JP2013227598A

JP2013227598A - 鋳鉄鋳物とその製造方法

Info

Publication number: JP2013227598A
Application number: JP2012098564A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Fujio; 和樹藤尾; Susumu Nishikawa; 進西川
Original assignee: Kogi Corp
Current assignee: Kogi Corp
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2032-04-24
Also published as: JP6139062B2

Abstract

【課題】Ｗ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ等を含まない合金鋳鉄で、焼割れが生じ難く、且つ複数回に及ぶ焼戻し処理を行わなくても、マルテンサイト組織が多く且つ残留オーステナイトが少なく、よって所定の高硬度で、耐摩耗性に優れ、肉厚鋳物に適した鋳鉄鋳物とその製造方法の提供を課題とする。
【解決手段】重量％で、Ｃ：１．０〜２．５％、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｃｒ：５．０〜９．０％、Ｍｏ：０．８〜２．５％、Ｖ：０．１〜０．７％、を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、基地の８０％以上をマルテンサイト相で占めると共に金属炭化物を分散させた組織とし、硬度が７４Ｈｓ以上である鋳鉄鋳物である。
【選択図】図１

Description

本発明は鋳鉄鋳物とその製造方法に関する。

高硬度で耐摩耗性、耐肌荒れ性を必要とする肉厚鋳物として、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｂなどを含有させた鋳鉄鋳物が従来から提供されている。

例えば下記特許文献１には、熱間圧延用複合ロールの外層材としてＣ、Ｓｉの他、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂを含有するハイス系鋳鉄を用い、これを一旦加熱してオーステナイト化した後、２００〜３００℃に焼入れし、その後、５００〜５５０℃で各１０時間の焼戻しを複数回繰り返して、マルテンサイト又はベイナイトと２次炭化物を析出させた組織とし、硬度を８０Ｈｓ以上とするものが開示されている。
また本出願人の以前の出願に係る下記特許文献２には、高クロム鋳鋼系圧延用ロール材としてＣ、Ｓｉの他、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗを含有する鋳鋼を用い、これを一旦加熱してオーステナイト化した後、３００〜５００℃に焼入れし、その後、５００〜６００℃で各１０〜１５時間の焼戻しを復数回繰り返して、基地のほとんどをベイナイト組織とし、硬度を７０〜８０Ｈｓ以上とするものが開示されている。

特開２００６−２８９３９１号公報特開２００１−１８１７９５号公報

しかしながら上記特許文献１の発明においては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの他にＷ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂを含有させる必要があること、焼入れによる割れを防ぐために比較的冷却速度の遅い焼入れを行うことに伴って、残留オーステナイトが多くなるので、複数回に及ぶ焼戻し処理を行って、組織の改善と硬度向上を行わなければならないという問題があった。
また上記特許文献２の発明においては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの他にＷを含有させる必要があること、また上記特許文献１の場合と同様に、焼入れ後に複数回に及ぶ焼戻し処理を行って組織の改善と硬度向上を図る必要があること、焼戻し処理後の組織がほぼベイナイト組織となり、硬度的には今１つであった。

そこで本発明は上記従来の問題点を解消し、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ等を含まない合金鋳鉄で、焼割れが生じ難く、且つ複数回に及ぶ焼戻し処理を行わなくても、マルテンサイト組織が多く且つ残留オーステナイトが少なく、よって所定の高硬度で、耐摩耗性に優れ、肉厚鋳物に適した鋳鉄鋳物とその製造方法の提供を課題とする。

