JPH0813079A - 球状黒鉛鋳鉄とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な熱処理で強度と靭性とがともに優れた
球状黒鉛鋳鉄を製造することができる手段を提供する。 【構成】 重量比で、Ｃ３.０〜４.０％、Ｓi１.５〜
３.０％、Ｍn１.０％以下、Ｐ０.０３０％以下、Ｓ０.
０２０％以下、Ｃu１.０％未満、Ｍg０.０２〜０.０８
％、残部が鉄である球状黒鉛鋳鉄材料を、γ域内の所定
温度Ｔ₁(８７０℃以上)まで昇温させた後所定時間(例え
ば２hr)だけＴ₁で保持し、次に該材料を共析変態温度区
間内の所定温度Ｔ₂(７５０〜８５０℃)まで降温させた
所定時間(例えば１hr)だけＴ₂で保持し、この後該材料
を常温まで空冷するといった２段式の簡単な熱処理によ
り、パーライトの結晶粒界に沿ってフェライトが網状に
形成された網目状組織を備えた球状黒鉛鋳鉄が製造され
る。該球状黒鉛鋳鉄は、網状のフェライトによって強度
と靭性とがともに高められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、球状黒鉛鋳鉄とその製
造方法とに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、鋳鉄は融点が低く鋳造によって
容易に所定の形状にすることができ、また安価であるの
で、種々の鉄系部材の材料として幅広く用いられてい
る。そして、かかる鋳鉄の中で、球状黒鉛鋳鉄は、普通
の鋳鉄(例えば、ねずみ鋳鉄)に比べて強度(主として引
張強さ)及び靭性(主として伸びすなわち延性)が優れて
いるので、比較的高い強靭性が要求される自動車の足ま
わり部品(例えば、リヤハブサポート)等に用いられてい
る。

【０００３】かかる球状黒鉛鋳鉄においてその引張強さ
(強度)及び伸び(靭性)はその組成あるいは組織形態等に
よって変化するが、一般的には球状黒鉛鋳鉄は例えば図
１３中にも示すように(四角印)、引張強さが増せば伸び
が減り、伸びが増せば引張強さが減るといった二律背反
的な材料特性を備えている。ここで、球状黒鉛鋳鉄にお
ける引張強さと伸びのバランスは、基地組織中のフェラ
イト量によって左右され、フェライト量が多いと伸びは
増加するものの引張強さが減少し、逆にフェライト量が
少ないと引張強さは増加するものの伸びが減少するとい
った事実は一般に知られている。

【０００４】しかしながら、球状黒鉛鋳鉄といえども鋼
などに比べればまだまだ強度及び靭性が低いので、前記
のような球状黒鉛鋳鉄の材料特性を考慮しつつ、球状黒
鉛鋳鉄に熱処理を施してフェライト相とパーライト相と
からなる極めて微細な２相組織を形成することによりそ
の強度及び靭性の向上を図るといった手法がいくつか提
案されている。なお、かかる球状黒鉛鋳鉄においては、
上記２相組織に加えて黒鉛が点在するのはもちろんであ
る。具体的には、例えば、普通の球状黒鉛鋳鉄材料に対
して、オーステナイト領域まで急速加熱した後空冷する
といった熱処理操作を何度も繰り返し行って(例えば、
１０回以上)、極めて微細なフェライト相とパーライト
相とからなる２相組織を形成し、これによって強度と靭
性の両面に優れた球状黒鉛鋳鉄を得るといった手法が提
案されている(例えば、特公昭５４−４００５１号公報
参照)。

【０００５】また、基地組織がパーライトである球状黒
鉛鋳鉄材料に対して、共析変態温度区間内(α相とγ相
の共存域)まで加熱又は急速加熱した後空冷するといっ
た熱処理を行って、極めて微細なフェライト相とパーラ
イト相とからなる２相組織を形成し、これによって強度
と靭性の両面に優れた球状黒鉛鋳鉄を得るといった手法
が提案されている(例えば、特公昭５５−９４５２号公
報、特公昭５９−１７１８６号公報参照)。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
前記の特公昭５４−４００５１号公報に開示されている
ような従来の手法では、球状黒鉛鋳鉄材料を急速加熱す
るための設備、例えばソルト浴、アルミ浴等を設ける必
要があるので設備が大型化・複雑化するといった問題が
あり、また熱処理を何度も繰り返さなければならないの
で熱処理操作が複雑化するなどといった問題がある。

【０００７】また、例えば前記の特公昭５５−９４５２
号公報あるいは特公昭５９−１７１８６号公報に開示さ
れているような従来の手法では、熱処理前の球状黒鉛鋳
鉄材料がパーライトの基地組織を備えていることが必要
であるので、予め鋳放し材に合金を添加するなどして基
地組織がパーライトである球状黒鉛鋳鉄材料をつくる
か、又は予め普通の球状黒鉛鋳鉄材料に焼準処理等を施
して基地組織をパーライトに変化させておかなければな
らず、球状黒鉛鋳鉄材料の製造に非常な手間がかかると
いった問題がある。

