JP2009001865A

JP2009001865A - 球状黒鉛鋳鉄部材

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Publication number: JP2009001865A
Application number: JP2007163865A
Authority: JP
Inventors: Shinko Koike; 真弘小池
Original assignee: Asahi Tec Corp
Current assignee: Asahi Tec Corp
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: JP4963444B2

Abstract

【課題】引張強さ、耐力、伸び、耐衝撃性等の機械的性質に優れ、更に自動車の足回り部品等に好適な所定の硬さの球状黒鉛鋳鉄部材を提供する。
【解決手段】Ｃを３．４〜４．０質量％、Ｓｉを１．５質量％以上２．０質量％未満、Ｍｎを０．３５〜０．５質量％、Ｎｉを１．０質量％を超え２．０質量％未満、及びＣｕを０．２〜０．５質量％含有し、残部がＦｅ及び不可避的に含有される不純物であり、パーライト組織の面積率が６０〜９０％、フェライト組織の面積率が１０〜４０％である球状黒鉛鋳鉄部材。
【選択図】なし

Description

本発明は、球状黒鉛鋳鉄部材に関し、更に詳しくは、引張強さ、耐力、伸び、耐衝撃性等の機械的性質に優れ、更に自動車の足回り部品等に好適な所定の硬さの球状黒鉛鋳鉄部材に関する。

従来、自動車部品等の分野において球状黒鉛鋳鉄部材が使用されており、部品毎に種々の特性が要求されている。要求特性は、部品の種類等によって異なるが、例えば、自動車のシャーシ、足回り部品等においては、引張強さ、耐力、伸び、耐衝撃性及び硬さ等の各物性をバランス良く備える必要があり、これらの物性を最適化することは必ずしも容易ではなかった。従来の球状黒鉛鋳鉄部材では、例えば、引張強さと伸びのバランスを重視すると耐衝撃性が十分ではなくなったり（例えば、特許文献１参照）、引張強さ、伸び及び耐衝撃性を重視した構造とすると表面付近の硬さが不十分となる（例えば、特許文献２参照）という問題があった。
特開２００１−５９１２７号公報特開２００５−２５６０８８号公報

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、引張強さ、耐力、伸び、耐衝撃性等の機械的性質に優れ、更に自動車の足回り部品等に好適な所定の硬さの球状黒鉛鋳鉄部材を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、以下の球状黒鉛鋳鉄部材を提供するものである。

［１］Ｃを３．４〜４．０質量％、Ｓｉを１．５質量％以上２．０質量％未満、Ｍｎを０．３５〜０．５質量％、Ｎｉを１．０質量％を超え２．０質量％未満、及びＣｕを０．２〜０．５質量％含有し、残部がＦｅ及び不可避的に含有される不純物であり、パーライト組織の面積率が６０〜９０％、フェライト組織の面積率が１０〜４０％である球状黒鉛鋳鉄部材。

［２］鋳造後、鋳放しで得られた［１］に記載の球状黒鉛鋳鉄部材。

［３］常温（２０℃）での衝撃値が７．０Ｊ／ｃｍ^２以上であり、低温（−４０℃）での衝撃値が３．０Ｊ／ｃｍ^２以上であり、引張強さが７７０ＭＰａ以上であり、伸びが８．０％以上であり、耐力が４５０ＭＰａ以上であり、ブリネル硬さ（ＨＢ）が１９０〜２６０である［１］又は［２］に記載の球状黒鉛鋳鉄部材。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材によれば、Ｎｉを１．０質量％を超え２．０質量％未満とし、Ｃｕを０．２〜０．５質量％、Ｍｎを０．３５〜０．５質量％とすることにより、得られる球状黒鉛鋳鉄部材の表面から内部まで全体が、パーライト組織の面積率６０〜９０％、且つフェライト組織の面積率１０〜４０％という構造となる。そして、本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、このような構造であるため、引張強さ、耐力、伸び、耐衝撃性等の機械的性質に優れ、更に自動車の足回り部品等に好適な所定の硬さの球状黒鉛鋳鉄部材である。

