オーステナイト系耐熱鋳鋼
【課題】低Ｎｉ化を図りながら、安定したオーステナイト相を得ることができ、それにより、高温強度と靱性の両立を可能としたオーステナイト系耐熱鋳鋼を提供する。
【解決手段】鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼であって、全体を１００質量％（以下、単に「％」と表示する。）としたときに、炭素（Ｃ）：０．４〜０．８％、ケイ素（Ｓｉ）：３．０％以下、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０５％以下、硫黄（Ｓ）：０．０３〜０．２％、クロム（Ｃｒ）：１８〜２３％、ニッケル（Ｎｉ）：３．０〜８．０％、窒素（Ｎ）：０．０５〜０．４％を含有すると共に、炭素（Ｃ）に対するクロム（Ｃｒ）の割合を２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲とする。また、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびニオブ（Ｎｂ）の１種または２種以上を合計で０．２％未満含有するようにする。
【解決手段】鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼であって、全体を１００質量％（以下、単に「％」と表示する。）としたときに、炭素（Ｃ）：０．４〜０．８％、ケイ素（Ｓｉ）：３．０％以下、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０５％以下、硫黄（Ｓ）：０．０３〜０．２％、クロム（Ｃｒ）：１８〜２３％、ニッケル（Ｎｉ）：３．０〜８．０％、窒素（Ｎ）：０．０５〜０．４％を含有すると共に、炭素（Ｃ）に対するクロム（Ｃｒ）の割合を２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲とする。また、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびニオブ（Ｎｂ）の１種または２種以上を合計で０．２％未満含有するようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はオーステナイト系耐熱鋳鋼に関し、特に、熱疲労特性に優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系耐熱鋳鋼において、例えば９５０℃以上での優れた熱疲労特性を備えるには、高温強度特性に優れることと、常温から高温までの靱性に優れることが必要であり、その課題を解決するための耐熱鋳鋼が、特許文献１や特許文献２などに記載されており、特許文献１には、全体を１００質量％としたときに、炭素（Ｃ）：０．５〜１．５％、ケイ素（Ｓｉ）：０．０１〜２％、マンガン（Ｍｎ）：３〜２０％、リン（Ｐ）：０．０３〜０．２％、ニッケル（Ｎｉ）：３〜２０％、クロム（Ｃｒ）：１０〜２５％、ニオブ（Ｎｂ）：０．５〜４％およびアルミニウム（Ａｌ）：０．１％以下を含有すると共にモリブデン（Ｍｏ）とタングステン（Ｗ）の１種または２種を合計で１．５〜６％含有し、残部が主として鉄（Ｆｅ）からなる耐熱鋳鋼が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２６９９７９号公報
【特許文献２】特開２００２−１９４５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｃは高温強度の向上と鋳造性の改善に有効であり、またオーステナイト相安定化元素として作用することも知られている。Ｃｒは高温強度の改善に有効であるが、多量に添加すると靱性が低下することも知られている。さらに、ＮｉはＣｒと共存することにより高温強度の向上に寄与し、オーステナイト相を安定化させることも知られている。そのような観点から、従来のＦｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼では、Ｃを０．３〜０．８％程度、Ｃｒを１０〜２５％程度、Ｎｉを１０〜２１％程度を含有したものが多く用いられており、ＪＩＳ規格でも、ＳＣＨ１２、ＳＣＨ２２などとして規定されている。
【０００５】
近年、Ｎｉはますます稀少元素となりつつあり、コストも高騰してきている。そのために、オーステナイト系耐熱鋳鋼においても低Ｎｉ化が求められる傾向にあるが、Ｎｉ含有量が低くなると基地組織が均一なオーステナイト相が得られず、高温強度が低下するので、高温強度特性を維持しながら低Ｎｉ化することは容易でない。強度向上の点からは、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂなどの元素を添加することが有効であるが、これらの元素は靱性を低下させる傾向にあり、高温強度と靱性の両立は困難であって、実際的な解決策とはならない。
【０００６】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、低Ｎｉ化を図りながら、安定したオーステナイト相を得ることができ、それにより、高温強度と靱性の両立を可能としたオーステナイト系耐熱鋳鋼を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは多くの実験と研究を鋭意行うことにより、鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、（ａ）Ｎｉ代替元素であるＣ、ＭｎおよびＮを所定量添加することで、Ｎｉ添加量を少なくしてもオーステナイト相の安定化が可能であること、（ｂ）Ｃ、ＮおよびＣｒを適量添加することで高温強度の確保が可能なこと、（ｃ）Ｃ−Ｃｒ比を適正な範囲とすることで、基地組織へのＣｒの固溶量を確保することができ、所要の高温強度特性を得ることができること、を知見した。さらに、（ｄ）炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の添加量を一定値未満とすることにより、オーステナイト粒界に炭化物が析出することによる靱性低下を阻止できることを知見した。本発明は、上記の知見に基づくものである。
【０００８】
すなわち、本発明による鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼は、全体を１００質量％（以下、本明細書では、単に「％」と記載する。）としたときに、炭素（Ｃ）：０．４〜０．８％、ケイ素（Ｓｉ）：３．０％以下、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０５％以下、硫黄（Ｓ）：０．０３〜０．２％、クロム（Ｃｒ）：１８〜２３％、ニッケル（Ｎｉ）：３．０〜８．０％、窒素（Ｎ）：０．０５〜０．４％を含有すると共に、炭素（Ｃ）に対するクロム（Ｃｒ）の割合が、２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲であることを特徴とする。
【０００９】
上記の本発明によるＦｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼は、Ｎｉの量が３．０〜８．０％の範囲であるため、現在一般に使用されているオーステナイト系耐熱鋳鋼と比較して低コストが図れる。また、従来はＮｉ量が１３％程度以下ではオーステナイト相の安定化が図れなかったが、Ｎｉ当量（Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ％＋０．３Ｃ％＋０．５Ｍｎ％＋２６（Ｎ％−０．０２）＋２．７７）から計算される量のＣ、ＭｎおよびＮを添加したことにより、従来材と同等以上の高強度が得られる。さらに、Ｃに対するＣｒの割合を２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲に設定したことにより、オーステナイト基地組織へのＣｒの所要の固溶量を確保することができ、それによって所要の高温強度特性を確保することができる。
