JPS6051547B2

JPS6051547B2 - 低熱膨張鋳鉄

Info

Publication number: JPS6051547B2
Application number: JP57090512A
Authority: JP
Inventors: 新一榎本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-05-29
Filing date: 1982-05-29
Publication date: 1985-11-14
Also published as: JPS58210149A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、耐熱性、耐食性、耐摩耗性を有するととも
に、特に熱膨張係数の低いオーステナイト鋳鉄に関する
。

鋳造に用いる鋳鉄は、ネズミ鋳鉄、合金鋳鉄、球状黒鉛
鋳鉄、白鋳鉄、斑鋳鉄などに分類される。

上記ネズミ鋳鉄は、黒鉛が析出して破面が灰色を呈する
ものて鋳物用として最も一般に利用されているが、この
ネズミ鋳鉄は、炭素２．５〜４．０％、シリコン０．５
〜３．０％、マンガン０．３〜１２％、リン０．０１〜
０．０８％、硫黄０．０２〜０．１５％程度を含む鉄合
金であつて、強度、耐熱性、耐食性は悪いが、耐摩耗性
に優れている。これは、含有している黒鉛が潤滑性能を
持つていて摩擦による粘着現象を防ぐこと、熱伝導性が
よく熱衝撃に強くて摩擦熱を速やかに逃力化熱亀裂の発
生を防いでいること、および弾性係数が低くて摩擦面を
なじみやすくすることなどの特性によるものである。ま
た、上記球状黒鉛鋳鉄は、ネズミ鋳鉄では黒鉛が片状で
あるのに対し、球状の黒鉛を生じさせたもので、ネズミ
鋳鉄の短所である強度が改良され、強靭な鋳鉄を得るこ
とができる。

さらに、機械的強度の優れた球状黒鉛鋳鉄に加え、その
使用目的に応じて、機械的性質を改良するために、ニッ
ケル、クロム、モリブデン、バナジウム、銅、チタニウ
ム、アルミニウム、ボロン、テルル、ジルコンなどを添
加した合金鋳鉄も知られている。上記ニッケルは鋳鉄中
で炭化物を作らす、鉄中への炭素溶解度を減じて黒鉛化
を助けるが、その添加量によつて機械的性質が大きく変
化する。すなわち、ニッケル添加量の増加に伴い基地組
織はソルバイトからマルテンサイトに変化し、約１８％
でまつたくオーステナイトとなり、耐熱性、耐食性に優
れたオーステナイト鋳鉄となる。また、Ｍ〜４０％ニッ
ケルの鋳鉄は膨張係数が小さくなることが知られている
が、このニッケルは鋳鉄の黒鉛化を妨げるクロム、モリ
ブデン、バナジウム、銅、ボロン、テルルなどとともに
添加されることがある。ところで、温度に対する寸法安
定精度が要求さＪれる工作機械部品、成形用金型、内燃
機関等に使用される鋳鉄においては、熱膨張係数が小さ
いものが要求されており、従来から高ニッケル鋳鉄のニ
レジスト、タイプ５（インコ社商品名）等が知られてい
る。

これは、炭素２．４％以下、シリコンｉ１．０〜２．０
％、マンガン０．５％以下、クロム０．１％以下、ニッ
ケル３４．０〜３６．０％を含有させたオーステナイト
鋳鉄であつて、熱による線膨張係数が５．０ＸｌＯ−６
／℃程度であり、普通鋳鉄の熱による線膨張係数（１２
．０×１０−６／℃前後）の５１１２程度である。また
、同じオーステナイト鋳鉄のアンパー鋳鉄も熱膨張係数
が少ない特性を有し、普通鋳鉄の５１１？度の熱膨張係
数である。

このアンパー鋳鉄は、通常、炭素２．０〜２．６％、シ
リコン１．５％位、クロム２．０〜１０．０％、ニッケ
ル２８．０−３８．０％、残りは鉄を成分としている。
しかしながら、従来のオーステナイト鋳鉄は普通鋳鉄に
比して１Ｂ程度の熱膨張係数が限度であり、温度に対す
る寸法精度が特に要求される精密機器、工作機械、成形
用金型、科学機器等に使用される鋳鉄としては、必ずし
も満足できるものではなかつた。

