耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼および鋳造部材
【課題】 耐酸性に優れ、望ましくは良好な被削性を有している、フェライト系ステンレス鋳鋼を提供する。また、前記フェライト系ステンレス鋳鋼によって成る耐酸性に優れた鋳造部材を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物を含有する耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼である。また、これを用いて成る鋳造部材である。また、鋳造部材は排気ガスの流路を切り替える切替バルブ用部材であってよい。
【解決手段】 質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物を含有する耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼である。また、これを用いて成る鋳造部材である。また、鋳造部材は排気ガスの流路を切り替える切替バルブ用部材であってよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば航空機や自動車などのエンジンから排出される排気ガスに曝される排気ガス再循環系用部材部材であるガス配管、クーラー部品、切替バルブなどに適する、耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼に関する。および、前記フェライト系ステンレス鋳鋼によって成る耐酸性に優れた鋳造部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、航空機や自動車などにおいては、エンジンから排出される排気ガスの一部を吸気系に還流して燃焼温度を低く抑え、ＮＯｘの生成を抑制するシステムが多く採用されている。いわゆる排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、以下、ＥＧＲという）システムである。
ＥＧＲシステムにおいては、例えば上述したガス配管、クーラー部品、切替バルブなど排気ガスに曝される排気ガス再循環系用部材（以下、ＥＧＲ部材という）が多く使用され、これらＥＧＲ部材には、強酸性を呈する排気ガスによる腐食を防止するために優れた耐酸性が望まれている。
【０００３】
耐食性や耐酸性と有する材料としては、ＪＩＳ−Ｇ４３０３に規定されるステンレス鋼を使用することも多い。ステンレス鋼は、一般に組織の特徴などからオーステナイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライトの２相系、マルテンサイト系、および析出硬化系に区分され、なかでもオーステナイト系は、フェライト系などに比べて耐食性や耐酸性に優れていることが知られている。
例えば、排気ガスの循環経路の切替機構を有するバルブの筐体（以下、ＥＧＲバルブという）には、排気ガスの腐食に耐え得る材料として、一般によく知られるオーステナイト系ステンレス鋼のひとつであるＳＵＳ３０４などが使用されている。
【０００４】
また、このような強酸性の排気ガスによる腐食の問題を解決するために、例えば特開２００３−１９３２０５号公報（特許文献１）では、耐硫酸腐食性に優れた、質量％で、Ｃ：０．５％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：３％以下、Ｓ：０．２％以下、Ｎｉ：８〜１８％、Ｃｒ：１２〜２５％、Ｍｏ：０〜４％、Ｗ：０〜２％で、かつ（Ｍｏ＋０．５Ｗ）：０〜４％、Ｃｕ：０．５〜６％で、かつ（Ｎｉ／Ｃｕ）：２％以上、Ｎｂ：０〜２．５％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物を含有する実質的にオーステナイト系ステンレス鋳鋼からなる排気ガス再循環系部品が提案されている。
【０００５】
また、例えば特開２００２−１２１６５３号公報（特許文献２）には、質量％で、Ｃ：０．０２０％以下、Ｓｉ：０．３０超〜１．００％、Ｍｎ：０．５０超〜１．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．００５〜０．０２０％、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１３．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．５０超〜２．００％、Ａｌ：０．０２０％以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ｎｂ：０．２０〜０．５０％、Ｏ：０．０１０％以下、Ｃ＋Ｎ：０．０１０％以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる冷間加工性、耐食性、切削性、溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１９３２０５号公報
【特許文献２】特開２００２−１２１６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者は、強酸性の排気ガスに腐食され難く、ＥＧＲ部材に適する、耐酸性に優れたステンレス鋳鋼を検討するにあたり、例えば上述したＥＧＲバルブでは切替弁等を取り付けることなどのために機械加工を施すことが多いことから、耐酸性に加え、できる限り被削性の良好なステンレス鋳鋼を検討した。
【０００８】
上述した特許文献１が提案するオーステナイト系ステンレス鋳鋼からなる排気ガス再循環系部品は、確かに極めて優れた耐硫酸腐食性を有している。また、オーステナイト系ほどではないにしてもオーステナイト・フェライトの２相系ステンレス鋳鋼も耐酸性を有している。しかしながら、オーステナイト系やオーステナイト・フェライトの２相系では、Ｎｉなど高価な添加元素が多いために合金そのもののコストが増してしまうので製造コストの点で不利である。また、フェライト系に比べて被削性が劣るので、機械加工コストの面でも不利となることから、さらなる改良が望まれていた。
【０００９】
上述したオーステナイト系ステンレス鋼は、面心立法格子の組織形態を有するために加工硬化を生じやすいことから、被削性の点においては、一般的には体心立法格子の組織形態を有するフェライト系ステンレス鋼が有利である。
上述した特許文献２が提案するフェライト系ステンレス鋼は、耐塩水性を有した鍛造用鋼であり、ＳｉやＮｂの添加により熱間加工性や冷間加工性をも有している。また、Ｍｎを添加することにより被削性を得ている点でも優れている。しかしながら、本発明者の検討によれば、ＣｕやＳｉの含有量を１．０質量％以下に抑え、鍛造用鋼としての冷間加工性を持たせたために、耐塩水性は有するものの、硫酸などに対する耐酸性の点では不十分であった。
【００１０】
本発明の目的は、耐酸性に優れ、望ましくは良好な被削性を有している、フェライト系ステンレス鋳鋼を提供することである。また、前記フェライト系ステンレス鋳鋼によって成る耐酸性に優れた鋳造部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上述の課題を鑑み、上述した特許文献２に提案されたフェライト系ステンレス鋼をベース組成とし、硫酸などに対する耐酸性を持たせることを検討した。つまり、Ｆｅに対する主たる添加元素であるＣｒ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｍｏや、さらにＮｂ、Ｎｉ、Ｃ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ、Ｎの作用効果や添加範囲を検討し、これら主たる元素の添加範囲を最適化することによって耐酸性の向上が可能となることを見出し本発明に到達した。
