フェライト系球状黒鉛鋳鉄およびこれを用いた自動車の排気系部品
【課題】 熱疲労特性に優れたフェライト系球状黒鉛鋳鉄およびこれを用いた自動車の排気系部品を提供することを目的とする。
【解決手段】 質量％で、Ｃを３．０〜３．６％、Ｓｉを４．０〜４．４％、Ｍｏを０．３〜０．７％、Ｖを０．２〜０．５％、Ｔａを０．０８〜０．６６％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなるフェライト系球状黒鉛鋳鉄を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃを３．０〜３．６％、Ｓｉを４．０〜４．４％、Ｍｏを０．３〜０．７％、Ｖを０．２〜０．５％、Ｔａを０．０８〜０．６６％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなるフェライト系球状黒鉛鋳鉄を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェライト系球状黒鉛鋳鉄、およびこれを用いた自動車の排気系部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、自動車用エンジンのダウンサイジングが進み、より小さな排気量でより高いパフォーマンスを引き出すエンジンの開発が主流となっている。例えば、直噴ターボ仕様の小型車用エンジンなどで、１．４リッターの排気量で２リッタークラスの出力を得ているものもある。このような小型化および高出力化が進んだエンジンでは、通常、排気ガス温度は９００℃を超える。
【０００３】
高温の排気ガスに耐える汎用のエキゾーストマニホールド用の材料としては、オーステナイト系球状黒鉛鋳鉄（例えば、ニレジスト）や耐熱鋳鋼が存在する（例えば、特許文献１および特許文献２）。しかし、これらは高価なニッケルやクロム、ニオブ、コバルト等を多量に含むために極めて高価であり、低価格な車の市場提供を目的とする軽四輪車や小型車などでは適用が難しかった。また、特許文献１のオーステナイト系鋳鉄は、８００℃を超える高温域でオーステナイト特有の高い線膨張係数を示すという問題があり、特許文献２の耐熱鋳鋼は、フェライト系鋳鋼特有の低・中温脆性があるため、高温での溶体化処理や焼き戻し処理が必要であるという問題があった。
【０００４】
一方、一部のターボ仕様の小型車などでは、耐熱鋼板や耐熱鋼管をプレス加工した後、溶接によって成形する二重管構造の板金エキゾーストマニホールドなどが採用されてきた。しかし、排気ガス浄化性能を高めるため、触媒を内蔵した重量物のキャタリストケースをエキゾーストマニホールドの極力近くに配置させる必要があることや、エキゾーストマニホールドとキャタリストケースとの間に重量物のターボユニットを締結させなければならない等、レイアウト上の制約がある。よって、形状自由度が高く、剛性設計が容易な鋳造製のエキゾーストマニホールドがいまだ多く使用されている。
【０００５】
特許文献３に示されるフェライト系球状黒鉛鋳鉄（以下、従来材という）は、価格的に安価であり、排気ガス温度が比較的高いターボ仕様の軽四輪車用のエキゾーストマニホールド（通称：エキマニ）に広く使用されてきた。しかし、従来材を用いた場合でも、９００℃を超える過酷な排気ガス温度領域では、エキゾーストマニホールドが熱疲労により破損する可能性があった。
【０００６】
従来材を用いた場合、熱疲労によるエキゾーストマニホールドの破損を防止するためには、部品肉厚を厚くする必要があり、部品重量の増加が不可避であった。エキゾーストマニホールドの重量増加は、熱容量の増加を導き、コールドスタート時に触媒活性の発現が遅れることで排気ガス浄化効率の低下を招いていた。また、エキゾーストマニホールドの振動を抑えるためのスティフナーの剛性を高めなければならず、燃費向上を図る上でもマイナス要因となっていた。
【０００７】
以上のような背景から、自由膨張・収縮が拘束される条件下で、高い排気ガス温度域でも使用できるエキゾーストマニホールド材料を低コストで得るために、従来材の耐熱性および熱疲労寿命をさらに向上させることが望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１１９７９３号公報
【特許文献２】特開２００２−３１７２５２号公報
【特許文献３】特許第３９３６８４９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、熱疲労特性に優れたフェライト系球状黒鉛鋳鉄およびこれを用いた自動車の排気系部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、一側面によれば、フェライト系球状黒鉛鋳鉄であって、質量％で、Ｃを３．０〜３．６％、Ｓｉを４．０〜４．４％、Ｍｏを０．３〜０．７％、Ｖを０．２〜０．５％、Ｔａを０．０８〜０．６６％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなる。
【００１１】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、その一形態において、Ｔａを０．０８〜０．４３％含有することが好適である。
【００１２】
本発明は、別の側面で、上記フェライト系球状黒鉛鋳鉄を用いて製造される自動車の排気系部品である。前記排気系部品は、エキゾーストマニホールド、タービンハウジング、ターボハウジング、ターボハウジングアウトレットパイプ、又はターボハウジング一体型エキゾーストマニホールドであることが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、熱疲労特性に優れたフェライト系球状黒鉛鋳鉄およびこれを用いた自動車の排気系部品が提供される。本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、耐熱疲労性が大幅に向上しているため、高温の排気ガスに晒され、他の部品との締結により運転時の自由膨張・収縮が拘束される自動車の排気系部品、特にエキゾーストマニホールドの耐久性・信頼性を高めることができる。よって、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、熱負荷の高いガソリンエンジン用エキゾーストマニホールドはもとより、使用期間が長く長距離走行が用いられるディーゼルエンジン用エキゾーストマニホールドにも有効活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】エキゾーストマニホールドの形状の一例と、その周辺部品との連結を説明する図である。
【図２】供試材作製用のＹブロックを示す図である。
【図３】熱履歴の条件を示す図である。
【図４】従来材に認められる析出物のＴＥＭ明視野像を示す図である。
【図５】実施材２に認められる析出物のＴＥＭ明視野像を示す図である。
【図６】析出物の粒子径の分布図を示す図である。
【図７】熱疲労試験に用いた試験片の形状を示す図である。
【図８】熱疲労試験条件を示す図である。
【図９】熱疲労サイクルによる最大応力の変化を示す図である。
【図１０】熱疲労試験の１サイクル目と１０００サイクル目での機械ひずみと応力の関係を示す図である。
【図１１】従来材と実施材２の熱疲労サイクルによる最大応力の変化を示す図である。
【図１２】引張特性の試験に用いた試験片の形状を示す図である。
【図１３】Ｔａ添加量と室温伸びとの関係を示す図である。
【図１４】Ｔａ添加量と８００℃での引張特性との関係を示す図である。
【図１５】熱疲労試験に用いた試験片の形状を示す図である。
【図１６】熱疲労試験の熱サイクル条件を示す図である。
【図１７】熱疲労試験における破断位置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄について、さらに詳細に説明する。図１に、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄を好適に採用することのできるエキゾーストマニホールドおよびその周辺の機械的構成について、その一実施の形態を示す。図１に示されるように、通常、エキゾーストマニホールド１１の一方には、ターボフランジ１２が形成されており、ターボガスケット１５を介してターボチャージャ締結ボルト１３によりターボユニット（図示を省略）へ連結される。また、エキゾーストマニホールド１１の他方には、シリンダヘッドフランジ１４が形成されており、シリンダヘッドガスケット１７を介してシリンダヘッド側に組み込まれているスタットボルト１８と締結ナット１９の他、締結ボルト２２によりシリンダヘッドと連結される。なお、スティフナー２０は、エキゾーストマニホールド１１の振動を抑えるための部材である。