次に本発明の実施形態を詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、Ｃを３．４〜４．０質量％、Ｓｉを１．５質量％以上２．０質量％未満、Ｍｎを０．３５〜０．５質量％、Ｎｉを１．０質量％を超え２．０質量％未満、及びＣｕを０．２〜０．５質量％含有し、残部がＦｅ及び不可避的に含有される不純物であり、パーライト組織の面積率が６０〜９０％、フェライト組織の面積率が１０〜４０％である。本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、このような構造であるため、優れた機械的性質を有し、表面付近を含み全体的に自動車の足回り部品等に好適な所定の硬さのものであるが、特に、耐衝撃性に優れ、自動車の足回り部品のような高い耐衝撃性を要求される部品として好適に用いることができる。また、本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、Ｍｏを含有しないことが好ましい。Ｍｏは高価であるため、Ｍｏを含有しないことにより安価に製造することが可能となる。そして、本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、Ｍｏを含有しないにもかかわらず、引張強さ及び伸びに優れたものである。本発明の球状黒鉛鋳鉄部材を用いる自動車の足回り部品としては、具体的にはナックル、ナックルアーム、ハブ等を挙げることができる。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材に含有されるＣは、３．４〜４．０質量％であり、３．５〜３．９質量％が好ましく、３．６〜３．８質量％が更に好ましい。３．４質量％より少ないと、伸びが低下し、４．０質量％を超えると、初晶黒鉛が浮上して介在し、引張強さが低下する。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材に含有されるＳｉは、１．５質量％以上２．０質量％未満であり、１．６〜１．９質量％が好ましく、１．７〜１．９質量％が更に好ましい。１．５質量％未満であると、伸びが低下し、２．０質量％以上であると、衝撃値が低下する。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材においては、「Ｃの含有量」と「Ｓｉの含有量の３分の１」との合計が、３．９〜４．６質量％であることが好ましく、４．２〜４．４質量％であることが更に好ましい。３．９質量％未満であると、伸びが低下することがあり、４．６質量％を超えると、初晶黒鉛が浮上して介在し、引張強さが低下することがある。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材の製造においては、鋳型に溶湯が注湯され、鋳型内の溶湯は、外表面側から冷却されて外表面側から内部に向かって凝固していく。このとき、外表面付近のＮｉは内部側に移動して偏析する傾向がある。Ｎｉはパーライト組織の生成に寄与するため、このようにＮｉが移動することにより溶湯の外表面付近のＮｉ量が低下すると、球状黒鉛鋳鉄部材を形成したときに、その外表面付近においてフェライト組織が多くなる。そして、外表面付近にフェライト組織が多くなると、表面付近の硬さが低下するため、得られた球状黒鉛鋳鉄部材を自動車部品として使用し、ボルトで締め付けるときに、硬さの低さにより表面が変形し、十分に締め付けることができないという問題が生じる。また、外表面付近にフェライト組織が多くなると、疲労特性、引張強さ、及び耐力が低下するという問題も生じる。ここで、「外表面付近」というときは、表面から１０ｍｍ±５ｍｍの深さまでの領域を意味する。また、球状黒鉛鋳鉄部材は、その肉厚が厚いほど、溶湯の冷却時に表面付近と内部との温度差が大きくなり、Ｎｉの偏析が生じ易くなるため、上記問題が生じ易くなる。更に、一つの部品の中に肉厚が厚い部分と薄い部分とがあるときには、Ｎｉが、冷却され易い肉厚の薄い部分から厚い部分に移動し易いため、肉厚の薄い部分にフェライト組織が生成し易くなる。

