JP2812609B2

JP2812609B2 - 黒鉛鋳鋼

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Publication number: JP2812609B2
Application number: JP4176129A
Authority: JP
Inventors: 潤酒井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1992-06-09
Filing date: 1992-06-09
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: EP0576173A2; EP0576173B1; DE69307031D1; DE69307031T2; JPH05339675A; US5370752A; EP0576173A3

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被削性と機械的性質の
優れた黒鉛鋳鋼に関し、特に自動車のディスクブレーキ
用ブレーキキャリパなど形状が複雑であって、鋳造性、
切削性及び剛性が必要とされる部分に用いるのに適した
黒鉛鋳鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、塑性加工、切削加工等の容易
化を図るために鋳物中に球状黒鉛を析出させた黒鉛鋳鋼
が知られている。ここで、周知のように、切削時の潤滑
性を向上すると共に切り粉長を短くして切削性を向上す
るべく、短い間隔で多数の微細な球状黒鉛が均一に分布
していることが望ましい。

【０００３】上記鋳鋼中に黒鉛を析出させる方法とし
て、熱処理を施すことにより黒鉛を析出させることが考
えられるが、熱処理に長時間を要し、しかも、析出した
黒鉛が粗大で形状が球状にならないため、所期の目的を
達成することが難しい。

【０００４】例えば特開昭６３−１０３０４９号公報に
は、希土類元素を添加することにより鋳物中に微細な球
状黒鉛を高密度、かつ均一に分布させようとするものが
開示されている。この公報には切削性改善元素として
０．４重量％以下のＢｉを添加（実施例０．０２重量
％、０．０５重量％、０．１３重量％）することによっ
ても切削性が改善される旨の記載があり、０．４重量％
を超えると黒鉛形状が非球状となって切削性及び機械的
性質が劣化すると記載されている。

【０００５】しかしながら、本発明者らは上記技術に於
ても、鋳造時の冷却速度が速い場合には微細黒鉛が分散
するが、製品容量の増加或いは鋳造方式の違いなどに起
因して比較的冷却速度を遅くしなければならない場合、
または同一製品にあっても厚肉部若しくは湯口部などの
ように比較的冷却速度の遅い部分には、後述するよう
に、Ｂｉの含有量によっては黒鉛がネットワーク状に連
なった鎖状黒鉛が発生することを発見した。この鎖状黒
鉛が発生すると鋼の強度、伸び、剛性等が低下し、即ち
球状黒鉛が好適に分散している場合に比較して鋼の機械
的性質が著しく劣化する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の問題点を解決するためになされたもので、従来の黒鉛
鋳鋼よりも微細な球状黒鉛を鋳鋼中に均一に分布させる
ことにより被削性及び機械的性質の一層の向上を図った
黒鉛鋳鋼を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的は、炭素
（Ｃ）０．４５重量％〜１．５重量％、珪素（Ｓｉ）
１．０重量％〜５．５重量％、ＲＥＭ０．００８重量％
〜０．２５重量％、カルシウム（Ｃａ）０．００２重量
％〜０．０２０重量％、ビスマス（Ｂｉ）０．０００５
重量％〜０．０１５０重量％、アルミニウム（Ａｌ）
０．００５重量％〜０．０８０重量％含み、残部が鉄
（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなり、鎖状黒鉛の晶出
を防止したことを特徴とする自動車用黒鉛鋳鋼を提供す
ることにより達成される。特に、珪素（Ｓｉ）が２．７
重量％〜５．５重量％であり、ＲＥＭが０．０５重量％
〜０．２５重量％であると良い。

【０００８】

【作用】以下に本発明に於ける各成分範囲の限定理由を
説明する。

【０００９】Ｃ：０．４５％〜１．５％黒鉛生成に不可欠な元素であり、下限値０．４５重量％
（以下、本実施例では重量％を単に％と表示する。）未
満では球状黒鉛が析出せず、黒鉛による被削性、鋳造性
向上効果が得られない。また、上限値の１．５％を超え
ると黒鉛球化率が７０％未満となり、強度、伸びが低下
すると共に黒鉛が粗大化し、更に偏折するために黒鉛間
距離が大きくなり切削性が低下する。

