WO2014185455A1 - 高強度高減衰能鋳鉄 - Google Patents

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WO2014185455A1
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graphite
strength
damping
addition
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藤本　亮輔
巧 晴山
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東芝機械株式会社
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/04—Cast-iron alloys containing spheroidal graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D5/00—Heat treatments of cast-iron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/08—Making cast-iron alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/10—Cast-iron alloys containing aluminium or silicon

Definitions

  • the present invention relates to a high strength and high damping cast iron excellent in strength and vibration damping.
  • noise is at the top of the number of complaints of air pollution, water pollution, soil pollution, vibration, noise, land subsidence, and offensive odor, which are typically 7 pollution.
  • Construction work noise accounts for a large percentage of noise complaints. Such complaints are concentrated in urban areas, and noise reduction of urban construction machines is urgently needed.
  • EU noise regulations accompanied by sales regulations are becoming increasingly strict, and with the extension of technology so far, noise reduction can not catch up with the strengthening of noise regulations. ing.
  • low noise vehicles as global standard vehicles in order to respond to the trend of emphasizing environmental response on a global scale.
  • the construction equipment is already required to reduce noise as much as automobiles, and steady reduction of noise from engines, fans, mufflers, etc. has been achieved. From now on, it is necessary to work on noise reduction of the whole hydraulic system.
  • the noise derived from the heavy equipment hydraulic parts is generated in the control valve, the cover of the motor, etc., and becomes relatively remarkable as the heavy engine noise decreases.
  • All parts are made of spheroidal graphite cast iron or CV (Compacted Vermicular) graphite cast iron, and their strength is 400 to 500 MPa. On the other hand, it is difficult to obtain strength of 350 MPa or more in flake graphite cast iron.
  • Patent Documents 1 and 2 describe high rigidity and high damping cast irons that exhibit high vibration damping capacity. However, since these are flake graphite cast irons, their strength is insufficient.
  • Patent Document 3 describes a cast iron having finely divided graphite obtained by adding a rare earth-Si-iron alloy.
  • the cast iron of patent document 3 is equivalent to the cast iron of FC200 class which improved vibration damping capacity, without reducing strength. However, the strength of this cast iron is only comparable to that of FC200.
  • Patent Document 4 describes a cast iron material which exhibits excellent vibration damping ability by having fine pores in addition to flake graphite.
  • the vibration damping capacity can be improved by increasing the porosity in the base structure.
  • the strength decreases with the increase in porosity.
  • Patent document 5 aims at obtaining a cast iron material excellent in both vibration damping capacity and strength. In this document, it is described to disperse steadite with flake graphite to enhance the vibration damping ability.
  • Patent Documents 1 to 5 do not have the strength of 400 MPa or more required for heavy equipment hydraulic parts of construction machines.
  • Patent document 1 JP 2008-223135
  • Patent document 1 JP 2009-287103
  • Patent document 1 JP-A-2002-146468 Japanese Patent Application Publication No. 2001-200330 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-104138
  • An object of the present invention is to provide a high strength, high damping cast iron which has both high strength and high vibration damping ability.
  • the high strength and high damping cast iron according to one aspect of the present invention has C: 2 to 4%, Si: 1 to 5%, Mn: 0.2 to 0.9%, P: not more than 0.1%, S: 0.1% or less, Al: 3 to 10%, Sb: 0 to 1%, Sn: 0 to 0.5%, Mg: 0.02 to 0.10%, RE: 0 to 0.5%, the balance It is characterized in that it consists of Fe and unavoidable impurities. Here,% shows weight% (or mass%). Moreover, RE is a rare earth and consists of Ce (selenium) and / or La (lanthanum).
  • spheroidized graphite can be spheroidized to obtain spheroidal graphite cast iron and CV graphite cast iron.
  • all well-known spheroidizing treatment methods such as a pouring treatment (sandwich method), a tundish method, a wire treatment method and the like can be used.
  • the graphite spheroidizing treatment is performed as follows. First, the reaction grooves (pockets) at the bottom of the ladle are filled with a spheroidizing agent and completely covered with a covering agent (iron scrap, Fe-Si, etc.).
  • the molten metal at 1400 to 1500 ° C. is poured into this ladle and spheroidized.
  • a general spheroidizing agent containing Mg and RE (Ce, La) can be used.
  • the strength can be improved by adding an inoculant containing Ca: 0 to 0.01% and / or Ba 0 to 0.01% to the molten metal.
  • the base tissue may be modified and homogenized by heat treatment (quenching, normalizing, annealing) at 900 ° C. or higher.
  • heat treatment quenching, normalizing, annealing
  • the vibration damping performance of the spheroidal graphite cast iron can be further improved.
  • tissue diagram photograph of Al addition spheroid graphite cast iron which concerns on embodiment of this invention.
  • BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The structure
  • high strength and high vibration damping ability can be compatible even in as-cast condition. Further heat treatment can stabilize the effect of improving the vibration damping capacity. Specifically, high strength and high damping cast iron having high strength and at the same time vibration damping ability comparable to that of conventional flake graphite cast iron excellent in vibration damping ability can be obtained.
  • This embodiment provides an Al-doped spheroidal graphite cast iron having high strength and high damping ability, which is obtained by casting cast iron having the above-mentioned composition using a method including spheroidizing treatment of graphite.
  • This Al-added spheroidal graphite cast iron has, for example, a structure as shown in the structure diagram of FIG.
  • Control of the shape of graphite is essential for high strength. It is necessary to suppress the formation of flaky graphite which causes a decrease in strength, and convert the graphite in the cast iron into spherical graphite or spherical graphite + CV graphite.
  • the black round portion is spherical graphite and the black small block is CV graphite.
  • Fe—Al carbide is formed in the matrix structure.
  • the Fe-Al carbide improves the vibration damping capacity of cast iron.
