JP2011105993A - 球状黒鉛鋳鉄管およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度かつ高靭性の球状黒鉛鋳鉄管を提供する。
【解決手段】重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＳｎとＣｕのうち少なくとも１種を、０．０５０≦Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０≦０．０８９となる範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、基地組織における層間隔の粗いパーライトの面積率が５０〜９０％であり、基地組織中に晶出している黒鉛の粒数が３００個／ｍｍ^２以上、平均粒径が１５μｍ以下である構成とすることにより、FCD600と同程度の引張強さとFCD450と同等以上の伸びを有する、高強度かつ高靭性の球状黒鉛鋳鉄管。
【選択図】なし

Description

本発明は、砂型遠心鋳造により鋳造される球状黒鉛鋳鉄管（ダクタイル鋳鉄管）とその製造方法に関する。

一般的な球状黒鉛鋳鉄には、ＪＩＳ規格のFCD350、FCD400、FCD450等の高靭性タイプのものや、FCD600、FCD700、FCD800等の高強度タイプのものがある。このうち、高靭性タイプのものを製造する場合は、材料溶解においてパーライト安定化元素の混入を防ぐとともに、鋳造後の熱処理によって基地組織をフェライト化することにより、規定された靭性が得られるようにしている。一方、高強度タイプのものを製造する場合には、基本的な化学成分にＳｎやＣｕ等のパーライト安定化元素を適量添加して、基地組織に占めるパーライトの割合を増やすことにより、規定の強度を確保している。

しかし、高靭性タイプは強度が低く、高強度タイプは伸びが小さい材料となっているので、高強度と高靭性の両方が求められる用途に対しては、比較的強度と伸びのバランスのよいFCD450（引張強さ：４５０ＭＰａ以上、伸び：１０％以上）等の高靭性タイプのものを用い、その製品肉厚を大きくすることによって材料の強度不足を補うか、あるいはオーステンパ処理に代表されるような特殊な熱処理を施した材料を用いる必要があった。このため、このような用途では、製品肉厚の増大や特殊な熱処理によるコストアップを抑えることが求められている。また、特に製品が大きい場合には、肉厚増大による自重歪みが問題となることもある。

これに対して、球状黒鉛鋳鉄の強度と靭性の両方を向上させようとする技術が種々提案されている。例えば、特許文献１に記載された技術は、金型鋳造よりも冷却速度の小さい砂型等での鋳造を行う場合に、鋳造した半製品を６７０〜７６０℃で加熱保持した後に自然放冷（空冷）する熱処理を行って、鋳造時に生成した基地組織の層状パーライト（ラメラパーライト）の一部からフェライトと粒状パーライトを生成させることにより、強度と伸びに優れた球状黒鉛鋳鉄製品を得ようとするものである。

しかしながら、製品が大口径の球状黒鉛鋳鉄管（ダクタイル鋳鉄管）である場合、その熱処理は一般に大型の連続焼鈍炉で行われるため、上記特許文献１に記載の技術のように半製品を加熱保持すると、コストが嵩むうえ、温度調整が難しく製品の強度や伸びのバラツキが大きくなるおそれがある。

このように、砂型遠心鋳造により鋳造される球状黒鉛鋳鉄管については、高強度と高靭性の両方の特性を安定してかつ安価に付与することのできる技術がまだ実用化されていないのが現状である。

特開２００３−５５７３１号公報

本発明の課題は、高強度かつ高靭性の球状黒鉛鋳鉄管とその安価な製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の球状黒鉛鋳鉄管は、重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＳｎとＣｕの少なくとも１種を、０．０５０≦Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ≦０．０８９となる範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、基地組織における層間隔の粗いパーライトの面積率が５０〜９０％であり、基地組織中に晶出している黒鉛の粒数が３００個／ｍｍ^２以上、平均粒径が１５μｍ以下であるものとした。

あるいは、上記構成に対して、前記各化学成分のほかにＢｉ：０．０００５〜０．１０％を添加して、層間隔の粗いパーライトの面積率を３０〜９０％、黒鉛粒数を７００個／ｍｍ^２以上とした点のみが異なる構成のものを採用することもできる。

ここで、パーライトの面積率とは、所定の大きさの視野において黒鉛を除いた基地組織の面積を１００％とした場合のパーライトの面積の割合（％）である。また、黒鉛の粒数および平均粒径は、粒径３μｍ以下のものを除いて計測した値である。