【００１２】
すなわち本発明は、質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物をを含有する耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼である。
【００１３】
本発明において望ましくは、質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｃｕ：０．８〜２．２％、Ｓｉ：１．０〜１．５％を含有する耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼である。
また、望ましくは、質量％で、（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．８％以上を含有する耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼である。
【００１４】
また、上述した本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼を用いて、耐酸性に優れた鋳造部材を得ることができる。すなわち、質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物を含有するフェライト系ステンレス鋳鋼によって成る耐酸性に優れた鋳造部材を得ることができる。
【００１５】
また、上述した鋳造部材は、質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｃｕ：０．８〜２．２％、Ｓｉ：１．０〜１．５％を含有するフェライト系ステンレス鋳鋼によって成る鋳造部材であることが望ましい。
また、質量％で、（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．８％以上を含有するフェライト系ステンレス鋳鋼によって成る鋳造部材が望ましい。
また、前記鋳造部材は、排気ガスの流路を切り替える切替バルブ用部材であってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼は、酸性の排気ガスなどによって腐食され難いステンレス鋳鋼である。よって、本発明のステンレス鋳鋼を用いた鋳造部材は、優れた耐酸性を有する鋳造部材となる。そして、例えば上述した切替バルブ用部材（ＥＧＲバルブ）などの排気ガス再循環系用部材（ＥＧＲ部材）に適用すると、優れた性能を発揮することができる。また、オーステナイト系ではなくフェライト系ステンレス鋳鋼であることから被削性の点でも良好となるため、機械加工を施すことが多い上述した切替バルブ用部材（ＥＧＲバルブ）などを効率良く工業生産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
上述したように、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼における重要な特徴は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｍｏなどの元素の添加範囲を最適化することによって優れた耐酸性を付与したことである。
具体的には、質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物を含有する、フェライト系ステンレス鋳鋼である。
【００１８】
以下、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼について、Ｆｅに対する含有成分と各成分の含有範囲の限定理由について詳細に説明する。
Ｃｒ：１８．０〜２７．０（質量％）
Ｃｒは、耐酸性を得るために１８．０％以上含有させる。ただし、含有量を増やすと耐酸性は向上するものの靭性を損ねることがあるので、２７．０％以下の含有に抑える。また、Ｃｒ含有による溶湯の酸化などを考慮し、鋳造性を欲するならば１８．０〜２２．０％の範囲で含有させることが望ましい。また、特に高い耐酸性を欲するならば２０．０％を超えて２７．０％以下で含有させ、これに加えて鋳造性をも欲するならば２０．０％を超えて２２．０％以下で含有させることが望ましい。
【００１９】
Ｃｕ：０．８〜３．５（質量％）
Ｃｕは、本発明においては、耐酸性を付与するために、特に重要な元素である。また、耐熱性の向上にも寄与する。よって、少なくとも０．８％以上を含有させる。また、Ｃｕは、鍛造用鋼では一般に含有を抑えるべき元素とされており、多量に含有させると著しく靭性が劣化して熱間加工性や冷間加工性を損ねてしまうことがある。しかしながら、鋳造用鋼である本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼では、鋳造形成することによって所望の形状を得ることができ、実質的な塑性加工を行うことがないので、１．０％を超えて含有することができる。ただし、含有量を増してもそれに見合う耐酸性の向上が期待できないばかりか鋳造性を損ねることがあり、また、鋳造用鋼であっても多大な靭性の劣化は避けるべきである。よって、３．５％以下の含有に抑える。また、耐酸性とともに鋳造性を考慮するならば１．５〜２．５％が望ましく、より鋳造性を考慮するならば２．２％以下に抑えることが望ましい。
【００２０】
Ｓｉ：０．５〜２．０（質量％）
Ｓｉは、ステンレス鋼の脱酸元素として有用であるとともに耐酸性の向上をもたらす元素である。また、靭性を損ねるＣｒ酸化物が多量に形成されて分散してしまうことを抑制する作用をも有する。よって、０．５％以上を含有させる。ただし、含有量が多くなりすぎるとＳｉ化合物が多量に形成されて靭性を損ねてしまうことがあるので、２．０％以下の含有に抑える。望ましくは１．０〜１．５％の範囲で含有させる。また、鋳造性の観点からは、１．０％を超えて含有させることが望ましい。
【００２１】
Ｍｏ：０．５〜１．５（質量％）
Ｍｏは、耐食性の向上と固溶強化による強度改善の効果を有するとともに、高温酸化の抑制や高温強度の向上に寄与する元素である。よって、高温での固溶強化を利用し、０．５％以上を含有させることによって高温強度を向上させる。ただし、含有量が多くなりすぎると靭性を損ねてしまうことがあり、コストの点でも不利となるので、１．５％以下の含有に抑える。また、耐酸性、鋳造性、コストなど多面的に考慮すれば、０．８〜１．２％の範囲で含有させることが望ましい。
【００２２】
Ｎｂ：２．５以下（質量％）
Ｎｂは、固溶強化や析出強化によって高温強度を向上させる元素であり、本発明においてＮｂは２．５％以下の範囲で含有させる。また、本発明では、ＣやＮと親和させて炭化物や窒化物を形成させることにより、固溶Ｃ量や固溶Ｎ量を低減させ、硬さの上昇を抑えて被削性を向上させる効果も期待できる。ただし、ＣやＮの含有量に対してＮｂ量が多くなりすぎると、固溶Ｃ量や固溶Ｎ量を低減させる効果が飽和してしまい、余分なＮｂそのものによって被削性が低下することがあるので２．５％以下の含有に抑える。望ましくは、質量％で（Ｃ＋Ｎ）量の１０倍程度を含有させ、固溶Ｃ量や固溶Ｎ量の増加を抑えつつ余分なＮｂを残存させないことである。Ｎｂ炭化物やＮｂ窒化物は粒界腐食性を損ねるＣｒ炭化物よりも優先的に生成され、これによりＣｒ炭化物の析出が抑制されて粒界腐食を抑制することができる。
【００２３】
Ｎｉ：０．６以下（質量％）
Ｎｉは、本来は耐酸性の向上や固溶強化に寄与する元素である。しかしながら、０．６０％を超えて含有させると、フェライト系よりも被削性の劣るオーステナイト系の組織構造を形成することとなる。また、高価な材料であるために材料コストも増えてしまう。望ましくは０．３０％以下とし、生産性では不利となるが、より望ましくは０．２０％以下とする。
