JPWO2011145194A1 - 耐熱鋳鉄系金属短繊維とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
複合材料に使用することで耐熱性、耐焼付き性、耐酸化性、高温強度或いは耐摩耗性を向上させることができ、また均質で寸法のバラツキが少なく、ビビリ振動切削法による切削形成に適した切削加工性と丸棒鋳造性に優れ、且つ比較的安価に提供することができる耐熱鋳鉄系金属短繊維とその製造方法の提供を課題とする。熱鋳鉄系金属短繊維は、重量％で、Ｃ：１．０〜２．５％、Ｓｉ：２．０〜６．０％、Ａｌ：０．０１〜４．０％、但しＳｉ＋Ａｌの合計：３．０〜７．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｍｇ、Ｃａの１種以上：０．００３〜０．１％、残部がＦｅからなる成分組成を有すると共に組織中に球状黒鉛を分散してなる球状黒鉛鋳鉄組織を有し、且つビビリ振動切削法を用いて切削形成されている。
Description
本発明は耐熱鋳鉄系金属短繊維とその製造方法に関する。
金属短繊維は、例えばセラミック材料や樹脂材料、その他の材料の強化を図る目的で、従来から用いられている。
金属短繊維の製造方法としては、溶湯から直接的に短繊維を製造するメルトスクイズ製造法、ダイス引き抜きによって作製された長繊維や太い線材をカンナ削り法で作製された長繊維或いは金属シートを束ねて細く切断して作製された長繊維を短く切断して短繊維にする製造法がある。
前記メルトスクイズ製造法は、得られる金属短繊維の径や長さが不均一になり易く、特にサイズの小さい金属短繊維を得ることが難しい。
前記長繊維を短く切断して短繊維にする製造方法は、一般にコストが高くなり、また線材やシート状に加工できる金属素材であることが前提となる。特に耐熱性を有する金属は、一般に延性が乏しいため線材やシート状に加工できるものが少なく、また加工コストが非常に高いという問題があった。
金属短繊維の製造方法としては、溶湯から直接的に短繊維を製造するメルトスクイズ製造法、ダイス引き抜きによって作製された長繊維や太い線材をカンナ削り法で作製された長繊維或いは金属シートを束ねて細く切断して作製された長繊維を短く切断して短繊維にする製造法がある。
前記メルトスクイズ製造法は、得られる金属短繊維の径や長さが不均一になり易く、特にサイズの小さい金属短繊維を得ることが難しい。
前記長繊維を短く切断して短繊維にする製造方法は、一般にコストが高くなり、また線材やシート状に加工できる金属素材であることが前提となる。特に耐熱性を有する金属は、一般に延性が乏しいため線材やシート状に加工できるものが少なく、また加工コストが非常に高いという問題があった。
金属短繊維の製造方法として、ビビリ振動切削法を用いる製造方法が従来から提供されている。この方法は、弾性工具を用い、工具の強制振動を利用して丸棒ビレットから直接的に金属短繊維を切削する製造方法である。このビビリ振動切削法を用いた製造方法の場合は、一般に微細で均一な金属短繊維を作製し易く、比較的多くの種類の金属材料から、色々なサイズの短繊維を比較的安価に製造することができるメリットがある。
その一方、ビビリ振動切削法で短繊維を製作する場合には、比較的大きな径の丸棒ビレットが必要となる。また丸棒ビレットは切削（機械加工性）が容易なものである必要がある。従って丸棒ビレットを作製できる金属素材で、且つ切削に適した金属素材が必要とされる。
その一方、ビビリ振動切削法で短繊維を製作する場合には、比較的大きな径の丸棒ビレットが必要となる。また丸棒ビレットは切削（機械加工性）が容易なものである必要がある。従って丸棒ビレットを作製できる金属素材で、且つ切削に適した金属素材が必要とされる。
これまで製造されている主な金属短繊維としては、例えば軟鋼、ステンレス鋼、銅及び銅合金、アルミ及びアルミ合金をあげることができる。
一方、耐熱性を備えた金属短繊維を考慮した場合には、前記銅や銅合金、アルミやアルミ合金の耐熱性は十分とは言えない。
軟鋼は前記非鉄材料に比べて耐熱性はあり、最も多く短繊維が製造されている。しかしながら、高温での耐酸化性が劣るという問題がある。
ステンレス鋼は耐熱、耐酸化性が良好であるが、加工硬化が生じるので、機械加工性（切削性）が一般的に劣る。しかも丸棒ビレットはかなり高価となる。
また一般に耐熱性のある鉄合金は、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ等の合金元素を含み、高価である。しかもこれらの耐熱鉄合金は一般的に延性が劣り、線材や丸棒ビレットという形態では殆ど市場に提供されておらず、また非常に高価である。
一方、耐熱性を備えた金属短繊維を考慮した場合には、前記銅や銅合金、アルミやアルミ合金の耐熱性は十分とは言えない。
軟鋼は前記非鉄材料に比べて耐熱性はあり、最も多く短繊維が製造されている。しかしながら、高温での耐酸化性が劣るという問題がある。
ステンレス鋼は耐熱、耐酸化性が良好であるが、加工硬化が生じるので、機械加工性（切削性）が一般的に劣る。しかも丸棒ビレットはかなり高価となる。
また一般に耐熱性のある鉄合金は、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ等の合金元素を含み、高価である。しかもこれらの耐熱鉄合金は一般的に延性が劣り、線材や丸棒ビレットという形態では殆ど市場に提供されておらず、また非常に高価である。
実開平３−３４１８号公報（特許文献１）には、高温集塵フィルターに関し、耐熱性の良好な金属短繊維の焼結層と耐熱性の良好な金属長繊維の焼結層とを複合させる技術が開示され、金属短繊維がビビリ振動切削法で製造されることが開示されている。そしてビビリ振動切削法による金属短繊維の素材として、ステンレス鋼を中心に、カンタル、ニッケル、インコネル、ハステロイ、銅が開示されている。
特開平３−３３０６３号公報（特許文献２）には、炭素・スチールファイバー複合材に関し、スチールファイバーの製造方法としてビビリ振動切削法があることが開示されている。
特開平３−１５３５７２号公報（特許文献３）には、炭素／金属複合体およびその製造方法に関し、炭素質マトリックス中に金属繊維として、鋼製の金属繊維を複合させる技術が開示されている。また鋼繊維の製造方法の１つとしてビビリ振動切削法があることが開示されている。
特開平３−１６４４７１号公報（特許文献４）には、炭素・金属複合材及びその製造方法に関し、スチールファイバーの製造方法としてビビリ振動切削法が開示されている。
特開平６−１２９４５４号公報（特許文献５）及び特開平６−１２９４５６号公報（特許文献６）には、非石綿系摩擦材に関し、ビビリ振動切削法により製造されたスチール（鋼）、銅、青銅、アルミニウム、黄銅等の金属繊維を用いることが記載されている。
特開２００４−３５２８１３号公報（特許文献７）には、摩擦材に関し、青銅繊維がビビリ振動切削法で製造されることが開示されている。
