(57)【要約】【課題】  耐食性や耐熱性、オーステナイト系ステンレス鋼に勝る被削性や低熱膨張性、フェライト系ステンレス鋼材に勝る廉価性など有効な特性を有しながらも優れた鋳造性を有するフェライト系ステンレス鋳鋼、およびこれを用いた鋳造部材を提供する。【解決手段】  従来のステンレス鋼材では想定できないほど多量のＮｂとＣをＮを加えた３元素間の含有バランスをより適正化して含有させるなどして優れた鋳造性を得た本発明は、１６〜２５％のＣｒ、０．３〜０．８％未満のＣｕ、０．１〜０．２５％のＣ、０．０１〜０．１％のＮ、８（Ｃ＋Ｎ）〜１２（Ｃ＋Ｎ）％のＮｂ、１％未満のＳｉを含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物でなる組成を有し、該不純物として０．６％以下のＮｉ、１％以下のＭｎ、０．１％以下のＡｌ、０．１５％以下のＳ、０．１５％以下のＰに規制されているフェライト系ステンレス鋳鋼、およびＥＧＲ部材等の鋳造部材である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、１６．０〜２５．０％のＣｒ、０．３〜０．８％未満のＣｕ、０．１０〜０．２５％のＣ、０．０１〜０．１０％のＮ、８（Ｃ＋Ｎ）〜１２（Ｃ＋Ｎ）％のＮｂ、および１．０％未満のＳｉを含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物でなる組成を有し、該不可避的不純物として０．６％以下のＮｉ、１．０％以下のＭｎ、０．１０％以下のＡｌ、０．１５％以下のＳ、０．１５％以下のＰに規制されていることを特徴とするフェライト系ステンレス鋳鋼。
【請求項２】
デンドライトアームの周囲がＮｂＣ共晶で取り囲まれてなることを特徴とする請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋳鋼。
【請求項３】
質量％で、０．３〜０．８％未満のＣｕ、１．０〜２．０％のＮｂを含有し、Ｓｉを０．８％以下に抑えてなることを特徴とする請求項１または２に記載のフェライト系ステンレス鋳鋼。
【請求項４】
質量％で、Ｓｉを０．４％以下に抑えてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋳鋼。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のフェライト系ステンレス鋳鋼でなることを特徴とする鋳造部材。
【請求項６】
排気ガス再循環システムに適用可能であることを特徴とする請求項５に記載の鋳造部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェライト系ステンレス鋳鋼、および該フェライト系ステンレス鋳鋼でなる鋳造部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼において、耐食性や耐熱性については、一般に、フェライト系ステンレス鋼よりもオーステナイト系ステンレス鋼の方が勝るといわれる。しかしながら、フェライト系ステンレス鋼は、高価なＮｉをほとんど含有しないため低価格で入手できる、良好な被削性を有するため機械加工工程において工数やコストの削減による製造原価低減を図ることができる、熱膨張が小さいため溶接加工が容易にできる、など、オーステナイト系ステンレス鋼よりも有利とされる特徴がある。
【０００３】
よって、フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に代えて、例えば、航空機や自動車などの排気ガス再循環システム（以下、ＥＧＲという）における配管に係る部材や、冷却に係る部材や、循環路の切替に係る部材（以下、ＥＧＲバルブ部材という）など、排気ガスに曝される多種多様な部材（以下、ＥＧＲ部材という）を始めとし、耐食性や耐熱性が所望される各種用途において多用されている。
【０００４】
上述した耐食性や耐熱性などの特徴を有するフェライト系ステンレス鋼としては、例えばＪＩＳ−Ｇ４３０５に規定されるＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌがある。該ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌは、最も一般的なフェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４３０に対して、ＣｕやＮｂを添加することで耐食性や耐熱性の向上が図られている。また、上述のＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌに類似の化学成分を有するフェライト系ステンレス鋼としては、例えば、質量％で、ＣおよびＮの含有量をともに０．０３％以下に抑制した上で、０．８〜２．０％のＣｕを含有し、かつ、ＣおよびＮとの関係において８（Ｃ＋Ｎ）〜０．５％のＮｂを含有してなる、特許文献１に開示されるステンレス鋼がある。
【０００５】
