JP2015504481A - 合金鋳鉄及びそれを用いたベーンの製造方法 - Google Patents

合金鋳鉄及びそれを用いたベーンの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、合金鋳鉄、合金鋳鉄を用いたロータリ圧縮機用ベーンの製造方法、及びそれを用いたロータリ圧縮機用ベーンに関する。【解決手段】本発明の一態様による合金鋳鉄は、炭素（Ｃ）：３．２〜３．８重量％、ケイ素（Ｓｉ）：２．０〜２．６重量％、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜１．０重量％、クロム（Ｃｒ）：０．２〜０．６重量％、モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜０．６重量％、チタン（Ｔｉ）：０．０４〜０．１５重量％、リン（Ｐ）：０．３重量％以下、硫黄（Ｓ）：０．１重量％以下を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不純物からなり、マルテンサイト基地組織、片状黒鉛及び１５〜３０体積％の炭化物を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、合金鋳鉄及びそれを用いたロータリ圧縮機用ベーンの製造方法に関する。
一般に、圧縮機は、シェルの内部空間に駆動力を発生する駆動モータと当該駆動モータに結合されて動作することで冷媒を圧縮する圧縮ユニットとを含む。このような圧縮機は、冷媒を圧縮する方式によって様々なタイプに分類されるが、例えばロータリ圧縮機の場合、圧縮ユニットは、圧縮空間を形成するシリンダと、シリンダの圧縮空間を吸入室と吐出室とに区画するベーンと、ベーンを支持すると共にシリンダと共に圧縮空間を形成する複数のベアリング部材と、シリンダ内で回転可能に取り付けられるローリングピストンとからなる。
ベーンは、シリンダに形成されたベーンスロットの内部に挿入され、端部がローリングピストンの外周部に固定されて圧縮空間を２つに分け、圧縮過程でベーンスロットの内部でスライド移動し続ける。この過程で高温高圧の冷媒に接触し続けるだけでなく、冷媒が漏れないようにローリングピストン及びベアリングに密着した状態を維持しなければならないので、ベーンは高強度及び高耐摩耗性を有しなければならない。
特に、オゾン層の破壊により使用が中止されたＣＦＣに代わるＨＦＣなどの新冷媒の場合、ＣＦＣに比べて潤滑性能が低いだけでなく、エネルギー消費量の削減のためのインバータの使用などにより、ベーンには従来に比べて高い耐摩耗性が要求されている。
このような条件を満たすために、現在、ベーンは、高速度鋼又はステンレス鋼を所定形状に加工し、その後表面処理などの後加工を施すことで製造されている。
しかし、このようなベーンは、高価な希土類金属であるＧｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｏなどの含有量が多すぎ、鍛造により所定形状に加工するので生産性が低くコストが高いという問題があった。特に、前述したような耐摩耗性の向上のためにベーンは高い硬度を有するが、これは鍛造による加工工程を難しくする要因となる。
本発明は、このような従来技術の欠点を解決するためになされたものであり、本発明の技術的課題は、ベーンとしての強度及び耐摩耗性に対する要求を満たしながらも、生産性を向上させて製造コストを低減することのできる合金鋳鉄を提供することにある。
本発明の他の技術的課題は、前記のようなベーンを製造する製造方法を提供することにある。
上記技術的課題を解決するために、本発明の一態様によれば、炭素（Ｃ）：３．２〜３．８重量％、ケイ素（Ｓｉ）：２．０〜２．６重量％、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜１．０重量％、クロム（Ｃｒ）：０．２〜０．６重量％、モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜０．６重量％、チタン（Ｔｉ）：０．０４〜０．１５重量％、リン（Ｐ）：０．３重量％以下、硫黄（Ｓ）：０．１重量％以下を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不純物からなり、マルテンサイト基地組織、片状黒鉛及び１５〜３０体積％の炭化物を含む、合金鋳鉄が提供される。
前記合金鋳鉄は、溶解炉から取り出された溶湯状態で接種剤が添加されるようにしてもよい。ここで、前記接種剤は、バリウムベースの接種剤（Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂａ）であってもよい。また、前記接種剤は、前記溶湯の質量の０．４〜１．０％の量で添加されるようにしてもよい。
前記合金鋳鉄は、前記溶湯を鋳型内で冷却して焼入れ及びテンパリングによりマルテンサイト基地組織に変態させたものであってもよい。ここで、前記焼入れは、前記合金鋳鉄を８６０〜９５０℃で０．５〜１．５時間維持し、前記合金鋳鉄を常温まで油冷して行われるものであってもよく、前記テンパリングは、前記焼入れ済みの合金鋳鉄を１８０〜２２０℃で０．５〜１．５時間維持し、前記合金鋳鉄を常温まで空冷して行われるものであってもよい。
