JP6087402B2 - 球状黒鉛鋳鉄とその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は球状黒鉛鋳鉄とその製造方法に関する。
一般に鋳造では複雑な形状の構造品が容易に作製できる。従って高強度・高延性を有する球状黒鉛鋳鉄を得ることができると、その使用用途を広げることができる。
前記高強度・高延性等の機械的性質のよい球状黒鉛鋳鉄を得る方法としては、その成分組成を改良する方法、熱処理を含む製造方法を改良する方法がある。
成分組成を改良する方法の１つとしては、Ｎｉ、Ｍｏ、その他の高価な金属を含有させる方法があるが、コストが嵩む問題がある。
また製造方法を改良する方法の１つとして、オーステンパー等の熱処理を行う方法があるが、高価で扱いにくい塩浴を用いる問題や、長時間の熱処理による電気代等のコスト増大の問題がある。
前記高強度・高延性等の機械的性質のよい球状黒鉛鋳鉄を得る方法としては、その成分組成を改良する方法、熱処理を含む製造方法を改良する方法がある。
成分組成を改良する方法の１つとしては、Ｎｉ、Ｍｏ、その他の高価な金属を含有させる方法があるが、コストが嵩む問題がある。
また製造方法を改良する方法の１つとして、オーステンパー等の熱処理を行う方法があるが、高価で扱いにくい塩浴を用いる問題や、長時間の熱処理による電気代等のコスト増大の問題がある。
上記特許文献１〜７の発明は、何れも恒温変態処理であるオーステンパー処理を行う球状黒鉛鋳鉄に関する発明である。このため、塩浴を用いることを前提としており、塩浴による有害ガス発生の対処の問題、塩浴の液が鋳物に付着し或いは作業者に触れることによる安全面での問題、作業性の問題、付着した塩を取り除く後処理の問題が解決できない。
また上記特許文献２、５、７の発明では、ＮｉやＭｏ等の高価な金属を使用しており、コストが嵩む問題がある。
また上記特許文献２、５、７の発明では、ＮｉやＭｏ等の高価な金属を使用しており、コストが嵩む問題がある。
そこで本発明は上記従来の問題点を解消し、安全面、取扱い面、後処理面で問題が多い塩浴によるオーステンパー処理を行うことなく、また高価な金属を成分として用いることなく、また比較的短時間の熱処理でエネルギーコストを安く、且つオーステンパー処理を施したものに劣らぬ組織的、機械的特性を備えることができる球状黒鉛鋳鉄とその製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決する本発明の球状黒鉛鋳鉄は、質量パーセントで、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜４．５％、Ｍｎ：１．０〜１．６％（ただし１．０％を含まず）、Ｃｕ：１．５〜３．０％（ただし１．５％を含まず）、Ｍｇ：０．０１５〜０．０６０％、Ａｌ：０〜０．２％、を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、
基地組織がベイナイトと残留オーステナイトから構成され、引張強さが８５０Ｎ／ｍｍ２以上、伸びが７．０％以上であることを第１の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄は、上記第１の特徴に加えて、Ａｌの含有量を、質量パーセントで、０．０３〜０．１５％とすることを第２の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、上記第１の特徴又は第２の特徴に記載の球状黒鉛鋳鉄を製造する製造方法であって、
一旦鋳造したものを、８００〜１１００℃でオーステナイト化した後、第１次冷却処理として、パーライト変態が生じない速度で第１次冷却温度である３００〜５００℃まで水冷し、次に第２次冷却処理として、前記第１次冷却処理温度である３００〜５００℃から第２次冷却温度である２５０〜３００℃までを、恒温保持することなく、０．６〜１２．０℃／分の冷却速度で連続的に冷却することを第３の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、上記第３の特徴に加えて、オーステナイト化した後、第１次冷却処理として、パーライト変態が生じない速度で第１次冷却温度である３５０〜４５０℃まで水冷し、次に第２次冷却処理として、前記第１次冷却温度である３５０〜４５０℃から第２次冷却温度である２５０〜３００℃までを、恒温保持することなく、１．８〜３．０℃／分の冷却速度で連続的に冷却し、その後は第３次冷却処理として、空冷若しくは水冷することを第４の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、上記第３又は第４の特徴に加えて、オーステナイト化したものを第１次冷却処理により第１次冷却温度まで水冷した後、第２次冷却処理により第２次冷却温度まで連続的に冷却する際には、空冷を行うと共に対象物を保温手段で覆うことで、所定の冷却速度を得るようにしたことを第５の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、上記第３又は第４の特徴に加えて、オーステナイト化したものを第１次冷却処理により第１次冷却温度まで水冷した後、第２次冷却処理により第２次冷却温度まで連続的に冷却する際には、炉冷により所定の冷却速度を得るようにしたことを第６の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、上記第３〜第６の何れかの特徴に加えて、第１次冷却温度と第２次冷却温度との差を１００℃以上とすることを第７の特徴としている。
