大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄及びその製造方法
【課題】鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程において、良好な強度、硬さを備えることの出来る大型の鋳造製品の提供を目的とする。
【解決手段】この目的を達成するため、Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、Ｍｎを３．０５質量％以上含有する高Ｍｎ系基本組成を備えることを特徴とする大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を採用する。また、この高Ｍｎ系基本組成において、Ｍｎ含有量とＳ含有量とのＭｎ／Ｓ存在比が６〜８００の範囲とすることが、より好ましい。
【解決手段】この目的を達成するため、Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、Ｍｎを３．０５質量％以上含有する高Ｍｎ系基本組成を備えることを特徴とする大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を採用する。また、この高Ｍｎ系基本組成において、Ｍｎ含有量とＳ含有量とのＭｎ／Ｓ存在比が６〜８００の範囲とすることが、より好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄及びその製造方法に関する。特に、大型の内燃機関の構成部品等の製造に好適な片状黒鉛鋳鉄に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から内燃機関であるエンジン部品には、耐摩耗性、耐振動性、良好な強度、良好な加工性等の観点から、これらの要求特性を満足し得る素材として、油との馴染み性に優れた鋳造製品が用いられてきた。これらの用途は、自動車用エンジンの部品に多く見られる。例えば、シリンダライナ、ピストンリング等のエンジン部品であり、ピストンリングの外周面に配されるシリンダライナの場合には、耐摩耗性、耐スカッフィング性に優れること等が要求される。
【０００３】
このような鋳鉄材料としては、主に片状黒鉛鋳鉄が用いられ、種々の合金材料を添加する組成も知られている。合金材料としては、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｂ等が挙げられる。このうち、マンガン（Ｍｎ）は、安価であるため多く利用されてきた。このＭｎは、鋳鉄組織においては、パーライト組織の基地の生成を促進させ、パーライト中のセメンタイト間隔を緻密にして基地組織の強化元素として働くものである。
【０００４】
そして、一方では、Ｍｎは、セメンタイト等の炭化物を安定させる作用を果たすため、黒鉛晶出を阻止する元素であり、Ｍｎ含有量が高くなると、鋳鉄組織中に適正な黒鉛形状を導入できない場合もあると言われてきた。よって、鋳鉄部品を製造するときに、特にスクラップ材を利用する場合には、溶湯中のＭｎ濃度の希釈、脱Ｍｎ処理等が施されてきた。これらの予備的処理が必要となると、製造コストの削減にも限界があり、安価で高品質の製品供給は困難であった。
【０００５】
そこで、高Ｍｎ組成の鋳鉄材料に関して、次のような先行技術が存在する。特許文献１には、高張力鋼板スクラップを含む鋼板スクラップを用いて、良好な品質の鋳鉄を、不要なコストアップを防止しつつ、効率よく得ることのできる、鋼板スクラップの再利用方法を提供を目的として、「高張力鋼板スクラップおよび普通鋼板スクラップを一括して回収する一括回収工程、および、回収された鋼板スクラップを溶解し、その溶湯中に、マンガンが０．７重量％以上含まれているときに、硫黄が０．０２〜０．２重量％となるように調製し、希土類金属またはミッシュメタルを硫黄含量の倍量添加する調製工程を備えていることを特徴とする、鋼板スクラップの利用方法」を採用している。
【０００６】
そして、特許文献２には、高強度で、かつ、切削性が良好な高強度鋳鉄の製造方法及び高強度鋳鉄を提供することを目的に、「Ｓを０．０２〜０．２ｗｔ％含有した鋳鉄を溶解して溶湯とし、その溶湯中に、Ｍｎを１．０〜３．０ｗｔ％添加すると共に、稀土類元素またはミッシュメタルを上記溶湯中の上記Ｓ量に対して倍量の０．０４〜０．４ｗｔ％添加することを特徴とする高強度鋳鉄の製造方法」を採用している。
【０００７】
ところが、特許文献１及び特許文献２に記載された発明は、いずれも、希土類元素又はミッシュメタルを、溶湯中のＳ量の２倍量を添加することを必須としているが、希土類元素またはミッシュメタルの添加は、溶湯の流動性を劣化させるため、複雑な形状の部品の鋳造、鋳込み部品の鋳肌の美麗さに欠けるため、鋳込み後の加工を最小限に止めたいシリンダライナやカムシャフト等の薄肉製品の製造には不向きという問題がある。
【０００８】
そこで、本件発明者等は、特許文献１及び特許文献２に記載された発明の欠点を解消するため、特許文献３に開示された発明を提唱してきた。この特許文献３には、特に希土類元素とミッシュメタル等を用いることなく、高強度で切削性に優れ、例えば内燃機関のエンジン部品等に用いるのに好適な片状黒鉛鋳鉄およびその製造方法を提供することを目的に、「黒鉛が方向性を持たず無秩序で且つ均一に分布した存在形態を備えるＡ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、質量％で、Ｃ：２．８〜４．０％、Ｓｉ：１．２〜３．０％、Ｍｎ：１．１〜３．０％、Ｐ：０．０１〜０．６％およびＳ：０．０１〜０．３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、前記Ｍｎ含有量の前記Ｓ含有量に対する比（Ｍｎ／Ｓ）が３〜３００の範囲である化学組成を有することを特徴とする片状黒鉛鋳鉄」を採用している。この特許文献３に開示の片状黒鉛鋳鉄は、鋳込み後の冷却時間が１０時間未満の製品においては、良好なパーライト組織の結晶組織が得られるため、強度、耐摩耗性等の要求特性が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１７１７２９号公報
【特許文献２】特開平１０−１５８７７７号公報
【特許文献３】ＷＯ２００９／００１８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、鋳込み部品には、種々のサイズの製品が存在し、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような大型の鋳造製品が存在するのが事実である。このような、大型鋳造製品の代表例としては、大型船舶用の内燃機関用部品、水力発電用ロータ、旋盤用ベッド、プレス金型用ベッド等がある。これらの製造に、特許文献３に開示の組成の片状黒鉛鋳鉄を採用すると、鋳込み後の放冷時間が１０時間未満の特許文献３に開示の片状黒鉛鋳鉄と比べて、製品の強度劣化も大きく、品質のバラツキが大きくなる傾向が強くなる。
【００１１】
従って、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程において、良好な強度、硬さを備えることの出来る大型の鋳造製品の製造が可能な鋳鉄材料が求められてきた。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで、本件発明者等は、鋭意研究の結果、以下に述べる発明内容をもって、課題を解決することに想到した。
