(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：２．５〜３．０重量％、Ｓｉ：２．０〜３．０重量％、Ｍｎ：０．８〜１．２重量％、Ｍｏ：０．１５〜０．４重量％、Ｃｒ：１．７〜３．０重量％、Ｎｉ：１７．０〜２０．０重量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、かつ不可避不純物はＰ：０．１重量％以下、Ｓ：０．０２重量％以下、Ｍｇ：０．０６重量％以下であって、球状化率が７５〜１００％、黒鉛サイズが１０〜７０μｍ、セメンタイト析出量が全組織中５％以下であるオーステナイト系組織を有することを特徴とする耐熱球状黒鉛鋳鉄。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱球状黒鉛鋳鉄、詳しくは、鉄を基材とし、これにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒ、およびＮｉを含み、耐熱性および高温における耐酸化性に優れる耐熱球状黒鉛鋳鉄に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車における排気マニホールド（エキゾートマニホールド）は、各気筒のポート出口から集合して一本の排気管につなぐ役目をしており、ヘッドから出る排気ガスを最も先に受ける個所に置かれているので、エンジンの出力と密接な関係を有している。
【０００３】
排気マニホールドに用いられる素材は、ＦＣＤ５０Ｍ、ＦＣＤ４５Ｆ、ＦＣＤ−ＨおよびＦＣＤ−５０ＨＳなど高温耐酸化鋳鉄（表１参照）であり、高温における物性向上と耐酸化性のために通常の球状黒鉛鋳鉄材よりＳｉ成分、Ｍｏ成分などが多く使用されている。
【０００４】
【表１】
0003752563.tif 000002
【０００５】
これら高温耐酸化鋳鉄は、排気系における温度が約６３０〜７６０℃の範囲に使用されたとき、引張り強度は約７５ＭＰａとなり、許容される使用領域の限界である。しかし、近年自動車の出力は増大傾向にあり、それに伴い排気温度は７３０〜９００℃、あるいはそれ以上と高くなり、自動車用排気系条件は益々過酷な状態になって、これまでの高温耐酸化鋳鉄では対応が難しくなっている。
【０００６】
自動車のエキ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で、従来に比べて高い温度で使用できる耐熱鋳鉄としては、例えば、鋳造性に優れたフェライト系耐熱鋳鋼およびそれからなる排気系部品を提案があり、Ｗおよび／またはＭｏ：１．０〜５．０％、Ｎｂ：０．４０〜６．０％、更にＮｉ、Ｎを組み合わせて含有させることで、通常のα相のほかにγ相からα＋炭化物に変態した相を得た〔特許文献１参照〕。これによりそれまでの高合金鋼に比べて耐熱疲労性および耐酸化性が向上し、室温における延性を損なうことなく、耐熱鋳鉄と同等の鋳造性、加工性を有する耐熱鋳鋼が得られ、耐熱熱疲労性をも向上するものである。また、さらに、Ｃ：０．０５〜１．００％、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：１６．０〜２５．０％、Ｎｂ：４．０〜２０．０％、Ｗおよび／またはＭｏ：１．０〜５．０％、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｎ：０．０１〜０．１５％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなり、Ｎｂの含有量を増加することによりフェライト基地および結晶粒界を強化し、通常のα相のほかにラーベス相（Ｆｅ２  Ｍ）を適量析出させることにより、高温強度とくにクリープ破断強度が向上できる提案がある〔特許文献２参照〕。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−１９７２０９号公報（２頁）
【特許文献２】
