JP2008229640A - 球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】球状黒鉛鋳鉄鋳物の冷却時間を短縮できると共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物の残留応力の発生を抑制して従来技術に係る球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法により得られるものと同等以上の機能を発揮できる球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法を提供する。
【解決手段】球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、所定の成分組成を有する球状黒鉛鋳鉄の溶湯を砂型に注湯する注湯工程と、その溶湯の凝固により得られる球状黒鉛鋳鉄鋳物をＡ_１変態点まで砂型内で冷却する砂型内冷却工程と、砂型から球状黒鉛鋳鉄鋳物を取り出す型ばらしを行うと共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物のＡ_１変態点から５００℃までにおける冷却過程において、当該球状黒鉛鋳鉄鋳物を１５℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第１冷却工程と、第１冷却工程後の球状黒鉛鋳鉄鋳物を第１冷却工程における冷却速度以上の冷却速度で冷却する第２冷却工程とを順に実施するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、球状黒鉛鋳鉄鋳物を製造するにあたり、その冷却工程を改良した球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法に関するものである。

従来、鋳造品（鋳物）を製造する場合には、注湯後の生型の型ばらしを行うと共に、鋳造品と砂（ばらし砂）とに分離し、高温の鋳造品及び砂をクーリングドラム内で移動させながら冷却（水冷）する方法が一般に知られている（例えば特許文献１参照）。つまり、この方法によれば、クーリングドラム（回転ドラム）を回転させつつ、クーリングドラムの一端部からその内部に注湯後の生型（鋳造品を含む）を導入し、分離される鋳造品と砂とを攪拌しながらクーリングドラムの一端部から他端部へ向かって移動させ、その移動の途中で散水して鋳造品及び砂を冷却し、冷却された鋳造品をクーリングドラムの他端部から排出させるようにしている。

ここで、上記クーリングドラムを用いた冷却、すなわちドラムクーラー冷却工程を備えた球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法の一例として、当該製造方法（製造工程）に係る冷却曲線をグラフ化したものを図３に示すと共に、以下に説明する。なお、図３から理解できるように、従来技術に係る球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法では、球状黒鉛鋳鉄の溶湯を砂型に注湯する注湯工程と、前記砂型に注湯された球状黒鉛鋳鉄の溶湯を凝固させて、その凝固により得られる球状黒鉛鋳鉄鋳物をその温度がＡ_１変態点に到達するまで砂型内でそのまま冷却する砂型内冷却工程と、前記球状黒鉛鋳鉄鋳物の温度がＡ_１変態点に到達した前記砂型内冷却工程後に、前記砂型から球状黒鉛鋳鉄鋳物を取り出す型ばらしを行うと共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物をＡ_１変態点（図３の例では、７００℃）から１５０℃まで冷却するドラムクーラー冷却工程とを順に実施することで、球状黒鉛鋳鉄鋳物は製造されている。
特開平９−２２５６２４号公報

しかしながら、上述した従来技術に係る球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法は、図３の例示のように、ドラムクーラー冷却工程において、球状黒鉛鋳鉄鋳物をＡ_１変態点（図３の例では、７００℃）から１５０℃まで冷却するのに長時間〔図３の例では、６０００秒（１００分）〕要していた。また、球状黒鉛鋳鉄鋳物の冷却時間を短縮するために、型ばらし後の球状黒鉛鋳鉄鋳物を急冷することが考えられるが、この場合には、当該急冷に起因して球状黒鉛鋳鉄鋳物に残留応力（歪み）が発生し易くなってしまうという問題がある。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、球状黒鉛鋳鉄鋳物の冷却時間を短縮できると共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物の残留応力の発生を抑制して従来技術に係る球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法により得られるものと同等以上の機能を発揮できる球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法を提供することにある。

本発明者等は、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、従来技術に係るドラムクーラー冷却工程とは異なり、砂型内冷却工程後において所定の成分組成からなる球状黒鉛鋳鉄鋳物のＡ_１変態点から５００℃までの冷却速度を所定範囲に制御する冷却工程を採用することで、その冷却時間の短縮を図りつつ、得られる球状黒鉛鋳鉄鋳物の機能を損なわないようにできるということを見出すと共に、５００℃以下の冷却過程における冷却速度も所定範囲に制御する冷却工程を採用することで、当該球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造に係る冷却時間の更なる短縮を図ることができるということを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の発明における球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法は、炭素（Ｃ）：３．２質量％〜４．２質量％、シリコン（Ｓｉ）：１．９質量％〜４．５質量％、マンガン（Ｍｎ）：０．５質量％以下、リン（Ｐ）：０．０８質量％以下、イオウ（Ｓ）：０．０３質量％以下、マグネシウム（Ｍｇ）：０．０２質量％〜０．１０質量％を含有すると共に、残部が鉄及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄の溶湯を砂型に注湯する注湯工程と、前記砂型に注湯された球状黒鉛鋳鉄の溶湯を凝固させて、その凝固により得られる球状黒鉛鋳鉄鋳物をその温度がＡ_１変態点に到達するまで砂型内でそのまま冷却する砂型内冷却工程と、前記球状黒鉛鋳鉄鋳物の温度がＡ_１変態点に到達した前記砂型内冷却工程後に、前記砂型から球状黒鉛鋳鉄鋳物を取り出す型ばらしを行うと共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物のＡ_１変態点から５００℃までにおける冷却過程において、当該球状黒鉛鋳鉄鋳物を１５℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第１冷却工程と、前記第１冷却工程後の球状黒鉛鋳鉄鋳物を前記第１冷却工程における冷却速度以上の冷却速度で冷却する第２冷却工程とを順に実施することをその要旨としている。なお、本明細書中において、「球状黒鉛鋳鉄鋳物の温度」とは、球状黒鉛鋳鉄鋳物の表面温度をいう。

