JP2006122971A

JP2006122971A - 鋳鉄の鋳造方法

Info

Publication number: JP2006122971A
Application number: JP2004315994A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nomura; 宏之野村; Mitsuharu Takita; 光晴滝田; Naokuni Sugiura; 直晋杉浦
Original assignee: Nagoya Industrial Science Research Institute
Current assignee: Nagoya Industrial Science Research Institute
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】引張強度に優れるとともに、伸びのある鋳鉄鋳物とする。
【解決手段】鋳鉄の溶湯を傾斜冷却板２に流して半凝固状態まで冷却し、半凝固状態の溶湯を金型３内に鋳込み、鋳込み直後に加圧して凝固し、その後に得られた鋳物に熱処理を施す。特に金型を２００〜４００°Ｃに予熱しておくと、炭素濃度を２．８７重量％、Ｓｉ濃度を１．９５重量％[炭素当量３．５５]とした亜共晶鋳鉄で、引張強度８００ＭＰａ、伸び４％の鋳物が得られた。
【選択図】図１

Description

この発明は鋳鉄の鋳造方法、特に半凝固冷却ー鋳込みー加圧ー熱処理を組み合わせた鋳造方法に関する。

半溶融、半凝固状態の金属は、溶解している金属から鋳造するよりも凝固収縮量が小さく、偏析も小さく、更に均一で微細な組織が得られるなどの現象からレオキャスト法（半凝固鋳造法）、チクソキャスト法などと称せられて、最近種々の研究がなされている。従来のレオキャスト法は、溶融金属を半凝固状態まで冷却し、これを金型に鋳込んで結晶の微細な鋳造物を得る方法である。また、一般にチクソキャスト法は、一旦レオキャスト法で得た固体金属をペレット状、チップ状に加工し、これを再度半溶融、半凝固状態まで加熱した後に、金型に鋳込む方法である。

特許文献１には、チクソキャスト法に用いるビレットの製造方法の発明が開示されている。
また、特許文献２には、マグネシウム合金の鋳造法として、溶解炉から排出された溶融金属を傾斜冷却板上に流して半凝固状態まで冷却し、これを金型に直接流し込んで鋳造する方法が開示されている。

特開２００４−２５２８３号公報特開２００４−１６０５０７号公報

発明者らは鋳鉄への適用を検討し、溶融鋳鉄を傾斜冷却板上に流して半凝固状態まで冷却し、これを金型に直接流し込んで鋳造する方法を検討した結果、従来では得られなかった性質の鋳物が得られることが判明し、発明の完成に至った。

請求項１の発明では、鋳鉄の溶湯を傾斜冷却板に流して半凝固状態まで冷却し、半凝固状態の溶湯を金型内に鋳込み、鋳込み直後に加圧しながら凝固させ、その後に得られた鋳物に熱処理を施すことを特徴としている。

鋳鉄は、カーボン濃度が２％以上の亜共晶、共晶、過共晶のいずれの鋳鉄であってもよい。望ましくは、溶湯の半凝固状態を制御しやすい炭素当量(ＣＥ)（＝％Ｃ＋１／３％Ｓｉ）が、亜共晶組成では２〜４重量％、過共晶組成では４．６〜５．５重量％の固相線と液相線の温度範囲が広い範囲が望ましい。
亜共晶の鋳鉄では、引張強さに優れ、伸びのある鋳物が得られる。特に、内部よりも表層部で硬い鋳物が得られる（請求項３）。

注湯温度は、鋳鉄が均一に溶解していれば良く、いわゆる鉄ーカーボン系の状態図において液相線以上５０〜１００°Ｃ程度が望ましい。

傾斜冷却板は、流れる溶湯が固相率で０．１０〜０．４の半凝固状態で金型に鋳込むことのできるように冷却板の長さ、傾斜角度等を調整する。固相率が０．１未満では得られる鋳物の材料特性が不十分となり、一方、０．４を越えると粘性が大きくなって円滑な鋳込みが困難になる。傾斜冷却板により半凝固状態まで冷却することによって、微細な初晶の晶出核が多数発生して結晶の微細化が図られる。

金型は、室温であってもよいが１５０〜４００°Ｃに予熱することが望ましい（請求項２）。予熱により、引張強さ、伸びともに向上する。特に、２００〜３００°Ｃに予熱することが望ましい。

鋳込み後、直ちに加圧する。これにより、冷却が促進されるとともに凝固中の結晶組織が破壊され、更に結晶の微細化が図られる。加圧圧力は３０ＭＰａ以上とする。３０ＭＰａ未満では、加圧した大きな効果が得られない。特に５０ＭＰａ以上が望ましい。
凝固後に、従来から知られている黒鉛析出のための熱処理を施す。たとえば、９５０°Ｃ以上に６０分間加熱することにより行う。この熱処理により、センメンタイトが黒鉛、フェライト及びパーライトになる反応が半凝固鋳造と加圧の相乗効果により速やかに行われ、黒鉛が微細に分布する。