【００１３】
大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄： 本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、Ｍｎを３．０５質量％以上含有する高Ｍｎ系基本組成を備えることを特徴とする。
【００１４】
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、以下の高Ｍｎ系基本組成を備え、且つ、Ｍｎ含有量とＳ含有量とのＭｎ／Ｓ存在比が６〜８００の範囲であることが好ましい。
【００１５】
［高Ｍｎ系基本組成］
Ｍｎ：３．０５質量％〜６．００質量％
Ｃ：２．７０質量％〜３．９０質量％
Ｓｉ：０．９０質量％〜２．８０質量％
Ｐ：０．０１質量％〜０．６０質量％
Ｓ：０．０１質量％〜０．３０質量％
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【００１６】
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄において、前記高Ｍｎ系基本組成に対して、合金元素であるＣｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの中から１種以上の成分を選択し、これらのトータル含有量が０．１０質量％〜６．００質量％の範囲となるように含有させる事も好ましい。
Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜１．０％およびＮｉ：０．１〜１．０％含有する
【００１７】
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄において、前記高Ｍｎ系基本組成に対して、合金元素であるＢ（ホウ素）成分を０．０１質量％〜０．２０質量％を含有する事も好ましい。
【００１８】
大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の製造方法： 上述に記載の本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の製造方法は、鋳造に用いる溶湯として、以下の高Ｍｎ系溶湯組成を備え、且つ、鋳込み後に１０時間以上の時間をかけて室温まで冷却して得られることを特徴とする。
【００１９】
［高Ｍｎ系溶湯組成］
Ｍｎ：３．０５質量％〜６．００質量％
Ｃ：２．７０質量％〜３．９０質量％
Ｓｉ：０．９０質量％〜２．８０質量％
Ｐ：０．０１質量％〜０．６０質量％
Ｓ：０．０１質量％〜０．３０質量％
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【００２０】
船舶用内燃機関部品： 本件発明に係る船舶用内燃機関部品は、上述の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を用いて得られることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程であっても、良好な強度、硬さを備えることが可能である。よって、本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を用いて、良好な品質の大型の鋳造製品の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】鋳込み試験用サンプルの形状と、物性評価用サンプルの採取位置を示すための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本件発明に係る「大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の形態」、「大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の製造形態」、「船舶用内燃機関部品の形態」に関して、順を追って説明する。
【００２４】
［大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の形態］
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であり、Ｍｎを３．０５質量％以上含有する高Ｍｎ系基本組成を備えることを特徴とする。この片状黒鉛鋳鉄の基地は、主にパーライト組織であり、基地中には硫化マンガン（ＭｎＳ）等分散して含まれている。そして、ここで言う「Ａ型黒鉛」とは、鋳造組織中に、方向性をもたず、無秩序且つ均一に分布した片状の黒鉛が存在する状態を言う。このように析出した黒鉛が、片状のＡ型黒鉛であることにより、高い強度と良好な切削性とをバランス良く備えることができるようになる。このＡ型黒鉛は、鋳造組織断面において、７０面積％以上存在することが、高い強度と硬度とをを得るためには好ましい。なお、念のために記載しておくが、本件発明に言う片状黒鉛鋳鉄の鋳造組織内には、Ａ型黒鉛以外にも、Ｂ型黒鉛、Ｄ型黒鉛、Ｅ型型黒鉛等の他の黒鉛形状も一部含まれる場合がある。
【００２５】
そして、本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、Ｍｎを３．０５質量％以上含有する高Ｍｎ系基本組成を備えることを特徴とする。片状黒鉛鋳鉄が、Ｍｎを３．０５質量％以上含有することで、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程であっても、良好な強度及び硬さを備えることが可能になる。従って、片状黒鉛鋳鉄のＭｎ含有量が３．０５質量％未満になると、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固を行うと、強度及び硬さが低下すると共に、これらの特性のバラツキが大きくなり好ましくない。
【００２６】
ここで言う高Ｍｎ系基本組成を構成する各成分に関して、各成分毎に以下に述べることとする。
【００２７】
Ｍｎ含有量： 鋳造組織中におけるＭｎ含有量は、３．０５質量％〜６．００質量％であることが好ましい。溶湯中に存在するＭｎは、鋳鉄の基地を構成するパーライト組織の形成促進成分であり、得られるパーライト組織の微細化を促し、析出強化作用を果たすＭｎＳを析出させるよう機能するため、鋳鉄の強化及び硬度上昇に寄与する。上述の特許文献３には、鋳造組織中の存在するパーライト組織の微細化と適度なＭｎＳ析出を得ると同時に良好な加工特性を得るためには、Ｍｎ含有量は１．１〜３．０％の範囲とすることが好ましいとある。確かに、鋳込み後の放冷時間が１０時間未満の鋳造製品を得るためには、適用可能な概念である。ところが、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程で、良好な品質の鋳造製品を得る場合には、Ｍｎ含有量を３．０５質量％以上としなければ、鋳造組織のチル化が顕著になり脆化するため、良好な強度及び硬さを備える鋳造製品を得ることが出来ない。一方、Ｍｎ含有量が６．００質量％を超えると、炭化物の析出が顕著になり、切削時の加工性能が著しく低下し出すため好ましくない。