すなわち、本発明では、パーライト安定化元素であるＳｎとＣｕの含有量を所定範囲に収めることにより、基地組織におけるパーライト面積率を５０〜９０％（Ｂｉ添加の場合は３０〜９０％）となるように調整して高強度が得られるようにするとともに、そのパーライトを層間隔の粗いものとし、基地組織中に微細な球状黒鉛を多数晶出させて組織を緻密化することにより、高靭性が得られるようにしたのである。

次に、各合金元素の含有量を上記の範囲に限定した理由について説明する。

Ｃは、本発明に必要な黒鉛量と鋳造性（溶湯の流動性）を確保するために、少なくとも３．２０％含むようにした。一方、含有量が４．００％を超えると、黒鉛の晶出が過剰になって高い強度が得られなくなるので、含有量の上限を４．００％とした。

Ｓｉは、溶湯の流動性を高める作用や黒鉛の晶出を促進する作用を有するが、含有量が１．４０％未満ではこれらの作用による効果が十分に得られない。一方、含有量が３．００％を超えると、黒鉛の晶出が過剰になるとともに基地組織のパーライト化を抑える作用が大きくなって高強度が得られなくなるし、製品の外表面にピンホール等の荒れが発生しやすくなる。このため、含有量の範囲を１．４０〜３．００％とした。ただし、鋳造性およびコストを重視すれば、含有量は１．９０〜２．３０％とすることが望ましい。

Ｍｎは、Ｓを固定して無害化する元素であり、その効果を十分に得るために少なくとも０．１０％含むようにした。しかし、過剰であれば伸びを低下させるので、含有量の上限を１．００％とした。

Ｍｇは、黒鉛を球状化させるのに必要な元素であり、含有量が０．０２％未満では十分な効果が得られない一方、０．０８％を超えると効果の向上が少なくなるので、含有量の範囲を０．０２〜０．０８％とした。

Ｃｒは、通常、不可避的に０．０１％以上含まれるが、含有量が０．２０％以下であればその影響は小さい

ＳｎおよびＣｕは、ともにパーライト安定化元素であるが、Ｃｕの効果はＳｎの効果の約１／１０であることが知られている。そして、一方で、需要家から求められている高強度と高靭性を両立するには、基地組織における層間隔の粗いパーライトの面積率を３０〜９０％に調整する必要があるという知見を得たことから、このパーライト面積率をＳｎとＣｕの少なくとも一方の添加によって達成する条件として、両元素の含有量を０．０５０≦Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ≦０．０８９の範囲に規定した。すなわち、Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０＜０．０５０のときは、基地のパーライト面積率が小さくなりすぎて、靭性は高まるが高強度が得られなくなる。一方、Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０＞０．０８９のときは、基地のパーライト面積率が大きくなりすぎて、高強度は得られるが靭性が低くなる。よって、０．０５０≦Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ≦０．０８９の範囲を規定したのである。

Ｂｉは、少量でも黒鉛を微細化し黒鉛粒数を増加させる効果がある一方、フェライト化を促進する作用もある。そこで、添加する場合は、その効果が確実に得られ、かつパーライト面積率が小さくなりすぎないように、含有量の範囲を０．０００５〜０．１０％とした。

上記各合金元素のほかには、Ｐ、Ｓ等の不可避的不純物が含有されるが、その含有量は少ないほどよい。例えば、Ｐは０．０８％以下、Ｓは０．０１５％以下とすることが好ましい。

また、本発明の球状黒鉛鋳鉄管の製造方法は、重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＳｎとＣｕのうち少なくとも１種を、０．０５０≦Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ≦０．０８９となる範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成の溶湯を用いて、砂型遠心鋳造により管状の半製品を鋳造し、この半製品に対してオーステナイト化温度±４０℃の範囲に加熱した後２〜１５℃／分の冷却速度で６８０℃以下まで冷却する熱処理を行うことにより、前記半製品を上述した（Ｂｉを含有しない）構成の球状黒鉛鋳鉄管となすものである。

