JP4846143B2

JP4846143B2 - 溶接可能な鋳鉄材およびその製造方法

Info

Publication number: JP4846143B2
Application number: JP2001270916A
Authority: JP
Inventors: 宏明上野; 雅之土屋; 周二田中; 英樹長崎
Original assignee: NAKAI INDUSTRIAL CO., LTD.; Honda Motor Co Ltd
Current assignee: NAKAI INDUSTRIAL CO., LTD.; Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2021-09-06
Also published as: JP2003073731A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接可能な鋳鉄材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＣやＦＣＤ等の鋳鉄材からなる鋳造成形品は、複雑な形状の複数の部品を一体化できることから、コストダウンや軽量化がなされる等のメリットが大きい。しかしながら、環境問題が重視される昨今、自動車で言えば燃費向上のために一層の軽量化が求められてきている。したがって、軽量化のために漸減傾向にある自動車用鋳鉄部品にあっても、これまで以上に部品の一体化や形状の自由度の高さが求められており、それを達成する上で、溶接による同材部品どうしの一体化や異材どうしの溶接による接合性等が必要となってきている。ところが、鋳鉄材の溶接に関しては鋳鉄の炭素含有量が３〜４％と高いことから、通常の手法では溶接部に割れが発生しやすく、溶接が困難である。溶接割れを防止するには特殊な溶接棒を用いて母材の予熱や後熱処理等を要し、結果として本来低コストであるべき鋳鉄部品のコストが逆に上昇してしまうことから、用途が限定されてきた。
【０００３】
そこで、溶接可能な鋳鉄材あるいは溶接性が付加された鋳鉄材が求められており、前者としては従来の白心可鍛鋳鉄が挙げられ、後者としてはＦＣ、ＦＣＤ、Ｃ／Ｖ鋳鉄等の鋳鉄材を脱炭熱処理したものが挙げられる。これら材料の共通点は、熱処理として脱炭熱処理を施すことで、材料内部あるいは表面近傍に含まれるＣｗｔ％を鋼並みに減らし、溶接を可能としている点にある。ここで言う脱炭熱処理とは、白心可鍛鋳鉄を例にとって示すと、砂型鋳造した白銑鋳物を酸化鉄粉とともに熱処理用ポット内に充填し、９５０〜１１００℃で６０〜８０時間かけて加熱する方法が採られ、すなわち高温かつ長時間を要するものであった。
【０００４】
従来の白心可鍛鋳鉄は、黒鉛を含まないフェライト相を鋳物の表面から内部へ生成させることにより強靱で鋳肌性状の良好な鋳物を得ることができ、溶接やろう付けが可能でメッキやその他の表面処理に適する等の優れた材料特性を有している。しかしながら、鋳造性に関しては白銑鋳物を得るためにＳｉ添加量が一般鋳鉄に比べて低いため、湯流れ性に劣ること、また、凝固収縮量も大きいことなどから、大きな押し湯や複雑な鋳造方案が必要となり、鋳込みに関する歩留まりが低い。また、熱処理に高温かつ長時間を要することから生産性の低さとコスト高を招いており、しかも、需要の増減や製品の改良に伴う設計変更等に対応した機敏な対応ができないという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、これら諸問題を解決すべく、白銑鋳物に代わりＦＣＤやＣ／Ｖ鋳鉄を脱炭熱処理した鋳鉄材が、例えば特開平８−２４６０９３号公報、特開平１０−１７６２３６号公報等で提案されている。これらの鋳鉄材は、晶出黒鉛の作用で凝固収縮量が小さいため大きな押し湯や複雑な鋳造法が不要で、歩留まりの悪化を防ぐことができるといった利点がある。また、湯流れ性が良好なため、複雑な形状を呈する部品の鋳造も容易である。熱処理時間に関しては、これら鋳鉄材は脆いチル組織を含まず白心可鍛鋳鉄のように内部までチルの分解を行わなくても十分な靱性を有するため、必要な脱炭層の厚さのみを考慮した最小限の時間をかけるだけでよい。よって、例えばろう付けのため表層のみを薄く（０．７ｍｍ程度）熱処理を行う場合には、その時間が４時間程度で十分とされている。