【００１６】
通常、このようなエキゾーストマニホールド１１では、加熱・冷却に伴う自由膨張と収縮が拘束されることによって、複数の起点をもって亀裂が発生・進展する熱疲労が起こりやすい。よって、熱疲労特性を改善するためには、低中温域（室温〜約４００℃）での延性を確保しつつ、高温強度、特に高温耐力を改善することが有効である。ここで、従来材は、Ｍｎ、Ｍｏなどの固溶強化とＶ添加による硬質ＶＣ系炭化物の析出強化を併用することで優れた耐熱性を付与した低合金鋳鉄である。本発明者は、析出強化理論より、第２の元素を添加した新たな組成とすることによってＶＣ系炭化物より高温で安定な析出物を基地内に均一分散・析出させ、材料の高温強度を改善することが、上記課題を解決する上で重要であると考えた。そして、高温で安定な析出物として、ＭＸ型析出物（Ｍは金属元素、ＸはＣおよびＮ）による析出強化が有効であると考えた。
【００１７】
特許文献２では、１００〜２０００ｐｐｍの窒素を固溶させた炭窒化物または窒化物のＭＸ型析出粒子を活用して高温クリープ特性を高めている。しかし、特許文献２に記載される提案は、炭素含有量が０．０１質量％以下であり、基地が十分な延性を有する鋳鋼には有効であるものの、炭素を３．０質量％以上含有する鋳鉄には適用することはできない。特許文献２の提案を鋳鉄に適用すれば、著しく炭化物を生成させ、低中温域において顕著な脆化が生じてしまい、エキゾーストマニホールドに要求される特性を満足することができないためである。
【００１８】
本発明者は、鋭意検討した結果、第２の元素としてタンタル（Ｔａ）を添加することにより、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄を開発するに至った。すなわち、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、質量％で、Ｃを３．０〜３．６％、Ｓｉを４．０〜４．４％、Ｍｏを０．３〜０．７％、Ｖを０．２〜０．５％、Ｔａを０．０８〜０．６６％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなる。不可避不純物は、Ｍｎが０．３５％以下、Ｃｕが０．３％以下、Ｓｎが０．０３％以下、Ｓが０．０２％以下、Ｃｒが０．２％以下であることが好ましい。Ｐは好ましくは０．１％以下であり、より好ましくは０．０３〜０．０６％である。上記組成とすることにより、ＶＣ系炭化物粒子よりも高温で安定なＭＸ型析出物を基地内に析出させることができ、耐熱疲労性を大幅に向上させることができる。なお、Ｓｉ含有量の高いフェライト系球状黒鉛鋳鉄や耐熱鋳鋼において、Ｔａの添加による熱疲労特性の改善効果を見出したという報告はこれまでになされていない。
【００１９】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄の上記組成について、構成元素の観点から、さらに詳細に説明する。なお、以下の記載において、％は全て「質量％」を意味するものとする。
【００２０】
［ケイ素］本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、Ｓｉを４．０〜４．４％含有する。Ｓｉは、フェライト系球状黒鉛鋳鉄の共析変態温度を高め、耐酸化性を高める上で重要な元素である。しかし、Ｓｉは、延性を低下させる性質も有する。Ｓｉの含有量を４．０〜４．４％とすることにより、延性の低下を抑えつつ、共析変態温度を高めることができる。
【００２１】
［炭素］Ｃの含有量は、３．０〜３．６％とする。Ｓｉの含有量が４．０〜４．４％の範囲であるため、Ｃの含有量が３．０％未満であると、炭素当量が共晶組成（４．３）近くまで低下してしまうため、最終凝固部に共晶凝固特有の粗大な空隙（引け巣）を発生させたり、過冷によるチルが生じやすい場合がある。さらに、黒鉛球状化率が低下しやすいため、部品性能が著しく損なわれる場合がある。Ｃの含有量が３．６％を超えると、炭素当量が５．０を超える場合があり、カーボンドロスやチャンキー黒鉛、爆発状黒鉛などを晶出させて機械的性質を劣化させる場合がある。ここで、炭素当量とは、全Ｃ含有量＋（Ｓｉ含有量＋Ｐ含有量）／３で表わされる。炭素当量を４．３〜５．０の範囲にすることにより、鋳鉄の凝固において安定した形状・サイズの初晶黒鉛を液相から排出できる効果がある。
【００２２】
［モリブデン］Ｍｏは、高温での機械的性質、特に耐力を向上させる作用がある。本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、Ｍｏを０．３〜０．７％含有する。Ｍｏはフェライトを固溶強化する元素であるが、その含有量が０．３％未満であると、その添加効果が小さい場合があり、０．７％を超えると、室温時の硬度が上昇し、伸びを低下させる。特に、Ｍｏの含有量が１．０％を超えると、球状黒鉛鋳鉄のパーライト率が増大し、硬度の上昇と著しい伸びの低下が引き起こされる場合がある。球状黒鉛鋳鉄における基地パーライトは、高温に加熱されると分解し黒鉛成長の要因となる。よって、パーライト面積率の高い球状黒鉛鋳鉄を、自動車の排気系部品に用いた場合、エンジン稼働時の高温加熱によって排気系部品の永久膨張（成長現象）を招き、変形や破損を起こすおそれがある。
【００２３】
［バナジウム］Ｖは、鋳造凝固時の冷却過程で微細なＶＣ系炭化物を基地内に析出させ、機械的強度を向上させるという作用がある。本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄のＶの含有量は、０．２〜０．５％である。Ｖの含有量を０．２〜０．５％の範囲とすることにより、高温強度の確保と低中温域でも延性が確保できるという効果がある。Ｖの含有量が０．２％未満であると、ＶＣ系炭化物による析出強化作用が低下し、０．５％を超えると、延性低下と硬さ上昇により切削性が劣化する場合がある。
【００２４】
［タンタル］Ｔａは、黒鉛球状化阻害作用を示す元素であるという理由から、これまで鋳鉄には配合されてこなかった（（株）アグネ発行「球状黒鉛鋳鉄」、１８０頁参照）。本発明者は、敢えてＴａをフェライト系球状黒鉛鋳鉄に添加することにより、微細粒子がフェライト粒内や粒界に析出することを見出し、さらに、この基地フェライト内部に析出する微細粒子の形態（サイズ、形状）が、従来材のＶＣ系炭化物粒子と比べて長時間の高温保持後も極めて安定であることを見出した。この基地フェライト内部に析出する微細粒子は、さらなる分析によりＭＸ型析出物（ＭはＴａ、Ｖ）（ＸはＣ、Ｎ）であることが判明した。本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、０．０８〜０．６６％、好ましくは０．０８〜０．６０、より好ましくは０．０８〜０．４３％含有する。Ｔａの含有量をこの範囲とすることにより、エキゾーストマニホールドの実用温度上限域（８５０〜９００℃）の高温での機械強度（特に、耐力）が高まり、耐熱変形性が向上する。Ｔａの含有量が０．０８％未満であると、その添加効果が小さい場合がある。一方、Ｔａの含有量が０．６６％を超えると、室温での延性低下に加え、硬さが上昇して切削性に支障をきたす場合がある。Ｔａの含有量を０．６０％以下、好ましくは０．４３％以下とすることにより、製造時の欠けや割れを抑制できる延性を確保することができ、実用上、切削性が確保できる。
【００２５】
不可避不純物は、Ｍｎが０．３５％以下、Ｃｕが０．３％以下、Ｓｎが０．０３％以下、Ｃｒが０．０２％以下であることが好ましい。これらの元素は、基地パーライトの面積率を高めて延性を低下させる場合があるためである。黒鉛成長を抑制する上でも上記の範囲内で抑制することが好ましい。また、好ましくは、Ｓの含有量は０．０２％以下である。Ｓは典型的な黒鉛球状化の阻害化元素であるためである。Ｐの含有量は、好ましくは０．１％以下である。Ｐの含有量が０．１％を超えると、低融点（＝９５５℃）で硬質のＦｅ３Ｐが粒界に多く晶出するようになり、室温での著しい脆化や高温強度の劣化を招く場合がある。また、鋳造性やフェライト特有の中温脆性抑制を考慮すると、Ｐの含有量は０．０３〜０．０６％とすることがより好ましい。
【００２６】
さらに、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、窒素を７０〜２００ｐｐｍ、好ましくは１００〜２００ｐｐｍ含有する。窒素は、ＭＸ型析出物（ＭはＴａ、Ｖ）（ＸはＣ、Ｎ）の生成に必要な元素である。窒素は、材料溶解時に添加する加炭剤などが供給源であり、鋳鉄では不可避的に混入する。通常、溶湯中に窒素は７０〜１００ｐｐｍ固溶しているため、これがＭＸ型析出粒子の生成に寄与し得る。ＭＸ型析出粒子の析出数ないし面積率を高めることを目的に、加炭剤を窒素含有量が高いものに代え、最大２００ｐｐｍ程度まで窒素を溶湯中へ固溶させてもよい。２００ｐｐｍを超えると製品にピンホールなどのガス欠陥が多く発生しやすくなる場合がある。
