フェライト系耐熱鋳鋼および排気系部品
【課題】安価で且つ常温における靭性、熱疲労性を大きく改善して信頼性を向上させ得るフェライト系耐熱鋳鋼および排気系部品を提供する。
【解決手段】フェライト系耐熱鋳鋼は、質量％で、炭素０．１０〜０．４０％、シリコン０．５〜２．０％、マンガン０．２〜１．２％、リン０．３％以下、イオウ０．０１〜０．４％、クロム１４．０〜２１．０％、ニオブ０．０５〜０．６％、アルミニウム０．０１〜０．８％、ニッケル０．１５〜２．３％、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつ。
【解決手段】フェライト系耐熱鋳鋼は、質量％で、炭素０．１０〜０．４０％、シリコン０．５〜２．０％、マンガン０．２〜１．２％、リン０．３％以下、イオウ０．０１〜０．４％、クロム１４．０〜２１．０％、ニオブ０．０５〜０．６％、アルミニウム０．０１〜０．８％、ニッケル０．１５〜２．３％、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフェライト系耐熱鋳鋼およびそれからなる排気系部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車や産業機器等に用いられる部品の使用温度がますます高くなり、より高い耐熱性をもつ鋳鋼が使用されている。殊に、排ガス規制の強化に伴い自動車や産業機器等においては排ガス温度がますます高くなり、排気ガス温度が９００℃以上の雰囲気に使用されるエンジン用エキゾーストマニホルド等の排気系部品には、高い耐熱性をもつ鋳鋼が使用されている。
【０００３】
高い耐熱性をもつ鋳鋼として、オーステナイト系の耐熱鋳鋼と、フェライト系の耐熱鋳鋼とがある。オーステナイト系の耐熱鋳鋼については、耐熱性が良いが、高価なニッケルなどが多く含有されて材料費が大変高い上に、切削性も良くない。一方、フェライト系の耐熱鋳鋼はオーステナイト系の耐熱鋳鋼に比べて安価であるが、近年の要請を考慮すると、耐熱性が必ずしも充分ではない。更に、常温における靭性が必ずしも良くないので、高い信頼性を得るためには、まだ課題が残っている。
【０００４】
特許文献１には、フェライト系の耐熱鋳鋼の切削性を改善させるため、イオウを０．０６〜０．２％含有させたフェライト系の耐熱鋳鋼が開示されているが、必ずしも充分ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−３４２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、高い強度を得つつ伸びを確保でき、靭性を大きく改善でき、ひいては熱疲労性を改善でき、信頼性を向上させ得、且つ、安価なフェライト系の組織をもつフェライト系耐熱鋳鋼および排気系部品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】
第１発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼は、質量％で、炭素０．１０〜０．４０％、シリコン０．５〜２．０％、マンガン０．２〜１．２％、リン０．３％以下、イオウ０．０１〜０．４％、クロム１４．０〜２１．０％、ニオブ０．０５〜０．６％、アルミニウム０．０１〜０．８％、ニッケル０．１５〜２．３％、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつ。
【０００８】
第２発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼は、質量％で、炭素０．１０〜０．４０％、シリコン０．５〜２．０％、マンガン０．２〜１．２％、リン０．３％以下、イオウ０．０１〜０．４％、クロム１４．０〜２１．０％、バナジウム０．０１〜０．５％、ニオブ０．０５〜０．６％、アルミニウム０．０１〜０．８％、ニッケル０．１５〜２．３％、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつ。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、常温における強度および伸びを確保しつつ、靭性を大きく改善して信頼性を向上させ得るフェライト系耐熱鋳鋼および排気系部品を提供することができる。更に、オーステナイト系の耐熱鋳鋼に比べてニッケル含有量が低減されるため、コストが低減される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ニッケル含有量を変化させたときにおける光学顕微鏡で観察した組織を示す図である。
【図２】電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した組織を示す図である。
【図３】電子顕微鏡（ＳＥＭ）で倍率を変えて観察した組織を示す図である。
【図４】電子顕微鏡（ＳＥＭ）で倍率を更に変えて観察した組織を示す図である。
【図５】ニッケル含有量と、伸び、第２相の面積率、硬さとの関係を示すグラフである。
【図６】引張強度と伸びのデータを示すグラフである。
【図７】熱疲労サイクル試験の結果を示すグラフである。
【図８】耐久寿命係数を示すグラフである。
【図９】熱疲労サイクル試験において試験片に作用する応力状態の一例を示すグラフである。
【図１０】従来材において凝固形態を模式化して示す図である。
【図１１】発明材において凝固形態を模式化して示す図である。
【図１２】エキゾーストマニホルドを示す写真図である。
【図１３】タービンハウジングを示す写真図である。
【図１４】タービンハウジング一体エキゾーストマニホルドを示す写真図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
組成の限定理由について説明する。
【００１２】
炭素０．１０〜０．４０％
炭素は鋳造性（流動性）を改善し高温強度を向上させ、耐熱性を高める。排気系部品等のように薄肉製品では、鋳造性（流動性）が特に要請される。但し、炭素が過剰になると、炭化物が過剰になり、脆くなる。炭素の上限値としては要請される性質に応じて、０．３９％、０．３８％、０．３７％が例示される。この上限値と組み合わせ得る炭素の下限値としては、要請される性質に応じて、０．１２％、０．１４％、０．１６％が例示される。また、０．１５〜０．４０％、０．１７〜０．３５％、０．２０〜０．３０％が例示される。
【００１３】
シリコン０．５〜２．０％
シリコンは耐酸化性を向上させる。過少であると、耐酸化性が低下する。過剰であると、靭性が悪化する。シリコンの上限値としては、要請される性質に応じて、１．９％、１．８％、１．７％、１．６％が例示される。この上限値と組み合わせ得るシリコンの下限値としては、要請される性質に応じて、０．５５％、０．６０％、０．７０％が例示される。また、０．７０〜１．８０％、０．９０〜１．５０％、１．００〜１．３０％が例示される。
【００１４】
マンガン０．２〜１．２％
マンガンは製造過程において脱酸効果を発揮させる元素である。マンガンの上限値としては、要請される性質に応じて、１．１０％、１．００％、０．９０％、０．８０％、０．７０％が例示される。この上限値と組み合わせ得るマンガンの下限値としては、要請される性質に応じて、０．２５％、０．３０％、０．４０％が例示される。また、０．３０〜１．００％、０．４０〜０．９０％、０．５０〜０．８０％が例示される。
【００１５】
リン０．３％以下
リンは切削性に影響する元素である。リンの上限値としては、要請される性質に応じて、０．２５％、０．２０％、０．１５％、０．１０％が例示される。この上限値と組み合わせ得るリンの下限値としては、要請される性質に応じて、０．００２％、０．００５％、０．０１％、０．０２％が例示される。
【００１６】
イオウ０．００１〜０．４％
イオウは切削性を向上させる元素である。イオウが過剰であると、切削性が改善されるものの、耐熱性が低下するおそれがある。イオウの上限値としては、要請される性質に応じて、０．３８％、０．３５％、０．３０％、０．２８％、０．２５％、０．２０％が例示される。この上限値と組み合わせ得るイオウの下限値としては、要請される性質に応じて、０．０２％、０．０３％、０．０４％、０．０５％が例示される。また、０．０３〜０．２５％、０．０５〜０．２０％、０．０６〜０．１８％が例示される。
【００１７】
クロム１４．０〜２１．０％
クロムはフェライト系耐熱鋳鋼の主要元素であり、組織をフェライト組織にすると共に、フェライトに固溶する。過少であると、高い耐熱性をもつ基地であるフェライト組織を充分確保できなくなる。過剰であると、脆くなる。クロムの上限値としては、要請される性質に応じて、２０．０％、１９．０％、１８．０％、１７．０％が例示される。この上限値と組み合わせ得るクロムの下限値としては、要請される性質に応じて、１４．５％、１５．０％、１５．５％が例示される。また、１４．５〜２０．５％、１５．０〜２０．０％、１５．５〜１８．０％が例示される。
