JP5516920B2 - 片状黒鉛鋳鉄およびその製造方法 - Google Patents
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Description
方法に係り、特にミッシュメタル等を用いることなく、高強度でかつ切削性等の加工性に
優れた鋳鉄の安価な製造を可能にする。
来から、様々な研究がなされている。例えば、シリンダライナやピストンリング等のエン
ジン部品は、内周面でピストンリングが摺動し気密性を保持する必要から、耐摩耗性、耐
スカッフィング性に優れることが強く要求され、従来から黒鉛と炭化物とを分散させた組
織を有する特殊合金鋳鉄が使用されてきた。特殊合金鋳鉄としては、モリブデン等の合金
元素を添加し強度を高めた鋳鉄が挙げられるが、このような特殊合金鋳鉄は、加工性に劣
り、刃具の寿命を短くし、加工コストを増大させてしまうという問題がある。また、高価
な合金元素を多く添加する必要があるため、製品コストの上昇を招くという問題もある。
鋼板スクラップ(鉄屑)を使用するのが一般的である。近年、衝突安全性の向上や車両軽
量化を目的として、自動車用材料として高張力鋼が多く使用される傾向にある。
挙げられる。このうち、マンガン(Mn)は最も安価なため多く利用されており、今後、
高張力鋼の使用比率増加に伴い、Mnを多く含む高張力スクラップ(鋼屑)が大量に発生
することが予想される。
際に生じるバリなどが鋼板スクラップとして大量に発生する。よって、前述した高張力ス
クラップが鉄源として使用されることが予想される。
鋳鉄では基地のパーライト組織を促進させ、パーライト中のセメンタイト間隔を緻密にし
て強化するという基地組織強化元素として働くが、同時に炭化物を安定させ黒鉛晶出を阻
止する作用を有する元素である。
Mn等の措置が必要となる。これらの措置は、コストアップを招くものであり、Mnを除
去せずにそのまま鋳鉄を得ることができれば、工業的に非常に有効である。
晶出したものを片状黒鉛鋳鉄と呼び、年間約300万トンの生産高であり、他方、黒鉛が
球状で晶出したものを球状黒鉛鋳鉄と呼び、年間約200万トンの生産高である。
球状黒鉛鋳鉄の引張強度が高いことの主たる理由は、Mg、Ca、Ceなどを含む黒鉛球
状化剤を溶湯中に添加して黒鉛を球状化することによるものである。
、黒鉛球状化能を低下させることも明らかとなっている。
、黒鉛球状化剤を多量に添加することなどの処理が必要である。また、Sb、Sn、Pb
、Tiなどの元素は、微量でも黒鉛の球状化を阻害するので、スクラップなどの原材料中
から、これらの元素が混入していないことを確認するとともに、除去する必要もある。
ラップから球状黒鉛鋳鉄を製造する場合、種々の元素の混入には細心の注意と処理が要求
され、特にSはスラッグを発生させることから、その量的管理が重要である。
に、種々の元素の混入にさほど注意を払う必要がないものの、球状黒鉛鋳鉄レベルの引張
強度を有するものを得るのは一般に難しい。
を促進するので、一般には強い黒鉛化阻害元素と言われている。
いの害を中和しあう。さらに、MnSは、黒鉛共晶の核生成を促進する可能性が示唆され
ている。
てきているが、高Mn組成を想定した研究は、例えば本発明者が提案した、特許文献1や
特許文献2に記載されている方法以外には、ほとんど見当たらない。
メタルを、溶湯中のS量の倍量を添加することを必須としているが、希土類元素またはミ
ッシュメタルの添加は、流動性(鋳物の湯流れ性)を悪くするため、作業の手間がかかる
という問題がある。特に、シリンダライナやカムシャフト等は加工を最小限にするため薄
肉化への要求が厳しくなっており、かかる要求を満足させるには流動性に優れていること
が必要である。
、Sはスラッグ発生の原因となり、再利用する場合の障害となるため、Sを添加するのは
好ましくない。
性に優れ、例えば内燃機関のエンジン部品等に用いるのに好適な片状黒鉛鋳鉄およびその
製造方法を提供することにある。
