JP6258336B2 - 球状黒鉛鋳鉄の溶湯の球状化処理方法及び鋳造方法 - Google Patents

球状黒鉛鋳鉄の溶湯の球状化処理方法及び鋳造方法 Download PDF

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Description

本発明は、球状黒鉛鋳鉄の溶湯の黒鉛球状化処理方法及び当該黒鉛球状化処理方法を用いた鋳造方法に関する。
球状黒鉛鋳鉄は鋳放し状態で黒鉛が球状化している、機械的性質(ヤング率、引張強さ、伸び)が優れた材料である。黒鉛の球状化は、取鍋中で黒鉛球状化剤を添加することにより行われる。黒鉛球状化剤には、Mg、レアアース(以下、「RE」と略称する)、Ca、Al等を含まれている。
冷却速度が遅くなる大型厚肉製品あるいは製品の厚肉部(以下、これらを含めて「厚肉部」と呼ぶ)では、共晶凝固時間が長いことから、球状黒鉛鋳鉄の金属組織中に異常黒鉛組織であるチャンキー黒鉛が晶出しやすい。チャンキー黒鉛の晶出により、鋳鉄材料のヤング率、引張強さ、伸びは著しく低下する。
チャンキー黒鉛の発生を抑制することを意図した黒鉛球状化剤の一例が、日本国公開特許公報第2007−182620号公報に開示されている。この文献には、溶湯に対する好適な添加量の明確な教示はなされていない。
本発明は、球状黒鉛鋳鉄の厚肉部において、チャンキー黒鉛の晶出をより確実に抑制することができる黒鉛球状化処理方法及び鋳造方法を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態による黒鉛球状化処理方法では、使用する黒鉛球状化剤が、30〜80wt%のSiと、Mgと、純度80〜100wt%のCeまたは純度80〜100wt%のLaのいずれか一方からなるRE(希土類元素)と、Caと、Alとを含む。通常、上記元素以外の黒鉛球状化剤の残部は、鉄及び不可避的不純物である。黒鉛球状化剤は、任意採択元素としてSをさらに含んでいてもよい。上記黒鉛球状化剤は、溶湯全体に対して、REが0.001〜0.009wt%、Caが0.001〜0.02wt%、Alが0.001〜0.02wt%添加され、かつ、黒鉛球状化処理の後に溶湯に0.03〜0.07wt%のMgが含まれるように、溶湯に添加される。本発明の他の実施形態によれば、上記の球状化処理が施された溶湯を鋳型に注湯する鋳造方法も提供される。
上記実施形態によれば、黒鉛化作用を呈しチャンキー黒鉛の晶出を助長するRE,Ca,Alの含有量を低減しつつ最適化しているので、球状黒鉛鋳鉄の厚肉部、具体的には例えば共晶凝固時間が1.0ks(すなわち1000秒)以上になるような厚肉部においてチャンキー黒鉛の晶出を抑制することができる。
また、上記実施形態によれば、ノロ及びドロスの生成を助長するCa、Alの量を低減しつつ最適化しているので、清浄な溶湯を得ることができ、ノロかみ、ピンホールなどの欠陥が少ない製品を得ることができる。
さらに、上記実施形態によれば、高価かつ価格の安定性に不安が残るREの使用量が低減されるので、材料費を低減することができ、かつ、価格変動への感度を小さくすることができる。
健全な球状黒鉛鋳鉄の組織の一例を示す光学顕微鏡写真。 チャンキー黒鉛が晶出している組織の一例を示す光学顕微鏡写真。 置き注ぎ法による黒鉛球状化処理を説明する概略図。 ワイヤフィーダ法による黒鉛球状化処理を説明する概略図。
以下に本発明の実施形態に係る黒鉛球状化処理方法について説明する。
実施形態に係る黒鉛球状化処理方法が適用される製品の形状については特に制限はない。しかしながら、上記の黒鉛球状化処理方法は、共晶凝固時間が1.0ks以上、例えば1.0〜100ksの範囲内となるようなもの、あるいは製品最大肉厚が100〜500mmとなるようなものに対して特に優れた組織改善効果が得られる。
