JP2008121083A

JP2008121083A - ＴｉＣ分散鋳鉄材及びその製造方法

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Publication number: JP2008121083A
Application number: JP2006307729A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Matsue; 泰隆松栄
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2008-05-29

Abstract

【課題】鋳鉄材のヤング率を向上させる。
【解決手段】２〜３．８質量％のＣ、０．６〜４質量％のＳｉ、０．３〜１５質量％のＴｉを含有する溶湯を調製するとともに、該溶湯中にＴｉＣを晶出させる。次に、この溶湯を用いて鋳造を行い、急冷して鋳造品を作製する。この急冷によって白銑化が進行するので、前記鋳造品の金属組織にはセメンタイトが存在する。このセメンタイトは、鋳造品に熱処理が施されることによって分解され、その結果、前記金属組織中に塊状黒鉛が析出する。すなわち、金属組織中に塊状黒鉛とＴｉＣが分散したＴｉＣ分散鋳鉄材が得られるに至る。前記溶湯には、白銑化を促進するためのＢｉを０．００１〜０．０１質量％の割合でさらに添加するようにしてもよい。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属組織を観察した際にＴｉＣと塊状黒鉛が分散していることが認められるＴｉＣ分散鋳鉄材及びその製造方法に関する。

Ｆｅ−Ｃ系合金は、Ｃの含有量に基づいて鋼材と鋳鉄材に大別される。鋳鉄材は、鋼材に比して鋳造が容易であり且つコスト的に優れる等の利点を有するものの、ヤング率が小さいために剛性が劣る。従って、例えば、低コストと高剛性とが同時に希求される部材の構成材として鋳鉄材を採用することは容易ではない。換言すれば、鋳鉄材には、剛性が低いために用途が限られてしまうという不具合が顕在化している。

鋳鉄材の１種であるダクタイル鋳鉄材（ＦＣＤ）では、金属組織中に球状黒鉛が晶出しており、これによりヤング率、ひいては剛性を向上させている。しかしながら、ヤング率が一層向上した鋳鉄材が希求されており、この観点から、特許文献１では、特定の元素を所定量含有させたＦＣＤが提案されている。

特開平７−１４５４４４号公報

ヤング率を一層向上させるために、鋳鉄材の金属組織中に炭化物を晶出させることが想起される。すなわち、鋳造を行う前の溶湯に、炭化物の源となる金属元素、例えば、Ｔｉを添加する。この場合、Ｔｉが低価格であるので、コスト的に有利である。

しかしながら、ＦＣＤの溶湯にＴｉを過度に添加すると、黒鉛の球状化を阻害し、このためにヤング率を低下させてしまうという不具合を招く。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、Ｔｉを添加しているにも関わらずヤング率が大きく、このために高剛性であるＴｉＣ分散鋳鉄材及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、ＴｉＣ及び塊状黒鉛が分散したＴｉＣ分散鋳鉄材であって、
２〜３．８質量％のＣ、０．６〜４質量％のＳｉ、０．３〜１５質量％のＴｉを含有するとともに、前記Ｃと前記Ｔｉとで形成された前記ＴｉＣが分散し、
且つヤング率が１９０ＧＰａ以上であることを特徴とする。

すなわち、本発明に係るＴｉＣ分散鋳鉄材においては、金属組織中にＴｉＣ及び塊状黒鉛が分散して存在する。塊状黒鉛が存在する鋳鉄材では、いわゆる普通鋳鉄材に比してヤング率が大きい。しかも、本発明では、この塊状黒鉛に加えてＴｉＣも存在しているので、塊状黒鉛のみが存在している一般的な可鍛鋳鉄材に比してヤング率が一層向上する。具体的には、一般的な可鍛鋳鉄材のヤング率が１９０ＧＰａ未満であるのに対し、それ以上となる。

すなわち、本発明によれば、普通鋳鉄材に比してヤング率が著しく大きな鋳鉄材を構成することが可能となる。このような鋳鉄材は、例えば、低コスト及び高剛性が同時に求められる用途に好適である。

