耐摩耗性に優れた球状黒鉛鋳鉄品
【課題】従来材なみの強度と延性とを有し、さらに従来材に比べて優れた耐摩耗性を有する球状黒鉛鋳鉄品を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：3.0〜4.0％、Si：1.8〜3.0％、Mn：0.2〜1.2％、Cu：0.2〜1.3％、Nb：0.05〜1.0％、Mo：0.05〜0.5％、Mg：0.01〜0.06％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する球状黒鉛鋳鉄品とする。これにより、引張強さ：700MPa以上で、伸び：５％以上を保持しつつ、優れた耐摩耗性を保持する球状黒鉛鋳鉄品となる。なお、さらに、質量％で、Ni：0.1〜1.5％、Ｓ：0.001〜0.03％含有する組成としてもよい。
【解決手段】質量％で、Ｃ：3.0〜4.0％、Si：1.8〜3.0％、Mn：0.2〜1.2％、Cu：0.2〜1.3％、Nb：0.05〜1.0％、Mo：0.05〜0.5％、Mg：0.01〜0.06％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する球状黒鉛鋳鉄品とする。これにより、引張強さ：700MPa以上で、伸び：５％以上を保持しつつ、優れた耐摩耗性を保持する球状黒鉛鋳鉄品となる。なお、さらに、質量％で、Ni：0.1〜1.5％、Ｓ：0.001〜0.03％含有する組成としてもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械用構造部材、土木・建築用構造部材、機械部品等に好適な、球状黒鉛鋳鉄品に係り、とくに５〜10％程度の高延性を有する球状黒鉛鋳鉄品の耐摩耗性の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
球状黒鉛鋳鉄は、良好な鋳造性と、高強度を有し、鍛鋼や鋳鋼の代替として、とくに工作機械用構造部材、土木建築用構造部材、機械構造部品等の使途に広く利用されている。しかし、近年、各種構造部材、構造部品等の長寿命化、さらに経済性という観点から、鋳放しのままで、所望の高強度と延性を保持しつつ、耐摩耗性が向上した、安価な鋳鉄品が要望されている。
【０００３】
このような要望に対して、例えば、特許文献１には、重量比で、Ｃ：3.20〜4.00％、Si：2.00〜3.20％、Mn：0.05〜3.00％、Ｐ：0.10％以下、Ｓ：0.120％以下、Cu：0.40〜2.00％、Mg：0.02〜0.08％、希土類：0.005〜0.300％を含み、残部Feからなる球状黒鉛鋳鉄品が提案されている。引用文献１に記載された技術によれば、MnとCuとともに希土類元素を含有させて、パーライトを緻密にすることにより、引張強さ：700N/mm２以上の高強度と、２％以上の伸びを確保できるとしている。
【０００４】
また、特許文献２には、鋳造後に鋳放しで、硬度差がある高硬度部と強靭部からなり、重量％で、ＴＣ：3.0〜4.0％、Si：2.0〜3.0％、Mg：0.03〜0.06％、Mn：0.2〜0.8％、Cu：0.5〜2.0％、Sn：0.03〜0.1％及びBi：0.002〜0.05％を含有する球状黒鉛鋳鉄品が提案されている。特許文献２に記載された技術によれば、パーライト安定化元素であるMn、Cu、Snを適正量含有させパーライトを緻密化し、さらにBiを含有させることにより、鋳放しのままで、引張強さ：600 N/mm２〜700 N/mm２以上という高強度を有する鋳鉄品とすることができるとしている。
【０００５】
また、特許文献３には、Ｃ：3.2〜3.9％、Si：2.0〜2.6％、Mn：0.6％以下を含み、Ｐ、Ｓ、Mgを適正量に調整して含み、さらに、Cu：2.4〜3.3％、Sn：0.01〜0.05％を含有し、残部Feからなる、球状黒鉛鋳鉄が提案されている。特許文献２に記載された技術により製造された球状黒鉛鋳鉄品は、CuとSnを複合含有することにより、引張強さ：900 N/mm２以上の高強度と伸び：４％以上の高延性を確保できるとしている。
【０００６】
また、特許文献４には、質量％で、Ｃ：3.4〜4.0％、Si：1.5〜2.0％、Mn：0.35〜0.5％、Ni：1.0超〜2.0％、Cu：0.2〜0.5％を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、パーライトを面積率で60〜90％、フェライトを10〜40％含む組織を有する球状黒鉛鋳鉄が提案されている。特許文献４に記載された技術によれば、引張強さ：770MPa以上で、伸び：8.0％以上の球状黒鉛鋳鉄部材とすることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2000−26932号公報
【特許文献２】特開2000−345279号公報
【特許文献３】特開2001−131678号公報
【特許文献４】特開2009−001865号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した従来技術では、主としてパーライトの増量と緻密化とにより、或る程度までの高強度化を達成でき、一定レベル程度までの耐摩耗性の向上を確保できるとしている。しかし、上記した従来技術では、パーライトの増量と緻密化により所望の耐摩耗性を確保しているため、所望の強度と延性を保持しつつ、耐摩耗性の顕著な向上を図ることは難しいという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、従来材なみの強度と、延性とを有し、さらに従来材の1.5倍以上の優れた耐摩耗性を有する球状黒鉛鋳鉄品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記した目的を達成するために、耐摩耗性と強度向上に影響する各種要因について鋭意研究した。