(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．２〜０．４％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０４〜０．２％、Ｎｉ：２１．０〜４２．０％、Ｃｒ：１５．０〜２８．０％、Ｗ：０．５〜７．０％、Ｎｂ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．０２％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｎ：０．１５％以下およびＳｅ：０．００１〜０．５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有する耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．２〜０．４％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０４〜０．２％、Ｎｉ：２１．０〜４２．０％、Ｃｒ：１５．０〜２８．０％、Ｗ：０．５〜７．０％、Ｎｂ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．０２％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｎ：０．１５％以下およびＳｅ：０．００１〜０．５０％を含有し、さらにＭｏ：２．０％以下、Ｚｒ：０．０５％以下、Ｂ：０．１０％以下およびＣｏ：１０．０％以下の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有する耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．２〜０．４％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０４〜０．２％、Ｎｉ：２１．０〜４２．０％、Ｃｒ：１５．０〜２８．０％、Ｗ：０．５〜７．０％、Ｎｂ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．０２％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｎ：０．１５％以下およびＳｅ：０．００１〜０．５０％を含有し、さらにＣａ：０．１０％以下およびＲＥＭ：０．５０％以下の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有する耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼。
【請求項４】
質量％で、Ｃ：０．２〜０．４％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０４〜０．２％、Ｎｉ：２１．０〜４２．０％、Ｃｒ：１５．０〜２８．０％、Ｗ：０．５〜７．０％、Ｎｂ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．０２％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｎ：０．１５％以下およびＳｅ：０．００１〜０．５０％を含有し、さらにＭｏ：２．０％以下、Ｚｒ：０．０５％以下、Ｂ：０．１０％以下およびＣｏ：１０．０％以下の１種または２種以上を含有し、かつ、Ｃａ：０．１０％以下およびＲＥＭ：０．５０％以下の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる合金組成を有する耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼に関する。本発明のステンレス鋳鋼は、エンジンの排気マニホルド、タービンハウジング、これらの結合部、排ガス浄化装置用部品などの、高温において繰り返し加熱される部品の材料として好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車エンジンの排気マニホルドなどの耐熱性が要求される部品の材料としては、一般に球状黒鉛鋳鉄が使用されており、排気温度がとくに高いものに対しては、ニレジスト鋳鉄（Ｃ：２．５〜３．０％、Ｓｉ：１．４〜１．８％、Ｃｕ：６〜８％、Ｎｉ：１３〜１６％、Ｃｒ：１．５〜２．４％、Ｆｅ：残部）や、フェライト系ステンレス鋳鋼（ＪＩＳ  Ｇ  ＳＣ１〜ＳＣ３）が採用されている。
【０００３】
近年、エンジンの高効率化が要求され、そのため排ガスの温度がより高温になり、また自動車の排ガス規制がより厳しくなっているため、排ガスをより高温で取り扱う必要が生じている。上記した既存の材料をエンジンの排ガス処理機器用部品に使用すると、変形、熱疲労割れなどが発生し、使用できない。使用温度が９５０℃以上になると、強度の点で、フェライト系ステンレス鋳鋼はもはや使用できないため、オーステナイト系ステンレス鋳鋼が使用されてきた。しかし、既知のオーステナイト系ステンレス鋳鋼は、クリープ強度の向上に主眼を置いたものが多く、繰り返し加熱を受ける部品に要求される熱疲労に焦点を合わせたものは少ない。特開昭５４−９６４１８号に開示された耐熱鋳鋼が知られているに止まる。
【０００４】
上記の公開公報に記載されているステンレス耐熱鋳鋼は、Ｃ：０．１〜１．５％、Ｓｉ：０．５〜５．０％、Ｍｎ：２．５％以下、Ｎｉ：８〜４５％、Ｃｒ：１５〜３５％、Ｗ：０．５〜３．０％、必要に応じてＭｏ：０．５〜２．０％またはＳ：０．０５〜０．２５％を含有し、Ｆｅ：残部という合金組成であって、この鋼は、耐熱疲労特性はすぐれたものであるが、９５０℃以上の高温における引張強さが十分でなく、また被削性が不満足であるから、これらの点について改良が望まれていた。