【００１０】
本発明によるＦｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、好ましくは、炭化物生成元素であるＶ、Ｍｏ、ＷおよびＮｂを含まないか、含む場合でも、含有量は、その１種または２種を合計で０．２％未満である。
【００１１】
基地組織であるオーステナイト相へのＣｒの固溶量はＣ量により変化する。一方、炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の含有は、オーステナイト粒界に炭化物が析出することによる靱性の低下と、オーステナイト相中のＣ固溶量低下によるＣｒ固溶量の低下に伴う強度低下を生じさせる。本発明によるオーステナイト系耐熱鋳鋼において、前記のように、Ｃに対するＣｒの割合を２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲とし、かつ、炭化物生成元素であるＶ、Ｍｏ、ＷおよびＮｂを含まないか、含む場合でも、その１種または２種以上を合計で０．２％未満とすることにより、上記の不都合は解消される。
【００１２】
本発明によるオーステナイト系耐熱鋳鋼において、各成分の範囲を上記のように限定した理由は次のとおりであり、後に示す実施例によって、それの値はより具体的に説明される。
【００１３】
Ｃ：Ｃは、オーステナイト安定化元素として作用すると共に、高温強度の向上と鋳造性の改善に有効である。しかし、０．４％未満ではその効果が少なく、０．８％を超えると靱性が低下する。
【００１４】
Ｓｉ：Ｓｉは、耐酸化性と鋳造性の改善に有効であるが、３％を超えると靱性が低下する。
【００１５】
Ｍｎ：Ｍｎは、オーステナイト安定化元素である。本発明においては、Ｎｉ含有量が、従来の１３％程度から３．０〜８．０％に低減したので、前記したＮｉ当量（Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ％＋０．３Ｃ％＋０．５Ｍｎ％＋２６（Ｎ％−０．０２）＋２．７７）から、０．５〜２．０％の添加が必要となる。２％を超えると、９５０℃引張強度が低下する。
【００１６】
Ｐ、Ｓ：これらの元素は多量に添加すると加熱冷却の繰り返しによる熱劣化が発生しやすくなり、靱性も低下するため、Ｐの上限値を０．０５％、Ｓの上限値を０．２％とした。また、ＳについてはＭｎと化合してＭｎＳ化合物を生成することで切削性が向上するが、０．０３％未満ではその効果が十分でないために、下限値を０．０３％とした。
【００１７】
Ｃｒ：Ｃｒは、高温強度の改善に有効であるが、１８％未満ではその効果が十分でない。一方、多量に添加すると靱性が低下するために、上限を２３％とした。
【００１８】
Ｎｉ：ＮｉはＣｒと共存することにより高温強度の向上に寄与し、オーステナイト相を安定化する。従来の鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼では、１３％未満でその効果が十分でなくなるが、本発明では、前記したように、Ｎｉ当量（Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ％＋０．３Ｃ％＋０．５Ｍｎ％＋２６（Ｎ％−０．０２）＋２．７７）から計算される量のＣ、ＭｎおよびＮを添加したことにより、３．０〜８．０％の範囲でＮｉを添加することで、従来材と同等以上の高温強度を備えた耐熱鋳鋼が得られる。
【００１９】
Ｎ：Ｎは、高温強度の向上とオーステナイト相の安定化、組織の微細化に有効である。しかし、０．０５％未満ではその効果は十分でなく、０．４％を超える添加は歩留まりが極端に低下して、ガス欠陥の原因となる。
【００２０】
Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ：添加により靱性が低下し、高拘束時の熱疲労特性を低下させるため、含有量の合計でを０．２％未満とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、低Ｎｉ化を図りながら、基地組織中に安定したオーステナイト相を得ることができ、それにより、高温強度と靱性の両立を可能としたオーステナイト系耐熱鋳鋼が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明材と比較材での熱疲労試験の結果を示すグラフ。
【図２】本発明材と比較材での常温から高温までの引張試験の結果を示すグラフ。
【図３】本発明材と比較材の各試材のＣｒ／Ｃの値と破断回数（ｎ）の関係を、Ｃｒ／Ｃの値を横軸に、破断回数（ｎ）を縦軸としてプロットしたグラフ。
【図４】本発明材と比較材でのＣ含有量と湯流れ長さの関係を示すグラフ。
【図５】本発明材と比較材でのＣ含有量と常温での伸びの関係を示すグラフ。
【図６】本発明材と比較材でのＳｉ含有量と常温での伸びの関係を示すグラフ。
【図７】本発明材と比較材でのＭｎ含有量と９５０℃での引張強さの関係を示すグラフ。
【図８】本発明材と比較材でのＳ含有量と熱疲労寿命（破断回数（ｎ））との関係を示すグラフ。
【図９】本発明材と比較材でのＳ含有量と刃具寿命を示すグラフ。
【図１０】本発明材と比較材でのＰ含有量と常温での伸びの関係を示すグラフ。
【図１１】本発明材と比較材でのＣｒ含有量と９５０℃での引張強さの関係を示すグラフ。
【図１２】本発明材と比較材でのＣｒ含有量と９５０℃での伸びの関係を示すグラフ。
【図１３】本発明材と比較材でのＮ含有量と９５０℃での引張強さの関係を示すグラフ。
【図１４】本発明材と比較材でのＮ含有量とその歩留まりの関係を示すグラフ。
【図１５】本発明材と比較材でのＮｉの含有量の違いと９５０℃での引張強さの関係を示すグラフ。
【図１６】本発明材と比較材での炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の含有量と熱疲労寿命（破断回数（ｎ））の関係を示すグラフ。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例と比較例により、本発明をより具体的に説明する。
［実施例１］
表１に示す組成を持つ、Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼の各試材（本発明材１、比較材１、２）を鋳造により得た。鋳造は、５０ｋｇ高周波誘導炉を用いて大気溶解を行い、Ｆｅ−Ｓｉ（７５重量％）により脱酸処理を行った。なお、比較材１はＪＩＳ規定のＳＣＨ１２相当、比較材２はＪＩＳ規定のＳＣＨ２２相当の一般材である。
【００２４】
本発明材１および比較材１、２について、熱疲労試験を行った。その結果を図１に示した。この熱疲労試験は、電気−油圧サーボ式の熱疲労試験機により、試験片（標点距離：１５ｍｍ、標点径：φ８ｍｍ）を用い、上限・下限温度の中央となる温度からの加熱による試験片の熱膨張伸びを１００％拘束率（機械的に完全拘束させた状態）で、１サイクル９分とする加熱冷却サイクル（下限温度：２００℃、上限温度９５０℃）を繰り返し、試験片が完全切断するまでの繰り返し数によって熱疲労特性を評価した。
【００２５】
また、常温から高温までの引張試験を行った。試験はＪＩＳＺ２２４１およびＪＩＳＧ０５６７の規定に準拠し、常温、２００℃、４００℃、６００℃、７００℃、８００℃、９００℃、から９５０℃の各温度で行い、その結果を図２に示した。
【００２６】
【表１】
【００２７】
［評価］
図１から、本発明材１と比較材１、２を比較すると、本発明材１は熱疲労特性が著しく向上しているのがわかる。また、図２から、引張強さについては、本発明材１は、比較材１、２よりＮｉ含有量が低いが、オーステナイト相安定元素であるＣ、Ｍｎ、Ｎが合計で１．９３％含まれており、それがオーステナイト相を安定化させるために、１０％Ｎｉを含有する比較材１よりも優れており、２１％Ｎｉを含有する比較材２と同等となっている。また、図２から、本発明材１と比較材１、２を比較すると、本発明材１は伸びが向上しているのがわかる。すなわち、本発明材１では、引張強さと靱性を両立することで熱疲労特性が向上している。