その結果、Cuおよび／またはNiを含有し、鋳鉄の基地組織をパーライト化することにより、球状黒鉛鋳鉄の強度と耐摩耗性をともに一定レベルまで向上させることができるが、更なる耐摩耗性の向上のためには、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ等の炭化物形成元素の含有を必要とするという知見を得た。しかし、炭化物形成元素の含有は、パーライトを増加、緻密化させて強度を向上させるが、延性を低下し、鋳鉄品の硬脆化に繋がる。さらに、炭化物形成元素の多量含有は、共晶炭化物の晶出を招き、極めて脆い材質の鋳鉄品となるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明者らは、更なる検討を行い、所望の高強度と高延性を保持しつつ、更なる耐摩耗性の向上のためには、微細な極めて硬質な粒状炭化物を基地中に析出・分散させることができ、しかも析出した硬質な炭化物が周囲の基地組織に殆ど影響を及ぼさないことが重要であることに想到した。このようなことを実現できる合金元素として、本発明者らはNbに着目した。本発明者らの研究によれば、鋳鉄中ではNbは、Ｃと結合して最も硬い粒状のMC炭化物を形成するが、Nbが基地中に殆ど固溶しないため、Nb含有による基地組織の変化が少なく、また共晶炭化物の生成も抑制される。
【００１２】
さらに、本発明者らの研究によれば、Nbに加えてMoを複合含有させると、MoはMC炭化物中に固溶し、MC炭化物が強化され、強度特性を低下させることなく、耐摩耗性を更に向上させた鋳鉄品とすることができることを知見した。
すなわち、本発明者らは、適正量のNbとMoを複合含有させることにより、所望の高強度と、伸び：５〜10％という高延性とをともに維持しつつ、耐摩耗性が顕著に向上した球状黒鉛鋳鉄が得られるという新規な知見を得た。
【００１３】
まず、本発明の基礎となった実験結果について説明する。
質量％で、3.4〜3.9％Ｃ−2.3〜2.8％Si−0.4〜1.0％Mn−０〜1.4％Nb−0.3〜1.5％Cu−0.01〜0.60％Mo−0.027〜0.051％Mg−０〜1.2％Ni−残部Feからなる各組成の球状黒鉛鋳鉄製Ｙ型キールブロック（平行部肉厚：15mm）から試験片を採取し、試験を実施した。
なお、従来例を質量％で0.38％Ｃ−2.7％Si−0.6％Mn−0.5％Cu−0.05％Mg−残部Feの球状黒鉛鋳鉄とした。
【００１４】
図１に引張強さと伸びの関係を示す。なお、図１には、参考としてJIS G 5502に規定された球状黒鉛鋳鉄の引張強さと伸びの関係を併記した。
強度の増加に伴い、伸び（延性）が低下することは参考として示したJISに規定された球状黒鉛鋳鉄におけるように、ごく一般的なことであるが、Nb−Cu−Mo系、Cu系は、同一強度で比較して伸び（延性）の向上が著しくなる。
【００１５】
これら、Cu系、Nb−Cu−Mo系について、２円盤の転がりすべり方式の摩耗試験結果から、従来例の摩耗量を基準として、摩耗比＝（従来例の摩耗量）／（各鋳鉄品の摩耗量）を求め、摩耗比と伸びとの関係で図２に示す。
図２から、同一伸びで比較して、適正量のNb、Cu、Moを添加したNb−Cu−Mo系（●印）で、従来例、Cu系、適正範囲外のNb−Cu−Mo系に比べて著しい耐摩耗性の向上が認められるという知見を得た。
【００１６】
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：3.0〜4.0％、Si：1.8〜3.0％、Mn：0.2〜1.2％、Cu：0.2〜1.3％、Nb：0.05〜1.0％、Mo：0.05〜0.5％、Mg：0.01〜0.06％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、耐摩耗性に優れることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄品。
（２）（１）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ni：0.1〜1.5％含有する組成であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄品。
（３）（１）または（２）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｓ：0.001〜0.03％含有する組成であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄品。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、引張強さ：700MPa以上の高強度を有し、５％以上の高延性と、さらに従来材の1.5倍以上の優れた耐摩耗性とを兼備し、工作機械用構造部材、土木・建築用構造部材、機械部品等用として好適な、球状黒鉛鋳鉄品を容易に製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明になる球状黒鉛鋳鉄は、適度の高強度と優れた延性とを兼備し、耐摩耗性に優れる鋳鉄品であり、機械部品の金具や爪、床板や、止め具などを配した景観用部材、マンホールの蓋や、土木建築用の止め具や、その他、種々の鋳物部材への適用も可能となるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】引張強さと伸びの関係を示すグラフである。
【図２】摩耗比と伸びの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
まず、本発明の球状黒鉛鋳鉄品の組成限定理由について説明する。なお、以下、組成における質量％は単に％で記す。
Ｃ：3.0〜4.0％
