JP5368994B2 - オーステンパダクタイル鉄,該鉄の製造方法,及び該鉄を含む構成要素 - Google Patents

オーステンパダクタイル鉄,該鉄の製造方法,及び該鉄を含む構成要素 Download PDF

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Description

本発明は,高い強度と延性を必要とする構成要素(少なくとも900MPaの最大引張強度及び/又は少なくとも600MPaの降伏強度及び/又は少なくとも6%の破断伸度を有する構成要素等)用の主にオースフェライト系マトリクスを有するオーステンパダクタイル鉄(ADI)に関する。本発明はまた,そのようなオーステンパダクタイル鉄を製造する方法にも関する。
ダクタイル鉄(ノジュラー鋳鉄とも呼ばれる)は,黒鉛球/ノジュールの形の炭素を含む鋳鉄である。それらの形状により,黒鉛のそのような小さな球/ノジュールは,ねずみ鋳鉄中の微細分散片状黒鉛よりも応力を低下させる点で優れており,それにより,他のタイプの鉄よりも大きい引張強度を達成できる。
オーステンパダクタイル鉄(ADI)(このADIは,普通鋼よりもケイ素含有量が高いために適切な熱処理によってベイナイトを殆ど或いは全く含んでいない場合でも,「ベイナイトダクタイル鉄」と呼ばれることがある)は,「オーステンパリング」と称される熱処理の結果として改善された強度及び延性特性を有する特別な種類のダクタイル鉄合金を表わす。
典型的なオーステンパ熱処理サイクルでは,鋳物は最初に加熱され,次に鋳物が完全にオーステナイト系(austenitic)になり,かつ,マトリクスが炭素で飽和するまでオーステナイト化温度に維持される。鋳物は,完全にオーステナイト化された後,焼入れ中のパーライト(又は固溶強化フェライト(solution strengthen ferrite))の形成を防ぐために十分に高い焼入れ速度で塩浴内で焼入れされる。次に,鋳物は,「オーステンパ」温度と呼ばれる温度で維持される。ADI鋳物の最終的な微細構造と特性は,通常,主にオーステンパ温度と保持時間によって決定されると考えられる。前記等温オーステンパリングの後,鋳物は室温まで冷却される。
オーステナイト化する間のオーステナイト中への炭素の固溶を促進するには,通常,高炭素(セメンタイトFe3C)領域から低炭素(フェライト)領域への拡散距離を短くするために,ADI生成の前駆体として実質的に完全にパーライトの鋳放し微細構造が使用される。フェライトダクタイル鉄では,炭素が,黒鉛ノジュールから,形成されるオーステナイトマトリクス内に更に数桁多く拡散しなければならず,非常に長いオーステナイト化時間及び/又はより高いオーステナイト化温度が必要になる。
ADI鋳物は,従来のダクタイル鉄と比較して,同じ延性レベルで少なくとも2倍の強度を有するか,同じ強度レベルで少なくとも2倍の延性を示す。ADIの鋳造及び熱処理コストは同じ強度の鋳鋼に比べかなり低く,同時に機械加工性は特に熱処理前に行われる場合に改善される。従って,高強度ADI鋳造合金は,特に鋼で作製された構成要素がADIで作製された構成要素よりも重く,かつ,製造と仕上げに費用がかかるので,溶接構造体や鋳鋼に対する費用効率の高い代替物として次第に多く利用されるようになってきている。
ADIの優れた機械的性質は,高い炭素含有量により熱力学的に安定化されたオーステナイトのマトリクス中の針状フェライトの極めて細い針のオースフェライト微細構造から生じる。オーステンパダクタイル鉄のケイ素含有量は,普通鋼よりはるかに高いので,セメンタイト(Fe3C)の代わりに黒鉛中の炭素を安定化させ,従って,オーステンパが長すぎない限りカーバイドの析出が防止される。
