JP2002519518A - Ｃｖ黒鉛鋳鉄合金、その製造方法およびその用途 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （ａ）おおよその重量％で３．２ないし３．８％の全Ｃと、２．８ないし４．０％のＳｉと、残余のＦｅおよび不特定の不純物からなるＣＧＩ原料鉄を準備するステップ、（ｂ）既知の方法で合金を処理、調節および鋳造するステップ、（ｃ）鋳物を鋳型中で少なくとも７７５℃の温度まで冷却するステップ、（ｄ）鋳物を既知の方法で清掃し、鋳物を機械加工して最終製品を製造するステップ、の各ステップからなる、ＣＶ黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）製品を製造する方法。

Description

【発明の詳細な説明】技術分野 本発明は機械加工しやすいＣＶ黒鉛鋳鉄合金の製品を製造する方法に関する。 発明の背景 ＣＶ黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）は、各種用途のなかでも、乗用車やトラックのシリンダ
ーブロック用の優れた材料として、広く認められている。従来のねずみ鋳鉄およ
び一般のアルミニューム合金に較べて向上した強度、硬さ、耐疲労性、および耐
磨耗性のおかげで、エンジン設計者は重量および排出物を低減しながら、性能を
向上することができる。しかしながら、ＣＧＩの改良された性能は、一方で機械
加工をより難しくしている。

【０００１】 フライス切削、孔あけ、ねじ立て、およびホーニングなどの従来の機械加工は
ＣＧＩに好ましく適用可能であるが、工具寿命はねずみ鋳鉄の際よりも１０−５
０％短い。このような機械加工性の低さは、一般に高強度鋳物の代償として受け
入れられている。しかしながら、シリンダーの高速ボーリングにおいて起こる工
具の磨耗は、受け入れ難いものである。シリンダーボアの高速ボーリング（６０
０ｍ／分以上）はＣＢＮ（立方晶系窒化ほう素）またはセラミックの切削工具を
用いている。普通のシリンダーボアは約８５ｍｍの直径と９５ｍｍの深さを有す
るに過ぎないが、０．２０ｍｍ／回転の工具送り速度においては、切削工具はボ
アを旋回下降する間に約１２５ｍの、連続した金属との接触に曝される。このよ
うな連続切削の際に、ＣＧＩの比較的高い硬度と強度のために工具の温度が上昇
し、工具の磨耗が過大になる。高速機械加工の条件においては、ＣＧＩにおいて
起こる工具磨耗は従来のねずみ鋳鉄におけるよりも約２０倍も高い。一般に機械
加工は、完成エンジンの製造原価の１０％を占める。したがって、機械加工性の
向上したＣＧＩ合金が、原価低減のために求められていた。実際、ＣＧＩが大量
（年間１０万台以上）のシリーズ生産に採用されるには、特に高速シリンダーボ
アフィニッシングにおけるＣＧＩ合金の機械加工性向上が要求されている。

【０００２】 機械的性質が優れている他に、同じパーライト含有量で比較すると、ＣＧＩは
ねずみ鋳鉄よりも約２０％硬い。またＣＶ黒鉛鋳鉄は１３％の伸びを有するのに
対して、ねずみ鋳鉄は実際上、延性を有しない。これらの要素が、機械加工の際
のチップ形成や工具磨耗メカニズムの違いの原因になっている。

【０００３】 ＪＰ−８０９２８５４は、エキゾーストマニホールドの製造に用いられる、３
−４％のＣ、３−４．５％のＳｉ、０．３％以下のＭｎ、０．０５％以下のＰ、
０．０３％以下のＳ、および０．００５−０．０３０％のＭｇを含む芋虫状黒鉛
鋳鉄を開示している。この組成の目的はエキゾーストマニホールドの使用上の基
準、すなわち温度疲労強度と耐酸化性が高いこと、を満足することである。機械
加工特性については何も述べられていない。