この発明は上記のような事情に着目してなされたもので
、その目的とするところは、耐熱性、耐食性、耐摩耗性
、高減衰能を有するとともに特に熱膨張係数が低く、し
かも加工性にも富み、切削、研磨、切断などの高精密機
械や科学機械、計測機器の部品等に広範囲に利用てきる
鋳鉄を提供しようとするものである。

すなわち、この発明の提案する鋳鉄は、炭素０．８〜３
．０％、シリコン１．０〜３．０％、ニッケル３０．０
〜３４．０％、コバルト４．０〜６．０％、マンガン２
．０％以下、イオウ１．０％以下、リン１．５％以下、
マグネシウム１．０％以下、残部は不純物を含む鋳鉄よ
りなる低膨張のオーステナイト鋳鉄であつて、特に、炭
素０．８〜３．０％、シリコン１．０〜３．０％、ニッ
ケル３０．０〜３４．０％及びコバルト４．０〜６．０
％を添加し．て、黒鉛を析出させた鋳鉄について熱膨張
係数を小さくしたことを特徴とする。

ニッケルは鋳鉄中で炭化物を作らず、鉄中への炭素溶解
度を減じて黒鉛化を助け、黒鉛組織を微細化する目的の
ために鋳鉄成分として一般的に用こいられる。

その黒鉛化能力はシリコンの１１２〜１１３程度である
。また、耐熱、耐食、非磁性、高電気抵抗をもつオース
テナイト鋳鉄を作るために、１４〜３８％のニッケルが
添加されている。そして、特にニッケルを３４〜３６％
添加した場合は、それ以上クまたはそれ以下の添加に比
較して、熱膨張係数を特に小さくすることができるが、
その熱膨張係数は精々５．０×１０−６／℃が限度で、
これ以下にはなり得ない。また、インバー合金の分野で
は、Ｆｅ−Ｎｉ系の不変鋼の熱膨張係数を一層小さくす
るためコバルトを添加することが行われている（超不変
鋼）。

しかし、この不変鋼は、炭素含量が不純物程度で、０〜
０．１％位であり、鋳鉄に比して切削性、加工性、鋳造
性等が極めて悪く、そのため複雑あるいは薄肉の鋳造品
の製造に適さない。他方、例えばＦｅ−Ｃ−Ｎｉ系の鋳
鉄に単純にコバルトを導入すると、コバルトが炭素と結
合して炭化物を生）成し、その結果例えば流動性を損い
、引け巣、ガスホール等の鋳造欠陥を生ずるおそれがあ
る。本発明者は、研究の結果、炭素０．８〜３．０％、
シリコン１．０〜３．０％、ニッケル３０．０〜３４．
０％を含み、黒鉛を析出させた鋳鉄についてコバルトを
；４．０〜６．０％添加した場合、熱膨張が非常に小さ
く、しかも鋳造性、加工性も良好な鋳鉄を得ることが出
来ることを発見した。すなわち、炭素０．８〜３．０％
好ましくは１．０〜２．４％、シリコン１．０〜３．０
％好ましくは１．０〜２．８％、ニッケル３０．０〜３
４．０゛％、コバルト４．０〜６．０％、マンガン２．
０％以下好ましくは０．４〜２．０％、イオウ１．０％
以下好ましくは０．０５％以下、リン１．５％以下好ま
しくは０．１％以下、マグネシウム１．０％以下、残り
を不純物を含む鉄成分とした鋳鉄は、熱膨張係数が３．
０×１０−６／℃位（２５℃〜１００゜Ｃの平均値）と
なり、従来のオーステナイト鋳鉄に比較して極めて低い
熱膨張性を有し、しかもその鋳造性、加工性等は従来の
オーステナイト鋳鉄と同程度である。もちろん、この鋳
鉄の熱膨張係数は、溶解温度、方法、溶解原材料、特に
鉄成分として銑鉄、鋼屑、返屑などのいずれを用いるか
、熱処理の方法によつて若干の差があるが、いずれにし
ても４．０×１０−６／０Ｃ以下（２５れＣ〜１００℃
の平均値）となり、従来のオーステナイト鋳鉄よりも熱
膨張係数がはるかに小さい。