【００１０】Ｓｉ：１．０％〜５．５％Ｓｉは黒鉛の析出を促進する効果を有し、下限値１．０
％未満ではこの効果がなく、黒鉛が析出しなくなり、切
削性及び鋳造性が低下する。一方、上限値５．５％を超
えると黒鉛球化率が７０％未満となり、シリコフェライ
トが増加して鋳鋼の硬度が増大し、強度、延性、靭性が
著しく劣化する。

【００１１】ＲＥＭ：０．００８％〜０．２５％ＲＥＭは黒鉛の折出を促進し、ＲＥＭ無添加材は黒鉛の
析出がほとんど生じない、下限値の０．００８％未満で
は黒鉛が析出せず、良好な被削性、鋳造性が得られな
い。一方、上限値の０．２５％を超えると、黒鉛が部分
的にしか析出せず、切削性及び鋳造性が低下する。ま
た、鎖状黒鉛が発生し、これにより強度、伸びが低下す
る。

【００１２】Ｃａ：０．００２％〜０．０２０％ＣａはＲＥＭと共に添加するとＣａ快削物質が晶出し、
ＲＥＭの黒鉛折出促進作用を助けると共に黒鉛微細化を
促進し、切削性向上効果を有するが、０．００２％未満
ではその効果が見られず、上限値の０．０２０％を超え
て添加すると、球状黒鉛が粗大化し、偏析することから
黒鉛間距離が大きくなり切削性が低下する。

【００１３】Ｂｉ：０．０００５％〜０．０１５０％Ｂｉは被削性改善元素であるが、Ｂｉを適量含有するこ
とにより鎖状黒鉛の発生を防止することができ、特に鎖
状黒鉛が発生し易くなるＣ：１．２％以上、或いはＳ
ｉ：２．５％以上の場合に鎖状黒鉛の発生防止効果が高
くなる。ここで、Ｂｉは黒鉛の核として作用する。従っ
て、Ｂｉが少ないと核も少なくなる。一方、結晶粒界も
黒鉛析出の核となる。Ｂｉが０．０００５％未満では主
に結晶粒界が黒鉛析出の核となり、黒鉛粒が粒界に分散
して鎖状化し、鋳鋼の強度、靭性が著しく低下する。Ｂ
ｉを０．０００５％以上添加すると、結晶中に黒鉛の核
が増加し、手近なＢｉによる核にＣが優先的に集まるた
め、黒鉛粒が結晶粒界に析出し難くなり、鎖状黒鉛は消
失する。また、０．０１５％を越えた量のＢｉを添加す
ると、Ｂｉ自体が鉄マトリクス中に固溶し、冷却温度が
十分に遅くない場合には結晶中に於けるＣの黒鉛化を阻
害する。即ち、鉄マトリクスに固溶したＢｉは、Ｆｅ ₃
Ｃ結晶構造のＦｅ原子と置換して、パーライトを安定化
する。従って、鋳鋼の冷却過程に於いて、パーライト反
応温度が上昇し、冷却温度が十分に遅くない場合には結
晶中での黒鉛の発熱反応時間が短縮され、パーライト反
応が促進される。パーライト反応に於いて、Ｃは黒鉛粒
として鉄原子の結晶構造とは全く別の構造となるより、
そのまま鉄結晶構造中にＣとして留まりＦｅ ₃ Ｃとなる
方が容易なので、結晶中のＢｉは実質的に黒鉛の核とし
ての機能が低下し、Ｃはその大部分がＦｅ ₃ Ｃに吸収さ
れてしまうが、残部は黒鉛粒として優先的に結晶粒界に
析出し、鎖状黒鉛が発生する。これによりＢｉが少ない
場合と同様に鋳鋼の強度、靭性が著しく低下する。

【００１４】Ａｌ：０．００５％〜０．０８０％Ａｌが０．００５％未満であると脱酸効果が充分でな
く、ＲＥＭが酸化して機能しなくなることから黒鉛が晶
出しなくなる。また、組織内にガス欠陥が発生して鋳造
品質が劣化する。一方、０．０８０％を超えると黒鉛球
化阻止元素として作用し、黒鉛球化率が低下して強度、
伸びが低下する。