【０００４】 現在、ＣＧＩの高速シリンダーボアフィニッシングに要求される工具寿命を達
成する、有効な方法は見当たらない。ＣＧＩの硬度を下げることによってＣＧＩ
の機械加工特性を向上させようとする、多くの開発活動において、７０％パーラ
イト／３０％フェライトのマトリックスが研究された。このＣＧＩマトリックス
組成では、硬度は従来のねずみ鋳鉄とほぼ同じになる。しかしながら、高速機械
加工性は全パーライトＣＧＩと較べてあまり改善されなかった。本発明のＣＧＩ
合金は、現在ＣＧＩエンジンブロックの工業的採用を妨げている、機械加工の問
題を克服する手段を提供する。発明の開示 本発明が解決しようとする問題は、特に高速シリンダーボアフィニッシングに
おける工具寿命とチップ処理性に関して、従来のＣＧＩと比較して改良された機
械加工性を有する、ＣＧＩ合金を提供することである。

【０００５】 本発明によればこの問題は、 ＣＧＩ合金に通常より高い珪素含有量を与える
ことによって高速機械加工性が改善されるという、驚くべき発見によって解決さ
れた。

【０００６】 エンジンブロック用途の従来のＣＧＩ合金組成は２．０−２．５％の珪素を含
んでいる。しかしながら、２．８−４．０重量％の珪素含有量において、ＣＧＩ
は支配的にフェライトからなるマトリックスを伴って硬化する。高い珪素含有量
は黒鉛の形成を促進し、したがって自由炭素のマトリックスをなくし、鉄カーバ
イド（Ｆｅ₃Ｃ）の共晶形成を妨げる。また、通常のフェライト鉄が比較的軟ら
かくて弱く、切削工具に付着し、および／または機械加工時にむしり取られるの
に対して、高い珪素含有量は硬いフェライトをもたらす。珪素含有量を選択する
ことによって、全フェライトマトリックスを維持しながら、従来のねずみ鋳鉄と
同じ硬度範囲を達成することができる。あるいは、珪素含有量を変化させること
によって所望の硬度レベルおよび硬度範囲を達成することができる。鉄マトリッ
クス中の自由珪素原子は固溶体メカニズムによってフェライトを硬くし、これに
よって強度と耐磨耗性を維持しながら、チップ除去性および工具寿命を改善する
。

【０００７】 要約すれば、本発明のＣＧＩ合金の組成は、基本的に、おおよその重量％で、
３．２ないし３．８％の全炭素Ｃ；２．８ないし４．０％の珪素Ｓｉ；０．００
５ないし０．０２５％のマグネシウムＭｇ；および残余の鉄Ｆｅおよび不特定の
不純物とからなる。この場合、Ｍｇは単独でまたは組み合わせて、０．０２５％
まで添加されてよい。本発明の独創性は、合金の機械加工性が合金の化学組成に
よって調節されるということにある。このようにして製造されたＣＧＩ製品は、
機械加工以前に所望の微細構造および特性を有しており、ねずみ鋳鉄用の従来の
機械加工工程を変更する必要はない。

【０００８】 より好ましくは本発明のＣＧＩ合金は、おおよその重量％で、３．２ないし３
．８％の全炭素；２．８ないし４．０％の珪素；０．００５ないし０．０２５％
のマグネシウム；０．０３０％以下の硫黄；０．４％以下のマンガン；０．２％
以下の銅；痕跡量の錫と、残余の鉄および不特定の不純物を含む。Ｍｇの添加に
ついては上述と同様である。

【０００９】 珪素含有量は、全フェライトマトリックスを維持しながら、従来のねずみ鋳鉄
と同じ硬度範囲を達成するように選択される。この場合、合金は上述したように
２．８−４．０重量％の珪素を含む。

【００１０】 本発明はまたＣＶ黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）製品の製造方法に指向されたものであり
、該方法は下記の各ステップを含む： （ａ）おおよその重量％で ３．２ないし３．８％の全Ｃと、 ２．８ないし４．０％のＳｉと、 残余の鉄および不特定の不純物からなるＣＧＩ原料鉄を準備するステップ、 （ｂ）既知の方法で合金を処理、調節および鋳造するステップ、 （ｃ）鋳造された組成物を鋳型中で少なくとも７７５℃の温度まで冷却した後、
鋳型から取り出すステップ、 （ｄ）鋳物を既知の方法で清掃し、鋳物を機械加工して最終製品を製造するステ
ップ。

