JP2005290420A

JP2005290420A - 鋳鉄材料とその製造方法

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Publication number: JP2005290420A
Application number: JP2004103460A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Tsuchiya; 雅之土屋; Hiroaki Ueno; 宏明上野; Shiyuuichi Shikai; 修一四海; Yasushi Fujinaga; 泰史藤永
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Kogi Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Kogi Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】従来の鋳鉄材料の欠点を解消し、鋳鉄材料の高強度化の要請に十分対応できる高い強度を保有し、且つ加工性にも十分に優れた鋳鉄材料とその製造方法の提供を課題とする。
【解決手段】白鋳鉄化した鋳鉄を用い、７００〜９００℃の温度で５〜６０分保持した後に急冷する熱処理と、次に８５０〜１０００℃で２０〜６０分保持する熱処理とを行う。また白鋳鉄化した鋳鉄は半溶融成形法により製造する。鋳鉄の成分組成は、重量％で、Ｃ：１．８〜２．５％、Ｓｉ：１．４〜３．０％を含有すると共に、残部を実質的にＦｅとする。
【選択図】なし

Description

本発明は鋳鉄材料とその製造方法に関し、より詳しくは、強度と加工性に優れた鋳鉄材料とその製造方法に関する。

鋳鉄材料は製作可能な形状の自由度が高くまた安価なことから、工業的に広く用いられている材料である。
一方、近年における製品の軽量化、コンパクト化の要求に対して、鋳鉄材料の高強度化の要請が高くなってきている。

前記鋳鉄材料の高強度化の要請に対する対処としては、合金成分の添加による鋳鉄の基地強化を図ること等が行われている。が、一方、それに伴い加工性が悪くなるという問題が生じていた。

そこで本発明は、上記従来の鋳鉄材料の欠点を解消し、鋳鉄材料の高強度化の要請に十分対応できる高い強度を保有し、且つ加工性にも十分に優れた鋳鉄材料とその製造方法の提供を課題とする。

上記課題を達成するため、本発明の鋳鉄材料の製造方法は、白鋳鉄化した鋳鉄を用い、７００〜９００℃の温度で５〜６０分保持した後に急冷する熱処理と、次に８５０〜１０００℃で２０〜６０分保持する熱処理とを行うことを第１の特徴としている。
また本発明の鋳鉄材料の製造方法は、上記第１の特徴に加えて、半溶融成形法により白鋳鉄化した鋳鉄を用いることを第２の特徴としている。
また本発明の鋳鉄材料の製造方法は、上記第１又は第２の特徴に加えて、鋳鉄の成分組成が、重量％で、Ｃ：１．８〜２．５％、Ｓｉ：１．４〜３．０％を含有すると共に、残部が実質的にＦｅであることを第３の特徴としている。
また本発明の鋳鉄材料は、上記第１〜３の何れかの鋳鉄の製造方法で製造した、１ｍｍ平方当たりの黒鉛の平均粒数が８００個以上であることを第４の特徴としている。

請求項１に記載の鋳鉄材料の製造方法によれば、白鋳鉄化した鋳鉄を用い、７００〜９００℃の温度で５〜６０分保持した後に急冷する熱処理と、次に８５０〜１０００℃で２０〜６０分保持する熱処理とを行うことにより、
基地をパーライトとフェライトとの混合組織にすることができると共に、微細な黒鉛を多数、均一に析出させることができる。そしてその結果として、良好な強度と良好な加工性を保有した鋳鉄材料を提供することができる。
また請求項２に記載の鋳鉄材料の製造方法によれば、請求項１に記載の方法による効果に加えて、半溶融成形法により白鋳鉄化した鋳鉄を用いることにより、
半溶融成形法では金型を使用するため、鋳鉄の広い範囲の成分に対しても白銑化が容易に行われるメリットがある。
また請求項３に記載の鋳鉄材料の製造方法によれば、上記請求項１又は２に記載の方法による効果に加えて、鋳鉄の成分組成が、重量％で、Ｃ：１．８〜２．５％、Ｓｉ：１．４〜３．０％を含有すると共に、残部が実質的にＦｅであることにより、
製造時における鋳造欠陥が少なく、また熱処理によって確実に微細な黒鉛を均一に、多数析出させることができる。そしてその結果として、良好な強度と良好な加工性を保有した鋳鉄材料を提供することができる。
また請求項４に記載の鋳鉄材料によれば、１ｍｍ平方当たりの黒鉛の平均粒数が８００個以上であるので、
強度と加工性に優れた鋳鉄材料を提供することができる。

