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WO2021009807A1 - オーステナイト系耐熱鋳鋼および排気系部品 - Google Patents

オーステナイト系耐熱鋳鋼および排気系部品 Download PDF

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WO2021009807A1
WO2021009807A1 PCT/JP2019/027742 JP2019027742W WO2021009807A1 WO 2021009807 A1 WO2021009807 A1 WO 2021009807A1 JP 2019027742 W JP2019027742 W JP 2019027742W WO 2021009807 A1 WO2021009807 A1 WO 2021009807A1
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cast steel
resistant cast
austenitic heat
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嵩 根本
貴大 戸渡
拓郎 梅谷
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HINODE HOLDINGS CO Ltd
Yamagata Seimitsu Cyuzou Co Ltd
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HINODE HOLDINGS CO Ltd
Yamagata Seimitsu Cyuzou Co Ltd
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to austenitic heat-resistant cast steel and exhaust system parts.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-291430 discloses an exhaust system component made of high Cr and high Ni austenitic heat-resistant cast steel.
  • the high Cr and high Ni austenitic heat-resistant cast steel has a mass ratio of C: 0.2 to 1.0%, Si: 2% or less, Mn: 2% or less, P. : 0.04% or less, S: 0.05 to 0.25%, Cr: 20 to 30%, Ni: 16 to 30%, balance: Fe and unavoidable impurities.
  • the high Cr and high Ni austenitic heat-resistant cast steel contains W: 1 to 4% and / or Nb: 1% or more and 4% or less in terms of mass ratio.
  • One embodiment of the present invention is from 0.3 to 0.7% by mass of C, 1.2 to 1.8% by mass of Si, 0.6 to 1.4% by mass of Mn, from 0.05. 0.25% by mass S, 18.0 to 27.0% by mass Cr, 13.0 to 23.0% by mass Ni, 0.70 to 1.00% by mass Nb, 2.0 to 4. 0% by mass W, 0.1 to 0.4% by mass Mo, 0.1 to 0.3% by mass N, 0.005 to 0.030% by mass Ti, and Fe and unavoidable impurities.
  • Austenite heat-resistant cast steel consisting of the rest.
  • the upper limit of the Nb content is set to 1.00% by mass to suppress the decrease in the amount of carbides generated in the Fe matrix, and the Ti content is increased from 0.005.
  • the content is set to 0.030% by mass, eutectic carbides of Nb and Cr can be continuously distributed in a network in the Fe matrix. Therefore, the network of carbides in the Fe base can be strengthened. Therefore, the strength of the austenitic heat-resistant cast steel in the high temperature range can be improved.
  • the Ti content is less than 0.005% by mass, it becomes difficult to continuously distribute the eutectic carbides of Nb and Cr in the Fe matrix in a network, which is not preferable. If the Ti content exceeds 0.030% by mass, the network of carbides in the Fe matrix is easily divided, which is not preferable. Further, if the Nb content is less than 0.70% by mass, the amount of Nb carbides generated in the Fe matrix decreases, which is not preferable. When the content of Nb exceeds 1.00 mass%, Nb carbide amount is not preferable because the carbide of the total is decreased by M 23 C 6 type carbide amount decreases but increases.
  • the Ti content is preferably 0.008 to 0.018% by mass.
  • Another aspect of the embodiment of the present invention is an exhaust system component made of the austenitic heat-resistant cast steel. It is possible to improve the strength of the exhaust system parts of an automobile exposed to exhaust gas at around 1000 ° C. in a high temperature range.
  • FIG. 1 is a diagram showing the compositions of examples and comparative examples of austenitic heat-resistant cast steel according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the results of tensile tests on austenitic heat-resistant cast steel according to Examples and Comparative Examples.
  • FIG. 3A is a diagram showing the observation results of the structure of the test piece of the austenitic heat-resistant cast steel according to Comparative Example 1.
  • FIG. 3B is a diagram showing observation results of the structure of a test piece of austenitic heat-resistant cast steel according to Example 2.
  • FIG. 3C is a diagram showing the observation results of the structure of the test piece of the austenitic heat-resistant cast steel according to Example 7.
  • FIG. 3D is a diagram showing observation results of the structure of the test piece of the austenitic heat-resistant cast steel according to Comparative Example 3.
  • FIG. 4A is a diagram showing the analysis results of the structure of the test piece of the austenitic heat-resistant cast steel according to Comparative Example 1.
  • FIG. 4B is a diagram showing the analysis results of the structure of the test piece of the austenitic heat-resistant cast steel according to Example 2.
  • FIG. 4C is a diagram showing the analysis results of the structure of the test piece of the austenitic heat-resistant cast steel according to Example 7.
  • FIG. 4D is a diagram showing the analysis results of the structure of the test piece of the austenitic heat-resistant cast steel according to Comparative Example 3.
  • the austenite heat-resistant cast steel of the present embodiment has C of 0.3 to 0.7% by mass, Si of 1.2 to 1.8% by mass, Mn of 0.6 to 1.4% by mass, and Mn of 0.05. 0.25% by mass S, 18.0 to 27.0% by mass Cr, 13.0 to 23.0% by mass Ni, 0.70 to 1.00% by mass Nb, 2.0 to 4. 0% by mass W, 0.1 to 0.4% by mass Mo, 0.1 to 0.3% by mass N, 0.005 to 0.030% by mass Ti, and Fe and unavoidable impurities. It consists of the rest.
