(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、炭素を２．９０〜３．４０％、ケイ素を４．５０〜５．１０％、マンガンを０．３０％以下、リンを０．０８％以下、硫黄を０．０２％以下、マグネシウムを０．０２５〜０．０６０％、クロムを０．０９％以下、モリブデンを０．４０〜１．５０％、ニオブを０．３０〜１．０％、バナジウムを０．５０％以下、セリウムを０．００５〜０．０１５質量％含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
基地組織をフェライト相主体とし、黒鉛が球状化していることを特徴とする請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄。
【請求項３】
炭素当量（Ｃｅｑ（Ｃ＋Ｓｉ／３））が４．６５〜５．００であることを特徴とする請求項１又は２に記載の球状黒鉛鋳鉄。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の球状黒鉛鋳鉄を用いて製造されたことを特徴とする自動車用エンジンの排気系部品。
【請求項５】
タービンハウジング、エキゾーストマニホールド又はタービンハウジング一体型エキゾーストマニホールドであることを特徴とする請求項４に記載の自動車用エンジンの排気系部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状黒鉛鋳鉄及び自動車用エンジンの排気系部品に関する。更に詳細には、本発明は、球状黒鉛鋳鉄及びこれを用いて製造された自動車用エンジンの排気系部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高い高温強度と耐酸化性を有する球状黒鉛鋳鉄が提案されている（特許文献１参照。）。
具体的には、球状黒鉛鋳鉄の１つの形態として、質量比で、炭素：２．０〜４．０％、シリコン：３．５〜５．０％、マンガン：１．０％以下、クロム：０．１〜１．０％、モリブデン：０．２〜２．０％、バナジウム：０．１〜１．０％、マグネシウム：０．０２〜０．１％を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物から構成されるものが提案されている。
また、球状黒鉛鋳鉄の他の形態として、質量比で、炭素：２．０〜４．０％、シリコン：３．５〜５．０％、マンガン：１．０％以下、クロム：０．１〜１．０％、モリブデン：０．２〜２．０％、バナジウム：０．１〜１．０％、マグネシウム：０．０２〜０．１％を含有し、タングステン：０．１〜１．０％及びニオブ：０．０２〜０．３０％の少なくとも一方を更に含有し、残部が鉄及び不可避的不純物から構成されるものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１４４２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された球状黒鉛鋳鉄においては、要求性能の更なる向上に伴い、耐酸化性や高温強度が十分なものではないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、優れた耐酸化性や高温強度を有する球状黒鉛鋳鉄及びこれを用いて製造された自動車用エンジンの排気系部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、質量比で、炭素を２．９０〜３．４０％、ケイ素を４．５０〜５．１０％、マンガンを０．３０％以下、リンを０．０８％以下、硫黄を０．０２％以下、マグネシウムを０．０２５〜０．０６０％、クロムを０．０９％以下、モリブデンを０．４０〜１．５０％、ニオブを０．３０〜１．０％、バナジウムを０．５０％以下、セリウムを０．００５〜０．０１５質量％含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなるものとすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明の球状黒鉛鋳鉄は、質量比で、炭素を２．９０〜３．４０％、ケイ素を４．５０〜５．１０％、マンガンを０．３０％以下、リンを０．０８％以下、硫黄を０．０２％以下、マグネシウムを０．０２５〜０．０６０％、クロムを０．０９％以下、モリブデンを０．４０〜１．５０％、ニオブを０．３０〜１．０％、バナジウムを０．５０％以下、セリウムを０．００５〜０．０１５質量％含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなるものである。