【０００６】
しかしながら、ＦＣＤやＣ／Ｖ鋳鉄といった鋳鉄材を脱炭熱処理した場合には、カーボンを晶出黒鉛の形態で含み、脱炭過程ではこの晶出した黒鉛が基地鋳鉄中に再固溶した後に拡散することになる。このため、その脱炭過程には多くの時間を要し、白銑鋳物内のセメンタイトが分解して拡散するのに比べて脱炭効率に劣る。ろう付け等のための最表面のみを脱炭する場合であれば、脱炭効率にそれほどの差異は生じないが、例えば材料がＦＣＤで深さ２ｍｍの脱炭層を形成するには、例えば１０７０℃で７２時間かけるといった高温かつ長時間の熱処理を要する。
【０００７】
ここで、一般に砂型鋳鉄は寸法精度が低いため、機械加工を施す場合には、鍛造品やダイキャスト品と比べて加工代を大きく設定する必要があり、これは、溶接を前提とした脱炭熱処理層の深さにも同様のことが言える。すなわち、溶接面等の機械加工を必要とする箇所には、精度の低さから所定の深さよりも深い脱炭層を形成しておかねばならず、そのためにはより長時間の熱処理が必要となる。また、黒鉛が基地鋳鉄中に再固溶した後に拡散するので、脱炭後に晶出黒鉛（カーボン）の抜け跡が空孔として残り、ヤング率や疲労強度が低下してしまう。さらに、表面に空孔が生じるとろう付け性が悪くなったり、メッキの酸洗時にその空孔内に酸が残留してメッキ性が悪化するといった問題も生じる。
【０００８】
さて、脱炭熱処理に要する時間を短縮させる方策としては、特開２０００−４５０１９号に、流動層熱処理炉を用いた脱炭熱処理方法が提案されている。これによると、例えば深さ２ｍｍの脱炭層を得るのに要する熱処理時間が、８０時間から３０時間に短縮できるとされている。しかしながら、この方法では、流動層熱処理炉といった特殊な設備を要することから新たな設備投資が必要となる上、カーボンポテンシャルの調整等に必要な数種の流動化ガスの管理が煩雑である等から、結果的には低コストで簡便な方法とは言い難い。また、得られた鋳鉄材は、ＦＣＤやＣ／Ｖ鋳鉄を従来の白心可鍛鋳鉄の製造方法を適用して熱処理した場合と同様に、ＦＣＤを元に熱処理するので、黒鉛として晶出していたカーボンの抜け跡が空孔として残り、このため、ヤング率、圧縮強度および疲労強度の低下、あるいはろう付けやメッキへの悪影響等の問題を避けることができない。さらに、砂型鋳造による加工代（脱炭処理深さ）を大きく設定しなければならないので、脱炭時間が長くなる問題も解決されない。
【０００９】
よって本発明は、高い形状自由度および良好な鋳造性を有し、かつ、熱処理時間の短縮が図られた上で脱炭熱処理後に内部空孔が発生しない溶接可能な鋳鉄材およびその製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の溶接可能な鋳鉄材は、半溶融温度域に加熱したＦｅ系合金材料を金型内で加圧鋳造して得られた成形品が、さらに脱炭熱処理されたものであり、前記Ｆｅ系合金材料の成分組成が１．８ｗｔ％≦Ｃ≦３．０ｗｔ％、０．４ｗｔ％≦Ｓｉ≦４．５ｗｔ％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、炭素当量（ＣＥ値＝Ｃ（ｗｔ％）＋１／３Ｓｉ（ｗｔ％））が２．８≦（Ｃ（ｗｔ％）＋１／３Ｓｉ（ｗｔ％））≦３．３であることを特徴としている。また、本発明の溶接可能な鋳鉄材の製造方法は、Ｆｅ系合金材料を半溶融温度域に加熱し、該材料を金型内で加圧鋳造して成形品を得、次いで、その成形品を脱炭熱処理し、前記Ｆｅ系合金材料の成分組成が１．８ｗｔ％≦Ｃ≦３．０ｗｔ％、０．４ｗｔ％≦Ｓｉ≦４．５ｗｔ％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、炭素当量（ＣＥ値＝Ｃ（ｗｔ％）＋１／３Ｓｉ（ｗｔ％））が２．８≦（Ｃ（ｗｔ％）＋１／３Ｓｉ（ｗｔ％））≦３．３であることを特徴としている。
【００１１】
本発明では、Ｆｅ系合金材料を鋳造成形するにあたり、半溶融温度域に加熱した材料を金型内で加圧鋳造するいわゆるチクソキャスティングを適用し、得られた成形品を脱炭熱処理する。チクソキャスティングは凝固引けの少ない優れた成形性を有するので、薄肉、かつ複雑な形状を呈する部品の成形が可能であり、したがって、大きな押し湯や複雑な鋳造法が不要となり、歩留まりの向上が図られる。