Ｃは、球状黒鉛の晶出量、パーライト中の層状セメンタイト量およびＭＣ炭化物の析出量、ならびに溶湯の流動性に影響する重要な元素である。Ｃ含有量が3.0％未満では特に流動性が不足し、引け巣が発生しやすく、また黒鉛量が不足し、所望の高強度、高延性を確保する球状黒鉛鋳鉄とすることが難しくなる。一方、4.0％を超える含有は、黒鉛量が過多となり、強度が低下する。このため、Ｃは3.0〜4.0％に限定した。なお、好ましくは、3.3〜3.9％である。
【００２０】
Si：1.8〜3.0％
Siは、溶湯の流動性と白銑化に影響を及ぼすとともに、さらに黒鉛の生成を促進するとともに、フェライトの析出を促進し、高延性の確保に寄与する元素であり、本発明では1.8％以上の含有を必要とする。Siが1.8％未満では、流動性が低下して薄肉部への溶湯の充填が困難になるとともに、白銑化も発生する。一方、3.0％を超える含有は、黒鉛形状が乱れ、形状の崩れた黒鉛となりやすく、高強度化が困難になる。このため、Siは1.8〜3.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは、2.2〜2.9％である。
【００２１】
Mn：0.2〜1.2％
Mnは、基地中に固溶し、基地の高強度化に寄与する有用な元素である。このような効果を得るためには、0.2％以上の含有を必要とする。Mnが0.2％未満では強度が低下し、所望の高強度を確保できなくなる。一方、1.2％を超えるMnの含有は、凝固セルの粒界にMnが偏析して材質を脆化させる。このため、Mnは0.2〜1.2％の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.3 〜1.0％である。
【００２２】
Cu：0.2％以上1.3％以下
Cuは、パーライト組織を緻密化するととともに、基地を高強度化する作用を有する元素である。このような効果を得るためには、0.2％以上の含有を必要とする。一方、1.3％を超える含有は、延性の低下を招く。このため、Cuは0.2％以上1.3％以下の範囲に限定した。なお、好ましくは0.3〜1.1％である。
【００２３】
Nb：0.05〜1.0％
Nbは、本発明では最も重要な元素であり、硬質な粒状のMC型炭化物を形成し、適度の高強度と優れた延性とを保持しつつ、更なる耐摩耗性向上に有効に寄与する元素である。また、Nbは、凝固組織をも微細化し、高強度化に有効に寄与する。このような効果は、0.05％以上の含有で認められるが、1.0％を超える含有は、ＭＣ型炭化物が粗大化し、延性の低下を招く。このため、Nbは0.05〜1.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.1〜0.8％である。なお、Nbの添加は、フェロニオブ、あるいはFe−Nb合金を用いることが好ましいが、溶湯に溶けにくい傾向があり、溶製時の早期から投入しておくことが好ましい。なお、最近ではNb合金の表面にフラックスを被覆したり、フラックスを混合したNb合金等が市販されており、これらのNb合金を使用すれば、Nb含有合金の溶湯への溶解が促進されるという利点がある。
【００２４】
Mo：0.05〜0.5％
Moは、本発明では重要な元素であり、Nbと複合含有することにより、Moが硬質な粒状のMC型炭化物に固溶し、MC炭化物を強化して、強度特性を低下させることなく、耐摩耗性を更に向上させる作用を有する。なお、MC型炭化物に固溶しきれなかったMoは、基地を強化する作用を有する。このような効果は、0.05％以上の含有で顕著となるが、0.5％を超える含有は、引け巣（ザク巣）が出現しやすくなり、鋳物の健全性が低下する。このため、Moは0.05〜0.5％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.05〜0.4％である。
【００２５】
Mg：0.01〜0.06％
Mgは、黒鉛を球状化する作用を有し、球状黒鉛鋳鉄では必須元素である。このような効果を確保するためには、0.01％以上の含有を必要とする。一方、0.06％を超える含有は、Mgの酸化物が多量のドロスを発生させ、表面欠陥を増加させる。このため、Mgは0.01〜0.06％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.02〜0.05％である。
上記した成分が基本の成分であるが、上記した基本組成に加えてさらに、選択元素として、Niを含有してもよい。
【００２６】
Ni：0.1〜1.5％
Niは、基地中に固溶して炭素の拡散を抑制し、基地のパーライト変態を促進し、強度を増加させる効果を有する元素であり、必要に応じて含有できる。このような効果は、0.1％以上の含有で顕著となる。一方、1.5％を超える含有は、オーステナイトを安定化させ、基地組織を一部、ベイナイト化、あるいはマルテンサイト化させて、強度のばらつきを大きくする悪影響を及ぼす。このため、Niは0.1〜1.5％の範囲に限定することが好ましい。
【００２７】
Ｓ：0.001〜0.03％
Ｓは、基本的には不純物元素であるが、Mg、Si等と化合物を形成して黒鉛の核を形成し、黒鉛化を促進する作用を有する元素であるといわれている。このような効果を得るために、本発明では0.001％以上含有させる。一方、0.03％を超える含有は、黒鉛形状を低下させる。このため、Ｓは0.001〜0.03％の範囲に限定した。
【００２８】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。なお、不可避的不純物としてＰを0.04％未満、Crを0.1％未満、Tiを0.05％未満、Ｗを0.1％未満に調整することが好ましい。
Ｐは、ザク巣を増加させたり、凝固セルの粒界に偏析して材質を脆化させる作用を有する元素であり、本発明では不純物としてできるだけ低減することが望ましい。0.04％以上では上記した悪影響が顕著となる。このため、Ｐは0.04％未満に調整することが好ましい。
