薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法
【課題】アルゴンガスなどの不活性ガスを鋳鉄溶湯に吹き込んで精錬することにより、５ｍｍ未満の肉厚の球状黒鉛鋳鉄を容易に得ることが可能な製造方法を提供する。
【解決手段】誘導炉内で所定の鋳鉄組成の溶湯を作製し、１５００℃以上の温度に昇温した後、前記溶湯内に不活性ガスを吹き込み、チル試験により溶湯が十分に精錬されたことを確認し、１５００℃以上の温度で、取鍋に出湯し、マグネシウム又はマグネシウム合金を添加し、次いでフェロシリコン又はこれに類する接種剤で接種を行って、鋳型に鋳込む。
【解決手段】誘導炉内で所定の鋳鉄組成の溶湯を作製し、１５００℃以上の温度に昇温した後、前記溶湯内に不活性ガスを吹き込み、チル試験により溶湯が十分に精錬されたことを確認し、１５００℃以上の温度で、取鍋に出湯し、マグネシウム又はマグネシウム合金を添加し、次いでフェロシリコン又はこれに類する接種剤で接種を行って、鋳型に鋳込む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法に関し、特に薄肉球状黒鉛鋳鉄製品を簡易な方法により製造できる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、特開平７−１３８６２７号公報に記載されているように、肉厚が０．５ｍｍ〜５ｍｍの薄肉球状黒鉛鋳鉄は公知である。ここで、鋳鉄とは、高炭素・高珪素の鉄合金のことである。これに関し、特開平７−１３８６２７号公報には、「減圧タンク中で鋳鉄熔金を脱ガスして大気の気圧に戻し極く微量の希土類元素又は亜希土類元素を挿入することにより球状黒鉛鋳鉄を製造する方法」が開示されている。具体的には、希土類元素、亜希土類元素を０．００５〜０．０１０質量％含有する鋳鉄溶湯を１４００℃以上の温度で減圧タンクに挿入して、水銀柱１０ｍｍＨｇ以下の減圧化で処理する。これにより、溶湯中に含まれるガスが脱却されて、表面張力が低下し、粘性も低下し、湯走りが良くなり、前記厚みの薄肉鋳鉄を製造できるとされている。また、減圧タンク内の処理で、溶湯に過冷現象が発生して共晶黒鉛を生成するとされている。
【０００３】
また、特開平７−１３８６２７号公報には、「アルゴンガスを鋳鉄熔金に挿入して共晶黒鉛鋳鉄を製造することが従来技術にあるが、方法が複雑で、肉厚が２〜５ｍｍと範囲が狭い」ことが記載されている。しかし、その詳細は不明であり、アルゴンガスを鋳鉄熔金に挿入して共晶黒鉛鋳鉄を製造する方法については、具体的開示がなされていない。したがって、具体的に実施することは困難である。
【０００４】
また、アルゴンガスを鋳鉄溶湯に吹き込んで球状黒鉛鋳鉄を製造することは特開平７−１３８６２７号公報に記載されていない。
【０００５】
他方、減圧タンク中で鋳鉄溶湯を脱ガスして大気の気圧に戻す工程を有する前述の方法では、減圧タンクの設置や真空作業が製品のコスト低減や歩留まり向上に対する障害となっている。この点、アルゴンガスを鋳鉄溶湯に吹き込んで球状黒鉛鋳鉄を得る製造方法が採用できれば、減圧タンクや真空設備が不要であり、操作も簡単となり、製品のコスト低減や歩留まり向上に有利といえる。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１３８６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明は、アルゴンガスなどの不活性ガスを鋳鉄溶湯に吹き込んで精錬することにより、５ｍｍ未満の肉厚の球状黒鉛鋳鉄を容易に得ることが可能な製造方法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】
【０００８】
本発明に係る薄肉球状黒鉛鋳鉄製品は、黒鉛がほぼ均一に分布しており、かつ、黒鉛が９５％以上球状化、すなわちほぼ１００％球状化しており、さらに、黒鉛の大きさが２５μｍ以下で、ほぼ２０μｍである。
【０００９】
本発明に係る薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法は、溶解炉内で所定の鋳鉄組成の溶湯を作製し、１５００℃以上の温度に昇温した後、前記溶湯内に不活性ガスを吹き込み、チル試験により溶湯が十分に精錬されたことを確認し、１５００℃以上の温度で、取鍋に出湯し、マグネシウム又はマグネシウム合金を添加し、次いでフェロシリコン又はこれに類する接種剤で接種を行って、鋳型に鋳込むことを特徴とする。なお、本発明において所定の鋳鉄組成とは、一般的に鋳鉄と称せられる高炭素・高珪素のＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金の組成のことである。
【００１０】
前記所定の鋳鉄組成は、Ｃ：２．５〜４．０質量％、Ｓｉ：０．５〜４．０質量％、Ｓ≦０．０２質量％、Ｍｎ≦０．２質量％、Ｐ≦０．０８質量％であることが好ましい。
