JP4162418B2 - ダクタイル鋳鉄部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダクタイル鋳鉄製の部材、とくに円筒形状をベースとする部材とその製造方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
周知の通りダクタイル鋳鉄は普通鋳鉄の黒鉛が片状薄片であるのに対し、六方晶系の結晶が共通の核から放射状に発達した集合体よりなる球状を呈し、鋳鉄にも拘わらず靭性（ダクタイル）を具えた特徴を有する。製品としては自動車の各種部品や大型機械の部材が多いが、遠心力鋳造法を利用して長尺管を製作し、上下水道、ガスなど流体の管路を形成する代表的な使用例もある。
【０００３】
ダクタイル鋳鉄管を地中に埋設して形成する管路には、地震等によって過大な外力が配管を直撃した時でも、その外力を伸縮作用によって吸収緩和する耐震性を具備した管継手が近年広く採用されるようになった。この種の耐震管継手は、継手部に伸縮機能と離脱防止機能を備えており、これらの機能によって地震やその他の地盤変動に追従して伸縮・屈曲し、配管が過大な歪みを生じて破損することを防止するものである。
【０００４】
屈曲や分岐の多い市街地などでは直管だけでは管路の布設が困難となるために、曲がり管やＴ字管などの異形管を多く用いて管路の布設が行われることになる。この場合、水圧による不平均力によって管が伸縮・屈曲しないように図３に示すようにライナを用いて離脱防止および屈曲防止構造とすることが行われている。
【０００５】
これらの管継手に使用される部品であるライナは、受口内面に挿入され外力が作用した際には挿口端面と係合することで屈曲を防止するものである。つまりライナの製造は、管径に合わせてその種類だけ用意しなければならず、極めて多くの品目に及び、これを個別に製造するためには鋳型を造型するための模型や金型が必要となり、生産性や作業管理の面でも甚だしく煩瑣であり非能率でもある。
【０００６】
したがって、すべての管種についてライナを個別に製造するのではなく、何種類かの基本寸法に集約して塑性加工によって拡径，縮径して所望の管径に対応する方法も考えられる。特にダクタイル鋳鉄の場合は靭性があり多少の塑性加工が可能であるから、これに着目されるのは当然である。しかし、ダクタイル鋳鉄を塑性加工することは、低炭素の軟鋼と異なり、その変形率（たとえば拡径率）にかなり厳しい制約がある。ダクタイル鋳鉄に靭性があるとはいえ、軟鋼に比べると遥かに低いレベルに過ぎないから、加工中に亀裂や破断の恐れがあり、仮に成形できたとしても製品の機械的性質の大きな劣化を伴うことは避け難い。たとえば管継手も管路を形成する要素の一つである以上、地震や地殻変動などの外力に対応する可撓性、すなわち靭性を求められる点については、管自体と何らかわることなく、例えば遠心力鋳造管の目安である伸び１０％の維持は、重要な要件である。その意味では従来のダクタイル鋳鉄材は、基地中に分散、晶出する球状黒鉛の形状が大きいから、塑性加工によって強制的な外力を受けると、折角の球形が歪んで扁平となり、普通鋳鉄の片状黒鉛と大差なくなり、本来、具えていた靭性を急速に失うものと推定される。
【０００７】
ダクタイル鋳鉄部材の靭性に着目して塑性加工をする従来技術も少なからず見出すことができる。特公昭５３−２０４４８号公報は、高抗張力黒鉛鋳鉄を得るため、圧下率６０〜８０％の熱間圧延と、オーステナイト領域からの焼入れ、焼戻し処理を併用したことを要旨とする。特公昭５９−９６１５号公報の従来技術は、フェライト結晶粒中に微細な粒状セメンタイトが分布する微細な組織の球状黒鉛鋳鉄で、強靭で共析温度（実施例では７００〜７４８℃）と、それより約５０℃高い温度に加熱しても微細なフェライトとオーステナイトの混合組織を示すので、超塑性加工が可能になると報告した。
【０００８】
