、高温で高い引張強度を維持するＹ値を高めなければならないが、本発明では、Ｎｉ合金元素の含量を低めて原価節減を実現し、Ｎｉと類似する役割をする合金元素を当量式で調節し、Ｃｒ当量値であるＸとの比も適切に調節してＸ／Ｙの値を０．４４〜０．４７に設定して合金を製造する。
【００２９】
より具体的には、本発明における当量比を考慮した合金の設計範囲は、Ｃ（炭素）は０．５〜０．７ｗｔ％、Ｓｉ（珪素）は１．３〜１．７ｗｔ％、Ｍｎ（マンガン）は０．６〜１．０ｗｔ％、Ｃｒ（クロム）は１８〜２０ｗｔ％、Ｎｂ（ニオビウム）は１．０〜２．０ｗｔ％、Ｎ（窒素）は０．１５〜０．２０ｗｔ％、Ｎｉ（ニッケル）は２４〜２６ｗｔ％である。
【００３０】
前記Ｃは耐熱性および鋳造性を向上させる元素であり、Ｃの含量は０．５〜０．７ｗｔ％であることが好ましい。０．５ｗｔ％未満の場合には耐熱性の向上効果が微小であり、その反面、０．７ｗｔ％超過の場合には他合金元素と結合して粗大炭化物を形成してかえって強度を落とす悪影響がある。
【００３１】
前記Ｓｉは鋳造性を向上させる元素である。よって、前記Ｓｉの含量は１．３〜１．７ｗｔ％であることが好ましい。１．３ｗｔ％未満の場合には、鋳造性が低下して、鋳造製品の製作時に、ミスラン（ｍｉｓｒｕｎ、ｓｈｏｒｔ  ｒｕｎ）および気泡など鋳造欠陥が発生し易い。前記ミスランとは、鋳造時、湯が過度に過冷却して鋳型に完全に注入される前に凝固して使用できない鋳造品になることをいう。また、１．７ｗｔ％超過の場合には、Ｃｒ当量であるＸの値を高めるので耐熱性が低下するという短所がある。よって、鋳造性を高めつつも耐熱性が低くならないように、Ｓｉの含量は１．３〜１．７ｗｔ％であることが好ましい。
【００３２】
前記Ｍｎは高温安定相であるオーステナイト安定化元素であり、Ｎｉ当量比であるＹ値を高めて耐熱性を向上させる役割をする。よって、前記Ｍｎの含量は０．６〜１．０ｗｔ％であることが好ましい。０．６ｗｔ％未満の場合には耐熱性を向上させる効果が微小であり、１．０ｗｔ％超過の場合には鋳造性が悪化するという短所がある。そのため、耐熱性の向上および鋳造性の低下防止のために、前記Ｍｎの含量は０．６〜１．０ｗｔ％であることが好ましい。
【００３３】
さらに、前記Ｎｉも高温安定相であるオーステナイト安定化元素であり、Ｎｉ当量比であるＹ値を高めて耐熱性を向上させる役割をする。このように、Ｎｉ添加量を高めれば、耐熱性の向上には有利であるが、高価の元素であるため、原価の側面を考慮して従来技術の高耐熱材と同等レベルの耐熱性を有するように最小添加量である２４〜２６ｗｔ％に添加量を設定することが好ましい。換言すれば、２４ｗｔ％未満で添加する時には耐熱性において従来技術のレベルに合わせ難く、２６ｗｔ％超過で添加する時には原価上昇が高すぎて商業上の利用可能性に制約がある。
【００３４】
前記ＣｒはＣと結合して高温安定炭化物を形成する耐熱性向上元素である。よって、Ｃｒの含量は１８〜２０ｗｔ％であることが好ましい。１８ｗｔ％未満の場合には高温安定炭化物の形成量が充分でなく、２０ｗｔ％超過の場合にはＣｒ当量であるＸ値を高めて耐熱性が低下するという短所がある。
【００３５】
前記ＮｂはＣと結合して高温安定炭化物を形成する耐熱性向上元素であり、Ｎｂの含量は１．０〜２．０ｗｔ％であることが好ましい。１．０ｗｔ％未満の場合には高温安定炭化物の形成量が充分でなく、２．０ｗｔ％超過の場合には炭化物が耐熱性向上元素である母材内のＣを多量消費してかえって耐熱性が低下する。
【００３６】
前記Ｎは本発明の主要核心元素であり、Ｎｉ当量比であるＹ値を向上させる主要合金元素である。適正量を添加する時に相当に優れた耐熱性を確保することができる。よって、前記Ｎの含量は０．１５〜０．２０ｗｔ％であることが好ましい。０．１５ｗｔ％未満の場合には、目標当量比を合わせることができず、０．２０ｗｔ％超過の場合には目標当量比より高い耐熱性を確保することができるが、鋳造時にガス欠陥の制御が難しくなる。よって、耐熱性の確保が可能でありつつも鋳造欠陥が発生しないレベルに、前記Ｎの含量を０．１５〜０．２０ｗｔ％にその範囲を制限することが好ましい。
【００３７】
結局、本発明によれば、前記元素の添加量を組み合わせて当量比（Ｘ／Ｙ）を０．４４〜０．４７範囲に設定し、Ｎｉを低減した原価競争力に優れつつも高耐熱性を有した優れた鋳造合金が製造できる。