【００１１】
また、前記不活性ガスを吹き込んだ後の溶湯中の全酸素量が質量比で１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。さらに、前記不活性ガスを吹き込んだ後の溶湯中の全酸素量が質量比で４〜６ｐｐｍであることがより好ましい。
【００１２】
前記不活性ガスとして、例えばアルゴンガスを採用できる。
【００１３】
なお、前記チル試験は、上下に開放穴を有する所定形状の砂型の下側開口を純銅製水冷チル板に突き当てて、溶湯を該開放穴に注入して、凝固させて試験片を作製し、該試験片中央部の破面のマクロ組織でチル状況を判断することにより行う。これにより、簡単に、鋳鉄の精錬状態を知ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法によれば、比較的単純な工程により、５ｍｍ以下、特に１．５〜３ｍｍの薄肉球状黒鉛鋳鉄を効率よく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る鋳鉄の製造方法の各構成要件について、数値限定理由等を説明する。
【００１６】
（鋳鉄の成分）
鋳鉄が共晶組成となるように、所定の鋳鉄組成となるようにすることが望ましい。そのため、本発明の製造方法に用いる鋳鉄組成は、Ｃ：２．５〜４．０質量％、Ｓｉ：０．５〜４．０質量％、Ｓ≦０．０２質量％、Ｍｎ≦０．２質量％、Ｐ≦０．０８質量％であることが好ましい。
【００１７】
Ｃは、鋳鉄の流動性に影響を与え、全Ｃ量が多いほど融点が低下するため、流動性を増し、鋳物をつくりやすくなる。Ｓｉは、セメンタイトＦｅ3Ｃを分解する働きがあり、鋳鉄中に含まれるＣを黒鉛化するのに寄与する。
【００１８】
ＣとＳｉの含有量は、鋳鉄が共晶組成となるための適正な量とバランスとすることが最も好ましい。そのため、Ｃ：３．５質量％、Ｓｉ：２．５質量％とすることが最適であるが、本発明の実施に際しては、ＣとＳｉの含有量は、Ｃ：２．５〜４．０質量％、Ｓｉ：０．５〜４．０質量％であれば適用することができる。
【００１９】
Ｓは、球状化黒鉛の生成を阻害するものであるから、本発明に係る鋳鉄の組成においては、できるだけ少なくすることが好ましく、Ｓの含有量は０．０２質量％以下とすることが好ましい。
【００２０】
Ｍｎは、鋳鉄の伸びに影響を与え、Ｍｎの含有量が少ない方が鋳鉄の伸びがよくなる。したがって、Ｍｎの含有量は、０．２質量％以下であることが好ましい。
【００２１】
Ｐは、鋳鉄の流動性を良好にする働きがあるが、その効果はＣの約１／３である。一方、鉄と化合してステダイト（Ｆｅ3Ｐ）を形成し、鋳物を脆くする。このＰの弊害を小さくするためにＰ量は０．０８質量％以下とすることが好ましい。
【００２２】
（鋳鉄の精錬）
本発明における鋳鉄は、高炭素・高珪素のＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金である。このようなＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金では、珪素が含まれているので、珪素酸化物の含有量が多くなる。
【００２３】
鋳鉄溶湯中の酸素は、主に、珪素酸化物の形で存在するが、溶湯中の溶解酸素の形でも存在する。鋳鉄溶湯中の珪素酸化物は、黒鉛発生の核となり得る。また、鋳鉄溶湯中の溶解酸素は、Ｃと反応してＣＯとなり、脱酸が行われ、黒鉛の析出・成長に悪影響を与える。したがって、球状黒鉛鋳鉄の製造においては、酸素含有量を制御する必要がある。
【００２４】
珪素酸化物中の酸素は、非溶解酸素であり、１４６０℃より高い温度で、溶湯中の炭素によって還元される。溶解炉として誘導炉を採用した場合、炉の中央部に向かう溶湯の流れが生じ、炉の中央部で溶湯の流れがぶつかり合い、撹拌が生じ、炉の中央部において溶湯中の炭素と酸化物の衝突確率が高まり、還元反応が促進される。これに加えて、アルゴンガスなどの不活性ガスを吹き込むと、更に撹拌が促進されるとともに、介在物である酸化物は気泡の表面に付着して浮上分離するので、Ｃによる珪酸または珪酸塩の還元反応が促進される。また、アルゴンガスなどの不活性ガスの気泡内のＣＯ分圧が低いため、不活性ガスを吹き込むとＣＯ反応が促進され、溶湯中の酸素が減少する。
【００２５】
このようなメカニズムにより、アルゴンガスなどの不活性ガスを吹き込むと脱酸効率が向上し、溶湯中の全酸素含有量は４〜６ｐｐｍにまで減少させることができる。
【００２６】
溶解酸素濃度は、酸素活量を表し、溶湯の温度上昇と共に増加し、１５１０℃で１．２〜１．８ｐｐｍとなるが、球状化処理、すなわちマグネシウムまたはマグネシウム合金の添加で０．２〜０．３ｐｐｍ程度にまで減少する。また、溶解酸素は、溶湯中の炭素と反応して、ＣＯガスとなって浮上分離し、これにより脱酸が行われる。