【０００５】
発明者らは、この要望に応えるために研究し、オーステナイト系ステンレス鋳鋼において、Ｃ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＷおよびＮｂの含有量を特定の範囲に選択することにより、高温強度、熱疲労強度および耐酸化性がすぐれたものとなること、および、Ｓｅを含有させることにより、Ｓ含有量を少なくしても、被削性を改善できること、などを知った。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、このような発明者らの得た新しい知見にもとづいて上記の問題を解決し、９５０℃以上の高温で使用することができる高い耐熱性を有するとともに、すぐれた被削性をもつオーステナイト系ステンレス鋳鋼を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼は、基本的な合金組成として、質量％で、Ｃ：０．２〜０．４％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０４〜０．２％、Ｎｉ：２１．０〜４２．０％、Ｃｒ：１５．０〜２８．０％、Ｗ：０．５〜７．０％、Ｎｂ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．０２％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｎ：０．１５％以下およびＳｅ：０．００１〜０．５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼は、上記の基本的な合金成分に加えて、下記のグループに属する任意添加元素の一つまたは両方を含有することができる。
Ｉ）Ｍｏ：２．０％以下、Ｚｒ：０．０５％以下、Ｂ：０．１０％以下、およびＣｏ：１０．０％以下の１種または２種以上、ならびに
II）Ｃａ：０．１０％以下およびＲＥＭ：０．５０％以下の１種または２種。
【０００９】
本発明の耐熱性および被削性にすぐれたステンレス鋳鋼において、成分組成を上記のように特定した理由を以下に説明する。
【００１０】
Ｃ：０．２〜０．４％
Ｃは、Ｎｂ、Ｗなどと結合して炭化物を生成し、高温強度および熱疲労強度を向上させる。この効果を得るためには、０．２％以上含有させる必要があるが、０．４％を超えると、ＣがＣｒと結合してマトリクス中のＣｒ濃度を低下させて、合金の耐酸化性を低くする。好ましいＣ含有量は、０．２５〜０．３３％である。
【００１１】
Ｓｉ：０．５〜２．０％
Ｓｉは、耐酸化性および溶湯の流動性を向上させる。この効果は０．５％以上の含有で得られるが、２．０％を超えて含有させると、オーステナイト組織の安定性が低下するとともに、靭性が低下する。
【００１２】
Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは、耐酸化性を向上させるとともに、ＳおよびＳｅと化合して介在物を生じ、それが被削性を向上させる働きがある。この効果を得るには、０．５％以上含有させる必要があるが、２．０％を超えて含有させると、靭性が低下する。好ましい含有量は、０．８〜１．５％である。
Ｐ：０．１０％以下
Ｐは、被削性に寄与する成分であるが、０．１０％を超える存在は耐酸化性および靱延性を著しく低下させるので、含有量をそれ以下に抑える。
【００１３】
Ｓ：０．０４〜０．２％
Ｓは、Ｍｎと化合してＭｎＳを生成し、被削性を向上させる。この効果を与えるＳ量は、最低０．０４％である。０．２％を超えるＳ量は、靭性および延性を著しく低下させる。好ましいＳ含有量は、０．０６〜０．１４％である。
【００１４】
Ｎｉ：２１．０〜４２．０％
Ｎｉは、マトリクスのオーステナイト相を安定化させ、合金の耐熱性および耐食性を向上させる。そこで、この鋼にはＮｉ：２１．０％以上を添加する。多量に添加しても効果が飽和するし、コストの上昇を招くので、４２％を上限として定めた。
【００１５】
Ｃｒ：１５．０〜２８．０％
Ｃｒは、Ｃと結合して炭化物を生成し、高温強度および耐酸化性を高める。この利益は、１５．０％以上の添加で得られる。より高い添加量においては、効果が飽和し、さらに、脆化相であるσ相の生成を促進するので、２８．０％を上限とする。好ましい含有量は、１９〜２６％である。
【００１６】
Ｗ：０．５〜７．０％
Ｗは、Ｃと結合して炭化物を生成し、高温強度および熱疲労特性を顕著に改善する。Ｗの炭化物形成能はＣｒのそれより大きいため、マトリクスのオーステナイト相に存在するＣｒの量が減少することを防止し、耐酸化性を高く保つのに役立つ。このＷの効果は、０．５％以上の添加で得られる。あまり多量の添加は、耐酸化性および靭−延性を低下させる。この観点から、７．０％を上限として設けた。好ましい含有量は、１〜６％である。
【００１７】
Ｎｂ：０．５〜２．０％
Ｎｂは、Ｗと同様にＣと結合して炭化物を生成し、高温強度および熱疲労特性を顕著に改善する。Ｎｂの炭化物形成能も、Ｗと同様に、Ｃｒのそれよりも高いため、マトリクスを構成するオーステナイト相中のＣｒ量が低下することを防止し、耐酸化性を高く保つ。この効果を得るには、少なくとも０．５％のＮｂを含有させる必要がある。一方、多量のＮｂは共晶炭化物を多量に晶出させ、その結果、靭−延性が低下するので、２．０％以下の添加に止める。好ましいＮｂ含有量は、０．９〜１．７％である。
