JP6963576B2 - 鋳鉄部材、鋳鉄部材を含む複合部材及び鋳鉄部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のシリンダライナとしての利用に適した、耐食性を向上させた鋳鉄部材、及びその製造方法に関する。

環境要求に応じて内燃機関からの排気中のＮＯｘの濃度を低減させるため、ＥＧＲシステムが採用されている。ＥＧＲシステムのＥＧＲガスは燃料中の硫黄成分を含むため、ＥＧＲガスの凝縮水には硫酸が含まれることとなり、鋳鉄製のシリンダライナの内壁に腐食などを引き起こす場合がある。
このようなＥＧＲガスによる腐食に対応するため、パーライト相において、フェライト相とセメンタイト相の間隔を狭くする技術が開示されている（特許文献１及び２参照）。

一方でシリンダライナは内燃機関において高速摺動されることから、耐摩耗性とともに、ピストンリングとの摺動による焼き付きを生じさせない耐焼き付き性も要求される。このため、耐摩耗性及び耐焼き付き性を改善したシリンダライナに用いられる鋳鉄として、Ａ型黒鉛を含む鋳鉄が開示されている（特許文献３及び４参照）。

特許第５７５７７５５号公報 特開２０１５−１９６８９７号公報 特公昭５８−０３６６６４号公報 特開２００８−１０６３５７号公報

本発明は、ＥＧＲシステムで発生する硫酸などの酸による腐食に対する耐食性が改善された鋳鉄部材を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ね、鋳鉄部材に銅を一定量含有させ、その上で更にＡ型黒鉛比率を低減させることで耐食性が向上することを見出し、本発明を完成させた。

本発明は、炭素を２．９質量％〜３．７質量％、ケイ素を１．８質量％〜２．８質量％、マンガンを０．５質量％〜１．０質量％、リンを０．０５質量％〜０．４質量％、硫黄を０．１２質量％以下、及び銅を０．５質量％〜３．０質量％、含有する鋳鉄部材であって、
前記鋳鉄部材はＡ型黒鉛を含み、且つ全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の比率が６５％以下である、鋳鉄部材を含む。

鋳鉄部材は、フェライト相とセメンタイト相が交互に析出したパーライト相を構成し、該パーライト相のラメラ間隔が、０．５μｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましく、炭素当量Ｃ．Ｅ値が２．６以上３．８以下であることが好ましい。

また、本発明は、別の形態として、上記記載の鋳鉄部材、及び外周面が該鋳鉄部材の内壁を摺動するピストンリングを備えたピストン、を含む複合部材であって、
前記ピストンリングの外周面が、ＰＶＤ及びＤＬＣからなる群から選択される被膜によって覆われる、複合部材を含む。

また、本発明は、更に別の形態として、鋳鉄材料を鋳型に流し込む流込工程、鋳型に流し込んだ鋳鉄材料を冷却し、鋳鉄部材を得る冷却工程、を含む、鋳鉄部材の製造方法であって、
鋳鉄部材はＡ型黒鉛を含み、
全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の比率が６５％以下となるように、前記流込工程における流し込む鋳鉄材料の温度、鋳型の温度及び／又は前記冷却工程における冷却速度を調整する、鋳鉄部材の製造方法を含む。

本発明により、酸による腐食の小さい、耐食性に優れた鋳鉄部材を提供できる。

実施例１〜４及び比較例１の腐食試験の結果を示すグラフである。

本発明の一実施形態は、炭素を２．９質量％〜３．７質量％、ケイ素を１．８質量％〜２．８質量％、マンガンを０．５質量％〜１．０質量％、リンを０．０５質量％〜０．４質量％、硫黄を０．１２質量％以下、及び銅を０．５質量％〜３．０質量％、含有する鋳鉄部材である。そして、鋳鉄部材はＡ型黒鉛を含み、且つ全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の比率が６５％以下である。本実施形態の鋳鉄部材は、上記以外の元素を含有してもよく、例えばホウ素、クロム、ニッケル、モリブデンなどを含んでいてもよい。ホウ素を含む場合、その含有量は０．０３質量％〜０．０８質量％であってよく、ホウ素を含有させることで耐摩耗性を向上させることができる。
本実施形態において鋳鉄部材は、耐食性を向上させるため銅を一定量含有する。そして、鋳鉄部材は銅を含有した上で、Ａ型黒鉛を含み、且つ全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の比率を６５％以下とすることで、酸への耐食性を向上させることができる。

