JP4097880B2

JP4097880B2 - 球状黒鉛鋳鉄部材及びその製造方法

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Publication number: JP4097880B2
Application number: JP2000168370A
Authority: JP
Inventors: 剛毅四谷; 正人中村
Original assignee: Riken Corp; Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Riken Corp; Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2020-06-06
Also published as: JP2001347357A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばステアリングナックルやロアアームなどの自動車用の足廻り強度部品に適用する、高靱性の球状黒鉛鋳鉄部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、自動車の足廻り強度部品には高い荷重や衝撃が加わるため、高い静的強度、疲労強度及び衝撃強度が要求される。また、最近の燃費向上の要請から軽量化が求められると共に、複雑な形状に対応するために、形状の高い自由度も要求されている。
上記強度を向上させるために、部品の内部をパーライト組織にし、表面近傍部を延びのあるフェライト組織にする組織制御を行う方法がある。従来、この組織制御を行うには、熱処理、Ｃｒ添加及び金型急冷による手段が行われている。
【０００３】
上記熱処理は、特開平６−２００３２２号公報、特開平６−１７１８６号公報、及び特開平９−２９６２１５号公報に記載されているように、足廻り部品を鋳造したのちに種々の熱処理を行うものである。しかし、この方法は、熱処理と該熱処理に伴うスケール除去の工程が必要となるため、コストが高くなった。
また、上記Ｃｒを添加する手段は特開平５−１２５４８０号公報に記載され、金型急冷による手段は特開昭６０−９５７２号公報に記載されているが、いずれの手段もチル化を防ぐために、Ｓｉ含有量が２．７重量％以上と高かった。このＳｉ含有量が高いと、フェライトが脆いフェロシリコンとなり衝撃強度が劣るが、この衝撃強度を向上させるために、オールフェライト化による方法では静的強度が劣るという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決し、表面層に切欠き感受性が低いフェライト主体で黒鉛粒数が多く、内部に強度が高い組織を有する二重組織構造に形成された球状黒鉛鋳鉄部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法は、上記目的を達成するため、０．１〜１．０重量％のＣｕ、０．１〜０．５重量％のＭｎ、０．０２〜０．１重量％のＣｒの群から選択される少なくとも一種以上のパーライト化元素、及び２．０〜２．８重量％のケイ素を溶湯に添加するステップと、該溶湯を、その表面部が１４０〜４００℃／分でかつ溶湯の内部よりも１０％以上速い速度で溶湯の共晶点まで冷却するステップと、溶湯を１５〜５０℃／分で溶湯の共析点まで冷却するステップとを含んでいる。
上記製造方法によれば、表面層における黒鉛の粒数が内部よりも多くなり、また、表面層と内部とのフェライト量及びパーライト量が適正化され、高い静的強度と疲労強度、衝撃強度を有する高靱性の球状黒鉛鋳鉄が特別な熱処理を行うことなく、鋳放しで得られる。
【０００６】
また、本発明に係る製造方法の一態様では、上記表面部と内部の冷却速度の調整を、冷し金、保温用の湯溜り、又は部材の表面に形成した凹凸形状のうちの少なくとも一種以上の手段によって行う。
上記方法によれば、表面層と内部の冷却速度を適正な範囲に制御することができる。