基地組織がベイナイトと残留オーステナイトから構成され、引張強さが８５０Ｎ／ｍｍ２以上、伸びが７．０％以上であることを第１の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄は、上記第１の特徴に加えて、Ａｌの含有量を、質量パーセントで、０．０３〜０．１５％とすることを第２の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、上記第１の特徴又は第２の特徴に記載の球状黒鉛鋳鉄を製造する製造方法であって、
一旦鋳造したものを、８００〜１１００℃でオーステナイト化した後、第１次冷却処理として、パーライト変態が生じない速度で第１次冷却温度である３００〜５００℃まで水冷し、次に第２次冷却処理として、前記第１次冷却処理温度である３００〜５００℃から第２次冷却温度である２５０〜３００℃までを、恒温保持することなく、０．６〜１２．０℃／分の冷却速度で連続的に冷却することを第３の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、上記第３の特徴に加えて、オーステナイト化した後、第１次冷却処理として、パーライト変態が生じない速度で第１次冷却温度である３５０〜４５０℃まで水冷し、次に第２次冷却処理として、前記第１次冷却温度である３５０〜４５０℃から第２次冷却温度である２５０〜３００℃までを、恒温保持することなく、１．８〜３．０℃／分の冷却速度で連続的に冷却し、その後は第３次冷却処理として、空冷若しくは水冷することを第４の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、上記第３又は第４の特徴に加えて、オーステナイト化したものを第１次冷却処理により第１次冷却温度まで水冷した後、第２次冷却処理により第２次冷却温度まで連続的に冷却する際には、空冷を行うと共に対象物を保温手段で覆うことで、所定の冷却速度を得るようにしたことを第５の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、上記第３又は第４の特徴に加えて、オーステナイト化したものを第１次冷却処理により第１次冷却温度まで水冷した後、第２次冷却処理により第２次冷却温度まで連続的に冷却する際には、炉冷により所定の冷却速度を得るようにしたことを第６の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、上記第３〜第６の何れかの特徴に加えて、第１次冷却温度と第２次冷却温度との差を１００℃以上とすることを第７の特徴としている。
請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄によれば、そこに示された成分組成とすることにより、現に、安全面、取扱い面、後処理面で問題が多い塩浴によるオーステンパー処理を行うことなく、水冷や空冷或いは炉冷という安価で安全な冷却手段を用いて、しかも恒温処理ではなく連続冷却処理によって、基地組織がベイナイトと残留オーステナイトから構成される組織に容易に調整することができ、且つ引張強さが８５０Ｎ／ｍｍ２以上で、伸びが７．０％以上のものを容易に得ることが可能となる。
また請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、Ａｌの含有を必須としてより限定することで、一層容易に基地組織をベイナイトと残留オーステナイトから構成される組織に調整することができると共に、引張強さを８５０Ｎ／ｍｍ２以上で、伸びが７．０％以上のものを一層容易に得ることが可能となる。
また請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、Ａｌの含有を必須としてより限定することで、一層容易に基地組織をベイナイトと残留オーステナイトから構成される組織に調整することができると共に、引張強さを８５０Ｎ／ｍｍ２以上で、伸びが７．０％以上のものを一層容易に得ることが可能となる。
また請求項３に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法によれば、請求項１又は請求項２に記載の成分組成のものが一旦鋳造される。そしてこの鋳造品を熱処理の対象物として、８００〜１１００℃でオーステナイト化され、その後、第１次冷却処理として、パーライト変態が生じない速度で第１次冷却温度である３００〜５００℃まで水冷され、次に第２次冷却処理として、前記第１次冷却温度から第２次冷却温度である２５０〜３００℃までを、恒温保持されることなく、０．６〜１２．０℃／分の冷却速度で連続的に冷却される。これによって、対象物は上部ベイナイトと残留オーステナイトから構成される基地組織とした球状黒鉛鋳鉄となり、引張強さが８５０Ｎ／ｍｍ２以上で、伸びが７．０％以上のものを得ることが可能となる。