本実施形態の鋳鉄部材は、銅を一定量含有することで、酸への耐食性を向上させることができ、その含有量は通常０．５質量％以上であり、０．６質量％以上であってよく、０．８質量％以上であってよく、１．０質量％以上であってよい。また通常３．０質量％以下であり、２．５質量％以下であってよく、２．０質量％以下であってよい。

鋳鉄部材がＡ型黒鉛を含む場合、鋳鉄部材において黒鉛が方向性を持たず、無秩序且つ均等に分布して存在する。本実施形態では、全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の比率を６５％以下とすることで、酸による腐食に対する耐食性を向上させることができる。全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の比率は６０％以下であってよく、５５％以下であってよく、５０％以下であってよく、４５％以下であってよく、４０％以下であってよい。下限は限定されず、０％より大きく、５％以上であってよく、１０％以上であってよく、１５％以上であってよく、２０％以上であってよく、２５％以上であってよく、３０％以上であってよい。なお、Ａ型黒鉛比率が高すぎる場合にはフェライトが析出するため耐食性が低下する。そのため、本実施形態では、フェライトが析出していないことが好ましい。

なお、全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の比率が少なすぎる場合には、耐摩耗性が不十分となる傾向にある。そのため、鋳鉄部材の、全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の割合が低い場合には、鋳鉄部材の内壁と摺動し得るピストンリングの外周面を覆う被膜が、ＰＶＤ及びＤＬＣからなる群から選択されるような、耐摩耗性に優れ、且つ相手攻撃性の小さい被膜により覆われることが好ましい。

鋳鉄部材は、Ａ型黒鉛以外の黒鉛を含有してもよく、例えばＢ型黒鉛、Ｄ型黒鉛、Ｅ型黒鉛を一定量含有してもよいが、典型的にはＥ型黒鉛の割合が大きい。Ｅ型黒鉛は通常５０％以下であり、４０％以下であってよく、３０％以下であってよい。その他の黒鉛は、それぞれ通常３０％以下であり、２０％以下であってよく、１０％以下であってよい。

鋳鉄部材は、炭素当量Ｃ．Ｅ値が通常３．８以下であり、３．６以下であってよく、３．５以下であってよく、また通常２．６以上であり、３．２以上であってよい。
炭素当量Ｃ．Ｅは（炭素量＋ケイ素量／３．２）で表され、値が小さくなると、硬く脆い鋳鉄部材となる傾向にある。

鋳鉄部材は、フェライトとセメンタイトとの層状組織であるパーライトを有し、該パーライトのラメラ間隔が通常０．５μｍ以上であり、０．７μｍ以上であってよく、また通常２．５μｍ以下であり、２．３μｍ以下であってよく、２．０μｍ以下であってよく、１．０μｍ以下であってよい。上記範囲とすることで、耐食性が向上する。

全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の比率は、目視検査により測定できる。具体的には、ＡＳＴＭＡ２４７に基づいてＡ型黒鉛の比率（面積比率）を測定する。Ａ型黒鉛の比率の測定は、判定訓練者により行われることが好ましく、鋳鉄部材中の複数箇所、例えば２か所以上、好ましくは４か所以上で測定し、その平均を算出することが好ましい。
また、パーライトのラメラ間隔は、金属顕微鏡で鋳鉄部材を複数箇所観察し、２０μｍ範囲におけるラメラ平均間隔を計算することで、算出できる。ラメラ間隔についても、鋳鉄部材中の複数箇所、例えば２か所以上、好ましくは４か所以上で測定し、その平均を算出することが好ましい。

本実施形態において、全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の比率を上記範囲とすることは、鋳鉄材料（溶湯）を流し込む鋳型の温度を調整すること、流しこむ溶湯の温度を調整すること、鋳鉄部材の製造において鋳型に流し込んだ鋳鉄材料の冷却速度を調整すること、鋳型に塗布する鋳型剤層の厚みを調整すること、鋳鉄材料中に黒鉛化を阻害する元素や黒鉛化を促進させる元素を導入すること、などにより達成できる。
また、パーライトのラメラ間隔は、鋳鉄材料を流し込む鋳型の温度を調整すること、鋳鉄部材の製造において鋳型に流し込んだ鋳鉄材料の冷却速度を早くすること、鋳鉄材料中のＣｕの含有量を調整すること、などにより達成できる。