【００１５】不純物としてはＭｎ、Ｓ、Ｐが挙げられる
が、各々Ｍｎ：１．０％以下、Ｓ：０．０５％以下、
Ｐ：０．１５％以下の範囲でその含有が許容される。こ
こで、Ｍｎが１．０％を超えると黒鉛の析出を阻害し、
生地が脆くなり、Ｓが０．０５％を超えるとＲＥＭと反
応して黒鉛の球状化を阻害する。また、Ｐが０．１５％
を超えるとＦｅ₃Ｐの発生により伸びが低下して脆くな
る。

【００１６】

【実施例】以下に本発明の好適実施例について説明す
る。

【００１７】表１は、Ｂｉの含有率が各々異なる本発明
鋳鋼（Ｎｏ．４〜Ｎｏ．１０）及び比較鋳鋼（Ｎｏ．１
〜Ｎｏ．３、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２）の組成と、各鋼
の黒鉛の有無、黒鉛球化率、並びに鎖状黒鉛の有無等を
示しており、図１に各鋼（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１２）のＢ
ｉの含有率と黒鉛球化率との関係をグラフで示す。ま
た、図２に本発明鋳鋼（Ｎｏ．６）の金属組織の顕微鏡
写真、図３に比較鋳鋼（Ｎｏ．１）の金属組織の顕微鏡
写真を示す。各図及び表１により明らかなように、Ｂｉ
の含有率が０．０００５％〜０．０１５０％の間では、
黒鉛球状化率が高く（通常、黒鉛球状化率の正常域は７
０％以上）、かつ鋼中に微細な球状黒鉛が均一分布して
おり、この範囲を外れると黒鉛球状化率が極端に下がっ
たり、鎖状黒鉛が発生していることがわかる。

【００１８】

【表１】

【００１９】表２は、Ｃの含有率が各々異なる本発明鋳
鋼（Ｎｏ．１４〜Ｎｏ．１７）及び比較鋳鋼（Ｎｏ．１
３、Ｎｏ．１８〜Ｎｏ．２０）の組成と、各鋼の黒鉛の
有無、黒鉛球化率、並びに鎖状黒鉛の有無等を示してい
る。この表２により明らかなように、Ｃの含有率が０．
４５％〜１．５％の間では、黒鉛球状化率が高いが、こ
の範囲を外れると黒鉛球状化率が極端に下がったり、黒
鉛が晶出しなくなるなどの不具合か生じることがわか
る。

【００２０】

【表２】

【００２１】表３は、Ｓｉの含有率が各々異なる本発明
鋳鋼（Ｎｏ．２２〜Ｎｏ．２５）及び比較鋳鋼（Ｎｏ．
２１、Ｎｏ．２６）の組成と、各鋼の黒鉛の有無、黒鉛
球化率、並びに鎖状黒鉛の有無等を示している。この表
３により明らかなように、Ｓｉの含有率が１．０％〜
５．５％の間では、黒鉛球状化率が高いが、この範囲を
外れると黒鉛球状化率が極端に下がったり、黒鉛が析出
しなくなるなどの不具合か生じることがわかる。

【００２２】

【表３】

【００２３】表４は、ＲＥＭの含有率が各々異なる本発
明鋳鋼（Ｎｏ．２８）及び比較鋳鋼（Ｎｏ．２７、Ｎ
ｏ．２９、Ｎｏ．３０）の組成と、各鋼の黒鉛の有無、
黒鉛球化率、並びに鎖状黒鉛の有無等を示している。こ
の表４により明らかなように、ＲＥＭの含有率が０．０
０８％〜０．２５％の間では、黒鉛球状化率が高いが、
この範囲を外れると鎖状黒鉛が発生したり、黒鉛が析出
しなくなったり、偏析するなどの不具合が生じることが
わかる。

