JP3848264B2 - 鋳鉄製品の表面処理方法及び鋳鉄製品 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、生産された鋳鉄製品に酸化被膜を付与する鋳鉄製品の表面処理方法及び酸化被膜が形成された鋳鉄製品に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、鋳鉄製品の表面処理方法としては、例えば、所謂釜焼きといわれ、鋳鉄製品の周りに木炭を配し、これを約800℃〜1000℃に加熱し、鋳鉄製品の表面に酸化被膜を生成する方法がある(非特許文献1参照)。
また、従来、例えば、電気炉を用いた表面処理方法がある。この方法は、温度制御が可能かつ容易で短時間に表面処理が終わる。
【0003】
【非特許文献1】
伝統工芸品シリーズ「南部鉄器」 堀江皓著
2000年6月初版発行 理工学社出版
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来の鋳鉄製品の表面処理方法において、前者の木炭処理による方法では、木炭の量,風量の調整が煩雑で、また、木炭の量,風量により処理温度及び雰囲気ガス濃度が鋳鉄製品の周りで不規則になるため鋳鉄製品の表面の酸化被膜にばらつきが発生し、均一な製品ができないという問題があった。また、処理時間が長くなってしまう問題もある。
また、後者の電気炉を用いた方法では、鋳鉄製品の周囲に酸素が高濃度に存在するため、鋳鉄製品の表面で急激に酸化反応が起こってしまう。このため、別途、防錆処理を必要とし、工数増になっているという問題があった。
【0005】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたもので、酸化被膜にばらつきが発生しないようにするとともに、急激な酸化を抑えて鋳鉄製品の表面に生成する酸化被膜を緻密なものにして、防錆処理が不要な高品質の製品を作ることができる鋳鉄製品の表面処理方法及び緻密な酸化被膜を有する鋳鉄製品を提供することを目的とする。
【0006】
【問題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明の鋳鉄製品の表面処理方法は、鋳鉄製品が収納される炉室及び該炉室内を加熱する電気ヒータを備えた電気炉を用い、当該鋳鉄製品を上記炉室内に収納して加熱処理する鋳鉄製品の表面処理方法において、上記炉室内に不活性ガスを充填し、酸素濃度を0.1〜5%にして熱処理し、その後、大気中で放冷する構成としている。
【0007】
ここで、鋳鉄製品は、普通鋳鉄であり、以下の成分のものをいう。
C 2.5〜4.0%
Si 0.5〜3.0%
Mn 0.4〜1.0%
P 0.03〜0.8%
S 0.05〜0.12%
【0008】
また、鋳鉄製品は、砂型などの鋳型に、溶解したものを注入し、その後、脱型し、ある程度砂除去やバリ取りなどの仕上を行なったものである。本発明は、このような鋳鉄製品に対して上記の熱処理を行なう。また、本発明の熱処理は、応力除去などの目的で行なう焼鈍や、硬化させる目的の焼入れとは異なる処理である。尚、不活性ガス中で行なう熱処理技術も従来においてはあるが、これは、内部の組織変更を行なう目的のものであり、本発明の酸素をコントロールして表面処理を行なう技術とは異なる。
【0009】
このような本発明の構成によれば、炉室内に不活性ガスを充填し、酸素濃度を0.1〜5%にして熱処理するので、急激な酸化反応を抑えることができ、鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜を均一に生成せしめることがでできる。酸化被膜としては、主にヘマタイト(hematite Fe2 O3 )及びマグネタイト(magnetite Fe3 O4 )で構成される。即ち、電気炉を用いたので、処理温度の設定が容易かつ鋳鉄製品の周りの温度を均一にでき、鋳鉄製品の表面の酸化被膜を表面全体にばらつきがなく均一に生成することができる。また、炉室内に不活性ガスを充填し、酸素濃度を0.1〜5%にして熱処理するので、電気炉内の酸素濃度が均一に低下させられ、そのため、鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜を生成することができる。その結果、鋳鉄製品の高品質化を図り、処理時間の短縮化を図ることができる。