一般に販売されているＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌに類似の化学成分を有するフェライト系ステンレス鋼材について、上述したフェライト系ステンレス鋼を含めて、表１に一例として示す。表１に示す記号４〜７のフェライト系ステンレス鋼材は、一般に、素材となる溶製した鋼塊に対してプレス加工、鍛造加工、圧延加工などの塑性加工を繰り返し行って所定の形状やサイズに形成された素形鋼材として販売される。そして、このような素形鋼材を用いて所望形状のＥＧＲ部材などを得たい場合は、例えば、該ＥＧＲ部材の形状を包含する角形、円柱形、円筒形、棒形などの素形鋼材に対して切削、穿孔、場合によっては溶接など幾つかの機械加工を行って、所望形状のＥＧＲ部材に仕上げることができる。
【０００６】
【表１】
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【０００７】
近年、耐食性や耐熱性を特徴とするＥＧＲ部品などの製品供給者に対して、自動車関連分野を始めとする顧客からの納期短縮や価格引下げの要求がさらに強まっており、このような顧客要求への対処が急務になっている。
このような顧客要求を受け、本発明者は、ＪＩＳ−Ｇ４３０５に規定され、鋳鋼の場合は一般にＳＣＳ１３と称されることが多い、一般によく知られるオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４とほぼ同等な耐酸性を有してＥＧＲ部材用途などに好適な特許文献２で開示するフェライト系ステンレス鋳鋼を提案した。具体的には、質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物を含有する、フェライト系ステンレス鋳鋼である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ２００３／００４７１４号公報
【特許文献２】特開２００８−１９５９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、製造原価低減を目的として、被削性が良好なフェライト系ステンレス鋼をオーステナイト系ステンレス鋼に代えて適用することは好適である。しかしながら、塑性加工や機械加工を要するため製造工数や製造コストの低減を図り難い上述したフェライト系ステンレス鋼材への代替のみによっては、上述した顧客要求を満足させるには不十分であった。
【００１０】
上述したＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌに類似の化学成分を有するフェライト系ステンレス鋼材は、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｓｉなどの添加元素によって耐食性や耐熱性の向上が図られているものの、これら添加元素の総含有量を増やすことで脆化し易くなる。このため上述したフェライト系ステンレス鋼材においては、該脆化に起因して生じる不具合、つまり、大変形を伴う塑性加工工程における亀裂や割れなどの発生を考慮して、これら添加元素の総含有量を可能な限り抑制していると推測される。
【００１１】
一方、所望製品の形状に近似する形状を有してなる鋳造素材を比較的容易に得ることができるニアネットシェイプ性に優れたロストワックス鋳造法などの精密鋳造法によれば、溶解金属を用いて所望製品の形状に近似する形状に一気に鋳造することができるため、フェライト系ステンレス鋼材に比べ、上述した添加元素の総含有量の増加に伴う脆化による悪影響が緩和されるものと期待できる。
【００１２】
以上のことから、本発明者は、上述したフェライト系ステンレス鋼の有利性を損なうことなく大幅な製造工数の短縮や製造コストの低減を図るために、例えば、上述したロストワックス鋳造法などの精密鋳造法の適用が好適と考えた。そして、精密鋳造法を適用するために好適な、湯流れ性が良く、ヒケ巣などの鋳造欠陥を生じ難い、優れた鋳造性を有するフェライト系ステンレス鋳鋼の実用化を目指した。
これに加え、本発明者が特許文献２で開示するフェライト系ステンレス鋳鋼は、耐酸性に優れるものの機械的な伸びがやや小さく実用的なハンドリング性がやや劣っているために、量産工程においては鋳造部材の取り扱いを特に注意して行う必要があった。
【００１３】
本発明の目的は、耐食性や耐熱性を有し、オーステナイト系ステンレス鋼に勝る被削性や低熱膨張性のみならずフェライト系ステンレス鋼材に勝る廉価性を有し、かつ、ハンドリング性が改善された優れた鋳造性を有するフェライト系ステンレス鋳鋼を提供することである。および、該フェライト系ステンレス鋳鋼を用いた鋳造部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、上述の課題やニアネットシェイプ性に優れたロストワックス鋳造法などの精密鋳造法などを勘案し、被削性やハンドリング性などの生産性を損なわない範囲内において、添加元素の総含有量の増加を図りつつ各元素の含有バランスを適正化することにより、耐食性や耐熱性などの効能をさらに高めたフェライト系ステンレス鋳鋼を得ることができることを見出し本発明に到達した。
【００１５】