【００１８】
ニオブ０．０５〜０．６％
ニオブは安定的なニオブ炭化物を形成する元素であり、高温強度を向上させる。ニオブの上限値としては要請される性質に応じて、０．５５％、０．５０％、０．４５％が例示される。この上限値と組み合わせ得るニオブの下限値としては、要請される性質に応じて、０．０７％、０．０８％が例示される。また、０．０７〜０．５５％、０．１０〜０．５０％、０．１２〜０．４５％が例示される。
【００１９】
アルミニウム０．０１〜０．８％
アルミニウムは製造過程において脱酸および脱ガス用に添加される元素である。アルミニウムの上限値としては、要請される性質に応じて、０．７０％、０．６０％、０．５０％が例示される。この上限値と組み合わせ得るアルミニウムの下限値としては、要請される性質に応じて、０．０２％、０．０４％、０．０６％が例示される。また、０．０１〜０．５５％、０．０２〜０．４５％、０．０３〜０．３５％が例示される。
【００２０】
ニッケル０．１５〜２．３％
過少であると、室温伸びが低下するし、強度および硬さも低下する。過剰であれば、基地の全部またはほとんどが、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する相となり、硬さが高くなるものの、室温伸びが低下する。これを考慮して、要請される性質に応じて、ニッケルの上限値としては２．２％、２．１％、２．０％、１．９％、１．８％、１．７％が例示され、更に１．６％、１．５％が例示される。この上限値と組み合わせ得るニッケルの下限値としては、要請される性質に応じて、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％が例示され、さらには、０．６％、０．７％が例示される。また、０．２０〜２．１０％、０．３０〜２．１０％、０．２５〜１．９０％、０．３０〜１．８０％が例示される。
【００２１】
バナジウム０．０１〜０．５％
バナジウムは高温強度を向上させる役割を有する。バナジウムは炭化物を形成させる。過剰であると、粗大な炭化物が生成され、常温における伸びが低下すると共に熱疲労性が低下するおそれがある。更にコストが高くなる。バナジウムの上限値としては要請される性質に応じて、０．４５％、０．４０％、０．３０％、０．２０％、０．１５％、０．１０％が例示される。この上限値と組み合わせ得るバナジウムの下限値としては、要請される性質に応じて、０．０１５％、０．０２０％、０．０２５％が例示される。また、０．０１〜０．５０％、０．０２〜０．４５％、０．０３〜０．３５％が例示される。本発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼においては、伸びおよび熱疲労性を向上させること、コスト低減等を考慮すると、バナジウムは含有されていなくも良い。
【００２２】
本発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼の組織については、フェライトで形成された第１相と、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第２相とが共存することが好ましい。第２相の面積率が５０％を越えた領域では、第２相の面積率が増加するにつれて硬さおよび強度が伸びと共に増加するものの、第２相の面積率が更に増加すると、硬さおよび強度が増加するものの伸びが低下する傾向がある（図５における特性線Ａ２参照）。このため、顕微鏡の全視野を１００％とするとき、第２相の面積率は５０％以上、６０％以上が好ましい。殊に５０〜８０％が好ましい。第２相の面積率は５５〜７５％が好ましい。
【００２３】
本発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼については、引張強度を高めつつ伸びを大きくできる。ここで、伸びが４％以上で、引張強度が４００ＭＰａ以上であることが好ましい。伸びが６％以上で、引張強度が５００ＭＰａ以上であることが好ましい。伸びが７％以上で、引張強度が７００ＭＰａ以上であることが好ましい。一般的な鋼材では、引張強度および伸びの双方を高めるには限界がある。
【００２４】
本発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼については、８００〜９７０℃で加熱保持された後に、７００℃以下まで冷却する熱処理が実施されることが好ましい。加熱保持する理由は、切削性向上のための硬度低減と鋳造残留応力の除去のためである。加熱保持する時間としては、合金元素の種類、合金元素の含有量、鋳鋼のサイズなどによっても相違するが、例えば１〜１０時間、２〜７時間、３〜５時間が挙げられる。７００℃以下まで冷却するにあたり、炉冷または空冷が好ましい。上記したフェライト系耐熱鋳鋼は、車両や産業機器等に使用される耐熱部品に適用できる。殊に、車両や産業機器等に使用される排気系部品に適用できる。
【００２５】
（実施例１）
実施例１では、鋼材および合金材を高周波溶解炉（重量：５００kg）で大気雰囲気において溶解した。溶解温度を１７００℃とした。そして、溶湯をＹブロックの砂型鋳型（生砂）に注入し（注湯温度：１６００℃）、凝固させて凝固体とした。その後、熱処理として、凝固体を９３０℃で大気雰囲気において３．５時間加熱保持した。その後、７００℃以下（具体的に５００℃）まで大気雰囲気において炉冷させた。熱処理により切削性が改善される。その後、凝固体から引張試験片（ＪＩＳ４号試験片）を切削加工で形成した。このように本発明材に係るフェライト系耐熱鋳鋼の試験片を形成した。炉冷に代えて空冷としても良い。
【００２６】
本発明材は、表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．８に示すような組成（分析値）を有しており、残部は実質的に鉄である。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３はバナジウムを０．０５％以下と微量で含有するシリーズである。Ｎｏ．４〜Ｎｏ．８はバナジウムを含有していないシリーズである。
【００２７】
本発明材であるＮｏ．１〜Ｎｏ．３は、フェライト系耐熱鋳鉄においてニッケルが含有されており、バナジウムが含有されている。Ｎｏ．１では、ニッケル％／バナジウム％の比率は０．４５／０．０４≒１１．３である。Ｎｏ．２では、ニッケル％／バナジウム％の比率は０．７４／０．０２９≒２５．５である。Ｎｏ．３では、ニッケル％／バナジウム％の比率は１．０１／０．０２８≒３６．１である。バナジウムが含有されている場合には、ニッケル％／バナジウム％の比率として、１．２〜１００の範囲内、２〜８０の範囲内、４〜５０の範囲内、４〜３０の範囲内が例示される。
【００２８】
本発明材であるＮｏ．４〜Ｎｏ．８は、フェライト系耐熱鋳鉄においてニッケルが含有されており、バナジウムが含有されていない。従って、Ｎｏ．４〜Ｎｏ．８では、バナジウムが０％であるため、ニッケル％／バナジウム％の比率は数値上∞である。
【００２９】
【表１】
【００３０】
図１は光学顕微鏡で撮影した組織（ナイタール腐食）の写真を示す、図１に示すように、ニッケルが０．１％未満の試験片、ニッケルが０．７４％の試験片（Ｎｏ．２）、ニッケルが１．０１％の試験片（Ｎｏ．３）、ニッケルが１．２０％の試験片（Ｎｏ．４）、ニッケルが１．４９％の試験片（Ｎｏ．５）、ニッケルが１．９７％の試験片（Ｎｏ．７）について組織を撮影した。
【００３１】
ニッケルが０．１％未満の試験片では、フェライトで形成された第１相が海状となって粗大化しており、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第２相（フェライトおよび炭化物の相）が島状となっていた。島状の第２相が占める面積率は、５０％未満であり少なかった。
ニッケルが０．７４％の試験片（Ｎｏ．２）では、フェライトで形成された海状の第１相の面積率が低下しており、且つ、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する島状の第２相（フェライトおよび炭化物の相）が占める面積率が増加しており、６０％以上と考えられる。更に、ニッケルが１．２０％に増加した試験片（Ｎｏ．４）では、海と島との面積率が完全に逆転しており、フェライトで形成された第１相の面積率がかなり低下しており、且つ、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第２相（フェライトおよび炭化物の相）が占める面積率がかなり増加しており、７０％以上と考えられる。更にまた、ニッケルが１．９７％に増加した試験片（Ｎｏ．７）では、フェライトで形成された第１相の面積率が更に低下しており、且つ、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第２相（フェライトおよび炭化物の相）が占める面積率が更に増加しており、９０％以上と考えられる。