【００２８】
［実施例２］（Ｃｒ／Ｃの範囲および炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の含有範囲についての実施例）
Ｃｒ／Ｃの範囲と、炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の含有範囲について、検証した。実施例１と同様にして、表２に示す組成を持つ各試材（本発明材１〜８、比較材１〜８）を鋳造により得た。各試材について、実施例１と同様にして熱疲労試験を行い、破断までの回数を表２に破断回数（ｎ）として示した。また、図３には、Ｃｒ／Ｃの値を横軸に、破断回数（ｎ）を縦軸として、各試材をプロットした。なお、図３において、本発１〜８は本発明材１〜８を示し、比１〜８は比較材１〜８を示す。また、表２において、本発明材１および比較材１、２は、表１に示したと同じ試材である。
【００２９】
【表２】
【００３０】
［評価］
表２および図３に示すように、Ｃｒ／Ｃ比が２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲である本発明材１〜８は、破断回数が１４２以上であり、比較材１〜８を大きく上回っている。このことから、本発明材１〜８は、比較材１〜８と比較して、熱疲労特性が著しく向上しているのがわかる。また、比較材５〜８は、Ｃｒ／Ｃ比は本発明の範囲であるが、炭化物生成元素であるＶ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂのいずれかを０．２％含むために、靱性が低下したことで、熱疲労特性が本発明材と比較して劣っている。
【００３１】
［実施例３］（Ｃの含有量についての実施例）
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｃは高温強度の向上と鋳造性の向上に有効であることが知られている。そこで、本発明において、Ｃ含有量が０．４〜０．８％の範囲が適切であることの検証を行った。実施例１と同様にして、表３に示す組成を持つ各試材（本発明材９〜１１、比較材９、１０）を鋳造により得た。各試材について、湯流れ性を評価する断面形状（９×７ｍｍ）の渦巻き試験片に注湯温度１５００℃で鋳造した。その結果を、図４に、Ｃ含有量を横軸とし、湯流れ長さを縦軸として示した。
【００３２】
【表３】
【００３３】
さらに、実施例１と同様にして、表４に示す組成を持つ各試材（本発明材１．１２、１３、比較材１１、１２）を鋳造により得た。各試材について、常温でＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠した引張試験を行った。その結果を、図５に、Ｃ含有量を横軸とし、伸び（％）を縦軸として示した。なお、表４において、本発明材１は、実施例１でのものと同じ試材である。
【００３４】
【表４】
【００３５】
［評価］
図４に示されるように、Ｃ含有量が０．４％未満では湯流れ長さが急激に低下しており、鋳造性が悪くなることがわかる。また、図５に示されるように、Ｃ含有量が０．８％を超えると伸びが著しく低下しているのがわかる。これにより、本発明において、Ｃが０．４〜０．８％の範囲が適切であることが検証される。
【００３６】
［実施例４］（Ｓｉの含有量についての実施例）
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｓｉは、耐酸化性と鋳造性の改善に有効であるが、含有量が大きくなると靱性が低下することが知られている。そこで、本発明において、Ｓｉ含有量は０．３％以下であることが適切であることの検証を行った。実施例１と同様にして、表５に示す組成を持つ各試材（本発明材１、１４、１５、比較材１３）を鋳造により得た。各試材について、常温でＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠した引張試験を行った。その結果を、図６に、Ｓｉ含有量を横軸とし、伸び（％）を縦軸として示した。なお、表５において、本発明材１は、実施例１でのものと同じ試材である。
【００３７】
【表５】
【００３８】
［評価］
図６に示されるように、Ｓｉ含有量が増すと共に伸びが低下しており、３％を超えると著しく低下している。これにより、本発明において、Ｓｉ含有量が０．３％以下であることが適切であることが検証される。
【００３９】
［実施例５］（Ｍｎの含有量についての実施例）
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｍｎはオーステナイト安定化元素として有効に機能するが、所要量を超えると引張強度が低下することが知られている。そこで、本発明において、Ｍｎ含有量は２．０％未満が適切であることの検証を行った。実施例１と同様にして、表６に示す組成を持つ各試材（本発明材１、１６、１７、比較材１４）を鋳造により得た。各試材について、ＪＩＳＧ０５６７の規定に準拠した９５０℃での引張試験を行った。その結果を、図７に、Ｍｎ含有量を横軸とし、９５０℃引張強さ（Ｍｐａ）を縦軸として示した。なお、表６において、本発明材１は、実施例１でのものと同じ試材である。
【００４０】
【表６】
【００４１】
［評価］
図７に示されるように、Ｍｎ含有量が増すと共に引張強さが低下するが、２％を超えると著しく低下している。これにより、本発明において、Ｍｎ含有量が２．０％以下であることが適切であることが検証される。
【００４２】
［実施例６］（Ｓの含有量についての実施例）
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｓは、多量に添加すると加熱冷却の繰り返しによる熱劣化が発生しやすくなり、靱性も低下することが知られている。また、Ｓは、Ｍｎと化合してＭｎＳ化合物を生成することで切削性が向上するが、所定量以下ではその効果が十分でない。そこで、本発明においてＳ含有量は０．０３〜０．２％の範囲が適切であることの検証を行った。
【００４３】
実施例１と同様にして、表７に示す組成を持つ各試材（本発明材１、２、４、比較材１５）を鋳造により得た。各試材について、実施例１と同様に熱疲労試験を行った。その結果を、図８に、Ｓ含有量を横軸とし、破断回数（ｎ）を縦軸として示した。
【００４４】
【表７】
【００４５】
さらに、実施例１と同様にして、表８に示す組成を持つ各試材（本発明材１、１８、比較材１、２）を鋳造により得た。各試材について、切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ、送り量：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、送り込み量：１ｍｍの切削条件で、刃具摩耗０．３ｍｍとなる加工時間を比較し、比較材２を１００として場合の寿命を比較した。その結果を、図９に示した。なお、表８において、本発明材１、比較材１、２は、実施例１でのものと同じ試材である。
【００４６】
【表８】
【００４７】
［評価］
図８に示されるように、Ｓ含有量が０．２％を超えると、熱疲労寿命が著しく低下することがわかる。また、図９に示すように、Ｓ含有量が０．０３％未満では被削性の大きな向上は見られない。このことから、本発明において、Ｓ含有量が０．０３〜０．２％の範囲であることが適切であることが検証される。
【００４８】
［実施例７］（Ｐの含有量についての実施例）
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｐは、多量に添加すると伸びが著しく低下することが知られている。そこで、本発明においてＰ含有量は０．０５％以下であることが適切であることの検証を行った。
【００４９】
実施例１と同様にして、表９に示す組成を持つ各試材（本発明材１、１９、２０、比較材１６）を鋳造により得た。各試材について、常温でＪＩＳＺ２０４１の規定に準拠した引張試験を行った。その結果を、図１０に、Ｐ含有量を横軸とし、常温伸び（％）を縦軸として示した。
【００５０】
