JP2009540115A - 高温耐酸化性に優れる鋳鉄合金 - Google Patents
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Abstract
化学成分が、Ｃ：2.8〜3.6質量％、Si：2.0〜3.0質量％、Al：2.5〜4.3質量％、Ni：1.0質量％以下、Mo：0.8質量％以下、Mn：0.3質量％以下、Ce：0.002〜0.1質量％、Mg：0.023〜0.06質量％、Ｓ：0.01質量％以下、残部:Feおよび通常の不純物であり、800〜950℃の表面温度で高い酸化安定性を有する鋳鉄製品に好適な鋳鉄合金。
Description
本発明は、高い表面温度で高い耐酸化性を有する鋳鉄製品用鋳鉄合金に関する。
自動車メーカーは、新しい排気ガス排出基準に従うことが要求される。触媒コンバータは、排気ガスの温度が高いほど、より良好に動作する。パラジウムを触媒物質として白金の代わりに用いることができ、また最高排気ガス温度が、現在の850℃から950℃に上昇するであろう。これらの温度で、従来既知の鋳鉄合金は耐スケール性に問題がある。従来のフェライト系合金では、フェライト格子からオーステナイト格子への相変態が約860℃以上の温度で発生する。フェライト格子の膨張挙動は、オーステナイト格子の膨張挙動と異なる。オーステナイト格子の熱膨張係数はフェライト格子の熱膨張係数よりも大きく、またより激しく変化するため、体積変化が変態温度で発生する。この体積変化が、鋳造部品の不均一な膨張挙動と微小亀裂を引き起こす。頻繁な温度変化に曝される鋳造部品は、この不均一な膨張と亀裂により機械的な応力が負荷される。この結果、薄い酸化物層（＝スケール）が鋳造部品の表面から離れる。理想的には、長期間にわたり良好に付着し、そして酸素の拡散を阻止する薄い酸化膜を、排気ガスに曝されるターボチャージャーハウジングおよび／またはエキゾーストマニホールドの表面に形成すべきである。
特許文献１には、球状黒鉛を有するフェライト系耐熱鋳鉄が開示されている。この合金は、Ｃ：3.4質量％以下、Si：3.5〜5.5質量％、Mn：0.6質量％以下、Cr：0.1〜0.7質量％、Mo：0.3〜0.9質量％および球状黒鉛を形成する成分：0.1質量％以下を含有する。この合金は、自動車製造におけるターボチャージャーハウジングの製造に使用される。
特許文献２には、高い熱安定性を有する鋳鉄製品用合金が開示されている。この合金は、Ｃ：2.5〜2.8質量％、Si：4.7〜5.2質量％、Mo：0.5〜0.9質量％、Al：0.5〜0.9質量％、Mg：0.04質量％以下、Ｓ：0.02質量％以下、Ni：0.1〜1.0質量％、Zr：0.1〜0.4質量％、残部：Feおよび通常の不純物からなる。この合金は、自動車製造におけるエキゾーストマニホールドおよびターボチャージャーハウジングに使用される。
この従来の技術に基づき、本発明は、できるだけ高温で使用することができ、できるだけ経済的に製造することができ、また頻繁な温度変化の下で耐用期間をできるだけ長くすることを確実にする鋳鉄合金を提供することを目的とする。
この目的は、Ｃ：2.8〜3.6質量％、Si：2.0〜3.0質量％、Al：2.5〜4.3質量％、Ni：1.0質量％以下、Mo：0.8質量％以下、Mn：0.3質量％以下、Ce：0.002〜0.1質量％、Mg：0.023〜0.06質量％、Ｓ：0.01質量％以下、残部：Feおよび通常の不純物の化学成分を有し、800〜950℃の表面温度で高い耐酸化性を有する鋳鉄製品用鋳鉄合金によって達成される。
本発明の好ましい改良は、従属項で認められる。
本発明の重要な概念は、ターボチャージャーハウジングおよびエキゾーストマニホールドにおける高い耐スケーリング性を有して、動作温度をできるだけ高温にすることができ、また鋳造処理においてできるかぎり経済的、かつできるだけ簡便り製造し得る鋳鉄合金を提供することにある。より高い動作温度に対する従来の標準的な解決法は、高価な鋳鋼やオーステナイト鋳鉄の使用、又は念入りに製造した金属薄板設計品の使用にとどまっている。
