片状黒鉛鋳鉄の製造方法
【課題】片状黒鉛鋳物の外面にひけによる凹み、内部にひけ巣を生じやすい。肉厚の大きい部分の組織が粗大化して強度が低下し、加工面粗度が低下する。また肉薄部の組織が硬化して切削性が低下する傾向がある。
ひけ傾向が小さいと共に、材質的肉厚感度の小さい片状黒鉛鋳鉄鋳物を製造すること。
【解決手段】（ｉ）ひけ傾向を小さくするため、鋳物が凝固するときに晶出する黒鉛量を多くする。このための手段としてシリコン含有量を低くする。シリコン含有量を０．９〜１．４％の範囲に、炭素含有量を３．０〜３．４％の範囲にする。シリコン含有量と炭素含有量の関係を次の式の範囲にする。
Ｃ％＋０．２３×Ｓｉ％≦４．２３％
（ｉｉ）肉厚感度を小さくするために、シリコン含有量を低くする。
（ｉｉｉ）前項および前々項の目的を促進し、同時に肉薄部の組織硬化を防ぐために種々の接種を行うが、特に鋳型に流入する溶湯に接種を行う。
ひけ傾向が小さいと共に、材質的肉厚感度の小さい片状黒鉛鋳鉄鋳物を製造すること。
【解決手段】（ｉ）ひけ傾向を小さくするため、鋳物が凝固するときに晶出する黒鉛量を多くする。このための手段としてシリコン含有量を低くする。シリコン含有量を０．９〜１．４％の範囲に、炭素含有量を３．０〜３．４％の範囲にする。シリコン含有量と炭素含有量の関係を次の式の範囲にする。
Ｃ％＋０．２３×Ｓｉ％≦４．２３％
（ｉｉ）肉厚感度を小さくするために、シリコン含有量を低くする。
（ｉｉｉ）前項および前々項の目的を促進し、同時に肉薄部の組織硬化を防ぐために種々の接種を行うが、特に鋳型に流入する溶湯に接種を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種機械および金型粗材の主要部分に使用される片状黒鉛鋳鉄の材質を根本的に改良する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
片状黒鉛鋳鉄は適切な引張り強さ（２００〜３５０Ｎ／ｍｍ２）と耐圧力、低い溶融温度（１２００℃以下）と、それに基づく良好な流動性をもち種々な形状の鋳物を作りやすい。このため一般の機械構造用部品や金型粗材に多く用いられている。一般的に片状黒鉛鋳鉄の基本的性質を定めるものはその化学成分と溶解方法である。このうち化学成分は５成分と呼ばれる炭素、シリコン、マンガン、リン、硫黄および避けることの出来ない微量元素から成っている。通常の場合、鋳鉄の性質に最も支配的影響を及ぼす元素は炭素とシリコンであって、この２つの元素含有量を必要とする強度と製品形状によって決定する。従来技術においては炭素含有量は３．０〜３．５％，シリコン含有量は１．５〜２．２％の範囲にある。溶解方法としては、これらの成分の材料を約１４００℃以上の温度で溶解し、溶解炉から出湯するときに接種剤を投入して金属組織の均一化を図ることが一般的方式である。
これらの方式で製造された片状黒鉛鋳鉄の材質強度をより高くする場合（例えば３００Ｎ／ｍｍ２以上）、最も確実に目的を達成する方法は炭素含有量を低目に調整することであるが、この操作によって鋳物が凝固するときの収縮量が大きくなりひけ欠陥を生じやすい。
さらに片状黒鉛鋳鉄は一般的に肉厚感度が大きく、製品の肉厚部、すなわち冷却速度の遅い部分は金属組織が粗くなりやすく、希望する強度ならびに緻密な仕上げ面が得られない。逆に肉薄部、すなわち冷却速度の速い部分は材質が硬くなり、極端な場合は鉄と炭素の化合物を含むチル組織が発生して材質が脆くなり、また機械加工が困難になるという問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】中江秀雄 新版鋳造工学ｐ．１７７。
【非特許文献２】Ｒ．Ｗ．Ｈｅｉｎｅ Ｔｈｅ Ｃａｒｂｏｎ Ｅｑｉｖａｌｅｎｔ Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ Ｄｉａｇｒａｍ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｃａｓｔ Ｉｒｏｎｓ。ＡＦＳ Ｃａｓｔ Ｍｅｔａｌｓ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｊｕｎｅ １９７１ ｐ．４９。
【非特許文献３】Ｅ．Ｐｉｗｏｗａｒｓｋｙ ＧｕＢｅｉｓｅｎ ｐ．８８。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は片状黒鉛鋳鉄の強度を大きくする場合の欠点であるところの鋳物が凝固するときの外面のひけ、内部に発生するひけ巣の発生をなくするか、より少なくすることを目的とする。
