JP6328968B2 - 球状黒鉛鋳鉄、及び球状黒鉛鋳鉄の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば鋳鉄管等に使用される球状黒鉛鋳鉄、及びこの球状黒鉛鋳鉄の製造方法に関する。

一般的な球状黒鉛鋳鉄は、ＪＩＳ規格のＦＣＤ３５０、ＦＣＤ４００、ＦＣＤ４５０等の高靱性タイプのものや、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、ＦＣＤ８００等の高強度タイプのものがある。主に水道管用として鋳造されるダクタイル鋳鉄については、これらの中で強度と伸びのバランスが比較的良好なＦＣＤ４５０（引張り強さ４５０ＭＰａ以上、伸び１０％以上）が選択される。これに対し、スラリー状物質や摩耗性の高い硬質物質等を輸送する用途には高硬度のものが、自動車部品や建機部品等の素材としての用途には高強度かつ高耐力のものがそれぞれ選択される。

ダクタイル鋳鉄の鋳造においては、その鋳放し組織のマトリックス（基地）の主体はパーライトであり、例えば金型遠心鋳造でダクタイル鉄管を鋳造したときのように、その鋳造の際の冷却速度が大きい場合には、安定系の黒鉛に加え、準安定系のセメンタイトが同時に多く晶出した斑構造となる。このセメンタイトは伸びの阻害要因となるため、ＦＣＤ４５０タイプに要求される強度と伸びの両立を図るために、セメンタイトの分解及びマトリックスのフェライト化を目的とした焼鈍が必要となる。

ダクタイル鋳鉄の焼鈍は、一般的には連続炉若しくはバッチ炉で行われる。焼鈍炉において、ダクタイル鋳鉄は、オーステナイト化温度域以上（８７０℃以上）に加熱される。これによりセメンタイトを完全に分解し、基地組織のオーステナイト化を行う。このセメンタイトの分解は、処理温度と処理時間に依存し、処理温度が高いほど処理時間を短くすることができる一方で、処理温度が低いほど長い処理時間を要する。焼鈍炉は、炉内の均一な温度コントロールが困難であることが多い。このため、セメンタイトを確実にオーステナイト化するために、処理温度及び処理時間を決定する必要がある。

基地組織のオーステナイト化を完了したら、このオーステナイトからフェライトを析出させるため、共析変態点付近（６８０〜７５０℃程度）の温度域を一定時間保持するか、この共析変態点付近を徐冷する熱処理を行う。この際の保持時間や冷却速度により、フェライト析出量が決定される。すなわち、保持時間が長いほど、又は冷却速度が小さいほどフェライト析出量は増大する一方で、保持時間が短いほど、又は冷却速度が大きいほどフェライト析出量は減少し、マトリックスの主体はパーライトとなる。

この熱処理においては、厳密に温度コントロールを行ってフェライトとパーライトの量を細かくコントロールすることが困難なため、基本的にはフェライトが主体となる条件で焼鈍を実施して靱性の確保を図っている。

ダクタイル鋳鉄において、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、ＦＣＤ８００といった高強度タイプのものが要求される場合は、マトリックスのパーライト化が必要となる。このパーライト化の方法には、熱処理条件の制御のみで行う場合と、パーライト化を促進するＭｎ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｓｎ等を添加する場合がある。このようにして製造した一般的な球状黒鉛鋳鉄は、その強度によらず耐力比（耐力／引張り強さ）が０．５〜０．６程度に留まり、ＦＣＤ４５０と比較して向上することはない。

近年、自動車部品や建機部品の素材等に用いられる球状黒鉛鋳鉄においては、高強度のみならず、高耐力すなわち高い耐力比（０．７以上）を備えていることが要求されている。この耐力比を向上させるために、オーステンパ処理や、低炭素マルテンサイトの形成を目的とした焼入れ、焼き戻し処理等の特殊な熱処理が行われることがある。また、特許文献１に示すように、Ｎｉ等のレアメタルを添加してマトリックスの改良が行なわれることもある。

特許第３８２３３４７号公報

一般的に用いられている焼鈍炉は、上述したように厳密な温度コントロールが困難であり、上記の特殊な熱処理に適用した場合、熱処理コストが高騰する問題がある。また、Ｎｉ等のレアメタルは高価なので、材料コストの高騰につながる問題もある。