【０００８】本発明は、上記従来の問題点を解決するた
めになされたものであって、球状黒鉛鋳鉄材料の調製に
手間をかけずに簡単な熱処理で強度と靭性とがともに優
れた球状黒鉛鋳鉄を製造することができる手段を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達するた
め、第１の発明は、パーライトの結晶粒界に沿ってフェ
ライトが網状に形成された２相組織を有する球状黒鉛鋳
鉄を提供する。

【００１０】第２の発明は、第１の発明にかかる球状黒
鉛鋳鉄において、重量比で、３.０％〜４.０％の炭素
と、１.５％〜３.０％の珪素と、１.０％以下のマンガ
ンと、０.０３０％以下の燐と、０.０２０％以下の硫黄
と、１.０％未満の銅と、０.０２〜０.０８％のマグネ
シウムとが含まれ、残部が鉄であることを特徴とする球
状黒鉛鋳鉄を提供する。

【００１１】第３の発明は、球状黒鉛鋳鉄材料をγ域ま
で昇温させて該γ域内に保持し、次に該材料を共析変態
温度区間まで降温させて該共析変態温度区間内に保持
し、この後該材料を常温まで冷却し、パーライトの結晶
粒界に沿ってフェライトが網状に形成された２相組織を
有する球状黒鉛鋳鉄を得るようにしたことを特徴とする
球状黒鉛鋳鉄の製造方法を提供する。

【００１２】第４の発明は、球状黒鉛鋳鉄材料をγ域内
の所定の第１熱処理温度まで昇温させた後該材料を所定
の第１保持期間上記第１熱処理温度に保持し、次に該材
料を共析変態温度区間内の所定の第２熱処理温度まで降
温させた後該材料を所定の第２保持期間上記第２熱処理
温度に保持し、この後該材料を常温まで冷却し、パーラ
イトの結晶粒界に沿ってフェライトが網状に形成された
２相組織を有する球状黒鉛鋳鉄を得るようにしたことを
特徴とする球状黒鉛鋳鉄の製造方法を提供する。

【００１３】第５の発明は、第４の発明にかかる球状黒
鉛鋳鉄の製造方法において、第１熱処理温度を８７０℃
以上の値とし、第１保持期間を２時間とすることを特徴
とする球状黒鉛鋳鉄の製造方法を提供する。

【００１４】第６の発明は、第４又は第５の発明にかか
る球状黒鉛鋳鉄の製造方法において、第２熱処理温度を
７５０℃〜８５０℃の範囲内の値とし、第２保持期間を
１時間とすることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の製造方法
を提供する。

【００１５】第７の発明は、第４〜第６の発明のいずれ
か１つにかかる球状黒鉛鋳鉄の製造方法において、球状
黒鉛鋳鉄材料のγ域への昇温時間を２２分〜２６分とす
ることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の製造方法を提供す
る。

【００１６】第８の発明は、第３〜第７の発明のいずれ
か１つにかかる球状黒鉛鋳鉄の製造方法において、球状
黒鉛鋳鉄材料として、重量比で、３.０％〜４.０％の炭
素と、１.５％〜３.０％のケイ素と、１.０％以下のマ
ンガンと、０.０３０％以下のリンと、０.０２０％以下
の硫黄と、１.０％未満の銅と、０.０２％〜０.０８％
のマグネシウムとが含まれ、残部が鉄である球状黒鉛鋳
鉄を用いることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の製造方法を
提供する。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
図１に示すように、本発明にかかる球状黒鉛鋳鉄は、後
で説明するような所定の組成の球状黒鉛鋳鉄材料に対し
て、まずγ域(オーステナイト域)内の所定の第１熱処理
温度Ｔ₁まで昇温させた後、該材料を所定の第１保持期
間だけ上記第１熱処理温度Ｔ₁に保持し、次に該材料を
共析変態温度区間(すなわち、α相とγ相の共存域)内の
所定の第２熱処理Ｔ₂まで降温させた後、該材料を所定
の第２保持期間だけ上記第２熱処理温度Ｔ₂に保持し、
この後該材料を常温まで冷却するといった熱処理を施す
ことによって製造される。

【００１８】このようにして製造された球状黒鉛鋳鉄
は、パーライトの結晶粒界に沿ってフェライトが網状に
形成された２相組織を備えており、かかる２相組織のた
め、後で説明するように強度(主として、引張強さ、曲
げ強さ)及び靭性(主として、伸びすなわち延性)が大幅
に高められる。このように強度及び靭性が高められるの
で、かかる球状黒鉛鋳鉄を用いて自動車の足まわり部品
等を製作する場合は、その厚みを薄くすることができ、
該部品の軽量化を図ることができる。

【００１９】しかしながら、このようにせず、球状黒鉛
鋳鉄材料を、γ域まで昇温させて該γ域内で適当な期間
保持し、次に該材料を共析変態温度区間まで降温させて
該共析変態温度区間内で適当な期間保持し、この後該材
料を常温まで冷却するといった熱処理により製造するよ
うにしてもよい。すなわち、この場合は該材料を、第１
保持段階ではγ域内に、第２保持段階では共析変態温度
区間内に適当な期間保持すれば足り、該材料を一定温度
に保持するには及ばない。この場合は、熱処理が非常に
簡単となる。