【００２４】

【表４】

【００２５】一方、所望の硬度、抗張力、伸び特性を調
べるべく、ＲＥＭの含有率が０．０５％以上の一定値と
し、Ｓｉの含有率が各々異なる本発明鋳鋼及び７７０
℃、２ｈｒのフェライト化処理を施した比較鋳鋼のＳｉ
の含有量と硬度、抗張力、伸びの関係を各々図４、図
５、図６に示す。また、上記した所望の硬度、抗張力、
伸び特性得るためにはフェライト化率が９５％以上であ
ることが望ましいことから、ＲＥＭの含有率及びＳｉの
含有率が各々異なる本発明鋳鋼のフェライト化率を調べ
たグラフを図７に示す。

【００２６】上記図４〜図７により明らかなように、Ｓ
ｉの含有率が２．７％以上であって、かつＲＥＭの含有
率が０．０５％以上の本発明鋳鋼は、熱処理を施さなく
てもフェライト化率が９５％以上となり、熱処理を施し
た鋳鋼と同等の硬度、抗張力、伸び特性が得られること
がわかった。

【００２７】図８にＳｉの含有率が３．２％（鋳放し：
Ａ）、３．５％（鋳放し：Ｂ）３．５％（熱処理：Ｃ）
の本発明鋳鋼及びＳ４８ＣＡＬＳ（調質快削鋼）、ＳＣ
７０（焼準普通鋳鋼）、ＦＣＤ４５０からなる比較鋳鋼
に対してドリルによる切削を行い、その切削長とドリル
コーナーの摩耗量との関係を示す。このグラフにより明
らかなように、本発明鋳鋼は従来の普通鋳鋼よりもはる
かに優れた切削性を有すると共にＦＣＤ４５０に比較し
ても同等若しくはそれ以上の切削性を有することがわか
った。

【００２８】尚、本発明材に於てＳｉを２．７％以上含
む場合には図７に示すようにフェライト化率が高くなる
ことから鋳放し品であっても熱処理品と同等の切削性を
有している。

【００２９】図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び図１０
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、本発明鋳鋼を用いた自動車
用ディスクブレーキのキャリパボディ１及びキャリパブ
ラケット２を示す。各図中符号Ａで示す部分が切削加工
により形成された面である。このように本発明鋳鋼を自
動車用ディスクブレーキのキャリパボディ及びキャリパ
ブラケットに用いた場合、上記したＦＣＤ４５０と切削
性が同等であり、かつ剛性が高いことからブレーキ効力
が向上した。

【００３０】表５は本発明鋳鋼を自動車用エンジンの排
気マニホールドに使用した場合の本発明鋳鋼（Ｎｏ．３
１、Ｎｏ．３２）及び比較鋳鋼（Ｎｏ．３３、Ｎｏ．３
４）の組成と、抗張力、耐力、伸び、硬度等の機械的性
質のテスト結果と、クラック長、クラック数、酸化減量
等の熱負荷テスト結果とを示す。ここで、熱負荷テスト
は、８５０℃に加熱後、２分間水冷し、３分間水切りす
るモード１のテストを２５サイクル行った後、１０００
℃に加熱後、２分間水冷し、３分間水切りするモード２
のテストを１０サイクル行い、発生したクラック等につ
いて調べたものである。尚、酸化重量は、（テスト後重
量／テスト前重量）×１００（％）により求めている。

【００３１】

【表５】

【００３２】また、表６、表７、図１１、図１２に、上
記モード１のテストを２５サイクル行った後、モード２
のテストを１０サイクル行う際の各鋳鋼（Ｎｏ．３１〜
Ｎｏ．３４）のクラック長及びクラック数の経時変化を
示す。尚、モード２テストを１０サイクル行った時点で
比較鋳鋼には大きな貫通クラックが発生したが、本発明
鋳鋼には軽微なクラックが発生したのみであった。

【００３３】

【表６】

【００３４】

【表７】

【００３５】各表及びそのグラフにより明らかなよう
に、本発明鋳鋼は炭素量が少なく黒鉛が粗大化しないこ
とから黒鉛化による内部応力が発生し難く、クラックの
発生が抑制されている。従って、本発明鋳鋼を用いれ
ば、クラックタフネスが向上し、排気マニホールド使用
温度の高温化が可能となる。

