JP2018178241A

JP2018178241A - 高Ｓｉ（シリコン）球状黒鉛鋳鉄

Info

Publication number: JP2018178241A
Application number: JP2017096038A
Authority: JP
Inventors: 明人大亀; Akito Okame; 吉田　千里; Chisato Yoshida; 千里吉田; 祥司森岡; Shoji Morioka; 仁武田; Hitoshi Takeda; 直之加藤; Naoyuki Kato
Original assignee: OKAME SEISAKUSHO KK
Current assignee: OKAME SEISAKUSHO KK
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2018-11-15

Abstract

【課題】４±０．１質量％のＳｉ（シリコン）と０．６±０．０５質量％のＭｏ（モリブデン）を含む高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄では、さらに耐熱温度の向上が要求されている。鋳鉄にＡｌ（アルミ）を添加すると、耐熱性が向上するが、黒鉛の球状化が悪くなり（黒鉛の球状がくずれ）機械的性質が低下し、湯流れ性も低下する。Ａｌを少量添加して、機械的性質と湯流れ性が良好で、かつ耐熱性が向上する成分範囲を見出そうとした。【解決手段】Ｓｉ（シリコン）を４±０．１質量％とＭｏ（モリブデン）を０．６±０．０５質量％含有する高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄において、Ａｌ（アルミ）を０．３質量％未満含有させた耐熱鋳鉄である。Ｍｏ（モリブデン）を含有せず、Ｓｉ（シリコン）を４％±０．１質量％含有する高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄において、Ａｌ（アルミ）を０．３質量％未満含有させた耐熱鋳鉄である。【選択図】図５

Description

本発明は、球状黒鉛鋳鉄にＡｌ（アルミ）を少量添加して、耐熱性を向上させ、良好な機械的性質を有する鋳鉄製品に関するものである。

特許文献１には、球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）に対して４質量％から５質量％のＳｉ（シリコン）と０．５質量％から２．０質量％のＡｌ（アルミ）と０．０５質量％から０．２質量％の希土類元素から選択された１種または２種以上の元素を含有すると記載されている。
特許文献２には、球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）が、約２．８〜３．７質量％のＣ（炭素）、約３．０〜３．５質量％のＳｉ（シリコン）、約０．８〜１．５質量％のＭｏ（モリブデン）、約０．０２５〜０．６０質量％のＭｇ（マグネシウム）、約０．０１質量％未満のＳ（イオウ）、約０．０〜１．３質量％のＮｉ（ニッケル）を含み、さらに、約０．１質量％未満のＡｌ（アルミ）、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）を含む。さらに、約０．１５質量％のＭｎ（マンガン）、約０．０５質量％未満のＷ（タングステン）を含むガスタービンケーシングと記載されている。
特許文献３は、Ｃ（炭素）Ｓｉ（シリコン）Ａｌ（アルミ）を含有する球状黒鉛鋳鉄である。請求項が３で、それぞれ下記の式を満足することを特徴としている。
Ｃ質量％＋［（Ｓｉ質量％＋Ａｌ質量％）／３］≦５（１）
６３×Ｓｉ質量％＋３２×Ａｌ質量％≧９０（２）
Ｓｉ質量％＋Ａｌ質量％≧６．０質量％（３）
非特許文献１には、各種の耐熱鋳物の実験の一つとして、高Ａｌ−Ｓｉ（アルミ−シリコン）球状黒鉛鋳鉄の実験を行っている。Ａｌ量は２．４８質量％である。耐熱温度は１０００℃以上と優秀であるが、脆いので急熱急冷を受けるような箇所には注意を要するとしている。

特開２００２−０８８４３８特開２０１１−００７１８２特開２０１４−１４８６９４

各種の耐熱鋳物について，百瀬恒夫、伊豆董、吉田明：鋳物３２（１９６０）２６１

球状黒鉛鋳鉄にＡｌ（アルミ）を添加すると、耐熱性が向上するが、黒鉛の球状化が低下することで機械的性質が低下し、湯流れ性も悪くなるとされている。
特許文献１にはＳｉ（シリコン）が４質量％から５質量％において、０．５質量％から２．０質量％Ａｌ（アルミ）が含有されている。この特許では、０．０５質量％から０．２質量％の希土類も含有されている。Ａｌが０．５から２．０質量％含有されていると、耐熱性は良好なものの、材質が脆くなる問題がある。希土類元素の含有は脆さを改善しない。
特許文献２には０．１質量％未満のＡｌが含有されている。しかしこの特許では、約３．０〜３．５質量％のＳｉと約０．８〜１．５質量％のＭｏの他に、Ｐ（リン）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｓｎ（錫）、Ａｌ（アルミ）、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｗ（タングステン）等の多数の元素が含有されており、特にＡｌの効果を特徴としたものではない。さらにＡｌが０．１質量％未満ではＡｌの効果は限定的である。
特許文献３の目的はＳｉ（シリコン）とＡｌ（アルミ）を含有させて製造コストを低減させながら靭性に優れた鋳鉄を製造するとしている。特に耐熱性向上は記載されていない。この特許で、現産業下で使用している数値をあてはめ（１）式において代表的な成分であるＣ＝３質量％でＳｉ＝４質量％とすると
Ｃ＋｛（Ｓｉ＋Ａｌ）／３｝≦５
３＋［（４＋Ａｌ）／３）≦５
従ってＡｌ≦２となる。
Ａｌが２質量％以下の場合、耐熱性は良好と思えるが、２質量％に近い領域では脆い材料となる。
非特許文献１では、Ａｌが２．４８質量％であり、耐熱性は良好であるが、硬くて脆いので急熱急冷を受けるような箇所には注意を要すると記載されている。

