(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄に対して所定重量％の炭素と、所定重量％の他の合金元素群と、不可避の不純物とを含有させて成る合金鋳鋼において、前記合金鋳鋼は、炭素及び他の合金元素群の重量％をＣが０．０１〜０．２％、Ｓｉが３．０〜５．０％、Ｍｎが０．５〜２．５％、Ｃｒが６．０〜１４．５％、Ｎｉが６．０〜１１．５％、Ｍｏが０．０５〜２．０％、Ｎｂが０．０５〜２．５％、Ｃｕが０．５〜２．０％、Ｗが０．０５〜２．０％となるようにそれぞれ設定することを特徴とする耐拘束熱疲労性及び耐酸化性に優れた合金鋳鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば内燃機関の排気系部品、高温粉粒体部品、高温流動床部品、高温焼却炉部品、高温塩乾留装置部品、熱間治具、熱間制動部品等の産業機械部品に適用される鋳鋼に関するものであり、特に耐拘束熱疲労性及び耐酸化性に優れた新規な合金鋳鋼に係るものである。
【０００２】
【発明の背景】
鉄系合金の鋳造作業においては、溶融点が低く、凝固時の体積減少が少ないことにより収縮巣ができにくい鋳鉄が多く使用される。一方、機械的性質を重視する場合には鋳鉄に比べて融点が高く、成分調製も難しいが、機械的性質に優れる鋳鋼が使用される。鋳鋼は鋳物状態で使用する鋼のことをいい、鋳造して所定の形状にしたものを鋳鋼品という。また鋳鋼品は鍛造品に比べて機械的性質に方向性がないこと、複雑な形状のものを作ることができること、多量生産が可能で、生産コストが安価なこと等が利点として挙げられる。
【０００３】
そしてこのような鋳鋼品が大気中において高温にさらされるような場合には、高Ｃｒ鋳鋼または高ＣｒにＮｉを加えた鋳鋼あるいは高Ｃｒ高Ｎｉ系鋳鋼が耐熱鋳鋼としてＪＩＳ  Ｇ  ５１２２により数種類制定されている。
ところで高温環境下で使用される部品の多くが拘束性ロック状態で加熱冷却を繰り返し受けると同時に大気等による酸化作用も受けることから高温にさらされる鋳鋼品は耐拘束熱疲労性とともに耐酸化性も要求される。しかしながら前記ＪＩＳ  Ｇ  ５１２２に制定されているいずれの耐熱鋳鋼も強度を向上させるため、炭素（Ｃ）を０．２％以上含有しているため、現実には耐酸化性を低下させてしまうことは避けられず、実際の現場では耐酸化性の低下を甘受しながら耐熱鋳鋼を使用していた。
【０００４】
しかしながら近年のこの種の産業分野における鋳鋼品に対する要求はこれにとどまるものではなく、耐拘束熱疲労性及び耐酸化性を両立させると同時に薄肉軽量化への要求もあり、更に設計、施工、使用条件において各々異なる熱膨張率を有するＳＵＳ系、ＳＵＨ系、セラミック系とのメカニカルコンタクトあるいはウェルドコンタクトにも応え得る鋳鋼品の開発が望まれている。また鋳鋼品である以上、鋳造後の押湯、湯口、セキ等のカーボンガウジングによる切断、エアプラズマによる切断、アルゴン（Ａｒ）による溶接、溶接組み立て、欠陥補修、それらに必要とされる溶接棒の供給等が可能であることはもちろんのこと、健全性ある材質、すなわち使用上有害なキズ、割れ、鋳巣などの欠陥が生じないことも当然要求される。更に前記薄肉軽量化という要求に応えるには鋳鋼用鋳型砂に鋳込まれる金属の湯流れ性を向上させることも要求される。
【０００５】
【開発を試みた技術的課題】
本発明はこのような背景を認識してなされたものであり、鋳造性に大きな影響を与える珪素（Ｓｉ）の含有重量％を適当な範囲に規定するとともに、この珪素（Ｓｉ）を含んで炭素（Ｃ）及び他の合金元素群の含有重量％を適宜調節することで耐拘束熱疲労性と耐酸化性を両立させ、且つ異なる高温使用、施工に利用できるよう熱膨張率を抑制した新規な合金鋳鋼の開発を試みたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち請求項１記載の耐拘束熱疲労性及び耐酸化性に優れた合金鋳鋼は、鉄に対して所定重量％の炭素と、所定重量％の他の合金元素群と、不可避の不純物とを含有させて成る合金鋳鋼において、前記合金鋳鋼は、炭素及び他の合金元素群の重量％をＣが０．０１〜０．２％、Ｓｉが３．０〜５．０％、Ｍｎが０．５〜２．５％、Ｃｒが６．０〜１４．５％、Ｎｉが６．０〜１１．５％、Ｍｏが０．０５〜２．０％、Ｎｂが０．０５〜２．５％、Ｃｕが０．５〜２．０％、Ｗが０．０５〜２．０％となるようにそれぞれ設定することを特徴として成るものである。