【００２７】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、従来の方法に従って鋳造することができる。例えば、置き注ぎ法、インモールド法、コンバータ法等がある。
【００２８】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、組成の観点で以上のような向上が図られているため、８００℃以上の高温強度（引張強さ、０．２％耐力）が向上し、室温から４００℃域での延性が確保されている。従って、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、熱疲労寿命が従来材と比較して著しく向上している。これは、従来材に認められるＭｎとＭｏの固溶強化に加えてさらに高温で安定なＭＸ型析出物がフェライト粒内や粒界に析出し、さらなる強化に寄与しているためである。このＭＸ型析出物の平均粒径は、例えば５０〜２８０ｎｍであり、エキゾーストマニホールドの実用温度上限域（８５０〜９００℃）の高温に曝されても粒成長が起こり難い。
【００２９】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、熱負荷が高く、高い耐熱疲労性が求められる自動車用排気系部品の材料として非常に有用であり、排気ガス温度が極めて高い直噴ターボ仕様の排気系部品にも適用することができる。自動車の排気系部品としては、例えば、エキゾーストマニホールド、タービンハウジング、ターボハウジング、ターボハウジングアウトレットパイプ、又はターボハウジング一体型エキゾーストマニホールドが挙げられる。自動車の排気系部品の他に、触媒を内蔵するキャタリストケース等の高温の排気ガスに曝される部品の材料としても有用である。
【００３０】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、アルミ低圧鋳造用およびアルミ重力鋳造用の主型材、並びにアルミ低圧鋳造用のストーク、およびサブストークの材料としても有用である。これらの部材は、ある拘束状態で加熱・冷却が繰り返され、熱疲労による亀裂が問題になる箇所である。従来よりＳＫＤ６１などの高価な熱間ダイス鋼が用いられてきたが、鋳造数が少ない場合は製品１個当りの金型償却費が高いという理由から、該フェライト系球状黒鉛鋳鉄を適用することにより大幅な費用削減が期待できる。これは、該フェライト系球状黒鉛鋳鉄が、フェライト系特有の低い熱膨張係数を有し、かつ適度な硬さおよび切削性を有するためである。
【００３１】
さらに、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄によれば、部品の肉薄化が可能となる。よって、例えば、エキゾーストマニホールドを肉薄化することにより、コールドスタート時の熱損失が少なく短時間で触媒が活性化するため、排ガス浄化性能が向上するという効果がある。また、該フェライト系球状黒鉛鋳鉄を排気系部品に用いた場合、ターボエンジン等の燃焼温度を上げることが可能となり、燃費が改善するという効果も奏する。
【００３２】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、鋳造性が従来材とほぼ同等であるため、既存の鋳鉄生産ラインで生産対応することができ、設備投資を必要としない。また、従来の鋳造方案、条件等を適用できるため、量産立上げに時間とコストがかからないという効果もある。さらに、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、ニレジストや耐熱鋳鋼のように高価なニッケルやクロム、ニオブ等を多量に含む必要がないため、原材料コストが低く、加工コストも低い。従って、低価格な部品提供が可能となるという効果がある。また、鋳造材であるため、競合するパイプエキマニや板金エキマニに比べて形状の自由度が大きく設計が容易である。
【実施例１】
【００３３】
以下、実施例および比較例によって、本発明をさらに具体的に説明する。本実施例では、以下の方針に基づいて各種実験を行った。
［１］高温で安定なＭＸ型析出物形成のための第２添加元素の選定
［２］Ｔａの最適組成範囲の選定
【００３４】
［１］高温で安定なＭＸ型析出物形成のための第２添加元素の選定
ＭＸ型析出物を形成させるため、従来材へ実用組成比レベルでＴａ、Ｒｅ、Ｎｂをそれぞれ単独で添加して供試材を作製し、各種添加合金の有意性について検討を行った。表１に、各供試材の成分組成を示す。
【表１】
【００３５】
各供試材は、量産用の５００ｋｇの高周波誘導溶解炉を使用して製造した。元湯におけるＳｉの含有量は、目標値より低く設定し、接種、球状化剤の添加によって所定のＳｉ組成になるよう調整した。球状化処理は置き注ぎ法を用い、球状化剤としてＬＣＳ（東洋電化）、カバー剤としてシリベスト（ニューアロイ）を使用した。注湯温度は、全て１４００℃±２０℃の範囲で統一し、Ｍｏ、Ｖの他、候補合金元素の添加および濃度調整は、炉中にて行った。また、使用した鋳型は生型であり、各供試材共、サンドメタル比を同一とした。注湯後、開枠までの時間は、全て３時間とした。評価用の供試材はＪＩＳ Ｇ５５０２に準拠したＹブロックＢ号片の指定部位１より採取したものである（図２）。
【００３６】
まず、透過電子顕微鏡（以下、ＴＥＭ）（日立製作所製ＨＦ−２０００、電解放射型透過電子顕微鏡（ＦＥ−ＴＥＭ））によって従来材と実施材２の基地フェライト内部を観察した。分析には、鋳放し材の他に、図３に示す条件で８００℃で５０時間保持の熱履歴を与えた熱履歴材を用い、析出物の安定性を調べた。熱履歴は、Ｙブロックの指定部位１より採取した角棒に対し、電気式マッフル炉（アドバンテック社製）を用いて付与した。
【００３７】
Ｙブロックの指定部位１より採取した角棒の中央から直径３ｍｍ、厚さ５００μｍの円柱を旋盤またはマイクロソーによって採取し、次いでこれを厚さ３０〜５０μｍとなるように＃１５００のエメリー研磨紙を用いて両面を湿式研磨し、電解研磨により観察用の薄膜を作製した。電解薄膜化には、ツインジェット式の研磨機（ストラース社製、テヌポール５）を用いた。電解液としては、６０％過塩素酸：酢酸：メタノール＝１：２：８の割合で混合した溶液を用いた。電解条件は、２４３Ｋ、電圧１５Ｖとした。作製した薄膜を、ＴＥＭにより観察し、明視野像を得た（図４、５）。図４は従来材の明視野像であり、（ａ）は鋳放し材、（ｂ）は熱履歴材を表す。図５は実施材２の明視野像であり、（ａ）は鋳放し材、（ｂ）は熱履歴材を表す。
【００３８】
ＴＥＭ明視野像より、画像解析ソフトウェア（Ｐｌａｎｅｔｒｏｎ（株）社製、Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ）を用いて、平均析出物径（＝析出物の平均粒径）、数密度、析出物面積率を求め、比較を行った（表２）。なお、画像端部で視野外となった析出物は全て１／２個としてカウントし、単位面積当たりの析出物数の分布を求めた。さらに、ＴＥＭ明視野像の解析により、析出物粒径の分布図を求めた（図６）。ここで、図６において、ひし形は鋳放し材（Ｆ）、白四角は熱履歴材（ＨＴ）を表す。図６において、（ａ）は従来材、（ｂ）は実施材２を表す。
【表２】
【００３９】
表２に示されるように、実施材２の鋳放し材および熱履歴材の平均析出物径は、５５〜９５ｎｍの範囲に分散・析出していた。標準生成自由エネルギーから判断して、実施材２は炭素および窒素との親和力がＶより更に強いＴａを含有する成分組成であることから、実施材２で観察された析出物は典型的なＭＸ型炭窒化物（ＭはＴａ、Ｖ）（ＸはＣ、Ｎ）である。これに対し、従来材に分散・析出していた析出物は、炭素と親和力の強いＶを含むことから、ＶＣ系炭化物である。
【００４０】
次に、従来材に対する各供試材の熱疲労寿命の優位性を探るため、以下の方法で試験を行った。熱疲労試験には、油圧サーボ型疲労試験機（島津製作所（株）社製ＥＨＦ-ＥＢ５−１０Ｌ型、容量４９ｋＮ）、加熱冷却装置および高温変位計（共に（株）東京試験機社製）を用いた。熱疲労試験では、高周波コイルとエアーコンプレッサーを有する加熱冷却装置で試料に熱ひずみを発生させ、アクチュエーターで与えた機械ひずみを熱ひずみ波形に重畳させている。試験片に取り付けた高温変位計およびＲ熱電対式の温度計から、それぞれの測定値を取り込み、その値をフィードバックすることでひずみサイクルと温度サイクルを得た。熱疲労試験に用いた試験片の形状は、図７に示すように、標点間距離１５ｍｍ、標点間部の直径１０ｍｍの丸棒型とした。この熱疲労試験で用いた熱疲労試験条件を、図８に示す。試験波形は、機械ひずみ範囲Δεｍ＝０．１９％、熱履歴を４７３−１０７３Ｋ、加熱・冷却時間をそれぞれ３６０秒、上下限での保持時間をそれぞれ１８０秒として、１０８０秒／サイクルの台形波とした。加熱時に圧縮、冷却時に引張方向の繰り返し負荷をひずみ制御により与えるｏｕｔ−ｏｆ−ｐｈａｓｅ型を用いた。サイクル数は１０００回とした。熱疲労サイクルによる最大応力の変化を図９に示し、熱疲労試験１サイクル目と１０００サイクル目の機械ひずみと応力との関係を図１０に示す。図１１には、熱疲労サイクルによる最大応力の変化を、従来材と実施材２について示す。