すなわち、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼は、質量％で、１６．０〜２５．０％のＣｒ、０．３〜０．８％未満のＣｕ、０．１０〜０．２５％のＣ、０．０１〜０．１０％のＮ、８（Ｃ＋Ｎ）〜１２（Ｃ＋Ｎ）％のＮｂ、および１．０％未満のＳｉを含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物でなる組成を有し、該不可避的不純物として０．６％以下のＮｉ、１．０％以下のＭｎ、０．１０％以下のＡｌ、０．１５％以下のＳ、０．１５％以下のＰに規制されている、フェライト系ステンレス鋳鋼である。
【００１６】
本発明においては、デンドライトアームの周囲がＮｂＣ共晶で取り囲まれてなる、フェライト系ステンレス鋳鋼が望ましい。
【００１７】
また、本発明においては、質量％で、０．３〜０．８％未満のＣｕ、１．０〜２．０％のＮｂを含有し、Ｓｉを０．８％以下に抑えてなる、フェライト系ステンレス鋳鋼が望ましい。
【００１８】
また、質量％で、Ｓｉを０．４％以下に抑えてなる、フェライト系ステンレス鋳鋼がより望ましい。
【００１９】
本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼でなる鋳造部材を得ることができる。
【００２０】
また、前記鋳造部材は排気ガス再循環システムに適用することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、表１に示す化学成分でなるフェライト系ステンレス鋼よりも格段に良好な鋳造性や廉価性を有し、該フェライト系ステンレス鋼と同等以上の耐食性や耐熱性および被削性を有するフェライト系ステンレス鋳鋼である。
よって、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼は、例えばＥＧＲにおけるＥＧＲバルブ部材などのＥＧＲ部材などに限らず多様の鋳造部材において、高効率かつ低価格での量産の実用化に寄与することができる。そして、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼を用いて製造されたＥＧＲ部材などの鋳造部材は、酸性の排気ガスなどによって腐食され難い優れた性能を発揮することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の鋳造部材の一例の外観を示す模式図である。
【図２】図１に示す外観形状を有する本発明の鋳造部材に対する比較例であって、該鋳造部材のフランジ面と平行な切断面を模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示す外観形状を有する本発明の鋳造部材であって、該鋳造部材のフランジ面と平行な切断面における鋳造組織写真の一例を示す図である。
【図４】図１に示す外観形状を有する本発明の鋳造部材に対する比較例であって、該鋳造部材のフランジ面と平行な切断面における鋳造組織写真の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼における重要な特徴は、表１に示す化学成分でなるフェライト系ステンレス鋼すなわち鋳鋼ではないフェライト系ステンレス鋼に比べて、ＮｂおよびＣの含有量を格段に増量することにより、かつ、含有バランスを適性にすることにより、溶解金属の凝固点降下をもたらして湯流れ性や溶湯補給性を得て、鋳造性を高めたことにある。加えて、Ｓｉの含有量を可能な限り抑制することにより、フェライト相でなる鋳鋼の母相の硬質化を抑制して適度な靭性を確保し、得られた鋳造部材のハンドリング性を損なわないようにしたことにある。
【００２４】
具体的には、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼は、化学成分範囲として、質量％で、１６．０〜２５．０％のＣｒ、０．３〜０．８％未満のＣｕ、０．１０〜０．２５％のＣ、０．０１〜０．１０％のＮ、８（Ｃ＋Ｎ）〜１２（Ｃ＋Ｎ）％のＮｂ、および１．０％未満のＳｉを含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物として０．６％以下のＮｉ、１．０％以下のＭｎ、０．１０％以下のＡｌ、０．１５％以下のＳ、０．１５％以下のＰを含有する。
【００２５】
以下、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼について、Ｆｅに対する添加元素と、各添加元素の含有範囲の限定理由について詳細に説明する。なお、各元素の含有量は、特に断りのない限り、質量％で示す。
【００２６】
Ｃｒ（クロミウム）：１６．０〜２５．０％
本発明において、Ｃｒは、Ｆｅとフェライト系の母相を形成し、フェライト系ステンレス鋼としての基本的な耐食性や耐熱性を有するために必要な元素であり、少なくとも１６．０％以上を含有させる。ただし、Ｃｒ含有量は、他の添加元素との含有バランスを崩すほどに増やし過ぎると靭性を損ねてハンドリング性を損ねる可能性があるため、多くとも２５．０％以下に抑える。なお、溶湯酸化などの懸念により鋳造性を重視したい場合は、Ｃｒ含有量が１６．０〜２１．０％の範囲になるように各添加元素の含有量を制御することが望ましい。また、耐食性を重視したい場合は、Ｃｒ含有量が１８．０％以上あるいは２０．０％を超えて２５．０％以下の範囲になるように各添加元素の含有量を制御することが望ましい。