【００２０】なお、例えば図２に示すように、球状黒鉛
鋳鉄に対する従来の熱処理においては、主として、球状
黒鉛鋳鉄材料を共析変態温度区間内の所定の熱処理温度
Ｔ₃まで昇温させた後、該材料を所定時間だけ上記熱処
理温度Ｔ₃に保持し、この後材料を常温まで冷却すると
いった操作がなされていた。

【００２１】以下、本発明にかかる球状黒鉛鋳鉄及びそ
の製造方法について、さらに詳細に説明する。熱処理さ
れるべき球状黒鉛鋳鉄材料としては、炭素と珪素とマン
ガンと燐と硫黄と銅とマグネシウムとを含む球状黒鉛鋳
鉄が用いられ、これらの成分の重量基準での含有率は夫
々次の範囲内の値とされる。球状黒鉛鋳鉄材料の組成(残部は鉄) 炭素 : ３.０〜４.０wt％ 珪素 : １.
５〜３.０wt％ マンガン : １.０wt％以下 燐 : ０.０
３０wt％以下 硫黄 : ０.０２０wt％以下 銅 : １.０
wt％未満 マグネシウム : ０.０２〜０.０８wt％ したがって、本発明にかかる製造方法(熱処理)により製
造された球状黒鉛鋳鉄も、実質的には上記球状黒鉛鋳鉄
材料と同一の組成となるが、後で説明するようにその組
織形態は該材料とは大幅に異なっている。

【００２２】上記の各成分の含有率を上記範囲内とする
根拠は、次のとおりである。すなわち、炭素の含有率が
３.０wt％未満であるとチル化が生じやすくなり、他方
４.０wt％を超えるとドロスが生じやすくなって強度の
低下を招くので、炭素の含有率は３.０〜４.０wt％とし
ている。珪素の含有率が１.５wt％未満であるとチル化
が生じやすくなり、他方高すぎると(例えば、３wt％を
超えると)靭性が低下しやすくなるので、珪素の含有率
は１.５〜３.０wt％としている。マンガンの含有率が高
すぎると(例えば、１.０wt％を超えると)、マンガンが
共晶セル境界へ偏析しやすくなり靭性が損なわれるの
で、マンガンの含有率は１.０wt％以下としている。燐
の含有率が高すぎると(例えば、０.０３０wt％を超える
と)、靭性が損なわれるので、燐の含有率は０.０３０wt
％以下としている。硫黄の含有率が高すぎると(例え
ば、０.０２０wt％を超えると)、球状化が阻害されるの
で、硫黄の含有率は０.０２０wt％以下としている。銅
は熱処理後の黒鉛周辺のブルスアイ化を抑制するために
用いられるが、その含有率が１.０wt％以上となるとそ
の効果が飽和するので、銅の含有率は１.０wt％未満と
している。マグネシウムは球状化材として用いられる
が、普通の球状黒鉛鋳鉄ではその含有率が０.０２〜０.
０８wt％であるので、本実施例でもマグネシウムの含有
率は０.０２〜０.０８wt％としている。

【００２３】図３に、鉄−炭素系材料の共析変態点付近
における模式的な状態図を示す。図３において、領域Ａ
はα域であり、領域Ｂは共析変態温度領域すなわちα相
とγ相の共存域であり、領域Ｃはγ域(オーステナイト
域)である。なお、普通の球状黒鉛鋳鉄材料の炭素含有
率は概ね直線Ｙ付近にある。

【００２４】そして、本発明にかかる熱処理は前記した
とおり、基本的には図１に示すようなパターンで行われ
る。すなわち、球状黒鉛鋳鉄材料は、まずγ域内(図３
中の領域Ｃ)の第１熱処理温度Ｔ₁まで昇温された後第１
保持期間だけ該温度Ｔ₁に保持され、この後共析変態温
度区間内(図３中の領域Ｂ)の第２熱処理温度Ｔ₂まで降
温された後第２保持期間だけ該温度Ｔ₂に保持され、こ
の後冷却される。なお、冷却は空冷が好ましいが、水冷
あるいはその他の冷却手法を用いもよいのはもちろんで
ある。

【００２５】ここで、一般に球状黒鉛鋳鉄においては、
８７０℃より低い温度ではγ域(オーステナイト域)から
外れるおそれがあるので、換言すれば８７０℃以上の温
度領域では確実にγ域となるので、本発明にかかる熱処
理においては第１熱処理温度Ｔ₁を８７０℃以上の値と
するのが好ましい。また、一般的に球状黒鉛鋳鉄におい
ては、共析変態温度区間すなわちα相とγ相の共存域は
材料の組成により変化するが(とくに、珪素量の影響
大)、普通７５０℃〜８５０℃の温度領域が共析変態温
度区間となるので、本発明にかかる熱処理においては第
２熱処理温度Ｔ₂を７５０〜８５０℃の範囲内の温度と
するのが好ましい。

【００２６】この熱処理において、球状黒鉛鋳鉄材料の
第１熱処理温度Ｔ₁までの昇温は、普通の加熱装置を用
いた普通加熱により行われ、昇温時間は例えば２２〜２
６分とされる。したがって、前記の特公昭５４−４００
５１号公報に開示されている熱処理の場合のようなソル
ト浴あるいはアルミ浴等を用いた急速加熱を行う必要は
なく、熱処理装置が簡素なものとなる。

