JP6254656B1 - 亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また剛性と摺動性を満足する素材としては可鍛鋳鉄がある。しかし可鍛鋳鉄の場合は、鋳造時には白鋳鉄で、それを黒鉛化熱処理するという製造方法となり、鋳造時に鋳巣が出易いため大きな押し湯が必要となって歩留まりが悪くなる問題、また黒鉛化熱処理に長時間を要する問題があり、コストも高くなる。また白鋳鉄を黒鉛化処理して得られる黒鉛は塊状の黒鉛になっているため、球状黒鉛とは言えず球状化率が悪く、伸びが悪い。
これらの問題を解決するために本出願人は、特願2015−54631号において、亜共晶球状黒鉛鋳鉄を提供した。該出願に係る亜共晶球状黒鉛鋳鉄では、鋳放しのままで、セメンタイトが晶出することなく、よって白鋳鉄化することなく、しかも晶出する黒鉛の面積率が小さく、黒鉛球状化率が高い、高ヤング率を有する亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物を提供できるメリットがある。
上記特許文献2の発明は、球状黒鉛鋳鉄とその製造方法に関し、熱処理として、α+γの共存域まで加熱した後、強制冷却するようにした熱処理方法が開示されている。しかしながら、この特許文献2の鋳鉄の場合も特許文献1と同様に、過共晶組成に近い組成を前提としており、しかも高価な合金成分の添加を前提としている。
上記特許文献3の発明は、亜共晶球状黒鉛鋳鉄に関し、鋳放しのままでも遊離セメンタイトが晶出することなく、晶出する黒鉛の面積率が小さく、黒鉛球状化率が高い、高ヤング率の機械的性質を得ることができる。しかし鋳放しのままの場合には、肉厚によって組織の相異が大きくなり易く、硬度差等の機械的性質のバラツキが大きくなる問題がある。
溶湯から一旦鋳造してなる出発鋳物を、先ず常温から200℃/時間以下の昇温処理速度で、780〜870℃の熱処理温度まで昇温し、該熱処理温度で0.5〜15時間保持して、基地をフェライトとオーステナイトからなる組織とし、次に前記熱処理温度から0.5〜60℃/分の冷却処理速度により常温まで冷却処理して、オーステナイトからパーライトとフェライトを析出させ、基地をフェライトとパーライトからなる組織とすることを第1の特徴としている。
また本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法は、上記第1の特徴に加えて、熱処理温度を780〜850℃とし、熱処理温度からの冷却処理速度を0.5〜30℃/分としたことを第2の特徴としている。
また本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法は、上記第2の特徴に加えて、熱処理温度を800〜850℃とし、熱処理温度からの冷却処理速度を1〜30℃/分としたことを第3の特徴としている。
また本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法は、上記第1〜第3の何れかの特徴に加えて、質量パーセントで、C:1.5〜2.7%、Si:1.0〜4.5%、Al:0.01〜0.2%、Cu+Ni:0.01〜2.0%、Mg:0.015〜0.060%を含有し、残部がFeからなる成分組成を有することを第4の特徴としている。
また本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法は、上記第4の特徴に加えて、質量パーセントで、C:1.5〜2.7%、Si:1.0〜4.5%、Al:0.01〜0.2%、Ni:0.01〜2.0%、Cu+Ni:0.01〜2.0%、Mg:0.015〜0.060%を含有し、残部がFeからなる成分組成を有することを第5の特徴としている。
また本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法は、上記第5の特徴に加えて、質量パーセントで、C:1.5〜2.7%、Si:1.0〜4.5%、Al:0.01〜0.2%、Ni:0.05〜1.6%、Cu:0.05〜1.6%、Cu+Ni:0.1〜2.0%、Mg:0.015〜0.060%を含有し、残部がFeからなる成分組成を有することを第6の特徴としている。
また本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法は、上記第6の特徴に加えて、質量パーセントで、C:1.5〜2.7%、Si:1.0〜4.5%、Al:0.01〜0.2%、Ni:0.1〜1.2%、Cu:0.1〜1.2%、Cu+Ni:0.2〜1.6%、Mg:0.015〜0.060%を含有し、残部がFeからなる成分組成を有することを第7の特徴としている。