特開平３−３３０６３号公報（特許文献２）には、炭素・スチールファイバー複合材に関し、スチールファイバーの製造方法としてビビリ振動切削法があることが開示されている。
特開平３−１５３５７２号公報（特許文献３）には、炭素／金属複合体およびその製造方法に関し、炭素質マトリックス中に金属繊維として、鋼製の金属繊維を複合させる技術が開示されている。また鋼繊維の製造方法の１つとしてビビリ振動切削法があることが開示されている。
特開平３−１６４４７１号公報（特許文献４）には、炭素・金属複合材及びその製造方法に関し、スチールファイバーの製造方法としてビビリ振動切削法が開示されている。
特開平６−１２９４５４号公報（特許文献５）及び特開平６−１２９４５６号公報（特許文献６）には、非石綿系摩擦材に関し、ビビリ振動切削法により製造されたスチール（鋼）、銅、青銅、アルミニウム、黄銅等の金属繊維を用いることが記載されている。
特開２００４−３５２８１３号公報（特許文献７）には、摩擦材に関し、青銅繊維がビビリ振動切削法で製造されることが開示されている。
上記特許文献１〜７において、ビビリ振動切削法により製造される金属短繊維が、銅、青銅、黄銅、アルミニウムからなるものは、耐熱性が十分とは言えず、よって耐熱性、耐焼付性を必要とする繊維強化セラミック、繊維強化樹脂、その他の繊維強化複合材には用いることができない。
また上記特許文献１〜７において、ビビリ振動切削法により製造される金属短繊維が、カンタル、インコネル、ハステロイ等からなるものは、耐熱性、耐酸化性に優れるものの、何れも材料そのものが高価であり、また材質が硬くて、丸棒ビレット等に鋳造したり、ビビリ振動切削するのが容易ではない。
また上記特許文献１〜７において、ビビリ振動切削法により製造される金属短繊維が軟鋼の場合は、上記したように、前記非鉄材料に比べて耐熱性はあり、最も多く短繊維が製造されている。しかし高温での耐酸化性が劣るという問題がある。
また上記特許文献１〜７において、ビビリ振動切削法により製造される金属短繊維がステンレス鋼の場合は、上記したように、耐熱、耐酸化性が良好である。しかし加工硬化が生じるので、機械加工性（切削性）が一般的に劣る。しかも丸棒ビレットはかなり高価となる。
また鋼からビビリ振動切削に適した丸棒素材を連続鋳造する場合には、巨大な連続鋳造設備を必要とする。
また上記特許文献１〜７において、ビビリ振動切削法により製造される金属短繊維が、カンタル、インコネル、ハステロイ等からなるものは、耐熱性、耐酸化性に優れるものの、何れも材料そのものが高価であり、また材質が硬くて、丸棒ビレット等に鋳造したり、ビビリ振動切削するのが容易ではない。
また上記特許文献１〜７において、ビビリ振動切削法により製造される金属短繊維が軟鋼の場合は、上記したように、前記非鉄材料に比べて耐熱性はあり、最も多く短繊維が製造されている。しかし高温での耐酸化性が劣るという問題がある。
また上記特許文献１〜７において、ビビリ振動切削法により製造される金属短繊維がステンレス鋼の場合は、上記したように、耐熱、耐酸化性が良好である。しかし加工硬化が生じるので、機械加工性（切削性）が一般的に劣る。しかも丸棒ビレットはかなり高価となる。
また鋼からビビリ振動切削に適した丸棒素材を連続鋳造する場合には、巨大な連続鋳造設備を必要とする。
そこで本発明は上記ビビリ振動切削法による金属短繊維の欠点を解消し、複合材料に使用することで耐熱性、耐焼付き性、耐酸化性、高温強度或いは耐摩耗性を向上させることができ、また均質で寸法のバラツキが少なく、ビビリ振動切削法による切削形成に適した切削加工性と丸棒鋳造性に優れ、且つ比較的安価に提供することができる耐熱鋳鉄系金属短繊維の提供を課題とする。またそのような耐熱鋳鉄系金属短繊維のビビリ振動切削法を用いた製造方法の提供を課題とする。
上記課題を解決する本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維は、重量％で、Ｃ：１．０〜２．５％、Ｓｉ：２．０〜６．０％、Ａｌ：０．０１〜４．０％、但しＳｉ＋Ａｌの合計：３．０〜７．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｍｇ、Ｃａの１種以上：０．００３〜０．１％、残部がＦｅからなる成分組成を有すると共に組織中に球状黒鉛を分散してなる球状黒鉛鋳鉄組織を有し、且つビビリ振動切削法を用いて切削形成されていることを第１の特徴としている。
また本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維は、上記第１の特徴に加えて、短繊維表面に鉄酸化物層を形成してあることを第２の特徴としている。
また本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法は、上記第１の特徴若しくは第２の特徴に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法であって、上記第１の特徴に記載の成分組成からなり且つ黒鉛球状化処理された耐熱鋳鉄溶湯を、金型鋳造若しくは連続鋳造によって丸棒素材に鋳造する鋳造工程と、該鋳造工程で得られた丸棒素材を、７３０〜１１５０℃の温度で均質化処理を兼ねた球状黒鉛析出処理を行う熱処理工程と、該熱処理工程で熱処理された丸棒素材を適当な長さに切断し或いは切断することなく丸棒ビレットとし、該丸棒ビレットからビビリ振動切削法により金属短繊維を切削形成する切削工程とを少なくとも有することを第３の特徴としている。
また本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法は、上記第３の特徴に加えて、連続鋳造では、溶湯を水冷式連鋳モールドを備えた溜炉に注湯し、前記水冷式連鋳モールド内で連続的に凝固させながら間欠的に引き抜くことで、丸棒素材を鋳造することを第４の特徴としている。
また本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法は、上記第３又は第４の特徴に加えて、熱処理工程では、７３０〜１１５０℃で、丸棒素材の半径寸法１インチ当たり１時間以上保持した後、室温まで徐冷する処理を行うことを第５の特徴としている。
また本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法は、上記第３〜５の何れかの特徴に加えて、ビビリ振動切削法により切削して得られた金属短繊維を、酸化雰囲気中、５００〜１１５０℃の温度で、暴露熱処理を施すことを第６の特徴としている。
また本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維は、上記第１の特徴に加えて、短繊維表面に鉄酸化物層を形成してあることを第２の特徴としている。
