JP2007330994A

JP2007330994A - 高Ｃｒ鋳鉄鋳物及びその鋳造方法

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Publication number: JP2007330994A
Application number: JP2006165906A
Authority: JP
Inventors: Hideo Hatake; 英雄畠; Hitoshi Ishida; 斉石田; Shinichiro Shibuya; 慎一郎渋谷
Original assignee: KOSHUHA CHUZO KK; Kobe Steel Ltd
Current assignee: KOSHUHA CHUZO KK; Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-06-15
Also published as: JP4514056B2

Abstract

【課題】本体部の湯口部直下部位に硬度低下が生じない、亜共晶組成の高Ｃｒ鋳鉄鋳物およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の高Ｃｒ鋳鉄鋳物は、mass％で、Ｃ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１１〜２２％を含む高Ｃｒ鋳鉄で鋳造され、押し湯部１から湯口部２を介して本体部３が形成され、前記本体部３の平均横断面積をＳ、湯口部２の平均横断面積をＳｎとするとき、Ｓｎ／Ｓを０．１０〜０．７５とされたものである。この鋳物は、押し湯部１から湯口部２を介して本体部３が形成された鋳造空間を有し、前記Ｓｎ／Ｓを０．１０〜０．７５とする鋳型に前記高Ｃｒ鋳鉄の溶湯を鋳込み、冷却凝固させることで製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐摩耗ライナー、岩石の粉砕機、鋼材の搬送ローラーなどの耐摩耗部材として好適に使用することができる高Ｃｒ鋳鉄鋳物、及びその製造方法に関する。

高Ｃｒ鋳鉄は耐摩耗材料として使用されており、特開平１１−２２９０７１号公報（特許文献１）や特開２００１−２４７９２９号公報（特許文献２）に開示されているように、特にＣを２．５〜３．５mass％、Ｃｒを１１〜２２mass％程度含有する亜共晶組成の高Ｃｒ鋳鉄は優れた耐摩耗性を有する耐摩耗材として知られている。

高Ｃｒ鋳鉄は、一般的に、高Ｃｒ鋳鉄の溶湯を押し湯部から湯口部（ネック部）を介して本体部が形成された鋳造空間を有する鋳型に鋳込み、冷却凝固させ、鋳造後の鋳物から湯口部を破断することで押し湯部と本体部とを分離し、本体部に対して焼き入れ、焼き戻しを施すことにより製造される。所定の硬さを得るためには、十分に焼入れる必要があり、焼き入れ時の冷却速度は一定以上となるように調整される。

また、高Ｃｒ鋳鉄、特に亜共晶組成のものは、固体と液体が共存する温度領域が広くなることから、湯流れ性が低下し、その結果として鋳造欠陥（引け巣）が発生しやすくなる。このため、押し湯部、湯口部はその横断面積が十分な大きさのものが設置される。従来、押し湯部の横断面積Ｓｈ、湯口部の横断面積Ｓｎとするとき、Ｓｎ／Ｓｈ≧０．８程度に十分大きくすることにより引け巣の発生が防止されている。
特開平１１−２２９０７１号公報特開２００１−２４７９２９号公報

しかし、亜共晶組成の高Ｃｒ鋳鉄の場合、押し湯部および湯口部の横断面積を大きくすると、鋳造後の鋳物において、焼入れ速度を十分大きくしても、本体部の湯口部直下部位における硬さが本体部の他の部分に比べて大きく低下するという問題がある。部分的に硬さの低い領域があると、耐摩耗材として使用した場合に均等な摩耗にならず、部材の寿命低下や機械装置の故障を引き起こす原因となる。このような問題を回避するには、本体部の湯口部直下部位を除去する等の処理が必要となり、製造工程の増加、製造コストの上昇を余儀なくされる。
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、本体部の湯口部直下部位に硬度低下が生じ難い、亜共晶組成の高Ｃｒ鋳鉄鋳物およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の高Ｃｒ鋳鉄鋳物は、mass％で、Ｃ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１１〜２２％を含む高Ｃｒ鋳鉄で鋳造され、押し湯部から湯口部を介して本体部が形成され、前記本体部の平均横断面積をＳ、湯口部の平均横断面積をＳｎとするとき、Ｓｎ／Ｓを０．１０〜０．７５とされたものである。この鋳物は、押し湯部から湯口部を介して本体部が形成された鋳造空間を有し、本体部の平均横断面積をＳ、湯口部の平均横断面積をＳｎとするとき、Ｓｎ／Ｓを０．１０〜０．７５とする鋳型に前記高Ｃｒ鋳鉄の溶湯を鋳込み、冷却凝固させることで容易に製造することができる。