本発明はさらに鋳物の肉厚部と肉薄部の金属組織の差をより小さくする、とくに肉厚部組織の粗大化とフェライト相の析出を防止して緻密な仕上げ面を得ることを目的とする。
本発明はこれに加えて鋳物肉薄部の金属組織を脆くし機械加工を困難にするチル組織の発生を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）本発明者は片状黒鉛鋳鉄のひけ傾向を小さくするために、鋳物が凝固するときに内部に晶出してくる黒鉛の量を多くしなければならないことに着目した。このためにシリコン含有量をできるだけ少なくすること、炭素含有量をある程度多くすることおよび溶湯の接種操作を強力に行わなければならないことを突きとめた。
（２）次に鋳物肉厚部の金属組織をより緻密にし、かつフェライト相の析出をより少なくするために、同様にシリコン含有量を少なくするとともに接種を十分に行わなければならないことを突きとめた。
（３）さらに鋳物の肉薄部が硬くなり、最悪の場合チル組織を生ずることを防ぐために接種操作を十分に行う。この操作はこれら３項目に共通しており（１）および（２）の手段を強化する役割も持っている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明により、鋳物の外部および内部ともにひけ現象が認められず、同時に肉厚部、例えば肉厚３００ｍｍ以上の部分においても組織が緻密でありフェライト相の析出がより少ないと同時に、肉薄部、例えば肉厚１０ｍｍの部分の角部においてもチル組織が現れず良好な切削性を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の片状黒鉛鋳鉄のシリコン含有量は０．９〜１．４％の範囲であることが好ましく、１．０〜１．３％であることがより好ましい。鋳物の最少肉厚によって調整することができるが接種操作を十分に行ってより低いシリコン含有量を選択することが望ましい。
【０００８】
本発明の片状黒鉛鋳鉄の炭素含有量は３．０〜３．４％が好ましく、３．２〜３．２５％であることがより好ましい。より高い強度を望む場合は低めの炭素含有量を、ひけ傾向をより小さくする場合ならびに切削性をより高めたい場合は、高い炭素含有量範囲を選択する。
【０００９】
本発明の片状黒鉛鋳鉄の炭素含有量とシリコン含有量の関係は、次に示す式に従うことが好ましい。
Ｃ％＋０．２３×Ｓｉ％≦４．２３％
【００１０】
本発明の片状黒鉛鋳鉄溶湯への接種操作は次の順序によって３回以上行うことが好ましい。
（１）溶解炉から出湯する直前に炉内溶湯に接種剤を添加する。
（２）溶解炉から受湯取鍋へ出湯するときに接種剤を添加する。
（３）鋳込み取鍋または注湯炉から鋳型へ注湯するとき、注湯流に接種剤を添加するか、もしくは接種剤を予め鋳込み用堰鉢、注湯用樋または鋳型内にセットしておいて注湯する。
【００１１】
本発明の片状黒鉛鋳鉄溶湯への接種操作は前項の（１）もしくは（２）の操作は、状況によって省略することはできる。しかし（３）の接種操作を省略することはできない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、外部内部ともにひけ現象が認められない片状黒鉛鋳鉄鋳物を製造することができる。
本発明により、肉厚部、例えば肉厚が２００ｍｍ以上であってもその金属組織が緻密であり、良好な機械加工面を有する片状黒鉛鋳鉄鋳物を製造することができる。
本発明により、肉薄部、例えば肉厚が１０ｍｍであっても硬いチル組織等がなく切削性のよい片状黒鉛鋳鉄を製造することができる。
【実施例】
【００１３】
実験の概要は次のとおりである。シリコン含有量および炭素含有量を規定の量に調整した溶湯に接種処理を施した後、鋳型に注湯した。鋳型にはＪＩＳ ５５０１に従って本体付き供試材を取り付け、その供試材から機械加工によってＪＩＳ ８号試験片を製作し機械的性質試験、顕微鏡組織検査および化学成分分析を行った。その結果この材質はＦＣ３５０であることが判明した。
【００１４】
実験を行った片状黒鉛鋳鉄溶湯の成分と溶湯処理は次のとおり。実験溶湯の目標化学成分は、シリコン含有量は１．３％、炭素含有量は３．２％であった。この溶湯を低周波電気誘導炉によって１５４０℃まで昇温し、出湯直前にシリコンカーバイドを主体とする炉中接種剤を０．１％添加した．次に受湯取鍋に出湯する際にカルシウムシリコン接種剤０．１％を出湯流に乗せて添加した。この溶湯を鋳込み温度である１３８０℃まで冷却した後、鋳型に注湯する期間中、カルシウムおよびバリウムを少量含む、フェロシリコンを基本とする塊状接種剤０．１３％を堰鉢内に継続して添加し、鋳込み溶湯中に均一分布させた。
