JP5475806B2 - 燃焼機関および一般鋳造物用の高耐性ねずみ鋳鉄合金 - Google Patents
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Description
・優れた熱伝導率
・優れた制振能
・優れた被削性レベル
・比較的小さい鋳引け率(鋳造物において内部気泡の傾向が低いこと)
・良好な熱疲労レベル(モリブデン系合金を使用する場合)。
・非特許文献1(AFSの許可を得て転載)、
・非特許文献2、
・非特許文献3、
・非特許文献4、
・非特許文献5、
・非特許文献6。
・1987年5月26日の特許文献1、特許権者Sinter−Cast AB(Viken、SE)。「A method for producing castings from cast−iron containing structure−modifying additives」。溶鉄の槽からの試料は、凝固するのに0.5〜10分間かかる。
・1992年4月30日の特許文献2、特許権者SINTERCAST LTD。「A method for controlling and correcting the composition of cast iron melt and securing the necessary amount of structure modifying agent」。
・より低い熱伝導率;
・より低い制振能;
・より低い被削性レベル(従って、より高い機械加工コスト);
・より高い鋳引け率(従って、内部気泡に向かうより高い傾向);および
・より低い微細構造安定性(鋳造品の肉厚に強く依存する)。
・溶融段階:投入物(スクラップ、銑鉄、鋼鉄など)が溶銑炉、誘導炉またはアーク炉によって溶融される、
・化学的均衡:要求される仕様に従って化学元素(C、Si、Mn、Cu、Sなど)を調整するために、誘導炉内部の液体バッチに対して通常行われる、
・接種段階:十分な核を促進して、望ましくない炭化物の生成を回避するために、一般に鋳込み取鍋で、または型鋳込み操作(鋳込み炉を使用する場合)で行われる、
・鋳込み段階:鋳巣、砂内での燃焼および鋳造凝固後の鋳引けを防止するための範囲の中で通常定められる鋳込み温度で、鋳造ラインで行われる。換言すれば、鋳込み温度は、鋳造される物質の健全性の関数として実際に定められる。
・砂落とし段階:通常は、型内部での鋳造物の温度が、共析温度(約700℃)よりも低く、十分に下がったときに行われる。
・非特許文献7、
・非特許文献8、
・非特許文献9、
・非特許文献10、
・非特許文献11、
・非特許文献12、
・非特許文献13、
・非特許文献14。
多くの特許出願が、本願にも適用される、ねずみ鋳鉄合金に対する通常の成分を用いた組成物を明らかにしている。しかしながら、本願と比較すると、それらの特許文献は、最終組成物の中にあるいくつかの特定の成分の間の正確なバランスを制御するために必須であるすべての成分および/または式を提示しているわけではない。
その例は、Nがその組成物の中に存在することが必須である(本願では適用されていない)Volvo組成物の特許文献3、または組成物にCaが必要である(本発明では適用されていない)特許文献4である。加えて、これらの出願の組成物は、いくつかの成分の変更例の範囲を規定するが、この範囲はあまりにも広いということを指摘することは重要である。もしも本発明に適用すれば、主な材料特性が損なわれるであろう。
他の例は、ねずみ鋳鉄の脱硫についての特許文献5である。この特許文献5では、成分「S」は取り除かれる必要がある。これとは異なり、本発明は、「S」成分を、必要な核を生成するための重要な因子として、必要とする。
化学的補正は、誘導炉で従来のやり方で行われ、当該化学元素は、市場ですでに公知の元素、C、Si、Mn、Cu、Sn、Cr、Mo、PおよびSと同じ元素である。
・炭素当量(CE)は、3.6重量%〜4.0重量%の範囲で定められるが、同時に2.8%〜3.2%のC含有量を保つ。当該HPI合金は、従来のねずみ鋳鉄合金と比較した場合、より高い亜共晶の傾向を有する。
・Cr含有量は最大0.4%として定められ、Moに関連付けると、以下の基準に従う必要がある:%Cr+%Mo≦0.65%。これで、適正なパーライト微細化が可能になることになる。
・CuおよびSnは、以下の基準に従って関連付けられる必要がある:0.010%≦[%Cu/10+%Sn]≦0.021%。
・SおよびMn含有量は、特定の範囲の比%Mn/%Sの中で定められ、これは、硫化マンガンMnSの平衡温度が常に「液相温度」の下で起こる(共晶開始温度付近が好ましい)ことを保証するように算出される。材料の機械的特性を改善することのほかに、この基準は、液体バッチ内部での核形成を促す。表1は、%Mnが0.4%〜0.5%の間で定められたディーゼルシリンダーブロックについての、このような基準の適用を提示する。
当該HPI合金を得るために、誘導炉の中にある液体バッチは、核を促進しない合体した酸化物がないものである必要がある。さらに、それらは液体バッチの中で均一である必要もある。そこで、このような基準を満たすために、以下の工程に従う脱酸素のためのプロセスが開発された:
・二酸化ケイ素(SiO2)の平衡温度を超えて加熱炉温度を上昇させること;
・加熱炉の電力を少なくとも5分間停止して、合体した酸化物および他の不純物の浮揚を促進すること;
・液体バッチの表面上に凝集剤を広げること;および
・合体した酸化物ですでに飽和したこのような凝集剤物質を除去して、より清浄な液体金属を加熱炉の中に残すこと。