【００２７】
Ｃｕ（銅）：０．３〜０．８％未満
本発明において、Ｃｕは、ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌに類似するフェライト系ステンレス鋼としての基本的な耐食性や耐熱性を付与するために重要な元素であり、少なくとも０．３％以上を含有させる。ただし、Ｃｕ含有量を増し過ぎると鋳造性の劣化や機械的な伸びが得られずに脆化してしまうことが懸念されるため、耐食性や耐熱性を重視したい場合であっても、Ｃｕを０．８％未満に抑える。本発明においては、後述するように鋳造性を高める上で重要なＮｂおよびＣを優先的に多量に含有させたい。それ故に、Ｃｕ含有量を抑えて機械的な伸びを確保し、実用的なハンドリング性が得られるように考慮した。
【００２８】
Ｃ（炭素）：０．１０〜０．２５％
本発明において、ＣおよびＮは、ＣｒよりもＮｂと優先的に結び付き、耐食性を損ねることのあるＣｒ炭化物やＮ窒化物よりもむしろＮｂ炭化物およびＮｂ窒化物を生成する。そして、好適量に生成したＮｂ炭化物やＮｂ窒化物の分散は、耐食性や鋳造性を高めることが期待される。よって、本発明において、Ｃは、少なくとも０．１０％以上を含有させる。ただし、Ｎｂ炭化物を生成して余り得るほどのＣの含有は、Ｃｒ炭化物の生成を招いて耐食性や靭性を損ねることがあるため、Ｃは、多くとも０．２５％以下に抑える。なお、より鋳造性を重視したい場合は、ＮよりもＣに含有を優先し、可能な限りＣ含有量を増すように各添加元素の含有量を制御することが望ましい。
【００２９】
Ｎ（窒素）：０．０１〜０．１０％
本発明において、Ｎは、上述したようにＮｂと優先的に結び付いてＮｂ窒化物を生成するため、耐食性や鋳造性を高めることが期待される。また、Ｎｂ窒化物の生成により結晶粒が微細化されるため、靭性を高めることも期待される。よって、本発明において、Ｎは、少なくとも０．０１％以上を含有させる。ただし、上述したＣと同様に、Ｎｂ窒化物を生成して余り得るほどのＮの含有は、Ｃｒ窒化物の生成を招いて耐食性や靭性を損ねることがあるため、多くとも０．１０％以下の含有に抑える。望ましくは鋳造性を重視し、Ｎ含有量を０．０５％以下に抑えながらＣ含有量を可能な限り増やすように各添加元素の含有量を制御することである。
【００３０】
Ｎｂ（ニオビウム）：８（Ｃ＋Ｎ）〜１２（Ｃ＋Ｎ）％
Ｎｂは、上述したＣｕとともに、ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ系のフェライト系ステンレス鋼としての基本的な耐食性や耐熱性を付与するために、重要な元素である。そして、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼においては、多量のＮｂおよびＣで多量のＮｂ炭化物を生成させて微細な共晶組織を形成させるために、上述したＣとともにＮｂは極めて重要な元素となる。よって、本発明においては、上述したように鋳鋼ではないフェライト系ステンレス鋼よりもＮｂ含有量を格段に増量し、かつ、ＣおよびＮの含有量と密接な関係を保ちながら適正なＮｂ含有量になるように各添加元素の含有量を制御し、これにより多量かつ好適量のＮｂ炭化物を生成させることができるようになって、表１に示す化学成分でなるフェライト系ステンレス鋼では有することができないほどの優れた鋳造性を獲得できる。
【００３１】
本発明においては、Ｎｂと、ＣおよびＮとを適正な含有バランスにするため、Ｎｂ含有量を８（Ｃ＋Ｎ）〜１２（Ｃ＋Ｎ）％の範囲になるように各添加元素の含有量を制御する。よって、本発明においては、Ｎｂ含有量は、Ｃが０．１０％でＮが０．０１％のときに下限値０．８８％となり、Ｃが０．２５％でＮが０．１０％のときに上限値４．２０％になる故に、０．８８〜４．２０％の範囲に納まることになる。
【００３２】
なお、Ｎｂ含有量がＣおよびＮの含有量に比べて少量になり過ぎると、つまり８（Ｃ＋Ｎ）％未満になってしまうと、鋳鋼として所望される鋳造性を得ることができないばかりか、固溶するＣ量やＮ量が増すことで硬さが上昇して被削性の低下を招きやすくなる。また、Ｎｂ含有量がＣおよびＮの含有量に比べて多量になり過ぎると、つまり１２（Ｃ＋Ｎ）％を超えてしまうと、余剰のＮｂにより、鋳物形状によっては鋳造性に影響を及ぼしてヒケ巣などの鋳造欠陥を生じやすくなったり、脆化して被削性の低下を招きやすくなる。よって、鋳造性、耐食性、ハンドリング性など諸特性のバランスを好適に得るためには、Ｎｂ含有量を１．０〜２．０％の範囲にできるように、ＮｂとＣおよびＮとの含有バランスを制御することが望ましい。
【００３３】
