JP2008280619A

JP2008280619A - 高強度球状黒鉛鋳鉄

Info

Publication number: JP2008280619A
Application number: JP2008206173A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Mitsuyoshi; 俊幸三吉
Original assignee: OUME CHUZO KK
Current assignee: OUME CHUZO KK
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】高強度球状黒鉛鋳鉄の優れた強靭性を保持したまま、水の付着時の引張り強さや伸びが低下する水脆化を抑制する。
【解決手段】重量％で、Ｃ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる水脆化を抑制する。
【選択図】図５

Description

本発明は、高強度球状黒鉛鋳鉄に関するものである。

球状黒鉛鋳鉄は、優れた強靭性を有するため、自動車部品や機械部品、土木部品等広い用途に使用されている。特に、オーステンパ処理をした高強度強靱性球状黒鉛鋳鉄の出現により、良好な鋳造性と複雑な形状に対応でき、環境保全に追随するエコマテリアルの視点からも、鍛鋼や鋳鋼の代替材料として使用されるに至っている。

しかし、ここ数年の不可解な現象や事故、その研究により高強度球状黒鉛鋳鉄に僅かな水分を付与しただけで、強度の高い材質ほど引張り強さと伸びが大幅に低下することが判明した。水分が乾燥し、ドライ状態になれば本来の特性に戻るものの、多くの高強度鋳鉄が室外で水や湿気に晒されて使用されているのが現状である。最近の研究で、球状黒鉛鋳鉄を高強度化するほど水脆化現象が顕著になることが判明し、大きな問題となっている。（渋谷慎一郎―オーステンパ球状黒鉛鋳鉄の水による脆化（学位論文））この現象は、塑性変形で活性化された鋳鉄表面において、水の分解によって生じた水素原子が極めて短時間に拡散・吸収される結果、水素脆化によって引き起こされるといわれている。

例えば引張り強さが１０７６ＭＰａ、伸び１２．４％のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄が、水の付着により、引張り強さが８１０ＭＰａ、伸び１．６％と夫々大幅に低下してしまう。水付着時の引張り強さ又は伸びを分子とし、乾燥時の夫々の値を分母として、これを水脆化抑制率と定義すると、上記の例では、引張り強さでの抑制率は７５％、伸びでは１３％である。
水脆化についての従来技術は提案されていない。従来技術としては、Ｃｕを含有した技術が特許文献１及び３に、Ｓｎを更に付加した技術が特許文献３に記載されている。

特開昭５７−０４２１４５号公報特開２００１−１３１６７８号公報特開昭６０−１２１２５３号公報

高強度球状黒鉛鋳鉄が広範に安全に使用されるには、水の付着による引張り強さ及び伸びの脆化の抑制が不可欠である。この水脆化現象は、僅かな水が付着しただけで発生し、特に伸びが大幅に低下する。表面処理等の後処理を施してもさしたる効果がなく、多くの高強度球状黒鉛鋳鉄が屋外で水や湿気に晒されて使用されており、安全面からも課題の解決を要するものである。

従来、この水脆化の現象は全く解らず、初めて上記の研究によって、その存在が知られたばかりであり、この水脆化抑制の対策については何も考えておらず、且つその抑制手段がないのが現状である。
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決し、高強度球状黒鉛鋳鉄の水脆化現象を抑制する手段を提供するものである。

鋳鉄は鋼と異なり、鋳鉄中の黒鉛周辺には多くの転移が存在するため、鋳鉄には浸入型原子などの優先拡散経路が多く存在するといわれている。又、黒鉛周辺の空隙は、塑性変形によっても容易に生じる。よって鋼などの均質素材に比べ、鋳鉄は本質的に水素の拡散・浸入を生じ易く、脆化を容易に起こすと考えられている。

本願発明においては、鋳鉄中の黒鉛周辺に存在する空隙、浸入型原子などの優先拡散経路を断ち、或は妨害することにより、水素原子の拡散吸収を抑制せんとするもので、引張強さ８００ＭＰａ以上の高強度を有する球状黒鉛鋳鉄であって、重量％で、Ｃ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる水脆化抑制率、引張強さ、伸び共に９５％以上とすることを特徴とする。

以上述べたように本発明によれば、請求項１では引張強さ８００ＭＰａ以上の高強度を有する球状黒鉛鋳鉄であって、重量％で、Ｃ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなるもので、従来技術にはない水脆化抑制率、引張強さ、伸び共に９５％以上の大きな特性を有し、又、焼入れ、焼戻しと云う熱処理を加えることにより、基地が緻密な組織に強化され、水脆化を抑制すると共に高強度、高強靭性が付与される。