【０００８】
また、本発明の自動車用エンジンの排気系部品は、上記本発明の球状黒鉛鋳鉄を用いて製造されたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、質量比で、炭素を２．９０〜３．４０％、ケイ素を４．５０〜５．１０％、マンガンを０．３０％以下、リンを０．０８％以下、硫黄を０．０２％以下、マグネシウムを０．０２５〜０．０６０％、クロムを０．０９％以下、モリブデンを０．４０〜１．５０％、ニオブを０．３０〜１．０％、バナジウムを０．５０％以下、セリウムを０．００５〜０．０１５質量％含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなるものとした。
そのため、優れた耐酸化性や高温強度を有する球状黒鉛鋳鉄及びこれを用いて製造された自動車用エンジンの排気系部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施例２の球状黒鉛鋳鉄のミクロ組織写真である。
【図２】図２は、各例の耐酸化性性能評価としての酸化減量の測定結果を示すグラフである。
【図３】図３は、各例の高温強度性能評価の１つとしての変態点温度の測定結果を示すグラフである。
【図４】図４は、各例の高温強度性能評価の１つとしての熱疲労強度の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態に係る球状黒鉛鋳鉄及びこれを用いて製造された自動車用エンジンの排気系部品について詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る球状黒鉛鋳鉄について詳細に説明する。
本実施形態の球状黒鉛鋳鉄は、炭素を２．９０〜３．４０質量％、ケイ素を４．５０〜５．１０質量％、マンガンを０．３０質量％以下、リンを０．０８質量％以下、硫黄を０．０２質量％以下、マグネシウムを０．０２５〜０．０６０質量％、クロムを０．０９質量％以下、モリブデンを０．４０〜１．５０質量％、ニオブを０．３０〜１．０質量％、バナジウムを０．５０質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなるものである。
このような構成とすることにより、優れた耐酸化性や高温強度を有するものとなる。
また、このような球状黒鉛鋳鉄は、詳しくは後述する優れた耐酸化性や高温強度が要求されるタービンハウジング、エキゾーストマニホールド、タービンハウジング一体型エキゾーストマニホールドその他の自動車用エンジンの排気系部品に適用することが特に好ましい。
更に、このような球状黒鉛鋳鉄は、タービンハウジング、エキゾーストマニホールド、タービンハウジング一体型エキゾーストマニホールドに適用すると、これらの低コスト化を図ることができるという副次的な利点も得られる。
【００１３】
ここで、各成分について更に詳細に説明する。
【００１４】
（炭素（Ｃ）：２．９０〜３．４０質量％）
炭素の含有量は、後述するケイ素の含有量を高めに設定するために、２．９０〜３．４０質量％であることを要し、３．００〜３．１５質量％であることが好ましい。
炭素の含有量が、２．９０質量％未満である場合には、炭化物を生成し易く、炭素の含有量が３．４０質量％超である場合には、異常黒鉛が晶出し、強度及び靭性が低下する。
【００１５】
（ケイ素（Ｓｉ）：４．５０〜５．１０質量％）
ケイ素の含有量は、炭素の黒鉛化効果や、基地組織のフェライト化効果を得、更に高温における耐酸化性の向上効果を得るために、４．５０〜５．１０質量％であることを要し、４．７５〜５．１０質量％であることが好ましい。
ケイ素の含有量が４．５０質量％未満である場合には、十分な耐酸化性が得られない可能性があり、ケイ素の含有量が５．１０質量％超である場合には、得られる球状黒鉛鋳鉄が脆くなるおそれがある。
【００１６】
（マンガン（Ｍｎ）：０．３０質量％以下）
マンガンは、原料に不可避的に含まれる硫黄を硫化マンガン（ＭｎＳ）の形で固定化して無害化するため、球状黒鉛鋳鉄の製造に不可欠な合金元素である。一方、基地組織のパーライト化を促進して、耐熱亀裂性を低下させる。そのため、０．３０質量％以下であることを要し、０．２０〜０．２５質量％であることが好ましい。
