JP2008285711A

JP2008285711A - 可鍛鋳鉄の製造方法及び当該方法により製造されたピストン

Info

Publication number: JP2008285711A
Application number: JP2007130369A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Katori; 法章香取; Shoichi Ishii; 省一石井
Original assignee: Hino Motors Ltd; Kasuya Seiko KK
Current assignee: Hino Motors Ltd; Kasuya Seiko KK
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-11-27

Abstract

【課題】溶湯の流動性延いては鋳造性を所定に維持しつつ、より一層高強度化・高靭性化を図ることができると共に、熱処理時間の短縮及び簡略化延いては製造コストの低減を図ることができる可鍛鋳鉄の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る可鍛鋳鉄には、従来の白心可鍛鋳鉄、黒心可鍛鋳鉄、及びパーライト可鍛鋳鉄に比べ、ケイ素（Ｓｉ）が多く含まれている。具体的には、ケイ素（Ｓｉ）の含有量を、２．５〜３．５質量％としている。また、パーライト可鍛鋳鉄において高強度化を促進するために添加される黒鉛化阻害合金成分は添加せず、黒鉛化促進元素であるＣｕを０．７〜１．５質量％程度添加している。そして、１〜５時間程度かけて９００°Ｃ程度まで昇温させ、当該温度で２時間程度保持した後、冷却する。
【選択図】図２

Description

本発明は、可鍛鋳鉄の製造方法に関する。また、本発明は、当該可鍛鋳鉄の製造方法により製造されたピストンに関する。

可鍛鋳鉄は、溶湯の流動性延いては鋳造性が比較的高いと共に高強度で伸びが大きい鋳鉄材料であるため、複雑な形状で高い強度が要求される部材などの鋳鉄材料として有益であるが、かかる可鍛鋳鉄を製造するためには長時間の熱処理が必要とされており、製造コストが嵩むといった実情がある。

具体的には、従来の可鍛鋳鉄の製造方法においては、白銑組織（炭化物（白色のセメンタイト）を所定に析出させた組織）に対して、脱炭処理を施したり、炭化物を分解して黒鉛化させたりする必要があるが、このために、図５に一例を示すように、例えば、１０００〜１０５０°Ｃ程度の温度条件で４０〜７０ｈｒ（時間）程度の長時間かけて熱処理を行う必要があり、以って生産効率が悪く製造コストが嵩むことになる。
また、可鍛鋳鉄には、高強度化・高靭性化などに対する要請も強い。

かかる観点から、特許文献１、特許文献２、特許文献３などのように、白心可鍛鋳鉄や黒心可鍛鋳鉄の組成や熱処理方法に改良を加え、高強度化・高靭性化などを図ろうとしたり、熱処理時間の短縮を図ろうとしたものが種々提案されている。

なお、更に高強度化を図るために、高強度化に寄与する合金成分を添加して鋳造するパーライト可鍛鋳鉄も従来から知られているが、このものは、黒鉛化（延いては黒鉛の球状化）し難くなるため、例えば熱処理等の製造工程が複雑化すると共に品質管理等の面で問題が生じ易くなる惧れがある。
特開２００２−２５６３４０号公報特開昭６２−２５６９１３号公報特公昭６２−３３２８６号公報

特許文献１、特許文献２、特許文献３などのように、高強度化・高靭性化などを図ろうとしたり、熱処理時間の短縮を図ろうとしたものが種々提案されてはいるものの、依然として、可鍛鋳鉄に関して、強度や熱処理時間（延いては製造コスト）などの面において更なる改善の要請が強いのが実情である。

このため、本発明者等は種々の研究実験を行い、その結果、溶湯の流動性延いては鋳造性を所定に維持しつつ、より一層高強度化を図ることができると共に、熱処理時間の短縮及び簡略化、延いては製造コストの低減を図ることができる可鍛鋳鉄の製造方法を見い出すに至った。