【表９】
【００５１】
［評価］
図１０に示されるように、Ｐ含有量が０．０５％を超えると伸びが著しく低下することがわかる。このことから、本発明において、Ｐ含有量が０．０５％以下であることが適切であることが検証される。
【００５２】
［実施例８］（Ｃｒの含有量についての実施例）
本発明において、Ｃｒが１８〜２３％の範囲が適切であることを検証した。試験は、実施例１と同様にして、表１０に示す組成を持つ各試材（本発明材１、２１、２２、比較材１７、１８）を鋳造により得、各試材について、９５０℃でＪＩＳＧ０５６７の規定に準拠した引張試験を行った。その結果を、Ｃｒ含有量を横軸とし、伸び強さ（Ｍｐａ）を縦軸として、図１１に示した。また、伸びについてもＣｒ含有量を横軸とし、伸び（％）を縦軸として、図１２に示した。なお、表１０において、本発明材１は表１に示したものと同じ試材である。
【００５３】
【表１０】
【００５４】
[評価］
図１１に示されるように、Ｃｒが１８％未満のもの（比較材１７）は引張強さが著しく低下した。これはＣｒ量の減により基地組織中に固溶するＣｒ量が減少するためである。また、伸びについては図１２に示すとおりＣｒ量増加に伴い靱性は低下するが、比較材１８のように２３％を超えると著しく低下することがわかる。これにより、本発明において、Ｃｒ含有量は１８〜２３％の範囲が適切であることが検証される。
【００５５】
［実施例９］（Ｎの含有量についての実施例）
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｎは高温強度の向上とオーステナイト相の安定化、組織の微細化に有効であることが知られている。しかし、少なすぎるとその効果が十分でなく、また多量に添加すると靱性が低下する。そこで、本発明において、Ｎの含有量が０．０５〜０．４％の範囲であることが適切であることを検証した。
【００５６】
試験は、実施例１と同様にして、表１１に示す組成を持つ各試材（本発明材２３、２４、２５、比較材１９、２０）を鋳造により得、各試材について、９５０℃でＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠した引張試験を行った。その結果をＮ含有量を横軸とし、９５０℃引張強さ（ＭＰａ）を縦軸として、図１３に示した。また、Ｎの添加量と歩留まりを測定し、その結果を図１４に示した。
【００５７】
【表１１】
【００５８】
［評価］
図１３に示されるように、Ｎの含有量が０．０５％未満では、引張強さが著しく低下して高温強度の向上効果が得られない。０．１％を超えると、Ｎ量増に伴い高温強度が向上することがわかる。また、図１４に示されるように、Ｎの含有量増に伴い歩留まりが低下するが、０．４％を超えると著しく低下する。このことから、本発明において、Ｎの含有量は０．０５〜０．４％の範囲が適切であることが検証される。
【００５９】
［実施例１０］（Ｎｉの含有量についての実施例）
従来一般的に用いられているＦｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼は、Ｎｉが１３％未満では、高温強度およびオーステナイトの安定化が十分でなくなっていたが、本発明材では、前記したようにＮｉ当量（（Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ％＋０．３Ｃ％＋０．５Ｍｎ％＋２６（Ｎ％−０．０２）＋２．７７）から計算される量のＣ、ＭｎおよびＮの添加により、Ｎｉ３〜８％の範囲の添加で、従来材と同等またはそれ以上の耐酸化性および高温強度が得られる。それを検証するために、９５０℃での引張強さについて、さらに追加的試験を行った。
【００６０】
試験は、実施例１と同様にして、表１２に示す組成を持つ各試材（本発明材１、２６〜２９、比較材１、２）を鋳造により得、各試材について、９５０℃でＪＩＳＧ０５６７の規定に準拠した引張試験を行った。その結果を、図１５に示した。なお、表１２において、本発明材１と比較材１、２は、表１に示したものと同じ試材である。
【００６１】
【表１２】
【００６２】
［評価］
図１５に示すように、本発明材は、比較材１よりは高い高温強度（９５０℃引張強さ）が得られており、また比較材２と同等の高温強度が得られている。これにより、本発明において、Ｎｉ当量（（Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ％＋０．３Ｃ％＋０．５Ｍｎ％＋２６（Ｎ％−０．０２）＋２．７７）から計算される量のＣ、ＭｎおよびＮの添加により、Ｎｉ３〜８％の範囲の添加で、高い高温強度が得られることが裏付けられる。
【００６３】
［実施例１１］（炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の含有量についての実施例）
実施例２に示したように、炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）は、添加により靱性が低下して、高拘束時の熱疲労特性を低下させるために、本発明においては、それらの含有量は、０．２％未満であることが適切であることを実証したが、ここでは、０％〜０．２％の間の含有量においては、実用上十分に使用できる熱疲労寿命を備えた、本発明によるＦｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼が得られることを実証する。
【００６４】
実施例１と同様にして、表１３に示す組成を持つ各試材（本発明材１、２９〜３６、比較材５〜８）を鋳造により得た。各試材について、実施例１、２と同様にして熱疲労試験を行い破断までの回数を求めた。その結果を図１６に示した。
【００６５】
なお、表１３において、本発明材２８、２９と比較材６はＭｏを添加した材であり、本発明材３０、３１と比較材７はＷを添加した材であり、本発明材３２、３３と比較材５はＶを添加した材であり、本発明材３４、３５と比較材８はＮｂを添加した材である。また、本発明材１は表１に示したものと同じ試材であり、比較材５〜８は実施例２での比較材５〜８と同じものである。
【００６６】
【表１３】
【００６７】
［評価］
図１６に示すように、炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）を含まない試材は、大きな破断回数（ｎ）を示し、含有量の増加と共に破断回数が低下するが、０．２％未満では、十分実用に供しうる値の破断回数を示している。この実施例からも、本発明において、炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の１種または２種以上を合計で０．２％未満含有していても、熱疲労特性に優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼が得られることが実証される。
【技術分野】
【０００１】
本発明はオーステナイト系耐熱鋳鋼に関し、特に、熱疲労特性に優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系耐熱鋳鋼において、例えば９５０℃以上での優れた熱疲労特性を備えるには、高温強度特性に優れることと、常温から高温までの靱性に優れることが必要であり、その課題を解決するための耐熱鋳鋼が、特許文献１や特許文献２などに記載されており、特許文献１には、全体を１００質量％としたときに、炭素（Ｃ）：０．５〜１．５％、ケイ素（Ｓｉ）：０．０１〜２％、マンガン（Ｍｎ）：３〜２０％、リン（Ｐ）：０．０３〜０．２％、ニッケル（Ｎｉ）：３〜２０％、クロム（Ｃｒ）：１０〜２５％、ニオブ（Ｎｂ）：０．５〜４％およびアルミニウム（Ａｌ）：０．１％以下を含有すると共にモリブデン（Ｍｏ）とタングステン（Ｗ）の１種または２種を合計で１．５〜６％含有し、残部が主として鉄（Ｆｅ）からなる耐熱鋳鋼が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２６９９７９号公報