また本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法は、上記第１の特徴若しくは第２の特徴に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法であって、上記第１の特徴に記載の成分組成からなり且つ黒鉛球状化処理された耐熱鋳鉄溶湯を、金型鋳造若しくは連続鋳造によって丸棒素材に鋳造する鋳造工程と、該鋳造工程で得られた丸棒素材を、７３０〜１１５０℃の温度で均質化処理を兼ねた球状黒鉛析出処理を行う熱処理工程と、該熱処理工程で熱処理された丸棒素材を適当な長さに切断し或いは切断することなく丸棒ビレットとし、該丸棒ビレットからビビリ振動切削法により金属短繊維を切削形成する切削工程とを少なくとも有することを第３の特徴としている。
また本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法は、上記第３の特徴に加えて、連続鋳造では、溶湯を水冷式連鋳モールドを備えた溜炉に注湯し、前記水冷式連鋳モールド内で連続的に凝固させながら間欠的に引き抜くことで、丸棒素材を鋳造することを第４の特徴としている。
また本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法は、上記第３又は第４の特徴に加えて、熱処理工程では、７３０〜１１５０℃で、丸棒素材の半径寸法１インチ当たり１時間以上保持した後、室温まで徐冷する処理を行うことを第５の特徴としている。
また本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法は、上記第３〜５の何れかの特徴に加えて、ビビリ振動切削法により切削して得られた金属短繊維を、酸化雰囲気中、５００〜１１５０℃の温度で、暴露熱処理を施すことを第６の特徴としている。
請求項１に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維によれば、金属短繊維がそこに示される成分組成を有すると共に組織中に球状黒鉛を分散してなる球状黒鉛鋳鉄組織からなるので、高価な合金成分を多く用いることなく、耐熱性、耐焼付き性、耐酸化性、高温強度、或いは耐摩耗性のある金属短繊維を提供することができる。また請求項１の耐熱鋳鉄系金属短繊維によれば、セラミック、樹脂、その他のマトリックスに複合させて、それらの耐熱性、耐焼付き性、耐酸化性、高温強度、或いは耐摩耗性の向上に供することができる。
また請求項１に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維によれば、組織中に球状黒鉛を分散してなる球状黒鉛鋳鉄組織であるので、ビビリ振動切削法に適して切削加工性がよく、寸法のバラツキが少なく、且つ均質な金属短繊維を提供することができる。勿論、ビビリ振動切削に使用する切削工具（チップ）の寿命を延ばすことができる。
また請求項１に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維によれば、成分組成が鋳鉄であるので、鋼の場合と比べても、より簡素な連続鋳造設備等の鋳造設備を用いて、低温でビビリ振動切削法に必要な丸棒素材を量産することができ、よってビビリ振動切削法による金属短繊維を安価に大量供給することができる。
請求項２に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、短繊維表面に鉄酸化物層を形成してあるので、耐熱性のある金属短繊維を更に耐熱性のあるものにすることができる。
また請求項１に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維によれば、組織中に球状黒鉛を分散してなる球状黒鉛鋳鉄組織であるので、ビビリ振動切削法に適して切削加工性がよく、寸法のバラツキが少なく、且つ均質な金属短繊維を提供することができる。勿論、ビビリ振動切削に使用する切削工具（チップ）の寿命を延ばすことができる。
また請求項１に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維によれば、成分組成が鋳鉄であるので、鋼の場合と比べても、より簡素な連続鋳造設備等の鋳造設備を用いて、低温でビビリ振動切削法に必要な丸棒素材を量産することができ、よってビビリ振動切削法による金属短繊維を安価に大量供給することができる。
請求項２に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、短繊維表面に鉄酸化物層を形成してあるので、耐熱性のある金属短繊維を更に耐熱性のあるものにすることができる。
請求項３に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法によれば、耐熱性、耐焼付き性、耐熱性、高温強度、或いは耐摩耗性に優れた耐熱鋳鉄系金属短繊維を、ビビリ振動切削法で、寸法精度よく、均質に、歩留まりよく、製造することができる。
また請求項３に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法によれば、そこに記載の成分組成で且つ黒鉛球状化処理をした溶湯から丸棒素材を鋳造することで、片状黒鉛の晶出を防止すると共に、晶出の際若しくはその後の熱処理によって球状黒鉛を組織中に分散させることができる。これにより、片状黒鉛の存在による強度低下と片状黒鉛部分での破断による短繊維寸法のバラツキ増大を防止することができる。
また通常は砂型で行う場合が多い鋳鉄鋳物の鋳造を、金型鋳造若しくは連続鋳造とすることで、組織の粗大化、偏析、引け巣等の鋳造欠陥を抑制した丸棒素材を得ることができる。通常、鋳鉄鋳物は砂型で鋳造されるが、ビビリ振動切削法に用いられる丸棒素材の場合、半径が大きいので、砂型では冷却速度が遅いために、組織が粗大化し且つ丸棒中心部に偏析組織が生成して鋳造欠陥が生じ易くなる。
また請求項３に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法によれば、鋳造工程で得られた丸棒素材を、７３０〜１１５０℃の温度で均質化処理を兼ねた球状黒鉛析出処理を行うので、丸棒素材の組織と成分の均質化とセメンタイト等の炭素の球状黒鉛化を十分に進めることができ、均質で切削加工性に優れた丸棒素材とすることができ、ビビリ振動切削法により得られる金属短繊維の歩留まりを向上させると共に、より均質で寸法バラツキの少ない金属短繊維を切削形成することが可能となる。またビビリ振動切削に用いる切削工具（チップ）の寿命を延ばすことができる。
勿論、ビビリ振動切削法を用いて金属短繊維を製造するので、短繊維の形状が三角柱状となり、セラミック、樹脂、その他のマトリックスに複合させた際の馴染みがよく、結合性に優れた短繊維を製造することができる。
また請求項３に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法によれば、そこに記載の成分組成で且つ黒鉛球状化処理をした溶湯から丸棒素材を鋳造することで、片状黒鉛の晶出を防止すると共に、晶出の際若しくはその後の熱処理によって球状黒鉛を組織中に分散させることができる。これにより、片状黒鉛の存在による強度低下と片状黒鉛部分での破断による短繊維寸法のバラツキ増大を防止することができる。
