CN107406928A

CN107406928A - 高刚性球墨铸铁

Info

Publication number: CN107406928A
Application number: CN201580078299.5A
Authority: CN
Inventors: 飞田知行; 神林忠昭
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-11-28
Also published as: WO2016157574A1; JP5952455B1; US10745784B2; US20180112294A1; JP2016188410A

Abstract

本发明提供一种通过提高杨氏模量而刚性高，且强度和韧性优异的球墨铸铁。一种高刚性球墨铸铁，其以质量％计含有C：高于3.0％并低于3.6％、Si：1.5～3.0％、Mn：1.0％以下、Cu：1.0％以下、P：低于0.03％、Mg：0.02～0.07％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，由C和Si的含量以式(1)：CE＝C％+Si％/3计算出的碳当量(CE值)为CE：3.6～4.2％，杨氏模量为170GPa以上，抗拉强度为550MPa以上，冲击值为12J/cm²以上。

Description

高刚性球墨铸铁

技术领域

本发明涉及球墨铸铁，涉及例如作为车辆用零件，特别适合应用于转向节、悬架臂、制动钳等的底盘零件；曲轴、凸轮轴、活塞环等的发动机零件的高刚性球墨铸铁。

背景技术

为了实现燃油效率的提高和响应环境，车辆用零件的轻量化要求高涨，对于这些零件所用的材料要求高刚性化。车辆用零件中使用各种材料，铸铁由于成本低，形状自由度优异，特别是球墨铸铁比片状石墨铸铁具有更高的强度，所以多被用于车辆用零件。但是，一般用于车辆用零件的共晶组成的球墨铸铁，杨氏模量为165GPa左右，即使进行高强度化，杨氏模量也没有变化，因此若为了轻量化而减少零件的壁厚，则无法保证刚性，振动特性和噪声特性降低。因此，在要求有高刚性的车辆用零件中，使用的是杨氏模量比铸铁高的铸钢。但是，铸钢比铸铁的浇注温度高，溶液流动性也不良，因此难以适用于复杂形状和薄壁的制品。另外，铸钢比铸铁更容易发生缩孔，为了防止缩孔而需要在铸造方案中设置大的冒口，制造成本变高。因此，为了实现车辆用零件的轻量化，要求球墨铸铁的高刚性化。

为了使球墨铸铁高刚性化，需要提高杨氏模量，但杨氏模量受金属组织中的石墨的形状和结晶量影响，石墨的形状为球状，结晶量越少，杨氏模量越高。另外，在球墨铸铁中，如果球化充分进行，则对杨氏模量施加影响的主因是石墨结晶量，因此可进行的是，使对于石墨结晶量造成影响的熔液成分中的C含量、Si含量和碳当量(CE值)降低，从而抑制石墨结晶量，提高杨氏模量而使之高刚性化。

作为这样的技术，提出了制成以质量％计C：1.5～3.0％、Si：1.0～5.5％的亚共晶球墨铸铁，通过减少碳含量，从而提高杨氏模量而实现高刚性化的技术(专利文献1)。

另外，本申请人开发了一种通过规定C的含量和CE值的范围，以减少石墨链条组织，从而杨氏模量达到170GPa以上的高刚性球墨铸铁(专利文献2)。

另一方面，作为现有的球墨铸铁，如上述，多用杨氏模量为165GPa左右，抗拉强度为450MPa以上的FCD450(依据JIS G 5502)。因此，提出了使用强度比FCD450高的FCD500和FCD600(依据JIS G 5502)等的球墨铸铁，以实现零件的轻量化的技术(专利文献3)。

此外，关于球墨铸铁的C、Si、Mn、P对韧性的影响提出报告(非专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001-3134号公报

专利文献2：日本特开2013-173969号公报

专利文献3：日本特开2002-194479号公报

非专利文献

非专利文献1：西山等，“关于球墨铸铁的冲击值等”，日立评论金属特集号第2集，增刊第16号，1956年10月发行，P.85-95

发明要解决的课题

可是，如上述，在只达成球墨铸铁的高强度化，仍无法保证刚性的部分，即使是强度富余，也不能使壁厚减少。因此，为了进行车辆用零件的轻量化，需要使刚性和强度一起提高，但为了使刚性和强度提高而使球墨铸铁的各种组成等最佳化时，若P达到0.03％以上，则判明冲击值大幅降低。特别是在Mn、Cu的添加量少的区域，含有P导致的脆化的影响有变大的倾向。