  • the gray part is Fe—Al carbide, which is more contained than the ferrite base structure (white part).
  • the cast iron according to the embodiment of the present invention when used as a cast iron component requiring high strength, such as a hydraulic component for heavy equipment or a structural material for automobiles, the damping property thereof is enhanced. It is effective for suppression. Furthermore, since this cast iron contains a large amount of Al, it is expected that the oxidation resistance at high temperatures is superior to that of ordinary cast iron.
  • FIG. 2 shows a photograph of the structure of Al-added flake graphite cast iron. Similar to the Al-added spheroidal graphite cast iron, most of the base structure of the Al-added flake graphite iron is composed of Fe—Al carbide. However, as the name suggests, in Al-added flake graphite cast iron, the graphite is flake-like. In FIG. 2, the black and elongated portions are flake-like graphite. Flaky graphite is a continuously expanded thin piece as shown in FIG. Flaky graphite has such a shape to provide a notch effect and reduce the mechanical strength of cast iron. As described above, since flaky graphite causes the strength reduction in graphite cast iron, the graphite needs to be spheroidized.
  • the formation of Fe—Al carbides by the addition of Al improves the vibration damping ability, while Al is also an element that inhibits the spheroidization of graphite.
  • the amount of Al added is 3 to 10%, preferably 3 to 7%.
  • the vibration damping ability of the base structure begins to improve when the amount of added Al reaches 3%.
  • the addition amount exceeds 7%, the vibration damping ability rather decreases.
  • the addition of Al inhibits the spheroidization of graphite and the strength decreases, so excessive addition is not preferable.
  • the present inventors have found that when a suitable amount of Si (silicon), Sb (antimony) or Sn (tin) is added to Fe-Al carbides formed in the matrix, formation of Fe-Al carbides and graphite It has been found that spheroidization is promoted together. Based on this finding, it has been found that by adding an appropriate amount of Si, Sb or Sn to Al-added graphite cast iron, it is possible to realize high strength while having vibration damping capacity. That is, when an appropriate amount of Si, Sb or Sn is added, the vibration damping capacity and strength of the Al-added graphite cast iron improve with the addition of Al even when the amount of Al addition exceeds 7%. However, if the addition amount of Al exceeds 10%, an Fe-Al intermetallic compound is formed, which may cause a disadvantage that cast iron becomes very brittle.
  • the mechanism for improving the vibration damping ability of flake graphite cast iron by the addition of Al includes a theory based on the formation of an iron alloy in which Al is solid-solved and a theory based on the formation of Fe—Al carbide. In either theory, it is speculated that the vibration damping ability is improved by the damping mechanism of the ferromagnetic type of these materials formed by Al addition.
  • the vibration damping ability of the Al-added spheroidal graphite cast iron according to the embodiment of the present invention seems to be improved by the damping mechanism of Fe—Al carbide as in the latter theory.
  • Sb or Sn As the addition amount of Sb or Sn increases, the effect gradually decreases. If Sb exceeds 1% or Sn exceeds 0.5%, the improvement effect is not obtained. In addition, when the amount of Sb or Sn added is large, defects such as shrinkage tend to occur in cast iron. In addition, even if Sb and Sn are not added, about 0.01% of each may be contained in cast iron as an unavoidable component. Therefore, when Sb and Sn are intentionally added, Sb is usually 0.01% or more, and Sn is usually 0.01% or more.
  • the reason why the cast iron having spheroidal graphite and CV graphite has superior strength as compared with conventional flake cast iron is as follows.
  • flake graphite cast iron the flake graphite in the matrix structure has a shape like a continuously expanded thin plate, and thus provides a notch effect.
  • the notch effect reduces the mechanical strength of flake graphite cast iron.
  • the continuous shape of the graphite is lost and the notch effect disappears. Therefore, in the cast iron which graphite spheroidized, mechanical strength can be secured.
  • the spheroidizing ratio of graphite is defined in JIS G 5520 (2001).
  • the high strength and high damping cast iron according to the embodiment of the present invention contains C, Si, Mn, P, S, Mg, RE (Ce, La) in addition to the above Al, Sb and Sn.
  • C affects the formation of graphite and Fe—Al carbides
  • Si affects the shape of graphite.
  • the content of C is 2 to 4% as in the case of ordinary spheroidal graphite cast iron.
  • Si can be added at 1 to 5%.
  • Al is added to graphite cast iron containing Si, spheroidization of the graphite is inhibited and chunky graphite is formed.
  • the addition amount of Si causing this chunky graphite is preferably 1 to 2%.
  • the addition amount of Si is 1.0% or less, it is not preferable because cast iron is easily drawn.
  • the content of Mn is 0.2 to 0.9% as in the case of ordinary spheroidal graphite cast iron. At a Mn content of 0.2% or more, the strength and hardness of cast iron increase. On the other hand, when the content of Mn exceeds 0.9%, coarse cementite is formed in the final solidified portion, so that the mechanical properties are deteriorated.
  • the content of P is controlled to be 0.1% or less, as in the case of ordinary spheroidal graphite cast iron.
  • the reason for this is that, when the content is more than 0.1%, P reacts with iron to form steadite, which is a hard compound, to make cast iron brittle.
  • the content of S is controlled to be 0.1% or less, as in the case of ordinary spheroidal graphite cast iron. The reason for this is that if the S content exceeds 0.1%, the graphite spheroidization is inhibited to cause a reduction in strength.
  • the addition amount of Mg is set to 0.02 to 0.10% which enables spheroidization. If it is 0.10% or more, the spheroidization of the graphite is inhibited, and the reaction at the time of casting becomes severe, which is not practical.
  • spherical graphite is formed even when RE (Ce, La) is not added, RE forms a core of graphite formation, so the addition amount is made 0.001 to 0.500%. However, if the content is less than 0.001%, the spheroidization ratio of the graphite decreases, and if the content is 0.050% or more, the formation of chunky graphite is promoted in the thick-walled cast product. Therefore, 0.001 to 0.050% is preferable.