ここで、球状黒鉛鋳鉄の溶湯の成分組成について説明する。炭素は、鋳造性を確保するために必要であるが、過剰であれば、球状黒鉛鋳鉄鋳物の引張強度が低下するおそれがある。従って、溶湯中の炭素は、３．２質量％〜４．２質量％である必要があり、３．４質量％〜３．９質量％であることが好ましい。また、シリコンは、鋳造性及び被削性の確保、組織の安定化のために必要である。従って、溶湯中のシリコンは、１．９質量％〜４．５質量％である必要があり、２．４質量％〜３．４質量％であることが好ましい。更に、マンガンは基地組織中のパーライトを安定させ、引張強さ及び耐力を向上させるのに必要であり、過剰であれば、伸びを低下させるおそれがある。従って、溶湯中のマンガンは、０．５質量％以下である必要がある。リンは、黒鉛の球状化阻害元素であることから、溶湯中のリンは、０．０８質量％以下である必要がある。イオウは、黒鉛の球状化阻害元素であることから、溶湯中のイオウは、０．０３質量％以下である必要がある。マグネシウムは、黒鉛の球状化のために必要であり、過剰であれば、被削性に悪影響を及ぼすおそれがある。従って、溶湯中のマグネシウムは、０．０２質量％〜０．１０質量％である必要がある。

また、第１冷却工程の冷却速度を１５℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎに設定したのは、冷却速度が１５℃／ｍｉｎ未満の場合、球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造に係る冷却時間の短縮を図ることができないからであり、冷却速度が５０℃／ｍｉｎを超える場合、基地組織にマルテンサイトが析出すると共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物に残留応力が発生し易くなるため、球状黒鉛鋳鉄鋳物に割れや変形が生じて当該球状黒鉛鋳鉄鋳物がその機能を十分に発揮できないからである。また、第２冷却工程の冷却速度を第１冷却工程の冷却速度以上に設定したのは、第２冷却工程の冷却速度が第１冷却工程の冷却速度より遅い場合には、球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造に係る冷却時間の短縮効果が十分に得られなくなってしまうからである。なお、本明細書中において、「残留応力」とは、鋳造後、肉厚不同、局部的拘束部の存在、場所による冷却条件の違い等のために鋳物内部に生じた応力が冷却後まで残留しているものをいう。

請求項１に記載の発明によれば、所定の成分組成を有する球状黒鉛鋳鉄の溶湯を砂型に注湯する注湯工程と砂型内冷却工程とを順に実施した後、砂型から球状黒鉛鋳鉄鋳物を取り出す型ばらしを行うと共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物のＡ_１変態点から５００℃までにおける冷却過程において、当該球状黒鉛鋳鉄鋳物を１５℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第１冷却工程を行うことで、基地組織中にマルテンサイトが析出することが防止されると共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物に残留応力が発生し難くなることから、得られる球状黒鉛鋳鉄鋳物に割れや変形が生じに難く、得られる球状黒鉛鋳鉄鋳物の機能も損なわれ難くなり、しかも、従来技術の場合に比して球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造に係る冷却時間の短縮が図られる。そして、第１冷却工程後の球状黒鉛鋳鉄鋳物を第１冷却工程における冷却速度以上の冷却速度で冷却する第２冷却工程を実施することで、得られる球状黒鉛鋳鉄鋳物の機能が損なわれることなく、球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造に係る冷却時間の短縮効果が十分に得られるようになる。従って、請求項１に記載の発明によれば、球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造に係る冷却時間が短縮されると共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物の残留応力の発生が抑制されて従来技術に係る球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法により得られるものと同等以上の機能が発揮されることとなる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法において、前記第２冷却工程では、前記球状黒鉛鋳鉄鋳物の５００℃から１５０℃までにおける冷却過程において、冷却速度が２０℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎに設定されていることをその要旨としている。ここで、球状黒鉛鋳鉄鋳物の５００℃から１５０℃までにおける冷却過程において、冷却速度を２０℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎに設定することは、好ましい。

請求項２に記載の発明によれば、第２冷却工程では、前記球状黒鉛鋳鉄鋳物の５００℃から１５０℃までにおける冷却過程において、冷却速度が２０℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎに設定されていることから、請求項１に記載の発明の第２冷却工程に係る作用効果がより確実に奏される。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法において、前記第２冷却工程における冷却は、前記球状黒鉛鋳鉄鋳物を水浴に浸漬させることにより行うことをその要旨としている。