【００２９】
Cr、Ti、Ｗはいずれも、白銑化を促進させる元素であり、白銑化抑制のために、低減することが好ましい。Cr：0.1％未満、Ti：0.05％未満、Ｗ：0.1％未満であれば悪影響は小さく、許容できる。上記した範囲内とするためには、これら元素を多量に含有することのない溶解原料を使用することが肝要であるが、通常の一般的な溶解原料であれば、とくに溶解原料の厳選を必要としない。なお、より好ましくは、Cr：0.05％未満、Ti：0.03％未満、Ｗ：0.05％未満である。
【００３０】
また、不可避的不純物としての、Al、Ca、Ba、Bi、REMは、Al ：0.05％未満、Ca：0.008％未満、Ba：0.002％未満、Bi：0.02％未満、REM：0.05％未満、が許容できる。
Al、Ca 、Ba、Bi、REMは、通常、黒鉛球状化剤として使用されるFe−Si−Mg合金や、通常、接種剤として使用されるFe−Si合金やCa−Si合金中に含有される。このため、Al、Ca、Ba、Bi、REMは、球状黒鉛鋳鉄には不可避的に含まれる不純物となる。しかし、Al を0.05％以上を含有すると、黒鉛球状化に悪影響を及ぼし強度低下の原因となる。また、Caを0.008％以上、Baを0.002％以上含有すると、ドロスが増加し、表面欠陥の発生が増加する。また、Bi：0.02％以上含有すると、黒鉛球状化に悪影響を及ぼしたり、炭化物を晶出する場合がある。また、REMを0.05％以上含有すると、薄肉鋳鉄品を鋳造するに際して、チル組織を発生させたり、黒鉛形状を劣化させたりする。
【００３１】
上記した不純物以外の不可避的不純物として、Ｎがあるが、通常の溶湯溶製法であれば、Ｎ含有量は0.002〜0.03％程度となる。この程度の含有範囲であればとくに悪影響はない。
本発明の球状黒鉛鋳鉄品は、上記した組成を有し、鋳放しのままで、ほぼ引張強さ：700MPaの高強度と、５％以上の高延性とを有し、強度−延性バランスに優れ、さらに従来材の1.5倍以上の優れた耐摩耗性を有する。
【００３２】
つぎに、本発明の球状黒鉛鋳鉄品の好ましい製造方法について説明する。
高周波炉等の常用の鋳鉄溶製方法で母溶湯を溶製し、該母溶湯に、常用のSi−Mg合金等の黒鉛球状化剤を添加する黒鉛球状化処理を行ったのち、さらに、通常のFe−Si合金、Ca−Si合金等の接種剤で接種して上記した組成とし、所望の形状に形成された、砂型、金型等の常用の鋳型に注湯することが好ましい。なお、本発明においては、接種は、常用の方法である、取鍋に移送時に行う方法、あるいは湯道等の鋳型内（インモールド接種）で行う方法のいずれで行ってもよいことは言うまでもない。
【００３３】
以下、さらに実施例に基づいて本発明についてさらに説明する。
【実施例】
【００３４】
高周波炉を用いて溶製した母溶湯に、表１に示す合金組成となるように合金元素を添加した。なお、合金元素添加後の溶湯の最高温度は、1490〜1580℃とした。合金元素添加後の溶湯に、ついで、市販のSi−Mg合金（Fe−45質量％Si−５質量％Mg−1.8質量％REM−２質量％Ca合金）を用いてサンドイッチ法で黒鉛球状化処理を行った。ついで、溶湯を取鍋に移し替え、その際に、Fe−75質量％Si−0.2質量％Al合金で接種した。接種直後、化学分析用試料を採取し、直ちに、溶湯を砂型に注湯（鋳込み）し、Ｙ型キールブロック（平行部肉厚15mm）とした。なお、鋳込み温度は、1360℃〜1480℃とした。
【００３５】
鋳込み後、18時間以上放置したのち、型バラシを行い、Ｙ型キールブロックから、鋳放し状態で、試験片を採取し、引張試験および摩耗試験を実施した。試験方法は次のとおりとした。
（１）引張試験
Ｙ型キールブロックから、JIS 14A号引張試験片（平行部径：10mmφ×GL50mm）を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して、室温（25℃）で引張試験を実施し、引張強さTS、および伸びElを測定した。
（２）摩耗試験
Ｙ型キールブロックから、摩耗試験片（円盤状試験片：外径φ60mm×肉厚10mm）を採取した。摩耗試験は、２円盤の転がりすべり方式とした。相手材は、S45C材製の円盤状試験片（外径φ190mm×肉厚15mm）とした。摩耗試験は、試験片回転数：700rpm、すべり率：5％、荷重：100kgf（980Ｎ）、試験時間：60minとした。なお、試験片の発熱を避けるために、試験片を水冷しながら摩耗試験を実施した。摩耗試験の前後に試験片の重量測定を行い、試験片の摩耗減量（摩耗量）を測定した。各鋳鉄品の耐摩耗性は、従来例（鋳鉄品No.M）の摩耗量に対する比、摩耗比＝（従来例の摩耗量）／（各鋳鉄品（試験片）の摩耗量）で評価した。この摩耗比が大きいほど、耐摩耗性が優れることを意味する。
【００３６】
得られた結果を表２に示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
【表２】
【００３９】
本発明例はいずれも、従来例と同等の、強度と、延性（伸び）を維持しつつ、かつ従来例の1.5倍以上の耐摩耗性を有する、球状黒鉛鋳鉄品となっている。一方、本発明範囲を外れる比較例は、少なくとも強度、延性、あるいは耐摩耗性のいずれかが、所望の特性を確保できていない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械用構造部材、土木・建築用構造部材、機械部品等に好適な、球状黒鉛鋳鉄品に係り、とくに５〜10％程度の高延性を有する球状黒鉛鋳鉄品の耐摩耗性の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
球状黒鉛鋳鉄は、良好な鋳造性と、高強度を有し、鍛鋼や鋳鋼の代替として、とくに工作機械用構造部材、土木建築用構造部材、機械構造部品等の使途に広く利用されている。しかし、近年、各種構造部材、構造部品等の長寿命化、さらに経済性という観点から、鋳放しのままで、所望の高強度と延性を保持しつつ、耐摩耗性が向上した、安価な鋳鉄品が要望されている。