  • Ce and La are effective as RE forming a compound serving as a core of graphite. Any of Ce and La may be used in the embodiments of the present invention. Also, Ce or La may be used alone, or Ce and La may be used in combination in any ratio. As in the case of conventional cast iron, the case of using Ce or La alone and the case of using both (in any ratio) do not affect the result of graphitic spheroidization.
  • the addition of Ca and Ba is not essential, the addition of 0.0001 to 0.01% of Ca and / or Ba further improves the strength due to the inoculation effect.
  • the addition of 0.01% or more is not preferable because it promotes the generation of dross during casting and the crystallization of chunky graphite in thick-walled cast products.
  • either Ca or Ba may be used alone or in any ratio.
  • the inoculation effect is the highest immediately after inoculation, for example, it is more effective in late inoculation where an inoculant is added to the latter half of the pouring by the in-template inoculation method such as the water stream inoculation method such as the stream method or in mold method. It is.
  • Cast iron having the above chemical composition has both high strength and high damping ability even in as-cast state, but the vibration damping performance is further improved by subjecting this cast iron to heat treatment such as annealing at 900 ° C. or higher.
  • the vibration damping ability of cast iron is improved by high temperature heat treatment because the base structure is reformed and homogenized. Normal cast iron controls the structure by heat treatment at around 800 ° C.
  • a heat treatment temperature of 900 ° C. or more is required.
  • the Fe—Al carbide is homogenized and refined, and the vibration damping property of cast iron is further improved. Therefore, the vibration damping performance can be further improved by heat treatment at 950 ° C. or 1000 ° C. or higher.
  • FIG. 3 shows a photograph of the base structure of Al-doped spheroidal graphite cast iron which has not been annealed.
  • FIG. 4 shows a photograph of the base structure of Al-added spheroidal graphite cast iron annealed at 1000 ° C. Comparing the base structure of FIG. 3 with the base structure of FIG. 4, it can be confirmed that the annealing refines the Fe—Al carbide and distributes more uniformly over the entire area of the base structure.
  • a component such as a construction machine, including one or more high strength, high damping cast irons.
  • the parts including cast iron according to the embodiment of the present invention are, for example, heavy equipment hydraulic parts.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of a piston pump 1 provided with a casing 11, a shaft 12 and a cylinder block 13.
  • the casing 11 can be made of one or more high strength, high damping cast irons according to an embodiment of the present invention. Since such a casing 11 has high damping property, the noise of the piston pump 1 is effectively suppressed.
  • a molten metal was prepared using a high frequency melting furnace.
  • pig iron, recarburised material and ferromanganese were put into a graphite crucible and dissolved.
  • the amount of carbon and silicon were adjusted with ferrosilicon and a carburizing material to make the amount of dissolution about 5 kg.
  • the amount of Al of the cast product obtained was adjusted by adding an aluminum ingot.
  • the amounts of Sb and Sn were adjusted by adding pure antimony and pure tin.
  • RE was added, a commercially available misch metal (alloy product of Ce: La in a weight ratio of 2: 1) was used as the RE source.
  • the melting temperature was about 1450 ° C.
  • the cast product obtained was processed to 4 ⁇ 20 ⁇ 200 mm to evaluate strength and vibration damping ability. Tensile strength was determined as an evaluation value of strength.
  • the tension test processed the cast into a 4th test piece (JIS Z 2201), and evaluated it with a universal tester. In addition, the logarithmic damping rate was determined as an evaluation value of the vibration damping capacity.
  • the vibration test method conformed to JIS G0602. That is, the test piece was suspended at two points and a strain amplitude of 1 ⁇ 10 -4 ⁇ was given by an electromagnetic vibrator, and then the excitation was stopped and free damping was performed to obtain a logarithmic damping factor.
  • Table 1 shows the characteristics and compositions of the examples of the present invention
  • Table 2 shows the characteristics and compositions of the conventional materials and comparative examples.
  • high strength cast iron refers to one having about 1.5 to 2.5 times the relative evaluation with FC 300 (tensile strength: 300 MPa). In the embodiment of the present invention, a tensile strength of 400 MPa or more is made high.
  • high damping cast iron refers to one that is approximately 2 to 4 times in relative evaluation with FCD 450 (logarithmic damping rate 20 to 30 Np ⁇ 10 ⁇ 4 ). In the embodiment of the present invention, the logarithmic attenuation factor of 40 Np ⁇ 10 ⁇ 4 is high attenuation.
  • high-strength, high-damping cast iron is one that has both a tensile strength of 400 MPa or more and a logarithmic attenuation factor of 40 Np ⁇ 10 -4 or more.
  • Examples 1 and 2 are samples in which Sn and Sb were not added (the respective addition amount is 0.00%) and heat treatment was not performed. These samples meet the high strength and high attenuation performance defined above.
  • Example 3 an appropriate amount of Sn was added, and in Example 9, an appropriate amount of Sb was added. These samples satisfy the level as high strength and high damping cast iron similarly to Examples 1 and 2.
  • Examples 4 and 5 use cast products of the same composition as Example 3 to study the effect of annealing. Similarly, in Examples 7 and 8, the same cast product as in Example 6 is annealed. In Example 10, the same cast product as in Example 9 is annealed. Annealing at 900 ° C. or higher slightly reduces the tensile strength but improves the logarithmic damping rate. In Example 4, the heat treatment temperature was 900 ° C., and in Example 5, the heat treatment temperature was 1000 ° C. As the comparison between Example 4 and Example 5 shows, using a higher heat treatment temperature further improves the improvement effect of the logarithmic attenuation factor. Comparison of Examples 7 and 8 also shows similar results.
  • Example 11 has relatively low vibration damping capacity.