従来のねずみ鋳鉄合金と比較したときのHPI合金の別の重要な特徴は、はっきりと高まった共晶のセル数である。当該HPI合金は、現在のねずみ鋳鉄合金で行われた同じ鋳造と比較した場合、20%〜100%多いセルを与える。このより高いセル数は、より小さい黒鉛サイズを直接的に促進し、従ってHPI材料の引張強さの上昇に直接寄与する。加えて、より多くのセル数は、各々の核のまさにコアで形成されるより多くのMnSをも暗示する。このような現象が、HPI材料が機械加工されるときの工具の寿命を延ばすことは明らかである。
・加熱炉液体バッチの15%〜30%を特定の取鍋に鋳込むこと、
・この操作の間に、まさに液体金属の流れに対して0.45重量%〜0.60%重量%の粒状のFe−Si−Sr合金を接種すること、
・接種した液体金属を取鍋から加熱炉へと戻すこと(この操作を強い金属フローに保つ)、
・このような操作の間、加熱炉は、「作動した」状態に保たれる必要がある。
1)共晶過冷度(Eutectic Under−Cooling Temperature)「Tse」および、
2)共晶再輝温度(Eutectic Recalescence Temperature)の範囲「ΔT」。
Tse→最低1115℃;および
ΔT→最大6℃。
目立った凝固現象として、共晶相は、後者の材料特性を特徴付ける起源となる。多くの書籍および学術論文は、金属と型との間の熱交換、化学、黒鉛結晶化、再輝、安定温度および順安定温度などのいくつかのパラメータに注目して、多くの方法で共晶相にアプローチしてきた。
・鋳込み温度「Tp」;および
・鋳造物の全体凝固係数(global solidification modulus)「Mc」。
固−固変態として、この共析相は、鋳造物の最終の微細構造を形作る。そのとき、片状黒鉛合金であるにもかかわらず、当該HPIの微細構造は、そのマトリクス上でわずかに減少した黒鉛含有量を示す:≦2.3%(図10に示される平衡状態図Fe−Fe3Cを参照として取り上げて、「てこの原理(lever rule)」によって算出される)。
・太線が引張特性の目盛りと交差するとき、理論上のねずみ鋳鉄は、約30Kg/mm2という、一般的でない値を示すはずである。実際に、原型のHPIは、36Kg/mm2という現実の値を示した。典型的な市販のねずみ鋳鉄が28Kg/mm2(シリンダーブロックまたはシリンダーヘッドについて)よりも高い値に到達することはほとんどないということを考慮すると、本発明で、両方の合金の間のこの第1の差異を認めることは容易である。
・ここで図9のダイアグラム上の硬度の目盛りに注目すると、そのような理論的なねずみ鋳鉄合金が約35Kg/mm2の引張り試験値を示す場合は、関連した硬度値は約250HBであるはずであるということは分かる。しかしながら、36Kg/mm2という実際の引張り試験値を有するこの原型のHPIのシリンダーブロックは、約240HBという硬度値を示した。換言すれば、同じまたはより高い引張り試験値を示してさえも、当該HPI合金は、同じ引張り試験値を有する理論上のねずみ鋳鉄合金と比較した場合、より低い硬度をもつという明白な傾向がある。
・約35Kg/mm2の引張り試験値を有する同じ理論上のねずみ鋳鉄をなお取り上げると、図9のダイアグラム上の関連する炭素当量値(CEL)は、約3.49%という非常に低い値を示す。代わりに、36Kg/mm2を有する原型のHPIシリンダーブロックはCEL=3.80%を有し、これは、両方の合金について同じ引張り試験値を保つと、当該HPI合金は顕著に低い鋳引け傾向を有するということを意味する。
従来のねずみ鋳鉄(GI);高性能鉄(HPI)およびコンパクト黒鉛鉄(CGI)を比較するために、市販の鋳造物からとったいくつかの範囲の機械的特性および物性を、以下に掲げる:
Claims (2)
- 高強度ねずみ鋳鉄合金であって、
・炭素当量(CE)は3.6重量%〜4.0重量%の範囲で定められ、C含有量は2.8%〜3.2%に保たれ、
・Cr含有量は最大0.4%に定められ、Moと関連付けられると、前記規定された範囲は以下のとおりであり:%Cr+%Mo≦0.65%
・CuおよびSnは、以下の式に従って関連付けられ:0.010%≦[%Cu/10+%Sn]≦0.021%
・Mn含有量は0.40%、0.47%又は0.50%でありかつSと関連付けられ、S含有量およびMn含有量は以下の算出された範囲の比[%Mn/%S]の中で定められ:
・Mn=0.40% 範囲:Mn/S=3.3〜3.9
・Mn=0.47% 範囲:Mn/S=4.0〜5.0
・Mn=0.50% 範囲:Mn/S=4.9〜6.0
・Si含有量は2.0%〜2.40%の範囲で定められ、
・「P」含有量は、%P≦0.10%の範囲で定められ、
残部は鉄である、高強度ねずみ鋳鉄合金。 - 物性は、
伝熱係数(W/m °K): 45〜60
硬度(HB) 230〜250
引張強さ(Mpa) 300〜370
疲労強度(Mpa):回転曲げによる 170〜190
熱疲労(サイクル):温度範囲 50℃〜600℃ 20×103
被削性(Km):400m/分の速度での、セラミック工具による切削: 9〜11
微細構造 パーライト 98〜100%;黒鉛A、4/7
鋳引け傾向(%) 1.0〜2.0
減衰率(%): 90〜100
ポアソン比:室温で 0.25〜0.27
である、請求項1に記載の高強度ねずみ鋳鉄合金。
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