【０００３】
このような要望に対して、例えば、特許文献１には、重量比で、Ｃ：3.20〜4.00％、Si：2.00〜3.20％、Mn：0.05〜3.00％、Ｐ：0.10％以下、Ｓ：0.120％以下、Cu：0.40〜2.00％、Mg：0.02〜0.08％、希土類：0.005〜0.300％を含み、残部Feからなる球状黒鉛鋳鉄品が提案されている。引用文献１に記載された技術によれば、MnとCuとともに希土類元素を含有させて、パーライトを緻密にすることにより、引張強さ：700N/mm２以上の高強度と、２％以上の伸びを確保できるとしている。
【０００４】
また、特許文献２には、鋳造後に鋳放しで、硬度差がある高硬度部と強靭部からなり、重量％で、ＴＣ：3.0〜4.0％、Si：2.0〜3.0％、Mg：0.03〜0.06％、Mn：0.2〜0.8％、Cu：0.5〜2.0％、Sn：0.03〜0.1％及びBi：0.002〜0.05％を含有する球状黒鉛鋳鉄品が提案されている。特許文献２に記載された技術によれば、パーライト安定化元素であるMn、Cu、Snを適正量含有させパーライトを緻密化し、さらにBiを含有させることにより、鋳放しのままで、引張強さ：600 N/mm２〜700 N/mm２以上という高強度を有する鋳鉄品とすることができるとしている。
【０００５】
また、特許文献３には、Ｃ：3.2〜3.9％、Si：2.0〜2.6％、Mn：0.6％以下を含み、Ｐ、Ｓ、Mgを適正量に調整して含み、さらに、Cu：2.4〜3.3％、Sn：0.01〜0.05％を含有し、残部Feからなる、球状黒鉛鋳鉄が提案されている。特許文献２に記載された技術により製造された球状黒鉛鋳鉄品は、CuとSnを複合含有することにより、引張強さ：900 N/mm２以上の高強度と伸び：４％以上の高延性を確保できるとしている。
【０００６】
また、特許文献４には、質量％で、Ｃ：3.4〜4.0％、Si：1.5〜2.0％、Mn：0.35〜0.5％、Ni：1.0超〜2.0％、Cu：0.2〜0.5％を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、パーライトを面積率で60〜90％、フェライトを10〜40％含む組織を有する球状黒鉛鋳鉄が提案されている。特許文献４に記載された技術によれば、引張強さ：770MPa以上で、伸び：8.0％以上の球状黒鉛鋳鉄部材とすることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2000−26932号公報
【特許文献２】特開2000−345279号公報
【特許文献３】特開2001−131678号公報
【特許文献４】特開2009−001865号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した従来技術では、主としてパーライトの増量と緻密化とにより、或る程度までの高強度化を達成でき、一定レベル程度までの耐摩耗性の向上を確保できるとしている。しかし、上記した従来技術では、パーライトの増量と緻密化により所望の耐摩耗性を確保しているため、所望の強度と延性を保持しつつ、耐摩耗性の顕著な向上を図ることは難しいという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、従来材なみの強度と、延性とを有し、さらに従来材の1.5倍以上の優れた耐摩耗性を有する球状黒鉛鋳鉄品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記した目的を達成するために、耐摩耗性と強度向上に影響する各種要因について鋭意研究した。その結果、Cuおよび／またはNiを含有し、鋳鉄の基地組織をパーライト化することにより、球状黒鉛鋳鉄の強度と耐摩耗性をともに一定レベルまで向上させることができるが、更なる耐摩耗性の向上のためには、Cr、Mo、Ｗ、Ｖ等の炭化物形成元素の含有を必要とするという知見を得た。しかし、炭化物形成元素の含有は、パーライトを増加、緻密化させて強度を向上させるが、延性を低下し、鋳鉄品の硬脆化に繋がる。さらに、炭化物形成元素の多量含有は、共晶炭化物の晶出を招き、極めて脆い材質の鋳鉄品となるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明者らは、更なる検討を行い、所望の高強度と高延性を保持しつつ、更なる耐摩耗性の向上のためには、微細な極めて硬質な粒状炭化物を基地中に析出・分散させることができ、しかも析出した硬質な炭化物が周囲の基地組織に殆ど影響を及ぼさないことが重要であることに想到した。このようなことを実現できる合金元素として、本発明者らはNbに着目した。本発明者らの研究によれば、鋳鉄中ではNbは、Ｃと結合して最も硬い粒状のMC炭化物を形成するが、Nbが基地中に殆ど固溶しないため、Nb含有による基地組織の変化が少なく、また共晶炭化物の生成も抑制される。
【００１２】
さらに、本発明者らの研究によれば、Nbに加えてMoを複合含有させると、MoはMC炭化物中に固溶し、MC炭化物が強化され、強度特性を低下させることなく、耐摩耗性を更に向上させた鋳鉄品とすることができることを知見した。
すなわち、本発明者らは、適正量のNbとMoを複合含有させることにより、所望の高強度と、伸び：５〜10％という高延性とをともに維持しつつ、耐摩耗性が顕著に向上した球状黒鉛鋳鉄が得られるという新規な知見を得た。
【００１３】
まず、本発明の基礎となった実験結果について説明する。
質量％で、3.4〜3.9％Ｃ−2.3〜2.8％Si−0.4〜1.0％Mn−０〜1.4％Nb−0.3〜1.5％Cu−0.01〜0.60％Mo−0.027〜0.051％Mg−０〜1.2％Ni−残部Feからなる各組成の球状黒鉛鋳鉄製Ｙ型キールブロック（平行部肉厚：15mm）から試験片を採取し、試験を実施した。