すなわち、上記のようにＳｎとＣｕのうち少なくとも１種を添加した溶湯を用いる砂型遠心鋳造と上記条件の熱処理の組み合わせにより、層間隔の粗いパーライトの面積率が５０〜９０％（Ｂｉ添加の場合は３０〜９０％）、かつ黒鉛の粒数が３００個／ｍｍ^２以上（Ｂｉ添加の場合は７００個／ｍｍ^２以上）、平均粒径が１５μｍ以下となり、高強度かつ高靭性の球状黒鉛鋳鉄管を容易に製造することができる。また、鋳造した半製品を加熱後そのまま炉冷すれば２〜１５℃／分の冷却速度が得られるので、加熱保持が必要な熱処理を行う場合に比べて、コストが低減できるし、温度調整が容易なため製品の強度や伸びのバラツキを小さくすることもできる。

ここで、上記熱処理における加熱温度の上限をオーステナイト化温度＋４０℃としたのは、これを超える温度まで加熱して徐冷した場合、基地組織に占めるフェライトの割合が増加して十分な強度が得られなくなるためである。一方、加熱温度の下限をオーステナイト化温度−４０℃としたのは、これを下回る温度の場合、鋳造時に生成した層間隔の密なパーライトの分解が進みにくくなり、靭性を向上させることが困難になるからである。また、徐冷完了温度を６８０℃以下としたのは、共析変態点付近（７００〜７５０℃程度）の温度域全体を徐冷することにより、層間隔の密なパーライトを必要な程度まで確実に分解できるからである。すなわち、上記熱処理は、対象材をオーステナイト化温度程度に加熱した後、保持することなく徐冷することにより、鋳造時に生成した層間隔の密なパーライトを一部分解して黒鉛近傍にフェライトと層間隔の粗いパーライトを生成させ、高い靭性が得られるようにしたものである。

また、前記溶湯を砂型に注湯する際に、Ｓｉが４５〜７５重量％含まれたＦｅ−Ｓｉ系接種剤を溶湯に対して０．１〜０．５重量％注湯流接種するようにすれば、基地組織中に晶出する黒鉛の粒数が増加して、確実に高い靭性が得られる。

一方、Ｂｉを含有する管を製造する場合には、前記溶湯を砂型に注湯する際に、Ｓｉが４５〜７５重量％、Ｂｉが０．５〜２０重量％含まれたＦｅ−Ｓｉ−Ｂｉ系接種剤を溶湯に対して０．１〜０．５重量％注湯流接種するようにすれば、黒鉛の微細化および粒数増加の効果が確実に得られる。

上述したように、本発明の球状黒鉛鋳鉄管は、基地組織における層間隔の粗いパーライトの面積率を所定範囲に調整し、基地組織中に微細な球状黒鉛を多く晶出させたものであるから、高強度かつ高靭性のものとなり、高強度と高靭性の両方が求められる用途に対しても薄肉で使用することができる。その結果、従来の高靭性タイプのものを厚肉にして使用する場合に比べて製造コストを低減できるし、大口径管では軽量化によって自重歪みの問題を解消することもできる。

また、本発明の球状黒鉛鋳鉄管の製造方法は、ＳｎとＣｕの含有量を適量に調整した溶湯を用いて砂型遠心鋳造を行った後、オーステナイト化温度±４０℃の範囲に加熱して６８０℃以下まで徐冷することにより、高強度かつ高靭性の球状黒鉛鋳鉄管を容易に得られる。しかも、熱処理時の加熱温度が通常の焼鈍を行う場合よりも低く、また加熱温度を保持する必要がないので、ＬＮＧ使用量低減等により製造コストが低減され、環境面での負荷軽減にも寄与する。さらに、熱処理時の温度調整が容易なため、製品の強度や伸びのバラツキを小さくすることもできる。

ａ〜ｃは、第１実施形態およびその比較材の材料組織の顕微鏡写真 ａ〜ｃは、第２実施形態およびその比較材の材料組織の顕微鏡写真

以下、本発明の球状黒鉛鋳鉄管の特性を確認するために行った実験について説明する。実験では、まず、第１実施形態の球状黒鉛鋳鉄管を製造した。表１は実験に用いた溶湯の化学成分を示す。ここで、記載を省略した残部は、ＦｅとＰ、Ｓ以外の不可避的不純物からなる。なお、化学成分のデータは、溶湯から作製した白銑試料を発光分光分析装置で分析した値である。

表１の組成を有する溶湯を約１３００℃で遠心鋳造装置の円筒状砂型に注湯して、口径約３００ｍｍ、厚さ約７．５ｍｍの半製品（鋳放し管）を鋳造した。この注湯の際には、Ｓｉが４５〜７５重量％含まれたＦｅ−Ｓｉ系接種剤を溶湯に対して０．１〜０．５重量％注湯流接種した。また、鋳造時の冷却方法は、注湯した溶湯を砂型内で凝固させた後、凝固した管状体を砂型から取り出して空冷し、基地にパーライトが生成するようにした。