前記合金鋳鉄は、厚さ０．００５〜０．００１５ｍｍの浸硫層をさらに含んでもよい。ここで、前記浸硫層は、前記マルテンサイト基地組織に変態した合金鋳鉄がイオン浸硫処理されて形成されたものであってもよい。
前記合金鋳鉄は、０．０１〜０．５重量％のニオブ（Ｎｂ）をさらに含んでもよい。
前記合金鋳鉄は、０．１〜０．５重量％のバナジウム（Ｖ）をさらに含んでもよい。
前記合金鋳鉄は、０．０６〜０．０１重量％のホウ素（Ｂ）をさらに含んでもよい。
前記合金鋳鉄は、０．２〜０．４重量％の銅（Ｃｕ）をさらに含んでもよい。
本発明の他の態様によれば、炭素（Ｃ）：３．２〜３．８重量％、ケイ素（Ｓｉ）：２．０〜２．６重量％、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜１．０重量％、クロム（Ｃｒ）：０．２〜０．６重量％、モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜０．６重量％、チタン（Ｔｉ）：０．０４〜０．１５重量％、リン（Ｐ）：０．３重量％以下、硫黄（Ｓ）：０．１重量％以下を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不純物からなる溶湯を製造する溶融段階と、前記溶湯を鋳型に注入して冷却し、片状黒鉛及び１５〜３０体積％の炭化物を含む半製品を得る鋳造段階と、前記冷却された半製品を所定形状に研磨する研磨段階と、前記研磨された半製品を熱処理し、マルテンサイト基地組織に変態させる熱処理段階とを含む、圧縮機用ベーンの製造方法が提供される。
前記圧縮機用ベーンの製造方法は、前記溶湯を取り出して前記溶湯に接種剤を投与する接種段階をさらに含んでもよい。
前記熱処理段階は、前記研磨された半製品を８６０〜９５０℃で０．５〜１．５時間維持する過程、及び前記半製品を常温まで油冷する過程を含む焼入れ段階と、焼入れ済みの前記半製品を１８０〜２２０℃で０．５〜１．５時間維持する過程、及び前記半製品を常温まで空冷する過程を含むテンパリング段階とを含んでもよい。
前記圧縮機用ベーンの製造方法は、前記熱処理済みの半製品を精密研磨する精密研磨段階をさらに含んでもよい。
前記圧縮機用ベーンの製造方法は、前記熱処理済みの半製品の表面に厚さ０．００５〜０．００１５ｍｍの浸硫層を形成するイオン浸硫段階をさらに含んでもよい。
前記合金鋳鉄は、０．０１〜０．５重量％のニオブ（Ｎｂ）をさらに含んでもよい。
前記合金鋳鉄は、０．１〜０．５重量％のバナジウム（Ｖ）をさらに含んでもよい。
前記合金鋳鉄は、０．０６〜０．０１重量％のホウ素（Ｂ）をさらに含んでもよい。
前記合金鋳鉄は、０．２〜０．４重量％の銅（Ｃｕ）をさらに含んでもよい。
本発明のさらに他の態様によれば、前述した合金鋳鉄を用いて製造された圧縮機用ベーンが提供される。
上記構成を有する本発明の態様によれば、適正含有量で混合された成分とマルテンサイト基地組織、片状黒鉛組織及び炭化物の組み合わせにより耐摩耗性と引張強度を同時に向上させることのできる合金鋳鉄を提供することができるので、圧縮機用ベーンのように高温高圧雰囲気で用いられる部材を安価かつ容易に製造することができる。
また、従来圧縮機用ベーンの要求条件を満たすために添加されていた高価な希土類金属を代替して相対的に安価な元素を用いて製造することができるので、原材料コストを低減することができる。
さらに、本発明の他の態様によれば、圧縮機用ベーンを従来の鍛造工程ではなく鋳造工程で製造することにより、後加工を大幅に低減することができ、同時に複数製造することができるので、生産性を大幅に向上させることができる。さらに、鍛造工程に用いられていた高価な高速度鋼を代替して相対的に安価な合金鋳鉄を用いて製造することができ、原材料コストを大幅に低減することができる。
本発明の実施形態による合金鋳鉄の引張強度をテストするための試料を概略的に示す正面図である。 本発明の実施例１による合金鋳鉄の表面構造を撮影した拡大写真である。 本発明の実施例２による合金鋳鉄の表面構造を撮影した拡大写真である。 本発明の実施例３による合金鋳鉄の表面構造を撮影した拡大写真である。 本発明の実施例４による合金鋳鉄の表面構造を撮影した拡大写真である。 本発明の実施例５による合金鋳鉄の表面構造を撮影した拡大写真である。 本発明の実施例６による合金鋳鉄の表面構造を撮影した拡大写真である。 本発明の実施例７による合金鋳鉄の表面構造を撮影した拡大写真である。 本発明の実施例８による合金鋳鉄の表面構造を撮影した拡大写真である。 本発明の実施例９による合金鋳鉄の表面構造を撮影した拡大写真である。 本発明の実施例１０による合金鋳鉄の表面構造を撮影した拡大写真である。 本発明の実施例１１による合金鋳鉄の表面構造を撮影した拡大写真である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