【００３２】
図２〜図４は、電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した組織を表す倍率を変えて表す写真を示す。この場合、試験片は、ニッケルが１．０１％のＮｏ．３である。図２〜図４に示すように、フェライトで形成された第１相（炭化物を有していないフェライト相）が存在していた。更に、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第２相（フェライトの結晶内に炭化物が分散していた相、微細フェライト相）が存在している。第１相と第２相との境界には、微小粒子状をなす炭化物が生成されていた。境界に存在する複数の炭化物は、間隔を隔てて存在していた。第１相と第２相との境界に存在する微小粒子状をなす炭化物のサイズ、第２相を構成するフェライトの結晶内に存在する炭化物サイズは１マイクロメートル未満であり、かなり微小であった。このように微小な炭化物は亀裂の起点になりにくく、引張強度、伸び、熱疲労強度等の向上に貢献できると考えられる。
【００３３】
なお、フェライトで形成されている第１相のマイクロビッカース硬さは、ＭＨＶ（０．１Ｎ）２５４であった。フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第２相（フェライトの結晶内に炭化物が分散していた相）のマイクロビッカース硬さは、ＭＨＶ（０．１Ｎ）２４０であった。このように第１相はクロムを多量に含むため、硬さが第２相よりも硬かった。
【００３４】
上記した表１に示す発明材に相当する各試験片（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８）について、硬さ（Ｈｖ）および伸びとニッケル量との関係を測定した。更に、フェライトと炭化物との相が全視野に占める面積率とニッケル量との関係を測定した。図５は試験結果を示す。図５の横軸はニッケル量を示す。図５の左側の縦軸は引張試験における伸び（常温における伸び）を示す。図５の右側の縦軸の下部は第２相（フェライト＋炭化物）の面積率を示し、図５の右側の縦軸の上部は硬さ（常温における硬さ）を示す。
【００３５】
図５における特性線Ａ１に示すように、ニッケル量が増加するにつれて、硬さが次第に増加する特性が得られた。硬さは引張強度に対応する。また特性線Ａ２に示すように、ニッケル量が増加するにつれて伸びが次第に増加する特性が得られ、その後、ニッケル量が増加するにつれて伸びが次第に低下する特性が得られた。このように特性線Ａ２に示すように、ニッケル量と伸びとの関係においては、山形の臨界的意義が得られた。
【００３６】
請求項１，２に係る組成を前提とするとき、図５に示す特性線Ａ２によれば、伸びを２．５％以上とするためには、ニッケルは０．１〜２．０％の範囲が好ましい。伸びを３．０％以上とするためには、ニッケルは０．１３〜１．９％の範囲が好ましい。伸びを３．５％以上とするためには、ニッケルは０．１８〜１．８３％の範囲が好ましい。
【００３７】
図５に示す特性線Ａ２によれば、伸びを４．０％以上とするためには、ニッケルは０．２１〜１．８０％の範囲が好ましい。伸びを４．５％以上とするためには、ニッケルは０．２８〜１．７２％の範囲が好ましい。さらには、伸びを５．０％以上とするためには、ニッケルは０．３８〜１．６５％の範囲が好ましい。伸びを５．５％以上とするためには、ニッケルは０．４１〜１．６０％の範囲が好ましい。伸びを６．０％以上とするためには、ニッケルは０．５０〜１．５０％の範囲が好ましい。伸びを６．５％以上とするためには、ニッケルは０．６２〜１．４０％の範囲が好ましい。
【００３８】
ここで、伸びの向上を多少低下させたとして、引張強度（硬さ）の増加を図る用途の場合には、特性線Ａ２の頂上付近（ニッケル量：０．９０〜１．１０％）よりも、ニッケル量を増加させることもできる。この場合、ニッケル量を１．１０〜２．００％の範囲内、１．２０〜２．００％の範囲内、１．３０〜２．００％の範囲内、１．４〜２．００％の範囲内にできる。
【００３９】
また伸びの向上を多少低下させたとして、硬さの低下を図り、切削性を高める用途の場合には、特性線Ａ２の頂上付近（ニッケル量：０．９０〜１．１０％）よりも、ニッケル量を減少させることもできる。この場合、ニッケル量を０．２０〜０．９０％の範囲内、０．２０〜０．８０％の範囲内、０．２０〜０．７０％の範囲内にできる。
【００４０】
【表２】
【００４１】
表２は、従来材に係る試験片Ｎｏ．１Ａ〜Ｎｏ．１５Ａの組成および引張強度および伸びを示す。この従来材はフェライト系耐熱鋳鋼である。従来材に係る試験片Ｎｏ．１Ａ〜Ｎｏ．１５Ａにおいては、ニッケルが含有されていない。更にバナジウム含有量は０．５４％以上であり、高い。表２から理解できるように、従来材に係る試験片Ｎｏ．１Ａ〜Ｎｏ．１５Ａにおいては、引張強度が高くなると、伸びが低下する傾向にある。
【００４２】
（実施例２）
実施例１と同様の手順で本発明材に相当する実施例２に係るフェライト系耐熱鋳鋼の試験片を形成した。その試験片について常温において引張試験を実施した。組成を表３に示す。比較例１〜４についても基本的には同様な手順で試験片を形成し、同様に試験した。比較例１では、炭素が１．１８％であり本発明材の組成に比較して過剰であり、クロムが２５％であり本発明材の組成に比較して過剰であり、ニオブが５．８０％であり本発明材の組成に比較して過剰であり、更に、タングステンも４．２８％と多量に含有されている。
【００４３】
【表３】
【００４４】
比較例２では、炭素が０．４２％であり本発明材の組成に比較して過剰であり、ニオブが２．３５％であり本発明材の組成に比較して過剰である。比較例３では、バナジウムが０．６３％であり、本発明材の組成に比較して過剰である。比較例４では、バナジウムが０．６０％であり、本発明材の組成に比較して過剰である。比較例３，４では、バナジウムの含有量が高く、バナジウムの炭化物が過剰に形成される。
【００４５】
図６は試験結果（引張強度および伸び）を示す。図６に示すように、比較例１では引張強度は４４０ＭＰａ程度であるにもかかわらず、伸びが３％程度と低かった。比較例２では引張強度は３２０ＭＰａ程度であるにもかかわらず、伸びが３％程度と低かった。比較例３では引張強度は３８０ＭＰａ程度であるにもかかわらず、伸びが１．６％程度とかなり低かった。バナジウムを除いて本発明材の組成に近似する比較例４では、引張強度は６６０ＭＰａ程度とかなり高いにもかかわらず、伸びが１２．２％程度であり、高かった。
【００４６】
これに対して本発明材である実施例２では、図６に示すように、高価なバナジウムの含有量が比較例４に対して１／６であり、バナジウムの含有量が低減されているものの、引張強度および伸びの双方が良好であった。殊に、引張強度は６８０ＭＰａと高いにもかかわらず、伸びが８．２％程度と高かった。このようにフェライト系の本発明材では、オーステナイト系の組織にせずとも、引張強度を高めつつ伸びを大きくできる。
【００４７】
（実施例３）
実施例１と同様な手順で、本発明材に係るフェライト系耐熱鋳鋼で熱疲労試験用の試験片を形成した。試験片は丸棒状をなしており、試験片の平行部の直径を１０ミリメートルとし、平行部の長さを２５ミリメートとした。平行部の表面を機械加工で仕上げた。その試験片について熱疲労サイクル試験を実施した。試験では、試験片の拘束率を５０％とした状態で、２００℃から８５０℃に４．５分間で昇温させ、８５０℃から２００℃に４．５分間で降温させ、これを１サイクルとし、試験片の軸長方向において圧縮応力および引張応力を作用させた。
【００４８】
この試験において用いられた本発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼に係る試験片の組成は、質量％で、炭素０．１９％、シリコン１．１１％、マンガン０．５２％、リン０．０３０％、イオウ０．１００％、クロム１７．０％、ニオブ０．２０％、アルミニウム０．１１％、ニッケル０．９４％、残部鉄および不可避の不純物からなり、常温領域においてフェライト系の組織をもつ。
【００４９】
比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼、従来材についても同様に試験した。比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼に係る試験片の組成は、質量％で、炭素０．３１％、シリコン２．２４％．マンガン１．１２％、リン０．０３２％、イオウ０．０７０％、クロム１７．２％、ニオブ０．５２％、モリブデン２．４１％、ニッケル１４．８％、残部鉄および不可避の不純物からなり、常温領域においてオーステナイト系の組織をもつ。また、従来材に係る試験片の組成は、質量％で、炭素０．２０％、シリコン１．２２％．マンガン０．５９％、リン０．０３０％、イオウ０．１１０％、クロム１７．０％、ニッケル０．１０％、バナジウム０．６３％、残部鉄および不可避の不純物からなり、常温領域においてフェライト系の組織をもつ。従来材に係る試験片は、本発明材と近似する組成を有するものの、バナジウムを０．６３％と多量に含有しており、且つ、ニオブを含有していない。
