JP2012026017A - 耐摩耗性に優れた球状黒鉛鋳鉄品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:3.0〜4.0%、Si:1.8〜3.0%、Mn:0.2〜1.2%、Cu:0.2〜1.3%、Nb:0.05〜1.0%、Mg:0.02〜0.06%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する球状黒鉛鋳鉄品とする。これにより、引張強さ:700MPa以上で、伸び:5%以上を保持しつつ、優れた耐摩耗性を保持する球状黒鉛鋳鉄品となる。なお、さらに、質量%で、Ni:0.1〜1.5%、S:0.001〜0.03%含有する組成としてもよい。
【選択図】 図2
Description
まず、本発明の基礎となった実験結果について説明する。
質量%で、3.4〜3.9%C−2.2〜2.8%Si−0.3〜1.1%Mn−0〜1.5%Nb−0.1〜1.5%Cu−0.029〜0.051%Mg−0〜1.5%Ni−残部Feからなる各組成の球状黒鉛鋳鉄製Y型キールブロック(平行部肉厚:15mm)から試験片を採取し、試験を実施した。
図1に引張強さと伸びの関係を示す。なお、図1には、参考としてJIS G 5502に規定された球状黒鉛鋳鉄の引張強さと伸びの関係を併記した。
参考として示した、強度の増加に伴い、伸び(延性)が低下することはJISに規定された球状黒鉛鋳鉄におけるように、ごく一般的なことであるが、Nb−Cu系、Cu系は、同一強度で比較して伸び(延性)の向上が著しくなる。
図2から、同一伸びで比較して、適正量のNb、Cuを添加したNb−Cu系(●印)で、従来例、Cu系、適正範囲外のNb−Cu系に比べて著しい耐摩耗性の向上が認められるという知見を得た。
(1)質量%で、C:3.0〜4.0%、Si:1.8〜3.0%、Mn:0.2〜1.2%、S:0.0001〜0.03%、Cu:0.2〜1.3%、Nb:0.05〜1.0%、Mg:0.01〜0.06%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、耐摩耗性に優れることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄品。
(2)(1)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、Ni:0.1〜1.5%含有する組成であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄品。
(3)(1)または(2)において、質量%でS:0.001〜0.03%含有する組成であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄品。
C:3.0〜4.0%
Cは、球状黒鉛の晶出量、パーライト中の層状セメンタイト量およびMC炭化物の析出量、ならびに溶湯の流動性に影響する重要な元素である。C含有量が3.0%未満では特に流動性が不足し、引け巣が発生しやすく、また黒鉛量が不足し、所望の強度、延性を確保する球状黒鉛鋳鉄とすることが難しくなる。一方、4.0%を超える含有は、黒鉛量が過多となり、強度が低下する。このため、Cは3.0〜4.0%に限定した。なお、好ましくは、3.3〜3.9%である。
Siは、溶湯の流動性と白銑化に影響を及ぼすとともに、さらに黒鉛の生成を促進する元素であり、本発明では1.8%以上の含有を必要とする。Siが1.8%未満では、流動性が低下して薄肉部への溶湯の充填が困難になるとともに、白銑化も発生する。一方、3.0%を超える含有は、黒鉛形状が乱れ、形状の崩れた黒鉛となりやすく、高強度化が困難になる。このため、Siは1.8〜3.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは、2.2〜2.9%である。
Mnは、基地中に固溶し、基地の高強度化に寄与する有用な元素である。このような効果を得るためには、0.2%以上の含有を必要とする。Mnが0.2%未満では強度が低下し、所望の高強度を確保できなくなる。一方、1.2%を超えるMnの含有は、凝固セルの粒界にMnが偏析して材質を脆化させる。このため、Mnは0.2〜1.2%の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.3〜0.8%である。
Cuは、パーライト組織を緻密化するととともに、基地を高強度化する作用を有する元素である。このような効果を得るためには、0.2%以上の含有を必要とする。一方、1.3%を超える含有は、延性の低下を招く。このため、Cuは0.2%以上1.3%以下の範囲に限定した。
Nbは、本発明では最も重要な元素であり、硬質な粒状のMC型炭化物を形成し、適度の高強度と優れた延性とを保持しつつ、更なる耐摩耗性向上に有効に寄与する元素である。また、Nbは、凝固組織をも微細化し、高強度化に有効に寄与する。このような効果は、0.05%以上の含有で認められるが、1.0%を超える含有は、MC型炭化物が粗大化し、延性の低下を招く。このため、Nbは0.05〜1.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.1〜0.8%である。なお、Nbの添加は、フェロニオブ、あるいはFe−Nb合金を用いることが好ましいが、溶湯に溶けにくい傾向があり、溶製時の早期から投入しておくことが好ましい。なお、最近ではNb含有合金の表面にフラックスを被覆したり、フラックスを混合したNb合金等が市販されており、これらのNb合金を使用すれば、Nb含有合金の溶湯への溶解が促進されるという利点がある。