また通常は砂型で行う場合が多い鋳鉄鋳物の鋳造を、金型鋳造若しくは連続鋳造とすることで、組織の粗大化、偏析、引け巣等の鋳造欠陥を抑制した丸棒素材を得ることができる。通常、鋳鉄鋳物は砂型で鋳造されるが、ビビリ振動切削法に用いられる丸棒素材の場合、半径が大きいので、砂型では冷却速度が遅いために、組織が粗大化し且つ丸棒中心部に偏析組織が生成して鋳造欠陥が生じ易くなる。
また請求項３に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法によれば、鋳造工程で得られた丸棒素材を、７３０〜１１５０℃の温度で均質化処理を兼ねた球状黒鉛析出処理を行うので、丸棒素材の組織と成分の均質化とセメンタイト等の炭素の球状黒鉛化を十分に進めることができ、均質で切削加工性に優れた丸棒素材とすることができ、ビビリ振動切削法により得られる金属短繊維の歩留まりを向上させると共に、より均質で寸法バラツキの少ない金属短繊維を切削形成することが可能となる。またビビリ振動切削に用いる切削工具（チップ）の寿命を延ばすことができる。
勿論、ビビリ振動切削法を用いて金属短繊維を製造するので、短繊維の形状が三角柱状となり、セラミック、樹脂、その他のマトリックスに複合させた際の馴染みがよく、結合性に優れた短繊維を製造することができる。
また請求項４に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法によれば、上記請求項３に記載の構成による作用効果に加えて、連続鋳造では、溶湯を水冷式連鋳モールドを備えた溜炉に注湯し、前記水冷式連鋳モールド内で連続的に凝固させながら間欠的に引き抜くことで、丸棒素材を鋳造することとしているので、
ビビリ振動切削に用いる丸棒素材を効率良く安価に量産することができる。また連続鋳造設備は鋼の連続鋳造設備に比べてより低温操業が可能で、安価なものを用いることができる。勿論、水冷式の連鋳モールドであるので、得られる丸棒素材の組織の偏析を抑制し、また巨大片状黒鉛の晶出を抑制して、その後の熱処理による均質化、球状黒鉛化を効果的に達成させることができる。
ビビリ振動切削に用いる丸棒素材を効率良く安価に量産することができる。また連続鋳造設備は鋼の連続鋳造設備に比べてより低温操業が可能で、安価なものを用いることができる。勿論、水冷式の連鋳モールドであるので、得られる丸棒素材の組織の偏析を抑制し、また巨大片状黒鉛の晶出を抑制して、その後の熱処理による均質化、球状黒鉛化を効果的に達成させることができる。
また請求項５に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法によれば、上記請求項３又は４に記載の構成による作用効果に加えて、熱処理工程では、７３０〜１１５０℃で、丸棒素材の半径寸法１インチ当たり１時間以上保持した後、室温まで徐冷する処理を行うこととしているので、
丸棒素材の組織をビビリ振動切削による短繊維製造に最適な状態にすることができる。即ち、記載された温度条件と保持条件による熱処理を施すことで、鋳放し状態の丸棒素材の偏析の解消、樹脂状組織の解消、セメンタイトの球状黒鉛化や球状黒鉛の分散析出を促し、組織の均質化と良好な機械加工性を付与することができる。これによって、ビビリ振動切削で得られる短繊維の製品歩留まりを向上させることができると共に、均質な寸法精度を付与し、且つ球状黒鉛がマトリックス中に均一に分散した耐熱性のよい短繊維を製造することができる。勿論、切削加工性の向上により量産が容易にできると共に、ビビリ振動切削機の切削工具（チップ）の寿命を延長することができる。
また請求項６に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法によれば、上記請求項３〜５の何れかに記載の構成による作用効果に加えて、ビビリ振動切削法により切削して得られた金属短繊維を、酸化雰囲気中、５００〜１１５０℃の温度で、暴露熱処理を施すこととしているので、
短繊維の表面を鉄成分主体の酸化層にすると共に、内部を耐熱鋳鉄層とすることができ、一層優れた耐熱性、耐焼付き性を備えた耐熱鋳鉄系金属短繊維を製造することができる。
丸棒素材の組織をビビリ振動切削による短繊維製造に最適な状態にすることができる。即ち、記載された温度条件と保持条件による熱処理を施すことで、鋳放し状態の丸棒素材の偏析の解消、樹脂状組織の解消、セメンタイトの球状黒鉛化や球状黒鉛の分散析出を促し、組織の均質化と良好な機械加工性を付与することができる。これによって、ビビリ振動切削で得られる短繊維の製品歩留まりを向上させることができると共に、均質な寸法精度を付与し、且つ球状黒鉛がマトリックス中に均一に分散した耐熱性のよい短繊維を製造することができる。勿論、切削加工性の向上により量産が容易にできると共に、ビビリ振動切削機の切削工具（チップ）の寿命を延長することができる。
また請求項６に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法によれば、上記請求項３〜５の何れかに記載の構成による作用効果に加えて、ビビリ振動切削法により切削して得られた金属短繊維を、酸化雰囲気中、５００〜１１５０℃の温度で、暴露熱処理を施すこととしているので、
短繊維の表面を鉄成分主体の酸化層にすると共に、内部を耐熱鋳鉄層とすることができ、一層優れた耐熱性、耐焼付き性を備えた耐熱鋳鉄系金属短繊維を製造することができる。
本発明の実施形態を図面も参照して以下に説明する。
本発明の実施形態に係る耐熱鋳鉄系金属短繊維の成分組成について先ず説明する。
本発明の実施形態に係る耐熱鋳鉄系金属短繊維の成分組成について先ず説明する。
（金属短繊維の成分組成）
本実施形態に係る耐熱鋳鉄系金属短繊維の成分組成は、結果として、例えば高珪素系のシラールやこれにアルミニウムを加えたアルシロン等の名称で呼ばれる耐熱鋳鉄に類する成分範囲を有する。しかし本成分組成は、ビビリ振動切削法を用いて切削形成される短繊維という用途に適した成分組成として、鋭意研究を重ねた結果、新たに開発されたものである。
本実施形態に係る耐熱鋳鉄系金属短繊維の成分組成は、結果として、例えば高珪素系のシラールやこれにアルミニウムを加えたアルシロン等の名称で呼ばれる耐熱鋳鉄に類する成分範囲を有する。しかし本成分組成は、ビビリ振動切削法を用いて切削形成される短繊維という用途に適した成分組成として、鋭意研究を重ねた結果、新たに開発されたものである。
炭素Ｃの含有量は、１．０〜２．５重量％とする。
Ｃは、鋳造性、機械加工性に直接影響を与える重要な元素である。
Ｃの含有量が１．０重量％未満では、鋼のように凝固温度が高くなるため、湯流れが悪くなって鋳造欠陥が生じ易くなる。また黒鉛が生じ難く、逆に硬くて脆い炭化物が生成され易くなって機械加工性を著しく損なう。このためビビリ振動切削による短繊維の製造が難しくなり、また切削工具（チップ）を破損し或いは寿命を著しく短縮してしまう。
