JP2002371335A

JP2002371335A - 耐酸化性に優れた排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄

Info

Publication number: JP2002371335A
Application number: JP2001184474A
Authority: JP
Inventors: Shiyoushiyoku Chiyou; 鐘植張; Norihiro Akita; 憲宏秋田
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2002-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】高温の使用条件下における酸化を抑制して、そ
の酸化に起因する肉厚の増加量を抑制することの可能な
耐酸化性に優れた排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄を提
供する。【解決手段】耐酸化性に優れた排気系部品用の耐熱球状
黒鉛鋳鉄は、２．５〜４．１重量％のＣ、３．４〜５．
０重量％のＳｉ、１．０重量％以下のＭｎ、０．１重量
％以下のＰ、０．０１重量％以下のＳ、０．０２〜０．
１０重量％のＭｇ、０．１〜１．５重量％のＭｏ、０．
５〜２．０重量％のＮｉを含有し、残部がＦｅ及び不可
避不純物からなり、基地組織がフェライト相主体であ
る。この耐熱球状黒鉛鋳鉄は、高ケイ素球状黒鉛鋳鉄に
微量のニッケルを含有させることで得られるものであ
り、高温使用条件下における酸化が抑制されて、その酸
化に起因した肉厚増加量も大幅に減少されるようにな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温の使用条件下
で優れた耐酸化性を有する排気系部品用の耐熱球状黒鉛
鋳鉄に関し、例えば自動車の排気系部品であるタービン
ハウジングやエキゾーストマニホルド等に好適に利用で
きる。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、耐酸化性に優れた排気系
部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄として、ニッケル（Ｎｉ）を
多量に含有したオーステナイト系の高ニッケル球状黒鉛
鋳鉄（ニレジスト）が一般に多用されている。しかし、
このような高ニッケル球状黒鉛鋳鉄では、高価なニッケ
ルを２０〜３５重量％程度含有しているため、コスト的
に問題が生じることとなっていた。

【０００３】そこで従来、耐酸化性に優れた安価な排気
系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄として、基地組織をフェラ
イト相主体とした高ケイ素球状黒鉛鋳鉄が注目されるよ
うになってきた。この高ケイ素球状黒鉛鋳鉄は、一般的
な球状黒鉛鋳鉄のケイ素含有量（例えば２．５重量％程
度）を高めて３．５〜５．５重量％程度に設定したもの
である。

【０００４】ところで、上述したような耐酸化性に優れ
た排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄は、高温（例えば８
００℃）の過酷条件下で使用される自動車排気系部品の
ターボチャージャのタービンハウジングやエキゾースト
マニホルド等の材料として採用される場合がある。ここ
で、ターボチャージャは、タービンハウジング内を流通
する排気ガスをタービンブレードに当てることによって
タービンを回転させ、そのタービンを介してエアコンプ
レッサを駆動させることで吸気（吸入空気）を圧縮し、
その圧縮した高密度の吸気をエンジンに供給することに
よってエンジンの出力を高めるようにしたものである。
このターボチャージャにおいて、タービンハウジングの
内周面とタービンブレードとの間には微小なクリアラン
ス（例えば０．５ｍｍ）が設定されており、このクリア
ランスにより、タービンの機能が十分に発揮されるよう
になっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術に係る排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄（高
ケイ素球状黒鉛鋳鉄）では、高温の使用条件下における
酸化抑制が十分でなく、その酸化に起因した肉厚の増加
量が過大となってしまうおそれがあった。特に、従来技
術に係る排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄にてタービン
ハウジングを形成した場合において、酸化に起因したタ
ービンハウジングの肉厚の増加量が過大になると（例え
ば０．５ｍｍ以上になると）、タービンハウジングの内
周面とタービンブレードとが干渉してタービンが回転不
能に陥り、タービン、ひいてはターボチャージャの機能
が発揮できなくなってしまうおそれがある。また、従来
技術に係る排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄からなるタ
ービンハウジングやエキゾーストマニホルドの酸化に起
因した肉厚の過大増加により、タービンハウジングやエ
キゾーストマニホルドの内部を流通する排気ガスの流通
状態等に悪影響を及ぼすおそれもあった。