【００２７】図４に、このような熱処理が施されて完成
された本発明にかかる球状黒鉛鋳鉄１の組織形態を模式
的に示す。図４に示すように、球状黒鉛鋳鉄１は、パー
ライト相２(斜線部分)とフェライト相３(白い部分)と球
状黒鉛４(黒塗り部分)とで構成されている。なお、球状
黒鉛鋳鉄１におけるフェライト相２の割合は面積比で１
０〜６０％となることが多い。ここで、球状黒鉛鋳鉄１
内において、パーライト相２は多数の粒状体ないしは結
晶粒(旧オーステナイト結晶粒)のかたちで存在し、フェ
ライト相３はパーライト結晶粒界に沿って網状(ネット
状)に形成されている。つまり、球状黒鉛鋳鉄１は、基
本的には、パーライト結晶粒界に沿ってフェライトが網
状に形成された２相組織をなしている。

【００２８】なお、図５に参考のため、例えば図２に示
すような従来の熱処理により製造された球状黒鉛鋳鉄
１'の組織形態を模式的に示す。図５に示すように、こ
の従来の球状黒鉛鋳鉄１'においては、フェライト相３
内にパーライト相２と球状黒鉛４とがちりばめられたよ
うな組織形態となり、図４に示す本発明にかかる球状黒
鉛鋳鉄１とは組織形態が明らかに異なっている。

【００２９】本発明にかかる製造方法で製造された球状
黒鉛鋳鉄は、基本的にはパーライト結晶粒界に沿ってフ
ェライトが網状に形成された２相組織(以下、これを網
目状組織という)をなしているので、パーライト結晶粒
界の延性が高められ、強度(主として引張強さ、曲げ強
さ)と靭性(主として伸びすなわち延性)の両面に優れた
材料特性を備えている。つまり、本発明にかかる球状黒
鉛鋳鉄では、このような網目状組織を備えているので、
従来の手法により熱処理された球状黒鉛鋳鉄の場合のよ
うな極めて微細な２相混合組織を形成しなくても、強度
及び靭性の両面に優れた材料特性を得ることができるわ
けである。

【００３０】また、本発明にかかる製造方法において
は、球状黒鉛鋳鉄材料が、まずγ域内の第１熱処理温度
Ｔ₁に昇温・保持されてオーステナイト化されるので、
熱処理前の球状黒鉛鋳鉄材料は、例えば特公昭５５−９
４５２号公報あるいは特公昭５９−１７１８６号公報に
開示された手法の場合のように基地組織をパーライトに
限定する必要はない。したがって、球状黒鉛鋳鉄材料へ
の合金の添加あるいは球状黒鉛鋳鉄材料の焼準などとい
った前処理が不要であるので、鋳造素材費が安価なもの
となる。

【００３１】以下、本発明にかかる製造方法で製造され
た球状黒鉛鋳鉄の２つの具体例と、比較のために従来の
製造方法で製造された球状黒鉛鋳鉄とについて、その材
料特性等を説明する。 (１)本案a(本発明にかかる具体例１) 表１中の上欄に記載された組成の球状黒鉛鋳鉄材料を鋳
造し(長さ４００mm、直径２０mm)、この材料に対して図
６に示すような温度パターンの熱処理を施して球状黒鉛
鋳鉄を製造した(以下、この球状黒鉛鋳鉄を本案aの球状
黒鉛鋳鉄という)。ここで、鋳造は、５００Ｋg高周波大
気溶解炉を用いて原料を溶解して砂型に鋳込んだ。鋳放
し素材の組織は、８０％以上がパーライトであるフェラ
イト＋パーライト組織となっていた。熱処理は、電気加
熱式大気炉を使用し、あらかじめ目標の温度に炉を加熱
したのち材料を投入し、上記温度パターンで熱処理を行
って２相化(α相＋γ相)を行った。材料の第２熱処理温
度での保持後の冷却は空冷である。なお、材料の昇温に
おいては設定温度に達するまでに２２〜２６分の時間を
要しており、高周波加熱やソルト浴の場合のような急速
な加熱昇温速度には至っていない。

【００３２】

【表１】

【００３３】(２)本案b(本発明にかかる具体例２) 表１中の中欄に記載された組成の球状黒鉛鋳鉄材料を鋳
造し、この材料に対して図７に示すような温度パターン
の熱処理を施して球状黒鉛鋳鉄を製造した(以下、この
球状黒鉛鋳鉄を本案bの球状黒鉛鋳鉄という)。なお、そ
の他の製造条件は本案aの場合と同様である。

【００３４】(３)比較例(従来のもの) 比較のため、表１中の下欄に記載された組成の球状黒鉛
鋳鉄材料を製造し、この材料に対して図８に示すような
従来の温度パターンの熱処理を施して球状黒鉛鋳鉄を製
造した(以下、この球状黒鉛鋳鉄を比較例の球状黒鉛鋳
鉄という)。ここで、熱処理前の球状黒鉛鋳鉄材料に対
しては、あらかじめ焼鈍(９２０℃×２hr→７３０℃×
３hr、炉冷)を行っている。なお、その他の製造条件は
本案aの場合と同様である。

