JP2003073768A - チクソキャスティング用Fe系合金材料およびその鋳造方法 - Google Patents
チクソキャスティング用Fe系合金材料およびその鋳造方法Info
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Abstract
命の延長が図られるとともに、寸法変化やクラック等の
鋳造欠陥が防止されるチクソキャスティング用Fe系合
金材料およびその鋳造方法を提供することを目的として
いる。 【解決手段】 1.6wt%≦C≦2.5wt%、3.
0wt%<Si≦5.5wt%を含み、2.9≦CE値
≦3.5のチクソキャスティング用Fe系合金材料を、
固相率35〜50%の半溶融状態とし、これを加圧鋳造
する。
Description
ング用Fe系合金材料およびその鋳造方法に関する。
荷して金型内へ射出成形するチクソキャスティングは、
これまでの成形法に比べて薄肉かつ複雑な形状の部品の
成形が可能である。このことから、加工部位の削減によ
る低廉化が達成され、また、一般のダイキャストに比べ
低い溶融温度で鋳型への鋳造が可能であるために鋳型へ
の熱負荷がきわめて軽減されるので、鋳鉄等の金型加圧
鋳造法として有望視されている。しかしながら、チクソ
キャスティングで得られた鉄鋳物は液相部が靭性の低い
チル組織となる。一方、高温ビレットを用いる鉄の成形
にあっては、金型内の冷却時に大きな凝固収縮が生じ、
これによりチル組織からクラックが発生しやすい。
39513号公報では、カーボン鋳型を用いることでチ
ルの生成を防止してクラックの発生を抑制する方法が提
案されているが、カーボン鋳型は強度に劣り金型寿命が
短いため、頻繁な金型交換が必要で生産性の低下を招
く。また、特開2001−123242号公報や特開2
000−144304号公報では、Cr添加によるチル
組織の強化、また、Mn量の増加によりチル組織と高靭
性相とを混合させてクラックの発生を防止する方法を提
案している。しかしながら、金型内での凝固収縮量が依
然大きいため、チル組織の硬い成形品が凝固収縮して金
型を擦ることにより削り、この繰り返しで削られた部分
の寸法精度が低下して金型の寿命が低下する。また擦れ
で塗型が部分的に剥離すると成形品と金型の熱伝導が部
分的に異なり、その結果、凝固速度に差が生じて寸法変
化やクラック等の鋳造欠陥の原因となる。
ことにより金型の寿命の延長が図られるとともに、寸法
変化やクラック等の鋳造欠陥が防止されるチクソキャス
ティング用Fe系合金材料およびその鋳造方法を提供す
ることを目的としている。
ィング用Fe系合金材料は、1.6wt%≦C≦2.5
wt%、3.0wt%<Si≦5.5wt%を含み、炭
素当量(CE値=C(wt%)+1/3Si(wt
%))が2.9≦(C(wt%)+1/3Si(wt
%))≦3.5であることを特徴としている。また、本
発明では、Crを0.1wt%≦Cr≦0.3wt%の
範囲で含むことを好ましい形態としている。
e系合金材料の鋳造方法は、上記本発明の材料を、固相
率35〜50%の半溶融状態とし、これを加圧鋳造する
ことを特徴としている。以下、上記数値限定の根拠なら
びに効果を説明する。
t% Si量を3.0wt%超とすることで凝固収縮量が低減
し、例えば2.5mm程度の薄肉部では凝固収縮率を
0.6%以下に抑えることができる。よって、金型に対
する成形品の擦れが少なくなって金型の損傷が防がれる
とともに、クラックも発生しにくくなる。これらの効果
がよく得られる観点から、Si量の下限は3.0wt%
超、好ましくは3.5wt%以上である。従来の砂型球
状黒鉛鋳鉄では、Siを3.5wt%以上含むと伸びや
靱性が著しく低下する傾向にあったが、本発明品を用い
て鋳造後、所定の焼鈍熱処理を施した製品ではSi量が
3.5wt%を超えても十分な伸びが得られ、特にSi