【００１１】 本発明はまた機械加工性ＣＧＩ材料に関し、該材料は： （ａ）上述の組成を有するＣＧＩ原料鉄を準備するステップ、 （ｂ）既知の方法で合金を処理、調節および鋳造するステップ、 （ｃ）鋳造された組成物を鋳型中で少なくとも７７５℃の温度まで冷却するステ
ップ、 の各ステップによって得られ、鋳物は既知の方法で清掃される。

【００１２】 本発明はまた機械加工によってＣＧＩ製品を製造する、ＣＧＩ合金組成の用途
に関する。

【００１３】 機械加工のステップは、フライス切削、孔あけ、ねじ立て、ホーニング、およ
びボーリングからなるグループから選ばれる一つまたは二つ以上の加工作業から
なり、各種の切削材料および各種の切削条件（速度、送り速度、切削深さ、工具
の形状、工具の被覆その他）で行われてよい。本発明のＣＧＩ合金は、全ての切
削作業を改善するように意図されたものであるが、主として、切削刃が連続的に
鋳鉄合金と接触する、高速ボーリングおよび高速ターニング作業において有効で
ある。

【００１４】 原料鉄とはＭｇおよび接種剤が添加される以前において炉内に保持されている
鉄を言う。発明の詳細な説明 提示された高珪素ＣＧＩ合金（高Ｓｉ‐ＣＧＩ合金）の製造、調節および鋳は
だ仕上げは、従来のＣＧＩに用いられるのと同様である。唯一の顕著な差異は、
追加の珪素が、シリコンカーバイドまたは鉄シリコンまたは他の任意の工業的な
珪素源の形で、溶融の途中に、または溶融鉄の保持中に、湯溜まりに添加される
ことである。従来の鋳造方法が用いられ、鋳物は砂鋳型のなかで本体温度が７７
５℃以下になるまで冷却される。その後鋳物を空冷および清掃して機械加工に備
える。

【００１５】 本発明の理解および製造を容易にするために、以下において表１を参照しつつ
説明する。

【００１６】 表１は、本発明の一実施例の合金を、溶融して化学組成を調べた表である。エ
ンジンブロック用途の“標準的な”、支配的にパーライトからなるＣＧＩ合金と
比較して、新規な高珪素ＣＧＩはフェライトマトリックスを有しており、以下の
ような組成上の差異によって特徴づけられる。

【００１７】

【表１】 各種の合金要素の役目は次の通りである。 Ｃ：３．２ないし３．８重量％ 炭素は適宜な黒鉛形成を保証するために必要である。密集した形態においては、
黒鉛粒子は良好な熱電導性と良好な振動吸収を与える。高Ｓｉ‐ＣＧＩの炭素含
有量は、炭素等量（ＣＥ＝ε＋ρ_i／３）を一定に保つために、従来のＣＧＩよ
りも僅かに低減されてもよい。 Ｓｉ：２．８ないし４．０重量％ 珪素は非常に強い黒鉛化剤であって、炭素の析出と黒鉛粒子の成長を促進する。
これは結局はフェライトマトリックスをもたらす。珪素はまたフェライト層の硬
度を増加させる。支配的にフェライトからなるマトリックスを安定化させるため
には２．８％以上の珪素含有量が必要である。珪素含有量の増加は鉄の炭素等量
（ＣＥ＝ε＋ρ_i／３）を増加させる。 Ｓ：０．０３０重量％以下 硫黄は鋳鉄において避けられない汚染物である。硫黄はカルシウム、マグネシウ
ム、希土類金属、およびマンガンと反応して無害な硫化物の介在物を形成する。
硫化マンガン介在物はある種の鋼において機械加工性を改善するが、マグネシウ
ム処理鋳鉄においてはこの目的には効果がない。 Ｍｇ：０．００５ないし０．０２５重量％ マグネシウムは黒鉛粒子の成長挙動を調節するために意図的に添加される。ＣＧ
Ｉは通常約０．００８％Ｍｇの範囲で安定であるが、不純物元素の存在および鋳
造物の冷却速度によって左右される。 Ｍｎ：０．４重量％以下 マンガンは鋳鉄を溶融するのに用いられる原料に一般的な元素である。マンガン
はパーライトの形成を促進するので、従来のＣＧＩと比較して低減しなければな
らない。マンガンは一般に硫黄と量的に釣り合わされる。 ％Ｍｎ＝０．２＊％Ｓ＋０．１８ Ｃｕ：０．２重量％以下 銅はパーライトを安定化するためにＣＧＩおよびある種のダクタイル鉄に普通に
添加される。ＣＧＩにおいて支配的にパーライトからなるマトリックスを確立す
るには１．０％までの添加が必要である。高Ｓｉ‐ＣＧＩにおいてはより低い添
加量が好ましい。銅含有量の低減によって従来のＣＧＩと比較して原価低減が得
られる。 Ｓｎ：痕跡 錫は非常に強力なパーライト安定化剤である。錫は通常、銅とともに添加され（
１．０％Ｃｕ＋０．１％Ｓｎ）、従来のＣＧＩにおいて全パーライトマトリック
スを安定化させる。錫を“痕跡”量に限定することは、 高Ｓｉ‐ＣＧＩにおい
て全フェライトマトリックスの形成を助ける。錫含有量の低減によって従来のＣ
ＧＩと比較して原価低減が得られる。

