JP6728150B2 - 鋳鉄溶湯処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄及び片状黒鉛鋳鉄の両方を含む）の溶湯処理方法に関するものである。この溶湯処理方法には、とりわけ厚肉鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄、片状黒鉛鋳鉄）の機械的性質を向上させるのに有効な接種処理が含まれる。
球状黒鉛鋳鉄及び片状黒鉛鋳鉄の鋳造において、溶解炉から取鍋への出湯時、取鍋から鋳型への注湯時等に溶湯に接種処理を行うことにより、鋳鉄製品の機械的性質（引張強さ、伸び）を改善することが一般的に行われている。
厚肉鋳鉄製品においては、黒鉛の晶出が起こる共晶凝固時間が長くなるため、金属組織中に異常黒鉛または粗大黒鉛が晶出しやすい。異常黒鉛または粗大黒鉛の晶出により、鋳鉄の引張強さが低下する。フェライト系球状黒鉛鋳鉄においては、異常黒鉛または粗大黒鉛の晶出により、材料の伸びが著しく低下する。
異常黒鉛及び粗大黒鉛の晶出は、適切な接種処理を行って共晶セルを増加させることにより回避することができる。共晶セルの増加に伴い、球状黒鉛鋳鉄においては黒鉛粒数及び黒鉛球状化率が増加し、片状黒鉛鋳鉄においては微細Ａ型黒鉛の形成が促進され、いずれの場合も機械的性質が改善される。
比較的薄肉の鋳鉄製品を鋳造する場合、取鍋または掛け堰内で、Ｆｅ−Ｓｉ（フェロシリコン）に、Ｃａ（カルシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｂｉ（ビスマス）等を添加してなる接種剤を用いて接種処理することが良く知られている。
上述のように、厚肉の鋳鉄製品を鋳造するときには共晶凝固時間が長くなる。このため、共晶セルの増加作用だけでなく黒鉛化促進作用を有するＣａ、Ａｌ、Ｂａ、Ｂｉ等を含む一般的な接種剤を厚肉の鋳鉄製品の鋳造に用いると、異常黒鉛（球状黒鉛鋳鉄の場合には「チャンキー黒鉛」）または粗大黒鉛が晶出する可能性がある。つまり、厚肉の鋳鉄製品の鋳造時には、共晶セル数を増加させつつ、必要以上の黒鉛化を抑制する必要がある。このため、黒鉛核生成物質としては希土類元素を用いることが好ましいと考えられる。
厚肉の片状黒鉛鋳鉄製品の鋳造において、上記の要求を十分に満足しうる希土類元素を含む接種剤を用いた溶湯処理方法は知られていない。特許文献１（国際公開ＷＯ２０１５／０３４０６２Ａ１）には、厚肉の球状黒鉛鋳鉄製品を製造する際の溶湯の球状化処理方法が記載されている。ここに開示された方法は、黒鉛の微細化効率においてさらなる改善の余地がある。
本発明は、異常黒鉛及び粗大黒鉛の晶出を抑制し、機械的性質の低下を抑制することができる溶湯処理方法特に接種方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明では、接種剤中で黒鉛核の化合物となるＲＥ（レアアース、希土類元素）、Ｃａ（カルシウム）、Ａｌ（アルミニウム）の溶湯への添加量を最適化することにより、過剰な黒鉛化作用で晶出する異常黒鉛、粗大黒鉛を抑制する。
本発明の一実施形態による接種方法では、黒鉛接種剤（以下、単に「接種剤」と呼ぶ）として、１５〜８０％のＳｉと、Ｌａ（ランタン）またはＣｅ（セリウム）のいずれか一方と、Ｃａと、Ａｌとを含み、残部Ｆｅ（鉄）及び不可避的不純物からなる接種剤を用い、この接種剤を、溶湯に対する各成分元素の添加量がＲＥ（ＬａまたはＣｅ）：０．００１〜０．００９％、Ｃａ：０．００１〜０．０２％、Ａｌ：０．００１〜０．０２％となるように、溶湯に添加する。なお、本明細書において、含有量または添加量を示すパーセンテージは、特別な断り書きが無い限り、全て重量％を意味する。
共晶凝固時間が１．０ｋｓ以上になる厚肉鋳鉄においては、ＲＥ、Ｃａ及びＡｌが黒鉛化作用を示し異常黒鉛または粗大黒鉛の晶出を助長する。しかしながら、上記のようにＲＥ、Ｃａ及びＡｌの添加量を最適化し、かつ、ＲＥとしてＬａまたはＣｅを単独で用いることにより、異常黒鉛及び粗大黒鉛の晶出を抑制することができる。