本発明の実施形態に係る鋳鉄材の製造方法は、鋳鉄中の黒鉛組織を微細化すると共に均一に分布させることで、強度、ヤング率を損ねることなく加工性を高めることを特徴としている。
その手法は、白銑化した鋳鉄を、７００〜９００℃の温度で５〜６０分保持した後に急冷する熱処理工程と、次に８５０〜１０００℃で２０〜６０分保持することによる炭化物の黒鉛化を目的とした熱処理工程を行うことにより、微細黒鉛を多数析出させた組織とすることである。以後において、前記７００〜９００℃の温度で５〜６０分保持したのち急冷する熱処理工程を第１段熱処理、その後の８５０〜１０００℃で２０〜６０分保持することによる炭化物の黒鉛化を目的とした熱処理工程を第２段熱処理と記す。

黒鉛の微細化のメカニズムとしては、第１段熱処理時の急冷によりオーステナイト組織はマルテンサイト、又はベーナイト、又はツルースタイト組織等の急冷組織に変化する。これら組織は炭素を過飽和に固溶していてエネルギー的に不安定であるため、第２段熱処理において炭化物との界面で多数の箇所から分解し、安定な黒鉛を析出させるため、微細で多数の黒鉛組織となる。ここで急冷とは水、油等への焼き入れ処理及び空冷等であり、おおよそ２００℃／分以上の冷却速度をいう。
第１段熱処理を７００〜９００℃で５〜６０分の保持時間と規定した理由は、７００℃未満或いは５分未満では、白銑の基地組織をオーステナイト化することは不十分で或いは炭素のオーステナイトへの固溶量が不十分で、急冷後に前述した急冷組織が得られず、結果として第２段熱処理時において微細黒鉛を得ることができないからである。また９００℃を超え或いは６０分を超えると、炭化物の分解が著しく進行し、一部は黒鉛として析出する。その結果、第２段熱処理時において黒鉛化するサイトとしての炭化物量が減少するため微細黒鉛量が減少し、加工性向上の効果が得られないからである。なお第２段熱処理後は炉冷することで、基地組織はパーライトとフェライトからなる組織となる。

更に第２段熱処理を８５０〜１０００℃で２０〜６０分の保持時間とした理由は、８５０℃未満或いは２０分未満では炭化物の黒鉛化が不十分であり、１０００℃を超え或いは６０分を超えると炭化物の分解が進行し、オーステナイトへ炭素の再固溶が著しく起こるため、微細化効果がなくなるからである。

鋳鉄を白鋳鉄組織にする手段として半溶融成形法を用いるのが好ましい。近年、鉄系材料において半溶融成形法の適応が進んでいるが、この半溶融成形法においては金型を使用するため、白銑化が容易であり、本発明方法における利用価値がより一層高まるためである。

本発明の方法において使用する鋳鉄の成分組成は、重量％で、Ｃ：１．８〜２．５％、Ｓｉ：１．４〜３．０％を含有すると共に、残部が実質的にＦｅであるものが好ましい。
Ｃが１．８重量％未満では鋳造欠陥が生じ易く、また低炭素含有量のため黒鉛化に長時間かかりコスト高となって望ましくない。またＣが２．５重量％を超えると黒鉛量が多くなり、最終物性値が劣る。
Ｓｉが１．４重量％未満では黒鉛化に長時間を要するためコスト高であり、またＳｉが３．０重量％を超えると靱性及び加工性が低下するので望ましくない。

本発明の方法で製造された鋳鉄材料は、基地がパーライトとフェライトからなり、塊状又は粒状の黒鉛が、１ｍｍ平方当たり平均８００個以上微細に析出した組織を呈しており、強度と加工性に富んだ、優れた特性を示す。

表１に示す目標成分にて、連続鋳造法により径５０ｍｍの鋳鉄棒を製作した。この連続鋳造鋳鉄棒を５０ｍｍ長さに切断し、１２００℃の半溶融温度に加熱し、図１にその概略を示す射出成形機を用いて金型空間に充填し、テストピースを多数作成した。
なお図１において、１は可動金型、２は固定金型、３はゲート、４は射出スリーブ、５はプランジャー、６は半溶融ビレット、７は金型空間、８は半溶融ビレット６の挿入口である。
成形後のテストピースは何れも白銑化していた。
これらテストピースを用いて表２に示す熱処理を実施した。熱処理の実施は、予め処理温度に設定した熱処理炉にテストピースを挿入し、テストピースの温度が処理温度に到達後、目標とする保持時間保持し、その後速やかに炉から取り出し空冷する第１段熱処理と、次にこれらテストピースの炭化物の黒鉛化のための第２段熱処理を実施した。