一方、Ｃの含有量が２．５重量％を超えると、黒鉛量が増えるのでビビリ振動切削による切削そのものはよいが、切削加工後の短繊維から黒鉛が分離、脱落し易く、短繊維中の黒鉛含有量が変わって、短繊維の物理的性質に不均一をもたらす。
Ｃの含有量は、上記観点からして、より好ましくは１．５〜２．０重量％とする。
Ｃは、鋳造性、機械加工性に直接影響を与える重要な元素である。
Ｃの含有量が１．０重量％未満では、鋼のように凝固温度が高くなるため、湯流れが悪くなって鋳造欠陥が生じ易くなる。また黒鉛が生じ難く、逆に硬くて脆い炭化物が生成され易くなって機械加工性を著しく損なう。このためビビリ振動切削による短繊維の製造が難しくなり、また切削工具（チップ）を破損し或いは寿命を著しく短縮してしまう。
一方、Ｃの含有量が２．５重量％を超えると、黒鉛量が増えるのでビビリ振動切削による切削そのものはよいが、切削加工後の短繊維から黒鉛が分離、脱落し易く、短繊維中の黒鉛含有量が変わって、短繊維の物理的性質に不均一をもたらす。
Ｃの含有量は、上記観点からして、より好ましくは１．５〜２．０重量％とする。
珪素Ｓｉの含有量は、２．０〜６．０重量％とする。
Ｓｉは、炭素を炭化物ではなく黒鉛として晶出させるために含有せるだけでなく、基地（マトリックス）に固溶することで基地組織の耐熱性を大きく向上させるために含有させる。また短繊維の耐焼付き性、耐摩耗性を向上させる。
Ｓｉの含有量が２．０重量％未満では、組織中に炭化物が生じ易く、連続鋳造等の鋳造工程において鋳造欠陥が生じ易くなる。また耐熱性が通常の球状黒鉛鋳鉄材と同程度にとどまる。
一方、Ｓｉの含有量が６．０重量％を超えると、耐熱性は非常に良好になるが、金属組織中にシリコフェライトという硬くて脆い金属間化合物が生成され易く、また炭素も黒鉛ではなく炭化物として生成するため、一層硬くて脆い鋳物になり、鋳造時に割れや変形が生じ易い。また金属組織中に６．０重量％を超えて固溶すると、固溶硬化による硬化も大きく、ビビリ振動切削を安定して行うことが難しくなる。
Ｓｉの含有量は、上記観点からして、より好ましくは３．５〜５．０重量％とする。
Ｓｉは、炭素を炭化物ではなく黒鉛として晶出させるために含有せるだけでなく、基地（マトリックス）に固溶することで基地組織の耐熱性を大きく向上させるために含有させる。また短繊維の耐焼付き性、耐摩耗性を向上させる。
Ｓｉの含有量が２．０重量％未満では、組織中に炭化物が生じ易く、連続鋳造等の鋳造工程において鋳造欠陥が生じ易くなる。また耐熱性が通常の球状黒鉛鋳鉄材と同程度にとどまる。
一方、Ｓｉの含有量が６．０重量％を超えると、耐熱性は非常に良好になるが、金属組織中にシリコフェライトという硬くて脆い金属間化合物が生成され易く、また炭素も黒鉛ではなく炭化物として生成するため、一層硬くて脆い鋳物になり、鋳造時に割れや変形が生じ易い。また金属組織中に６．０重量％を超えて固溶すると、固溶硬化による硬化も大きく、ビビリ振動切削を安定して行うことが難しくなる。
Ｓｉの含有量は、上記観点からして、より好ましくは３．５〜５．０重量％とする。
アルミニウムＡｌの含有量は、０．０１〜４重量％とする。
ＡｌはＳｉとほぼ同様な働きをする金属元素である。但し、ＡｌはＳｉに比べて基地組織への固溶度が低いために、Ｓｉよりは多量に添加できないし、黒鉛化能の効果もＳｉほど大きくはない。従ってＳｉが多く含まれるほどＡｌの含有量は少なくてよい。
Ａｌの含有量が０．０１重量％未満では、Ａｌの耐熱性の効果が期待できない。
一方、Ａｌの含有量が４．０重量％を超えると、偏析が大きくなって、炭素を炭化物として生成させ易くするため、鋳造欠陥ができ易くなる。また金属組織中に固溶することで組織を硬くて脆くするため、ビビリ振動切削による機械加工が困難となる。
Ａｌの含有量は、上記観点からして、より好ましくは、１．５〜３．５重量％とする。
ＡｌはＳｉとほぼ同様な働きをする金属元素である。但し、ＡｌはＳｉに比べて基地組織への固溶度が低いために、Ｓｉよりは多量に添加できないし、黒鉛化能の効果もＳｉほど大きくはない。従ってＳｉが多く含まれるほどＡｌの含有量は少なくてよい。
Ａｌの含有量が０．０１重量％未満では、Ａｌの耐熱性の効果が期待できない。
一方、Ａｌの含有量が４．０重量％を超えると、偏析が大きくなって、炭素を炭化物として生成させ易くするため、鋳造欠陥ができ易くなる。また金属組織中に固溶することで組織を硬くて脆くするため、ビビリ振動切削による機械加工が困難となる。
Ａｌの含有量は、上記観点からして、より好ましくは、１．５〜３．５重量％とする。
なお、前記Ｓｉと前記Ａｌとの合計含有量は、３．０〜７．０重量％とする。共有結合性の高いＳｉ、Ａｌが基地中に固溶することで、耐熱性、耐焼付き性、耐磨耗性を向上させる。
合計含有量が３．０重量％未満では、耐熱性の向上があまり期待できず、通常の球状黒鉛鋳鉄材と同程度にとどまる。
一方、合計含有量が７．０重量％を超えると、鋳放し状態で金属炭化物が生成し易く、鋳造欠陥が生じ易く、基地が硬く且つ脆くなってビビリ振動切削が困難となる。
合計含有量が３．０重量％未満では、耐熱性の向上があまり期待できず、通常の球状黒鉛鋳鉄材と同程度にとどまる。
一方、合計含有量が７．０重量％を超えると、鋳放し状態で金属炭化物が生成し易く、鋳造欠陥が生じ易く、基地が硬く且つ脆くなってビビリ振動切削が困難となる。
マンガンＭｎの含有量は、０．１〜１．０重量％とする。
Ｍｎは脱酸、脱硫のために添加される。
Ｍｎの含有量が０．１重量％未満では、脱酸、脱硫の効果を十分に得ることができない。
一方、Ｍｎの含有量が１．０重量％を超えると、基地組織中に固溶して、Ｓｉの固溶量を減じさせ、Ｓｉ固溶による耐熱性の効果を損なわせる。
Ｍｎの含有量は、より好ましくは０．３〜０．６重量％とする。
Ｍｎは脱酸、脱硫のために添加される。
Ｍｎの含有量が０．１重量％未満では、脱酸、脱硫の効果を十分に得ることができない。
一方、Ｍｎの含有量が１．０重量％を超えると、基地組織中に固溶して、Ｓｉの固溶量を減じさせ、Ｓｉ固溶による耐熱性の効果を損なわせる。
Ｍｎの含有量は、より好ましくは０．３〜０．６重量％とする。
マグネシウムＭｇとカルシウムＣａの含有量は、その何れか１種以上を０．００３〜０．１重量％とする。
ＭｇやＣａは黒鉛の形状を球状にするために添加される。これらは、殆ど合金で添加される。これらの元素はフェーディングを起こすため、添加量は残留量（これを含有量として上記している）よりもかなり多量に添加される。
ＭｇとＣａの何れか１種以上の含有量が０．００３重量％未満であると、黒鉛が十分に球状化されず、一方、０．１重量％を超えると、ドロスや鋳巣などの鋳造欠陥が生じ易くなる。
ＭｇやＣａは黒鉛の形状を球状にするために添加される。これらは、殆ど合金で添加される。これらの元素はフェーディングを起こすため、添加量は残留量（これを含有量として上記している）よりもかなり多量に添加される。
ＭｇとＣａの何れか１種以上の含有量が０．００３重量％未満であると、黒鉛が十分に球状化されず、一方、０．１重量％を超えると、ドロスや鋳巣などの鋳造欠陥が生じ易くなる。
更に上記耐熱金属短繊維の各成分以外の残部は鉄Ｆｅとする。ここで不可避的不純物は勘定から除外している。
