JP2008057027A - 耐熱性および耐食性に優れた鋳鉄 - Google Patents
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- Refinement Of Pig-Iron, Manufacture Of Cast Iron, And Steel Manufacture Other Than In Revolving Furnaces (AREA)
Abstract
【解決手段】 C:3.2〜3.8質量%,Si:2.0〜2.8質量%,Mn:0.4質量%以下,Al:0.05質量%以下,Cr:0.2質量%以下,Mo:1.0〜3.0質量%,P:0.05質量%以下およびS:0.02質量%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、鋳鉄の基地に球状黒鉛を分散して析出させる。
【選択図】なし
Description
(a)機械部品を構成する部材を個別に製作して組立てる方法、
(b)機械部品を一体的に鋳造し、さらに切削加工して所定の寸法精度に仕上げる方法
がある。上記の(a)の方法では、鋼板を加工して製作した各部材の強度は高いが、部材の接合部(たとえば溶接,ボルト等)の強度が低下するのは避けられない。一方、(b)の方法では接合部が存在しないので均質な機械部品を製造できるという利点はある。しかし(b)の方法で鋳鉄を鋳込んで製作した機械部品の特性は、(a)の方法で鋼板を加工して製作した部材に比べて劣るという欠点がある。
たとえば特許文献1には、成分を規定することによって耐溶湯溶損性を高めた鋳鉄が開示されている。この鋳鉄は、溶湯に接触するルツボ等を鋳造にて製作するために用いられる。ルツボは単純な形状であり、厳しい寸法精度は要求されない。したがって鋳込んだ後で切削加工を行なう必要はなく、Crを10〜30質量%含む硬い鋳鉄であっても使用できる。つまり特許文献1に開示された鋳鉄は、脆弱で切削加工が困難であるから、限られた用途にしか使用できない。
すなわち本発明は、C:3.2〜3.8質量%,Si:2.0〜2.8質量%,Mn:0.4質量%以下,Al:0.05質量%以下,Cr:0.2質量%以下,Mo:1.0〜3.0質量%,P:0.05質量%以下およびS:0.02質量%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、基地に球状黒鉛が分散して析出した組織を有する鋳鉄である。
また本発明は、C:2.6〜3.2質量%,Si:1.6〜2.2質量%,Mn:0.4質量%以下,Al:0.05質量%以下,Cr:0.6質量%以下,Mo:1.0〜3.0質量%,P:0.05質量%以下およびS:0.05質量%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、基地に片状のA型黒鉛が大きさ4で析出した組織を有する鋳鉄である。
C:3.2〜3.8質量%
Cは、鋳鉄の強度を確保するとともに、基地に球状黒鉛を分散して析出させるために必要な元素である。Cが3.2質量%未満では、十分な強度の鋳鉄が得られず、しかも十分な黒鉛化が得られない。一方、3.8質量%を超えると、基地に析出する球状黒鉛が大粒になり、結晶粒を細分化できない。したがって、Cは3.2〜3.8質量%の範囲内とする。
Siは、Mnと同様に、酸素を除去する作用(以下、脱酸作用という)と基地に析出する黒鉛を細粒化する作用(以下、黒鉛細粒化作用という)とを有する元素であり、鋳込みに先立って溶解した鋳鉄の酸化を防止するとともに、鋳込んで凝固させる過程にて細かい球状黒鉛を基地に分散して析出させる効果がある。Siが2.0質量%未満では、有害な炭化物が析出することがあり、十分な黒鉛化が得られない。また、溶解した鋳鉄に種々の酸化物が形成されて鋳鉄の特性に悪影響を及ぼすばかりでなく、基地に析出する球状黒鉛が大粒になり、結晶粒を細分化できない。一方、2.8質量%を超えると、鋳鉄基地の靭性が著しく低下する。したがって、Siは2.0〜2.8質量%の範囲内とする。
Mnは、著しく偏析し易く、黒鉛化を阻害する元素である。ただし黒鉛化を阻害するMnの影響は、球状黒鉛の粒径が後述する範囲内では、Mn含有量0.4質量%以下で抑えられる。その理由は、Mn含有量が0.4質量%を超えると炭化物の析出を促進するからである。したがって、Mnは0.4質量%以下とする。