【００２４】
Ｃ：０．１２以下（質量％）
Ｃは、不可避的な元素であり、鋳造性の向上には寄与するものの、多量の含有は耐酸性や靭性を劣化させることがあり、望ましくは０．１２％以下に抑える。より望ましくは０．０８％以下、さらには生産性では不利となるが０．０５％以下に抑える。
【００２５】
Ｍｎ：１．０以下（質量％）
Ｍｎは、鋳鋼の製造時に脱酸剤として必要な元素で、また、ＭｎＳを生成して被削性の改善効果を有する。しかしながら、ＭｎＳは耐酸性を低下させる化合物でもあるため、望ましくは１．０％以下に抑える。より望ましくは０．７０％以下、さらには生産性では不利となるが０．５０％以下に抑える。
【００２６】
Ａｌ：１．０以下（質量％）
Ａｌは、ＳｉやＭｎよりも効果的な脱酸剤として知られる元素であり、鋳鋼の製造時にも使用することはできる。しかしながら、Ａｌは酸化物を生成し、この酸化物が機械加工を施した表面に残存すると美観を損ねてしまう上に、腐食の起点となって耐酸化性の劣化をもたらしてしまうことがある。よって、望ましくは０．１０％以下に抑える。生産性では不利となるが、より望ましくは０．０５％以下に抑える。
【００２７】
Ｐ：０．１５以下（質量％）
Ｐは、不可避的な元素であり、靭性の劣化を引き起こして鋳造時に割れを生じさせることがあり、望ましくは０．１５％以下に抑える。生産性では不利となるが、より望ましくは０．１０％以下に抑える。
【００２８】
Ｓ：０．１５以下（質量％）
Ｓは、不可避的な元素であり、ＭｎＳを生成して被削性の改善効果を有する。しかしながら、ＭｎＳは耐酸性を低下させる化合物でもあるため、望ましくは０．１５％以下に抑える。生産性では不利となるが、より望ましくは０．１０％以下に抑える。
【００２９】
Ｎ：０．１０下（質量％）
Ｎは、Ｃと同様、不可避的な元素であり、結晶粒を微細化して靭性を向上させる効果を有するものの、多量の含有はＣｒ窒化物を析出させることとなり、靭性や耐酸性を劣化させることがある。よって、望ましくは０．１０％以下に抑える。より望ましくは、生産性では不利となるが０．０５％以下に抑える。
【００３０】
（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０を超え（質量％）
上述したように本発明においては、質量％で、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％を含有させる。しかしながら、ＣｕとＳｉの含有量、つまり（Ｃｕ＋Ｓｉ）総量が少なすぎると耐酸性を向上させる効果が不十分となるので、（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超えて含有させる。ただし、ＣｕとＳｉ、各々の含有量を超えて含有させるものではない。また、やや靭性を劣化させる可能性はあるものの、より高い耐酸性を得るために（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．８％以上を含有させることもできる。
【００３１】
残部がＦｅおよび不可避的不純物
本発明においては、不可避的として上述したＣ、Ｐ、Ｓ、Ｎといった元素のほか、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｂ、Ｖ、Ｃｏ、Ａｓ、Ｏなどの元素もまた不可避的な元素である。しかしながら、実質的に全く含有させないことはできないので、本発明の作用効果を阻害しない範囲であれば含有してもよい。
例えばＭｇは、本来は酸化物を形成してＴｉＮの晶出核となってフェライト粒の微細化効果が期待できるものの、過剰な含有は耐酸性の劣化をもたらしてしまうことがあり、望ましくは０．５０質量％以下に抑える。生産性では不利となるが、より望ましくは０．３０質量％以下に抑える。
【００３２】
例えばＴｉは、本来はＣ、Ｎ、Ｓと結合して耐酸性や耐粒界腐食性を向上させたり、ＣやＮの固定作用を有するものの、過剰な含有は鋳造性や靭性の劣化をもたらしてしまうことがあり、望ましくは０．５０質量％以下に抑える。生産性では不利となるが、より望ましくは０．２０質量％以下に抑える。
例えばＢは、本来はＴｉＢを形成してフェライト粒の微細化効果をもたらすものの、過剰な含有は耐酸性や靭性の劣化をもたらしてしまうことがあり、望ましくは０．１０質量％以下に抑える。生産性では不利となるが、より望ましくは０．０５質量％以下に抑える。
また、この他のＶ、Ｃｏ、Ａｓ、Ｏについても、耐酸性に影響を及ぼさないように０．１０質量％以下、さらには０．０５質量％以下に抑えることが望ましい。
【００３３】
次に、本発明の耐酸性に優れた鋳造部材について説明する。
本発明の鋳造部材は、上述した本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼を用いて鋳造形成することにより得られるものであり、このフェライト系ステンレス鋳鋼と同等の組成および機械特性を有する。よって、本発明の鋳造部材は、酸性を呈する気体や液体に曝される環境下での使用に好適な鋳造部材として形成されて成り、例えば、排気ガスに曝される排気ガス再循環系用部材であるガス配管、クーラー部品、ＥＧＲバルブなどに適用することにより、長期に渡って腐食し難い排気ガス再循環系用部材を得ることができる。
また、本発明の鋳造部材としては、例えば、上述したＥＧＲシステムにおいて使用されるガス配管、クーラー部品、ＥＧＲバルブなどがある。本発明の鋳造部材は被削性の点でも良好であるので、特に機械加工を施すことが多いＥＧＲバルブのボディすなわち排気ガスの流路を切り替える切替バルブ用部材への適用は好ましく、生産性向上に格段に寄与できる。
【００３４】
本発明の排気ガス再循環系用部材を製造する方法としては、従来知られた砂型鋳造などの鋳造法を適用できる。また、生産性の点では、製品と実質的に同一形状の消失性模型から鋳造用鋳型を製作するロストワックス鋳造などの精密鋳造法の適用が有利である。さらには、鋳造形成して得られた鋳物に対して、必要に応じてＨＩＰ処理などの熱処理、切削や研削などの機械加工、バリ取りや研磨等の後処理などを施す、といった方法が利用できる。
【実施例】
【００３５】
（フェライト系ステンレス鋳鋼の耐酸性評価）
本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼の耐酸性を評価するために、表１および表２に示す各組成（本発明の実施例：１〜３、比較例：４〜１０、従来例：ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４）から成る腐食試験に供する丸棒形状の試験体（外径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、全表面積７８５ｍｍ２）を製造した。なお、表１および表２に示していない元素もあるが、残部および不可避的不純物としてＦｅに含むものである。
試験体を製造するにあたっては、まず所定量の原材料を高周波炉で大気溶解し、溶湯を１６２０〜１６４０℃に制御しながら、Ｙブロック型に鋳造した後に上記試験体の寸法形状に機械加工することによって鋳物素材を得た。そして、この鋳物素材に対して機械加工を施し、上記形状を有する各々の試験体を得た。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