【００４１】
以上の実験結果から、以下のことが明らかとなった。
（１）実施材２および従来材の鋳放し材（Ｆ）および熱履歴材（ＨＴ）をＴＥＭ観察した結果（図４〜６）、実施材２は、従来材と比べて析出物の粒成長が起こり難く、高温でも安定であることが見出された。また、平均析出物径の変化を比較すると、従来材では、熱履歴を付与後は析出物が約４．０倍も粗大化するのに対し、実施材２では、僅か１．７倍程度粗大化しただけであった（表２）。よって、実施材２の析出物が８００℃の高温で安定であり、粗大化しにくいことが判明した。
（２）表１の各供試材の熱疲労試験によると、１０００サイクルまでの試験サイクル経過に伴う最大応力の低下の度合いは、実施材２が最も緩やかであり、かつ小さかった（図９）。さらに、１サイクル目から１０００サイクル目の応力の低下を比較すると、従来材では大幅に低下していたのに対し（図１０の矢印Ｑ）、実施材２では低下の度合いが小さかった（図１０の矢印Ｐ）。これは、実施材２のＴａ添加により生じたＭＸ型析出物が高温でも極めて安定であることを裏付けるものである。
（３）熱疲労試験サイクルの経過に伴う最大応力の変化を見ると、比較材２は４００サイクル以降、急激に最大応力が低下し７５０サイクル付近でほぼ破断が確認された (図９の白三角) 。比較材２の結果から、特許文献２のようにＭＸ型析出物の形成のためにＮｂをフェライト系球状黒鉛鋳鉄に添加しても、熱疲労特性の改善には効果がないことが判明した。同じく、比較材１も４００サイクル以降は最大応力の急激な低下が認められ、１０００サイクル時には１サイクル目の最大応力に対し３３％以上も低下した（図９の黒三角）。よって、Ｔａの添加によって形成されるＭＸ型析出物は、ＮｂやＲｅの添加によって形成されるＭＸ型析出物と比較して、高温時の粒子安定性が高いという性質をもつことが示唆された。
（４）熱疲労試験１サイクル目に生じる初期最大応力に対し、２５％の低下が観察された時を破断時とみなし、従来材と実施材２との破断までの熱疲労寿命を比較すると、従来材は約２６０サイクルで破断したのに対し、実施材２は約７００サイクルで破断したことになる（図１１）。すなわち、実施材２は、従来材に対し、２．７倍の熱疲労寿命を有しており、従来材と比較して熱疲労寿命が著しく増加したと言える。こうして、Ｔａの添加は熱疲労特性の向上に極めて有効であることを見出した。
【００４２】
［２］Ｔａの最適組成範囲の選定
Ｔａの添加が熱疲労寿命の向上に有効であることが判明したため、その最適な添加範囲について検討した。Ｔａの含有量が異なる供試材を作製した。各供試材の組成を表３に示す。
【表３】
【００４３】
これらの供試材について、硬さ試験と引張試験を実施して、実用上、切削性が確保でき、かつ製造時に割れや欠けを抑制できる延性（室温伸び３％以上）を確保できる組成範囲を調べた。引張試験には、引張試験機（ＡＧ−Ｅ型 ２５０ＫＮオートグラフ、（株）島津製作所製）、および変位計（ＤＴ−１０Ｓ型、（株）島津製作所製）を用いた。引張速度は、室温では１ｍｍ／分、４００℃以上では５ｍｍ／分に設定した。なお、高温引張試験は、供試材の優劣判断をしやすくするため、共析変態温度以下である８００℃にて行った。昇温条件は、３０分で試験温度（８００℃）まで昇温し、試験温度に３０分保持した後、引張を開始した。ここで、８００℃であっても長時間加熱すると、パーライト分解が起こるため、試験温度への保持時間を３０分間に厳守した。試験片としては、図１２に示す形状の鋳放し材を採用した。
【００４４】
各供試材の硬さを測定した結果を表４に示す。また、各供試材の室温および８００℃における引張特性の測定値を、表５および表６に示す。図１３には、表５の結果を元に、Ｔａ添加量と室温における破断伸びとの関係を示す。図１４には、表６の結果をもとに、Ｔａ添加量と、８００℃での引張特性（０．２％耐力、引張強さ）との関係を示す。
【表４】
【表５】
【表６】
【００４５】
これらの結果より、以下のことが明らかになった。
（１）Ｔａの添加量が０．４３質量％までは、切削性が確保できる硬さ、すなわちＨＲＢ１００以下であった（表４）。一方、Ｔａの添加量が０．６６％の実施材４では、１０２ＨＲＢとなり、実用上、切削性に支障がある場合があることが判明した。
（２）Ｔａの添加量の増加に伴って室温延性は低下する傾向を示した（図１３）。製造時の割れや欠けを抑制できる延性、すなわち室温での伸び３％以上を確保できるＴａ含有量の上限は、０．０６〜０．６５％程度であった（図１３）。
（３）Ｔａの添加は、高温強度を向上させた。８００℃での引張強さ、および０．２％耐力は、Ｔａ添加量が増加するにつれて増加する傾向を示した（図１４）。
これらの結果から、Ｔａの組成範囲を、好ましくは０．０８〜０．６０％、より好ましくは０．０８〜０．４３％で管理することにより、室温から高温における機械的強度を向上することができ、かつ生産性も確保できることが分かった。
【００４６】
さらに、Ｔａの組成範囲が０．０８〜０．６６％である場合の熱疲労特性の優位性を確認するため、上記の熱疲労試験よりもさらに過酷な条件で熱疲労試験を再度行った。熱疲労試験には、油圧サーボ型疲労試験機（ＭＴＳ８１０型、容量±１００ｋＮ）、高温変位計（ＭＴＳ社製、標点間距離（Ｇ．Ｌ．）は１２．７ｍｍ、ひずみゲージ式）を用いた。試験片の形状は、図１５に示すように、平行部長さ２５ｍｍ、平行部の直径１０ｍｍの丸棒型とした。この試験で用いた熱疲労試験波形を図１６に示す。昇温による自然膨張の伸びを５０％拘束（＝拘束率５０%）とし、熱履歴を、２００⇔８００℃、加熱時間が２４０秒、冷却時間が４８０秒のサイクルの三角形波とし、２００℃から開始した。加熱時に圧縮、冷却時に引張方向の繰り返し負荷をひずみ制御により与えるｏｕｔ−ｏｆ−ｐｈａｓｅ型を用い、１サイクル目の最大応力から応力が２５％低下したサイクル数を破損繰返し数（＝熱疲労寿命）とした。ただし、応力が２５％低下する前に破断した場合は、破断時のサイクル数を破損繰返し数とした。表７に、熱疲労試験結果を示す。
【表７】
【００４７】
この熱疲労試験の結果から、０．０８〜０．６６質量％のＴａを添加した実施材１〜４は、従来材と比較して明確に熱疲労寿命が向上しており、熱疲労寿命はＴａの添加量が増すほど向上することが確かめられた。ここで、試験片の破断位置は、図１７に示す通りである。
【００４８】
以上より、Ｃ：３．０〜３．６質量％、Ｓｉ：４．０〜４．４質量％をベースとする高Ｓｉのフェライト系球状黒鉛鋳鉄において、Ｍｏ：０．３〜０．７質量％、Ｖ：０．２〜０．５質量％を含有させ、新たにＴａを０．０８〜０．６６質量％添加することで、極めて耐熱疲労性に優れた安価なエキゾーストマニホールド用鋳鉄が得られることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、熱疲労特性に優れたフェライト系球状黒鉛鋳鉄およびこれを用いた自動車の排気系部品を提供することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 指定部位
１１ エキゾーストマニホールド
１２ ターボフランジ
１３ ターボチャージャ締結ボルト
１４ シリンダヘッドフランジ
１５ ターボガスケット
１７ シリンダヘッドガスケット
１８ スタッドボルト
１９ 締結ナット
２０ スティフナー
２１ ボルト
２２ 締結ボルト
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェライト系球状黒鉛鋳鉄、およびこれを用いた自動車の排気系部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、自動車用エンジンのダウンサイジングが進み、より小さな排気量でより高いパフォーマンスを引き出すエンジンの開発が主流となっている。例えば、直噴ターボ仕様の小型車用エンジンなどで、１．４リッターの排気量で２リッタークラスの出力を得ているものもある。このような小型化および高出力化が進んだエンジンでは、通常、排気ガス温度は９００℃を超える。
【０００３】