請求項３に記載の発明によれば、第２冷却工程において、球状黒鉛鋳鉄鋳物を水浴に浸漬させるだけで、当該球状黒鉛鋳鉄鋳物が所定の冷却速度で容易かつ確実に冷却される。また、球状黒鉛鋳鉄鋳物を水浴に浸漬させるだけで、第１冷却工程の冷却速度（１５℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎ）よりも速い冷却速度で球状黒鉛鋳鉄鋳物を冷却することが可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造に係る冷却時間を短縮できると共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物の残留応力の発生を抑制して従来技術に係る球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法により得られるものと同等以上の機能を発揮できる球状黒鉛鋳鉄鋳物を製造することができる。すなわち、請求項１に記載の発明によれば、従来技術に係るドラムクーラー冷却工程とは異なり、砂型内冷却工程後に球状黒鉛鋳鉄鋳物のＡ_１変態点から５００℃までの冷却速度を１５℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎに制御（第１冷却工程）すると共に、更に５００℃以下の冷却過程における冷却速度を第１冷却工程の冷却速度以上に制御（第２冷却工程）する冷却工程を採用することで、製造される球状黒鉛鋳鉄鋳物の機能を損ねることなく、当該球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造に係る冷却時間の短縮を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果をより確実に奏する。

請求項３に記載の発明によれば、第２冷却工程において、球状黒鉛鋳鉄鋳物を水浴に浸漬させるだけで、当該球状黒鉛鋳鉄鋳物を所定の冷却速度で容易かつ確実に冷却することができる。

以下に、本発明を具体化した実施の形態について詳述する。

本発明の球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法では、炭素（Ｃ）：３．２質量％〜４．２質量％、シリコン（Ｓｉ）：１．９質量％〜４．５質量％、マンガン（Ｍｎ）：０．５質量％以下、リン（Ｐ）：０．０８質量％以下、イオウ（Ｓ）：０．０３質量％以下、マグネシウム（Ｍｇ）：０．０２質量％〜０．１０質量％を含有すると共に、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄の溶湯を砂型に注湯する注湯工程と、前記砂型に注湯された球状黒鉛鋳鉄の溶湯を凝固させて、その凝固により得られる球状黒鉛鋳鉄鋳物をその温度がＡ_１変態点に到達するまで砂型内でそのまま冷却する砂型内冷却工程と、前記球状黒鉛鋳鉄鋳物の温度がＡ_１変態点に到達した前記砂型内冷却工程後に、前記砂型から球状黒鉛鋳鉄鋳物を取り出す型ばらしを行うと共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物のＡ_１変態点から５００℃までにおける冷却過程において、当該球状黒鉛鋳鉄鋳物を１５℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第１冷却工程と、前記第１冷却工程後の球状黒鉛鋳鉄鋳物を前記第１冷却工程における冷却速度以上の冷却速度で冷却する第２冷却工程とを順に実施する必要がある。

注湯工程において、砂型としては、生砂、フラン砂等により造型した砂型を採用することができる。また、砂型内冷却工程においては、球状黒鉛鋳鉄鋳物の表面温度がＡ_１変態点に到達するまで砂型内でそのまま冷却する必要がある。この場合、予め温度センサ等を用いて球状黒鉛鋳鉄鋳物の表面温度が注湯工程時から何分後にＡ_１変態点に到達するかを実験的に求めておくことが好ましい。そうすれば、鋳造毎に球状黒鉛鋳鉄鋳物の温度を測定する必要が無くなるため、球状黒鉛鋳鉄鋳物の生産性を向上させることが可能となる。

第１冷却工程において、球状黒鉛鋳鉄鋳物を冷却する冷却方法としては、エアー冷却、シャワー等の水冷、流動層による冷却等を挙げることができる。また、第１冷却工程において、冷却速度を１５℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎに制御できるのであれば、冷却方法は特に限定されるものではない。第１冷却工程における冷却速度としては、２０℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎ、３０℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎであることが好ましく、４０℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎであることがより好ましく、４５℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎであることが更に好ましい。第１冷却工程における冷却速度をできるだけ速く制御することで、球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造に係る冷却時間の短縮効果が高められる。

第２冷却工程において、球状黒鉛鋳鉄鋳物を冷却する冷却方法としては、エアー冷却、シャワー等の水冷、流動層による冷却等を例示できるが、特にこれらの冷却方法に限定されるものではない。つまり、第２冷却工程において、第２冷却工程の冷却速度を第１冷却工程の冷却速度以上に制御できるのであれば、冷却方法は特に限定されない。第２冷却工程における冷却方法としては、球状黒鉛鋳鉄鋳物を水浴に浸漬させる冷却方法が好ましい。水浴に浸漬させるだけで、所定の冷却速度に制御することが容易だからである。また、水浴の温度を調整しておくことで、冷却速度を調整することも可能である。

第２冷却工程において、冷却速度を２０℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎに設定することは好ましい。また、第２冷却工程における冷却速度としては、１００℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎ、２００℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎ、３００℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎであることが好ましく、４００℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎ、５００℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎ、６００℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎであることがより好ましく、７００℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎ、８００℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎ、８３０℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎであることが更に好ましい。第２冷却工程における冷却速度をできるだけ速く制御することで、球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造に係る冷却時間の短縮効果が更に高められる。

球状黒鉛鋳鉄鋳物としては、その基地組織がパーライト及び／又はフェライトのものを例示できる。また、基地組織にマルテンサイトが析出していないことが好ましい。このような球状黒鉛鋳鉄鋳物は、自動車部品、例えばエキゾーストマニホルド、タービンハウジング一体型エキゾーストマニホルド、ターボチャージャの一部を構成するタービンハウジング、キャリパー等に採用できる。