本発明においては、ＮｂがＣやＮと優先的に結び付いてＮｂ炭化物やＮｂ窒化物を生成しやすいという特性を最適かつ十分に利用するために、上述した通り、Ｎｂ含有量をＣおよびＮの含有量と密接な関係を保ちながら適正化することが重要である。これにより、共晶組織を得て鋳造性を高めるとともに粒界における機械強度や耐食性を増したり、結晶粒を微細化して靭性を向上したり、粒界腐食を助長しやすいＣｒ炭化物の析出を抑制したり、硬さを上昇させるため被削性の劣化を助長しやすいＣやＮの固溶量を低減したり、固溶強化や析出強化によって高温強度を向上したりなどの有用な作用効果を獲得することができる。それ故に、本発明においては、ＮｂやＣを格段に増量しながらも、Ｎｂと、ＣおよびＮとの含有バランスを適正化することにより、Ｎｂを余剰させないように制御することが重要になる。
【００３４】
本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼は、上述した元素Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃ、Ｎ、Ｎｂ、Ｓｉを除く残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物として混入する他元素を含有する。なお、本発明でいう不可避的不純物とは、本発明においては含有する必要のない元素か、もしくは多量に混入することで機械的特性などを劣化する恐れがあって好ましくない元素に相当する。本発明において、不可避的不純物として混入するＮｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓ、Ｐは、それぞれ０．６％以下のＮｉ、１．０％以下のＭｎ、０．１０％以下のＡｌ、０．１５％以下のＳ、０．１５％以下のＰに規制する。なお、上述した元素以外の元素も不可避的に混入してしまうことがある。
【００３５】
Ｆｅ（鉄）
本発明においてＦｅは、Ｃｒとともに鋳鋼の基地を形成するための元素であって、実質的にＮｉを含有しないフェライト相を形成するための元素である。また、Ｆｅは、Ｎｉよりも低価格で流通しているため、フェライト相を基地とする鋳鋼であれば材料コストにおいても有利となる。
【００３６】
Ｓｉ（珪素）：１．０％未満
Ｓｉは、一般に、ステンレス鋼の脱酸元素として有用であるとともに、耐酸性の向上効果や靭性を損ねるＣｒ酸化物の生成抑制効果も期待できる元素として知られる。しかしながら、Ｓｉは、フェライト相として形成されたマトリックスに固溶して硬質化することで機械的強度を向上させる作用効果を有するため、Ｓｉ含有量が過剰になると常温靭性を損ねてハンドリングの支障になる可能性を生じる。こうなると、型ばらしや湯口切断など、鋳造後の生産工程で鋳造品を取り扱う際に格別に留意せねばならなくなって、鋳造品の取り扱い中の損壊などによる生産歩留の低下だけでなく、生産効率の点でも不利になる。また、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｃｕなどの添加元素の総量が多くなると、ひけ巣など鋳造欠陥が生じやすくなることが懸念され、特に最終凝固部になりやすい厚肉部を有する形状の鋳造部材を得たい場合には留意せねばならない。
【００３７】
よって、上述したようにＣｒに加え、Ｃｕ、ＮｂやＣおよびＮの添加により、耐食性、耐熱性、鋳造性など有効な作用効果を得ることができる本発明においては、脆化や鋳造性劣化などの不利益を招きかねないＳｉは、その含有量を１．０％未満に抑える。望ましくはＳｉを０．８％以下に抑えること、より望ましくは０．４％以下に抑えることであり、できる限りＳｉ含有量を抑え、実用上は困難だろうが全く含有されなくてもよい。
【００３８】
本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼は、例えばＪＩＳ−Ｇ４３０５に規定されるＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌやこれに類似の化学成分を有してなる従来知られたステンレス鋼材では想定できないほどに多量のＮｂとＣを含有してなる。しかも、ＮｂとＣを単に多量に含有するのではなく、これらにＮを加えた３元素間の含有バランスについてより適正な範囲を明らかにした上で、上述したようにＣｒ、Ｃｕ、Ｃ、Ｎ、Ｎｂ、Ｓｉの添加元素の含有範囲を最適化したものである。これにより、本発明の鋳鋼において、上述したように溶解金属の凝固時に共晶組織となるＮｂ炭化物を多量に好適に生成できるようになって溶解金属の固液共存領域を拡大することができるため、ホットスポットになりやすい厚肉部などにおけるヒケ巣などの鋳造欠陥の発生を防止することができる。
【００３９】
加えて、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼は、有効な諸特性が得られるものの過剰に含有すると脆化を招きやすいＣｒ、Ｃｕ、Ｎｂなどの含有範囲を適正に制御し、かつ、硬質化や脆化を招きやすいＳｉの含有をできる限り抑制するように努めているため、溶解金属中で生成されたＮｂＣ核としたＮｂ炭化物やＮｂＮを核としたＮｂ窒化物の析出を促進できる。これにより、溶接割れの要因と考えられる粒界への他の析出物を消失できるようになるため、溶接割れなどの不具合の防止効果も期待することができる。
【００４０】