【００２７】
（溶解）
本発明において用いる溶解炉は、誘導炉（高周波誘導や低周波誘導の電気溶解炉）でも、キューポラでもよい。誘導炉を用いる場合、アルゴンガスを溶湯中に吹き込むことで、溶湯中の酸化物の還元精錬を促進し、溶湯中の全酸素含有量を１０ｐｐｍ以下、好ましくは４〜６ｐｐｍの範囲に制御することができる。キューポラを用いる場合、１５００℃以上の溶湯を取鍋に出湯し、カルシウムカーバイドを添加して脱硫処理をするとともに、アルゴンガスを溶湯中に吹き込むことで、溶湯中の酸化物の還元精錬を促進し、溶湯中の全酸素含有量を１０ｐｐｍ以下、好ましくは４〜６ｐｐｍの範囲に制御することができる。このようにして溶湯中の全酸素含有量を制御することにより、溶湯中において適切に球状黒鉛を発生・成長させることができる。このため、溶湯の流動性が向上し、肉厚が５ｍｍ以下、特に２ｍｍ以下の薄肉球状黒鉛鋳鉄も容易に製造できる。
【００２８】
誘導炉としては、具体的には、５０〜６０Ｈｚの低周波炉や５００Ｈｚ以上の高周波炉を用いることができる。低周波炉は、撹拌力が強いので炭素による還元精錬が促進され、１５００℃に５分間保持することで精錬効果が得られるが、溶解開始時に特定の材料装入方法が必要になる欠点がある。高周波炉は、材料装入が簡単であるが、撹拌力が弱いので、低周波炉と同じ精錬効果を得るには１５００℃に２０分間以上保持することが必要で、精錬時間が長くなる欠点がある。精錬時間に長短があるが、どちらの炉を用いても溶解温度は１５００度以上とすることが必要である。１５００℃以下では、鋳鉄中の酸化物が十分に還元されなくなるからである。
【００２９】
（不活性ガス吹き込み）
アルゴンガスなどの不活性ガスを鋳鉄溶湯に吹き込み、気泡を発生させることで、精錬効果を上げることができる。アルゴンガスなどの不活性ガスを鋳鉄溶湯へ吹き込む条件は、例えば、圧力：０．５〜１．０ｋｇ/ｃｍ2、流量：２０〜３０リットル／分、時間：５〜８分である。鋳鉄溶湯に吹き込まれたアルゴンガスなどの不活性ガスの気泡は、鋳鉄溶湯の撹拌を促進するとともに、介在物の酸化物を浮上分離させて炭素と酸化物の衝突を多くさせ、酸化物の還元を促進する。さらに、吹き込まれた不活性ガスの気泡内のＣＯ分圧が低いため、不活性ガスの吹き込みによりＣＯ反応が促進され、溶湯中の酸素は減少し、精錬効果が向上する。
【００３０】
このような働きをする気体であれば、溶湯中への吹き込みに用いることができ、不活性ガスとしては、アルゴンガスの代わりに、例えば窒素ガスを使うこともできる。
【００３１】
なお、溶湯への吹き込みには、鋼製のランスパイプを使用することができるが、炭素含有量の多い溶湯ではランスパイプの消耗が激しいので、マグネシア等の耐火物のライニングが必要である。また、炉の底にポーラスなレンガを配した場合には、そのレンガを介して炉の底からアルゴン等の不活性ガスを吹き込んでもよい。
【００３２】
（チル試験）
チル試験は、溶湯の還元状態を調べるための試験であり、溶湯中の全酸素量の定性的な測定を行うものである。図１は、チル試験用の砂型およびチルプレートを示す斜視図である。チルプレート１上にチル試験用の砂型２を設置し、この状態で、溶湯を砂型２に流し込む。砂型２は上下開放穴３を有しており、上下開放穴３の大きさは、高さ４５ｍｍ、長さ８０ｍｍ、幅１０ｍｍ（上端）〜８ｍｍ（下端）である。砂型２の肉厚は２０ｍｍである。
【００３３】
チル試験の内容について具体的に述べると、砂型２の下側開口を厚さ３０ｍｍの純銅製水冷チルプレート１に突き当てて、溶湯を上下開放穴３に注入して、凝固させ、冷却後試験片の長さ方向の中央部で縦に破断する。その破面のマクロ組織でチル状況を判断し、溶湯中の全酸素量を定性的に判断する。チルが三角形状に現れたとき、精錬が充分に進み、溶湯中の全酸素量が１０ｐｐｍ以下に低下したと判断できる。溶湯中の全酸素量が１０ｐｐｍ以下に低下すれば、流動性のよい球状黒鉛鋳鉄を最も確実に製造できる状態と判断できる。
【００３４】
（黒鉛球状化）
チル試験により、溶湯の状態が、全酸素１０ｐｐｍ以下、好ましくは４〜６ｐｐｍであることを確認した後、温度１５００℃以上の状態で取鍋に出湯し、取鍋中の溶湯にマグネシウムまたはマグネシウム合金（例えば、フェロシリコンマグネシウム）を添加する。これにより、珪素酸化物を主体とする介在物が除去され溶解酸素が低減し、黒鉛の球状化が進む。
【００３５】
（溶湯の流動性）
チル試験で精錬状態（全酸素１０ｐｐｍ以下、好ましくは４〜６ｐｐｍ）を把握してから前述のマグネシウム添加による黒鉛球状化処理を行うことにより、溶湯の流動性が良くなり１．５ｍｍ〜３ｍｍの薄肉鋳鉄を容易に鋳造できるようになる。ミクロ介在物の減少や過冷等の影響で流動性が良くなるためと思われる。
【００３６】
（接種）
