薄肉球状黒鉛鋳鉄鋳物
【課題】特別な装置や工程を必要とする鋳造方法を使用することなく、特別なＲＥ、Ｂｉ等の添加剤の使用もなく、肉厚３．０ｍｍ以下の球状黒鉛鋳鉄鋳物を鋳放しでチルなし組織の鋳物を得る。
【解決手段】球状黒鉛鋳鉄鋳物を鋳放しで、鋳造する際、質量％Ｍｇ：０．０１３〜０．０３０％、Ｃｕ：１．８〜３．３％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％を含有する溶湯を用い、
２．５μｍ以上の粒径の黒鉛粒数を肉厚３．０ｍｍ以下の部分で１３００個／ｍｍ２以上とする。
【解決手段】球状黒鉛鋳鉄鋳物を鋳放しで、鋳造する際、質量％Ｍｇ：０．０１３〜０．０３０％、Ｃｕ：１．８〜３．３％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％を含有する溶湯を用い、
２．５μｍ以上の粒径の黒鉛粒数を肉厚３．０ｍｍ以下の部分で１３００個／ｍｍ２以上とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄物の球状黒鉛鋳鉄鋳物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
球状黒鉛鋳鉄は、優れた強度を有し、黒鉛を含有するため鋼に比べ被削性や減衰能性、耐磨耗に優れ、自動車部品や機械部品、土木部品等、種々の用途に広く使用されるに至っている。世界規模で省エネルギーや二酸化炭素排出量の削減等、環境保全が急務となり、鋳造品にも極限的薄肉化による軽量化が強く求められている。
【０００３】
従来の球状黒鉛鋳鉄鋳物では厚さは通常３．５ｍｍ程度が限界とされてきたが、軽量化のために球状黒鉛鋳鉄鋳物を３．０ｍｍ以下に薄肉化することが求められている。薄肉化すると鋳造時に薄肉部の冷却速度が速くなりチル組織が発生し、強度低下をきたす。これを解消するためには熱処理でチルを消す必要が生じ経済性の面で問題がある。また、熱処理すると薄肉のためひずみが生じるという問題があった。
【０００４】
特開２００７‐２０４８１５号公報（特許文献１）では、鋳鉄溶湯の酸素量と硫黄量を同時に低減させ肉厚３ミリ以下の球状黒鉛鋳鉄をチルなしで製造することを特徴とし、肉厚２ミリでの黒鉛粒数が９００個／ｍｍ２以上の高靱性薄肉球状黒鉛鋳鉄が開示されている。これは脱酸及び脱硫処理を行うため、実施装置が複雑になりコスト高となる欠点がある。
【０００５】
鋳造工学Ｖｏｌ・７４号３０〜３５頁（非特許文献１）では、ＭｇＳの黒鉛核生成についての検証を行い、肉厚２ミリで粒径２．５μｍ以上で計測し、最大１１００〜１３００個／ｍｍ２の黒鉛粒数が得られ、ＳとＭｇの含量を上げることで最大値１３００個／ｍｍ２となり、チル組織を発生させないための最低黒鉛粒数は１１００〜１３００個／ｍｍ２以上と報告されている。しかし、これはＳの増加にあわせてＭｇを増加させることになり、引け巣欠陥の増大をきたすという問題がある。
【０００６】
また岩手大学工学部では、薄肉球状黒鉛鋳鉄のチル化を低減する方法として「希土類元素による鋳放し球状黒鉛鋳鉄の機械的性質」の論文（参考文献）で、鋳鉄中のＳ量に対し化学量的なＲＥ（希土類元素）を添加することによりＲＥの硫化物を生成し、その硫化物が黒鉛晶出の下地として有効に作用する結果、球状黒鉛粒数が増加し薄肉球状黒鉛鋳鉄のチル化が著しく低減すると述べている。このＲＥの添加は一般に行われてきたが、最近のＲＥ入手困難の問題が生じ、鋳造関係者はＲＥなしでの製造を模索した研究を強化している。したがって、ＲＥに依存しない鋳造方法が待たれている。
【０００７】
特開平８‐１２０３９６号公報（特許文献２）ではＢｉを添加し、黒鉛粒径を１０〜３０μｍ程度に小さくして黒鉛粒数４００個／ｍｍ２以上、引張強さ８００Ｍｐａ前後で、被削性の良好なパーライト球状黒鉛鋳鉄が開示されている。しかしＢｉ添加は引け巣の発生を助長することがわかっており、その使用はある程度の範囲に限定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７‐２０４８１５号公報
【特許文献２】特開平８‐１２０３９６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】鋳造工学Ｖｏｌ・７４号３０〜３５頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように鋳物製品の軽量化のために最小肉厚を３．０ｍｍ以下にすると、チル組織が発生するという問題があり、この解決が重要な課題となっている。その対策として、ＲＥ添加、Ｂｉ添加、ＳとＭｇ増量などの方法が提案されている。しかし、いずれの方法も特殊元素の入手困難や、引け巣の増加などの課題があり、決定的な対策方法とはなっていない。したがって、肉厚３．０ｍｍ以下チルなしの組織の薄肉球状黒鉛鋳鉄鋳物を鋳放しで得ることが極めて困難な状況であり、それを達成できる技術は従来存在しない。
【００１１】
本発明では、特別な装置や工程、例えば脱酸、脱硫の装置や工程を必要とする鋳造方法を使用することなく、特別なＲＥやＢｉ等添加剤の使用もなく極めて簡単に鋳放しで球状黒鉛鋳鉄鋳物、特に製品の最小肉厚３．０ｍｍ以下であってチルのないチルなし組織の薄肉球状黒鉛鋳鉄鋳物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】
【００１２】
その解決手段の第１手段として、化学組成が質量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｐ：０．０１〜０．０５％、Ｓ：０．０１〜０．０３％、Ｍｇ：０．０１３〜０．０３０％、Ｃｕ：１．８〜３．３％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄であって、該球状黒鉛鋳鉄の金属組織中の２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数が、肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で、１３００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【００１３】