以下、本発明においては不可避的不純物であって必ずしも含有する必要はないが、微量に混入することで鋳造作業性の向上や鋳造部材の諸特性の向上など有利になり得る作用効果をもたらす可能性のある元素Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｉ、Ｓや、本発明においては可能な限り混入しないように制御することが望ましいＰなど、上述していない他の元素について説明する。
【００４１】
Ｎｉ（ニッケル）：０．６％以下
Ｎｉは、本来は耐酸性の向上や固溶強化に寄与する元素である。しかしながら、本発明では、Ｎｉを０．６％を超えて含有すると、フェライト系よりも被削性の劣るオーステナイト系の組織構造を形成することがある。また、Ｎｉは、高価な材料であるために材料コストも増えてしまう。本発明においてＮｉは０．６％以下の混入に抑え、望ましくは０．３％以下の混入に抑え、より望ましくは成分制御が難しくなるものの０．２％以下の混入に抑える。
【００４２】
Ｍｎ（マンガン）：１．０％以下
Ｍｎは、鋳鋼の製造時に脱酸剤として有用な元素で、また、ＭｎＳを生成して被削性の改善効果を有する。しかしながら、ＭｎＳは耐酸性を低下させる化合物でもあるため、本発明においてＭｎは１．０％以下の混入に抑え、望ましくは０．７％以下の混入に抑え、より望ましくは成分制御が難しくなるものの０．５％以下の混入に抑える。
【００４３】
Ａｌ（アルミニウム）：０．１０％以下
Ａｌは、ＳｉやＭｎよりも効果的な脱酸剤として知られる元素であり、鋳鋼の製造時に使用することができる。しかしながら、Ａｌは酸化物を生成し、この酸化物が機械加工を施した表面に残存すると美観を損ねてしまう上に、腐食の起点となって耐酸化性の劣化を招くことがある。よって、本発明においてＡｌは０．１０％以下の混入に抑え、望ましくは成分制御が難しくなるものの０．０５％以下の混入に抑える。
【００４４】
Ｓ（硫黄）：０．１５％以下
Ｓは、本発明においては不可避的な元素であるものの、ＭｎＳを生成して被削性の改善効果を有することがある。しかしながら、ＭｎＳは耐酸性を低下させる化合物でもあるため、その混入を可能な限り抑えることが望ましい。よって、本発明においてＳは０．１５％以下の混入に抑え、望ましくは成分制御が難しくなるものの０．１０％以下の混入に抑える。
【００４５】
Ｐ（リン）：０．１５％以下
Ｐは、本発明においては不可避的な元素であり、靭性の劣化を引き起こして鋳造時に割れを生じさせることがある。本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼は、上述したように多量のＣｕやＮｂを含有するので脆化しやすい可能性を有している。よって、本発明においてＰは、０．１５％以下の混入に抑え、望ましくは成分制御が難しくなるものの０．１０％以下の混入に抑える。
【００４６】
本発明においては、不可避的不純物として上述した各元素のほか、Ｍｏ（モリブデン）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｔｉ（チタニウム）、Ｂ（硼素）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｏ（コバルト）、Ａｓ（砒素）、Ｏ（酸素）などの元素もまた不可避的混に混入する可能性のある元素である。しかしながら、実質的に全く混入させないことはできないので、所望する本発明の作用効果が阻害されない範囲であれば混入を許しても差し支えなく、むしろＭｇ、Ｔｉ、Ｂなどは微量の混入が有利になる可能性もある。
【００４７】
例えばＭｇは、本来は酸化物を形成してＴｉＮの晶出核となってフェライト粒の微細化効果が期待できるものの、過剰な含有は耐酸性の劣化をもたらしてしまうことがある。よって、本発明においてＭｇは、望ましくは０．５０質量％以下の混入に抑え、より望ましくは成分制御が難しくなるものの０．３０質量％以下の混入に抑える。
【００４８】
また、例えばＴｉは、本来はＣ、Ｎ、Ｓと結合して耐酸性や耐粒界腐食性を向上させたり、ＣやＮの固定作用を有するものの、過剰な含有は鋳造性や靭性の劣化をもたらしてしまうことがある。よって、本発明においてＴｉは、望ましくは０．５０質量％以下の混入に抑え、より望ましくは成分制御が難しくなるものの０．２０質量％以下の混入に抑える。
【００４９】
また、例えばＢは、本来はＴｉＢを形成してフェライト粒の微細化効果をもたらすものの、過剰な含有は耐酸性や靭性の劣化をもたらしてしまうことがある。よって、本発明においてＢは、望ましくは０．１０質量％以下の混入に抑え、より望ましくは成分制御が難しくなるものの０．０５質量％以下の混入に抑える。
【００５０】
なお、他のＶ、Ｃｏ、Ａｓ、Ｏについても、耐酸性に影響を及ぼさないように０．１０質量％以下の混入に抑え、さらには０．０５質量％以下の混入に抑えることが望ましい。
【００５１】
次に、上述した本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼を用いてなる、本発明の鋳造部材について説明する。