量が4wt%までは10%以上の伸びが確保される。一
方、ある範囲内のCE値でSi量を増加させるとC量が
下がり鋳造時の粘度が上がるので、湯流れ性を確保する
ためには固相率を下げる必要が生じる。そのため、Si
量が4.5wt%以上になると凝固収縮量の低減は期待
できず、6.5wt%以上では凝固収縮率が小さくても
組織上における靱性が低下して成形時にクラックが生じ
るおそれがある。また、5.5wt%を超えると成形時
に黒鉛が晶出して均一な組織の成形品が得られにくい。
したがって、Si量は3.0wt%<Si≦5.5wt
%とした。
%の範囲でSi量が多ければ多いほど、ビレット等の鋳
造前の材料を加熱した際にはその表面に強固なSiO2
の不動態酸化膜が生成する。このため、材料が変形しに
くく取り扱いやすくなり、加熱時にも酸化が進行しにく
い。また、材料をパレット等で保持して誘導加熱コイル
や炉内で加熱すると、材料とパレットの固着が問題にな
る場合があるが、表面に強固な酸化膜が生成するのでそ
の固着が起こりにくいといった利点もある。
3.5 CE値が2.9を下回ると共晶量が少なくなり、半溶融
状態での成形時に液相の補充が不十分となって充填不足
になりやすい。一方、CE値が3.5を超えると共晶量
が多くなりすぎ、材料の半溶融加熱時に変形が起こりや
すく取り扱いにくくなる。このため、成形時に半溶融材
料を金型内に充填する際に材料が変形し、表面の酸化膜
が内部に混入するおそれがある。したがって、CE値は
2.9≦CE値≦3.5とした。
%、 C量はSi量とCE値で決定され、1.6wt%≦C≦
2.5wt%とした。ただし、C量が多いと成形後に製
品を焼鈍熱処理した後のヤング率の低下を招くので、含
有量は少ないことが望ましい。
t% Crは成形時の黒鉛の晶出を抑える元素として有効であ
る。上記Siは黒鉛化を促進させる元素であり、Si量
が4.0wt%の組成の場合や急冷しにくい肉厚部にあ
っては成形時に黒鉛が晶出し、成形後に製品を焼鈍熱処
理すると晶出黒鉛が粗大化して機械的特性の低下を招
く。また、部分的に黒鉛の晶出が起こると黒鉛晶出部の
凝固収縮率が変化するため寸法精度が低下して好ましく
ない。そこで、Crの添加が有効となるが、Cr量が
0.1wt%未満では黒鉛の晶出を抑える効果に乏し
く、0.3wt%超では焼鈍熱処理後の靱性が低下す
る。したがって、Cr量は0.1wt%≦Cr≦0.3
wt%とした。
ると材料が変形しやすく取り扱いにくくなり、逆に50
%を超えると固相部分が多すぎて湯流れ性が低下し、金
型内への充填不足が生じる。したがって、鋳造時の固相
率は35〜50%とした。
かにする。 A.鋳造装置 図1は、図2に示す厚さが2段の薄板状試験片を鋳造す
るための加圧鋳造装置1の縦断面図である。この加圧鋳
造装置1は、鉛直な合わせ面2a,3aを有するいずれ
も銅製の固定金型2および可動金型3を備え、両合わせ
面2a,3a間に湯道4および試験片が成形されるキャ
ビティ5が形成される。固定金型2には、鋳造材料であ
るビレットBを収容するチャンバ6が形成され、チャン
バ6はゲートを7介して湯道4に連通している。また、
固定金型2には、チャンバ6に連通するスリーブ8が水
平に取り付けられ、スリーブ8には、チャンバ6に挿入
されるプランジャ9が水平方向に摺動自在に嵌合されて
いる。そして、スリーブ8の周壁上部に形成された挿入
口8aから半溶融状態のビレットBをスリーブ8内に投
入し、プランジャ9を可動側金型3方向に水平移動させ
ることで、ビレットBを湯道4からキャビティ5内に充
填するようになっている。
は、図2(a),(b)に示すように、幅90mm、高
さ110mmで、高さ方向の半分から一端側(図2で上
側)が厚さ2.5mmの薄肉部10A、他端側(図2で
下側)が厚さ5mmの厚肉部10Bを有する2段厚さの