【特許文献２】特開２００２−１９４５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｃは高温強度の向上と鋳造性の改善に有効であり、またオーステナイト相安定化元素として作用することも知られている。Ｃｒは高温強度の改善に有効であるが、多量に添加すると靱性が低下することも知られている。さらに、ＮｉはＣｒと共存することにより高温強度の向上に寄与し、オーステナイト相を安定化させることも知られている。そのような観点から、従来のＦｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼では、Ｃを０．３〜０．８％程度、Ｃｒを１０〜２５％程度、Ｎｉを１０〜２１％程度を含有したものが多く用いられており、ＪＩＳ規格でも、ＳＣＨ１２、ＳＣＨ２２などとして規定されている。
【０００５】
近年、Ｎｉはますます稀少元素となりつつあり、コストも高騰してきている。そのために、オーステナイト系耐熱鋳鋼においても低Ｎｉ化が求められる傾向にあるが、Ｎｉ含有量が低くなると基地組織が均一なオーステナイト相が得られず、高温強度が低下するので、高温強度特性を維持しながら低Ｎｉ化することは容易でない。強度向上の点からは、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂなどの元素を添加することが有効であるが、これらの元素は靱性を低下させる傾向にあり、高温強度と靱性の両立は困難であって、実際的な解決策とはならない。
【０００６】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、低Ｎｉ化を図りながら、安定したオーステナイト相を得ることができ、それにより、高温強度と靱性の両立を可能としたオーステナイト系耐熱鋳鋼を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは多くの実験と研究を鋭意行うことにより、鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、（ａ）Ｎｉ代替元素であるＣ、ＭｎおよびＮを所定量添加することで、Ｎｉ添加量を少なくしてもオーステナイト相の安定化が可能であること、（ｂ）Ｃ、ＮおよびＣｒを適量添加することで高温強度の確保が可能なこと、（ｃ）Ｃ−Ｃｒ比を適正な範囲とすることで、基地組織へのＣｒの固溶量を確保することができ、所要の高温強度特性を得ることができること、を知見した。さらに、（ｄ）炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の添加量を一定値未満とすることにより、オーステナイト粒界に炭化物が析出することによる靱性低下を阻止できることを知見した。本発明は、上記の知見に基づくものである。
【０００８】
すなわち、本発明による鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼は、全体を１００質量％（以下、本明細書では、単に「％」と記載する。）としたときに、炭素（Ｃ）：０．４〜０．８％、ケイ素（Ｓｉ）：３．０％以下、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０５％以下、硫黄（Ｓ）：０．０３〜０．２％、クロム（Ｃｒ）：１８〜２３％、ニッケル（Ｎｉ）：３．０〜８．０％、窒素（Ｎ）：０．０５〜０．４％を含有すると共に、炭素（Ｃ）に対するクロム（Ｃｒ）の割合が、２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲であることを特徴とする。
【０００９】
上記の本発明によるＦｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼は、Ｎｉの量が３．０〜８．０％の範囲であるため、現在一般に使用されているオーステナイト系耐熱鋳鋼と比較して低コストが図れる。また、従来はＮｉ量が１３％程度以下ではオーステナイト相の安定化が図れなかったが、Ｎｉ当量（Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ％＋０．３Ｃ％＋０．５Ｍｎ％＋２６（Ｎ％−０．０２）＋２．７７）から計算される量のＣ、ＭｎおよびＮを添加したことにより、従来材と同等以上の高強度が得られる。さらに、Ｃに対するＣｒの割合を２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲に設定したことにより、オーステナイト基地組織へのＣｒの所要の固溶量を確保することができ、それによって所要の高温強度特性を確保することができる。
【００１０】
本発明によるＦｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、好ましくは、炭化物生成元素であるＶ、Ｍｏ、ＷおよびＮｂを含まないか、含む場合でも、含有量は、その１種または２種を合計で０．２％未満である。
【００１１】
基地組織であるオーステナイト相へのＣｒの固溶量はＣ量により変化する。一方、炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の含有は、オーステナイト粒界に炭化物が析出することによる靱性の低下と、オーステナイト相中のＣ固溶量低下によるＣｒ固溶量の低下に伴う強度低下を生じさせる。本発明によるオーステナイト系耐熱鋳鋼において、前記のように、Ｃに対するＣｒの割合を２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲とし、かつ、炭化物生成元素であるＶ、Ｍｏ、ＷおよびＮｂを含まないか、含む場合でも、その１種または２種以上を合計で０．２％未満とすることにより、上記の不都合は解消される。
【００１２】
本発明によるオーステナイト系耐熱鋳鋼において、各成分の範囲を上記のように限定した理由は次のとおりであり、後に示す実施例によって、それの値はより具体的に説明される。
【００１３】
Ｃ：Ｃは、オーステナイト安定化元素として作用すると共に、高温強度の向上と鋳造性の改善に有効である。しかし、０．４％未満ではその効果が少なく、０．８％を超えると靱性が低下する。
【００１４】
Ｓｉ：Ｓｉは、耐酸化性と鋳造性の改善に有効であるが、３％を超えると靱性が低下する。
【００１５】
Ｍｎ：Ｍｎは、オーステナイト安定化元素である。本発明においては、Ｎｉ含有量が、従来の１３％程度から３．０〜８．０％に低減したので、前記したＮｉ当量（Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ％＋０．３Ｃ％＋０．５Ｍｎ％＋２６（Ｎ％−０．０２）＋２．７７）から、０．５〜２．０％の添加が必要となる。２％を超えると、９５０℃引張強度が低下する。
【００１６】
Ｐ、Ｓ：これらの元素は多量に添加すると加熱冷却の繰り返しによる熱劣化が発生しやすくなり、靱性も低下するため、Ｐの上限値を０．０５％、Ｓの上限値を０．２％とした。また、ＳについてはＭｎと化合してＭｎＳ化合物を生成することで切削性が向上するが、０．０３％未満ではその効果が十分でないために、下限値を０．０３％とした。
【００１７】
Ｃｒ：Ｃｒは、高温強度の改善に有効であるが、１８％未満ではその効果が十分でない。一方、多量に添加すると靱性が低下するために、上限を２３％とした。
【００１８】
Ｎｉ：ＮｉはＣｒと共存することにより高温強度の向上に寄与し、オーステナイト相を安定化する。従来の鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼では、１３％未満でその効果が十分でなくなるが、本発明では、前記したように、Ｎｉ当量（Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ％＋０．３Ｃ％＋０．５Ｍｎ％＋２６（Ｎ％−０．０２）＋２．７７）から計算される量のＣ、ＭｎおよびＮを添加したことにより、３．０〜８．０％の範囲でＮｉを添加することで、従来材と同等以上の高温強度を備えた耐熱鋳鋼が得られる。