本発明の鋳造部材は、上述した本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼を用いて鋳造形成することにより得られるものであり、このフェライト系ステンレス鋳鋼と同等の化学成分および鋳鋼としての機械特性を有する。よって、本発明の鋳造部材は、酸性を呈する気体や液体に曝される環境下での使用に好適な鋳造部材として形成されてなり、例えば、排気ガスに曝される排気ガス再循環系用部材であるガス配管、クーラー部品、ＥＧＲバルブ部材などに適用することにより、長期に渡って腐食し難い排気ガス再循環系用部材を得ることができる。
【００５２】
また、本発明の鋳造部材としては、例えばＥＧＲにおいて使用される上述のガス配管、クーラー部品、ＥＧＲバルブ部材などがある。本発明の鋳造部材は被削性の点でも良好であるので、特に機械加工を施すことが多いＥＧＲバルブのボディすなわち排気ガスの流路を切り替える切替バルブ用部材への適用は好ましく、生産性向上に格段に寄与できる。
【００５３】
例えば、ＥＧＲ部材を製造する方法としては、従来知られた砂型鋳造などの鋳造法を適用することもできるが、生産性の点では、製品と実質的に同一形状の消失性模型から鋳造用鋳型を製作するロストワックス鋳造などの精密鋳造法の適用が有利である。さらには、鋳造形成して得られた鋳物に対して、必要に応じてＨＩＰ処理などの高温圧縮処理や熱処理、切削や研削などの機械加工、バリ取りや研磨等の後処理などを施す、といった方法が利用できる。
【実施例】
【００５４】
本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼の鋳造性を評価するために、従来良く知られたロストワックス鋳造法を適用し、図１に示す鋳造部材と実質的に同等形状を有する消失性模型を用いて、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼に属する化学成分でなる溶解金属を材料とした鋳造部材（以下、発明部材という）を鋳造して形成した。また、比較例として、従来知られているＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌに類似する化学成分でなる溶解金属を材料とした同様の鋳造部材（以下、比較部材という）を鋳造して形成し、両者の鋳造性について評価した。
【００５５】
図１に示す鋳造部材は、本発明の鋳造部材の一例であって、排気ガス再循環系用部材（ＥＧＲ部材）のひとつである、排気ガスの流路を切り替える用途に使用される切替バルブ用部材（以下、ＥＧＲバルブ１という）の外観形状を模式的に示したものである。ＥＧＲバルブ１は、フランジ面６を有する筐体２と、エンジン始動時など低温の排気ガスの流路となる低温側通路３と、高温の排気ガスをクーラーに送るための流路となる高温側通路４と、図示しないバタフライバルブを取り付ける軸（図示せず）を低温側通路３と高温側通路４を貫通して挿入するための軸穴５と、この軸を取り付ける取付穴７と、開閉自在に設けられた前記バタフライバルブが突き当たるストッパ３ａ、４ａと、筐体２自体を所定箇所に固定するための固定穴８を有してなる。
【００５６】
上述した外観形状を有するＥＧＲバルブ１は、例えば次のような製造方法によって製造することができる。
まず、ＥＧＲバルブ１と実質的に同一の空間形状（キャビティ）となる金型を構成し、このキャビティに市販のワックス（パターンワックスＡ７−ＴＣＦ／ＲＲ、株式会社ブライソンジャパン）を射出し、ＥＧＲバルブ１と実質的に同一の形状を有する複数個の製品対応消失性模型を得る。また、この製品対応消失性模型と同じワックスを用い、湯口や押湯や湯道などに対応する所定形状を有する湯口対応消失性模型を同様に射出成形して得る。こうして得た複数個の製品対応消失性模型や湯口対応消失性模型を一体化してドラム状の消失性模型を得る。
【００５７】
次に、このドラム状の消失性模型に対し、耐火物のコロイダルシリカを含むスラリーとジルコンサンドを含むスタッコとを繰り返しコーティングし、複数層の耐火物層を具備する鋳型原体を得る。そして、該鋳型原体を十分に乾燥させた後、高温水蒸気オートクレーブによって該鋳型原体内から、ワックスからなるドラム状模型、つまり、ＥＧＲバルブ１と実質的に同一の形状を有する製品対応消失性模型および湯口対応消失性模型を加熱溶融させて完全に溶出除去することにより、鋳造に供する鋳型を得る。
【００５８】
上述したようにして得た複数個の鋳型を用い、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼に属する化学成分を有してなる材料でなる金属溶湯を大気溶解することで得て、この金属溶湯を適正な温度に制御しながらそれぞれの鋳型に対して吸引鋳造する。そして、冷却後、該鋳型を解体し、鋳型内で形成された複数個の鋳物からサンドショットやブローによって鋳型屑などを除去して清掃し、鋳造に必要であった湯口部などを除去する。これにより、機械加工代や凝固収縮を含む鋳造変形代などを考慮してＥＧＲバルブ１の外観形状よりも大きく形成されたＥＧＲバルブ１用の鋳物素材、すなわち上述の発明部材を、製品対応消失性模型の数だけ得ることができる。また、同様の製造方法により、従来知られているＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌに類似する化学成分でなる溶解金属を材料に用いることで、上述の比較部材を得ることができる。