第２手段として、第１手段記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄において、該球状黒鉛鋳鉄の組織中２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数が、肉厚２．０ｍｍ以下の薄肉部分で、１６００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【００１４】
第３手段として、注湯時にＦｅ‐ＳｉをＳｉ当量で組織中質量％０．０５〜０．１５％、インモールド法により二次接種することによって、薄肉球状黒鉛鋳鉄の金属組織中の２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数が、肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で１５００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする上記第１手段に記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【００１５】
第４手段として、第３手段記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄において、該球状黒鉛鋳鉄の組織中の２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数が、肉厚２．０ｍｍ以下の薄肉部分で２０００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄。
を夫々提案する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉球状黒鉛鋳鉄鋳物が鋳放しで、金属組織がチルなし組織で製造が可能となり、鋳型に「はかせ」を付けたり、チル消しの熱処理を要することなく、大幅な簡略化工程とすることができ、経済的であり、又、大きな軽量化効果を生み出すことができるようになった。
【００１７】
又、従来のチルを避けるための方法であるＲＥ添加、Ｂｉ添加、ＳとＭｇ増量などの方法は、材料の入手困難や、引け巣などの悪害を伴っていたが、本発明によってこれらの問題は全て解決され、製造コストを大幅に削減することができた。その結果、環境保全の面でＲＥ使用量の大幅な低減、鋳放しによる省エネルギーに加え、軽量化による省エネルギーなどの時代の要求に応えるものであり、更には鋳鉄の用途を飛躍的に拡大する本発明の工業的価値は非常に高い。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明鋳鉄と従来材の薄板試験片によるＭｇ量と黒鉛粒数の関係及びチル発生の有無を示す比較図
【図２】本発明鋳鉄３の金属組織写真を示す図
【図３】本発明鋳鉄３の黒鉛画像を示す図
【図４】比較例１の金属組織写真を示す図
【図５】本発明鋳鉄７の金属組織写真を示す図
【図６】本発明鋳鉄７の黒鉛画像を示す図
【図７】比較例２の金属組織写真を示す図
【図８】比較例３の金属組織写真を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本願発明の実施の形態を説明する。尚、「薄肉」とは肉厚３ｍｍ以下をいう。
【００２０】
第一手段では化学組成が質量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｐ：０．０１〜０．０５％、Ｓ：０．０１〜０．０３％、Ｍｇ：０．０１３〜０．０３０％、Ｃｕ：１．８〜３．３％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄鋳物であって、鋳放しで鋳造し、２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数を肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で１３００個／ｍｍ２以上とすることを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄であるが、まず化学組成について、質量％でＣ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下残部Ｆｅ及び不可避的不純物の構成は一般的な球状黒鉛鋳鉄の組成である。化学組成について、本発明の重要な構成は、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｓｎの成分である。以下にこれらの成分の作用効果を詳細に説明する。
【００２１】
Ｍｇは黒鉛を球状化するためには不可欠な元素であり、通常質量％で、０．０３０〜０．０５０％（好ましくは０．０３５〜０．０４５％）程度が一般的に採用されている。低過ぎると黒鉛の球状化を崩し、球状化率低下となって、強度要求を満たすことができない。逆に高過ぎると引け巣を助長する。一方、Ｍｇは金属組織をチル化する元素であることが知られており、薄肉鋳物では特に低減したい元素である。しかし、球状化を維持することが優先であるので上記通常範囲が適用されている。
【００２２】