温度１５００℃以上の状態で加熱を止めて、取鍋に出湯し、前述のマグネシウム添加による黒鉛球状化処理を行った後、フェロシリコン（Ｓｉ：７５質量％）等で接種を行う。接種を行うことで黒鉛生成の核が増え、良好な球状黒鉛鋳鉄となる。なお、フェロシリコンと同様の効果を有する類似の接種剤として、その他にカルシウムシリコン等が利用できる。
【実施例】
【００３７】
（実施例）
周波数３０００Ｈｚ、容量１００ｋｇの高周波電気溶解炉（マグネシアライニング）内に、ダクタイル銑鉄、鉄スクラップ、フェロシリコン（Ｓｉ７５質量％）を装入して所定の鋳鉄組成に溶湯を作製した。１５５０℃まで温度を昇温させ保持した後、外径２７．６ｍｍ、内径１９．５ｍｍのランスパイプにより炉中にアルゴンガスを圧力０．５〜１．０ｋｇ/ｃｍ2、流量２０〜３０リットル／分で７分にわたって吹き込んだ。チル試験により、溶湯が十分に精錬されたことを確認した後、１５５０℃の温度で加熱を止めて、取鍋に出湯した。そして、取鍋中の溶湯にフェロシリコンマグネシウムからなる黒鉛球状化剤を添加して（Ｍｇ換算で０．４質量％）黒鉛球状化を行い、次いでフェロシリコン（Ｓｉ７５質量％）で接種を行って、１３５０℃で鋳型に鋳込んだ。このようにして肉厚３ｍｍの球状黒鉛鋳鉄鍋製品を製造した。
【００３８】
チル試験は、具体的には、高さ４５ｍｍ、長さ８０ｍｍ、幅１０ｍｍ（上端）〜８ｍｍ（下端）の上下開放穴を有する砂型（長さ方向の肉厚２０ｍｍ）の下側開口を厚さ３０ｍｍの純銅製水冷チル板に突き当てて、溶湯を該開放穴に注入して、凝固させ、試験片の長さ方向の中央部で縦に破断した破面のマクロ組織でチル状況を判断することにより行った。チルが三角形状に現れたとき、精錬が充分に進み、溶湯の全酸素量が低下して球状黒鉛鋳鉄を良好に製造できる状態にあると判断した。
【００３９】
表１に作製した薄肉球状黒鉛鋳鉄鍋製品の組成を示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
図２は、本発明の方法により作製した薄肉球状黒鉛鋳鉄鍋製品の断面の顕微鏡写真である。黒い丸の部分は黒鉛であり、黒鉛はほぼ１００％球状化している。その他の基地の部分のうち、灰色の部分はパーライトであり、白い部分はフェライトである。
【００４２】
この顕微鏡写真からわかるように、黒鉛はほぼ１００％球状化しており、かつ、その球状化した黒鉛はほぼ均一に分散しており、良好な黒鉛鋳鉄の組織となっている。さらに、黒鉛の大きさは２０μｍ程度と小さく、薄肉の製品を作製するのに適した組織となっている。
【００４３】
図３は、本発明の方法により作製した薄肉球状黒鉛鋳鉄鍋製品の断面を写した写真である。この鍋製品の厚さは１．５ｍｍ程度であり、薄肉化されている。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】チル試験用の砂型およびチルプレートを示す斜視図である。
【図２】本発明の方法により作製した薄肉球状黒鉛鋳鉄鍋製品の断面の顕微鏡写真である。
【図３】本発明の方法により作製した薄肉球状黒鉛鋳鉄鍋製品の断面を写した写真である。
【符号の説明】
【００４５】
１ チルプレート
２ 砂型
３ 上下開放穴
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法に関し、特に薄肉球状黒鉛鋳鉄製品を簡易な方法により製造できる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、特開平７−１３８６２７号公報に記載されているように、肉厚が０．５ｍｍ〜５ｍｍの薄肉球状黒鉛鋳鉄は公知である。ここで、鋳鉄とは、高炭素・高珪素の鉄合金のことである。これに関し、特開平７−１３８６２７号公報には、「減圧タンク中で鋳鉄熔金を脱ガスして大気の気圧に戻し極く微量の希土類元素又は亜希土類元素を挿入することにより球状黒鉛鋳鉄を製造する方法」が開示されている。具体的には、希土類元素、亜希土類元素を０．００５〜０．０１０質量％含有する鋳鉄溶湯を１４００℃以上の温度で減圧タンクに挿入して、水銀柱１０ｍｍＨｇ以下の減圧化で処理する。これにより、溶湯中に含まれるガスが脱却されて、表面張力が低下し、粘性も低下し、湯走りが良くなり、前記厚みの薄肉鋳鉄を製造できるとされている。また、減圧タンク内の処理で、溶湯に過冷現象が発生して共晶黒鉛を生成するとされている。
【０００３】
また、特開平７−１３８６２７号公報には、「アルゴンガスを鋳鉄熔金に挿入して共晶黒鉛鋳鉄を製造することが従来技術にあるが、方法が複雑で、肉厚が２〜５ｍｍと範囲が狭い」ことが記載されている。しかし、その詳細は不明であり、アルゴンガスを鋳鉄熔金に挿入して共晶黒鉛鋳鉄を製造する方法については、具体的開示がなされていない。したがって、具体的に実施することは困難である。
【０００４】
また、アルゴンガスを鋳鉄溶湯に吹き込んで球状黒鉛鋳鉄を製造することは特開平７−１３８６２７号公報に記載されていない。
【０００５】
