JP2014148694A

JP2014148694A - 鋳鉄

Info

Publication number: JP2014148694A
Application number: JP2013016361A
Authority: JP
Inventors: Soichiro Wakitani; 聡一郎脇谷; Ryota Yatsuduka; 遼太八塚; Takashi Otsuki; 敬大槻
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-08-21

Abstract

【課題】比較的安価なアルミニウムを含み、製造コストを低減させながら、靱性に優れる鋳鉄を提供すること。
【解決手段】炭素、ケイ素およびアルミニウムを含有する球状黒鉛鋳鉄であり、下記式（１）を満足する鋳鉄。
［炭素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋（［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］）／３≦５．０
（１）
【選択図】なし

Description

本発明は、鋳鉄に関する。

従来、鋳鉄は、生産性に優れ、歩留まりに優れる鉄合金として、各種産業分野に用いられている。

近年、自動車産業において、耐熱性に優れる鋳鉄が求められており、そのような鋳鉄として、ニッケルを多量に含むニレジスト鋳鉄が開発されている。

例えば、１３．０〜４０．０％のＮｉと、４．０〜１０．０％のＳｉとを含む球状黒鉛鋳鉄が提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。

特開平６−１２８６８４号公報

特許文献１で提案される球状黒鉛鋳鉄は、高価なニッケルを多量に含有しているので、球状黒鉛鋳鉄の製造コストが増大するという不具合がある。

そこで、例えば、ニッケルに代えて、ニッケルに比べて安価なアルミニウムを含有するアルミニウム含有鋳鉄が試案される。

しかし、アルミニウム含有鋳鉄は、一般に靱性が低いため、高い信頼性が必要とされる分野の耐熱材料に用いることができないという不具合がある。

本発明の目的は、比較的安価なアルミニウムを含み、製造コストを低減させながら、靱性に優れる鋳鉄を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の鋳鉄は、炭素、ケイ素およびアルミニウムを含有する球状黒鉛鋳鉄であり、下記式（１）を満足することを特徴としている。
［前記炭素の前記鋳鉄における質量割合（質量％）］＋（［前記ケイ素の前記鋳鉄における質量割合（質量％）］＋［前記アルミニウムの前記鋳鉄における質量割合（質量％）］）／３≦５．０（１）
また、本発明の鋳鉄では、下記式（２）をさらに満足することが好適である。

６３×［前記ケイ素の前記鋳鉄における質量割合（質量％）］＋３２×［前記アルミニウムの前記鋳鉄における質量割合（質量％）］≧９０（２）
また、本発明の鋳鉄では、前記ケイ素および前記アルミニウムの前記鋳鉄における総質量割合が６．０質量％以上であることが好適である。

この鋳鉄は、アルミニウムを含有するので、アルミニウムが安価であることから、製造コストを低減することができる。

また、この鋳鉄は、上記式（１）を満足するので、靱性に優れる。

そのため、鋳鉄を、高い信頼性が必要とされる分野の耐熱材料に用いることができる。

図１は、［Ｃ＋（Ｓｉ＋Ａｌ）／３］と常温伸びとの関係を示すグラフである。図２は、ＡｌおよびＳｉの配合割合の関係を示すグラフである。

＜１．鋳鉄の必須成分＞
本発明の鋳鉄は、炭素、ケイ素およびアルミニウムと、鉄とを含有する球状黒鉛鋳鉄である。具体的には、鋳鉄において、炭素、ケイ素およびアルミニウム（必須成分）が、鉄に分散されており、球状の黒鉛が析出している。
＜２．ケイ素、アルミニウムおよび鉄のそれぞれの配合割合＞
ケイ素の配合割合は、鋳鉄に対して、例えば、０．５０質量％以上、好ましくは、１．００質量％を超過し、より好ましくは、２．００質量％以上、さらに好ましくは、３．００質量％以上であり、また、例えば、６．００質量％以下、好ましくは、５．００質量％以下、より好ましくは、４．００質量％以下、さらに好ましくは、３．５０質量％以下である。