そして、鋳造した鋳放し管を３分割し、その３つの鋳放し管を表２に示す別々の条件で熱処理することにより、第１実施形態の球状黒鉛鋳鉄管と比較材となる２種類の球状黒鉛鋳鉄管に仕上げた。ここで、各条件の熱処理時の加熱速度は約１０５℃／分であり、加熱速度と成分組成で決まるオーステナイト化温度は約８２０℃である。

このようにして製造した第１実施形態の管から５個の試験片（実施例１〜５）を、各比較材の管からは１個ずつ試験片（比較例１、２）を採取し、各試験片について材料組織の性状および機械的性質を調査した。その調査結果を表３および表４に示す。また、図１は実施例３および比較例１、２の材料組織の顕微鏡写真を示す。ここで、表３の材料組織の性状に関するデータは、いずれも管の厚さ方向中心部の画像解析により計測したもので、そのうちのパーライト面積率は所定の大きさの視野における基地組織の面積を１００％とした場合のパーライト全体の面積の割合であり、黒鉛面積率は所定の大きさの視野全体の面積を１００％とした場合の黒鉛の面積の割合である。また、黒鉛に関しては、いずれも粒径が３μｍ以下のものを除いて計測を行っている。

図１に示した各例では、いずれも基地組織が若干のフェライトと層状パーライトからなる。そのうち、実施例３では、層間隔の粗いパーライトが黒鉛周囲に広い範囲で明瞭に確認できる（図１（ａ））。これに対し、比較例１のパーライトは全体的に層間隔の密なものとなっており（図１（ｂ））、比較例２のパーライトには部分的に層間隔の粗いところもあるが、その面積は層間隔の密なパーライトの面積よりも小さい（図１（ｃ））。そして、表３および表４から明らかなように、実施例１〜５では、パーライト面積率が９０％で、黒鉛の粒数が３６０個／ｍｍ^２以上、平均粒径が１４μｍ以下であり、６４０ＭＰａ以上の引張強さと１２％以上の伸びが確保されている。一方、比較例１、２は、実施例１〜５と比べると、パーライト全体の面積率は同じであり、黒鉛の粒数は同程度で黒鉛粒径は若干細かいが、強度が高く伸びは低い。これは、比較例１、２では、各実施例よりも微細な球状黒鉛が晶出しているにもかかわらず、熱処理時の加熱温度が低いことにより、鋳造時に生成した層間隔の密なパーライトの分解が進んでいないためと考えられる。

次に、上述した第１実施形態の球状黒鉛鋳鉄管についての実験と同様に、第２実施形態の球状黒鉛鋳鉄管についての実験を行った。この実験では、使用した溶湯の化学成分（表５、残部は記載省略）が第１実施形態と若干異なり、注湯流接種の際の接種剤としてＦｅ−Ｓｉ−Ｂｉ系のものを使用した。その接種剤は、Ｓｉが４５〜７５重量％、Ｂｉが２重量％含まれたものであり、溶湯に対する接種剤の割合は第１実施形態の管の実験と同じである。また、その他の実験方法、すなわち、鋳造時の冷却方法、鋳造した鋳放し管に対しての３種類の熱処理方法（表２参照）、製造した管から採取した試験片（実施例６〜１０と比較例３、４）の調査方法も第１実施形態の管の実験と同じである。その調査結果を表６および表７に、実施例６および比較例３、４の材料組織の顕微鏡写真を図２に示す。

図２（ａ）からわかるように、実施例６では、実施例３に比べて微細な黒鉛が多数析出するとともに、黒鉛周囲にフェライトがかなり多く析出しており、Ｂｉ添加の効果が現れていると考えられる。そして、基地組織の半分程度を占めるパーライトは、ほとんどが層間隔の粗いものとなっている。これに対して、図２（ｂ）、（ｃ）からわかるように、比較例３、４のフェライト析出量は比較例１、２よりも増えているが、その増え方はわずかである。また、比較例３では、比較例１と同じくフェライト以外の基地組織が全体的に層間隔の密なパーライトとなっており、比較例４では、比較例２と同じく層間隔の密なパーライトの面積が層間隔の粗いパーライトよりもかなり大きくなっている。そして、表６および表７から明らかなように、実施例６〜１０では、パーライト面積率が４０〜５０％で、黒鉛の粒数が７９０個／ｍｍ^２以上、平均粒径が１０μｍ以下であり、５８０〜６００ＭＰａ程度の引張強さと１４〜１５％の伸びが確保されている。一方、比較例３、４は、実施例６〜１０と比べると、黒鉛の粒数、平均粒径は同程度であるが、パーライト面積率と強度が高く、伸びは低い。この理由は、第１実施形態の場合と同じと考えられる。