さらに、本発明に係る球状黒鉛鋳鉄部材は、上記方法によって、上記表面部に、内部よりも２０％以上多い１５０個／ｍｍ²以上の黒鉛を形成している。
上記球状黒鉛鋳鉄部材では、黒鉛粒数の増加により、表面層の靱性が向上すると共に、内部に対して、表面層のフェライト化の傾向が強くなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る球状黒鉛鋳鉄部材及びその製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。
本発明は、表面層を切欠き感受性の低いフェライトが主体で黒鉛粒数の多い組織とし、内部を強度の高い、パーライトとフェライトとの混合組織になった二重構造組織を有する高靱性の球状黒鉛鋳鉄を鋳放しで得る製造方法である。上記表面層においては、黒鉛粒数が少なくとも１５０個／ｍｍ²以上であり内部より２０％以上多くなっており、フェライト面積率は６０％以上であって内部よりも１０％以上高く、その層の厚さは０．５ｍｍ以上である。
【０００８】
上記組織を有する球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法を簡単に説明する。まず、Ｓｉ量を２．０〜２．８重量％添加し、また、パーライト化元素としてＣｕ，Ｍｎ，Ｃｒのうち少なくとも一種以上を適量に添加する。この状態で、溶湯の表面層の共晶点までの冷却速度を１４０℃／分以上として内部よりも１０％以上速くする。また、共析点までの冷却速度は、表面層が５０℃／分以下、内部が１５℃／分以上に制御することによって、表面層及び内部のフェライトとパーライトの量を所定の範囲に制御する。
【０００９】
［Ｓｉ添加量］
Ｓｉの添加量を適正に制御することによって、黒鉛粒数や冷却速度、パーライト化元素に応じて、パーライト量を変化させることができる。ここで、Ｓｉ添加量が２．０重量％よりも低いと黒鉛の粒数が減少して、黒鉛粒数による組織制御が困難になる。また、Ｓｉ添加量が２．８重量％よりも高いとパーライト化が困難となると共に、フェライトが脆いフェロシリコンになって靱性が低下する。従って、Ｓｉ添加量は、２．０〜２．８重量％とする。なお、フェライトの靱性を更に向上させるためには、上記範囲のうち、２．０〜２．５重量％が好ましい。
【００１０】
［パーライト化元素添加量］
パーライト化元素としてＣｕ，Ｍｎ，Ｃｒを、Ｃｕ：０．１〜１．０重量％、Ｍｎ：０．１〜０．５重量％、Ｃｒ：０．０２〜０．１重量％の範囲で少なくとも一種を添加する。これに伴い、製品肉厚や鋳造方案によって部材の冷却速度を変化させ、この冷却速度の変化に応じて、表面層と内部のパーライト量が適正になるように添加量を制御する。
ここで、上記パーライト化元素の各成分が下限値を下回ると十分にパーライト化された組織が得られない。逆に、Ｍｎが０．５重量％、Ｃｒが０．１重量％を超えるとチル化の傾向が強くなってしまう。また、Ｃｕは１．０重量％よりも多く添加すると、黒鉛の球状化を阻害するため、１．０重量％以下にする必要がある。なお、延性脆性遷移温度の上昇を防止するため、Ｃｕの添加量は０．１〜０．５重量％、Ｍｎの添加量は０．１〜０．３重量％、Ｃｒの添加量は０．０２〜０．０５重量％にすることが更に好ましい。
【００１１】
［冷却速度（共晶点まで）］
図１を用いて、鋳造時の製品の冷却速度を説明する。図１において、実線が部材の表面層の冷却曲線で、破線が内部の冷却曲線である。
表面層における共晶点までの冷却速度１は、１４０℃／分以上とし、内部における冷却速度３よりも１０％以上速くする。これによって、表面層における黒鉛粒数を内部よりも２０％以上多くすることができる。該黒鉛粒数が多いことによって、黒鉛の晶出量が増えて表面層のフェライト化の傾向が強くなり、また、黒鉛粒数が多いこと自体、亀裂の伝播阻止の効果があり、靱性を向上させる。
ここで、表面層における共晶点までの冷却速度１が内部の冷却速度３よりも１０％以上速くないと、表面層の黒鉛粒数が内部より十分に多くならずに二重構造組織が得られない。更に、表面層の冷却速度１が１４０℃／分よりも遅くなると十分な黒鉛粒数（１５０個／ｍｍ²以上）が得られなくなる。