【００１２】
また、脱炭熱処理に関しては、金型鋳造による急冷効果から、脱炭熱処理過程において晶出Ｆｅ_３Ｃ（セメンタイト）の分解が促進される。さらに、Ｃの拡散速度が速いので結晶粒が微細化され、これにより粒界の存在密度が上がるとともに粒界を通って拡散するＣの量が増加し、その結果、単位時間当たりのＣの拡散量が増大して脱炭時間の短縮が図られる。また、チクソキャスティングは、例えばアルミダイキャスト等と同等の優れた寸法精度を有するので、加工代が小さくて済み、その結果、最小限の時間で脱炭熱処理を行うことができる。
【００１３】
また、チクソキャスティングは、Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ系半溶融領域の成分系を利用した加圧成形であることから、湯流れ性については砂型鋳造ほど問題にはならず、よって、材料として、半溶融領域を有するものであれば鋼に近い亜共晶成分から鋳鉄系の共晶に近い成分までの広い成分範囲を選択することができる。例えばその中には、Ｓｉ量の比較的低い従来の白心可鍛鋳鉄や、鋳造性が良好で一般に広く用いられているＦＣ、ＦＣＤ等の鋳鉄材が含まれることは言うまでもない。
【００１４】
本発明では、ＣＥ値を比較的広い範囲で自由に選択できることからも、脱炭熱処理の時間短縮が図られる。例えば、従来の白心可鍛鋳鉄並みにＳｉ量を減らしてもＣ量をさほど増やす必要がなく、Ｃの絶対量が少ないことから脱炭熱処理時間を短縮することができる。また、逆にＳｉ量を多くしても成形時の冷却速度が速いことから白銑化が容易で成形時の黒鉛晶出の懸念が少ないため、脱炭を促進させるＳｉを多く添加することができ、同時にＣ量も低減されるので、さらに脱炭熱処理時間の短縮が図られる。
【００１５】
ただし、成形時に必要な共晶量を確保した上で内部の空孔の発生を防止するためには、２．８≦ＣＥ値とすることが望ましい。また、凝固収縮による割れや微細なクラック等の表面欠陥の発生を防止する観点から、ＣＥ値≦３．３が望ましい。したがって、２．８≦ＣＥ値≦３．３であることが望ましい。
【００１６】
Ｓｉ量に関しては、下限値は通常の原料配合でコストアップ等が懸念されない０．４ｗｔ％が望ましく、上限値としては、５．０ｗｔ％を超えるとシリコフェライトが多く生成されて靱性が著しく低下するため、４．５ｗｔ％が望ましい。したがって、０．４ｗｔ％≦Ｓｉ≦４．５ｗｔ％であることが望ましい。
【００１７】
Ｃ量に関しては、Ｃが増えると脱炭時間が長くなるため、添加量はなるべく少なくすることが望ましいが、１．８ｗｔ％を下回ると鋳造温度が高くなってしまい、金型の熱負荷や加熱エネルギーの増大等、本来のチクソキャスティングが備えるメリットが損なわれてしまう。一方、３．０ｗｔ％を超えるとＣ量が多くなって脱炭熱処理時間の短縮効果が薄れてしまう。よって、Ｃの添加量は１．８ｗｔ％≦Ｃ≦３．０ｗｔ％が望ましい。
【００１８】
【実施例】
以下、具体的な実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
Ａ．脱炭熱処理性および溶接性
［実施例１〜８、比較例９〜１３］
表１に示すＣ量およびＳｉ量を有するＦｅ系合金の半溶融成分ビレットを、１２００〜１２４０℃の半溶融温度域までそれぞれ加熱し、これらを金型内で加圧成形して、幅９０ｍｍ、高さ５５ｍｍ、厚さ５ｍｍの長方形板状の試験片を作製した。次に、各試験片を量産白心可鍛鋳鉄と同様の脱炭熱処理法により、酸化鉄粉およびスケールが充填されたポットに装入し、１０５０℃で２５時間かけて加熱した後、炉冷する脱炭熱処理を行った。次に、熱処理後の試験片を端縁から２０ｍｍ離れた箇所で切断し、さらにこの断面から試験片を切り出して脱炭熱処理後のＣ量を燃焼法により求めた。その結果を、表１に併記する。また、断面を光学顕微鏡で観察し、溶接に影響を及ぼす表面酸化スケールの状態を調べた。
【００１９】
【表１】

【００２０】
［比較例１４］
