JP6090905B2

JP6090905B2 - 高温延性と高温クリープ破断寿命に優れた球状黒鉛鋳鉄およびその製造方法

Info

Publication number: JP6090905B2
Application number: JP2012257347A
Authority: JP
Inventors: 田中　慎二; 田中　　慎二; 英記成田; 嶋田　聡; 聡嶋田; 朋一廣藤; 義裕松尾; 俊一石田
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2032-11-26
Also published as: JP2014105342A

Description

この発明は、高温における延性とクリープ特性に優れた球状黒鉛鋳鉄およびその製造方法に関する。

ＪＩＳＦＣＤ４００、ＦＣＤ４５０−１０などに代表される球状黒鉛鋳鉄は、普通鋳鉄に比べて高い強度を有しており、安価な工業材料としてクランク軸や発電タービンケーシングの低温部などの用途に広く利用されている。しかし、一般に球状黒鉛鋳鉄は、高温での強度が低く、３５０〜４３０℃の高温で、引張強さ、破断伸び、及び疲労強度が急激に低下する脆化現象が生じることが知られている。前記脆化現象はクリープ特性の低下も招く。このため高温において、高い強度とクリープ特性が必要とされる用途に使用することは困難であると考えられており、例えば、発電タービンケーシングの高温部に使用することはできない。したがって、一般に高温強度が要求される部位には高温強度の高い合金鋼を使用し、これを溶接することによって所望の形状を得る方法が採られている。高温強度が要求される部位にも鋳鉄を使用することができれば、材料費は低減され、さらに溶接などの手間を省くことができるので、製造コストを大幅に低減することが可能になる。

一方、特許文献１では、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｇを所定範囲量含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる高温強度に優れた球状黒鉛鋳鉄が提案されている。
また、特許文献２では、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｐ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｇを所定範囲量含有し、残部が主としてＦｅより成る高クリープ抵抗を有する球状黒鉛鋳鉄が提案されている。

特開平７−１１８７９０号公報特公昭３３−２１１３号公報

しかし、前記特許文献１及び特許文献２に記載された球状黒鉛鋳鉄においてもクリープ特性の点で十分な特性を得られていない。クリープ特性が改善されれば、高温で、高い強度及びクリープ特性が必要とされる用途に使用が可能となる。また、鋳鉄は引け巣が生じ難いため、チルの生成にさえ気をつければ薄肉化が容易であり、形状の自由度が高い。そのため、例えば、発電タービンケーシングを製造する場合、内面を滑らかな形状とすることで高圧高温の蒸気をスムーズに流すことが可能となる。その結果として、発電効率の向上も期待できる。

本願発明は上記事情を背景としてなされたものであり、高温で、高い強度及びクリープ特性を有し、高温環境での使用を可能とした球状黒鉛鋳鉄およびその製造方法を提供することを目的とするものである。

すなわち、本発明の球状黒鉛鋳鉄のうち、第１の本発明は、質量％でＣ：３．２〜４．４％、Ｓｉ：３〜４．８％、Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｐ：０．０３〜０．２％、Ｎｉ：０．３〜３．０％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：０．０１％〜０．３％未満を含有し、さらに、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂの１種または２種以上を合計量で０．０１％以上０．３％未満含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、３５０〜４３０℃での伸びが１０％以上、３５０〜４３０℃、３２０ＭＰａでのクリープ破断寿命が２５０時間以上であることを特徴とする。

第２の本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、前記第１の本発明に記載の前記組成の鋳鉄に対する球状化処理を行った後、７００〜９００℃、１時間以上のフェライト化熱処理を行うことを特徴とする。

以下に本発明における球状黒鉛鋳鉄の成分の具体的な作用とその限定理由について説明する。
Ｃ：３〜４．４％
Ｃは球状化処理により黒鉛化、球状化した黒鉛粒を確保するため含有させる。但し、Ｃ含有量が３％未満では炭化物が生成しやすく、引け巣が発生して延性が低下する。また、４．４％を越えて含有させると、Ｃドロスが発生したり偏析が生成したりして強度、延性が低下するので、Ｃ含有量は上記範囲に限定する。なお、同様の理由で下限を３．２％、上限を４．０％とするのが望ましい。