オーステンパー処理のための塩浴を必要としないので、安全面、取扱い面、後処理面においてのメリットが大きい。また連続冷却であるので、比較的短時間での処理が可能となって、作業時間やエネルギーコストの低減を期待できる。また高価な金属を用いなくともオーステンパー処理を施したものに劣らぬ組織的、機械的特性を備えた球状黒鉛鋳鉄製品を得ることが可能となる。
また請求項４に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法によれば、上記請求項３に記載の構成による作用効果に加えて、鋳造された対象物はオーステナイト化された後、第１次冷却処理として、パーライト変態が生じない速度で第１次冷却温度である３５０〜４５０℃まで水冷され、次に第２次冷却処理として、第１次冷却温度である３５０〜４５０℃から第２次冷却温度である２５０〜３００℃までを、恒温保持されることなく、１．８〜３．０℃／分の冷却速度で連続的に冷却され、更に第３次冷却処理として、空冷若しくは水冷される。
処理温度と冷却速度をより限られた範囲に限定することで、一層確実に所定の組織と引張強度、伸びの特性を得ることができる。
オーステンパー処理のための塩浴を必要としないので、安全面、取扱い面、後処理面においてのメリットが大きい。また連続冷却であるので、比較的短時間での処理が可能となって、作業時間やエネルギーコストの低減を期待できる。また高価な金属を用いなくともオーステンパー処理を施したものに劣らぬ組織的、機械的特性を備えた球状黒鉛鋳鉄製品を得ることが可能となる。
また請求項４に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法によれば、上記請求項３に記載の構成による作用効果に加えて、鋳造された対象物はオーステナイト化された後、第１次冷却処理として、パーライト変態が生じない速度で第１次冷却温度である３５０〜４５０℃まで水冷され、次に第２次冷却処理として、第１次冷却温度である３５０〜４５０℃から第２次冷却温度である２５０〜３００℃までを、恒温保持されることなく、１．８〜３．０℃／分の冷却速度で連続的に冷却され、更に第３次冷却処理として、空冷若しくは水冷される。
処理温度と冷却速度をより限られた範囲に限定することで、一層確実に所定の組織と引張強度、伸びの特性を得ることができる。
また請求項５に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法によれば、上記請求項３又は請求項４に記載の構成による作用効果に加えて、第２次冷却処理により第２次冷却温度まで連続的に冷却する際には、空冷を行うと共に対象物を保温手段で覆うことで、冷却速度を抑制し、これによって所定の冷却速度を得るようにしている。即ち、一般的な空冷を用いるよりも、対象物の空冷速度を適当に緩慢化して所定の冷却速度に調整することができ、塩浴のような問題の多い冷却手段を用いることなく、良好な機械的性質を備えた球状黒鉛鋳鉄を得ることができる。
また請求項６に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法によれば、上記請求項３又は請求項４に記載の構成による作用効果に加えて、第２次冷却処理により第２次冷却温度まで連続的に冷却する際には、炉冷により却冷却速度を抑制し、これによって所定の冷却速度を得るようにしている。即ち、炉内条件を予め調整しておくことで、対象物の冷却速度を緩慢化して所定の冷却速度に調整することができる。
よって塩浴のような問題の多い冷却手段を用いることなく、良好な機械的性質を備えた球状黒鉛鋳鉄を得ることができる。
また請求項７に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法によれば、上記請求項３〜６の何れかに記載の構成による作用効果に加えて、第１次冷却温度と第２次冷却温度との差を１００℃以上とすることにより、良好な強度と伸びを得るための上部ベイナイト組織の十分な析出に必要な時間として、第１次冷却温度から第２次冷却温度までの徐冷時間を十分に確保することができる。勿論、この徐冷時間は従来のオーステンパー処理時間と比べて、十分に短い時間である。
また請求項６に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法によれば、上記請求項３又は請求項４に記載の構成による作用効果に加えて、第２次冷却処理により第２次冷却温度まで連続的に冷却する際には、炉冷により却冷却速度を抑制し、これによって所定の冷却速度を得るようにしている。即ち、炉内条件を予め調整しておくことで、対象物の冷却速度を緩慢化して所定の冷却速度に調整することができる。
よって塩浴のような問題の多い冷却手段を用いることなく、良好な機械的性質を備えた球状黒鉛鋳鉄を得ることができる。
また請求項７に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法によれば、上記請求項３〜６の何れかに記載の構成による作用効果に加えて、第１次冷却温度と第２次冷却温度との差を１００℃以上とすることにより、良好な強度と伸びを得るための上部ベイナイト組織の十分な析出に必要な時間として、第１次冷却温度から第２次冷却温度までの徐冷時間を十分に確保することができる。勿論、この徐冷時間は従来のオーステンパー処理時間と比べて、十分に短い時間である。