  • austenitic heat-resistant cast steel means heat-resistant cast steel containing an austenitic phase as the main phase.
  • Mass% of an element means the percentage of the mass of the element to the mass of austenitic heat-resistant cast steel.
  • the notation of “elements from A to B mass%” means that the mass% of the element is A% or more and B% or less.
  • Remaining means a component other than the listed elements among the components constituting the austenitic heat-resistant cast steel. For example, “... C, ... Si, ... Mn, ... S, ... Cr, ... Ni, ... Nb, ... W, ... Mo, ... "Austenitic heat-resistant cast steel consisting of N, ...
  • Ti, and Fe and the balance of unavoidable impurities is C, Si, Mn, S, Cr, Ni, among the components constituting the austenitic heat-resistant cast steel. It means that components other than Nb, W, Mo, N, and Ti are Fe and unavoidable impurities.
  • the austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment contains 0.3 to 0.7% by mass of C. Since the lower limit of the C content is 0.3% by mass, the austenitic heat-resistant cast steel can be made stronger by solid solution strengthening of the Fe matrix and precipitation strengthening of carbides. Further, the castability (fluidity of the molten metal) of the austenitic heat-resistant cast steel can be improved by suppressing the increase in the liquidus temperature of the austenitic phase. Further, since the upper limit of the C content is 0.7% by mass, it is possible to reduce the occurrence of cracks when the austenitic heat-resistant cast steel is plastically deformed by suppressing the formation of an excessive amount of carbides.
  • the austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment contains 1.2 to 1.8% by mass of Si. Since the lower limit of the Si content is 1.2% by mass, the oxidation resistance of the austenitic heat-resistant cast steel can be improved. Further, since the upper limit of the Si content is 1.8% by mass, the formation of the ⁇ phase (embrittlement phase), which is an intermetallic compound of Fe and Cr, is reduced, so that the austenitic heat-resistant cast steel in a high temperature region can be used. The toughness can be improved.
  • the austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment contains 0.6 to 1.4% by mass of Mn. Since the lower limit of the Mn content is 0.6% by mass, it can be combined with S to form sulfide, and the machinability of the austenitic heat-resistant cast steel can be improved by the lubricating action of the sulfide. Further, since the upper limit of the Mn content is 1.4% by mass, it is possible to reduce the occurrence of irregularities on the surface of the cast surface of the austenitic heat-resistant cast steel by suppressing the formation of an excessive amount of sulfide. ..
  • the austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment contains 0.05 to 0.25% by mass of S. Since the lower limit of the S content is 0.05% by mass, the machinability of the austenitic heat-resistant cast steel can be improved by combining with Mn to form a sulfide. Further, since the upper limit of the S content is 1.4% by mass, it is possible to improve the strength of the austenitic heat-resistant cast steel in a high temperature range of around 1000 ° C. by reducing the precipitation of an excessive amount of sulfide. it can.
  • the austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment contains 18.0 to 27.0% by mass of Cr. Since the lower limit of the Cr content is 18.0% by mass, the oxidation resistance of the austenitic heat-resistant cast steel can be improved. Further, since the upper limit of the Cr content is 27.0% by mass, the formation of the embrittled phase which is the propagation path of cracks at the eutectic interface between the Cr carbide and the austenitic phase is reduced, so that the austenitic in the high temperature region The strength of the heat-resistant cast steel can be improved.
  • the austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment contains 13.0 to 23.0% by mass of Ni. Since the lower limit of the Ni content is 13.0% by mass, the strength of the austenitic heat-resistant cast steel in the high temperature region can be improved by reducing the formation of the embrittled phase. Further, since the upper limit of the Ni content is 23.0% by mass, the C solid solution amount is increased as the Ni solid solution amount in the Fe substrate decreases, and the crystallization of an excessive amount of Cr carbide is reduced. By doing so, the strength of the austenitic heat-resistant cast steel in a high temperature range can be improved. Further, the cost for producing the austenitic heat-resistant cast steel can be reduced.
  • the austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment contains 0.70 to 1.00% by mass of Nb. Since the lower limit of the Nb content is 0.70% by mass, the strength of the austenitic heat-resistant cast steel in the high temperature region can be improved by increasing the amount of the Nb carbonitride. Further, since the upper limit of the content of Nb is 1.00 wt%, by suppressing mainly decreased configured M 23 C 6 type carbide amount and a metallic element M and C, such as Cr and Fe, It is possible to suppress a decrease in the total amount of carbides in the Fe base. Furthermore, the strength of the austenitic heat-resistant cast steel in the high temperature range can be improved by reducing the formation of the ferrite phase and the embrittlement phase. Further, the cost for producing the austenitic heat-resistant cast steel can be reduced.
  • the austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment contains 2.0 to 4.0% by mass of W. Since the lower limit of the W content is 2.0% by mass, the strength of the austenitic heat-resistant cast steel in the high temperature region can be improved by strengthening the solid solution of the Fe matrix and strengthening the precipitation of W carbide. Further, since the upper limit of the W content is 4.0% by mass, it is possible to reduce the occurrence of cracks when the austenitic heat-resistant cast steel is plastically deformed by suppressing the formation of an excessive amount of W carbide. it can. Further, the cost for producing the austenitic heat-resistant cast steel can be reduced.