請求項１の発明では、鋳鉄の溶湯を傾斜冷却板に流して半凝固状態まで冷却し、半凝固状態の溶湯を金型内に鋳込み、鋳込み直後に加圧しながら凝固して、その後に得られた鋳物に熱処理を施すことにより、引張強度に優れるとともに、伸びのある鋳鉄鋳物を得ることができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、金型を２００〜４００°Ｃに予熱することにより、さらに引張強度に優れるとともに、伸びのある鋳鉄鋳物を得ることができる。

請求項３の発明では、請求項１の発明において、鋳鉄を亜共晶鋳鉄とすることにより、内部よりも表層部で硬い鋳物が得られ、耐摩耗性に優れる鋳鉄鋳物とすることができる。

以下、一例を示す図面に基づいて、本発明を詳細に説明する。図１は、鋳造装置を示す説明図であって、図示しない電気抵抗炉内に納めたるつぼ内で均一に溶解した鋳鉄を注湯装置１内に保持される。傾斜冷却板２は、樋状の形状とされ、水平面に対して下向きの勾配１０°の傾斜面とされ、また、鋳鉄の流下面に潤滑剤としてＢＮが塗布されている。また、傾斜冷却板２の背面側には、水冷の冷却パイプが配設されて、流下する溶湯を固相率で０．１〜０．４の半凝固状態まで冷却する。傾斜冷却板２の上端側に設けた注ぎ口の近傍に注湯装置１を移動し、溶湯を注入する。傾斜冷却板２の出口側には、金型３が配置され、溶湯が傾斜冷却板２上を冷却されながら流下して金型３内に鋳込まれる。この鋳込みが完了すると、加圧装置４により直ちに半凝固状態の溶湯が加圧される。

この試験装置を使用して、試験を行った。金型３は、２種類用意した。図２（Ａ）に示す鋳物は、円柱状鋳物用鋳型により作成された例であって、長さｌが１３０ｍｍ、下端の直径ｄが２０ｍｍである。また、図２（Ｂ）に示す鋳物は円盤状鋳物用鋳型により作成された例であって、下部の最大径Ｄ_１が２００ｍｍ、上部の最小径Ｄ_２が５０ｍｍである。なお、金型は、ＳＫＤ６２製で厚さ３０ｍｍ程度として、金型３内に離型剤を塗布している。
円柱状金型、円盤状金型にそれぞれに鋳込む鋳鉄（供試材）は、２種類の亜共晶組成の鋳鉄を使用した。その組成を表１に示す。

また、円柱状鋳物を製作した試験条件を表２に示す。

最初に、マクロ的外観に及ぼす加圧の影響を知るために、加圧装置４を使用していない「加圧なし」の条件と、６９ＭＰａに加圧した条件での試験を行った。この試験は、供試材１の組成の鋳鉄を円柱状鋳型に鋳込んだ鋳物についておこない、そのマクロ的外観を観察した。この結果、加圧なしで凝固した場合には、半凝固スラリの粘性に対応しきれずに、溶湯の充填不良や巻きこんだガスによる気孔を生じていた。一方、６９ＭＰａに加圧したものでは、気孔の発生がほとんどなく良好な鋳物が得られていた。

次に、供試材２の組成の鋳鉄を円盤状鋳型に鋳込んだ鋳物により充填率を検討した。図２（Ｂ）において、ポイントＰ部での充填率を測定し、その結果を図３に示す。図３に示されるように、加圧しない場合には、注湯温度によりばらつきもあるが、ほぼ０．９５以下を示した。一方、３５ＭＰａ、６９ＭＰａに加圧した実施例においては、いずれも０．９８以上の充填率を示し、３５ＭＰａの加圧力であっても十分なことが判明した。

次に、供試材１の組成の鋳鉄を円柱状鋳型に鋳込んだ鋳物について、金型予熱温度が及ぼす影響を検討した。図４、図５に示すように、実施例においては、金型の予熱温度を３００°Ｃとした時に最も高い引張強さと伸びを示し、予熱をしていない２０°Ｃ及び２００°Ｃ程度の予熱温度では若干低い引張強さを示した。また伸びの特性については、３００°Ｃでは４％と高く、２００°Ｃでは３％、予熱をしていない場合には１％と明白な影響を示した。一方、加圧なしの比較例では、３００°Ｃの予熱をしても、引張強さは２００ＭＰａ、伸びは０．５％と著しく低い値を示した。

次に、加圧と熱処理が及ぼす鋳物の特性を検討するために試験を行った。
表１に示す供試材１を用いて、円柱状鋳型による鋳込み試験を行い、その後９５０°Ｃ、１８０分間、大気中で熱処理を施した。

熱処理後の組織を顕微鏡により観察した。図６、図７は加圧無しの条件で鋳造した比較例であって、図６は腐食前の状態の黒鉛組織、図７は腐食後の組織を示す。図８，図９は加圧圧力６９ＭＰａで鋳込み後直ちに加圧した実施例であって、図８は腐食前の状態の黒鉛組織、図９は腐食後の組織を示す。