以下、本実施形態に係る鋳鉄部材の製造方法について説明する。
本発明の別の実施形態は、鋳鉄材料を鋳型に流し込む流込工程、鋳型に流し込んだ鋳鉄材料を冷却し、鋳鉄部材を得る冷却工程、を含む、鋳鉄部材の製造方法であって、
鋳鉄部材はＡ型黒鉛を含み、全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の比率が６５％以下となるように、前記流込工程及び／又は前記冷却工程を調整する、鋳鉄部材の製造方法である。前記流込工程及び／又は前記冷却工程において、Ａ型黒鉛の比率が６５％以下とする具体的な方法は、上記記載のとおりである。
鋳鉄部材の製造は、典型的には遠心鋳造法が用いられるが、重力鋳造により製造してもよい。

流込工程では、鋳鉄部材を形成するための鋳型を準備し、当該鋳型に溶解した鋳鉄材料（溶湯）を流し込む。この際、鋳型の温度は通常２５０℃以上３００℃以下であり、２６０℃以上２９０℃以下であることが好ましい。流し込む溶湯は、上記鋳鉄材料の組成を充足するものを使用する。また、鋳型に流し込む溶湯の温度も特段限定されず、適宜設定できるが、溶湯の温度によって冷却工程の冷却速度を調整することができる。
鋳型の内部には、耐火基材、粘着剤、水、界面活性剤などを含む塗型剤を塗布する。塗
型剤層の厚みは特段限定されず、適宜設定できるが、塗型剤層の厚みによって冷却工程の冷却速度を調整することができる。

冷却工程では、鋳型に流し込んだ鋳鉄材料を冷却し、鋳鉄部材を得る。この際、鋳鉄材料の冷却温速度は特段限定されず、空冷であってよく、空調を調整することで冷却速度を調整してもよい。また、塗型剤の種類、塗型剤層の厚みを調整することで、鋳鉄材料の冷却速度を調整してもよい。
得られた鋳鉄部材は、鋳型から取り出し、表面の塗型剤層をブラスト処理により鋳鉄部材から除去することで、鋳鉄部材が得られる。

本実施形態の鋳鉄部材は、全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の比率を６５％以下とすることで、酸による腐食に対する耐食性を向上させる一方で、Ａ型黒鉛の比率を比較的低くすることから、耐摩耗性が不十分となる場合がある。そのため、シリンダライナとしてピストンと共にエンジンに用いられる際には、鋳鉄部材の内壁と摺動し得るピストンリングの外周面を覆う被膜が、ＰＶＤ及びＤＬＣからなる群から選択されるような、耐摩耗性に優れ、且つ相手攻撃性の小さい被膜により覆われることが好ましい。

すなわち、本発明の別の形態は、上記記載の鋳鉄部材、及び外周面が該鋳鉄部材の内壁を摺動するピストンリングを備えたピストン、を含む複合部材であって、前記ピストンリングの外周面が、ＰＶＤ及びＤＬＣからなる群から選択される被膜によって覆われる、複合部材である。
ＰＶＤ及びＤＬＣからなる群から選択される、ピストンリングを覆う被膜は、ＤＬＣであることがより好ましい。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。
＜実施例１：Ｃｕ ０．５質量％＞
次の組成を有する鋳鉄部材を製造した。
炭素 ：３．４質量％
ケイ素 ：２．４質量％
マンガン：０．６３質量％
リン ：０．１２質量％
硫黄 ：０．０３５質量％
銅 ：０．５質量％
ホウ素 ：０．０６質量％
クロム ：０．１０質量％
具体的には、上記組成を有する１４００℃に加熱した鋳鉄材料を、２８０℃の鋳型に流し込み、その後空冷することで、鋳鉄部材を得た。得られた鋳鉄部材の物性を測定し、結果を表１に示す。なお、実施例で得られた鋳鉄部材は、直径φ８．５ｃｍ、高さ１３．５ｃｍ、肉厚０．６ｃｍの円筒形状であり、「外周からの距離」は、鋳鉄部材の外周面からの距離を意味する。

＜実施例２：Ｃｕ １．０質量％＞
Ｃｕの含有量を１．０質量％とした以外は実施例１と同様の組成を有する鋳鉄部材を製造した。
得られた鋳鉄部材の物性を測定し、結果を表２に示す。