  • the molten metal of the same composition as Example 11 was subjected to late inoculation using Ca + Ba as an inoculating agent.
  • the amount of inoculum was increased to perform late inoculation.
  • vibration damping rate was improved by performing late inoculation.
  • the results of Examples 11 to 13 show that late inoculation can reduce the variation in performance.
  • Comparative Example Comparative Examples 1 and 2 are samples in which Al is added but the graphite is not spheroidized. That is, Comparative Examples 1 and 2 are Al-added flake graphite cast iron. Those samples in which the graphite is flake-like show high vibration damping performance but low tensile strength.
  • Comparative Example 3 the amount of Sb added exceeds 1%, and in Comparative Example 4, the amount of Sn added exceeds 0.5%. In Comparative Examples 3 and 4, shrinkage occurred and a defective cast iron was obtained.
  • Comparative Example 5 is an example in which the addition amount of Al is less than 3%. As shown in Table 2, neither the tensile strength nor the logarithmic decrement of Comparative Example 5 has reached the level of the present invention.

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Abstract

　強度と振動減衰能を両立させた高強度高減衰能鋳鉄を提供する。　高強度高減衰能鋳鉄は、溶湯に黒鉛球状化処理を行うことを含む方法によって得られ、Ｃ：２～４％、Ｓｉ：１～５％、Ｍｎ：０．２～０．９％、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．１％以下、Ａｌ：３～１０％、Ｓｂ：０～１％、Ｓｎ：０～０．５％、Ｍｇ：０．０２～０．１０％、ＲＥ：０～０．５％（Ｃｅ、Ｌａ）、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる。

Description

高強度高減衰能鋳鉄
　この発明は、強度及び振動減衰性に優れた高強度高減衰能鋳鉄に関する。
　現状では、騒音は、典型７公害である大気汚染、水質汚濁、土壌汚染、振動、騒音、地盤沈下、悪臭の苦情件数の上位にある。騒音に関する苦情件数の内、建設作業騒音は大きな割合を占めている。そのような苦情は都市部に集中しており、都市型建機の騒音低減が急務になっている。また、世界的な対環境性重視指向の中で、販売規制を伴うＥＵの騒音規制もますます厳しくなってきており、今までの技術の延長では、騒音低減が騒音規制の強化に追いつかなくなってきている。今後、地球規模での環境対応重視のトレンドに対応していくべく、低騒音車を世界基準車としていくという流れがある。すでに建設機械には自動車並の低騒音化が求められており、エンジン、ファン、マフラ等の着実な低騒音化が図られている。今後は、油圧システム全体の低騒音化に取組まなければならない。
　油圧システムの低騒音化を達成するために、重機油圧部品の素材に振動減衰性能を持たせることが考えられる。しかし、振動減衰性能（低騒音効果）を有する片状黒鉛鋳鉄は、鋳鉄製重機油圧部品に応用するには強度が小さい。そのため、従来用いられている球状黒鉛鋳鉄に相当する強度を有する材料が必要である。
　重機油圧部品に由来する騒音は、具体的には、コントロールバルブ、モーターのカバー等において発生し、重機のエンジン音の低下に伴い相対的に顕著になる。いずれの部品も球状黒鉛鋳鉄またはＣＶ（Ｃｏｍｐａｃｔｅｄ　Ｖｅｒｍｉｃｕｌａｒ）黒鉛鋳鉄で出来ており、それらの強度は４００～５００ＭＰａである。これに対し、片状黒鉛鋳鉄では３５０ＭＰａ以上の強度を出すことは難しい。
　特許文献１および２には、高い振動減衰能を示す高剛性高減衰能鋳鉄が記載されている。しかし、これらは片状黒鉛鋳鉄であるため強度が不足している。
　特許文献３には、希土類－Ｓｉ－鉄合金を添加することにより得られる、微細化した黒鉛を有する鋳鉄が記載されている。特許文献３の鋳鉄は、強度を低下させずに振動減衰能を向上させた、ＦＣ２００クラスの鋳鉄に相当する。しかし、この鋳鉄の強度はＦＣ２００と同程度のものでしかない。