【００１９】
Ｎ：Ｎは、高温強度の向上とオーステナイト相の安定化、組織の微細化に有効である。しかし、０．０５％未満ではその効果は十分でなく、０．４％を超える添加は歩留まりが極端に低下して、ガス欠陥の原因となる。
【００２０】
Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ：添加により靱性が低下し、高拘束時の熱疲労特性を低下させるため、含有量の合計でを０．２％未満とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、低Ｎｉ化を図りながら、基地組織中に安定したオーステナイト相を得ることができ、それにより、高温強度と靱性の両立を可能としたオーステナイト系耐熱鋳鋼が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明材と比較材での熱疲労試験の結果を示すグラフ。
【図２】本発明材と比較材での常温から高温までの引張試験の結果を示すグラフ。
【図３】本発明材と比較材の各試材のＣｒ／Ｃの値と破断回数（ｎ）の関係を、Ｃｒ／Ｃの値を横軸に、破断回数（ｎ）を縦軸としてプロットしたグラフ。
【図４】本発明材と比較材でのＣ含有量と湯流れ長さの関係を示すグラフ。
【図５】本発明材と比較材でのＣ含有量と常温での伸びの関係を示すグラフ。
【図６】本発明材と比較材でのＳｉ含有量と常温での伸びの関係を示すグラフ。
【図７】本発明材と比較材でのＭｎ含有量と９５０℃での引張強さの関係を示すグラフ。
【図８】本発明材と比較材でのＳ含有量と熱疲労寿命（破断回数（ｎ））との関係を示すグラフ。
【図９】本発明材と比較材でのＳ含有量と刃具寿命を示すグラフ。
【図１０】本発明材と比較材でのＰ含有量と常温での伸びの関係を示すグラフ。
【図１１】本発明材と比較材でのＣｒ含有量と９５０℃での引張強さの関係を示すグラフ。
【図１２】本発明材と比較材でのＣｒ含有量と９５０℃での伸びの関係を示すグラフ。
【図１３】本発明材と比較材でのＮ含有量と９５０℃での引張強さの関係を示すグラフ。
【図１４】本発明材と比較材でのＮ含有量とその歩留まりの関係を示すグラフ。
【図１５】本発明材と比較材でのＮｉの含有量の違いと９５０℃での引張強さの関係を示すグラフ。
【図１６】本発明材と比較材での炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の含有量と熱疲労寿命（破断回数（ｎ））の関係を示すグラフ。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例と比較例により、本発明をより具体的に説明する。
［実施例１］
表１に示す組成を持つ、Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼の各試材（本発明材１、比較材１、２）を鋳造により得た。鋳造は、５０ｋｇ高周波誘導炉を用いて大気溶解を行い、Ｆｅ−Ｓｉ（７５重量％）により脱酸処理を行った。なお、比較材１はＪＩＳ規定のＳＣＨ１２相当、比較材２はＪＩＳ規定のＳＣＨ２２相当の一般材である。
【００２４】
本発明材１および比較材１、２について、熱疲労試験を行った。その結果を図１に示した。この熱疲労試験は、電気−油圧サーボ式の熱疲労試験機により、試験片（標点距離：１５ｍｍ、標点径：φ８ｍｍ）を用い、上限・下限温度の中央となる温度からの加熱による試験片の熱膨張伸びを１００％拘束率（機械的に完全拘束させた状態）で、１サイクル９分とする加熱冷却サイクル（下限温度：２００℃、上限温度９５０℃）を繰り返し、試験片が完全切断するまでの繰り返し数によって熱疲労特性を評価した。
【００２５】
また、常温から高温までの引張試験を行った。試験はＪＩＳＺ２２４１およびＪＩＳＧ０５６７の規定に準拠し、常温、２００℃、４００℃、６００℃、７００℃、８００℃、９００℃、から９５０℃の各温度で行い、その結果を図２に示した。
【００２６】
【表１】
【００２７】
［評価］
図１から、本発明材１と比較材１、２を比較すると、本発明材１は熱疲労特性が著しく向上しているのがわかる。また、図２から、引張強さについては、本発明材１は、比較材１、２よりＮｉ含有量が低いが、オーステナイト相安定元素であるＣ、Ｍｎ、Ｎが合計で１．９３％含まれており、それがオーステナイト相を安定化させるために、１０％Ｎｉを含有する比較材１よりも優れており、２１％Ｎｉを含有する比較材２と同等となっている。また、図２から、本発明材１と比較材１、２を比較すると、本発明材１は伸びが向上しているのがわかる。すなわち、本発明材１では、引張強さと靱性を両立することで熱疲労特性が向上している。
【００２８】
［実施例２］（Ｃｒ／Ｃの範囲および炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の含有範囲についての実施例）
Ｃｒ／Ｃの範囲と、炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の含有範囲について、検証した。実施例１と同様にして、表２に示す組成を持つ各試材（本発明材１〜８、比較材１〜８）を鋳造により得た。各試材について、実施例１と同様にして熱疲労試験を行い、破断までの回数を表２に破断回数（ｎ）として示した。また、図３には、Ｃｒ／Ｃの値を横軸に、破断回数（ｎ）を縦軸として、各試材をプロットした。なお、図３において、本発１〜８は本発明材１〜８を示し、比１〜８は比較材１〜８を示す。また、表２において、本発明材１および比較材１、２は、表１に示したと同じ試材である。
【００２９】
【表２】
【００３０】
［評価］
表２および図３に示すように、Ｃｒ／Ｃ比が２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲である本発明材１〜８は、破断回数が１４２以上であり、比較材１〜８を大きく上回っている。このことから、本発明材１〜８は、比較材１〜８と比較して、熱疲労特性が著しく向上しているのがわかる。また、比較材５〜８は、Ｃｒ／Ｃ比は本発明の範囲であるが、炭化物生成元素であるＶ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂのいずれかを０．２％含むために、靱性が低下したことで、熱疲労特性が本発明材と比較して劣っている。
【００３１】
［実施例３］（Ｃの含有量についての実施例）
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｃは高温強度の向上と鋳造性の向上に有効であることが知られている。そこで、本発明において、Ｃ含有量が０．４〜０．８％の範囲が適切であることの検証を行った。実施例１と同様にして、表３に示す組成を持つ各試材（本発明材９〜１１、比較材９、１０）を鋳造により得た。各試材について、湯流れ性を評価する断面形状（９×７ｍｍ）の渦巻き試験片に注湯温度１５００℃で鋳造した。その結果を、図４に、Ｃ含有量を横軸とし、湯流れ長さを縦軸として示した。
【００３２】
【表３】
【００３３】
さらに、実施例１と同様にして、表４に示す組成を持つ各試材（本発明材１．１２、１３、比較材１１、１２）を鋳造により得た。各試材について、常温でＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠した引張試験を行った。その結果を、図５に、Ｃ含有量を横軸とし、伸び（％）を縦軸として示した。なお、表４において、本発明材１は、実施例１でのものと同じ試材である。
【００３４】
【表４】
【００３５】
［評価］
図４に示されるように、Ｃ含有量が０．４％未満では湯流れ長さが急激に低下しており、鋳造性が悪くなることがわかる。また、図５に示されるように、Ｃ含有量が０．８％を超えると伸びが著しく低下しているのがわかる。これにより、本発明において、Ｃが０．４〜０．８％の範囲が適切であることが検証される。
【００３６】
［実施例４］（Ｓｉの含有量についての実施例）