  • the austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment contains 0.1 to 0.4% by mass of Mo. Since the lower limit of the Mo content is 0.1% by mass, the strength of the austenitic heat-resistant cast steel in a high temperature region can be improved by strengthening the solid solution of the Fe matrix and strengthening the precipitation of Mo carbide. Further, since the upper limit of the Mo content is 0.4% by mass, it is possible to reduce the occurrence of cracks when the austenitic heat-resistant cast steel is plastically deformed by suppressing the formation of an excessive amount of Mo carbide. it can. Further, the cost for producing the austenitic heat-resistant cast steel can be reduced.
  • the austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment contains 0.1 to 0.3% by mass of N. Since the lower limit of the N content is 0.1% by mass, the strength of the austenitic heat-resistant cast steel in a high temperature region can be improved by solid solution strengthening of the Fe matrix and precipitation strengthening of Nb carbonitride. Further, since the upper limit of the N content is 0.3% by mass, it is possible to reduce the occurrence of gas defects such as pinholes and blow holes when casting austenitic heat-resistant cast steel.
  • the austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment contains 0.005 to 0.030% by mass of Ti. Since the lower limit of the Ti content is 0.005% by mass, eutectic carbides of Nb and Cr can be continuously distributed in a network in the Fe matrix. Further, since the upper limit of the Ti content is 0.030% by mass, it is possible to suppress the division of the network of carbides in the Fe matrix. By setting the Ti content from 0.005 to 0.030% by mass in this way, the network of carbides in the Fe matrix can be strengthened. Therefore, the strength of the austenitic heat-resistant cast steel in the high temperature range can be improved.
  • the lower limit of the Ti content is preferably 0.0065% by mass, more preferably 0.008% by mass. It is possible to improve the continuity of eutectic carbides of Nb and Cr distributed in a network in the Fe matrix.
  • the upper limit of the Ti content is preferably 0.026% by mass, more preferably 0.022% by mass, and further preferably 0.018% by mass. The network of carbides in the Fe base can be reliably maintained.
  • the balance of the austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment is Fe and unavoidable impurities.
  • Fe contained in the balance is ⁇ -iron having a face-centered cubic lattice structure.
  • unavoidable impurities contained in the balance include P (phosphorus), Cu (copper), Al (aluminum), V (vanadium), Co (cobalt), As (arsenic), Sn (tin), and Ca (calcium).
  • B boron), Pb (lead), Sb (antimony), Zr (zirconium), Ce (cerium), Te (tellurium), La (lantern), Bi (bismuth), and Zn (tin).
  • the total content of unavoidable impurities is preferably 1.0% by mass or less, more preferably 0.8% by mass or less in total, and further preferably 0.7% by mass or less in total. ..
  • the upper limit of the Nb content to 1.00% by mass
  • the decrease in the amount of carbides generated in the Fe matrix is suppressed, and the Ti content is set to 0.
  • the content is set from 005 to 0.030% by mass
  • eutectic carbides of Nb and Cr can be continuously distributed in a network in the Fe matrix. Therefore, the network of carbides in the Fe base can be strengthened. Therefore, the strength of the austenitic heat-resistant cast steel in a high temperature range of around 1000 ° C. can be improved.
  • the upper limit of the Nb content can be suppressed to 1.00% by mass and the amount of Ti added can be suppressed to a very small amount (0.005 to 0.030% by mass), the strength in the high temperature range is improved.
  • Austenitic heat-resistant cast steel can be provided at low cost.
  • austenitic heat-resistant cast steel of the present embodiment as a material, various austenitic heat-resistant cast steel products having improved strength in a high temperature range can be manufactured.
  • a typical austenitic heat-resistant cast steel product is an automobile exhaust system component exposed to exhaust gas at around 1000 ° C. Examples of exhaust system components are exhaust manifolds, turbine housings, wastegate valves and the like.
  • FIG. 1 shows the compositions of examples and comparative examples of austenitic heat-resistant cast steel according to this embodiment.
  • an austenitic heat-resistant cast steel containing the composition of the elements shown in FIG. 1 (C, Si, Mn, S, Cr, Ni, Nb, W, Mo, N, and Ti) was produced.
  • the balance other than the elements shown in FIG. 1 is iron and a trace amount of unavoidable impurities.
  • FIG. 2 shows the results of tensile tests on austenitic heat-resistant cast steel according to Examples and Comparative Examples.
  • the test temperature (° C.), tensile strength (MPa) and 0.2% proof stress (MPa) in FIG. 2 are values measured according to JIS Z 2241 (metal material tensile test method) for austenitic heat-resistant cast steel test pieces. is there.
  • Comparative Example 1 contains Ti in an amount of more than 0.030% by mass.
  • the tensile strength of Examples 1 to 9 is larger than the tensile strength of Comparative Example 2 or Comparative Example 3.
  • the 0.2% proof stress of Examples 1 to 9 is larger than the 0.2% proof stress of Comparative Example 2 or Comparative Example 3.
  • the upper limit of the Ti content is 0.018% by mass
  • the tensile strength and 0.2% proof stress of the austenitic heat-resistant cast steel at a test temperature of 1000 ° C. can be further improved. I was able to confirm.
  • 3A, 3B, 3C, and 3D show the observation results of the structure of the test piece of austenitic heat-resistant cast steel.