ADIの化学組成は,従来のダクタイル鉄の化学組成と似ており,すなわち,約3.4〜3.8重量%の炭素,2.3〜2.7重量%のケイ素,0.3〜0.4重量%のマンガン,最大0.015重量%の硫黄,及び最大0.06重量%のリンである。鋳造の厚さにより,オーステナイト化温度からオーステンパ温度へのコアの冷却速度が遅いことによる好ましくないパーライトの形成を防ぐために,通常,最大0.8重量%の銅,最大2.0重量%のニッケル,及び最大0.3重量%のモリブデン等の合金元素が基本組成に添加される。
「オーステンパダクタイル鉄鋳物の標準規格(Standard Specification for Austempered Ductile Iron Castings)」(名称:897M−06。2006年4月3日,米国材料試験協会(ASTM)刊)では(7ページ,表X1.2),ケイ素が黒鉛の形成を促進し,オーステナイト中の炭素の固溶度(solubility)を低下させ,共析温度を高め,ベイナイトカーバイドの形成を抑制するため,ケイ素は,ADI中の最も重要な元素の一つであると述べている。また,ケイ素の含有量が高すぎるとフェライトを安定化させ局所領域内においてオースフェライトを抑制する可能性があると警告している。従って,ケイ素の推奨量は2.50%±0.20%とされている。この規格では熱処理パラメータ(温度,保持時間及び冷却速度)は指定されていないが,科学文献では,オーステンパの影響が強調されており,これに先立って行われるオーステナイト化の段階はあまり注目されていない。Siの含有量が3.35%未満の従来のADIでは,オーステナイト化温度は,通常,900℃を超えることはなく,Siが3.35%〜4.60%の高いケイ素含有量を有するダクタイル鉄をオーステンパするために行われた幾つかの試みでは,オーステナイト化温度は910℃より低かった。
発明の概要
本発明の目的は,特に鋳放しフェライト状態で機械加工される際に改善された機械加工性と共に,改善された高い強度と延性の組み合わせを有する新しい種類のオーステンパダクタイル鉄を提供することである。
この目的は,ケイ素含有量が3.35重量%〜4.60重量%,例えば,3.65〜4.55重量%であり,かつ,少なくとも910℃のオーステナイト化温度を用いてADI熱処理を実行することによって達成可能なオーステンパダクタイル鉄によって達成される。そのようなADIは,従来のダクタイル鉄の生産面での全ての利点だけでなく,低い総合コスト,高い比強度,優れた延性,耐摩耗性,疲労強度及び改善された機械加工性の極めて有利な組み合わせを提供する。本発明のADIは,ケイ素含有量が最大2.50%±0.20%の従来のADI並びに従来のダクタイル鉄,鋳鍛アルミニウム及び幾つかの鋳鍛鋼より優れた機械的性質を有する。また,このADIは,鋼より10%密度が低い。
ダクタイル鉄に関する最初の特許(すなわち,1949年に発行された米国特許第2,485,760号)以来ずっと,ケイ素含有量が高いとダクタイル鉄の延性が低下するという共通の誤解がある。しかしながら,このことは,高いケイ素含有量(すなわち,2.7重量%を超えるケイ素含有量)によって固溶強化されたフェライトダクタイル鉄と,より弱い従来のフェライト材料を不適切に比較したときしか当てはまらず,フェライト固溶強化ダクタイル鉄は,類似の強度の従来のフェライトパーライト材料と適切に比較すると,延性が高いことは明らかである。更に,類似の強度(500MPa UTS)のダクタイル鉄を比較したとき,硬さの標準偏差は,通常,従来のフェライトパーライト材料の±24HBW単位(ブリネル高度値単位)からフェライト固溶強化ダクタイル鉄の±4まで減少し,また機械加工性は,カーバイドを含むパーライトが無いために少なくとも20%改善されることが分かった。
ADIに関する科学文献と特許文献の双方で支配的な見解によれば,高いケイ素含有量(2.7重量%超)も高いオーステナイト化温度(すなわち,910℃以上の温度)も有益ではなく,焼入れ性には比較的大量の銅,ニッケル及びモリブデンの添加が必要である。これに対して,高温でオーステナイト化され,銅,ニッケル又はモリブデンを殆ど又は全く含まない高ケイ素含有量のADIは,従来のADIより優れた幾つかの利点を有することが見出された。