特開平１１−１７１５号公報は、フェライト化した球状黒鉛鋳鉄の車両用素材の内外周に、歯車の歯型などを形成した後、オーステンパー処理を施す要件を示し、特開２０００−２３９７８０号公報に係る従来技術は、通常の球状黒鉛鋳鉄成分に、Ｎｉ：０．１〜２．０，Ｍｏ：０．１〜１．０％の少なくとも一方を含み、フェライト率が９０％以上ある素材が、平均伸び２５％以上もあるので生産性の高い塑性加工ができ、少なくとも塑性加工部をオーステンパー処理、または高周波焼入れ処理の何れかを行なった歯車などの機械部品を製作する。特にオーステンパー処理を施す場合には、健全なベイナイト組織を得るためベイナイト変態を促進するＮｉ，Ｍｏ両者の添加が必要であるとしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記４件の従来技術は、球状黒鉛鋳鉄の塑性加工を可能とする技術の開発であるが、第一の引用文献は熱間圧延とオーステナイト領域からの焼入れ、焼戻し、第二の引用文献は共析温度区間（たとえば７００〜７４８℃）での熱間加工、第三、第四の引用文献は成形後のオーステンパリング処理を必須の要件としており、多くの種類の形状にまたがって広く適用される汎用性に優れてはいるものの、熱間加工か、加工後の特殊な熱処理が絶対必要条件で、その点から言えば、作業性、作業工程の上でいくつかの高熱作業を余儀なく強いられ、職場環境や作業安全、また生産コストの面で、すべての形状のダクタイル鋳鉄に適用するには不適当であると言わざるを得ない。
【００１０】
本発明は以上の技術的背景を勘案した上、円筒形をベースとした形状に限るが、ある範囲に亘って拡径、縮径、および／または所望の環状凹凸部を周設自在な冷間の塑性加工を可能とし、かつ、成形部材の機械的性質は加工後に熱処理をしなくても通常のダクタイル鋳鉄の性能を十分満足するレベルが維持できるものの提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るダクタイル鋳鉄部材は、遠心力鋳造法で製造したＣ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．０００５〜０．０５％、残りＦｅの成分よりなるダクタイル鋳鉄管を円筒素材とし、冷間で回転塑性加工を加えて所望の形状に成形し、かつ、通常のダクタイル鋳鉄部材が具える機械的性質を維持することによって前記の課題を解決した。なお、望ましくは前記成分に加え、Ｃａ：０．０００１〜０．０５％含むことによってより効果的に発明の目的を達成できる。
【００１２】
該部材を製造する方法としては、遠心力鋳造法で製造したＣ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．０００５〜０．０５％、または前記成分にさらにＣａ：０．０００１〜０．０５％含み、残りＦｅの成分よりなるダクタイル鋳鉄管を円筒素材とし、冷間で回転塑性加工を加えて所望の形状に成形する方法に限定する。この場合には、成形後に如何なる熱処理を加えなくとも通常のダクタイル鋳鉄部材が具えるレベルの機械的性質を具える。また、冷間の回転塑性加工の具体的な手法としては、スピニング加工またはリングローリング加工の何れかより選ぶことが求められる。
【００１３】
本発明に係るダクタイル鋳鉄部材は以上述べた成分よりなる遠心力鋳造管を素材とする。回転塑性加工による伸張、または短縮を計算に入れた上で、個々の製品、たとえば管継手成形に必要な長さ毎に管を寸法切りして加工機械に取り付ける。この場合、たとえば１００ｍｍ径の長尺管を提供すれば、呼び径１５０ｍｍ管用の管継手にも、呼び径７５ｍｍ管用の管継手にも適用ができるから、素材管の種類としては大幅に少なく集約される。よって、異形管部における離脱防止および屈曲防止に使用されるライナを、何種類かの基本寸法に集約して塑性加工によって拡径，縮径して所望の管径に対応させて成形することが可能となる。
【００１４】
ダクタイル鋳鉄の溶湯へＢｉを添加して黒鉛を微細化し、均等に基地中へ分散させる作用自体は公知であり、同じような働きをする元素としてＳｂ，Ｔｅ，Ｓｎなども知られている。しかし、本発明で特定するように遠心力鋳造法による急冷作用と、溶湯を押圧する外力という特殊条件が複合することによって、静置鋳造法では定説とされる黒鉛の球状化阻害要因にも大きな違いが現れるのではないか。
【００１５】