【００５０】
図７は熱疲労サイクル試験の試験結果を示す。図７に示すように、比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼では、割れの発生したサイクル数は１２５０回程度であり、優れていた。従来材では、割れの発生したサイクル数は８００回程度であり、悪かった。これに対して発明材では、オーステナイト系の耐熱鋳鋼に比較してニッケル含有量が低いにもかかわらず、割れの発生したサイクル数は１３００回程度であり、比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼に匹敵するように優れていた。
【００５１】
図８は後述するタービンハウジング一体エキゾーストマニホルド（図１４参照）の耐久寿命係数を示す。耐久寿命係数は次のように求めた。
【００５２】
すなわち、タービンハウジング一体エキゾーストマニホルド（図１４参照）について熱疲労サイクル試験を実施すると共に、従来材にて割れの発生したサイクル数を耐久寿命係数１と設定し、オーステナイト系の耐熱鋳鋼および発明材にて、割れの発生したサイクル数からそれぞれの耐久寿命係数を求めた。なお、試験では、タービンハウジング一体エキゾーストマニホルド（図１４参照）を固定した状態で、１５０℃から８５０℃にバーナーを用いて５分間で昇温させ、８５０℃から１５０℃に強制冷却によって７分間で降温させ、これを１サイクルとし、昇温および降温のサイクルを繰り返して行った。
【００５３】
図８に示すように、比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼では、耐久寿命係数は２．１程度であり、優れていた。従来材では、耐久寿命係数は１．０であり、悪かった。これに対して発明材では、耐久寿命係数は２．１程度であり、比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼に匹敵するように優れていた。
【００５４】
ここで、比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼では、熱疲労性が優れているものの、コストが高いニッケルの含有量が１４．８％、モリブデンの含有量が２．４１％であり、ニッケルおよびモリブデンが多量に含有されており、コスト高となる。これに対して本発明材では、熱疲労性および耐久寿命が優れており、クロムの含有量は１７．０％でありオーステナイト系の耐熱鋳鋼と同程度であるものの、ニッケルの含有量が０．９４％と少量であり、比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼に比較してかなり少量であり、更に、モリブデンが含有されておらず、しかもバナジウムも含有されておらず、コストにおいて有利である。このように本発明材では、コストが低廉化されつつ、熱疲労性および耐久寿命が優れている。また、従来材に係る試験片は、本発明材と近似する組成を有するものの、バナジウムの含有量が０．６３％と高いため、バナジウムを含む炭化物が過剰に生成しており、且つ、炭化物のサイズも大きく、熱疲労性および耐久寿命が充分ではない。
【００５５】
図９は、上記した熱疲労サイクル試験を従来材について実施した場合における特性変化を示す。図９に示すように、試験片の拘束率を５０％とした状態で、２００℃から８５０℃に４．５分間で試験片を昇温させ、８５０℃から２００℃に４．５分間で試験片を降温させ、これを１サイクルとし、試験片の軸長方向において圧縮応力および引張応力を作用させた。図９の横軸は時間を示す。図９において縦軸の左側は試験片の温度を示し、縦軸の右側は試験片に発生する応力を示す。応力が０ＭＰａ未満の領域では試験片に圧縮応力が作用している。応力が０ＭＰａを正方向に越える領域では試験片に引張応力が作用している。図９から理解できるように、試験片が冷却されて試験片の温度が降温するとき、大きな引張応力が試験片に作用する。このため伸びが小さな材料は、耐熱疲労性が低いといえる。
【００５６】
図１０は従来材の凝固過程を模式化して示す凝固イメージを表す。図１１は本発明材の凝固過程を模式化して示す凝固イメージを表す。図１０および図１１の縦軸は温度を示し、横軸は組成を示す。図１０に示すフェライト系の従来材では、ニッケルが少ないか含有されていないため、オーステナイト相（γ）は狭い領域とされている。溶湯（Ｌ，Ｌｉｑｕｉｄ）が矢印Ｋ１方向に冷却するとき、オーステナイト相（γ）に変態することなく、溶湯（Ｌ，Ｌｉｑｕｉｄ）からフェライト（α）が生成される。これに対して図１１に示す本発明材では、ニッケル含有量が従来材よりも多いため、オーステナイト相（γ）は広い領域とされている。溶湯（Ｌ，Ｌｉｑｕｉｄ）が矢印Ｋ２方向に冷却するとき、ポイントＰ１でフェライト（α）がオーステナイト相（γ）にいったん変態する。その後、冷却に伴い、オーステナイト相（γ）はポイントＰ２においてフェライト（α）として再び変態すると共に、オーステナイトに固溶されている合金元素が炭化物として析出され、第２相が形成される。
【００５７】
（実施例４）
表４および表５は、本発明者が実施した数々の試験に基づいて、本発明材と同等の特性を確保できると考えられる例を示す。これらは、安価で且つ常温における靭性、熱疲労性を大きく改善して信頼性を向上させ得るフェライト系耐熱鋳鋼を形成できる。表４に示す試験片Ｎｏ．１Ｂ〜試験片Ｎｏ．８Ｂは、本発明材と同等の特性を確保できると考えられる例である。試験片Ｎｏ．１Ｂ〜試験片Ｎｏ．８Ｂは、バナジウムを含んでいない。表５に示す試験片Ｎｏ．１Ｃ〜試験片Ｎｏ．８Ｃは、本発明材と同等の特性を確保できると考えられる例であり、バナジウムを０．４８％以下、０．３０％以下、０．２０％以下含んでいる。
【００５８】
【表４】
【００５９】
【表５】
【００６０】
（用途）
本発明材の用途としては耐熱部品が例示される。耐熱部品としては車両用または産業機器用の排気系部品が例示される。排気系部品としては、エキゾーストマニホルド（図１２参照）、タービンハウジング（図１３参照）、タービンハウジング一体エキゾーストマニホルド（図１４）が例示される。近年、車両用または産業機器用の排気系部品の分野においては、排ガス規制の強化に伴い、排ガス温度がますます高くなり、雰囲気温度が８５０℃以上、９００℃以上、９５０℃以上となりつつある。このような排気系部品においては、要請される熱疲労性は益々高いものが要請されている。このような排気系部品に使用される材料として本発明材は適する。
【００６１】
（その他）本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。
【技術分野】
【０００１】
本発明はフェライト系耐熱鋳鋼およびそれからなる排気系部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車や産業機器等に用いられる部品の使用温度がますます高くなり、より高い耐熱性をもつ鋳鋼が使用されている。殊に、排ガス規制の強化に伴い自動車や産業機器等においては排ガス温度がますます高くなり、排気ガス温度が９００℃以上の雰囲気に使用されるエンジン用エキゾーストマニホルド等の排気系部品には、高い耐熱性をもつ鋳鋼が使用されている。
【０００３】
高い耐熱性をもつ鋳鋼として、オーステナイト系の耐熱鋳鋼と、フェライト系の耐熱鋳鋼とがある。オーステナイト系の耐熱鋳鋼については、耐熱性が良いが、高価なニッケルなどが多く含有されて材料費が大変高い上に、切削性も良くない。一方、フェライト系の耐熱鋳鋼はオーステナイト系の耐熱鋳鋼に比べて安価であるが、近年の要請を考慮すると、耐熱性が必ずしも充分ではない。更に、常温における靭性が必ずしも良くないので、高い信頼性を得るためには、まだ課題が残っている。
【０００４】
特許文献１には、フェライト系の耐熱鋳鋼の切削性を改善させるため、イオウを０．０６〜０．２％含有させたフェライト系の耐熱鋳鋼が開示されているが、必ずしも充分ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−３４２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、高い強度を得つつ伸びを確保でき、靭性を大きく改善でき、ひいては熱疲労性を改善でき、信頼性を向上させ得、且つ、安価なフェライト系の組織をもつフェライト系耐熱鋳鋼および排気系部品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】