なお、従来例を質量％で0.38％Ｃ−2.7％Si−0.6％Mn−0.5％Cu−0.05％Mg−残部Feの球状黒鉛鋳鉄とした。
【００１４】
図１に引張強さと伸びの関係を示す。なお、図１には、参考としてJIS G 5502に規定された球状黒鉛鋳鉄の引張強さと伸びの関係を併記した。
強度の増加に伴い、伸び（延性）が低下することは参考として示したJISに規定された球状黒鉛鋳鉄におけるように、ごく一般的なことであるが、Nb−Cu−Mo系、Cu系は、同一強度で比較して伸び（延性）の向上が著しくなる。
【００１５】
これら、Cu系、Nb−Cu−Mo系について、２円盤の転がりすべり方式の摩耗試験結果から、従来例の摩耗量を基準として、摩耗比＝（従来例の摩耗量）／（各鋳鉄品の摩耗量）を求め、摩耗比と伸びとの関係で図２に示す。
図２から、同一伸びで比較して、適正量のNb、Cu、Moを添加したNb−Cu−Mo系（●印）で、従来例、Cu系、適正範囲外のNb−Cu−Mo系に比べて著しい耐摩耗性の向上が認められるという知見を得た。
【００１６】
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：3.0〜4.0％、Si：1.8〜3.0％、Mn：0.2〜1.2％、Cu：0.2〜1.3％、Nb：0.05〜1.0％、Mo：0.05〜0.5％、Mg：0.01〜0.06％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、耐摩耗性に優れることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄品。
（２）（１）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ni：0.1〜1.5％含有する組成であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄品。
（３）（１）または（２）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｓ：0.001〜0.03％含有する組成であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄品。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、引張強さ：700MPa以上の高強度を有し、５％以上の高延性と、さらに従来材の1.5倍以上の優れた耐摩耗性とを兼備し、工作機械用構造部材、土木・建築用構造部材、機械部品等用として好適な、球状黒鉛鋳鉄品を容易に製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明になる球状黒鉛鋳鉄は、適度の高強度と優れた延性とを兼備し、耐摩耗性に優れる鋳鉄品であり、機械部品の金具や爪、床板や、止め具などを配した景観用部材、マンホールの蓋や、土木建築用の止め具や、その他、種々の鋳物部材への適用も可能となるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】引張強さと伸びの関係を示すグラフである。
【図２】摩耗比と伸びの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
まず、本発明の球状黒鉛鋳鉄品の組成限定理由について説明する。なお、以下、組成における質量％は単に％で記す。
Ｃ：3.0〜4.0％
Ｃは、球状黒鉛の晶出量、パーライト中の層状セメンタイト量およびＭＣ炭化物の析出量、ならびに溶湯の流動性に影響する重要な元素である。Ｃ含有量が3.0％未満では特に流動性が不足し、引け巣が発生しやすく、また黒鉛量が不足し、所望の高強度、高延性を確保する球状黒鉛鋳鉄とすることが難しくなる。一方、4.0％を超える含有は、黒鉛量が過多となり、強度が低下する。このため、Ｃは3.0〜4.0％に限定した。なお、好ましくは、3.3〜3.9％である。
【００２０】
Si：1.8〜3.0％
Siは、溶湯の流動性と白銑化に影響を及ぼすとともに、さらに黒鉛の生成を促進するとともに、フェライトの析出を促進し、高延性の確保に寄与する元素であり、本発明では1.8％以上の含有を必要とする。Siが1.8％未満では、流動性が低下して薄肉部への溶湯の充填が困難になるとともに、白銑化も発生する。一方、3.0％を超える含有は、黒鉛形状が乱れ、形状の崩れた黒鉛となりやすく、高強度化が困難になる。このため、Siは1.8〜3.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは、2.2〜2.9％である。
【００２１】
Mn：0.2〜1.2％
Mnは、基地中に固溶し、基地の高強度化に寄与する有用な元素である。このような効果を得るためには、0.2％以上の含有を必要とする。Mnが0.2％未満では強度が低下し、所望の高強度を確保できなくなる。一方、1.2％を超えるMnの含有は、凝固セルの粒界にMnが偏析して材質を脆化させる。このため、Mnは0.2〜1.2％の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.3 〜1.0％である。
【００２２】
Cu：0.2％以上1.3％以下
Cuは、パーライト組織を緻密化するととともに、基地を高強度化する作用を有する元素である。このような効果を得るためには、0.2％以上の含有を必要とする。一方、1.3％を超える含有は、延性の低下を招く。このため、Cuは0.2％以上1.3％以下の範囲に限定した。なお、好ましくは0.3〜1.1％である。
【００２３】
Nb：0.05〜1.0％