本発明は、上記実情に鑑みなされたもので、溶湯の流動性延いては鋳造性を所定に維持しつつ、より一層高強度化・高靭性化を図ることができると共に、熱処理時間の短縮及び簡略化、延いては製造コストの低減を図ることができる可鍛鋳鉄の製造方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、本発明に係る可鍛鋳鉄の製造方法により製造され、溶湯の流動性（鋳造性）、強度、熱処理時間、製造コスト等の点で有利なピストンを提供することを目的とする。

このため、本発明に係る可鍛鋳鉄の製造方法は、
Ｃ(炭素)２．０〜２．８質量％、Ｓｉ（ケイ素）２．５〜３．５質量％、Ｍｎ（マンガン）１．０〜０．５質量％、Ｐ（リン）≦０．２質量％、Ｓ（硫黄）≦０．３質量％、Ｃｕ(銅)０．７〜１．５質量％を含有する白銑鋳物に対して、８５０〜１０５０°Ｃ程度で１〜１０時間程度保持した後、冷却することにより可鍛鋳鉄を製造することを特徴とする。

前記冷却することは、チルが発生する範囲で急冷することとすることができる。
なお、本発明に係る可鍛鋳鉄の製造方法において、金型を用いることができる。更に、金型は水冷式等の冷媒式とすることができる。

また、本発明に係る可鍛鋳鉄の製造方法により内燃機関等に用いられるピストンを製造することは、溶湯の流動性（鋳造性）、強度、熱処理時間、製造コスト等の点で有益である。

本発明によれば、溶湯の流動性延いては鋳造性を所定に維持しつつ、より一層高強度化・高靭性化を図ることができると共に、熱処理時間の短縮及び簡略化、延いては製造コストの低減を図ることができる可鍛鋳鉄の製造方法を提供することができる。

また、本発明は、本発明に係る可鍛鋳鉄の製造方法により製造され、溶湯の流動性（鋳造性）、強度、熱処理時間、製造コスト等の点で有利なピストンを提供することができる。

以下に、本発明に係る可鍛鋳鉄の製造方法の一実施の形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

ここにおいて、本発明者等は、可鍛鋳鉄に関して種々の実験研究を行い、その結果、溶湯の流動性（鋳造性）を良好に維持しつつ、より一層高強度化・高靭性化を図ることができると共に、熱処理時間の短縮及び簡略化、延いては製造コストの低減を図ることができる可鍛鋳鉄の製造方法を見い出すに至った。

本実施の形態は、本発明者等により、このようにして今回新たに見い出された可鍛鋳鉄の製造方法に関して説明するものである。

本実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法において用いられる可鍛鋳鉄の化学成分は、図１の表１に示す通りである。具体的には、Ｃ（炭素）２．０〜２．８質量％、Ｓｉ（ケイ素）２．５〜３．５質量％、Ｍｎ（マンガン）０．１〜０．５質量％、Ｐ（リン）≦０．２質量％、Ｓ（硫黄）≦０．３質量％、Ｃｕ（銅）０．７〜１．５質量％が添加剤として含まれている。

そして、本実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法においては、図１の表１に示す化学成分が添加（含有）されている白銑鋳物に対して、図２に示す熱処理条件に従って熱処理が実行されるようになっている。

なお、本実施の形態においては、例えばφ１５×５００ｍｍの丸棒を金型に鋳込み、図２の熱処理条件に従って、１〜５時間程度かけて９００°Ｃ程度（８５０°Ｃ〜１０５０°Ｃ程度とすることができる）まで昇温させ、当該温度で２時間程度（１〜１０時間程度であってよい）保持した後、冷却する。なお、冷却は放冷でも良いし、例えば、チルが発生する範囲で急冷することもできる。金型は、例えば、内部に冷媒通路を配設した冷媒式（例えば、水冷式、油冷式など）のものを用いることで、急冷時の冷却速度を所望に制御することができる点で有利である。