【０００６】本発明は、上述した実情に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、高温での使用条件下における
酸化を抑制して、その酸化に起因する肉厚の増加量を抑
制することの可能な耐酸化性に優れた排気系部品用の耐
熱球状黒鉛鋳鉄を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上述した
実情に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、高ケイ素球状黒鉛
鋳鉄に対して微量のニッケルを含有させることで、高温
での使用条件下における酸化抑制効果が従来技術に係る
高ケイ素球状黒鉛鋳鉄のものよりも大幅に向上するとい
うことを見出し、本発明の耐酸化性に優れた排気系部品
用の耐熱球状黒鉛鋳鉄を完成するに至った。

【０００８】すなわち、請求項１に記載の発明の耐酸化
性に優れた排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄は、２．５
〜４．１重量％のＣ、３．４〜５．０重量％のＳｉ、
１．０重量％以下のＭｎ、０．１重量％以下のＰ、０．
０１重量％以下のＳ、０．０２〜０．１０重量％のＭ
ｇ、０．１〜１．５重量％のＭｏ、０．５〜２．０重量
％のＮｉを含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からな
り、基地組織がフェライト相主体であることをその要旨
としている。

【０００９】ここで、Ｃを２．５〜４．１重量％となる
ように設定したのは、Ｃが２．５重量％未満の場合で
は、Ｃが黒鉛化しにくくなると共に、湯流れ性（溶湯の
流動性）が悪くなってしまうおそれがあり、Ｃが４．１
重量％を超える場合では、ＣＥ値（Ｃ＋１／３Ｓｉ）が
高くなってドロスが生成し易くなってしまうおそれがあ
るからである。

【００１０】また、Ｓｉを３．４〜５．０重量％となる
ように設定したのは、Ｓｉが３．４重量％未満の場合で
は、排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄における耐熱性が
不十分となってしまうおそれがあり、Ｓｉが５．０重量
％を超える場合では、基地組織のフェライト相が脆くな
って排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄に割れ等が生じて
しまうおそれがあるからである。

【００１１】更に、Ｍｎを１．０重量％以下に設定した
のは、Ｍｎが１．０重量％より多くなると、排気系部品
用の耐熱球状黒鉛鋳鉄中にパーライト相が多量に生成し
てしまうおそれがあるからである。

【００１２】また、Ｐを０．１重量％以下に設定したの
は、Ｐが０．１重量％より多くなると、ステダイトが生
成して脆くなってしまうおそれがあり、Ｓを０・０１重
量％以下に設定したのは、Ｓが０．０１重量％より多く
なると、黒鉛球状化率が悪くなって靭性が悪化してしま
うおそれがあるからである。

【００１３】加えて、Ｍｇを０．０２〜０．１０重量％
となるように設定したのは、Ｍｇが０．０２重量％未満
の場合では、黒鉛球状化率が悪くなって靭性が悪化して
しまうおそれがあり、Ｍｇが０．１０重量％を超える場
合では、ピンホール等の鋳造欠陥が生じ易くなってしま
うおそれがあるからである。

【００１４】また、Ｍｏを０．１〜１．５重量％となる
ように設定したのは、Ｍｏが０．１重量％未満の場合、
排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄における耐熱性が不十
分となってしまうおそれがあり、Ｍｏが１．５重量％を
超える場合、Ｍｏ炭化物が生成して靭性が悪化してしま
うおそれがあるからである。

【００１５】更に、Ｎｉを０．５〜２．０重量％となる
ように設定したのは、Ｎｉが０．５重量％未満の場合で
は、排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄の高温での使用条
件下における酸化抑制効果が小さくなってしまうおそれ
があり、Ｎｉが２．０重量％を超える場合では、フェラ
イト相以外の組織が生成し易くなると共に、コストが増
大してしまうおそれがあるからである。

【００１６】上記請求項１に記載の発明によれば、前記
所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｉを
含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、基地組
織がフェライト相主体となっている排気系部品用の耐熱
球状黒鉛鋳鉄であるため、その耐熱球状黒鉛鋳鉄の高温
での使用条件下における酸化が抑制されて、その酸化に
起因する耐熱球状黒鉛鋳鉄の肉厚の増加量が抑制され
る。

【００１７】また、請求項１に記載の耐酸化性に優れた
排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄にてターボチャージャ
のタービンハウジングを形成した場合は、酸化に起因し
たタービンハウジングの肉厚の増加量が抑制されるた
め、タービンの回転時にタービンハウジングの内周面と
タービンブレードとが干渉することはなくなり、タービ
ン、ひいてはターボチャージャの機能が十分に発揮され
るようになる。