Nbは、本発明では最も重要な元素であり、硬質な粒状のMC型炭化物を形成し、適度の高強度と優れた延性とを保持しつつ、更なる耐摩耗性向上に有効に寄与する元素である。また、Nbは、凝固組織をも微細化し、高強度化に有効に寄与する。このような効果は、0.05％以上の含有で認められるが、1.0％を超える含有は、ＭＣ型炭化物が粗大化し、延性の低下を招く。このため、Nbは0.05〜1.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.1〜0.8％である。なお、Nbの添加は、フェロニオブ、あるいはFe−Nb合金を用いることが好ましいが、溶湯に溶けにくい傾向があり、溶製時の早期から投入しておくことが好ましい。なお、最近ではNb合金の表面にフラックスを被覆したり、フラックスを混合したNb合金等が市販されており、これらのNb合金を使用すれば、Nb含有合金の溶湯への溶解が促進されるという利点がある。
【００２４】
Mo：0.05〜0.5％
Moは、本発明では重要な元素であり、Nbと複合含有することにより、Moが硬質な粒状のMC型炭化物に固溶し、MC炭化物を強化して、強度特性を低下させることなく、耐摩耗性を更に向上させる作用を有する。なお、MC型炭化物に固溶しきれなかったMoは、基地を強化する作用を有する。このような効果は、0.05％以上の含有で顕著となるが、0.5％を超える含有は、引け巣（ザク巣）が出現しやすくなり、鋳物の健全性が低下する。このため、Moは0.05〜0.5％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.05〜0.4％である。
【００２５】
Mg：0.01〜0.06％
Mgは、黒鉛を球状化する作用を有し、球状黒鉛鋳鉄では必須元素である。このような効果を確保するためには、0.01％以上の含有を必要とする。一方、0.06％を超える含有は、Mgの酸化物が多量のドロスを発生させ、表面欠陥を増加させる。このため、Mgは0.01〜0.06％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.02〜0.05％である。
上記した成分が基本の成分であるが、上記した基本組成に加えてさらに、選択元素として、Niを含有してもよい。
【００２６】
Ni：0.1〜1.5％
Niは、基地中に固溶して炭素の拡散を抑制し、基地のパーライト変態を促進し、強度を増加させる効果を有する元素であり、必要に応じて含有できる。このような効果は、0.1％以上の含有で顕著となる。一方、1.5％を超える含有は、オーステナイトを安定化させ、基地組織を一部、ベイナイト化、あるいはマルテンサイト化させて、強度のばらつきを大きくする悪影響を及ぼす。このため、Niは0.1〜1.5％の範囲に限定することが好ましい。
【００２７】
Ｓ：0.001〜0.03％
Ｓは、基本的には不純物元素であるが、Mg、Si等と化合物を形成して黒鉛の核を形成し、黒鉛化を促進する作用を有する元素であるといわれている。このような効果を得るために、本発明では0.001％以上含有させる。一方、0.03％を超える含有は、黒鉛形状を低下させる。このため、Ｓは0.001〜0.03％の範囲に限定した。
【００２８】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。なお、不可避的不純物としてＰを0.04％未満、Crを0.1％未満、Tiを0.05％未満、Ｗを0.1％未満に調整することが好ましい。
Ｐは、ザク巣を増加させたり、凝固セルの粒界に偏析して材質を脆化させる作用を有する元素であり、本発明では不純物としてできるだけ低減することが望ましい。0.04％以上では上記した悪影響が顕著となる。このため、Ｐは0.04％未満に調整することが好ましい。
【００２９】
Cr、Ti、Ｗはいずれも、白銑化を促進させる元素であり、白銑化抑制のために、低減することが好ましい。Cr：0.1％未満、Ti：0.05％未満、Ｗ：0.1％未満であれば悪影響は小さく、許容できる。上記した範囲内とするためには、これら元素を多量に含有することのない溶解原料を使用することが肝要であるが、通常の一般的な溶解原料であれば、とくに溶解原料の厳選を必要としない。なお、より好ましくは、Cr：0.05％未満、Ti：0.03％未満、Ｗ：0.05％未満である。
【００３０】
また、不可避的不純物としての、Al、Ca、Ba、Bi、REMは、Al ：0.05％未満、Ca：0.008％未満、Ba：0.002％未満、Bi：0.02％未満、REM：0.05％未満、が許容できる。
Al、Ca 、Ba、Bi、REMは、通常、黒鉛球状化剤として使用されるFe−Si−Mg合金や、通常、接種剤として使用されるFe−Si合金やCa−Si合金中に含有される。このため、Al、Ca、Ba、Bi、REMは、球状黒鉛鋳鉄には不可避的に含まれる不純物となる。しかし、Al を0.05％以上を含有すると、黒鉛球状化に悪影響を及ぼし強度低下の原因となる。また、Caを0.008％以上、Baを0.002％以上含有すると、ドロスが増加し、表面欠陥の発生が増加する。また、Bi：0.02％以上含有すると、黒鉛球状化に悪影響を及ぼしたり、炭化物を晶出する場合がある。また、REMを0.05％以上含有すると、薄肉鋳鉄品を鋳造するに際して、チル組織を発生させたり、黒鉛形状を劣化させたりする。
【００３１】
上記した不純物以外の不可避的不純物として、Ｎがあるが、通常の溶湯溶製法であれば、Ｎ含有量は0.002〜0.03％程度となる。この程度の含有範囲であればとくに悪影響はない。
本発明の球状黒鉛鋳鉄品は、上記した組成を有し、鋳放しのままで、ほぼ引張強さ：700MPaの高強度と、５％以上の高延性とを有し、強度−延性バランスに優れ、さらに従来材の1.5倍以上の優れた耐摩耗性を有する。
【００３２】
つぎに、本発明の球状黒鉛鋳鉄品の好ましい製造方法について説明する。