【００２８】
Ｃ含有量： 鋳造組織中におけるＣ含有量は、２．７０質量％〜３．９０質量％であることが好ましい。Ｃ含有量が２．７０質量％未満の場合には、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程であっても、基地中のパーライト組織の強化を行うことができず、晶出する黒鉛量が減少して固体潤滑作用が低下するため、耐摩耗性が低下し、内燃機関のシリンダライナとして使用した場合には、耐スカッフィング性が低下するため好ましくない。一方、Ｃ含有量が３．９０質量％を超えると、晶出する黒鉛量が増加し、炭化物量も過剰となるため、得られた鋳造製品が脆化するため内燃機関用部品材料として実用に耐えない。
【００２９】
Ｓｉ含有量： 鋳造組織中におけるＳｉ含有量は、０．９０質量％〜２．８０質量％であることが好ましい。Ｓｉ含有量が０．９０質量％未満の場合には、溶湯の流動性が劣り、精度の高い鋳込みができず、良好な固体潤滑作用を得ることの出来る均一に分散した黒鉛を鋳造組織中に晶出できなくなるため、好ましくない。一方、Ｓｉ含有量が２．８０質量％を超える場合には、Ｓｉ含有量が過剰となり、得られる鋳造製品の強度及び硬さが低下するため。好ましくない。
【００３０】
Ｐ含有量： 鋳造組織中におけるＰ含有量は、０．０１質量％〜０．６０質量％であることが好ましい。Ｐ含有量が０．０１質量％未満の場合には、基地中に硬質相であるリン共晶物（ステダイト）を晶出して分散させて、耐摩耗性及び分散強化の向上が図れなくなるため好ましくない。一方、Ｐ含有量が０．６０質量％を超えると、リン共晶物（ステダイト）を晶出量が過剰となるため、得られた鋳造製品が脆化するため内燃機関用部品材料として実用に耐えない。
【００３１】
Ｓ含有量： 鋳造組織中におけるＳ含有量は、０．０１質量％〜０．３０質量％であることが好ましい。Ｓ含有量が０．０１質量％未満の場合には、ＳとＭｎとが結合して、切削性を向上させるために必要な量のＭｎＳを形成することが困難であるため好ましくない。一方、Ｓ含有量が０．３０質量％を超えると、ＭｎＳ形成量が過剰となるため、得られた鋳造製品が脆化するため内燃機関用部品材料として実用に耐えない。
【００３２】
残部： 鋳造組織中における残部は、当然にＦｅが主な成分である。そして、ここで言う不可避的不純物とは、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ａｌ等である。
【００３３】
更に、本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、Ｍｎ含有量とＳ含有量との比（［Ｍｎ含有量］／［Ｓ含有量］）を６〜８００の範囲とする事が好ましい。［Ｍｎ含有量］／［Ｓ含有量］の値が６未満だと、強度の低下が顕著になるため好ましくはない。一方、［Ｍｎ含有量］／［Ｓ含有量］の値が８００を超えると、ＭｎＳ形成量が過剰となるため、切削性が低下し、得られた鋳造製品が脆化するため内燃機関用部品材料として実用に耐えない。
【００３４】
そして、本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄において、前記高Ｍｎ系基本組成に対して、合金元素であるＣｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの中から１種以上の成分を選択し、これらのトータル含有量が０．１０質量％〜６．００質量％の範囲となるように含有させる事も好ましい。これらの合金元素は、片状黒鉛鋳鉄の更なる高強度化と高耐食性と得るために、必要に応じて添加することができる。
【００３５】
更には、合金元素であるＣｕは０．１質量％〜２．０質量％、Ｃｒは０．１質量％〜２．０質量％、Ｍｏは０．１質量％〜１．０質量％及びＮｉは０．１質量％〜１．０質量％含有することが、最もバランス良く高強度化と高耐食性とを備える観点から好ましい。以下、各成分毎に述べることとする。
【００３６】
Ｃｕ含有量： 鋳造組織中におけるＣｕ含有量は、０．１質量％〜２．０質量％であることが好ましい。Ｃｕ含有量が０．１質量％未満の場合は、Ｃｕが基地中に固溶して固溶強化機能を発揮し、基地の強化、耐摩耗性、耐食性を向上させることができず、好ましくない。一方、Ｃｕ含有量が２．０質量％を超えても、片状黒鉛鋳鉄としての強度向上効果が飽和するため、資源の無駄遣いとなるため好ましくない。
【００３７】
Ｃｒ含有量： 鋳造組織中におけるＣｒ含有量は、０．１質量％〜２．０質量％であることが好ましい。Ｃｒ含有量が０．１質量％未満の場合は、Ｃｒが基地中に固溶して固溶強化機能を発揮すると同時に、クロム炭化物を形成して耐摩耗性を向上させることができず、基地の強化及び耐摩耗性を向上させることができず、好ましくない。一方、Ｃｒ含有量が２．０質量％を超えると、クロム炭化物量が過剰となり、析出する黒鉛形状として、切削性を良好なものとするＡ型黒鉛形状が減少するため好ましくない。
【００３８】
Ｍｏ含有量： 鋳造組織中におけるＭｏ含有量は、０．１質量％〜１．０質量％であることが好ましい。Ｍｏ含有量が０．１質量％未満の場合は、Ｍｏが基地中に固溶して固溶強化機能を発揮し、基地の強化、耐食性を向上させることができず、好ましくない。一方、Ｍｏ含有量が１．０質量％を超える場合は、基地強度が過剰に高くなり、切削性が低下する傾向があるため好ましくない。
【００３９】
Ｎｉ含有量： 鋳造組織中におけるＮｉ含有量は、０．１質量％〜１．０質量％であることが好ましい。溶湯中に存在するＮｉは、フェライト中に固溶し、鋳鉄の基地を構成するパーライト組織の微細化を促進し、同時に微細な片状黒鉛を均一に分散させ、耐熱性、耐食性、耐摩耗性を良くするための元素である。Ｍｏ含有量が０．１質量％未満の場合は、これらの合金元素としてのＮｉの機能を発揮し得ない。一方、Ｎｉ含有量が１．０％を超えると、基地がオーステナイト化する傾向があり、パーライト組織を維持できないため、得られた鋳造製品を内燃機関用部品材料として使用することが出来なくなるため、好ましくない。
【００４０】
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄において、前記高Ｍｎ系基本組成に対して、合金元素であるＢ（ホウ素）成分を０．０１質量％〜０．２０質量％を含有する事も好ましい。このＢは、本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を、大型船舶用の内燃機関のシリンダライナとして使用する場合等に、高い摺動性能を得る目的で使用することが好ましい。Ｂは、基地中において、ボロン炭化物を形成し、上述のりん共晶物（ステダイト）と共に、適度な硬質相を形成し、硬さを上昇させると同時に、固体潤滑作用を発揮するため、耐摩耗性、耐スカッフィング性を向上させることのできる元素である。Ｂ含有量が０．０１質量％未満の場合は、これらの合金元素としてのＢ添加の高価を発揮し得ない。一方、Ｂ含有量が０．２０質量％を超える場合には、硬質相が過剰となり、脆化するため、好ましくない。
【００４１】
大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の製造形態： 上述に記載の本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の製造方法は、鋳造に用いる溶湯として、以下の高Ｍｎ系溶湯組成を備え、且つ、鋳込み後に１０時間以上の時間をかけて室温まで冷却して得られることを特徴とする。