この発明によれば、熱膨張率を低めに設定させ得、耐拘束熱疲労性及び耐酸化性の両方を向上させることができ、また低クロム、低ニッケル系であるため低コストで製造できる。更に珪素（Ｓｉ）を適宜含有させているため湯流れ性を劣化させず、薄肉軽量化も図れる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の耐拘束熱疲労性及び耐酸化性に優れた合金鋳鋼について具体的に説明する。本発明の合金鋳鋼は鉄（Ｆｅ）に対して所定重量％の炭素（Ｃ）と、所定重量％の他の合金元素群と不可避の不純物とを含有させて成る合金鋳鋼に関するものであって、前記炭素（Ｃ）及び他の合金元素群の重量％は炭素（Ｃ）が０．０１〜０．２％、珪素（Ｓｉ）が３．０〜５．０％、マンガン（Ｍｎ）が０．５〜２．５％、クロム（Ｃｒ）が６．０〜１４．５％、ニッケル（Ｎｉ）が６．０〜１１．５％、モリブデン（Ｍｏ）が０．０５〜２．０％、ニオブ（Ｎｂ）が０．０５〜２．５％に対し銅（Ｃｕ）が０．５〜２．０％、タングステン（Ｗ）が０．０５〜２．０％にそれぞれ設定されるとともに、鋳造後鋳放しのままか、あるいは固液化熱処理等、適宜の処理が施されるものである。なお上記した化学成分はそれぞれが異なる熱膨張率を有しており、異なる温度使用環境に対応可能となる。
【０００８】
次に前記炭素（Ｃ）及び他の合金元素群の成分限定理由について説明する。
（１）炭素（Ｃ）；０．０１〜０．２％
炭素はオーステナイト生成傾向の強い元素であるが、本発明の合金鋳鋼が低クロム、低ニッケル及び高珪素領域にあり、０．２％以上の含有は耐酸化性を低下させるため、炭素（Ｃ）の含有重量％は０．０１〜０．２％とした。
【０００９】
（２）珪素（Ｓｉ）；３．０〜５．０％
珪素は脱酸及び鋳造性を向上させる作用と、耐酸化性に有効な効力を有する。しかし含有重量％が５％を超えて含有させると脆化するので珪素（Ｓｉ）の含有重量％は３．０〜５．０％とした。
【００１０】
（３）マンガン（Ｍｎ）；０．５〜２．５％
マンガンは脱酸として有効であり、鋳造時の湯流れ性を向上させるが、多量の添加はニッケル（Ｎｉ）当量の増加につながり、熱膨張率を上昇させるだけでなく、耐酸化性の低下を来す。一方、低過ぎても脆化するのでマンガン（Ｍｎ）の含有重量％は０．５〜２．５％とした。
【００１１】
（４）クロム（Ｃｒ）；６．０〜１４．５％
クロムは耐酸化性と高強度を得るため必要不可欠の元素である。ニッケル量と珪素量との関係によるが、一次晶安定のためクロム（Ｃｒ）の含有重量％は６．０〜１４．５％とした。
【００１２】
（５）ニッケル（Ｎｉ）；６．０〜１１．５％
ニッケルはクロムとの組み合わせで耐酸化性と高強度を得るため必要不可欠の元素であるが、一次晶安定のためニッケル（Ｎｉ）の含有重量％は６．０〜１１．５％とした。
【００１３】
（６）モリブデン（Ｍｏ）；０．０５〜２．０％
モリブデンは強いフェライト系生成元素であるが、高温強度を得るために必要不可欠な元素であり、また一次晶を微細にさせる。しかし高価な金属であるため、モリブデン（Ｍｏ）の含有重量％は０．０５〜２．０％とした。
【００１４】
（７）ニオブ（Ｎｂ）；０．０５〜２．５％
ニオブは炭素と窒素とを固定し、高温での強度改善に役立つが、多過ぎると脆化破面となる。一次晶安定のためニオブ（Ｎｂ）の含有重量％は０．０５〜２．５％とした。
【００１５】
（８）銅（Ｃｕ）；０．５〜２．０％
銅は溶接性改善と同時に、耐候性向上に役立ち、また一次晶安定にも寄与するので必要に応じ含有させる。そして耐酸化性を劣化させない範囲で銅（Ｃｕ）の含有重量％は０．５〜２．０％とした。
【００１６】
（９）タングステン（Ｗ）；０．０５〜２．０％
ダングステンは高温強さ、特にオーステナイト強さ改善に寄与するが、多過ぎると耐酸化性の劣化につながる。また一次晶が不安定となるので必要に応じ耐酸化性を劣化させない範囲でタングステン（Ｗ）の含有重量％は０．０５〜２．０％とした。
【００１７】
次に本発明の合金鋳鋼を具現化した実施の形態と、これに関連する参考形態、更にこれらの特性を確認するために設けた二種の比較の形態（比較の形態１、２）を例示しながら比較、説明する。まずそれぞれの形態に含有される化学成分を表１に重量％で示す。なお実施の形態と参考形態は熱膨張率をそれぞれフェライト系、オーステナイト系に類似させたものである。また比較の形態１、２はそれぞれフェライト系、オーステナイト系の代表例であり、熱疲労特性を上げるために作られたＳＵＳ４３０系及びＳＵＳＸＭ１５Ｊ１系にそれぞれ他の元素を加えたものである。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