(I)黒鉛が方向性を持たず無秩序で且つ均一に分布した存在形態を備えるA型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、質量%で、C:2.8〜4.0%、Si:1.4〜2.6%、Mn:1.1〜3.0%、P:0.01〜0.6%、S:0.01〜0.30%およびB:0.01〜0.20%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつ、前記Mn含有量の前記S含有量に対する比(Mn/S)が3〜300の範囲である化学組成を有することを特徴とする片状黒鉛鋳鉄。
びSi:1.4〜2.5%であり、前記比(Mn/S)が10〜200の範囲である上記
(I)記載の片状黒鉛鋳鉄。
〜0.6%、Mo:0.1〜0.6%およびNi:0.1〜1.0%の群から選択される
少なくとも1種の成分を含有する上記(I)または(II)記載の片状黒鉛鋳鉄。
えば内燃機関のエンジン部品等に用いるのに好適な片状黒鉛鋳鉄およびその製造方法を提
供することが可能になった。
形態を備えるA型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄である。本発明では、このようなA型黒鉛を含
む黒鉛鋳鉄にすることによって、高強度と優れた切削性を具備することができる。また、
本発明の片状黒鉛鋳鉄中に存在する黒鉛に占めるA型黒鉛の含有割合は、面積比で70%
以上であることが、高強度を得る点で好ましい。また、片状黒鉛鋳鉄に存在するA型黒鉛
以外の黒鉛としては、B、D、E型の黒鉛等が挙げられる。加えて、片状黒鉛鋳鉄の基地
としては、パーライト及び基地中に分散した硫化マンガン(MnS)等からなる。
.0%、Mn:1.1〜3.0%、P:0.01〜0.6%およびS:0.01〜0.3
0%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつ、前記Mn含有量の前記
S含有量に対する比(Mn/S)が3〜300の範囲である化学組成を有する。
なお、元素の含有量の単位はいずれも「質量%」であるが、以下、特に断らない限り、
単に「%」で示す。
Cは、パーライトを主とする組織として基地を強化するとともに、黒鉛を晶出させて、
耐摩耗性と耐スカッフィング性を向上させる元素であり、このような効果を得るためには
2.8%以上の含有を必要とする。一方、C含有量が4.0%を超えると、黒鉛量や炭化
物量が多くなりすぎて脆化を助長する。このため、C含有量は2.8〜4.0%の範囲に
限定した。なお、強度の向上を特に重視する場合には、C含有量は2.8〜3.7%とす
ることが好ましい。
Siは、鋳鉄の基本元素の一つで、黒鉛晶出のために少なくとも1.2%以上の含有を
必要とする。一方、Si含有量が3.0%を超えると、含有量が過剰となり強度が低下す
る。このため、Si含有量は1.2〜3.0%の範囲に限定した。なお、強度の向上を特
に重視する場合には、Si含有量は1.4〜2.5%とすることが好ましい。
Mnは、基地パーライトの強化作用を有し、本発明において重要な元素の一つであり、
パーライトの強化とMnS析出のため、1.1%以上の含有を必要とする。一方、Mn含
有量が3.0%を超えると、炭化物が析出しやすくなり、加工性を劣化させるからである
。このため、Mn含有量は1.1〜3.0%の範囲に限定した。
Pは、ステダイト(リン共晶物)を晶出させて、基地中に硬質相として分散させて、耐
摩耗性を向上させる元素であり、0.01%以上の含有を必要とする。一方、Si含有量
が0.6%を超えると、材料特性が脆化する。このため、P含有量は0.01〜0.6%
の範囲に限定した。
S含有量は、Mnと結合してMnSを形成し、加工性、特に切削性を向上させる元素で
あり、0.01%以上の含有を必要とする。一方、S含有量が0.30%を超えると、材
料特性が脆化する。このため、Sは0.01〜0.30%の範囲に限定した。
有量の前記S含有量に対する比(Mn/S)を3〜300の範囲とする必要があり、これ
によって、特にミッシュメタル等を用いることなく、高強度と切削性に優れ、例えば内燃
機関のエンジン部品等に用いるのに好適な片状黒鉛鋳鉄とすることができる。前記比Mn