高温の排気ガスに耐える汎用のエキゾーストマニホールド用の材料としては、オーステナイト系球状黒鉛鋳鉄（例えば、ニレジスト）や耐熱鋳鋼が存在する（例えば、特許文献１および特許文献２）。しかし、これらは高価なニッケルやクロム、ニオブ、コバルト等を多量に含むために極めて高価であり、低価格な車の市場提供を目的とする軽四輪車や小型車などでは適用が難しかった。また、特許文献１のオーステナイト系鋳鉄は、８００℃を超える高温域でオーステナイト特有の高い線膨張係数を示すという問題があり、特許文献２の耐熱鋳鋼は、フェライト系鋳鋼特有の低・中温脆性があるため、高温での溶体化処理や焼き戻し処理が必要であるという問題があった。
【０００４】
一方、一部のターボ仕様の小型車などでは、耐熱鋼板や耐熱鋼管をプレス加工した後、溶接によって成形する二重管構造の板金エキゾーストマニホールドなどが採用されてきた。しかし、排気ガス浄化性能を高めるため、触媒を内蔵した重量物のキャタリストケースをエキゾーストマニホールドの極力近くに配置させる必要があることや、エキゾーストマニホールドとキャタリストケースとの間に重量物のターボユニットを締結させなければならない等、レイアウト上の制約がある。よって、形状自由度が高く、剛性設計が容易な鋳造製のエキゾーストマニホールドがいまだ多く使用されている。
【０００５】
特許文献３に示されるフェライト系球状黒鉛鋳鉄（以下、従来材という）は、価格的に安価であり、排気ガス温度が比較的高いターボ仕様の軽四輪車用のエキゾーストマニホールド（通称：エキマニ）に広く使用されてきた。しかし、従来材を用いた場合でも、９００℃を超える過酷な排気ガス温度領域では、エキゾーストマニホールドが熱疲労により破損する可能性があった。
【０００６】
従来材を用いた場合、熱疲労によるエキゾーストマニホールドの破損を防止するためには、部品肉厚を厚くする必要があり、部品重量の増加が不可避であった。エキゾーストマニホールドの重量増加は、熱容量の増加を導き、コールドスタート時に触媒活性の発現が遅れることで排気ガス浄化効率の低下を招いていた。また、エキゾーストマニホールドの振動を抑えるためのスティフナーの剛性を高めなければならず、燃費向上を図る上でもマイナス要因となっていた。
【０００７】
以上のような背景から、自由膨張・収縮が拘束される条件下で、高い排気ガス温度域でも使用できるエキゾーストマニホールド材料を低コストで得るために、従来材の耐熱性および熱疲労寿命をさらに向上させることが望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１１９７９３号公報
【特許文献２】特開２００２−３１７２５２号公報
【特許文献３】特許第３９３６８４９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、熱疲労特性に優れたフェライト系球状黒鉛鋳鉄およびこれを用いた自動車の排気系部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、一側面によれば、フェライト系球状黒鉛鋳鉄であって、質量％で、Ｃを３．０〜３．６％、Ｓｉを４．０〜４．４％、Ｍｏを０．３〜０．７％、Ｖを０．２〜０．５％、Ｔａを０．０８〜０．６６％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなる。
【００１１】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、その一形態において、Ｔａを０．０８〜０．４３％含有することが好適である。
【００１２】
本発明は、別の側面で、上記フェライト系球状黒鉛鋳鉄を用いて製造される自動車の排気系部品である。前記排気系部品は、エキゾーストマニホールド、タービンハウジング、ターボハウジング、ターボハウジングアウトレットパイプ、又はターボハウジング一体型エキゾーストマニホールドであることが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、熱疲労特性に優れたフェライト系球状黒鉛鋳鉄およびこれを用いた自動車の排気系部品が提供される。本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、耐熱疲労性が大幅に向上しているため、高温の排気ガスに晒され、他の部品との締結により運転時の自由膨張・収縮が拘束される自動車の排気系部品、特にエキゾーストマニホールドの耐久性・信頼性を高めることができる。よって、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、熱負荷の高いガソリンエンジン用エキゾーストマニホールドはもとより、使用期間が長く長距離走行が用いられるディーゼルエンジン用エキゾーストマニホールドにも有効活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】エキゾーストマニホールドの形状の一例と、その周辺部品との連結を説明する図である。
【図２】供試材作製用のＹブロックを示す図である。
【図３】熱履歴の条件を示す図である。
【図４】従来材に認められる析出物のＴＥＭ明視野像を示す図である。
【図５】実施材２に認められる析出物のＴＥＭ明視野像を示す図である。
【図６】析出物の粒子径の分布図を示す図である。
【図７】熱疲労試験に用いた試験片の形状を示す図である。
【図８】熱疲労試験条件を示す図である。
【図９】熱疲労サイクルによる最大応力の変化を示す図である。
【図１０】熱疲労試験の１サイクル目と１０００サイクル目での機械ひずみと応力の関係を示す図である。
【図１１】従来材と実施材２の熱疲労サイクルによる最大応力の変化を示す図である。
【図１２】引張特性の試験に用いた試験片の形状を示す図である。
【図１３】Ｔａ添加量と室温伸びとの関係を示す図である。
【図１４】Ｔａ添加量と８００℃での引張特性との関係を示す図である。
【図１５】熱疲労試験に用いた試験片の形状を示す図である。
【図１６】熱疲労試験の熱サイクル条件を示す図である。
【図１７】熱疲労試験における破断位置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄について、さらに詳細に説明する。図１に、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄を好適に採用することのできるエキゾーストマニホールドおよびその周辺の機械的構成について、その一実施の形態を示す。図１に示されるように、通常、エキゾーストマニホールド１１の一方には、ターボフランジ１２が形成されており、ターボガスケット１５を介してターボチャージャ締結ボルト１３によりターボユニット（図示を省略）へ連結される。また、エキゾーストマニホールド１１の他方には、シリンダヘッドフランジ１４が形成されており、シリンダヘッドガスケット１７を介してシリンダヘッド側に組み込まれているスタットボルト１８と締結ナット１９の他、締結ボルト２２によりシリンダヘッドと連結される。なお、スティフナー２０は、エキゾーストマニホールド１１の振動を抑えるための部材である。
【００１６】
通常、このようなエキゾーストマニホールド１１では、加熱・冷却に伴う自由膨張と収縮が拘束されることによって、複数の起点をもって亀裂が発生・進展する熱疲労が起こりやすい。よって、熱疲労特性を改善するためには、低中温域（室温〜約４００℃）での延性を確保しつつ、高温強度、特に高温耐力を改善することが有効である。ここで、従来材は、Ｍｎ、Ｍｏなどの固溶強化とＶ添加による硬質ＶＣ系炭化物の析出強化を併用することで優れた耐熱性を付与した低合金鋳鉄である。本発明者は、析出強化理論より、第２の元素を添加した新たな組成とすることによってＶＣ系炭化物より高温で安定な析出物を基地内に均一分散・析出させ、材料の高温強度を改善することが、上記課題を解決する上で重要であると考えた。そして、高温で安定な析出物として、ＭＸ型析出物（Ｍは金属元素、ＸはＣおよびＮ）による析出強化が有効であると考えた。
【００１７】
特許文献２では、１００〜２０００ｐｐｍの窒素を固溶させた炭窒化物または窒化物のＭＸ型析出粒子を活用して高温クリープ特性を高めている。しかし、特許文献２に記載される提案は、炭素含有量が０．０１質量％以下であり、基地が十分な延性を有する鋳鋼には有効であるものの、炭素を３．０質量％以上含有する鋳鉄には適用することはできない。特許文献２の提案を鋳鉄に適用すれば、著しく炭化物を生成させ、低中温域において顕著な脆化が生じてしまい、エキゾーストマニホールドに要求される特性を満足することができないためである。
【００１８】