この発明の鋳鉄においては、オーステナイト系の基地中
に黒鉛が析出しており、それによつて低膨張性及び良好
な鋳造性、加工性等が維持される。

生ずる黒鉛が片状黒鉛である場合には、さらに著るしい
振動吸収能をも生する。従つて、炭素０．８％未満、シ
リコン１．０％未満の含量は、炭素が炭化物として存在
することになり、黒鉛として析出しないため好ましくな
い。炭素が炭化物として存在すると、鋳造性が損われる
とともにニッケル３０．０〜３４．０％、コバルト４．
０〜６．０％を含有させても却つて熱膨張係数は大とな
る。また、炭素が３．０％、シリコンが３．０％をそれ
ぞれ超えると、キッシュグラファイトとなつて鋳造性が
著るしく損われ、それより得られる鋳造物もポーラスと
なり不適当である。炭素とシリコンの量は、上記各範囲
内で炭素が黒鉛として析出すれば、鋳造性、加工性、強
度及び振動吸収能等に実用上支障のない限度の影響を生
ずることはあつても、熱膨張にはそれ以上の影響は及ぼ
さない。さらに、炭素０．８〜３．０％、シリコン１．
０〜３．０％を含む場合、ニッケル含量を３０．０％未
満または３４．０％超とし、コバルト含量を４．０％未
満または６．０％超とすると、熱膨張係数は増大する。

例えば、炭素およびシリコンの含量を上記範囲とし、ニ
ッケルを２８％、コバルトを３％とすると、熱膨張係数
は約５．０×１０−６／℃となり、またニッケルを３６
％、コバルトを７％とするど熱膨張係数はやはり約５．
０×１０−６／℃となる。また、マンガンは、鋳造物の
強度、鋳造性等に関係を有し、２．０％以下、好ましく
は０．２〜１．０％、さらに好ましくは０．４〜１．０
％を含有させる。

その含量が２．０％を超えるとマンガンの偏析が生じ膨
張率も大となつて実用的でなく、０．２％未満にすると
膨張率が次第に増大する。また、イオウ及びリンは熱膨
張には直接関与せず、必要に応じその含量は不純物の範
囲内でよい。しかし、イオウ１．０％、リン１．５％を
超えると、鋳造物の強度あるいは硬度が低下し、好まし
くない。この発明において、マグネシウムは、析出する
一黒鉛を球状化させるときに必要とされるもので、片状
黒鉛鋳鉄の場合にはその含量は殆んど０である。球状黒
鉛鋳鉄の場合、マグネシウムは黒鉛を球状化させるのに
必要かつ充分な量が添加されれは足り、通常は０．０５
％〜０．２％が適当である。し．かし、マグネシウムが
１．０％を超えると膨張率が増大し、好ましくない。黒
鉛の形状が片状であるか球状であるかは、この発明の鋳
鉄の熱膨張には直接影響を与えないが、その機械的性質
には影響を及ぼす。