Ｃａ、Ａｌ添加量が過剰になると異常黒鉛または粗大黒鉛の晶出を助長するだけではなくノロ及びドロスの生成を助長する。しかしながら、上記のようにＣａ、Ａｌの添加量を最適化することにより、清浄な溶湯が得られるので、製品にノロかみやピンホールなどの欠陥が生じることを抑制することができる。
また、高価かつ価格の安定性に不安が残るＲＥの添加量を上記のように低めに抑えることにより、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。
本発明の好適な実施形態について以下に説明する。
厚肉球状黒鉛鋳鉄で共晶凝固時間が１．０ｋｓ以上になるような鋳造品において、本発明の実施形態に係る溶湯処理方法、特に接種方法を用いることにより、異常黒鉛であるチャンキー黒鉛の晶出を抑制することができる。
使用される接種剤は、１５〜８０％のＳｉと、ＲＥとしてＬａまたはＣｅのいずれか一方と、Ｃａと、Ａｌとを含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる。
接種剤は、Ｆｅ−Ｓｉ合金（フェロシリコン）溶湯に所定量（詳細後述）のＲＥ、Ｃａ及びＡｌを溶解させ、この溶湯を凝固させた後に、砕いて粒状にすることにより作製することができる。
接種剤中のＳｉの含有量を１５〜８０％とするのは、公知のＦｅ−Ｓｉ状態図（例えばASM HANDBOOK（商標または登録商標）,Volume3等を参照）より明らかなように、この範囲内でＳｉの溶け込み量が多くなることによる。また、Ｓｉの含有量が８０％以上の場合、他の成分元素が溶け込み難くなる。また、接種剤中のＳｉの含有量を１５〜２５％または５０〜６０％とすることが、溶け込み量を増やす上でさらに好ましい。
ＲＥは、複数種のＲＥの合金（例えば「ミッシュメタル」と呼ばれるＣｅ：Ｌａ＝２：１の合金）または混合物の形態としてではなく、Ｃｅ（セリウム）のみ若しくはＬａ（ランタン）のみが単独で添加される。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８０〜１００重量％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８０〜１００重量％とするのが好ましい。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。
ＲＥの溶湯に対する添加量は０．００１〜０．００９％とすることが好ましい。ＲＥの添加量が０．００１％未満の場合、片状黒鉛鋳鉄においては共晶セル数が減少するという問題が生じ、球状黒鉛鋳鉄において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するという問題が生じる。ＲＥの添加量が０．００９％を超えた場合、片状黒鉛鋳鉄においては大きな悪影響はないが、球状黒鉛鋳鉄においては異常黒鉛であるチャンキー黒鉛が多く晶出するという問題が生じる。黒鉛形状が悪くなると、機械的性質低下の原因となる。
Ｃａの溶湯に対する添加量は０．００１〜０．０２０％とすることが好ましく、また同様に、Ａｌの溶湯に対する添加量は０．００１〜０．０２０％とすることが好ましい。Ｃａ、Ａｌの添加量が０．００１未満では黒鉛核生成が十分に行われない。また、Ｃａ、Ａｌの添加量が０．０２０％を超えると、異常黒鉛または粗大黒鉛が晶出し易くなり、また、ノロ及びドロスが生成し易くなり、製品にノロかみやピンホールの欠陥が生じる可能性がある。
上記の接種剤は、元湯を出湯する直前の炉内での接種を行うときに使用することができ、また、置き注ぎ法、掛け堰法、注湯流接種法、インモールド法、ワイヤ処理法などの公知の全ての接種方法の実施のために使用することもできる。接種剤は、粒径１〜５ｍｍの粒状、あるいは、長さが５〜７０ｍｍの塊状とすることができる。接種剤は、粒径が０．１〜１．０ｍｍの粒からなり、このような粒がワイヤの芯部に連続的に包含された状態で溶湯に供給されてもよい。
置き注ぎ法、掛け堰法、注湯流接種法及びインモールド法に好適に用いることができる接種剤の組成を以下に示す。