【００３８】
それと共に、本発明における合金を自動車タービンハウジングに適用する場合、耐熱性が高いため、タービンハウジングの厚さを縮小して軽量化が可能である。
【００３９】
【表１】
2018040050.tif 000002
【００４０】
前記表１は従来技術の一般素材（約２０ｗｔ％のＮｉ含量）、従来技術の高耐熱素材（約３５ｗｔ％のＮｉ含量）、本発明の素材（２４〜２６ｗｔ％のＮｉ含量）の合金元素の含量を示すものである。
【００４１】
本発明の技術は従来技術の高耐熱材に比べてＮｉ含量を減らすことによって約３０％の原価節減が可能であり、従来技術の一般耐熱鋳造材に比べて高温引張強度は約３０％向上する。また、本発明のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼をタービンハウジングに適用する場合に約３０％の軽量化が可能である。
【００４２】
【表２】
2018040050.tif 000003
【００４３】
前記表２は本発明の実施例および比較例を示すものであり、実施例および比較例の合金元素の含量、高温（９００℃）における引張強度、鋳造性を示す。前記合金元素含量の単位はｗｔ％、すなわち、重量％である。
【００４４】
実施例１、２および３は本発明における鋳造合金の成分の各々に対する下限値、上限値、中間値を示すものであり、Ｘ／Ｙ値は０．４４〜０．４７の範囲であり、高温における高い引張強度を示す。
【００４５】
それと共に、比較例１５、１６および１７は各々従来の汎用的に用いられている約１０ｗｔ％のＮｉ含量、約２０ｗｔ％のＮｉ含量、約３５ｗｔ％のＮｉ含量を含む鋳造合金の評価結果を示すものである。比較例１５および１６の高温引張強度が実施例に比べて顕著に落ちることを確認することができる。さらに、Ｎｉ添加量が約３５ｗｔ％レベルとして最も高い比較例１７の場合、鋳造性も良好で、高温引張強度も１９０ＭＰａレベルとして相当に高い。しかし、Ｎｉ添加量が高いために原価節減に制約がある。一方、実施例１、２および３の場合、比較例１７に比べてＮｉ添加量が顕著に少なく、且つ、高温引張強度は同等以上の効果を示すことを確認することができる。
【００４６】
比較例１〜１４は発明材の添加成分別の発明範囲を脱した場合を示すものであり、この場合には、鋳造性が良好ではなく、高温における低い引張強度を示す。
【００４７】
より具体的には、比較例１、２、４、５、７、９〜１３のように合金成分範囲を脱した場合、高温で低い引張強度を示す。一方、比較例３、６、８および１４の場合には高温における引張強度が実施例１、２および３と類似するレベルを示すが、比較例３、６および１４の場合には鋳造性が悪化する短所があり、比較例８の場合には鋳造性も良好であるが、Ｎｉ添加量が増加して原価競争力が下がる。
【００４８】
前記実施例および比較例を通じて、本発明の合金成分の範囲および当量比（Ｘ／Ｙ）は、Ｃ（炭素）は０．５〜０．７ｗｔ％、Ｓｉ（珪素）は１．３〜１．７ｗｔ％、Ｍｎ（マンガン）は０．６〜１．０ｗｔ％、Ｃｒ（クロム）は１８〜２０ｗｔ％、Ｎｂ（ニオビウム）は１．０〜２．０ｗｔ％、Ｎ（窒素）は０．１５〜０．２０ｗｔ％、Ｎｉ（ニッケル）は２４〜２６ｗｔ％、Ｘ／Ｙは０．４４〜０．４７であることが好ましい。
【００４９】
よって、本発明のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼によれば、高温における高い引張強度を確保することができ、高耐熱性を有し、さらにはＮｉ含量を減らすことによって原価節減の効果を提供する。
【００５０】
また、本発明のＮｉ低減型高耐熱鋳鋼をタービンハウジングに適用する時に軽量化が可能となり、さらには高性能および高出力のターボチャージャーに応じた高い排気ガス温度に耐えられる高い耐熱性を確保することができる。
【００５１】
以上、本発明の具体的な実施形態と関連して本発明を説明したが、これは例示に過ぎず、本発明がこれに制限されるものではない。本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者であれば、本発明の範囲を逸脱せずに説明された実施形態を変更または変形することができ、本発明の技術思想と下記に記載される特許請求の範囲の均等範囲内で様々な修正および変形が可能である。