比較例と実施例との対比において、図６と図８により、加圧した実施例の方がより微細化された黒鉛粒となっていることが判明した。この理由は、鋳造直後の加圧により、析出センメンタイトが細かく分散し、その後の熱処理において炭素の拡散が容易になって、微細な黒鉛粒が多数生成したものである。また、５％ナイタル液腐食液を用いて腐食後に観察したところ、比較例の図７では、柱状のセンメンタイト地に黒鉛が分散している。これに対して、実施例の図９では、パーライトとフェライトの混合晶地に粒状の微細な黒鉛が分散していた。

これらの比較例と実施例について、引張試験と伸び試験を行った。
図１０は、引張試験の結果を示し、６９ＭＰａの加圧した実施例においては、注湯温度１３００、１３５０、１４００°Ｃのいずれも７００ＭＰａ以上の高い値を示した。一方、加圧なしの比較例では２００ＭＰａ程度の低い値を示した。図１１に示す伸び試験においても、加圧なしの比較例においては０．５％程度の低い伸びであったのに対して、２〜４％の高い伸びを示した。

次に鋳物内部と表面との特性の変化を検討した。試験は、表１に示す供試材２を用い、図２（Ｂ）の円盤状鋳物について、図１２に示すエッジ部と距離３ｍｍ離れたセンター部までの間の硬度を測定した。図１３にその結果を示す。この硬度試験により、比較例の加圧なしの場合には、内部とエッジ部では、その硬度に大きな変化が見られなかった。これに対して、加圧した実施例では、内部ではビッカース硬度５４０Ｈｖであったのが、エッジ部では６５０Ｈｖと、表面の硬度が内部よりも高い結果が得られた。これは、加圧により、半凝固組織の間から液相が表面に押し出されて、内部よりも急冷されたものと考えられる。これにより、表層部では優れた耐摩耗性を発揮し、内部に靱性に優れた鋳鉄が得られた。なお、従来から行われている均一な溶湯を用いて鋳込む金型重力鋳造法により得られた試験結果についても併せて比較したところ、センター部とエッジ部との間に大きな硬度の変化は見られず、また加圧した場合に比べて硬度が低くなっていた。

次に、表３に示す組成の過共晶鋳鉄を用いて図２（Ａ）に示す円柱状鋳物を作成し、亜共晶組成の場合と同様に試験を行った。試験条件を表４に示す。

熱処理後の組織を顕微鏡により観察した。図１４は、加圧無しの条件で鋳造した比較例である。図１５は、加圧圧力６９ＭＰａで鋳込み後直ちに加圧した実施例である。

図１４と図１５との対比において、黒鉛粒は加圧した実施例の方がより粒状化し、微細化されている。また、析出セメンタイト（写真において白色部分）も細かく分散していることが判明した。これらの顕微鏡写真から、過共晶組織においても、引張強度と伸びの高い鋳鉄が得られることが判明した。

鋳造装置の説明図試験に使用した鋳物の斜視図エッジ部分充填率に及ぼす溶湯温度の関係を示すグラフ引張強さに及ぼす金型予熱温度の関係を示すグラフ伸びに及ぼす金型予熱温度の関係を示すグラフ亜共晶鋳鉄の顕微鏡写真であって、加圧無しの条件で鋳造した比較例の腐食前の状態の黒鉛組織亜共晶鋳鉄の顕微鏡写真であって、加圧無しの条件で鋳造した比較例の腐食後の組織を示す。亜共晶鋳鉄の顕微鏡写真であって、加圧圧力６９ＭＰａで鋳込み後直ちに加圧した実施例の腐食前の状態の黒鉛組織亜共晶鋳鉄の顕微鏡写真であって、加圧圧力６９ＭＰａで鋳込み後直ちに加圧した実施例の腐食後の組織を示す。引張強さに及ぼす溶湯温度の関係を示すグラフ伸びに及ぼす溶湯温度の関係を示すグラフエッジ部とセンター部との関係を示す説明図鋳物表面と内部との硬度の関係を示すグラフ過共晶鋳鉄の顕微鏡写真であって、加圧無しの条件で鋳造した比較例の腐食前の状態の黒鉛組織過共晶鋳鉄の顕微鏡写真であって、加圧圧力６９ＭＰａで鋳込み後直ちに加圧した実施例の腐食前の状態の黒鉛組織

符号の説明

１…注湯装置
２…傾斜冷却板
３…金型
４…加圧装置

Claims

鋳鉄の溶湯を傾斜冷却板に流して半凝固状態まで冷却し、該半凝固状態の溶湯を金型内に鋳込み、鋳込み直後に加圧しながら凝固させ、その後に得られた鋳物に熱処理を施すことを特徴とする鋳造方法。
金型を２００〜４００°Ｃに予熱していることを特徴とする請求項１記載の鋳造法。
鋳鉄は炭素当量２〜４％の亜共晶鋳鉄であることを特徴とする請求項１，２記載の鋳造方法。