【0010】
そして、必要に応じ、上記酸素濃度を0.5〜1.5%とした構成としている。より一層確実に鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜を生成せしめることができる。
そしてまた、必要に応じ、炉室内の温度を700℃〜930℃にした構成としている。炉室内の温度を700℃〜930℃にすることにより、より一層確実に鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜を生成せしめることができる。
この場合、加熱処理時間を5〜30分としたこと、望ましくは、加熱処理時間を12〜15分としたことが有効である。より一層確実に鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜を生成せしめることができ、最適な厚さの酸化被膜を得ることができる。加熱処理時間は、経験的に5分未満では酸化被膜の厚さが足りず、30分を越えると酸化被膜が厚くなりすぎて酸化被膜が剥離してしまうことから、12分〜15分が有効な範囲であり、最適な酸化被膜の厚さが得られる。
【0011】
また、上記目的を達成するための本発明の鋳鉄製品は、上記の表面処理方法により、表面に酸化被膜を形成してなる鋳鉄製品である。鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜が均一に生成されるので、鋳鉄製品の高品質化が図られる。また、緻密な酸化被膜が生成されているため防錆処理を不要にできるので、その分の工数を少なくすることができ、低コストでの鋳鉄製品の製造を行なうことができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態に係る鋳鉄製品の表面処理方法について説明する。この実施の形態に係る鋳鉄製品の表面処理方法は、図1に示すように、電気炉を用いて表面処理を行なう。鋳鉄製品としては、砂型等で鋳造された、例えば、鉄瓶,鉄鍋,風鈴等各種の製品である。
【0013】
図1には本発明の鋳鉄製品の表面処理方法で用いる電気炉1を示している。この電気炉1は、鋳鉄製品Sが収納される炉室2と、炉室2内を加熱する電気ヒータ4とを備えている。符号3は、鋳鉄製品Sを載せるボート、符号7は、炉室2の排気及び吸気を行なう直径40mm程度の排気口である。
【0014】
炉室2内を加熱する電気ヒータ4は、電気ヒータ制御部5で制御される。電気ヒータ制御部5は、炉室2の温度を測る温度センサ6と、図示外の炉室内処理温度設定手段とを備えており、炉室内処理温度設定手段で設定された設定処理温度と温度センサ6で検知した温度とを比較して、検知した温度が設定処理温度よりも同じかまたは高ければ電気ヒータ4をオフにして炉室2を加熱しないようにし、検知した温度が設定処理温度よりも低いときは電気ヒータ4をオンにして炉室2を加熱する制御機能を備えている。この電気ヒータ制御部5と炉室2の密閉性との相乗効果で、炉室2内の温度分布を均一にでき、また、炉室2内の処理温度を任意に設定できる。ここでは、炉室2内を700℃〜930℃に制御する。
【0015】
また、電気炉1は、炉室2に不活性ガス供給口9から不活性ガスを供給する不活性ガス供給部10を備えている。不活性ガスとしては、例えば、窒素(N2 )アルゴン(Ar)等適宜のものが用いられる。
不活性ガス供給部10は、不活性ガスの流量を調整する流量調整バルブ11と、開閉バルブ12と、圧力を調整する圧力調整バルブ13とを備えていて、末端に連結された不活性ガス供給源14から所定の流量の不活性ガスを炉室2内に供給できるようになっている。
【0016】