他方、減圧タンク中で鋳鉄溶湯を脱ガスして大気の気圧に戻す工程を有する前述の方法では、減圧タンクの設置や真空作業が製品のコスト低減や歩留まり向上に対する障害となっている。この点、アルゴンガスを鋳鉄溶湯に吹き込んで球状黒鉛鋳鉄を得る製造方法が採用できれば、減圧タンクや真空設備が不要であり、操作も簡単となり、製品のコスト低減や歩留まり向上に有利といえる。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１３８６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明は、アルゴンガスなどの不活性ガスを鋳鉄溶湯に吹き込んで精錬することにより、５ｍｍ未満の肉厚の球状黒鉛鋳鉄を容易に得ることが可能な製造方法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】
【０００８】
本発明に係る薄肉球状黒鉛鋳鉄製品は、黒鉛がほぼ均一に分布しており、かつ、黒鉛が９５％以上球状化、すなわちほぼ１００％球状化しており、さらに、黒鉛の大きさが２５μｍ以下で、ほぼ２０μｍである。
【０００９】
本発明に係る薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法は、溶解炉内で所定の鋳鉄組成の溶湯を作製し、１５００℃以上の温度に昇温した後、前記溶湯内に不活性ガスを吹き込み、チル試験により溶湯が十分に精錬されたことを確認し、１５００℃以上の温度で、取鍋に出湯し、マグネシウム又はマグネシウム合金を添加し、次いでフェロシリコン又はこれに類する接種剤で接種を行って、鋳型に鋳込むことを特徴とする。なお、本発明において所定の鋳鉄組成とは、一般的に鋳鉄と称せられる高炭素・高珪素のＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金の組成のことである。
【００１０】
前記所定の鋳鉄組成は、Ｃ：２．５〜４．０質量％、Ｓｉ：０．５〜４．０質量％、Ｓ≦０．０２質量％、Ｍｎ≦０．２質量％、Ｐ≦０．０８質量％であることが好ましい。
【００１１】
また、前記不活性ガスを吹き込んだ後の溶湯中の全酸素量が質量比で１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。さらに、前記不活性ガスを吹き込んだ後の溶湯中の全酸素量が質量比で４〜６ｐｐｍであることがより好ましい。
【００１２】
前記不活性ガスとして、例えばアルゴンガスを採用できる。
【００１３】
なお、前記チル試験は、上下に開放穴を有する所定形状の砂型の下側開口を純銅製水冷チル板に突き当てて、溶湯を該開放穴に注入して、凝固させて試験片を作製し、該試験片中央部の破面のマクロ組織でチル状況を判断することにより行う。これにより、簡単に、鋳鉄の精錬状態を知ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法によれば、比較的単純な工程により、５ｍｍ以下、特に１．５〜３ｍｍの薄肉球状黒鉛鋳鉄を効率よく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る鋳鉄の製造方法の各構成要件について、数値限定理由等を説明する。
【００１６】
（鋳鉄の成分）
鋳鉄が共晶組成となるように、所定の鋳鉄組成となるようにすることが望ましい。そのため、本発明の製造方法に用いる鋳鉄組成は、Ｃ：２．５〜４．０質量％、Ｓｉ：０．５〜４．０質量％、Ｓ≦０．０２質量％、Ｍｎ≦０．２質量％、Ｐ≦０．０８質量％であることが好ましい。
【００１７】
Ｃは、鋳鉄の流動性に影響を与え、全Ｃ量が多いほど融点が低下するため、流動性を増し、鋳物をつくりやすくなる。Ｓｉは、セメンタイトＦｅ3Ｃを分解する働きがあり、鋳鉄中に含まれるＣを黒鉛化するのに寄与する。
【００１８】
ＣとＳｉの含有量は、鋳鉄が共晶組成となるための適正な量とバランスとすることが最も好ましい。そのため、Ｃ：３．５質量％、Ｓｉ：２．５質量％とすることが最適であるが、本発明の実施に際しては、ＣとＳｉの含有量は、Ｃ：２．５〜４．０質量％、Ｓｉ：０．５〜４．０質量％であれば適用することができる。
【００１９】
Ｓは、球状化黒鉛の生成を阻害するものであるから、本発明に係る鋳鉄の組成においては、できるだけ少なくすることが好ましく、Ｓの含有量は０．０２質量％以下とすることが好ましい。
【００２０】
Ｍｎは、鋳鉄の伸びに影響を与え、Ｍｎの含有量が少ない方が鋳鉄の伸びがよくなる。したがって、Ｍｎの含有量は、０．２質量％以下であることが好ましい。
【００２１】
Ｐは、鋳鉄の流動性を良好にする働きがあるが、その効果はＣの約１／３である。一方、鉄と化合してステダイト（Ｆｅ3Ｐ）を形成し、鋳物を脆くする。このＰの弊害を小さくするためにＰ量は０．０８質量％以下とすることが好ましい。
【００２２】
（鋳鉄の精錬）