【００３５】図１４及び図１５に、本案aの球状黒鉛鋳
鉄の組織の顕微鏡写真を示す。なお、図１４の倍率は１
００倍であり、図１５の倍率は４００倍である。図１６
及び図１７に、本案bの球状黒鉛鋳鉄の組織の顕微鏡写
真を示す。なお、図１６の倍率は１００倍であり、図１
７の倍率は４００倍である。図１８及び図１９に、比較
例の球状黒鉛鋳鉄の組織の顕微鏡写真を示す。なお、図
１８の倍率は１００倍であり、図１９の倍率は４００倍
である。

【００３６】図１４〜図１９に示す顕微鏡写真におい
て、白い部分はフェライト相であり、灰色の部分はパー
ライト相であり、黒い部分は球状黒鉛である。図１４〜
図１９から明らかなように、本発明にかかる球状黒鉛鋳
鉄(図１４〜図１７)では、パーライト結晶粒界(旧オー
ステナイト結晶粒界)に沿ってフェライトが網状に形成
された２相組織すなわち網目状組織が形成されている。
これに対して、従来の球状黒鉛鋳鉄(図１８〜図１９)で
は、フェライト中に塊状のパーライトがちりばめられた
２相組織が形成されている。

【００３７】以下、本案a、本案b及び比較例の球状黒鉛
鋳鉄の材料特性(強度、靭性等)について説明する。表２
に、これらの３つの球状黒鉛鋳鉄について、引張試験と
３点曲げ試験とを行った結果を示す。ここで、引張試験
のテストピースのサイズは、Ｍ８、Ｐ１.２５、平行部
径φ５とした。３点曲げ試験のテストピースのサイズ
は、粗さの影響を考慮して、Ｌ＝２００、φ＝１０と
し、粗さをＲa２程度とした。また、変位は破断までの
そり量を示し、荷重は破断荷重である。

【００３８】

【表２】

【００３９】表２から明らかなとおり、本案a及び本案b
の球状黒鉛鋳鉄はいずれも、比較例の球状黒鉛鋳鉄に比
べて引張強度及び曲げ強度がともに優れている。これは
網状のフェライトによりパーライト結晶粒界の靭性が改
善され、材料の強度が向上したからであると考えられ
る。すなわち、本来、応力はパーライト結晶粒に集中し
やすいが、結晶粒界がフェライトで覆われているためパ
ーライト結晶粒への応力の集中が緩和され、これによっ
て材料の強度が高められものと考えられる。

【００４０】図２０と図２１とに、夫々、引張試験によ
って破断された(すなわちクラックが生じた)本案bの球
状黒鉛鋳鉄の破断面と、３点曲げ試験により破断された
本案bの球状黒鉛鋳鉄の破断面の組織顕微鏡写真を示
す。図２０及び図２１に示す顕微鏡写真において、白い
部分はフェライト相であり、灰色の部分はパーライト相
であり、球状の黒い部分は球状黒鉛である。なお、図２
０の倍率は２００倍であり、図２１の倍率は４００倍で
ある。また、図２２と図２３とに、夫々、引張試験によ
り破断された比較例の球状黒鉛鋳鉄の破断面と、３点曲
げ試験により破断された比較例の球状黒鉛鋳鉄の破断面
の組織顕微鏡写真を示す。図２２及び図２３に示す顕微
鏡写真において、白い部分はフェライト相であり、灰色
の部分はパーライト相であり、球状の黒い部分は球状黒
鉛である。なお、図２２の倍率は２００倍であり、図２
３の倍率は４００倍である。

【００４１】本来、クラックは基本的には、例えば図５
中の２点鎖線Ｌ₂で示すように、パーライト結晶粒(ある
いは黒鉛)を介して進展してゆくものと考えられる。か
くして、図２２及び図２３に示すように、比較例の球状
黒鉛鋳鉄では、破断面に接するパーライト(あるいは黒
鉛)の割合が多くなっている。しかしながら、図２０及
び図２１によれば、本案bの球状黒鉛鋳鉄では破断面に
接するフェライトの割合が多いことがわかる。これは、
例えば図４中の２点鎖線Ｌ₁で示すように、延性が高く
変形態の大きいフェライトとパーライトとの境界で破断
が生じるということを意味しており、これも球状黒鉛鋳
鉄の延性が向上した要因の１つと考えられる。

【００４２】なお、比較例の製造方法は、材料を単に２
相域(α相とγ相の共存域)まで加熱して冷却する熱処理
方法ではあるが、急速加熱を行って材料を微細な混合組
織とすれば強度は改善されるものと考えられる。しかし
ながら、このようにした場合は、前記したとおり、高周
波加熱や浴加熱(ソルト浴、アルミ浴等)を行うための設
備を必要としたり、あるいは材料の基地組織をパーライ
トにするための工夫を必要とするため、コストがかかる
といった問題が生じることになる。これに対して、本発
明にかかる製造方法では、加熱パターンの工夫により、
簡単な熱処理で安価に球状黒鉛鋳鉄の強靭化を図ること
ができるといった利点がある。

