JP4318481B2 - 片状黒鉛鋳鉄 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、片状黒鉛鋳鉄に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来よりシリンダブロックやシリンダヘッド等の複雑形状の自動車部品には片状黒鉛鋳鉄(普通鋳鉄)が採用されているが、本発明者は同じ製造方法で生産された片状黒鉛鋳鉄に強度(抗張力)のバラツキが生じることに着目し、その原因が鋳鉄の溶湯中に微量に存在するTi(チタン)にあることを見い出した。
【0003】
即ち、Tiのような不純物を除いて商品化された鋳鉄部品のスクラップのみをリターン材として再利用する場合は、鋳造される鋳鉄部品に強度的なバラツキが少なくて済むが、高炉でつくった不純物を含む鋳物用の銑鉄を多く使うと、溶湯中のTiの含有率が変動して強度的なバラツキが生じてしまうことが判明した。
【0004】
そして、本発明者による更なる研究によれば、鋳鉄の溶湯中に含まれるTiの含有率が高くなると、金属組織の共晶セル(鋳鉄が凝固する際にできる金属結晶で黒鉛とオーステナイト[723℃以下でパーライトに変態]の共晶[混合組織]組成を成すもの)が粗大化して強度(抗張力)の低下を招いていることがつきとめられた。
【0005】
尚、この種の鋳鉄の強度に関連する先行技術文献情報としては、次にあげる特許文献1〜3等がある。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−317238号公報
【特許文献2】
特開2002−317219号公報
【特許文献3】
特開2000−26932号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、今後の自動車業界においては、車両の外板にTiを含む抗張力鋼板を採用する気運が高まってきており、将来的にTiを含む抗張力鋼板のスクラップをリターン材として再利用した場合に、溶湯中のTiの含有率が増えて鋳鉄部品の強度を高く維持することが困難になる虞れがある。
【0008】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、Tiが比較的多く含まれていても共晶セルの粗大化を抑制して高い強度を保ち得るようにした片状黒鉛鋳鉄を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、C:3.1〜3.5重量%、Si:1.8〜2.4重量%、Mn:0.3〜0.8重量%、Ti:0.02〜0.04重量%を含み、残部がFeから成る片状黒鉛鋳鉄であって、S:0.03〜0.09重量%と希土類元素:0.03〜0.20重量%を複合添加したことを特徴とするものである。
【0010】
ここで、Cは湯流れを良化して鋳造性を高めるための元素として含有されており、良好な鋳造性を確保するために少なくとも3.1重量%以上の添加が必要であるが、3.5重量%を越えて添加すると、ドロス等の異常組織の発生を招いてしまうことになるので、鋳鉄中に占めるCの含有率を3.1〜3.5重量%の範囲に規定している。
【0011】
また、Siも鋳造性を高める元素として含有されているが、1.8重量%を下まわると耐力低下を引き起こしてしまい、また、2.4重量%を越えて添加してしまうと、基地組織にフェライトが多くなってしまうので、鋳鉄中に占めるSiの含有率を1.8〜2.4重量%の範囲に規定している。
【0012】
更に、Mnは原料の銑鉄やリターン材から入ってくる成分であって、MnSを形成して黒鉛析出を促進するものであるが、0.3重量%を下まわると鋳物の薄肉部でチル化を引き起こしてしまい(Mnが少ないと相対的にSが増えてSの効果によりチル化が起こる)、また、0.8量%を越えて添加してしまうと、パーライト組織の疎密化が進んで基地組織の不均一が顕著に現れ始めるので、鋳鉄中に占めるMnの含有率を0.3〜0.8重量%の範囲に規定している。
【0013】
尚、Tiも原料の銑鉄やリターン材から入ってくる成分であって、共晶セルを粗大化させて鋳鉄の強度低下を招く成分であることを既に独自の調査でつきとめているが、このような望ましくない不純物であるTiが0.02〜0.04重量%という比較的多い含有率で含まれている場合を対象として本発明の他の成分の含有率を規定しているのである。
【0014】