Alは、Crと同様に、鋳鉄の原材料となる鋼材スクラップや銑鉄から混入する元素である。Alが0.05質量%を超えると、軟弱なフェライト組織が生成し、溶融状態の非鉄金属(たとえばAl,Zn)に対する鋳鉄の耐熱性,耐食性が低下する。したがって、Alは0.05質量%以下とする。
Crは、Alと同様に、鋳鉄の原材料となる鋼材スクラップや銑鉄から混入する元素である。Crが0.2質量%を超えると、鋳鉄の強度が上昇して延性が低下し、かつ黒鉛化を阻害して有害な炭化物が析出して切削性が低下する。したがって、Crは可能な限り低減する必要があり、0.2質量%以下とする。
Moは、鋳鉄の結晶粒内に固溶することによって、溶融状態の非鉄金属に対する鋳鉄の耐熱性,耐食性を高める作用を有する元素である。ところがMoは結晶粒界に析出し易い元素であり、Moが結晶粒界に析出した鋳鉄は炭化物の析出によって靭性が低下する。これに対して結晶粒を細分化すれば、Moは結晶粒内に均一に固溶する。本発明では、鋳鉄の成分を規定することによって黒鉛細粒化作用が発揮され、細かい黒鉛が基地に分散して析出する。その黒鉛が結晶の生成核となり、結晶の細分化が達成される。つまり本発明では、Moが鋳鉄の結晶粒内に固溶し、耐熱性および耐食性が向上する。Moが1.0質量%未満では、耐熱性,耐食性が十分に向上しない。一方、3.0質量%を超えると、Moは炭化物として析出し易くなり、鋳鉄の強度が上昇して延性,切削性が低下する。したがって、Moは1.0〜3.0質量%の範囲内とする。
Pは、不可避的に混入する元素である。Pが0.05質量%を超えると、高温で鋳鉄に割れが発生し易くなる。したがって、Pは0.05質量%以下として可能な限り低減する必要がある。
S:0.02質量%以下
Sは、不可避的に混入する元素である。Sが0.02質量%を超えると、黒鉛の球状化を阻害し、鋳鉄の靭性が低下する。したがって、Sは0.02質量%以下として可能な限り低減する必要がある。
次に、本発明のA型黒鉛が分散した鋳鉄の組成について説明する。
C:2.6〜3.2質量%
Cは、鋳鉄の強度を確保するとともに、基地に片状のA型黒鉛を分散して析出させるために必要な元素である。Cが2.6質量%未満では、十分な強度の鋳鉄が得られず、しかも十分な黒鉛化が得られない。一方、3.2質量%を超えると、基地に析出する片状のA型黒鉛が著しく成長した大きさ1となり、材料強度を劣化させる。したがって、Cは2.6〜3.2質量%の範囲内とする。
Siは、Mnと同様に、脱酸作用と黒鉛細粒化作用とを有する元素であり、鋳込みに先立って溶解した鋳鉄の酸化を防止するとともに、鋳込んで凝固させる過程にて片状の細かいA型黒鉛を分布させる効果がある。Siが1.6質量%未満では、有害な炭化物が析出することがあり、十分な黒鉛化が得られない。また、溶解した鋳鉄に種々の酸化物が形成されて鋳鉄の特性に悪影響を及ぼすばかりでなく、基地に析出する黒鉛がA型黒鉛とならない。一方、2.2質量%を超えると、黒鉛が著しく成長した大きさ1および2となり、鋳鉄基地の靭性が著しく低下する。したがって、Siは1.6〜2.2質量%の範囲内とする。
Mnは、著しく偏析し易く、黒鉛化を阻害する元素である。ただし黒鉛化を阻害するMnの影響は、A型黒鉛の粒径が後述する範囲内では、Mn含有量0.4質量%以下で抑えられる。その理由は、Mn含有量が0.4質量%を超えると共晶セル粒界への炭化物の析出を促進するからである。したがって、Mnは0.4質量%以下とする。
Alは、Crと同様に、鋳鉄の原材料となる鋼材スクラップや銑鉄から混入する元素である。Alが0.05質量%を超えると、軟弱なフェライト組織が生成し、溶融状態の非鉄金属に対する鋳鉄の耐熱性,耐食性が低下する。したがって、Alは0.05質量%以下とする。
Cr:0.6質量%以下
Crは、Alと同様に、鋳鉄の原材料となる鋼材スクラップや銑鉄から混入する元素である。Crが0.6質量%を超えると、鋳鉄の強度が上昇して延性が低下し、かつ有害な炭化物が析出して切削性が低下する。しかしながら片状黒鉛鋳鉄においては、Cr添加による劣化の作用は緩やかであり、耐食性を向上する効果があるので、Crは0.05〜0.6質量%の範囲内が好ましい。