本発明の黒鉛球状化処理方法の一実施形態において用いられる黒鉛球状化剤は、30〜80wt%のSi(ケイ素)と、Mg(マグネシウム)と、RE(希土類元素)と、Ca(カルシウム)と、Al(アルミニウム)と、を含む。また、そして、本実施形態では、この黒鉛球状化剤を下記の二条件を満足するように溶湯に添加する。第一条件は、各元素の溶湯に対する添加量(溶湯全体重量に対する各元素の添加重量の比)が、RE:0.001〜0.009wt%、Ca:0.001〜0.02wt%、Al:0.001〜0.02wt%となることであり、第二条件は、黒鉛球状化処理後の溶湯にMg:0.03〜0.07wt%が含まれることである。
この黒鉛球状化剤は、さらにSを含んでいてもよい。黒鉛球状化剤の前述した元素以外の部分は、典型的には、Fe(鉄)及び不可避的不純物からなる。
Mgは、溶湯に添加したMgは黒鉛の核生成に関わるが、Mgの一部は黒鉛核にならずに酸化物またはRE等との複合化合物となってスラグとなり損耗する。このため、黒鉛の球状化処理後(すなわち、鋳型への鋳込みの直前の時点)において、黒鉛球状化効果が維持される量のMg、具体的には0.03〜0.07wt%のMgが溶湯中に残留するような添加量でMgが溶湯に添加されるのがよい。
黒鉛球状化処理後の溶湯中のMg含有量が0.03wt%未満であると、Mgによる脱酸素効果不足と黒鉛核の原料となるMg不足によって黒鉛形状が悪くなり、0.07wt%を超えると、爆発型黒鉛が生成され、いずれの場合も、黒鉛形状の悪化により機械的性質が劣化する。なお、上記Mg量の数値は、球状黒鉛鋳鉄の製造において一般的なものである。
溶湯に対するMgの添加量と黒鉛球状化処理後の溶湯中のMg含有量との関係は、当業者において良く知られている。例えば、Mgを5wt%含む球状化剤を溶湯に1.5wt%添加した場合(すなわち、溶湯に対してMgを0.075%添加した場合)、黒鉛球状化処理後の溶湯中のMg含有量(分析値)は0.035〜0.055wt%となる。Mg添加量が多くなると、Mgの歩留まりが低下することも良く知られている。従って、黒鉛球状化処理後の溶湯中に0.03〜0.07wt%のMgが残留するような溶湯へのMg添加量を決定することは当業者にとって容易である。
REとして、複数種のREの合金ないし混合物の形態としてではなく、Ce(セリウム)のみ、あるいはLa(ランタン)のみを単独で添加することが好ましい。Ceのみ、あるいはLaのみを単独で適量添加することにより、優れた機械的性質が得られる。REとしてCeのみを用いる場合には、Ceの純度は80〜100wt%とするのが好ましい。REとしてLaのみを用いる場合には、Laの純度は80〜100wt%とするのが好ましい。但し、上記成分規定は、例えば添加するREをCeとしたときに、添加するRE中にCeから分離しきれないLaが不可避的不純物として含まれることを排除するものではない。
なお、REを黒鉛球状化剤の成分として用いる場合には、Ce:La=2:1の合金(ミッシュメタル)の形態で用いることが一般的である。これに対して本実施形態では、このようなミッシュメタルをさらに精錬して、高純度のCeまたはLaを単独で添加している。
上述の通り、溶湯には、0.001〜0.009wt%のRE(CeまたはLa)を添加することが好ましい。REの添加量が0.001wt%未満では黒鉛球状化阻害元素の中和能が不足して黒鉛形状が悪化し、REの添加量が0.009wt%を超えるとチャンキー黒鉛が多く晶出し、いずれの場合も機械的性質が低下する。なお、黒鉛形状をより確実に良形にするには、溶湯に0.002〜0.005wt%のRE(CeまたはLa)を添加することがより好ましい。
