JPH0686642B2

JPH0686642B2 - 耐熱性球状黒鉛鋳鉄

Info

Publication number: JPH0686642B2
Application number: JP16737686A
Authority: JP
Inventors: 正実鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1986-07-16
Filing date: 1986-07-16
Publication date: 1994-11-02
Anticipated expiration: 2009-11-02
Also published as: JPS6324041A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、耐熱性球状黒鉛鋳鉄にかかり、特に、車両
用エンジンの排気系部品等に使用するのに好適な耐熱性
球状黒鉛鋳鉄の改良に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、ガソリンエンジンもしくはディーゼルエンジン等
の車両用エンジン、特に自動車用エンジンにおいては、
高出力化、低燃費化に対する改善要求の高まりに伴い、
燃焼効率の改善のための研究開発が積極的に実施されて
いる。

その結果、このような要求に応える自動車用エンジンに
おいては、従来の自動車用エンジンに比較して、排気ガ
ス温度が著しく高温となる傾向にある。

とりわけ、自動車用エンジンにおけるエキゾーストマニ
ホルド、ターボチャージャ用タービンハウジング、排気
ガス洗浄装置用部品等の排気系部品においては、使用条
件が特に高温苛酷となることから、従来の高Si球状黒鉛
鋳鉄の耐熱性をさらに向上させるため、Cr、Al、Moある
いはCe、La等の希土類元素の添加が試みられてきた。

すなわち、鋳物第49巻第12号の第42頁には鋳鉄の耐熱性
を向上させる方法としては、パーライト安定化、A₁
変態温度の上昇、基地の固溶強化等があり、その目的
に応じてＶ、Ｗ、Mo、Cr、Mn、Al、Si等の合金元素の添
加が試みられていることが開示されている。

また、出願人は先に出願した特公昭54−38968号の中で
鋳鉄にSi、Mn、Mgを添加した排気マニホルドを開示して
いる。

また、特公昭60−17819号にはMo、Ce、Laの含有が開示
され、特公昭58−58248号にはCr、Moの含有が開示され
ている。

さらに、特公昭60−70162号にもMoの含有が開示され、
特公昭48−31113号にはAlを含有した球状黒鉛鋳鉄が開
示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、高Si球状黒鉛鋳鉄の性質を改善するために
は、特に耐酸化性と熱疲労特性を同時に向上させるとと
もに、鋳造性と加工性を悪化させないことが必要であ
る。

しかしながら、従来の耐熱性の向上の方法には以下のよ
うな問題があった。

Si含有量を高めることは耐酸化性を向上させるが、フェ
ライト基地を脆化させ熱疲労特性を悪化させる。

また、CrあるいはAlを含有させることも耐酸化性を向上
させるが、Crは網状の１次炭化物を析出させ被削性を著
しく低下させ、またAlは溶湯の流動性を低下させ鋳造性
を著しく悪化させる。

また、Moは基地を強化して熱疲労特性を向上させるが、
Crと同様網状の１次炭化物を析出させ被削性を著しく低
下させるとともに、引け巣の発生を増加させ易い。

さらに、希土類元素の添加は、酸化スケールの密着性を
良くして耐酸化性を向上させるが、熱疲労特性を向上さ
せる効果が小さいという問題がある。

従って、本発明の目的は、従来の耐熱性球状黒鉛鋳鉄よ
りも格段すぐれた熱疲労特性と耐酸化性を有するととも
に、鋳造性と機械加工性を兼ね備えた耐熱性球状黒鉛鋳
鉄を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このため、本発明にかかる耐熱性球状黒鉛鋳鉄は、重量
比率で、C;3.2〜4.2％,Si;3.5〜4.5％,Mn;0.8％以下,P;
0.1％以下,S;0.03％以下,Cr;0.2〜0.8％,V;0.5〜1.8％,
Mg,Ca,Ce等の黒鉛球状化元素を黒鉛の球状化のために必
要な量含有し、残部実質的にFeと不可避の不純物からな
ることを特徴とするものである。

