WO2000075387A1 - Fonte a graphite spheroide obtenue sans transformation bainitique - Google Patents

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明 細 書 非オーステンパー処理球状黒鉛铸鉄 技術分野 本発明は、 オーステンパー処理を行わずに得られる非オーステンパー処理球状 黒鉛铸鉄に関する。 背景技術 铸鉄として、 黒鉛形態が球状の球状黒鉛铸鉄が知られており、 この球状黒鉛铸 鉄は、 引張強さが 4 0 0〜8 0 O M P aの範囲であって、 引張強さが大きくなれ ば伸びが低く、 逆に伸びを高くしょうとすると引張強さが小さくなるという傾向 を有している。 近年になり、 軽量化が強く要請されている自動車用部品などの分野においては、 弓 I張強さと伸びの両方の機械的性質をバランス良く兼備した球状黒鉛銬鉄が求め られている。 このような機械的性質を有する球状黒鉛铸鉄として、 次のペイナイ ト球状黒鉛銬鉄が知られていた。 一つは、 铸造物をオーステナイト化温度 （約8 0 0〜9 5 0で） に加熱後、 約 3 0 0〜4 0 O tの塩浴炉中に急冷し、 そのまま同炉中で恒温保持した後取り出 して得られるベイナイト球状黒鉛铸鉄であり、 また、 例えば N iを 1〜4質量％、 M oを 0 . 5〜1 . 0質量％添加して、 熱処理をしない、 いわゆる铸放しの状態 で得られるペイナイト球状黒鉛铸鉄である。 しかしながら、 前者のベイナイト球状黒鉛铸鉄は、 肉厚の大なる製品では内部 まで十分なペイナイト組織が得られないことから、 薄肉製品に使用されることは あるが、 その場合でも、 熱処理による歪みが発生したり、 塩浴炉を用いた熱処理 によりコストが高いという問題があった。 また、 後者のベイナイト球状黒鉛铸鉄 は、 高価な M oを添加することからコストアップとなるという問題があった。 また、 上記のベイナイト球状黒鉛铸鉄は、 例えば、 耐蝕性を得るために溶融亜 鉛めつきを施す （例えば、 4 6 O :で 1 2 0秒間保持） と、 下記表 1に示すよう に、 その加熱処理によって引張強さと伸びが低下するという欠点を有している, 表 1はべイナィト組織を有する球状黒鉛铸鉄の熱 （約 4 6 0 °C) による影響を 説明したものである。 ここで熱処理とは 9 0 0 °Cで 1時間保持しその後 3 8 0 °C で一時間保持することであり、 溶融亜鉛メッキ処理とは 4 6 0 °Cで 1 2 0秒間保 持することである。 したがって、 本発明は上記した従来の問題に鑑みてなされたものであり、 その 目的とするところは、 引張強さと伸びの両方の機械的性質をバランス良く兼備し、 かつ引張強さと伸びを従来よりも向上させた高強度、 高靭性の球状黒鉛铸鉄を提 供するものである。 また、 本発明の目的は、 溶融めつき等の処理を施しても機械的性質が低下せず、 しかも M oを添加しなくても引張強さと伸びを向上させた球状黒鉛铸鉄を提供す るものである。 さらに、 本発明の目的は、 オーステナイト化温度に加熱後、 約3 0 0〜4 0 0 でに急冷し、 そのまま恒温保持するというオーステンパー処理を行わないで得ら れる非オーステンパー処理の球状黒鉛铸鉄を提供するものである。 3 発明の開示 すなわち、 本発明によれば、 オーステンパー処理を行わずに得られる非オース テンパー処理球状黒鉛銬鉄であって、 引張強さが 650〜85 OMP a、 及び伸 びが 7. 0〜14. 5%であることを特徴とする非オーステンパー処理球状黒鉛 铸鉄が提供される。 また本発明によれば、 オーステンパー処理を行わずに得られる非オーステンパ 一処理球状黒鉛铸鉄であって、 Vノッチ切欠き材の疲労限度が 29 OMP a以上 であることを特徴とする非オーステンパー処理球状黒鉛铸鉄が提供される。 この球状黒鉛铸鉄においては、 Mnを 0. 05〜0. 