第１発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼は、質量％で、炭素０．１０〜０．４０％、シリコン０．５〜２．０％、マンガン０．２〜１．２％、リン０．３％以下、イオウ０．０１〜０．４％、クロム１４．０〜２１．０％、ニオブ０．０５〜０．６％、アルミニウム０．０１〜０．８％、ニッケル０．１５〜２．３％、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつ。
【０００８】
第２発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼は、質量％で、炭素０．１０〜０．４０％、シリコン０．５〜２．０％、マンガン０．２〜１．２％、リン０．３％以下、イオウ０．０１〜０．４％、クロム１４．０〜２１．０％、バナジウム０．０１〜０．５％、ニオブ０．０５〜０．６％、アルミニウム０．０１〜０．８％、ニッケル０．１５〜２．３％、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつ。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、常温における強度および伸びを確保しつつ、靭性を大きく改善して信頼性を向上させ得るフェライト系耐熱鋳鋼および排気系部品を提供することができる。更に、オーステナイト系の耐熱鋳鋼に比べてニッケル含有量が低減されるため、コストが低減される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ニッケル含有量を変化させたときにおける光学顕微鏡で観察した組織を示す図である。
【図２】電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した組織を示す図である。
【図３】電子顕微鏡（ＳＥＭ）で倍率を変えて観察した組織を示す図である。
【図４】電子顕微鏡（ＳＥＭ）で倍率を更に変えて観察した組織を示す図である。
【図５】ニッケル含有量と、伸び、第２相の面積率、硬さとの関係を示すグラフである。
【図６】引張強度と伸びのデータを示すグラフである。
【図７】熱疲労サイクル試験の結果を示すグラフである。
【図８】耐久寿命係数を示すグラフである。
【図９】熱疲労サイクル試験において試験片に作用する応力状態の一例を示すグラフである。
【図１０】従来材において凝固形態を模式化して示す図である。
【図１１】発明材において凝固形態を模式化して示す図である。
【図１２】エキゾーストマニホルドを示す写真図である。
【図１３】タービンハウジングを示す写真図である。
【図１４】タービンハウジング一体エキゾーストマニホルドを示す写真図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
組成の限定理由について説明する。
【００１２】
炭素０．１０〜０．４０％
炭素は鋳造性（流動性）を改善し高温強度を向上させ、耐熱性を高める。排気系部品等のように薄肉製品では、鋳造性（流動性）が特に要請される。但し、炭素が過剰になると、炭化物が過剰になり、脆くなる。炭素の上限値としては要請される性質に応じて、０．３９％、０．３８％、０．３７％が例示される。この上限値と組み合わせ得る炭素の下限値としては、要請される性質に応じて、０．１２％、０．１４％、０．１６％が例示される。また、０．１５〜０．４０％、０．１７〜０．３５％、０．２０〜０．３０％が例示される。
【００１３】
シリコン０．５〜２．０％
シリコンは耐酸化性を向上させる。過少であると、耐酸化性が低下する。過剰であると、靭性が悪化する。シリコンの上限値としては、要請される性質に応じて、１．９％、１．８％、１．７％、１．６％が例示される。この上限値と組み合わせ得るシリコンの下限値としては、要請される性質に応じて、０．５５％、０．６０％、０．７０％が例示される。また、０．７０〜１．８０％、０．９０〜１．５０％、１．００〜１．３０％が例示される。
【００１４】
マンガン０．２〜１．２％
マンガンは製造過程において脱酸効果を発揮させる元素である。マンガンの上限値としては、要請される性質に応じて、１．１０％、１．００％、０．９０％、０．８０％、０．７０％が例示される。この上限値と組み合わせ得るマンガンの下限値としては、要請される性質に応じて、０．２５％、０．３０％、０．４０％が例示される。また、０．３０〜１．００％、０．４０〜０．９０％、０．５０〜０．８０％が例示される。
【００１５】
リン０．３％以下
リンは切削性に影響する元素である。リンの上限値としては、要請される性質に応じて、０．２５％、０．２０％、０．１５％、０．１０％が例示される。この上限値と組み合わせ得るリンの下限値としては、要請される性質に応じて、０．００２％、０．００５％、０．０１％、０．０２％が例示される。
【００１６】
イオウ０．００１〜０．４％
イオウは切削性を向上させる元素である。イオウが過剰であると、切削性が改善されるものの、耐熱性が低下するおそれがある。イオウの上限値としては、要請される性質に応じて、０．３８％、０．３５％、０．３０％、０．２８％、０．２５％、０．２０％が例示される。この上限値と組み合わせ得るイオウの下限値としては、要請される性質に応じて、０．０２％、０．０３％、０．０４％、０．０５％が例示される。また、０．０３〜０．２５％、０．０５〜０．２０％、０．０６〜０．１８％が例示される。
【００１７】
クロム１４．０〜２１．０％
クロムはフェライト系耐熱鋳鋼の主要元素であり、組織をフェライト組織にすると共に、フェライトに固溶する。過少であると、高い耐熱性をもつ基地であるフェライト組織を充分確保できなくなる。過剰であると、脆くなる。クロムの上限値としては、要請される性質に応じて、２０．０％、１９．０％、１８．０％、１７．０％が例示される。この上限値と組み合わせ得るクロムの下限値としては、要請される性質に応じて、１４．５％、１５．０％、１５．５％が例示される。また、１４．５〜２０．５％、１５．０〜２０．０％、１５．５〜１８．０％が例示される。
【００１８】
ニオブ０．０５〜０．６％
ニオブは安定的なニオブ炭化物を形成する元素であり、高温強度を向上させる。ニオブの上限値としては要請される性質に応じて、０．５５％、０．５０％、０．４５％が例示される。この上限値と組み合わせ得るニオブの下限値としては、要請される性質に応じて、０．０７％、０．０８％が例示される。また、０．０７〜０．５５％、０．１０〜０．５０％、０．１２〜０．４５％が例示される。
【００１９】
アルミニウム０．０１〜０．８％
アルミニウムは製造過程において脱酸および脱ガス用に添加される元素である。アルミニウムの上限値としては、要請される性質に応じて、０．７０％、０．６０％、０．５０％が例示される。この上限値と組み合わせ得るアルミニウムの下限値としては、要請される性質に応じて、０．０２％、０．０４％、０．０６％が例示される。また、０．０１〜０．５５％、０．０２〜０．４５％、０．０３〜０．３５％が例示される。
【００２０】
ニッケル０．１５〜２．３％
過少であると、室温伸びが低下するし、強度および硬さも低下する。過剰であれば、基地の全部またはほとんどが、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する相となり、硬さが高くなるものの、室温伸びが低下する。これを考慮して、要請される性質に応じて、ニッケルの上限値としては２．２％、２．１％、２．０％、１．９％、１．８％、１．７％が例示され、更に１．６％、１．５％が例示される。この上限値と組み合わせ得るニッケルの下限値としては、要請される性質に応じて、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％が例示され、さらには、０．６％、０．７％が例示される。また、０．２０〜２．１０％、０．３０〜２．１０％、０．２５〜１．９０％、０．３０〜１．８０％が例示される。
【００２１】
バナジウム０．０１〜０．５％
バナジウムは高温強度を向上させる役割を有する。バナジウムは炭化物を形成させる。過剰であると、粗大な炭化物が生成され、常温における伸びが低下すると共に熱疲労性が低下するおそれがある。更にコストが高くなる。バナジウムの上限値としては要請される性質に応じて、０．４５％、０．４０％、０．３０％、０．２０％、０．１５％、０．１０％が例示される。この上限値と組み合わせ得るバナジウムの下限値としては、要請される性質に応じて、０．０１５％、０．０２０％、０．０２５％が例示される。また、０．０１〜０．５０％、０．０２〜０．４５％、０．０３〜０．３５％が例示される。本発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼においては、伸びおよび熱疲労性を向上させること、コスト低減等を考慮すると、バナジウムは含有されていなくも良い。