したがって、チル化を抑制するにはＭｇ量を低減すればよいが、そのチル化を抑制する原理は従来明確にはされていなかった。本発明者らはチル化傾向と黒鉛粒数の関係を詳細に研究した結果、Ｍｇを低減すると黒鉛粒数が大幅に増加するという事実を発見した。この結果は通常の球状黒鉛鋳鉄においても認められるがその作用は小さい。一方、本発明の以下に詳細に説明する高Ｃｕと微量のＳｎを組み合わせた球状黒鉛鋳鉄ではその作用がきわめて大きいことがわかった。すなわち本発明の高Ｃｕと微量のＳｎ及び低Ｍｇの組合せにより球状化率を維持したまま大幅な黒鉛粒数の増加が得られ、チルが発生しないという新知見が得られたのである。
【００２３】
本発明ではそのＭｇを質量％で０．０１３〜０．０３０％の低Ｍｇとした。０．０１３％より低いと球状化不良となり、０．０３０％を超えるとチル化傾向が強くなる。これは、後述の高Ｃｕと微量のＳｎの成分構成の効果によって更に明らかにされる。
【００２４】
Ｃｕの臨界量は研究者により異なり質量％で１．５〜２．２％と言われており、それを超えての含有は、オーステナイト粒界に偏析し、不規則形黒鉛を晶出して球状化を阻害し、加えて２％以上の添加は、チル化傾向も増大すると指摘されてきた。これに対し、本発明者は特許第３７２３７０６号で、臨界量を越えて添加した高Ｃｕに微量のＳｎを添加することで黒鉛形状、金属基地組織が改善され、チルも無く、引張り強さと伸びが大幅に向上することを開示し実用化に至っている。
【００２５】
本発明においても、Ｃｕについてはほぼこの成分範囲を適用し、質量％で１．８〜３．３％の高Ｃｕとした。Ｃｕの作用効果は、析出する黒鉛の周囲に分布して黒鉛の成長（大径化）を抑制することがあるが、更に真球度の高い球状黒鉛を創成することが本発明者らの研究によって明らかになっている。この点については、図２、図５の金属組織写真及び図３、図６に示される黒鉛画像図によって球状黒鉛の真球度の高さが理解されよう。
【００２６】
この真球度について、高Ｃｕの場合、球状黒鉛の周囲に偏析されるＣｕに対応するようにその周囲にＳｎ層が濃化するため、この両者により球状黒鉛の拡散を押さえ閉じ込める点は判っている。
【００２７】
Ｓｎの作用は、Ｃｕが質量％で１．８％より低い場合は、パーライトの層間距離を小さくする効果がある。さらに本発明のようなＣｕが１．８％以上の高Ｃｕの場合には、黒鉛近傍に濃化して黒鉛の崩れを抑制し球状化を高める効果がある。このようなＳｎの作用は、含有量が０．０１％以下だと効果が得られず、０．０５％以上だと逆に黒鉛形状の崩れを生じるので、Ｓｎは質量％で微量の０．０１〜０．０５％とした。
【００２８】
化学組成の構成の効果を総合的に説明すると、多量のＣｕと微量のＳｎの組合せによる特殊材質のもつ真球度の高い球状黒鉛を創成する作用効果によって、黒鉛粒数が増加し、黒鉛形状の崩れが抑制される。その結果、Ｍｇを低減しても黒鉛の球状化率の低下が抑制される。そして、Ｍｇを低減することの効果としてチル化傾向が低減されることになる。つまり、高Ｃｕ、微量Ｓｎ、低Ｍｇの組合せによる相乗効果で、黒鉛形状の効果的形成及び黒鉛粒数が通常の球状黒鉛鋳鉄より大幅な増大をもたらし、チル化傾向が低減され、薄肉鋳物のチルなし組織の形成に寄与するものである。
【００２９】
上記のように本発明のポイントは、高Ｃｕ％と微量のＳｎ％の組合せによる真球度の高い球状黒鉛を生成する作用によるチル抑制効果、加えて従来にない低Ｍｇ％による黒鉛粒類の大巾増加とチル抑制効果の最適な組合せにより肉厚３ｍｍ以下の薄肉部においても鋳放しでチルなし組織の球状黒鉛鋳鉄の製造を可能にするものである。
【００３０】
上記の高Ｃｕ％と微量のＳｎ％及び低Ｍｇ％の組合せについては、下記表１及び表２に種々の組合せで行った実験結果を示しており、黒鉛粒数の大巾増加が確認されている。
【００３１】
更に、高Ｃｕと微量のＳｎの組合せでMg質量％０．０１３〜０．０３４％の低Ｍｇで、８５％以上の球状化率が得られ、この範囲で黒鉛粒数は５００個／ｍｍ２以上のものが得られている。
この高Ｃｕと微量のＳｎによりチル抑制効果に加えての低Ｍｇにより球状黒鉛鋳鉄、特に肉厚３ｍｍ以下の薄肉部の鋳放しでチルなし組織の鋳造が可能になったのである。
【００３２】
鋳造時にＦｅ‐ＳｉをＳｉ当量で質量％で０．０５〜０．１５％、インモールド法により二次接種することによって、さらに黒鉛粒数の増加を促進し、安定したチル抑制効果を生じさせた。接種量は０．０５％より少ないと効果は少なく、０．１５％を超えると効果が飽和状態となり、また、接種材の溶け残りも生じやすく介在欠陥となるので、Ｓｉ当量で質量％０．０５〜０．１５％とした。
【００３３】
化学組成が質量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｐ：０．０１〜０．０５％、Ｓ：０．０１〜０．０３％、Ｍｇ：０．０１３〜０．０３０％、Ｃｕ：１．８〜３．３％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる溶湯を用い球状黒鉛鋳鉄を鋳放しで鋳造する際、薄肉部を形成する際に、３．０ｍｍ以下の該薄肉部分で、２．５μｍ以上の黒鉛粒径を有する黒鉛粒数を１３００個／ｍｍ２以上に構成する。この構成により、チルなし組織の球状黒鉛鋳鉄、特に薄肉部分がＲＥ等の添加なく、形成できるのである。
【００３４】
上記の構成は、インモールド法による二次接種を行わないで、球状黒鉛鋳鉄に薄肉部を形成する際に２．５μｍ以上の球径を有する黒鉛粒数が肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で黒鉛粒数が１３００個／ｍｍ２以上である球状黒鉛鋳鉄である。黒鉛粒数を１３００個／ｍｍ２以上とした理由は、黒鉛粒数とチル発生の有無を詳細に検討した図１及び表１、表２に於いて明らかになった結果によるもので、薄肉部で黒鉛粒数が１３００個／ｍｍ２以上ではチルは発生しないからである。
【００３５】