〔作用〕

上記の構成にかかる本発明の作用を説明すると、組成的
にはP,S等の不純物を低く抑える一方、C,Si,Cr,Vをバラ
ンスよく添加したことにより、従来の耐熱性球状黒鉛鋳
鉄よりも格段にすぐれた熱疲労特性と耐酸化性を有する
とともに、鋳造性と機械加工性を兼ね備えた耐熱性球状
黒鉛鋳鉄を提供することができたのである。

以下、本発明の耐熱性球状黒鉛鋳鉄に添加する各合金元
素の添加量の範囲限定理由について説明する。

なお、以下の説明において各合金元素の添加量は全て重
量％で表示する。

まず、Ｃは3.2％未満では鋳造性が悪化し、4.2％を越え
ると黒鉛量が多くなり材質を脆弱化させるため、3.2〜
4.2％とした。

Siは高温における耐酸化性を向上させるためには3.5％
以上必要であるが、4.5％を超えると基地が脆弱化して
熱疲労特性を著しく低下させるため、3.5〜4.5％とし
た。

また、Mnは溶解原料から不可避的に混入するＳの害毒を
MnSとして無害な形に固定するために有効な元素である
が、0.8％を超えると耐酸化性を悪化させるため0.8％以
下とした。

Ｐはやはり溶解原料から不可避的に混入するが、多量に
混入すると被削性を悪化させるステダイトを晶出させる
ため、その影響が無視できる程度の0.1％以下とした。

また、Ｓも溶解原料から不可避的に混入するが、多量に
混入すると黒鉛の球状化を阻害するため、やはりその影
響が無視できる程度の0.03％以下とした。

Crは耐酸化性の向上に有効であるが0.2％未満ではその
効果が十分でなく、0.8％を超えて添加するとＶの含有
量との関係でCrの１次炭化物を粗大化させて機械加工性
を著しく悪化させるため、0.2〜0.8％とした。

Ｖは本発明において特に重要な合金元素である。すなわ
ち、鋳造時にCrよりも優先的に微細な粒状炭化物を形成
し、機械加工性を悪化させるCrの網状１次炭化物の形成
を抑制する。

また、高温におけるCrの２次炭化物の析出を抑制するた
め耐酸化性の向上に有効であるが、0.5％未満ではそれ
らの諸特性の改善効果が十分でなく、一方1.8％を超え
て添加するとＶが未溶解状態で基地中に残留して靱性を
低下させ易いため、0.5〜1.8％とした。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を添加図面を参照して詳細に説
明する。

本発明材の各種の特性を評価するために、第１表に示す
ような４種類の本発明材〜および４種類の比較材
〜の供試材を鋳造成形により製造した。

なお、各供試材の鋳造成形にあたっては50kg用高周波溶
解炉を使用して大気溶解し、1550℃以上で出湯し取鍋中
にてFe−Si−Mg合金により黒鉛球状化処理を行った。

その後、これをFe−Si合金にて接種後1440℃以上で注湯
し、JIS規格Ａ号のＹブロック形状に鋳造成形した。こ
のようにして製造した各供試材の化学組成を第１表に示
した。

第１表に示すような組成を有する各供試材を使用して、
以下に述べるような各種の評価試験を実施した。

まず、電気−油圧サーボ方式熱疲労試験機を使用して、
上記の各供試材に対して熱疲労試験を実施した。

なお、熱疲労試験は標点間距離を15mm、標点間径を10mm
φとした丸棒試験片を使用して、試験片の加熱による伸
びおよび冷却による収縮を機械的に拘束させた状態で、
下限温度を200℃、上限温度を900℃とし、１サイクル10
分として加熱冷却サイクルの繰り返しにより熱疲労破壊
させた。

そして、各試験片に負荷させる加熱冷却サイクルを上記
のように一定とし各試験片の拘束率を変化させて、各供
試材の拘束率と熱疲労による破壊までの繰り返し数
（回）との関係によって、各供試材の熱疲労特性を評価
した。ここで、拘束率（％）は次の式により求められる
値である。