/Sが3未満だと、低引張強さしか得られないからであり、前記比Mn/Sが300を超
えると、切削性が悪化するからである。
ランスよく満足させるための範囲であり、前記比Mn/Sの好適範囲としては10〜12
0の範囲であるが、例えば、シリンダライナの用途に使用されるように強度の向上を特に
重視する場合には、上記範囲を10〜200の範囲にすることが好ましく、また、特に切
削性を重視する場合には、上記範囲を3〜20の範囲にすることが好ましい。
なるが、本発明では、高強度と耐食性を重視する場合には、上記した組成に加えて、必要
に応じて、さらに下記に示すCu:0.1〜1.2%、Cr:0.1〜0.6%、Mo:
0.1〜0.6%、Ni:0.1〜1.0%及びB:0.01〜0.20%を含有させる
ことができる。
Cuは、基地中に固溶して基地を強化し、耐摩耗性を向上させるとともに、耐食性を向
上させる元素であり、必要に応じて添加することができる。このような効果はCu含有量
が0.1%以上で顕著となるが、1.2%を超えて含有しても効果が飽和し、含有量に見
合う効果が期待できない。このため、Cu含有量は0.1〜1.2%の範囲とし、より好
ましくは0.5〜0.8%の範囲とする。
Crは、基地中に固溶し基地を強化するとともに、炭化物中に含まれて炭化物硬さを上
昇させ、耐摩耗性を向上させる元素であり、必要に応じて添加することができる。上記効
果を発揮するには、Cr含有量を0.1%以上とすることが好ましい。一方、Cr含有量
が0.6%を超えると、炭化物量が多くなり、かつ黒鉛形状がくずれるため切削性が低下す
る傾向がある。このため、Cr含有量は0.1〜0.6%の範囲とし、より好ましくは0
.2〜0.4%の範囲とする。
Moは、基地中に固溶し基地を強化し、材料強度を向上させる元素であり、0.1%以
上の含有を必要とする。一方、0.6%を超えるMoの含有は、基地強度が高くなりすぎ
切削性が低下する傾向がある。このため、Mo含有量は0.1〜0.6%の範囲とする。
Niはフェライト中に固溶して強さを増し、パーライトを細かくする作用を有し、また
、黒鉛化を促進し、片状黒鉛を小さく均一に分散させるとともに、耐熱、耐食、耐摩耗性
を良くする元素であり、0.1%以上の含有を必要とする。一方、Ni含有量が1.0%
を超えると、基地がオーステナイト化する傾向がある。このため、Ni含有量は0.1〜
1.0%の範囲とする。
Bは、ボロン炭化物を生成し、りん共晶物とともに硬質相を形成し硬さを増加させ、Cr
と同様に耐摩耗性、耐スカッフィング性を向上させる重要な元素であり、本発明では硬質
相の面積率を増加させ耐摩耗性を向上させるために、0.01%以上の含有を必要とする。一
方、0.20%を超える含有は、硬質相が過剰となり、靭性が低下する。このため、Bは
0.01〜0.20%の範囲に限定した。
状黒鉛鋳鉄の所定断面における単位面積あたりのMnSの存在個数にして、200〜11
00個/mm2の範囲であることが好ましい。前記MnSの存在個数が200個/mm2
の未満だと、チップ寿命が短くなることで、加工性が悪くなる傾向があり、前記MnSの
存在個数が1100個/mm2の超えだと、切削性は変わらず強度が低下する傾向がある
からである。なお、前記片状黒鉛鋳鉄の所定断面は、具体的には、図1に示すような、サ
イズ:直径110mm、高さ150mm、厚さ8mmの片状黒鉛鋳鉄からなるシリンダラ
イナ用の円筒状部材1を製造し、この円筒状部材から、長手方向に沿って図1(b)に示
すように、幅10mmの棒状片2を切り出したときの棒状部材の切断面を意味し、測定面
積は、[0.5mm×0.5mm]=0.25mm2とする。
ト、シリンダブロック、シリンダヘッドまたはブレーキディスクに用いるのが好適である
。
持たず無秩序で且つ均一に分布した存在形態を備えるA型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄の製造
方法であって、溶湯中の化学組成は、質量%で、C:2.8〜4.0%、Si:1.2〜
3.0%、Mn:1.1〜3.0%、P:0.01〜0.6%およびS:0.01〜0.
