(57)【要約】【課題】既知の耐熱鋳鋼の部品よりも低コストで製作することが可能であり、すぐれた耐熱疲労性を有するフェライト系耐熱鋳鋼部品を提供すること。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．０１〜０．３０％、Ｓｉ：３．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１５〜２２％およびＮｂ：０．１〜３．０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなる合金組成を有する鋼を部品形状に鋳造したのち、表層の最大炭素量が１．０％以下の範囲で浸炭して、表層から１ｍｍ以内を、焼き戻しマルテンサイト相が８０％以上を占める組織とし、１ｍｍを超える内部を、フェライト相が２０％以上を占める組織とする。【選択図】　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．０１〜０．３０％、Ｓｉ：３．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１５〜２２％およびＮｂ：０．１〜３．０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなる合金組成を有する鋼を部品形状に鋳造してなり、表層の最大炭素量が１．０％以下の範囲である浸炭により、表層から１ｍｍ以内の組織が、焼き戻しマルテンサイト相８０％以上であり、１ｍｍを超える内部の組織が、フェライト相２０％以上であることを特徴とする耐熱疲労性にすぐれたフェライト系耐熱鋳鋼部品。
【請求項２】
請求項１に記載した合金成分に加え、Ｗ：０．１〜５．０％およびＭｏ：０．１〜０．３％の１種または２種を含有し、請求項１に規定した組織を有するフェライト系耐熱鋳鋼部品。
【請求項３】
請求項１または２に記載した合金成分に加え、Ｂ：０．００１〜０．０１％およびＮ：０．０１〜０．３％の１種または２種を含有し、請求項１に規定した組織を有するフェライト系耐熱鋳鋼部品。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載した合金成分に加え、Ｓ：０．５％以下およびＳｅ：０．００１〜０．５０％の１種または２種を含有し、請求項１に規定した組織を有するフェライト系耐熱鋳鋼部品。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載した合金組成を有する耐熱鋳鋼を部品形状に鋳造し、表層の最大炭素量１．０％以下の範囲で浸炭したのち、温度６００〜８５０℃において焼鈍することからなり、表層から１ｍｍ以内の組織を、焼き戻しマルテンサイト相が８０％以上を占める組織とし、１ｍｍを超える内部の組織を、フェライト相が２０％以上を占める組織にすることを特徴とする耐熱疲労性にすぐれたフェライト系耐熱鋳鋼部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱疲労性にすぐれたフェライト系耐熱鋳鋼部品と、その製造方法に関する。本発明の部品は、自動車用エンジンのエギゾースト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代表される、常温から数百℃に及ぶ高温の間で繰り返し加熱・冷却を受ける部品として好適である。
【０００２】
【従来の技術】
上記した排気系部品の材料としては、従来、球状黒鉛鋳鉄やニレジスト鋳鉄が使用されて来た。近年、排ガス規制の強化と、エンジンの燃焼効率向上の要請に応える必要から、排気ガス温度はより高くなってきており、熱疲労特性に対する要求は、ますます厳しくなっている。オーステナイト系の耐熱鋼を使用し、溶接などの加工を施して部品とすれば、この要求に応えるのは容易になるが、コストが高くなるので、安価なフェライト系耐熱鋳鋼で部品を製作したい。フェライト系ステンレス鋳鋼は、熱膨張係数が小さく、高い熱疲労特性を実現する上で有利である。
【０００３】