（鋳造工程）
本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維に係る製造方法の鋳造工程について説明する。
上記した成分組成の鋳鉄溶湯は、図１に示すような電磁誘導溶解炉１１で、所定の原料を溶解して得られる。Ｍｇ合金やＣａ合金による球状化処理が施された溶湯を、直ちに金型に注湯して丸棒素材鋳物を得るか、或いは図１の取鍋１２から溜炉１３に注湯し、水冷ジャケット付き連鋳モールド１４を介して連続鋳造して、丸棒素材１５にカットする。
球状化処置は、凝固の際、又はその後の熱処理により炭素を球状黒鉛の形態にするために行う処理である。この球状化処理を行わないと、炭素は片状で現れて、素材の強度を低下させるだけでなく、その後に行うビビリ振動切削法による切削工程において、金属繊維が片状黒鉛のところで破断し、所定のサイズの加工を非常に困難にする。
通常、鋳鉄鋳物は砂型に鋳造されるが、砂型では冷却速度が遅いため、組織が粗大化し且つ丸棒中心部に偏析組織が生成して不均質な丸棒素材になり易く、また丸棒中心部が最終凝固部になって大きな引け巣等の鋳造欠陥が生じ易くなる。
このため本実施形態では、丸棒素材を金型か、水冷式の黒鉛連鋳モールドを経て連続注湯して、急冷凝固させる。
本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維に係る製造方法の鋳造工程について説明する。
上記した成分組成の鋳鉄溶湯は、図１に示すような電磁誘導溶解炉１１で、所定の原料を溶解して得られる。Ｍｇ合金やＣａ合金による球状化処理が施された溶湯を、直ちに金型に注湯して丸棒素材鋳物を得るか、或いは図１の取鍋１２から溜炉１３に注湯し、水冷ジャケット付き連鋳モールド１４を介して連続鋳造して、丸棒素材１５にカットする。
球状化処置は、凝固の際、又はその後の熱処理により炭素を球状黒鉛の形態にするために行う処理である。この球状化処理を行わないと、炭素は片状で現れて、素材の強度を低下させるだけでなく、その後に行うビビリ振動切削法による切削工程において、金属繊維が片状黒鉛のところで破断し、所定のサイズの加工を非常に困難にする。
通常、鋳鉄鋳物は砂型に鋳造されるが、砂型では冷却速度が遅いため、組織が粗大化し且つ丸棒中心部に偏析組織が生成して不均質な丸棒素材になり易く、また丸棒中心部が最終凝固部になって大きな引け巣等の鋳造欠陥が生じ易くなる。
このため本実施形態では、丸棒素材を金型か、水冷式の黒鉛連鋳モールドを経て連続注湯して、急冷凝固させる。
（熱処理工程）
本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維に係る製造方法の熱処置工程について説明する。
上記鋳造工程において、金型や水冷された黒鉛型に鋳込んで急冷凝固させて得られた丸棒素材は、炭素含有量が少ないことと急冷されていることから、硬くて脆い鉄の炭化物であるセメンタイトが晶出し易い。また鋳放しのままでは偏析組織が現れ易い。よってこのままの状態でビビリ振動切削を行うと、所定の金属短繊維の切削加工が困難で、均質な耐熱金属短繊維の歩留まりを著しく損なうだけでなく、切削工具（チップ）の消耗が激しくなり、加工コストが高くなる。
従って本熱処理工程では、鋳造工程で得られた丸棒素材を７３０〜１１５０℃の温度範囲で熱処理し、セメンタイトを分解して球状黒鉛を析出させ、基地組織を均質化し、また偏析している元素を拡散させて均質な丸棒素材にする。
熱処理温度を７３０〜１１５０℃とするのは、鋳造工程で得られた鋳放しの丸棒素材に存在する共晶セメンタイトを分解し、偏析を消滅させるには、基地組織を一旦オーステナイト組織に戻す必要があるので、オーステナイト化が可能な７３０℃を熱処理の下限とした。また丸棒素材が溶融してしまわない温度１１５０℃を熱処理の上限とした。
熱処理時間は、例えば丸棒素材の半径１インチ当たり１時間とすることができる。
なお、熱処理温度が低いほど熱処理時間は長くする必要はあるが、熱処理温度を高くし過ぎると金属組織が粗大化して、均質性を損なう。熱処理温度のより好ましい温度は８５０〜１０００℃である。
本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維に係る製造方法の熱処置工程について説明する。
上記鋳造工程において、金型や水冷された黒鉛型に鋳込んで急冷凝固させて得られた丸棒素材は、炭素含有量が少ないことと急冷されていることから、硬くて脆い鉄の炭化物であるセメンタイトが晶出し易い。また鋳放しのままでは偏析組織が現れ易い。よってこのままの状態でビビリ振動切削を行うと、所定の金属短繊維の切削加工が困難で、均質な耐熱金属短繊維の歩留まりを著しく損なうだけでなく、切削工具（チップ）の消耗が激しくなり、加工コストが高くなる。
従って本熱処理工程では、鋳造工程で得られた丸棒素材を７３０〜１１５０℃の温度範囲で熱処理し、セメンタイトを分解して球状黒鉛を析出させ、基地組織を均質化し、また偏析している元素を拡散させて均質な丸棒素材にする。
熱処理温度を７３０〜１１５０℃とするのは、鋳造工程で得られた鋳放しの丸棒素材に存在する共晶セメンタイトを分解し、偏析を消滅させるには、基地組織を一旦オーステナイト組織に戻す必要があるので、オーステナイト化が可能な７３０℃を熱処理の下限とした。また丸棒素材が溶融してしまわない温度１１５０℃を熱処理の上限とした。
熱処理時間は、例えば丸棒素材の半径１インチ当たり１時間とすることができる。
なお、熱処理温度が低いほど熱処理時間は長くする必要はあるが、熱処理温度を高くし過ぎると金属組織が粗大化して、均質性を損なう。熱処理温度のより好ましい温度は８５０〜１０００℃である。
上記熱処理工程が終了した金属素材は、適当な長さに切断され或いは元々適当な長さであれば切断されることなく、丸棒ビレットとしてビビリ振動切削法による切削工程に供される。なお、丸棒素材を丸棒ビレットに切断してから熱処理に供することも可能である。このような場合も本発明の権利範囲に属するものとする。
（切削工程）
本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維に係る製造方法の切削工程について説明する。
上記熱処理工程を経て得られた丸棒ビレット２２を、図２に示すように、ビビリ振動切削機により切削して、金属短繊維を大量に製造する。
図２において、丸棒ビレット２２の一端を主軸台２１に備えた４つのチャックで固定し、他端の中心を芯押し台２３で固定する。一方、刃物台２４には１乃至複数の弾性工具を取り付け、その弾性工具の先端に切削工具（チップ）を取り付ける。この状態で丸棒ビレット２２を高速回転させ、切削工具（チップ）で回転する丸棒ビレット２２をその外周から中心に向かって切削する。切削工具が回転する丸棒ビレット２２に接すると、その反動で弾性工具が弾性変位し、その繰り返しによる振動が起こる。この振動により切削工具（チップ）が丸棒ビレット２２に接触するたびに、丸棒ビレット２２の表面を削りとり、金属短繊維が得られる。金属短繊維の径は弾性工具、即ち切削工具（チップ）の振幅により制御される。また金属短繊維の長さは切削工具（チップ）の刃先の長さで制御される。