【００２２】
本発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼の組織については、フェライトで形成された第１相と、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第２相とが共存することが好ましい。第２相の面積率が５０％を越えた領域では、第２相の面積率が増加するにつれて硬さおよび強度が伸びと共に増加するものの、第２相の面積率が更に増加すると、硬さおよび強度が増加するものの伸びが低下する傾向がある（図５における特性線Ａ２参照）。このため、顕微鏡の全視野を１００％とするとき、第２相の面積率は５０％以上、６０％以上が好ましい。殊に５０〜８０％が好ましい。第２相の面積率は５５〜７５％が好ましい。
【００２３】
本発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼については、引張強度を高めつつ伸びを大きくできる。ここで、伸びが４％以上で、引張強度が４００ＭＰａ以上であることが好ましい。伸びが６％以上で、引張強度が５００ＭＰａ以上であることが好ましい。伸びが７％以上で、引張強度が７００ＭＰａ以上であることが好ましい。一般的な鋼材では、引張強度および伸びの双方を高めるには限界がある。
【００２４】
本発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼については、８００〜９７０℃で加熱保持された後に、７００℃以下まで冷却する熱処理が実施されることが好ましい。加熱保持する理由は、切削性向上のための硬度低減と鋳造残留応力の除去のためである。加熱保持する時間としては、合金元素の種類、合金元素の含有量、鋳鋼のサイズなどによっても相違するが、例えば１〜１０時間、２〜７時間、３〜５時間が挙げられる。７００℃以下まで冷却するにあたり、炉冷または空冷が好ましい。上記したフェライト系耐熱鋳鋼は、車両や産業機器等に使用される耐熱部品に適用できる。殊に、車両や産業機器等に使用される排気系部品に適用できる。
【００２５】
（実施例１）
実施例１では、鋼材および合金材を高周波溶解炉（重量：５００kg）で大気雰囲気において溶解した。溶解温度を１７００℃とした。そして、溶湯をＹブロックの砂型鋳型（生砂）に注入し（注湯温度：１６００℃）、凝固させて凝固体とした。その後、熱処理として、凝固体を９３０℃で大気雰囲気において３．５時間加熱保持した。その後、７００℃以下（具体的に５００℃）まで大気雰囲気において炉冷させた。熱処理により切削性が改善される。その後、凝固体から引張試験片（ＪＩＳ４号試験片）を切削加工で形成した。このように本発明材に係るフェライト系耐熱鋳鋼の試験片を形成した。炉冷に代えて空冷としても良い。
【００２６】
本発明材は、表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．８に示すような組成（分析値）を有しており、残部は実質的に鉄である。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３はバナジウムを０．０５％以下と微量で含有するシリーズである。Ｎｏ．４〜Ｎｏ．８はバナジウムを含有していないシリーズである。
【００２７】
本発明材であるＮｏ．１〜Ｎｏ．３は、フェライト系耐熱鋳鉄においてニッケルが含有されており、バナジウムが含有されている。Ｎｏ．１では、ニッケル％／バナジウム％の比率は０．４５／０．０４≒１１．３である。Ｎｏ．２では、ニッケル％／バナジウム％の比率は０．７４／０．０２９≒２５．５である。Ｎｏ．３では、ニッケル％／バナジウム％の比率は１．０１／０．０２８≒３６．１である。バナジウムが含有されている場合には、ニッケル％／バナジウム％の比率として、１．２〜１００の範囲内、２〜８０の範囲内、４〜５０の範囲内、４〜３０の範囲内が例示される。
【００２８】
本発明材であるＮｏ．４〜Ｎｏ．８は、フェライト系耐熱鋳鉄においてニッケルが含有されており、バナジウムが含有されていない。従って、Ｎｏ．４〜Ｎｏ．８では、バナジウムが０％であるため、ニッケル％／バナジウム％の比率は数値上∞である。
【００２９】
【表１】
【００３０】
図１は光学顕微鏡で撮影した組織（ナイタール腐食）の写真を示す、図１に示すように、ニッケルが０．１％未満の試験片、ニッケルが０．７４％の試験片（Ｎｏ．２）、ニッケルが１．０１％の試験片（Ｎｏ．３）、ニッケルが１．２０％の試験片（Ｎｏ．４）、ニッケルが１．４９％の試験片（Ｎｏ．５）、ニッケルが１．９７％の試験片（Ｎｏ．７）について組織を撮影した。
【００３１】
ニッケルが０．１％未満の試験片では、フェライトで形成された第１相が海状となって粗大化しており、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第２相（フェライトおよび炭化物の相）が島状となっていた。島状の第２相が占める面積率は、５０％未満であり少なかった。
ニッケルが０．７４％の試験片（Ｎｏ．２）では、フェライトで形成された海状の第１相の面積率が低下しており、且つ、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する島状の第２相（フェライトおよび炭化物の相）が占める面積率が増加しており、６０％以上と考えられる。更に、ニッケルが１．２０％に増加した試験片（Ｎｏ．４）では、海と島との面積率が完全に逆転しており、フェライトで形成された第１相の面積率がかなり低下しており、且つ、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第２相（フェライトおよび炭化物の相）が占める面積率がかなり増加しており、７０％以上と考えられる。更にまた、ニッケルが１．９７％に増加した試験片（Ｎｏ．７）では、フェライトで形成された第１相の面積率が更に低下しており、且つ、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第２相（フェライトおよび炭化物の相）が占める面積率が更に増加しており、９０％以上と考えられる。
【００３２】
図２〜図４は、電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した組織を表す倍率を変えて表す写真を示す。この場合、試験片は、ニッケルが１．０１％のＮｏ．３である。図２〜図４に示すように、フェライトで形成された第１相（炭化物を有していないフェライト相）が存在していた。更に、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第２相（フェライトの結晶内に炭化物が分散していた相、微細フェライト相）が存在している。第１相と第２相との境界には、微小粒子状をなす炭化物が生成されていた。境界に存在する複数の炭化物は、間隔を隔てて存在していた。第１相と第２相との境界に存在する微小粒子状をなす炭化物のサイズ、第２相を構成するフェライトの結晶内に存在する炭化物サイズは１マイクロメートル未満であり、かなり微小であった。このように微小な炭化物は亀裂の起点になりにくく、引張強度、伸び、熱疲労強度等の向上に貢献できると考えられる。
【００３３】
なお、フェライトで形成されている第１相のマイクロビッカース硬さは、ＭＨＶ（０．１Ｎ）２５４であった。フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する第２相（フェライトの結晶内に炭化物が分散していた相）のマイクロビッカース硬さは、ＭＨＶ（０．１Ｎ）２４０であった。このように第１相はクロムを多量に含むため、硬さが第２相よりも硬かった。
【００３４】
上記した表１に示す発明材に相当する各試験片（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８）について、硬さ（Ｈｖ）および伸びとニッケル量との関係を測定した。更に、フェライトと炭化物との相が全視野に占める面積率とニッケル量との関係を測定した。図５は試験結果を示す。図５の横軸はニッケル量を示す。図５の左側の縦軸は引張試験における伸び（常温における伸び）を示す。図５の右側の縦軸の下部は第２相（フェライト＋炭化物）の面積率を示し、図５の右側の縦軸の上部は硬さ（常温における硬さ）を示す。
【００３５】
図５における特性線Ａ１に示すように、ニッケル量が増加するにつれて、硬さが次第に増加する特性が得られた。硬さは引張強度に対応する。また特性線Ａ２に示すように、ニッケル量が増加するにつれて伸びが次第に増加する特性が得られ、その後、ニッケル量が増加するにつれて伸びが次第に低下する特性が得られた。このように特性線Ａ２に示すように、ニッケル量と伸びとの関係においては、山形の臨界的意義が得られた。