このようにして熱疲労試験した結果を第１図に示した。

第１図から明らかなように、本発明材〜はいずれも
従来材である４種類の比較材〜と比較すると、熱疲
労寿命が格段にすぐれていることがわかる。

次に、耐酸化性を評価するために、鋳造成形された上記
の組成を有する各供試材を使用して、30mm×20mm×5mm
の形状の板状試験片を製作し、900℃において100時間の
大気中保持による酸化試験を実施した。

なお、この酸化試験における試験結果は酸化試験後にシ
ョットブラスト処理を施して酸化スケールを除去し、酸
化試験前後の単位面積当たりの重量変化（酸化減量;mg/
cm²）を求めることにより評価した。

上記の方法により酸化試験した結果を第２図に示した。

第２図から明らかなように、本発明材〜はいずれも
従来材である比較材〜と比較すると酸化減量が少な
くとも約半分以下であり、耐酸化性が格段すぐれている
ことがわかる。

次に、鋳造性、機械加工性を評価するために本発明材を
使用してエキゾーストマニホルドを鋳造成形によって製
造した。

その結果、“ひけ巣”、“ピンホール”、“ブローホー
ル”、“砂かみ”、“湯廻り不良”、“湯境”等といっ
た鋳造不良を生じることなく成形でき、良好な鋳造性を
有していることが確認できた。

そして、次にこれにドリル加工、フライス加工等の機械
加工を施したところ、刃具の欠けあるいは異常摩耗を生
じることもなく、従来の高Si球状黒鉛鋳鉄と同等の機械
加工性を有していることが確認できた。

次に、耐熱耐久性を評価するために本発明材および比較
材を使用して2.8ガソリンエンジン用のエキゾースト
マニホルドを製作し、実際にエンジンに搭載してエンジ
ン台上苛酷耐久試験を行った。

第２表にこのエンジン台上苛酷耐久試験に使用したエキ
ゾーストマニホルドの各供試品の化学組成を示した。

なお、比較品は従来の高Si球状黒鉛鋳鉄である。

試験条件は最高回転数を5600rpmとして全負荷条件での
冷熱サイクル耐久を900サイクルまで実施し、熱亀裂の
発生の有無によってエキゾーストマニホルドの耐久性を
評価した。

この結果、本発明品は900サイクルの試験終了まで熱亀
裂の発生が認められなかったのに対して、比較品は630
サイクルで肉厚を貫通する熱亀裂の発生が認められた。

以上の結果より、本発明材によって製造されたエキゾー
ストマニホルドは熱負荷の厳しい条件下において十分な
熱亀裂耐久性を有していることが明らかになった。

以上、本発明を特定の実施例に基づいて説明したがこれ
に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した
範囲内で当業者が実施可能な種々の別な態様が考えられ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明にかかる耐熱性球状黒鉛鋳
鉄は、組成的にはP,S等の不純物を低く抑える一方、C,S
i,Cr,Vをバランスよく添加したことにより、従来の耐熱
性球状黒鉛鋳鉄よりも格段すぐれた熱疲労特性と耐酸化
性を有するとともに、鋳造性と機械加工性を兼ね備える
ことができた。

これによって、自動車用エンジンにおける排気系部品用
材料、例えばエキゾーストマニホルド等に適用できると
いうすぐれた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明材と比較材の熱疲労試験の結果を示すグ
ラフ、第２図は本発明材と比較材の酸化試験の結果を示
すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比率で、C;3.2〜4.2％,Si;3.5〜4.5
％,Mn;0.8％以下,P;0.1％以下,S;0.03％以下,Cr;0.2〜
0.8％,V;0.5〜1.8％,Mg,Ca,Ce等の黒鉛球状化元素を黒
鉛の球状化のために必要な量含有し、残部実質的にFeと
不可避の不純物からなることを特徴とする耐熱性球状黒
鉛鋳鉄。