JP2007138241A

JP2007138241A - プレス金型用鋳鉄およびプレス金型用鋳鉄製造方法

Info

Publication number: JP2007138241A
Application number: JP2005333089A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Tomohiro; 和典友廣
Original assignee: TOMOTETSU KOGYO KK
Current assignee: TOMOTETSU KOGYO KK
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2007-06-07

Abstract

【課題】従来の鋳造設備を利用しながら、強度が高く、制振性、溶接性、焼き入れ性、加工性に優れたプレス金型用鋳鉄を提供する。
【解決手段】金属組織中の黒鉛球状化率が３０〜７０％であって、酸素含有量５〜２０ｐｐｍ（質量比）、パーライト率６０〜１００％、Ｓ含有量０．０３％（質量比）以下のプレス金型用鋳鉄であり、質量比で、Ｃ含有量３〜４％、Ｓｉ含有量１．５〜２．５％、Ｍｎ含有量０．５〜１．０％、Ｃｒ含有量０．２〜１．０％、Ｃｕ含有量０．２〜１．０％である。このプレス金型用鋳鉄の製造工程は、溶解炉１０における作業工程と、取鍋２０における作業工程と、鋳型３０における作業工程とに分けられ、これらの作業工程は一部並行しながら進められる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼板のプレス成形工程において使用されるプレス金型の素材として好適な鋳鉄材料に関する。

鋼板のプレス成形工程において使用されているプレス金型の素材としては、従来、ＦＣ２５０やＦＣ３００などの普通鋳鉄が主流であるが、一部ではダクタイル鋳鉄も使用されている。普通鋳鉄は比較的安価であり、振動減衰能に優れているが、溶接性が悪いという欠点がある。これに反し、ダクタイル鋳鉄は溶接性に優れているが、振動減衰能が悪く、普通鋳鉄より高価である。

そこで、普通鋳鉄およびダクタイル鋳鉄の長所を兼ね備えた鋳鉄材料の研究、開発が行われ、その代表例として、溶接性に優れたＣ／Ｖ（「Ｃｏｍｐａｃｔｅｄ／Ｖｅｒｍｉｃｕｌａｒ」の略称。以下、同じ。）黒鉛鋳鉄鋳物などが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この鋳鉄材料は、Ｃ／Ｖ黒鉛鋳鉄鋳物に脱炭熱処理を施すことにより、表面層をフェライト組織にしたものである。

特開平１０−１７６２３６号公報

特許文献１記載のＣ／Ｖ黒鉛鋳鉄鋳物の場合、その製造工程においては、接種後の溶湯を鋳込んで鋳物を形成した後、さらに、この鋳物を砂鉄に埋め込んで低温脱炭焼鈍を行う必要がある。このため、従来の鋳造工程に加え、熱処理工程を設ける必要があり、製造時間が増大するだけでなく、製造設備も複雑化する。

また、特許文献１記載のＣ／Ｖ黒鉛鋳鉄鋳物は、表面層がフェライト組織であるため、硬さが低く、耐摩耗性が劣っている。また、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉなどの焼き入れ性を向上させる合金元素の含有量が少ないことにより、フレームハードなどの熱処理によって硬化しないため、プレス金型用の鋳鉄としては不適である。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、従来の鋳造設備を利用しながら、強度が高く、制振性、溶接性、焼き入れ性、加工性に優れたプレス金型用鋳鉄を提供することにある。

本発明のプレス金型用鋳鉄は、金属組織中の黒鉛球状化率が３０〜７０％であって、酸素含有量５〜２０ｐｐｍ（質量比）、パーライト率６０〜１００％、硫黄（Ｓ）含有量０．０３％（質量比）以下であることを特徴とする。このような構成とすれば、酸素含有量が少なく、普通鋳鉄特有の片状黒鉛が切断されるとともに微細化されたＣ／Ｖ状黒鉛が散在する金属組織が形成されるため、強度が高く、制振性、溶接性、焼き入れ性、加工性に優れたものとなる。なお、黒鉛球状化率が３０％未満であると引っ張り強さが低下し、７０％を超えると制振性が急激に低下するため前記範囲が好適である。また、酸素含有量が２０ｐｐｍ（質量比）を超えたり、硫黄（Ｓ）含有量が０．０３％を超えたりすると、黒鉛形状制御が阻害され、パーライト率６０％より小さくなると、強度、耐摩耗性が低下する。