【００４２】
ここで言う「高Ｍｎ系溶湯組成」は、片状黒鉛鋳鉄の基本組成と同様である。即ち、溶湯中のＭｎ含有量が３．０５質量％〜６．００質量％、Ｃ含有量が２．７０質量％〜３．９０質量％、Ｓｉ含有量が０．９０質量％〜２．８０質量％、Ｐ含有量が０．０１質量％〜０．６０質量％、Ｓ含有量が０．０１質量％〜０．３０質量％、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。よって、溶湯中の組成成分の数値範囲の限定理由に関しては、上述の片状黒鉛鋳鉄の組成元素として説明したと同様であるため、重複した記載となるため省略する。
【００４３】
この溶湯組成を採用し、鋳込み後に１０時間以上の時間をかけて室温まで冷却することで、上述の基本組成を備える片状黒鉛鋳鉄が効率よく得られる。
【００４４】
船舶用内燃機関部品の形態： 本件発明に係る船舶用内燃機関部品は、上述の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を用いて得られることを特徴とする。本件発明に係る片状黒鉛鋳鉄は、船舶用内燃機関部品の内、特に、シリンダライナ、ピストンリング、カムシャフト、シリンダブロック、シリンダヘッド、バルブシート等に用いるのが好適である。
【実施例】
【００４５】
以下、本件発明の実施例について説明する。最初に、実施例と比較例とに共通する測定試料及び測定方法に関して述べる。
【００４６】
［測定試料の製造］
Ｍｎを含有する高張力鋼板スクラップと、鋳鉄片と、スチールスクラップと、各合金成分を、表１に示す各組成となるように溶解させて溶湯を調製した。その後、この溶湯中の［Ｍｎ含有量］／［Ｓ含有量］が、表１に示す値となるように、Ｍｎ成分とＳ成分とを用いて、添加して溶湯成分の調整を行った。
その後、溶湯をライナ形状砂型に注入し、図１に示すような、片状黒鉛鋳鉄からなる、直径９６０ｍｍ、高さ６４０ｍｍ、厚さ７０ｍｍのシリンダライナ用の円筒状部材１を製造した。実施例の場合、鋳込み後に１１時間かけて室温まで冷却を行った。これらの実施例に対応する試料を、実施試料１〜実施試料７として示す。
【００４７】
［物性評価試験］
以下に述べる物性評価試験は、図１に示すように、片状黒鉛鋳鉄からなる、直径９６０ｍｍ、高さ６４０ｍｍ、厚さ７０ｍｍのシリンダライナ用の円筒状部材１から、試験片２を切り出し、この試験片２の斜線部分で示した測定部位３の部位を用いて行っている。
【００４８】
引張強さ： 引張強さの測定は、上述の測定部位３から、ＪＩＳ Ｚ２２０１ １４Ａに規定する引張試験片を調製した。その後、この引張試験片を、１ｍｍ／分の引張り速度で万能試験機を用いて、引張り試験を行ない、最大引張強さを測定した。その評価結果を表２に示す。
【００４９】
硬さ測定： 硬さの測定は、上述の上記シリンダライナ用の円筒状部材から切り出した試験片２の測定部位３において、荷重１００ｇで、基地のビッカース硬度測定を行った。その評価結果を表２に示す。
【比較例】
【００５０】
この比較例では、測定試料の製造において、表１の掲載内容から理解できるように、実施例と比べてＭｎ含有量の低い組成となるように溶解させて溶湯を調製した点のみが実施例と異なる。この組成は、小型鋳造製品に適用していたものであり、本来であれば、鋳込み後に１０時間未満の時間で室温まで冷却を行うものを、鋳込み後に１１時間かけて室温まで冷却を行った。その他、物性評価試験の結果は、実施例と対比可能なように表２に示す。
【００５１】
［実施例と比較例との対比］
以下、表１及び表２を参照しつつ、実施例と比較例との対比を行う。
【００５２】
【表１】
【００５３】
この表１の掲載内容から理解できるように、比較例の試料に比べ、実施例の各試料が多量にＭｎを含有しており、［Ｍｎ含有量］／［Ｓ含有量］の値が、実施例と比較例とでは全く異なることが理解できる。なお、表１では、［Ｍｎ含有量］／［Ｓ含有量］を簡略化して［Ｍｎ］／［Ｓ］として表示している。
【００５４】
【表２】
【００５５】
この表２から理解できるように、鋳込み後に１１時間かけて室温まで冷却を行うと、実施例に係る実施試料１〜実施試料７の方が、比較例に係る比較試料１及び比較試料２と比べて、引張強さ及びビッカース硬度共に高い値となっていることが理解できる。よって、鋳込み後に１０時間以上かけて室温まで冷却して得られる大型の鋳造製品に関しては、本件発明に係る片状黒鉛鋳鉄を用いることが好適であることの裏付けとなる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程であっても、良好な強度、硬さを備えることが可能である。よって、本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を用いて、良好な品質の大型の鋳造製品の提供が可能となる。特に、大型船舶用の内燃機関を構成するシリンダライナ、ピストンリング、カムシャフト、シリンダブロック、シリンダヘッド等に用いるのが好適である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 円筒状部材
２ 試験片
３ 測定部位
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄及びその製造方法に関する。特に、大型の内燃機関の構成部品等の製造に好適な片状黒鉛鋳鉄に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から内燃機関であるエンジン部品には、耐摩耗性、耐振動性、良好な強度、良好な加工性等の観点から、これらの要求特性を満足し得る素材として、油との馴染み性に優れた鋳造製品が用いられてきた。これらの用途は、自動車用エンジンの部品に多く見られる。例えば、シリンダライナ、ピストンリング等のエンジン部品であり、ピストンリングの外周面に配されるシリンダライナの場合には、耐摩耗性、耐スカッフィング性に優れること等が要求される。
【０００３】
このような鋳鉄材料としては、主に片状黒鉛鋳鉄が用いられ、種々の合金材料を添加する組成も知られている。合金材料としては、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｂ等が挙げられる。このうち、マンガン（Ｍｎ）は、安価であるため多く利用されてきた。このＭｎは、鋳鉄組織においては、パーライト組織の基地の生成を促進させ、パーライト中のセメンタイト間隔を緻密にして基地組織の強化元素として働くものである。
【０００４】
そして、一方では、Ｍｎは、セメンタイト等の炭化物を安定させる作用を果たすため、黒鉛晶出を阻止する元素であり、Ｍｎ含有量が高くなると、鋳鉄組織中に適正な黒鉛形状を導入できない場合もあると言われてきた。よって、鋳鉄部品を製造するときに、特にスクラップ材を利用する場合には、溶湯中のＭｎ濃度の希釈、脱Ｍｎ処理等が施されてきた。これらの予備的処理が必要となると、製造コストの削減にも限界があり、安価で高品質の製品供給は困難であった。
【０００５】