本発明の球状黒鉛鋳鉄について、使用する鋳鉄材料の成分組成における各成分元素の含有範囲について以下に説明する。なお、以下において含有量は質量％で記載する。
Ｃの含有量は、３．０〜４．０％とする。
Ｃは球状黒鉛を晶出させるのに必須の元素である。Ｃの含有量が３．０％未満になると鋳造欠陥や引け巣、チル化が生じ易くなる。４．０％を超えると、キッシュグラファイトが晶出し易く、強度の低下を招く。
Ｃの含有量は、引け巣、チル化の発生防止とキッシュグラファイトの晶出防止を考慮して、３．３〜４．０％が好ましく、更に好ましくは３．６〜４．０％とするのがよい。
Ｃは球状黒鉛を晶出させるのに必須の元素である。Ｃの含有量が３．０％未満になると鋳造欠陥や引け巣、チル化が生じ易くなる。４．０％を超えると、キッシュグラファイトが晶出し易く、強度の低下を招く。
Ｃの含有量は、引け巣、チル化の発生防止とキッシュグラファイトの晶出防止を考慮して、３．３〜４．０％が好ましく、更に好ましくは３．６〜４．０％とするのがよい。
Ｓｉの含有量は、１．５〜４．５％とする。
Ｓｉは強い黒鉛化作用があり、Ｃの１／３程度の割合で状態図を高Ｃ側に動かす。１．５％未満ではＣの黒鉛化作用を十分発揮させることができない。また４．５％を超えると、黒鉛の球状化の不良を起こし易い。
Ｓｉの含有量は、Ｃの黒鉛化促進と黒鉛の球状化効果を考慮して、１．８〜４．０％が好ましく、更に好ましくは１．８〜３．０％とするのがよい。
Ｓｉは強い黒鉛化作用があり、Ｃの１／３程度の割合で状態図を高Ｃ側に動かす。１．５％未満ではＣの黒鉛化作用を十分発揮させることができない。また４．５％を超えると、黒鉛の球状化の不良を起こし易い。
Ｓｉの含有量は、Ｃの黒鉛化促進と黒鉛の球状化効果を考慮して、１．８〜４．０％が好ましく、更に好ましくは１．８〜３．０％とするのがよい。
Ｍｎの含有量は、０．５〜２．０％とする。
Ｍｎはオーステナイトを安定化させ、焼入れ性を向上させる。２．０％を超えると、チル化を促進し、熱処理に悪影響を与える。一方、０．５％未満ではオーステナイト安定化の効果が低い。
Ｍｎの含有量は、焼入れ性の向上、チル化の防止と、オーステナイト安定化の効果を考慮して、１．０〜２．０％がより好ましく、更に好ましくは１．０〜１．６％がよい。
Ｍｎはオーステナイトを安定化させ、焼入れ性を向上させる。２．０％を超えると、チル化を促進し、熱処理に悪影響を与える。一方、０．５％未満ではオーステナイト安定化の効果が低い。
Ｍｎの含有量は、焼入れ性の向上、チル化の防止と、オーステナイト安定化の効果を考慮して、１．０〜２．０％がより好ましく、更に好ましくは１．０〜１．６％がよい。
Ｃｕの含有量は、０．５〜３．０％とする。
Ｃｕは黒鉛化促進作用があるため、Ｍｎによるチル化を抑制する。更にＣｕはオーステナイトを安定化させて焼入れ性を向上させる。オーステナイトには３．０％までしか固溶しないため、上限を３．０％とする。一方、０．５％未満ではＭｎによるチル化の抑制効果が薄いため、加減を０．５％とした。
Ｃｕの含有量は、Ｍｎによるチル化の抑制、オーステナイトの安定化、固溶性を考慮して、好ましくは１．０〜３．０％がよく、更に好ましくは１．５〜３．０％がよい。
Ｃｕは黒鉛化促進作用があるため、Ｍｎによるチル化を抑制する。更にＣｕはオーステナイトを安定化させて焼入れ性を向上させる。オーステナイトには３．０％までしか固溶しないため、上限を３．０％とする。一方、０．５％未満ではＭｎによるチル化の抑制効果が薄いため、加減を０．５％とした。
Ｃｕの含有量は、Ｍｎによるチル化の抑制、オーステナイトの安定化、固溶性を考慮して、好ましくは１．０〜３．０％がよく、更に好ましくは１．５〜３．０％がよい。
Ｍｇの含有量は、０．０１５〜０．０６０％とする。
Ｍｇは溶湯中で気化し、その気泡中にＣが拡散して行き、球状黒鉛を作り出すため、球状黒鉛鋳鉄作製には必須である。溶湯に残留するＭｇの含有量が０．０１５％未満の場合は、黒鉛が自由に成長し、球状ではなく、片状となり易い。一方、残留するＭｇが０．０６０％を超えると、Ｍｇの有する炭化物形成促進作用による炭化物が出易くなり、好ましくない。
Ｍｇの含有量は、球状黒鉛の生成促進と、炭化物生成の抑制を考慮して、０．０２〜０．０６０％が好ましい。
Ｍｇは溶湯中で気化し、その気泡中にＣが拡散して行き、球状黒鉛を作り出すため、球状黒鉛鋳鉄作製には必須である。溶湯に残留するＭｇの含有量が０．０１５％未満の場合は、黒鉛が自由に成長し、球状ではなく、片状となり易い。一方、残留するＭｇが０．０６０％を超えると、Ｍｇの有する炭化物形成促進作用による炭化物が出易くなり、好ましくない。
Ｍｇの含有量は、球状黒鉛の生成促進と、炭化物生成の抑制を考慮して、０．０２〜０．０６０％が好ましい。
Ａｌの含有量は、０〜０．２％とする。
Ａｌは溶湯中の窒素濃度を下げ、黒鉛化促進作用があるが、０．２％以上添加すると湯流れが悪くなる。
Ａｌの含有は必須ではないが、含有させるのが好ましい。黒鉛化促進作用、湯流れを考慮して、好ましい含有量は０．０１〜０．２％である。更に好ましくは０．０３〜０．１５％がよい。
Ａｌは溶湯中の窒素濃度を下げ、黒鉛化促進作用があるが、０．２％以上添加すると湯流れが悪くなる。
Ａｌの含有は必須ではないが、含有させるのが好ましい。黒鉛化促進作用、湯流れを考慮して、好ましい含有量は０．０１〜０．２％である。更に好ましくは０．０３〜０．１５％がよい。