表１は薄板２ｍｍ厚の、表２は薄板３ｍｍ厚の試験片の夫々の黒鉛粒数及びインモールド接種及びチルの有無を表わす。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
又、本発明は、肉厚２．０ｍｍ以下の薄肉部分で黒鉛粒数１６００個／ｍｍ２以上であることを規定した球状黒鉛鋳鉄である。肉厚２．０ｍｍ以下の部分ではさらに冷却速度が加速されチル化傾向が強くなるので、それを防ぐために肉厚３．０ｍｍの場合よりも多い黒鉛粒数が必要であった。
【００３９】
又、本発明は、上記球状黒鉛鋳鉄と同じ化学組成で、注湯時にＦｅ‐ＳｉをＳｉ当量で質量％で０．０５〜０．１５％、インモールド法により二次接種することによって、黒鉛粒数をさらに増加させ、肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で黒鉛粒数１５００個／ｍｍ２以上としてチル抑制の効果を促進した薄肉球状黒鉛鋳鉄である。
【００４０】
又、本発明は、肉厚２．０ｍｍ以下の薄肉部分での黒鉛粒数を２０００個／ｍｍ２以上とし、チル抑制の効果を促進した、薄肉球状黒鉛鋳鉄である。
【００４１】
次に本発明の目的である薄板試験片での実施例を説明する。まずチル発生の有無を評価する際の方案について説明する。鋳造品は強度向上目的でリブを多用する場合が多い。薄肉のリブやその先端部に溶湯が充填される際、行き止まりとなり急冷されチルが発生し易い。したがって、通常はチル防止目的で鋳型の薄肉部に「はかせ」を付けるケースが多い。しかし「はかせ」を付けると、その分、余分な溶湯を入れる必要が生じ、歩留まり低下や鋳造仕上げ工数が増えコスト増加になる。本薄肉試験片には実用性を重視して「はかせ」を付けない方案とした。すなわち、本薄肉試験片は一般的なチル防止の「はかせ」有りに比べ、より厳しい条件のものである。尚、「はかせ」とは、薄肉品は溶湯が急冷しチルが発生し易いので、薄肉部の先端に溜部として「はかせ」を付け、薄肉部に最初に入った、ぬるい湯を通過させ鋳型内で製品の外に作った「はかせ」に収納させて、はかせ（捌かせ）てしまう等の手立てである。
【実施例１】
【００４２】
２，０００ｋｇ容量の低周波誘導炉を用いて、鋼屑及び戻し材を使用し、本発明のＣｕとＳｎを添加してＦＣＤ８００相当の溶湯とした。この溶湯を市販のＦｅ‐Ｓｉ‐Ｍｇ‐ＲＥ合金の黒鉛球状化剤を用い黒鉛球状化剤の添加量を変えてサンドウィッチ法で球状化処理を実施後にＦｅ‐Ｓｉをインモールド法によりＳｉ当量で質量％０．１０％二次接種し、肉厚２ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）に鋳込んだ結果を図１の本発明鋳鉄Ａに示す。Ｍｇ０．０１３〜０．０３０％，Ｃｕ２．８％，Ｓｎ０．０２％の範囲での添加で、黒鉛粒数は２０００個／ｍｍ２以上で、チルは皆無である。黒鉛粒数の測定はＪＩＳで定められた５視野平均の黒鉛粒数であり黒鉛粒径２．５μｍ以上を測定した。
【００４３】
次に前記の本発明の化学組成で、かつ同様手順でＦｅ‐Ｓｉの二次接種を実施せずに肉厚２ｍｍの薄板試験片に鋳込んだ結果を図１の本発明鋳鉄Ｂに示す。黒鉛粒数は１６００個／ｍｍ２以上で、チルは皆無のチルなし組織であった。
【００４４】
次に前記と同様手順でＦｅ‐Ｓｉの二次接種を実施し、肉厚３ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×３ｍｍ）に鋳込んだ結果を図１の本発明鋳鉄Ｃに示す。黒鉛粒数は１５００個／ｍｍ２以上で、チルは皆無のチルなし組織であった。
【００４５】
次に前記と同様手順でＦｅ‐Ｓｉの二次接種を実施せずに肉厚３ｍｍの薄板試験片に鋳込んだ結果を図１の本発明鋳鉄Ｄに示す。黒鉛粒数は１３００個／ｍｍ２以上で、チルは皆無のチルなし組織であった。
【００４６】
比較例として従来技術の化学成分の材料について実験した。上記同様に２，０００ｋｇ容量の低周波誘導炉を用いて、鋼屑及び戻し材を使用し、Ｃｕ、Ｓｎを添加せずＦＣＤ５００相当の溶湯とした。この溶湯を市販のＦｅ‐Ｓｉ‐Ｍｇ‐ＲＥ合金の黒鉛球状化剤を用い黒鉛球状化剤の添加量を変えてサンドウィッチ法で球状化処理を実施後にＦｅ‐Ｓｉをインモールド法によりＳｉ当量で０．１０％二次接種し、肉厚２ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）に鋳込んだ結果を図１の比較例Ｅに示す。Ｍｇ０．０２３％での黒鉛粒数は１７０７個／ｍｍ２で、試験片全面にチルが発生した。
【００４７】
次に前記と同様手順でＦｅ‐Ｓｉの二次接種を実施せずに肉厚２ｍｍの薄板試験片に鋳込んだ結果を図１の比較例Ｆに示す。Ｍｇ質量％０．０２３％での黒鉛粒数は１５０５個／ｍｍ２で、試験片全面にチルが発生した。
【００４８】
又、前記と同様手順でＦｅ‐Ｓｉの二次接種を実施し、肉厚３ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×３ｍｍ）に鋳込んだ結果を図１の比較例Ｇに示す。Ｍｇ質量％０．０２３％での黒鉛粒数は１５８９個／ｍｍ２で、試験片全面にチルが発生した。
【００４９】
次に前記と同様手順でＦｅ‐Ｓｉの二次接種を実施せずに肉厚３ｍｍの薄板試験片に鋳込んだ結果を図１の比較例Ｈに示す。Ｍｇ質量％０．０２３％での黒鉛粒数は１４７４個／ｍｍ２で、試験片全面にチルが発生した。
【００５０】
薄板試験片での結果をまとめると表１、２に示す如くのようになる。従来材であるＦＣＤ５００相当材では、低Ｍｇでも、インモールド法による二次接種有り無しにかかわらずチルが発生した。これに比べ、本発明材では、インモールド法による二次接種有り無しにかかわらずチルが発生しなかった。インモールド法による二次接種なしでは、肉厚３．０ｍｍ以下において黒鉛粒数は１３００個／ｍｍ２以上でチルは皆無、肉厚２ｍｍ以下において黒鉛粒数は１６００個／ｍｍ２以上でチルは皆無、インモールド法による二次接種有りでは、肉厚３．０ｍｍ以下において黒鉛粒数は１５００個／ｍｍ２以上となりチルは皆無、肉厚２ｍｍ以下において黒鉛粒数は２０００個／ｍｍ２以上となりチルは皆無のチルなし組織であった。