そこで、この発明は、特殊な熱処理を行うことなく、かつ高価なレアメタルを使用せずに、高強度かつ高耐力を備えた球状黒鉛鋳鉄を構成することを課題とする。

上記の課題を解決するため、この発明は、重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＭｎ：１．８０〜３．００％、Ｃｕ：０．５０〜２．００％となる範囲で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、焼鈍後の基地組織におけるパーライトの面積率が８０％以上であり、未分解のセメンタイトの面積率が５〜１５％の範囲内である球状黒鉛鋳鉄を構成した。

ここで、パーライトの面積率とは、所定の大きさの視野におけるマトリックスの面積を１００％としたときにパーライトの面積が占める割合（％）のことをいい、セメンタイトの面積率とは、所定の大きさの視野の全体の面積を１００％としたときにセメンタイトの面積が占める割合（％）のことをいう。

次に、各合金元素の含有量を上記の範囲に限定した理由について説明する。

Ｃは、本発明に必要な黒鉛量と鋳造性（溶湯の流動性）を確保するために、少なくとも３．２０％含有するようにした。その一方で、含有量が高すぎると黒鉛の晶出が過剰になって高い強度が得られなくなるので、その上限を４．００％とした。

Ｓｉは、溶湯の流動性を高める作用や黒鉛の晶出を促進する作用を確保するために、少なくとも１．４０％含有するようにした。その一方で、含有量が高すぎると黒鉛の晶出が過剰になるとともに基地組織のパーライト化を抑える作用が大きくなって高強度が得られなくなり、製品の外表面にピンホール等の荒れが発生しやすくなるため、その上限を３．００％とした。

Ｍｎは、Ｓを固定して無害化するとともにパーライトを安定的に存在させ、かつパーライトの強度を向上させるのに有効な元素であり、その効果を十分に得るために少なくとも１．８０％含有するようにした。その一方で、含有量が高すぎると、セメンタイトの残留が顕著となって強度及び伸びが低下するため、その上限を３．００％とした。

Ｍｇは、黒鉛を球状化させるのに必要な元素であり、その効果を十分に得るために少なくとも０．０２％含有するようにした。その一方で、含有量が高すぎると、その効果の向上があまり見られなくなるので、その上限を０．０８％とした。

Ｃｕは、Ｍｎと同様にパーライトを安定的に存在させるのに有効な元素であり、その効果を十分に得るために少なくとも０．５０％含有するようにした。その一方で、含有量を必要以上に高くしても、その効果には限界があるため、その上限を２．００％とした。

Ｃｒは、通常、不可避的に０．０１％以上含まれるが、含有量が０．２０％以下であればその影響は小さい。

上記各合金元素の他に、Ｐ、Ｓ等の不可避的不純物が含有されるが、その含有量は少ないほどよい。例えば、Ｐは０．０８％以下、Ｓは０．０１５％以下とすることが好ましい。

このように、各合金元素を上記濃度範囲内で、特にパーライト組織を安定的に存在させるＭｎ及びＣｕを上記濃度範囲内で含有させることにより、十分なパーライトの面積比（８０％以上）を有するとともに、未分解のセメンタイトの面積比を所定の面積比の範囲内（５〜１５％）とした球状黒鉛鋳鉄とすることができる。このように各合金元素の濃度を調整して鋳造した球状黒鉛鋳鉄は、オーステンパ処理等の特殊な熱処理を必要とせず、しかも、強度と耐力の両方をバランスよく備えるため、高い耐力比（０．７以上）が要求される自動車部品や建機部品の素材等の用途に問題なく使用することができる。また、高価なレアメタルであるＮｉ等の代わりに、比較的安価なＭｎやＣｕを使用しているため、製造コストの低減を図ることもできる。

あるいは、重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＭｎ：１．８０〜３．００％、Ｃｕ：０．９０〜２．００％となる範囲で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、焼鈍後の基地組織におけるパーライトの面積率が８０％以上であり、未分解のセメンタイトの面積率が５〜１５％の範囲内である球状黒鉛鋳鉄を構成することもできる。

このように、Ｃｕの含有量の下限を高くすることにより、パーライトの安定性がさらに高まるため、強度の向上が期待できる。

前記各構成においては、基地組織中に晶出している黒鉛が微細化された状態とするのが好ましい。

このように、微細なサイズ（例えば、１５．０μｍ以下）の黒鉛をマトリックスに晶出させることにより、この球状黒鉛鋳鉄をさらに高強度かつ高耐力のものとすることができる。