＜実施例３：Ｃｕ １．５質量％＞
Ｃｕの含有量を１．５質量％とした以外は実施例１と同様の組成を有する鋳鉄部材を製造した。
得られた鋳鉄部材の物性を測定し、結果を表３に示す。

＜実施例４：Ｃｕ ２．０質量％＞
Ｃｕの含有量を２．０質量％とした以外は実施例１と同様の組成を有する鋳鉄部材を製造した。
得られた鋳鉄部材の物性を測定し、結果を表４に示す。

＜比較例１：Ｃｕ ０．２質量％＞
Ｃｕの含有量を０．２質量％とし、ホウ素の含有量をゼロとした以外は実施例１と同様の組成を有する鋳鉄部材を製造した。
得られた鋳鉄部材の物性を測定し、結果を表５に示す。

上記、得られた鋳鉄部材に対し、腐食試験を行った。腐食試験は、上記Ａ型黒鉛比率及びパーライトラメラ間隔を測定した面を表面として有する１０ｍｍ×１０ｍｍの試験片を準備し、試験片を２．５％硫酸に６５℃で１５時間晒し、硫酸に晒す前後における試験片の重量差を測定した。結果を図１に示す。
図１より、Ｃｕを特定量含有し、Ａ型黒鉛比率を６５％以下とすることで、酸に対する高い耐食性を示すことが理解できる。

Claims (8)

1. 炭素を２．９質量％〜３．７質量％、ケイ素を１．８質量％〜２．８質量％、マンガンを０．５質量％〜１．０質量％、リンを０．０５質量％〜０．４質量％、硫黄を０．１２質量％以下、及び、銅を０．５質量％〜３．０質量％含有し、残部を鉄及び不可避不純物からなる鋳鉄部材であって、
   表面において、Ａ型黒鉛を含み、且つ全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の面積比率が１５％以上６５％以下である鋳鉄部材。
2. さらに、ホウ素を０．０３質量％〜０．０８質量％、クロムを０．１０質量％のいずれか１種又は２種を含有する、請求項１に記載の鋳鉄部材。
3. 表面において、フェライト相とセメンタイト相が交互に析出したパーライト相を構成し、該パーライト相のラメラ間隔が、０．５μｍ以上２．５μｍ以下である、請求項１又は２に記載の鋳鉄部材。
4. 前記鋳鉄部材は、炭素当量Ｃ．Ｅ値が２．６以上３．８以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋳鉄部材。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋳鉄部材、及び外周面が該鋳鉄部材の内壁を摺動するピストンリングを備えたピストン、を含む複合部材であって、
   前記ピストンリングの外周面が、ＰＶＤ及びＤＬＣからなる群から選択される被膜によって覆われる、複合部材。
6. 鋳鉄材料を鋳型に流し込む流込工程、鋳型に流し込んだ鋳鉄材料を冷却し、鋳鉄部材を得る冷却工程、を含む、鋳鉄部材の製造方法であって、
   鋳鉄部材は炭素を２．９質量％〜３．７質量％、ケイ素を１．８質量％〜２．８質量％
   、マンガンを０．５質量％〜１．０質量％、リンを０．０５質量％〜０．４質量％、硫黄を０．１２質量％以下、及び、銅を０．５質量％〜３．０質量％含有し、残部を鉄及び不可避不純物からなる鋳鉄部材であり、
   表面において、Ａ型黒鉛を含み、全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の面積比率が１５％以上６５％以下となる領域を含むように、前記流込工程における流し込む鋳鉄材料の温度、鋳型の温度及び／又は前記冷却工程における冷却速度を調整する、鋳鉄部材の製造方法。
7. 炭素を２．９質量％〜３．７質量％、ケイ素を１．８質量％〜２．８質量％、マンガンを０．５質量％〜１．０質量％、リンを０．０５質量％〜０．４質量％、硫黄を０．１２質量％以下、及び銅を０．５質量％〜３．０質量％含有し、残部を鉄及び不可避不純物からなるシリンダライナであって、
   表面において、Ａ型黒鉛を含み、且つ全黒鉛に占めるＡ型黒鉛の面積比率が１５％以上６５％以下である、シリンダライナ。
8. さらに、ホウ素を０．０３質量％〜０．０８質量％、クロムを０．１０質量％のいずれか１種又は２種を含有する、請求項７に記載のシリンダライナ。
   

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