【００１２】
［冷却速度（共晶点から共析点まで）］
一方、表面層及び内部における、共晶点から共析点までの冷却速度を１５〜５０℃／分とする。これは、パーライト化元素の添加量の制御によってパーライト量の制御が可能となるような範囲にする。
ここで、共析点までの表面層の冷却速度５が５０℃／分を超えると、パーライト化元素を添加しなくても表面層に過度（面積率で４０％以上）のパーライトが析出する。さらに、内部の冷却速度７が１５℃／分を下回ると、パーライト化元素を添加しても、内部に十分な（１０％以上）のパーライトが得られなくなってしまう。共析点までの表面層の冷却速度５は、５０℃／分以下であれば良いが、実質的に内部の冷却速度７より遅くなることはなく、最低でも１５℃／分以上とする。同様に、共析点までの内部の冷却速度７は、最高でも５０℃／分以下とする。
【００１３】
［冷却速度の制御方法］
冷却速度の制御方法として、速度を上昇させる場合は、冷し金の設置により、速度を遅くする場合は、製品の近傍に保温湯を回して徐冷する方法がある。また、表面層における冷却速度は、鋳型に熱を奪われるため、そのままでも内部よりも速くなるが、温度差が不足する場合は、図２に示すように製品の表面に幅ｗ1が１０ｍｍ以下で高さｈが１ｍｍ以上の直線状に形成された凸部９を設ける方法や、図３に示すよう幅ｗ2が１０ｍｍ以下で深さｄが１ｍｍ以上の格子状に形成された凹部１１にが有効である。この凸部によって形成される凹凸で製品の表面積が増え、表面層の冷却速度を内部に対して速くすることができる。
【００１４】
［球状黒鉛鋳鉄の組織］
以上説明した処理方法によって、図４に示すように、表面層１３がフェライト主体で黒鉛１５の粒数の多い組織で、内部１７がフェライトとパーライトとの混合組織となった高靱性の球状黒鉛鋳鉄部材１８を鋳放しで得ることができる。ここで、表面層のフェライト面積率は６０％以上であり、内部１７の面積率より少なくとも１０％以上高く、表面層１３の黒鉛粒数は１５０個／ｍｍ²以上で、内部１７より２０％以上高い。また、表面層１３の硬さは、９１ＨＲＢ以下で、厚さは少なくとも０．５mm以上である。
【００１５】
表面層１３の黒鉛粒数が１５０個／ｍｍ²以下になると、亀裂の伝播阻止の効果が望めずに靱性が低下する。さらに、黒鉛１５の粒数が内部１７に対して２０％以下の場合は、表面層１３のフェライト化が起こらずに切欠き感受性が低下する。
上記表面層１３のフェライト面積率が６０％を下回り、硬さが９１ＨＲＢ以上になると、表面層１３の切欠き感受性が高くなり、十分な靱性が得られない。表面層１３の厚さが０．５ｍｍ未満になった場合も同様である。
また、内部１７のパーライト面積率は、１０％以上で、表面層１３より少なくとも１０％以上高く、硬さは８５ＨＲＢ以上である。パーライト面積率が１０％を下回り、硬さが８５ＨＲＢを下回ると、十分な内部強度が得られない。
【００１６】
【実施例】
次いで、本発明に係る球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法を自動車の足廻り部品であるステアリング・ナックルに適用した実施例について説明する。本実施例において、材料の成分及び冷却速度を制御した本発明例、従来法によって作製した比較例１、及び従来法に対して成分のみを変更した比較例２を示す。
【００１７】
まず、本発明例、及び比較例１に用いた材料の成分値を表１に示す。ステアリング・ナックル３３において特に高い靱性が要求されるストラットアーム部３５とタイロッドアーム部３７（図５参照）について、表面層１３と内部１７の冷却速度、黒鉛１５の粒数、フェライト面積率及び硬さを測定した結果を表２〜表４に示す。このうち、表２は本発明例の冷却速度と組織を、表３は比較例１の冷却速度と組織を、表４は比較例２の冷却速度と組織を、そして表５は各々の強度試験結果を示したものである。
【００１８】
【表１】