上記課題を解決する本発明の鋳鉄鋳物は、重量％で、Ｃ：１．０〜２．５％、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｃｒ：５．０〜９．０％、Ｍｏ：０．８〜２．５％、Ｖ：０．１〜０．７％、を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、基地の８０％以上をマルテンサイト相で占めると共に金属炭化物を分散させた組織とし、硬度が７４Ｈｓ以上であることを第１の特徴としている。
また本発明の鋳鉄鋳物は、上記第１の特徴に加えて、重量％で、Ｃ：１．２〜２．３％、Ｓｉ：０．４〜１．３％、Ｍｎ：０．４〜１．３％、Ｃｒ：５．５〜８．５％、Ｍｏ：０．９〜２．４％、Ｖ：０．３〜０．７％、を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、基地の８５％以上をマルテンサイト相で占めると共に金属炭化物を分散させた組織とし、硬度が７４〜８７Ｈｓであることを第２の特徴としている。
また本発明の鋳鉄鋳物は、上記第１又は第２の特徴に加えて、１００ｍｍ以上の厚肉の肉厚部分を有することを第３の特徴としている。
また本発明の鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記第１〜第３の何れかの特徴の鋳鉄鋳物の製造方法であって、予め成分組成を調整してなる鋳造物を９５０〜１１００℃まで加熱した後、冷却速度を１０〜４３℃／分として、４５０〜５４０℃にまで冷却し、その温度で２０〜１４０時間保持した後、常温まで冷却するようにしたことを第４の特徴としている。
また本発明の鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記第４の特徴に加えて、予め成分組成を調整してなる鋳造物を９７０〜１０８０℃まで加熱した後、冷却速度を１３〜３１℃／分として、４７０〜５２５℃にまで冷却し、その温度で３０〜１１０時間保持した後、常温まで冷却するようにしたことを第５の特徴としている。
また本発明の鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記第５の特徴に加えて、予め成分組成を調整してなる鋳造物を９９０〜１０６０℃まで加熱した後、冷却速度を１６〜２３℃／分として、４９０〜５１０℃にまで冷却し、その温度で４０〜８０時間保持した後、常温まで冷却するようにしたことを第６の特徴としている。

請求項１に記載の鋳鉄鋳物によれば、そこに示された成分組成、相構成、硬度構成により、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂを含まない合金鋳鉄鋳物として、焼割れが生じ難く、また複数回に及ぶ焼戻し処理を行わなくても、マルテンサイト相が多く且つ残留オーステナイト相が少なく、よって所定の高硬度で、耐摩耗性に優れ、肉厚鋳物にも適した鋳鉄鋳物を現に提供することができる。
また請求項２に記載の鋳鉄鋳物によれば、上記請求項１の構成による作用効果に加えて、成分組成、相構成、硬度構成をより好ましい範囲に限定することで、より焼割れが生じ難く、より高硬度で、耐摩耗性に優れ、肉厚鋳物にも適した鋳鉄鋳物を安定して提供することができる。
また請求項３に記載の鋳鉄鋳物によれば、上記請求項１又は２の構成による作用効果に加えて、１００ｍｍ以上の厚肉の肉厚部分を有することにより、そのような厚肉の鋳鉄鋳物で、且つ焼割れが生じず、また複数回に及ぶ焼戻し処理を行わなくても、マルテンサイト相が多く、よって所定の高硬度で、耐摩耗性に優れたものを提供することができる。

また請求項４に記載の鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項１〜３の何れかの鋳造鋳物の製造方法であって、予め成分組成を調整してなる鋳造物を９５０〜１１００℃まで加熱した後、冷却速度を１０〜４３℃／分として、４５０〜５４０℃にまで冷却し、その温度で２０〜１４０時間保持した後、常温まで冷却するようにしたので、
焼戻し処理を複数回繰り返すような熱処理を行うことなく、焼割れが生じ難く、マルテンサイト相が多く且つ残留オーステナイト相が少なく、よって高硬度で、耐摩耗性に優れ、肉厚鋳物にも適した鋳鉄鋳物を現に製造することができる。
また請求項５に記載の鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項４に記載の構成による作用効果に加えて、製造条件をより好ましい条件に限定することで、より安定して確実に、焼割れが生じ難く、肉厚鋳物に適した鋳鉄鋳物を提供することができる。
また請求項６に記載の鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項５に記載の構成による作用効果に加えて、製造条件を更に好ましい条件に限定することで、更に安定して確実に、焼割れが生じ難く、肉厚鋳物にも適した鋳鉄鋳物を提供することができる。

本発明の実施形態に係る製造方法を説明する図である。

本発明の鋳鉄鋳物とその製造法について、先ず使用する鋳鉄材料の成分組成における各成分元素の含有範囲の限定理由を以下に説明する。

Ｃの含有量は、１．０〜２．５重量％とする。
ＣはＣｒ、Ｍｏ、Ｖと結合して、高硬度な炭化物を形成するのに有効である。１．０重量％未満では所望の硬さが得られない。一方、２．５重量％を超えると靭性が低下し、且つ冷却の遅い肉厚物では焼入れ性が低下する。
Ｃの含有量は、１．２〜２．３重量％がより好ましく、更に好ましくは１．５〜２．０重量％とする。

Ｓｉの含有量は、０．２〜１．５重量％とする。
Ｓｉは、溶湯の脱酸と鋳造性を改善するために０．２重量％以上必要である。１．５重量％を超えると、靭性が低下する。
Ｓｉの含有量は、０．４〜１．３重量％がより好ましく、更にこのましくは０．６〜１．１重量％とする。