黒鉛球状化剤にSが含まれる場合、厚肉製品の場合には、S(硫黄)の添加量に対するREの添加量の比率(重量比)(RE/S)を、0.06〜1.60(S:0.005〜0.030wt%,RE:0.002〜0.008wt%の場合)とすることが好ましい。これによれば、より確実に良形の黒鉛形状を得ることができる。なお、従来から、薄肉製品ではRE/S=2.0~5.0とするのが良形の黒鉛形状を得る上で良いとされている。
なお、Sは、溶解炉や溶解法にも依存するが、鋳鉄の溶湯(元湯)に比較的多く含まれる場合もある。上記のようにSを積極的に添加するのは、溶湯(元湯)が十分に脱硫されている場合である。元湯に比較的多くのSが含まれている場合には、Sを積極的に添加しないこと、あるいは、元湯に元から含まれているSを減じた量だけSを添加すればよい。
上述の通り、溶湯には、0.001〜0.020wt%のCa、0.001〜0.020wt%のAlを添加することが好ましい。Caの添加量あるいはAlの添加量が0.001wt%未満では、黒鉛核生成が十分に行われない。Caの添加量あるいはAlの含有量が0.020wt%を超えると、チャンキー黒鉛が晶出し、ノロ及びドロスが生成し易くなり、製品にはノロかみやピンホールの欠陥が生じる可能性がある。
参考として、共晶凝固時間2.5ksの鋳造品に現れた良い黒鉛形状の例を図1の写真に、悪い黒鉛形状の例を図2の写真に示す。図2の写真の特に左側にチャンキー黒鉛の晶出が多く認められる。なお、図1の例では、RE、Ca、Alの添加量が上記に即して最適化されており、図2の例では、Ca、Alが過剰となっている。
上記の黒鉛球状化剤は、置き注ぎ法(サンドイッチ法)、タンディッシュ法、ワイヤフィーダ法など(これらに限定されるものではない)の公知の全ての黒鉛球状化処理方法に適用することができる。
図3に置き注ぎ法の概略図を示す。一般的に多く使用されている置き注ぎ法では、取鍋Lの底部の反応溝(ポケット)に黒鉛球状化剤SAを充填し、カバー剤CA(鉄屑、Fe−Si等)で完全に覆う。1400〜1500℃の元湯RMをこの取鍋に出湯し、黒鉛球状化剤と溶湯との反応により黒鉛を球状化処理する。Mgの添加量が多くなれば反応が激しくなるため、この場合にはCaを最適範囲で多く入れることで反応を穏やかにする。
置き注ぎ法を行う場合の黒鉛球状化処理剤の好適な組成の一例は以下の通りである。
Si:30〜80wt%
Mg:3〜8wt%
RE:0.1〜0.6wt%(但し、REは純度80〜100wt%のCeまたは純度80〜100wt%のLaのいずれか一方からなる)、好ましくは0.2〜0.5wt%
Ca:0.1〜1.3wt%
Al:0.1〜2.0wt%
残部:Fe及び不可避的不純物(Sを含んでいてもよい。)
置き注ぎ法に用いる黒鉛球状化剤としては、例えば、10〜500kgの小型鋳物の場合には溶け残りがないように粒径が1〜5mmの粒状のものを、500kgを超える大型鋳物の場合には小型に比べて凝固までの時間が長くフェーディングをできるだけ抑制するため粒径が5〜70mmの塊状のものを用いることが好適である。
図4にワイヤフィーダ法の概略図を示す。取鍋Lの蓋を開けた状態で、1400〜1500℃の元湯をこの取鍋に出湯し、蓋を閉じる。この状態で図示しないフィーダにより制御された送り速度で所定長さ分のワイヤWを溶湯MM中に送る(図中矢印を参照)。ワイヤは、中空の鉄製の被覆材の内部空洞に、例えば粒径0.1〜1mmの黒鉛球状化剤を封入したものを用いることができる。
ワイヤフィーダ法を行う場合の黒鉛球状化処理剤(ワイヤ内に封入されるもの)の好適な組成の一例は以下の通りである。
Si:30〜80wt%
Mg:9〜25wt%
RE:0.3〜1.8wt%(但し、REは純度80〜100wt%のCeまたは純度80〜100wt%のLaのいずれか一方からなる)
Ca:0.1〜6.0wt%
Al:0.1〜6.0wt%
この場合も、黒鉛球状化処理剤がさらにSを含んでいてもよい。
ワイヤの長さ当たりの価格が高いため、少量で所望の組成を得るために、ワイヤ内には各元素の濃度が高い黒鉛球状化処理剤が封入される。