そしてそれぞれの形態を２０ｋｇ高周波誘導炉で大気溶解し、ＪＩＳＡ号試験片を採取により引張試験に供した結果を表２に示す。これによれば常温においても高温においても実施の形態と参考形態は引張強さが増し、また高温においての伸びも小さいことがわかる。これは本発明の合金鋳鋼が高温にさらされる場合、拘束状態にあって合金鋳鋼内部に作用する応力を小さくできることを示すものである。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
更に表３は各形態を熱膨張試験に供した結果を示す。これによれば参考形態は熱膨張率が高めに設定されているのがわかる。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
更に表４に各形態を耐酸化試験に供した結果を示す。なお数値は試験後表面に付着した酸化生成物を取り除いた試験片の単位表面積当たりの質量の変化を示すものであり、＋は増量、−は減量を示す。これによれば実施の形態と参考形態とも酸化による侵食が進行せず、特に参考形態は耐酸化性に優れていることがわかる。
【００２４】
【表４】
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【００２５】
更にまた表５は各形態を拘束性熱疲労試験に供した結果を示す。なお数値は９００℃昇温２分、保持６分、降温４分を１サイクルとし、試験片が破断するまでのサイクル数を示すものである。これによれば実施の形態と参考形態とも高い数値を示し、特に実施の形態の耐拘束熱疲労性が向上していることがわかる。
【００２６】
【表５】
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【００２７】
更にまた図１のグラフは鋳造性判定用の渦巻形湯流れ性試験の結果を表示するものであり、図２はその際用いられる湯流れ性試験器の形状を示している。そして図１の結果によれば同じ注入温度でも実施の形態と参考形態の流動長が長く、特に参考形態の湯流れ性すなわち鋳造性が向上していることがわかる。
【００２８】
更にまた表６は高温塩害腐食試験に供した結果を示すものであり、図３の流れ図はこの試験の方法を骨格的に示すものである。なお表６の数値は試験後、表面に付着した腐食生成物を取り除き、試験片の単位面積当たりの質量の減量をマイナス値で示したものである。またここでは比較の対象として高温塩害に対して比較的強いとされるＳＵＳ４４４系（フェライト）改良鋼及びＳＵＳＸＭ１５Ｊ１系（オーステナイト）改良鋼をそれぞれ比較の形態３、４として設け、それらの化学成分を表７に示す。そして表６の結果によれば参考形態は幾分腐食が進行しているものの、実施の形態は腐食の度合いが低く、比較の形態４と同程度であることがわかる。
【００２９】
【表６】
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【００３０】
【表７】
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【００３１】
更にまた図４（ａ）（ｂ）は、それぞれ実施の形態と参考形態の合金鋳鋼を１００倍に拡大して示す顕微鏡組織図である。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、耐拘束熱疲労性及び耐酸化性の両方を向上させることが可能となる。また低クロム、低ニッケル系であるため製造費用の低減が図れる。更に珪素（Ｓｉ）を適宜含有させているため、湯流れ性すなわち鋳造性を向上させ、薄肉軽量化も図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態と参考形態及び比較の形態１、２の湯流れ性試験の結果を示すグラフである。
【図２】  渦巻型湯流れ性試験器の形状を示す説明図である。
【図３】  高温塩害腐食試験の方法を骨格的に示す流れ図である。
【図４】  実施の形態と参考形態の合金鋳鋼を１００倍に拡大して示す顕微鏡組織図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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