本発明における鋳鉄は、高炭素・高珪素のＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金である。このようなＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金では、珪素が含まれているので、珪素酸化物の含有量が多くなる。
【００２３】
鋳鉄溶湯中の酸素は、主に、珪素酸化物の形で存在するが、溶湯中の溶解酸素の形でも存在する。鋳鉄溶湯中の珪素酸化物は、黒鉛発生の核となり得る。また、鋳鉄溶湯中の溶解酸素は、Ｃと反応してＣＯとなり、脱酸が行われ、黒鉛の析出・成長に悪影響を与える。したがって、球状黒鉛鋳鉄の製造においては、酸素含有量を制御する必要がある。
【００２４】
珪素酸化物中の酸素は、非溶解酸素であり、１４６０℃より高い温度で、溶湯中の炭素によって還元される。溶解炉として誘導炉を採用した場合、炉の中央部に向かう溶湯の流れが生じ、炉の中央部で溶湯の流れがぶつかり合い、撹拌が生じ、炉の中央部において溶湯中の炭素と酸化物の衝突確率が高まり、還元反応が促進される。これに加えて、アルゴンガスなどの不活性ガスを吹き込むと、更に撹拌が促進されるとともに、介在物である酸化物は気泡の表面に付着して浮上分離するので、Ｃによる珪酸または珪酸塩の還元反応が促進される。また、アルゴンガスなどの不活性ガスの気泡内のＣＯ分圧が低いため、不活性ガスを吹き込むとＣＯ反応が促進され、溶湯中の酸素が減少する。
【００２５】
このようなメカニズムにより、アルゴンガスなどの不活性ガスを吹き込むと脱酸効率が向上し、溶湯中の全酸素含有量は４〜６ｐｐｍにまで減少させることができる。
【００２６】
溶解酸素濃度は、酸素活量を表し、溶湯の温度上昇と共に増加し、１５１０℃で１．２〜１．８ｐｐｍとなるが、球状化処理、すなわちマグネシウムまたはマグネシウム合金の添加で０．２〜０．３ｐｐｍ程度にまで減少する。また、溶解酸素は、溶湯中の炭素と反応して、ＣＯガスとなって浮上分離し、これにより脱酸が行われる。
【００２７】
（溶解）
本発明において用いる溶解炉は、誘導炉（高周波誘導や低周波誘導の電気溶解炉）でも、キューポラでもよい。誘導炉を用いる場合、アルゴンガスを溶湯中に吹き込むことで、溶湯中の酸化物の還元精錬を促進し、溶湯中の全酸素含有量を１０ｐｐｍ以下、好ましくは４〜６ｐｐｍの範囲に制御することができる。キューポラを用いる場合、１５００℃以上の溶湯を取鍋に出湯し、カルシウムカーバイドを添加して脱硫処理をするとともに、アルゴンガスを溶湯中に吹き込むことで、溶湯中の酸化物の還元精錬を促進し、溶湯中の全酸素含有量を１０ｐｐｍ以下、好ましくは４〜６ｐｐｍの範囲に制御することができる。このようにして溶湯中の全酸素含有量を制御することにより、溶湯中において適切に球状黒鉛を発生・成長させることができる。このため、溶湯の流動性が向上し、肉厚が５ｍｍ以下、特に２ｍｍ以下の薄肉球状黒鉛鋳鉄も容易に製造できる。
【００２８】
誘導炉としては、具体的には、５０〜６０Ｈｚの低周波炉や５００Ｈｚ以上の高周波炉を用いることができる。低周波炉は、撹拌力が強いので炭素による還元精錬が促進され、１５００℃に５分間保持することで精錬効果が得られるが、溶解開始時に特定の材料装入方法が必要になる欠点がある。高周波炉は、材料装入が簡単であるが、撹拌力が弱いので、低周波炉と同じ精錬効果を得るには１５００℃に２０分間以上保持することが必要で、精錬時間が長くなる欠点がある。精錬時間に長短があるが、どちらの炉を用いても溶解温度は１５００度以上とすることが必要である。１５００℃以下では、鋳鉄中の酸化物が十分に還元されなくなるからである。
【００２９】
（不活性ガス吹き込み）
アルゴンガスなどの不活性ガスを鋳鉄溶湯に吹き込み、気泡を発生させることで、精錬効果を上げることができる。アルゴンガスなどの不活性ガスを鋳鉄溶湯へ吹き込む条件は、例えば、圧力：０．５〜１．０ｋｇ/ｃｍ2、流量：２０〜３０リットル／分、時間：５〜８分である。鋳鉄溶湯に吹き込まれたアルゴンガスなどの不活性ガスの気泡は、鋳鉄溶湯の撹拌を促進するとともに、介在物の酸化物を浮上分離させて炭素と酸化物の衝突を多くさせ、酸化物の還元を促進する。さらに、吹き込まれた不活性ガスの気泡内のＣＯ分圧が低いため、不活性ガスの吹き込みによりＣＯ反応が促進され、溶湯中の酸素は減少し、精錬効果が向上する。
【００３０】
このような働きをする気体であれば、溶湯中への吹き込みに用いることができ、不活性ガスとしては、アルゴンガスの代わりに、例えば窒素ガスを使うこともできる。
【００３１】
なお、溶湯への吹き込みには、鋼製のランスパイプを使用することができるが、炭素含有量の多い溶湯ではランスパイプの消耗が激しいので、マグネシア等の耐火物のライニングが必要である。また、炉の底にポーラスなレンガを配した場合には、そのレンガを介して炉の底からアルゴン等の不活性ガスを吹き込んでもよい。
【００３２】
（チル試験）