【００１８】更に、排気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄に
おける耐酸化性の向上により、その耐熱球状黒鉛鋳鉄を
タービンハウジングやエキゾーストマニホルドの材料と
して採用した場合は、従来技術の場合と異なり、タービ
ンハウジングやエキゾーストマニホルドの内部を流通す
る排気ガスの流通状態等に悪影響を及ぼすおそれも少な
くなる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明に係る耐酸化性に優れた排
気系部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄の成分としては、主成分
の鉄（Ｆｅ）、２．５〜４．１重量％の炭素（Ｃ）、
３．４〜５．０重量％のケイ素（Ｓｉ）、１．０重量％
以下のマンガン（Ｍｎ）、０．１重量％以下のリン
（Ｐ）、０．０１重量％以下の硫黄（Ｓ）、０．０２〜
０．１０重量％のマグネシウム（Ｍｇ）、０．１〜１．
５重量％のモリブデン（Ｍｏ）、０．５〜２．０重量％
のニッケル（Ｎｉ）、極少量の不可避不純物が挙げられ
る。この耐熱球状黒鉛鋳鉄中のＭｇは、球状化剤（鋳鉄
中の黒鉛を球状に晶出させるための添加剤）として用い
られたものである。

【００２０】また、耐熱球状黒鉛鋳鉄中において、３．
０〜３．６重量％のＣ、４．０〜４．６重量％のＳｉ、
０．１〜１．０重量％のＭｏ、０．６〜１．８重量％の
Ｎｉを含有していることが好ましい。特に、耐熱球状黒
鉛鋳鉄中のニッケルの含有量は、０．７〜１．５重量
％、０．８〜１．３重量％がより好ましく、０．９〜
１．２重量％、１．０〜１．１重量％が更に好ましい。

【００２１】本発明に係る耐熱球状黒鉛鋳鉄では、その
基地組織をフェライト相主体とし、従来技術に係る高ケ
イ素球状黒鉛鋳鉄に微量（上記所定量）のニッケルを含
有させることで、本発明に係る耐酸化性に優れた排気系
部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄を得ることができる。この耐
熱球状黒鉛鋳鉄は、８００℃の高温使用条件下に耐え得
る耐熱性を有しており、自動車の排気系部品であるター
ボチャージャのタービンハウジングやエキゾーストマニ
ホルドの材料として採用可能である。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を更に具体化した実施例、並び
に、従来技術に係る比較例１及び比較例２について説明
する。

【００２３】まず、鋳造することにより、表１に示した
所定量の化学成分を含有する３種類の排気系部品用の耐
熱球状黒鉛鋳鉄を得た。なお、表１には化学成分として
明示しないが、耐熱球状黒鉛鋳鉄は、その主成分である
Ｆｅを含有していることは言うまでもない。得られた耐
熱球状黒鉛鋳鉄を縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×肉厚５ｍｍ
にそれぞれ加工して、実施例，比較例１，比較例２のテ
ストピースとした。実施例のテストピースは、本発明に
係る耐熱球状黒鉛鋳鉄であり、比較例１及び比較例２の
テストピースは、従来技術に係る耐熱球状黒鉛鋳鉄（高
ケイ素球状黒鉛鋳鉄）である。

【００２４】そして、各テストピースの黒鉛球状化率及
びパーライト率を調査し、その結果を表１に示した。表
１における「球状化率」とは、黒鉛球状化率のことであ
り、耐熱球状黒鉛鋳鉄中の黒鉛の球状化を定量的に表示
する数値である。すなわち、この球状化率の数値が高け
れば高いほど、耐熱球状黒鉛鋳鉄中の黒鉛が球状化して
いる度合が大きいことを表している。また、表１におけ
る「パーライト率」は、黒鉛を除く基地組織全体の面積
を１００％としたときにパーライト相がその組織に占め
る割合を示し、組織の残部はフェライト相となる。従っ
て、パーライト率が小さければ小さいほど、基地組織に
はフェライト相が多く存在していることになる。

【００２５】表１に示すように、実施例において、黒鉛
球状化率は８２％であり、パーライト率は１４％であっ
た。また、比較例１において、黒鉛球状化率は８２％で
あり、パーライト率は７％であった。更に、比較例２に
おいて、黒鉛球状化率は８４％であり、パーライト率は
６％であった。以上のことから、本実施例の耐熱球状黒
鉛鋳鉄は、比較例のものと比較して、若干パーライト率
が高く、黒鉛球状化率が略同等であることがわかるが、
基地組織をフェライト相主体とし、黒鉛が球状化してい
ることに違いはない。