次に、上記試験体を使用して、耐酸性を評価する腐食試験を実施した。腐食試験にあたっては、腐食液には、硫酸、硝酸、蟻酸、酢酸、塩酸を混合し、水に対する硫酸の濃度を０．２５％、１．０％、３．０％、５．０％として得た４種類の酸性水溶液を用い、ガラスビーカーに入れて使用した。また、腐食試験は、ナイロン糸で支持した試験体を、初回に限り十分にアルコール洗浄し、この後にホットスターラー上で湯煎して８０℃±３℃に温度制御した上記酸性水溶液の中に１ｈ浸漬し、次いで試験体を引き上げてドライヤーで乾燥させ、試験体の質量を測定することにより、腐食による試験体の減量を得る手順とした。そして、この試験体に対して再び、上記酸性水溶液に１ｈ浸漬し、引き上げて乾燥させ、質量を測定する、という手順を試験体の減量が零となるまで繰り返した。
腐食試験の結果を表３に示す。なお、腐食の評価には、腐食度ｇ／ｍ２・ｈ−１（ＪＩＳ−Ｚ８４０１）を用いた。
【００３９】
【表３】
【００４０】
表３より、本発明の実施例１〜３では、酸性水溶液の硫酸濃度０．２５〜５．０％に対する腐食度は、最も大きい実施例２でも０．９９〜３５４．５７ｇ／ｍ２・ｈ−１であり、４００ｇ／ｍ２・ｈ−１以下となっていた。また、より好ましい実施例３では０．００〜１８２．２４ｇ／ｍ２・ｈ−１であり、２００ｇ／ｍ２・ｈ−１以下となっていた。
これに対し、同じフェライト系ステンレス鋳鋼である従来のＳＵＳ４３０の腐食度は、１８．９９〜６７０．８５ｇ／ｍ２・ｈ−１であった。また、比較例４〜８では、最も小さい比較例４でも６３．８２〜７６９．１７ｇ／ｍ２・ｈ−１であり、４００ｇ／ｍ２・ｈ−１程度の実施例２にも及ばないことがわかった。
【００４１】
以上より、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼は、従来のＳＵＳ４３０や比較例４〜８に比べ、優れた耐酸性を有することが確認できた。また、酸性水溶液の硫酸濃度１．０％以下においては、実施例３の組成を有する本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼が特に優れた耐酸性を有していることがわかった。
【００４２】
（鋳造部材の実施例）
次に、本発明の鋳造部材の実施例となる、図１に外観形状を模式的に示す、排気ガス再循環系用部材（ＥＧＲ部材）のひとつである、排気ガスの流路を切り替える用途に使用される切替バルブ用部材（以下、ＥＧＲバルブ１という）を、ロストワックス精密鋳造法によって鋳造形成した。製造したＥＧＲバルブ１は、フランジ面６を有する筐体２と、エンジン始動時など低温の排気ガスの流路となる低温側通路３と、高温の排気ガスをクーラーに送るための流路となる高温側通路４と、図示しないバタフライバルブを取り付ける軸（図示せず）を挿入する軸穴５と、該軸の取付穴７と、上記バタフライバルブを突き当てるストッパ３ａ、４ａと、上記筐体の固定穴８を有する。また、材料には、表１に実施例３として示したフェライト系ステンレス鋳鋼の組成を有する材料を使用した。
【００４３】
まず、ＥＧＲバルブ１と実質的に同一の空間形状（キャビティ）となる金型を構成し、このキャビティに市販のワックス（パターンワックスＡ７−ＴＣＦ／ＲＲ、株式会社ブライソンジャパン）を射出し、ＥＧＲバルブ１と実質的に同一の形状を有する消失性模型を得た。具体的には、上記消失性模型には、これと同じワックスからなる押湯や湯道等を同時に射出成形し、押湯や湯道等を一体化したドラム状模型を得た。このドラム状模型に対して耐火物のコロイダルシリカを含むスラリーとジルコンサンドを含むスタッコとを繰り返しコーティングし、複数層の耐火物層を具備する鋳型を得た。
【００４４】
そして、上記鋳型を十分に乾燥させた後、高温水蒸気オートクレーブによって鋳型内から、ワックスからなるドラム状模型、つまり、ＥＧＲバルブ１と実質的に同一の形状を有する消失性模型と押湯や湯道等を加熱溶融させて完全に溶出除去することにより、鋳造に供する鋳型を得た。
次いで、表１に実施例３として示した組成の材料、つまり、質量％で、Ｃｒ：１９．６５％、Ｃｕ：１．８１％、Ｓｉ：１．２１％、Ｍｏ：０．９６％、Ｎｂ：０．４１％、Ｎｉ：０．１１％、Ｃ：０．０４％、Ｍｎ：０．０７％、Ａｌ：０．０２％、Ｐ：０．０２％、Ｓ：０．０１％、Ｎ：０．０１％で、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる（Ｃｕ＋Ｓｉ）：３．０２％の溶湯を、大気溶解して得た。そして、この溶湯を１６２０〜１６４０℃に制御しながら上記鋳型に吸引鋳造し、冷却後に鋳型を解体し、サンドショットにより鋳型屑等を除去した後にブロー清掃し、本発明の実施例となるＥＧＲバルブ１の鋳物素材（外形状７０ｍｍ×１０５ｍｍ×３０ｍｍ、質量６８３ｇ）を得た。
【００４５】
上述のように製造したＥＧＲバルブ１の鋳物素材に対し、サンドショットを施した後にブロー清掃し、さらに軸穴５やフランジ面６、取付穴７などを機械加工することにより、本発明の排気ガス再循環系用部材の一例となる、図１に示す、排気ガスの流路を切り替える用途に使用される、外形状７０ｍｍ×１０５ｍｍ×２９ｍｍ、質量６１４ｇの切替バルブ用部材（ＥＧＲバルブ）を得ることができた。
このようにして得られたＥＧＲバルブは、本発明の耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼と同じ組成を有するので、硫酸などの強酸に対する耐酸性を備えた高性能なＥＧＲバルブとして提供することができる。また、オーステナイト系に比べて被削性の点でも良好であって機械加工コストの面でも有利となるので、安価なＥＧＲバルブとして提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の排気ガス再循環系用部材の一例となるＥＧＲバルブの外観の模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１．ＲＧＲバルブ、２．筐体、３．低温側通路、３ａ．ストッパ、４．高温側通路、４ａ．ストッパ、５．軸穴、６．フランジ面、７．取付穴、８．固定穴
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば航空機や自動車などのエンジンから排出される排気ガスに曝される排気ガス再循環系用部材部材であるガス配管、クーラー部品、切替バルブなどに適する、耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼に関する。および、前記フェライト系ステンレス鋳鋼によって成る耐酸性に優れた鋳造部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、航空機や自動車などにおいては、エンジンから排出される排気ガスの一部を吸気系に還流して燃焼温度を低く抑え、ＮＯｘの生成を抑制するシステムが多く採用されている。いわゆる排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、以下、ＥＧＲという）システムである。
ＥＧＲシステムにおいては、例えば上述したガス配管、クーラー部品、切替バルブなど排気ガスに曝される排気ガス再循環系用部材（以下、ＥＧＲ部材という）が多く使用され、これらＥＧＲ部材には、強酸性を呈する排気ガスによる腐食を防止するために優れた耐酸性が望まれている。
【０００３】
耐食性や耐酸性と有する材料としては、ＪＩＳ−Ｇ４３０３に規定されるステンレス鋼を使用することも多い。ステンレス鋼は、一般に組織の特徴などからオーステナイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライトの２相系、マルテンサイト系、および析出硬化系に区分され、なかでもオーステナイト系は、フェライト系などに比べて耐食性や耐酸性に優れていることが知られている。
例えば、排気ガスの循環経路の切替機構を有するバルブの筐体（以下、ＥＧＲバルブという）には、排気ガスの腐食に耐え得る材料として、一般によく知られるオーステナイト系ステンレス鋼のひとつであるＳＵＳ３０４などが使用されている。
【０００４】