  • 3A, 3B, 3C, and 3D are observed by a scanning electron microscope for the microstructure of the austenitic heat-resistant cast steel according to Comparative Example 1, Example 2, Example 7, and Comparative Example 3, respectively. It is a figure which shows the result.
  • Comparative Example 1 does not contain Ti (see FIG. 1). Therefore, as shown in FIG. 3A, in Comparative Example 1, the carbonitrides formed in the Fe matrix are divided and distributed discontinuously. As a result, as shown in FIG. 2, in Comparative Example 1, it is difficult to improve the tensile strength and 0.2% proof stress of the austenitic heat-resistant cast steel at a test temperature of 1000 ° C.
  • Example 2 has a Ti content of 0.008% by mass
  • Example 7 has a Ti content of 0.018% by mass (see FIG. 1). Therefore, as shown in FIGS. 3B and 3C, in Examples 2 and 7, the carbonitrides formed in the Fe matrix are continuously distributed in a mesh pattern. As a result, as shown in FIG. 2, in Examples 2 and 7, the tensile strength and 0.2% proof stress of the austenitic heat-resistant cast steel at a test temperature of 1000 ° C. can be improved.
  • Comparative Example 3 the Ti content is 0.130% by mass (see FIG. 1). Therefore, as shown in FIG. 3D, the continuity of the carbonitrides formed in the Fe matrix is lost, and the carbonitrides are distributed discontinuously. As a result, as shown in FIG. 2, in Comparative Example 3, it is difficult to improve the tensile strength and 0.2% proof stress of the austenitic heat-resistant cast steel at a test temperature of 1000 ° C.
  • 4A, 4B, 4C, and 4D show the analysis results of the structure of the test piece of austenitic heat-resistant cast steel.
  • 4A, 4B, 4C, and 4D show Nb carbide 10 and Cr carbide 20 in the Fe matrix of the austenitic heat-resistant cast steel according to Comparative Example 1, Example 2, Example 7, and Comparative Example 3, respectively. It is a figure which shows the result of having analyzed by EPMA (electron probe microanalyzer) about the distribution state of.
  • EPMA electron probe microanalyzer
  • Comparative Example 1 does not contain Ti (see FIG. 1). Therefore, as shown in FIG. 4A, in Comparative Example 1, the Nb carbide 10 and the Cr carbide 20 generated in the Fe matrix are separately distributed. Therefore, it is difficult to form a network of carbides.
  • Example 2 has a Ti content of 0.008% by mass
  • Example 7 has a Ti content of 0.018% by mass (see FIG. 1). Therefore, as shown in FIGS. 4B and 4C, in Examples 2 and 7, the Nb carbide 10 and the Cr carbide 20 produced in the Fe matrix coexist along the grain boundaries of the austenite phase. As described above, it is precipitated as a eutectic carbide. Therefore, the eutectic carbides of Nb and Cr are continuously distributed in a network shape, so that a strong network of carbides can be formed.
  • Comparative Example 3 the Ti content is 0.130% by mass (see FIG. 1). Therefore, as shown in FIG. 4D, the continuity of the eutectic carbides of Nb and Cr is lost, and they are distributed discontinuously. For this reason, the network of carbides is divided.