また、このプレス金型用鋳鉄において、質量比で、炭素（Ｃ）含有量３〜４％、珪素（Ｓｉ）含有量１．５〜２．５％、マンガン（Ｍｎ）含有量０．５〜１．０％、クロム（Ｃｒ）含有量０．２〜１．０％、銅（Ｃｕ）含有量０．２〜１．０％とすることもできる。このような構成とすれば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＣｒおよびＣｕの作用により、マルテンサイト変態開始温度が低温側へ移行するため、空冷によって必要な硬さを得られる程度まで焼き入れ性を向上させることができ、焼入硬さも高まる。また、焼入歪みも軽減することができる。さらに、これらの合金元素は、焼き入れ性を向上させる作用を有するニッケル（Ｎｉ）やモリブデン（Ｍｏ）などに比べ、安価で入手し易いため、コスト削減にも有効である。

一方、本発明のプレス金型用鋳鉄製造方法は、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）の何れかを含む添加剤と、フェロシリコンを含む接種剤とを収容した取鍋中において溶湯処理を行うことを特徴とする。このような構成とすれば、添加剤の作用により、酸素含有量が２０ｐｐｍ（質量比）以下に低減され、黒鉛球状化率３０〜７０％程度の微細化されたＣ／Ｖ状黒鉛が散在する金属組織が形成されるため、強度が高く、制振性、溶接性、焼き入れ性および加工性に優れたプレス金型用鋳鉄を得ることができる。

この場合、前記添加剤として、マグネシウム（Ｍｇ）含有量１〜１０％（質量比）のマグネシウム合金を用いれば、溶湯中に溶解している酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）と、マグネシウム（Ｍｇ）との間で、
Ｍｇ＋Ｏ＝ＭｇＯ
Ｍｇ＋Ｓ＝ＭｇＳ
という二つの反応が生じるため、脱酸および脱硫を促進することができる。なお、添加剤としては、マグネシウム合金のほかに、酸素および硫黄との結合力の強いアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、カルシウム（Ｃａ）などを含む合金を用いることもできる。

本発明により、従来の鋳造設備を利用しながら、強度が高く、制振性、溶接性、焼き入れ性、加工性に優れたプレス金型用鋳鉄を提供することができる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について詳しく説明する。図１は本発明の実施の形態であるプレス金型用鋳鉄の製造工程を示す図、図２はＭｇ添加量と溶湯中のＯ，Ｎの関係を示すグラフ、図３は本発明の実施の形態であるプレス金型用鋳鉄およびその他の鋳鉄の金属組織を示す模式図、図４は黒鉛の球状化率と強度の関係を示すグラフである。

本実施形態のプレス金型用鋳鉄の製造工程は、図１に示すように、溶解炉１０における作業工程と、取鍋２０における作業工程と、鋳型３０における作業工程とに分けられ、これらの作業工程は一部並行しながら進められる。

まず、溶解炉１０に、原材料１１である銑鉄や鉄くずなどを投入後、溶解炉１０の通電１２を開始すると、溶解炉１０中の温度が上昇していき、１２００℃〜１３００℃程度まで到達すると、炉中の原材料１１が徐々に溶け落ち１３していき、やがて溶湯となる。この段階で、溶湯の一部を取り出して成分分析１４を行い、酸素含有量および硫黄含有量を分析する。酸素含有量および硫黄含有量は原材料１１の種類によって左右されるが、一般的には、原材料１１における鉄くずの割合が高いときに酸素含有量および硫黄含有量が高くなる傾向にある。

次に、成分分析１４によって判明した酸素含有量および硫黄含有量に対応した分量の脱酸剤・脱硫剤添加１５を行う。本実施形態では、脱酸剤としてフェロシリコン（Ｆｅ−Ｓｉ）を使用し、脱硫剤としてＣａ−Ｓｉを使用しているが、これらに限定するものではない。脱酸剤・脱硫剤添加１５により、溶湯中の酸素含有量が７０〜１００ｐｐｍ（質量比）程度となり、硫黄含有量が０．０５％（質量比）以下程度となったら、溶解炉１０の温度が約１４００℃〜１５００℃程度となるまで昇温１６された後、出湯１７が行われる。