30%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつ、前記Mn含有量の前
記S含有量に対する比(Mn/S)が3〜300の範囲となるように調整することにあり
、この構成を採用することにより、高強度と優れた切削性を具備する片状黒鉛鋳鉄を製造
することができる。
ころで述べた理由と同様であるので、説明は省略する。
を少なくとも一部含むことが、原料コストを削減する点から好ましく、特に、前記鋼板ス
クラップの少なくとも一部は、Mn含有量が3.0質量%以下であり、Mnを含有する高
張力鋼板スクラップであることがより好適である。
ップとを分別回収することなく、また、脱Mn処理等の工程によりMnを除去することな
く、一括回収した鋼板スクラップをそのまま利用して片状黒鉛鋳鉄を製造することができ
る。
強度と優れた切削性を得ることができる。
不要とすることが、良好な流動性を維持しつつ、スラッグ発生を少なくする点で好ましい
。すなわち、シリンダライナやカムシャフト等は加工を最小限にする薄肉化が求められて
おり、よって、鋳物の湯流れ性が求められている為、ミッシュメタル等をいれると、流動
性が著しく低下してしまうからである。
iの接種剤をさらに添加することがさらに好ましい。Fe−SiまたはCa−Siの接種
剤の添加量は、0.1〜0.6質量%であることが好ましい。
なお、前記不可避不純物としては、前記溶湯中の接種材の如何に関わらず、Ca、Al
、Ba、Sr、Zr、BiおよびSn、並びに、希土類元素としての、La、Ce、Sm
およびY等が含有されてもよい。
々の変更を加えることができる。
・ 実施例1〜5、参考例1〜22および比較例1〜22
Mnを含有する高張力鋼板スクラップと鋳鉄とスチールスクラップと合金類を所定の化学成分となるように溶解させて溶湯とし、この溶湯中のMn含有量とS含有量を所定のMn/S比になるように添加して調整した後、ライナ形状砂型に注入し、サイズ:直径110mm、高さ150mm、厚さ8mmの片状黒鉛鋳鉄からなるシリンダライナ用の円筒状部材1を得た。このときの溶湯中の化学組成、Mn/S比、および単位面積あたりのMnSの存在個数(個/mm2)を表1に示す。なお、前記単位面積あたりのMnSの存在個数は、図1(a)に示す円筒状部材から、長手方向に沿って図1(b)に示すように、幅10mmの棒状片2を切り出し、棒状部材の切断面の長手方向と幅方向の双方の中央部分(図1(b)の斜線部分3)について、光学顕微鏡(倍率400倍)を用い、0.5mm角の測定視野で計12枚(縦4枚、横3枚)の連続写真を撮影し、これら連続写真内で測定視野の範囲でMnSの個数を測定し、この測定値から、単位面積(1mm2)当たりのMnSの個数を算出することにより求めた。
上記各片状黒鉛鋳鉄につき、引張強さおよび切削性について評価した。
引張強さは、上記各片状黒鉛鋳鉄から、図2に示す引張試験片4を切り出し、引張りス
ピード:1mm/分の条件下で引張り試験を行なった。その評価結果を表1に示す。
切削性は、上記で作製したシリンダライナ用円筒状部材1を厚さ4mmに切削加工して
シリンダライナ6とし、このシリンダライナ6がブロックに鋳包まれた状態を再現するた
め、図3に示すようにスチール製の冶具7に固定装着した後、冶具7を、富士機械社製T
N−41TSのNC旋盤(図示せず)上で回転させながら、チップ8をシリンダライナ6
の内面上をその長手方向9に移動させて切削加工を行い、加工後、チップ8の刃先摩耗(