一方、Ｎｉがパーライト組織の生成に寄与するのと同様に、Ｃｕ及びＭｎもパーライト組織の生成に寄与するものである。従って、偏析し難いＣｕ及びＭｎの配合量を多くすることにより、Ｎｉの偏析により溶湯の外表面付近のＮｉ量が低下しても、Ｃｕ及びＭｎの作用により、外表面付近にパーライト組織を十分に生成させることが可能となる。このように、Ｎｉ、Ｃｕ及びＭｎの配合量は、外表面付近のフェライト組織の生成を抑え、パーライト組織を多く生成させるために、以下に示すようなバランスにする必要がある。すなわち、本発明の球状黒鉛鋳鉄部材においては、Ｍｎを０．３５〜０．５質量％、Ｎｉを１．０質量％を超え２．０質量％未満、及びＣｕを０．２〜０．５質量％とすることが必要である。また、Ｍｎを０．４〜０．５質量％、Ｎｉを１．２〜１．８質量％、及びＣｕを０．３〜０．５質量％含有することが好ましく、Ｍｎを０．４〜０．４５質量％、Ｎｉを１．４〜１．６質量％、及びＣｕを０．４〜０．４５質量％含有することが更に好ましい。このような範囲にすることにより、表面付近のフェライト組織の生成が抑えられ、表面付近を含めて全体的に自動車の足回り部品等に適した所定の硬さとなり、優れた機械的性質を有する球状黒鉛鋳鉄部材を得ることができる。また、球状黒鉛鋳鉄部材の肉厚が厚い場合や、一部に薄い部分が形成されている場合でも、フェライト組織の生成を抑えることが可能となる。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材において、Ｎｉ含有量が、１．０質量％以下であると、引張強さが低下し、２．０質量％以上であると、衝撃値が低下する。Ｎｉを１．０質量％を超え２．０質量％未満という少ない含有量とすることにより、Ｎｉが偏析したときの影響を最小限に抑えることができる。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材において、Ｃｕの含有量が、０．２質量％未満であると、パーライト組織を十分に生成させることができないため、引張強さが低下する。また、Ｃｕの含有量が、０．５質量％を超えると、硬さが高くなりすぎて加工性が低下する。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材において、Ｍｎの含有量が、０．３５質量％未満であると、パーライト組織を十分に生成させることができないため、引張強さが低下する。また、Ｍｎの含有量が０．５質量％を超えると、炭化物が発生し、引張強さ、耐力、伸び、耐衝撃性等の機械的性質が低下する。

ＣｕとＭｎの含有量の合計は、０．７〜０．９質量％であることが好ましく、０．７５〜０．８５質量％であることが更に好ましい。０．７質量％未満であると、パーライト組織を十分に生成させることができないため、引張強さが低下することがある。０．９質量％を超えると、硬さが高くなりすぎて、加工性が低下することがあり、また、炭化物が発生し、引張強さ、耐力、伸び、耐衝撃性等の機械的性質が低下することがある。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、上記Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕ以外の成分（残部）として、Ｆｅ及び不可避的に含有される不純物を含有する。不可避的に含有される不純物としては、Ｓ，Ｐ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｐｂ，Ｚｎ等が挙げられる。不可避的に含有される不純物の含有率は、１．５質量％以下であることが好ましく、１．０質量％以下であることが更に好ましい。不可避的に含有される不純物は、含有されないことが好ましいが、不可避的に０．５質量％以上は含有される可能性がある。Ｆｅの含有率は、球状黒鉛鋳鉄部材全体（１００質量％）から、上述した各成分の含有率を差し引いた値である。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、パーライト組織の面積率が６０〜９０％であり、フェライト組織の面積率が１０〜４０％である。そして、パーライト組織の面積率が７０〜９０％、フェライト組織の面積率が１０〜３０％であることが好ましく、パーライト組織の面積率が８０〜９０％、フェライト組織の面積率が１０〜２０％であることが更に好ましい。「フェライト組織の面積率」及び「パーライト組織の面積率」は、球状黒鉛鋳鉄部材を任意の面で切断したときの断面におけるそれぞれの組織の面積率である。具体的には、画像解析ソフト（ＮａｎｏｓｙｓｔｅｍＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製、商品名：ＮａｎｏＨｕｎｔｅｒＮＳ２Ｋ−Ｐｒｏ）を用い、５視野の平均で測定した値である。そして、「フェライト組織の面積率」は、フェライト組織とパーライト組織のそれぞれの面積の合計に対するフェライト組織の面積の比率であり、「パーライト組織の面積率」は、フェライト組織とパーライト組織のそれぞれの面積の合計に対するパーライト組織の面積の比率である。パーライト組織及びフェライト組織のそれぞれの面積率がこのような範囲であるため、本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、引張強さ、耐力、伸び、耐衝撃性等の機械的性質に優れ、更に自動車の足回り部品等に好適な所定の硬さのものである。パーライト組織の面積率が６０％未満、フェライト組織の面積率が４０％を超える場合は、引張強さが低下し、自動車の足回り部品等に必要な硬さが得られないという問題がある。パーライト組織の面積率が９０％超、フェライト組織の面積率が１０％未満の場合は、伸びと衝撃値が低下するという問題がある。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、鋳造後、鋳放しで得られたものであることが好ましい。「鋳造後、鋳放しで得られる」というときは、鋳型に注湯された溶湯を、鋳型内で常温まで自然冷却して球状黒鉛鋳鉄部材を得ることを意味し、溶湯を鋳型に注湯した後に熱処理等の後処理を行わないことを意味する。本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、このように鋳放しで得られるため、熱処理等の後処理工程が不要であり、効率的に製造することができる。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、引張強さが７７０ＭＰａ以上であることが好ましい。引張強さは、大きい値であるほど好ましいが、９００ＭＰａ程度が上限と考えられる。また、伸びが８．０％以上であることが好ましい。伸びは、大きい値であるほど好ましいが、１５．０％程度が上限と考えられる。更に、耐力が、４５０ＭＰａ以上であることが好ましい。耐力は、大きい値であるほど好ましいが、６００ＭＰａ程度が上限と考えられる。引張強さ、伸び及び耐力は、ＪＩＳＺ２２０１に準拠した４号試験片を作製し、その試験片を用いて、ＪＩＳＺ２２４１に準拠した方法で測定した値である。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、常温（２０℃）での衝撃値が７．０Ｊ／ｃｍ^２以上であることが好ましい。常温での衝撃値の上限は、１５．０Ｊ／ｃｍ^２程度と考えられる。また、低温（−４０℃）での衝撃値が３．０Ｊ／ｃｍ^２以上であることが好ましい。低温での衝撃値の上限は、８．０Ｊ／ｃｍ^２程度と考えられる。衝撃値は、ＪＩＳＺ２２０２に準拠したＵノッチ試験片を作製し、その試験片を用いて、ＪＩＳＺ２２４２に準拠した方法で測定した値である。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、ブリネル硬さ（ＨＢ）が、自動車の足回り部品に好適となるように、１９０〜２６０であることが好ましい。ブリネル硬さは、球状黒鉛鋳鉄部材の表面及び内部の双方において、上記範囲であることが好ましい。ブリネル硬さは、ＪＩＳＺ２２４３に準拠した方法により測定した値である。