【００５９】
上述のようにして得たＥＧＲバルブ１用の鋳物素材に対して機械加工を施し、軸穴５、フランジ面６、取付穴７などを形成することにより、本発明の一例となるＥＧＲバルブ１を得ることができる。具体的には、軸穴５の貫通方向が約１００ｍｍ、固定穴８の貫通方向が約３０ｍｍ、他の一辺が約７０ｍｍでなる、図１に示す外観形状を有するＥＧＲバルブ１をロストワックス鋳造法を適用して形成することができた。
【００６０】
表２に、上述した製造方法で得た記号Ａで示す発明部材、並びに、同様に得た記号Ｂで示す比較部材につき、それぞれ代表的な化学成分を質量％で示す。なお、表２に示さない元素も実際には含有するが、残部および不可避的な元素としてＦｅに含むものである。また、表２において、記号「＜」は含有量がこれに続く数値未満であることを意味する。
【００６１】
【表２】
2011157615.tif 000004
【００６２】
次に、得られた発明部材および比較部材をそれぞれ１０個だけ無作為に選定し、フランジ面６と平行な軸穴５の中心軸を通る位置で切断し、切断したそれぞれの断面部分について目視で詳細に観察した。
まず、図２に、切断した比較部材の代表的な断面部分の模式図を示す。この比較部材においては、厚肉部に溶接補修などでは救済し難いほどの大きな幾つかのひけ巣９が認められた。このようなひけ巣欠陥は、当該厚肉部がホットスポットになって凝固時に金属溶湯の補給が絶たれたため、もしくは、容量の大きい当該厚肉部で大きな凝固収縮が起こったため、と推測された。このようなひけ巣９の他にも、比較部材では、その表面や表面直下部に幾つかのピンホール状の鋳造欠陥（図示せず）が認められた。上述したひけ巣９やピンホール状の鋳造欠陥は、切断した１０個の比較部材のいずれにおいても同様に認められた。よって、比較部材に用いた材料では、健全な鋳造組織を有する鋳造部材の形成が困難であることが確認できた。
【００６３】
これに対して、発明部材は、上述した比較部材に認められたようなひけ巣やピンホール状の鋳造欠陥は認められず、この他の特段の鋳造欠陥も認められない健全な鋳造組織を有して形成されていた。これは切断した１０個の発明部材のいずれにおいても同様であった。よって、発明部材に用いた材料を用いることにより、すなわち本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼を用いることにより、健全な鋳造組織を有する鋳造部材の形成が可能であることが確認できた。
【００６４】
次に、上述のようにして得た発明部材の切断面における鋳造組織の撮影図（写真）の一例を図３に示す。同様に、比較部材について、健全箇所を選んで図４に示す。なお、図３および図４のいずれも（ａ）が表層部、（ｂ）が内部の鋳造組織に相当する。
発明部材と比較部材では鋳造組織に顕著な違いが確認できる。発明部材では、結晶粒それぞれの大きさが比較部材よりも極めて微細化されており、デンドライトアームの周囲をＮｂＣ共晶で取り囲んだような鋳造組織に形成されている。これに対して比較部材では、鋳造組織が発明部材よりも巨大な結晶で形成されており、それぞれの結晶粒界には発明部材で観られるような共晶組織の生成が認められない。
【００６５】
よって、巨大な鋳造組織でなる比較部材に比べ、結晶粒界にＮｂＣ共晶組織を有して緻密な鋳造組織でなる発明部材は、すなわち本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼と同じ化学成分を有してなる鋳造部材は、優れた鋳造性に限らず、例えば靭性などの機械強度や鋭敏化し難いなどの溶接性などの諸特性の向上に寄与することができる。
【００６６】
以上より、ヒケ巣などの鋳造欠陥が発生し難い本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼を材料に用いることにより、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼と同じ化学成分を有するＥＧＲバルブ１などの鋳造部材を、高品質で安定に大量生産できるようになる。そして、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼と同じ化学成分を有する鋳造部材は、耐食性や低熱性を備えた高性能なＥＧＲバルブ部材などの各種の鋳造部材に好適となる。また、オーステナイト系ステンレス鋳鋼でなる鋳物部材に比べ、被削性の点でも良好であって、機械加工コストの面でも有利となる。また、溶接性も良好となるので、安価なＥＧＲバルブ部材などとして実用に供することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１．ＥＧＲバルブ、２．筐体、３．低温側通路、３ａ．ストッパ、４．高温側通路、４ａ．ストッパ、５．軸穴、６．フランジ面、７．取付穴、８．固定穴、９．ひけ巣
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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