また、実施例６〜１０の調査結果を第１実施形態の実施例１〜５の結果と比べると、第２実施形態では、フェライト析出量の増加に伴ってパーライト面積率が低くなったことにより強度は若干低下したが、このことと微細な球状黒鉛が多く晶出したことにより、高い伸びが安定して得られるようになったものと考えられる。

以上の実験結果から、各実施形態の球状黒鉛鋳鉄管は、ＳｎとＣｕの含有量を調整した溶湯を用いて砂型遠心鋳造を行った後、オーステナイト化温度程度に加熱して６８０℃まで徐冷し、基地組織におけるパーライト面積率を所定範囲に調整するとともに、微細な球状黒鉛を多数晶出させることにより、FCD600と同程度の引張強さとFCD450と同等以上の伸びを有する、高強度かつ高靭性のものになることが確認された。

また、同一の溶湯成分、同一の熱処理条件でも、接種剤の種類によって強度と靭性のバランスがかなり変わること、すなわち、強度と靭性のいずれを重視するかにより接種剤の種類を決定するだけで容易に目的の材質を得られることも確認できた。

なお、第１実施形態では接種剤としてＦｅ−Ｓｉ系のものを用いたが、必要な靭性が得られれば必ずしも使用しなくてもよい。また、第２実施形態のＦｅ−Ｓｉ−Ｂｉ系の接種剤としては、Ｂｉが２重量％含まれたものを使用したが、Ｂｉの含有量は０．５〜２０重量％の範囲であればよい。

Claims (5)

1. 重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＳｎとＣｕのうち少なくとも１種を、０．０５０≦Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ≦０．０８９となる範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、基地組織における層間隔の粗いパーライトの面積率が５０〜９０％であり、基地組織中に晶出している黒鉛の粒数が３００個／ｍｍ^２以上、平均粒径が１５μｍ以下である球状黒鉛鋳鉄管。
2. 重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＳｎとＣｕのうち少なくとも１種を、０．０５０≦Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ≦０．０８９となる範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成の溶湯を用いて、砂型遠心鋳造により管状の半製品を鋳造し、この半製品に対してオーステナイト化温度±４０℃の範囲に加熱した後２〜１５℃／分の冷却速度で６８０℃以下まで冷却する熱処理を行うことにより、前記半製品を請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄管となす球状黒鉛鋳鉄管の製造方法。
3. 前記溶湯を砂型に注湯する際に、Ｓｉが４５〜７５重量％含まれたＦｅ−Ｓｉ系接種剤を溶湯に対して０．１〜０．５重量％注湯流接種することを特徴とする請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄管の製造方法。
4. 重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％、Ｂｉ：０．０００５〜０．１０％を含有し、さらにＳｎとＣｕのうち少なくとも１種を、０．０５０≦Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ≦０．０８９となる範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、基地組織における層間隔の粗いパーライトの面積率が３０〜９０％であり、基地組織中に晶出している黒鉛の粒数が７００個／ｍｍ^２以上、平均粒径が１５μｍ以下である球状黒鉛鋳鉄管。
5. 重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＳｎとＣｕのうち少なくとも１種を、０．０５０≦Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ≦０．０８９となる範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成の溶湯を用い、この溶湯を遠心鋳造用砂型に注湯する際に、Ｓｉが４５〜７５重量％、Ｂｉが０．５〜２０重量％含まれたＦｅ−Ｓｉ−Ｂｉ系接種剤を溶湯に対して０．１〜０．５重量％注湯流接種して、管状の半製品を遠心鋳造し、この半製品に対してオーステナイト化温度±４０℃の範囲に加熱した後２〜１５℃／分の冷却速度で６８０℃以下まで冷却する熱処理を行うことにより、前記半製品を請求項４に記載の球状黒鉛鋳鉄管となす球状黒鉛鋳鉄管の製造方法。