又、従来技術にはない降伏比８４％と云う特性は、高負荷でも変形しない理想的素材でもある。合金元素の主軸にＣｕを用いることで、高強度球状黒鉛鋳鉄の水脆化を著しく抑制でき、且つ製造原価の低減に大きな効果を齎し、又、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄と異なり、大幅な被削性の向上が可能になり、本発明鋳鉄が水脆化抑制と高強度によって広範に安全に使用できる工業的価値は非常に高い。

又、請求項２によれば、請求項１の効果に加えて、ＳｎはＣｕの多くの添加による球状化阻害を防ぎ、Ｃｕとの相乗効果で高強度化を促進する。又、請求項３によれば、Ｍｏは更に焼入れ性を向上させ、基地組織をより緻密に強化する。又Ｎｉは耐力を向上させ、肉厚感度を鈍化させ、更に請求項２と３の相乗効果を期待できる。

本発明においては、溶湯に通常の溶解度以上のＣｕを添加することにより、主として球状黒鉛の周囲にＣｕを偏析させ、黒鉛周辺の空隙や優先拡散経路形成を阻害させ、水の分解によって生じた水素原子の拡散吸収を抑制せんとするものである。

従来、Ｃｕは安価なパーライト促進元素のため、主に鋳鉄の高強度化、耐磨耗性の向上を目的として添加されている。しかし、この目的のためには、Ｃｕのせいぜい１．５％が使用限度であり、これを超えて添加することはなく、それを越えるとオーステナイト粒界に偏析し、不規則型黒鉛を晶出して球状化を阻害し、延性の低下や被削性の低下を齎すことは知られている。例えば特開昭５４―４１５３２、特開平７―１４５４４４、特開平８―１２０３９６２に記載されている。

これについては本発明者は、特開２００１―１３１６７８において、Ｃｕ２．４〜３．３％の添加を有効ならしめたＳｎ０．０１〜０．０５％添加により優れた高強度球状黒鉛鋳鉄を提案している。しかし、前記の如く全く予期しなかった水脆化現象については全く考えていなかった。

水環境脆化は塑性変形で活性化された鋳鉄表面において、水の分解によって生じた吸着水素原子が鋳鉄中へ拡散・吸収される結果「水素脆化」によって引き起こされると推定される。前記文献において、鋳鉄組織による脆化抑制について黒鉛粒形を小さくすることにより、引張り強さに対しては有効であるが、伸びに対しては無効であることが記載されている。しかし、この黒鉛粒形は超小粒であり、その黒鉛粒数は４６２／ｍｍ^２と実験データ―であり、実用範囲ではない。又、表層部をフェライト組織にする抑制等が記載されていて、伸びの低下に半分程度の効果があるが、工数大で実用的でない。そして、実用的な抑制手段がないのが現状である。

そこで本発明は、上記知見に基き研究の結果、上記定義の水脆化抑制率で、引張り強さでは９５％以上、伸びでも９５％以上の抑制率を達成することが出来た。

本願発明は、Ｃｕを溶湯への添加により、最初に凝固する部分、即ち黒鉛周辺に偏析する挙動を示すという知見を基に溶解度付近以上のＣｕを添加することにより、逆に偏析を進行させんとするものである。

本発明の実施例を説明する。
２，０００Ｋｇ容量の低周波誘導炉を用い、鋼屑及び戻し材を使用し、加炭材とフェロシリコンを加えて、Ｃ：３．２６％、Ｓｉ：１．６０％、Ｍｎ：０．３２％、Ｐ：０．０２％、Ｓ：０．００６％の溶湯とし、市販のＦｅ―Ｓｉ―Ｍｇ―Ｃａ−ＲＥＭ合金を用いたサンドウイッチ法による黒鉛球状化処理を実施し、注湯取鍋移し換え時に接種を実施し、ＣＯ_２鋳型のＪＩＳＧ５５０２Ｙ型Ｂ号（２５ｔ×２１５ｌ）に鋳込んだ。Ｃｕ，Ｓｎ，Ｍｏ，Ｎｉの所望の化学組成を変化させて合金し、得られた本発明実施品１〜９についての機械的性質及び化学組成を表１に示す。

又、このＣｕ含有の試験溶湯に微量のＳｎ０．０１〜０．０８％を添加したところ、黒鉛形状、基地組織が改善され、引張り強さと伸びが大幅に向上することを発見した。
ＳｎはＣｕと同様の効果を持つが、Ｃｕとの相乗効果でオーステナイト−パーライト変態をより低温側に移動させ、黒鉛粒をより微細にすると共に、適量の添加により不規則形黒鉛の晶出を防止し、黒鉛形状を改善し、伸びを増加させるものである。又、基地組織をより緻密にするため高強度となる。

本発明の基本構成は、請求項１では引張強さ８００ＭＰａ以上の高強度を有する球状黒鉛鋳鉄であって、重量％で、Ｃ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有し、請求項２では請求項１に加えて、Ｓｎを０．０８％以下を加えており、請求項３では請求項１に加えてＭｏ：０．５％以下、Ｎｉ：２．０％以下を複合或は単独で添加するのである。尚、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる。