【００１７】
（リン（Ｐ）：０．０８質量％以下）
リンの含有量が、０．０８質量％超である場合には、鉄とリン、炭素の化合物が晶出して機械的性質が低下する。そのため、リンの含有量は、０．０８質量％以下であることを要し、０．０４０〜０．０５０質量％であることが好ましい。
【００１８】
（硫黄（Ｓ）：０．０２質量％以下）
硫黄の含有量が、０．０２質量％超である場合には、黒鉛の球状化が著しく阻害される。そのため、硫黄の含有量は、０．０２質量％以下であることを要する。
【００１９】
（マグネシウム（Ｍｇ）：０．０２５〜０．０６０質量％）
マグネシウムは、黒鉛の球状化処理効果を得るために、０．０２５〜０．０６０質量％であることを要する。
マグネシウムの含有量が０．０２５質量％未満である場合には、黒鉛の球状化不足が起こり、マグネシウムの含有量が０．０６０質量％超である場合には、炭化物の生成や、ドロス等の欠陥が発生する。
【００２０】
（クロム（Ｃｒ）：０．０９質量％以下）
クロムの含有量は、０．０９質量％以下であることを要する。
クロムの含有量が、０．０９質量％超である場合には、炭化物の増加によって硬度が高くなり、被削性や高温における延性が低下する。さらには０．０１〜０．０５質量％であることが好ましい。
【００２１】
（モリブデン（Ｍｏ）：０．４０〜１．５０質量％）
モリブデンは、高温における引張り強さ、耐力を強化させ、耐熱亀裂性を向上させる。一方、その添加量が多くなりすぎると、炭化物の増加などにより、硬くなり被削性を損なう弊害が発生する。そのため、０．４０〜１．５０質量％であることを要する。さらには０．４０〜０．７０質量％であることが好ましい。
【００２２】
（ニオブ（Ｎｂ）：０．３０〜１．０質量％）
ニオブは、基地組織に微細な炭化物を析出し、高温における引張り強さ、耐力を強化させる。一方、その添加量が多くなりすぎると、延性の低下及び黒鉛の球状化を妨げる。そのため、ニオブの含有量は、高温における高い引張り強さ、耐力と延性とを両立させる０．３０〜１．０質量％であることを要し、０．４０〜０．６０質量％であることが好ましい。
【００２３】
（バナジウム（Ｖ）：０．５０質量％以下）
バナジウムは、基地組織に微細な炭化物を析出し、高温における引張り強さ、耐力を強化させる。また、高温時におけるパーライト組織の分解阻止効果を有する。一方、その添加量が多くなりすぎると、延性の低下及び黒鉛の球状化を妨げる。そのため、バナジウムの含有量は、０．５０質量％以下であることを要し、０．０５〜０．３０質量％であることが好ましい。
【００２４】
（セリウム（Ｃｅ）：０．００５〜０．０１５質量％）
セリウムは、球状化処理効果を得るために、０．００５〜０．０１５質量％含有されることが好ましい。特に、マグネシウムと併せて含有させることにより、黒鉛の球状化が促進される。
【００２５】
また、本実施形態の好適形態としては、基地組織をフェライト相主体とし、黒鉛が球状化しているものを挙げることができる。
このような構成とすることにより、より優れた耐酸化性や高温強度を有するものとなる。
【００２６】
更に、本実施形態の好適形態としては、炭素当量（Ｃｅｑ（Ｃ＋Ｓｉ／３））が４．６５〜５．００であるものを挙げることができる。
炭素当量は、鋳鉄の鋳造性を示す指標であり、一般的な球状黒鉛鋳鉄の炭素当量（Ｃｅｑ（Ｃ＋Ｓｉ／３））は４．３０〜４．５０であるが、本実施形態においては、炭素当量（Ｃｅｑ（Ｃ＋Ｓｉ／３））を４．６５〜５．００とすることが好ましい。
【００２７】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る自動車用エンジンの排気系部品について詳細に説明する。
本実施形態の自動車用エンジンの排気系部品は、上述した本発明の球状黒鉛鋳鉄を用いて製造されたものである。
自動車用エンジンの排気系部品は、優れた高温強度や耐酸化性が要求されるため、上述した本発明の球状黒鉛鋳鉄を用いて製造されたものを適用することが特に好ましい。
ここで、自動車用エンジンの排気系部品の代表例としては、タービンハウジング、エキゾーストマニホールド、タービンハウジング一体型エキゾーストマニホールドなどを挙げることができるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。例えば、高温環境下で使用される構造部材などに適用することもできる。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