そして、Sは希土類元素と化合して硫化物を形成するものであり、この硫化物が共晶セルを生成するための核となる。即ち、共晶セルを微細化するには、硫化物から成る核を多量に発生させる必要があり、このように核が多量に発生することで共晶セルが多数生成されると、該共晶セルが成長していくに従い互いに干渉して成長が妨げられることになり、この結果、あまり大きく成長しない共晶セルが増えて該共晶セルの微細化が図られることになる。
【0015】
ただし、Sの添加量が0.03重量%を下まわると、共晶セルの生成核が不足して良好な微細化が起こらなくなり、また、0.09重量%を越えて添加してしまうと、共晶セルの生成核に必要な希土類元素が相対的に足りなくなって、余剰分のSによる作用が発現して鋳物の薄肉部でのチル化が促進されてしまうので、鋳鉄中に占めるSの含有率を0.03〜0.09重量%の範囲に規定している。
【0016】
更に、前述した通り、希土類元素はSと協働して共晶セルを微細化させる元素として添加されているが、0.03重量%を下まわると、共晶セルの生成核が不足して良好な微細化が起こらなくなり、また、0.20重量%を越えて添加してしまうと、核生成が飽和してそれ以上の共晶セルの微細化が達成できなくなる上、余剰分の希土類元素による作用で微細な引け巣(鋳型に注入した溶湯が凝固する際に先に凝固収縮した部分に引っ張られて陥入した空孔)が発生して強度(抗張力)の低下を招いてしまうので、鋳鉄中に占める希土類元素の含有率を0.03〜0.20重量%の範囲に規定している。
【0017】
そして、これらS及び希土類元素の適切な含有率での複合添加により効果的に硫化物が形成されて共晶セルの生成核が増やされ、これにより共晶セルの成長が抑えられてその微細化が促進される結果、Tiが比較的多く含まれていても共晶セルの粗大化が抑制されて高い強度(抗張力)が保持されることになる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【0019】
本発明は、C(炭素):3.1〜3.5重量%、Si(珪素):1.8〜2.4重量%、Mn(マンガン):0.3〜0.8重量%、Ti(チタン):0.02〜0.04重量%を含み、残部がFe(鉄)から成る片状黒鉛鋳鉄であって、S(硫黄):0.03〜0.09重量%と希土類元素(殆どがセリウムのミッシュメタル):0.03〜0.20重量%を複合添加した片状黒鉛鋳鉄に関するものである。
【0020】
即ち、本発明者は、原料の銑鉄やリターン材から入ってくる不純物のTiが、共晶セルを粗大化させて鋳鉄の強度低下を招く成分であることを既に独自の調査でつきとめており、このような望ましくない不純物であるTiが0.02〜0.04重量%という比較的多い含有率で含まれている場合を対象として高い強度(抗張力)を保ち得る各成分の含有率を上記の通りに見い出したわけである。
【0021】
例えば、図1のグラフは溶湯中のTiの含有率と共晶セルの大きさ及び抗張力の関係について検証したものであり、図1中における黒丸で示す共晶セルの大きさは、該共晶セルが三次元構造をとっていることから、同じ共晶セルであっても切断方向ごとに異なる大きさで検出されることになるので、様々な切断方向の大きさの最大値から最小値までの幅を持たせた表記としてある。
【0022】
ここで、図1のグラフにおいては、Tiの含有率を変えた三つのサンプルについて検証しているが、この図1のグラフから明らかな通り、Tiの含有率が高くなるほど共晶セルの大きさが粗大化し、しかも、共晶セルが粗大化するに従い抗張力(図1中の黒三角を参照)が低下することが確認された。
【0023】
そして、Tiが0.02〜0.04重量%という比較的多い含有率で含まれている場合に、本発明者がTiによる共晶セルの粗大化作用に打ち勝つ手段として創案したことは、S:0.03〜0.09重量%と希土類元素:0.03〜0.20重量%を複合添加することである。
【0024】
このようにS:0.03〜0.09重量%と希土類元素:0.03〜0.20重量%を複合添加した場合、Sが希土類元素と化合して硫化物を形成し、この硫化物が共晶セルを生成するための核となる。
【0025】
即ち、共晶セルを微細化するには、硫化物から成る核を多量に発生させる必要があり、このように核が多量に発生することで共晶セルが多数生成されると、該共晶セルが成長していくに従い互いに干渉して成長が妨げられ、あまり大きく成長しない共晶セルが増えて該共晶セルの微細化が図られることになる。
【0026】