以下、本発明を更に具体化した実施例１〜６、及び、比較例１〜６について説明する。

まず、実施例１では、球状黒鉛鋳鉄の溶湯として、鉄（Ｆｅ）を主成分とすると共に、表１に示す成分組成となるように調製されたものを用意した。なお、表１においては、Ｆｅ及び不可避的不純物の成分組成（質量％）を省略してある。そして、図１に示した球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法（製造工程）に係る冷却曲線に基づいて、球状黒鉛鋳鉄鋳物を製造した。図３の従来技術に係る例では、球状黒鉛鋳鉄鋳物をＡ_１変態点（図３の例では、７００℃）から１５０℃まで冷却するのに長時間〔図３の例では、６０００秒（１００分）〕要していたが、図１の例では、球状黒鉛鋳鉄鋳物をＡ_１変態点（図１の例では、７００℃）から１５０℃まで冷却するのに短時間〔図１の例では、１０００秒（約１７分）〕で冷却することができる。

表１に示した球状黒鉛鋳鉄の溶湯（実施例１）を１インチＹブロック形状のキャビティを有する砂型に注湯（注湯温度：１４００℃）する注湯工程を行った。次に、砂型に注湯された球状黒鉛鋳鉄の溶湯（実施例１）を凝固させて、その凝固により得られる１インチＹブロック形状の球状黒鉛鋳鉄鋳物（以下、「１インチＹブロック」という）をその温度がＡ_１変態点（図１の例では、７００℃）に到達するまで砂型内でそのまま冷却する砂型内冷却工程を行った。

そして、１インチＹブロックの温度がＡ_１変態点（図１の例では、７００℃）に到達した砂型内冷却工程後に、砂型から１インチＹブロックを取り出す型ばらしを行うと共に、１インチＹブロックのＡ_１変態点（図１の例では、７００℃）から５００℃までにおける冷却過程において、１インチＹブロックを１５．５℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第１冷却工程を行った。第１冷却工程後の１インチＹブロックを第１冷却工程の冷却速度よりも速い８４０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第２冷却工程を実施することで、１インチＹブロックの試験片を得た。なお、第２冷却工程における冷却は、１インチＹブロックの試験片を水浴に浸漬させることにより行った。得られた実施例１の試験片のパーライト面積率及びビッカース硬さをそれぞれ求めた。その結果を表２に示す。

なお、本明細書中において、「パーライト面積率」とは、球状黒鉛鋳鉄鋳物（実施例及び比較例では、１インチＹブロック）の基地組織の全体面積（１００％）に対して基地組織中のパーライトが占める面積の割合を意味する。また、「ビッカース硬さ」とは、対面角１３６°の正四角錐のダイヤモンド圧子を一定の試験荷重で試験片の試験面に押込み、生じた永久くぼみの大きさから得られる硬さであり、ＪＩＳ Ｚ ２２４４の試験方法に準じて試験片のビッカース硬さを求めた。更に、表２において、「−」は、測定しなかったことを表している。表２に示したように、実施例１のパーライト面積率は、４．１％であり、実施例１のビッカース硬さは、１６１ＨＶであった。なお、実施例１の試験片における基地組織中には、マルテンサイトの析出は観察されなかった。

また、図１に示した球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法（製造工程）に係る冷却曲線に基づいて、上記表１のように調製された溶湯（実施例１）を１インチＹブロック形状のキャビティを有する砂型に注湯（注湯温度：１４００℃）する注湯工程を行った。次に、砂型に注湯された球状黒鉛鋳鉄の溶湯（実施例１）を凝固させて、その凝固により得られる１インチＹブロックをその温度がＡ_１変態点（図１の例では、７００℃）に到達するまで砂型内でそのまま冷却する砂型内冷却工程（鋳型内冷却工程）を行った。

そして、１インチＹブロックの温度がＡ_１変態点（図１の例では、７００℃）に到達した砂型内冷却工程後に、砂型から１インチＹブロックを取り出す型ばらしを行うと共に、１インチＹブロックのＡ_１変態点（図１の例では、７００℃）から５００℃までにおける冷却過程において、１インチＹブロックを１５．５℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第１冷却工程を行った。第１冷却工程後の１インチＹブロックを第１冷却工程の冷却速度よりも速い８４０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第２冷却工程を実施することで、１インチＹブロックの供試材を得た。なお、第２冷却工程における冷却は、１インチＹブロックの供試材を水浴に浸漬させることにより行った。

１インチＹブロック形状の供試材を水浴から取り出して乾燥させ、この供試材からＪＩＳ４号試験片（Ｄ＝１４ｍｍ、Ｒ＝１５ｍｍ、Ｌ〔標点距離〕＝５０ｍｍ、Ｐ〔平行部〕＝６０ｍｍ）を切り出し加工した。次に、この試験片を用いて、金属材料引張試験方法（ＪＩＳ Ｚ ２２０１−１９８０）に準じて試験を行うと共に、オートグラフ測定機（島津製作所製）に応力−ひずみ線図を描かせ、その応力−ひずみ線図から引張強さ（最大応力）、耐力（０．２％耐力）及び伸び（破断伸び）を各々求めた。その結果を表２に示す。表２に示したように、実施例１において、引張強さは４６３ＭＰａ、耐力は３２５ＭＰａ、伸びは２６％であった。なお、実施例１では、残留応力を測定しなかった。