Ｓｉ：３０〜８０％
ＲＥ：０．１〜０．６％（純度８０〜１００重量％ＬａまたはＣｅ）
Ｃａ：０．１〜１．３％
Ａｌ：０．１〜２．０％
残部Ｆｅ及び不可避的不純物
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ワイヤ処理法に好適に用いることができる接種剤の組成を以下に示す。
Ｓｉ：３０〜６０％
ＲＥ：０．３〜１．８％（純度８０〜１００重量％ＬａまたはＣｅ）
Ｃａ：０．１〜６．０％、
Ａｌ：０．１〜６．０％
残部Ｆｅ及び不可避的不純物
上記組成では、Ｆｅ、Ｓｉの濃度を低めに抑え、他の成分元素の濃度を高めにすることにより、ワイヤのフィード量が少なくても十分な接種効果を達成できるようになるので、接種処理時間を短縮することができる。
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上記組成では、Ｆｅ、Ｓｉの濃度を低めに抑え、他の成分元素の濃度を高めにすることにより、ワイヤのフィード量が少なくても十分な接種効果を達成できるようになるので、接種処理時間を短縮することができる。
いずれの接種方法を用いる場合でも、また、いずれの組成の接種剤を用いる場合でも、溶湯に対する各成分元素の添加量は上述した通りとする。
本実施形態に係る接種剤にはＭｇ（マグネシウム）が含まれない。従って、球状黒鉛鋳鉄製品を鋳造する場合、球状化処理は、上記接種処理に用いる接種剤とは異なる球状化剤を用いて、上記接種処理に先行して別個に行われる。球状化処理に用いられる球状化剤は、公知のものから適当なものを選択して用いることができる。しかしながら、球状化剤はＲＥ，Ｃａ，Ａｌを含まないもの、例えばＦｅ−Ｓｉ−Ｍｇ（例えば重量比でＦｅ:Ｓｉ：Ｍｇ＝４５：４５：１０、または３０：３０：２０、または４５：３０：５のものなど）系のものを用いることが、上記接種処理への影響を最小限にする観点から好ましい。
接種処理は鋳型に溶湯を注湯する時点になるべく近い時点で行うことにより高い効果を得られることが知られており、本実施形態では、球状化に寄与する元素であるＭｇを接種剤に含めずに、球状化処理は別個の球状化剤により行い、球状化処理後、型に注湯する直前に接種処理を行うことにより、接種効果を高めることができる。
片状黒鉛鋳鉄製品を鋳造する場合には、溶湯に上記の接種剤を添加すればよい。
図６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に用いた場合、取鍋底部の反応溝（ポケット）に接種剤を充填し、１４００〜１５００℃の元湯をこの取鍋に出湯して接種処理する。
球状黒鉛鋳鉄の溶湯処理においては、上記の接種剤を反応溝に充填した球状化剤の表面を覆うように配置し、Ｍｇの反応を穏やかにするカバー剤としても用いることができる。Ｍｇの添加量が多いと反応が激しくなるが、Ｃａを上記の最適範囲（溶湯全体に対して０．００１〜０．０２重量％）内で多く入れることで反応を穏やかにすることができる。
図７にはワイヤ処理法の概略図を示す。ワイヤ処理によって短時間で効率的に接種処理を行うことができる。
図８には掛け堰接種及びインモールド接種を複合的に実施した概略図を示す。掛け堰接種またはインモールド接種のみを実施することも可能である。一般的には、鋳型への注湯直前に接種を行うことにより、鋳物の機械的性質をより一層に改善することができる。また、図９の概略図に示すように、注湯流接種と掛け堰接種とを複合的に実施してもよい。
また、溶解炉から取鍋への出湯後から、鋳型への注湯が完了するまでの間に、取鍋内の溶湯への接種、掛け堰接種、インモールド接種及び注湯流接種の２つ以上を組み合わせて複数回溶湯に接種することも好ましく、そうすることにより、鋳物の機械的性質をより一層改善することができる。なお、複数回の接種を行う場合には、溶湯に対する各成分元素の合計が、前述した範囲内となるようにする。