Ｍｎの含有量は、０．２〜１．５重量％とする。
Ｍｎは溶湯の脱酸脱硫のために０．２重量％以上必要である。また１．５重量％を超えると靭性が低下する。
Ｍｎの含有量は、０．４〜１．３重量％がより好ましく、更に好ましくは０．６〜１．１重量％とする。

Ｃｒの含有量は、５．０〜９．０重量％とする。
Ｃｒは共晶炭化物を形成し、硬さを高める効果がある。一部は基地中に固溶して焼入れ性を向上させる。５．０重量％未満では前述の効果が得られない。また９．０重量％を超えると共晶炭化物が多すぎ、靭性を劣化させる。
Ｃｒの含有量は、５．５〜８．５重量％がより好ましく、更に好ましくは６．０〜８．０重量％とする。

Ｍｏの含有量は、０．８〜２．５重量％とする。
Ｍｏは基地中に固溶して焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗を増す。０．８重量％未満では前述の効果が得られない。また２．５重量％を超えると基地中への固溶は飽和し、共晶炭化物が靭性を劣化させる。
Ｍｏの含有量は、より好ましくは０．９〜２．４重量％とし、更に好ましくは１．０〜２．３重量％とし、特に好ましくは１．０〜２．０重量％とするのがよい。

Ｖの含有量は、０．１〜０．７重量％とする。
Ｖは結晶粒を微細化し、靭性を高める。０．１重量％未満では前述の効果が得られない。また０．７重量％を超えると基地中への固溶は飽和し、前述の効果は変わらないが、コスト面で不利である。
Ｖの含有量は、０．３〜０．７重量％がより好ましく、更に好ましくは０．５〜０．７重量％とする。

次に上述の成分組成の鋳鉄材料を用いた鋳造鋳物の製造方法について説明する。
製造方法は、図１に示す熱処理図を参照して、上述の成分組成に調整した鋳鉄材料からなる鋳造物を用い、これを９５０〜１１００℃の温度に加熱後、冷却速度を１０〜４３℃／分として、４５０〜５４０℃まで冷却し、その温度で２０〜１４０時間保持し、その後、放冷して常温まで冷却する。
このような熱処理により、割れが生じ難く、且つ残留オーステナイト相が少く且つマルテンサイト相が多い組織となって、高硬度で、耐摩耗性に優れ、肉厚鋳物にも適した鋳鉄鋳物を安定して得ることができる。また複数回の焼戻し処理等を行うことなく、残留オーステナイト相を低減し、マルテンサイト相の多い組織を得ることができる。
前記マルテンサイト相は基地組織の８０％以上を占めるようにする。８０％より少ないと、７４Ｈｓ以上の硬度を得ることが難しくなる。マルテンサイト相は、好ましくは８５％以上とし、更に好ましくは９０％以上となるようにする。このようにすることで、７４〜８７Ｈｓの硬度を得ることができる。

前記加熱温度が９５０℃未満では基地中のＣ濃度が低下し、硬さが低下する。更に基地中のＣｒ、Ｍｏ濃度も低下し、焼入れ性が悪くなる。一方、１１００℃を超える温度では合金濃度が濃化した部分が溶融し、変形し易くなる。
加熱温度は９７０〜１０８０℃が好ましく、更に好ましくは９９０〜１０６０℃とする。
また加熱時間は２〜５時間とすることができる。しかし、この時間に限定されるものではない。

前記加熱後の保持温度が４５０℃未満ではベイナイト変態が起こり易くなり、硬度が低下する。一方、保持温度が５４０℃を越えるとパーライト変態が起こり易くなる。
保持温度は４７０〜５２５℃が好ましく、更に好ましくは４９０〜５１０℃とする。

前記加熱温度から保持温度までの冷却速度は、加熱温度９５０〜１１００℃から保持温度４５０〜５４０℃までの冷却を、１０〜４３℃／分で行う。
加熱後の冷却速度が４３℃／分より早いと、急激な熱収縮により割れる可能性が高い。一方、冷却速度が１０℃／分より遅いと、パーライト変態が起こり、硬さが低下する。
加熱後の冷却速度は、加熱温度９７０〜１０８０℃から保持温度４７０〜５２５℃までの冷却を、１３〜３１℃／分で行うのがより好ましい。
更に好ましい冷却速度は、加熱温度９９０〜１０６０℃から保持温度４９０〜５１０℃までの冷却を、１６〜２３℃／分で行うのがよい。