また、開閉バルブ12の開閉を制御して不活性ガスの供給を制御する不活性ガス制御部15が設けられている。不活性ガス制御部15は、炉室2内の雰囲気の酸素濃度を検知する酸素濃度センサ16と、炉室2内の雰囲気の酸素濃度を設定する図示外の酸素濃度設定手段とを備えていて、酸素濃度センサ16で検知した酸素濃度と不活性ガス制御部15の酸素濃度設定手段で設定した設定酸素濃度とを比較して、設定酸素濃度より検知した酸素濃度が高ければ開閉バルブ12を開にして不活性ガスを炉室2に供給し、設定酸素濃度より検知した酸素濃度が同じかまたは低ければ開閉バルブ12を閉にして不活性ガスを炉室2に供給しない制御機能を備えている。
【0017】
この不活性ガス制御部15の制御と炉室2の密閉性の相乗効果で、炉室2内の雰囲気ガスを均一に保つことができる。ここでは、不活性ガス制御部15は、酸素濃度を0.1〜5%望ましくは0.5〜1.5%に制御する。炉室2内では、不活性ガスの供給または炉室2の加熱による気体の膨張で炉室2に収まりきらない炉室2内の気体は、排気口7から排気される。また、炉室2は排気口7以外からの気体の出入りができないように密閉性が高められている。
【0018】
従って、この実施の形態に係る鋳鉄製品の表面処理を行なうときは、以下のようになる。
ここでの鋳鉄製品Sは、例えば、図2に示す工程に従って製造される。予め、砂型(上型,下型)が成形される(1−1)。中子を使用する場合には例えばシェルモールド法による中子が成形される(1−2)。下型に中子を設置し上型をかぶせて鋳型を組み立てる(1−3)。
【0019】
そして、原料(例えば、C 3.6%,Si 2.2%)を例えば1450℃に溶解しておき(1−4)、これを鋳型に注入する(1−5)。原料が硬化したならば、上型及び下型を分離して鋳鉄製品Sを取り出す(1−6)。それから、鋳物砂を除去し、バリ取りを行ない、必要に応じ、研磨して仕上げする(1−7)。寸法等の品質検査も行なう(1−8)。
【0020】
次に、図3に示すように、実施の形態に係る表面処理を行なう。
先ず、図1に示すように、電気炉1を使用し、ボート3に鋳鉄製品Sを載せ、ボート3を炉室2内に収納し、排気口7以外からの気体の出入りができないように炉室2を密閉する。次に、電気ヒータ制御部5の温度設定手段で炉室2の温度を700℃〜930℃になるように設定し、不活性ガス制御部15の酸素濃度設定手段で炉室2内の酸素濃度が0.1〜5%望ましくは0.5〜1.5%になるように設定する。それから、炉室2内を加熱する電気ヒータ4をオンにして、鋳鉄製品Sの熱処理を行なう(2−1)。設定した処理温度に達してから5〜30分加熱する。加熱処理時間が12分〜15分にするとより最適な酸化被膜の厚さが得られる。
【0021】
この処理過程では、不活性ガス制御部15は、酸素濃度センサ16で検知した酸素濃度と不活性ガス制御部15の酸素濃度設定手段で設定した設定酸素濃度とを比較して、設定酸素濃度より検知した酸素濃度が高ければ開閉バルブ12を開にして不活性ガスを炉室2に供給し、設定酸素濃度より検知した酸素濃度が同じかまたは低ければ開閉バルブ12を閉にして不活性ガスの供給を停止する。そのため、急激な酸化反応が抑えられて、鋳鉄製品Sの表面に緻密な酸化被膜が生成されていく。
【0022】
その後、ボート3に載せた鋳鉄製品Sをボート3ごと取り出し、大気中で放冷する(2−2)。このようにして、所定の処理温度で、低酸素濃度の雰囲気ガスの中での鋳鉄製品Sの表面処理を行なうことができる。そのため、鋳鉄製品Sの表面には防錆処理が不要にできる緻密な酸化被膜が生成される。酸化被膜としては、主にヘマタイト(hematite Fe2 O3 )及びマグネタイト(magnetite Fe3 O4 )の被膜が形成される。
そして、被膜生成の品質検査を行ない(2−3)、必要に応じ、着色を行ない(2−4)、製品とする。
【0023】
【実施例】
次に、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
[実施例]
実施例に係る鋳鉄製品Sの表面処理方法は、炉室2に供給する不活性ガスに窒素(N2 )99.5%を用いて、炉室2内の処理温度を880℃、炉室2内雰囲気の酸素濃度を3%に夫々設定し、処理時間を12分としたものである。実施例に係る鋳鉄製品Sの表面は、図4に示す実施例の顕微鏡写真から判るように、酸化被膜が緻密な網目状の良好な構造となっている。