表２の熱処理の結果、第２段熱処理後の硬さは何れのテストピースもＨＲＢ８０から８５であった。一方、１ｍｍ平方当たりの黒鉛粒数の平均は、比較例１においては１１７個、比較例２においては６６０個、比較例３では３６８個であったのに対し、実施例１では８２４個、実施例２では１６５３個、実施例３では１４６９個、実施例４では９３７個、実施例５では１０７４個となり、黒鉛粒数が本実施例において１ｍｍ平方当たり平均８００個以上と数多くなっていることがわかる。

上記比較例１〜３、実施例１〜５における熱処理後の引張強さ、加工性を評価した。加工性は直径８ｍｍのドリル加工するのに要する消費電力を測定することで評価した。ドリルの回転数と送り速度はそれぞれ２２０ｒｐｍ、０．３ｍｍ／ｒｅｖで行った。
評価結果を表３に示す。

表３を参照して、引張強さ及びヤング率は比較例１〜３、実施例１〜５の何れにおいてもあまり差は認められない。しかし加工性については、黒鉛粒数の多い実施例１〜５では比較例１〜３に比べて消費電力が小さくなっており、実施例において加工性が向上していることがわかる。また一般のＦＣＤ４５０の評価試験結果も併せて示す通り、実施例においては引張強さ、ヤング率がＦＣＤ４５０より向上しているにもかかわらず、加工性はほぼ同等の値を示している。即ち、実施例においては加工性を損なうことなく、従来のＦＣＤより機械的性質の向上を達成している。

例として上記試験のうち比較例１〜２、実施例１〜３における熱処理後の組織を図２に示す。
比較例１は第１段熱処理においてオーステナイトへの炭素の固溶が不十分なため、所望の急冷組織が得られず、そのため第２段熱処理においてほとんどが約６０μｍ程度の黒鉛となっており、１ｍｍ平方当たりの黒鉛粒数も平均１１７個であった。また比較例２では第１段熱処理での試験温度が９００℃より高いため、炭化物の分解が過大に進行しすぎて第２段熱処理における黒鉛の発生サイトが不足する結果、微細黒鉛の析出が少なく、１ｍｍ平方当たりの黒鉛粒数も平均６６０個であった。比較例１、２とも１ｍｍ平方当たりの黒鉛粒数の平均が８００個未満であり、そのため加工改善効果が少ない。
これに対して本発明の範囲で実施した実施例１〜３においては、何れも微細な黒鉛が多数析出した組織が得られている。実施例２、３においては一部約６０μｍ程度の黒鉛も観察されるが、その他は微細黒鉛が均一に分布している。そして１ｍｍ平方当たりの黒鉛粒数の平均も８００個以上となっている。

以上より本発明の鋳鉄材料とその製造方法によれば、従来なし得なかった強度と加工性に優れた鋳鉄材料の提供を可能とすることができた。

本発明の実施例に用いた射出成形機の縦断面図である。本発明の実施例に用いられる比較例１〜２、実施例１〜３の材料の金属組織を示す顕微鏡写真である。

符号の説明

１可動金型
２固定金型
３ゲート
４射出スリーブ
５プランジャー
６半溶融ビレット
７金型空間
８半溶融ビレットの挿入口

Claims

白鋳鉄化した鋳鉄を用い、７００〜９００℃の温度で５〜６０分保持した後に急冷する熱処理と、次に８５０〜１０００℃で２０〜６０分保持する熱処理とを実施することを特徴とする鋳鉄材料の製造方法。
半溶融成形法により白鋳鉄化した鋳鉄を用いることを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄材料の製造方法。
鋳鉄の成分組成が、重量％で、
Ｃ：１．８〜２．５％
Ｓｉ：１．４〜３．０％
を含有すると共に、残部が実質的にＦｅであることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳鉄材料の製造方法。
１ｍｍ平方当たりの黒鉛の平均粒数が８００個以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れかの製造方法で製造された鋳鉄材料。