鋳物部品が、作動温度で、できるだけ一様に弾性膨張することが有利である。このことは、880℃以上にある合金のフェライト相からオーステナイト相への変態温度によって達成される。また、膨張計により測定した合金試料の熱膨張が880℃まで一様かつ連続的に変化することにより達成される。さらに、25℃で８×10-6〜12×10-6/K、900℃で13.5×10-6〜15.5×10-6/Kの熱膨張率を有する合金によって達成される。これらの値は、温度に対してプロットされ、標準表示記号D5SまたはGJSA XniSiCr35-5-2を有する所謂ニレジスト合金の値よりも常に約30％低い。
鋳鉄部品が室温で脆くないことは、さらに有利である。このことは、引張強さＲｍで500〜650MPa、降伏点Ｒ0.2で470〜620MPaおよび破断伸びＡ5で2.0〜4.0の強度値を有する合金により達成される。これらの強度値は、所謂ニレジスト合金のものより約1.3〜1.5倍大きいものである。ここで提案した鋳鉄合金の延性は、860℃を超える温度に曝すことができない標準的な工業用フェライト系材料の平均値に相当する。
また、鋳造部品が容易に加工できることも有利な点である。このことは、220〜250のブリネル硬さを有する合金により達成される。
合金が、できるだけ経済的な元素からなることも有利な点である。このことは、Mo：0.8質量％未満、Cr：１質量％未満およびNi：１質量％未満を含有する合金により達成される。ニレジスト合金は、通常Ni：約30〜35質量％およびCr：約２〜５質量％を含有する。モリブデンで合金化した球状黒鉛鋳鉄合金は、通常約0.8質量％のモリブデンを含有する。
さらに、鋳造部品が熱に対しできるだけ鈍いことも有利な点である。このことは、25℃で25W/mKの熱伝導率および900℃で26W/mKの熱伝導率を有する合金の試料により達成される。ニレジスト合金は、400℃で20〜50％低い熱伝導率を有する。
Ｃ：3.02質量％、Si：2.96質量％、Al：2.53質量％、Ni：0.79質量％、Mo：0.65質量％、Mn：0.23質量％、Cu：0.04質量％、Ｐ：0.031質量％、Cr：0.026質量％、Mg：0.023質量％、Ti：0.017質量％、Ｓ：0.01質量％未満およびCe：0.002質量％の化学組成を有する自動車の燃焼エンジン用球状黒鉛鋳鉄で造られたエキゾーストマニホールドは、フェライト格子を有する。このエキゾーストマニホールドは、予めGFコンバータでマグネシウム処理した溶湯を直接鋳型に注湯して鋳造される。その後の溶体化焼き鈍しやオーステンパー処理のような長時間を要する熱処理は不要である。
マグネシウム処理は、合金の硫黄含有量に好ましい影響を与え、また黒鉛の球状化またはバーミキュラー化を確かなものにする。球状核（球状黒鉛粒子）の成長を促進するために十分な量のMgが溶湯中に残存していなければならないが、マグネシウムには脱硫効果がある。約0.025質量％のMg含有量が、本合金の約2.5質量％のAl含有量に対し理想的である。この合金の試料は、従来の匹敵し得る鋳鉄合金の密度より少なくとも５％小さい密度を有する。
2.8〜3.6質量％の炭素含有量は、共晶物に近い組成を確実にする。2.8％未満のＣ含有量は、鋳造部品の原料に好ましくない。3.6％を超えるＣ含有量は、合金の高温特性に好ましくない。
セリウムを核生成促進剤として0.002〜0.1質量％で添加する。0.1％を超えるセリウム含有量は、所謂チャンキー黒鉛の生成を招くので好ましくない。
本合金における２〜３質量％のシリコン含有量は、フェライト相の形成に対し良い効果を有し、溶湯の流動性を改善し、降伏点を上昇させ、また鋳造部品の耐熱性を改善する。２％未満のSi含有量は、チル深さに対して好ましくない。３％を超えるSi含有量は、鋳造部品の脆性を増大させる。
2.5〜4.3質量％のアルミニウム含有量は、同様にフェライト相の形成に対し良い効果を有し、窒素を中和する。2.5％未満のAl含有量は、黒鉛の安定化に対して好ましくない。4.3％を超えるAl含有量は、球状黒鉛の形成に対して好ましくない。
0.1〜１質量％のニッケル含有量は、脆性を実質的に増大させることなく降伏点を上げ、耐腐食性を改善する。0.1％未満のNi含有量は、黒鉛の安定化に対して好ましくない。１％を超えるNi含有量は、鋳造部品の薄肉部におけるベイナイト及びマルテンサイトの形成ために好ましくない。ニッケルは、比較的高価な合金元素である。