  • the eutectic carbides of Nb and Cr were networked in the Fe matrix by changing the Ti content from 0.005 to 0.030% by mass. It was confirmed that the network of carbides in the Fe base can be strengthened by continuously distributing them. As a result, as shown in FIG. 2, in Examples 1 to 9, the tensile strength and 0.2% proof stress of the austenitic heat-resistant cast steel at a test temperature of 1000 ° C. can be improved.

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Abstract

オーステナイト系耐熱鋳鋼は、０．３から０．７質量％のＣ、１．２から１．８質量％のＳｉ、０．６から１．４質量％のＭｎ、０．０５から０．２５質量％のＳ、１８．０から２７．０質量％のＣｒ、１３．０から２３．０質量％のＮｉ、０．７０から１．００質量％のＮｂ、２．０から４．０質量％のＷ、０．１から０．４質量％のＭｏ、０．１から０．３質量％のＮ、０．００５から０．０３０質量％のＴｉ、および、Ｆｅおよび不可避不純物である残部からなる。

Description

オーステナイト系耐熱鋳鋼および排気系部品
　本発明の実施形態は、オーステナイト系耐熱鋳鋼および排気系部品に関する。
　特許文献１（特開２０００－２９１４３０号公報）には、高Ｃｒ高Ｎｉオーステナイト系耐熱鋳鋼製である、排気系部品が開示されている。特許文献１に開示された排気系部品において、高Ｃｒ高Ｎｉオーステナイト系耐熱鋳鋼は、質量比で、Ｃ：０．２～１．０％，Ｓｉ：２％以下，Ｍｎ：２％以下，Ｐ：０．０４％以下，Ｓ：０．０５～０．２５％，Ｃｒ：２０～３０％，Ｎｉ：１６～３０％，残部：Ｆｅおよび不可避不純物を含む組成からなる。また、特許文献１に開示された排気系部品において、高Ｃｒ高Ｎｉオーステナイト系耐熱鋳鋼は、質量比で、Ｗ：１～４％および／またはＮｂ：１％を超え４％以下を含む。
特開２０００－２９１４３０号公報
　本発明の実施形態の一態様は、０．３から０．７質量％のＣ、１．２から１．８質量％のＳｉ、０．６から１．４質量％のＭｎ、０．０５から０．２５質量％のＳ、１８．０から２７．０質量％のＣｒ、１３．０から２３．０質量％のＮｉ、０．７０から１．００質量％のＮｂ、２．０から４．０質量％のＷ、０．１から０．４質量％のＭｏ、０．１から０．３質量％のＮ、０．００５から０．０３０質量％のＴｉ、および、Ｆｅおよび不可避不純物である残部からなる、オーステナイト系耐熱鋳鋼である。
　上記オーステナイト系耐熱鋳鋼によれば、Ｎｂの含有量の上限を１．００質量％にすることでＦｅ基地中に生成される炭化物量の減少を抑制するとともに、Ｔｉの含有量を０．００５から０．０３０質量％にすることでＦｅ基地中にＮｂおよびＣｒの共晶炭化物を網目状に連続的に分布させることができる。このため、Ｆｅ基地中における炭化物同士のネットワークを強固にすることができる。したがって、高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の強度を向上させることができる。
　上記オーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｔｉの含有量が０．００５質量％を下回ると、Ｆｅ基地中にＮｂおよびＣｒの共晶炭化物を網目状に連続的に分布させにくくなるため好ましくない。Ｔｉの含有量が０．０３０質量％を上回ると、Ｆｅ基地中における炭化物同士のネットワークが分断されやすくなるため好ましくない。また、Ｎｂの含有量が０．７０質量％を下回ると、Ｆｅ基地中に生成されるＮｂ炭化物量が減少するため好ましくない。Ｎｂの含有量が１．００質量％を上回ると、Ｎｂ炭化物量は増加するもののＭ２３Ｃ６型炭化物量が減少することでトータルの炭化物量が減少するため好ましくない。
　上記オーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｔｉの含有量は、０．００８から０．０１８質量％であることが好ましい。
　本発明の実施形態の他の態様は、上記オーステナイト系耐熱鋳鋼で作られた排気系部品である。１０００℃付近の排気ガスに曝される自動車の排気系部品の高温域における強度を向上させることができる。
図１は、実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の実施例および比較例の組成を示す図である。 図２は、実施例および比較例に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼についての引張試験の結果を示す図である。 図３Ａは、比較例１に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の試験片の組織についての観察結果を示す図である。 図３Ｂは、実施例２に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の試験片の組織についての観察結果を示す図である。 図３Ｃは、実施例７に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の試験片の組織についての観察結果を示す図である。 図３Ｄは、比較例３に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の試験片の組織についての観察結果を示す図である。 図４Ａは、比較例１に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の試験片の組織についての分析結果を示す図である。 図４Ｂは、実施例２に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の試験片の組織についての分析結果を示す図である。 図４Ｃは、実施例７に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の試験片の組織についての分析結果を示す図である。 図４Ｄは、比較例３に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の試験片の組織についての分析結果を示す図である。
　以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態であるオーステナイト系耐熱鋳鋼について説明する。なお、以下に示す実施形態により本発明が限定されるものではない。
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、０．３から０．７質量％のＣ、１．２から１．８質量％のＳｉ、０．６から１．４質量％のＭｎ、０．０５から０．２５質量％のＳ、１８．０から２７．０質量％のＣｒ、１３．０から２３．０質量％のＮｉ、０．７０から１．００質量％のＮｂ、２．０から４．０質量％のＷ、０．１から０．４質量％のＭｏ、０．１から０．３質量％のＮ、０．００５から０．０３０質量％のＴｉ、および、Ｆｅおよび不可避不純物である残部からなる。
