切削性优异的铁素体系耐热铸钢和由其构成的排气系统部件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及适合汽车用汽油发动机和柴油发动机的排气系统部件等的耐热铸钢， 特别是涉及切削性优异的铁素体系耐热铸钢，和由其构成的排气系统部件。
【背景技术】
[0002] 近年来，呼吁全球规模下的环境负荷减小和环境保护，对于汽车，强烈要求用于削 减大气污染物质的排放量的排气净化，和用于抑制作为全球变暖的原因之一的CO 2的排放 量的油耗性能的提高（低油耗化）。用于汽车的排气净化和燃油效率改善的对策，采用了车 体的轻量化和减小空气阻力、发动机的高性能化和低油耗化、从发动机向驱动系统的动力 传输的效率化、排气的净化等各种各样的技术。
[0003] 其中，作为发动机的高性能化和低油耗化的技术，可列举燃料的直喷化、燃料喷射 的高压化、压缩比的增大、涡轮增压器（增压器）的采用带来的发动机废气量的减少，发动 机的小型轻量化（缩小化）等，不限于高级车，也能够导入大众车。其结果是，有使燃料在 更高温高压下燃烧的倾向，随之而来的是，从发动机向排气系统部件排出的排气的温度也 处于上升倾向。例如，在大众车中，排气温度也上升至接近l〇〇〇°C，排气系统部件的表面温 度也达到900°C。曝露在如此高温的排气中的排气系统部件，比以往更加要求耐氧化性、高 温强度、耐热变形性、耐热龟裂性等的耐热特性的提高。
[0004] 一直以来，用于汽车的汽油发动机和柴油发动机的排气歧管、涡轮机壳体等复杂 形状的排气系统部件，由形状自由度高的铸件制造，而且，因为使用条件高温且严酷，所以 使用高Si球状石墨铸铁、耐蚀高镍铸铁（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。
[0005] 铁素体系的高Si球状石墨铸铁直到800°C附近都显示出比较良好的耐热特性，但 超过这一温度时耐久性差。大量含有Ni、Cr、Co等的稀有金属（rare metal)的耐蚀高镍铸 铁等的耐热铸铁、奥氏体系耐热铸钢使800°C以上的耐氧化性和耐热龟裂性同时满足。但 是，耐蚀高镍铸铁因为Ni含量多，所以不仅高价，而且因为是奥氏体系基体组织，所以线膨 胀率大，并且微观组织中存在成为破坏的起点的石墨，因此耐热龟裂性差。另外奥氏体系耐 热铸钢，虽然没有作为破坏的起点的石墨，但线膨胀率大，因此在900°C附近的耐热龟裂性 不充分。而且，因为大量含有稀有金属所以高价，容易受到世界经济形势的影响，原料的稳 定供给令人担忧。
[0006] 对于排气系统部件用耐热铸钢而言，不仅从经济性和原料的稳定供给的观点，而 且从资源的有效利用的观点出发，期望极力抑制稀有金属的含量而确保需要的耐热特性。 由此，能够以廉价取得高性能的排气系统部件，能够将低油耗化的技术也应用于廉价的大 众车，能够对〇) 2气体的排放量的削减有所贡献。为了极力抑制稀有金属的含量，使合金的 基体组织成为铁素体，比使之成为奥氏体有利。而且，铁素体系耐热铸钢比奥氏体系耐热铸 钢的线膨胀率小，因此，伴随着发动机的起动和行进而发生的热应力小，耐热龟裂性优异。
[0007] 另外，排气系统部件在铸造后对于与发动机和周边部件的装配面、装配孔等连接 部位、要求高尺寸精度的部位等实施切削等机械加工，之后再组装到汽车上，因此需要具有 高切削性。可是，用于排气系统部件的耐热铸钢一般是切削性差的难削材料，特别是铁素体 系耐热铸钢大量含有Cr而具有高强度，所以切削性差。因此，在切削由铁素体系耐热铸钢 构成的排气系统部件时，需要具有高硬度和强度的比较昂贵的切削工具，由于工具寿命也 短，因此工具更换的频率，加工成本上升，此外，不得不以低速进行切削，切削需要长时间， 因此加工效率低。像这样由铁素体系耐热铸钢构成的排气系统部件的机械加工中，存在生 产率和经济性低这样的问题点。
[0008] 为了改善铸造性，日本特开平7-197209号提出一种铸造性优异的铁素体系耐热 铸钢，其具有如下组成：以重量比率计，含有C :0. 15~I. 20%、C-Nb/8 :0. 05~0. 45%、Si : 2% 以下、Mn :2% 以下、Cr :16. 0 ~25. 0%、W 和 / 或Mo :L 0 ~5. 0%、Nb :0· 40 ~6. 0%、 Ni :0. 1~2.0%和N :0.01~0. 15%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，除了通常的α相 (α铁素体相）以外，还具有从Υ相（奥氏体相）相变成α +碳化物的相（以下称为"α ' 相"），α '相的面积率[α'/(α+α'）]为20~70%。因为该铁素体系耐热铸钢含有NbC 的形成所需要的量以上的C(奥氏体化元素），所以利用在基体组织中固溶的C，在凝固时生 成Y相，在冷却过程中Y相相变为α '相，因此延展性和耐氧化性提高。因此，该铁素体 系耐热铸钢适合于在900°C以上使用的排气系统部件。