本発明者は、鋭意検討した結果、第２の元素としてタンタル（Ｔａ）を添加することにより、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄を開発するに至った。すなわち、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、質量％で、Ｃを３．０〜３．６％、Ｓｉを４．０〜４．４％、Ｍｏを０．３〜０．７％、Ｖを０．２〜０．５％、Ｔａを０．０８〜０．６６％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなる。不可避不純物は、Ｍｎが０．３５％以下、Ｃｕが０．３％以下、Ｓｎが０．０３％以下、Ｓが０．０２％以下、Ｃｒが０．２％以下であることが好ましい。Ｐは好ましくは０．１％以下であり、より好ましくは０．０３〜０．０６％である。上記組成とすることにより、ＶＣ系炭化物粒子よりも高温で安定なＭＸ型析出物を基地内に析出させることができ、耐熱疲労性を大幅に向上させることができる。なお、Ｓｉ含有量の高いフェライト系球状黒鉛鋳鉄や耐熱鋳鋼において、Ｔａの添加による熱疲労特性の改善効果を見出したという報告はこれまでになされていない。
【００１９】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄の上記組成について、構成元素の観点から、さらに詳細に説明する。なお、以下の記載において、％は全て「質量％」を意味するものとする。
【００２０】
［ケイ素］本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、Ｓｉを４．０〜４．４％含有する。Ｓｉは、フェライト系球状黒鉛鋳鉄の共析変態温度を高め、耐酸化性を高める上で重要な元素である。しかし、Ｓｉは、延性を低下させる性質も有する。Ｓｉの含有量を４．０〜４．４％とすることにより、延性の低下を抑えつつ、共析変態温度を高めることができる。
【００２１】
［炭素］Ｃの含有量は、３．０〜３．６％とする。Ｓｉの含有量が４．０〜４．４％の範囲であるため、Ｃの含有量が３．０％未満であると、炭素当量が共晶組成（４．３）近くまで低下してしまうため、最終凝固部に共晶凝固特有の粗大な空隙（引け巣）を発生させたり、過冷によるチルが生じやすい場合がある。さらに、黒鉛球状化率が低下しやすいため、部品性能が著しく損なわれる場合がある。Ｃの含有量が３．６％を超えると、炭素当量が５．０を超える場合があり、カーボンドロスやチャンキー黒鉛、爆発状黒鉛などを晶出させて機械的性質を劣化させる場合がある。ここで、炭素当量とは、全Ｃ含有量＋（Ｓｉ含有量＋Ｐ含有量）／３で表わされる。炭素当量を４．３〜５．０の範囲にすることにより、鋳鉄の凝固において安定した形状・サイズの初晶黒鉛を液相から排出できる効果がある。
【００２２】
［モリブデン］Ｍｏは、高温での機械的性質、特に耐力を向上させる作用がある。本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、Ｍｏを０．３〜０．７％含有する。Ｍｏはフェライトを固溶強化する元素であるが、その含有量が０．３％未満であると、その添加効果が小さい場合があり、０．７％を超えると、室温時の硬度が上昇し、伸びを低下させる。特に、Ｍｏの含有量が１．０％を超えると、球状黒鉛鋳鉄のパーライト率が増大し、硬度の上昇と著しい伸びの低下が引き起こされる場合がある。球状黒鉛鋳鉄における基地パーライトは、高温に加熱されると分解し黒鉛成長の要因となる。よって、パーライト面積率の高い球状黒鉛鋳鉄を、自動車の排気系部品に用いた場合、エンジン稼働時の高温加熱によって排気系部品の永久膨張（成長現象）を招き、変形や破損を起こすおそれがある。
【００２３】
［バナジウム］Ｖは、鋳造凝固時の冷却過程で微細なＶＣ系炭化物を基地内に析出させ、機械的強度を向上させるという作用がある。本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄のＶの含有量は、０．２〜０．５％である。Ｖの含有量を０．２〜０．５％の範囲とすることにより、高温強度の確保と低中温域でも延性が確保できるという効果がある。Ｖの含有量が０．２％未満であると、ＶＣ系炭化物による析出強化作用が低下し、０．５％を超えると、延性低下と硬さ上昇により切削性が劣化する場合がある。
【００２４】
［タンタル］Ｔａは、黒鉛球状化阻害作用を示す元素であるという理由から、これまで鋳鉄には配合されてこなかった（（株）アグネ発行「球状黒鉛鋳鉄」、１８０頁参照）。本発明者は、敢えてＴａをフェライト系球状黒鉛鋳鉄に添加することにより、微細粒子がフェライト粒内や粒界に析出することを見出し、さらに、この基地フェライト内部に析出する微細粒子の形態（サイズ、形状）が、従来材のＶＣ系炭化物粒子と比べて長時間の高温保持後も極めて安定であることを見出した。この基地フェライト内部に析出する微細粒子は、さらなる分析によりＭＸ型析出物（ＭはＴａ、Ｖ）（ＸはＣ、Ｎ）であることが判明した。本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、０．０８〜０．６６％、好ましくは０．０８〜０．６０、より好ましくは０．０８〜０．４３％含有する。Ｔａの含有量をこの範囲とすることにより、エキゾーストマニホールドの実用温度上限域（８５０〜９００℃）の高温での機械強度（特に、耐力）が高まり、耐熱変形性が向上する。Ｔａの含有量が０．０８％未満であると、その添加効果が小さい場合がある。一方、Ｔａの含有量が０．６６％を超えると、室温での延性低下に加え、硬さが上昇して切削性に支障をきたす場合がある。Ｔａの含有量を０．６０％以下、好ましくは０．４３％以下とすることにより、製造時の欠けや割れを抑制できる延性を確保することができ、実用上、切削性が確保できる。
【００２５】
不可避不純物は、Ｍｎが０．３５％以下、Ｃｕが０．３％以下、Ｓｎが０．０３％以下、Ｃｒが０．０２％以下であることが好ましい。これらの元素は、基地パーライトの面積率を高めて延性を低下させる場合があるためである。黒鉛成長を抑制する上でも上記の範囲内で抑制することが好ましい。また、好ましくは、Ｓの含有量は０．０２％以下である。Ｓは典型的な黒鉛球状化の阻害化元素であるためである。Ｐの含有量は、好ましくは０．１％以下である。Ｐの含有量が０．１％を超えると、低融点（＝９５５℃）で硬質のＦｅ３Ｐが粒界に多く晶出するようになり、室温での著しい脆化や高温強度の劣化を招く場合がある。また、鋳造性やフェライト特有の中温脆性抑制を考慮すると、Ｐの含有量は０．０３〜０．０６％とすることがより好ましい。
【００２６】
さらに、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、窒素を７０〜２００ｐｐｍ、好ましくは１００〜２００ｐｐｍ含有する。窒素は、ＭＸ型析出物（ＭはＴａ、Ｖ）（ＸはＣ、Ｎ）の生成に必要な元素である。窒素は、材料溶解時に添加する加炭剤などが供給源であり、鋳鉄では不可避的に混入する。通常、溶湯中に窒素は７０〜１００ｐｐｍ固溶しているため、これがＭＸ型析出粒子の生成に寄与し得る。ＭＸ型析出粒子の析出数ないし面積率を高めることを目的に、加炭剤を窒素含有量が高いものに代え、最大２００ｐｐｍ程度まで窒素を溶湯中へ固溶させてもよい。２００ｐｐｍを超えると製品にピンホールなどのガス欠陥が多く発生しやすくなる場合がある。
【００２７】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、従来の方法に従って鋳造することができる。例えば、置き注ぎ法、インモールド法、コンバータ法等がある。
【００２８】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、組成の観点で以上のような向上が図られているため、８００℃以上の高温強度（引張強さ、０．２％耐力）が向上し、室温から４００℃域での延性が確保されている。従って、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、熱疲労寿命が従来材と比較して著しく向上している。これは、従来材に認められるＭｎとＭｏの固溶強化に加えてさらに高温で安定なＭＸ型析出物がフェライト粒内や粒界に析出し、さらなる強化に寄与しているためである。このＭＸ型析出物の平均粒径は、例えば５０〜２８０ｎｍであり、エキゾーストマニホールドの実用温度上限域（８５０〜９００℃）の高温に曝されても粒成長が起こり難い。