更に、図１に示した球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法（製造工程）に係る冷却曲線に基づいて、上記表１のように調製された溶湯（実施例１）を砂型に注湯（注湯温度：１４００℃）する注湯工程を行った。次に、砂型に注湯された球状黒鉛鋳鉄の溶湯（実施例１）を凝固させて、その凝固により得られる球状黒鉛鋳鉄鋳物をその温度がＡ_１変態点（図１の例では、７００℃）に到達するまで砂型内でそのまま冷却する砂型内冷却工程を行った。

そして、球状黒鉛鋳鉄鋳物の温度がＡ_１変態点（図１の例では、７００℃）に到達した砂型内冷却工程後に、砂型から球状黒鉛鋳鉄鋳物を取り出す型ばらしを行うと共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物のＡ_１変態点（図１の例では、７００℃）から５００℃までにおける冷却過程において、球状黒鉛鋳鉄鋳物を１５．５℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第１冷却工程を行った。第１冷却工程後の球状黒鉛鋳鉄鋳物を第１冷却工程の冷却速度よりも速い８４０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第２冷却工程を実施することで、外径１４５ｍｍ、内径１００ｍｍ、長さ３００ｍｍの円筒状のテストピース（球状黒鉛鋳鉄鋳物）を得た。なお、第２冷却工程における冷却は、球状黒鉛鋳鉄鋳物（円筒状のテストピース）を水浴に浸漬させることにより行った。

そして、この円筒状のテストピースに対し、被削性評価試験を行った。被削性評価試験においては、超硬コーティングが施されたサンドビック製の刃部を備えた切削工具を用いて、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ、送り量０．４ｍｍ／ｒｅｖ、切込量０．５ｍｍとなるように設定し、テストピースの外周面における９点の切削加工距離（１０２１ｍ、２０１３ｍ、２９７６ｍ、３９１１ｍ、４８１７ｍ、５６９５ｍ、６５４３ｍ、７３６３ｍ、８１５５ｍ）まで切削した。そして、各９点における切削工具の刃部の摩耗量をそれぞれ測定した。

被削性評価試験における実施例１の試験結果は、切削加工距離１０２１ｍでは刃部摩耗量が０．０５５ｍｍ、切削加工距離２０１３ｍでは刃部摩耗量が０．０６２ｍｍ、切削加工距離２９７６ｍでは刃部摩耗量が０．０７０ｍｍ、切削加工距離３９１１ｍでは刃部摩耗量が０．０８２ｍｍ、切削加工距離４８１７ｍでは刃部摩耗量が０．０９３ｍｍ、切削加工距離５６９５ｍでは刃部摩耗量が０．１１１ｍｍ、切削加工距離６５４３ｍでは刃部摩耗量が０．１２０ｍｍ、切削加工距離７３６３ｍでは刃部摩耗量が０．１３２ｍｍ、切削加工距離８１５５ｍでは刃部摩耗量が０．１４３ｍｍであった。

実施例２では、球状黒鉛鋳鉄の溶湯として、鉄（Ｆｅ）を主成分とすると共に、表１に示す成分組成となるように調製されたものを用意した。そして、実施例１の製造方法と同様にして、試験片（実施例２）を作製し、実施例２の試験片のパーライト面積率及びビッカース硬さをそれぞれ求めた。その結果を表２に示す。表２に示したように、実施例２のパーライト面積率は、３．８％であり、実施例２のビッカース硬さは、１８８ＨＶであった。なお、実施例２の試験片における基地組織中には、マルテンサイトの析出は観察されなかった。

また、実施例１の場合と同様にして、実施例２の試験片の引張強さ（最大応力）、耐力（０．２％伸び）及び伸び（破断伸び）を各々求めた。その結果を表２に示す。表２に示したように、実施例２において、引張強さは５７５ＭＰａ、耐力は４５５ＭＰａ、伸びは２２％であった。なお、実施例２については、被削性評価試験を行わなかった。

更に、実施例２の試験片の残留応力も求めた。残留応力は、ひずみゲージ法により、試験片の３箇所についてそれぞれ測定した。その結果を表２に示す。ひずみゲージ法とは、検査物（試験片）の残留応力を測定したい箇所（本測定では３箇所）に対し、測定方向を考慮してひずみゲージを貼付し、その測定箇所での応力が「０（零）」となるように計測器を調整した後、その測定箇所を切り取って応力を開放することで、この時に計測器で測定された応力値がその測定箇所の残留応力となるものです。表２に示すように、実施例２において、残留応力は、２０〜５７ＭＰａであった。

実施例３では、球状黒鉛鋳鉄の溶湯として、鉄（Ｆｅ）を主成分とすると共に、表１に示す成分組成となるように調製されたものを用意した。そして、実施例１の製造方法と同様にして、試験片（実施例３）を作製し、実施例３の試験片のパーライト面積率及びビッカース硬さをそれぞれ求めた。その結果を表２に示す。表２に示したように、実施例３のパーライト面積率は、２．４％であり、実施例３のビッカース硬さは、２２７ＨＶであった。なお、実施例３の試験片における基地組織中には、マルテンサイトの析出は観察されなかった。