一般に、鋳鉄は、硬度が高く、耐摩耗性に優れ、切削性が良好な特性を有するが、引張強度が低く脆性が高いことから、高圧力雰囲気にさらされる部材としてはあまり用いられていなかった。特に、前述した圧縮機のベーンの場合、高圧力雰囲気にさらされるだけでなく、圧縮された冷媒が漏れないようにするために隣接する部品に密着してスライドするので、従来に比べてより高い耐摩耗性が要求される。本発明においては、鋳鉄に含まれる様々な元素を適正含有量で混合することにより、高い引張強度及び耐摩耗性を有して様々な用途に用いることのできる、合金鋳鉄を提供する。以下、各元素について説明する。ここで、特に断らない限り、各含有量は重量比である。
（１）炭素（Ｃ）：３．２〜３．８％
鋳鉄の内部に存在する炭素は、黒鉛として存在したり、Ｆｅ３Ｃで表される炭化物（又はカーバイド）の形で存在する。よって、炭素の含有量が少ない場合、ほとんどの炭素が炭化物の形で存在し、片状黒鉛組織が得られにくい。具体的には、Ｃ含有量が１．７〜２．０％の場合は黒鉛が網状に分布し、Ｃ含有量が２．０〜２．６％の場合は結晶黒鉛が現れ、Ｃ含有量が２．６〜３．５％の場合は正常な薄い片状黒鉛が現れ、Ｃ含有量が３．５％以上の場合は粗く厚い片状黒鉛が現れる。合金鋳鉄において、炭素の含有量を２．７〜３．８％に制限すると、炭素は主に片状黒鉛状態で存在する。高炭素合金鋳鉄の金属組織は、フェライトと粗く厚い片状黒鉛とを含み、比較的高い機械的強度及び硬度を有するが、炭素の含有量が多すぎる場合、機械的性能を低下させる。
よって、３．２％以上添加し、全体として均一な片状黒鉛組織が得られるようにする。一方、炭素の含有量が多いほど、凝固点が低くなるので鋳造性の改善には役立つが、黒鉛析出量が多すぎることから、脆性を高め、引張強度によくない影響を及ぼす。つまり、炭素飽和度（Ｓｃ）が約０．８〜０．９の場合に最大の引張強度を有するので、炭素の最大限度を３．８％とし、良好な引張強度が得られるようにする。
（２）ケイ素（Ｓｉ）：２．０〜２．６％
ケイ素は、黒鉛化促進元素であって、炭化物を分解して黒鉛として析出させる役割を果たす。すなわち、ケイ素の添加は、炭素量を増加させるのと同様の効果を発揮する。また、ケイ素は、鋳鉄中に存在する微細な黒鉛組織を片状黒鉛組織に成長させる役割を果たす。一般的に、Ｓｉ−Ｃ含有量が少なければ、比較的高い機械的強度及び硬度が得られるが、流動性が相対的に低い。それに対して、Ｓｉ−Ｃ含有量が多ければ、流動性が高いが、機械的強度及び硬度が低い。
しかし、ケイ素は、多量に添加された場合、鋳鉄の基地組織を強化して引張強度を向上させる役割も兼ねる。すなわち、Ｓｉ／Ｃが大きくなると、黒鉛の量が減少し、高ケイ素による基地組織強化効果により引張強度が向上するが、これは溶湯に接種を行った場合に顕著である。このような観点から、ケイ素の含有量は２．０〜２．６％とする。
（３）マンガン（Ｍｎ）：０．５〜１．０％
マンガンは、炭素の黒鉛化を阻害する白銑化促進元素であって、結合炭素（すなわち、セメンタイト）を安定化させる役割を果たす。また、マンガンは、フェライトの析出を阻害してパーライトを微細化するので、鋳鉄の基地組織をパーライト化する場合に有用である。特に、マンガンは、鋳鉄中の硫黄と結合して硫化マンガンを生成し、その硫化マンガンは、溶湯の表面に浮上してスラグとして除去されるか、又は凝固した後に非金属介在物として鋳鉄中に残って硫化鉄が生成されることを防止する。つまり、マンガンは、硫黄の害を中和する元素としても作用する。
前述したように、マンガンは、パーライトを安定化させて微細化する。ここで、マンガンの含有量が増加するにつれて、鋳鉄の強度及び硬度が高くなり、塑性及び靱性が低下する。また、マンガンは、マルテンサイトの変態開始点（Ｍｓ）を大幅に下げることができるが、多量に添加された場合、炭化物を形成して脆弱性を高め、合金鋳鉄の機械的性能に影響を及ぼす。
さらに、ケイ素が十分に含有される場合、マンガンは、鋳鉄の組織に大きな影響を及ぼさないので、パーライト化の促進及び硫黄成分の除去のために、マンガンは０．５〜１．０％の量で含有する。
（４）クロム（Ｃｒ）：０．２〜０．６％
クロムは、炭化物の生成を促進して炭素の黒鉛化を阻害する元素であって、多量に添加されると、白銑化させることになり、硬度を過度に向上させて加工性を低下させる原因となる。それに対して、クロムは、炭化物を安定化させる作用をし、耐熱性の向上にも役立つ。また、クロムは、鋳鉄中でフェライトの生成を阻害し、パーライト片状層間の距離を減少させ、パーライトの生成を促進する元素である。さらに、クロムは、パーライト量を増加させて安定させる役割を果たすだけでなく、パーライト組織を微細化する役割も果たす。しかし、クロムの含有量が多すぎる場合は、セメンタイトが過剰形成され、チルド組織が形成されることがある。
よって、クロムは、０．２〜０．６％、より好ましくは０．１〜０．３％の量で添加することにより、機械的性能と耐熱性を向上させるようにする。
（５）モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜０．６％