【0024】
[比較例]
比較例に係る鋳鉄製品Sの表面処理方法は、不活性ガスを供給することなく、炉室2内の大気をそのまま用いて、炉室2内の処理温度を880℃に設定し、処理時間を12分としたものである。比較例に係る鋳鉄製品Sの表面は、図5に示す比較例の顕微鏡写真から判るように、酸化被膜が粒状になっていてひびを生じ易い構造になっている。
【0025】
また、実施例において、表面のX線回折分析を行なった。結果を図6に示す。ヘマタイト(hematite Fe2 O3 )及びマグネタイト(magnetite Fe3 O4 )の被膜が形成されていることが判る。
【0026】
尚、上記実施の形態で示した電気炉において、酸素量の調整方法は上記の方法に限定されるものではなく、例えば、不活性ガス中に所定量を混合して供給する等、適宜に設定してよい。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電気炉を用いたので、処理温度の設定が容易かつ鋳鉄製品の周りの温度を均一にでき、鋳鉄製品の表面の酸化被膜を表面全体にばらつきがなく均一に生成することができる。また、炉室内に不活性ガスを充填し、酸素濃度を0.1〜5%にして熱処理するので、電気炉内の酸素濃度が均一に低下させられ、そのため、鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜を生成することができる。その結果、鋳鉄製品の高品質化を図り、処理時間の短縮化を図ることができる。しかも、緻密な酸化被膜が生成されているため防錆処理を不要にできるので、その分の工数を少なくすることができ、低コストでの鋳鉄製品の製造を行なうことができる。また、防錆処理を施す場合は緻密な酸化被膜との相乗効果で更なる防錆効果も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る鋳鉄製品の表面処理方法で用いる電気炉を示す模式図である。
【図2】本発明の実施の形態に係る鋳鉄製品の表面処理方法で用いる鋳鉄製品の製造工程を示す図である。
【図3】本発明の実施の形態に係る鋳鉄製品の表面処理方法を示す工程図である。
【図4】本発明の実施例に係る鋳鉄製品の表面処理方法によって製造された鋳鉄製品の表面の酸化被膜を示す図面代用顕微鏡写真(倍率1000倍)である。
【図5】比較例に係る鋳鉄製品の表面処理方法によって製造された鋳鉄製品の表面の酸化被膜を示す図面代用顕微鏡写真(倍率1000倍)である。
【図6】本発明の実施例に係る鋳鉄製品の表面処理方法によって製造された鋳鉄製品の表面の酸化被膜のX線回折分析結果を示す表図である。
【符号の説明】
S 鋳鉄製品
1 電気炉
2 炉室
3 ボート
4 電気ヒータ
5 電気ヒータ制御部
6 温度センサ
7 排気口
9 不活性ガス供給口
10 不活性ガス供給部
11 流量調整バルブ
12 開閉バルブ
13 圧力調整バルブ
14 不活性ガス供給源
15 不活性ガス制御部
16 酸素濃度センサ
Claims (3)
- 鋳鉄製品が収納される炉室及び該炉室内を加熱する電気ヒータを備えた電気炉を用い、当該鋳鉄製品を上記炉室内に収納して加熱処理する鋳鉄製品の表面処理方法において、
上記鋳鉄製品は、重量比で、C:2.5〜4.0%,Si:0.5〜3.0%,Mn:0.4〜1.0%,P:0.03〜0.8%,S:0.05〜0.12%含む構成のものであり、
上記炉室内に不活性ガスを充填し、酸素濃度を0.5〜1.5%にし、炉室内の温度を700℃〜930℃にし、加熱処理時間を12〜15分として、上記鋳鉄製品を熱処理し、その後、大気中で放冷し、上記鋳鉄製品の表面に酸化被膜を形成してなることを特徴とする鋳鉄製品の表面処理方法。 - 上記酸化被膜は、主にヘマタイト及びマグネタイトであることを特徴とする請求項1記載の鋳鉄製品の表面処理方法。
- 請求項1及び2いずれかに記載の表面処理方法により、表面に酸化被膜を形成してなることを特徴とする鋳鉄製品。
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