JP4698098B2

JP4698098B2 - 高強度高耐食性ダクタイル鋳鉄

Info

Publication number: JP4698098B2
Application number: JP2001299121A
Authority: JP
Inventors: 睦雄内田; 進一郎田中; 勝小原
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003105484A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中埋設管等の各種配管用材料として好適なダクタイル鋳鉄(球状黒鉛鋳鉄)に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダクタイル鋳鉄は、普通鋳鉄に比べてはるかに高い強度を具えており、自動車用部材、土木建設用部材の他に、ガス管、水道管等の材料としても広く用いられている。
ダクタイル鋳鉄として、例えば、特開平５−１２５４８０には、Ｃ：２.６〜３.３％、Ｓｉ：３.７〜４.５％、Ｍｎ：０.２〜０.７％、Ｍｇ：０.０３〜０.０６％、並びに、Ｃｕ：０.２〜０.５％及び／又はＣｒ：０.０７〜０.１５％を含有し、残部実質的Ｆｅからなるものが開示されている。このダクタイル鋳鉄は、引張強さが６０ｋｇ/ｍｍ²(約６００Ｎ/ｍｍ²)以上の高強度と、伸びが７％以上の高靱性を具えている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ダクタイル鋳鉄を、水道管として使用した場合、その法的耐用年数は４０年である。
ところで、水道管では、管材料費や製造段階における使用エネルギーの削減等のために、管の肉厚の薄肉化が要請されている。これまでのダクタイル鋳鉄は、その高強度性により、強度設計面では薄肉化の要請に十分応え得るものであるが、耐食性の点で十分でなかったため、前述の耐用年数を確保するには、管材料の腐食量を考慮して肉厚を余分に設けねばならず、これが管の薄肉化を妨げる結果となっていた。
苛酷な腐食環境下で用いられる配管の場合、管の腐食を抑制するために、薄肉化した管の内面や外面に合成樹脂等の耐食性材料によるライニングを施すこともできるが、製造コストが却って高くなる。
【０００４】
本発明は、地中埋設管等のように腐食環境下で用いられる各種配管用材料として特に適しており、約６３０Ｎ/ｍｍ²以上の高強度及び約７％以上の伸びを確保しつつ、すぐれた耐食性を具備したダクタイル鋳鉄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】
上記課題を解決するために、本発明の高強度高耐食性ダクタイル鋳鉄は、重量％にて、Ｃ：３.０〜４.０％、Ｓｉ：１.０〜４.０％、Ｍｎ：０.６％以下、Ｍｇ：０.０２〜０.０８％、Ｃｏ：０.０５〜０.５％、Ｎｉ：０.１〜１.５％、並びに、Ｃｕ及びＣｒを合計量で０.２〜０.８％含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物である。Ｃｏの含有量は、０.０５〜０.１９％であることが望ましい。
【０００６】
【作用】
本発明のダクタイル鋳鉄は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ及びＭｇの基本成分に加えて、所定量のＣｏと、Ｃｕ及び／又はＣｒを含有しているので、すぐれた耐食性と、約６３０Ｎ/ｍｍ²以上の高強度を具備する。
なお、本発明のダクタイル鋳鉄は、少なくとも７％以上の伸びが得られるように、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｃｒの含有量が調整されるから、管厚の薄肉化に十分耐え得る強靱性も具備する。
【０００７】
【成分限定理由の説明】
Ｃ：３.０〜４.０％
Ｃは、湯流れ性を確保するために添加される。含有量が３.０％に満たないと湯流れ性が悪くなり、均一な管厚の管を鋳造することが困難になる。一方、含有量が４.０％を超えると、黒鉛の晶出量が過多となり、高い引張強さが得られなくなる。このため、含有量は３.０〜４.０％に規定する。