また、本発明に係る球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＭｎ：１．８０〜３．００％、Ｃｕ：０．５０〜２．００％となる範囲で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる溶湯を用いて、冷却速度２．０〜８．０℃／秒で所定形状の半製品を鋳造し、前記半製品を９００〜１１００℃の温度範囲内で５〜３０分保持した後、１〜８℃／分の冷却速度で冷却することによって球状黒鉛鋳鉄を製造するものである。

上述したように、各合金元素の含有量の範囲を上記のようにすることにより、高強度と高耐力を兼ね備えた球状黒鉛鋳鉄を製造することができる。しかも、上記の熱処理は厳密な温度コントロールを要求されないため、一般的な焼鈍炉を用いて熱処理を行うことができる。

この製造方法においては、前記溶湯を金型に注湯する際に、Ｓｉが４５〜７５重量％含まれたＦｅ−Ｓｉ系接種剤を０．１〜０．５重量％注湯流接種するのが好ましい。

このようにすれば、基地組織中に晶出する黒鉛の粒数を増加させることができ、より確実に高い強度と耐力を得ることができる。

この発明によると、球状黒鉛鋳鉄の溶湯に、Ｍｎ及びＣｕを所定の濃度範囲内で含有させることで、特殊な熱処理を行うことなく、高強度かつ耐力性（耐力比０．７以上）を備えた球状黒鉛鋳鉄を構成することができる。しかも、Ｎｉ等の高価なレアメタルの代わりに、比較的安価なＭｎ及びＣｕを使用したので、材料コストの低減を図ることもできる。

球状黒鉛鋳鉄の材料組織の顕微鏡写真を示し、（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２、（ｃ）は実施例３ 球状黒鉛鋳鉄の材料組織の顕微鏡写真を示し、（ａ）は実施例４、（ｂ）は実施例５ 球状黒鉛鋳鉄の材料組織の顕微鏡写真を示し、（ａ）は比較例１、（ｂ）は比較例２、（ｃ）は比較例３

本願発明に係る球状黒鉛鋳鉄の特性評価実験に先立ち、本願発明の実施例となる球状黒鉛鋳鉄、及び本願発明の比較例となる球状黒鉛鋳鉄をそれぞれ鋳造した。表１に実施例及び比較例に係る球状黒鉛鋳鉄の溶湯の化学成分を示す（本表への記載を省略した残部はＦｅ、及びＰ、Ｓ等の不可避的不純物である）。なお、表１に示した化学成分データは、それぞれの溶湯から作製した白銑試料を発光分光分析装置で分析した値である。本表に示すように、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｇ、及びＣｒの各元素については、実施例と比較例でほぼ同じとする一方で、ＭｎとＣｕの各元素については、実施例と比較例で異なる濃度範囲となるように調製を行っている。

この実施形態においては、表１に示した化学成分の各溶湯を１３００℃において所定形状の金型に注湯し、所定形状の半製品（鋳放し品）を鋳造した。この注湯の際には、Ｓｉが４５〜７５重量％含まれたＦｅ−Ｓｉ系接種剤を０．１〜０．５重量％注湯流接種した。例えば、金型遠心鋳造装置の円筒状金型に注湯して管状の半製品を鋳造する場合、その冷却速度は２．０〜８．０℃／秒程度である。この冷却速度は、金型の形状、注湯量、鋳造品の肉厚等によって変化し、例えば肉厚が１２．０ｍｍの管状の半製品を鋳造する場合、その冷却速度は４．０〜６．０℃／秒程度となる。

次に、この半製品に対し、次に示す焼鈍条件で焼鈍することにより、製品としての球状黒鉛鋳鉄に仕上げた。
（焼鈍条件）
・加熱温度 ：９００〜１１００℃
・加熱保持時間：５〜３０分
・冷却速度 ：１〜８℃／分

このようにして得られた各鋳造品から試験片を採取し、それぞれについて、５％ナイタール液で腐食処理した後の組織観察、及び機械的性質（引張り強さ、耐力）の測定を実施した。図１から図３に顕微鏡による組織観察の結果を、表２に組織表面の画像解析結果を、表３に機械的性質の測定結果をそれぞれ示す。画像解析は、鋳造品の厚さ方向の中心部において実施している。