　なお、本開示において、「オーステナイト系耐熱鋳鋼」は、主相としてオーステナイト相を含む耐熱鋳鋼を意味する。元素の「質量％」は、オーステナイト系耐熱鋳鋼の質量に対する元素の質量の百分率を意味する。「ＡからＢ質量％の元素」の表記は、元素の質量％がＡ％以上Ｂ％以下であることを意味する。「残部」は、オーステナイト系耐熱鋳鋼を構成する成分のうち、列挙された元素以外の成分を意味する。例えば、「・・・Ｃ、・・・Ｓｉ、・・・Ｍｎ、・・・Ｓ、・・・Ｃｒ、・・・Ｎｉ、・・・Ｎｂ、・・・Ｗ、・・・Ｍｏ、・・・Ｎ、・・・Ｔｉ、および、Ｆｅおよび不可避不純物である残部からなる、オーステナイト系耐熱鋳鋼」は、オーステナイト系耐熱鋳鋼を構成する成分のうち、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎ、およびＴｉ以外の成分がＦｅおよび不可避不純物であることを意味する。
　（Ｃ：炭素）
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、０．３から０．７質量％のＣを含む。Ｃの含有量の下限が０．３質量％であるので、Ｆｅ基地の固溶強化および炭化物の析出強化によりオーステナイト系耐熱鋳鋼を高強度化することができる。さらに、オーステナイト相の液相線温度の上昇を抑制することによりオーステナイト系耐熱鋳鋼の鋳造性（溶湯の流動性）を向上させることができる。またＣの含有量の上限が０．７質量％であるので、過剰な量の炭化物の生成を抑制することにより、オーステナイト系耐熱鋳鋼が塑性変形した際の亀裂の発生を低減することができる。
　（Ｓｉ：ケイ素）
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、１．２から１．８質量％のＳｉを含む。Ｓｉの含有量の下限が１．２質量％であるので、オーステナイト系耐熱鋳鋼の耐酸化性を向上させることができる。また、Ｓｉの含有量の上限が１．８質量％であるので、ＦｅおよびＣｒの金属間化合物であるσ相（脆化相）の生成を低減することにより、高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の靱性を向上させることができる。
　（Ｍｎ：マンガン）
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、０．６から１．４質量％のＭｎを含む。Ｍｎの含有量の下限が０．６質量％であるので、Ｓと結合して硫化物を形成し、硫化物の潤滑作用により耐オーステナイト系耐熱鋳鋼の切削性を向上させることができる。また、Ｍｎの含有量の上限が１．４質量％であるので、過剰な量の硫化物の生成を抑制することにより、オーステナイト系耐熱鋳鋼の鋳肌表面における凹凸の発生を低減することができる。
　（Ｓ：硫黄）
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、０．０５から０．２５質量％のＳを含む。Ｓの含有量の下限が０．０５質量％であるので、Ｍｎと結合して硫化物を形成することにより、オーステナイト系耐熱鋳鋼の切削性を向上させることができる。また、Ｓの含有量の上限が１．４質量％であるので、過剰な量の硫化物の析出を低減することにより、１０００℃付近の高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の強度を向上させることができる。
　（Ｃｒ：クロム）
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、１８．０から２７．０質量％のＣｒを含む。Ｃｒの含有量の下限が１８．０質量％であるので、オーステナイト系耐熱鋳鋼の耐酸化性を向上させることができる。また、Ｃｒの含有量の上限が２７．０質量％であるので、Ｃｒ炭化物とオーステナイト相との共晶界面において亀裂の伝搬経路となる脆化相の生成を低減することにより、高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の強度を向上させることができる。
　（Ｎｉ：ニッケル）
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、１３．０から２３．０質量％のＮｉを含む。Ｎｉの含有量の下限が１３．０質量％であるので、脆化相の生成を低減することにより高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の強度を向上させることができる。また、Ｎｉの含有量の上限が２３．０質量％であるので、Ｆｅ基地中へのＮｉ固溶量の減少に伴いＣ固溶量を増加させ、過剰な量のＣｒ炭化物の晶出を低減することにより、高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の強度を向上させることができる。さらに、オーステナイト系耐熱鋳鋼を製造するための費用を低減することができる。
　（Ｎｂ：ニオブ）
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、０．７０から１．００質量％のＮｂを含む。Ｎｂの含有量の下限が０．７０質量％であるので、Ｎｂ炭窒化物の量を増加させることにより、高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の強度を向上させることができる。また、Ｎｂの含有量の上限が１．００質量％であるので、主にＣｒやＦｅなどの金属元素ＭとＣとから構成されるＭ２３Ｃ６型炭化物量の減少を抑制することにより、Ｆｅ基地中におけるトータルの炭化物量の減少を抑制することができる。さらに、フェライト相および脆化相の生成を低減することにより高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の強度を向上させることができる。さらに、オーステナイト系耐熱鋳鋼を製造するための費用を低減することができる。
　（Ｗ：タングステン）
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、２．０から４．０質量％のＷを含む。Ｗの含有量の下限が２．０質量％であるので、Ｆｅ基地の固溶強化およびＷ炭化物の析出強化により高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の強度を向上させることができる。また、Ｗの含有量の上限が４．０質量％であるので、過剰な量のＷ炭化物の生成を抑制することにより、オーステナイト系耐熱鋳鋼が塑性変形した際の亀裂の発生を低減することができる。さらに、オーステナイト系耐熱鋳鋼を製造するための費用を低減することができる。
　（Ｍｏ：モリブデン）