【０００８】
Ｓｉ：１.０〜４.０％
Ｓｉは、湯流れ性を確保する上で必要であり、黒鉛化を促進し、セメンタイトの発生を抑制する作用を有する。含有量が１.０％に満たないと、これらの作用が不足し、特に、セメンタイト量が増加する不都合がある。しかし、含有量が４.０％を超えると、黒鉛の晶出量が過多となり、高い引張強度が得られなくなるだけでなく、シリコフェライトの析出による伸びの低下が著しくなる。このため、含有量は１.０〜４.０％に規定する。
なお、引張強さ及び伸びを重要視するときは、Ｓｉの含有量は１.０〜３.０％とすることが望ましい。
また、Ｓｉの含有量が増えるにつれて、セメンタイトの生成が次第に困難となる。含有量が、３.０％以上では、セメンタイトの生成は殆んど認められなくなるため、鋳造後、変態点付近の温度域(７２０℃〜７４０℃)を徐冷することにより、セメンタイトを殆んど含まない組織を得ることができる。この場合、鋳造後の焼鈍工程を省略することができるので、工程簡素化による製造コストの低減化を重要視するときは、Ｓｉの含有量を３.０〜４.０％とすることが望ましい。
【０００９】
Ｍｎ：０.６％以下
Ｍｎは、組織中のパーライトを安定化させるために添加される。しかし、０.６％を超えると、鋳造組織中のフェライト面積率が減少し、良好な靱性が得られ難くなる。このため、含有量は０.６％以下とする。
【００１０】
Ｍｇ：０.０２〜０.０８％
Ｍｇは、黒鉛の球状化のために添加される。鋳鉄中に残留する量は、通常、０.０２〜０.０８％である。
【００１１】
Ｃｏ：０.０５〜０.５％
Ｃｏは、本発明のダクタイル鋳鉄を特徴づける元素であり、基地に固溶して、耐食性を顕著に向上させる作用を有する。Ｃｏの含有により、基地が強化されるので、パーライト或いはセメンタイト生成による伸びの低下は可及的に抑制される。これらの効果を期待するには少なくとも０.０５％以上含有させる必要がある。
ところで、Ｃｏは、含有量が増すと鋳造時の湯流れ性を悪くする弊害がある一方、０.５％を超えて含有しても効果は飽和してしまい、増量に対応する効果を期待できない。このため、含有量の上限は、０.５％とする。
なお、Ｃｏの含有量が約０.２％より少ないと、湯流れ性悪化の影響は殆んど認められないため、０.０５〜０.１９％の範囲で含有させることが望ましい。０.１〜０.１９％がより望ましい。
【００１２】
Ｃｕ及び／又はＣｒ：合計量で０.２〜０.８％
Ｃｕ、Ｃｒは、引張強さと耐食性の向上に寄与するが、含有量が０.２％に満たないとこれらの作用が不足する。一方、０.８％を超えて含まれると、パーライト量或いはセメンタイト量が多くなって伸びの低下が著しくなる。このため、Ｃｕ及び／又はＣｒの含有量は、合計量で０.２〜０.８％に規定する。即ち、Ｃｕ又はＣｒのどちらか一方を単独で含むとき、その含有量は０.２〜０.８％であり、ＣｕとＣｒの両方を含有するとき、その含有量は合計で０.２〜０.８％である。
【００１３】
Ｎｉ：０.２〜１.５％
Ｎｉは、Ｃｏと同様、耐食性を向上させると共に、パーライト或いはセメンタイト生成による伸びの低下を抑制させる作用を有する。この効果を発揮させるために、０.２〜１.５％の範囲で含有させることが好ましい。
【００１４】
本発明のダクタイル鋳鉄は、上記成分を含有し、残部は実質的にＦｅである。実質的にＦｅとは、Ｆｅ及び不可避的に混入する不純物であることを意味する。例えば、Ｐ、Ｓは、使用する原料により不可避的に混入するが、材質を脆くするので、含有量は少ない程好ましく、Ｐ：０.１％以下、Ｓ：０.０２％以下の含有であれば特に支障はない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明のダクタイル鋳鉄を用いて直管状の水道管やガス管を作製する場合、遠心力鋳造法により、また、異形管又は各種形状の配管部材を作製する場合は、静置鋳造によることが好ましい。
鋳造後は、必要に応じて、無チル化した組織を得るために、焼鈍が行なわれる。
【００１６】
【実施例】
各種合金成分の溶湯を遠心力鋳造装置内で回転する円筒状金型に鋳込んで、供試用の鋳造管を作製し、得られた鋳造管を焼鈍(９５０℃で１５分間保持した後徐冷)した後、所定の試験片を切り出し、引張強さと伸びを測定すると共に、腐食試験を行なった。