【００３６】
請求項１，２に係る組成を前提とするとき、図５に示す特性線Ａ２によれば、伸びを２．５％以上とするためには、ニッケルは０．１〜２．０％の範囲が好ましい。伸びを３．０％以上とするためには、ニッケルは０．１３〜１．９％の範囲が好ましい。伸びを３．５％以上とするためには、ニッケルは０．１８〜１．８３％の範囲が好ましい。
【００３７】
図５に示す特性線Ａ２によれば、伸びを４．０％以上とするためには、ニッケルは０．２１〜１．８０％の範囲が好ましい。伸びを４．５％以上とするためには、ニッケルは０．２８〜１．７２％の範囲が好ましい。さらには、伸びを５．０％以上とするためには、ニッケルは０．３８〜１．６５％の範囲が好ましい。伸びを５．５％以上とするためには、ニッケルは０．４１〜１．６０％の範囲が好ましい。伸びを６．０％以上とするためには、ニッケルは０．５０〜１．５０％の範囲が好ましい。伸びを６．５％以上とするためには、ニッケルは０．６２〜１．４０％の範囲が好ましい。
【００３８】
ここで、伸びの向上を多少低下させたとして、引張強度（硬さ）の増加を図る用途の場合には、特性線Ａ２の頂上付近（ニッケル量：０．９０〜１．１０％）よりも、ニッケル量を増加させることもできる。この場合、ニッケル量を１．１０〜２．００％の範囲内、１．２０〜２．００％の範囲内、１．３０〜２．００％の範囲内、１．４〜２．００％の範囲内にできる。
【００３９】
また伸びの向上を多少低下させたとして、硬さの低下を図り、切削性を高める用途の場合には、特性線Ａ２の頂上付近（ニッケル量：０．９０〜１．１０％）よりも、ニッケル量を減少させることもできる。この場合、ニッケル量を０．２０〜０．９０％の範囲内、０．２０〜０．８０％の範囲内、０．２０〜０．７０％の範囲内にできる。
【００４０】
【表２】
【００４１】
表２は、従来材に係る試験片Ｎｏ．１Ａ〜Ｎｏ．１５Ａの組成および引張強度および伸びを示す。この従来材はフェライト系耐熱鋳鋼である。従来材に係る試験片Ｎｏ．１Ａ〜Ｎｏ．１５Ａにおいては、ニッケルが含有されていない。更にバナジウム含有量は０．５４％以上であり、高い。表２から理解できるように、従来材に係る試験片Ｎｏ．１Ａ〜Ｎｏ．１５Ａにおいては、引張強度が高くなると、伸びが低下する傾向にある。
【００４２】
（実施例２）
実施例１と同様の手順で本発明材に相当する実施例２に係るフェライト系耐熱鋳鋼の試験片を形成した。その試験片について常温において引張試験を実施した。組成を表３に示す。比較例１〜４についても基本的には同様な手順で試験片を形成し、同様に試験した。比較例１では、炭素が１．１８％であり本発明材の組成に比較して過剰であり、クロムが２５％であり本発明材の組成に比較して過剰であり、ニオブが５．８０％であり本発明材の組成に比較して過剰であり、更に、タングステンも４．２８％と多量に含有されている。
【００４３】
【表３】
【００４４】
比較例２では、炭素が０．４２％であり本発明材の組成に比較して過剰であり、ニオブが２．３５％であり本発明材の組成に比較して過剰である。比較例３では、バナジウムが０．６３％であり、本発明材の組成に比較して過剰である。比較例４では、バナジウムが０．６０％であり、本発明材の組成に比較して過剰である。比較例３，４では、バナジウムの含有量が高く、バナジウムの炭化物が過剰に形成される。
【００４５】
図６は試験結果（引張強度および伸び）を示す。図６に示すように、比較例１では引張強度は４４０ＭＰａ程度であるにもかかわらず、伸びが３％程度と低かった。比較例２では引張強度は３２０ＭＰａ程度であるにもかかわらず、伸びが３％程度と低かった。比較例３では引張強度は３８０ＭＰａ程度であるにもかかわらず、伸びが１．６％程度とかなり低かった。バナジウムを除いて本発明材の組成に近似する比較例４では、引張強度は６６０ＭＰａ程度とかなり高いにもかかわらず、伸びが１２．２％程度であり、高かった。
【００４６】
これに対して本発明材である実施例２では、図６に示すように、高価なバナジウムの含有量が比較例４に対して１／６であり、バナジウムの含有量が低減されているものの、引張強度および伸びの双方が良好であった。殊に、引張強度は６８０ＭＰａと高いにもかかわらず、伸びが８．２％程度と高かった。このようにフェライト系の本発明材では、オーステナイト系の組織にせずとも、引張強度を高めつつ伸びを大きくできる。
【００４７】
（実施例３）
実施例１と同様な手順で、本発明材に係るフェライト系耐熱鋳鋼で熱疲労試験用の試験片を形成した。試験片は丸棒状をなしており、試験片の平行部の直径を１０ミリメートルとし、平行部の長さを２５ミリメートとした。平行部の表面を機械加工で仕上げた。その試験片について熱疲労サイクル試験を実施した。試験では、試験片の拘束率を５０％とした状態で、２００℃から８５０℃に４．５分間で昇温させ、８５０℃から２００℃に４．５分間で降温させ、これを１サイクルとし、試験片の軸長方向において圧縮応力および引張応力を作用させた。
【００４８】
この試験において用いられた本発明に係るフェライト系耐熱鋳鋼に係る試験片の組成は、質量％で、炭素０．１９％、シリコン１．１１％、マンガン０．５２％、リン０．０３０％、イオウ０．１００％、クロム１７．０％、ニオブ０．２０％、アルミニウム０．１１％、ニッケル０．９４％、残部鉄および不可避の不純物からなり、常温領域においてフェライト系の組織をもつ。
【００４９】
比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼、従来材についても同様に試験した。比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼に係る試験片の組成は、質量％で、炭素０．３１％、シリコン２．２４％．マンガン１．１２％、リン０．０３２％、イオウ０．０７０％、クロム１７．２％、ニオブ０．５２％、モリブデン２．４１％、ニッケル１４．８％、残部鉄および不可避の不純物からなり、常温領域においてオーステナイト系の組織をもつ。また、従来材に係る試験片の組成は、質量％で、炭素０．２０％、シリコン１．２２％．マンガン０．５９％、リン０．０３０％、イオウ０．１１０％、クロム１７．０％、ニッケル０．１０％、バナジウム０．６３％、残部鉄および不可避の不純物からなり、常温領域においてフェライト系の組織をもつ。従来材に係る試験片は、本発明材と近似する組成を有するものの、バナジウムを０．６３％と多量に含有しており、且つ、ニオブを含有していない。
【００５０】
図７は熱疲労サイクル試験の試験結果を示す。図７に示すように、比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼では、割れの発生したサイクル数は１２５０回程度であり、優れていた。従来材では、割れの発生したサイクル数は８００回程度であり、悪かった。これに対して発明材では、オーステナイト系の耐熱鋳鋼に比較してニッケル含有量が低いにもかかわらず、割れの発生したサイクル数は１３００回程度であり、比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼に匹敵するように優れていた。
【００５１】
図８は後述するタービンハウジング一体エキゾーストマニホルド（図１４参照）の耐久寿命係数を示す。耐久寿命係数は次のように求めた。
【００５２】
すなわち、タービンハウジング一体エキゾーストマニホルド（図１４参照）について熱疲労サイクル試験を実施すると共に、従来材にて割れの発生したサイクル数を耐久寿命係数１と設定し、オーステナイト系の耐熱鋳鋼および発明材にて、割れの発生したサイクル数からそれぞれの耐久寿命係数を求めた。なお、試験では、タービンハウジング一体エキゾーストマニホルド（図１４参照）を固定した状態で、１５０℃から８５０℃にバーナーを用いて５分間で昇温させ、８５０℃から１５０℃に強制冷却によって７分間で降温させ、これを１サイクルとし、昇温および降温のサイクルを繰り返して行った。
【００５３】
図８に示すように、比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼では、耐久寿命係数は２．１程度であり、優れていた。従来材では、耐久寿命係数は１．０であり、悪かった。これに対して発明材では、耐久寿命係数は２．１程度であり、比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼に匹敵するように優れていた。
【００５４】