ケイ素の配合割合が上記下限に満たなければ、常温における伸びが良好であるものの、高温酸化量（後述）が増加して、耐高温酸化性が低下する場合がある。

アルミニウムの配合割合は、鋳鉄に対して、例えば、０．５０質量％以上、好ましくは、１．００質量％を超過し、より好ましくは、１．２０質量％以上であり、また、例えば、８．００質量％未満、好ましくは、５．００質量％以下、より好ましくは、２．００質量％以下、さらに好ましくは、１．５０質量％以下、とりわけ好ましくは、１．４０質量％以下である。

アルミニウムの配合割合が上記上限を超えれば、高温酸化量（後述）が減少し、耐高温酸化性が良好であるものの、常温における伸びが低下する場合がある。

鉄の配合割合は、鋳鉄において、上記した必須成分（および後述する任意成分）の残部の割合となるように、設定される。
＜３．炭素、ケイ素およびアルミニウムの配合割合＞
本発明において、炭素、ケイ素およびアルミニウムは、下記式（１）を満足するように、鉄に配合されている。
［炭素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋（［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］）／３≦５．０
（１）
炭素、ケイ素およびアルミニウムの配合割合が上記式（１）を満たないと、常温における常温における伸びが低下し、そのため、靱性が低下する。

また、炭素、ケイ素およびアルミニウムは、好ましくは、下記式（１−２）を満足し、より好ましくは、下記式（１−３）を満足し、さらに好ましくは、下記式（１−４）を満足するように、鉄に配合されている。
［炭素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋（［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］）／３≦４．７０
（１−２）
［炭素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋（［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］）／３≦４．６６
（１−３）
［炭素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋（［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］）／３≦４．６０
（１−４）
さらに、炭素、ケイ素およびアルミニウムは、例えば、下記式（１−５）を満足し、好ましくは、下記式（１−６）を満足し、より好ましくは、下記式（１−７）を満足するように、鉄に配合されている。
［炭素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋（［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］）／３≧３．７５
（１−５）
［炭素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋（［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］）／３≧４．００
（１−６）
［炭素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋（［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］）／３≧４．５０
（１−７）
＜４．ケイ素およびアルミニウムの配合割合＞
ケイ素およびアルミニウムは、例えば、下記式（２）を満足し、好ましくは、下記式（２−２）を満足し、より好ましくは、下記式（２−３）を満足し、さらに好ましくは、下記式（２−４）を満足するように、炭素とともに、鉄に配合されている。

６３×［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）＋３２×［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］≧９０（２）
６３×［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）＋３２×［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］≧２００（２−２）
６３×［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）＋３２×［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］≧２５０（２−３）
６３×［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）＋３２×［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］≧２５５（２−４）
上記式を満たせば、鋳鉄の高いＡ_１変態点（後述）を確保することができる。

また、ケイ素およびアルミニウムは、例えば、下記式（２−５）を満足し、好ましくは、下記式（２−６）を満足し、より好ましくは、下記式（２−７）を満足するように、炭素とともに、鉄に配合されている。

６３×［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）＋３２×［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］≦３００（２−５）
６３×［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）＋３２×［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］≦２７５（２−６）
６３×［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）＋３２×［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］≦２６０（２−７）
さらに、ケイ素およびアルミニウムの鋳鉄における総質量割合は、例えば、６．０質量％以上、好ましくは、７．０質量％以上、より好ましくは、８．０質量％以上であり、また、例えば、１０．０質量％以下である。

ケイ素およびアルミニウムの鋳鉄における総質量割合が、上記下限以上であれば、良好な耐高温酸化性を確保することができる。
＜５．添加元素＞
鋳鉄には、本発明の優れた効果を阻害しない範囲で、例えば、マンガン、リン、硫黄、銅、ニッケル、クロム、モリブデン、チタン、ニオブ、バナジウムなどの添加元素を任意成分として添加することもできる。クロムは、固溶強化元素として鋳鉄に添加され、また、チタン、ニオブおよび／またはバナジウムは、炭化物を作る析出強化元素として鋳鉄に添加される。