特開平１１−６１３４３号公報（２〜３頁、および表２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記提案では、Ｎｂのような高価な元素を用いていることから鋳鉄は高価となり、実用上から安価なものが望まれている。従って、本発明の目的は、安価な元素構成で高温における機械的物性を改善し、優れた高温強度と耐酸化性を有する新たな耐熱球状黒鉛鋳鉄を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決すべく鋭意検討の結果、鋳鉄にＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒ、およびＮｉを必須成分として特定量含み、かつ任意成分としてＰ、Ｓ、Ｍｇのそれぞれを特定量以下に抑えて加えられ、残部をＦｅとする構成により耐熱性および高温における耐酸化性に優れる鋳鉄が製造できることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は耐熱球状黒鉛鋳鉄であり、Ｃ：２．５〜３．０重量％、Ｓｉ：２．０〜３．０重量％、Ｍｎ：０．８〜１．２重量％、Ｍｏ：０．１５〜０．４重量％、Ｃｒ：１．７〜３．０重量％、Ｎｉ：１７．０〜２０．０重量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、かつ不可避不純物はＰ：０．１重量％以下、Ｓ：０．０２重量％以下、Ｍｇ：０．０６重量％以下であって、球状化率が７５〜１００％、黒鉛サイズが１０〜７０μｍ、セメンタイト析出量が全組織中５％以下であるオーステナイト系組織を有している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の耐熱球状黒鉛鋳鉄は、オーステナイト系組織を示し、その組成がＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｉで残部がＦｅ及び不可避不純物であり、かつその不可避不純物はＰ：０．１重量％以下、Ｓ：０．０２重量％以下、Ｍｇ：０．０６重量％以下である。
【００１３】
従来用いられたＦＣＤ系（表１参照）は、フェライト系組織であり、ＦＣＤ−ＨはＳｉが３．２〜３．８重量％であり、一般の鋳鉄に較べＳｉ含量が非常に高く、これによりフェライトを安定化させ、Ｍｏが添加されておらず、使用領域での内部的相変態（Ｐｈａｓｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）により材料的、寸法的変化が起きることを抑制している。この材料では、Ｓｉの含有割合が多い程高温用材料に適している。ＦＣＤ−５０ＨＳでは、ＦＣＤ−ＨよりＳｉ含有量を狭い範囲に制御して、Ｍｏを０．４〜０．６重量％を添加している。Ｓｉの下限値を高くすることで高温領域における酸化特性の向上を目的とし、さらにＭｏの添加で高温における強度の上昇および耐酸化性の向上を行っている。
【００１４】
材質の使用可能な最大温度は、耐酸化性および高温での強度の保持を考慮して判断され、本発明の実施例によれば、ＦＣＤ−Ｈの場合７３０℃以下、ＦＣＤ５０−ＨＳの場合７５０℃以下であり、耐酸化性はＦＣＤ−ＨはＣＤ５０−ＨＳに比べて３倍以上低いことが分った。
【００１５】
本発明の耐熱球状黒鉛鋳鉄は、前記の材料とは異なり、その組成がＣ：２．５〜３．０重量％、Ｓｉ：２．０〜３．０重量％、Ｍｎ：０．８〜１．２重量％、Ｍｏ：０．１５〜０．４重量％、Ｃｒ：１．７〜３．０重量％、Ｎｉ：１７．０〜２０．０重量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、かつ不可避不純物はＰ：０．１重量％以下、Ｓ：０．０２重量％以下、Ｍｇ：０．０６重量％以下である。
【００１６】
Ｃは、鋳鉄中２．５〜３．０重量％であり、黒鉛晶出及び炭化物形成に必要な成分で成形加工性や靭性など機械性質と関連した成分である。
【００１７】
Ｓｉは、鋳鉄中２．０〜３．０重量％であり、酸化抑制に作用し、強度を強める役割を果し、強度と柔軟性のバランスをよくする。
【００１８】
Ｍｎは、鋳鉄中を０．８〜１．２重量％であり、組織内部に微細に分散して強度を上げる効果がある。しかし、この範囲を超えて過度に添加されると柔軟性および耐食性が低下する。
【００１９】
Ｍｏは、鋳鉄中０．１５〜０．４重量％であり、高温における強度を上げ、耐孔食性を向上する成分である。しかし、０．４重量％を超えると靭性、柔軟性の低下をもたらす。また、高温強度、クリープ特性に非常に重要な影響を及ぼす。
【００２０】
Ｃｒは、鋳鉄中１．７〜３．０重量％であり、耐酸化性をよくする成分で、特に高温下での排気系に用いたときその材料表面に緻密なＣｒ２Ｏ３組織を形成して高温での耐酸化性を向上させる。しかし、３．０重量％を超えると、材料の強度を低下させる。
【００２１】
Ｎｉは、鋳鉄中１７．０〜２０．０重量％であり、Ｃｒと同様に材料の耐酸化性をよくし、かつ材料の高温での強度を保持させる効果がある。