すなわち,ADIの熱処理性能と機械的性質の双方が改善される。如何なる理論にも縛られるつもりはないが,ケイ素含有量が異常に高いとダクタイル鉄を鋳造する間の球状化率とノジュール密度(nodule density)が高くなるようである。比較的厚い部品を鋳造するときでも,銅,ニッケル及びモリブデンの高価な金属焼入れ添加物が不要であり,これにより製造コストが減少する。ケイ素含有量が多いとオーステナイト化温度からオーステンパ温度に冷却する間のパーライトの形成が遅れて焼入れ性が改善されるので,通常,前記焼入れ添加物は不要である。なお,他の状況では,前記パーライトが形成されると,微細構造の強度が低下する。更に,より厚い鋳物でも,コア内に生成される微細構造は,パーライトではなく固溶強化型フェライトになり,ADIの機械的特性に及ぼす悪影響を減少させる。
また,基本組成は,ケイ素によって固溶強化されるフェライト構造のため,極めて良好な機械加工性を示す。従来のパーライト微細構造及びフェライト−パーライト微細構造は,ツールの摩耗を早め,微細構造中において強度と硬度を大幅に変化させ,これにより,機械加工パラメータを最適化し,かつ,幾何公差を小さくするのが極めて困難になる。
ケイ素含有量が多くなると,脆いベイナイト(フェライト+セメンタイトFe3C)の形成が更に遅くなるか又は完全に防止され,それにより,オーステンパ中のオースフェライト(高炭素含有量によって熱力学的に安定化されたダクタイルオーステナイトのマトリクス中の針状フェライト)への完全な等温変態が可能になる。オーステンパ後の熱力学的安定化とオーステナイト相の量は,フェライトマトリクスをオーステナイト化する間の適切な時間に炭素が黒鉛ノジュールから拡散するのに必要なオーステナイト化温度が高いほど炭素が高濃度になるので改善される。また,ケイ素含有量が3.35重量%〜4.60重量%のADIは,主にマンガンとモリブデンの偏析の減少,脆いカーバイドの形成の防止,及び延性マトリクスを提供する安定化オーステナイト中の炭素量の増大により,ケイ素含有量が2.4〜2.6重量%の従来のADIに比べ,強度と延性の双方が改善される。
本発明の一実施形態によれば,ケイ素含有量は,3.70重量%以上である。本発明の別の実施形態によれば,ADIは,少なくとも930℃又は少なくとも950℃のオーステナイト化温度を用いて熱処理を行うことによって得ることができる。
本発明の一実施形態によれば,オーステンパダクタイル鉄は,少なくとも900MPa,好ましくは少なくとも1000MPa,及び,最も好ましくは少なくとも1050MPaの最大引張強度を示す。
本発明の別の実施形態によれば,オーステンパダクタイル鉄は,少なくとも650MPa,好ましくは少なくとも750MPa,及び,最も好ましくは少なくとも850MPaの降伏強度を示す。
本発明の更なる実施形態によれば,オーステンパダクタイル鉄は,少なくとも9%の破断伸度を示す。
本発明の更に他の実施形態によれば,オーステンパダクタイル鉄の微細構造は,5%未満,好ましくは3%未満(ポイントカウンティング法又は画像解析を使用して測定された)の非オーステナイト化フェライトを含む。応力又は歪み,すなわち最も大きい応力又は歪みを受ける構成要素の一又は複数の部分には完全オーステナイト構造が望ましいので,前記一又は複数の部分の微細構造における非オーステナイト化フェライトは5%未満,好ましくは3%未満であるべきである。これは,ケイ素量を増やし,高いオーステナイト化温度を適用することにより得られる。
本発明の一実施形態によれば,オーステンパダクタイル鉄は以下の組成(重量%)を有する。
・C 3.0〜3.6
・Si 3.35〜4.60
・Mn 最大0.4
・P 最大0.05
・S 最大0.02
・Cu 最大0.1
・Ni 最大0.1
・Mo 最大0.01