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、０．１から０．４質量％のＭｏを含む。Ｍｏの含有量の下限が０．１質量％であるので、Ｆｅ基地の固溶強化およびＭｏ炭化物の析出強化により高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の強度を向上させることができる。また、Ｍｏの含有量の上限が０．４質量％であるので、過剰な量のＭｏ炭化物の生成を抑制することにより、オーステナイト系耐熱鋳鋼が塑性変形した際の亀裂の発生を低減することができる。さらに、オーステナイト系耐熱鋳鋼を製造するための費用を低減することができる。
　（Ｎ：窒素）
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、０．１から０．３質量％のＮを含む。Ｎの含有量の下限が０．１質量％であるので、Ｆｅ基地の固溶強化およびＮｂ炭窒化物の析出強化により高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の強度を向上させることができる。また、Ｎの含有量の上限が０．３質量％であるので、オーステナイト系耐熱鋳鋼を鋳造する際にピンホールやブローホール等のガス欠陥の発生を低減することができる。
　（Ｔｉ：チタン）
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼は、０．００５から０．０３０質量％のＴｉを含む。Ｔｉの含有量の下限が０．００５質量％であるので、Ｆｅ基地中にＮｂおよびＣｒの共晶炭化物を網目状に連続的に分布させることができる。また、Ｔｉの含有量の上限が０．０３０質量％であるので、Ｆｅ基地中における炭化物同士のネットワークの分断を抑制することができる。このように、Ｔｉの含有量を０．００５から０．０３０質量％にすることにより、Ｆｅ基地中における炭化物同士のネットワークを強固にすることができる。したがって、高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の強度を向上させることができる。
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼において、Ｔｉの含有量の下限は、０．００６５質量％であることが好ましく、０．００８質量％であることがさらに好ましい。Ｆｅ基地中に網目状に分布するＮｂおよびＣｒの共晶炭化物の連続性を向上させることができる。さらに、Ｔｉの含有量の上限は、０．０２６質量％であることが好ましく、０．０２２質量％であることがさらに好ましく、０．０１８質量％であることがさらに好ましい。Ｆｅ基地中における炭化物同士のネットワークを確実に維持することができる。
　（Ｆｅ：鉄、不可避不純物）
　本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼における残部は、Ｆｅおよび不可避不純物である。残部に含まれるＦｅは、面心立方格子構造を有するγ鉄である。残部に含まれる不可避不純物としては、例えば、Ｐ（リン）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｏ（コバルト）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｎ（スズ）、Ｃａ（カルシウム）、Ｂ（ホウ素）、Ｐｂ（鉛）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ｔｅ（テルル）、Ｌａ（ランタン）、Ｂｉ（ビスマス）、およびＺｎ（亜鉛）等の元素が挙げられる。不可避不純物の含有量は、合計で１．０質量％以下であることが好ましく、合計で０．８質量％以下であることがさらに好ましく、合計で０．７質量％以下であることがさらに好ましい。
　このように、本実施形態によれば、Ｎｂの含有量の上限を１．００質量％にすることでＦｅ基地中に生成される炭化物量の減少を抑制するとともに、Ｔｉの含有量を０．００５から０．０３０質量％にすることでＦｅ基地中にＮｂおよびＣｒの共晶炭化物を網目状に連続的に分布させることができる。このため、Ｆｅ基地中における炭化物同士のネットワークを強固にすることができる。したがって、１０００℃付近の高温域におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の強度を向上させることができる。さらに、Ｎｂの含有量の上限を１．００質量％に抑えつつ、Ｔｉの添加量を微量（０．００５から０．０３０質量％）に抑えることができるため、高温域における強度を向上させたオーステナイト系耐熱鋳鋼を安価に提供することができる。
　したがって、本実施形態のオーステナイト系耐熱鋳鋼を材料として使用することにより、高温域における強度を向上させた様々なオーステナイト系耐熱鋳鋼品を製造することができる。典型的なオーステナイト系耐熱鋳鋼品は、１０００℃付近の排気ガスに曝される自動車の排気系部品である。排気系部品の一例は、エキゾーストマニホールド、タービンハウジング、およびウェイストゲートバルブ等である。
　（実施例）
　図１に、本実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼の実施例および比較例の組成を示す。実施例および比較例として、図１に示す元素の組成（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎ、およびＴｉ）を含むオーステナイト系耐熱鋳鋼を製造した。なお、実施例および比較例において、図１に示す元素以外の残部は、鉄および微量の不可避不純物である。
　図２に、実施例および比較例に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼についての引張試験の結果を示す。図２における試験温度（℃）、引張強さ（ＭＰａ）および０．２％耐力（ＭＰａ）は、オーステナイト系耐熱鋳鋼の試験片についてＪＩＳ　Ｚ　２２４１（金属材料引張試験方法）に従って測定された値である。
　（実施例１～９と比較例１との対比）
　図１に示すように、実施例１～９は、Ｔｉの含有量の下限が０．００５質量％である。一方、比較例１は、Ｔｉを含まないものである。図２に示すように、１０００℃の試験温度において、実施例１～９の引張強さは、比較例１の引張強さよりも大きい。また、１０００℃の試験温度において、実施例１～９の０．２％耐力は、比較例１の０．２％耐力よりも大きい。このように、Ｔｉの含有量の下限が０．００５質量％である場合には、１０００℃の試験温度におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の引張強さおよび０．２％耐力を向上させることができることを確認することができた。
　（実施例１～９と比較例２および３との対比）
　図１に示すように、実施例１～９は、Ｔｉの含有量の上限が０．０３０質量％である。一方、比較例１は、０．０３０質量％を超えるＴｉを含む。図２に示すように、１０００℃の試験温度において、実施例１～９の引張強さは、比較例２または比較例３の引張強さよりも大きい。また、１０００℃の試験温度において、実施例１～９の０．２％耐力は、比較例２または比較例３の０．２％耐力よりも大きい。このように、Ｔｉの含有量の上限が０．０３０質量％である場合には、１０００℃の試験温度におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の引張強さおよび０．２％耐力を向上させることができることを確認することができた。