45質量％含有すること が好ましく、 この場合、 N iを 2. 0〜4. 0質量％含有することが好ましい。 また、 本発明の球状黒鉛铸鉄は、 ブリネル硬度が 230〜285HBであるこ とが好ましく、 また、 切削距離 1. 7 kmにおいて逃げ面磨耗量が 0. 13mm 以下であることが好ましい。 図面の簡単な説明 図 1は、 切削試験片形状を示す説明図である。 図 2は、 Y形供試材 （B号） の形状を示す説明図である。 図 3は、 回転曲げ疲労試験に用いた Vノッチ切り欠き材の形状及び寸法を示す 説明図である。 図 4は、 実施例 1における引張特性 （引張強さ、 0. 2%耐カおよび伸び） を 示すグラフである。 図 5は、 実施例 1における疲労限度を示すグラフである。 図 6は、 硬度と引張強度 Z伸びの関係を示すグラフである。 図 7は、 電力製品の連結金具を示す説明図である。 図 8 (a) (b)は、 めっき処理前後の引張特性 （引張強さ、 0. 2%耐カおよび伸 び） を示すもので、 図 8 (a)はめつき処理前、 図 8 (b)はめつき処理後を示すダラ フである。 図 9は、 自動車製品の車輪支持部品を示す説明図である。 図 10は、 実施例 6における引張特性 （引張強さ、 0. 2%耐カおよび伸び） 4 を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態 以下、 本発明を詳しく説明する。 本発明は、 従来行われているオーステンパー処理を用いずに得ることができる 高強度、 高靭性の球状黒鉛铸鉄であり、 具体的には、 その引張強さが 650〜8 50 MP aで、 伸びが 7. 0〜14. 5%であって、 引張強さと伸びの両方の機 械的性質がバランス良く兼備され、 しかも引張強さと伸びが従来に比して向上し ているものである。 このような高強度、 高靭性の非オーステンパー処理球状黒鉛铸鉄は、 熱処理を せずに引張強さ及び伸びが所定以上に大きく、 かつ溶融めつき等を施しても機械 的性質が低下しない。 本発明に係る非オーステンパー処理球状黒鉛铸鉄は、 その引張強さが 650〜 850 MP a、 好ましくは 700〜850MP a、 特に好ましくは 750〜 85 OMP aである。 また、 伸びは 7. 0〜14. 5%、 好ましくは 9. 5〜14. 5%、 特に好ましくは 12. 0〜14. 5%である。 ここで、 球状黒鉛铸鉄の引張強さ、 及び伸びという機械的性質は、 J I S Z 2201で規定されている試験法に従って求めたものである。 上記のような高強度、 高靭性の機械的性質を有する本発明の非オーステンパー 処理球状黒鉛铸鉄は、 成分的には、 Mnを 0. 05〜0. 45質量％含有するこ とが好ましく、 Mnを 0. 10〜0. 35質量％含有することがより好ましい。 Mnの添加量を上記範囲内において変えることにより、 球状黒鉛铸鉄の引張強さ と伸びの関係を制御することができる。 すなわち、 Mnの含有量を少なくすれば 引張強さは落ちるが、 伸びは上昇し、 逆に Mnの含有量を多くすれば引張強さは 大きくなるが、 伸びは低下することになる。 Mnの含有量が 0. 45質量％を超 えると硬くなり過ぎて伸びが 7. 0%未満になる。 なお、 Mnは材料や製造工程 から不可避的に混入してくるものであり、 その含有量を 0. 05質量％未満まで 低下させることは現在の技術上からは困難である。 また、 他の成分としては、 N iを 2. 0〜4. 0質量％含有することが好ましい。 N iが上記範囲外の場合に 5 は、 伸びが低下する傾向がある。 なお、 本発明の非オーステンパー処理球状黒鉛铸鉄の他の構成成分としては、 特に限定されないが、 C 3. 1〜4. 0質量％、 S i 1. 8〜3. 0質量％、 P 0. 05質量％以下、 S 0. 02質量％以下、 Mg 0. 02〜0. 06 質量％に調整することが好ましい。 その理由は下記の通りである。 (1) Cが 3. 1質量％未満では、 炭化物が現れて伸びが著しく減少する。 