なお、金型に限定されるものではなく、砂型その他の型を利用することができるものである。

ここにおいて、本実施の形態に係る可鍛鋳鉄は、図１の表１に示したように、従来の白心可鍛鋳鉄、黒心可鍛鋳鉄、及びパーライト可鍛鋳鉄に比べ、ケイ素（Ｓｉ）が多く含まれている。

可鍛鋳鉄は、白銑組織（炭化物（白色のセメンタイト）を所定に析出させた組織）を得ることが前提であるため、従来においては、白銑組織を良好に得るために、黒鉛化促進元素であるケイ素（Ｓｉ）の含有量を少なくする必要があった。

これに対し、本実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法においては、図２の熱処理条件に示したように、例えば９００°Ｃ程度で２時間程度保持した後、直ちに冷却する方法を採用し、これにより、ケイ素（Ｓｉ）の含有率を高くしても白銑組織を良好に得ることができることが確認された。このため、本実施の形態においては、図１の表１に示したように、ケイ素（Ｓｉ）の含有量を、２．５〜３．５質量％としている。

なお、本実施の形態では、このようにケイ素（Ｓｉ）の含有率を高めることができるため、白銑鋳物のセメンタイトの黒鉛化（黒鉛球状化）の促進、延いては高強度化・高靭性化を促進することができる。

また、本実施の形態では、パーライト可鍛鋳鉄において高強度化を促進するために（白銑鋳物のセメンタイトを黒鉛化すると共に、一部をパーライトの形で残すために）添加される黒鉛化阻害合金成分は添加せず、黒鉛化促進元素であるＣｕを０．７〜１．５質量％程度添加している。

このため、従来に比べて黒鉛化が短時間でなされるため、図５に示す従来の可鍛鋳鉄の製造方法における熱処理条件のように、１０００〜１０５０°Ｃの比較的高温な状態を約４０〜７０時間という長時間維持した後、更に５時間程度掛けて９００°Ｃ程度まで徐々に冷却し、その後に放冷する必要がなく、８５０〜１０５０°Ｃ程度の比較的温度の低い状態を２時間程度維持した後、そのまま冷却するだけで、良好な可鍛鋳鉄組織を得ることができることが確認された（図３の組織写真参照）。

すなわち、可鍛鋳鉄の熱処理において、
（１）Ａ１変態点以上の温度に加熱すると、セメンタイトは分解され、オーステナイトへ固溶するが、炭化物安定元素であるクロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）などを含むとセメンタイトの分解が起こり難くなる。
また、
（２）セメンタイトが分解され、Ｃの固溶が過飽和になったオーステナイトより黒鉛が析出するが、黒鉛化促進元素が含まれていることにより、この黒鉛化析出が迅速に起きることになる。

上記（１）、（２）の特性を考慮して、本発明者等は、図１の表１に示したような化学成分を添加することとし、これにより、溶湯の流動性延いては鋳造性を所定に維持しつつ、より一層高強度化・高靭性化が促進される共に、熱処理時間の短縮及び簡略化、延いては製造コストの低減を図ることができる可鍛鋳鉄の鋳造方法を見い出すことに成功したものである。

なお、本実施の形態では、以下の点についても考慮して、化学成分の添加量及び熱処理条件は決定されている。
すなわち、Ｃ（炭素）が２．０質量％より少ないと鋳造性が悪くなる傾向にあり、２．８質量％より多くなると強度が低くなる傾向がある。
Ｓｉ（ケイ素）については、２．５質量％より少なくなると黒鉛化の促進が不十分となる傾向があり、３．５質量％より多くなると鋳鉄が脆くなって脆性化を招く傾向がある。
Ｍｎ（マンガン）については、０．１質量％より少なくなるとＭｎＳを形成させてＳに起因する熱間脆性を防止してしまう傾向があり、０．５質量％より多くなると黒鉛化を阻害する傾向がある。
Ｐ（リン）については、０．２質量％より多くなると、ステダイト（燐化鉄共晶Ｆｅ−Ｆｅ３Ｃ−Ｆｅ３Ｐ）の形成量が多くなり、脆性化を招く傾向がある。
Ｓ（硫黄）については、０．３質量％より多くなると、ＦｅＳの形成量が多くなり、熱間脆性を招く傾向がある。
Ｃｕ（銅）については、０．７質量％より少ないと高強度化と黒鉛化の促進が不十分となる傾向があり、１．５質量％より多くなると高強度化と黒鉛化が頭打ちとなる傾向がある。
また、熱処理条件については、１〜５時間程度かけて９００°Ｃ程度（８５０°Ｃ〜１０５０°Ｃ程度）まで昇温させるようしているが、８５０°Ｃより低くすると黒鉛化の促進が不十分となる傾向になり、１０５０°Ｃより高くすると局部溶融が始まり易くなる傾向になる。