上述した接種処理（球状黒鉛鋳鉄の場合は接種処理に加えて球状化処理）が行われた溶湯を１３００〜１４００℃で鋳型に注湯することが好ましく、そうすることにより良好な機械的性質を有した厚肉鋳物が得られる。鋳物の形状については特に制限はないが、上述した実施形態に係る接種方法は、共晶凝固時間が１．０ｋｓ以上になるような肉厚を有する場合に、特に優れた効果を示す。鋳物がより大型または厚肉で共晶凝固時間がより長くなる場合には、鋳込み温度は、やや低めの１２８０〜１３６０℃とすることが、鋳物の良好な機械的性質を確保する上で好ましい。なお、球状黒鉛鋳鉄の場合には、球状化処理温度１４００〜１５００℃とすることが好ましい。
本発明の実施例としての接種剤と、比較例としての接種剤をそれぞれ用いた片状黒鉛鋳鉄品及び球状黒鉛鋳鉄品の鋳造実験を行った。この実験では、共晶凝固時間が１．２ｋｓ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いた。このように共晶凝固時間が長いと、異常黒鉛及び粗大黒鉛が晶出しやすいので、接種の効果を検証するのに適している。
実験では、先に説明したように、Ｆｅ−５０％Ｓｉ合金（フェロシリコン）溶湯に所定量（詳細後述）のＲＥ、Ｃａ及びＡｌを溶解させ、この溶湯を凝固させた後に、砕いて粒状にすることにより作製した接種剤を用いた。この接種剤を、 元湯３０ｋｇに対して、溶湯（元湯）に対する添加量が下記の表１のＮｏ．１〜２０にそれぞれ記載された通りになるように、掛け堰法を用いて添加した。球状黒鉛鋳鉄品を鋳造するときには、取鍋の底の反応溝の底部に接種剤とは別の球状化剤を配置し、球状化処理を接種と併せて行った。Ｎｏ．１，１１は接種無しである。接種有りの試験片において、Ｃａの添加量は０．００３％、０．０１２％、０．０３％のいずれか、Ａｌの添加量は０．００３％、０．０１２％、０．０３％のいずれか、ＲＥの添加量は０．００２％、０．００８％、０．０２０％のいずれかとした。
球状黒鉛鋳鉄溶湯の組成は、Ｃ：３．５〜３．７％、Ｓｉ：２．４〜２．６％、Ｍｎ：０．５〜１．０％であり、片状黒鉛鋳鉄溶湯の組成はＣ：３．１〜３．２％、Ｓｉ：１．５〜１．７％、Ｍｎ：０．８〜０．９％であった。
得られた試験片に対して、引張試験を行い、引張強さ及び破断伸びを測定するとともに、組織観察を行った。
表１に試験結果を示す。
表１のＮｏ.１〜１０は球状黒鉛鋳鉄、Ｎｏ.１１〜２０は片状黒鉛鋳鉄である。Ｎｏ.１１〜２０には片状黒鉛鋳鉄の機械的性質と条件を示す。
球状黒鉛鋳鉄の引張強さについて以下のことが確認された。接種なしの場合（Ｎｏ.１）、ＲＥがＣｅ＋Ｌａ（ＲＥとしてミッシュメタルを使用）の場合（Ｎｏ.２−４）、並びにＲＥがＬａ単独またはＣｅ単独の場合でもＲＥ添加量が０．０２％の場合（Ｎｏ.７，１０）には引張強さが４５０ＭＰａを下回っていた。しかしながら、その他の場合（Ｎｏ.５，６，８，９）つまり実施例では、引張強さが４５０ＭＰａ以上であった。
球状黒鉛鋳鉄の伸びについて以下のことが確認された。ＲＥとしてＬａを単独またはＣｅを単独で添加し、かつ、ＲＥ、Ｃａ、Ａｌ添加量を低めに押さえた場合（Ｎｏ．５，６，８，９）つまり実施例は、比較例（Ｎｏ.１、２−４，７，１０）よりも大幅に高い伸びを示した。
片状黒鉛鋳鉄の引張強に関しては以下のことが確認された。いずれの試料も３００ＭＰａ以上の引張強さを示した。接種を行うことにより引張強さの増加が認められた。ＲＥ、Ｃａ、Ａｌの添加量が同じもの同士を比較すると、ＲＥをミッシュメタルの形態で添加したものよりも、ＲＥとしてＬａを単独またはＣｅを単独で添加したものの方が、高い引張強度を示した。ＲＥとしてＬａを単独で添加したもの同士を比較すると、ＲＥ、Ｃａ、Ａｌ添加量が高いもの（Ｎｏ.１７）よりも、ＲＥ、Ｃａ、Ａｌ添加量を低めに抑えたもの（Ｎｏ.１５，１６）の方が、高い引張強度を示した。ＲＥとしてＣｅを単独で添加したもの同士を比較すると、ＲＥ、Ｃａ、Ａｌ添加量が高いもの（Ｎｏ.２０）よりも、ＲＥ、Ｃａ、Ａｌ添加量を低めに抑えたもの（Ｎｏ.１８，１９）の方が、高い引張強度を示した。片状黒鉛鋳鉄の伸びについては、接種の有無、ＲＥ、Ｃａ、Ａｌ添加量による差は殆どなかった。