【００１８】
Ａｌ：０．０２％以下
Ａｌは、耐酸化性の向上に寄与する。０．０２％を超える添加は、溶湯の流動性を悪くし、かつ靱−延性を著しく低下させる。
【００１９】
Ｔｉ：０．０５％以下
Ｔｉは、Ｃと結合して炭化物を生成し、高温強度および熱疲労特性の向上に寄与する。過剰に添加すると、Ｃと結合するＴｉ量が多くなるため、ＮｂおよびＷと結合するＣの量が少なくなる。ＮｂおよびＷの炭化物量の減少は、高温強度および熱疲労特性を低下させる。そこで、Ｔｉの添加量は、０．０５％を上限とする。
【００２０】
Ｎ：０．１５％以下
Ｎは、強度およびオーステナイト組織の安定性の向上に寄与する。Ｎ含有量が０．１５％を超えると、熱疲労特性および靭延性が低下する。
【００２１】
Ｓｅ：０．００１〜０．５０％
Ｓｅは、Ｓと同様にＭｎと結合して介在物を生成し、被削性を向上させるために必要な元素である。その作用は０．００１％という少量でも認められるが、０．５０％を超えると、高温強度、靭延性および熱疲労特性が低下する。コストも高くなる。
【００２２】
上記の基本的な合金組成に対して任意に添加することができる成分の作用と、その組成範囲の限定理由は、つぎのとおりである。
【００２３】
Ｍｏ：２．０％以下
Ｍｏは、オーステナイト相中に固溶して高温強度を向上させる。多量になると、９００℃以上の温度における耐酸化性が著しく低下するとともに、靭延性が低下するので、Ｍｏ添加量は、２．０％以下にする。好ましい含有量は、１．８％以下である。
【００２４】
Ｚｒ：０．０５％以下
Ｚｒは、結晶粒および共晶炭化物の粗大化を抑制し、高温強度および熱疲労特性を向上させる。多量の添加は靭−延性を著しく低下させるので、その含有量の上限を、０．０５％とした。
【００２５】
Ｃｏ：１０．０％以下
Ｃｏは、オーステナイト組織を安定性し、固溶強化により高温強度を高め、また耐食性も向上させる。これらの効果は次第に飽和し、１０．０％を超える添加は意義を失う。コストも上昇する。
【００２６】
Ｂ：０．１０％以下
Ｂは、結晶粒界を強化し、高温強度を向上させる。０．１０％を超える多量の添加は、鋼の耐酸化性および靱−延性を著しく低下させ、熱疲労特性をも低下させる。
【００２７】
Ｃａ：０．１０％以下
Ｃａは、Ｏと結合して酸化物を生成し、被削性を向上させる。０．１０％を超えるＣａの添加は、靱−延性を低下させ、熱疲労特性を著しく低下させる。
【００２８】
ＲＥＭ：０．５０％以下
ＲＥＭは、鋼の耐酸化性を向上させる。０．５０％を超える添加は靭−延性を低下させる、熱疲労特性を著しく低下させる。
【００２９】
【実施例】
表１（実施例および参考例）ならびに表２（比較例）に示した合金組成のステンレス鋳鋼を、高周波誘導炉を用いて溶製し、ＪＩＳ−Ａ号試験片に鋳込んだ。これに、１１００℃に３０分間加熱する焼鈍を施した後、高温引張り試験片、熱疲労試験片および被削性試験片を採取した。それらの試験片を対象に、下記の方法および条件で、高温引張り試験、熱疲労試験および被削性試験を行なった。その結果を表３（実施例および参考例）ならびに表４（比較例）に示す。
【００３０】
［高温引張り試験］
標点間距離３０mm、直径６mmの試験片を用いて、１０５０℃で実施した。
［熱疲労試験］
直径６０mm、厚さ１０mmの円盤型試験片を、１０５０℃のアルミナ媒体流動床炉に３分間浸漬した後、速やかに１５０℃のアルミナ媒体流動床炉へ移して４分間浸漬するサイクルを５００回繰り返した後の、延べ割れ長さ。
［被削性試験］
超硬チップを取り付けた切削工具を用いてフライス加工を行ない、超硬チップの摩耗量が２００μmになるまでの切削長さ。結果は、代表的なオーステナイ系ステンレス鋳鋼であるＨＫ４０（比較例５）のデータと対比して表した。
【００３１】
【表１】
0005011622.tif 000002
0005011622.tif 000003
【００３２】
0005011622.tif 000004
【００３３】
実施例および参考例
0005011622.tif 000005
【００３４】
【表４】
比較例
0005011622.tif 000006
【００３５】
表４のデータにみる各比較例の問題は、つぎの理由による。まず比較例１は、Ｓ含有量が低すぎるために、高温引張強さは良好であるが、被削性が不十分である。比較例２は、Ｓ含有量が多過ぎるために、被削性は良好であるが、高温引張強さが十分でない。比較例３は、ＷおよびＮｂの含有量が低いために、高温引張強さが低い。一方、比較例４は、ＷおよびＮｂ含有量が多過ぎるために、高温引張強さは良好であるものの、熱疲労による割れが発生しやすい。比較例５は、ＷもＮｂも含有していないし、またＳ含有量も低いために高温引張強さが低く、かつ被削性が十分でない。比較例６は、Ｎｉ含有量が少量すぎて、高温引張強さが低く、割れも発生しやすい。比較例７も、Ｃｒ含有量が不足であるため、やはり高温引張強さと割れに関して劣っている。
【００３６】
これに対して、本発明の実施例１〜１３および参考例１〜６は、いずれも比較例にくらべて１０５０℃における高温引張強さおよび熱疲労特性にすぐれ、かつ被削性も良好であって、ＨＫ４０の被削性を基準にしたとき、２倍以上の工具寿命を示すことが確認された。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のステンレス鋳鋼は、前記した合金組成を選択したことにより、９５０℃以上においても引張強さおよび熱疲労特性がともに良好であり、さらに従来のオーステナイト系ステンレス鋳鋼に比べて約２倍またはそれ以上の被削性が得られるという、すぐれた効果を奏する。