【００１９】
本発明例では、表１に示すように、パーライト化元素としてＣｕを０．１４ｗｔ％添加し、更に、薄肉のタイロッドアーム部３７に図６に示す保温用の湯溜り３９を配設して冷却速度を調整した。なお、図６の４１は湯口である。一方、比較例１は、表１のＦＣＤ４５０からなる球状黒鉛鋳鉄を用いて、従来の鋳造方案で作製した。また、比較例２は、本発明例と同じパーライト化元素としてＣｕを０．１４ｗｔ％添加し、従来の鋳造方案によって作製した。
【００２０】
これらの組織及び硬さの結果を表２〜表４と図７〜図１０に示す。なお、これらの図７〜図１０は、表２における本発明例の組織写真である。図７はストラットアーム部の内部を、図８はストラットアーム部の表面付近を示し、図９はタイロッドアーム部の内部を、図１０はタイロッドアーム部の表面付近を示す。
【００２１】
【表２】

【００２２】
【表３】

【００２３】
【表４】

【００２４】
本発明例は、厚さが０．５ｍｍ以上の表面層１３を有し、該表面層１３は、黒鉛１５の粒数が１５０個／ｍｍ²以上で内部１７より２０％以上多く、組織がフェライト面積率で６０％以上であり、内部１７よりも１０％以上高かった。また、内部１７の硬さは、８５ＨＲＢ以上で、表面硬さは、９１ＨＲＢ以下であった。
また、比較例１は、パーライト化元素がほとんど含まれていないＦＣＤ４５０材からなるため、表３に示すように、厚肉のストラットアーム部３５において、内部１７のパーライト量が十分でなく、硬さが低くなっている。さらに比較例２は、表４に示すように、薄肉のタイロッドアーム部３７で表面層１３の共析点までの冷却速度が速すぎ、表面層１３のフェライト面積率が低くなっており、硬度も高かった。
【００２５】
次いで、本発明例と比較例１，２の強度試験結果を表５に示す。
【００２６】
【表５】

【００２７】
この表５に示すように、本発明例は、高い引張強度、曲げ強度と共に高い曲げ衝撃強度が得られた。
【００２８】
なお、本発明は、上述した発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて、種々の変形及び変更が可能である。
例えば、本発明を適用する部品として、ステアリングナックル３３以外に、リヤナックル、ロアアーム、トレーリングアーム等の足廻り部品や、ディファレンシャルケース、デフマウントブラケットなどの高い靱性が要求される複雑な形状を有する部品にも好適に用いることが可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、表面層における黒鉛粒数が内部よりも多いため、表面層の靱性が向上すると共に、内部に対して表面層の方がフェライト組織が主体となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る球状黒鉛鋳鉄部材の冷却曲線を示すグラフである。
【図２】本図のうち、（ａ）は本発明に係る球状黒鉛鋳鉄部材の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線による断面図である。
【図３】本図のうち、（ａ）は本発明に係る別の球状黒鉛鋳鉄部材の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線による断面図である。
【図４】本発明に係る球状黒鉛鋳鉄部材の組織を示す概略図である。
【図５】本発明に係る製造方法を適用するステアリングナックルの平面図である。
【図６】図５のステアリングナックルに湯溜りを配設した状態を示す平面図である。
【図７】表２の本発明例におけるストラットアーム部の内部の組織を示す写真（倍率：１００倍）である。
【図８】表２の本発明例におけるストラットアーム部の表面付近の組織を示す写真（倍率：１００倍）である。
【図９】表２の本発明例におけるタイロッドアーム部の内部の組織を示す写真（倍率：１００倍）である。
【図１０】表２の本発明例におけるタイロッドアーム部の表面付近の組織を示す写真（倍率：１００倍）である。
【符号の説明】
１共晶点までの冷却速度（表面層）
３共晶点までの冷却速度（内部）
５共晶点から共析点までの冷却速度（表面層）
７共晶点から共析点までの冷却速度（内部）
９凸部
１１凹部
１３表面層
１５黒鉛
１７内部
１８球状黒鉛鋳鉄部材
３３ステアリングナックル
３５ストラットアーム部
３７タイロッドアーム部
３９湯溜り
４１湯口

Claims

０．１〜１．０重量％のＣｕ、０．１〜０．５重量％のＭｎ、０．０２〜０．１重量％のＣｒの群から選択される少なくとも一種以上のパーライト化元素、及び２．０〜２．８重量％のケイ素を溶湯に添加するステップと、該溶湯を、その表面部が１４０〜４００℃／分でかつ溶湯の内部よりも１０％以上速い速度で溶湯の共晶点まで冷却するステップと、溶湯を１５〜５０℃／分で溶湯の共析点まで冷却するステップとを含んでなる球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法。
上記表面部と内部の冷却速度の調整を、冷し金、保温用の湯溜り、又は部材の表面に形成した凹凸形状のうちの少なくとも一種以上の手段によって行うことを特徴とする請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法。
請求項１又は２に記載の製造方法によって、上記表面部に、内部よりも２０％以上多い１５０〜６００個／ｍｍ²の黒鉛を形成し、内部の粒数を７０〜３００個／ｍｍ²としたことを特徴とする球状黒鉛鋳鉄部材。