JP2008195993A

JP2008195993A - 溶接性に優れた片状黒鉛鋳鉄材

Info

Publication number: JP2008195993A
Application number: JP2007030913A
Authority: JP
Inventors: Toshitake Sugano; 利猛菅野; Toru Mizuki; 徹水木
Original assignee: KIMURA CHUZOSHO KK; Kimura Foundry Co Ltd
Current assignee: KIMURA CHUZOSHO KK; Kimura Foundry Co Ltd
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-08-28

Abstract

【課題】鋳鉄の溶接時に発生するピンホールを防止し、溶接性の良い鋳鉄材を提供すること。
【解決手段】Ｍｇの含有量が重量％でＳ％−０．０４≦Ｍｇ≦Ｓ％−０．００５の範囲を満たし、かつＳの含有量が０％≦Ｓ≦０．２０％の範囲を満たし、かつＣ、Ｓｉの含有量が２．５％≦Ｃ≦３．５％、１．２％≦Ｓｉ≦２．５％の範囲を満たし、かつＣ、Ｓｉの重量％の関係がＣ％＋０．２３Ｓｉ％≦４．３の関係式を満たし、残部がＦｅ、Ｍｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とする溶接性に優れた片状黒鉛鋳鉄材。もしくは、ＲＥの含有量が重量％で２．６５×Ｓ％≦ＲＥ≦４．５×Ｓ％の範囲を満たし、かつＳの含有量が０％≦Ｓ≦０．２０％の範囲を満たし、かつＣ、Ｓｉの含有量が２．５％≦Ｃ≦３．５％、１．２％≦Ｓｉ≦２．５％の範囲を満たし、かつＣ、Ｓｉの重量％の関係がＣ％＋０．２３Ｓｉ％≦４．３の関係式を満たし、残部がＦｅ、Ｍｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とする溶接性に優れた片状黒鉛鋳鉄材。
【選択図】図２

Description

本発明は、片状黒鉛鋳鉄の溶湯にＭｇもしくはＲＥを添加することによって、溶接時に発生するピンホールを低減し、溶接性に優れた片状黒鉛鋳鉄を提供することに関する。

鋳鉄材料は、安価で鋳造性に優れ、かつ振動吸収性が良いことから、自動車用プレス金型や工作機械などの構造用機械、シリンダーヘッドのような自動車鋳物などに用いられている。鋳造品は複雑な形状を一体で製作できるため、溶接で組み立てることはほとんどない。しかし、鋳造後に補修したり使用中に破損した場合、溶接で補修を行うことが一般的である。特に、プレス金型においては設計どおりに金型ができても、形状変更によって形状面を変更することが多い。このような場合、肉盛溶接を行った後目的の形状に仕上げられる。また、プレス回数が増して成型面が摩耗してきた場合にも、肉盛溶接にて補修が行われる。さらに、突発的に破損が起こり、どうしても補修しなければならない場合にも溶接補修が行われる。

このように、鋳鉄鋳物は溶接補修される機会が多い。しかしながら、鋳鉄は難溶接材と言われており、現在でも鋳鉄の溶接は難しいとされている。その原因の一つとして、ピンホールと呼ばれる小さな孔が発生することが挙げられる。この小孔はブローホールとよばれることもあるが、本明細書ではこれ以降ピンホールと記述する。プレス金型では、成型面にピンホールが発生すると、プレスされる鋼板にピンホールの模様が転写されるため成型不良になってしまう。成型不良を止めるためには、ピンホールが発生しないように溶接するしかないため、ピンホールが発生した場合には溶接し直さなくてはならない。そのため、ピンホールが発生しないようにするための解決法が望まれている。