また、実施例１の場合と同様にして、実施例３の試験片の引張強さ（最大応力）、耐力（０．２％伸び）及び伸び（破断伸び）を各々求めた。その結果を表２に示す。表２に示したように、実施例３において、引張強さは６２２ＭＰａ、耐力は５２８ＭＰａ、伸びは７％であった。

更に、実施例３についても、実施例１と同様の条件にて被削性評価試験を行った。被削性評価試験における実施例３の試験結果は、切削加工距離１０２１ｍでは刃部摩耗量が０．０７５ｍｍ、切削加工距離２０１３ｍでは刃部摩耗量が０．０９１ｍｍ、切削加工距離２９７６ｍでは刃部摩耗量が０．１２６ｍｍ、切削加工距離３９１１ｍでは刃部摩耗量が０．１５３ｍｍ、切削加工距離４８１７ｍでは刃部摩耗量が０．１８２ｍｍ、切削加工距離５６９５ｍでは刃部摩耗量が０．２２８ｍｍ、切削加工距離６５４３ｍでは刃部摩耗量が０．０２３９ｍｍ、切削加工距離７３６３ｍでは刃部摩耗量が０．０３１４ｍｍ、切削加工距離８１５５ｍでは刃部摩耗量が０．３７０ｍｍであった。

また、実施例２の場合と同様にして、実施例３の試験片の残留応力も求めた。その結果を表２に示す。表２に示すように、実施例３において、残留応力は、０〜６６ＭＰａであった。
（比較例１）

比較例１では、球状黒鉛鋳鉄の溶湯として、鉄（Ｆｅ）を主成分とすると共に、表１に示す成分組成となるように調製されたもの（実施例１と同様の溶湯）を用意した。そして、図３に示した球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法（製造工程）に係る冷却曲線に基づいて、球状黒鉛鋳鉄鋳物を製造した。すなわち、表１に示した球状黒鉛鋳鉄の溶湯（比較例１）を１インチＹブロック形状のキャビティを有する砂型に注湯（注湯温度：１４００℃）する注湯工程を行った。次に、砂型に注湯された球状黒鉛鋳鉄の溶湯（実施例１）を凝固させて、その凝固により得られる１インチＹブロックをその温度がＡ_１変態点（図３の例では、７００℃）に到達するまで砂型内でそのまま冷却する砂型内冷却工程を行った。

そして、１インチＹブロックの温度がＡ_１変態点（図３の例では、７００℃）に到達した砂型内冷却工程後に、砂型から１インチＹブロックを取り出す型ばらしを行うと共に、１インチＹブロックのＡ_１変態点（図３の例では、７００℃）から１５０℃まで冷却する従来技術に係るドラムクーラー冷却工程を実施することで、１インチＹブロックの試験片を得た。得られた比較例１の試験片のパーライト面積率及びビッカース硬さをそれぞれ求めた。その結果を表２に示す。表２に示したように、比較例１のパーライト面積率は、６．２％であり、比較例１のビッカース硬さは、１６５ＨＶであった。なお、比較例１の試験片における基地組織中には、マルテンサイトの析出は観察されなかった。

また、実施例１の場合と同様にして、比較例１の試験片の引張強さ（最大応力）、耐力（０．２％伸び）及び伸び（破断伸び）を各々求めた。その結果を表２に示す。表２に示したように、比較例１において、引張強さは４６８ＭＰａ、耐力は３３０ＭＰａ、伸びは２５％であった。なお、比較例１では、残留応力を測定しなかった。

更に、比較例１についても、実施例１と同様の条件にて被削性評価試験を行った。被削性評価試験における比較例１の試験結果は、切削加工距離１０２１ｍでは刃部摩耗量が０．０５５ｍｍ、切削加工距離２０１３ｍでは刃部摩耗量が０．０７３ｍｍ、切削加工距離２９７６ｍでは刃部摩耗量が０．０７５ｍｍ、切削加工距離３９１１ｍでは刃部摩耗量が０．０８７ｍｍ、切削加工距離４８１７ｍでは刃部摩耗量が０．０９５ｍｍ、切削加工距離５６９５ｍでは刃部摩耗量が０．１１２ｍｍ、切削加工距離６５４３ｍでは刃部摩耗量が０．１２５ｍｍ、切削加工距離７３６３ｍでは刃部摩耗量が０．１３４ｍｍ、切削加工距離８１５５ｍでは刃部摩耗量が０．１４４ｍｍであった。
（比較例２）

比較例２では、球状黒鉛鋳鉄の溶湯として、鉄（Ｆｅ）を主成分とすると共に、表１に示す成分組成となるように調製されたもの（実施例２と同様の溶湯）を用意した。そして、比較例１の製造方法と同様にして、試験片（比較例２）を作製し、比較例２の試験片のパーライト面積率及びビッカース硬さをそれぞれ求めた。その結果を表２に示す。表２に示したように、比較例２のパーライト面積率は、４．５％であり、比較例２のビッカース硬さは、１９３ＨＶであった。なお、比較例２の試験片における基地組織中には、マルテンサイトの析出は観察されなかった。