发明内容

本发明正是解决上述问题的，其目的在于，提供一种提高杨氏模量，实现球墨铸铁的高刚性化，且强度和韧性优异的高刚性球墨铸铁。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明人等进行了潜心研究，其结果发现，通过使碳当量(CE值)降低而提高杨氏模量，能够实现球墨铸铁的高刚性化，并且通过使P低于0.03％，能够提高强度和韧性。还有，若进一步控制Mn和Cu的合计含量，则能够得到更优异的特性。

即，本发明的高刚性球墨铸铁，以质量％计含有C：高于3.0％并低于3.6％、Si：1.5～3.0％、Mn：1.0％以下、Cu：1.0％以下、P：低于0.03％、Mg：0.02～0.07％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，由C和Si的含量以式(1)：CE＝C(％)+Si(％)/3计算的碳当量(CE值)为CE：3.6～4.3％，且杨氏模量为170GPa以上，抗拉强度为550MPa以上，冲击值为12J/cm²以上。

如此，通过规定C的含量和CE值的范围，则杨氏模量达到170GPa以上，通过使P低于0.03％，能够得到强度和韧性提高了的高刚性球墨铸铁。

优选以质量％计，Mn和Cu的含量的合计为0.45～0.70％。

优选以质量％计，P的含量、与Mn和Cu的含量的合计之比(P/(Mn+Cu))为0.050以下。

发明效果

根据本发明，通过提高杨氏模量，能够得到刚性高、且强度和韧性优异的球墨铸铁。

附图说明

图1是表示用于制成实施例的空腔形状的冷芯盒(Betaset)铸模的顶视图。

图2是表示实施例和比较例的抗拉强度与冲击值的关系的图。

具体实施方式

以下，对于本发明的实施方式进行说明。还有，在本发明中所谓％，除非特别指出，否则均表示质量％。

本发明的实施方式的高刚性球墨铸铁，以质量％计含有C：高于3.0％并低于3.6％、Si：1.5～3.0％、Mn：1.0％以下、Cu：1.0％以下、P：低于0.03％、Mg：0.02～0.07％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，由C和Si的含量以式(1)：CE＝C(％)+Si(％)/3计算的碳当量(CE值)为CE：3.6～4.3％，并且杨氏模量为170GPa以上，抗拉强度为550MPa以上，冲击值为12J/cm²以上。

<组成>

C(碳)是构成石墨组织的元素，为了实现球墨铸铁的高刚性化，提高杨氏模量，需要使C含量由共晶组成中降低而抑制石墨的结晶量。但是，若C含量低于2.0％，则凝固开始温度变高，石墨的结晶也困难，因此铸造性劣化，例如在复杂的形状和薄壁形状的零件中发生溶液流动性不良，厚壁的制品中容易发生缩孔。另一方面，若C含量达到3.6％以上，则石墨的结晶量变多，杨氏模量变小。此外，在C含量为2.7％以上且3.0％以下的范围时，石墨链条组织显著增加。因此，C含量为2.0％以上且低于2.7％，或高于3.0％且低于3.6％的范围。可是，C含量在2.0％以上且低于2.7％时，即使将作为珠光体组织的稳定化元素的Mn和Cu的含量抑制得很低，基体组织的珠光体率仍高，机械特性的强度过多地上升，得不到希望的冲击值。因此，使C含量为高于3.0％且低于3.6％。

Si是促进石墨结晶的元素。若Si含量低于1.5％，则石墨难以结晶，游离渗碳体(白口层：chill)发生，使加工性显著降低。另一方面，若Si含量高于3.0％，则铁素体脆化，机械特性的冲击值降低。因此，使Si含量为1.5％～3.0％。

Mn是珠光体组织的稳定化元素，若Mn含量高，则基体组织的珠光体率变高，抗拉强度上升。其效果是若含量高于1.0％则饱和，因此使Mn含量为1.0％以下。

Cu是珠光体组织的稳定化元素，若Cu含量高，则基体组织的珠光体率变高，抗拉强度上升。其效果是若含量高于1.0％则饱和，因此使Cu含量为1.0％以下。

Mg是影响石墨球化的元素，Mg含量为判断石墨球化的指标。若Mg的含量低于0.02％，则石墨球状化率降低，杨氏模量也变低。另一方面，若Mg的含量高于0.07％，则缩孔和白口层容易发生。因此，使Mg含量为0.02～0.07％。