一般的には、黒鉛の球状化処理が行われた溶湯を1300〜1400℃で鋳型に鋳込むことにより、良好な機械的性質を有した厚肉の球状黒鉛鋳鉄製品が得られるが、共晶凝固時間が1ksを超えるような厚肉製品の場合には、鋳込み温度をこれより低く、例えば1270〜1370℃とすることが好ましい。
また、上記の黒鉛球状化剤を用いた場合でも、黒鉛球状化処理後に接種を行うことにより、さらに機械的性質を改善することができる。例えば、Fe−(30〜75wt%)Si−(0〜3.0wt%)Ca−(0〜3.0wt%)Al−(0〜1.0wt%)Baという組成を有する接種剤を用い、この接種剤を、1回当たりの接種量が0.01〜0.20wt%(接種剤重量/溶湯重量)での添加を、1〜5回行うことができる。このような接種は、鋳型への注湯前に取鍋内で行うものに限らず、掛堰接種あるいはインモールド接種のような鋳型への注湯時に行うものであってもよい。
以下に黒鉛球状化処理の効果を確認するために行った実験の結果について説明する。
共晶凝固時間が1.0ksとなるように設計された肉厚100mmの試験片を鋳造するための鋳型を用意した。
以下の組成の粒状の黒鉛球状化剤を用意した。
Si:75wt%、
Mg:5.1wt%、
Ca:0.7wt%または2.0wt%
Al:0.7wt%または2.0wt%
RE:0.15wt%、0.3wt%、0.6wt%または1.3wt%、
S:0.33wt%、0.67wt%または2.0wt%
残部:Fe及び不可避的不純物
図3に示す置き注ぎ法により、元湯30kgに対して、上記の黒鉛球状化処理剤を添加した。元湯に対して約1.5wt%の球状化処理剤を添加することにより、溶湯に対する各元素の添加量が下記となるようにした。
Mg:0.075wt%
Ca:0.01wt%または0.03wt%
Al:0.01wt%または0.03wt%
RE:0.002wt%,0.004wt%,0.008wt%または0.019wt%
S:0.005wt%、0.010wt%または0.030wt%
上記の量のMgを添加した結果、黒鉛球状化処理後に溶湯中に含まれるMg量は約0.045wt%であった。
なお、溶湯(元湯)には、下記の元素が含まれていた。
C:3.5〜3.7%、
Si:2.4〜2.6%、
Mn:0.5〜0.6%
黒鉛球状化処理後速やかに(フェーディングが起こらない程度に速やかに)鋳造を行った。但し、No.26〜29の試料については、黒鉛球状化処理後、鋳型への鋳込み前に、取鍋内において上述した接種剤による接種を2回行い、その後速やかに(フェーディングが起こらない程度に速やかに)鋳造を行った。No.26〜29の試料の成分値は、黒鉛球状化処理後接種前のものである。
試験片の鋳造後、所定形状に試験片を加工して引っ張り試験を行い、引張強さ及び伸びを測定した。また、当該試験片の硬さを測定し、さらに、光学顕微鏡により組織観察を行うとともに黒鉛球状化率を測定した。上記の試験は全て、日本工業規格の球状黒鉛鋳鉄品(JIS G5502)の規定に準じて行った。
試験の結果を表1に示す。
表1において、左から2番目の欄の「○」は、下記の四条件
(条件1)REがCeまたはLaのいずれか一方のみからなる
(条件2)RE添加量が0.001〜0.009wt%の範囲内にある
(条件3)Ca添加量が0.001〜0.02wt%の範囲内にある
(条件4)Al添加量が0.001〜0.02wt%の範囲内にある
を同時に満たしているものに付けている。
なお、「○」が付けられている試料は全てRE/Sが0.06〜1.60の範囲にある。
表1において、試料No.10〜16では、REとして上述したミッシュメタルを用いている。