本発明の高Ｃｒ鋳鉄鋳物、その製造方法によれば、上記Ｓｎ／Ｓを０．１０〜０．７５とするので、Ｃ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１１〜２２％を含む亜共晶組成の高Ｃｒ鋳鉄であっても、鋳造の際に押し湯部ないし湯口部に引け巣の発生を抑制しながら、湯口部の冷却速度を上げて、鋳物本体部と湯口部との冷却速度差を減少させることができる。このため、本体部における湯口部直下部位の二次炭化物の生成ひいては固溶Ｃ量の低減を抑制することができ、焼入れの際の当該部位の硬さ低下を防止することができる。また、湯口部が小径となるので、押し湯部での切断が容易になり、本体部を押し湯部から容易に分離することができ、生産性が向上する。

本発明の高Ｃｒ鋳鉄鋳物、その製造方法によれば、高Ｃｒ鋳鉄が亜共晶組成であっても、湯口部と本体部との溶湯の凝固冷却速度差が縮小されるので、本体部の湯口部直下部位における炭化物析出に起因する固溶Ｃ量の減少を抑制することができ、引いては当該部位の硬度低下を防止することができる。このため、当該湯口部直下部位を除去することなく、高Ｃｒ鋳鉄鋳物の硬さ、品質の均一化を図ることができる。

本発明者は、Ｃを２．５〜３．５mass％、Ｃｒを１１〜２２mass％含有する亜共晶組成の高Ｃｒ鋳鉄を鋳造する場合、本体部の湯口部直下部位で焼入れ後の硬度が十分得られない原因を鋭意追求した結果、以下のことがわかった。
すなわち、亜共晶組成の高Ｃｒ鋳鉄溶湯は湯流れ性が悪く、引け巣が生じ易いことから、図１に示すように、その鋳造用鋳型において、押し湯部１を大きくすると共に、押し湯部１から鋳型の本体部３へ連通する湯口部２の横断面も大きく設定されていた。ところが、湯口部２を大きく設定すると、鋳込み時に、湯口部２が接続される本体部３の湯口部直下部位の冷却速度が本体部に比して遅くなり、１０００℃以下で２次炭化物が析出し、母相中の固溶Ｃを固定してしまう。焼き入れによりマルテンサイト化した母相の固さは、焼入れ時の固溶Ｃ量に依存するため、２次炭化物によりＣが固定されて固溶Ｃ量が減少した湯口部直下部位では、たとえ十分な焼き入れ冷却速度を与えても、十分に焼きが入らず、硬さが低下するようになるのである。

本発明者はかかる知見を基に、湯口部２と本体部３の冷却速度を支配する大きさ（横断面）に対して検討を加え、本体部３、湯口部２の平均横断面積をＳ、Ｓｎとしたとき、Ｓｎ／Ｓを０．１０〜０．７５に設定することで、引け巣の発生を抑制しつつ、湯口部２と本体部３との冷却速度差を縮小して、本体部３の湯口部直下部位の硬さ低下を抑制することができることを見出した。
すなわち、Ｓｎ／Ｓが０．１０未満では引け巣発生の抑制が不十分となり、一方０．７５超では本体部３との冷却速度差が大きくなって、湯口部直下部位での硬度低下を招来するようになる。また、Ｓｎ／Ｓを０．７５以下に設定することで、湯口部２の切断を容易に行うことができるようになり、押し湯部２を本体部３から容易に分離することができるようになる。Ｓｎ／Ｓは、好ましくは０．１〜０．５、より好ましくは０．１〜０．３とするのがよい。なお、押し湯部のサイズ（体積）は、通常、本体部に対して１／５〜１／２程度に設定される。

本発明に用いる亜共晶組成の高Ｃｒ鋳鉄のＣ，Ｃｒ含有量は、以下の理由により、mass％で、Ｃ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１１〜２２％に限定される。
Ｃ：２．５〜３．５％
Ｃは、高硬度の１次炭化物の生成、および母相のマルテンサイトの硬さの確保により十分な硬さを得るために必要である。２．５％未満では硬さが不十分となり、一方３．５％を超えると、母相に残留オーステナイトが生成するようになるため、かえって硬さが低下する。このため、Ｃ量の下限を２．５％、その上限を３．５％とする。

Ｃｒ：１１〜２２％
Ｃｒは、Ｃと同様に高硬度の１次炭化物の生成、および母相の焼き入れ性の確保により高硬度を得るために必要である。１１％未満では、１次炭化物の生成量が過少となるとともに、母相中の固溶Ｃｒ量が不足して焼き入れ性が低下するために十分な硬さが得られない。一方、２２％を超えると、１次炭化物は多量に晶出するが、マルテンサイト母相の固さを向上させるための固溶Ｃが低減してしまうために、やはり十分な硬さが得られない。このため、Ｃｒ量の下限を１１％、その上限を２２％とする。

上記Ｃ、Ｃｒ以外の成分は高Ｃｒ鋳鉄成分として公知の成分を適宜添加することができる。高Ｃｒ鋳鉄の好ましい成分としては、例えば以下の成分を含有することができる。
Ｓｉ：０．２〜１．０％、
Ｓｉは、鋳造時の溶湯の流動性確保および溶解・精錬時の脱酸に有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるためには０．２％以上含有させることが好ましい。一方、１．０％を超えて含有させると靭性が低下するようになる。このため、上限は１．０％とするのがよい。