本発明の球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法は、特に制限されず、公知の球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法を用いることができ、鋳放しとすることが好ましい。例えば、以下の方法により製造することができる。

銑鉄、鋼屑等の各種鉄合金を、各成分が所定の配合量となるように配合し、これを原料として電気炉（低周波炉又は高周波炉）又はキュポラを用いて鋳鉄溶湯を溶製する。溶製された溶湯について、黒鉛球状化剤を用いて取鍋内で溶湯処理を行う。この際、必要に応じて接種剤を、取鍋内添加又は注湯流接種する。溶湯処理を行った後、溶湯を、造型機により造型された鋳型に注湯して鋳込み、鋳型内でそのまま常温まで自然冷却（鋳放し）し、凝固させて、本発明の球状黒鉛鋳鉄部材を得る。鋳型内で鋳放しにより得られた本発明の球状黒鉛鋳鉄部材は、次に、例えば、シェイクアウトマシンにて型ばらしを行い、球状黒鉛鋳鉄と造型砂とを分離し、球状黒鉛鋳鉄をドラムクーラーで冷却した後、ショットブラストで表面に付着した砂を除去することが好ましい。そして、鋳仕上げ工程において堰、ばり取りなどの仕上げを行うことが好ましい。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
鋳鉄原料を配合し、高周波溶解炉にて溶融して表１に示す組成の球状黒鉛鋳鉄の溶湯を溶製した。上記球状黒鉛鋳鉄溶湯を、図１Ａ、図１Ｂに示す自動車足回り部品１用の鋳型に約１４００℃で注湯し、鋳型内で常温まで自然放冷（鋳放し）して、球状黒鉛鋳鉄部材である自動車足回り部品１を作製した（実施例１）。図１Ａは、実施例１の球状黒鉛鋳鉄部材である自動車足回り部品を示す平面図であり、図１Ｂは、実施例１の球状黒鉛鋳鉄部材である自動車足回り部品を示す側面図である。

得られた自動車足回り部品１のアームの部分の、パーライト組織の面積率（パーライト（％））及びフェライト組織の面積率（フェライト（％））を、以下の方法（面積率の測定）により、表面からの深さ５ｍｍ、１０ｍｍ、２５ｍｍ及び５０ｍｍの位置の断面において測定した。結果を表２に示す。また、自動車足回り部品１のサンプリング部位Ｚの深さ１０ｍｍの部分の組織を示す、光学顕微鏡による拡大写真（１００倍に拡大）を図２に示す。図２に示すように、実施例１の球状黒鉛鋳鉄部材は、パーライト組織１３の面積率が高く、その中に、フェライト組織１２及び黒鉛１１が散在していることがわかる。