モリブデンは、０．６％以下で含有される場合、炭化物を安定させ、パーライト及び黒鉛を微細化する作用をする。モリブデンが添加される場合、リン（Ｐ）の含有量を少なくしなければならない。そうしなければ、４次元のＰ−Ｍｏ共晶を形成し、脆弱性を高める。一方、モリブデンは、断面組織の均一性を改善し、強度、硬度、衝撃強度、疲労強度、高温（５５０℃以下）性能を向上させ、収縮を減少させ、熱処理性を改善し、焼入れ性を向上させる役割を果たす。これらの点に鑑み、モリブデンの含有量は０．１〜０．６％、より好ましくは０．４〜０．６％とする。
（６）バナジウム（Ｖ）：０．１〜０．５％
バナジウムも、パーライト組織及び黒鉛を微細化する役割を果たし、鋳鉄中で炭化物及び窒化物の形成を容易にし、炭化物及び窒化物を粒子状にして広く均一に拡散させる役割を果たす。これにより、鋳鉄全体にわたって均一な物性が得られるようにすることができる。また、バナジウムは、鋳鉄の硬度及び引張強度を向上させながらも、切削性を低下させない。さらに、バナジウムは、特に耐摩耗性によい影響を及ぼすが、バナジウムの含有量が多すぎる場合は鋳鉄がチル化する。よって、バナジウムの含有量は０．１〜０．５％、好ましくは０．２〜０．４％とする。
（７）ホウ素（Ｂ）：０．０６〜０．０１％
ホウ素は、黒鉛を微細化するが、黒鉛の量を減少させて炭化物の生成を促進する役割を果たす。特に、ホウ素は、少量添加された場合、ホウ素炭化物の状態で析出し、当該ホウ素炭化物は、鋳鉄の硬度及び耐摩耗性を大きく向上させる。特に、ホウ素炭化物は網状に形成されるが、ホウ素の含有量が少ない場合は、断続した形状の網を形成し、ホウ素の含有量が多すぎる場合は、連続した形状の網を形成して機械的性能を低下させる。
鋳鉄にホウ素を添加する場合は、ＳｉとＢの関係を考慮しなければならない。一般的に、Ｓｉ／Ｂ＜８０であれば、鋳鉄中にホウ素炭化物が析出し、８０＜Ｓｉ／Ｂ＜１３０であれば、少量のホウ素炭化物が析出し、Ｓｉ／Ｂ＞１３０であれば、ホウ素炭化物が析出しない。本発明の一実施例においてＳｉ／Ｂ＝３６．６とした結果、比較的多いホウ素炭化物が存在し、その場合、非常に強い耐摩耗性を有することが確認された。
また、ホウ素含有合金鋳鉄が摩耗すると、硬度の高いホウ素炭化物は第１摺動面を形成して負荷を支持し、比較的硬度の低いパーライトなどは摩損して凹状の第２摺動面を形成する。第２摺動面と第１摺動面間のスロットは、オイル貯蔵機能を有するので、ホウ素炭化物に潤滑油が供給され続けるようにして摩耗量を減少させ、ホウ素鋳鉄の耐摩耗性を向上させる。同時に、ホウ素の含有量を多くすると、ホウ素炭化物が増加し、それにより、ホウ素炭化物の支持機能が向上するので、第１摺動面において単位面積に加わる圧力を減少させて摩耗の程度を軽減することにより、耐摩耗性を向上させる。
しかし、ホウ素の含有量が多すぎる場合は、ホウ素炭化物の粒径が大きくなり、基地組織との結合力が低下する。それにより、摩擦力が加わるとホウ素炭化物が離脱しやすく、離脱したホウ素炭化物は摩擦面で硬質の摩耗粒子として作用し、鋳鉄の摩耗を激しくする原因となる。また、この場合、鋳鉄の硬度が高すぎるので、加工性が低下する。よって、ホウ素の含有量は０．０２％〜０．１％とする。
（８）チタン（Ｔｉ）：０．０４〜０．１５％
チタンは、黒鉛を微細化し、パーライトの生成を促進し、パーライトの高温安定性を向上させる。チタンの含有量が比較的少ない場合、チタンは、黒鉛化を促進して鋳鉄の黒鉛の分布及び形態を改善する役割を果たす。しかし、チタンの含有量が増加するにつれて、化合物ＴｉＮ、ＴｉＣなどのように結晶の界面付近にチタンが析出し、オーステナイト結晶の凝固の核となる。それにより、鋳鉄の硬度が高くなると共に、加工性能が悪化する。チタン（Ｔｉ）の含有量が比較的少ない場合、Ｔｉは、黒鉛化を促進し、ねずみ鋳鉄構造のフェライト量を増加させて硬度を低くする。それに対して、Ｔｉの含有量を増加させると、Ｔｉは、鋳鉄結晶体を微細化して合金構造を強化すると共に、ＴｉＣ２が結晶体界面で析出するのでねずみ鋳鉄の硬度をさらに高くする。
Ｔｉは、Ｄ型黒鉛鋳鉄を製造する合金元素の１つである。Ｄ型黒鉛鋳鉄は、Ａ型黒鉛鋳鉄よりもさらに高い強度及び耐摩耗性を有する。Ｔｉの含有量が０．１％以下の場合は、Ｔｉが部分的にフェライトに溶解し、ほとんどがＴｉＣ２又はＴｉＮの形で析出する。従って、チタンは、溶湯に対する脱酸、脱窒作用が強い。一方、ＴｉＣ２又はＴｉＮが過冷却されると、Ａ型黒鉛が細かくなり、Ｄ型黒鉛が現れる。また、黒鉛の含有量とフェライトの含有量が比較的多いので、Ａ、Ｄ混合型構造を形成し、ねずみ鋳鉄の強度及び硬度を低下させる。
Ｔｉの含有量が０．１％より多い場合、Ｔｉは、Ｄ型黒鉛の形成強度を高くし、Ｄ型黒鉛量が９５％を超えるようにする。同時に、黒鉛の含有量とフェライトの含有量が比較的少ないので、フェライトに溶解したＴｉが多くなり、フェライトを強化することにより、ねずみ鋳鉄の強度及び硬度を向上させる。
よって、Ｄ型黒鉛の量を確保して加工性能を向上させるために、チタンは０．０４〜０．１５％の量で含有する。
（９）ニオブ（Ｎｂ）：０．０１〜０．５％
ニオブは、金属結晶体をより微細化し、組織を均一にする役割を果たす。特に、０．５％以下で含有される場合、帯状のニオブ濃縮相（Nb enriched phase）を形成し、黒鉛をより微細化し、合金の高温組織安定性を向上させるだけでなく、リン共晶（P eutectic）の硬度を向上させる役割を果たす。ただし、０．５％を超える場合、キューブ状のニオブ濃縮相を形成し、機械的性能を低下させる原因となる。よって、ニオブは０．０１〜０．５％の量で含有する。