【００５１】
この結果を従来の文献に記載されている技術と比較すると次のように説明できる。鋳造工学Ｖｏｌ・７４号３０〜３５頁では、ＭｇＳ黒鉛核生成についての検証を行い、肉厚２ミリで黒鉛粒径２．５μ以上で計測し最大１１００〜１３００個／ｍｍ２の黒鉛粒数が得られ、ＳとＭｇを上げることで最大値１３００個／ｍｍ２となり、チルを発生させないための最低黒鉛粒数は１１００〜１３００／ｍｍ２以上と報告されている。しかし「はかせ」を用いない本実施例の実験では、この黒鉛粒数以上でもチルが発生した。これは「はかせ」を付けない試験を実施したため急冷されチル発生の条件がより厳しくなったためである。すなわち高Ｃｕ、微量Ｓｎを含有しない従来技術の鋳鉄では黒鉛粒数増加によるチル防止効果より、急冷によるチルの促進が優位になったためである。従来技術に対し本発明の高Ｃｕ、微量Ｓｎ、低Ｍｇと二次接種の相乗効果によるチル防止効果は従来の常識を覆す結果である。
【実施例２】
【００５２】
次に金属組織のチル発生状況についての実験結果を説明する。２，０００ｋｇ容量の低周波誘導炉を用いて、鋼屑及び戻し材を使用し、Ｃｕ、Ｓｎ及びその他の成分を表１のように変えて添加し、本発明鋳鉄ではＦＣＤ８００相当の溶湯、比較例ではＦＣＤ５００相当の溶湯として、この溶湯を市販のＦｅ‐Ｓｉ‐Ｍｇ‐ＲＥ合金の黒鉛球状化剤を用い、サンドウィッチ法でＭｇ質量％０．０１３〜０．０２９％と表１に示すように変化させ、球状化処理を実施後にＦｅ‐Ｓｉをインモールド法によりＳｉ当量で０．１０％二次接種し、肉厚２ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）に鋳込んだ結果を表１に、本発明鋳鉄３の金属組織写真を図２、図９に、また本発明鋳鉄の３の黒鉛画像を図３に示す。きわめて緻密な金属組織でありチルの発生は皆無のチルなし組織である。そして比較例１の金属組織写真を図４に示す。該比較例１は全面に激しいチルが発生しているのがわかる。
【００５３】
次に上記と同様手順で肉厚３ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×３ｍｍ）に鋳込んだ結果を表２に、本発明鋳鉄７の金属組織写真を図５に、また本発明鋳鉄７の黒鉛画像を図６に示す。肉厚２ｍｍと同じくきわめて緻密な金属組織でありチルの発生は皆無である。比較例２の金属組織写真を図７に示す。該比較例２は全面に激しいチルが発生しているのがわかる。
【００５４】
次にＭｇ量を増加した場合のチル化傾向を明らかにするために、本発明においてＭｇを質量％０．０３２％に増量して実験を行った。２，０００ｋｇ容量の低周波誘導炉を用いて、鋼屑及び戻し材を使用し、ＣｕとＳｎを添加してＦＣＤ８００相当の溶湯として、この溶湯を市販のＦｅ‐Ｓｉ‐Ｍｇ‐ＲＥ合金の黒鉛球状化剤を用い、サンドウィッチ法でＭｇ０．０３２％で球状化処理を実施後にＦｅ‐Ｓｉをインモールド法によりＳｉ当量で０．１０％二次接種し、肉厚２ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）に鋳込んだ比較例３を表２に示す。この表示のように、質量％Ｃｕ２．９％、Ｓｎ０．０２％である。また、その金属組織写真を図８に示す。質量％Ｍｇ０．０３２％では部分的にチル発生しているのがわかる。Ｍｇ質量％０．０３％以上になるとこのようにチル化傾向が徐々に強まるのである。この結果から、本発明のＭｇ量の上限を０．０３０％とした。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄物の球状黒鉛鋳鉄鋳物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
球状黒鉛鋳鉄は、優れた強度を有し、黒鉛を含有するため鋼に比べ被削性や減衰能性、耐磨耗に優れ、自動車部品や機械部品、土木部品等、種々の用途に広く使用されるに至っている。世界規模で省エネルギーや二酸化炭素排出量の削減等、環境保全が急務となり、鋳造品にも極限的薄肉化による軽量化が強く求められている。
【０００３】
従来の球状黒鉛鋳鉄鋳物では厚さは通常３．５ｍｍ程度が限界とされてきたが、軽量化のために球状黒鉛鋳鉄鋳物を３．０ｍｍ以下に薄肉化することが求められている。薄肉化すると鋳造時に薄肉部の冷却速度が速くなりチル組織が発生し、強度低下をきたす。これを解消するためには熱処理でチルを消す必要が生じ経済性の面で問題がある。また、熱処理すると薄肉のためひずみが生じるという問題があった。
【０００４】
特開２００７‐２０４８１５号公報（特許文献１）では、鋳鉄溶湯の酸素量と硫黄量を同時に低減させ肉厚３ミリ以下の球状黒鉛鋳鉄をチルなしで製造することを特徴とし、肉厚２ミリでの黒鉛粒数が９００個／ｍｍ２以上の高靱性薄肉球状黒鉛鋳鉄が開示されている。これは脱酸及び脱硫処理を行うため、実施装置が複雑になりコスト高となる欠点がある。
【０００５】
鋳造工学Ｖｏｌ・７４号３０〜３５頁（非特許文献１）では、ＭｇＳの黒鉛核生成についての検証を行い、肉厚２ミリで粒径２．５μｍ以上で計測し、最大１１００〜１３００個／ｍｍ２の黒鉛粒数が得られ、ＳとＭｇの含量を上げることで最大値１３００個／ｍｍ２となり、チル組織を発生させないための最低黒鉛粒数は１１００〜１３００個／ｍｍ２以上と報告されている。しかし、これはＳの増加にあわせてＭｇを増加させることになり、引け巣欠陥の増大をきたすという問題がある。
【０００６】