Moは、鋳鉄の結晶粒内に固溶することによって、溶融状態の非鉄金属に対する鋳鉄の耐熱性,耐食性を高める作用を有する元素である。Moは結晶粒界(共晶セル粒界)に析出し易い元素であり、Moが共晶セル粒界に析出した鋳鉄は炭化物の析出によって靭性が低下する。片状のA型黒鉛を大きさ4にして分布させることによって、このMoの悪影響を排除できる。MoはA型黒鉛の成長を抑制する効果があり、Moの添加によって片状のA型黒鉛が適度に成長した大きさ4の組織を得ることができる。溶融状態の非鉄金属は、片状黒鉛に沿って鋳鉄内部に拡散進入し、材料を劣化するので、黒鉛の粗大化を回避しなければならない。つまり本発明では、Moが鋳鉄の結晶粒内に固溶し、耐熱性および耐食性が向上する。Moが1.0質量%未満では、耐熱性,耐食性が十分に向上しない。一方、3.0質量%を超えると、Moは炭化物として析出し易くなり、鋳鉄の強度が上昇して延性,切削性が低下する。したがって、Moは1.0〜3.0質量%の範囲内とする。
Pは、不可避的に混入する元素である。Pが0.05質量%を超えると、高温で鋳鉄に割れが発生し易くなる。したがって、Pは0.05質量%以下として可能な限り低減する必要がある。
S:0.05質量%以下
Sは、不可避的に混入する元素である。Sが0.05質量%を超えると、鋳鉄の靭性が低下する。したがって、Sは0.05質量%以下として可能な限り低減する必要がある。
次に本発明の鋳鉄の組織(すなわち基地に球状黒鉛または片状A型黒鉛が分散して析出した組織)について説明する。
球状黒鉛が分散して析出した鋳鉄(いわゆる球状黒鉛鋳鉄)では、その多数の細かい黒鉛が生成核となるので結晶の細分化が達成される。結晶が細分化されることによって、鋳鉄の延性,靭性が向上するばかりでなく、Moが結晶粒内に固溶して耐熱性,耐食性が向上する。また、その黒鉛は鋳鉄の切削性を高める効果も有する。球状黒鉛鋳鉄では、球状黒鉛の粒径が20〜50μmの範囲内であることが好ましい。球状黒鉛の粒径が20μm未満では、鋳鉄の切削性を向上する効果が得られず、かつ結晶の生成核として機能しないので結晶の細分化が達成されない。一方、50μmを超えると、鋳鉄の靭性が低下し、かつ粗大な結晶が成長する。なお、ここで球状黒鉛の粒径とは、鋳鉄の任意の断面における球状黒鉛の最大径を指す。
(1)原材料となる鋼材スクラップや銑鉄を溶解する、
(2)溶融状態の鋳鉄の成分を上記した範囲内に調整する、
(3)溶融状態の鋳鉄を所定の形状の鋳型に流し込む、
(4)鋳型内の鋳鉄を凝固させるにあたって950〜1150℃の温度範囲を50〜300℃/分の冷却速度で冷却する
という手順を採用することによって、鋳鉄の基地に細かい球状黒鉛またはA型黒鉛が分散して析出した機械部品が得られる。
なお、発明例1〜3の試験材の任意の断面を顕微鏡で観察したところ、いずれも鋳鉄の基地に球状黒鉛が析出しており、球状黒鉛の粒径は20〜50μmの範囲内であった。発明例4,5の試験材の任意の断面を顕微鏡で観察したところ、いずれも鋳鉄の基地にA型黒鉛が析出していた。一方、比較例1は、球状黒鉛の粒径が83μmであり、耐食性が阻害された。。比較例2,4は、片状のA型黒鉛であるが、その大きさは大き過ぎる(大きさ2)ので、耐食性が阻害された。比較例3は、E型黒鉛が析出したので、耐食性が阻害された。
Claims (3)
- C:3.2〜3.8質量%、Si:2.0〜2.8質量%、Mn:0.4質量%以下、Al:0.05質量%以下、Cr:0.2質量%以下、Mo:1.0〜3.0質量%、P:0.05質量%以下およびS:0.02質量%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、基地に球状黒鉛が分散して析出した組織を有することを特徴とする鋳鉄。
- 前記球状黒鉛の粒径が20〜50μmの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の鋳鉄。
- C:2.6〜3.2質量%、Si:1.6〜2.2質量%、Mn:0.4質量%以下、Al:0.05質量%以下、Cr:0.60質量%以下、Mo:1.0〜3.0質量%、P:0.05質量%以下およびS:0.05質量%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、基地に片状のA型黒鉛が大きさ4で析出した組織を有することを特徴とする鋳鉄。
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