【００４３】図１３に、本発明にかかる球状黒鉛鋳鉄
(丸印)及び従来の球状黒鉛鋳鉄(四角印)の、引張強さと
伸びとの間の関係を示す。図１３から明らかなとおり、
網目状組織を備えた本発明にかかる球状黒鉛鋳鉄では、
引張強さと伸びのバランスが従来のものに比べて優れて
いる。

【００４４】以下、本発明にかかる球状黒鉛鋳鉄の製造
方法において、網目状組織を得るために、図１に示すよ
うな２段式の加熱パターンを採用している根拠について
説明する。本発明にかかる製造方法は、パーライト結晶
粒界に網状のフェライトを形成することを特徴としてい
るが、このような組織を形成させるために、温度パター
ンを２段式としている。温度パターンと組織形態との間
には密接な関係があり、この組織形態を得るには温度パ
ターンを２段式にする必要がある。網目状組織は、単に
材料を２相域(α相とγ相の共存域)まで加熱した後冷却
するといった従来の温度パターンの熱処理では形成され
ず、材料をオーステナイト領域以上の温度から冷却変態
させた場合にのみ有効に形成される。このような組織の
形成過程を調べるため、球状黒鉛鋳鉄を種々の温度パタ
ーンで熱処理して、それらの組織形態の違いを観察し
た。なお、いずれも２相域は７４５〜８５０℃の範囲内
であり、冷却は水冷とした。

【００４５】図２４と図２５とに夫々、熱処理前の組織
形態がパーライトである球状黒鉛鋳鉄材料と、熱処理前
の組織形態がフェライトである球状黒鉛鋳鉄材料とを、
図９に示す従来の温度パターンで熱処理して得られた球
状黒鉛鋳鉄の組織の顕微鏡写真を示す。図２６と図２７
とに夫々、熱処理前の組織形態がパーライトである球状
黒鉛鋳鉄材料と、熱処理前の組織形態がフェライトであ
る球状黒鉛鋳鉄材料とを、図１０に示す従来の温度パタ
ーンで熱処理して得られた球状黒鉛鋳鉄の組織の顕微鏡
写真を示す。図２８と図２９とに夫々、熱処理前の組織
形態がパーライトである球状黒鉛鋳鉄材料と、熱処理前
の組織形態がフェライトである球状黒鉛鋳鉄材料とを、
図１１に示す本発明にかかる温度パターンで熱処理して
得られた球状黒鉛鋳鉄の組織の顕微鏡写真を示す。図３
０と図３１とに夫々、熱処理前の組織形態がパーライト
である球状黒鉛鋳鉄材料と、熱処理前の組織形態がフェ
ライトである球状黒鉛鋳鉄材料とを、図１２に示す本発
明にかかる温度パターンで熱処理して得られた球状黒鉛
鋳鉄の組織の顕微鏡写真を示す。なお、図２４〜図３１
において、白い部分はフェライト相であり、灰色の部分
はパーライト相であり、球状の黒い部分は球状黒鉛であ
る。また、倍率はすべて４００倍である。

【００４６】図２４〜図２７からもわかるように、材料
を単に２相域(α相とγ相の共存域)まで加熱して冷却す
るだけの従来の温度パターンによる熱処理では、熱処理
前の基地組織がパーライトの場合はパーライトが分解し
てオーステナイト粒を形成し(α相＋ブロック状γ相)、
この後常温まで冷却されたときにフェライト＋パーライ
ト＋黒鉛の２相混合組織となる。なお、加熱速度が速い
場合は小さいブロック状γ相となり、遅い場合は大きな
ブロック状γ相となる。他方、熱処理前の基地組織がフ
ェライトの場合はフェライト粒界が炭素の拡散経路とな
ってオーステナイト化(α＋γ)し、この後常温まで冷却
されたときには同様にフェライト＋パーライト＋黒鉛の
２相混合組織となる。両者は、いずれも加熱時には炭素
が黒鉛から基地中に拡散し、その結果、常温まで冷却さ
れたときには結晶粒界にパーライトが形成される。

【００４７】これに対して、図２８〜図３１からもわか
るように、本発明にかかる温度パターンを用いた場合
は、基地組織がフェライト又はパーライトのいずれであ
っても、材料が一旦完全にオーステナイト領域まで加熱
される。このため、前組織の影響はなくなり、材料をこ
の状態(オーステナイト＋黒鉛)から２相域まで降温させ
てゆく過程で、黒鉛まわりにフェライトが形成され、さ
らにオーステナイト結晶粒界(パーライト結晶粒界)に沿
ってフェライト化が進み、網目状組織が形成される。こ
のような実験結果から、本発明にかかる熱処理方法を用
いなければ、網目状のフェライト相を有する２相混合組
織(網目状組織)を形成することができないことがわか
る。