本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維に係る製造方法の切削工程について説明する。
上記熱処理工程を経て得られた丸棒ビレット２２を、図２に示すように、ビビリ振動切削機により切削して、金属短繊維を大量に製造する。
図２において、丸棒ビレット２２の一端を主軸台２１に備えた４つのチャックで固定し、他端の中心を芯押し台２３で固定する。一方、刃物台２４には１乃至複数の弾性工具を取り付け、その弾性工具の先端に切削工具（チップ）を取り付ける。この状態で丸棒ビレット２２を高速回転させ、切削工具（チップ）で回転する丸棒ビレット２２をその外周から中心に向かって切削する。切削工具が回転する丸棒ビレット２２に接すると、その反動で弾性工具が弾性変位し、その繰り返しによる振動が起こる。この振動により切削工具（チップ）が丸棒ビレット２２に接触するたびに、丸棒ビレット２２の表面を削りとり、金属短繊維が得られる。金属短繊維の径は弾性工具、即ち切削工具（チップ）の振幅により制御される。また金属短繊維の長さは切削工具（チップ）の刃先の長さで制御される。
ビビリ振動切削機で切削加工される金属短繊維の寸法乃至サイズは、弾性工具に生じさせる強制振動の振幅と切削工具（チップ）の刃先の長さに大きく左右される。丸棒ビレット２２の回転速度を落として、弾性工具の強制振動の振幅を小さくして加工できる金属短繊維の平均最小径は１０μｍとする。それ未満の場合は生産効率が悪く、製品歩留まりも大きく低下してコストが高くなる。一方、径を大きくすると生産性は良好になるが、１００μｍを超えると、切削工具（チップ）の破損が著しくなる。
一方、金属短繊維の長さについては、繊維長さが１ｍｍ未満であると生産性が悪く、繊維長さが１０ｍｍを超えると切削工具（チップ）の破損が著しくコストが高くなる。生産性も考慮した本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維のサイズは、径で３０〜９０μｍ、長さで３〜９ｍｍが好ましい。
一方、金属短繊維の長さについては、繊維長さが１ｍｍ未満であると生産性が悪く、繊維長さが１０ｍｍを超えると切削工具（チップ）の破損が著しくコストが高くなる。生産性も考慮した本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維のサイズは、径で３０〜９０μｍ、長さで３〜９ｍｍが好ましい。
（金属短繊維の暴露熱処理）
本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維に係る製造方法における金属短繊維の暴露熱処理について説明する。
上記切削工程を経て得られた金属短繊維に更に耐熱性を付与するために、金属短繊維を酸化雰囲気中で、５００〜１１５０℃で暴露熱処理を施すことにより、金属短繊維の表面に鉄成分主体の緻密な酸化層を形成させると共に、内部を耐熱鋳鉄層とすることができる。これにより一層優れた耐熱性、耐焼付き性を備えた耐熱鋳鉄系金属短繊維を得ることができる
耐熱鋳鉄系金属短繊維は、その耐熱鋳鉄自体が耐熱性を保有するが、表面を緻密な金属酸化層で覆うことにより、更に耐熱性を向上させることができる。
表面の酸化層は、ウスタイト、マグネタイト、ヘマタイトの三層が形成される。特に、マグネタイト層が厚い酸化層ほど好ましい。
暴露温度が５００℃未満では酸化層が薄く、耐熱性に寄与できる酸化層が形成され難い。一方、１１５０℃を超える場合は金属短繊維が溶けてしまう。
暴露温度は、好ましくはマグネタイトの酸化層が形成され易い６００〜８００℃がよい。
なお、暴露時間は数十時間〜数百時間とすることができる。
本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維に係る製造方法における金属短繊維の暴露熱処理について説明する。
上記切削工程を経て得られた金属短繊維に更に耐熱性を付与するために、金属短繊維を酸化雰囲気中で、５００〜１１５０℃で暴露熱処理を施すことにより、金属短繊維の表面に鉄成分主体の緻密な酸化層を形成させると共に、内部を耐熱鋳鉄層とすることができる。これにより一層優れた耐熱性、耐焼付き性を備えた耐熱鋳鉄系金属短繊維を得ることができる
耐熱鋳鉄系金属短繊維は、その耐熱鋳鉄自体が耐熱性を保有するが、表面を緻密な金属酸化層で覆うことにより、更に耐熱性を向上させることができる。
表面の酸化層は、ウスタイト、マグネタイト、ヘマタイトの三層が形成される。特に、マグネタイト層が厚い酸化層ほど好ましい。
暴露温度が５００℃未満では酸化層が薄く、耐熱性に寄与できる酸化層が形成され難い。一方、１１５０℃を超える場合は金属短繊維が溶けてしまう。
暴露温度は、好ましくはマグネタイトの酸化層が形成され易い６００〜８００℃がよい。
なお、暴露時間は数十時間〜数百時間とすることができる。
以下に本発明の実施例を説明する。
本発明の６種の実施例と７種の比較例を、それぞれ試験材として作製した。表１、表２に実施例と比較例の成分組成を示す。
（試験材の作製）
原材料として、ダクタイル銑、スチールスクラップ、黒鉛粉、フェロシリコン、アルミニウム粒を用いて、１５０ｋｇ容量の高周波誘導炉にて表１、２に示す所定の成分組成となるように、１６００℃で溶解して１００ｋｇの溶湯を調整した。この溶湯を取鍋に注湯した後、直ちにＦｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金を添加して球状化処理を施し、内径１６０ｍｍφ、深さ５５０ｍｍの金型に１５００℃で鋳込んで丸棒素材を得た。また機械的性質を測定評価するために、Ｙブロック砂型に鋳込んで、ＪＩＳ４号試験片Ｂ用をそれぞれ作製した。
これらの丸棒素材及びＪＩＳ４号試験片素材を、熱処理として９５０℃で３時間保持した後、常温まで冷却した。その後、所定寸法に切断、加工して丸棒ビレット及びＪＩＳ４号試験片Ｂを作製した。
丸棒ビレットを図２に示すようなビビリ振動切削機にて切削し、径６０μｍ、長さ３ｍｍの金属短繊維を作製し、試験材に供した。
本発明の６種の実施例と７種の比較例を、それぞれ試験材として作製した。表１、表２に実施例と比較例の成分組成を示す。
（試験材の作製）
原材料として、ダクタイル銑、スチールスクラップ、黒鉛粉、フェロシリコン、アルミニウム粒を用いて、１５０ｋｇ容量の高周波誘導炉にて表１、２に示す所定の成分組成となるように、１６００℃で溶解して１００ｋｇの溶湯を調整した。この溶湯を取鍋に注湯した後、直ちにＦｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金を添加して球状化処理を施し、内径１６０ｍｍφ、深さ５５０ｍｍの金型に１５００℃で鋳込んで丸棒素材を得た。また機械的性質を測定評価するために、Ｙブロック砂型に鋳込んで、ＪＩＳ４号試験片Ｂ用をそれぞれ作製した。