【００３６】一方、本発明鋳鋼（Ｎｏ．３５〜Ｎｏ．３
８）に表８に示すようにＭｏ及びＣｕの一種または二種
を１．０％以下の範囲で添加することにより表８及び図
１３に示すような抗張力を向上させることができる。ま
た、本発明鋳鋼に表８に示すような熱処理を施すことに
より、表８及び図１３に示すような抗張力を向上させ、
かつ伸びの低下を抑えることができる。

【００３７】

【表８】

【００３８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の黒鉛鋳鋼
は鋳鋼中のＢｉを０．０００５％〜０．０１５０％とす
ることにより、鋳物中に微細な球状黒鉛を多数析出させ
ることができ、かつ鎖状黒鉛の発生を防止することがで
きることから、鋳放しのままで被削性及び機械的性質を
改善することができる。また、Ｓｉを２．７％〜５．５
％とし、ＲＥＭを０．０５％〜０．２５％とすること
で、フェライト化率を９５％以上とすることができ、鋳
放しで熱処理を施した鋳鋼と同等の硬度、抗張力、伸び
特性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｂｉの含有率と黒鉛球化率との関係を示すグラ
フである。

【図２】表１に示すＮｏ．６の本発明鋳鋼の金属組織の
顕微鏡写真。

【図３】表１に示すＮｏ．１の比較鋳鋼の金属組織の顕
微鏡写真。

【図４】本発明鋳鋼及びフェライト化処理を施した比較
鋳鋼のＳｉの含有量と硬度との関係を示すグラフであ
る。

【図５】本発明鋳鋼及びフェライト化処理を施した比較
鋳鋼のＳｉの含有量と抗張力との関係を示すグラフであ
る。

【図６】本発明鋳鋼及びフェライト化処理を施した比較
鋳鋼のＳｉの含有量と伸びとの関係を示すグラフであ
る。

【図７】ＲＥＭの含有率及びＳｉの含有率が各々異なる
本発明鋳鋼のフェライト化率を示すグラフである。

【図８】本発明鋳鋼及び比較鋳鋼に対してドリルによる
切削を行い、その切削長とドリルコーナーの摩耗量との
関係を示すグラフである。

【図９】（ａ）部は本発明鋳鋼が適用されたディスクブ
レーキ用キャリパボディの平面図、（ｂ）部は（ａ）部
のａ−ａ線について見た矢視断面図、（ｃ）部は（ｂ）
部のｂ−ｂ線について見た矢視断面図である。

【図１０】（ａ）部は本発明鋳鋼が適用されたディスク
ブレーキ用キャリパブラケットの平面図、（ｂ）部は
（ａ）部の正面図、（ｃ）部は（ｂ）部のｃ−ｃ線につ
いて見た部分矢視断面図である。

【図１１】本発明鋳鋼及び比較鋳鋼の熱負荷テストを行
った際のクラック長の経時変化を示すグラフである。

【図１２】本発明鋳鋼及び比較鋳鋼の熱負荷テストを行
った際のクラック数の経時変化を示すグラフである。

【図１３】本発明鋳鋼にＭｏ及びＣｕの一種または二種
を１．０％以下の範囲で添加し、熱処理を施した場合の
抗張力と伸びとを示すグラフである。

【符号の説明】

１キャリパボディ２キャリパブラケット

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素（Ｃ）０．４５重量％〜１．５重
量％、珪素（Ｓｉ）１．０重量％〜５．５重量％、ＲＥ
Ｍ０．００８重量％〜０．２５重量％、カルシウム（Ｃ
ａ）０．００２重量％〜０．０２０重量％、ビスマス
（Ｂｉ）０．０００５重量％〜０．０１５０重量％、ア
ルミニウム（Ａｌ）０．００５重量％〜０．０８０重量
％含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からな
り、鎖状黒鉛の晶出を防止したことを特徴とする自動車
用黒鉛鋳鋼。
【請求項２】珪素（Ｓｉ）２．７重量％〜５．５重
量％、ＲＥＭ０．０５重量％〜０．２５重量％含み、フ
ェライト化率を９５％以上としたことを特徴とする請求
項１に記載の自動車用黒鉛鋳鋼。