0.4〜0.8質量％のモリブデン含有量は、降伏点、熱安定性、クリープ強度ひいては熱サイクル安定性の増加に対し良い効果を有する。0.4％未満のMo含有量は、黒鉛安定化に対し好ましくない。0.8％を超えるMo含有量は、炭化物及び気泡の形成ために好ましくない。モリブデンは極めて高価な元素である。
0.3質量％以下のマンガン含有量は、硫黄との結合に対して良い効果を有する。0.3％を超えるMn含有量は、粒界炭化物の形成及び核生成状態の損傷のために好ましくない。過剰なMnは、結晶格子中にパーライトの形成を促進する。ベイナイト格子は次第に脆くなる。
１質量％以下のクロム含有量は、鋳造品のクリープ強度と熱安定性に良い効果を有する。
一般に、合金添加物のより低い含有量は、粒界炭化物の形成および室温での脆性を低減するのに好ましい。このことは、例えば、銅およびチタンの含有量の場合である。
鋳鋼と比較して、球状鋳鉄の溶融温度は約100〜200℃低い。このことは、消費されるエネルギーが少なく、蒸発により周囲に放出される合金元素が少ないことを意味する。
Claims (12)
- Ｃ：2.8〜3.6質量％、Si：2.0〜3.0質量％、Al：2.5〜4.3質量％、Ni：1.0質量％以下、Mo：0.8質量％以下、Mn：0.3質量％以下、Ce：0.002〜0.1質量％、Mg：0.023〜0.06質量％、Ｓ：0.01質量％以下、残部がFeおよび通常の不純物からなる化学成分を有し、800〜950℃の表面温度で高い耐酸化性を有する鋳鉄製品用の鋳鉄合金。
- 前記合金が、さらにNi：0.1〜1.0質量％、Mo：0.4〜0.8質量％およびCr：1.0質量％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄合金。
- 前記合金のフェライト相からオーステナイト相への変態温度が880℃以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳鉄合金。
- 膨張計によって測定した前記合金の熱膨張が880℃の温度まで均一かつ連続的に変化することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋳鉄合金。
- 前記合金が25℃で８×10-6〜12×10-6/K、900℃で13.5×10-6〜15.5×10-6/Kの熱膨張率を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋳鉄合金。
- 前記合金が引張強さＲｍで500〜650MPa、降伏点Ｒ0.2で470〜620MPa、破断伸びＡ５で2.0〜4.0の強度値を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋳鉄合金。
- 前記合金が220〜250のブリネル硬さを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の鋳鉄合金。
- 前記合金が25℃で20〜25W/mKの熱伝導率、900℃で23〜29W/mKの熱伝導率を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の鋳鉄合金。
- 前記合金が、従来の類似鋳鉄合金の密度よりも少なくとも５％小さい密度を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の鋳鉄合金。
- 前記合金が、極低硫黄合金となるようにマグネシウムコンバータで処理されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の鋳鉄合金。
- マグネシウムコンバータでの予備処理の後に、合金を鋳型に注湯し、いかなる熱処理も施さないことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の鋳鉄合金の製造方法。
- 自動車製造におけるエキゾーストマニホールドおよび／またはターボチャージャーハウジングとして用いることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の鋳鉄合金。
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