このＴｉＣ分散鋳鉄材には、０．００１〜０．０１質量％のＢｉがさらに含有されていてもよい。Ｂｉは、後述する鋳造品の冷却時に白銑化を促進する。

また、本発明は、ＴｉＣ及び塊状黒鉛が分散したＴｉＣ分散鋳鉄材の製造方法であって、
２〜３．８質量％のＣ、０．６〜４質量％のＳｉ、０．３〜１５質量％のＴｉを含有する溶湯を調製し、該溶湯中にＴｉＣを生成させる工程と、
前記溶湯を急冷することで白銑化を進行させることによって、金属組織中にセメンタイトが存在する鋳造品を設ける工程と、
前記鋳造品に対して熱処理を施すことで、該鋳造品の金属組織に存在するセメンタイトを分解して塊状黒鉛とする工程と、
を有することを特徴とする。

このような簡便な工程を経ることにより、普通鋳鉄材に比してヤング率が著しく大きなＴｉＣ分散鋳鉄材を容易に得ることが可能となる。

なお、前記の熱処理条件を変更することで、塊状黒鉛が析出する基地を設定することができる。具体的には、塊状黒鉛を析出させる場合、９００〜１０００℃で３０分以上の保持を行うことで熱処理を実施すればよい。

また、この析出に続いて黒鉛球状化処理を行うようにしてもよい。この場合、Ａ１変態点以下の温度に長時間保持したり、Ａ１変態点付近までの加熱・冷却を繰り返したり、又は、Ａ１変態点もしくはＡ３変態点以上に加熱した後に徐冷したりすればよい。一例としては、７６０〜７００℃までを１０時間以上かけて降温するか、又は、７００〜７２０℃で１０時間以上の保持を行うことが挙げられる。

いずれの場合においても、前記溶湯に、０．００１〜０．０１質量％のＢｉをさらに添加するようにしてもよい。この場合、冷却時の鋳造品の白銑化が促進される。

本発明によれば、金属組織中に塊状黒鉛とＴｉＣとを分散させるようにしているので、普通鋳鉄材、さらには、塊状黒鉛のみが存在する可鍛鋳鉄材に比してヤング率が大きな鋳鉄材を構成することができる。

この種の鋳鉄材は、鋳鉄材の利点を活用しながらも高剛性も求められる用途、例えば、自動車の内燃機関を構成するクランクシャフトに好適である。

以下、本発明に係るＴｉＣ分散鋳鉄材及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係るＴｉＣ分散鋳鉄材は、可鍛鋳鉄材の金属組織中にＴｉＣが分散された形態をなす。すなわち、このＴｉＣ分散鋳鉄材の金属組織中には、塊状黒鉛も存在する。

そして、このＴｉＣ分散鋳鉄材は、Ｃ、Ｓｉ、Ｔｉ及びＢｉを含有する。この中、ＣとＴｉは、互いに化学的に結合してＴｉＣを形成する。

Ｃの割合は、２〜３．８質量％に設定される。Ｃが２質量％未満である場合は鋼材であり、融点が高くなるので鋳造を行うことが容易でなくなる。一方、３．８質量％を超えると、該ＴｉＣ分散鋳鉄材を作製する際、後述する白銑化が困難となる。

また、Ｓｉの割合は、０．６〜４質量％に設定される。Ｓｉが０．６質量％未満であると、該ＴｉＣ分散鋳鉄材を作製する際、黒鉛化を行うための熱処理に長時間を要する。一方、４質量％を超えると、ＴｉＣ分散鋳鉄材が脆性を示すようになる。

Ｔｉは、上記したように、前記ＣとともにＴｉＣを形成する元素である。このＴｉＣが金属組織中に分散して存在することにより、母材である可鍛鋳鉄材のヤング率、ひいては剛性が向上する。