Cが 4. 0質量％を超えると、 初晶黒鉛が浮上して介在し、 引張強さの低下の原因となる。 (2) 1が1. 8質量％未満では、 炭化物が現れて伸びが著しく減少する。 S i が 3. 0質量％を超えると、 初晶黒鉛が浮上して介在し、 引張強さの低下の原因 となる。 (3) Pが 0. 05質量％を超えると、 ステダイト相が現れて脆化する。 (4) が0. 02質量％を超えると、 Mg処理時に Mg Sを生成し、 溶存 Mg量 が低下して黒鉛球状化が阻害され、 ノロも増えて好ましくない。 (5) Mgが 0. 02質量％未満では、 黒鉛を球状化することができず、 引張強さ が確保できない。 Mgが 0. 06質量％を超えると、 炭化物が現れやすくなり、 処理時の M g合金が高価で好ましくない。 また、 本発明の非オーステンパー処理球状黒鉛铸鉄は、 Vノッチ切欠き材の疲 労限度が 29 OMP a以上という特性を有する。 本発明の球状黒鉛铸鉄は、 上記 のように特に伸び特性に優れるため、 Vノッチ切欠き材であっても疲労限度が所 定以上に高くなると考えられる。 さらに、 本発明の非オーステンパー処理球状黒鉛銬鉄は、 加工性に優れている。 加工性を示す指標として、 切削試験を行った場合の逃げ面磨耗量を用いると、 本 発明の球状黒鉛铸鉄は、 切削距離 1. 7 kmにおいて逃げ面磨耗量が 0. 13m m以下である。 なお、 切削試験の切削条件としては、 図 1に示す形状の切削試験片 10に対し て、 切削速度が 10 OmZm i n、 送り量が 0. 2 mm 回転、 切込みが 1. 5 mmとし、 刃物として三菱マテリアル製 UC 6010を用いて乾式切削を行った。 さらにまた、 本発明の球状黒鉛铸鉄は、 その硬度が 230〜285HB、 好ま しくは 235〜28 OHB、 特に好ましくは 240〜 275 HBと、 高い硬度を 6 示すものである。 このように、 本発明の球状黒鉛铸鉄は、 硬度も所定以上であり、 強度、 靭性に加えて硬度的にもバランスが取れている。 ここで、 硬度試験としては、 J I S Z 2 2 4 5に規定された試験法を用い、 ブリネル硬さを測定した。 上記した本発明の球状黒鉛铸鉄は、 従来公知の工程を用いて製造することがで さる。 铸鉄製造工程の一例を説明すると、 材料ヤードから銑鉄、 鋼屑など各種の鉄合 金を、 配合成分量を考慮して配合し、 これを原料として電気炉 （低周波炉又は高 周波炉） あるいはキュボラを用いて铸鉄溶湯が溶製される。 目標組成通りに溶製 された溶湯は、 黒鉛球状化剤を用いて取鍋内で溶湯処理が行われる。 この際、 必 要に応じて接種剤を添加する。 溶湯処理が行われた後、 溶湯は取鍋から造型機により造型された铸型に注湯さ れて铸込まれ、 铸型内でそのまま凝固、 冷却される。 铸型内の物品が冷却される と、 次にシェイクァゥトマシンにて型ばらしが行われて物品と造型砂が分離され、 物品はドラムクーラーで冷却された後、 ショットブラス卜で物品の表面に付着し た砂を除去し、 铸仕上げ工程に掛けられる。 この铸仕上げ工程において堰、 ばり 取りなどの仕上げが行われて製品たる铸鉄铸物が得られることになる。 上記工程のうち、 保持炉で行う接種及び球状化の溶湯処理において、 添加する 物質の種類、 添加量を所定とすることにより、 所望の球状黒鉛铸鉄が製造できる。 本発明では、 成分的に、 好ましくは M n及び N iを所定量に調整することにより、 製造法としては、 従来公知のオーステンパー処理を除く各種の方法において、 铸 型に注湯後の冷却速度を制御することにより、 引張強さと伸びの両方の機械的性 質が従来に比して大きく、 かつバランス良く兼備された高強度、 高靭性の非才一 ステンパー処理球状黒鉛铸鉄を得ることができる。 すなわち、 本発明では、 その製造法として、 目標成分に調整した球状黒鉛铸鉄 溶湯を铸型に注湯後、 その後の冷却速度を制御するものであるが、 その態様とし ては次の通り、 各種の方法がある。 (1)代表的には、 肉厚が 2 5〜 5 0 mm程度の製品の場合、 铸型内で自然放冷(铸放し） させることである。 (2)薄い製品、 例えば、 肉厚が 1 Omm以下の製品については速く冷却し過ぎて、 本発明のような所望の機械的性質を有する铸鉄が得られないので、 铸型を保温す るなど （冷却しにくい铸型材を選択することや、 铸型を集合させること、 または 铸型を加熱する等） により冷却速度を制御して、 肉厚が 25〜50mm程度の製 品とほぼ同様の冷却プロセスとなるようにする。 (3)型ばらし後、 製品を加熱しながら冷却速度を制御して、 上記（2)と同様に、 肉厚が 25〜50mm程度の製品とほぼ同様の冷却プロセスとなるようにする。 以上をまとめると、 本発明の製造法は、 従来公知のオーステンパー処理のよう な、 オーステナイト化温度から約 300〜400でに急冷するという急冷操作を 行わずに、 铸造後連続的に徐冷するか、 あるいは铸造後常温付近まで冷却された 後に加熱し、 次いで加熱しながら冷却することにより、 冷却速度を制御するもの である。 そして、 製品の肉厚により冷却速度に相違が生じる （肉薄では冷却が速 く、 肉厚では冷却が遅くなる） ことに鑑み、 冷却速度を制御して、 引張強さと伸 びの両方の機械的性質をバランス良く兼備した高強度、 高靭性の球状黒鉛铸鉄を 得るものである。 以下、 本発明を実施例に基づき、 更に具体的に説明する。 (実施例 1 ) 従来公知の铸鉄製造工程に従って、 球状黒鉛铸鉄の溶湯を溶製した。 すなわち、 铸鉄原料を配合し、 高周波炉にて、 C 3. 55質量％、 S i 2. 50質量％、 Mn 0. 29質量％、 P 0. 018質量％、 S 0. 007質 量％、 Mg 0. 039質量％、 C r 0. 036質量％、 Cu 0. 08質量 %、 N i 3. 1質量％に成分調整した球状黒鉛铸鉄の溶湯を溶製した。 この球状黒鉛铸鉄溶湯を、 図 2に示す Y形供試材 （B号） 30用の铸型に約 1 400でで注湯し、 铸型内で常温まで自然放冷 （铸放し） した。 得られた Y形供試材 （B号） 30 (J I S G 5502) の下部 3 1から試 験片を採取した。 引張特性 （引張強さ、 0. 2%耐カおよび伸び） については、 J I S Z 2201の 4号試験片で測定し、 その結果を図 4に示す。 さらに、 Y形供試材 （B号） 30から図 3に示す Vノッチ切り欠き材 32を採 8 取し、 回転曲げ疲労試験を行い、 疲労限度を求めた。 ここで、 回転曲げ疲労試験は、 J I S Z 2274に基づいて、 小野式回転 曲げ疲労試験機を用い、 室温、 大気中において、 Vノッチ切り欠き材 32を 25 00 r pmで回転させながら応力を掛け、 破壊するまでの応力と繰り返し数の関 係から疲労限度を測定した。 結果を図 5に示す。 (実施例 2 ) 実施例 1と同様にして、 図 1に示す形状の球状黒鉛铸鉄からなる切削試験片 1 0を採取した。 この切削試験片 1 0について、 切削試験を行い、 逃げ面磨耗量を 測定したところ、 切削距離 1. 7 kmにおいて逃げ面磨耗量が 0. 1 2mmであ つた。 一方、 従来の球状黒鉛錶鉄 （FCD 700相当） （組成： C 3. 6質量％、 S i 2. 5質量。/。、 Mn 0. 4質量。/。、 P 0. 03質量。/。、 S 0. 00 3質量。 /0、 Mg 0. 03質量％、 Cu 0. 8質量％、 残部が F e) の場合に は、 逃げ面磨耗量が 0. 1 6 mmであり、 本発明の球状黒鉛铸鉄が加工性に優れ ていることがわかった。 (実施例 3) Mn 0. 05〜0. 45質量。/。、 N i 2. 0〜4. 0質量％、 C 3. 1 〜4. 0質量％、 S i 1. 8〜3. 0質量％、 P 0. 05質量％以下、 S 0. 02質量％以下、 Mg 0. 02〜0. 06質量。/。、 残部が F eの範囲にお いて、 多数の成分組成の球状黒鉛铸鉄溶湯から Y形供試材 （B号） を得、 実施例 1と同様にして、 引張特性 （引張強さ及び伸び） を測定するとともに硬度を測定 した。 