【００２９】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、熱負荷が高く、高い耐熱疲労性が求められる自動車用排気系部品の材料として非常に有用であり、排気ガス温度が極めて高い直噴ターボ仕様の排気系部品にも適用することができる。自動車の排気系部品としては、例えば、エキゾーストマニホールド、タービンハウジング、ターボハウジング、ターボハウジングアウトレットパイプ、又はターボハウジング一体型エキゾーストマニホールドが挙げられる。自動車の排気系部品の他に、触媒を内蔵するキャタリストケース等の高温の排気ガスに曝される部品の材料としても有用である。
【００３０】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、アルミ低圧鋳造用およびアルミ重力鋳造用の主型材、並びにアルミ低圧鋳造用のストーク、およびサブストークの材料としても有用である。これらの部材は、ある拘束状態で加熱・冷却が繰り返され、熱疲労による亀裂が問題になる箇所である。従来よりＳＫＤ６１などの高価な熱間ダイス鋼が用いられてきたが、鋳造数が少ない場合は製品１個当りの金型償却費が高いという理由から、該フェライト系球状黒鉛鋳鉄を適用することにより大幅な費用削減が期待できる。これは、該フェライト系球状黒鉛鋳鉄が、フェライト系特有の低い熱膨張係数を有し、かつ適度な硬さおよび切削性を有するためである。
【００３１】
さらに、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄によれば、部品の肉薄化が可能となる。よって、例えば、エキゾーストマニホールドを肉薄化することにより、コールドスタート時の熱損失が少なく短時間で触媒が活性化するため、排ガス浄化性能が向上するという効果がある。また、該フェライト系球状黒鉛鋳鉄を排気系部品に用いた場合、ターボエンジン等の燃焼温度を上げることが可能となり、燃費が改善するという効果も奏する。
【００３２】
本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、鋳造性が従来材とほぼ同等であるため、既存の鋳鉄生産ラインで生産対応することができ、設備投資を必要としない。また、従来の鋳造方案、条件等を適用できるため、量産立上げに時間とコストがかからないという効果もある。さらに、本発明に係るフェライト系球状黒鉛鋳鉄は、ニレジストや耐熱鋳鋼のように高価なニッケルやクロム、ニオブ等を多量に含む必要がないため、原材料コストが低く、加工コストも低い。従って、低価格な部品提供が可能となるという効果がある。また、鋳造材であるため、競合するパイプエキマニや板金エキマニに比べて形状の自由度が大きく設計が容易である。
【実施例１】
【００３３】
以下、実施例および比較例によって、本発明をさらに具体的に説明する。本実施例では、以下の方針に基づいて各種実験を行った。
［１］高温で安定なＭＸ型析出物形成のための第２添加元素の選定
［２］Ｔａの最適組成範囲の選定
【００３４】
［１］高温で安定なＭＸ型析出物形成のための第２添加元素の選定
ＭＸ型析出物を形成させるため、従来材へ実用組成比レベルでＴａ、Ｒｅ、Ｎｂをそれぞれ単独で添加して供試材を作製し、各種添加合金の有意性について検討を行った。表１に、各供試材の成分組成を示す。
【表１】
【００３５】
各供試材は、量産用の５００ｋｇの高周波誘導溶解炉を使用して製造した。元湯におけるＳｉの含有量は、目標値より低く設定し、接種、球状化剤の添加によって所定のＳｉ組成になるよう調整した。球状化処理は置き注ぎ法を用い、球状化剤としてＬＣＳ（東洋電化）、カバー剤としてシリベスト（ニューアロイ）を使用した。注湯温度は、全て１４００℃±２０℃の範囲で統一し、Ｍｏ、Ｖの他、候補合金元素の添加および濃度調整は、炉中にて行った。また、使用した鋳型は生型であり、各供試材共、サンドメタル比を同一とした。注湯後、開枠までの時間は、全て３時間とした。評価用の供試材はＪＩＳ Ｇ５５０２に準拠したＹブロックＢ号片の指定部位１より採取したものである（図２）。
【００３６】
まず、透過電子顕微鏡（以下、ＴＥＭ）（日立製作所製ＨＦ−２０００、電解放射型透過電子顕微鏡（ＦＥ−ＴＥＭ））によって従来材と実施材２の基地フェライト内部を観察した。分析には、鋳放し材の他に、図３に示す条件で８００℃で５０時間保持の熱履歴を与えた熱履歴材を用い、析出物の安定性を調べた。熱履歴は、Ｙブロックの指定部位１より採取した角棒に対し、電気式マッフル炉（アドバンテック社製）を用いて付与した。
【００３７】
Ｙブロックの指定部位１より採取した角棒の中央から直径３ｍｍ、厚さ５００μｍの円柱を旋盤またはマイクロソーによって採取し、次いでこれを厚さ３０〜５０μｍとなるように＃１５００のエメリー研磨紙を用いて両面を湿式研磨し、電解研磨により観察用の薄膜を作製した。電解薄膜化には、ツインジェット式の研磨機（ストラース社製、テヌポール５）を用いた。電解液としては、６０％過塩素酸：酢酸：メタノール＝１：２：８の割合で混合した溶液を用いた。電解条件は、２４３Ｋ、電圧１５Ｖとした。作製した薄膜を、ＴＥＭにより観察し、明視野像を得た（図４、５）。図４は従来材の明視野像であり、（ａ）は鋳放し材、（ｂ）は熱履歴材を表す。図５は実施材２の明視野像であり、（ａ）は鋳放し材、（ｂ）は熱履歴材を表す。
【００３８】
ＴＥＭ明視野像より、画像解析ソフトウェア（Ｐｌａｎｅｔｒｏｎ（株）社製、Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ）を用いて、平均析出物径（＝析出物の平均粒径）、数密度、析出物面積率を求め、比較を行った（表２）。なお、画像端部で視野外となった析出物は全て１／２個としてカウントし、単位面積当たりの析出物数の分布を求めた。さらに、ＴＥＭ明視野像の解析により、析出物粒径の分布図を求めた（図６）。ここで、図６において、ひし形は鋳放し材（Ｆ）、白四角は熱履歴材（ＨＴ）を表す。図６において、（ａ）は従来材、（ｂ）は実施材２を表す。
【表２】
【００３９】
表２に示されるように、実施材２の鋳放し材および熱履歴材の平均析出物径は、５５〜９５ｎｍの範囲に分散・析出していた。標準生成自由エネルギーから判断して、実施材２は炭素および窒素との親和力がＶより更に強いＴａを含有する成分組成であることから、実施材２で観察された析出物は典型的なＭＸ型炭窒化物（ＭはＴａ、Ｖ）（ＸはＣ、Ｎ）である。これに対し、従来材に分散・析出していた析出物は、炭素と親和力の強いＶを含むことから、ＶＣ系炭化物である。
【００４０】
次に、従来材に対する各供試材の熱疲労寿命の優位性を探るため、以下の方法で試験を行った。熱疲労試験には、油圧サーボ型疲労試験機（島津製作所（株）社製ＥＨＦ-ＥＢ５−１０Ｌ型、容量４９ｋＮ）、加熱冷却装置および高温変位計（共に（株）東京試験機社製）を用いた。熱疲労試験では、高周波コイルとエアーコンプレッサーを有する加熱冷却装置で試料に熱ひずみを発生させ、アクチュエーターで与えた機械ひずみを熱ひずみ波形に重畳させている。試験片に取り付けた高温変位計およびＲ熱電対式の温度計から、それぞれの測定値を取り込み、その値をフィードバックすることでひずみサイクルと温度サイクルを得た。熱疲労試験に用いた試験片の形状は、図７に示すように、標点間距離１５ｍｍ、標点間部の直径１０ｍｍの丸棒型とした。この熱疲労試験で用いた熱疲労試験条件を、図８に示す。試験波形は、機械ひずみ範囲Δεｍ＝０．１９％、熱履歴を４７３−１０７３Ｋ、加熱・冷却時間をそれぞれ３６０秒、上下限での保持時間をそれぞれ１８０秒として、１０８０秒／サイクルの台形波とした。加熱時に圧縮、冷却時に引張方向の繰り返し負荷をひずみ制御により与えるｏｕｔ−ｏｆ−ｐｈａｓｅ型を用いた。サイクル数は１０００回とした。熱疲労サイクルによる最大応力の変化を図９に示し、熱疲労試験１サイクル目と１０００サイクル目の機械ひずみと応力との関係を図１０に示す。図１１には、熱疲労サイクルによる最大応力の変化を、従来材と実施材２について示す。
【００４１】
以上の実験結果から、以下のことが明らかとなった。
（１）実施材２および従来材の鋳放し材（Ｆ）および熱履歴材（ＨＴ）をＴＥＭ観察した結果（図４〜６）、実施材２は、従来材と比べて析出物の粒成長が起こり難く、高温でも安定であることが見出された。また、平均析出物径の変化を比較すると、従来材では、熱履歴を付与後は析出物が約４．０倍も粗大化するのに対し、実施材２では、僅か１．７倍程度粗大化しただけであった（表２）。よって、実施材２の析出物が８００℃の高温で安定であり、粗大化しにくいことが判明した。
（２）表１の各供試材の熱疲労試験によると、１０００サイクルまでの試験サイクル経過に伴う最大応力の低下の度合いは、実施材２が最も緩やかであり、かつ小さかった（図９）。さらに、１サイクル目から１０００サイクル目の応力の低下を比較すると、従来材では大幅に低下していたのに対し（図１０の矢印Ｑ）、実施材２では低下の度合いが小さかった（図１０の矢印Ｐ）。これは、実施材２のＴａ添加により生じたＭＸ型析出物が高温でも極めて安定であることを裏付けるものである。