【００２６】また、各テストピースの組織を観察するた
めに各テストピースの顕微鏡写真（倍率：１００倍）を
撮影し、それらの顕微鏡写真を図２〜図４に示した。図
２は実施例の顕微鏡写真、図３は比較例１の顕微鏡写
真、図４は比較例２の顕微鏡写真を示している。図２〜
図４に示した顕微鏡写真において、黒色球状部分は黒
鉛、灰色部分はフェライト相、縞状黒色部分はパーライ
ト相を表している。図２〜図４及び表１から、本実施
例，比較例１，比較例２の３種類の耐熱球状黒鉛鋳鉄に
おいては、基地組織をフェライト相主体とし、黒鉛が球
状化しているということを確認できた。

【００２７】

【表1】

【００２８】そして、実施例，比較例１，比較例２の各
テストピースを８００℃の温度で空気中にて加熱すると
共に、その温度で１００時間保持して酸化試験を行っ
た。その後、各テストピースを室温まで放冷してから、
各テストピースの肉厚増加量を調査した。その結果を図
１に示した。

【００２９】図１に示すように、本実施例のテストピー
スの肉厚増加量は、０．０９ｍｍであり、比較例１のテ
ストピースの肉厚増加量は、０．５２ｍｍであり、比較
例２のテストピースの肉厚増加量は、０．４３ｍｍであ
った。実施例と比較例１及び比較例２との比較から、本
実施例のテストピースの肉厚増加量が大幅に減少してい
るということを確認できた。つまり、本実施例の高温使
用条件下における酸化抑制効果は、比較例１及び比較例
２の高温使用条件下における酸化抑制効果よりも大幅に
向上していると言える。

【００３０】また、実施例と比較例２とを比較した場
合、両者の化学成分の大きな違いは、ニッケルを含有し
ているかどうかの違いによるものであるため、比較例２
の高ケイ素球状黒鉛鋳鉄に微量（本実施例では０．９９
重量％）のニッケルを含有させるだけで、高温使用条件
下における酸化抑制効果が大幅に向上するということも
確認できた。

【００３１】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、排気系
部品用の耐熱球状黒鉛鋳鉄の高温での使用条件下におけ
る酸化を抑制できて、その酸化に起因する耐熱球状黒鉛
鋳鉄の肉厚の増加量を抑制することができる。また、本
発明の耐酸化性に優れた耐熱球状黒鉛鋳鉄にてターボチ
ャージャのタービンハウジングを形成した場合は、酸化
に起因したタービンハウジングの肉厚の増加量を抑制で
きるため、タービンの回転時におけるタービンハウジン
グの内周面とタービンブレードとの干渉を防止できて、
タービン、ひいてはターボチャージャの機能を十分に発
揮させることができるようになる。更に、本発明の耐熱
球状黒鉛鋳鉄における耐酸化性の向上により、その耐熱
球状黒鉛鋳鉄をタービンハウジングやエキゾーストマニ
ホルドの材料として採用した場合は、従来技術の場合と
異なり、タービンハウジングやエキゾーストマニホルド
の内部を流通する排気ガスの流通状態等に悪影響を及ぼ
すおそれを少なくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例、従来技術に係る比較例
１，比較例２の各テストピースの加熱保持後における肉
厚増加量（ｍｍ）を示すグラフである。

【図２】本発明に係る実施例の耐熱球状黒鉛鋳鉄を示す
顕微鏡写真（倍率：１００倍）である。

【図３】従来技術に係る比較例１の耐熱球状黒鉛鋳鉄を
示す顕微鏡写真（倍率：１００倍）である。

【図４】従来技術に係る比較例２の耐熱球状黒鉛鋳鉄を
示す顕微鏡写真（倍率：１００倍）である。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年６月２０日（２００１．６．２
０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２．５〜４．１重量％のＣ、３．４〜
５．０重量％のＳｉ、１．０重量％以下のＭｎ、０．１
重量％以下のＰ、０．０１重量％以下のＳ、０．０２〜
０．１０重量％のＭｇ、０．１〜１．５重量％のＭｏ、
０．５〜２．０重量％のＮｉを含有し、残部がＦｅ及び
不可避不純物からなり、基地組織がフェライト相主体で
あることを特徴とする耐酸化性に優れた排気系部品用の
耐熱球状黒鉛鋳鉄。