P是作为杂质元素混入的元素，若P含量高，则球墨铸铁的延展性(韧性)降低。在通常的球墨铸铁中，如果为P：0.05％以下，则认为冲击值的降低饱和，但上述的组成的高刚性球墨铸铁的情况判明，若达到P：0.03％以上，则冲击值大幅降低。这被认为是由于，若使P含有0.03％以上，则使基体组织整体脆化。特别是在Mn、Cu的添加量少的区域含有P造成的脆化的影响有变大的倾向。

因此，使P含量低于0.03％。P含量的下限没有限定，但在制造成本上，例如可以为0.010％。

若将Mn和Cu的含量的合计控制在0.45～0.70％，则强度和冲击值一起提高，因此优选。这被认为是由于，通过使球墨铸铁中一定量含有Mn和Cu，会使基体组织的珠光体增加而使强度提高。

Mn和Cu的合计含量低于0.45％时，存在强度无法充分提高的情况。

若Mn和Cu的合计含量高于0.70％，则强度提高，但延伸率和冲击值降低，得不到希望的机械性质。

更优选含有Mn和Cu合计量为0.50～0.65％。

若P的含量、与Mn和Cu的含量的合计之比(P/(Mn+Cu))为0.050以下，则能够使强度与冲击值保持平衡地提高，因此优选。这被认为是由于，通过使比(P/(Mn+Cu))为0.050以下，会保持平衡地实现基体组织的珠光体化、和防止组织整体的脆化。

在此，Mn和Cu的合计含量低于0.45％时，P的含有比例相对变多而上述比高于0.050，强度降低。另一方面，Mn和Cu的合计含量为0.70％以上时，上述比高于0.050表示P的含有比例也变多，强度变高，但相应程度的韧性降低。

本发明的高刚性球墨铸铁为亚共晶组成，因此与共晶组成的球墨铸铁相比，容易发生白口层。因此，为了抑制白口层的发生，优选在铸造时添加硅铁等的孕育剂。孕育方法可以根据制品形状和制品壁厚等选择浇包孕育、随流孕育和型内孕育。孕育剂一般可以使用市场销售的含Si的硅铁孕育剂。作为上述孕育剂，也可以使用对于白口层的抑制、球状石墨的微细化有效的含有Bi、Ba、Ca、RE(稀土)等的孕育剂。

另外，若在本发明的高刚性球墨铸铁中添加孕育剂，则在铸造后即使不实施热处理，也不会发生白口层，能够得到充分的机械特性。因此，与铸造后需要热处理的共晶组成的球墨铸铁比较，能够提高生产率和降低制造成本。

<CE值>

如上述，若使C含量和CE值与共晶组成相比降低，则凝固时初晶成为奥氏体，该初晶奥氏体随着C含量和CE值的降低而增加。因此，之后结晶的石墨链条组织也随着C含量和CE值降低而大范围产生。而后，若石墨链条组织超过一定的比例，则成为拉伸断裂的起点，在达到材料本来的抗拉强度之前发生断裂，抗拉强度和延伸率显著降低，并且得不到稳定的材料特性。

具体来说，若使CE值从共晶组成(约4.3％)降低，则在CE：高于3.2％且低于3.8％时，石墨链条组织在拉伸试验片的断裂面被确认到。

若石墨链条组织的面积率高于50％，则在达到材料本来的抗拉强度和延伸率之前，以石墨链条组织为起点的断裂发生，抗拉强度和延伸率显著降低。

因此，为了使石墨链条组织的面积率为50％以下，消除其对抗拉强度和延伸率的影响，使CE值的范围为3.6～4.3％。若CE值的上限为4.2％，则成为亚共晶组成而优选。

如以上，通过规定C的含量和CE值的范围，能够得到杨氏模量为170GPa以上的高刚性球墨铸铁。由于杨氏模量越高，越容易进行轻量化，所以更优选杨氏模量为175GPa以上。

另外，优选在石墨链条组织不出现的范围，即CE：3.8～4.2％的范围进行铸造。特别是在CE：3.8～4.2％的范围，通过使比(P/(Mn+Cu))为0.050以下，则杨氏模量为170GPa以上，抗拉强度为550MPa以上，冲击值提高到12J/cm²以上，因此优选。