そこで、高Ｍｎ組成の鋳鉄材料に関して、次のような先行技術が存在する。特許文献１には、高張力鋼板スクラップを含む鋼板スクラップを用いて、良好な品質の鋳鉄を、不要なコストアップを防止しつつ、効率よく得ることのできる、鋼板スクラップの再利用方法を提供を目的として、「高張力鋼板スクラップおよび普通鋼板スクラップを一括して回収する一括回収工程、および、回収された鋼板スクラップを溶解し、その溶湯中に、マンガンが０．７重量％以上含まれているときに、硫黄が０．０２〜０．２重量％となるように調製し、希土類金属またはミッシュメタルを硫黄含量の倍量添加する調製工程を備えていることを特徴とする、鋼板スクラップの利用方法」を採用している。
【０００６】
そして、特許文献２には、高強度で、かつ、切削性が良好な高強度鋳鉄の製造方法及び高強度鋳鉄を提供することを目的に、「Ｓを０．０２〜０．２ｗｔ％含有した鋳鉄を溶解して溶湯とし、その溶湯中に、Ｍｎを１．０〜３．０ｗｔ％添加すると共に、稀土類元素またはミッシュメタルを上記溶湯中の上記Ｓ量に対して倍量の０．０４〜０．４ｗｔ％添加することを特徴とする高強度鋳鉄の製造方法」を採用している。
【０００７】
ところが、特許文献１及び特許文献２に記載された発明は、いずれも、希土類元素又はミッシュメタルを、溶湯中のＳ量の２倍量を添加することを必須としているが、希土類元素またはミッシュメタルの添加は、溶湯の流動性を劣化させるため、複雑な形状の部品の鋳造、鋳込み部品の鋳肌の美麗さに欠けるため、鋳込み後の加工を最小限に止めたいシリンダライナやカムシャフト等の薄肉製品の製造には不向きという問題がある。
【０００８】
そこで、本件発明者等は、特許文献１及び特許文献２に記載された発明の欠点を解消するため、特許文献３に開示された発明を提唱してきた。この特許文献３には、特に希土類元素とミッシュメタル等を用いることなく、高強度で切削性に優れ、例えば内燃機関のエンジン部品等に用いるのに好適な片状黒鉛鋳鉄およびその製造方法を提供することを目的に、「黒鉛が方向性を持たず無秩序で且つ均一に分布した存在形態を備えるＡ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、質量％で、Ｃ：２．８〜４．０％、Ｓｉ：１．２〜３．０％、Ｍｎ：１．１〜３．０％、Ｐ：０．０１〜０．６％およびＳ：０．０１〜０．３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、前記Ｍｎ含有量の前記Ｓ含有量に対する比（Ｍｎ／Ｓ）が３〜３００の範囲である化学組成を有することを特徴とする片状黒鉛鋳鉄」を採用している。この特許文献３に開示の片状黒鉛鋳鉄は、鋳込み後の冷却時間が１０時間未満の製品においては、良好なパーライト組織の結晶組織が得られるため、強度、耐摩耗性等の要求特性が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１７１７２９号公報
【特許文献２】特開平１０−１５８７７７号公報
【特許文献３】ＷＯ２００９／００１８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、鋳込み部品には、種々のサイズの製品が存在し、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような大型の鋳造製品が存在するのが事実である。このような、大型鋳造製品の代表例としては、大型船舶用の内燃機関用部品、水力発電用ロータ、旋盤用ベッド、プレス金型用ベッド等がある。これらの製造に、特許文献３に開示の組成の片状黒鉛鋳鉄を採用すると、鋳込み後の放冷時間が１０時間未満の特許文献３に開示の片状黒鉛鋳鉄と比べて、製品の強度劣化も大きく、品質のバラツキが大きくなる傾向が強くなる。
【００１１】
従って、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程において、良好な強度、硬さを備えることの出来る大型の鋳造製品の製造が可能な鋳鉄材料が求められてきた。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで、本件発明者等は、鋭意研究の結果、以下に述べる発明内容をもって、課題を解決することに想到した。
【００１３】
大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄： 本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、Ｍｎを３．０５質量％以上含有する高Ｍｎ系基本組成を備えることを特徴とする。
【００１４】
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、以下の高Ｍｎ系基本組成を備え、且つ、Ｍｎ含有量とＳ含有量とのＭｎ／Ｓ存在比が６〜８００の範囲であることが好ましい。
【００１５】
［高Ｍｎ系基本組成］
Ｍｎ：３．０５質量％〜６．００質量％
Ｃ：２．７０質量％〜３．９０質量％
Ｓｉ：０．９０質量％〜２．８０質量％
Ｐ：０．０１質量％〜０．６０質量％
Ｓ：０．０１質量％〜０．３０質量％
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【００１６】
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄において、前記高Ｍｎ系基本組成に対して、合金元素であるＣｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの中から１種以上の成分を選択し、これらのトータル含有量が０．１０質量％〜６．００質量％の範囲となるように含有させる事も好ましい。
Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜１．０％およびＮｉ：０．１〜１．０％含有する
【００１７】
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄において、前記高Ｍｎ系基本組成に対して、合金元素であるＢ（ホウ素）成分を０．０１質量％〜０．２０質量％を含有する事も好ましい。
【００１８】
大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の製造方法： 上述に記載の本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の製造方法は、鋳造に用いる溶湯として、以下の高Ｍｎ系溶湯組成を備え、且つ、鋳込み後に１０時間以上の時間をかけて室温まで冷却して得られることを特徴とする。
【００１９】
［高Ｍｎ系溶湯組成］
Ｍｎ：３．０５質量％〜６．００質量％
Ｃ：２．７０質量％〜３．９０質量％
Ｓｉ：０．９０質量％〜２．８０質量％
Ｐ：０．０１質量％〜０．６０質量％
Ｓ：０．０１質量％〜０．３０質量％
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【００２０】
