[发明专利]热疲劳特性优异的奥氏体系耐热铸钢和包含其的排气系统部件

说明书

一种热疲劳特性优异的奥氏体系耐热铸钢，其以质量基准计含有C：0.3～0.6％、Si：0.5～3％、Mn：0.5～2％、Cr：15～30％、Ni：6～30％、Nb：0.6～5％、N：0.01～0.5％、S：0.01～0.5％，C/N为4～7，余量由Fe和不可避免的杂质构成，且由式(1)：A＝8.5C‑Nb+0.05Cr+0.65Ni‑5和式(2)：B＝7.8Nb表示的Cr碳化物生成指数A与Nb碳化物生成指数B的比率A/B为0.6～1.7。

技术领域

本发明涉及汽车用的排气系统部件，特别涉及适合涡轮外壳等的热疲劳特性优异的奥氏体系耐热铸钢、和包含其的排气系统部件。

背景技术

近年来，呼吁地球规模的环境负荷的降低和环保，对于汽车，强烈要求用于削减大气污染物质的排出量的废气净化、和用于抑制作为全球变暖的原因之一的CO₂的排出量的燃料效率提高(低燃料消耗化)。因此，开发了发动机自身的高性能化和低燃料消耗化、废气的净化、车辆的轻量化、车体的空气阻力的降低、从发动机向驱动系的损失少的高效动力传递等的各种技术，已经实用化。

作为用于实现发动机自身的高性能化和低燃料消耗化的技术，可以举出燃料的直喷化、燃料喷射的高压化、压缩比的增大、涡轮增压器(增压机)的采用导致的排气量的削减、发动机的小型轻量化(down sizing)等，不仅在高级车中而且在大众用车中也已经导入。其结果是，有在更高温高压下使燃料燃烧的倾向，随之从发动机的燃烧室向排气系统部件排出的废气的温度也有上升的倾向。例如，对于大众用车而言废气温度也是与高级运动型汽车同等水平的1000℃以上，排气系统部件的表面温度有时也超过900℃。像这样暴露于高温的氧化性气体的排气系统部件在比以往更严苛的氧化环境下受到发动机的运转和停止导致的加热/冷却的反复热循环，因此比以往更加要求耐热性、耐久性的提高。

以往，对于用于汽车的涡轮外壳、排气歧管等排气系统部件而言，由于形状复杂而由形状自由度高的铸物制造，且由于使用条件为高温且恶劣，而使用高Si球状石墨铸铁、耐蚀高镍(Ni-resist)铸铁(Ni-Cr系奥氏体铸铁)等耐热铸铁、铁素体系耐热铸钢、奥氏体系耐热铸钢等。特别是在排气系统部件的表面温度为900℃以上的情况下，作为排气系统部件的材料，使用铁素体系耐热铸钢或奥氏体系耐热铸钢。

但是，铁素体系耐热铸钢存在通常900℃以上时的高温强度差的问题，因此难以在超过950℃的温度区域采用。作为比铁素体系耐热铸钢更耐高温的材料，有奥氏体系耐热铸钢。例如，WO 2005/103314提出了一种高Cr高Ni奥氏体系耐热铸钢，其以重量基准计含有C：0.2～1.0％、Si：3％以下、Mn：2％以下、Cr：15～30％、Ni：6～30％、W和/或Mo：0.5～6％(以W+2Mo计)、Nb：0.5～5％、Al：0.23％以下、N：0.01～0.5％、S：0.5％以下、和O：0.07％以下，余量实质上由Fe和不可避免的杂质构成。该奥氏体系耐热铸钢具有高的高温屈服强度、耐氧化性和室温伸长率，特别是暴露于高达1000℃以上的高温的废气时的热疲劳特性优异，因而适合汽车用发动机的排气系统部件等。

可是，对于排气系统部件，除了要求应对由发动机排出的气体导致的温度上升、氧化，还要求应对恶劣的使用条件。例如，在废气净化处理(通过废气净化装置中内置的催化剂、过滤器来除去废气中的有害物质等的处理)中，需要在发动机启动时使催化剂在早期升温而活性化，或将废气均等地供给到催化剂、过滤器整体，使净化性能提高。为了催化剂的早期活性化，必须减少通过排气系统部件的废气的温度降低，即尽量不夺取废气的热。因此，为了减小排气通路的热质量(热容量)，对于排气系统部件要求薄壁化。但是，排气系统部件越薄壁化，废气导致的温度上升越大。

近年的涡轮增压器的采用导致的排气量削减、发动机的小型轻量化的趋势使排气系统部件的使用环境更加恶劣。即，伴随发动机的小型化，排气系统部件也小型化。在上述的用于废气净化处理的排气系统部件的薄壁化的基础上，通过排气系统部件的小型化，部件整体的热质量变小，因此排气系统部件的温度上升变大。