結果を図 6に示す。 (実施例 4) 図 7に示す電力製品である連結金具について、 実施例 1と同様に、 引張特性 (引張強さ、 0. 2%耐カおよび伸び） を測定した。 なお、 試験片採取位置は、 図 7の①、 ②、 ③、 ④、 ⑤である。 その結果を図 8 (a)に示す。 (実施例 5 ) 実施例 4と同じ連結金具に対し、 溶融亜鉛めつき処理 （460°Cで 1 20秒間 保持） を施したものについて、 実施例 1と同様に、 引張特性 （引張強さ、 0. 2 9 %耐カおよび伸び） を測定した。 その結果を図 8 (b)に示す。 その結果、 引張特性はめつき処理前後において、 ほとんど差がないことが確認 された。 (実施例 6 ) 図 9に示す自動車部品である車輪支持部品について、 実施例 1と同様に、 引張 特性 （引張強さ、 0 . 2 %耐カおよび伸び） を測定した。 なお、 試験片採取位置 は、 図 9の A、 B、 C、 D、 Eである。 その結果を図 1 0に示す。 (比較例 1 ) 球状黒鉛铸鉄の溶湯成分のうち、 M nを 0 . 5 3質量％とした以外は実施例 1 と同一方法により、 Y形供試材 （B号） を铸造し同様に試験片を採取して、 その 引張強さと伸びを測定した。 その結果、 引張強さは 8 5 0〜 9 0 O M P aと大きくなるものの、 伸びが 6 % 以下まで低下したことが分かった。 (考察） 上記の実施例 1、 4〜6及び比較例 1の結果から明らかなように、 実施例 1、 4〜 6により得られた球状黒鉛鎳鉄は、 引張強さが 7 5 0〜8 0 O M P a、 0 . 2 %耐力が 5 0 O M P a以上、 伸びが 7 . 0 %以上となり、 所期の機械的性質を 有していることがわかる。 また、 実施例 1で得られた Vノッチ切欠き材の繰り返 し数 1 0 7回での疲労限度が 2 9 5 M P aという高い数値を得た。 さらに、 実施例 2からわかるように、 本発明の球状黒鉛铸鉄は加工性に優れて おり、 しかも、 硬度が 2 3 0〜2 8 5 H Bと所定以上であり、 高強度、 高靭性に 加えて機械的特性として極めてバランスが取れていることがわかる。 産業上の利用可能性 以上説明したように、 本発明の球状黒鉛铸鉄は、 オーステンパー処理を行わな いで得られるものであって、 引張強さと伸びの両方の機械的性質をバランス良く 兼備し、 かつ引張強さと伸びを従来よりも向上させた高強度、 高靭性のものであ る。 また、 本発明の球状黒鉛铸鉄は、 溶融めつき等の処理を施しても機械的性質 が低下せず、 しかも M oを添加しなくても引張強さと伸びを向上させることがで 10 きる。 したがって、 本発明の球状黒鉛铸鉄は、 連結金具などの電力製品や、 車輪 支持部品などの自動車部品に好ましく適用することができる。 11 請 求 の 範 囲

1. オーステンパー処理を行わずに得られる非オーステンパー処理球状黒鉛铸 鉄であって、

引張強さが 650〜85 OMP a、 及び伸びが 7. 0〜14. 5%であること を特徴とする非オーステンパー処理球状黒鉛铸鉄。

2. オーステンパー処理を行わずに得られる非オーステンパー処理球状黒鉛铸 鉄であって、

Vノッチ切欠き材の疲労限度が 29 OMP a以上であることを特徴とする非才 ーステンパー処理球状黒鉛铸鉄。

3. Mnを 0. 05〜0. 45質量％含有する請求項 1又は 2記載の非オース テンパー処理球状黒鉛铸鉄。

4. N iを 2. 0〜4. 0質量％含有する請求項 3記載の非オーステンパー処 理球状黒鉛铸鉄。

5. ブリネル硬度が 230〜285HBである請求項 1~4のいずれか 1項に 記載の非オーステンパー処理球状黒鉛铸鉄。

6. 切削距離 1. 7 kmにおいて逃げ面磨耗量が 0. 13 mm以下である請求 項 1〜 4のいずれか 1項に記載の非オーステンパー処理球状黒鉛铸鉄。