ピンホールは、一般的に片状黒鉛鋳鉄のほうが球状黒鉛鋳鉄より発生しやすいといわれている。この理由については、発明者らの出願に説明されている（特許文献１参照）。これによれば、片状黒鉛鋳鉄は大気中の酸素が黒鉛と基地の界面に侵入していき、侵入した深さまで基地中のシリコンが酸化し、ＳｉＯ_２が生成する。この酸化した片状黒鉛鋳鉄に溶接を行うと、黒鉛と基地の界面でＳｉＯ_２＋２Ｃ→Ｓｉ＋２ＣＯの反応が起こり、ＣＯガスが発生する。このＣＯガスがピンホールの原因となっている。球状黒鉛鋳鉄は、黒鉛が独立しているために酸素が鋳鉄内部に侵入できず、ピンホールが発生しにくいと説明されている。この特許において、著者らはＣ，Ｓｉ，Ｃｒの量を調整して、溶接時におけるピンホールの発生量を低減した片状黒鉛鋳鉄材を新規技術として特許出願している（特許文献１参照）。

その他には、ピンホールの発生を抑制する技術としては、溶接棒の組成、溶接方法、溶接装置の改良に主眼をおいた発明が多くされている（例えば、特許文献２〜５参照）。しかし、溶接条件が狭くて条件の調整が難しいことや、良好な溶接部を得るには、最終的に作業者の溶接技能に左右されるなどの問題を抱えている。

上記のように、これまで報告されている技術の中で、そのほとんどは溶接方法に関係するものであり、鋳鉄鋳物について触れたものはほとんど無い。鋳鉄鋳物に関するものも、成分の調整を行ったものがある程度で、なにかを添加することよって鋳鉄鋳物の溶接性を改善させた技術は報告されていない。
特願２００５−３１２３５７号特開平０６−１５４８１号公報特開平０７−４７４８９号公報特開２０００−２３３２７６号公報特開平０５−５０２３７号公報

鋳鉄の溶接時に発生するピンホールは、鋳鉄溶接を難しくしている大きな要因である。鋳鉄自体の溶接性を改善してピンホールの発生を抑制できれば、溶接条件や溶接棒の種類、作業者の技能によることなく溶接の難易度を下げられるので、鋳鉄溶接の作業性を大幅に向上させられる。

本発明者らはピンホールの発生メカニズムから防止方法について実験を行い、鋳鉄にＭｇもしくはＲＥを添加することで、ピンホール発生の原因であるＣＯガスの発生を抑制できることを発見した。本発明は、鋳鉄にＭｇもしくはＲＥを添加し、作業性を損なうことなく、溶接条件を制限することなく、鋳鉄溶接時におけるピンホールの発生の問題を解決し、溶接性を改良した片状黒鉛鋳鉄を提供するものである。

本発明の溶接性に優れた片状黒鉛鋳鉄材は、Ｍｇ、Ｓ、ＲＥ、Ｃ，Ｓｉの含有量が、それぞれ重量％でＳ％−０．０４≦Ｍｇ≦Ｓ％−０．００５かつ０％≦Ｓ≦０．２０％かつ２．５％≦Ｃ≦３．５％かつ１．２％≦Ｓｉ≦２．５％かつＣ％＋０．２３Ｓｉ％≦４．３の関係式を満たし、もしくは２．６５×Ｓ％≦ＲＥ≦４．５×Ｓ％かつ０％≦Ｓ≦０．２０％かつ２．５％≦Ｃ≦３．５％かつ１．２％≦Ｓｉ≦２．５％かつＣ％＋０．２３Ｓｉ％≦４．３の範囲を満たすこととした。

また、残部はＦｅ、Ｍｎおよび不可避的不純物からなることとした。

また、前記片状黒鉛鋳鉄材は、黒鉛化度が４０％以上であることとした。

さらに、前記片状黒鉛鋳鉄材は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐのうち、少なくとも１つの元素を添加することとした。

本発明の溶接性に優れた片状黒鉛鋳鉄材は、Ｍｇ、Ｓ、ＲＥの含有量が、それぞれ重量％でＳ％−０．０４≦Ｍｇ≦Ｓ％−０．００５かつ０％≦Ｓ≦０．２０％もしくは３×Ｓ％≦ＲＥ≦４．５×Ｓ％かつ０％≦Ｓ≦０．２０％の範囲を満たすこととしたため、鋳鉄溶接時に発生するピンホールを低減すると共に、黒鉛組織を良好にし、片状黒鉛鋳鉄鋳物において良好な溶接性を実現することを可能とした。