【００２２】
Ｐは硬度向上効果をもつ成分であるが、０．１重量％を超えると靭性を劣化させ脆くなる。
【００２３】
Ｓは硫化物を生成して耐孔食性を劣化させる元素でもあるので、０．０２重量％を超えると好ましくない影響は著しくなる。
【００２４】
Ｍｇが０．０６重量％を超えると酸化物形成が多くなり鋳造品質に影響する。
【００２５】
本発明の組成を有する鋳鉄は、球状化率が７５〜１００％、黒鉛サイズが１０〜７０μｍ、セメンタイト析出量が最大で５％であるオーステナイト系組織を有することを確認した。この材料の使用可能な最大温度は８５０℃であって、従来ＦＣＤ−Ｈ（７３０℃以下）、ＦＣＤ５０−ＨＳ（７５０℃）に比べて非常に優れている。
【００２６】
本発明の耐熱球状黒鉛鋳鉄は、既存の排気系に用いられる材質に代えて適用可能であり、高温用鋳鉄合金素材として優れた耐熱特性と耐酸化性を示す。また、高出力エンジンの排気マニホールドに好適に使用できる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を下記実施例によってさらに詳細に説明する。但し、下記実施例は本発明を例示するためのものであり、本発明の内容がこれらに限定されるものではない。
【００２８】
〔実施例１および比較例１〜５〕
本発明の耐熱球状黒鉛鋳鉄〔Ｃ：２．７重量％、Ｓｉ：２．５重量％、Ｍｎ：１．０重量％、Ｍｏ：０．３重量％、Ｃｒ：２．３重量％、Ｎｉ：１８．５重量％、Ｐ：０．０５重量％、Ｓ：０．０２重量％、Ｍｇ：０．０５重量％で残部がＦｅよりなる組成〕および従来の耐熱鋳鉄の物性を比較した。
それぞれの鋳鉄の試験片について、７００±１４℃まで加熱した後、その温度で到達したときから１時間保持した後３００℃まで濾内で冷却した後空冷し、引張り強度、降伏強度、延伸率、硬さを通常の方法で測定した。結果を下記表２に示す。また、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて球状化率，黒鉛サイズ、基地組織、セメンタイト析出量をそれぞれ測定した。結果を表３に示す。
【００２９】
【表２】
0003752563.tif 000003
【００３０】
【表３】
0003752563.tif 000004
【００３１】
〔各温度における強度特性〕
温度を変えて、各温度における引張り強度の測定結果を表４および図１に示した。
【００３２】
【表４】
0003752563.tif 000005
【００３３】
表４および図１によれば、比較例１〜５の耐熱黒鉛鋳鉄は約７３０〜７５０℃付近で引張り強度７５ＭＰａであり、自動車排気系の条件が約７３０〜９００℃になると満足すべき値ではない。これに対し、本発明（実施例）の耐熱球状黒鉛鋳鉄は、低温においては比較に示した鋳鉄より引張り強度が低いが、高温では逆転し、比較に示した鋳鉄より高い値を示している。
【００３４】
〔高温における耐酸化性〕
前記実施例および比較例１〜５の高温領域における耐酸化性を測定するために試験片を直径５ｍｍ×長さ１０ｍｍの円柱形状にし、試験炉で７６０℃で加熱し、５０時間ごとに２００時間まで段階別に大気中で酸化させながら、時間による試験片の酸化増加量を計算した。結果を下記表５および図２に示す。
【００３５】
【表５】
0003752563.tif 000006
【００３６】
表５および図２によれば、比較例１（ＦＣＤ５０Ｍ）では、他の比較例２〜５および実施例に比べて耐酸化性の劣化が実験初期から加速化されている。酸化量は、実施例に比べて最大４．５倍、平均約３倍であり、これは低いＳｉ成分とＭｏ成分が添加されていないために高温耐酸化性および強度の低下を示す要因であると推定される。実施例は、耐熱特性および耐酸化性にすべて優れている。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の耐熱球状黒鉛鋳鉄は、耐熱性に優れ、特に高温における耐酸化性、、機械的物性に優れているので、苛酷な条件で作動される自動車排気系の排気マニホールドなどの用途に好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施例および比較例の温度による引張り強度の変化を示すグラフである。
【図２】本発明に係る実施例および比較例の耐酸化性を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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