また、比較例１の場合と同様にして、比較例２の試験片の引張強さ（最大応力）、耐力（０．２％伸び）及び伸び（破断伸び）を各々求めた。その結果を表２に示す。表２に示したように、比較例２において、引張強さは５７５ＭＰａ、耐力は４５３ＭＰａ、伸びは２３％であった。なお、比較例２についても、実施例２と同様に、被削性評価試験を行わなかった。

更に、実施例２の場合と同様にして、比較例２の試験片の残留応力も求めた。その結果を表２に示す。表２に示すように、比較例２において、残留応力は、６８〜１２２ＭＰａであった。
（比較例３）

比較例３では、球状黒鉛鋳鉄の溶湯として、鉄（Ｆｅ）を主成分とすると共に、表１に示す成分組成となるように調製されたものを用意した。そして、比較例１の製造方法と同様にして、試験片（比較例３）を作製し、比較例３の試験片のパーライト面積率及びビッカース硬さをそれぞれ求めた。その結果を表２に示す。表２に示したように、比較例３のパーライト面積率は、２．５％であり、比較例３のビッカース硬さは、２３２ＨＶであった。なお、比較例３の試験片における基地組織中には、マルテンサイトの析出は観察されなかった。

また、比較例１の場合と同様にして、比較例３の試験片の引張強さ（最大応力）、耐力（０．２％伸び）及び伸び（破断伸び）を各々求めた。その結果を表２に示す。表２に示したように、比較例３において、引張強さは６２０ＭＰａ、耐力は５２５ＭＰａ、伸びは６％であった。

更に、比較例３についても、実施例１と同様の条件にて被削性評価試験を行った。被削性評価試験における比較例３の試験結果は、切削加工距離１０２１ｍでは刃部摩耗量が０．０８２ｍｍ、切削加工距離２０１３ｍでは刃部摩耗量が０．１１３ｍｍ、切削加工距離２９７６ｍでは刃部摩耗量が０．１４５ｍｍ、切削加工距離３９１１ｍでは刃部摩耗量が０．１５８ｍｍ、切削加工距離４８１７ｍでは刃部摩耗量が０．１７９ｍｍ、切削加工距離５６９５ｍでは刃部摩耗量が０．２３１ｍｍ、切削加工距離６５４３ｍでは刃部摩耗量が０．２４５ｍｍ、切削加工距離７３６３ｍでは刃部摩耗量が０．３２５ｍｍ、切削加工距離８１５５ｍでは刃部摩耗量が０．３６３ｍｍであった。

また、実施例２の場合と同様にして、比較例３の試験片の残留応力も求めた。その結果を表２に示す。表２に示すように、比較例３において、残留応力は、４９〜１４２ＭＰａであった。
（比較例４）

比較例４では、球状黒鉛鋳鉄の溶湯として、鉄（Ｆｅ）を主成分とすると共に、表１に示す成分組成となるように調製されたもの（実施例２、比較例２と同様の溶湯）を用意した。そして、表１に示した球状黒鉛鋳鉄の溶湯（比較例４）を１インチＹブロック形状のキャビティを有する砂型に注湯（注湯温度：１４００℃）する注湯工程を行った。次に、砂型に注湯された球状黒鉛鋳鉄の溶湯（比較例４）を凝固させて、その凝固により得られる１インチＹブロックをその温度がＡ_１変態点（７００℃）に到達するまで砂型内でそのまま冷却する砂型内冷却工程を行った。

そして、１インチＹブロックの温度がＡ_１変態点（７００℃）に到達した砂型内冷却工程後に、砂型から１インチＹブロックを取り出す型ばらしを行うと共に、図示しないが、１インチＹブロックのＡ_１変態点（７００℃）から１５０℃までにおける冷却過程において、１インチＹブロックを急冷（冷却速度５００℃／ｍｉｎ）することで、１インチＹブロックの試験片を得た。なお、急冷は、Ａ_１変態点（７００℃）にある１インチＹブロックの試験片を水浴に浸漬させることにより行った。

また、得られた比較例４の試験片の残留応力を実施例２の場合と同様にして求めた。その結果を表２に示す。表２に示すように、比較例４において、残留応力は、３〜１３３ＭＰａであった。なお、比較例４では、試験片の基地組織中にマルテンサイトの析出が観察されたため、パーライト面積率、ビッカース硬さ、引張強さ、耐力、伸び及び刃部摩耗量については、測定しなかった。
（比較例５）

比較例５では、球状黒鉛鋳鉄の溶湯として、鉄（Ｆｅ）を主成分とすると共に、表１に示す成分組成となるように調製されたもの（実施例３、比較例３と同様の溶湯）を用意した。そして、比較例４の製造方法と同様にして、試験片（比較例５）を得た。また、得られた比較例５の試験片の残留応力を実施例２の場合と同様にして求めた。その結果を表２に示す。表２に示すように、比較例５において、残留応力は、３４〜９０ＭＰａであった。なお、比較例５では、試験片の基地組織中にマルテンサイトの析出が観察されたため、パーライト面積率、ビッカース硬さ、引張強さ、耐力、伸び及び刃部摩耗量については、測定しなかった
（実施例と比較例との比較検討）