チル試験は、溶湯の還元状態を調べるための試験であり、溶湯中の全酸素量の定性的な測定を行うものである。図１は、チル試験用の砂型およびチルプレートを示す斜視図である。チルプレート１上にチル試験用の砂型２を設置し、この状態で、溶湯を砂型２に流し込む。砂型２は上下開放穴３を有しており、上下開放穴３の大きさは、高さ４５ｍｍ、長さ８０ｍｍ、幅１０ｍｍ（上端）〜８ｍｍ（下端）である。砂型２の肉厚は２０ｍｍである。
【００３３】
チル試験の内容について具体的に述べると、砂型２の下側開口を厚さ３０ｍｍの純銅製水冷チルプレート１に突き当てて、溶湯を上下開放穴３に注入して、凝固させ、冷却後試験片の長さ方向の中央部で縦に破断する。その破面のマクロ組織でチル状況を判断し、溶湯中の全酸素量を定性的に判断する。チルが三角形状に現れたとき、精錬が充分に進み、溶湯中の全酸素量が１０ｐｐｍ以下に低下したと判断できる。溶湯中の全酸素量が１０ｐｐｍ以下に低下すれば、流動性のよい球状黒鉛鋳鉄を最も確実に製造できる状態と判断できる。
【００３４】
（黒鉛球状化）
チル試験により、溶湯の状態が、全酸素１０ｐｐｍ以下、好ましくは４〜６ｐｐｍであることを確認した後、温度１５００℃以上の状態で取鍋に出湯し、取鍋中の溶湯にマグネシウムまたはマグネシウム合金（例えば、フェロシリコンマグネシウム）を添加する。これにより、珪素酸化物を主体とする介在物が除去され溶解酸素が低減し、黒鉛の球状化が進む。
【００３５】
（溶湯の流動性）
チル試験で精錬状態（全酸素１０ｐｐｍ以下、好ましくは４〜６ｐｐｍ）を把握してから前述のマグネシウム添加による黒鉛球状化処理を行うことにより、溶湯の流動性が良くなり１．５ｍｍ〜３ｍｍの薄肉鋳鉄を容易に鋳造できるようになる。ミクロ介在物の減少や過冷等の影響で流動性が良くなるためと思われる。
【００３６】
（接種）
温度１５００℃以上の状態で加熱を止めて、取鍋に出湯し、前述のマグネシウム添加による黒鉛球状化処理を行った後、フェロシリコン（Ｓｉ：７５質量％）等で接種を行う。接種を行うことで黒鉛生成の核が増え、良好な球状黒鉛鋳鉄となる。なお、フェロシリコンと同様の効果を有する類似の接種剤として、その他にカルシウムシリコン等が利用できる。
【実施例】
【００３７】
（実施例）
周波数３０００Ｈｚ、容量１００ｋｇの高周波電気溶解炉（マグネシアライニング）内に、ダクタイル銑鉄、鉄スクラップ、フェロシリコン（Ｓｉ７５質量％）を装入して所定の鋳鉄組成に溶湯を作製した。１５５０℃まで温度を昇温させ保持した後、外径２７．６ｍｍ、内径１９．５ｍｍのランスパイプにより炉中にアルゴンガスを圧力０．５〜１．０ｋｇ/ｃｍ2、流量２０〜３０リットル／分で７分にわたって吹き込んだ。チル試験により、溶湯が十分に精錬されたことを確認した後、１５５０℃の温度で加熱を止めて、取鍋に出湯した。そして、取鍋中の溶湯にフェロシリコンマグネシウムからなる黒鉛球状化剤を添加して（Ｍｇ換算で０．４質量％）黒鉛球状化を行い、次いでフェロシリコン（Ｓｉ７５質量％）で接種を行って、１３５０℃で鋳型に鋳込んだ。このようにして肉厚３ｍｍの球状黒鉛鋳鉄鍋製品を製造した。
【００３８】
チル試験は、具体的には、高さ４５ｍｍ、長さ８０ｍｍ、幅１０ｍｍ（上端）〜８ｍｍ（下端）の上下開放穴を有する砂型（長さ方向の肉厚２０ｍｍ）の下側開口を厚さ３０ｍｍの純銅製水冷チル板に突き当てて、溶湯を該開放穴に注入して、凝固させ、試験片の長さ方向の中央部で縦に破断した破面のマクロ組織でチル状況を判断することにより行った。チルが三角形状に現れたとき、精錬が充分に進み、溶湯の全酸素量が低下して球状黒鉛鋳鉄を良好に製造できる状態にあると判断した。
【００３９】
表１に作製した薄肉球状黒鉛鋳鉄鍋製品の組成を示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
図２は、本発明の方法により作製した薄肉球状黒鉛鋳鉄鍋製品の断面の顕微鏡写真である。黒い丸の部分は黒鉛であり、黒鉛はほぼ１００％球状化している。その他の基地の部分のうち、灰色の部分はパーライトであり、白い部分はフェライトである。
【００４２】
この顕微鏡写真からわかるように、黒鉛はほぼ１００％球状化しており、かつ、その球状化した黒鉛はほぼ均一に分散しており、良好な黒鉛鋳鉄の組織となっている。さらに、黒鉛の大きさは２０μｍ程度と小さく、薄肉の製品を作製するのに適した組織となっている。
【００４３】
図３は、本発明の方法により作製した薄肉球状黒鉛鋳鉄鍋製品の断面を写した写真である。この鍋製品の厚さは１．５ｍｍ程度であり、薄肉化されている。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】チル試験用の砂型およびチルプレートを示す斜視図である。
【図２】本発明の方法により作製した薄肉球状黒鉛鋳鉄鍋製品の断面の顕微鏡写真である。
【図３】本発明の方法により作製した薄肉球状黒鉛鋳鉄鍋製品の断面を写した写真である。