しかし、在来のフェライト系ステンレス鋼、たとえばＡｌＩｏｙ　Ｃａｓｔｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ規格のＣＢ３０は、球状黒鉛鋳鉄と比較すると被削性が悪いために、機械加工のコストが高くなる。それに加えて、在来のフェライト系ステンレス鋳鋼は、使用中にα→γ相の変態が起こり、変態が引き起こす局部熱応力が原因となって著しい変形が生じるおそれがあるため、この変態が起こる温度以上では使用できない。そこで、この観点からは、フェライト系ステンレス鋳鋼の変態温度を、より高いものにすることが望まれる。
【０００４】
出願人は、この要望に応えることを意図して研究の結果、変態温度を高めることに成功し、被削性が良好で熱疲労特性にすぐれた耐熱鋳鋼を開発して、すでに開示した（特開平８−２２５８９８）。この耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．５％以下、Ｓｉ：４．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｃｒ：１５〜２２％に加えて、Ｐ：０．５０％以下、Ｓ：０．５０％以下およびＳｅ：０．００１〜０．５０％を、２［Ｓ％］＋［Ｓｅ％］≦１．０であるように含有し、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する。
【０００５】
この耐熱鋳鋼において、変態温度のさらなる上昇を意図する場合は、特定量のＮｂ、Ｖ、ＴｉおよびＡｌの１種または２種以上を添加する。フェライト系ステンレス鋼の弱点とされる、低い高温強度を改善するためには、特定量のＮ、Ｗ、Ｎｉ、ＭｏおよびＣｏの１種または２種以上を添加することが好ましい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記したような既知の耐熱鋳鋼の部品よりも、低コストで製作することが可能であり、すぐれた耐熱疲労性を有するフェライト系耐熱鋳鋼部品と、その製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐熱疲労性にすぐれたフェライト系耐熱鋳鋼部品は、基本的な合金組成としては、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．３０％、Ｓｉ：３．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１５〜２２％およびＮｂ：０．１〜３．０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなる合金組成を有する鋼を材料として使用し、これを部品形状に鋳造したのち、表層の最大炭素量が１．０％以下の範囲である浸炭により、表層から１ｍｍ以内の組織が、焼き戻しマルテンサイト相８０％以上であり、１ｍｍを超える内部の組織が、フェライト相２０％以上であることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施形態】
上記のフェライト系耐熱鋳鋼部品を製造する本発明の方法は、上記の合金組成を有する耐熱鋳鋼を部品形状に鋳造し、表層の最大炭素量１．０％以下の範囲で浸炭したのち、温度６００〜８５０℃において焼鈍することからなり、表層から１ｍｍ以内の組織を、焼き戻しマルテンサイト相が８０％以上を占める組織とし、１ｍｍを超える内部の組織を、フェライト相が２０％以上を占める組織にすることを特徴とする。
【０００９】
本発明のフェライト系耐熱鋳鋼部品は、上記した基本的な合金成分に加えて、下記の各グループの任意添加元素を、一つまたは二つ以上、含有することができる。
Ｉ）Ｗ：０．１〜５．０％、Ｍｏ：０．１〜０．３％の１種または２種
ＩＩ）Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｎ：０．０１〜０．３％の１種または２種
ＩＩＩ）Ｓ：０．５％以下、Ｓｅ：０．００１〜０．５０％の１種または２種
【００１０】
以下に、本発明で材料とする耐熱鋳鋼の合金成分の働きと、含有量の限定理由を、必須合金成分および任意添加元素の順で説明する。
【００１１】
Ｃ：０．０１〜０．３０％
Ｃは、高温強度を高める働きがあるから、０．０１％以上を添加する。鋳造時の溶湯の流動性をよくする作用もある。しかしＣ量の増大は、前述したα→γ相の変態温度を低くし、部品の使用可能温度を低下させるので、上限を０．３０％とした。Ｃ量を０．０６％以下の微量に止めれば、上記の変態はほぼ起こらないから、とくに８５０℃以上の高温にさらされる可能性のある部品を製造する場合は、Ｃを少なくすることが望ましい。低Ｃ量がもたらす鋳造性の低下は、減圧鋳造法などの採用により対処すれば、複雑な形状をもった薄肉の鋳物を、鋳造欠陥なく鋳造することができる。