また本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法は、上記第1〜第7の何れかの特徴に加えて、質量パーセントで、C:1.5〜2.5%、Si:1.6〜4.0%とすることを第8の特徴としている。
また本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法は、上記第8の特徴に加えて、質量パーセントで、C:1.5〜2.4%、Si:1.8〜3.5%とすることを第9特徴としている。
また本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法は、上記第1〜第9の何れかの特徴に加えて、質量パーセントで、Mn:1.0%未満とすることを第10の特徴としている。
また請求項2に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項1に記載の構成による作用効果に加えて、熱処理温度を780〜850℃に限定し、熱処理温度からの冷却処理速度を0.5〜30℃/分と限定することで、一層容易、確実に、強度、靱性、摺動性に優れ、且つ肉厚による機械的性質のバラツキが少ない亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物を製造することが可能となる。
また請求項3に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項2に記載の構成による作用効果に加えて、熱処理温度を更に800〜850℃と限定し、熱処理温度からの冷却処理速度を更に1〜30℃/分と限定することにより、更に一層容易、確実に、強度、靱性、摺動性に優れ、且つ肉厚による機械的性質のバラツキが少ない亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物を製造することができる。
また請求項5に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項4に記載の構成による作用効果に加えて、Niを0.01〜2.0質量%、CuとNiの総量を0.01〜2.0質量%とすることにより、より一層、黒鉛化の促進を図ることができ、確実に黒鉛面積率が小さく、黒鉛球状化率が高い、高ヤング率の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物を製造することが可能となる。
また請求項6に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項5に記載の構成による作用効果に加えて、Niを0.05〜1.6質量%、Cuを0.05〜1.6質量%、CuとNiの総量を0.1〜2.0質量%とすることにより、更に一層、黒鉛化の促進を図ることができ、より確実に黒鉛面積率が小さく、黒鉛球状化率が高い、高ヤング率の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物を製造することが可能となる。
また請求項7に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項6に記載の構成による作用効果に加えて、Niを0.1〜1.2質量%、Cuを0.1〜1.2質量%、CuとNiの総量を0.2〜1.6質量%とすることにより、更により一層、黒鉛化の促進を図ることができ、更により確実に黒鉛面積率が小さく、黒鉛球状化率が高い、高ヤング率の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物を製造することが可能となる。
また請求項9に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項8に記載の構成による作用効果に加えて、Cを1.5〜2.4質量%、Siを1.8〜3.5質量%とすることで、基地中の黒鉛面積率が小さく、黒鉛球状化率の高い、より高ヤング率の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物を、より一層確実に製造することが可能となる。
また請求項10に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項1〜9の何れかに記載の構成による作用効果に加えて、Mnを1.0質量%未満とすることで、共晶セメンタイトの晶出を抑制することができ、黒鉛化が十分になされた亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物を製造することが可能となる。
亜共晶鋳鉄のCの含有量は、前提として4.3%未満ということになるが、Cの含有量が多くなりすぎると、黒鉛面積率が増加して、機械的性質が劣る。このためCの含有量は、2.7%以下とする。