【００４８】以上、本実施例によれば、球状黒鉛鋳鉄材
料の調製に手間をかけず、簡単な熱処理で強度と靭性と
がともに優れた球状黒鉛鋳鉄を製造することができる。

【００４９】

【発明の作用・効果】一般に、球状黒鉛鋳鉄に応力が作
用したときには、該応力がパーライト相に集中し、この
ため強度あるいは靭性が低くなる。しかしながら、第１
の発明によれば、パーライトの結晶粒界に沿ってフェラ
イトが網状に形成されているので、該球状黒鉛鋳鉄に応
力が作用したときには、網状のフェライトによって応力
のパーライト相への集中が緩和される。このため、球状
黒鉛鋳鉄の強度と靭性とがともに高められる。

【００５０】第２の発明によれば、基本的には第１の発
明と同様の作用・効果が得られる。さらに、球状黒鉛鋳
鉄が所定の好ましい組成とされているので、チル化、ド
ロス、ブルスアイ化などといった不具合を招くことな
く、球状黒鉛鋳鉄の強度と靭性とがともに高められる。

【００５１】第３の発明によれば、普通の球状黒鉛鋳鉄
材料に対して、これをγ域内に保持した後で共析変態温
度区間内に保持するといった簡単な２段式の熱処理を施
すことにより、パーライトの結晶粒界に沿ってフェライ
トが網状に形成された網目状組織を有する球状黒鉛鋳鉄
を得ることができる。したがって、球状黒鉛鋳鉄材料の
調製に手間をかけずに簡単な熱処理で強度と靭性とがと
もに優れた球状黒鉛鋳鉄を製造することができる。

【００５２】第４の発明によれば、普通の球状黒鉛鋳鉄
材料に対して、これをγ域内の第１熱処理温度に第１保
持期間保持した後で、共析変態温度区間内の第２熱処理
温度に第２保持期間に保持するといった簡単な２段式の
熱処理を施すことにより、パーライトの結晶粒界に沿っ
てフェライトが網状に形成された網目状組織を有する球
状黒鉛鋳鉄を得ることができる。したがって、球状黒鉛
鋳鉄材料の調製に手間をかけずに簡単な熱処理で強度と
靭性とがともに優れた球状黒鉛鋳鉄を製造することがで
きる。

【００５３】第５の発明によれば、基本的には第４の発
明と同様の作用・効果が得られる。さらに、第１熱処理
温度を８７０℃以上の値としているので、材料を確実に
γ域内に保持することができ、また第１保持期間を２時
間としているので、材料を確実にオーステナイト化する
ことができ、球状黒鉛鋳鉄の強度及び靭性の向上効果を
一層高めることができる。

【００５４】第６の発明によれば、基本的には第４又は
第５の発明と同様の作用・効果が得られる。さらに、第
２熱処理温度を７５０℃〜８５０℃の範囲内の値として
いるので、材料を確実に共析変態温度区間内に保持する
ことができ、また第２保持期間を１時間としているの
で、確実に網目状組織を形成することができ、球状黒鉛
鋳鉄の強度及び靭性の向上効果をさらに高めることがで
きる。

【００５５】第７の発明によれば、基本的には第４〜第
６の発明のいずれか１つと同様の作用・効果が得られ
る。さらに、球状黒鉛鋳鉄材料のγ域への昇温時間を２
２分〜２６分としているので、材料の加熱は普通の加熱
で足り、急速加熱を行う必要がない。したがって、ソル
ト浴、アルミ浴等の特別な加熱装置を必要とせず、熱処
理装置が簡素なものとなる。

【００５６】第８の発明によれば、基本的には第３〜第
７の発明のいずれか１つと同様の作用・効果が得られ
る。さらに、球状黒鉛鋳鉄材料を所定の好ましい組成と
しているので、チル化、ドロス、ブルスアイ化などとい
った不具合を招くことなく、球状黒鉛鋳鉄の強度と靭性
とをともに高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる球状黒鉛鋳鉄の製造における
熱処理の温度パターンを示す図である。

【図２】 従来の球状黒鉛鋳鉄の熱処理の温度パターン
を示す図である。

【図３】 鉄−炭素系の共析変態点付近の模式的な状態
図である。

【図４】 本発明にかかる方法で製造された球状黒鉛鋳
鉄の組織形態を示す模式図である。

【図５】 従来の球状黒鉛鋳鉄の組織形態を示す模式図
である。

【図６】 本発明にかかる熱処理の温度パターンの１つ
の具体例を示す図である。

【図７】 本発明にかかる熱処理の温度パターンのもう
１つの具体例を示す図である。

【図８】 従来の熱処理の温度パターンの具体例を示す
図である。

【図９】 従来の熱処理の温度パターンを示す図であ
る。

【図１０】 従来の熱処理の温度パターンを示す図であ
る。

【図１１】 本発明にかかる熱処理の温度パターンを示
す図である。

【図１２】 本発明にかかる熱処理の温度パターンを示
す図である。

【図１３】 球状黒鉛鋳鉄の引張強さと伸びとの間の関
係を示す図である。

【図１４】 図６に示す温度パターンの熱処理により製
造された球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真であ
る。

【図１５】 図６に示す温度パターンの熱処理により製
造された球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真であ
る。

【図１６】 図７に示す温度パターンの熱処理により製
造された球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真であ
る。

【図１７】 図７に示す温度パターンの熱処理により製
造された球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真であ
る。

【図１８】 図８に示す温度パターンの熱処理により製
造された球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真であ
る。