【符号の説明】
【００４５】
１ チルプレート
２ 砂型
３ 上下開放穴
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛がほぼ均一に分布しており、かつ、黒鉛が９５％以上球状化しており、さらに、黒鉛の大きさが２５μｍ以下であることを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄製品。
【請求項２】
溶解炉内で所定の鋳鉄組成の溶湯を作製し、１５００℃以上の温度に昇温した後、前記溶湯内に不活性ガスを吹き込み、チル試験により溶湯が十分に精錬されたことを確認し、１５００℃以上の温度で、取鍋に出湯し、マグネシウム又はマグネシウム合金を添加し、次いでフェロシリコン又はこれに類する接種剤で接種を行って、鋳型に鋳込むことを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法。
【請求項３】
前記所定の鋳鉄組成は、Ｃ：２．５〜４．０質量％、Ｓｉ：０．５〜４．０質量％、Ｓ≦０．０２質量％、Ｍｎ≦０．２質量％、Ｐ≦０．０８質量％であることを特徴とする請求項２に記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法。
【請求項４】
前記不活性ガスを吹き込んだ後の溶湯中の全酸素量が質量比で１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法。
【請求項５】
前記不活性ガスを吹き込んだ後の溶湯中の全酸素量が質量比で４〜６ｐｐｍであることを特徴とする請求項２又は３に記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法。
【請求項６】
前記不活性ガスはアルゴンガスであることを特徴とする請求項２〜５に記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法。
【請求項１】
黒鉛がほぼ均一に分布しており、かつ、黒鉛が９５％以上球状化しており、さらに、黒鉛の大きさが２５μｍ以下であることを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄製品。
【請求項２】
溶解炉内で所定の鋳鉄組成の溶湯を作製し、１５００℃以上の温度に昇温した後、前記溶湯内に不活性ガスを吹き込み、チル試験により溶湯が十分に精錬されたことを確認し、１５００℃以上の温度で、取鍋に出湯し、マグネシウム又はマグネシウム合金を添加し、次いでフェロシリコン又はこれに類する接種剤で接種を行って、鋳型に鋳込むことを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法。
【請求項３】
前記所定の鋳鉄組成は、Ｃ：２．５〜４．０質量％、Ｓｉ：０．５〜４．０質量％、Ｓ≦０．０２質量％、Ｍｎ≦０．２質量％、Ｐ≦０．０８質量％であることを特徴とする請求項２に記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法。
【請求項４】
前記不活性ガスを吹き込んだ後の溶湯中の全酸素量が質量比で１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法。
【請求項５】
前記不活性ガスを吹き込んだ後の溶湯中の全酸素量が質量比で４〜６ｐｐｍであることを特徴とする請求項２又は３に記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法。
【請求項６】
前記不活性ガスはアルゴンガスであることを特徴とする請求項２〜５に記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄製品の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−６３３９６（Ｐ２００６−６３３９６Ａ）
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２４７８４５（Ｐ２００４−２４７８４５）
【出願日】平成１６年８月２７日（２００４．８．２７）
【出願人】（５０４３２７４３２）
【出願人】（５９２０７８５９７）タマチ工業株式会社 (6)
【出願人】（５０００７７９０４）エスコム株式会社 (1)
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２７日（２００４．８．２７）
【出願人】（５０４３２７４３２）
【出願人】（５９２０７８５９７）タマチ工業株式会社 (6)
【出願人】（５０００７７９０４）エスコム株式会社 (1)
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