　特許文献４には、片状黒鉛に加え微細気孔を有することにより、優れた振動減衰能を示す鋳鉄材料が記載されている。この鋳鉄材料では、基地組織における気孔率を増加させることにより、振動減衰能を向上させることができる。その反面、気孔率の増加とともに強度が減少する。
　特許文献５は、振動減衰能と強度との両方に優れた鋳鉄材料を得ることを目的としている。この文献には、片状黒鉛とともにステダイトを分散させて振動減衰能を高めることが記載されている。
　しかし、特許文献１乃至５に記載されている高減衰能鋳鉄は、建設機械の重機油圧部品に求められる４００ＭＰａ以上の強度を有していない。
特開２００８－２２３１３５ 特開２００９－２８７１０３ 特開２００２－１４６４６８ 特開２００１－２００３３０ 特開２０００－１０４１３８
　この発明は、高い強度と高い振動減衰能とを両立させた高強度高減衰能鋳鉄を提供することを目的とする。
　本発明の一側面に係る高強度高減衰能鋳鉄は、Ｃ：２～４％、Ｓｉ：１～５％、Ｍｎ：０．２～０．９％、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．１％以下、Ａｌ：３～１０％、Ｓｂ：０～１％、Ｓｎ：０～０．５％、Ｍｇ：０．０２～０．１０％、ＲＥ：０～０．５％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。ここで％は重量％（又は質量％）を示す。また、ＲＥとはレアアースのことであり、Ｃｅ（セレニウム）および／またはＬａ（ランタン）からなる。
　この球状黒鉛鋳鉄の製造において、球状化処理により黒鉛を球状化することによって、球状黒鉛鋳鉄およびＣＶ黒鉛鋳鉄が得られる。黒鉛の球状化処理には、置き注ぎ処理（サンドイッチ法）、タンディッシュ法、ワイヤ処理法等公知の全ての球状化処理法を用いることができる。例えば、一般的に多く使用されている置き注ぎ法では、次のように黒鉛球状化処理を行う。先ず、取鍋底部の反応溝（ポケット）に球状化剤を充填し、カバー剤（鉄屑、Ｆｅ－Ｓｉ等）で完全に覆う。その後、１４００～１５００℃の溶湯をこの取鍋に注湯して球状化処理する。この球状化処理には、ＭｇとＲＥ（Ｃｅ、Ｌａ）を含有した一般的な球状化剤を用いることができる。
　また、この溶湯にＣａ：０～０．０１％および／またはＢａ０～０．０１％を含む接種剤を添加することで強度の向上が見込まれる。
　さらに、９００℃以上の熱処理（焼き入れ、焼きならし、焼きなまし）により、基地組織を改質および均一化してもよい。この熱処理の結果、球状黒鉛鋳鉄の振動減衰性能をさらに向上させることができる。
本発明の実施形態に係るＡｌ添加球状黒鉛鋳鉄の組織図写真。 従来型のＡｌ添加片状黒鉛鋳鉄の組織図写真。 焼きなましを行っていない、本発明の実施形態に係るＡｌ添加球状黒鉛鋳鉄の組織図写真。 １０００℃で焼きなましを行った、本発明の実施形態に係るＡｌ添加球状黒鉛鋳鉄の組織図写真。 ピストンポンプの概略的斜視図。
　本発明の実施形態によれば、鋳放しでも高い強度と高い振動減衰能を両立できる。さらに熱処理を行うことにより、振動減衰能の改善効果を安定化させることができる。具体的には、振動減衰能に優れた従来の片状黒鉛鋳鉄と同程度の振動減衰能を有すると同時に、高い強度を示す高強度高減衰能鋳鉄が得られる。この実施形態は、黒鉛の球状化処理を含む方法を用いて、上述した組成の鋳鉄を鋳造することによって得られる、高い強度および高減衰能を有するＡｌ添加球状黒鉛鋳鉄を提供する。このＡｌ添加球状黒鉛鋳鉄は、例えば、図１の組織図写真に示すような組織構造を有する。
　高強度化には黒鉛形状の制御が不可欠である。強度低下の原因となる片状黒鉛の形成を抑制し、鋳鉄内の黒鉛を球状黒鉛または球状黒鉛＋ＣＶ黒鉛にする必要がある。図１では、黒く丸い部分が球状黒鉛であり、黒く小さい塊がＣＶ黒鉛である。
　また、黒鉛鋳鉄へのＡｌ（アルミニウム）の添加に伴って、基地組織内でＦｅ－Ａｌ炭化物が形成される。このＦｅ－Ａｌ炭化物により、鋳鉄の振動減衰能が改善される。図１では、灰色の部分がＦｅ－Ａｌ炭化物であり、これがフェライト基地組織（白い部分）に比べてより多く含まれていることが確認できる。
　即ち、本発明の実施形態に係る鋳鉄は、強度の要求される鋳鉄製部品、例えば重機用油圧部品あるいは自動車用構造材料等として使用した場合に、それらの制振性を高め、それゆえ、騒音抑制に有効である。さらに、この鋳鉄はＡｌを多量に含んでいるため、高温における耐酸化性が通常の鋳鉄より優れていることが予想される。
　図２は、Ａｌ添加片状黒鉛鋳鉄の組織図写真を示している。Ａｌ添加片状黒鉛鋳鉄は、Ａｌ添加球状黒鉛鋳鉄と同様に、基地組織の大部分がＦｅ－Ａｌ炭化物からなる。しかし、その名前が示すとおり、Ａｌ添加片状黒鉛鋳鉄では、黒鉛が片状のものである。図２において、黒く細長い部分が片状の黒鉛である。片状黒鉛は、図２のように、連続的に広がった薄片である。片状黒鉛はこのような形状を有しているため切欠き効果をもたらし、鋳鉄の機械的強度を低減させる。このように、黒鉛鋳鉄において片状黒鉛が強度低下の原因となるため、黒鉛は球状化する必要がある。
　Ａｌ添加黒鉛鋳鉄において、Ａｌ添加によるＦｅ－Ａｌ炭化物の形成により振動減衰能が改善される一方で、Ａｌは黒鉛の球状化を阻害する元素でもある。Ａｌ添加量は３～１０％、好ましくは３～７％である。鋳鉄に添加するＡｌの量を徐々に増やしていくと、Ａｌ添加量が３％となった時点から基地組織の振動減衰能が改善し始める。しかし、添加量が７％を超えると振動減衰能はむしろ低下する。また、上述したように、Ａｌの添加に伴って黒鉛の球状化が阻害され、強度が低下してしまうので、過剰な添加は好ましくない。