【図１９】 図８に示す温度パターンの熱処理により製
造された球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真であ
る。

【図２０】 引張試験により破断された本発明にかかる
方法で製造された球状黒鉛鋳鉄の破断面の金属組織を示
す顕微鏡写真である。

【図２１】 ３点曲げ試験により破断された本発明にか
かる方法で製造された球状黒鉛鋳鉄の破断面の金属組織
を示す顕微鏡写真である。

【図２２】 引張試験により破断された従来の方法で製
造された球状黒鉛鋳鉄の破断面の金属組織を示す顕微鏡
写真である。

【図２３】 ３点曲げ試験により破断された従来の方法
で製造された球状黒鉛鋳鉄の破断面の金属組織を示す顕
微鏡写真である。

【図２４】 パーライト金属組織の球状黒鉛鋳鉄材料に
対して、図９に示す温度パターンの熱処理を施すことに
よって得られた球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写
真である。

【図２５】 フェライト組織の球状黒鉛鋳鉄材料に対し
て、図９に示す温度パターンの熱処理を施すことによっ
て得られた球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真で
ある。

【図２６】 パーライト組織の球状黒鉛鋳鉄材料に対し
て、図１０に示す温度パターンの熱処理を施すことによ
って得られた球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真
である。

【図２７】 フェライト組織の球状黒鉛鋳鉄材料に対し
て、図１０に示す温度パターンの熱処理を施すことによ
って得られた球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真
である。

【図２８】 パーライト組織の球状黒鉛鋳鉄材料に対し
て、図１１に示す温度パターンの熱処理を施すことによ
って得られた球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真
である。

【図２９】 フェライト組織の球状黒鉛鋳鉄材料に対し
て、図１１に示す温度パターンの熱処理を施すことによ
って得られた球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真
である。

【図３０】 パーライト組織の球状黒鉛鋳鉄材料に対し
て、図１２に示す温度パターンの熱処理を施すことによ
って得られた球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真
である。

【図３１】 フェライト組織の球状黒鉛鋳鉄材料に対し
て、図１２に示す温度パターンの熱処理を施すことによ
って得られた球状黒鉛鋳鉄の金属組織を示す顕微鏡写真
である。

【符号の説明】

１,１'…球状黒鉛鋳鉄 ２…パーライト相 ３…フェライト相 ４…球状黒鉛

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永井 克和 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パーライトの結晶粒界に沿ってフェライ
   トが網状に形成された２相組織を有する球状黒鉛鋳鉄。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された球状黒鉛鋳鉄にお
   いて、 重量比で、３.０％〜４.０％の炭素と、１.５％〜３.０
   ％の珪素と、１.０％以下のマンガンと、０.０３０％以
   下の燐と、０.０２０％以下の硫黄と、１.０％未満の銅
   と、０.０２〜０.０８％のマグネシウムとが含まれ、残
   部が鉄であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄。
3. 【請求項３】 球状黒鉛鋳鉄材料をγ域まで昇温させて
   該γ域内に保持し、次に該材料を共析変態温度区間まで
   降温させて該共析変態温度区間内に保持し、この後該材
   料を常温まで冷却し、パーライトの結晶粒界に沿ってフ
   ェライトが網状に形成された２相組織を有する球状黒鉛
   鋳鉄を得るようにしたことを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の
   製造方法。
4. 【請求項４】 球状黒鉛鋳鉄材料をγ域内の所定の第１
   熱処理温度まで昇温させた後該材料を所定の第１保持期
   間上記第１熱処理温度に保持し、次に該材料を共析変態
   温度区間内の所定の第２熱処理温度まで降温させた後該
   材料を所定の第２保持期間上記第２熱処理温度に保持
   し、この後該材料を常温まで冷却し、パーライトの結晶
   粒界に沿ってフェライトが網状に形成された２相組織を
   有する球状黒鉛鋳鉄を得るようにしたことを特徴とする
   球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項４に記載された球状黒鉛鋳鉄の製
   造方法において、 第１熱処理温度を８７０℃以上の値とし、第１保持期間
   を２時間とすることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の製造方
   法。
6. 【請求項６】 請求項４又は請求項５に記載された球状
   黒鉛鋳鉄の製造方法において、 第２熱処理温度を７５０℃〜８５０℃の範囲内の値と
   し、第２保持期間を１時間とすることを特徴とする球状
   黒鉛鋳鉄の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項４〜請求項６のいずれか１つに記
   載された球状黒鉛鋳鉄の製造方法において、 球状黒鉛鋳鉄材料のγ域への昇温時間を２２分〜２６分
   とすることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項３〜請求項７のいずれか１つに記
   載された球状黒鉛鋳鉄の製造方法において、 球状黒鉛鋳鉄材料として、重量比で、３.０％〜４.０％
   の炭素と、１.５％〜３.０％のケイ素と、１.０％以下
   のマンガンと、０.０３０％以下のリンと、０.０２０％
   以下の硫黄と、１.０％未満の銅と、０.０２％〜０.０
   ８％のマグネシウムとが含まれ、残部が鉄である球状黒
   鉛鋳鉄を用いることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の製造方
   法。