これらの丸棒素材及びＪＩＳ４号試験片素材を、熱処理として９５０℃で３時間保持した後、常温まで冷却した。その後、所定寸法に切断、加工して丸棒ビレット及びＪＩＳ４号試験片Ｂを作製した。
丸棒ビレットを図２に示すようなビビリ振動切削機にて切削し、径６０μｍ、長さ３ｍｍの金属短繊維を作製し、試験材に供した。
（各試験方法）
各試験材の鋳放し状態での硬さ、熱処理後の硬さ、引張強さ（Ｔ．Ｓ．）、伸びについては、ＪＩＳ４号試験片Ｂ用素材より採取して実施した。硬さはブリンネル硬度計（単位ＨＢ）で測定した。
各試験材について、鋳造性は、内径１６０ｍｍφ、深さ５５０ｍｍの金型に鋳造した丸棒素材の鋳造欠陥の有無で評価した。
また切削加工性は、熱処理して所定のサイズに切断された丸棒ビレットを、図２のビビリ振動切断機で金属短繊維に加工した際の、切削工具（チップ）の損耗状態、短繊維の目的サイズの分布からのズレの状況で評価した。
また耐熱性は、ビビリ振動切削機による加工が可能であった試験の金属短繊維を、９００℃に加熱された電気抵抗炉中に、大気中１００時間、暴露熱処理した後、常温にて耐熱試験前後の重量変化を測定して評価した。
各試験結果を表１、表２に示す。
各試験材の鋳放し状態での硬さ、熱処理後の硬さ、引張強さ（Ｔ．Ｓ．）、伸びについては、ＪＩＳ４号試験片Ｂ用素材より採取して実施した。硬さはブリンネル硬度計（単位ＨＢ）で測定した。
各試験材について、鋳造性は、内径１６０ｍｍφ、深さ５５０ｍｍの金型に鋳造した丸棒素材の鋳造欠陥の有無で評価した。
また切削加工性は、熱処理して所定のサイズに切断された丸棒ビレットを、図２のビビリ振動切断機で金属短繊維に加工した際の、切削工具（チップ）の損耗状態、短繊維の目的サイズの分布からのズレの状況で評価した。
また耐熱性は、ビビリ振動切削機による加工が可能であった試験の金属短繊維を、９００℃に加熱された電気抵抗炉中に、大気中１００時間、暴露熱処理した後、常温にて耐熱試験前後の重量変化を測定して評価した。
各試験結果を表１、表２に示す。
（試験結果の評価）
鋳放し状態では、金型鋳造であるので急冷され、一部を除いて硬さＨＢが３００以上であった。硬度ＨＢが３００以上となるのは、表面層近傍に共晶セメンタイトが晶出しているためである。このような硬度ＨＢが３００以上ではビビリ振動切削が困難である。
鋳放し状態では、金型鋳造であるので急冷され、一部を除いて硬さＨＢが３００以上であった。硬度ＨＢが３００以上となるのは、表面層近傍に共晶セメンタイトが晶出しているためである。このような硬度ＨＢが３００以上ではビビリ振動切削が困難である。
前記鋳放し状態から熱処理を行った後の状態では、本発明の実施例１〜６の全て、及び比較例１、２、７において、ビビリ振動切削が可能であった。但し、比較例７は、ビビリ振動切削は可能であったが、切削工具（チップ）の損耗が著しく、しかも得られた短繊維の寸法が不揃いであり、製品歩留まりが悪かった。また比較例２もビビリ振動切削が少し難であった。比較例３〜５は何れも鋳造欠陥が現れ、更に比較例３、４は引け巣に起因してビビリ振動切削用の丸棒ビレットを供することができなかった。また比較例５は熱処理を施しても硬度ＨＢが３５０以上と高く、ビビリ振動切削をすると切削工具（チップ）が破損し、切削を継続できなかった。
次にビビリ振動切削が可能であった実施例１〜６、比較例１、２、７について行った金属短繊維の耐熱試験では、比較例１は通常の球状黒鉛鋳鉄材であるが、重量減が大きく、また黒鉛量が多くて振動切削加工中やその後にかなりの黒鉛粉が金属短繊維から分離脱落した。この金属短繊維から脱落した黒鉛量は、１．６重量％と多く、金属短繊維の成分組成を大きく変える結果となり、耐熱試験での酸化増量の大きな増加、即ち耐熱性の低下を招いた。
本発明の実施例１〜６及び比較例２、７は、何れも金属短繊維の酸化増量が少なく、通常の球状黒鉛鋳鉄材（比較例１）と比べても、十分に耐熱性が優れていた。
本発明の実施例１〜６及び比較例２、７は、何れも金属短繊維の酸化増量が少なく、通常の球状黒鉛鋳鉄材（比較例１）と比べても、十分に耐熱性が優れていた。
本発明の耐熱鋳鉄系金属短繊維とその製造方法は、高温で使用されるセラミック、ゴム、樹脂等に複合されて、その性質を向上させるフィラー等の材料として、またその製造方法として、産業上の利用可能性がある。
１１ 電磁誘導溶解炉
１２ 取鍋
１３ 溜炉
１４ 水冷ジャケット付きモールド
１５ 丸棒素材
２１ 主軸台
２２ 丸棒ビレット
２３ 芯押し台
２４ 刃物台
２５ ベッド
１２ 取鍋
１３ 溜炉
１４ 水冷ジャケット付きモールド
１５ 丸棒素材
２１ 主軸台
２２ 丸棒ビレット
２３ 芯押し台
２４ 刃物台
２５ ベッド
Claims (6)
- 重量％で、
Ｃ ：１．０〜２．５％、
Ｓｉ ：２．０〜６．０％、
Ａｌ ：０．０１〜４．０％、
但しＳｉ＋Ａｌの合計 ：３．０〜７．０％、
Ｍｎ ：０．１〜１．０％、
Ｍｇ、Ｃａの１種以上 ：０．００３〜０．１％、
残部がＦｅからなる成分組成を有すると共に組織中に球状黒鉛を分散してなる球状黒鉛鋳鉄組織を有し、且つビビリ振動切削法を用いて切削形成されていることを特徴とする耐熱鋳鉄系金属短繊維。 - 短繊維表面に鉄酸化物層を形成してあることを特徴とする請求項１に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維。
- 請求項１若しくは請求項２に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法であって、請求項１に記載の成分組成からなり且つ黒鉛球状化処理された耐熱鋳鉄溶湯を、金型鋳造若しくは連続鋳造によって丸棒素材に鋳造する鋳造工程と、該鋳造工程で得られた丸棒素材を、７３０〜１１５０℃の温度で均質化処理を兼ねた球状黒鉛析出処理を行う熱処理工程と、該熱処理工程で熱処理された丸棒素材を適当な長さに切断し或いは切断することなく丸棒ビレットとし、該丸棒ビレットからビビリ振動切削法により金属短繊維を切削形成する切削工程とを少なくとも有する耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法。
- 連続鋳造では、溶湯を水冷式連鋳モールドを備えた溜炉に注湯し、前記水冷式連鋳モールド内で連続的に凝固させながら間欠的に引き抜くことで、丸棒素材を鋳造することを特徴とする請求項３に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法。
- 熱処理工程では、７３０〜１１５０℃で、丸棒素材の半径寸法１インチ当たり１時間以上保持した後、室温まで徐冷する処理を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法。
- ビビリ振動切削法により切削して得られた金属短繊維を、酸化雰囲気中、５００〜１１５０℃の温度で、暴露熱処理を施すことを特徴とする請求項３〜５の何れかに記載の耐熱鋳鉄系金属短繊維の製造方法。
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