・残部 Fe及び不可避的不純物
上記組成は,非合金ダクタイル鉄に関するものである。「非合金」という表現は,ダクタイル鉄に銅もニッケルもモリブデンも添加されていないことを意味し,すなわち,ダクタイル鉄の組成は,最大0.1重量%のCu又はNiと,最大0.01重量%のMoを含む。
本発明の別の実施形態によれば,オーステンパダクタイル鉄は,また,焼入れ性を高いケイ素含有量で得られるレベルよりも更に高めるために,従来のADIで一般に使用される高レベルの金属元素を含み,その結果,重量%で表した組成は以下のようになる。
・C 3.0〜3.6
・Si 3.35〜4.60
・Mn 最大0.4
・P 最大0.05
・S 最大0.02
・Cu 最大0.8
・Ni 最大2.0
・Mo 最大0.3
・残部 Fe及び不可避的不純物
本発明の別の実施形態によれば,オーステンパダクタイル鉄は,ケイ素含有量が3.35〜4.60重量%の合金又は非合金ダクタイル鉄にADI熱処理を行うことによって得られる。すなわち,固溶強化フェライトダクタイル鉄を前駆体として使用することで最適化されたオースフェライト微細構造を有するADIが作製される。
本発明はまた,高い強度及び/又は延性を必要とする構成要素用のオーステンパダクタイル鉄を製造する方法に関する。この方法は,ケイ素含有量が3.35〜4.60重量%の合金又は非合金ダクタイル鉄からADIを製造するステップを含む。
本発明の一実施形態によれば,前記非合金ダクタイル鉄は,以下の組成(重量%)を有する。
・C 3.0〜3.6
・Si 3.35〜4.60
・Mn 最大0.4
・P 最大0.05
・S 最大0.02
・Cu 最大0.1
・Ni 最大0.1
・Mo 最大0.01
・残部 Fe及び不可避的不純物
本発明の別の実施形態によれば,前記合金ダクタイル鉄は,以下の組成(重量%)を有する。
・C 3.0〜3.6
・Si 3.35〜4.60
・Mn 最大0.4
・P 最大0.05
・S 最大0.02
・Cu 最大0.8
・Ni 最大2.0
・Mo 最大0.3
・残部 Fe及び不可避的不純物
本発明の一実施形態によれば,本方法は,ケイ素含有量に応じて少なくとも910℃,好ましくは少なくとも930℃又は950℃の温度で非合金ダクタイル鉄の少なくとも一部分をオーステナイト化するステップを含む。本発明の別の実施形態によれば,本方法は,前記オーステナイト化温度を少なくとも30分間維持するステップを含む。本発明の一実施形態によれば,オーステナイト化ステップは,炭素の酸化を防ぐために,窒素雰囲気,アルゴン雰囲気,塩浴,又は解離アンモニア雰囲気等の任意の還元雰囲気中で実行される。
本発明は更に,オーステンパダクタイル鉄からなる構成要素を形成する方法にも関する。この方法は,ケイ素含有量が3.35〜4.60重量%の合金又は非合金ダクタイル鉄を含む溶融物を形成するステップと,溶融物から構成要素を所望の形状に鋳造するステップと,この構成要素を冷却するステップとを含む。次いで,冷却された構成要素の少なくとも一部分を少なくとも910℃,好ましくは少なくとも930℃又は950℃の第1の温度で加熱し,この温度で所定時間維持して前記構成要素をオーステナイト化する。このステップにおける「所定時間」という表現は,オーステナイト化される構成要素全体又はその一又は複数の部分をオーステナイト化温度まで加熱し,オーステナイトを炭素で飽和させてオースフェライト構造を生成するのに十分な時間を意味する。オーステナイト化は,高温塩浴,炉,又は炎や誘導加熱等の局所的方法を使用して達成されてもよい。
次に,構成要素はパーライトの形成を防ぐのに十分な速度で塩浴内で焼入れされる。次に,ケーシングは,250〜400℃,好ましくは350〜380℃の温度でオーステンパされ,その温度で断面寸法に応じて30分〜2時間等の所定時間維持され,その後で室温まで冷却される。このステップにおける「所定時間」という表現は,構成要素又はその一又は複数の部分にオースフェライトのマトリクスを作成するのに十分な時間を意味する。オーステンパするステップは,塩浴,熱油又は溶融鉛又はスズを使用して達成されてもよい。