ここで、比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼では、熱疲労性が優れているものの、コストが高いニッケルの含有量が１４．８％、モリブデンの含有量が２．４１％であり、ニッケルおよびモリブデンが多量に含有されており、コスト高となる。これに対して本発明材では、熱疲労性および耐久寿命が優れており、クロムの含有量は１７．０％でありオーステナイト系の耐熱鋳鋼と同程度であるものの、ニッケルの含有量が０．９４％と少量であり、比較例に係るオーステナイト系の耐熱鋳鋼に比較してかなり少量であり、更に、モリブデンが含有されておらず、しかもバナジウムも含有されておらず、コストにおいて有利である。このように本発明材では、コストが低廉化されつつ、熱疲労性および耐久寿命が優れている。また、従来材に係る試験片は、本発明材と近似する組成を有するものの、バナジウムの含有量が０．６３％と高いため、バナジウムを含む炭化物が過剰に生成しており、且つ、炭化物のサイズも大きく、熱疲労性および耐久寿命が充分ではない。
【００５５】
図９は、上記した熱疲労サイクル試験を従来材について実施した場合における特性変化を示す。図９に示すように、試験片の拘束率を５０％とした状態で、２００℃から８５０℃に４．５分間で試験片を昇温させ、８５０℃から２００℃に４．５分間で試験片を降温させ、これを１サイクルとし、試験片の軸長方向において圧縮応力および引張応力を作用させた。図９の横軸は時間を示す。図９において縦軸の左側は試験片の温度を示し、縦軸の右側は試験片に発生する応力を示す。応力が０ＭＰａ未満の領域では試験片に圧縮応力が作用している。応力が０ＭＰａを正方向に越える領域では試験片に引張応力が作用している。図９から理解できるように、試験片が冷却されて試験片の温度が降温するとき、大きな引張応力が試験片に作用する。このため伸びが小さな材料は、耐熱疲労性が低いといえる。
【００５６】
図１０は従来材の凝固過程を模式化して示す凝固イメージを表す。図１１は本発明材の凝固過程を模式化して示す凝固イメージを表す。図１０および図１１の縦軸は温度を示し、横軸は組成を示す。図１０に示すフェライト系の従来材では、ニッケルが少ないか含有されていないため、オーステナイト相（γ）は狭い領域とされている。溶湯（Ｌ，Ｌｉｑｕｉｄ）が矢印Ｋ１方向に冷却するとき、オーステナイト相（γ）に変態することなく、溶湯（Ｌ，Ｌｉｑｕｉｄ）からフェライト（α）が生成される。これに対して図１１に示す本発明材では、ニッケル含有量が従来材よりも多いため、オーステナイト相（γ）は広い領域とされている。溶湯（Ｌ，Ｌｉｑｕｉｄ）が矢印Ｋ２方向に冷却するとき、ポイントＰ１でフェライト（α）がオーステナイト相（γ）にいったん変態する。その後、冷却に伴い、オーステナイト相（γ）はポイントＰ２においてフェライト（α）として再び変態すると共に、オーステナイトに固溶されている合金元素が炭化物として析出され、第２相が形成される。
【００５７】
（実施例４）
表４および表５は、本発明者が実施した数々の試験に基づいて、本発明材と同等の特性を確保できると考えられる例を示す。これらは、安価で且つ常温における靭性、熱疲労性を大きく改善して信頼性を向上させ得るフェライト系耐熱鋳鋼を形成できる。表４に示す試験片Ｎｏ．１Ｂ〜試験片Ｎｏ．８Ｂは、本発明材と同等の特性を確保できると考えられる例である。試験片Ｎｏ．１Ｂ〜試験片Ｎｏ．８Ｂは、バナジウムを含んでいない。表５に示す試験片Ｎｏ．１Ｃ〜試験片Ｎｏ．８Ｃは、本発明材と同等の特性を確保できると考えられる例であり、バナジウムを０．４８％以下、０．３０％以下、０．２０％以下含んでいる。
【００５８】
【表４】
【００５９】
【表５】
【００６０】
（用途）
本発明材の用途としては耐熱部品が例示される。耐熱部品としては車両用または産業機器用の排気系部品が例示される。排気系部品としては、エキゾーストマニホルド（図１２参照）、タービンハウジング（図１３参照）、タービンハウジング一体エキゾーストマニホルド（図１４）が例示される。近年、車両用または産業機器用の排気系部品の分野においては、排ガス規制の強化に伴い、排ガス温度がますます高くなり、雰囲気温度が８５０℃以上、９００℃以上、９５０℃以上となりつつある。このような排気系部品においては、要請される熱疲労性は益々高いものが要請されている。このような排気系部品に使用される材料として本発明材は適する。
【００６１】
（その他）本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、炭素０．１０〜０．４０％、シリコン０．５〜２．０％、マンガン０．２〜１．２％、リン０．３％以下、イオウ０．０１〜０．４％、クロム１４．０〜２１．０％、ニオブ０．０５〜０．６％、アルミニウム０．０１〜０．８％、ニッケル０．１５〜２．３％、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつフェライト系耐熱鋳鋼。
【請求項２】
質量％で、炭素０．１０〜０．４０％、シリコン０．５〜２．０％、マンガン０．２〜１．２％、リン０．３％以下、イオウ０．０１〜０．４％、クロム１４．０〜２１．０％、バナジウム０．０１〜０．５％、ニオブ０．０５〜０．６％、アルミニウム０．０１〜０．８％、ニッケル０．１５〜２．３％、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつフェライト系耐熱鋳鋼。
【請求項３】
請求項１または２において、フェライトで形成された第１相と、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する相で形成された第２相とが共存する組織を有するフェライト系耐熱鋳鋼。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、伸びが４％以上で、引張強度が４００ＭＰａ以上であるフェライト系耐熱鋳鋼。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、８００〜９７０℃で加熱保持された後に、７００℃以下まで冷却される熱処理が実施されたフェライト系耐熱鋳鋼。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか一項に係るフェライト系耐熱鋳鋼で形成された排気系部品。
【請求項１】
質量％で、炭素０．１０〜０．４０％、シリコン０．５〜２．０％、マンガン０．２〜１．２％、リン０．３％以下、イオウ０．０１〜０．４％、クロム１４．０〜２１．０％、ニオブ０．０５〜０．６％、アルミニウム０．０１〜０．８％、ニッケル０．１５〜２．３％、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつフェライト系耐熱鋳鋼。
【請求項２】
質量％で、炭素０．１０〜０．４０％、シリコン０．５〜２．０％、マンガン０．２〜１．２％、リン０．３％以下、イオウ０．０１〜０．４％、クロム１４．０〜２１．０％、バナジウム０．０１〜０．５％、ニオブ０．０５〜０．６％、アルミニウム０．０１〜０．８％、ニッケル０．１５〜２．３％、残部鉄および不可避の不純物からなり、フェライト系の組織をもつフェライト系耐熱鋳鋼。
【請求項３】
請求項１または２において、フェライトで形成された第１相と、フェライトの結晶粒内に炭化物が混合する相で形成された第２相とが共存する組織を有するフェライト系耐熱鋳鋼。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、伸びが４％以上で、引張強度が４００ＭＰａ以上であるフェライト系耐熱鋳鋼。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、８００〜９７０℃で加熱保持された後に、７００℃以下まで冷却される熱処理が実施されたフェライト系耐熱鋳鋼。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか一項に係るフェライト系耐熱鋳鋼で形成された排気系部品。
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−２５５０５５（Ｐ２０１０−２５５０５５Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０７４３１（Ｐ２００９−１０７４３１）
【出願日】平成２１年４月２７日（２００９．４．２７）
【特許番号】特許第４５２１４７０号（Ｐ４５２１４７０）
【特許公報発行日】平成２２年８月１１日（２０１０．８．１１）
【出願人】（０００１００８０５）アイシン高丘株式会社 (202)
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２７日（２００９．４．２７）
【特許番号】特許第４５２１４７０号（Ｐ４５２１４７０）
【特許公報発行日】平成２２年８月１１日（２０１０．８．１１）
【出願人】（０００１００８０５）アイシン高丘株式会社 (202)
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