ところで、良好な黒鉛化を達成するためには、黒鉛化阻害元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｖ、Ｗの合計を０．４質量％未満とすることが好ましい。
また、黒鉛化促進元素であるＡｌは黒鉛化を促進させる限界点が３．０質量％であるため、Ｎｉは基地組織がオーステナイトにならない範囲が５．０質量％以下であるため、Ａｌは３．０質量％以下、Ｎｉは５．０質量％以下とすることが好ましい。

ここで、本実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法により製造した可鍛鋳鉄の組織を撮影したものを図３に示すと共に、本実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法により製造した可鍛鋳鉄の引張強さを、従来の各種可鍛鋳鉄と比較して、図４に示しておく。

本実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法により製造した可鍛鋳鉄は、溶湯の流動性延いては鋳造性を所定に維持しつつ熱処理時間の短縮及び簡略化延いては製造コストの低減を促進できることに加え、図４に示したように、白心可鍛鋳鉄や黒心可鍛鋳鉄の引張強さを越えてパーライト可鍛鋳鉄と同等の引張強さを得ることができる。

なお、本実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法は、溶湯の流動性延いては鋳造性を所定に維持しつつ、より一層高強度化・高靭性化が促進されるため、比較的複雑な形状を有すると共に比較的高い負荷を受ける製品の素材として有益である。例えば、コンプレッサ、プランジャ、内燃機関、外燃機関、各種アクチュエータその他の装置に用いられる鋳鉄ピストン等の素材として期待される。

以上説明したように、本実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法によれば、溶湯の流動性延いては鋳造性を所定に維持しつつ、より一層高強度化・高靭性化を図ることができると共に、熱処理時間の短縮及び簡略化、延いては製造コストの低減を図ることができる。

また、本実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法によれば、溶湯の流動性（鋳造性）、強度、熱処理時間、製造コスト等の点で有利なピストンを提供することができる。

なお、以上で説明した一実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の一実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法において製造される可鍛鋳鉄に含まれる化学成分を示す表である。同上実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法において施される熱処理の熱処理条件を示す図である。同上実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法において製造された可鍛鋳鉄の組織を撮影した写真を示す図である。同上実施の形態に係る可鍛鋳鉄の製造方法において製造された可鍛鋳鉄の引張強度を従来の可鍛鋳鉄の引張強度と比較して示す図である。従来の可鍛鋳鉄の製造方法において施される熱処理の熱処理条件を示す図である。

Claims

Ｃ２．０〜２．８質量％、Ｓｉ２．５〜３．５質量％、Ｍｎ０．１〜０．５質量％、Ｐ≦０．２質量％、Ｓ≦０．３質量％、Ｃｕ０．７〜１．５質量％を含有する白銑鋳物に対して、８５０〜１０５０°Ｃ程度で１〜１０時間程度保持した後、冷却することにより可鍛鋳鉄を製造することを特徴とする可鍛鋳鉄の製造方法。
前記冷却することは、チルが発生する範囲で急冷することであることを特徴とする請求項１に記載の可鍛鋳鉄の製造方法。
金型を用いて製造することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可鍛鋳鉄の製造方法。
請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の可鍛鋳鉄の製造方法により製造された可鍛鋳鉄により製造されたことを特徴とするピストン。