　しかし、本発明者らは、基地組織に形成されるＦｅ－Ａｌ炭化物に対してＳｉ（シリコン）、Ｓｂ（アンチモン）、またはＳｎ（スズ）を適量添加すると、Ｆｅ－Ａｌ炭化物の形成と黒鉛の球状化が共に促進されることを見出した。この知見に基づいて、Ａｌ添加黒鉛鋳鉄にＳｉ、Ｓｂ、またはＳｎを適量添加することにより、振動減衰能を有しつつ高強度化を実現できることを究明するに至った。即ち、Ｓｉ、Ｓｂ、またはＳｎを適量添加すると、Ａｌの添加量が７％を超えた場合でも、Ａｌ添加黒鉛鋳鉄の振動減衰能および強度がＡｌの添加に伴って改善する。但し、Ａｌの添加量が１０％を超えると、Ｆｅ－Ａｌ金属間化合物が形成されて、鋳鉄が非常にもろくなるという不都合を生じる可能性がある。
　なお、Ａｌ添加による片状黒鉛鋳鉄の振動減衰能の改善機構に関しては、Ａｌを固溶した鉄合金の形成によるものとする説と、Ｆｅ－Ａｌ炭化物の形成によるものとする説がある。いずれの説においても、振動減衰能が、Ａｌ添加により形成されるこれらの物質の強磁性型の減衰機構によって改善するものと推測されている。本発明の実施形態に係るＡｌ添加球状黒鉛鋳鉄の振動減衰能は、後者の説と同様にＦｅ－Ａｌ炭化物の減衰機構により改善しているものと思われる。
　Ｓｂ：０～１％、Ｓｎ：０～０．５％と規定するのは次の理由による。ＳｂまたはＳｎを添加しない場合でも、Ｆｅ－Ａｌ炭化物が形成するので鋳鉄は振動減衰性能を示す。しかし、上述したようにＳｂやＳｎを添加することで、黒鉛球状化作用による強度向上効果および振動減衰能の改善効果が得られ、鋳鉄の性能が改善される。Ｓｂ及びＳｎの添加量を増やしていくと、Ｓｂが約０．２％、Ｓｎが約０．１％である場合に、強度、振動減衰能の改善に効果が現れ、Ｓｂが約０．５％、Ｓｎが約０．１％である場合に最も顕著な効果が現れる。ＳｂまたはＳｎの添加量が多くなると次第に効果が低減する。Ｓｂが１％を超えるか、または、Ｓｎが０．５％を超えると、改善効果が得られない。また、ＳｂやＳｎの添加量が多いと、鋳鉄に引け等の欠陥が生じやすくなる。なお、ＳｂおよびＳｎを添加しなくても、それぞれが不可避成分として鋳鉄に０．０１％程度含まれてしまう可能性がある。そのため、ＳｂおよびＳｎを意図的に添加した場合、Ｓｂは０．０１％以上であり、Ｓｎは０．０１％以上であることが通常である。
　ＳｂやＳｎの添加による改善効果の機構については、次のように考えられる。上述のとおり、鋳鉄にＡｌを添加すると、鉄とＡｌと炭素の反応によりＦｅ－Ａｌ炭化物が形成される。また、Ｆｅ－Ａｌ炭化物は、強磁性体であるため、強磁性体型の振動減衰機構を発現する。本発明者らの研究によれば、Ａｌの添加量を増やしていけば、Ｆｅ－Ａｌ炭化物が増加していく。しかし、およそ６％のＡｌ添加量でＦｅ－Ａｌ炭化物が増加しなくなる。厳密には、７％まではＦｅ－Ａｌ炭化物の形成量が増加するものの、６％を超えると、６％以下までと比べて、Ａｌ添加量の増加に対してＦｅ－Ａｌ炭化物が増加する割合が少ない。また、このＡｌ添加量の領域では、基地組織が非常に硬くなるため好ましくない。しかし、ＳｂまたはＳｎを添加すると、Ａｌ単独の添加に比較してより多くのＦｅ－Ａｌ炭化物が形成されるようになる。このように、Ｆｅ－Ａｌ炭化物が増加するため、振動減衰能を改善する効果が現れるものと考えられる。また、Ａｌ添加によりチャンキー黒鉛が形成されるが、ＳｂやＳｎを添加することによりこのチャンキー黒鉛の形成を抑制できる。しかし、ＳｂやＳｎの添加量が過剰になると黒鉛の球状化が阻害される。したがって、上記範囲の添加量にて最適な基地組織、黒鉛組織が得られる。
　従来の片状鋳鉄に比べて、球状黒鉛およびＣＶ黒鉛を有する鋳鉄が優れた強度を有する理由は以下のとおりである。片状黒鉛鋳鉄では、基地組織内の片状黒鉛が連続的に広がった薄片のような形状有しているため切欠き効果をもたらす。この切欠き効果によって片状黒鉛鋳鉄の機械的強度が低下する。黒鉛を球状化することによって、黒鉛の連続的な形状が失われ、切欠き効果がなくなる。そのため、黒鉛が球状化した鋳鉄では機械的強度を確保することができる。特に、鋳鉄に含まれる黒鉛のうち、球状化により形成された球状黒鉛およびＣＶ黒鉛が占める数の割合、即ち球状化率、が４０％以上になると、黒鉛の球状化による鋳鉄強度の改善効果が現れる。なお、ここでいう黒鉛の球状化率とは、ＪＩＳ　Ｇ　５５２０（２００１）に定義されているものである。
　本発明の実施形態の高強度高減衰能鋳鉄は、上記Ａｌ、Ｓｂ、Ｓｎ以外に、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｍｇ、ＲＥ（Ｃｅ、Ｌａ）を含んでいる。 
　Ａｌ添加黒鉛鋳鉄において、Ｃは黒鉛およびＦｅ－Ａｌ炭化物の形成に影響し、Ｓｉは黒鉛形状に影響する。Ｃの含有量は通常の球状黒鉛鋳鉄と同様に２～４％である。Ｓｉは１～５％添加することができる。ただし、Ｓｉを含む黒鉛鋳鉄にＡｌが添加された場合、黒鉛の球状化が阻害されチャンキー黒鉛が形成する。このチャンキー黒鉛の原因となるＳｉの添加量は１～２％が好ましい。また、Ｓｉの添加量が１．０％以下の場合、鋳鉄が引け易くなるため好ましくない。
　Ｍｎの含有量は通常の球状黒鉛鋳鉄の場合と同様に、０．２～０．９％とする。０．２％以上のＭｎ含有量では、鋳鉄の強さおよび硬さが増す。一方、Ｍｎの含有量が０．９％を超えると、最終凝固部に粗大なセメンタイトが形成するため、機械的性質が低下する。
　Ｐの含有量は、通常の球状黒鉛鋳鉄の場合と同様に、０．１％以下となるように制御する。この理由は、Ｐは含有量が０．１％を超えると、鉄と反応して硬い化合物であるステダイトを形成し、鋳鉄を脆くするためである。