船舶用内燃機関部品： 本件発明に係る船舶用内燃機関部品は、上述の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を用いて得られることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程であっても、良好な強度、硬さを備えることが可能である。よって、本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を用いて、良好な品質の大型の鋳造製品の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】鋳込み試験用サンプルの形状と、物性評価用サンプルの採取位置を示すための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本件発明に係る「大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の形態」、「大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の製造形態」、「船舶用内燃機関部品の形態」に関して、順を追って説明する。
【００２４】
［大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の形態］
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であり、Ｍｎを３．０５質量％以上含有する高Ｍｎ系基本組成を備えることを特徴とする。この片状黒鉛鋳鉄の基地は、主にパーライト組織であり、基地中には硫化マンガン（ＭｎＳ）等分散して含まれている。そして、ここで言う「Ａ型黒鉛」とは、鋳造組織中に、方向性をもたず、無秩序且つ均一に分布した片状の黒鉛が存在する状態を言う。このように析出した黒鉛が、片状のＡ型黒鉛であることにより、高い強度と良好な切削性とをバランス良く備えることができるようになる。このＡ型黒鉛は、鋳造組織断面において、７０面積％以上存在することが、高い強度と硬度とをを得るためには好ましい。なお、念のために記載しておくが、本件発明に言う片状黒鉛鋳鉄の鋳造組織内には、Ａ型黒鉛以外にも、Ｂ型黒鉛、Ｄ型黒鉛、Ｅ型型黒鉛等の他の黒鉛形状も一部含まれる場合がある。
【００２５】
そして、本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、Ｍｎを３．０５質量％以上含有する高Ｍｎ系基本組成を備えることを特徴とする。片状黒鉛鋳鉄が、Ｍｎを３．０５質量％以上含有することで、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程であっても、良好な強度及び硬さを備えることが可能になる。従って、片状黒鉛鋳鉄のＭｎ含有量が３．０５質量％未満になると、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固を行うと、強度及び硬さが低下すると共に、これらの特性のバラツキが大きくなり好ましくない。
【００２６】
ここで言う高Ｍｎ系基本組成を構成する各成分に関して、各成分毎に以下に述べることとする。
【００２７】
Ｍｎ含有量： 鋳造組織中におけるＭｎ含有量は、３．０５質量％〜６．００質量％であることが好ましい。溶湯中に存在するＭｎは、鋳鉄の基地を構成するパーライト組織の形成促進成分であり、得られるパーライト組織の微細化を促し、析出強化作用を果たすＭｎＳを析出させるよう機能するため、鋳鉄の強化及び硬度上昇に寄与する。上述の特許文献３には、鋳造組織中の存在するパーライト組織の微細化と適度なＭｎＳ析出を得ると同時に良好な加工特性を得るためには、Ｍｎ含有量は１．１〜３．０％の範囲とすることが好ましいとある。確かに、鋳込み後の放冷時間が１０時間未満の鋳造製品を得るためには、適用可能な概念である。ところが、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程で、良好な品質の鋳造製品を得る場合には、Ｍｎ含有量を３．０５質量％以上としなければ、鋳造組織のチル化が顕著になり脆化するため、良好な強度及び硬さを備える鋳造製品を得ることが出来ない。一方、Ｍｎ含有量が６．００質量％を超えると、炭化物の析出が顕著になり、切削時の加工性能が著しく低下し出すため好ましくない。
【００２８】
Ｃ含有量： 鋳造組織中におけるＣ含有量は、２．７０質量％〜３．９０質量％であることが好ましい。Ｃ含有量が２．７０質量％未満の場合には、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程であっても、基地中のパーライト組織の強化を行うことができず、晶出する黒鉛量が減少して固体潤滑作用が低下するため、耐摩耗性が低下し、内燃機関のシリンダライナとして使用した場合には、耐スカッフィング性が低下するため好ましくない。一方、Ｃ含有量が３．９０質量％を超えると、晶出する黒鉛量が増加し、炭化物量も過剰となるため、得られた鋳造製品が脆化するため内燃機関用部品材料として実用に耐えない。
【００２９】
Ｓｉ含有量： 鋳造組織中におけるＳｉ含有量は、０．９０質量％〜２．８０質量％であることが好ましい。Ｓｉ含有量が０．９０質量％未満の場合には、溶湯の流動性が劣り、精度の高い鋳込みができず、良好な固体潤滑作用を得ることの出来る均一に分散した黒鉛を鋳造組織中に晶出できなくなるため、好ましくない。一方、Ｓｉ含有量が２．８０質量％を超える場合には、Ｓｉ含有量が過剰となり、得られる鋳造製品の強度及び硬さが低下するため。好ましくない。
【００３０】
Ｐ含有量： 鋳造組織中におけるＰ含有量は、０．０１質量％〜０．６０質量％であることが好ましい。Ｐ含有量が０．０１質量％未満の場合には、基地中に硬質相であるリン共晶物（ステダイト）を晶出して分散させて、耐摩耗性及び分散強化の向上が図れなくなるため好ましくない。一方、Ｐ含有量が０．６０質量％を超えると、リン共晶物（ステダイト）を晶出量が過剰となるため、得られた鋳造製品が脆化するため内燃機関用部品材料として実用に耐えない。
【００３１】
Ｓ含有量： 鋳造組織中におけるＳ含有量は、０．０１質量％〜０．３０質量％であることが好ましい。Ｓ含有量が０．０１質量％未満の場合には、ＳとＭｎとが結合して、切削性を向上させるために必要な量のＭｎＳを形成することが困難であるため好ましくない。一方、Ｓ含有量が０．３０質量％を超えると、ＭｎＳ形成量が過剰となるため、得られた鋳造製品が脆化するため内燃機関用部品材料として実用に耐えない。
【００３２】
残部： 鋳造組織中における残部は、当然にＦｅが主な成分である。そして、ここで言う不可避的不純物とは、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ａｌ等である。
【００３３】
更に、本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、Ｍｎ含有量とＳ含有量との比（［Ｍｎ含有量］／［Ｓ含有量］）を６〜８００の範囲とする事が好ましい。［Ｍｎ含有量］／［Ｓ含有量］の値が６未満だと、強度の低下が顕著になるため好ましくはない。一方、［Ｍｎ含有量］／［Ｓ含有量］の値が８００を超えると、ＭｎＳ形成量が過剰となるため、切削性が低下し、得られた鋳造製品が脆化するため内燃機関用部品材料として実用に耐えない。
【００３４】
そして、本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄において、前記高Ｍｎ系基本組成に対して、合金元素であるＣｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの中から１種以上の成分を選択し、これらのトータル含有量が０．１０質量％〜６．００質量％の範囲となるように含有させる事も好ましい。これらの合金元素は、片状黒鉛鋳鉄の更なる高強度化と高耐食性と得るために、必要に応じて添加することができる。