（１０）銅（Ｃｕ）：０．２〜０．４％
銅は、黒鉛が太く短い形状を有するようにし、Ｄ、Ｅ型過冷黒鉛を減少させ、Ａ型片状黒鉛の形成を促進する元素である。また、銅は、黒鉛の形状の改善に非常に優れた機能を有し、共晶過程で黒鉛化を阻害して鋳鉄のチル化傾向を軽減する。さらに、銅は、炭化物の分布を改善し、パーライトを生成し、組織を微細化する。
さらに、銅は、パーライトの生成を促進してパーライト間の距離を短くすることにより、パーライトを微細化する。さらに、銅は、溶湯の流動性を高めて鋳造性を向上させ、それによる残留応力を低減する。
さらに、銅は、組織を緻密にし、鋳鉄の引張強度及び硬度などをある程度向上させる。このような効果は約３．０％の炭素を含有する場合に顕著になり、０．３〜０．５％のクロムを共に添加するとより良好な効果が得られる。よって、銅は前述したように０．２〜０．４％の量で含有する。
（１１）リン（Ｐ）：０．３％以下
リンは、リン化鉄（Ｆｅ３Ｐ）の化合物を形成し、フェライト、炭化鉄と共に３元共晶ステダイトとして存在する。リン化鉄は、過冷しやすく、鋳物中で偏析を起こしやすい。従って、リンの含有量が増加するにつれて、脆性が高くなり、引張強度が急速に低下する。よって、リンの含有量は０．３％以下とする。
（１２）硫黄（Ｓ）：０．１％以下
硫黄は、添加量が多くなるほど、溶湯の流動性を低下させ、収縮量を増加させ、収縮孔や亀裂の発生の原因となることもある。従って、できるだけ含有量を少なくすることが好ましい。ただし、０．１％以下で含有される場合は、それらの悪影響が大きく生じないので、前記含有量となるように管理する。
前記のような特性を有する元素を混合することにより、本発明による合金鋳鉄を生産することができ、それは圧縮機のベーンの製造に用いることができる。以下、合金鋳鉄からなる圧縮機用ベーンを生産する製造工程について説明する。
（１）製錬
前述した元素を適正比率で選択して原料を調製し、その原料を中周波誘導炉（middle frequency induction furnace）に入れて全て溶解されるように加熱し、その後製錬する。ここで、炉から溶湯を取り出す温度は約１５００〜１５５０℃である。
（２）接種
製錬過程で製錬された溶湯に接種剤を接種する。接種は、黒鉛核を多く形成して黒鉛化を促進し、黒鉛の分布を均一化して強度を増加させるのに役立つ。ここで、接種剤としては、バリウムシリコン鉄合金（ＦｅＳｉ７２Ｂａ２）を用い、その添加量は溶湯の質量の０．４〜１．０％である。
（３）鋳造
接種過程で接種処理された溶湯を、所望の形状のキャビティを有するように予め製作された鋳型に注入する。ここで、鋳造は、レジンコーテッドサンドを用いるシェルモールド鋳造法（Shell Mold Process）又はインベストメント鋳造法（Investment Mold Process）を用いて行う。冷却されたベーン半製品は、片状黒鉛と炭化物を含有し、炭化物の含有量はベーン全体積の１５％〜３０％である。ここで、炭化物とは、添加された成分が炭素と結合した形態のものを意味し、一例として、いわゆる炭化鉄と呼ばれるＦｅ３Ｃなどが含まれる。
（４）研磨
鋳造過程で得られたベーン半製品を研磨し、所望の形態を有するように加工する。
（５）熱処理
熱処理過程は、焼入れとテンパリングとからなるようにしてもよい。
・焼入れ：空気の温度を制御する電気抵抗炉を用いて、研磨されたベーン半製品を８６０〜９５０℃に加熱した状態で０．５〜１．５時間維持し、その後迅速に１０〜３０℃の温度のオイルに入れて室温まで冷却する。このような焼入れにより、パーライト基地組織がマルテンサイト基地組織に変態し、それにより、硬度を大きく向上させることができる。つまり、焼入れ処理が完了すると、マルテンサイト基地組織、炭化物及び片状黒鉛を含有するベーンが得られる。
・テンパリング：空気の温度を制御する電気抵抗炉を用いて、焼入れ処理で得られた炭化物及び片状黒鉛を含有するマルテンサイト鋳鉄のベーンを１８０〜２２０℃に加熱して０．５〜１．５時間維持し、その後室温まで空冷することにより、焼入れ処理により増加した強度及び硬度を若干低下させ、延性を増加させる。これは、脆性の低下につながる。
（６）精密研磨及びポリッシング
熱処理過程で焼入れ及びテンパリング処理して得られた炭化物含有合金鋳鉄のベーンが精密研磨及びポリッシング加工により最終の形状及び求められる表面品質を有するように加工する。
（７）イオン浸硫
精密研磨及びポリッシング過程で得られた炭化物含有合金鋳鉄のベーンをイオン浸硫処理し、ベーンの表面に厚さ０．００５〜０．０１５ｍｍの浸硫層を形成する。浸硫層は、ベーンの内部に存在する片状黒鉛と共に作用し、ベーン自体が有する潤滑性及び耐摩耗性をさらに向上させる。
実施例１は下記の過程により製造された。
元素の質量百分率でＣ：３．４％、Ｓｉ：２．２％、Ｍｎ：０．７％、Ｃｒ：０．４％、Ｍｏ：０．４％、Ｖ：０．３％、Ｂ：０．０６％、Ｔｉ：０．１％、Ｎｂ：０．２５％、Ｃｕ：０．２５％、Ｐ＜０．３％、Ｓ＜０．１％及び残部としてのＦｅで原料を調製し、調製された原料を中周波誘導炉に入れて原料が全て溶解されるように昇温することで合金鋳鉄の溶湯を製錬した。炉から取り出す温度は１５２５℃であった。