【００１８】 本発明によって製造される合金の具体例を、以下の実施例において説明する； 実施例１ 標準の２５ｍｍ径の棒状試験片を表１の組成によって製造し、７００℃まで冷
却した後、鋳型から取り出して室温まで空冷した。約３．３％の珪素を含むＣＧ
Ｉ合金は従来の全パーライトのねずみ鋳鉄と同じブリネル硬度を有することが分
かった。その後の試験で、Ｓｉをこれに加えて０．１％増加するごとに約５ポイ
ントのブリネル硬度増加（５／７５０）が得られることが示された。Ｓｉ％と硬
度の間にこのような感度が存在することによって、鋳造者は機械加工者、設計技
術者、および材料技術者が特定する硬度を達成することができる。黒鉛の形状は
通常のＣＧＩ製法の調節技術を用いて、所要の微細構造限界（０−２０％球状度
、片状黒鉛なし）内に調節することができる。前記調節技術についてはＳＥ８４
０４５７９−８、ＳＥ９００３２８９−７、およびＳＥ９７０４２０８−９に教
示されており、これらは参考文献として組み入れられる。球状度調節を助けるた
めにチタンを意図的に添加することは必要ではなく、望ましくもない。なぜなら
ばチタンの添加によってチタンカーバイドおよび窒化チタンの介在物が形成され
、これらは機械加工性を顕著に悪化させるからである。 実施例２ 自動車エンジンブロックの高速シリンダーボアフィニッシングにおいて、切削イ
ンサートは通常、逃げ面磨耗が０．２または０．３ｍｍに達するまで用いられる
。その後インサートを交換して機械加工が再開される。逃げ面磨耗の使用終わり
基準に達するまでの切削量は、機械加工したボアの数、または合計切削距離で測
られる（送り速度を０．２ｍｍ／回転、シリンダーボアを８５ｍｍ径および９５
ｍｍ長さとすれば合計切削距離は１２５ｍとなる）。通常のねずみ鋳鉄（ＤＩＮ
１６９１規格によるＧＧ２５）のエンジンブロックにおいて、ＣＢＮ工具は６０
０−８００ｍ／分で用いられ、少なくとも２００個のシリンダーボア、あるいは
これに相当する合計切削距離２５Ｋｍの使用に耐えるとされている。 ＧＧ２５
ねずみ鋳鉄、“通常の”珪素含有量のＣＧＩ、および高Ｓｉ‐ＣＧＩの代表的な
特性および機械加工の成績が、表２および表３に、それぞれ纏められている。

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】 表３から、高Ｓｉ‐ＣＧＩ合金（材料Ｎｏ．４）においては従来のＣＧＩと比
較して工具の磨耗がかなり改善されることが明らかである。ＧＧ２５ねずみ鋳鉄
と比較して高珪素型は、ＣＢＮ工具を４００ｍ／分で用いたときに４倍以上長い
切削距離を与える。切削条件によるが、４００ｍ／分と８００ｍ／分の間に、従
来のねずみ鋳鉄と同等になる点がある。超硬工具において、 高Ｓｉ‐ＣＧＩは
従来のＣＧＩと比較して顕著な工具寿命の増加を与える。