高周波炉等の常用の鋳鉄溶製方法で母溶湯を溶製し、該母溶湯に、常用のSi−Mg合金等の黒鉛球状化剤を添加する黒鉛球状化処理を行ったのち、さらに、通常のFe−Si合金、Ca−Si合金等の接種剤で接種して上記した組成とし、所望の形状に形成された、砂型、金型等の常用の鋳型に注湯することが好ましい。なお、本発明においては、接種は、常用の方法である、取鍋に移送時に行う方法、あるいは湯道等の鋳型内（インモールド接種）で行う方法のいずれで行ってもよいことは言うまでもない。
【００３３】
以下、さらに実施例に基づいて本発明についてさらに説明する。
【実施例】
【００３４】
高周波炉を用いて溶製した母溶湯に、表１に示す合金組成となるように合金元素を添加した。なお、合金元素添加後の溶湯の最高温度は、1490〜1580℃とした。合金元素添加後の溶湯に、ついで、市販のSi−Mg合金（Fe−45質量％Si−５質量％Mg−1.8質量％REM−２質量％Ca合金）を用いてサンドイッチ法で黒鉛球状化処理を行った。ついで、溶湯を取鍋に移し替え、その際に、Fe−75質量％Si−0.2質量％Al合金で接種した。接種直後、化学分析用試料を採取し、直ちに、溶湯を砂型に注湯（鋳込み）し、Ｙ型キールブロック（平行部肉厚15mm）とした。なお、鋳込み温度は、1360℃〜1480℃とした。
【００３５】
鋳込み後、18時間以上放置したのち、型バラシを行い、Ｙ型キールブロックから、鋳放し状態で、試験片を採取し、引張試験および摩耗試験を実施した。試験方法は次のとおりとした。
（１）引張試験
Ｙ型キールブロックから、JIS 14A号引張試験片（平行部径：10mmφ×GL50mm）を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して、室温（25℃）で引張試験を実施し、引張強さTS、および伸びElを測定した。
（２）摩耗試験
Ｙ型キールブロックから、摩耗試験片（円盤状試験片：外径φ60mm×肉厚10mm）を採取した。摩耗試験は、２円盤の転がりすべり方式とした。相手材は、S45C材製の円盤状試験片（外径φ190mm×肉厚15mm）とした。摩耗試験は、試験片回転数：700rpm、すべり率：5％、荷重：100kgf（980Ｎ）、試験時間：60minとした。なお、試験片の発熱を避けるために、試験片を水冷しながら摩耗試験を実施した。摩耗試験の前後に試験片の重量測定を行い、試験片の摩耗減量（摩耗量）を測定した。各鋳鉄品の耐摩耗性は、従来例（鋳鉄品No.M）の摩耗量に対する比、摩耗比＝（従来例の摩耗量）／（各鋳鉄品（試験片）の摩耗量）で評価した。この摩耗比が大きいほど、耐摩耗性が優れることを意味する。
【００３６】
得られた結果を表２に示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
【表２】
【００３９】
本発明例はいずれも、従来例と同等の、強度と、延性（伸び）を維持しつつ、かつ従来例の1.5倍以上の耐摩耗性を有する、球状黒鉛鋳鉄品となっている。一方、本発明範囲を外れる比較例は、少なくとも強度、延性、あるいは耐摩耗性のいずれかが、所望の特性を確保できていない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：3.0〜4.0％、 Si：1.8〜3.0％、
Mn：0.2〜1.2％、 Cu：0.2〜1.3％、
Nb：0.05〜1.0％、 Mo：0.05〜0.5％、
Mg：0.01〜0.06％、
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、耐摩耗性に優れることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄品。
【請求項２】
前記組成に加えてさらに、質量％で、Ni：0.1〜1.5％含有する組成であることを特徴とする請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄品。
【請求項３】
前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｓ：0.001〜0.03％含有する組成であることを特徴とする請求項１または２に記載の球状黒鉛鋳鉄品。
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：3.0〜4.0％、 Si：1.8〜3.0％、
Mn：0.2〜1.2％、 Cu：0.2〜1.3％、
Nb：0.05〜1.0％、 Mo：0.05〜0.5％、
Mg：0.01〜0.06％、
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、耐摩耗性に優れることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄品。
【請求項２】
前記組成に加えてさらに、質量％で、Ni：0.1〜1.5％含有する組成であることを特徴とする請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄品。
【請求項３】
前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｓ：0.001〜0.03％含有する組成であることを特徴とする請求項１または２に記載の球状黒鉛鋳鉄品。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−５２２００（Ｐ２０１２−５２２００Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９６８３４（Ｐ２０１０−１９６８３４）
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
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