保持温度での保持時間が２０時間より短いと保持による炭化物の析出が少なく、その後の冷却で残留オーステナイトが多く残り、硬さが低下する。また１４０時間を超えるとパーライト変態が起こり、硬さが低下する。
保持時間は３０〜１１０時間が好ましく、更に好ましくは４０〜８０時間とする。
前記保持温度での保持により、ＣｒやＭｏ等の金属炭化物が析出、成長する。これにより基地（保持温度ではオーステナイト相）中の炭素量が低下し、よってその後の冷却でマルテンサイト変態がし易くなる。このためマルテンサイト相が十分に多く、残留オーステナイト相が僅かに残る基地組織となる。

熱処理後に得られる鋳造鋳物の基地組織は、マルテンサイト相が８０％以上、残りが残留オーステナイト相、ベイナイト相、その他となる。ベイナイト相、その他は量が少ない。ベイナイト相は、保持温度での保持後の冷却の際に発生することがあるが、その量はごく僅かである。一方、金属炭化物が分散した組織となる。
このような組織バランスと成分組成をもつことで、硬度が７４Ｈｓ以上で、高硬度で、耐摩耗性に優れ、肉厚が１００ｍｍ以上の肉厚鋳物にも適したものとなる。

実施例１〜８、比較例１〜６の各鋳鉄材料を、表１に示すような成分組成となるように鋳造した。その後、基地組織と硬度調整のため、図１と表２に示す熱処理を施した。
実施例１〜８、比較例１〜６と熱処理パターンＡ〜Ｌの組み合わせによって得られた硬さの測定結果を表３〜表５に示す。

前記実施例１〜８のうち、実施例３、４、５は成分組成がより好ましい範囲にあり、実施例６は成分組成が更に好ましい範囲にある。
前記比較例１〜６は何れも成分組成が本発明の成分組成には入っていない。
また熱処理パターンＡ〜Ｌのうち、Ｆ、Ｇ、Ｈは本発明の製造方法において用いる熱処理の条件に合致しているが、一方、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌは本発明の製造方法において用いる熱処理の条件に合致していない。
表３〜表５において、実施例で硬さを表記していないものは、一部変形が起こっており「×」と判定した。また比較例で硬さを表記していないものは、クラックが入っており「×」と判定した。
なお表３〜５に示す評価においては、必ずしも前記実施例１、２、７、８と、より好ましい実施例３、４、５と、更に好ましい実施例６との差は示されていないが、好ましい実施例、より好ましい実施例になるにつれて、製造時に焼割れや変形に対する安定性が増す。

Claims

重量％で、
Ｃ：１．０〜２．５％、
Ｓｉ：０．２〜１．５％、
Ｍｎ：０．２〜１．５％、
Ｃｒ：５．０〜９．０％、
Ｍｏ：０．８〜２．５％、
Ｖ：０．１〜０．７％、
を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、基地の８０％以上をマルテンサイト相で占めると共に金属炭化物を分散させた組織とし、硬度が７４Ｈｓ以上であることを特徴とする鋳鉄鋳物。
重量％で、
Ｃ：１．２〜２．３％、
Ｓｉ：０．４〜１．３％、
Ｍｎ：０．４〜１．３％、
Ｃｒ：５．５〜８．５％、
Ｍｏ：０．９〜２．４％、
Ｖ：０．３〜０．７％、
を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、基地の８５％以上をマルテンサイト相で占めると共に金属炭化物を分散させた組織とし、硬度が７４〜８７Ｈｓであることを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄鋳物。
１００ｍｍ以上の厚肉の肉厚部分を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳鉄鋳物。
請求項１〜３の何れかに記載の鋳鉄鋳物の製造方法であって、予め成分組成を調整してなる鋳造物を９５０〜１１００℃まで加熱した後、冷却速度を１０〜４３℃／分として、４５０〜５４０℃にまで冷却し、その温度で２０〜１４０時間保持した後、常温まで冷却するようにしたことを特徴とする鋳鉄鋳物の製造方法。
予め成分組成を調整してなる鋳造物を９７０〜１０８０℃まで加熱した後、冷却速度を１３〜３１℃／分として、４７０〜５２５℃にまで冷却し、その温度で３０〜１１０時間保持した後、常温まで冷却するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の鋳鉄鋳物の製造方法。
予め成分組成を調整してなる鋳造物を９９０〜１０６０℃まで加熱した後、冷却速度を１６〜２３℃／分として、４９０〜５１０℃にまで冷却し、その温度で４０〜８０時間保持した後、常温まで冷却するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の鋳鉄鋳物の製造方法。