还有，本发明如上述，强度与韧性的平衡优异，高刚性且具有稳定的机械性质，因此适于车辆用零件的轻量化。因此，例如在转向节、悬架臂、制动钳等的底盘零件；曲轴、凸轮轴、活塞环等的发动机零件等之中，能够优选使用本发明。特别是在这些车辆用零件之中，若适用于要求高轻量化的转向节和悬架臂，则与应用仅仅提高了强度的材料的情况相比，能够使强度和刚性二者提高，因此能够使零件进一步轻量化。

【实施例1】

使用高频电炉，熔炼Fe-Si-Mg系熔液，再添加球状化剂(Fe-45％Si-5％Mg)以重量％计1.0％左右而实施球化处理，接着以重量％计0.2％左右添加硅铁孕育剂(Fe一75％Si)作为孕育剂，成为表1所示的组成。

将该熔液浇注到图1所示的空腔形状的冷芯盒铸模10，铸模内冷却至常温后，由铸模内取出铸件。浇注温度为1400℃。冷芯盒铸模10的空腔形状设为如下形状，即，设定车辆用零件的转向节的壁厚，设有多条断面的直径为25mm左右的圆棒3。还有，图1的符号1表示直浇口，符号2表示冒口。

对于所得到的铸件，进行以下的评价。

抗拉强度和断裂延伸：切断铸件的圆棒3，通过旋床加工制作依据JIS Z 2241的拉伸试验片，使用Amsler万能试验机，依据JIS Z 2241进行拉伸试验，测量抗拉强度和断裂延伸。

杨氏模量：从铸件的圆棒3切下一边10mm的立方体，以阿基米德法测量密度后，以超声波脉冲法测量纵波声速和横波声速，由这些值计算杨氏模量。超声波脉冲法的测量装置使用菱电湘南电子公司制的“数字式超声波探伤仪UI-25”(制品名)，作为振子使用荣进化学公司制的纵波和横波用振子。

冲击值：切断铸件的圆棒3，通过旋床加工制作依据JIS Z 2242的带U型切口的冲击试验片，在常温下使用摆锤冲击试验机(50J)，进行依据JIS Z 2242的冲击试验，测量冲击值。

得到的结果显示在表1中。

【表1】

由表1可知，使P的含量低于0.03％，含有Mn和Cu合计0.45～0.70％，并且P的含量、与Mn和Cu的合计量之比(P/(Mn+Cu))满足0.050以下的各实施例的情况下，杨氏模量为170GPa以上，抗拉强度为550MPa以上，冲击值提高到12J/cm²以上。

另一方面，P的含量高于0.03％的比较例1、2的情况是，抗拉强度降低至低于550MPa。这被认为是由于，比较例1、2的情况下，Mn和Cu的合计含量变得低于0.45％，有助于强度的基体组织的珠光体降低。

同样，P的含量高于0.03％的比较例3～7的情况下，冲击值降低至低于12J/cm2。这被认为是由于，比较例3～7的情况下，Mn和Cu的合计含量为0.45％以上，在此虽然强度变高，但在P的含量高于0.03％的影响下，相应程度的韧性降低。

比(P/(Mn+Cu))高于0.050的比较例8的情况下，抗拉强度降低至低于550MPa。

Mn和Cu的含量的合计高于0.70％的比较例9的情况下，冲击值降低至低于12J/cm²。

Mn和Cu的含量的合计低于0.45％的比较例10的情况下，抗拉强度降低至低于550MPa。

还有，图2是在横轴绘制表1的各实施例和比较例的冲击值，在纵轴绘制抗拉强度的图。

符号说明

3 铸造试验片的提取部(圆棒)

Claims

1.一种高刚性球墨铸铁，其中，以质量％计含有C：高于3.0％并低于3.6％、Si：1.5～3.0％、Mn：1.0％以下、Cu：1.0％以下、P：低于0.03％、Mg：0.02～0.07％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，

由C和Si的含量以式(1)：CE＝C％+Si％/3计算出的碳当量即CE值为CE：3.6～4.3％，杨氏模量为170GPa以上，抗拉强度为550MPa以上，冲击值为12J/cm²以上。

2.根据权利要求1所述的高刚性球墨铸铁，其中，以质量％计Mn和Cu的含量的合计为0.45～0.70％。

3.根据权利要求1或2所述的高刚性球墨铸铁，其中，以质量％计，P的含量、与Mn和Cu的含量的合计之比即P/(Mn+Cu)为0.050以下。