一方、取鍋２０においては、約２００℃〜５００℃程度となるまで予熱２１が行われた後、取鍋２０内に添加剤・接種剤セット２２が行われる。本実施形態では、添加剤としてマグネシウム合金を使用し、接種剤としてフェロシリコンを使用しているが、これらに限定するものではない。そして、添加剤・接種剤セット２２が完了した取鍋２０内に、前述した溶解炉１０から出湯１７された溶湯が送り込まれ、溶湯処理２３が行われる。この工程では、溶湯中にマグネシウム合金が添加された状態となり、溶湯中の酸素含有量が２０ｐｐｍ（質量比）以下にまで低減されるため、後述するように、凝固後は微細化された黒鉛が散在する金属組織が得られる。なお、Ｍｇ添加量と酸素含有量との関係は図２に示すような結果となる。図２を見ると、Ｍｇ添加量が０．０１％（質量比）未満の場合は酸素含有量が７０ｐｐｍ（質量比）前後であるが、Ｍｇ添加量が０．０１５〜０．０３％（質量比）になると酸素含有量は２０〜５ｐｐｍ（質量比）まで低減されることが判る。そのほか、図２を見ると、Ｍｇ添加量は最低限でも０．０１５％は必要であることが判る。

溶湯処理２３においては、添加剤として使用されたマグネシウム合金により、取鍋２０中において、Ｍｇ＋Ｏ＝ＭｇＯおよびＭｇ＋Ｓ＝ＭｇＳという二つの反応が生じるため、脱酸および脱硫を促進することができる。溶湯処理２３が完了すると、沈静化２４が行われ、溶湯が約１３５０℃〜１４００℃程度となるように温度調節２５が行われた後、鋳型３０への注湯２６が行われる。

一方、鋳型３０においては、予め模型準備３１および造型３２が行われており、完成した鋳型３０内に、取鍋２０中の溶湯が注湯２６されることにより、所謂、鋳込み３３が行われる。鋳込み３３が完了したら、鋳型３０内の溶湯が凝固し、約３００℃〜５００℃程度に降温するまで放置（静置）される。そして、前記温度まで降温すると、解枠３４を行うことによって固化した鋳鉄品が鋳型３０から取り出され、これに仕上げ３５加工を施すことにより、鋳物３６が完成する。

このようにして完成した鋳物３６は、引っ張り強さ３５０Ｎ／ｍｍ²、フレームハード処理後の硬さＨＲＣ５０以上を有しており、強度が高く、制振性、溶接性、焼き入れ性および加工性に優れているため、プレス金型用鋳鉄として好適である。

ここで、図３を参照して、本実施形態に係るプレス金型用鋳鉄（以下「ＴＦＧ３５０」という。）およびその他の鋳鉄の金属組織について説明する。図３（ａ）は普通鋳鉄ＦＣ３００の金属組織を示し、同（ｂ）〜同（ｅ）はＴＦＧ３５０の金属組織を示し、同（ｄ）はダクタイル鋳鉄の金属組織を示している（倍率はいずれも２００倍である）。図３を見ると、普通鋳鉄ＦＣ３００の黒鉛球状化率は１１．８％であるのに対し、ＴＦＧ３５０の黒鉛球状化率は（ｂ）３６．７％，（ｃ）４７％，（ｄ）５０％，（ｅ）６８．４％となっている。なお、ダクタイル鋳鉄の黒鉛球状化率は９０％である。

ＴＦＧ３５０における黒鉛球状化率の相違は、図１で示した取鍋２０における添加剤（マグネシウム合金）の添加量の多少によるものであるが、本実施形態におけるマグネシウム合金の添加量は、Ｍｇ換算した値で、図３（ｂ）の場合は０．０１５％、図３（ｃ）の場合は０．０２０％、図３（ｄ）の場合は０．０２５％、図３（ｅ）の場合は０．０３０％である。これらのことより、マグネシウム合金の添加量が増加するほど、黒鉛球状化率も高まることが分かるが、黒鉛球状化率が高まると制振性が低下する傾向が生じるので、マグネシウム添加量は、Ｍｇ換算値で０．０１５〜０．０３０％程度が好適範囲である。そのほか、図３を見ると、ＴＦＧ３５０の黒鉛形状はＪＩＳＧ５５０２−１９９５によるとIII型〜Ｖ型黒鉛に該当しており、所謂、Ｃ／Ｖ黒鉛だけでないことが判る。