Ｓｉ：３〜４．８％
Ｓｉは黒鉛化を促進し、黒鉛を囲むフェライトを生成させて強度を上げるために含有させる。但し、Ｓｉ含有量が３％未満ではこれらの作用は不十分であり、また熱処理によって基地をフェライト化した場合、延性は得られるが引張強さは低下する。また、４．８％を越えて含有させると、基地が強化されるものの、シリコフェライトが生じて靭性が低下するのでＳｉ含有量は３〜４．８％に限定する。なお、同様の理由で下限を３．１％、上限を４．０％とするのが望ましい。
なお、ＣとＳｉにはよい相関があり、Ｃ／Ｓｉの比を１．５以下に設定することにより、より優れた高温延性が得られる。
具体的には、この比を１．５以下にすることで、４００℃での伸びを１０％以上、４００℃３２０ＭＰａでのクリープ破断寿命において１００時間以上確保することができる。従って、Ｃ、Ｓｉの上記含有量に加えて、Ｃ／Ｓｉ比を１．５以下に規制するのが望ましい。

Ｍｎ：０．１〜０．９％
Ｍｎはセル境界に炭化物を生成してクリープ破断寿命を延長させる。また、含有量を少なくしようとするとスクラップの使用が困難になり原料コストが上昇してしまう。従って、０．１％以上含有することが望ましい。しかしながら、含有量を増すと炭化物を多量に生成して逆にクリープ破断寿命を低下させるため、Ｍｎ合有量は０．１〜０．９％に限定する。同様の理由で０．１〜０．５％とするのが望ましい。

Ｐ：０．０３〜０．２％
Ｐは高温における伸びやクリープ破断伸びを確保するために含有させる。但し、０．０３％未満の含有量では高温での伸びやクリープ破断寿命は十分ではなく、また、０．２％を越えて含有させると、ステダイトを生成して脆化するので、Ｐ含有量は０．０３〜０．２％に限定する。なお、同様の理由で下限を０．０４％、上限を０．１％とするのが望ましい。

Ｎｉ：０．３〜３．０％
Ｎｉは高温強度とクリープ破断寿命を確保するために含有させる。但し、０．３％未満の含有量では高温延性やクリープ破断寿命の向上は不十分であり、また、３．０％を越えて含有させると特性は向上するものの、原料コストの上昇を招くため、Ｎｉの含有量は０．３〜３．０％に限定する。なお、同様の理由で下限を０．５％、上限を２．０％とするのが望ましい。

Ｍｏ：０．１〜１．５％
Ｍｏは高温におけるクリープ破断寿命を向上させるために含有させる。但し、０．１％未満の含有量ではその作用は不十分であり、また、１．５％を越えて含有させると、基地を固溶強化し過ぎたり、Ｍｏカーバイドを生成したりしてクリープ破断寿命を低下させるのでＭｏ含有量は０．１〜１．５％に限定する。なお、同様の理由で下限を０．２％、上限を１．０％とするのが望ましい。

Ｍｇ：０．０２〜０．１％
Ｍｇは球状化処理に必要な元素であり、十分な球状化を確保するために０．０２％以上を含有させる。但し、０．１％を越えて含有させると、逆チルが生成されてクリープ破断寿命が低下するのでＭｇ含有量は０．０２〜１．０％に限定する。なお、同様の理由で下限を０．０３％、上限を０．０７％とするのが望ましい。

Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ：１種類以上、合計で０．３％未満
Ｃｒ、Ｖ、ＮｂはＭｎと同様にセル境界に炭化物を生成して強度やクリープ破断寿命を上昇させる。無含有でも上記成分系であれば十分にクリープ破断寿命に優れるが、これらを１種類以上含有することができる。但し、合計で０．３％を以上含有させると高温延性やクリープ破断寿命を低下させるため、合計の含有量は０．３％未満とする。なお、上記作用を確実に得るためには、合計量で０．０１％以上含有するのは望ましい。また、同様の理由で合計量の下限を０．０２％、上限を０．２％とするのが一層望ましい。

Ｃｕ：０．３％未満
Ｃｕは微量であれば炭化物の生成を促進して強度やクリープ破断寿命を上昇させる。但し、０．３％以上含有すると延性とクリープ破断寿命を低下させるので、含有量は０．３％未満に限定する。なお、同様の理由で下限を０．０１％、上限を０．１％とするのが望ましい。