【００３５】
更には、合金元素であるＣｕは０．１質量％〜２．０質量％、Ｃｒは０．１質量％〜２．０質量％、Ｍｏは０．１質量％〜１．０質量％及びＮｉは０．１質量％〜１．０質量％含有することが、最もバランス良く高強度化と高耐食性とを備える観点から好ましい。以下、各成分毎に述べることとする。
【００３６】
Ｃｕ含有量： 鋳造組織中におけるＣｕ含有量は、０．１質量％〜２．０質量％であることが好ましい。Ｃｕ含有量が０．１質量％未満の場合は、Ｃｕが基地中に固溶して固溶強化機能を発揮し、基地の強化、耐摩耗性、耐食性を向上させることができず、好ましくない。一方、Ｃｕ含有量が２．０質量％を超えても、片状黒鉛鋳鉄としての強度向上効果が飽和するため、資源の無駄遣いとなるため好ましくない。
【００３７】
Ｃｒ含有量： 鋳造組織中におけるＣｒ含有量は、０．１質量％〜２．０質量％であることが好ましい。Ｃｒ含有量が０．１質量％未満の場合は、Ｃｒが基地中に固溶して固溶強化機能を発揮すると同時に、クロム炭化物を形成して耐摩耗性を向上させることができず、基地の強化及び耐摩耗性を向上させることができず、好ましくない。一方、Ｃｒ含有量が２．０質量％を超えると、クロム炭化物量が過剰となり、析出する黒鉛形状として、切削性を良好なものとするＡ型黒鉛形状が減少するため好ましくない。
【００３８】
Ｍｏ含有量： 鋳造組織中におけるＭｏ含有量は、０．１質量％〜１．０質量％であることが好ましい。Ｍｏ含有量が０．１質量％未満の場合は、Ｍｏが基地中に固溶して固溶強化機能を発揮し、基地の強化、耐食性を向上させることができず、好ましくない。一方、Ｍｏ含有量が１．０質量％を超える場合は、基地強度が過剰に高くなり、切削性が低下する傾向があるため好ましくない。
【００３９】
Ｎｉ含有量： 鋳造組織中におけるＮｉ含有量は、０．１質量％〜１．０質量％であることが好ましい。溶湯中に存在するＮｉは、フェライト中に固溶し、鋳鉄の基地を構成するパーライト組織の微細化を促進し、同時に微細な片状黒鉛を均一に分散させ、耐熱性、耐食性、耐摩耗性を良くするための元素である。Ｍｏ含有量が０．１質量％未満の場合は、これらの合金元素としてのＮｉの機能を発揮し得ない。一方、Ｎｉ含有量が１．０％を超えると、基地がオーステナイト化する傾向があり、パーライト組織を維持できないため、得られた鋳造製品を内燃機関用部品材料として使用することが出来なくなるため、好ましくない。
【００４０】
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄において、前記高Ｍｎ系基本組成に対して、合金元素であるＢ（ホウ素）成分を０．０１質量％〜０．２０質量％を含有する事も好ましい。このＢは、本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を、大型船舶用の内燃機関のシリンダライナとして使用する場合等に、高い摺動性能を得る目的で使用することが好ましい。Ｂは、基地中において、ボロン炭化物を形成し、上述のりん共晶物（ステダイト）と共に、適度な硬質相を形成し、硬さを上昇させると同時に、固体潤滑作用を発揮するため、耐摩耗性、耐スカッフィング性を向上させることのできる元素である。Ｂ含有量が０．０１質量％未満の場合は、これらの合金元素としてのＢ添加の高価を発揮し得ない。一方、Ｂ含有量が０．２０質量％を超える場合には、硬質相が過剰となり、脆化するため、好ましくない。
【００４１】
大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の製造形態： 上述に記載の本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の製造方法は、鋳造に用いる溶湯として、以下の高Ｍｎ系溶湯組成を備え、且つ、鋳込み後に１０時間以上の時間をかけて室温まで冷却して得られることを特徴とする。
【００４２】
ここで言う「高Ｍｎ系溶湯組成」は、片状黒鉛鋳鉄の基本組成と同様である。即ち、溶湯中のＭｎ含有量が３．０５質量％〜６．００質量％、Ｃ含有量が２．７０質量％〜３．９０質量％、Ｓｉ含有量が０．９０質量％〜２．８０質量％、Ｐ含有量が０．０１質量％〜０．６０質量％、Ｓ含有量が０．０１質量％〜０．３０質量％、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。よって、溶湯中の組成成分の数値範囲の限定理由に関しては、上述の片状黒鉛鋳鉄の組成元素として説明したと同様であるため、重複した記載となるため省略する。
【００４３】
この溶湯組成を採用し、鋳込み後に１０時間以上の時間をかけて室温まで冷却することで、上述の基本組成を備える片状黒鉛鋳鉄が効率よく得られる。
【００４４】
船舶用内燃機関部品の形態： 本件発明に係る船舶用内燃機関部品は、上述の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を用いて得られることを特徴とする。本件発明に係る片状黒鉛鋳鉄は、船舶用内燃機関部品の内、特に、シリンダライナ、ピストンリング、カムシャフト、シリンダブロック、シリンダヘッド、バルブシート等に用いるのが好適である。
【実施例】
【００４５】
以下、本件発明の実施例について説明する。最初に、実施例と比較例とに共通する測定試料及び測定方法に関して述べる。
【００４６】
［測定試料の製造］
Ｍｎを含有する高張力鋼板スクラップと、鋳鉄片と、スチールスクラップと、各合金成分を、表１に示す各組成となるように溶解させて溶湯を調製した。その後、この溶湯中の［Ｍｎ含有量］／［Ｓ含有量］が、表１に示す値となるように、Ｍｎ成分とＳ成分とを用いて、添加して溶湯成分の調整を行った。
その後、溶湯をライナ形状砂型に注入し、図１に示すような、片状黒鉛鋳鉄からなる、直径９６０ｍｍ、高さ６４０ｍｍ、厚さ７０ｍｍのシリンダライナ用の円筒状部材１を製造した。実施例の場合、鋳込み後に１１時間かけて室温まで冷却を行った。これらの実施例に対応する試料を、実施試料１〜実施試料７として示す。
【００４７】
［物性評価試験］
以下に述べる物性評価試験は、図１に示すように、片状黒鉛鋳鉄からなる、直径９６０ｍｍ、高さ６４０ｍｍ、厚さ７０ｍｍのシリンダライナ用の円筒状部材１から、試験片２を切り出し、この試験片２の斜線部分で示した測定部位３の部位を用いて行っている。
【００４８】
引張強さ： 引張強さの測定は、上述の測定部位３から、ＪＩＳ Ｚ２２０１ １４Ａに規定する引張試験片を調製した。その後、この引張試験片を、１ｍｍ／分の引張り速度で万能試験機を用いて、引張り試験を行ない、最大引張強さを測定した。その評価結果を表２に示す。
【００４９】
硬さ測定： 硬さの測定は、上述の上記シリンダライナ用の円筒状部材から切り出した試験片２の測定部位３において、荷重１００ｇで、基地のビッカース硬度測定を行った。その評価結果を表２に示す。
【比較例】
【００５０】
この比較例では、測定試料の製造において、表１の掲載内容から理解できるように、実施例と比べてＭｎ含有量の低い組成となるように溶解させて溶湯を調製した点のみが実施例と異なる。この組成は、小型鋳造製品に適用していたものであり、本来であれば、鋳込み後に１０時間未満の時間で室温まで冷却を行うものを、鋳込み後に１１時間かけて室温まで冷却を行った。その他、物性評価試験の結果は、実施例と対比可能なように表２に示す。