[0009] 但是，铸态下从Y相向α '相的相变无法充分进行，从Y相相变为马氏体相。因 为马氏体相为高硬度，所以使常温下的韧性和切削性显著劣化。为了确保充分的韧性和切 削性，需要通过升温使马氏体相消失并使α'相析出的热处理。但是，热处理一般使制造成 本上升，因此会损害稀有金属的含量少的这种铁素体系耐热铸钢在经济上的有利之处。
[0010] 为了改善切削性，WO 2012/043860提出了一种具有优异的熔液流动性、耐气体缺 陷性、韧性和切削性的铁素体系耐热铸钢，其具有如下组成：以重量比率计，含有C :0. 32~ 0· 45%、Si :0· 85% 以下、Mn :0· 15 ~2%、Ni :1· 5% 以下、Cr :16 ~23%、Nb :3· 2 ~4. 5%、 Nb/C :9 ~11. 5、N :0· 15% 以下、S : (Nb/20-0. 1)~0· 2%、W 和 / 或 Mo :合计 3. 2% 以下，余 量由Fe和不可避免的杂质构成，并具有δ铁素体和Nb碳化物（NbC)的共晶（δ+NbC)相 的面积率为60~80%，锰铬硫化物（MnCr)S的面积率为0. 2~1. 2%的组织。
[0011] WO 2012/043860的铁素体系耐热铸钢通过增加 C和Nb的含量，并且使两者的 含量的平衡最佳化，凝固开始温度降低，熔液流动性得到改善，并且由于初晶S相和共晶 (δ+NbC)相的晶粒的微细化，韧性大幅提高。此外通过含有适量的S，锰铬硫化物（MnCr) S结晶析出，凝固结束温度降低，并且凝固温度范围扩大，耐气体缺陷性改善。但是，WO 2012/043860的铁素体系耐热铸钢因为是专门以改善熔液流动性、耐气体缺陷性和韧性为 目标，所以从改善切削性这一观点出发的研究并不充分。即，WO 2012/043860提出，通过限 制在相变为马氏体的Y相的结晶析出、碳化物的析出量的增加、和向基体组织的固溶量的 增加等作用下使切削性劣化的合金元素的含量，从而抑制切削性的降低，但并没有公开积 极地改善切削性的手段的内容。
[0012] 如上述，日本特开平7-197209号和WO 2012/043860的铁素体系耐热铸钢存在改 善切削性的余地，可期待具有更高切削性的铁素体系耐热铸钢。
【发明内容】
[0013] 发明所要解决的课题
[0014] 因此本发明的目的在于，提供一种既可确保在900°C附近的优异的耐热特性，又具 有优异的切削性的铁素体系耐热铸钢，和由该铁素体系耐热铸钢构成的排气系统部件。
[0015] 用于解决课题的手段
[0016] 鉴于上述目的而潜心研究的结果，本发明人们发现，若在日本特开平7-197209号 和TO 2012/043860的铁素体系耐热铸钢中添加规定量的Al和S，并且将C、Mn、Ni、Cr、Nb 和N的含量限定在适当范围，则能够一边确保900°C附近的优异的耐热特性，一边改善切削 性，从而想到本发明。
[0017] 即，切削性优异的本发明的铁素体系耐热铸钢的特征在于，以质量基准计，含有
[0018] C :0· 32 ~0· 48%、
[0019] Si :0.85% 以下、
[0020] Mn :0.1 ~2%、
[0021] Ni :1.5% 以下、
[0022] Cr: 16 ~23%、
[0023] Nb:3.2 ~5%、
[0024] Nb/C:9~11.5、
[0025] N :0.15% 以下、
[0026] S :0.05 ~0.2%和
[0027] Al :0· 01 ~0· 08%，
[0028] 余量由Fe和不可避免的杂质构成。
[0029] 本发明的铁素体系耐热铸钢，也可以还含有W和/或Mo合计为0.8~3. 2质量％。
[0030] 本发明的铁素体系耐热铸钢，还优选Nb和Al满足下式（1):
[0031] 0· 35 彡 0· INb+Al 彡 0· 53…（1)
[0032] (其中，元素符号表示各元素的含量（质量％)。）。
[0033] 本发明的铁素体系耐热铸钢的组织，优选视野面积每14000 μ m2含有20个以上的 硫化物粒子。
[0034] 本发明的排气系统部件的特征在于，由上述铁素体系耐热铸钢构成。作为这样的 排气系统部件的优选例，可列举排气歧管、涡轮机壳体、涡轮机壳体一体化排气歧管、催化 剂室、催化剂室一体化排气歧管和排气口。
[0035] 发明效果
[0036] 本发明的铁素体系耐热铸钢既可确保900°C附近的优异的耐热特性，又具有良好 的切削性，所以不仅能够使切削工具在使用时保持长寿命，而且还能够提高切削速度，能够 提高切削加工的生产率和经济性。此外，因此抑制稀有金属的含量，所以不仅抑制了原料成 本，而且对于资源的有效利用、稳定供给也有帮助。此外