実験の結，果によれば、この発明の鋳鉄において片状黒
鉛を析出させたものの引張強さは１０〜２０ｋｇｆ／ｄ
１ブリネル硬さは１００〜１３０１１Ｂであり、球状黒
鉛を析出させたものは、引張強さが〉４０ｋｇｆ／ｉ１
ブリネル硬さが１５０〜１７０ＨＢ１伸び〉１０％であ
る。また、この発明の鋳鉄をイオン窒化処理（処理温度
５８０℃、保持時間１時間）すると、マイクロビッカー
スで４５０の硬度を得ることができる。さらに、この発
明の鋳鉄を、析出する黒鉛の形状が片状である片状黒鉛
鋳鉄とした場合には、振動吸収能の極めて高い鋳鉄が得
られる。すなわち、炭素０．８〜３．０％、シリコン１
．０〜３．０％、ニッケル３０．０〜３４．０％、コバ
ルト４．０〜６．０％、マンガ・ン２．０％以下、イオ
ウ１．０％以下、リン１．５％以下、マグネシウムＯ〜
痕跡、残部不純物を含む鉄よりなる片状黒鉛鋳鉄では、
実験の結果によれば、１×１０−３ストレインの最大表
面せん断ひずみの場合、ダンピングキャパシティがエネ
ルギー損失率で２６％に達する。これは、通常の普通鋳
鉄が４％程度であるのに対し、実にその６倍以上、アン
パー鋳鉄と比較しても２倍以上で、極めて高い吸振性を
有していることがわかる。この発明の鋳鉄の鋳造方案は
、普通鋳鉄（片状黒鉛を析出させる場合）、ダクタイル
鋳鉄（球状黒鉛を析出させる場合）における公知の方案
と同様である。

ただし、鋳物尺（伸び尺）は、通常の普通鋳鉄、ダクタ
イル鋳鉄が８１１０００〜１０１１０００であるのに対
し、１４１１０００〜１７１１０００である。実施例１
溶解炉として１０ｋ９、３０ｋＷ１周波数３０００Ｈｚ
の高周波電気炉を用意し、材料としてつぎのものを用意
した。

鋼屑．，（不純物としてリン、イオウを含む）
５．２２ｋ９電解ニ
ッケル３．０４ｋｇ金属コバル
ト０．５０ｋ９カーボン（電極
屑）０．２５ｋ９７５％フェロシリコ
ン０．３３ｋ９７５％フェロマンガン
０．５４ｋ９上記材料を上記溶解炉
で溶解し、１５８０℃で取鍋にあけた。

このとき、ニッケルマグ（Ｍｇ８％のもの）を０．１２
ｋ９添加し、直径２『、長さ１０ｈの砂型試験棒に鋳込
み、常法にしたがつて鋳鉄棒を作つた。この鋳鉄棒の熱
膨張率を調べるため、これを直径６７ｗｔ、長さ２０Ｗ
Ｌの試験棒に加工して試料Ａとし、別に下記組成よりな
る試料Ｂ，Ｃを上記実施例と同様の方法で作つた。

試料Ｂの材料成分カーボン２．６踵量％シリコン
２．８０〃マンガン
１．００〃ニッケル
３５．００〃クロム０．１
０〃硫黄０．０２〃マグネシウム
微量鉄
残り全部試料Ｃの材料成分カーボン
２．４唾量％シリコン
１．５０〃マンガ゛ン１．０
０〃ニッケル３５．００〃銅
０．５０〃クロム
０．１０〃硫黄０．１２〃鉄
残り全部このように
材料成分がそれぞれ異なる試料Ａ，ＢおよびＣを押棒式
測定法により２５℃〜１００℃における線膨張係数を測
定した。

表１に測定結果を示す。たたし、上記数値は測定温度２
５℃〜１００′Ｃ１昇温速度１℃／Ｍｉｎｌ雰囲気大気
での平均値てある。

表１から明らかなように、この発明の鋳鉄（試料Ａ）は
、試料Ｂ，Ｃの鋳鉄に比して線膨張係数が小さい。

実施例２実施例１に準じて表２に示す組成よりなる鋳鉄棒Ｄ−Ｊ
をつくつた。

これら鋳鉄棒Ｄ−Ｊについて、実施例１と同様にして押
棒式測定法により０゜Ｃ〜５０℃及びＯ℃〜１００℃に
おける線膨張係数を測定してみた。測定の結果を表２に
示す。ただし、上記数値は昇温速度４℃／Ｍｉｎｌ雰囲
気大気での平均値である。