【００１２】
Ｓｉ：３．０％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作用を示すとともに、耐酸化性を高める。溶湯の流動性を向上させる働きもある。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、３．０％の上限を設けた。
【００１３】
Ｍｎ：１．０％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，被削性の改善に役立つ。多量に添加しても被削性向上の効果は飽和し、一方、延性が低下してくるため、上限値として１．０％を定めた。
【００１４】
Ｃｒ：１５〜２２％
Ｃｒは、部品の耐酸化性を確保し、かつ、α→γ相変態温度を上昇させる働きがある。その効果を確保するために、すくなくとも１５％のＣｒを添加する。多量の添加により、高温におけるσ相の形成が助長され、脆化の原因となるので、上限を２２％とした。
【００１５】
Ｎｂ：０．１〜３．０％
Ｎｂは、安定な化合物であるＮｂＣを生成して、部品の高温強度を増大させ、α→γ相変態温度を上昇させる。ＮｂはＣｒにくらべて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作用をする。添加の効果は０．１％以下では得られない。しかし、３．０％以上添加しても、もはや効果の向上は期待できなくなるばかりでなく、延性の著しい低下を招く。
【００１６】
Ｗ：０．１〜５．０％およびＭｏ：０．１〜０．３％の１種または２種
これらの元素は、ともに部品の高温強度を高めるのに有用である。まずＷは、固溶強化により高温強度を向上させる。その効果は、０．１％以下では現れないので、これ以上の量を添加する。多量に添加すると延性が低下するため、上限を５．０％とした。
【００１７】
Ｍｏは、フェライト相を安定させ、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働きがあるから、Ｗに代えて、またはＷとともに、添加するとよい。Ｗも、添加量が０．１％未満ではその効果が現れない。これも多量に添加すると延性が低下するため、０．３％を上限値とした。
【００１８】
Ｂ：０．００１〜０．０１％およびＮ：０．０１〜０．３％の１種または２種
ＢはＢＮを生成し、被削性を向上させる効果があり、被削性を向上させたい場合、適量を添加するとよい。０．００１％未満の添加量では、期待した効果が得られない。しかし、０．０１％を超えて添加しても、被削性向上の効果は飽和するし、熱疲労特性の顕著な低下を招く。
【００１９】
Ｎは、高温強度を向上させる効果があり、この効果は、０．０１％以上の添加で得られる。０．３％を超えて添加すると、Ｃｒ２Ｎの過剰の析出により延性の低下が起こる。
【００２０】
Ｓ：０．５％以下およびＳｅ：０．００１〜０．５０％の１種または２種
Ｓは、ＭｎＳを生成することにより、被削性を向上させる。ただし、０．５％を超える多量を添加しても、それ以上は被削性が向上しない。その上、延性、耐酸化性および熱疲労特性が大いに損われるので、この値を添加量の上限とする。なお、ＭｎＳの生成は熱疲労特性を悪くするので、被削性よりも熱疲労特性が重要である場合は、Ｓ：０．４％以下にすることが推奨される。
【００２１】
ＳｅはＭｎＳｅを生成することにより、Ｓと同様に、被削性を向上させる。この効果を得るためには、０．００１％以上の添加が必要である。被削性向上の効果は０．５０％以上で飽和するし、材料コストの上昇を招くので、これ以内の添加量を選ぶべきである。
【００２２】
前掲の、すでに開示した発明に関して述べたところであるが、ＳおよびＳｅの添加量の組み合わせは、上記の範囲内で、添加の目的に応じて、次のように使い分けることができる。すなわち、Ｓは被削性を向上せる効果が大きく、添加量を増加させることによる材料コストの上昇は小さいが、添加量の増加により、顕著に熱疲労特性が低下する傾向がある。一方、Ｓｅは、被削性の向上効果はＳにくらべて小さく、添加量の増加による材料コストの上昇が大きいが、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材料コストの上昇は抑えたい場合にはＳ添加量を増せばよく、被削性を向上させ、なおかつ、熱疲労特性を低下させないためには、Ｓｅの添加量を増せばよい。