表２に示すように、Ｍｎ及びＣｕの含有量を所定の範囲内（Ｍｎ：１．８０〜３．００％、Ｃｕ：０．５〜２．０％）とすることにより、高いパーライト面積率（９５％以上）と所定範囲（５〜１５％）のセメンタイト面積率を確保することができた。このパーライト面積率が８０％以上であれば、十分な強度を確保することができる（実施例１〜５参照）。これに対し、Ｍｎ及びＣｕの含有量が前記所定の範囲を下回ると、実施例１〜５と比較して、パーライト面積率及びセメンタイト面積率が低下した（比較例１〜３参照）。

ここで、パーライトの面積率とは、所定の大きさの視野におけるマトリックスの面積を１００％としたときにパーライトの面積が占める割合（％）のことをいい、セメンタイト又は黒鉛の面積率とは、所定の大きさの視野の全体の面積を１００％としたときにセメンタイト又は黒鉛の面積が占める割合（％）のことをいう。なお、黒鉛に関しては、粒径が３μｍ以下のものを除いて計測を行っている。

また、表３に示すように、Ｍｎ及びＣｕの含有量を上記の所定の範囲内とすることにより、７００ＭＰａ以上の高い引張り強さ（ＦＣＤ７００相当以上）を確保しつつ、０．７以上の高い耐力比（ＦＣＤ４５０相当以上）を達成できることが確認できた（実施例１〜５参照）。なお、Ｍｎの含有量が２．６％以上となると、セメンタイト面積率が大きくなることに起因して、引張り強さがやや低下する傾向が確認されたが（実施例３〜５参照）、高い耐力比は十分確保されていた。これに対し、Ｍｎ及びＣｕの含有量が前記所定の範囲を下回ると、実施例１〜５と比較して耐力が大幅に低下して、十分な耐力比（０．７以上）を確保できなくなることが確認できた（比較例１〜３参照）。

上記のように、溶湯への各添加元素の含有量、特にＭｎ及びＣｕの含有量を所定の範囲内（Ｍｎ：１．８０〜３．００％、Ｃｕ：０．５０〜２．００％）とし、焼鈍後の基地組織におけるパーライトの面積率が８０％以上、未分解のセメンタイトの面積率が５〜１５％となるようにすることにより、鋳放し品に対して特殊な熱処理を行うことなしに、しかも、Ｎｉ等の高価なレアメタルを使用することなく、高強度と高耐力を兼ね備え、耐力比０．７以上を確保した球状黒鉛鋳鉄を構成することができる。

なお、上記の実施形態においては、接種剤としてＦｅ−Ｓｉ系のものを用いたが、Ｂｉが０．５〜５．０重量％、Ｓｉが４５〜７５重量％、それぞれ含まれたＢｉ系接種剤を用いることもできる。また、これらの接種剤は、黒鉛をより多く晶出させるために使用されるが、必要な耐力が確保される限りにおいて、接種剤の使用を省略することも許容される。

Claims (5)

1. 質量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＭｎ：１．８０〜３．００％、Ｃｕ：０．５０〜２．００％となる範囲で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、基地組織におけるパーライトの面積率が８０％以上であり、未分解のセメンタイトの面積率が５〜１５％の範囲内である球状黒鉛鋳鉄。
2. 質量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＭｎ：１．８０〜３．００％、Ｃｕ：０．９０〜２．００％となる範囲で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、基地組織におけるパーライトの面積率が８０％以上であり、未分解のセメンタイトの面積率が５〜１５％の範囲内である球状黒鉛鋳鉄。
3. 基地組織中に晶出している黒鉛が１５．０μｍ以下に微細化された請求項１又は２に記載の球状黒鉛鋳鉄。
4. 質量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＭｎ：１．８０〜３．００％、Ｃｕ：０．５０〜２．００％となる範囲で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる溶湯を用いて、冷却速度２．０〜８．０℃／秒で所定形状の半製品を鋳造し、前記半製品を９００〜１１００℃の温度範囲内で５〜３０分保持した後、１〜８℃／分の冷却速度で冷却し、
   基地組織におけるパーライトの面積率を８０％以上、未分解のセメンタイトの面積率を５〜１５％の範囲内とした球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
5. 前記溶湯を金型に注湯する際に、Ｓｉが４５〜７５質量％含まれたＦｅ−Ｓｉ系接種剤を０．１〜０．５質量％注湯流接種する請求項４に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。