　Ｓの含有量は、通常の球状黒鉛鋳鉄の場合と同様に、０．１％以下となるように制御する。この理由は、Ｓ含有量が０．１％を超えると、黒鉛球状化を阻害し、強度低下の原因となるためである。
　Ｍｇの添加量は球状化が可能となる０．０２～０．１０％とする。０．１０％以上では黒鉛の球状化が阻害され、鋳造時の反応が激しくなるため実用的でない。
　ＲＥ（Ｃｅ、Ｌａ）を添加しない場合でも球状黒鉛は形成されるが、ＲＥは黒鉛形成の核を形成するため、添加量を０．００１～０．５００％とする。ただし０．００１％以下では黒鉛の球状化率が低下し、０．０５０％以上では厚肉鋳造品においてチャンキー黒鉛形成を助長する。そのため、０．００１～０．０５０％が好ましい。黒鉛の核となる化合物を形成するＲＥとして、ＣｅおよびＬａが有効であることが一般的に知られている。本発明の実施形態においてＣｅおよびＬａのいずれを用いてもよい。また、ＣｅまたはＬａを単独で用いても、或いは任意の比率でＣｅおよびＬａを併用してもよい。なお、従来の鋳鉄と同様に、ＣｅまたはＬａを単独で用いた場合と、両者を（如何なる比率を用いて）併用した場合とで、黒鉛球状化の結果に影響しない。
　ＣａやＢａの添加は必須ではないが、０．０００１～０．０１％のＣａおよび／またはＢａを添加すると、接種効果により強度がさらに向上する。０．０１％以上の添加は、鋳造時のドロスの発生や厚肉鋳造品におけるチャンキー黒鉛晶出を促進するため、好ましくない。なお、ＣａおよびＢａはどちらか一方を単独で用いてもよく、或いは任意の比率で併用してもよい。また、一般的に接種効果は接種直後が一番高く、例えばストリューム法などの湯流れ接種法やインモールド法などの鋳型内接種法により接種剤を注湯後半に添加する後期接種がより効果的である。
　以上の化学組成を有する鋳鉄は、鋳放しでも高い強度と高減衰能を併せ持っているが、この鋳鉄に対して９００℃以上の焼きなましなどの熱処理を行うことにより、振動減衰性能がさらに向上する。高温の熱処理により鋳鉄の振動減衰能が改善する理由は、基地組織が改質および均一化されるためである。通常の鋳鉄は８００℃程度の熱処理で組織制御を行う。しかし、本発明においては大量のＡｌを添加しているため共析温度が上昇している。従って、９００℃以上の熱処理温度を要する。また、熱処理温度を上昇させることによって、Ｆｅ－Ａｌ炭化物が均一化されるとともに微細化し、鋳鉄の振動減衰性がさらに向上する。よって、９５０℃や1０００℃以上の熱処理により、振動減衰性能を一層向上させることができる。
　図３は、焼なましを行っていないＡｌ添加球状黒鉛鋳鉄の基地組織の組織図写真を示している。図４は、１０００℃で焼きなましを行ったＡｌ添加球状黒鉛鋳鉄の基地組織の組織図写真を示している。図３の基地組織と図４の基地組織を比較すると、焼きなましによりＦｅ－Ａｌ炭化物が微細化し、基地組織内の全域に亘ってより均一に分布していることが確認できる。
　本発明の一側面によれば、１つ以上の高強度高減衰能鋳鉄を含んだ、建設機械等の部品を提供する。本発明の実施形態に係る鋳鉄を含んだ部品は、例えば重機油圧部品である。
　図５は、ケーシング１１、シャフト１２、およびシリンダーブロック１３を備えたピストンポンプ１の概略的斜視図である。本発明の実施形態に係る建設機械の部品の一例として、ケーシング１１を、本発明の実施例に係る１つ以上の高強度高減衰能鋳鉄で構成することができる。このようなケーシング１１は高い制振性を有するため、ピストンポンプ１の騒音を効果的に抑制する。
　次に、本発明の具体的な実施例について比較例とともに説明する。
　まず、高周波溶解炉を用いて溶湯を調製した。次に、黒鉛ルツボに銑鉄、加炭材、フェロマンガンを入れて溶解した。その後、フェロシリコンと加炭材で炭素量、シリコン量を調整し、溶解量を約５ｋｇとした。但し、得られる鋳造品のＡｌ量はアルミニウムインゴットを添加して調整した。Ｓｂ量、Ｓｎ量は純アンチモン、純スズを添加して調整した。また、ＲＥを添加する場合は、ＲＥ源として市販のミッシュメタル（Ｃｅ：Ｌａの重量比が２：１の合金製品）を使用した。また、溶解温度は約１４５０℃とした。取鍋にて球状化処理および溶湯への接種剤の添加を行い、溶湯をφ３０×２００ｍｍのフラン自硬性鋳型に鋳込んだ。なお、接種剤にはＣａ＋Ｂａを用いた。また、実施例１２および１３では、取鍋における溶湯への接種剤の添加に加え、Ｃａ＋Ｂａを接種剤に用いて後期接種を行った。
　得られた鋳造品を４×２０×２００ｍｍに加工して、強度および振動減衰能を評価した。強度の評価値として引張強さを求めた。引張試験は、鋳造品を４号試験片（ＪＩＳ　Ｚ　２２０１）に加工し、万能試験機にて評価した。また、振動減衰能の評価値として対数減衰率を求めた。振動試験方法は、ＪＩＳＧ０６０２に準拠した。即ち、試験片を二点吊りして電磁加振器で１×１０－４εのひずみ振幅を与え、その後、加振を止めて自由減衰させて、対数減衰率を求めた。このようにして得られた鋳造品の特性を、それらの組成とともに下記表１および表２に示す。表１は、本発明の実施例の特性および組成を示しており、表２は従来材料および比較例の特性と組成を示している。
　なお、「高強度鋳鉄」とは、ＦＣ３００（引張強度３００ＭＰａ）との相対評価で１．５～２．５倍程度のものを示す。本発明の実施形態において、４００ＭＰａ以上の引張強度を高強度とする。また、「高減衰鋳鉄」とは、ＦＣＤ４５０（対数減衰率２０～３０Ｎｐ×１０－４）との相対評価で２～４倍程度のものを示す。本発明の実施形態において、４０Ｎｐ×１０－４の対数減衰率を高減衰とする。即ち、本発明の一側面によれば、高強度高減衰鋳鉄とは、４００ＭＰａ以上の引張強度と４０Ｎｐ×１０－４以上の対数減衰率を併せ持っているもののことである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