上記各添加元素の含有量の残部がＦｅである。
なお、ＰやＳは実際の製品では、いわゆる不可避的不純物として混入され得るが、本発明ではそれらの不純物は、積極的に含有させる対象ではない。
なお、ＰやＳは実際の製品では、いわゆる不可避的不純物として混入され得るが、本発明ではそれらの不純物は、積極的に含有させる対象ではない。
本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造について説明する。
上記した球状黒鉛鋳鉄の各成分組成となるように、原料を調整し、これを電気炉で溶融し、更に溶湯を取鍋に移して、黒鉛球状化処理を施し、その後、所定の形状に鋳込む。
上記した球状黒鉛鋳鉄の各成分組成となるように、原料を調整し、これを電気炉で溶融し、更に溶湯を取鍋に移して、黒鉛球状化処理を施し、その後、所定の形状に鋳込む。
（オーステナイト化処理）
上記の鋳込み工程で得られた鋳放し状態の鋳造品を用い、更に熱処置を施す。
この熱処置は、先ずオーステナイト化処理を行う。
オーステナイト化処理は、前記一旦鋳放し鋳造したものを、８００〜１１００℃に加熱して保持し、組織をオーステナイト化することにより行う。
８００〜１１００℃での保持時間は、例えば３０分〜６時間とすることができる。好ましくは、基地組織のオーステナイト化が十分に行え、且つ無駄な加熱エネルギーの低減のため、１〜２時間がよい。
上記の鋳込み工程で得られた鋳放し状態の鋳造品を用い、更に熱処置を施す。
この熱処置は、先ずオーステナイト化処理を行う。
オーステナイト化処理は、前記一旦鋳放し鋳造したものを、８００〜１１００℃に加熱して保持し、組織をオーステナイト化することにより行う。
８００〜１１００℃での保持時間は、例えば３０分〜６時間とすることができる。好ましくは、基地組織のオーステナイト化が十分に行え、且つ無駄な加熱エネルギーの低減のため、１〜２時間がよい。
（第１次冷却処理）
次に前記オーステナイト化された鋳造品を、そのオーステナイト化温度から、第１次冷却する。
第１次冷却速度は、パーライト変態が生じない速度とし、第１次冷却温度である３００〜５００℃まで冷却する。
第１次冷却速度は、具体的には４８０℃／分以上の冷却速度とし、冷却は水冷で行う。
第１次冷却速度が４８０℃／分未満では、パーライト変態を起こす可能性がある。
また第１次冷却温度が５００℃を超える温度となる場合には、パーライト変態を起こし易くなるので好ましくない。
一方、第１次冷却温度が３００℃未満の温度となる場合には、下部ベイナイト組織やマルテンサイト組織に変態するおそれがある。
前記した第１次冷却温度は、パーライト発生の防止と下部ベイナイトやマルテンサイト発生の防止を考慮して、３５０〜４５０℃がより好ましい。
次に前記オーステナイト化された鋳造品を、そのオーステナイト化温度から、第１次冷却する。
第１次冷却速度は、パーライト変態が生じない速度とし、第１次冷却温度である３００〜５００℃まで冷却する。
第１次冷却速度は、具体的には４８０℃／分以上の冷却速度とし、冷却は水冷で行う。
第１次冷却速度が４８０℃／分未満では、パーライト変態を起こす可能性がある。
また第１次冷却温度が５００℃を超える温度となる場合には、パーライト変態を起こし易くなるので好ましくない。
一方、第１次冷却温度が３００℃未満の温度となる場合には、下部ベイナイト組織やマルテンサイト組織に変態するおそれがある。
前記した第１次冷却温度は、パーライト発生の防止と下部ベイナイトやマルテンサイト発生の防止を考慮して、３５０〜４５０℃がより好ましい。
（第２次冷却処理）
前記第１次冷却処理により３００〜５００℃まで水冷された鋳造品は、その第１次冷却温度で恒温保持されることなく、引き続いて連続的に第２次冷却処理に供される。
第２次冷却処理は、具体的には第２次冷却速度を０．６〜１２．０℃／分とし、第２次冷却温度である２５０〜３００℃まで冷却する処理である。
第２次冷却速度０．６〜１２．０℃／分を得るには空冷若しくは炉冷が必要となり、水冷では冷却速度が速すぎる。
第２次冷却処理を空冷で行う場合は、空冷対象物である鋳造品をセラミック製ウール等の保温材で包む等して、適当に断熱、保温しながら行うのがよい。このように空冷対象物を保温材で保温しながら空冷することで、空冷対象物の冷却速度を緩慢に調整し、所定の第２次冷却速度である０．６〜１２．０℃／分にすることができる。
第２次冷却処理を炉冷で行うこともできる。炉冷で行う場合には、炉内温度を予め第１次冷却温度に調整した炉を用意し、水冷により第１次冷却処理を施した対象物を前記調整済みの炉の中に入れ、炉冷を行う。炉冷に用いる炉は、炉冷での冷却速度が前記第２次冷却速度０．６〜１２．０℃／分の範囲に入るものを用いる必要がある。
前記第１次冷却処理により３００〜５００℃まで水冷された鋳造品は、その第１次冷却温度で恒温保持されることなく、引き続いて連続的に第２次冷却処理に供される。
第２次冷却処理は、具体的には第２次冷却速度を０．６〜１２．０℃／分とし、第２次冷却温度である２５０〜３００℃まで冷却する処理である。
第２次冷却速度０．６〜１２．０℃／分を得るには空冷若しくは炉冷が必要となり、水冷では冷却速度が速すぎる。