【００１５】
前項の溶湯を鋳込んだ鋳型は断面が巾３００ｍｍ、高さ２７５ｍｍ、質量１，４９０ｋｇのブロックであった。この鋳型の側面にＪＩＳ Ｇ５５０１に従って本体付き供試材を取り付けた。製品と供試材の距離は５５ｍｍであり、製品の肉厚が８０ｍｍ以上であるから供試材の直径はφ８０ｍｍであった。
【００１６】
この本体付き供試材をＪＩＳ ８号試験片に機械加工して機械的性質と顕微鏡組織を調査した。その結果は引張り強さ２３４Ｎ／ｍｍ２、ブリネル硬さはＨＢ １５６であった。顕微鏡組織検査の結果、基地は基本的にパーライトであり、黒鉛に付随して少量のフェライト相が認められた。その状況を図１に示した。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本体付き供試材から採取した引張り試験片の顕微鏡組織。倍率は×１００。
【００１８】
引張り試験片の残材の湿式化学成分分析を行った結果は、シリコン含有量１．３３％、炭素含有量３．１９％、マンガン含有量０．７０％、リン含有量０．０４０％および硫黄含有量０．０８８％であった。
【００１９】
この実験によって製造した片状黒鉛鋳鉄の本体付き供試材の引張り強さは２３４Ｎ／ｍｍ２であった。この値をＪＩＳ ５５０１の本体付き供試材の規格と照合した結果、鋳鉄品肉厚１５０以上３００ｍｍの項目に該当して規格値２１０Ｎ／ｍｍ２以上を満足しており、ＦＣ３５０相当であることが判明した。
【００２０】
この溶湯を鋳込んだブロック材の各部を任意に分断して、金型粗材として深く切削した結果において、ひけ欠陥は一切発見されなかった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種機械および金型粗材の主要部分に使用される片状黒鉛鋳鉄の材質を根本的に改良する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
片状黒鉛鋳鉄は適切な引張り強さ（２００〜３５０Ｎ／ｍｍ２）と耐圧力、低い溶融温度（１２００℃以下）と、それに基づく良好な流動性をもち種々な形状の鋳物を作りやすい。このため一般の機械構造用部品や金型粗材に多く用いられている。一般的に片状黒鉛鋳鉄の基本的性質を定めるものはその化学成分と溶解方法である。このうち化学成分は５成分と呼ばれる炭素、シリコン、マンガン、リン、硫黄および避けることの出来ない微量元素から成っている。通常の場合、鋳鉄の性質に最も支配的影響を及ぼす元素は炭素とシリコンであって、この２つの元素含有量を必要とする強度と製品形状によって決定する。従来技術においては炭素含有量は３．０〜３．５％，シリコン含有量は１．５〜２．２％の範囲にある。溶解方法としては、これらの成分の材料を約１４００℃以上の温度で溶解し、溶解炉から出湯するときに接種剤を投入して金属組織の均一化を図ることが一般的方式である。
これらの方式で製造された片状黒鉛鋳鉄の材質強度をより高くする場合（例えば３００Ｎ／ｍｍ２以上）、最も確実に目的を達成する方法は炭素含有量を低目に調整することであるが、この操作によって鋳物が凝固するときの収縮量が大きくなりひけ欠陥を生じやすい。
さらに片状黒鉛鋳鉄は一般的に肉厚感度が大きく、製品の肉厚部、すなわち冷却速度の遅い部分は金属組織が粗くなりやすく、希望する強度ならびに緻密な仕上げ面が得られない。逆に肉薄部、すなわち冷却速度の速い部分は材質が硬くなり、極端な場合は鉄と炭素の化合物を含むチル組織が発生して材質が脆くなり、また機械加工が困難になるという問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】中江秀雄 新版鋳造工学ｐ．１７７。
【非特許文献２】Ｒ．Ｗ．Ｈｅｉｎｅ Ｔｈｅ Ｃａｒｂｏｎ Ｅｑｉｖａｌｅｎｔ Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ Ｄｉａｇｒａｍ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｃａｓｔ Ｉｒｏｎｓ。ＡＦＳ Ｃａｓｔ Ｍｅｔａｌｓ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｊｕｎｅ １９７１ ｐ．４９。