前記過程で製錬されて炉から取り出された合金鋳鉄の溶湯に対して接種処理を行ったが、接種剤は、バリウムシリコン鉄合金ＦｅＳｉ７２Ｂａ２であってその添加量は溶湯の質量の０．７％であった。
前記過程で接種処理された合金鋳鉄の溶湯をシェルモールド鋳造法又はインベストメント鋳造法により鋳造し、片状黒鉛及び炭化物を含有するパーライト鋳鉄ベーンが得られたが、この場合、炭化物の含有量はベーン全体積の２５％であった。
前記過程で得られたベーンを研磨し、所望の形態を有するように加工した。
次いで、ベーンを９１０℃に加熱し、当該温度を０．７時間維持し、その後２０℃の温度のオイルに入れて室温まで冷却することにより、基地組織をマルテンサイト組織に変態させた。焼入れにより得られたベーンを２１０℃に加熱して０．７時間維持し、その後室温まで空冷した。
このようにして得られたベーン半製品に対して、精密研磨及びポリッシングを行い、その後イオン浸硫処理を施すことにより、ベーンの表面に厚さ０．００８ｍｍの浸硫層を形成した。
実施例２においては、元素の質量百分率でＣ：３．２％、Ｓｉ：２．０％、Ｍｎ：０．５％、Ｃｒ：０．２％、Ｍｏ：０．１％、Ｔｉ：０．０４％、Ｐ＜０．３％、Ｓ＜０．１％及び残部としてのＦｅを含む原料を溶解し、１５００℃の温度で溶湯を取り出し、その後接種剤としてＦｅＳｉ７２Ｂａ２を溶湯の質量の０．４％の量で添加する。その後、接種処理済みの溶湯をシェルモールド鋳造法又はインベストメント鋳造法により鋳造し、体積比で１５％の炭化物を含むベーン半製品を得た。
ベーン半製品を研磨し、８６０℃に加熱し、当該温度を０．５時間維持し、その後１０℃の温度のオイルに入れて室温まで冷却することにより、マルテンサイト組織に変態させた。マルテンサイト組織に変態したベーン半製品を１８０℃に加熱して０．５時間維持し、その後室温まで空冷する。空冷したベーンに対して、精密研磨及びポリッシングを行い、その後イオン浸硫処理を施すことにより、ベーンの表面に厚さ０．００５ｍｍの浸硫層を形成した。
実施例３においては、元素の質量百分率でＣ：３．８％、Ｓｉ：２．６％、Ｍｎ：１．０％、Ｃｒ：０．６％、Ｍｏ：０．６％、Ｖ：０．５％、Ｂ：０．１％、Ｔｉ：０．１５％、Ｎｂ：０．５％、Ｃｕ：０．５％、Ｐ＜０．３％、Ｓ＜０．１％及び残部としてのＦｅを含む原料を溶解し、１５５０℃の温度で取り出し、その後接種剤としてＦｅＳｉ７２Ｂａ２を溶湯の質量の１．０％の量で添加する。その後、接種処理済みの溶湯をシェルモールド鋳造法又はインベストメント鋳造法により鋳造し、体積比で３０％の炭化物を含むベーンを鋳造し、所定形状に研磨した。
研磨されたベーンを９５０℃に加熱して１．５時間維持し、その後３０℃の温度のオイルに入れて室温まで冷却することにより、マルテンサイト基地組織、炭化物及び片状黒鉛を含有するベーンを得た。得られたベーンを２２０℃に加熱して１．５時間維持し、その後室温まで空冷することにより、脆性を低下させる。次いで、精密研磨及びポリッシングンにより最終の形状を得て、その後イオン浸硫処理によりベーンの表面に厚さ０．０１５ｍｍの浸硫層を形成した。
実施例４においては、元素の質量百分率でＣ：３．３％、Ｓｉ：２．１％、Ｍｎ：０．６％、Ｃｒ：０．３％、Ｍｏ：０．２％、Ｖ：０．２％、Ｂ：０．０２％、Ｔｉ：０．０５％、Ｐ＜０．３％、Ｓ＜０．１％及び残部としてのＦｅを含む原料を溶融し、１５１５℃の温度で溶湯を取り出した。その他の過程は実施例１と同様である。
実施例５においては、元素の質量百分率でＣ：３．３％、Ｓｉ：２．２％、Ｍｎ：０．７％、Ｃｒ：０．４％、Ｍｏ：０．３％、Ｖ：０．２％、Ｔｉ：０．０４〜０．１５％、Ｎｂ：０．１％、Ｐ＜０．３％、Ｓ＜０．１％及び残部としてのＦｅを含む原料を溶融し、１５１０℃の温度で溶湯を取り出した。その他の過程は実施例１と同様である。
実施例６においては、元素の質量百分率でＣ：３．４％、Ｓｉ：２．３％、Ｍｎ：０．８％、Ｃｒ：０．４％、Ｍｏ：０．３％、Ｖ：０．３％、Ｔｉ：０．０６％、Ｃｕ：０．２％、Ｐ＜０．３％、Ｓ＜０．１％及び残部としてのＦｅを含む原料を溶融し、１５２０℃の温度で溶湯を取り出した。その他の過程は実施例１と同様である。
実施例７においては、元素の質量百分率でＣ：３．６％、Ｓｉ：２．４％、Ｍｎ：０．９％、Ｃｒ：０．５％、Ｍｏ：０．５％、Ｂ：０．０５％、Ｔｉ：０．１２％、Ｃｕ：０．３％、Ｐ＜０．３％、Ｓ＜０．１％及び残部としてのＦｅを含む原料を溶融し、１５３０℃の温度で溶湯を取り出した。その他の過程は実施例１と同様である。
実施例８においては、元素の質量百分率でＣ：３．３％、Ｓｉ：２．２％、Ｍｎ：０．７％、Ｃｒ：０．４％、Ｍｏ：０．３％、Ｔｉ：０．０４〜０．１５％、Ｎｂ：０．１％、Ｐ＜０．３％、Ｓ＜０．１％及び残部としてのＦｅを含む原料を溶融し、１５１０℃の温度で溶湯を取り出した。その他の過程は実施例２と同様である。
実施例９においては、元素の質量百分率でＣ：３．４％、Ｓｉ：２．３％、Ｍｎ：０．８％、Ｃｒ：０．４％、Ｍｏ：０．３％、Ｔｉ：０．０６％、Ｃｕ：０．２％、Ｐ＜０．３％、Ｓ＜０．１％及び残部としてのＦｅを含む原料を溶融し、１５２０℃の温度で溶湯を取り出した。その他の過程は実施例２と同様である。