また岩手大学工学部では、薄肉球状黒鉛鋳鉄のチル化を低減する方法として「希土類元素による鋳放し球状黒鉛鋳鉄の機械的性質」の論文（参考文献）で、鋳鉄中のＳ量に対し化学量的なＲＥ（希土類元素）を添加することによりＲＥの硫化物を生成し、その硫化物が黒鉛晶出の下地として有効に作用する結果、球状黒鉛粒数が増加し薄肉球状黒鉛鋳鉄のチル化が著しく低減すると述べている。このＲＥの添加は一般に行われてきたが、最近のＲＥ入手困難の問題が生じ、鋳造関係者はＲＥなしでの製造を模索した研究を強化している。したがって、ＲＥに依存しない鋳造方法が待たれている。
【０００７】
特開平８‐１２０３９６号公報（特許文献２）ではＢｉを添加し、黒鉛粒径を１０〜３０μｍ程度に小さくして黒鉛粒数４００個／ｍｍ２以上、引張強さ８００Ｍｐａ前後で、被削性の良好なパーライト球状黒鉛鋳鉄が開示されている。しかしＢｉ添加は引け巣の発生を助長することがわかっており、その使用はある程度の範囲に限定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７‐２０４８１５号公報
【特許文献２】特開平８‐１２０３９６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】鋳造工学Ｖｏｌ・７４号３０〜３５頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように鋳物製品の軽量化のために最小肉厚を３．０ｍｍ以下にすると、チル組織が発生するという問題があり、この解決が重要な課題となっている。その対策として、ＲＥ添加、Ｂｉ添加、ＳとＭｇ増量などの方法が提案されている。しかし、いずれの方法も特殊元素の入手困難や、引け巣の増加などの課題があり、決定的な対策方法とはなっていない。したがって、肉厚３．０ｍｍ以下チルなしの組織の薄肉球状黒鉛鋳鉄鋳物を鋳放しで得ることが極めて困難な状況であり、それを達成できる技術は従来存在しない。
【００１１】
本発明では、特別な装置や工程、例えば脱酸、脱硫の装置や工程を必要とする鋳造方法を使用することなく、特別なＲＥやＢｉ等添加剤の使用もなく極めて簡単に鋳放しで球状黒鉛鋳鉄鋳物、特に製品の最小肉厚３．０ｍｍ以下であってチルのないチルなし組織の薄肉球状黒鉛鋳鉄鋳物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】
【００１２】
その解決手段の第１手段として、化学組成が質量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｐ：０．０１〜０．０５％、Ｓ：０．０１〜０．０３％、Ｍｇ：０．０１３〜０．０３０％、Ｃｕ：１．８〜３．３％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄であって、該球状黒鉛鋳鉄の金属組織中の２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数が、肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で、１３００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【００１３】
第２手段として、第１手段記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄において、該球状黒鉛鋳鉄の組織中２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数が、肉厚２．０ｍｍ以下の薄肉部分で、１６００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【００１４】
第３手段として、注湯時にＦｅ‐ＳｉをＳｉ当量で組織中質量％０．０５〜０．１５％、インモールド法により二次接種することによって、薄肉球状黒鉛鋳鉄の金属組織中の２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数が、肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で１５００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする上記第１手段に記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【００１５】
第４手段として、第３手段記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄において、該球状黒鉛鋳鉄の組織中の２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数が、肉厚２．０ｍｍ以下の薄肉部分で２０００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄。
を夫々提案する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉球状黒鉛鋳鉄鋳物が鋳放しで、金属組織がチルなし組織で製造が可能となり、鋳型に「はかせ」を付けたり、チル消しの熱処理を要することなく、大幅な簡略化工程とすることができ、経済的であり、又、大きな軽量化効果を生み出すことができるようになった。
【００１７】
又、従来のチルを避けるための方法であるＲＥ添加、Ｂｉ添加、ＳとＭｇ増量などの方法は、材料の入手困難や、引け巣などの悪害を伴っていたが、本発明によってこれらの問題は全て解決され、製造コストを大幅に削減することができた。その結果、環境保全の面でＲＥ使用量の大幅な低減、鋳放しによる省エネルギーに加え、軽量化による省エネルギーなどの時代の要求に応えるものであり、更には鋳鉄の用途を飛躍的に拡大する本発明の工業的価値は非常に高い。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明鋳鉄と従来材の薄板試験片によるＭｇ量と黒鉛粒数の関係及びチル発生の有無を示す比較図