薄板である。
〜5、比較例1〜5のFe系合金を材料としてφ50m
m×65mmの円柱状ビレットを作製し、これらを誘導
加熱した。加熱条件としては、ビレットの端面から5m
m深さの内部の温度を測定して上記キャビティ5の厚さ
2.5mmの部分に充填可能な温度および固相率を適宜
設定した。その加熱条件を表1に併記する。加熱したビ
レットを、図1に示した加圧鋳造装置1を用いて加圧鋳
造し、試験片を成形した。鋳造の際の加圧力は70MP
a、金型2,3の予熱温度は200℃であり、キュアタ
イム1秒で型開きして試験片を取り出した。
比較例1〜5の試験片の薄肉部10Aの幅を測定して凝
固収縮量を求めた。また、鋳放し状態の厚肉部10Bの
内部組織を研磨後に顕微鏡で観察し、黒鉛の晶出の有無
を調べた。これらの結果を表1に併記する。また、凝固
収縮量の結果を図3に示す。
炉冷の焼鈍熱処理を行い、この後、厚肉部10Bの部分
から幅6mm、平行部27mmの引っ張り試験部を有す
る引っ張り試験片を切り出した。これら引っ張り試験片
につき引っ張り試験を行って伸びを測定した。その測定
結果を表1に併記する。
いずれも0.6%未満であり、これはアルミニウムのダ
イキャスト製品と同等あるいはそれ以下であることか
ら、金型に与える擦れ等の損傷が防がれることが明らか
である。また、ビレットをスリーブに投入する際にビレ
ットが変形してつぶれなかったため、ビレットの表面の
酸化膜がゲートでトラップされ、試験片への酸化膜の混
入は見られなかった。
うち、比較例1はCE値が高いために共晶量が多く、ビ
レットの加熱時にビレットが変形しやすかった。このた
め、ビレットをスリーブに投入した際にビレットがつぶ
れ、ビレットの表面の酸化膜がゲートを通過して試験片
に混入し、表面に割れや湯境が発生した。比較例2〜4
は材料の充填に関する欠陥は見られなかったが、凝固収
縮量が0.6%以上と高く、金型に与える擦れ等の損傷
が生じるとともに、製品に割れが生じやすいことが明ら
かとなった。Si量の多い比較例5は、充填に不足はな
く凝固収縮量も小さかったが、靱性がないため薄肉部と
厚肉部との境の段部にクラックが発生した。
i量が増加するにつれて伸びが低減する傾向にあるが、
Si量が3.5wt%を超えても十分な伸びが得られて
いる。
顕微鏡写真である。実施例4の組織は均一で健全である
ことが判るが、比較例5では部分的に黒鉛の晶出(黒い
部分)が認められた。したがって、比較例5では、焼鈍
熱処理後の機械的特性の低下や、凝固収縮率の変化によ
る寸法精度の低下等が起こることが推察される。
Si量を従来よりも多く含有することにより、凝固収縮
量が低減されて金型の寿命の延長が図られるとともに、
寸法変化やクラック等の鋳造欠陥が防止されるといった
効果を奏する。
断面図である。
面図、(b)平面図である。
である。
である。
鏡写真である。
キャビティ、B…ビレット(Fe系合金材料)。
Claims (3)
- 【請求項1】 1.6wt%≦C≦2.5wt%、3.
0wt%<Si≦5.5wt%を含み、炭素当量(CE
値=C(wt%)+1/3Si(wt%))が2.9≦
(C(wt%)+1/3Si(wt%))≦3.5であ
ることを特徴とするチクソキャスティング用Fe系合金
材料。 - 【請求項2】 0.1wt%≦Cr≦0.3wt%を含
むことを特徴とする請求項1に記載のチクソキャスティ
ング用Fe系合金材料。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載のチクソキャス
ティング用Fe系合金材料を、固相率35〜50%の半
溶融状態とし、これを加圧鋳造することを特徴とするチ
クソキャスティング用Fe系合金材料の鋳造方法。
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