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｓｉは、耐酸化性と鋳造性の改善に有効であるが、含有量が大きくなると靱性が低下することが知られている。そこで、本発明において、Ｓｉ含有量は０．３％以下であることが適切であることの検証を行った。実施例１と同様にして、表５に示す組成を持つ各試材（本発明材１、１４、１５、比較材１３）を鋳造により得た。各試材について、常温でＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠した引張試験を行った。その結果を、図６に、Ｓｉ含有量を横軸とし、伸び（％）を縦軸として示した。なお、表５において、本発明材１は、実施例１でのものと同じ試材である。
【００３７】
【表５】
【００３８】
［評価］
図６に示されるように、Ｓｉ含有量が増すと共に伸びが低下しており、３％を超えると著しく低下している。これにより、本発明において、Ｓｉ含有量が０．３％以下であることが適切であることが検証される。
【００３９】
［実施例５］（Ｍｎの含有量についての実施例）
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｍｎはオーステナイト安定化元素として有効に機能するが、所要量を超えると引張強度が低下することが知られている。そこで、本発明において、Ｍｎ含有量は２．０％未満が適切であることの検証を行った。実施例１と同様にして、表６に示す組成を持つ各試材（本発明材１、１６、１７、比較材１４）を鋳造により得た。各試材について、ＪＩＳＧ０５６７の規定に準拠した９５０℃での引張試験を行った。その結果を、図７に、Ｍｎ含有量を横軸とし、９５０℃引張強さ（Ｍｐａ）を縦軸として示した。なお、表６において、本発明材１は、実施例１でのものと同じ試材である。
【００４０】
【表６】
【００４１】
［評価］
図７に示されるように、Ｍｎ含有量が増すと共に引張強さが低下するが、２％を超えると著しく低下している。これにより、本発明において、Ｍｎ含有量が２．０％以下であることが適切であることが検証される。
【００４２】
［実施例６］（Ｓの含有量についての実施例）
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｓは、多量に添加すると加熱冷却の繰り返しによる熱劣化が発生しやすくなり、靱性も低下することが知られている。また、Ｓは、Ｍｎと化合してＭｎＳ化合物を生成することで切削性が向上するが、所定量以下ではその効果が十分でない。そこで、本発明においてＳ含有量は０．０３〜０．２％の範囲が適切であることの検証を行った。
【００４３】
実施例１と同様にして、表７に示す組成を持つ各試材（本発明材１、２、４、比較材１５）を鋳造により得た。各試材について、実施例１と同様に熱疲労試験を行った。その結果を、図８に、Ｓ含有量を横軸とし、破断回数（ｎ）を縦軸として示した。
【００４４】
【表７】
【００４５】
さらに、実施例１と同様にして、表８に示す組成を持つ各試材（本発明材１、１８、比較材１、２）を鋳造により得た。各試材について、切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ、送り量：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、送り込み量：１ｍｍの切削条件で、刃具摩耗０．３ｍｍとなる加工時間を比較し、比較材２を１００として場合の寿命を比較した。その結果を、図９に示した。なお、表８において、本発明材１、比較材１、２は、実施例１でのものと同じ試材である。
【００４６】
【表８】
【００４７】
［評価］
図８に示されるように、Ｓ含有量が０．２％を超えると、熱疲労寿命が著しく低下することがわかる。また、図９に示すように、Ｓ含有量が０．０３％未満では被削性の大きな向上は見られない。このことから、本発明において、Ｓ含有量が０．０３〜０．２％の範囲であることが適切であることが検証される。
【００４８】
［実施例７］（Ｐの含有量についての実施例）
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｐは、多量に添加すると伸びが著しく低下することが知られている。そこで、本発明においてＰ含有量は０．０５％以下であることが適切であることの検証を行った。
【００４９】
実施例１と同様にして、表９に示す組成を持つ各試材（本発明材１、１９、２０、比較材１６）を鋳造により得た。各試材について、常温でＪＩＳＺ２０４１の規定に準拠した引張試験を行った。その結果を、図１０に、Ｐ含有量を横軸とし、常温伸び（％）を縦軸として示した。
【００５０】
【表９】
【００５１】
［評価］
図１０に示されるように、Ｐ含有量が０．０５％を超えると伸びが著しく低下することがわかる。このことから、本発明において、Ｐ含有量が０．０５％以下であることが適切であることが検証される。
【００５２】
［実施例８］（Ｃｒの含有量についての実施例）
本発明において、Ｃｒが１８〜２３％の範囲が適切であることを検証した。試験は、実施例１と同様にして、表１０に示す組成を持つ各試材（本発明材１、２１、２２、比較材１７、１８）を鋳造により得、各試材について、９５０℃でＪＩＳＧ０５６７の規定に準拠した引張試験を行った。その結果を、Ｃｒ含有量を横軸とし、伸び強さ（Ｍｐａ）を縦軸として、図１１に示した。また、伸びについてもＣｒ含有量を横軸とし、伸び（％）を縦軸として、図１２に示した。なお、表１０において、本発明材１は表１に示したものと同じ試材である。
【００５３】
【表１０】
【００５４】
[評価］
図１１に示されるように、Ｃｒが１８％未満のもの（比較材１７）は引張強さが著しく低下した。これはＣｒ量の減により基地組織中に固溶するＣｒ量が減少するためである。また、伸びについては図１２に示すとおりＣｒ量増加に伴い靱性は低下するが、比較材１８のように２３％を超えると著しく低下することがわかる。これにより、本発明において、Ｃｒ含有量は１８〜２３％の範囲が適切であることが検証される。
【００５５】
［実施例９］（Ｎの含有量についての実施例）
Ｆｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｎは高温強度の向上とオーステナイト相の安定化、組織の微細化に有効であることが知られている。しかし、少なすぎるとその効果が十分でなく、また多量に添加すると靱性が低下する。そこで、本発明において、Ｎの含有量が０．０５〜０．４％の範囲であることが適切であることを検証した。
【００５６】
試験は、実施例１と同様にして、表１１に示す組成を持つ各試材（本発明材２３、２４、２５、比較材１９、２０）を鋳造により得、各試材について、９５０℃でＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠した引張試験を行った。その結果をＮ含有量を横軸とし、９５０℃引張強さ（ＭＰａ）を縦軸として、図１３に示した。また、Ｎの添加量と歩留まりを測定し、その結果を図１４に示した。
【００５７】
【表１１】
【００５８】
［評価］
図１３に示されるように、Ｎの含有量が０．０５％未満では、引張強さが著しく低下して高温強度の向上効果が得られない。０．１％を超えると、Ｎ量増に伴い高温強度が向上することがわかる。また、図１４に示されるように、Ｎの含有量増に伴い歩留まりが低下するが、０．４％を超えると著しく低下する。このことから、本発明において、Ｎの含有量は０．０５〜０．４％の範囲が適切であることが検証される。
【００５９】
［実施例１０］（Ｎｉの含有量についての実施例）
従来一般的に用いられているＦｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼は、Ｎｉが１３％未満では、高温強度およびオーステナイトの安定化が十分でなくなっていたが、本発明材では、前記したようにＮｉ当量（（Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ％＋０．３Ｃ％＋０．５Ｍｎ％＋２６（Ｎ％−０．０２）＋２．７７）から計算される量のＣ、ＭｎおよびＮの添加により、Ｎｉ３〜８％の範囲の添加で、従来材と同等またはそれ以上の耐酸化性および高温強度が得られる。それを検証するために、９５０℃での引張強さについて、さらに追加的試験を行った。