Cの含有量が2.7%を超えると、基地中の黒鉛の量が多くなって黒鉛面積率が9%を超え易く、そうなると機械的性質としてのヤング率が180GPa未満になり易い。またCの含有量が1.5%未満では、黒鉛が晶出し難くなり、遊離セメンタイトが生成する。
Cの含有量は、得られる亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物が黒鉛面積率9%以下、ヤング率が180GPa以上となることを考慮して、1.5〜2.5%がより好ましく、更に好ましくは1.5〜2.4%とするのがよい。
なお、ヤング率は黒鉛面積率の影響が大きいため、熱処理によって組織が変わってもヤング率に大きな影響はない。
Siは強い黒鉛化作用があり、添加量の1/3の割合で炭素当量に含まれる。1.0%未満では黒鉛化作用を十分発揮させることができない。またSiはフェライト基地に固溶し、4.5%を超えると靱性を大きく下げる。
Siの含有量は、Cの黒鉛化促進と基地への固溶(靱性の低下を招く)を考慮して、1.6〜4.0%が好ましく、更に好ましくは1.8〜3.5%とするのがよい。
本発明ではAlを添加、含有させるのが1つの特徴である。
AlはSiと同様に、強い黒鉛化促進作用がある。また溶湯中の窒素濃度を下げ、セメンタイトの発生を抑制する作用がある。しかし0.2%以上添加すると、湯流れが悪くなる。また0.01%未満では効果が薄い。
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、球状黒鉛が生成されるため、必須である。0.060%を超えると、フェーディングが速く、温度の低下が大きくなるため、好ましくない。また0.015%未満では、黒鉛が自由に成長して片状になり易いので、好ましくない。
Niを含有させる場合は、0.01〜2.0%とする。2.0%を超えると、フェライト基地の脆化につながる。また0.01%未満では効果が薄い。
Niの含有量は、黒鉛化促進作用、オーステナイト安定化作用、基地強化作用、フェライト基地の脆化作用を考慮して、0.05〜1.6%がより好ましく、更には0.1〜1.2%が最も好ましい。
Cuを含有させる場合は、0.01〜2.0%とする。2.0%を超えるとパーライト基地を脆化し、靱性が低下し、また黒鉛球状化を阻害する。また0.01%未満では効果が薄い。
Cuの含有量は、黒鉛化促進作用、オーステナイト安定化作用、耐力向上作用、パーライト基地の脆化作用、黒鉛球状化阻害作用を考慮して、0.05〜1.6%が好ましく、更には0.1〜1.2%が最も好ましい。
Ni+Cuの合計量としては、0.01〜2.0%とする。0.01%未満では黒鉛化促進効果が薄い。また2.0%を超えると基地の脆化につながる。
Ni+Cuの合計含有量は、黒鉛化促進作用、オーステナイト安定化作用、耐力向上作用、基地の強化と脆化の作用、黒鉛球状化阻害作用を考慮して、0.1〜2.0%がより好ましく、更には0.2〜1.6%が最も好ましい。
なお、CuとNiのオーステナイト安定化作用は、熱処理をよりやり易くする効果があるので、含有させるのがよく、多く入れるほどその効果がより得られる。
また同様に、PやSは実際の製品では、いわゆる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。
なお黒鉛化促進のため、Zr、Ca、Ba等を含有する接種剤を溶湯に添加するようにしてもよい。
先ず上記で説明した亜共晶球状黒鉛鋳鉄の成分組成を持つように原料を調整し、これを電気炉に入れ、1350〜1550℃で1時間溶融し、その後1550℃で取鍋に移して黒鉛球状化処理を施し、1450℃で鋳型に鋳込む。Alは溶解後に溶湯に添加する。また必要に応じて、Zr、Ca、Ba等を含有する接種剤を鋳込む。その後、所定の形状に鋳込む。
鋳放し状態の鋳物の組織は、球状黒鉛とフェライト、若しくは球状黒鉛とフェライトとパーライト、若しくは球状黒鉛とパーライトとなる。
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、先ず所定の昇温処理を経て、熱処理温度まで昇温する。
昇温処理は200℃/時間以下の昇温処理速度で行う。
昇温処理速度が速すぎると、昇温時に球状黒鉛から離れた遠い位置にある基地が十分にフェライトにならず、そのフェライトのなりきれなかった部分がオーステナイト化してしまう。昇温処理速度が速い場合、昇温速度に対する基地の温度上昇にタイムラグが生じる。また薄肉の場合と厚肉の場合においても、基地の温度上昇に差が生じ易くなる。
基地の温度上昇が速すぎると、特に球状黒鉛から離れた位置にあるパーライトからのフェライト発生が十分に行われず、パーライトがそのままオーステナイトになってしまう。
昇温処理速度を遅くすることで、パーライトからのフェライト発生を十分に促すと共に、肉厚差によるフェライト発生量のバラツキを解消することができる。