Ｔｉの割合は、０．３〜１５質量％に設定される。０．３質量％未満ではヤング率を向上させる効果に乏しく、１５質量％を超えると、溶湯からの鋳造を行う際に過度に多量のＴｉＣが晶出してしまい、いわゆる湯廻り性が低下する。

なお、Ｃよりも過剰量のＴｉは、金属組織中に遊離状態で存在していてもよいし、可鍛鋳鉄材の構成元素であるＦｅと結合した状態で存在していてもよい。

本実施の形態においては、さらに、Ｂｉが含有される。Ｂｉは、後述する鋳造に際して白銑化を促進する役割を果たす。

Ｂｉの割合は、０．００１〜０．０１％に設定される。０．００１％未満では上記の白銑化促進効果に乏しい。一方、０．０１％を超えると、黒鉛化を阻害する。

なお、母材である可鍛鋳鉄材においては、塊状黒鉛は、フェライト基地中に分散していてもよいし、パーライト基地、ベイナイト基地、トルースタイト生地又はソルバイト基地のいずれかの基地中に分散していてもよい。塊状黒鉛が分散する基地は、熱処理条件を変更することでフェライト基地、パーライト基地、ベイナイト基地、トルースタイト基地又はソルバイト基地のいずれかとすることが可能である。

塊状黒鉛が金属組織中、すなわち、フェライト基地中又はパーライト基地中に分散した可鍛鋳鉄材は、普通鋳鉄材に比してヤング率が大きい。本実施の形態に係るＴｉＣ分散鋳鉄材は、可鍛鋳鉄材の金属組織中にＴｉＣをさらに分散させたものであるので、可鍛鋳鉄材に比して一層大きなヤング率を示す。

ここで、本実施の形態に係るＴｉＣ分散鋳鉄材におけるヤング率を、Ｔｉの含有量との関係で図１に示す。なお、比較のため、Ｔｉの含有量が０．３質量％未満であるＴｉＣ分散鋳鉄材、ＦＣＤ４５０及び可鍛鋳鉄材における各ヤング率も併せて示した。図１に表されるように、一般的な可鍛鋳鉄材のヤング率が１８８ＧＰａ程度であるのに対し、Ｔｉを０．５質量％含む本実施の形態に係るＴｉＣ分散鋳鉄材では、２００ＧＰａに近い値を示す。ヤング率は、Ｔｉが１４．１質量％である場合、２３０ＧＰａとさらに大きな値となった。

以上の結果から、可鍛鋳鉄材にＴｉを所定量以上含有させてＴｉＣを形成させることにより、ヤング率を向上させることができることが明らかである。

すなわち、本実施の形態によれば、普通鋳鉄材に比してヤング率が大きな可鍛鋳鉄材にＴｉＣを分散させるようにしているので、普通鋳鉄材よりもヤング率を著しく大きくすることができる。

なお、Ｂｉを必ずしも添加する必要はない。すなわち、Ｂｉを添加することなくＴｉＣ分散鋳鉄材を構成するようにしてもよい。

次に、本実施の形態に係るＴｉＣ分散鋳鉄材の製造方法につき説明する。この製造方法は、ＴｉＣ分散鋳鉄材となる溶湯を調製する第１工程と、鋳造品を得る第２工程と、前記鋳造品に対して熱処理を施す第３工程とを有する。

先ず、第１工程において、溶湯を調製する。すなわち、２〜３．８質量％のＣ、０．６〜４質量％のＳｉを含む鋳鉄材の溶湯に対し、０．３〜１５質量％の割合となるようにＴｉを添加する。さらに、必要に応じ、Ｂｉを０．００１〜０．０１質量％の割合となるように添加する。

このように調製された溶湯では、ＴｉＣが生成して晶出する。この際、Ｔｉの添加量が０．３〜１５質量％であるので、ＴｉＣが過度に晶出して該溶湯の湯廻り性が低下することが回避される。