【００６０】
試験は、実施例１と同様にして、表１２に示す組成を持つ各試材（本発明材１、２６〜２９、比較材１、２）を鋳造により得、各試材について、９５０℃でＪＩＳＧ０５６７の規定に準拠した引張試験を行った。その結果を、図１５に示した。なお、表１２において、本発明材１と比較材１、２は、表１に示したものと同じ試材である。
【００６１】
【表１２】
【００６２】
［評価］
図１５に示すように、本発明材は、比較材１よりは高い高温強度（９５０℃引張強さ）が得られており、また比較材２と同等の高温強度が得られている。これにより、本発明において、Ｎｉ当量（（Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ％＋０．３Ｃ％＋０．５Ｍｎ％＋２６（Ｎ％−０．０２）＋２．７７）から計算される量のＣ、ＭｎおよびＮの添加により、Ｎｉ３〜８％の範囲の添加で、高い高温強度が得られることが裏付けられる。
【００６３】
［実施例１１］（炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の含有量についての実施例）
実施例２に示したように、炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）は、添加により靱性が低下して、高拘束時の熱疲労特性を低下させるために、本発明においては、それらの含有量は、０．２％未満であることが適切であることを実証したが、ここでは、０％〜０．２％の間の含有量においては、実用上十分に使用できる熱疲労寿命を備えた、本発明によるＦｅをベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼が得られることを実証する。
【００６４】
実施例１と同様にして、表１３に示す組成を持つ各試材（本発明材１、２９〜３６、比較材５〜８）を鋳造により得た。各試材について、実施例１、２と同様にして熱疲労試験を行い破断までの回数を求めた。その結果を図１６に示した。
【００６５】
なお、表１３において、本発明材２８、２９と比較材６はＭｏを添加した材であり、本発明材３０、３１と比較材７はＷを添加した材であり、本発明材３２、３３と比較材５はＶを添加した材であり、本発明材３４、３５と比較材８はＮｂを添加した材である。また、本発明材１は表１に示したものと同じ試材であり、比較材５〜８は実施例２での比較材５〜８と同じものである。
【００６６】
【表１３】
【００６７】
［評価］
図１６に示すように、炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）を含まない試材は、大きな破断回数（ｎ）を示し、含有量の増加と共に破断回数が低下するが、０．２％未満では、十分実用に供しうる値の破断回数を示している。この実施例からも、本発明において、炭化物生成元素（Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ）の１種または２種以上を合計で０．２％未満含有していても、熱疲労特性に優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼が得られることが実証される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼であって、
全体を１００質量％（以下、単に「％」と表示する。）としたときに、炭素（Ｃ）：０．４〜０．８％、ケイ素（Ｓｉ）：３．０％以下、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０５％以下、硫黄（Ｓ）：０．０３〜０．２％、クロム（Ｃｒ）：１８〜２３％、ニッケル（Ｎｉ）：３．０〜８．０％、窒素（Ｎ）：０．０５〜０．４％を含有すると共に、
炭素（Ｃ）に対するクロム（Ｃｒ）の割合が、２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲であることを特徴とするオーステナイト系耐熱鋳鋼。
【請求項２】
鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼であって、
全体を１００質量％（以下、単に「％」と表示する。）としたときに、炭素（Ｃ）：０．４〜０．８％、ケイ素（Ｓｉ）：３．０％以下、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０５％以下、硫黄（Ｓ）：０．０３〜０．２％、クロム（Ｃｒ）：１８〜２３％、ニッケル（Ｎｉ）：３．０〜８．０％、窒素（Ｎ）：０．０５〜０．４％を含有すると共に、
炭素（Ｃ）に対するクロム（Ｃｒ）の割合が、２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲であり、
バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびニオブ（Ｎｂ）の１種または２種以上を合計で０．２％未満含有することを特徴とするオーステナイト系耐熱鋳鋼。
【請求項１】
鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼であって、
全体を１００質量％（以下、単に「％」と表示する。）としたときに、炭素（Ｃ）：０．４〜０．８％、ケイ素（Ｓｉ）：３．０％以下、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０５％以下、硫黄（Ｓ）：０．０３〜０．２％、クロム（Ｃｒ）：１８〜２３％、ニッケル（Ｎｉ）：３．０〜８．０％、窒素（Ｎ）：０．０５〜０．４％を含有すると共に、
炭素（Ｃ）に対するクロム（Ｃｒ）の割合が、２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲であることを特徴とするオーステナイト系耐熱鋳鋼。
【請求項２】
鉄（Ｆｅ）をベースとしたオーステナイト系耐熱鋳鋼であって、
全体を１００質量％（以下、単に「％」と表示する。）としたときに、炭素（Ｃ）：０．４〜０．８％、ケイ素（Ｓｉ）：３．０％以下、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜２．０％、リン（Ｐ）：０．０５％以下、硫黄（Ｓ）：０．０３〜０．２％、クロム（Ｃｒ）：１８〜２３％、ニッケル（Ｎｉ）：３．０〜８．０％、窒素（Ｎ）：０．０５〜０．４％を含有すると共に、
炭素（Ｃ）に対するクロム（Ｃｒ）の割合が、２２．５≦Ｃｒ／Ｃ≦５７．５の範囲であり、
バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびニオブ（Ｎｂ）の１種または２種以上を合計で０．２％未満含有することを特徴とするオーステナイト系耐熱鋳鋼。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−２１９８０１（Ｐ２０１１−２１９８０１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８８６２９（Ｐ２０１０−８８６２９）
【出願日】平成２２年４月７日（２０１０．４．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００１００８０５）アイシン高丘株式会社 (202)
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月７日（２０１０．４．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００１００８０５）アイシン高丘株式会社 (202)
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