また、Ｃ、Ｓｉの含有量が２．５％≦Ｃ≦３．５％、１．２％≦Ｓｉ≦２．５％の範囲を満たし、かつＣ、Ｓｉの重量％の関係がＣ％＋０．２３Ｓｉ％≦４．３の関係式を満たし、残部がＦｅ、Ｍｎおよび不可避的不純物からなることとしたため、機械的性質の低下を防ぎ、黒鉛周囲に発生するＳｉＯ_２が増えすぎないようにすることができる。

また、前記片状黒鉛鋳鉄材は、黒鉛化度が４０％以上であることとしたため、黒鉛形状が球状にならないようにすることができる。

さらに、前記片状黒鉛鋳鉄材は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐのうち、少なくとも１つの元素を添加することとしたため、基地組織中のパーライト面積率を上げ、さらに強度を向上させることができる。

本発明を実施することで、片状黒鉛鋳鉄鋳物において良好な溶接性を実現することを可能とした。本発明は、鋳鉄鋳物自体の溶接性を高めているため、溶接条件を制限することなく、作業性を損なうことなく、鋳鉄溶接時におけるピンホールの発生の問題を解決できる。また、被溶接材の形状、肉厚にも制約を受けずに溶接することが可能であるため、鋳鉄製金型の肉盛溶接や補修溶接の作業効率を向上させるという大きな効果をもたらす。

片状黒鉛鋳鉄の溶接時におけるピンホールの発生メカニズムは、黒鉛と基地の界面に存在する酸化物が、溶接時に黒鉛（炭素）と反応してＣＯガスが発生することであるため、ＣＯガスが発生しなければピンホールの発生を抑制できると考えられる。

図１に酸化物の標準生成自由エネルギーと温度の関係図を示す。この図は、様々な酸化物の生成しやすさを示したものであり、低エネルギーの酸化物ほど優先的に生成される傾向にある。文献によれば、母材の溶接部は溶接時に約２０００℃まで温度が上昇するので、２０００℃における各種酸化物の標準生成自由エネルギーを比較すると、Ｃｕ_２Ｏ＞ＮｉＯ＞ＦｅＯ＞Ｃｒ_２Ｏ_３＞ＭｎＯ＞ＳｉＯ_２＞ＣＯ＞ＭｇＯ＞Ｃｅ_２Ｏ_３の順に小さくなることがわかる。片状黒鉛鋳鉄にＭｇが含有された場合、酸化物は生成自由エネルギーが低いほど優先的に生成されるため、２０００℃ではＣＯよりＭｇＯが優先的に生成され、ＣＯガスは発生しない。たとえ黒鉛と基地の界面にＳｉＯ_２が存在しても、ＳｉＯ_２＋２Ｍｇ→Ｓｉ＋２ＭｇＯの反応が優先となり、ＳｉＯ_２＋２Ｃ→Ｓｉ＋２ＣＯの反応を阻害できる。よって、Ｍｇを添加すると溶接時に発生するピンホールを抑制できることになる。Ｍｇが足らない場合には、Ｍｇが全てＭｇＯになっても酸素が余ってしまうので、ＣＯガスが発生することになる。ところが、Ｍｇは黒鉛を球状にする効果があるため、添加量が多すぎると黒鉛の形状が片状から芋虫状に変化し、さらに添加量を増加すると球状へと変化する。ただし、黒鉛形状に影響を及ぼすＭｇの量は、溶湯中のＳ量の影響を受けて変化する。そのため、黒鉛形状を片状にするためにはＳ量に合わせて添加するＭｇの量を調整する必要がある。そこで、ＭｇとＳの含有量を変化させて実験を行い、溶接時にピンホールが発生せず、黒鉛形状が片状のままである、適正なＭｇの含有量を調査した。図２に実験結果を示す。Ｍｇの添加量がＳ％−０．０４≦Ｍｇ％の場合にピンホール面積率は１％未満になったが、Ｓ％−０．００５＜Ｍｇ％では黒鉛形状が芋虫状に変化した。今回の測定法において、ピンホール面積率が１％未満であれば、実際の使用上は何ら問題がない。よって、ＭｇをＳ％−０．０４≦Ｍｇ％≦Ｓ％−０．００５％の範囲にすることで、溶接性に優れた片状黒鉛鋳鉄を製作することが可能となった。