また、このような強酸性の排気ガスによる腐食の問題を解決するために、例えば特開２００３−１９３２０５号公報（特許文献１）では、耐硫酸腐食性に優れた、質量％で、Ｃ：０．５％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：３％以下、Ｓ：０．２％以下、Ｎｉ：８〜１８％、Ｃｒ：１２〜２５％、Ｍｏ：０〜４％、Ｗ：０〜２％で、かつ（Ｍｏ＋０．５Ｗ）：０〜４％、Ｃｕ：０．５〜６％で、かつ（Ｎｉ／Ｃｕ）：２％以上、Ｎｂ：０〜２．５％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物を含有する実質的にオーステナイト系ステンレス鋳鋼からなる排気ガス再循環系部品が提案されている。
【０００５】
また、例えば特開２００２−１２１６５３号公報（特許文献２）には、質量％で、Ｃ：０．０２０％以下、Ｓｉ：０．３０超〜１．００％、Ｍｎ：０．５０超〜１．００％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．００５〜０．０２０％、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：１３．０〜２０．０％、Ｍｏ：０．５０超〜２．００％、Ａｌ：０．０２０％以下、Ｎ：０．０２０％以下、Ｎｂ：０．２０〜０．５０％、Ｏ：０．０１０％以下、Ｃ＋Ｎ：０．０１０％以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる冷間加工性、耐食性、切削性、溶接性に優れたフェライト系ステンレス鋼が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１９３２０５号公報
【特許文献２】特開２００２−１２１６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者は、強酸性の排気ガスに腐食され難く、ＥＧＲ部材に適する、耐酸性に優れたステンレス鋳鋼を検討するにあたり、例えば上述したＥＧＲバルブでは切替弁等を取り付けることなどのために機械加工を施すことが多いことから、耐酸性に加え、できる限り被削性の良好なステンレス鋳鋼を検討した。
【０００８】
上述した特許文献１が提案するオーステナイト系ステンレス鋳鋼からなる排気ガス再循環系部品は、確かに極めて優れた耐硫酸腐食性を有している。また、オーステナイト系ほどではないにしてもオーステナイト・フェライトの２相系ステンレス鋳鋼も耐酸性を有している。しかしながら、オーステナイト系やオーステナイト・フェライトの２相系では、Ｎｉなど高価な添加元素が多いために合金そのもののコストが増してしまうので製造コストの点で不利である。また、フェライト系に比べて被削性が劣るので、機械加工コストの面でも不利となることから、さらなる改良が望まれていた。
【０００９】
上述したオーステナイト系ステンレス鋼は、面心立法格子の組織形態を有するために加工硬化を生じやすいことから、被削性の点においては、一般的には体心立法格子の組織形態を有するフェライト系ステンレス鋼が有利である。
上述した特許文献２が提案するフェライト系ステンレス鋼は、耐塩水性を有した鍛造用鋼であり、ＳｉやＮｂの添加により熱間加工性や冷間加工性をも有している。また、Ｍｎを添加することにより被削性を得ている点でも優れている。しかしながら、本発明者の検討によれば、ＣｕやＳｉの含有量を１．０質量％以下に抑え、鍛造用鋼としての冷間加工性を持たせたために、耐塩水性は有するものの、硫酸などに対する耐酸性の点では不十分であった。
【００１０】
本発明の目的は、耐酸性に優れ、望ましくは良好な被削性を有している、フェライト系ステンレス鋳鋼を提供することである。また、前記フェライト系ステンレス鋳鋼によって成る耐酸性に優れた鋳造部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上述の課題を鑑み、上述した特許文献２に提案されたフェライト系ステンレス鋼をベース組成とし、硫酸などに対する耐酸性を持たせることを検討した。つまり、Ｆｅに対する主たる添加元素であるＣｒ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｍｏや、さらにＮｂ、Ｎｉ、Ｃ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ、Ｎの作用効果や添加範囲を検討し、これら主たる元素の添加範囲を最適化することによって耐酸性の向上が可能となることを見出し本発明に到達した。
【００１２】
すなわち本発明は、質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物をを含有する耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼である。
【００１３】
本発明において望ましくは、質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｃｕ：０．８〜２．２％、Ｓｉ：１．０〜１．５％を含有する耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼である。
また、望ましくは、質量％で、（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．８％以上を含有する耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼である。
【００１４】
また、上述した本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼を用いて、耐酸性に優れた鋳造部材を得ることができる。すなわち、質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物を含有するフェライト系ステンレス鋳鋼によって成る耐酸性に優れた鋳造部材を得ることができる。
【００１５】
また、上述した鋳造部材は、質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｃｕ：０．８〜２．２％、Ｓｉ：１．０〜１．５％を含有するフェライト系ステンレス鋳鋼によって成る鋳造部材であることが望ましい。
また、質量％で、（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．８％以上を含有するフェライト系ステンレス鋳鋼によって成る鋳造部材が望ましい。
また、前記鋳造部材は、排気ガスの流路を切り替える切替バルブ用部材であってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼は、酸性の排気ガスなどによって腐食され難いステンレス鋳鋼である。よって、本発明のステンレス鋳鋼を用いた鋳造部材は、優れた耐酸性を有する鋳造部材となる。そして、例えば上述した切替バルブ用部材（ＥＧＲバルブ）などの排気ガス再循環系用部材（ＥＧＲ部材）に適用すると、優れた性能を発揮することができる。また、オーステナイト系ではなくフェライト系ステンレス鋳鋼であることから被削性の点でも良好となるため、機械加工を施すことが多い上述した切替バルブ用部材（ＥＧＲバルブ）などを効率良く工業生産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
上述したように、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼における重要な特徴は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｍｏなどの元素の添加範囲を最適化することによって優れた耐酸性を付与したことである。