添加元素として、好ましくは、マンガン、リン、硫黄、銅、ニッケル、クロム、モリブデンが挙げられ、より好ましくは、マンガン、リン、硫黄、銅、ニッケル、クロムが挙げられる。

添加元素は、単独使用または２種以上併用することができる。

マンガンの添加割合は、鋳鉄に対して、例えば、０．１質量％以上、好ましくは、０．２質量％以上であり、また、例えば、１．００質量％以下、好ましくは、０．５０質量％以下である。

リンの添加割合は、鋳鉄に対して、例えば、０．００５質量％以上、好ましくは、０．０１質量％以上であり、また、例えば、０．１０質量％以下、好ましくは、０．０５質量％以下である。

硫黄の添加割合は、鋳鉄に対して、例えば、０．００１質量％以上、好ましくは、０．００２質量％以上であり、また、例えば、０．０２質量％以下、好ましくは、０．０１質量％以下である。

銅の添加割合は、鋳鉄に対して、例えば、０．０２質量％以上、好ましくは、０．０５質量％以上であり、また、例えば、０．５質量％以下、好ましくは、０．２質量％以下である。

ニッケルの添加割合は、アルミニウムの配合割合に比べて極めて微少であって、アルミニウムに対して、例えば、１０質量％以下、好ましくは、５質量％以下であり、また、例えば、０．１質量％以上である。具体的には、ニッケルの添加割合は、鋳鉄に対して、例えば、０．０１質量％以上、好ましくは、０．０２質量％以上であり、また、例えば、０．１質量％以下、好ましくは、０．０５質量％以下である。

クロムの添加割合は、鋳鉄に対して、例えば、０．０１質量％以上、好ましくは、０．０２質量％以上であり、また、例えば、０．２質量％以下、好ましくは、０．１質量％以下である。

モリブデンの添加割合は、鋳鉄に対して、例えば、０．０００１質量％以上、好ましくは、０．０００５質量％以上であり、また、例えば、０．００５質量％以下、好ましくは、０．００２質量％以下である。

なお、鋳鉄は、上記成分以外にも、不可避的な混入する不純物を含有していてもよい。
＜６．鋳鉄の製造方法＞
鋳鉄を製造するには、上記した各成分またはその原料を、例えば、るつぼなどの耐熱性容器に投入して、加熱して溶解および混合して混合物（溶湯）を調製し、その後、混合物を型に流し込む。加熱条件は、上記した各成分を確実に溶解し、それらを混合できる条件であれば特に限定されない。
＜７．鋳鉄の物性＞
得られた鋳鉄は、常温における伸びが、例えば、５．０％以上、好ましくは、１２．０％以上である。

鋳鉄の常温における伸びは、例えば、ＪＩＳＺ２２４１（２０１１年）の金属材料引張試験方法に準拠して測定される。

鋳鉄の常温における伸びが上記下限以上であれば、靱性に優れる。

また、鋳鉄の８００℃における伸びは、例えば、５０％以上、好ましくは、６０％以上である。鋳鉄の８００℃における伸びは、常温における伸びの測定方法に準じて、測定される。

鋳鉄の８００℃における伸びが上記下限以上であれば、高温強度に優れる。

また、鋳鉄のＡ_１変態点（転移点）は、例えば、７３０℃以上、好ましくは、８００℃以上、より好ましくは、８５０℃以上、さらに好ましくは、９００℃以上、とりわけ好ましくは、好ましくは、１０００℃以上である。

鋳鉄のＡ_１変態点は、鋳鉄を加熱した時の温度（変態点）Ａｃ_１であって、鋳鉄が加熱されて、フェライトからオーステナイトに相変化する時の温度として測定される。

鋳鉄のＡ_１変態点が上記下限以上であれば、高温強度に優れる。

さらに、高温酸化量は、例えば、３．０ｍｇ／ｃｍ^２以下、好ましくは、１．０ｍｇ／ｃｍ^２以下、より好ましくは、０．１ｍｇ／ｃｍ^２以下である。高温酸化量が上記上限以下であれば、耐高温酸化性に優れる。