【非特許文献３】Ｅ．Ｐｉｗｏｗａｒｓｋｙ ＧｕＢｅｉｓｅｎ ｐ．８８。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は片状黒鉛鋳鉄の強度を大きくする場合の欠点であるところの鋳物が凝固するときの外面のひけ、内部に発生するひけ巣の発生をなくするか、より少なくすることを目的とする。
本発明はさらに鋳物の肉厚部と肉薄部の金属組織の差をより小さくする、とくに肉厚部組織の粗大化とフェライト相の析出を防止して緻密な仕上げ面を得ることを目的とする。
本発明はこれに加えて鋳物肉薄部の金属組織を脆くし機械加工を困難にするチル組織の発生を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）本発明者は片状黒鉛鋳鉄のひけ傾向を小さくするために、鋳物が凝固するときに内部に晶出してくる黒鉛の量を多くしなければならないことに着目した。このためにシリコン含有量をできるだけ少なくすること、炭素含有量をある程度多くすることおよび溶湯の接種操作を強力に行わなければならないことを突きとめた。
（２）次に鋳物肉厚部の金属組織をより緻密にし、かつフェライト相の析出をより少なくするために、同様にシリコン含有量を少なくするとともに接種を十分に行わなければならないことを突きとめた。
（３）さらに鋳物の肉薄部が硬くなり、最悪の場合チル組織を生ずることを防ぐために接種操作を十分に行う。この操作はこれら３項目に共通しており（１）および（２）の手段を強化する役割も持っている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明により、鋳物の外部および内部ともにひけ現象が認められず、同時に肉厚部、例えば肉厚３００ｍｍ以上の部分においても組織が緻密でありフェライト相の析出がより少ないと同時に、肉薄部、例えば肉厚１０ｍｍの部分の角部においてもチル組織が現れず良好な切削性を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の片状黒鉛鋳鉄のシリコン含有量は０．９〜１．４％の範囲であることが好ましく、１．０〜１．３％であることがより好ましい。鋳物の最少肉厚によって調整することができるが接種操作を十分に行ってより低いシリコン含有量を選択することが望ましい。
【０００８】
本発明の片状黒鉛鋳鉄の炭素含有量は３．０〜３．４％が好ましく、３．２〜３．２５％であることがより好ましい。より高い強度を望む場合は低めの炭素含有量を、ひけ傾向をより小さくする場合ならびに切削性をより高めたい場合は、高い炭素含有量範囲を選択する。
【０００９】
本発明の片状黒鉛鋳鉄の炭素含有量とシリコン含有量の関係は、次に示す式に従うことが好ましい。
Ｃ％＋０．２３×Ｓｉ％≦４．２３％
【００１０】
本発明の片状黒鉛鋳鉄溶湯への接種操作は次の順序によって３回以上行うことが好ましい。
（１）溶解炉から出湯する直前に炉内溶湯に接種剤を添加する。
（２）溶解炉から受湯取鍋へ出湯するときに接種剤を添加する。
（３）鋳込み取鍋または注湯炉から鋳型へ注湯するとき、注湯流に接種剤を添加するか、もしくは接種剤を予め鋳込み用堰鉢、注湯用樋または鋳型内にセットしておいて注湯する。
【００１１】
本発明の片状黒鉛鋳鉄溶湯への接種操作は前項の（１）もしくは（２）の操作は、状況によって省略することはできる。しかし（３）の接種操作を省略することはできない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、外部内部ともにひけ現象が認められない片状黒鉛鋳鉄鋳物を製造することができる。
本発明により、肉厚部、例えば肉厚が２００ｍｍ以上であってもその金属組織が緻密であり、良好な機械加工面を有する片状黒鉛鋳鉄鋳物を製造することができる。
本発明により、肉薄部、例えば肉厚が１０ｍｍであっても硬いチル組織等がなく切削性のよい片状黒鉛鋳鉄を製造することができる。
【実施例】
【００１３】
実験の概要は次のとおりである。シリコン含有量および炭素含有量を規定の量に調整した溶湯に接種処理を施した後、鋳型に注湯した。鋳型にはＪＩＳ ５５０１に従って本体付き供試材を取り付け、その供試材から機械加工によってＪＩＳ ８号試験片を製作し機械的性質試験、顕微鏡組織検査および化学成分分析を行った。その結果この材質はＦＣ３５０であることが判明した。
【００１４】