Ｂｉの添加と共にＣａを添加して一段と発明の目的を効果的に果たすことを特に挙げておきたい。Ｃａは鋳造後の残留成分として検知できないほどの添加量であっても、接種することによってＢｉの歩留まりを向上する安定化作用が顕れる。すなわち黒鉛核発生の凝固初期の段階でＣａが液化し、液相ＣａとＢｉが接触すると、Ｂｉ−Ｃａの金属間化合物を形成して、蒸気圧の低いＢｉの気化損耗を抑止する作用があるのではないかと推定される。いうまでもなくＣａには溶湯に対する脱酸、脱硫の作用があって、黒鉛球状化の大敵であるＳを強烈に取り除く特性が具わっているから、Ｂｉと共存することによってＢｉの球状化阻害要因を補って正常な球状化の進行に貢献する相乗効果があると考えられる。Ｃａが残留成分として検出できる程度に含まれれば、この相乗作用は一段と強力に発現することは後の実施例でも明確に立証される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による回転塑性加工としてリングローリング加工を実施した態様を示した正面図であり、加工素材である遠心力鋳造管から寸法取りした円筒素材１を、成形ローラ２とマンドレル３の間に挟んで回転させながら加圧ローラ４によって加圧し、冷間で拡径加工を行なって所望の寸法に成形する。図中、クランプアーム６の先端に取り付けた支持ローラ５によって、回転塑性加工中は円筒素材１を安定した姿勢で支えて正確な位置を制御する。なお、成形ローラ２に凹溝や突条を周設しておけば、その位置に該当する円筒素材の外周面にこの凹凸を転写した突条や凹溝を成形することができる。円筒素材の内周面に凹溝、突条を成形する場合はマンドレル３の外周面に突条、凹溝を設けておく。素材が遠心力鋳造管であるから、引け巣やノロ噛み（ドロス）など不健全層はすべて内周面側へ集中するが、機械加工であらかじめ切除しておかなくとも、マンドレルと成型ローラ間に挟圧されて変形する間に圧潰、剥離して健全で滑らかな表面に仕上がる利点もある。
【００１７】
表１は確認テストに供した比較例と実施例１，２の化学成分であり、比較例は通常の遠心力鋳造法によって製造したダクタイル鋳鉄管であり、実施例１は（分析成分として）Ｂｉのみが検出されるものであるのに対し、実施例２は分析成分としてＢｉと共にＣａが検出できるように添加した例である。比較例、実施例１、実施例２の順に組織は緻密化し、球状黒鉛も明らかに小型化しつつも球状化自体はほとんど失われずにほぼ均等に分散している。遠心力鋳造法で鋳造した時点では急冷作用によってほぼ９０％以上セメンタイト組織であったが、十分な焼鈍によってほぼ完全にフェライト組織に変態すると共に、セメンタイトの分解に伴って球状黒鉛の晶出が一層進み、球状黒鉛数も増加する。その点は何れのケースも同じであるが、球状黒鉛の晶出増加の割合は比較例、実施例１、実施例２の順に旺盛で、三者間の粒数の差は一段と拡がる。
【００１８】
【表１】

【００１９】
この試験片に拡径率を変えて冷間でリングローリング加工を行なった。ローリング拡径機の加圧ローラ圧は１５Ｍｐａ、成型ローラ圧は３．５Ｍｐａ、成型ローラの回転数は２００ｐｐｍの条件で拡径する。拡径は内径基準で５，１０，１５，２０％の４段階に変えて行なった。すべての試験片について亀裂や欠損など外観上の欠陥は認められなかった。一切の熱処理を施すことなく加工し放しのままで機械的試験に規定される試験片を切り出し、規定に基づいて試験した結果を一覧にまとめたのが表２である。なお、本試験は引張応力を管軸方向に付与して行った。
【００２０】
【表２】

【００２１】
表２によれば、何れの試験片も拡径率が高まるにつれて引張強度、耐力は上昇し、この上昇率についてはほとんど差が認められない。一方、伸びについては何れも拡径率の高まるにつれて低下していくが、実施例１，２の場合は低下したところで拡径率１０％までは、なお、通常のダクタイル鋳鉄管（回転塑性加工しない管）の基準とされる伸び１０％を維持し、実施例２に至っては拡径率１５％でもクリアできるなど、比較例と実施例の間に明白な差が認められる。これは実施例においては、球状黒鉛がＢｉ、Ｃａの添加により微細化しているため、拡径により黒鉛が変形しても母材の伸びを大きく損なうことはないためである。もちろん成形後に熱処理を施しても機械的特性を損なうものではない。
【００２２】