ＭｇＯと同じように、２０００℃においてＣＯガスより安定な酸化物として、Ｃｅ_２Ｏ_３がある。Ｃｅも添加量が多すぎると黒鉛を球状にする働きがあるが、さらに、チルも発生するようになる。どちらの効果もＳとの関係があるため、ＣｅとＳの含有量を変化させて実験を行った。ただし、単体のＣｅは非常に高価であり、産業的に使用するのはコスト的に難しいため、Ｃｅを含む合金として一般に市販されているＲＥ（ＲａｒｅＥａｒｔｈ）の添加量で実験を行った。図３に実験結果を示す。ＲＥでは、添加量が２．６５×Ｓ％≦ＲＥ％でピンホール面積率が１％になったが、４．５×Ｓ％＜ＲＥ％ではチルが発生した。また、１０×Ｓ％＜ＲＥ％になると、黒鉛は球状化した。チルは脆くて延性の無い組織なので、チルは発生させてはならない組織である。よって、ＲＥの添加範囲は２．６５×Ｓ％≦ＲＥ％≦４．５×Ｓ％となり、この範囲内でＲＥを添加すると、溶接時にピンホールが発生しない片状黒鉛鋳鉄を作製することが可能となる。

Ｍｇ及びＲＥの添加は、鋳型に注湯する直前に、Ｍｇ合金またはＲＥ合金を添加する方法が望ましい。

さらに良好な特性の片状黒鉛鋳鉄を得るためには、ＣとＳｉの関係において以下のことを満たすのが望ましい。

片状黒鉛鋳鉄は炭素とシリコンによって組織が大きく変わる。炭素が２．５％未満では、鋳物製作時の凝固過程において、面積比で７％を超える炭化物が発生すると共に引け巣を生じやすい。一方、３．５％を超えると、黒鉛の形態が粗大化するため黒鉛と基地の界面を通しての酸化がより進行するようになり、溶接時のピンホールの量が急激に増す。また、炭素が３．５％を超えると鋳物自体の機械的性質の低下を招き、また加工時に黒鉛がむしれるなど加工性も悪化するため、炭素含有量を２．５〜３．５％にすることで、良質な鋳物が作成可能となる。

一方、シリコンが１．２％未満では、鋳物製作時の凝固過程において、面積比で７％を超える炭化物が発生する共に引け巣を生じやすい。一方、２．５％を超えるとフェライト基地中に固溶したＳｉがフェライト基地組織を脆化させるため、伸びや衝撃値等の機械的性質の低下を招き、また加工性も悪くなるため、シリコン含有量を１．２〜２．５％にすることで、良質な鋳物が作成可能となる。

Ｃ％＋０．２３Ｓｉ％は、鋳鉄部材の亜共晶側での炭素当量を示すものであり、上記に示したＣとＳｉの組成範囲で、かつＣ％＋０．２３Ｓｉ％が４．３以下を満たした鋳鉄部材を鋳造する必要がある。Ｃ％＋０．２３Ｓｉ％が４．３を超えると過共晶成分となるため初晶黒鉛が晶出し、晶出した初晶黒鉛が浮上して介在するカーボンフローテーションを起こすため、伸びや衝撃値等の機械的性質の低下を招く。また、黒鉛の形態が粗大化するため黒鉛を通しての酸化がより進行するようになり、溶接時のピンホールの量が急激に増す。

また、鋳造前に黒鉛化度を測定することで、その溶湯はチルが発生せず、黒鉛は球状化しないことを確認できる。片状黒鉛鋳鉄では黒鉛形状と黒鉛化度に良い相関があり、黒鉛化度が１０％未満になるとチルが発生することがわかっている。また、黒鉛が球状になると、黒鉛化度は４０％未満になることもわかっている。本発明では、黒鉛が片状であり、かつチルの発生を防止したいため、黒鉛化度を４０％以上とすることで、本発明に適した溶湯が作成できていることを確認できる。

片状黒鉛鋳鉄の強度を高めるために、パーライト化促進元素であり、かつピンホールを抑制できる元素でもあるＣｒ、Ｍｏ、Ｐのなかから１つ以上の元素を添加することも可能である。