次に、図４を参照して、本実施形態に係るプレス金型用鋳鉄の金属組織中における黒鉛球状化率と引張り強さの関係について説明する。図４を見ると分かるように、黒鉛球状化率が３０％未満の場合は引張り強さは２５０〜３００Ｎ／ｍｍ²であるが、球状化率が３０％を超えると引張り強さは急激に高まって５００Ｎ／ｍｍ²程度となり、７０％程度まではその状態が保たれ、７０％を超えると５５０Ｎ／ｍｍ²程度となり、その後は、黒鉛球状化率が高まっても引張り強さは横這い状態となっている。このことより、黒鉛球状化率３０〜７０％であれば、プレス金型用鋳鉄に必要な３５０Ｎ／ｍｍ²以上の引張り強さが得られることが判る。従って、黒鉛球状化率３０〜７０％とするためには、取り鍋中の溶湯に、マグネシウム換算で、０．０１５〜０．０３０％程度のＭｇを添加すれば良いこととなる。また、図４を見ると、黒鉛球状化率８０％以上のダクタイル鋳鉄程度の黒鉛球状化率になっても、引張り強さはさほど増加せず、効率的でないことが判る。

本実施形態のプレス金型用鋳鉄において、以下のような効果を得ることができる。
（１）Ｍｇを添加して酸素含有量を２０〜５ｐｐｍにすれば、溶接時にＣ＋Ｏ＝ＣＯ（Ｇａｓ）反応によるピンホール欠陥をなくすことができると同時に溶接性が向上する。
（２）黒鉛形状を球状化率３０〜７０％の微細な黒鉛とすることにより、強度が向上すると同時に焼き入れ性の向上、熱伝導率の改善を図ることができる。
（３）Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｕなどを含有することにより、焼入れ硬さが高まり、空冷程度でも硬化する程度の焼入れ性が得られ、焼入れ歪みも軽減することができる。
（４）微小欠陥がなく、酸素含有量が少ないので、微小鋳巣、加工時の黒鉛の脱落、表面焼き入れ時の黒鉛の酸化消耗、溶接欠陥が発生せず、焼付き抵抗性が優れている。
（５）黒鉛形状が完全に球状でないため、プレス金型として必要レベルの振動減衰能を維持することができる。
（６）普通鋳鉄に比べ高い強度を有するので高い応力レベルの箇所にも適用できる。
（７）フレームハードにより硬さを高めることができるので、鋼板の切断部分などにも適用することができ、使用範囲を広げることができる。
（８）普通鋳鉄に比べ強度、フレームハード硬さが高いため、高張力鋼板など強度が高い鋼板への適用も可能であり、使用範囲を広げることができる。

本発明のプレス金型用鋳物は、自動車産業用鋼板のプレス成形工程の金型用材料として広く使用することができる。

本発明の実施の形態であるプレス金型用鋳鉄の製造工程を示す図である。Ｍｇ添加量と溶湯中のＯ，Ｎの関係を示すグラフである。本発明の実施の形態であるプレス金型用鋳鉄および他の鋳鉄の金属組織を示す模式図である。金属組織中の黒鉛の球状化率と強度の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０溶解炉
１１原材料
１２通電
１３溶け落ち
１４成分分析
１５脱酸剤・脱硫剤添加
１６昇温
１７出湯
２０取鍋
２１予熱
２２添加剤・接種剤セット
２３溶湯処理
２４沈静化
２５温度調節
２６注湯
３０鋳型
３１模型準備
３２造型
３３鋳込み
３４解枠
３５仕上げ
３６鋳物

Claims

金属組織中の黒鉛球状化率が３０〜７０％であって、酸素含有量５〜２０ｐｐｍ（質量比）、パーライト率６０〜１００％、硫黄（Ｓ）含有量０．０３％（質量比）以下であることを特徴とするプレス金型用鋳鉄。
質量比で、炭素（Ｃ）含有量３〜４％、珪素（Ｓｉ）含有量１．５〜２．５％、マンガン（Ｍｎ）含有量０．５〜１．０％、クロム（Ｃｒ）含有量０．２〜１．０％、銅（Ｃｕ）含有量０．２〜１．０％であることを特徴とする請求項１記載のプレス金型用鋳鉄。
マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）の何れかを含む添加剤と、フェロシリコンを含む接種剤とを収容した取鍋中において溶湯処理を行うことを特徴とするプレス金型用鋳鉄製造方法。
前記添加剤として、マグネシウム（Ｍｇ）含有量１〜１０％（質量比）のマグネシウム合金を用いたことを特徴とする請求項３記載のプレス金型用鋳鉄製造方法。