尚、本発明者による検証試験によれば、このようなS及び希土類元素の複合添加による共晶セルの微細化作用を得るにあたり、Sの添加量が0.03重量%を下まわると、共晶セルの生成核が不足して良好な微細化が起こらなくなることが判った。
【0027】
また、Sを0.09重量%を越えて添加してしまうと、共晶セルの生成核に必要な希土類元素が相対的に足りなくなって、余剰分のSによる作用が発現して鋳物の薄肉部でのチル化が促進されてしまうことも判った。
【0028】
一方、希土類元素については、0.03重量%を下まわると、共晶セルの生成核が不足して良好な微細化が起こらなくなり、また、0.20重量%を越えて添加してしまうと、核生成が飽和してそれ以上の共晶セルの微細化が達成できなくなる上、余剰分の希土類元素による作用で微細な引け巣(鋳型に注入した溶湯が凝固する際に先に凝固収縮した部分に引っ張られて陥入した空孔)が発生して強度(抗張力)の低下を招いてしまうことが判った。
【0029】
更に、図2のグラフは、希土類元素をこれに見合うSと共に複合添加した片状黒鉛鋳鉄の実施例x(本発明で規定した組成から成る片状黒鉛鋳鉄)と、希土類元素及びSを無添加とした片状黒鉛鋳鉄の比較例yとを共晶セルの大きさについて評価したものであり、このグラフにおいては、共晶セルの大きさを縦軸にとり、溶湯中のTiの含有率を横軸にとっている。
【0030】
この図2のグラフから明らかな通り、比較例yの場合には、Tiの含有率が高くなるほど共晶セルの大きさが明らかに粗大化しているのに対し、本発明に係る実施例xでは、Tiの含有率が高くなっても、共晶セルの大きさに顕著な増加が見られないことが確認された。
【0031】
更に、図3のグラフは、希土類元素を0.03重量%の含有率でこれに見合うSと共に複合添加した片状黒鉛鋳鉄の実施例Aと、希土類元素を0.20重量%の含有率でこれに見合うSと共に複合添加した片状黒鉛鋳鉄の実施例Bと、希土類元素及びSを無添加とした片状黒鉛鋳鉄の比較例Cとを抗張力に関して評価したものであり、このグラフにおいては、抗張力を縦軸にとり、溶湯中のTiの含有率を横軸にとっている。
【0032】
そして、この図3のグラフから明らかな通り、比較例Cの場合には、Tiの含有率が高くなるにつれて抗張力が著しく低下しているのに対し、本発明に係る実施例A,Bでは、Tiの含有率が高くなっても、抗張力が高く保たれていることが確認され、しかも、希土類元素を0.03重量%の含有率で添加した片状黒鉛鋳鉄の実施例Aよりも、希土類元素を0.20重量%の含有率で添加した片状黒鉛鋳鉄の実施例Bの方がより高い抗張力が維持されることが確認された。
【0033】
而して、このような片状黒鉛鋳鉄を採用すれば、S及び希土類元素の適切な含有率での複合添加により効果的に硫化物が形成されて共晶セルの生成核が増やされ、これにより共晶セルの成長が抑えられてその微細化が促進される結果、Tiが比較的多く含まれていても共晶セルの粗大化が抑制されて高い強度(抗張力)が保持されることになる。
【0034】
尚、本発明の片状黒鉛鋳鉄は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【0035】
【発明の効果】
以上に説明したことから明らかなように、上記した本発明の片状黒鉛鋳鉄によれば、Tiが比較的多く含まれていても共晶セルの粗大化を抑制して高い強度(抗張力)を保つことができるので、将来的にTiを含む抗張力鋼板のスクラップをリターン材として再利用することで溶湯中のTiの含有率が従来より高くなるような事態が生じたとしても、これに支障なく対処して高強度の鋳鉄部品を製造できるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】溶湯中のTiの含有率と共晶セルの大きさ及び抗張力の関係を示すグラフである。
【図2】本発明に係る実施例xと比較例yを共晶セルの大きさについて評価したグラフである。
【図3】本発明に係る実施例A,Bと比較例Cを抗張力について評価したグラフである。
Claims (1)
- C:3.1〜3.5重量%、Si:1.8〜2.4重量%、Mn:0.3〜0.8重量%、Ti:0.02〜0.04重量%を含み、残部がFeから成る片状黒鉛鋳鉄であって、S:0.03〜0.09重量%と希土類元素:0.03〜0.20重量%を複合添加したことを特徴とする片状黒鉛鋳鉄。
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