【００５１】
［実施例と比較例との対比］
以下、表１及び表２を参照しつつ、実施例と比較例との対比を行う。
【００５２】
【表１】
【００５３】
この表１の掲載内容から理解できるように、比較例の試料に比べ、実施例の各試料が多量にＭｎを含有しており、［Ｍｎ含有量］／［Ｓ含有量］の値が、実施例と比較例とでは全く異なることが理解できる。なお、表１では、［Ｍｎ含有量］／［Ｓ含有量］を簡略化して［Ｍｎ］／［Ｓ］として表示している。
【００５４】
【表２】
【００５５】
この表２から理解できるように、鋳込み後に１１時間かけて室温まで冷却を行うと、実施例に係る実施試料１〜実施試料７の方が、比較例に係る比較試料１及び比較試料２と比べて、引張強さ及びビッカース硬度共に高い値となっていることが理解できる。よって、鋳込み後に１０時間以上かけて室温まで冷却して得られる大型の鋳造製品に関しては、本件発明に係る片状黒鉛鋳鉄を用いることが好適であることの裏付けとなる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄は、鋳込み後の放冷時間が１０時間を超えるような緩やかな凝固過程であっても、良好な強度、硬さを備えることが可能である。よって、本件発明に係る大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を用いて、良好な品質の大型の鋳造製品の提供が可能となる。特に、大型船舶用の内燃機関を構成するシリンダライナ、ピストンリング、カムシャフト、シリンダブロック、シリンダヘッド等に用いるのが好適である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 円筒状部材
２ 試験片
３ 測定部位
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、Ｍｎを３．０５質量％以上含有する高Ｍｎ系基本組成を備えることを特徴とする大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、以下の高Ｍｎ系基本組成を備え、且つ、Ｍｎ含有量とＳ含有量とのＭｎ／Ｓ存在比が６〜８００の範囲である請求項１に記載の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄。
［高Ｍｎ系基本組成］
Ｍｎ：３．０５質量％〜６．００質量％
Ｃ：２．７０質量％〜３．９０質量％
Ｓｉ：０．９０質量％〜２．８０質量％
Ｐ：０．０１質量％〜０．６０質量％
Ｓ：０．０１質量％〜０．３０質量％
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【請求項３】
前記高Ｍｎ系基本組成に対して、
合金元素であるＣｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの中から１種以上の成分を選択し、これらのトータル含有量が０．１０質量％〜６．００質量％の範囲となるように含有させた請求項１又は請求項２に記載の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄。
【請求項４】
前記高Ｍｎ系基本組成に対して、
Ｂ成分を０．０１質量％〜０．２０質量％を含有する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の製造方法であって、
鋳造に用いる溶湯は、以下の高Ｍｎ系溶湯組成を備え、且つ、鋳込み後に１０時間以上の時間をかけて室温まで冷却して得られることを特徴とする片状黒鉛鋳鉄の製造方法。
［高Ｍｎ系溶湯組成］
Ｍｎ：３．０５質量％〜６．００質量％
Ｃ：２．７０質量％〜３．９０質量％
Ｓｉ：０．９０質量％〜２．８０質量％
Ｐ：０．０１質量％〜０．６０質量％
Ｓ：０．０１質量％〜０．３０質量％
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を用いて得られることを特徴とする船舶用内燃機関部品。
【請求項１】
Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、Ｍｎを３．０５質量％以上含有する高Ｍｎ系基本組成を備えることを特徴とする大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
Ａ型黒鉛を含む片状黒鉛鋳鉄であって、以下の高Ｍｎ系基本組成を備え、且つ、Ｍｎ含有量とＳ含有量とのＭｎ／Ｓ存在比が６〜８００の範囲である請求項１に記載の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄。
［高Ｍｎ系基本組成］
Ｍｎ：３．０５質量％〜６．００質量％
Ｃ：２．７０質量％〜３．９０質量％
Ｓｉ：０．９０質量％〜２．８０質量％
Ｐ：０．０１質量％〜０．６０質量％
Ｓ：０．０１質量％〜０．３０質量％
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【請求項３】
前記高Ｍｎ系基本組成に対して、
合金元素であるＣｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの中から１種以上の成分を選択し、これらのトータル含有量が０．１０質量％〜６．００質量％の範囲となるように含有させた請求項１又は請求項２に記載の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄。
【請求項４】
前記高Ｍｎ系基本組成に対して、
Ｂ成分を０．０１質量％〜０．２０質量％を含有する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄の製造方法であって、
鋳造に用いる溶湯は、以下の高Ｍｎ系溶湯組成を備え、且つ、鋳込み後に１０時間以上の時間をかけて室温まで冷却して得られることを特徴とする片状黒鉛鋳鉄の製造方法。
［高Ｍｎ系溶湯組成］
Ｍｎ：３．０５質量％〜６．００質量％
Ｃ：２．７０質量％〜３．９０質量％
Ｓｉ：０．９０質量％〜２．８０質量％
Ｐ：０．０１質量％〜０．６０質量％
Ｓ：０．０１質量％〜０．３０質量％
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の大型鋳造製品用の片状黒鉛鋳鉄を用いて得られることを特徴とする船舶用内燃機関部品。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−４１５７１（Ｐ２０１２−４１５７１Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８１１２０（Ｐ２０１０−１８１１２０）
【出願日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【出願人】（３９００２２８０６）日本ピストンリング株式会社 (137)
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【出願人】（３９００２２８０６）日本ピストンリング株式会社 (137)
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