昇温処理速度は、以上のような理由から、より好ましくは150℃/時間以下とするのがよく、更に好ましくは100℃/時間以下とするのがよい。
熱処理は、780℃〜870℃で行う。定性的に言えば、亜共晶球状黒鉛鋳鉄組成の鋳物が、状態図上において、フェライトとオーステナイトとの共存状態となるような温度で熱処理を行う。
この熱処理温度は、フェライトとオーステナイトの共存状態がより好ましく得られることを考慮して、780〜850℃がより好ましく、更に好ましくは800〜850℃とするのがよい。
前記熱処理温度での保持時間は、例えば30分〜15時間とすることができる。好ましくは、基地組織のフェラ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、1〜10時間がよく、更に好ましくは1〜6時間がよい。
熱処理により、組織は球状黒鉛と、熱処理温度に応じたフェライトとオーステナイトの比率(F:A率)、若しくはそれに近いF:A率の基地とからなる。
前記熱処理が終了すると、冷却処理を行う。
冷却処理は、上記熱処理によりフェライトとオーステナイトとの比率が安定した組織におけるオーステナイトを、パーライトと冷却処理中に生じたフェライトとからなる組織にする。
冷却処理速度が炉冷等、遅すぎる場合には、オーステナイトのフェライト化が進んで、組織が不均一になってしまう。一方、水冷等、速すぎる場合は、オーステナイトがマルテンサイトに変態してしまうため、組織の脆化につながり、好ましくない。
冷却処理速度は、マルテンサイト変態が生じない程度に速い冷却処理速度として、例えば強制空冷程度が好ましいと言える。
冷却処理速度は、数値的には0.5〜60℃/分とする。冷却処理は、鋳物が常温になるまで行う。
冷却処理速度は、オーステナイトのフェライト化防止、マルテンサイトの発生防止の観点から、好ましくは0.5〜30℃/分がよく、更に好ましくは1〜30℃/分がよい。
また本発明の成分組成と熱処理により、強度、靱性(衝撃特性)、摺動性に優れると共に、肉厚差による機械的性質のバラツキが少ない、亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物を安定して提供できる。
また前記共存領域の中で、温度の高い領域ではオーステナイトの割合が大きく、オーステナイトは冷却処理時に硬いパーライトになるため、硬めの組織になり、高強度の機械的性質を持つことになる。同様に、前記共存領域の中で温度の低い領域では、軟らかいフェライトの割合が多くなり、延性の良い組織になる。
実施例1〜9、比較例1の成分組成を表1に示す。
熱処理は、実施例1については、100℃/時間の昇温処理速度で、850℃の熱処理温度(α+γ温度)まで昇温し、その熱処理温度で2時間保持した後、各肉厚5mm、10mm、50mmにつき、それぞれの冷却処理速度1℃/mim、3℃/mim、30℃/mimで冷却処理を行った。
実施例2と実施例3については、50℃/時間の昇温処理速度で、830℃の熱処理温度(α+γ温度)まで昇温し、その熱処理温度で3時間保持した後、各肉厚5mm、10mm、50mmにつき、それぞれ同様に冷却処理速度1℃/mim、3℃/mim、30℃/mimで冷却処理を行った。
実施例4と実施例5については、30℃/時間の昇温処理速度で、実施例4は820℃、実施例5は800℃の熱処理温度(α+γ温度)まで昇温し、それぞれの熱処理温度で4時間保持した後、各肉厚5mm、10mm、50mmにつき、それぞれ同様に冷却処理速度1℃/mim、3℃/mim、30℃/mimで冷却処理を行った。
実施例6については、前記実施例2、3と同様に、50℃/時間の昇温処理速度で、830℃の熱処理温度(α+γ温度)まで昇温し、その熱処理温度で3時間保持した後、各肉厚5mm、10mm、50mmにつき、それぞれ同様に冷却処理速度1℃/mim、3℃/mim、30℃/mimで冷却処理を行った。
実施例7、8、9については、前記実施例1と同様に、100℃/時間の昇温処理速度で、850℃の熱処理温度(α+γ温度)まで昇温し、その熱処理温度で2時間保持した後、各肉厚5mm、10mm、50mmにつき、それぞれ同様に冷却処理速度1℃/mim、3℃/mim、30℃/mimで冷却処理を行った。
結果を表4に示す。
また各実施例1〜9、比較例1についての機械的性質として、肉厚10mmのものにおける0.2%耐力(N/mm2)、ヤング率(GPa)、引張強さ(N/mm2)、伸び(%)を、併せて表4に示す。
よって比較例1の鋳物は、伸びはよいが、強度が低くなる。表4では引張強さが716.3(N/mm2)で低い。
また比較例1では、組織変化が黒鉛粒数に依存するため、黒鉛粒数が肉厚差により変化(413個、335個、98個)すると、実際には肉厚差で組織が変化し、そのため表4に示すように、肉厚差による硬度変化(89、91、95HRB)が生じる。即ち、肉厚差で機械的強度が変化し易い。