具体的には、質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物を含有する、フェライト系ステンレス鋳鋼である。
【００１８】
以下、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼について、Ｆｅに対する含有成分と各成分の含有範囲の限定理由について詳細に説明する。
Ｃｒ：１８．０〜２７．０（質量％）
Ｃｒは、耐酸性を得るために１８．０％以上含有させる。ただし、含有量を増やすと耐酸性は向上するものの靭性を損ねることがあるので、２７．０％以下の含有に抑える。また、Ｃｒ含有による溶湯の酸化などを考慮し、鋳造性を欲するならば１８．０〜２２．０％の範囲で含有させることが望ましい。また、特に高い耐酸性を欲するならば２０．０％を超えて２７．０％以下で含有させ、これに加えて鋳造性をも欲するならば２０．０％を超えて２２．０％以下で含有させることが望ましい。
【００１９】
Ｃｕ：０．８〜３．５（質量％）
Ｃｕは、本発明においては、耐酸性を付与するために、特に重要な元素である。また、耐熱性の向上にも寄与する。よって、少なくとも０．８％以上を含有させる。また、Ｃｕは、鍛造用鋼では一般に含有を抑えるべき元素とされており、多量に含有させると著しく靭性が劣化して熱間加工性や冷間加工性を損ねてしまうことがある。しかしながら、鋳造用鋼である本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼では、鋳造形成することによって所望の形状を得ることができ、実質的な塑性加工を行うことがないので、１．０％を超えて含有することができる。ただし、含有量を増してもそれに見合う耐酸性の向上が期待できないばかりか鋳造性を損ねることがあり、また、鋳造用鋼であっても多大な靭性の劣化は避けるべきである。よって、３．５％以下の含有に抑える。また、耐酸性とともに鋳造性を考慮するならば１．５〜２．５％が望ましく、より鋳造性を考慮するならば２．２％以下に抑えることが望ましい。
【００２０】
Ｓｉ：０．５〜２．０（質量％）
Ｓｉは、ステンレス鋼の脱酸元素として有用であるとともに耐酸性の向上をもたらす元素である。また、靭性を損ねるＣｒ酸化物が多量に形成されて分散してしまうことを抑制する作用をも有する。よって、０．５％以上を含有させる。ただし、含有量が多くなりすぎるとＳｉ化合物が多量に形成されて靭性を損ねてしまうことがあるので、２．０％以下の含有に抑える。望ましくは１．０〜１．５％の範囲で含有させる。また、鋳造性の観点からは、１．０％を超えて含有させることが望ましい。
【００２１】
Ｍｏ：０．５〜１．５（質量％）
Ｍｏは、耐食性の向上と固溶強化による強度改善の効果を有するとともに、高温酸化の抑制や高温強度の向上に寄与する元素である。よって、高温での固溶強化を利用し、０．５％以上を含有させることによって高温強度を向上させる。ただし、含有量が多くなりすぎると靭性を損ねてしまうことがあり、コストの点でも不利となるので、１．５％以下の含有に抑える。また、耐酸性、鋳造性、コストなど多面的に考慮すれば、０．８〜１．２％の範囲で含有させることが望ましい。
【００２２】
Ｎｂ：２．５以下（質量％）
Ｎｂは、固溶強化や析出強化によって高温強度を向上させる元素であり、本発明においてＮｂは２．５％以下の範囲で含有させる。また、本発明では、ＣやＮと親和させて炭化物や窒化物を形成させることにより、固溶Ｃ量や固溶Ｎ量を低減させ、硬さの上昇を抑えて被削性を向上させる効果も期待できる。ただし、ＣやＮの含有量に対してＮｂ量が多くなりすぎると、固溶Ｃ量や固溶Ｎ量を低減させる効果が飽和してしまい、余分なＮｂそのものによって被削性が低下することがあるので２．５％以下の含有に抑える。望ましくは、質量％で（Ｃ＋Ｎ）量の１０倍程度を含有させ、固溶Ｃ量や固溶Ｎ量の増加を抑えつつ余分なＮｂを残存させないことである。Ｎｂ炭化物やＮｂ窒化物は粒界腐食性を損ねるＣｒ炭化物よりも優先的に生成され、これによりＣｒ炭化物の析出が抑制されて粒界腐食を抑制することができる。
【００２３】
Ｎｉ：０．６以下（質量％）
Ｎｉは、本来は耐酸性の向上や固溶強化に寄与する元素である。しかしながら、０．６０％を超えて含有させると、フェライト系よりも被削性の劣るオーステナイト系の組織構造を形成することとなる。また、高価な材料であるために材料コストも増えてしまう。望ましくは０．３０％以下とし、生産性では不利となるが、より望ましくは０．２０％以下とする。
【００２４】
Ｃ：０．１２以下（質量％）
Ｃは、不可避的な元素であり、鋳造性の向上には寄与するものの、多量の含有は耐酸性や靭性を劣化させることがあり、望ましくは０．１２％以下に抑える。より望ましくは０．０８％以下、さらには生産性では不利となるが０．０５％以下に抑える。
【００２５】
Ｍｎ：１．０以下（質量％）
Ｍｎは、鋳鋼の製造時に脱酸剤として必要な元素で、また、ＭｎＳを生成して被削性の改善効果を有する。しかしながら、ＭｎＳは耐酸性を低下させる化合物でもあるため、望ましくは１．０％以下に抑える。より望ましくは０．７０％以下、さらには生産性では不利となるが０．５０％以下に抑える。
【００２６】
Ａｌ：１．０以下（質量％）
Ａｌは、ＳｉやＭｎよりも効果的な脱酸剤として知られる元素であり、鋳鋼の製造時にも使用することはできる。しかしながら、Ａｌは酸化物を生成し、この酸化物が機械加工を施した表面に残存すると美観を損ねてしまう上に、腐食の起点となって耐酸化性の劣化をもたらしてしまうことがある。よって、望ましくは０．１０％以下に抑える。生産性では不利となるが、より望ましくは０．０５％以下に抑える。
【００２７】
Ｐ：０．１５以下（質量％）
Ｐは、不可避的な元素であり、靭性の劣化を引き起こして鋳造時に割れを生じさせることがあり、望ましくは０．１５％以下に抑える。生産性では不利となるが、より望ましくは０．１０％以下に抑える。
【００２８】
Ｓ：０．１５以下（質量％）
Ｓは、不可避的な元素であり、ＭｎＳを生成して被削性の改善効果を有する。しかしながら、ＭｎＳは耐酸性を低下させる化合物でもあるため、望ましくは０．１５％以下に抑える。生産性では不利となるが、より望ましくは０．１０％以下に抑える。
【００２９】
Ｎ：０．１０下（質量％）
Ｎは、Ｃと同様、不可避的な元素であり、結晶粒を微細化して靭性を向上させる効果を有するものの、多量の含有はＣｒ窒化物を析出させることとなり、靭性や耐酸性を劣化させることがある。よって、望ましくは０．１０％以下に抑える。より望ましくは、生産性では不利となるが０．０５％以下に抑える。
【００３０】
（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０を超え（質量％）
上述したように本発明においては、質量％で、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％を含有させる。しかしながら、ＣｕとＳｉの含有量、つまり（Ｃｕ＋Ｓｉ）総量が少なすぎると耐酸性を向上させる効果が不十分となるので、（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超えて含有させる。ただし、ＣｕとＳｉ、各々の含有量を超えて含有させるものではない。また、やや靭性を劣化させる可能性はあるものの、より高い耐酸性を得るために（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．８％以上を含有させることもできる。
【００３１】
残部がＦｅおよび不可避的不純物