第２次冷却処理を空冷で行う場合は、空冷対象物である鋳造品をセラミック製ウール等の保温材で包む等して、適当に断熱、保温しながら行うのがよい。このように空冷対象物を保温材で保温しながら空冷することで、空冷対象物の冷却速度を緩慢に調整し、所定の第２次冷却速度である０．６〜１２．０℃／分にすることができる。
第２次冷却処理を炉冷で行うこともできる。炉冷で行う場合には、炉内温度を予め第１次冷却温度に調整した炉を用意し、水冷により第１次冷却処理を施した対象物を前記調整済みの炉の中に入れ、炉冷を行う。炉冷に用いる炉は、炉冷での冷却速度が前記第２次冷却速度０．６〜１２．０℃／分の範囲に入るものを用いる必要がある。
第２次冷却処理により、処理対象物である鋳造品の基地組織が上部ベイナイトと残留オーステナイトになる。
第２次冷却速度０．６〜１２．０℃／分は、前記第１次冷却の冷却速度４８０℃／分に比べて、かなり遅いが、オーステンパー処理で用いる恒温保持に比べると、速い冷却速度であると言える。
第２次冷却速度０．６〜１２．０℃／分は、前記第１次冷却の冷却速度４８０℃／分に比べて、かなり遅いが、オーステンパー処理で用いる恒温保持に比べると、速い冷却速度であると言える。
第２次冷却速度は、基地組織が確実に上部ベイナイトと残留オーステナイトになり、下部ベイナイトやマルテンサイトの発生を確実に防止する観点から、１．８〜３．０℃／分とするのがより好ましい。
オーステンパー処理では恒温保持するが、本発明では連続冷却する。この連続冷却を採用することで、熱処理時間を実質的に短縮することができ、後述の塩浴液の付着取り除き作業時間の解消等と相俟って、製造時間と製造コストの大きな低減化を図ることができる。
また塩浴を用いないことで、塩浴による有害ガス発生の対処の問題、塩浴の液が鋳物に付着し或いは作業者に触れることによる安全面での問題、作業性の問題、付着した塩を取り除く後処理の問題等の難しい問題が全て解決できる。
また塩浴を用いないことで、塩浴による有害ガス発生の対処の問題、塩浴の液が鋳物に付着し或いは作業者に触れることによる安全面での問題、作業性の問題、付着した塩を取り除く後処理の問題等の難しい問題が全て解決できる。
第２次冷却速度は、処理対象物である鋳造品がより安定した上部ベイナイトと残留オーステナイトから構成される基地組織になるように、第１次冷却温度よりも少なくとも５０℃以上低い温度とする。好ましくは１００℃以上低い温度とするのがよい。
第２次冷却速度が０．６〜１２．０℃／分であるので、第１次冷却温度と第２次冷却温度との差が５０℃未満の場合、第２次冷却処理時間が総じて短くなりすぎ、上部ベイナイトの十分な量を確保できない。
第１次冷却温度と第２次冷却温度との差が１００℃以上とすることで、第２次冷却処理時間が短くなりすぎないようにして、上部ベイナイトの十分な量を確保することができる。
第２次冷却速度が０．６〜１２．０℃／分であるので、第１次冷却温度と第２次冷却温度との差が５０℃未満の場合、第２次冷却処理時間が総じて短くなりすぎ、上部ベイナイトの十分な量を確保できない。
第１次冷却温度と第２次冷却温度との差が１００℃以上とすることで、第２次冷却処理時間が短くなりすぎないようにして、上部ベイナイトの十分な量を確保することができる。
また第１次冷却温度と第２次冷却温度との温度差が小さいほど、第２次冷却速度を小さくする。例えば温度差が５０〜１００℃の場合は、第２次冷却速度は０．６〜１．８℃／分程度とし、温度差が１００〜２００℃の場合は、第２次冷却速度は１．８〜３．０℃／分、温度差が２００〜２５０℃の場合は、第２次冷却速度は３．０〜１２．０℃／分とすることができる。
以上のように第１次冷却温度と第２次冷却温度との差の大小に応じて、第２次冷却速度を大小に相関させて変更することで、上部ベイナイトの量を確保しながら、処理時間の短縮を図ることができる。
以上のように第１次冷却温度と第２次冷却温度との差の大小に応じて、第２次冷却速度を大小に相関させて変更することで、上部ベイナイトの量を確保しながら、処理時間の短縮を図ることができる。
（第３次冷却処理）
上記第２次冷却処理により、２５０〜３００℃まで所定の冷却速度で空冷された鋳造品は、その第２次冷却温度から、引き続き常温まで第３次冷却される。第２次冷却処理で処理対象物の鋳造品の組織は基地組織並びに晶析出物において既に定まっているので、この第３次冷却には特別大きな意味はない。冷却の仕方は自由である。ただし、水冷により時間短縮ができる。
上記第２次冷却処理により、２５０〜３００℃まで所定の冷却速度で空冷された鋳造品は、その第２次冷却温度から、引き続き常温まで第３次冷却される。第２次冷却処理で処理対象物の鋳造品の組織は基地組織並びに晶析出物において既に定まっているので、この第３次冷却には特別大きな意味はない。冷却の仕方は自由である。ただし、水冷により時間短縮ができる。
実施例１〜７の各球状黒鉛鋳鉄材料を、それぞれ電気（高周波）炉を用いて１４００〜１５００℃で約１時間溶融し、これを約１４５０℃で取鍋に移し、Ｍｇを用いてサンドイッチ法で球状化処理を施した後、約１４００℃で鋳型に鋳造し、鋳造品を得た。
各実施例１〜７の鋳放し鋳造品の成分組成を表１に示す。
併せて、比較例１（特開平１１−１７１５号）の球状黒鉛鋳鉄材料の成分組成を表１に示す。
各実施例１〜７の鋳放し鋳造品の成分組成を表１に示す。
併せて、比較例１（特開平１１−１７１５号）の球状黒鉛鋳鉄材料の成分組成を表１に示す。