次に、第２工程において、上記した所定量の成分が添加された溶湯を用いて鋳造を行う。すなわち、溶湯を鋳型に導入した後に冷却し、該溶湯を固化させる。

本実施の形態では、溶湯の冷却速度は、白銑化が進行する程度に設定される。換言すれば、この場合、溶湯が急冷される。その結果、得られた鋳造品においては、その金属組織中にセメンタイトが存在する。

そこで、次に、第３工程において、前記鋳造品に対して熱処理を施し、これによりセメンタイトを分解して塊状黒鉛を析出させる。

この第３工程では、熱処理条件を変更することで塊状黒鉛が析出する基地を設定することが可能である。すなわち、塊状黒鉛を析出させる場合には、９００〜１０００℃で３０分以上の保持を行った後に温度を室温まで降下させる１段熱処理を行えばよい。

さらに、この１段熱処理に続いて、黒鉛球状化処理を行うようにしてもよい。黒鉛の球状化は、Ａ１変態点以下の温度に長時間保持したり、Ａ１変態点付近までの加熱・冷却を繰り返したり、又は、Ａ１変態点もしくはＡ３変態点以上に加熱した後に徐冷したりすることで進行する。例えば、７６０〜７００℃までを１０時間以上かけて降温するか、又は、７００〜７２０℃で１０時間以上の保持を行うようにすればよい。

以上の熱処理を行う第３工程により、金属組織（フェライト基地又はパーライト基地）中に塊状黒鉛が析出する。上記したように該金属組織にはＴｉＣが既に晶出しているので、結局、金属組織中に塊状黒鉛とＴｉＣとが存在するＴｉＣ分散鋳鉄材が得られるに至る。

なお、上記した実施の形態は、黒心可鍛鋳鉄材を例示して説明しているが、白心可鍛鋳鉄材であってもよい。この場合、前記第２工程で得られた鋳造品に対し、酸化剤の存在下に熱処理を施せばよい。この際の熱処理温度は、例えば、９００〜１０００℃に設定すればよい。

本実施の形態に係るＴｉＣ分散鋳鉄材と、ＦＣＤ、一般的な可鍛鋳鉄材とのヤング率を比較して示す図表である。

Claims

ＴｉＣ及び塊状黒鉛が分散したＴｉＣ分散鋳鉄材であって、
２〜３．８質量％のＣ、０．６〜４質量％のＳｉ、０．３〜１５質量％のＴｉを含有するとともに、前記Ｃと前記Ｔｉとで形成された前記ＴｉＣが分散し、
且つヤング率が１９０ＧＰａ以上であることを特徴とするＴｉＣ分散鋳鉄材。
請求項１記載のＴｉＣ分散鋳鉄材において、さらに、０．００１〜０．０１質量％のＢｉを含有することを特徴とするＴｉＣ分散鋳鉄材。
ＴｉＣ及び塊状黒鉛が分散したＴｉＣ分散鋳鉄材の製造方法であって、
２〜３．８質量％のＣ、０．６〜４質量％のＳｉ、０．３〜１５質量％のＴｉを含有する溶湯を調製し、該溶湯中にＴｉＣを生成させる工程と、
前記溶湯を急冷することで白銑化を進行させることによって、金属組織中にセメンタイトが存在する鋳造品を設ける工程と、
前記鋳造品に対して熱処理を施すことで、該鋳造品の金属組織に存在するセメンタイトを分解して塊状黒鉛とする工程と、
を有することを特徴とするＴｉＣ分散鋳鉄材の製造方法。
請求項３記載の製造方法において、前記熱処理は、９００〜１０００℃で３０分以上の保持を行う工程であることを特徴とするＴｉＣ分散鋳鉄材の製造方法。
請求項３記載の製造方法において、前記熱処理は、９００〜１０００℃で３０分以上の保持を行う工程と、黒鉛球状化工程とを含むことを特徴とするＴｉＣ分散鋳鉄材の製造方法。
請求項３〜５のいずれか１項に記載の製造方法において、前記溶湯として０．００１〜０．０１質量％のＢｉをさらに含有するものを調製することを特徴とするＴｉＣ分散鋳鉄材の製造方法。