エキゾーストマニホールド材質の特徴と要求事項

初期の自動車エンジンは単位重量あたりの出力が低く、燃料の燃焼効率も高くなく、排気ガス温度も500度を超えることはありませんでした。自動車のエンジン効率の向上に伴い、排気温度は600～650度まで上昇しています。近年、先進国では自動車の排出ガス基準が継続的に改善されています。触媒技術とウォームターボチャージャ技術の適用により、エキゾーストマニホールドの動作温度は 750 度以上に大幅に上昇しました。エンジン性能のさらなる向上に伴い、エキゾーストマニホールドの作動温度はさらに上昇していきます。同時に、エンジン技術の進歩に伴い、エキゾーストマニホールドの構造も複雑化しています。また、エキゾーストマニホールドの材質は、周期的に温度が変化する状態で使用されるため、高温性能だけでなく、鋳造性能も要求されます。したがって、エキゾーストマニホールドの材質には次のような特性が必要となります。
良好な高温酸化耐性
エキゾーストマニホールドは、高温の周期的交互条件下で長時間動作します。高温における材料の耐酸化​​性は、エキゾーストマニホールドの耐用年数に直接影響します。通常の鋳鉄では明らかに要件を満たすことができず、材料の高温酸化耐性を向上させるために合金元素を材料に添加する必要があります。
安定した微細構造
室温から使用温度までの範囲では、材料は相変化を受けないか、または相変化を可能な限り最小限に抑える必要があります。相変化により体積変化、内部応力、変形が生じ、製品の性能や寿命に影響を与えるためです。したがって、マトリックス材料は安定したフェライトまたはオーステナイト組織であることが好ましい。高温条件下で使用される鋳鉄部品の損傷形態は、主に高温条件下での腐食です。構造内の構成相（グラファイトカーボンなど）が酸化された後、酸化物の体積は元の体積よりも大きくなり、鋳造品の不可逆的な膨張を引き起こします。
鱗片状、虫状、球状の 3 つの黒鉛の形状と比較して、球状黒鉛は鋳鉄にとって最高の高温耐性を備えています。その理由は、鋳鉄の凝固過程において、先行相として片状黒鉛が成長するためです。共晶凝固の終了時に、各共晶グループの黒鉛は連続した分岐した三次元形状を形成します。高温で酸素が金属に侵入すると、グラファイトが酸化されて微細なチャネルが形成され、酸化プロセスが促進されます。球状黒鉛が核生成すると、ある程度の大きさまで成長し、母材に囲まれます。それは孤立した球体として存在します。グラファイト球が酸化された後はチャネルが形成されないため、さらなる酸化は弱められます。したがって、ダクタイル鋳鉄の高温酸化耐性は他の黒鉛よりも優れており、酸化穴が他の黒鉛よりも鋳鉄の高温強度に与える影響は小さくなります。バーミキュラ グラファイトはその中間です。
熱膨張係数が小さい
熱膨張係数が小さいと、エキゾーストマニホールドの熱応力や熱変形が軽減され、製品の性能や寿命の向上につながります。
優れた高温強度
高温で使用する場合、製品に必要な強度要件を満たさなければなりません。
優れたプロセスパフォーマンスと低コスト
耐熱・耐高温の金属材料には多くの種類がありますが、エキゾーストマニホールドの形状は複雑であるため、エキゾーストマニホールドを製造する材料には加工性が良く、量産ニーズに見合ったコストが求められます。自動車業界で。