Ｓｉ（シリコン）を４±０．１％とＭｏ（モリブデン）を０．６±０．０５％含有する高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄において、Ａｌ（アルミ）を０．３質量％未満含有させた耐熱鋳鉄とすることで解決した。
上記の解決手段からＭｏ（モリブデン）を除外することでも本課題を解決した。

Ａｌ（アルミ）を、特許文献３では２質量％までの記載であったが、本発明では少量の０．３質量％未満添加することで、機械的性質が良好で、耐熱性のよい鋳鉄を開発できた。
Ａｌを０．３％未満添加することで、高価なＭｏ（モリブデン）を安価なＡｌで代替した、機械的性質が良好な耐熱鋳鉄を開発できた。

実験方法化学成分機械的性質渦巻式湯流れ試験結果耐酸化性試験結果化学成分（Ｍｏなし）機械的性質（Ｍｏなし）渦巻式湯流れ試験結果（Ｍｏなし）耐酸化性試験結果（Ｍｏなし）

図１は実験方法である。高周波誘導溶解炉１において高Ｓｉ溶湯２を３トン溶解した。次に３００ｋｇの取鍋４の底にＭｇ（マグネシウム）合金を置き、溶解炉から取鍋に注湯することで黒鉛球状化処理を行った。その際、黒鉛球状化処理の注湯流３に所定量のＡｌを添加した。取鍋から溶湯５を湯流れ試験６、Ｙブロック７、製品８に注湯して各サンプルを作製した。
今回の実験のように、大量の溶湯にＡｌを添加することで、１００％近くの歩留になり、添加量を正確に制御することができた。少量の溶湯での実験では、Ａｌの歩留まりが悪く添加量にばらつきを生じるとともに、Ａｌ添加の際、空気中の酸素との反応がおこりやすく、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）酸化物が発生して材質にも悪影響を与える。
湯流れ試験は、渦巻式湯流れ試験で、鋳造業界で以前から使用されている手法である。ＹブロックはＪＩＳ規格で、Ｙブロックから機械的性質の試験片を採取した。製品はタービンハウジングである。
図２は使用した溶湯の化学成分である。添加したＡｌは、０、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．６、１．０、２．０質量％の８種類である。
図３は機械的性質で、Ａｌによって引張強さと伸びの変化を示した図である。Ｙブロックで採取したサンプルからＪＩＳ４号試験片を作製して、常温で引張り試験を行った。引張強さはＡｌによって大きな変化はないが、伸びは、Ａｌが０．３質量％を超えると大きく低下する。この原因は黒鉛の球状化が崩れたことによる。
図４は、渦巻式湯流れ性試験結果である。縦軸の流動長は、流れやすさの尺度で、流動長が長い方が湯流れ性良好である。湯流れ性が悪いと、溶湯が砂型の鋳型のなかをうまく流れずに、製品が不良品となりやすい。図４では、流動長はＡｌが０．２質量％までは低下していない。０．３質量％以上では低下して２．０質量％まであまり変化しない。
図５は、１０７３Ｋ（８００℃）、１１７３Ｋ（９００℃）の温度で、大気雰囲気の電気炉で、各２４時間保持した時の耐酸化性試験結果である。高温で保持すると鋳物の表面が大気中の酸素で酸化されて酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３等）が生成し、重量が増加する。本実験では製品（製品名はタービンハウジングで重量は１．４Ｋｇ）を用いて耐酸化性実験を行った。図５では、縦軸の酸化増量は重量増加（ｇ）で表示した。各Ａｌ含有量における製品の表面積や重量は一定とした。
１０７３Ｋ（８００℃）と１１７３Ｋ（９００℃）では、各温度での酸化増量はほぼ同様であった。Ａｌの増加にともなって酸化増量は低下する。Ａｌが２質量％では、酸化増量はゼロとなる。Ａｌの増加で耐酸化性が増加する。すなわち耐熱性が向上する。
図６から図９は、高価なＭｏの代替に安価なＡｌを使用することを目的にした実験である。
図６はＭｏ（モリブデン）を含まない高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄の化学成分である。Ａｌ添加量は、０．１質量％、０．２質量％と０．３質量％の３種類とした。
図７は機械的性質の結果である。図中の左側の数値は、Ｍｏを含む高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄すなわち基本組成である。図７から、Ｍｏなしの条件でもＡｌを０．１質量％、と０．２質量％とを添加すれば、基本組成の機械的性質と大きな変化は見られない。０．３質量％添加では機械的性質の伸びが低下する。
図８は湯流れ試験結果である。Ａｌが０．１質量％と０．２質量％は基本組成とほぼ同様の結果である。０．３質量％添加では低下する。
図９は耐酸化性試験結果である。基本組成に、Ａｌを０．１質量％、０．２質量％と０．３質量％を添加することで、耐酸化性は向上している。
従って、図７と図９からは、Ｍｏなしの条件でもＡｌを添加することで、機械的性質が良好で、耐酸化性の良い耐熱鋳鉄が得られたと考えられる。Ａｌを添加すると、一般的に湯流れ性が悪くなるが、図８のように、Ａｌが０．１と０．２質量％では湯流れ性は良好である。

１高周波誘導溶解炉
２高Ｓｉ鋳鉄溶湯
３注湯流にＡｌ添加
４取鍋
５注湯
６湯流れ試験
７Ｙブロック
８製品

Claims

Ｓｉ（シリコン）を４±０．１質量％とＭｏ（モリブデン）を０．６±０．０５質量％含有する高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄において、Ａｌ（アルミ）を０．３質量％未満含有させた耐熱鋳鉄
請求項１に記載の前記Ｍｏ（モリブデン）を含有しない耐熱鋳鉄