本発明においては、不可避的として上述したＣ、Ｐ、Ｓ、Ｎといった元素のほか、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｂ、Ｖ、Ｃｏ、Ａｓ、Ｏなどの元素もまた不可避的な元素である。しかしながら、実質的に全く含有させないことはできないので、本発明の作用効果を阻害しない範囲であれば含有してもよい。
例えばＭｇは、本来は酸化物を形成してＴｉＮの晶出核となってフェライト粒の微細化効果が期待できるものの、過剰な含有は耐酸性の劣化をもたらしてしまうことがあり、望ましくは０．５０質量％以下に抑える。生産性では不利となるが、より望ましくは０．３０質量％以下に抑える。
【００３２】
例えばＴｉは、本来はＣ、Ｎ、Ｓと結合して耐酸性や耐粒界腐食性を向上させたり、ＣやＮの固定作用を有するものの、過剰な含有は鋳造性や靭性の劣化をもたらしてしまうことがあり、望ましくは０．５０質量％以下に抑える。生産性では不利となるが、より望ましくは０．２０質量％以下に抑える。
例えばＢは、本来はＴｉＢを形成してフェライト粒の微細化効果をもたらすものの、過剰な含有は耐酸性や靭性の劣化をもたらしてしまうことがあり、望ましくは０．１０質量％以下に抑える。生産性では不利となるが、より望ましくは０．０５質量％以下に抑える。
また、この他のＶ、Ｃｏ、Ａｓ、Ｏについても、耐酸性に影響を及ぼさないように０．１０質量％以下、さらには０．０５質量％以下に抑えることが望ましい。
【００３３】
次に、本発明の耐酸性に優れた鋳造部材について説明する。
本発明の鋳造部材は、上述した本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼を用いて鋳造形成することにより得られるものであり、このフェライト系ステンレス鋳鋼と同等の組成および機械特性を有する。よって、本発明の鋳造部材は、酸性を呈する気体や液体に曝される環境下での使用に好適な鋳造部材として形成されて成り、例えば、排気ガスに曝される排気ガス再循環系用部材であるガス配管、クーラー部品、ＥＧＲバルブなどに適用することにより、長期に渡って腐食し難い排気ガス再循環系用部材を得ることができる。
また、本発明の鋳造部材としては、例えば、上述したＥＧＲシステムにおいて使用されるガス配管、クーラー部品、ＥＧＲバルブなどがある。本発明の鋳造部材は被削性の点でも良好であるので、特に機械加工を施すことが多いＥＧＲバルブのボディすなわち排気ガスの流路を切り替える切替バルブ用部材への適用は好ましく、生産性向上に格段に寄与できる。
【００３４】
本発明の排気ガス再循環系用部材を製造する方法としては、従来知られた砂型鋳造などの鋳造法を適用できる。また、生産性の点では、製品と実質的に同一形状の消失性模型から鋳造用鋳型を製作するロストワックス鋳造などの精密鋳造法の適用が有利である。さらには、鋳造形成して得られた鋳物に対して、必要に応じてＨＩＰ処理などの熱処理、切削や研削などの機械加工、バリ取りや研磨等の後処理などを施す、といった方法が利用できる。
【実施例】
【００３５】
（フェライト系ステンレス鋳鋼の耐酸性評価）
本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼の耐酸性を評価するために、表１および表２に示す各組成（本発明の実施例：１〜３、比較例：４〜１０、従来例：ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４）から成る腐食試験に供する丸棒形状の試験体（外径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、全表面積７８５ｍｍ２）を製造した。なお、表１および表２に示していない元素もあるが、残部および不可避的不純物としてＦｅに含むものである。
試験体を製造するにあたっては、まず所定量の原材料を高周波炉で大気溶解し、溶湯を１６２０〜１６４０℃に制御しながら、Ｙブロック型に鋳造した後に上記試験体の寸法形状に機械加工することによって鋳物素材を得た。そして、この鋳物素材に対して機械加工を施し、上記形状を有する各々の試験体を得た。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
次に、上記試験体を使用して、耐酸性を評価する腐食試験を実施した。腐食試験にあたっては、腐食液には、硫酸、硝酸、蟻酸、酢酸、塩酸を混合し、水に対する硫酸の濃度を０．２５％、１．０％、３．０％、５．０％として得た４種類の酸性水溶液を用い、ガラスビーカーに入れて使用した。また、腐食試験は、ナイロン糸で支持した試験体を、初回に限り十分にアルコール洗浄し、この後にホットスターラー上で湯煎して８０℃±３℃に温度制御した上記酸性水溶液の中に１ｈ浸漬し、次いで試験体を引き上げてドライヤーで乾燥させ、試験体の質量を測定することにより、腐食による試験体の減量を得る手順とした。そして、この試験体に対して再び、上記酸性水溶液に１ｈ浸漬し、引き上げて乾燥させ、質量を測定する、という手順を試験体の減量が零となるまで繰り返した。
腐食試験の結果を表３に示す。なお、腐食の評価には、腐食度ｇ／ｍ２・ｈ−１（ＪＩＳ−Ｚ８４０１）を用いた。
【００３９】
【表３】
【００４０】
表３より、本発明の実施例１〜３では、酸性水溶液の硫酸濃度０．２５〜５．０％に対する腐食度は、最も大きい実施例２でも０．９９〜３５４．５７ｇ／ｍ２・ｈ−１であり、４００ｇ／ｍ２・ｈ−１以下となっていた。また、より好ましい実施例３では０．００〜１８２．２４ｇ／ｍ２・ｈ−１であり、２００ｇ／ｍ２・ｈ−１以下となっていた。
これに対し、同じフェライト系ステンレス鋳鋼である従来のＳＵＳ４３０の腐食度は、１８．９９〜６７０．８５ｇ／ｍ２・ｈ−１であった。また、比較例４〜８では、最も小さい比較例４でも６３．８２〜７６９．１７ｇ／ｍ２・ｈ−１であり、４００ｇ／ｍ２・ｈ−１程度の実施例２にも及ばないことがわかった。
【００４１】
以上より、本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼は、従来のＳＵＳ４３０や比較例４〜８に比べ、優れた耐酸性を有することが確認できた。また、酸性水溶液の硫酸濃度１．０％以下においては、実施例３の組成を有する本発明のフェライト系ステンレス鋳鋼が特に優れた耐酸性を有していることがわかった。
【００４２】
（鋳造部材の実施例）
次に、本発明の鋳造部材の実施例となる、図１に外観形状を模式的に示す、排気ガス再循環系用部材（ＥＧＲ部材）のひとつである、排気ガスの流路を切り替える用途に使用される切替バルブ用部材（以下、ＥＧＲバルブ１という）を、ロストワックス精密鋳造法によって鋳造形成した。製造したＥＧＲバルブ１は、フランジ面６を有する筐体２と、エンジン始動時など低温の排気ガスの流路となる低温側通路３と、高温の排気ガスをクーラーに送るための流路となる高温側通路４と、図示しないバタフライバルブを取り付ける軸（図示せず）を挿入する軸穴５と、該軸の取付穴７と、上記バタフライバルブを突き当てるストッパ３ａ、４ａと、上記筐体の固定穴８を有する。また、材料には、表１に実施例３として示したフェライト系ステンレス鋳鋼の組成を有する材料を使用した。
【００４３】
まず、ＥＧＲバルブ１と実質的に同一の空間形状（キャビティ）となる金型を構成し、このキャビティに市販のワックス（パターンワックスＡ７−ＴＣＦ／ＲＲ、株式会社ブライソンジャパン）を射出し、ＥＧＲバルブ１と実質的に同一の形状を有する消失性模型を得た。具体的には、上記消失性模型には、これと同じワックスからなる押湯や湯道等を同時に射出成形し、押湯や湯道等を一体化したドラム状模型を得た。このドラム状模型に対して耐火物のコロイダルシリカを含むスラリーとジルコンサンドを含むスタッコとを繰り返しコーティングし、複数層の耐火物層を具備する鋳型を得た。
【００４４】