本発明の一実施形態によれば,本方法は,鋳造された後,オーステナイト化ステップ前に公差が所望のレベルを満たすまで構成要素を機械加工するステップを含む。すなわち,ADI処理前に,構成要素に必要な機械加工をできるだけ多く行うことが好ましい。本方法により,固溶硬化(3.35〜4.60重量%のSi)フェライトダクタイル鉄の利点を鋳造と機械加工に利用できるADIが形成される。その後で,鋳造され機械加工された構成要素は,少なくとも910℃の温度のオーステナイト化によってオーステンパされて従来のADIよりも改善された延性と強度が得られるが,その理由は,本発明のADIによって,脆化をもたらすカーバイドの析出がケイ素で防止されると共に,針状フェライトと安定化オーステナイトの双方の中のケイ素が固溶強化されるからである。これに代え,或いは付加的に,構成要素は,例えば何か特定の表面処理が必要な場合は,オーステンパリングステップ後に機械加工されてもよい。
本発明はまた,本発明の実施形態のいずれかによるオーステンパダクタイル鉄を含む構成要素に関する。そのような構成要素は,具体的には,採鉱,建築,農業,土木,製造業,鉄道産業,自動車産業,林業,高い耐摩耗性を必要とする用途,又は厳密な仕様が常に満たさなければならない用途で使用されるが,これらに限定されない。
以下,本発明を添付図面を参照して,非限定的な例により更に説明する。
本発明の一実施形態によるオーステンパ2段階ADI熱処理サイクルを概略的に示す。 従来のダクタイル鉄,固溶強化ダクタイル鉄,本発明のADI,及び従来のADIの機械的性質の比較を示す。
実施形態の詳細な説明
図1は,本発明の一実施形態に係るADI熱処理サイクルを示す。ケイ素含有量が3.35〜4.60重量%の合金又は非合金ダクタイル鉄構成要素が,加熱され[ステップ(a)],構成要素が完全にオーステナイトになりマトリクスが炭素で飽和する迄ある一定時間910〜1000℃のオーステナイト化温度で維持される[ステップ(b)]。構成要素は,例えば,スプリングハンガー,ブラケット,車輪ハブ,ブレーキキャリパ,調時歯車,カム,カム軸,内歯車,クラッチカラー,プーリ等,大型輸送車で使用される懸架又は動力伝達関連構成要素である。この構成要素は,完全にオーステナイト化された後,焼入れ媒体中で150℃/分以上等の高い焼入れ速度で焼入れされ[ステップ(c)],250〜400℃,好ましくは350〜380℃のオーステンパ温度で維持される[ステップ(d)]。等温オーステンパリングの後,構成要素は,室温まで冷却される[ステップ(e)]。次いでADI構成要素は,通常の運転サイクルで応力,歪み,衝撃及び/又は摩耗を受ける可能性の高い任意の用途に使用されることもある。
図2は,異なる7グループのダクタイル鉄試料の機械的性質,すなわちMPaで表した最大引張応力(UTS),MPaで表した降伏強度,及び%で表した破断伸度の比較を示す。
Figure 0005368994
完全フェライト微細構造を有するダクタイル鉄ISO 1083/JS/500−10(グループ2)は,ダクタイル鉄ISO 1083/JS/500−7(グループ1)のフェライトパーライト微細構造に取って代わるために開発された。すなわち,ダクタイル鉄ISO 1083/JS/500−10(グループ2)は,そのケイ素含有量を2.5%から3.7%に増やすことによって固溶強化され,それにより,降伏強度と破断伸度が共にかなり向上し,一方,UTSはあまり上昇しなかった。
図2から分かるように,本発明のADI試料(グループ4)は,ノジュラーダクタイル鉄試料(グループ1,2,3)の2倍を超える降伏強度とUTSを示す。更に,本発明のADI試料(グループ4)は,全ての従来のADI試料(グループ5〜7)より高い降伏強度と破断伸度を示し,従来のADI試料の内の最初の2種(グループ5及び6)より高いUTSを示す。