　（実施例２～７と実施例１との対比）
　図１に示すように、実施例２～７は、Ｔｉの含有量の下限が０．００８質量％である。一方、実施例１は、Ｔｉの含有量が０．００８質量％未満である。図２に示すように、１０００℃の試験温度において、実施例２～７の引張強さは、実施例１の引張強さよりも大きい。また、１０００℃の試験温度において、実施例２～７の０．２％耐力は、実施例１の０．２％耐力よりも大きい。このように、Ｔｉの含有量の下限が０．００８質量％である場合には、１０００℃の試験温度におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の引張強さおよび０．２％耐力をさらに向上させることができることを確認することができた。
　（実施例２～７と実施例６および７との対比）
　図１に示すように、実施例２～７は、Ｔｉの含有量の上限が０．０１８質量％である。一方、実施例６および７は、Ｔｉの含有量が０．０１８質量％を超える。図２に示すように、１０００℃の試験温度において、実施例２～７の引張強さは、実施例６または実施例７の引張強さよりも大きい。また、１０００℃の試験温度において、実施例２～７の０．２％耐力は、実施例６または実施例７の０．２％耐力よりも大きい。このように、Ｔｉの含有量の上限が０．０１８質量％である場合には、１０００℃の試験温度におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の引張強さおよび０．２％耐力をさらに向上させることができることを確認することができた。
　（オーステナイト系耐熱鋳鋼の組織についての観察）
　図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、および図３Ｄに、オーステナイト系耐熱鋳鋼の試験片の組織についての観察結果を示す。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、および図３Ｄは、それぞれ、比較例１、実施例２、実施例７、および比較例３に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼のミクロ組織について、走査型電子顕微鏡により観察された結果を示す図である。
　比較例１は、Ｔｉを含まないものである（図１参照）。このため、図３Ａに示すように、比較例１においては、Ｆｅ基地中に生成する炭窒化物が分断され、非連続的に分布している。この結果、図２に示すように、比較例１においては、１０００℃の試験温度におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の引張強さおよび０．２％耐力を向上させることが困難となっている。
　実施例２は、Ｔｉの含有量が０．００８質量％であり、実施例７は、Ｔｉの含有量が０．０１８質量％である（図１参照）。このため、図３Ｂおよび図３Ｃに示すように、実施例２および実施例７においては、Ｆｅ基地中に生成する炭窒化物が網目状に連続的に分布している。この結果、図２に示すように、実施例２および実施例７においては、１０００℃の試験温度におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の引張強さおよび０．２％耐力を向上させることができている。
　比較例３は、Ｔｉの含有量が０．１３０質量％である（図１参照）。このため、図３Ｄに示すように、Ｆｅ基地中に生成する炭窒化物の連続性が失われ、非連続的に分布している。この結果、図２に示すように、比較例３においては、１０００℃の試験温度におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の引張強さおよび０．２％耐力を向上させることが困難となっている。
　（オーステナイト系耐熱鋳鋼の組織についての分析）
　図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、および図４Ｄに、オーステナイト系耐熱鋳鋼の試験片の組織についての分析結果を示す。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、および図４Ｄは、それぞれ、比較例１、実施例２、実施例７、および比較例３に係るオーステナイト系耐熱鋳鋼のＦｅ基地中におけるＮｂ炭化物１０およびＣｒ炭化物２０の分布状態について、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）により分析された結果を示す図である。
　比較例１は、Ｔｉを含まないものである（図１参照）。このため、図４Ａに示すように、比較例１においては、Ｆｅ基地中に生成するＮｂ炭化物１０とＣｒ炭化物２０とが分離して分布している。このため、炭化物同士のネットワークを形成することが困難となっている。
　実施例２は、Ｔｉの含有量が０．００８質量％であり、実施例７は、Ｔｉの含有量が０．０１８質量％である（図１参照）。このため、図４Ｂおよび図４Ｃに示すように、実施例２および実施例７においては、Ｆｅ基地中に生成するＮｂ炭化物１０とＣｒ炭化物２０とが、オーステナイト相の結晶粒界に沿って共存するように共晶炭化物として析出している。このため、ＮｂおよびＣｒの共晶炭化物が網目状に連続的に分布することで、炭化物同士の強固なネットワークを形成することができている。
　比較例３は、Ｔｉの含有量が０．１３０質量％である（図１参照）。このため、図４Ｄに示すように、ＮｂおよびＣｒの共晶炭化物の連続性が失われ、非連続的に分布している。このため、炭化物同士のネットワークが分断されてしまっている。
　このように、オーステナイト系耐熱鋳鋼の試験片の組織について分析した結果、Ｔｉの含有量を０．００５から０．０３０質量％にすることでＦｅ基地中にＮｂおよびＣｒの共晶炭化物を網目状に連続的に分布させ、Ｆｅ基地中における炭化物同士のネットワークを強固にすることができることを確認することができた。この結果、図２に示すように、実施例１～実施例９においては、１０００℃の試験温度におけるオーステナイト系耐熱鋳鋼の引張強さおよび０．２％耐力を向上させることができている。
　１０　Ｎｂ炭化物
　２０　Ｃｒ炭化物

Claims (3)

  1. 　０．３から０．７質量％のＣ、１．２から１．８質量％のＳｉ、０．６から１．４質量％のＭｎ、０．０５から０．２５質量％のＳ、１８．０から２７．０質量％のＣｒ、１３．０から２３．０質量％のＮｉ、０．７０から１．００質量％のＮｂ、２．０から４．０質量％のＷ、０．１から０．４質量％のＭｏ、０．１から０．３質量％のＮ、０．００５から０．０３０質量％のＴｉ、および、Ｆｅおよび不可避不純物である残部からなる、オーステナイト系耐熱鋳鋼。
  2. 　Ｔｉの含有量は、０．００８から０．０１８質量％である、請求項１に記載のオーステナイト系耐熱鋳鋼。
  3. 　請求項１または２に記載のオーステナイト系耐熱鋳鋼で作られた排気系部品。
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