Ｓ：０．０３％以下
Ｓは溶解材料から不可避的に入るが、０．０３％を越えて含有していると、球状化処理時にはＳとＭｇが反応してドロスを生成し、このドロスが巻き込みによる欠陥やＭｇの歩留り低下による球状化率低下を起こし、強度やクリープ破断寿命を低下させるので、含有率を０．０３％以下に限定するのが望ましい。
その他不可避元素として、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃａ：０．０２％以下、Ｃｅ：０．０２％以下、ＲＥＭ：０．１％以下が、球状化処理剤および接種剤などから鋳鉄中に入り、残留することがある。

以上のように、本発明によれば、高温強度と高温クリープ特性に優れた球状黒鉛鋳鉄を得ることができる。この球状黒鉛鋳鉄は、高温で、高い強度及びクリープ特性が必要とされる用途に使用が可能となり、例えば、発電タービンケーシングなどに適用することができる。

本発明の実施例における２インチＹ型ブロックを示す図である。同じく、引張試験片形状を示す図である。同じく、クリープ試験片形状を示す図である。

本発明の球状黒鉛鋳鉄は、前記組成を得るべく常法に従って溶製することができ、その溶製方法が特に限定されるものではない。
前記溶製では、真空雰囲気や不活性雰囲気、大気雰囲気などで材料を溶解して鋳塊を得ることができる。溶製の雰囲気は真空雰囲気、不活性雰囲気が望ましいが例えば大気高周波炉で溶製することもできる。
鋳鉄の球状化処理は、溶製時にマグネシウムを添加するなどして行うことができ、本発明としては、球状化処理の方法が特に限定されるものではない。また、本発明の鋳鉄では、フェライト化熱処理を施すことでフェライト化率を高めることができる。フェライト化熱処理の条件として、好適には７００〜９００℃×１時間以上の条件を挙げることができる。但し、本発明としては、フェライト化熱処理が上記条件に限定されるものではない。

以下に、本発明の実施例について説明する。
表１の組成（残部がＦｅおよびその他の不可避不純物）において高周波溶解炉で５０ｋｇの鋳塊を溶解し、球状化処理を施して図１に示す２インチＹ型ブロック１（ＪＩＳＧ５５０２：全高さａ：１４０ｍｍ、奥行きｂ：１６５ｍｍ、上幅ｃ：５５ｍｍ、下方柱部の高さｄ：４０ｍｍ、下幅ｅ：２５ｍｍ）に鋳込んで、発明材および比較材をそれぞれ溶製した。これら試験材に８５０℃×３時間保持後に熱処理炉内で冷却するフェライト化熱処理を施した。この試験材から図２に示す引張試験片２と図３に示すクリープ試験片３を切り出し、４００℃の引張試験、ならびに４００℃のクリープ破断試験を行った。

引張試験片２は、全長Ｌ：１２０ｍｍ、平行部径Ｄ：１２．５ｍｍ、標点距離Ａ：５０ｍｍ、つかみ間隔Ｂ：７５ｍｍ、つかみ肩部径Ｒ：１０ｍｍの寸法を有する。
クリープ試験片３は、両端のつかみ部間に幅の狭い平行部が形成された丸棒であり、全長Ｌ：７０ｍｍ、標点距離Ａ：３０ｍｍ、つかみ部の幅Ｗ：１４ｍｍ、つかみ肩部径Ｒ：５ｍｍ、つかみ間隔Ｂ：４０ｍｍ、幅の狭い平行部径Ｄ：６ｍｍの試験片である。

試験は、０．２％耐力、引張強さ、引張破断伸び、クリープ破断寿命について行い、その結果は表２に示した。

１２インチＹ型ブロック
２引張試験片
３クリープ試験片

Claims

質量％でＣ：３．２〜４．４％、Ｓｉ：３〜４．８％、Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｐ：０．０３〜０．２％、Ｎｉ：０．３〜３．０％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｍｇ：０．０２〜０．１％、Ｃｕ：０．０１％〜０．３％未満を含有し、さらに、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂの１種または２種以上を合計量で０．０１％以上０．３％未満含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、３５０〜４３０℃での伸びが１０％以上、３５０〜４３０℃、３２０ＭＰａでのクリープ破断寿命が２５０時間以上であることを特徴とする高温延性と高温クリープ破断寿命に優れた球状黒鉛鋳鉄。
請求項１に記載の前記組成の鋳鉄に対する球状化処理を行った後、７００〜９００℃、１時間以上のフェライト化熱処理を行うことを特徴とする高温延性と高温クリープ破断寿命に優れた球状黒鉛鋳鉄の製造方法。