Ｍｎ：０．６〜２．０％
Ｍｎは、高Ｃｒ鋳鉄の焼入性を改善し、特にベイナイトの抑制に有効である。０．６％未満ではこのような作用が過少であり、一方２．０％を超えると残留オーステナイトが過多となり、硬さがかえって低下する。このため、Ｍｎ量の下限を０．６％、その上限を２．０％とする。

Ｍｏ：１．０〜３．０％
Ｍｏは、高Ｃｒ鋳鉄の焼入性を向上させ、特にパーライトの抑制に有効である。１．０％未満ではこのような作用が過少であり、一方３．０％を超えるとその作が飽和する。このため、Ｍｏ量の下限を１．０％、その上限を３．０％とする。

Ｎ：０．０１〜０．１５％
Ｎは、高Ｃｒ鋳鉄の焼入性を改善し、特に基地中に固溶してオーステナイトが硬さの低いベイナイトに変態するのを抑制する作用を有している。０．０１％未満では、このような作用が過少であり、一方０．１５％超では基地中の残留オーステナイトが過多になり、硬さがかえって低下するようになる。このため、Ｎ量の下限を０．０１％、その上限を０．１５％とする。

以下、本発明の高Ｃｒ鋳鉄鋳物及びその製造方法を実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例により限定的に解釈されるものではない。

下記組成の高Ｃｒ鋳鉄を溶製し、その溶湯を図１に示す鋳造試験用鋳型（砂型）に１４８０℃で鋳込んだ。鋳型の寸法は、本体部：Ｄ（奥行）２００×Ｗ（横幅）４００×Ｈ（高さ）４００ｍｍ、湯口部：Ｄ５０〜１５０×Ｗ１００〜３５０×Ｈ１００ｍｍ、押し湯部：φ３００×Ｈ４００ｍｍである。溶湯が冷却凝固した後、鋳型から鋳物を取り出し、湯口部で鋳物を切断後、押し湯部から分離した本体部を９５０℃に加熱した後、焼入れ焼き戻しを行った。
・高Ｃｒ鋳鉄組成（mass％、残部Ｆｅおよび不純物）
Ｃ：２．９５％、Ｓｉ：０．５％、Ｍｎ：０．７％、
Ｃｒ：１４．５％、Ｍｏ：１．８％、Ｎ：０．０５％

焼入れ焼き戻し後、鋳物の本体部に対して鋳造欠陥（引け巣）の発生状況を観察し、また本体部の湯口部直下部位および本体部の中央部位における硬さを測定した。鋳造欠陥は、本体部の中央部位で１ｍｍ以上の引け巣が観察された場合を欠陥有りと判定した。また、硬さの測定は、本体部中央部位、および湯口除去後の本体上面中央で上面から２０ｍｍ深さ部位（湯口部直下部位）において、荷重１０ｋｇでビッカース硬さＨｖを測定した。両部位における硬さの差が５０未満の場合、合格と判定した。上記調査結果を表１に示す。

表１より、Ｓｎ／Ｓが本発明範囲内の試料No. １〜９は、１mm以上の大きな引け巣の発生はなく、また鋳型本体部の中央部位と湯口部直下部位との硬度差もＨｖ３０程度に止まっており、鋳物本体部の硬度の均一性が確保されていた。
これに対して、比較例の試料No. １１，１３，１５は、Ｓｎ／Ｓが０．１０未満であるため、硬度差は問題なかったものの、１mm以上の大きな引け巣が観察された。一方、試料No. １２，１４は、Ｓｎ／Ｓが０．７５超となっており、湯口サイズが大きいので１mm以上の引け巣は観察されなかったものの、硬度差がＨｖ５２，５４と大きく現れ、硬度の不均一が認められた。

高Ｃｒ鋳鉄鋳物の外観またはその鋳型の鋳造空間の外形を示す斜視図である。

符号の説明

１押し湯部
２湯口部
３本体部

Claims

mass％で、Ｃ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１１〜２２％を含む高Ｃｒ鋳鉄で鋳造され、押し湯部から湯口部を介して本体部が形成された高Ｃｒ鋳鉄鋳物であって、
前記本体部の平均横断面積をＳ、湯口部の平均横断面積をＳｎとするとき、Ｓｎ／Ｓを０．１０〜０．７５とする、高Ｃｒ鋳鉄鋳物。
mass％で、Ｃ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：１１〜２２％を含む高Ｃｒ鋳鉄を溶製し、押し湯部からネック部を介して本体部が形成された鋳造空間を有する鋳型に前記高Ｃｒ鋳鉄の溶湯を鋳込み、冷却凝固させる、高Ｃｒ鋳鉄鋳物の製造方法であって、
前記本体部の平均横断面積をＳ、湯口部の平均横断面積をＳｎとするとき、Ｓｎ／Ｓを０．１０〜０．７５とする、高Ｃｒ鋳鉄鋳物の製造方法。