実施例１０においては、元素の質量百分率でＣ：３．４％、Ｓｉ：２．２％、Ｍｎ：０．７％、Ｃｒ：０．４％、Ｍｏ：０．４％、Ｖ：０．３％、Ｂ：０．０６％、Ｔｉ：０．１％、Ｃｕ：０．２５％、Ｐ＜０．３％、Ｓ＜０．１％及び残部としてのＦｅを含む原料を溶融し、１５３５℃の温度で溶湯を取り出した。その他の過程は実施例３と同様である。
実施例１１においては、元素の質量百分率でＣ：３．８％、Ｓｉ：２．６％、Ｍｎ：１．０％、Ｃｒ：０．６％、Ｍｏ：０．６％、Ｂ：０．１％、Ｔｉ：０．１５％、Ｎｂ：０．５％、Ｃｕ：０．５％、Ｐ＜０．３％、Ｓ＜０．１％及び残部としてのＦｅを含む原料を溶融し、１５４５℃の温度で溶湯を取り出した。その他の過程は実施例３と同様である。
以上の実施例をまとめると下記表１の通りである。
Figure 2015504481
上記実施例において、鋳造が終了した状態の試料を採取してその表面を研磨し、ＨＢ−３０００型硬度計を用いて実施例毎に５つのポイントで硬度テストを行い、顕微鏡を用いて形成されたリセスの直径を測定し、それに基づいて硬度を計算し、その後５つのポイントの平均値を試料の硬度とした。
また、熱処理済みの試料に対しても、ＨＲ−１５０Ａ型ロックウェル硬度計を用いて硬度テストを行った。テスト位置は、鋳造液注入口付近の上下２点、鋳造液注入口から離れた地点の上下２点、及びそれらの間の１点とし、計５つのポイントでテストを行った。
さらに、各実施例と同じ材質で図１に示す形態のテスト試料を製作し、引張強度を測定した。下記表２はテスト結果を示す。
Figure 2015504481
上記表２に示すように、本発明の実施例は、ロックウェル硬度を基準に約５２〜６０の硬度を有するので、圧縮機のベーンとして十分な硬度を有することが分かる。
また、下記表３は上記実施例の切削加工性及び研磨加工性のテスト結果をまとめたものである。
Figure 2015504481
切削加工性の観点から、本発明による合金鋳鉄の場合、従来の高速度鋼を１００％として７５％に相当する切削負荷を示しており、高速度鋼に比べて容易に切削を行えることが分かる。また、工具１個当たり、高速度鋼の場合、１００個のベーンを切削加工することができるのに対し、本発明による合金鋳鉄の場合、その２倍である２００個のベーンを切削加工することができる。従って、工具の頻繁な交換を防止することができるだけでなく、切削加工にかかる時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。
また、研磨加工性の観点から、本発明による合金鋳鉄の場合、研磨負荷が高速度鋼の７５％に相当し、研磨石のドレッシング１回当たり８００個のベーンを研磨加工することができ、高速度鋼に比べて研磨性能を大幅に向上させることが分かる。
さらに、従来の高速度鋼を用いたベーンは、鋳造法を用いるのではなく鍛造法を用いるので、生産性が低いという問題があるが、本発明は、鋳造法を用いることにより、高速度鋼と同程度の耐摩耗性を有しながらも、相対的に優れた加工性を有するので、生産性を向上させることができ、加工コストを大幅に削減することができる。
前述した実施形態と利点は単なる例示にすぎず、本発明を制限するものではない。本発明は、他の形態の装置にも容易に適用することができる。本発明の詳細な説明は単なる説明の便宜のためのものであり、請求の範囲を制限するものではない。当該技術分野における通常の知識を有する者にとって様々な代替、変更、変形が可能であることは明らかである。ここに記載された例示的な実施形態の特徴、構造、方法、特性などを様々に組み合わせることにより、追加及び／又は代替の実施形態を得ることができる。
本発明の特性から外れない限り、本発明は様々な形態で実現することができ、前述した実施形態は前述したいかなる詳細な記載内容によっても限定されず、特に断らない限り、添付された請求の範囲に定義された範囲内で広く解釈されるべきであり、請求の範囲内で行われるあらゆる変更及び変形、あるいはその均等物も添付された請求の範囲に含まれる。
前記ベーンは、０．０１〜０．５重量％のニオブ（Ｎｂ）をさらに含んでもよい。
前記ベーンは、０．１〜０．５重量％のバナジウム（Ｖ）をさらに含んでもよい。
前記ベーンは、０．０６〜０．０１重量％のホウ素（Ｂ）をさらに含んでもよい。
前記ベーンは、０．２〜０．４重量％の銅（Ｃｕ）をさらに含んでもよい。

Claims (20)

  1. 炭素（Ｃ）：３．２〜３．８重量％、ケイ素（Ｓｉ）：２．０〜２．６重量％、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜１．０重量％、クロム（Ｃｒ）：０．２〜０．６重量％、モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜０．６重量％、チタン（Ｔｉ）：０．０４〜０．１５重量％、リン（Ｐ）：０．３重量％以下、硫黄（Ｓ）：０．１重量％以下を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不純物からなり、