フランク摩耗、クレータ摩耗)量を測定し、この測定値から評価した。切削条件としては
、チップ8として、住友電工製SPP434(材質:BNX4、ノーズR1.6)を用い
、冶具の回転速度:385.5m/min(1500rpm)、チップ8の送り速度:0
.32mm/rev、切り込み量:0.15mmおよび横切れ刃角:75度、および切削
液を用いない乾式条件で行った。
性に優れ、例えば内燃機関のエンジン部品等に用いるのに好適な片状黒鉛鋳鉄およびその
製造方法を提供することが可能になった。
Claims (9)
- 黒鉛が方向性を持たず無秩序で且つ均一に分布した存在形態を備えるA型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、
質量%で、C:2.8〜4.0%、Si:1.4〜2.6%、Mn:1.1〜3.0%、P:0.01〜0.6%、S:0.01〜0.30%およびB:0.01〜0.20%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつ、前記Mn含有量の前記S含有量に対する比(Mn/S)が3〜300の範囲である化学組成を有することを特徴とする片状黒鉛鋳鉄。 - 前記化学組成のCおよびSiの含有量は、質量%で、C:2.8〜3.7%およびSi:1.4〜2.5%であり、前記比(Mn/S)が10〜200の範囲である請求項1記載の片状黒鉛鋳鉄。
- 前記化学組成は、さらに、質量%で、Cu:0.1〜1.2%、Cr:0.1〜0.6%、Mo:0.1〜0.6%およびNi:0.1〜1.0%の群から選択される少なくとも1種の成分を含有する請求項1または2記載の片状黒鉛鋳鉄。
- 前記片状黒鉛鋳鉄中のMnS含有量は、前記片状黒鉛鋳鉄の所定断面における単位面積あたりのMnSの存在個数にして、200〜1100個/mm2の範囲である請求項1〜3のいずれか1項記載の片状黒鉛鋳鉄。
- 前記片状黒鉛鋳鉄は、シリンダライナ、ピストンリング、カムシャフト、シリンダブロック、シリンダヘッドまたはブレーキディスク用鋳鉄である請求項1〜4のいずれか1項記載の片状黒鉛鋳鉄。
- 黒鉛が方向性を持たず無秩序で且つ均一に分布した存在形態を備えるA型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄の製造方法であって、
溶湯中の化学組成は、質量%で、C:2.8〜4.0%、Si:1.4〜2.6%、Mn:1.1〜3.0%、P:0.01〜0.6%、S:0.01〜0.30%およびB:0.01〜0.20%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつ、前記Mn含有量の前記S含有量に対する比(Mn/S)が3〜300の範囲となるように調整することを特徴とする片状黒鉛鋳鉄の製造方法。 - 前記溶湯は、鋼板スクラップを投入し溶融させた溶融物を少なくとも一部含む請求項6記載の片状黒鉛鋳鉄の製造方法。
- 前記鋼板スクラップの少なくとも一部は、Mn含有量が3.0質量%以下であり、Mnを含有する高張力鋼板スクラップである請求項7記載の片状黒鉛鋳鉄の製造方法。
- 前記調整時に、希土類元素およびミッシュメタルは添加しない請求項6〜8のいずれか1項記載の片状黒鉛鋳鉄の製造方法。
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