【００２９】
（実施例１〜実施例３、比較例１及び比較例２）
表１に示す組成となるように原料を調合して、溶融した後、ＪＩＳ  Ｇ  ５５０２に準じたノックオフ形（Ｙｂ形）の形状及び各種性能評価用の試験片作製鋳型に鋳込み、各例の球状黒鉛鋳鉄（供試材）を得た。各例の仕様の一部を表１に示す。また、実施例２の球状黒鉛鋳鉄のミクロ組織写真を図１に示す。
【００３０】
【表１】
0006466727.tif 000002
【００３１】
［性能評価］
（耐酸化性性能評価）
耐酸化性性能を、酸化減量で評価した。具体的には、電気炉内に各例の供試材を入れ、大気雰囲気中、９５０℃で２００時間保持した。次いで、１８％水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）＋３％過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ４）溶液中で各例の供試材を煮沸した後、１０％クエン酸アンモニウム溶液中で各例の供試材を煮沸し、各例の供試材の表面の酸化物を除去した。加熱前及び酸化物除去後の各例の供試材の質量を測定し、式（１）により酸化減量を算出した。得られた結果を表１及び図２に示す。
【００３２】
Ｗｄ＝（Ｗ０−ＷＳ）／Ａ０  ・・・（１）
（式（１）中、Ｗｄは酸化減量（ｍｇ／ｃｍ２）、ＷＳは試験後の質量（ｍｇ）、Ｗ０は試験前の質量（ｍｇ）、Ａ０は試験前の供試材の表面積（ｃｍ２）を示す。）
【００３３】
（高温強度性能評価）
高温強度性能の１つを変態点温度で評価した。具体的には、各例の供試材を、熱機械分析装置を用いて、昇温速度５℃／分で昇温させ、変態開始温度を測定した。得られた結果を表１及び図３に示す。
【００３４】
高温強度性能の１つを熱疲労強度で評価した。具体的には、各例の供試材を、サーボパルサ型熱疲労試験装置（加熱方法は高周波誘導加熱装置）を用いて、大気中で拘束率０．５、「２００℃〜９５０℃まで３℃／秒で昇温→９５０℃で３０秒保持→９５０℃〜２００℃までを３℃／秒で降温」を１サイクルとするパターンを繰り返し、熱疲労寿命の評価を行った。なお、亀裂が貫通したときの繰り返し数を熱疲労寿命と定義した。貫通は試験機の荷重変位の変動が０になったときに、自動停止する試験機設定とした。得られた結果を表１及び図４に示す。
【００３５】
図１より、本発明の範囲に属する実施例２の球状黒鉛鋳鉄は、基地組織をフェライト相主体とし、黒鉛が球状化していることが分かる。なお、他の実施例においても、基地組織をフェライト相主体とし、黒鉛が球状化していることを確認した。
【００３６】
表１及び図２より、本発明の範囲に属する実施例１〜３は、本発明外の比較例２と比較して、酸化減量が少なく耐酸化性性能が向上していることが分かる。また、本発明の範囲に属する実施例１〜３は、本発明外の比較例１及び２とそれぞれ比較すると、耐酸化性性能が同等であるか又は向上していることが分かる。
【００３７】
表１及び図３より、本発明の範囲に属する実施例１〜３は、本発明外の比較例２と比較して、変態点温度が高く変態点温度を指標とする高温強度性能が向上していることが分かる。また、本発明の範囲に属する実施例１〜３は、本発明外の比較例１及び２とそれぞれ比較すると、高温強度性能が向上していることが分かる。
【００３８】
表１及び図４より、本発明の範囲に属する実施例１〜３は、本発明外の比較例２と比較して、熱疲労寿命が多く熱疲労強度を指標とする高温強度性能が向上していることが分かる。また、本発明の範囲に属する実施例１〜３は、本発明外の比較例１及び２とそれぞれ比較すると、高温強度性能が同等であるか又は向上していることが分かる。
【００３９】
また、現時点においては、優れた耐酸化性性能を有し、９５０℃以上の変態点温度を示すという観点から、実施例２及び実施例３が好ましい結果をもたらすものと思われ、その中でも、実施例２が最も良好な結果をもたらすものと思われる。
【００４０】
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【図１】
0006466727.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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