    マルテンサイト基地組織、片状黒鉛及び１５〜３０体積％の炭化物を含む、合金鋳鉄。
  2. 前記合金鋳鉄は、溶解炉から取り出された溶湯状態で接種剤が添加されることを特徴とする請求項１に記載の合金鋳鉄。
  3. 前記接種剤は、前記溶湯の質量の０．４〜１．０％の量で添加されることを特徴とする請求項２に記載の合金鋳鉄。
  4. 前記合金鋳鉄は、前記溶湯を鋳型内で冷却して焼入れ及びテンパリングによりマルテンサイト基地組織に変態させたものであることを特徴とする請求項１に記載の合金鋳鉄。
  5. 前記焼入れは、前記合金鋳鉄を８６０〜９５０℃で０．５〜１．５時間維持し、前記合金鋳鉄を常温まで油冷して行われることを特徴とする請求項４に記載の合金鋳鉄。
  6. 前記テンパリングは、前記焼入れ済みの合金鋳鉄を１８０〜２２０℃で０．５〜１．５時間維持し、前記合金鋳鉄を常温まで空冷して行われることを特徴とする請求項４に記載の合金鋳鉄。
  7. 前記マルテンサイト基地組織に変態した合金鋳鉄がイオン浸硫処理されて形成された厚さ０．００５〜０．００１５ｍｍの浸硫層をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の合金鋳鉄。
  8. ０．０１〜０．５重量％のニオブ（Ｎｂ）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の合金鋳鉄。
  9. ０．１〜０．５重量％のバナジウム（Ｖ）をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の合金鋳鉄。
  10. ０．０６〜０．０１重量％のホウ素（Ｂ）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の合金鋳鉄。
  11. ０．２〜０．４重量％の銅（Ｃｕ）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の合金鋳鉄。
  12. 炭素（Ｃ）：３．２〜３．８重量％、ケイ素（Ｓｉ）：２．０〜２．６重量％、マンガン（Ｍｎ）：０．５〜１．０重量％、クロム（Ｃｒ）：０．２〜０．６重量％、モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜０．６重量％、チタン（Ｔｉ）：０．０４〜０．１５重量％、リン（Ｐ）：０．３重量％以下、硫黄（Ｓ）：０．１重量％以下を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不純物からなる溶湯を製造する溶融段階と、
    前記溶湯を鋳型に注入して冷却し、片状黒鉛及び１５〜３０体積％の炭化物を含む半製品を得る鋳造段階と、
    前記冷却された半製品を所定形状に研磨する研磨段階と、
    前記研磨された半製品を熱処理し、マルテンサイト基地組織に変態させる熱処理段階と、を含む、圧縮機用ベーンの製造方法。
  13. 前記溶湯を取り出して前記溶湯に接種剤を投与する接種段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の圧縮機用ベーンの製造方法。
  14. 前記熱処理段階は、
    前記研磨された半製品を８６０〜９５０℃で０．５〜１．５時間維持する過程、及び前記半製品を常温まで油冷する過程を含む焼入れ段階と、
    焼入れ済みの前記半製品を１８０〜２２０℃で０．５〜１．５時間維持する過程、及び前記半製品を常温まで空冷する過程を含むテンパリング段階と、を含むことを特徴とする請求項１２に記載の圧縮機用ベーンの製造方法。
  15. 前記熱処理済みの半製品を精密研磨する精密研磨段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の圧縮機用ベーンの製造方法。
  16. 前記熱処理済みの半製品の表面に厚さ０．００５〜０．００１５ｍｍの浸硫層を形成するイオン浸硫段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の圧縮機用ベーンの製造方法。
  17. 前記合金鋳鉄は、０．０１〜０．５重量％のニオブ（Ｎｂ）をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の圧縮機用ベーンの製造方法。
  18. 前記合金鋳鉄は、０．１〜０．５重量％のバナジウム（Ｖ）をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の圧縮機用ベーンの製造方法。
  19. 前記合金鋳鉄は、０．０６〜０．０１重量％のホウ素（Ｂ）をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の圧縮機用ベーンの製造方法。
  20. 前記合金鋳鉄は、０．２〜０．４重量％の銅（Ｃｕ）をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の圧縮機用ベーンの製造方法。
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