ケイ素含有量が多いADI試料(グループ4)の極めて優れた機械的性質にもかかわらず,910℃では非オーステナイト化フェライトの残滓(<5%)が見られた。これは,オーステナイト化温度がもっと高くなければならなかったこと,すなわち,オーステンパ温度に焼入れする前にオーステナイト中の炭素含有量を0.65〜0.75重量%に高めるためにオーステナイト化温度が少なくとも930℃又は950〜970℃でなければならなかったことを示し,この場合,オーステナイトは,更に,針状フェライトの析出中に炭素濃度が高くなり,これにより熱力学的に安定化する。ケイ素含有量が2.5重量%の従来のダクタイル鉄の場合,炭素含有量は,既に850〜890℃で0.65〜0.75重量%の同じレベルに達する。

Claims (4)

  1. 高い強度と延性を必要とする構成要素用のオーステンパダクタイル鉄(ADI)であって,前記鉄は,完全なオーステナイト化が達成されたオーステナイトのマトリクス中に針状フェライトを備えたオースフェライトの微細構造を有し,且つ,重量%で下記の組成を有し,
    C 3.0〜3.6
    Si 3.35〜4.6
    Mn 最大0.4
    P 最大0.05
    S 最大0.02
    Cu 最大0.8
    Ni 最大2.0
    Mo 最大0.3
    残部を鉄及び不可避的不純物,
    前記微細構造を形成するために,少なくとも910℃のオーステナイト化温度を用い,オーステンパ温度に急冷し,等温オーステンパリング後室温まで冷却するADI熱処理を行うことによって得られることを特徴とするオーステンパダクタイル鉄(ADI)。
  2. い強度と延性が必要とされる構成要素用のオーステンパダクタイル鉄(ADI)を製造する方法であって,完全なオーステナイト化が達成されたオーステナイトのマトリクス中に針状フェライトを備えたオースフェライトの微細構造を有し,且つ,重量%で下記の組成を有し,
    C 3.0〜3.6
    Si 3.35〜4.6
    Mn 最大0.4
    P 最大0.05
    S 最大0.02
    Cu 最大0.8
    Ni 最大2.0
    Mo 最大0.3
    残部を鉄及び不可避的不純物,
    前記微細構造を形成するために,少なくとも910℃のオーステナイト化温度を用い,オーステンパ温度に急冷し,等温オーステンパリング後,室温まで冷却するADI熱処理を行うことにより,Si含有量が3.35wt%〜4.60wt%のダクタイル鉄から前記ADIを製造するステップを含むことを特徴とする方法。
  3. 以下の各ステップ:
    ・ケイ素含有量が3.35重量%〜4.60重量%,炭素含有量が3.0重量%〜3.6重量%の合金又は非合金ダクタイル鉄を含む溶融物を形成するステップと,
    ・前記溶融物から構成要素を鋳造するステップと,
    ・前記構成要素を冷却するステップと,
    ・前記冷却された構成要素を少なくとも910℃の第1の温度で熱処理し,この構成要素を前記温度で所定時間維持して前記構成要素をオーステナイト化するステップと,
    ・オーステナイトのマトリクス中に針状フェライトを備えたオースフェライトの微細構造形成するために,前記熱処理された構成要素を,パーライトの形成を防ぐのに十分な焼入れ速度である少なくとも150℃/分で250〜400℃の第2の温度まで焼入れし,この構成要素をオーステンパするために,この構成要素を所定時間,前記温度に維持するステップと
    を含むことを特徴とする,オーステンパダクタイル鉄(ADI)からなる構成要素を作製する方法。
  4. 請求項の前記オーステンパダクタイル鉄(ADI)を含むことを特徴とする構成要素。
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