そして、上記鋳型を十分に乾燥させた後、高温水蒸気オートクレーブによって鋳型内から、ワックスからなるドラム状模型、つまり、ＥＧＲバルブ１と実質的に同一の形状を有する消失性模型と押湯や湯道等を加熱溶融させて完全に溶出除去することにより、鋳造に供する鋳型を得た。
次いで、表１に実施例３として示した組成の材料、つまり、質量％で、Ｃｒ：１９．６５％、Ｃｕ：１．８１％、Ｓｉ：１．２１％、Ｍｏ：０．９６％、Ｎｂ：０．４１％、Ｎｉ：０．１１％、Ｃ：０．０４％、Ｍｎ：０．０７％、Ａｌ：０．０２％、Ｐ：０．０２％、Ｓ：０．０１％、Ｎ：０．０１％で、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる（Ｃｕ＋Ｓｉ）：３．０２％の溶湯を、大気溶解して得た。そして、この溶湯を１６２０〜１６４０℃に制御しながら上記鋳型に吸引鋳造し、冷却後に鋳型を解体し、サンドショットにより鋳型屑等を除去した後にブロー清掃し、本発明の実施例となるＥＧＲバルブ１の鋳物素材（外形状７０ｍｍ×１０５ｍｍ×３０ｍｍ、質量６８３ｇ）を得た。
【００４５】
上述のように製造したＥＧＲバルブ１の鋳物素材に対し、サンドショットを施した後にブロー清掃し、さらに軸穴５やフランジ面６、取付穴７などを機械加工することにより、本発明の排気ガス再循環系用部材の一例となる、図１に示す、排気ガスの流路を切り替える用途に使用される、外形状７０ｍｍ×１０５ｍｍ×２９ｍｍ、質量６１４ｇの切替バルブ用部材（ＥＧＲバルブ）を得ることができた。
このようにして得られたＥＧＲバルブは、本発明の耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼と同じ組成を有するので、硫酸などの強酸に対する耐酸性を備えた高性能なＥＧＲバルブとして提供することができる。また、オーステナイト系に比べて被削性の点でも良好であって機械加工コストの面でも有利となるので、安価なＥＧＲバルブとして提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の排気ガス再循環系用部材の一例となるＥＧＲバルブの外観の模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１．ＲＧＲバルブ、２．筐体、３．低温側通路、３ａ．ストッパ、４．高温側通路、４ａ．ストッパ、５．軸穴、６．フランジ面、７．取付穴、８．固定穴
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物を含有することを特徴とする耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼。
【請求項２】
質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｃｕ：０．８〜２．２％、Ｓｉ：１．０〜１．５％を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼。
【請求項３】
質量％で、（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．８％以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼。
【請求項４】
質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物を含有するフェライト系ステンレス鋳鋼によって成ることを特徴とする耐酸性に優れた鋳造部材。
【請求項５】
質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｃｕ：０．８〜２．２％、Ｓｉ：１．０〜１．５％を含有するフェライト系ステンレス鋳鋼によって成ることを特徴とする請求項４に記載の耐酸性に優れた鋳造部材。
【請求項６】
質量％で、（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．８％以上を含有するフェライト系ステンレス鋳鋼によって成ることを特徴とする請求項４または５に記載の耐酸性に優れた鋳造部材。
【請求項７】
前記鋳造部材は、排気ガスの流路を切り替える切替バルブ用部材であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の耐酸性に優れた鋳造部材。
【請求項１】
質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物を含有することを特徴とする耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼。
【請求項２】
質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｃｕ：０．８〜２．２％、Ｓｉ：１．０〜１．５％を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼。
【請求項３】
質量％で、（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．８％以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の耐酸性に優れたフェライト系ステンレス鋳鋼。
【請求項４】
質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２７．０％、Ｃｕ：０．８〜３．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｎｂ：２．５％以下、Ｎｉ：０．６％以下、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．１５％以下、Ｎ：０．１０％以下で、かつ（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．０％を超え、残部がＦｅおよび不可避的不純物を含有するフェライト系ステンレス鋳鋼によって成ることを特徴とする耐酸性に優れた鋳造部材。
【請求項５】
質量％で、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｃｕ：０．８〜２．２％、Ｓｉ：１．０〜１．５％を含有するフェライト系ステンレス鋳鋼によって成ることを特徴とする請求項４に記載の耐酸性に優れた鋳造部材。
【請求項６】
質量％で、（Ｃｕ＋Ｓｉ）：２．８％以上を含有するフェライト系ステンレス鋳鋼によって成ることを特徴とする請求項４または５に記載の耐酸性に優れた鋳造部材。
【請求項７】
前記鋳造部材は、排気ガスの流路を切り替える切替バルブ用部材であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の耐酸性に優れた鋳造部材。
【図１】
【公開番号】特開２００８−１９５９８５（Ｐ２００８−１９５９８５Ａ）
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０２９６（Ｐ２００７−３０２９６）
【出願日】平成１９年２月９日（２００７．２．９）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【出願人】（３０５０２２５９８）株式会社日立メタルプレシジョン (69)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月９日（２００７．２．９）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【出願人】（３０５０２２５９８）株式会社日立メタルプレシジョン (69)
【Ｆターム（参考）】
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