表１に示すＣ量およびＳｉ量を有する球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ）を砂型鋳造して脱炭熱処理時間を７０時間とした以外は実施例と同様にして試験片を作製し、さらにこの鋳造品の脱炭熱処理後のＣ量を実施例と同様にして求めた。その結果を表１に併記する。
【００２１】
実施例１〜８によると、２５時間の脱炭熱処理でＣ≦０．４ｗｔ％となり、従来よりも脱炭熱処理時間の大幅な短縮が可能であることが確かめられた。また、実施例１〜８の脱炭熱処理後の組織は、いずれも表面から２ｍｍ以上のフェライト層あるいはフェライト主体のフェライト・パーライト混合層を呈し、表面層の状態も良好であった。また、これらは溶接性に関しても良好であり、実施例１〜３では表面酸化膜の生成が見られたが、ショットピーニング等の軽い処理を施すことで溶接性の確保に対処することができた。
【００２２】
比較例９，１０は、材料のＣ量が少なく、かつＳｉ量が多い場合であるが、脱炭熱処理後のＣ量が実施例１〜８より低く、脱炭熱処理性は良好であった。しかしながら、Ｓｉ量が多いことにより表面にスケールあるいは酸化被膜が生成しやすかった。比較例１２，１３は、材料のＣ量が多いため脱炭熱処理後のＣ量が比較的多かった。また、ＣＥ値が３．３を超えることから、凝固収縮による成形時の割れが見られた。
【００２３】
一方、比較例１４は、７０時間の脱炭熱処理後もＣ量にそれほどの低下は見られず、実施例１〜８のチクソキャスティングによる鋳鉄材の脱炭熱処理性の効果が確かめられた。ちなみに、板厚５ｍｍの白心可鍛鋳鉄の場合、脱炭熱処理後のＣ量を０．４ｗｔ％以下とするには、１０５０℃で４０〜５０時間を要することが知られており（丸善：鋳物便覧〈改訂４版〉，６６５頁）、本発明の効果は顕著である。
【００２４】
Ｂ．組織観察
上記実施例７の脱炭熱処理後の鋳鉄材の内部組織を、表面付近と中心部について顕微鏡で観察した。図１（ａ）は表面付近、図１（ｂ）は中心部である。これら図に示すように、内部は白い部分のフェライトと黒い部分のパーライトとの混合組織となっており、黒鉛の残留や黒鉛の抜け跡による空孔は見られず、健全な組織となっている。
【００２５】
上記比較例１４の脱炭熱処理後の鋳鉄材の内部組織を、表面付近と中心部について顕微鏡で観察した。図２（ａ）は表面付近、図２（ｂ）は中心部である。図２（ａ）に示すように、表面付近には黒鉛の抜け跡による空孔が点在している。また、図２（ｂ）に示すように、中心部においては黒鉛が残留しており、脱炭熱処理性が本発明品よりも劣ることが判る。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半溶融温度域に加熱したＦｅ系合金材料を金型内で加圧鋳造してこれを脱炭熱処理するので、高い形状自由度および良好な鋳造性を有し、かつ、熱処理時間の短縮が図られた上で脱炭熱処理後に内部空孔が発生しないといった種々の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の（ａ）表面付近の顕微鏡写真、（ｂ）中心部の顕微鏡写真である。
【図２】本発明に対する比較例１４の（ａ）表面付近の顕微鏡写真、（ｂ）中心部の顕微鏡写真である。

Claims

半溶融温度域に加熱したＦｅ系合金材料を金型内で加圧鋳造して得られた成形品が、さらに脱炭熱処理されたものであり、前記Ｆｅ系合金材料の成分組成が１．８ｗｔ％≦Ｃ≦３．０ｗｔ％、０．４ｗｔ％≦Ｓｉ≦４．５ｗｔ％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、炭素当量（ＣＥ値＝Ｃ（ｗｔ％）＋１／３Ｓｉ（ｗｔ％））が２．８≦（Ｃ（ｗｔ％）＋１／３Ｓｉ（ｗｔ％））≦３．３であることを特徴とする溶接可能な鋳鉄材。
Ｆｅ系合金材料を半溶融温度域に加熱し、該材料を金型内で加圧鋳造して成形品を得、次いで、その成形品を脱炭熱処理し、前記Ｆｅ系合金材料の成分組成が１．８ｗｔ％≦Ｃ≦３．０ｗｔ％、０．４ｗｔ％≦Ｓｉ≦４．５ｗｔ％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、炭素当量（ＣＥ値＝Ｃ（ｗｔ％）＋１／３Ｓｉ（ｗｔ％））が２．８≦（Ｃ（ｗｔ％）＋１／３Ｓｉ（ｗｔ％））≦３．３であることを特徴とする溶接可能な鋳鉄材の製造方法。