なお、高温酸化量は、後の実施例で詳述する。
＜７．鋳鉄の効果および用途＞
そして、この鋳鉄は、アルミニウムを上記した配合割合で含有するので、アルミニウムが安価であることから、製造コストを低減することができる。

そのため、信頼性に優れる。つまり、鋳鉄は、高い耐衝撃性、高い耐熱疲労性、高い冷熱安定性、長い耐久寿命、優れた加工性を有する。

具体的には、上記したように、常温および８００℃における伸びが高い。

また、この鋳鉄は、上記式（２）を満足するので、高温（具体的には、７３０℃以上）における強度に優れる。つまり、耐熱性に優れる。具体的には、Ａ_１変態点が上記したように高く、しかも、８００℃における伸びが上記したように高い。

その結果、この鋳鉄を、高い信頼性が必要とされる分野の耐熱材料に用いることができる。

具体的には、この鋳鉄は、好ましくは、自動車材料に用いられ、より具体的には、ターボチャージャーハウジング、エキゾースト・マニホールド（排気多岐管）、触媒ケースなどの耐熱材料として用いられる。

以下に示す実施例の数値は、上記の実施形態において記載される数値（すなわち、上限値または下限値）に代替することができる。
＜１．鋳鉄の製造＞
各実施例および各比較例
表１に記載の配合処方に基づいて、各成分を、るつぼに投入して、溶解および混合して、その後、混合物を型に流し込んだ。

これによって、鋳鉄を製造した。
＜２．鋳鉄の評価＞
製造した鋳鉄について、下記の各項目を評価した。それらの結果を表１に示す。

２−１．伸び（常温および８００℃）
常温および８００℃のそれぞれの温度における鋳鉄の伸びを測定した。

具体的には、ＪＩＳＺ２２４１（２０１１年）の金属材料引張試験方法に準拠して引張試験を実施し、それにより得られる伸びを測定した。

［２−２．Ａ_１変態点（Ａｃ_１）］
鋳鉄のＡ_１変態点（Ａｃ_１）を、熱機械分析装置ＴＭＡ（リガク製）にて測定した。

［２−３．高温酸化量］
下記の測定方法によって、鋳鉄の高温酸化量を測定した。

すなわち、示差熱天秤ＴＧ−ＤＴＡ（リガク製）にて、１００℃から１０００℃に加熱する加熱サイクルを５回実施した後、室温に戻ったときの第１回目の加熱サイクル実施前からの質量変化量（ｍｇ／ｃｍ^２）を測定した。

上記式（１）における［炭素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋（［ケイ素の鋳鉄における質量割合（質量％）］＋［アルミニウムの鋳鉄における質量割合（質量％）］）と、伸びとの関係のグラフを図１に示す。

また、ケイ素およびアルミニウムの配合割合の関係を図２に示す。

図２において、直線Ｌ１は、上記式（１）において、等号（＝）が成立し、かつ、炭素の配合割合が３．０００質量％と仮定したときの直線を示す。

また、図２において、直線Ｌ２は、上記式（２）において、等号（＝）が成立するときの直線を示す。

Claims

炭素、ケイ素およびアルミニウムを含有する球状黒鉛鋳鉄であり、
下記式（１）を満足することを特徴とする、鋳鉄。
［前記炭素の前記鋳鉄における質量割合（質量％）］＋（［前記ケイ素の前記鋳鉄における質量割合（質量％）］＋［前記アルミニウムの前記鋳鉄における質量割合（質量％）］）／３≦５．０（１）
下記式（２）をさらに満足することを特徴とする、請求項１に記載の鋳鉄。
６３×［前記ケイ素の前記鋳鉄における質量割合（質量％）］＋３２×［前記アルミニウムの前記鋳鉄における質量割合（質量％）］≧９０（２）
前記ケイ素および前記アルミニウムの前記鋳鉄における総質量割合が６．０質量％以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の鋳鉄。