【図２】本発明鋳鉄３の金属組織写真を示す図
【図３】本発明鋳鉄３の黒鉛画像を示す図
【図４】比較例１の金属組織写真を示す図
【図５】本発明鋳鉄７の金属組織写真を示す図
【図６】本発明鋳鉄７の黒鉛画像を示す図
【図７】比較例２の金属組織写真を示す図
【図８】比較例３の金属組織写真を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本願発明の実施の形態を説明する。尚、「薄肉」とは肉厚３ｍｍ以下をいう。
【００２０】
第一手段では化学組成が質量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｐ：０．０１〜０．０５％、Ｓ：０．０１〜０．０３％、Ｍｇ：０．０１３〜０．０３０％、Ｃｕ：１．８〜３．３％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄鋳物であって、鋳放しで鋳造し、２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数を肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で１３００個／ｍｍ２以上とすることを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄であるが、まず化学組成について、質量％でＣ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下残部Ｆｅ及び不可避的不純物の構成は一般的な球状黒鉛鋳鉄の組成である。化学組成について、本発明の重要な構成は、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｓｎの成分である。以下にこれらの成分の作用効果を詳細に説明する。
【００２１】
Ｍｇは黒鉛を球状化するためには不可欠な元素であり、通常質量％で、０．０３０〜０．０５０％（好ましくは０．０３５〜０．０４５％）程度が一般的に採用されている。低過ぎると黒鉛の球状化を崩し、球状化率低下となって、強度要求を満たすことができない。逆に高過ぎると引け巣を助長する。一方、Ｍｇは金属組織をチル化する元素であることが知られており、薄肉鋳物では特に低減したい元素である。しかし、球状化を維持することが優先であるので上記通常範囲が適用されている。
【００２２】
したがって、チル化を抑制するにはＭｇ量を低減すればよいが、そのチル化を抑制する原理は従来明確にはされていなかった。本発明者らはチル化傾向と黒鉛粒数の関係を詳細に研究した結果、Ｍｇを低減すると黒鉛粒数が大幅に増加するという事実を発見した。この結果は通常の球状黒鉛鋳鉄においても認められるがその作用は小さい。一方、本発明の以下に詳細に説明する高Ｃｕと微量のＳｎを組み合わせた球状黒鉛鋳鉄ではその作用がきわめて大きいことがわかった。すなわち本発明の高Ｃｕと微量のＳｎ及び低Ｍｇの組合せにより球状化率を維持したまま大幅な黒鉛粒数の増加が得られ、チルが発生しないという新知見が得られたのである。
【００２３】
本発明ではそのＭｇを質量％で０．０１３〜０．０３０％の低Ｍｇとした。０．０１３％より低いと球状化不良となり、０．０３０％を超えるとチル化傾向が強くなる。これは、後述の高Ｃｕと微量のＳｎの成分構成の効果によって更に明らかにされる。
【００２４】
Ｃｕの臨界量は研究者により異なり質量％で１．５〜２．２％と言われており、それを超えての含有は、オーステナイト粒界に偏析し、不規則形黒鉛を晶出して球状化を阻害し、加えて２％以上の添加は、チル化傾向も増大すると指摘されてきた。これに対し、本発明者は特許第３７２３７０６号で、臨界量を越えて添加した高Ｃｕに微量のＳｎを添加することで黒鉛形状、金属基地組織が改善され、チルも無く、引張り強さと伸びが大幅に向上することを開示し実用化に至っている。
【００２５】
本発明においても、Ｃｕについてはほぼこの成分範囲を適用し、質量％で１．８〜３．３％の高Ｃｕとした。Ｃｕの作用効果は、析出する黒鉛の周囲に分布して黒鉛の成長（大径化）を抑制することがあるが、更に真球度の高い球状黒鉛を創成することが本発明者らの研究によって明らかになっている。この点については、図２、図５の金属組織写真及び図３、図６に示される黒鉛画像図によって球状黒鉛の真球度の高さが理解されよう。
【００２６】
この真球度について、高Ｃｕの場合、球状黒鉛の周囲に偏析されるＣｕに対応するようにその周囲にＳｎ層が濃化するため、この両者により球状黒鉛の拡散を押さえ閉じ込める点は判っている。
【００２７】
Ｓｎの作用は、Ｃｕが質量％で１．８％より低い場合は、パーライトの層間距離を小さくする効果がある。さらに本発明のようなＣｕが１．８％以上の高Ｃｕの場合には、黒鉛近傍に濃化して黒鉛の崩れを抑制し球状化を高める効果がある。このようなＳｎの作用は、含有量が０．０１％以下だと効果が得られず、０．０５％以上だと逆に黒鉛形状の崩れを生じるので、Ｓｎは質量％で微量の０．０１〜０．０５％とした。
【００２８】
化学組成の構成の効果を総合的に説明すると、多量のＣｕと微量のＳｎの組合せによる特殊材質のもつ真球度の高い球状黒鉛を創成する作用効果によって、黒鉛粒数が増加し、黒鉛形状の崩れが抑制される。その結果、Ｍｇを低減しても黒鉛の球状化率の低下が抑制される。そして、Ｍｇを低減することの効果としてチル化傾向が低減されることになる。つまり、高Ｃｕ、微量Ｓｎ、低Ｍｇの組合せによる相乗効果で、黒鉛形状の効果的形成及び黒鉛粒数が通常の球状黒鉛鋳鉄より大幅な増大をもたらし、チル化傾向が低減され、薄肉鋳物のチルなし組織の形成に寄与するものである。