表２の結果から、炭素０．８％未満、シリコン１．０％
未満の場合、および炭素３．０％超、シリコン３．０％
超の場合には、いずれも膨張率が増大することがわかる
。

実施例３いずれも炭素２．２％、シリコン１．７％、マンガン０
．４５％、リン０．０７％、イオウ０．０１％、マグネ
シウム痕跡を含み、ニッケルとコバルトと鉄（不純物を
含む）の３成分の含量のみを変化させた鋳鉄棒Ｋ−Ｕを
つくり、実施例１と同様にして押棒式測定法により常温
〜１００℃における各鋳鉄棒の線膨張係数を測定した。

！１１１定の坤果を表３に示す。ただし、上記数値は昇
温速度１℃／Ｍｉｎｌ雰囲気大気での平均値である。表
３の結果から、ニッケル３０．０％未満または３４．０
％超、コバルト４．０％未満または６．０％超になると
、熱膨張係数が増加することがわかる。実施例４実施例１に準じて炭素２．５５％、シリコン２．４３％
、ニッケル３１．９０％、コバルト５．２４％、マンガ
ン０．０３％、リン０．０５５％、イオウ０．０２６％
、マグネシウム痕跡、残部は不純物を含む鉄よりなり、
片状の黒鉛を析出した鋳鉄棒■をつくり、実施例１と同
様の方法て線膨張係数を測定した。

測定の結果によれば、この鋳鉄棒■の線膨張係数は、０
℃〜５０℃において、２．５×１０−６／℃、０℃Ｃ〜
１００℃において３．２×１０−６／℃の平均値を示し
た。また、上記鋳鉄棒の減衰能をフエツプルーベルツ型
減衰能測定装置でねじり振動させて測定し、最大表面せ
ん断ひずみを変えたときに減衰能がどのように変化する
かを調査した。比較のため、下記組成よりなるアンパー
鋳鉄Ｗおよび普通鋳鉄Ｘを用意し、このアンパー鋳鉄Ｗ
及び普通鋳鉄Ｘについても同様の調査をした。それぞれ
の調査の結果を表４に示す。アンパー鋳鉄Ｗの組成炭素２．２％シリコン１．８％クロム
２．５％マンガン
０．５％リン

０．０５％イオウ
０．０５％ニッケル
３５．２％鉄残り
全部普通鋳鉄Ｘの組成炭素２．８％シリコン２．０％マンガン
０．５％リン

０．１％イオウ
０．１％鉄
残り全部表４の結果から明らかなように、この実
施例の鋳鉄棒Ｖは減衰能が極めて高く、例えば１×１０
−３ストレインの最大表面せん断ひずみの場合、アンパ
ー鋳鉄Ｗの２倍以上、普通鋳鉄Ｘの６倍以上の吸振性を
有する。

上記のとおり、この発明の鋳鉄は、耐熱性、耐食性、耐
摩耗性を有するとともに、熱膨張係数が従来の鋳鉄に比
べて極端に小さい。

そのうえ、鋳鉄であるので、良好な鋳造性、加工性を具
え、また製造コストも廉価である。しかも、この発明の
鋳鉄を球状黒鉛鋳鉄とした場合には硬度もかなり高く、
また片状黒鉛鋳鉄とした場合には極めて高い制振性を有
する。したがつて、この発明の鋳鉄は、球状黒鉛組織の
ものの場合には、例えば高速ブレスの可動部分、そのコ
ニロツト、プランジャー等、ロータリーカッターの刃物
台、炭素繊維の成形用型材、メカニカルシール、真空ポ
ンプのシャフト、精密工作機械のスピンドルヘッド、孔
あけ加工治具、その他熱膨張を嫌い、硬度を要求させる
切削、研磨、切断、測定用の機器や精密機械、科学機器
の部品、金型、ダイスなどに広範囲に利用することがで
きる。

Claims

【特許請求の範囲】

１炭素０．８〜３．０％、シリコン１．０〜３．０％
、ニッケル３０．０〜３４．０％、コバルト４．０〜６
．０％、マンガン２．０％以下、イオウ１．０％以下、
リン１．５％以下、マグネシウム１．０％以下、残部は
不純物を含む鉄よりなるオーステナイト系の低熱膨張鋳
鉄。