以下、本発明を実施例に則してさらに詳しく説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

本実施例では、ピンホール面積率に及ぼす母材成分のＭｇの影響について調査した結果を示す。表１に母材となる鋳造材の製造条件を示す。母材成分は、表２のようにＭｇを変化させ、他の鋳鉄材の基本的な構成成分であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓは一定とした。

母材は、表１の製造条件で得られた、幅１００ｍｍ×長さ１００ｍｍ×高さ１００ｍｍのブロックを高さ方向に５０ｍｍの位置で半割にし、半割にした面を平滑に研磨したものを溶接面として使用した。

溶接は、一般的な片状黒鉛鋳鉄用の溶接条件と溶接棒を用い、ＴＩＧ溶接にて行なった。表３に溶接条件、表４に溶接棒の組成を示す。

溶接後の母材は、溶接棒による肉盛部を母材と同じ高さになるまで研磨して平滑にし、溶接部面積とピンホールの面積を画像解析装置により求めた。

ピンホール面積率は、式（１）より求めた。

表５にピンホールの面積率を示す。

本実施例では、ピンホールの発生状況を正確に把握するために、溶接面を平滑に研削し、表面を研磨して、ピンホールの面積率を測定したものである。ピンホール面積率が１％未満で、かつ黒鉛が片状で、かつ黒鉛化度が４０％以上を○とし、一つでも条件からはずれているものを×として判定した。本発明の範囲内では判定は○である。図４に溶接面の状況の一例を、図５にＭｇ量とピンホール面積率の関係を示す。また、図６に母材組織の一例を、図７にＭｇ量と黒鉛化度の関係を示す。

表から分かるように、Ｓ０．０５％では０．０１０％以上Ｍｇを含有するとピンホール面積率が１％を下回るようになり、０．０４５％以上Ｍｇを含有すると黒鉛が球状になってしまうことが分かる。また、Ｍｇ量が適正であれば黒鉛化度も４０％を越えることがわかる。

酸化物の標準生成自由エネルギー図である。ＭｇとＳの組み合わせにおける実験結果を示す図である。ＣｅとＳの組み合わせにおける実験結果を示す図である。溶接面の状況の一例を示す図である。Ｍｇ含有量とピンホール面積率の関係を示す図である。母材の組織の一例を示す図である。Ｍｇ含有量と黒鉛化度の関係を示す図である。

Claims

Ｍｇの含有量が重量％でＳ％−０．０４≦Ｍｇ≦Ｓ％−０．００５の範囲を満たし、かつＳの含有量が０％≦Ｓ≦０．２０％の範囲を満たし、かつＣ、Ｓｉの含有量が２．５％≦Ｃ≦３．５％、１．２％≦Ｓｉ≦２．５％の範囲を満たし、かつＣ、Ｓｉの重量％の関係がＣ％＋０．２３Ｓｉ％≦４．３の関係式を満たし、残部がＦｅ、Ｍｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とする溶接性に優れた片状黒鉛鋳鉄材。
ＲＥの含有量が重量％で２．６５×Ｓ％≦ＲＥ≦４．５×Ｓ％の範囲を満たし、かつＳの含有量が０％≦Ｓ≦０．２０％の範囲を満たし、かつＣ、Ｓｉの含有量が２．５％≦Ｃ≦３．５％、１．２％≦Ｓｉ≦２．５％の範囲を満たし、かつＣ、Ｓｉの重量％の関係がＣ％＋０．２３Ｓｉ％≦４．３の関係式を満たし、残部がＦｅ、Ｍｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とする溶接性に優れた片状黒鉛鋳鉄材。
ＭｇとＲＥを混合して用いることを特徴とする、請求項１または２に記載の溶接性に優れた片状黒鉛鋳鉄。
黒鉛化度が４０％以上である請求項１、２、３のいずれか１項に記載の溶接性に優れた片状黒鉛鋳鉄。
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｐのなかから、少なくとも１つの元素を添加した請求項１、２、３、４のいずれか１項に記載の溶接性に優れた片状黒鉛鋳鉄。