図１は本発明の球状黒鉛鋳鉄の実施例、図２は従来例の球状黒鉛鋳鉄の組織図写真である。図３は本発明の片状黒鉛鋳鉄の実施例、図４は従来例の片状黒鉛鋳鉄の組織図写真である。接種を行うことにより球状黒鉛鋳鉄の黒鉛粒数は増加し、片状黒鉛鋳鉄の黒鉛組織は微細化されている。ＲＥ、Ｃａ、Ａｌを最適量にした接種剤を使用することにより組織の改善が確認できた。
Claims (10)
- 接種剤として、１５〜８０重量％のＳｉと、ＲＥとして純度８０〜１００重量％のＬａまたは純度８０〜１００重量％Ｃｅのいずれか一方と、Ｃａと、Ａｌとを含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる接種剤を用い、前記接種剤を、鋳鉄の溶湯に対する各成分元素の添加量が、ＬａまたはＣｅが０．００１〜０．００９重量％、Ｃａが０．００１〜０．０２重量％、Ａｌが０．００１〜０．０２重量％となるように前記溶湯に添加することにより前記鋳鉄の溶湯に接種処理を行うことを含む、鋳鉄溶湯処理方法。
- 前記接種処理は、置き注ぎ法、掛け堰法、注湯流接種法及びインモールド法のいずれかにより実施され、
前記接種剤におけるＳｉの含有量が３０〜８０％、純度８０〜１００重量％のＬａまたは純度８０〜１００重量％Ｃｅの含有量が０．１〜０．６重量％、Ｃａの含有量が０．１〜１．３重量％、Ａｌの含有量が０．１〜２．０重量％である、請求項１記載の鋳鉄溶湯処理方法。 - 前記接種処理は、ワイヤ処理法により実施され、
前記接種剤におけるＳｉの含有量が３０〜６０％、純度８０〜１００重量％のＬａまたは純度８０〜１００重量％Ｃｅの含有量が０．３〜１．８重量％、Ｃａの含有量が０．１〜６．０重量％、Ａｌの含有量が０．１〜６．０重量％である、請求項１記載の鋳鉄溶湯処理方法。 - 前記接種剤は、粒径１〜５ｍｍの粒状である、請求項１または請求項２に記載の鋳鉄溶湯処理方法。
- 前記接種剤は、塊状である、請求項１または請求項２に記載の鋳鉄溶湯処理方法。
- 前記接種剤は、粒径が０．１〜１．０ｍｍの粒からなり、前記粒がワイヤの芯部に連続的に包含された状態で溶湯に供給される、請求項３に記載の鋳鉄溶湯処理方法。
- 前記接種剤とは異なる別の球状化剤を用いて黒鉛球状化処理を行うことをさらに含み、前記黒鉛球状化処理の処理温度が１４００〜１５００℃、鋳型への注湯温度が１２７０〜１３７０℃である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の鋳鉄溶湯処理方法。
- 同じ鋳鉄の溶湯に対して、黒鉛球状化処理と、複数回の接種処理とを行うことを含む鋳鉄溶湯処理方法であって、
前記黒鉛球状化処理と、前記複数回の接種処理のうちの１回が、置き注ぎ法により同時に行われ、その後に、前記複数回の接種処理のうちの他の接種処理が、取鍋、掛け堰、鋳型内のいずれか１か所以上で１回以上行われ、
前記複数回の接種処理の各々において、接種剤として、１５〜８０重量％のＳｉと、ＲＥとして純度８０〜１００重量％のＬａまたは純度８０〜１００重量％Ｃｅのいずれか一方と、Ｃａと、Ａｌとを含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる接種剤が用いられ、
前記複数回の接種処理は、鋳鉄の溶湯に対する各成分元素の合計の添加量が、ＬａまたはＣｅが０．００１〜０．００９重量％、Ｃａが０．００１〜０．０２重量％、Ａｌが０．００１〜０．０２重量％となるように行われる、鋳鉄溶湯処理方法。 - 取鍋、掛け堰、鋳型内のいずれか１か所以上で行われる前記他の接種処理として、鋳型への注湯時に行う注湯流接種、インモールド接種、掛け堰接種を組み合わせて行う、請求項８記載の鋳鉄溶湯処理方法。
- 前記接種剤による前記接種処理とは別に、マグネシウムを含む球状化処理剤を用いて黒鉛球状化処理を行うことをさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の鋳鉄溶湯処理方法。
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