＜実施例＞
　実施例１および２は、ＳｎとＳｂが添加されてなく（それぞれの添加量が０．００％）、熱処理が行われていない試料である。これらの試料は、上記にて定義した高強度および高減衰性能を満たしている。
　実施例３および６はＳｎを適量添加したもの、実施例９はＳｂを適量添加したものである。これらの試料は、実施例１および２と同様に、高強度高減衰鋳鉄としての水準を満たしている。
　実施例４および５は、実施例３と同じ組成の鋳造品を用いて、焼きなましの効果を検討したものである。同様に、実施例７および８は、実施例６と同じ鋳造品に焼きなましを行ったものである。実施例１０は、実施例９と同じ鋳造品に焼きなましを行ったものである。９００℃以上の焼きなましを行うと、引張強度が僅かに減少するものの、対数減衰率が向上する。また、実施例４では熱処理温度が９００℃、実施例５では熱処理温度が１０００℃だった。実施例４と実施例５との比較が示すように、より高い熱処理温度を用いることによって、対数減衰率の改善効果がさらによくなる。実施例７と８の比較も同様の結果を示している。
　実施例１１は振動減衰能が比較的低い。実施例１２は、実施例１１と同じ組成の溶湯に、接種剤としてＣａ＋Ｂａを用いて後期接種を行ったものである。実施例１３は、接種剤の量を増やして後期接種を行ったものである。表１に示すように、後期接種を行うことで振動減衰率が向上した。実施例１１～１３の結果は、後期接種によって性能のばらつきを抑えられることを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
＜従来例＞
　表２から明らかなように、従来材料の何れにも高強度と高減衰性能を併せ持っている鋳鉄はない。
＜比較例＞
　比較例１および２は、Ａｌを添加しているが、黒鉛を球状化していない試料である。即ち、比較例１および２はＡｌ添加片状黒鉛鋳鉄である。黒鉛が片状であるこれらの試料は、高い振動減衰性能を示すものの、引張強さが低い。
　比較例３はＳｂの添加量が１％を超えており、比較例４はＳｎの添加量が０．５％を超えている。比較例３および４では引けが発生してしまい、欠陥のある鋳鉄が得られた。
　比較例５はＡｌの添加量が３％未満の例である。表２のとおり、比較例５の引張強度も対数減衰率のどちらも本願発明の水準に達していない。
　以上の結果が示すように、Ａｌを多量に含有した片状黒鉛鋳鉄、すなわちＡｌ添加片状黒鉛鋳鉄では高い強度が得られなかった。黒鉛を球状化してＡｌ添加球状黒鉛鋳鉄を鋳造することで、高い強度を有する高強度高減衰能鋳鉄が得られた。

Claims (13)

  1. [規則91に基づく訂正 12.06.2014]　
    　溶湯に黒鉛球状化処理を行うことを含む方法によって得られ、Ｃ：２～４％及びＳｉ：１～５％、Ｍｎ：０．２～０．９％、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．１％以下、Ａｌ：３～１０％、Ｓｂ：０～１％、Ｓｎ：０～０．５％、Ｍｇ：０．０２～０．１０％、任意の比率のＣｅおよび／またはＬａからなるＲＥ:０．００１～０．５００％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる高強度高減衰能鋳鉄。
  2. 　Ｓｂ：０．２～１％またはＳｎ：０．１～０．５％である請求項１に記載の高強度高減衰能鋳鉄。
  3. 　Ｓｂ：０．５～１％である請求項１に記載の高強度高減衰能鋳鉄。
  4. 　Ａｌ：３～７％である請求項１に記載の高強度高減衰能鋳鉄。
  5. [規則91に基づく訂正 12.06.2014]　
    　ＲＥ：０．００１～０．０５０％である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高強度高減衰能鋳鉄。
  6. 　前記方法は、前記鋳鉄においてＣａ：０．０００１～０．０１％またはＢａ：０．０００１～０．０１％となるように、Ｃａ及びＢａの少なくとも一方の元素を含む接種剤を前記溶湯に添加する接種処理を更に含んだ請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高強度高減衰能鋳鉄。
  7. 　前記接種処理は、後期接種を含む請求項６に記載の高強度高減衰能鋳鉄。
  8. 　前記方法は、焼き入れ、焼きならし、または焼きなましを９００℃以上で行うことを更に含んだ請求項１乃至７のいずれか１項に記載の高強度高減衰能鋳鉄。
  9. 　前記方法は、焼き入れ、焼きならし、または焼きなましを１０００℃以上で行うことを更に含んだ請求項１乃至７のいずれか１項に記載の高強度高減衰能鋳鉄。
  10. 　黒鉛球状化処理による黒鉛の球状化率が４０％以上である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高強度高減衰鋳鉄。
  11. 　請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の高強度高減衰鋳鉄からなる鋳鉄製部品。
  12. 　建設機械の部品である請求項１１に記載の鋳鉄製部品。
  13. 　油圧部品である請求項１１に記載の鋳鉄製部品。
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