図２は本発明の別の実施形態であり、円筒形素材の壁を回転しながらしごいて軸方向に延ばす回転しごき加工（チューブスピニング加工）を適用した一例である。遠心力鋳造管を寸法切りした円筒素材１を成形型７で保持し、回転させながらローラ８を成形型７の軸方向に前向き、または後向きに移動させる構成からなり、所望の形状に加工できるようローラを自在に昇降することで、例えばロール自体が単一形状であっても凹溝１０、突条９など部分的な凹凸を自由な位置に成型できる利点がある。また、一点局所加工であるため工具寿命が長く、加工率も大きく取れるという一般的な利点もある。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明に係るダクタイル鋳鉄部材は、形状の基本が円筒形に限るという制約がある代わり、冷間の塑性加工によって容易に縮径、または拡径される上、突条、凹溝など自由自在に内外面の所望の位置へ設定することができる。しかも加工したままで如何なる熱処理も一切不要であり、少なくとも通常のダクタイル鋳鉄部材に標準的に求められる機械的性質、特に伸びを満足し、使用するに当っての機能の保証を果たす効果がある。これは素材で特定した化学成分による特定の作用と、該性質に最も効果的に利用する特定の塑性加工手段の二要件を併せ具えることによって初めて得られる特定の効果である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に使用したリングローリング加工の原理を示す正面図である。
【図２】本発明の別の実施例であるスピニング加工の原理を示す正面図である。
【図３】耐震管継手を例示した正面断面図である。
【符号の説明】
１ 円筒素材
２ 成形ローラ
３ マンドレル
４ 加圧ローラ
５ 支持ローラ
６ クランクアーム
７ 成形型
８ ローラ
９ 突条
10 凹溝

Claims (4)

1. 円筒素材をその筒軸周りに回転させながらその円筒素材の周壁を径方向に加圧することにより冷間で塑性加工を加えて所望の形状に成形したダクタイル鋳鉄部材において、
   遠心力鋳造法で製造したＣ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．０００５〜０．０５％、残りＦｅの成分よりなるダクタイル鋳鉄管にフェライト化焼鈍を施して前記円筒素材とし、前記成形後、熱処理を施さない状態で伸び１０％を維持することを特徴とするダクタイル鋳鉄部材。
2. 円筒素材をその筒軸周りに回転させながらその円筒素材の周壁を径方向に加圧することにより冷間で塑性加工を加えて所望の形状に成形したダクタイル鋳鉄部材において、
   遠心力鋳造法で製造したＣ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．０００５〜０．０５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０５％、残りＦｅの成分よりなるダクタイル鋳鉄管にフェライト化焼鈍を施して前記円筒素材とし、前記成形後、熱処理を施さない状態で伸び１０％を維持することを特徴とするダクタイル鋳鉄部材。
3. 円筒素材をその筒軸周りに回転させながらその円筒素材の内周面を径方向外側に加圧することにより冷間で塑性加工を加えて拡径して所望の形状に成形するダクタイル鋳鉄部材の製造方法において、
   遠心力鋳造法で製造したＣ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．０００５〜０．０５％、または前記成分にさらにＣａ：０．０００１〜０．０５％含み、残りＦｅの成分よりなるダクタイル鋳鉄管にフェライト化焼鈍を施して前記円筒素材とし、前記円筒素材がＣａ：０．０００１〜０．０５％を含まない場合は、拡径率１０％以下の前記塑性加工を加えて所望の形状に成形してその成形後に熱処理を施さない状態で伸び１０％を、Ｃａ：０．０００１〜０．０５％含む場合は、拡径率１５％以下の前記塑性加工を加えて所望の形状に成形してその成形後に熱処理を施さない状態で伸び１０％を維持したダクタイル鋳鉄部材を製造することを特徴とするダクタイル鋳鉄部材の製造方法。
4. 請求項３において、回転塑性加工がスピニング加工、またはリングローリング加工の何れかよりなることを特徴とするダクタイル鋳鉄部材の製造方法。

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