表1に示すように、引張強さについては、黒鉛球状化処理後のRE量が0.019wt%の場合に450MPaを下回ることがあったるが、その他の条件では450MPa以上であった。伸びについては、RE量が少ない場合でも、Ca、Al添加量が0.03%の場合と、CeとLaを合金として使用した場合に低くなる傾向が認められた。
接種剤にて2回接種を行った試料26〜29では、引張強さの低下は認められず、かつ、高い伸びが得られた。
鋳造品の品質の基準として、JISG5502,表3「本体付き供試材の機械的性質」に記載されたFCD400−15A,FCD500−7Aにおける鋳鉄品の主要肉厚60〜200mmのものに適用される機械的性質の基準値を考慮した。基準値は、FCD400−15Aでは、引張強さ370N/mm(=370MPa)以上、伸び12%以上、硬さHB120〜180であり、また、FCD500−7Aでは、引張強さ420N/mm(=420MPa)以上、伸び5%以上、硬さHB130〜230である。ここに挙げられた基準値を余裕を持って満足していることが望ましい。
表1において、左から2番目の欄に「○」が付けられている試料は、いずれも高い球状化率及び伸びを示しており、良好な品質が得られていることがわかる。

Claims (8)

  1. 黒鉛球状化剤を溶湯に添加することにより黒鉛を球状化する球状化処理方法であって、
    前記黒鉛球状化剤が、30〜80wt%のSiと、Mgと、純度80〜100wt%のCeまたは純度80〜100wt%のLaのいずれか一方からなるRE(希土類元素)と、Caと、Alと、を含み、
    前記黒鉛球状化剤を、溶湯全体に対して、REが0.001〜0.009wt%、Caが0.001〜0.02wt%、Alが0.001〜0.02wt%添加されること、かつ、黒鉛球状化処理の後に溶湯に0.03〜0.07wt%のMgが含まれること、という条件を満たすように添加することを特徴とする球状化処理方法。
  2. 前記黒鉛球状化剤がさらにSを含み、溶湯に対するREの添加量が0.002〜0.008wt%となり、かつ、溶湯に対するREの添加量の溶湯に対するSの添加量の比が0.06〜1.60となるように前記黒鉛球状化剤を添加する、請求項1記載の球状化処理方法。
  3. 前記黒鉛球状化剤が、Siを30〜80wt%、Mgを3〜8wt%、純度80〜100wt%のCeまたは純度80〜100wt%のLaのいずれか一方からなるREを0.1〜0.6wt%、Caを0.1〜1.3wt%、Alを0.1〜2.0wt%含み、前記黒鉛球状化剤をサンドイッチ法により溶湯に添加することを特徴とする、請求項1または2記載の球状化処理方法。
  4. 前記黒鉛球状化剤が、Siを30〜80wt%、Mgを9〜25wt%のMg、純度80〜100wt%のCeまたは純度80〜100wt%のLaのいずれか一方からなるREを0.3〜1.8wt%、Caを0.1〜6.0wt%、Alを0.1〜6.0wt%含み、前記黒鉛球状化剤をワイヤフィーダ法により溶湯に添加することを特徴とする、請求項1または2記載の球状化処理方法。
  5. 前記黒鉛球状化剤が、粒径1〜5mmの粒状であることを特徴とする、請求項3記載の球状化処理方法。
  6. 前記黒鉛球状化剤が、長さが5〜70mmの塊状であることを特徴とする、請求項3記載の球状化処理方法。
  7. 前記黒鉛球状化剤が、粒径0.1〜1.0mmの黒鉛球状化剤粒子を連続的に包含するワイヤ状であることを特徴とする、請求項4記載の球状化処理方法。
  8. 請求項1から7のうちのいずれか一項に記載の球状化処理方法を実行した後に、球状化処理が施された溶湯を鋳型へ注湯する鋳造方法であって、前記球状化処理方法が実行されるときの溶湯の温度が1400〜1500℃、球状化処理が施された溶湯を鋳型へ注湯するときの溶湯の温度が1270〜1370℃である、鋳造方法。
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