得られた自動車足回り部品１について、以下の方法により、引張強さ（ＭＰａ）、耐力（ＭＰａ）、伸び（％）、常温衝撃値（Ｊ／ｃｍ^２）、低温衝撃値（Ｊ／ｃｍ^２）及び外表面のブリネル硬さ（ＨＢ）を測定した。結果を表３に示す。

（面積率の測定）
面積率は、画像解析ソフト（ＮａｎｏｓｙｓｔｅｍＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製、商品名：ＮａｎｏＨｕｎｔｅｒＮＳ２Ｋ−Ｐｒｏ）を用い、５視野の平均により測定する。

（引張強さ）
自動車足回り部品１のサンプリング部位Ｘから、ＪＩＳＺ２２０１の４号試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４１の方法に準拠し、引張強さを測定する。引張強さは、７７０ＭＰａ以上を合格とする。

（耐力）
自動車足回り部品１のサンプリング部位Ｘから、ＪＩＳＺ２２０１の４号試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４１の方法に準拠し、耐力を測定する。耐力は、４５０ＭＰａ以上を合格とする。

（伸び）
自動車足回り部品１のサンプリング部位Ｘから、ＪＩＳＺ２２０１の４号試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４１の方法に準拠し、伸びを測定する。伸びは、８．０％以上を合格とする。

（常温衝撃値）
自動車足回り部品１のサンプリング部位Ｙから、ＪＩＳＺ２２０２に準拠したＵノッチ試験片を作製する。この試験片を用いて、ＪＩＳＺ２２４２に準拠した方法で、常温（２０℃）におけるシャルピー衝撃試験を行い、得られた結果を常温衝撃値とする。常温衝撃値は、７．０Ｊ／ｃｍ^２以上を合格とする。

（低温衝撃値）
自動車足回り部品１のサンプリング部位Ｙから、ＪＩＳＺ２２０２に準拠したＵノッチ試験片を作製する。この試験片を用いて、ＪＩＳＺ２２４２に準拠した方法で、−４０℃におけるシャルピー衝撃試験を行い、得られた結果を低温衝撃値とする。低温衝撃値は、３．０Ｊ／ｃｍ^２以上を合格とする。

（ブリネル硬さ）
ブリネル硬さは、ＪＩＳＺ２２４３に準拠した方法により測定する。ブリネル硬さは、１９０〜２６０の範囲を合格とする。

（比較例１）
球状黒鉛鋳鉄の溶湯の組成を表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様にして図１Ａ、図１Ｂに示す自動車足回り部品１と同じ形状の自動車足回り部品を作製した（比較例１）。得られた自動車足回り部品について、実施例１の場合と同様に、上記各測定を行った。結果を表２，３に示す。

表３より、実施例１の球状黒鉛鋳鉄部材（自動車足回り部品）は、引張強さ、耐力、伸び、耐衝撃性等の機械的性質に優れ、更に自動車の足回り部品として好適な硬さであることがわかる。

自動車部品として好適に利用でき、特にシャーシや足回り部品として好適に利用することができる。

実施例１の球状黒鉛鋳鉄部材である自動車足回り部品を示す平面図である。実施例１の球状黒鉛鋳鉄部材である自動車足回り部品を示す側面図である。実施例１の球状黒鉛鋳鉄部材である自動車足回り部品の組織を示す拡大写真である。

符号の説明

１：自動車足回り部品、１１：黒鉛、１２：フェライト組織、１３：パーライト組織、Ｘ，Ｙ，Ｚ：サンプリング部位。

Claims

Ｃを３．４〜４．０質量％、Ｓｉを１．５質量％以上２．０質量％未満、Ｍｎを０．３５〜０．５質量％、Ｎｉを１．０質量％を超え２．０質量％未満、及びＣｕを０．２〜０．５質量％含有し、残部がＦｅ及び不可避的に含有される不純物であり、
パーライト組織の面積率が６０〜９０％、フェライト組織の面積率が１０〜４０％である球状黒鉛鋳鉄部材。
鋳造後、鋳放しで得られた請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄部材。
常温（２０℃）での衝撃値が７．０Ｊ／ｃｍ^２以上であり、低温（−４０℃）での衝撃値が３．０Ｊ／ｃｍ^２以上であり、引張強さが７７０ＭＰａ以上であり、伸びが８．０％以上であり、耐力が４５０ＭＰａ以上であり、ブリネル硬さ（ＨＢ）が１９０〜２６０である請求項１又は２に記載の球状黒鉛鋳鉄部材。