【００２３】
部品形状の鋳造品に対しては、必要があれば機械加工を施すべきことはいうまでもない。得られた素材に浸炭を施す度合いと、その組織を、「表層の最大炭素量が１．０％以下の範囲である浸炭により、表層から１ｍｍ以内の組織が、焼き戻しマルテンサイト相８０％以上であり、１ｍｍを超える内部の組織が、フェライト相２０％以上である」ものに限定した意義は、つぎのとおりである。
【００２４】
フェライト系ステンレス鋼、とくにＳＣＨ１，ＳＣＨ２およびＳＣＨ３は、一般に安価な材料であり、本発明の合金においても、Ｃｒ：１５〜２２％およびＮｂ：０．１〜３．０％以外には、価格が問題になる成分はなく、Ｃｒは比較的安価であり、Ｎｂは使用量が少ないから、コストに与える影響は小さい。このような材料を基本とし、浸炭により、表層からある深さの範囲までを焼き戻しマルテンサイトを主体とする組織とすることによって、強度を高め、熱疲労によるクラックの発生を抑制する。一方、それ以上の深さの部分は、フェライト相が２０％以上、好ましくは３０％以上の組織とすることで、延性を確保し、表層にクラックが発生した場合でも、それが内部に進展することを防止するわけである。このとき、浸炭の程度は重要であって、過度に浸炭して炭素濃度を高めると、かえって好ましくないことは、後記する実施例にみるとおりである。浸炭は、既知の技術に従って、容易に実施することができる。
【００２５】
【実施例】
表１に示す合金組成の耐熱鋳鋼を５０ｋｇ高周波誘導炉で溶解した。得られた鋼塊から、引張試験用の試験片を採取し、かつ、熱疲労試験用の試験片素材と、被削性試験用の試験片とを鋳造した。
【００２６】
各鋼の試験片も、一部は加工まま、一部はガス浸炭炉で、表層から１ｍｍの深さまでのＣ量が、最高０．８％、または１．５％となるように浸炭した。
【００２７】
各試験の方法は、つぎのとおりである。
［熱疲労試験］
試験片素材は、下記の寸法の円盤型の鋳造品であって、
外径：６５ｍｍ、底面径：３１ｍｍ、エッジ角：３０度、厚さ：１５ｍｍ
これを８００℃に３０分間加熱して焼鈍したのち、機械加工により、下記の仕様の円盤型試験片とする。
外径：６０ｍｍ、底面径：２５．６ｍｍ、エッジ角：３０度、厚さ：１０ｍｍ
試験は、ＪＩＳＺ２２７８に定める方法に従い、９００℃の高温流動層に３分浸漬したのち１５０℃の低温流動層に４分間浸漬するサイクルを１０００サイクル繰り返した後、試験片周辺に発生した割れの長さの総和を調べるとともに、試験片の厚さの変化を測定することにより行なう。
【００２８】
［引張試験］
評点間距離３０ｍｍ、平行部直径６ｍｍの試験片を用い、室温および９００℃における０．２％耐力、引張強さおよび伸びを測定した。
【００２９】
［被削性試験］
フランジ型で、円周方向に１２０度の角度で三方に突出部をもつ試験片を鋳造し、下記の条件で断続切削を行なった。
チップ：材質Ｍ３０＋ＴｉＮコート
速度：１２０ｍ／ｍｉｎ　切込み：２．５ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ　切削数：２０
評価：切削後の最大フランク摩耗量
【００３０】
熱疲労試験の結果を表２に、引張試験の結果を表３に、そして被削性試験の結果を表４に、それぞれ示す。
【００３１】
表１　合金組成
2004115840.tif 000002
【００３２】
表２　熱疲労試験
2004115840.tif 000003
【００３３】
表３　引張試験
2004115840.tif 000004
【００３４】
表４　被削性試験
2004115840.tif 000005
【００３５】
【発明の効果】
本発明のフェライト系耐熱鋳鋼部品は、材料となる合金が、その組成から明らかなように、安価に入手できるものであり、それに既知の技術に従った浸炭を施せば部品が得られる。この部品は、表層が耐熱性および強度が高く、内部は延性に富んだ組織であり、熱衝撃をよく吸収することができるから、全体として、高温と低温との間を繰り返し往復する使用環境に耐え、長い寿命を享受することができる。このようにして、本発明により、高性能かつ長寿命の自動車用エンジンの排気系部品などが、廉価に提供される。