実験を行った片状黒鉛鋳鉄溶湯の成分と溶湯処理は次のとおり。実験溶湯の目標化学成分は、シリコン含有量は１．３％、炭素含有量は３．２％であった。この溶湯を低周波電気誘導炉によって１５４０℃まで昇温し、出湯直前にシリコンカーバイドを主体とする炉中接種剤を０．１％添加した．次に受湯取鍋に出湯する際にカルシウムシリコン接種剤０．１％を出湯流に乗せて添加した。この溶湯を鋳込み温度である１３８０℃まで冷却した後、鋳型に注湯する期間中、カルシウムおよびバリウムを少量含む、フェロシリコンを基本とする塊状接種剤０．１３％を堰鉢内に継続して添加し、鋳込み溶湯中に均一分布させた。
【００１５】
前項の溶湯を鋳込んだ鋳型は断面が巾３００ｍｍ、高さ２７５ｍｍ、質量１，４９０ｋｇのブロックであった。この鋳型の側面にＪＩＳ Ｇ５５０１に従って本体付き供試材を取り付けた。製品と供試材の距離は５５ｍｍであり、製品の肉厚が８０ｍｍ以上であるから供試材の直径はφ８０ｍｍであった。
【００１６】
この本体付き供試材をＪＩＳ ８号試験片に機械加工して機械的性質と顕微鏡組織を調査した。その結果は引張り強さ２３４Ｎ／ｍｍ２、ブリネル硬さはＨＢ １５６であった。顕微鏡組織検査の結果、基地は基本的にパーライトであり、黒鉛に付随して少量のフェライト相が認められた。その状況を図１に示した。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本体付き供試材から採取した引張り試験片の顕微鏡組織。倍率は×１００。
【００１８】
引張り試験片の残材の湿式化学成分分析を行った結果は、シリコン含有量１．３３％、炭素含有量３．１９％、マンガン含有量０．７０％、リン含有量０．０４０％および硫黄含有量０．０８８％であった。
【００１９】
この実験によって製造した片状黒鉛鋳鉄の本体付き供試材の引張り強さは２３４Ｎ／ｍｍ２であった。この値をＪＩＳ ５５０１の本体付き供試材の規格と照合した結果、鋳鉄品肉厚１５０以上３００ｍｍの項目に該当して規格値２１０Ｎ／ｍｍ２以上を満足しており、ＦＣ３５０相当であることが判明した。
【００２０】
この溶湯を鋳込んだブロック材の各部を任意に分断して、金型粗材として深く切削した結果において、ひけ欠陥は一切発見されなかった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（イ）シリコン含有量を０．９〜１．４％、炭素含有量を３．０〜３．４％、硫黄を０．０５〜０．２％その他避けることの出来ない元素成分を含む片状黒鉛鋳鉄溶湯を溶製する。
（ロ）シリコン含有量と炭素含有量の関係は次の式による。
Ｃ％＋０．２３×Ｓｉ％≦４．２３％
（ハ）この溶湯に各種接種操作を行う。その最後の１回は鋳型に鋳込む際に接種剤を、鋳込み取鍋又は注湯炉からの溶湯流に添加するか、もしくは予め鋳込み用堰鉢、注湯用樋又は鋳型内にセットしておく。
以上の如く構成された片状黒鉛鋳鉄の製造方法。
【請求項１】
（イ）シリコン含有量を０．９〜１．４％、炭素含有量を３．０〜３．４％、硫黄を０．０５〜０．２％その他避けることの出来ない元素成分を含む片状黒鉛鋳鉄溶湯を溶製する。
（ロ）シリコン含有量と炭素含有量の関係は次の式による。
Ｃ％＋０．２３×Ｓｉ％≦４．２３％
（ハ）この溶湯に各種接種操作を行う。その最後の１回は鋳型に鋳込む際に接種剤を、鋳込み取鍋又は注湯炉からの溶湯流に添加するか、もしくは予め鋳込み用堰鉢、注湯用樋又は鋳型内にセットしておく。
以上の如く構成された片状黒鉛鋳鉄の製造方法。
【図１】
【公開番号】特開２０１１−２３１３９２（Ｐ２０１１−２３１３９２Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１４７３８（Ｐ２０１０−１１４７３８）
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【特許番号】特許第４６３６３９５号（Ｐ４６３６３９５）
【特許公報発行日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（５１０１３８２０２）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【特許番号】特許第４６３６３９５号（Ｐ４６３６３９５）
【特許公報発行日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（５１０１３８２０２）
【Ｆターム（参考）】
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