また同様に、実施例1〜9においては、肉厚が5mm、10mm、50mmと変化しても、硬度(HRB)の変化は少ないことがわかる。その理由は、本発明では、肉厚差による冷却速度等の変化によって黒鉛粒数や黒鉛寸法に変化が生じても、鋳物基地のおけるフェライトとパーライトとの比率を一定にすることができ、基地の硬度を肉厚差によらず安定させることができるからである。
実施例1〜9では、全体として引張強度が大であり、しかも伸びも良好であることがわかる。即ち、実施例1〜9においては、何れも引張強さが830N/mm2以上で、伸びも9.0%以上の良好な機械的性質を示している。
実施例1〜9では、熱処理温度が850℃〜800℃の範囲で温度が下がると、フェライト量が低下し、パーライト量が増加する傾向がわかる。またそれに伴って、パーライト量が増加するにつれて、硬度、引張強さが増加する傾向がわかる。
Claims (10)
- 質量パーセントで、
C :1.5〜2.7%
Si :1.0〜4.5%
Al :0.01〜0.2%
Mg :0.015〜0.060%
を含有し、残部がFeからなる成分組成を有し、
溶湯から一旦鋳造してなる出発鋳物を、先ず常温から200℃/時間以下の昇温処理速度で、780〜870℃の熱処理温度まで昇温し、該熱処理温度で0.5〜15時間保持して、基地をフェライトとオーステナイトからなる組織とし、次に前記熱処理温度から0.5〜60℃/分の冷却処理速度により常温まで冷却して、オーステナイトからパーライトとフェライトを析出させ、基地をフェライトとパーライトからなる組織とすることを特徴とする亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。 - 熱処理温度を780〜850℃とし、熱処理温度からの冷却処理速度を0.5〜30℃/分としたことを特徴とする請求項1に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。
- 熱処理温度を800〜850℃とし、熱処理温度からの冷却処理速度を1〜30℃/分としたことを特徴とする請求項2に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。
- 質量パーセントで、
C :1.5〜2.7%
Si :1.0〜4.5%
Al :0.01〜0.2%
Cu+Ni :0.01〜2.0%
Mg :0.015〜0.060%
を含有し、残部がFeからなる成分組成を有することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。 - 質量パーセントで、
C :1.5〜2.7%
Si :1.0〜4.5%
Al :0.01〜0.2%
Ni :0.01〜2.0%
Cu+Ni :0.01〜2.0%
Mg :0.015〜0.060%
を含有し、残部がFeからなる成分組成を有することを特徴とする請求項4に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。 - 質量パーセントで、
C :1.5〜2.7%
Si :1.0〜4.5%
Al :0.01〜0.2%
Ni :0.05〜1.6%
Cu :0.05〜1.6%
Cu+Ni :0.1〜2.0%
Mg :0.015〜0.060%
を含有し、残部がFeからなる成分組成を有することを特徴とする請求項5に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。 - 質量パーセントで、
C :1.5〜2.7%
Si :1.0〜4.5%
Al :0.01〜0.2%
Ni :0.1〜1.2%
Cu :0.1〜1.2%
Cu+Ni :0.2〜1.6%
Mg :0.015〜0.060%
を含有し、残部がFeからなる成分組成を有することを特徴とする請求項6に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。 - 質量パーセントで、
C :1.5〜2.5%
Si :1.6〜4.0%
とすることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。 - 質量パーセントで、
C :1.5〜2.4%
Si :1.8〜3.5%
とすることを特徴とする請求項8に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。 - 質量パーセントで、
Mn :1.0%未満
とすることを特徴とする請求項1〜9の何れかに記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄鋳物の製造方法。
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