ここでは、同様の溶湯からなる実施例と比較例とを比較検討することとした。

まず、実施例１と比較例１とを比較した場合、両者共に基地組織中にマルテンサイトの析出は無く、パーライト面積率で２．１％の若干の違いがあるが、この違いは顕著なものであるとは言い難く、ビッカース硬さ、引張強さ、耐力及び伸びについては、両者に顕著な違いは認められなかった。また、実施例２と比較例２とを比較した場合、両者共に基地組織中にマルテンサイトの析出は無く、パーライト面積率で０．７％の差があるが、この差は、ほとんどないものと認められ、ビッカース硬さ、引張強さ、耐力及び伸びについては、両者に顕著な違いは認められなかった。更に、実施例３と比較例３とを比較した場合、両者共に基地組織中にマルテンサイトの析出は無く、パーライト面積率、ビッカース硬さ、引張強さ、耐力及び伸びについては、両者に顕著な違いはなかった。以上のことから、実施例１〜３のように製造に係る冷却時間を比較例１〜３（従来技術）に比して短縮した場合でも、比較例１〜３と同等以上の機能（マルテンサイトの析出無し、パーライト面積率、ビッカース硬さ、引張強さ、耐力及び伸び）を発揮する球状黒鉛鋳鉄鋳物（実施例１〜３）を製造できるということを確認できた。

次に、被削性評価結果について、実施例１と比較例１との比較、実施例３と比較例３との比較をした場合でも、両者にほとんど差は認められなかった。このことから、実施例１，３のように製造に係る冷却時間を比較例１，３（従来技術）に比して短縮した場合でも、比較例１，３と同等以上の被削性を発揮する球状黒鉛鋳鉄鋳物（実施例１〜３）を製造できるということを確認できた。

更に、残留応力の測定結果について、実施例２と比較例２，４との比較、実施例３と比較例３，５との比較をした場合には、両者に顕著な違いが認められた。すなわち、比較例２〜５では、急冷に起因して球状黒鉛鋳鉄鋳物に残留応力が発生し易くなっているのに対し、実施例２，３では、球状黒鉛鋳鉄鋳物に残留応力が発生しにくくなっているということを確認できた。なお、実施例２，３の場合（マルテンサイトの析出無し）と異なり、比較例４，５では、７００℃から１５０℃までにおける冷却過程において急冷したことにより、球状黒鉛鋳鉄鋳物の基地組織中にマルテンサイトが析出していることを観察できた。
（変更例）

図２は、図１の第２冷却工程を変更した一例であって、その他の注湯工程、砂型内冷却工程及び第１冷却工程の各工程は図１の各工程と同じ条件である。図２の第２冷却工程における冷却速度は、第１冷却工程の冷却速度（１５．５℃／ｍｉｎ）よりも速い２０．５℃／ｍｉｎの冷却速度に設定されている。ここで、図３の従来技術に係る例では、球状黒鉛鋳鉄鋳物をＡ_１変態点（図３の例では、７００℃）から１５０℃まで冷却するのに長時間〔図３の例では、６０００秒（１００分）〕要していたが、図２の変更例では、球状黒鉛鋳鉄鋳物の機能を損ねること無く、球状黒鉛鋳鉄鋳物をＡ_１変態点（図２の例では、７００℃）から１５０℃まで冷却するのに短時間〔図２の例では、１８００秒（３０分）〕で冷却することができる。

本実施形態の球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法（製造工程）に係る冷却曲線を時間（ｓ）と温度（℃）との関係で示すグラフである。 球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法（製造工程）の変更例に係る冷却曲線を時間（ｓ）と温度（℃）との関係で示すグラフである。 従来技術の球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法（製造工程）に係る冷却曲線を時間（ｓ）と温度（℃）との関係で示すグラフである。

Claims (3)

1. 炭素：３．２質量％〜４．２質量％、シリコン：１．９質量％〜４．５質量％、マンガン：０．５質量％以下、リン：０．０８質量％以下、イオウ：０．０３質量％以下、マグネシウム：０．０２質量％〜０．１０質量％を含有すると共に、残部が鉄及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄の溶湯を砂型に注湯する注湯工程と、
   前記砂型に注湯された球状黒鉛鋳鉄の溶湯を凝固させて、その凝固により得られる球状黒鉛鋳鉄鋳物をその温度がＡ_１変態点に到達するまで砂型内でそのまま冷却する砂型内冷却工程と、
   前記球状黒鉛鋳鉄鋳物の温度がＡ_１変態点に到達した前記砂型内冷却工程後に、前記砂型から球状黒鉛鋳鉄鋳物を取り出す型ばらしを行うと共に、球状黒鉛鋳鉄鋳物のＡ_１変態点から５００℃までにおける冷却過程において、当該球状黒鉛鋳鉄鋳物を１５℃／ｍｉｎ〜５０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する第１冷却工程と、
   前記第１冷却工程後の球状黒鉛鋳鉄鋳物を前記第１冷却工程における冷却速度以上の冷却速度で冷却する第２冷却工程と
   を順に実施することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。
2. 前記第２冷却工程では、前記球状黒鉛鋳鉄鋳物の５００℃から１５０℃までにおける冷却過程において、冷却速度が２０℃／ｍｉｎ〜９４０℃／ｍｉｎに設定されていることを特徴とする請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。
3. 前記第２冷却工程における冷却は、前記球状黒鉛鋳鉄鋳物を水浴に浸漬させることにより行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。

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