【００１７】
合金成分及び試験結果を表１に示す。表１中、No.１〜No.２０は参考例、No.２１〜No.２３は発明例、No.１０１〜No.１１０は比較例である。比較例中、No.１０１〜No.１０６はＣｏを含まない従来例である。また、No.１０７及びNo.１０８はＣｏの含有量が本発明の規定より少ない比較例、No.１０９及びNo.１１０はＣｏを本発明の規定範囲内で含有するが、Ｃｕ、Ｃｒを本発明の規定より多く含む比較例である。
【００１８】
引張強さと伸びの試験は、ＪＩＳに規定された金属材料引張試験方法(Ｚ２２４１に準拠)により行なった。
腐食試験は、ＪＩＳに規定された塩水噴霧試験方法(Ｚ２３７１に準拠)により行ない、試験前後の試験片の重量変化を測定し、重量減少率を求めた。重量減少率が小さいほど、腐食量が少なく、耐食性にすぐれることを示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
表１を参照すると、発明例のNo.１〜No.２０は参考例、No.２１〜No.２３は、引張強さが６３４Ｎ/ｍｍ2以上、伸びが７.２％以上、重量減少率が０.４２％以下である。比較例のNo.１０１〜No.１０６はＣｏを含んでいないため、重量減少量が多く、No.１０６を除くと、０.６０％以上である。なお、No.１０６はＮｉを含んでいるため、重量減少率は若干少ないがそれでも０.５８％ある。また、No.１０７及びNo.１０８はＣｏを含むが、その含有量が本発明の規定より少ないため、重量減少率は両方とも０.５９％である。このように、Ｃｏを含まないか、又は含んでいても本発明の範囲内よりも少ない場合、重量減少量が多くなり、発明例よりも耐食性に劣る結果となっている。比較例のNo.１０９及びNo.１１０は、Ｃｏを本発明の規定範囲内で含んでいるが、Ｃｕ、Ｃｒの含有量が本発明の規定範囲よりも多い。このため、引張強さと重量減少率ではすぐれているが、伸びが低く、管厚を薄肉にした場合、強靱性が不足する結果となる。なお、Ｃｕ、Ｃｒについては、強度を重要視するときは本発明の規定範囲内で多めに含有するようにし、伸びを重要視するときは少なめに含有すればよい。
【００２１】
【発明の効果】
本発明のダクタイル鋳鉄は、引張強さが約６３０Ｎ/ｍｍ²以上の高強度と、伸びが約７％以上の高靱性を有すると共に、すぐれた耐食性を有している。
それゆえ、本発明のダクタイル鋳鉄は、地中の厳しい腐食環境下で使用される水道管、ガス管等の配管用材料として、また、これら配管に付属して用いられる押輪、ボルト、ナット等の各種配管付属部品用材料として、好適である。
【００２２】
従来のダクタイル鋳鉄管は、素材の強度及び伸びから配管材料として必要とされる強度に見合う管厚を算出し、それに腐食による肉厚減少量を考慮して最終的な管厚を規定している。本発明のダクタイル鋳鉄管は、所定の強度及び伸びを具えると共に、従来のダクタイル鋳鉄管に比べて約１.５〜２倍の耐食性を有しており、腐食による肉厚減少量は少なくてすむので、薄肉化設計が可能である。
例えば、口径約１５０ｍｍ、長さ約５０００ｍｍの水道管の場合、従来のダクタイル鋳鉄管では厚さが約６ｍｍであるのに対し、本発明のダクタイル鋳鉄管では、約４.５ｍｍまで薄肉化することができた。
このように、本発明のダクタイル鋳鉄から作られた配管では、従来のものと比べて、使用材料の低減の他、製造段階での使用エネルギーを削減することができ、省エネルギーを達成できる。
【００２３】
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

Claims

重量％にて、Ｃ：３.０〜４.０％、Ｓｉ：１.０〜４.０％、Ｍｎ：０.６％以下、Ｍｇ：０.０２〜０.０８％、Ｃｏ：０.０５〜０.５％、Ｎｉ：０.１〜１.５％、並びに、Ｃｕ及びＣｒを合計量で０.２〜０.８％含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物である高強度高耐食性ダクタイル鋳鉄。
Ｃｏは、０.０５〜０.１９％である請求項１に記載の高強度高耐食性ダクタイル鋳鉄。