次に各実施例１〜７について、鋳放し状態の鋳造品に対する熱処理として、８００℃で１時間保持してオーステナイト化熱処理し、次いで第１次冷却処理、第２次冷却処理、第３次冷却処理を連続して施した。
各実施例１〜７において、オーステナイト化後における第１次〜第３次の熱処理は次の通りである。
各実施例１〜７において、オーステナイト化後における第１次〜第３次の熱処理は次の通りである。
＜実施例１＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、４５０℃まで水冷
第２次冷却処理：４５０℃から３００℃までを３．０℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物をセラミックウールで包み覆って、炉外で空冷
第３次冷却処理：３００℃から水冷
＜実施例２＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、４００℃まで水冷
第２次冷却処理：４００℃から３００℃までを２．４℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物をセラミックウールで包み覆って、炉外で空冷
第３次冷却処理：３００℃から水冷
＜実施例３＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、３５０℃まで水冷
第２次冷却処理：３５０℃から３００℃までを２．４℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物をセラミックウールで包み覆って、炉外で空冷
第３次冷却処理：３００℃から水冷
＜実施例４＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、４００℃まで水冷
第２次冷却処理：４００℃から３００℃までを０．６℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物を炉内で冷却
第３次冷却処理：３００℃から水冷
＜実施例５＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、４００℃まで水冷
第２次冷却処理：４００℃から３００℃までを２．４℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物をセラミックウールで包み覆って、炉外で空冷
第３次冷却処理：３００℃から水冷
＜実施例６＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、３５０℃まで水冷
第２次冷却処理：３５０℃から３００℃までを２．４℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物をセラミックウールで包み覆って、炉外で空冷
第３次冷却処理：３００℃から水冷
＜実施例７＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、４００℃まで水冷
第２次冷却処理：４００℃から３００℃までを０．６℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物を炉内で冷却
第３次冷却処理：３００℃から水冷
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、４５０℃まで水冷
第２次冷却処理：４５０℃から３００℃までを３．０℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物をセラミックウールで包み覆って、炉外で空冷
第３次冷却処理：３００℃から水冷
＜実施例２＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、４００℃まで水冷
第２次冷却処理：４００℃から３００℃までを２．４℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物をセラミックウールで包み覆って、炉外で空冷
第３次冷却処理：３００℃から水冷
＜実施例３＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、３５０℃まで水冷
第２次冷却処理：３５０℃から３００℃までを２．４℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物をセラミックウールで包み覆って、炉外で空冷
第３次冷却処理：３００℃から水冷
＜実施例４＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、４００℃まで水冷
第２次冷却処理：４００℃から３００℃までを０．６℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物を炉内で冷却
第３次冷却処理：３００℃から水冷
＜実施例５＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、４００℃まで水冷
第２次冷却処理：４００℃から３００℃までを２．４℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物をセラミックウールで包み覆って、炉外で空冷