Mgは、黒鉛を球状化する作用を有し、球状黒鉛鋳鉄では必須元素である。このような効果を確保するためには、0.01%以上の含有を必要とする。一方、0.06%を超える含有は、Mgの酸化物が多量のドロスを発生させ、表面欠陥を増加させる。このため、Mgは0.01〜0.06%の範囲に限定した。
Ni:0.1〜1.5%
Niは、基地中に固溶して炭素の拡散を抑制し、基地のパーライト変態を促進し、強度を増加させる効果を有する元素であり、必要に応じて含有できる。このような効果は、0.1%以上の含有で顕著となる。一方、1.5%を超える含有は、オーステナイトを安定化させ、基地組織を一部、ベイナイト化、あるいはマルテンサイト化させて、強度のばらつきを大きくする悪影響を及ぼす。このため、Niは0.1〜1.5%の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.1〜1.0%である。
Sは、基本的には不純物元素であるが、Mg、Si等と化合物を形成して黒鉛の核を形成し、黒鉛化を促進する作用も有する元素であるといわれている。このような効果を得るために、本発明では0.001%以上含有させることが好ましい。一方、0.03%を超える含有は、黒鉛形状を低下させる。このため、Sは0.001〜0.03%の範囲に限定することが好ましい。
Pは、ザク巣を増加させたり、凝固セルの粒界に偏析して材質を脆化させる作用を有する元素であり、本発明では不純物としてできるだけ低減することが望ましい。0.04%以上では上記した悪影響が顕著となる。このため、Pは0.04%未満に調整することが好ましい。
Al、Ca 、Ba、Bi、REMは、通常、黒鉛球状化剤として使用されるFe−Si−Mg合金や、通常、接種剤として使用されるFe−Si合金やCa−Si合金中に含有される。このため、Al、Ca、Ba、Bi、REMは、球状黒鉛鋳鉄には不可避的に含まれる不純物となる。しかし、Al を0.05%以上を含有すると、黒鉛球状化に悪影響を及ぼし強度低下の原因となる。また、Caを0.008%以上、Baを0.002%以上含有すると、ドロスが増加し、表面欠陥の発生が増加する。また、Bi:0.02%以上含有すると、黒鉛球状化に悪影響を及ぼしたり、炭化物を晶出する場合がある。また、REMを0.05%以上含有すると、薄肉鋳鉄品を鋳造するに際して、チル組織を発生させたり、黒鉛形状を劣化させたりする。
本発明の球状黒鉛鋳鉄品は、上記した組成を有し、鋳放しのままで、ほぼ700MPa以上の高強度と、5%以上の高延性を有し、強度−延性バランスに優れ、さらに従来材の1.4倍以上の優れた耐摩耗性を有する。
高周波炉等の常用の鋳鉄溶製方法で母溶湯を溶製し、該母溶湯に、常用のSi−Mg合金等の黒鉛球状化剤を添加する黒鉛球状化処理を行ったのち、さらに、通常のFe−Si合金、Ca−Si合金等の接種剤で接種して上記した組成とし、所望の形状に形成された、砂型、金型等の常用の鋳型に注湯することが好ましい。なお、本発明においては、接種は、常用の方法である、取鍋に移送時に行う方法、あるいは湯道等の鋳型内(インモールド接種)で行う方法のいずれで行ってもよいことは言うまでもない。
(1)引張試験
Y型キールブロックから、JIS 14A号引張試験片(平行部径:10mmφ×GL50mm)を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して、室温(25℃)で引張試験を実施し、引張強さTS、および伸びElを測定した。
(2)摩耗試験
Y型キールブロックから、摩耗試験片(円盤状試験片:外径φ60mm×肉厚10mm)を採取した。摩耗試験は、2円盤の転がりすべり方式とした。相手材は、S45C材製の円盤状試験片(外径φ190mm×肉厚15mm)とした。摩耗試験は、試験片回転数:700rpm、すべり率:5%、荷重:100kgf(980N)、試験時間:60minとした。なお、試験片の発熱を避けるために、試験片を水冷しながら摩耗試験を実施した。摩耗試験の前後に試験片の重量測定を行い、試験片の摩耗減量(摩耗量)を測定した。各鋳鉄品の耐摩耗性は、従来例(鋳鉄品No.M)の摩耗量に対する比、摩耗比=(従来例の摩耗量)/(各鋳鉄品(試験片)の摩耗量)で評価した。この摩耗比が大きいほど、耐摩耗性が優れることを意味する。
Claims (3)
- 質量%で、
C:3.0〜4.0%、 Si:1.8〜3.0%、
Mn:0.2〜1.2%、 Cu:0.2〜1.3%、
Nb:0.05〜1.0%、 Mg:0.01〜0.06%、
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、耐摩耗性に優れることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄品。 - 前記組成に加えてさらに、質量%で、Ni:0.1〜1.5%含有する組成であることを特徴とする請求項1に記載の球状黒鉛鋳鉄品。
- 前記組成に加えてさらに、質量%で、S:0.001〜0.03%含有する組成であることを特徴とする請求項1または2に記載の球状黒鉛鋳鉄品。
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