以下に化学組成の限定理由を記載する。尚、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｎｉ以外は通常の球状黒鉛鋳鉄と比べて別段の特色がないので、限定理由の記載は省略する。
Ｃｕは１．８％未満では、鋳物とした場合の肉厚変化に対し、均一な基地組織を得ることが不充分で実態強度が低下し、抑制率も低下且つ不安定となる。又、４．０％を超えると効果が飽和状態となり、機械的性質が低下するので好ましくない。ＳｎはＣｕの添加による球状化阻害を防止すると共に、Ｃｕとの相乗効果で高強度化を促進するが、Ｓｎ０．０８％以上では脆化作用が強く、強度が大幅に低下する。

Ｍｏは更に焼入性を向上させ、又基地組織をより緻密に強化するが、０．５％以上になると炭化物形成傾向も大きく、粒界に析出して強度を低下させる。Ｎｉは耐力を向上させ、肉厚感度を鈍化させるが、２．０％以上になると効果が飽和状態になる。以上の理由でＣｕ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｎｉの化学組成の限定をするものである。

表１に、化学組成、熱処理の有無、乾燥時と水付着時における機械的性質及び水脆化制御率を示す。化学組成の中で、本発明鋳鉄の特徴とするＣｕを添加することにより、引張り強さと伸びの水脆化抑制率が何れも９５％以上となることがわかる。

本発明鋳鉄は、鋳放しでも高強度であるが、焼入れ、・焼戻しの熱処理を加えることにより、強度と靭性が大幅に向上するのがわかる。本発明に焼入れ・焼戻しを加えることにより、強靭で緻密な基地組織となるため、熱処理を加えてベイナイト組織にするオーステンパ球状黒鉛鋳鉄に比べると、大幅な被削性の向上と経済性を付与することができる。むろん鋳放しの本発明鋳鉄に他熱処理を加えてもよい。

又、比較例鋳鉄Ｎｏ．Ｂの降伏比が７２０／１０３０＝７０％であるのに対し、本発明鋳鉄Ｎｏ．Ａの降伏比は８８３／１０４５＝８４％と非常に高く、理想的な素材である。尚、比較例Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．５は渋谷慎一郎（学位論文）よりの引用である。該比較例を示す論文には、「図５−５に大気中と水が付着した状態で破断したＡＤＩの引張り試験片の破面示す。水が付着したものは、表面近傍の破壊の起点部に白色の破面（矢印部）が観察される。この白色の破面は大気中で破断したものには認められない。図５−６にＳＥＭ組織を示す。水付着で破断したＡＤＩの破断面には、試料表面を起点とした脆性破面が広い範囲に亘って観察され、共晶セル境界部近傍には深い亀裂の存在が確認される。一方、大気中での破面は、黒鉛周辺のディンプル破面とセル境界部の脆性破面との混合破面であり、明らかに前者と破壊形態を異にしている。つまり、図５−５で観察された白色の破面は、水付着によって生じた脆性破面であることが分かる。」と記載されている。図５―５を図１とし、図５―６を図２として図に示す。

これに対し、図３、図４は本発明実施品４について実施した引張り試験時の破面であり、図３の乾燥時の破面は延性的であり、図４の水付着時の破面も延性的であり、脆性破面、白色破面がないことを明らかにしている。更に、図５は本発明実施品３のＥＰＭＡによるＣｕの面分析を示す写真であり、Ｃｕが黒鉛を取囲んでいる状況が良く分かる。この状況を図６に示す。
表１の試験データの一部、破面写真、ＥＰＭＡの面分析は、日野自動車株式会社技術研究所黒木俊昭氏の協力による。

これらの事実を表１により水脆化抑制率は、比較鋳鉄の引張り強さの抑制率が７５％〜８５％、伸びでの抑制率が１１％〜４５％であるのに対し、本発明鋳鉄での抑制率は、引張り強さ、伸び共に９５％以上で著しく水脆化を抑制しているのがよく理解されよう。

従来のＡＤＩの引張り破断面図同上引張り破断面図のＳＥＭ組織図本発明一実施例品の引張り破断面図本発明一実施例品の引張り破断面図本発明一実施例品のＥＰＭＡによる面分析図図５の説明図

Claims

引張強さ８００ＭＰａ以上の高強度を有する球状黒鉛鋳鉄であって、重量％で、Ｃ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０８％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：１．８〜４．０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる水脆化抑制率、引張強さ、伸び共に９５％以上の高強度球状黒鉛鋳鉄。
重量％で、Ｓｎ：０．０８％以下を含有する請求項１に記載の高強度球状黒鉛鋳鉄。
請求項１の条件を満たし、Ｍｏ：０．５％以下、Ｎｉ：２．０％以下を複合或は単独添加した高強度球状黒鉛鋳鉄。