第３次冷却処理：３００℃から水冷
＜実施例６＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、３５０℃まで水冷
第２次冷却処理：３５０℃から３００℃までを２．４℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物をセラミックウールで包み覆って、炉外で空冷
第３次冷却処理：３００℃から水冷
＜実施例７＞
第１次冷却処理：８００℃で１時間保持（オーステナイト化）後、４００℃まで水冷
第２次冷却処理：４００℃から３００℃までを０．６℃／分の冷却速度で連続冷却
：対象物を炉内で冷却
第３次冷却処理：３００℃から水冷
得られた熱処理済みの実施例１〜７の各鋳造品のブロックから２４０×３０×２５ｍｍの供試材を切り出し、更にＪＩＳ４号引張試験片に作製した。得られた引張強さと伸びを表１に示す。
比較例１は、上記特許文献４（特開平１１−１７１５号）の表１に示す組成からなるフライホィールである。
熱処理は、８５０〜９２０℃で０．５〜２．０時間保持後、３７０〜４００℃で０．５〜２．５時間オーステンパー処理し、その後空冷した。
使用炉はソルト炉である。
比較例１の引張強さと伸びの機械的性質を併せて表１に示す。
熱処理は、８５０〜９２０℃で０．５〜２．０時間保持後、３７０〜４００℃で０．５〜２．５時間オーステンパー処理し、その後空冷した。
使用炉はソルト炉である。
比較例１の引張強さと伸びの機械的性質を併せて表１に示す。
表１より明らかなように、実施例１〜７においては、何れも引張強さが８５０Ｎ／ｍｍ２以上で、伸びが７．０％以上の良好な機械的性質を示した。
また実施例５や実施例７と比較例１とを比べてもわかるように、本発明によればオーステンパー処理した比較例１に劣らぬ良好な機械的性質を得ることができることが分かった。
また実施例５や実施例７と比較例１とを比べてもわかるように、本発明によればオーステンパー処理した比較例１に劣らぬ良好な機械的性質を得ることができることが分かった。
Claims (7)
- 質量パーセントで、
Ｃ ：３．０〜４．０％、
Ｓｉ ：１．５〜４．５％、
Ｍｎ ：１．０〜１．６％（ただし１．０％を含まず）、
Ｃｕ ：１．５〜３．０％（ただし１．５％を含まず）、
Ｍｇ ：０．０１５〜０．０６０％、
Ａｌ ：０〜０．２％、
を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、
基地組織がベイナイトと残留オーステナイトから構成され、引張強さが８５０Ｎ／ｍｍ２以上、伸びが７．０％以上であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄。 - Ａｌの含有量を、質量パーセントで、０．０３〜０．１５％とすることを特徴とする請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄。
- 請求項１又は２に記載の球状黒鉛鋳鉄を製造する製造方法であって、
一旦鋳造したものを、８００〜１１００℃でオーステナイト化した後、第１次冷却処理として、パーライト変態が生じない速度で第１次冷却温度である３００〜５００℃まで水冷し、次に第２次冷却処理として、前記第１次冷却処理温度である３００〜５００℃から第２次冷却温度である２５０〜３００℃までを、恒温保持することなく、０．６〜１２．０℃／分の冷却速度で連続的に冷却することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の製造方法。 - オーステナイト化した後、第１次冷却処理として、パーライト変態が生じない速度で第１次冷却温度である３５０〜４５０℃まで水冷し、次に第２次冷却処理として、前記第１次冷却温度である３５０〜４５０℃から第２次冷却温度である２５０〜３００℃までを、恒温保持することなく、１．８〜３．０℃／分の冷却速度で連続的に冷却し、その後は第３次冷却処理として、空冷若しくは水冷することを特徴とする請求項３に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
- オーステナイト化したものを第１次冷却処理により第１次冷却温度まで水冷した後、第２次冷却処理により第２次冷却温度まで連続的に冷却する際には、空冷を行うと共に対象物を保温手段で覆うことで、所定の冷却速度を得るようにしたことを特徴とする請求項３又は４に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
- オーステナイト化したものを第１次冷却処理により第１次冷却温度まで水冷した後、第２次冷却処理により第２次冷却温度まで連続的に冷却する際には、炉冷により所定の冷却速度を得るようにしたことを特徴とする請求項３又は４に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
- 第１次冷却温度と第２次冷却温度との差を１００℃以上とすることを特徴とする請求項３〜６の何れかに記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
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