（３）熱疲労試験サイクルの経過に伴う最大応力の変化を見ると、比較材２は４００サイクル以降、急激に最大応力が低下し７５０サイクル付近でほぼ破断が確認された (図９の白三角) 。比較材２の結果から、特許文献２のようにＭＸ型析出物の形成のためにＮｂをフェライト系球状黒鉛鋳鉄に添加しても、熱疲労特性の改善には効果がないことが判明した。同じく、比較材１も４００サイクル以降は最大応力の急激な低下が認められ、１０００サイクル時には１サイクル目の最大応力に対し３３％以上も低下した（図９の黒三角）。よって、Ｔａの添加によって形成されるＭＸ型析出物は、ＮｂやＲｅの添加によって形成されるＭＸ型析出物と比較して、高温時の粒子安定性が高いという性質をもつことが示唆された。
（４）熱疲労試験１サイクル目に生じる初期最大応力に対し、２５％の低下が観察された時を破断時とみなし、従来材と実施材２との破断までの熱疲労寿命を比較すると、従来材は約２６０サイクルで破断したのに対し、実施材２は約７００サイクルで破断したことになる（図１１）。すなわち、実施材２は、従来材に対し、２．７倍の熱疲労寿命を有しており、従来材と比較して熱疲労寿命が著しく増加したと言える。こうして、Ｔａの添加は熱疲労特性の向上に極めて有効であることを見出した。
【００４２】
［２］Ｔａの最適組成範囲の選定
Ｔａの添加が熱疲労寿命の向上に有効であることが判明したため、その最適な添加範囲について検討した。Ｔａの含有量が異なる供試材を作製した。各供試材の組成を表３に示す。
【表３】
【００４３】
これらの供試材について、硬さ試験と引張試験を実施して、実用上、切削性が確保でき、かつ製造時に割れや欠けを抑制できる延性（室温伸び３％以上）を確保できる組成範囲を調べた。引張試験には、引張試験機（ＡＧ−Ｅ型 ２５０ＫＮオートグラフ、（株）島津製作所製）、および変位計（ＤＴ−１０Ｓ型、（株）島津製作所製）を用いた。引張速度は、室温では１ｍｍ／分、４００℃以上では５ｍｍ／分に設定した。なお、高温引張試験は、供試材の優劣判断をしやすくするため、共析変態温度以下である８００℃にて行った。昇温条件は、３０分で試験温度（８００℃）まで昇温し、試験温度に３０分保持した後、引張を開始した。ここで、８００℃であっても長時間加熱すると、パーライト分解が起こるため、試験温度への保持時間を３０分間に厳守した。試験片としては、図１２に示す形状の鋳放し材を採用した。
【００４４】
各供試材の硬さを測定した結果を表４に示す。また、各供試材の室温および８００℃における引張特性の測定値を、表５および表６に示す。図１３には、表５の結果を元に、Ｔａ添加量と室温における破断伸びとの関係を示す。図１４には、表６の結果をもとに、Ｔａ添加量と、８００℃での引張特性（０．２％耐力、引張強さ）との関係を示す。
【表４】
【表５】
【表６】
【００４５】
これらの結果より、以下のことが明らかになった。
（１）Ｔａの添加量が０．４３質量％までは、切削性が確保できる硬さ、すなわちＨＲＢ１００以下であった（表４）。一方、Ｔａの添加量が０．６６％の実施材４では、１０２ＨＲＢとなり、実用上、切削性に支障がある場合があることが判明した。
（２）Ｔａの添加量の増加に伴って室温延性は低下する傾向を示した（図１３）。製造時の割れや欠けを抑制できる延性、すなわち室温での伸び３％以上を確保できるＴａ含有量の上限は、０．０６〜０．６５％程度であった（図１３）。
（３）Ｔａの添加は、高温強度を向上させた。８００℃での引張強さ、および０．２％耐力は、Ｔａ添加量が増加するにつれて増加する傾向を示した（図１４）。
これらの結果から、Ｔａの組成範囲を、好ましくは０．０８〜０．６０％、より好ましくは０．０８〜０．４３％で管理することにより、室温から高温における機械的強度を向上することができ、かつ生産性も確保できることが分かった。
【００４６】
さらに、Ｔａの組成範囲が０．０８〜０．６６％である場合の熱疲労特性の優位性を確認するため、上記の熱疲労試験よりもさらに過酷な条件で熱疲労試験を再度行った。熱疲労試験には、油圧サーボ型疲労試験機（ＭＴＳ８１０型、容量±１００ｋＮ）、高温変位計（ＭＴＳ社製、標点間距離（Ｇ．Ｌ．）は１２．７ｍｍ、ひずみゲージ式）を用いた。試験片の形状は、図１５に示すように、平行部長さ２５ｍｍ、平行部の直径１０ｍｍの丸棒型とした。この試験で用いた熱疲労試験波形を図１６に示す。昇温による自然膨張の伸びを５０％拘束（＝拘束率５０%）とし、熱履歴を、２００⇔８００℃、加熱時間が２４０秒、冷却時間が４８０秒のサイクルの三角形波とし、２００℃から開始した。加熱時に圧縮、冷却時に引張方向の繰り返し負荷をひずみ制御により与えるｏｕｔ−ｏｆ−ｐｈａｓｅ型を用い、１サイクル目の最大応力から応力が２５％低下したサイクル数を破損繰返し数（＝熱疲労寿命）とした。ただし、応力が２５％低下する前に破断した場合は、破断時のサイクル数を破損繰返し数とした。表７に、熱疲労試験結果を示す。
【表７】
【００４７】
この熱疲労試験の結果から、０．０８〜０．６６質量％のＴａを添加した実施材１〜４は、従来材と比較して明確に熱疲労寿命が向上しており、熱疲労寿命はＴａの添加量が増すほど向上することが確かめられた。ここで、試験片の破断位置は、図１７に示す通りである。
【００４８】
以上より、Ｃ：３．０〜３．６質量％、Ｓｉ：４．０〜４．４質量％をベースとする高Ｓｉのフェライト系球状黒鉛鋳鉄において、Ｍｏ：０．３〜０．７質量％、Ｖ：０．２〜０．５質量％を含有させ、新たにＴａを０．０８〜０．６６質量％添加することで、極めて耐熱疲労性に優れた安価なエキゾーストマニホールド用鋳鉄が得られることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、熱疲労特性に優れたフェライト系球状黒鉛鋳鉄およびこれを用いた自動車の排気系部品を提供することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 指定部位
１１ エキゾーストマニホールド
１２ ターボフランジ
１３ ターボチャージャ締結ボルト
１４ シリンダヘッドフランジ
１５ ターボガスケット
１７ シリンダヘッドガスケット
１８ スタッドボルト
１９ 締結ナット
２０ スティフナー
２１ ボルト
２２ 締結ボルト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃを３．０〜３．６％、Ｓｉを４．０〜４．４％、Ｍｏを０．３〜０．７％、Ｖを０．２〜０．５％、Ｔａを０．０８〜０．６６％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなるフェライト系球状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
Ｔａを０．０８〜０．４３％含有する、請求項１に記載のフェライト系球状黒鉛鋳鉄。
【請求項３】
請求項１および２のいずれかに記載のフェライト系球状黒鉛鋳鉄を用いて製造される自動車の排気系部品。
【請求項４】
前記排気系部品が、エキゾーストマニホールド、タービンハウジング、ターボハウジング、ターボハウジングアウトレットパイプ、又はターボハウジング一体型エキゾーストマニホールドである請求項３に記載の排気系部品。
【請求項１】
質量％で、Ｃを３．０〜３．６％、Ｓｉを４．０〜４．４％、Ｍｏを０．３〜０．７％、Ｖを０．２〜０．５％、Ｔａを０．０８〜０．６６％を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなるフェライト系球状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
Ｔａを０．０８〜０．４３％含有する、請求項１に記載のフェライト系球状黒鉛鋳鉄。
【請求項３】
請求項１および２のいずれかに記載のフェライト系球状黒鉛鋳鉄を用いて製造される自動車の排気系部品。
【請求項４】
前記排気系部品が、エキゾーストマニホールド、タービンハウジング、ターボハウジング、ターボハウジングアウトレットパイプ、又はターボハウジング一体型エキゾーストマニホールドである請求項３に記載の排気系部品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１２２０８５（Ｐ２０１２−１２２０８５Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７１４２０（Ｐ２０１０−２７１４２０）
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
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