【００２１】 以上から、本発明の合金は工業的に受け入れられる工具寿命で、各種の形状（
シリンダーブロックなど）に機械加工することができ、かつ合金の特性および機
械加工の成績は、合金の組成によって調節可能であることが理解されるであろう
。したがって、このようにして製造されたＣＧＩ製品は、機械加工以前に所望の
微細構造および特性を達成しており、ねずみ鋳鉄製エンジンブロック用の従来の
機械加工工程に、ほとんどまたは全く変更を加える必要がない。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＣＶ黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）の最終製品を製造する方法であって、
   該方法は： （ａ）おおよその重量％で ３．２ないし３．８％の全炭素と、 ２．８ないし４．０％の珪素と、 残余の鉄および不特定の不純物と からなるＣＧＩ原料鉄を準備するステップ、 （ｂ）既知の方法で合金を処理、調節および鋳造するステップ、 （ｃ）鋳物を鋳型中で少なくとも７７５℃の温度まで冷却するステップ、 （ｄ）鋳物を既知の方法で清掃するステップ、 （ｅ）鋳物をボーリング、ターニング、フライス切削、孔あけ、ねじ立て、ある
   いはホーニングなどによって機械加工して最終製品を製造するステップ、 の各ステップからなる、ＣＶ黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）の最終製品を製造する方法。
2. 【請求項２】ＣＧＩ原料鉄は、重量百分率で、おおよそ３．２ないし３．８
   ％の全Ｃと、 ２．８ないし４．０％のＳｉと、 ０．００５ないし０．０２５％のＭｇと、 ０ないし０．０３０％のＳと、 ０ないし０．４％のＭｎと、 ０ないし０．２％のＣｕと、 痕跡量のＳｎと、 残余の鉄および不特定の不純物と、 からなる、請求項１による方法。
3. 【請求項３】機械加工は、切削刃が連続的に鋳造合金と接触する高速ボーリ
   ングまたはターニング作業である、請求項１または２による方法。
4. 【請求項４】ＣＶ鋳鉄（ＣＧＩ）の最終製品であって、該製品は： （ａ）重量百分率でおおよそ ３．２ないし３．８％の全Ｃと、 ２．８ないし４．０％のＳｉと、 および残余の鉄および不特定の不純物と からなるＣＧＩ原料鉄を準備するステップ、 （ｂ）既知の方法で合金を処理、調節および鋳造するステップ、 （ｃ）鋳物を鋳型中で少なくとも７７５℃の温度まで冷却するステップ、 （ｄ）鋳物を既知の方法で清掃するステップ、 （ｅ）鋳造物をボーリング、ターニング、フライス切削、孔あけ、ねじ立て、あ
   るいはホーニングなどによって機械加工して最終製品を製造するステップ、 の各ステップによって得られる、ＣＶ黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）の最終製品。
5. 【請求項５】ＣＧＩ原料鉄は、重量百分率で おおよそ ３．２ないし３．８％の全Ｃと、 ２．８ないし４．０％のＳｉと、 ０．００５ないし０．０２５％のＭｇと、 ０ないし０．０３０％のＳと、 ０ないし０．４％のＭｎと、 ０ないし０．２％のＣｕと、 痕跡量のＳｎと、 残余の鉄および不特定の不純物と、 からなる、請求項４によるＣＶ黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）の最終製品。
6. 【請求項６】ＣＶ黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）合金の用途であって、該合金は、重量
   百分率で、 おおよそ ３．２ないし３．８％の全Ｃと、 ２．８ないし４．０％のＳｉと、 および残余の鉄および不特定の不純物と、 からなり、最終製品は： （ａ）既知の方法で合金を処理、調節および鋳造し、 （ｂ）鋳物を鋳型中で少なくとも７７５℃の温度まで冷却し、 （ｃ）鋳物を既知の方法で清掃し、 （ｄ）鋳造物をボーリング、ターニング、フライス切削、孔あけ、ねじ立て、あ
   るいはホーニングなどによって機械加工して最終製品を製造して、 製造される、ＣＶ黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）合金の用途
7. 【請求項７】機械加工は、切削刃が連続的に鋳造合金と接触する高速ボーリ
   ングまたはターニング作業である、請求項６による用途。