【００２９】
上記のように本発明のポイントは、高Ｃｕ％と微量のＳｎ％の組合せによる真球度の高い球状黒鉛を生成する作用によるチル抑制効果、加えて従来にない低Ｍｇ％による黒鉛粒類の大巾増加とチル抑制効果の最適な組合せにより肉厚３ｍｍ以下の薄肉部においても鋳放しでチルなし組織の球状黒鉛鋳鉄の製造を可能にするものである。
【００３０】
上記の高Ｃｕ％と微量のＳｎ％及び低Ｍｇ％の組合せについては、下記表１及び表２に種々の組合せで行った実験結果を示しており、黒鉛粒数の大巾増加が確認されている。
【００３１】
更に、高Ｃｕと微量のＳｎの組合せでMg質量％０．０１３〜０．０３４％の低Ｍｇで、８５％以上の球状化率が得られ、この範囲で黒鉛粒数は５００個／ｍｍ２以上のものが得られている。
この高Ｃｕと微量のＳｎによりチル抑制効果に加えての低Ｍｇにより球状黒鉛鋳鉄、特に肉厚３ｍｍ以下の薄肉部の鋳放しでチルなし組織の鋳造が可能になったのである。
【００３２】
鋳造時にＦｅ‐ＳｉをＳｉ当量で質量％で０．０５〜０．１５％、インモールド法により二次接種することによって、さらに黒鉛粒数の増加を促進し、安定したチル抑制効果を生じさせた。接種量は０．０５％より少ないと効果は少なく、０．１５％を超えると効果が飽和状態となり、また、接種材の溶け残りも生じやすく介在欠陥となるので、Ｓｉ当量で質量％０．０５〜０．１５％とした。
【００３３】
化学組成が質量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｐ：０．０１〜０．０５％、Ｓ：０．０１〜０．０３％、Ｍｇ：０．０１３〜０．０３０％、Ｃｕ：１．８〜３．３％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる溶湯を用い球状黒鉛鋳鉄を鋳放しで鋳造する際、薄肉部を形成する際に、３．０ｍｍ以下の該薄肉部分で、２．５μｍ以上の黒鉛粒径を有する黒鉛粒数を１３００個／ｍｍ２以上に構成する。この構成により、チルなし組織の球状黒鉛鋳鉄、特に薄肉部分がＲＥ等の添加なく、形成できるのである。
【００３４】
上記の構成は、インモールド法による二次接種を行わないで、球状黒鉛鋳鉄に薄肉部を形成する際に２．５μｍ以上の球径を有する黒鉛粒数が肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で黒鉛粒数が１３００個／ｍｍ２以上である球状黒鉛鋳鉄である。黒鉛粒数を１３００個／ｍｍ２以上とした理由は、黒鉛粒数とチル発生の有無を詳細に検討した図１及び表１、表２に於いて明らかになった結果によるもので、薄肉部で黒鉛粒数が１３００個／ｍｍ２以上ではチルは発生しないからである。
【００３５】
表１は薄板２ｍｍ厚の、表２は薄板３ｍｍ厚の試験片の夫々の黒鉛粒数及びインモールド接種及びチルの有無を表わす。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
又、本発明は、肉厚２．０ｍｍ以下の薄肉部分で黒鉛粒数１６００個／ｍｍ２以上であることを規定した球状黒鉛鋳鉄である。肉厚２．０ｍｍ以下の部分ではさらに冷却速度が加速されチル化傾向が強くなるので、それを防ぐために肉厚３．０ｍｍの場合よりも多い黒鉛粒数が必要であった。
【００３９】
又、本発明は、上記球状黒鉛鋳鉄と同じ化学組成で、注湯時にＦｅ‐ＳｉをＳｉ当量で質量％で０．０５〜０．１５％、インモールド法により二次接種することによって、黒鉛粒数をさらに増加させ、肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で黒鉛粒数１５００個／ｍｍ２以上としてチル抑制の効果を促進した薄肉球状黒鉛鋳鉄である。
【００４０】
又、本発明は、肉厚２．０ｍｍ以下の薄肉部分での黒鉛粒数を２０００個／ｍｍ２以上とし、チル抑制の効果を促進した、薄肉球状黒鉛鋳鉄である。
【００４１】
次に本発明の目的である薄板試験片での実施例を説明する。まずチル発生の有無を評価する際の方案について説明する。鋳造品は強度向上目的でリブを多用する場合が多い。薄肉のリブやその先端部に溶湯が充填される際、行き止まりとなり急冷されチルが発生し易い。したがって、通常はチル防止目的で鋳型の薄肉部に「はかせ」を付けるケースが多い。しかし「はかせ」を付けると、その分、余分な溶湯を入れる必要が生じ、歩留まり低下や鋳造仕上げ工数が増えコスト増加になる。本薄肉試験片には実用性を重視して「はかせ」を付けない方案とした。すなわち、本薄肉試験片は一般的なチル防止の「はかせ」有りに比べ、より厳しい条件のものである。尚、「はかせ」とは、薄肉品は溶湯が急冷しチルが発生し易いので、薄肉部の先端に溜部として「はかせ」を付け、薄肉部に最初に入った、ぬるい湯を通過させ鋳型内で製品の外に作った「はかせ」に収納させて、はかせ（捌かせ）てしまう等の手立てである。
【実施例１】
【００４２】
２，０００ｋｇ容量の低周波誘導炉を用いて、鋼屑及び戻し材を使用し、本発明のＣｕとＳｎを添加してＦＣＤ８００相当の溶湯とした。この溶湯を市販のＦｅ‐Ｓｉ‐Ｍｇ‐ＲＥ合金の黒鉛球状化剤を用い黒鉛球状化剤の添加量を変えてサンドウィッチ法で球状化処理を実施後にＦｅ‐Ｓｉをインモールド法によりＳｉ当量で質量％０．１０％二次接種し、肉厚２ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）に鋳込んだ結果を図１の本発明鋳鉄Ａに示す。Ｍｇ０．０１３〜０．０３０％，Ｃｕ２．８％，Ｓｎ０．０２％の範囲での添加で、黒鉛粒数は２０００個／ｍｍ２以上で、チルは皆無である。黒鉛粒数の測定はＪＩＳで定められた５視野平均の黒鉛粒数であり黒鉛粒径２．５μｍ以上を測定した。
【００４３】
次に前記の本発明の化学組成で、かつ同様手順でＦｅ‐Ｓｉの二次接種を実施せずに肉厚２ｍｍの薄板試験片に鋳込んだ結果を図１の本発明鋳鉄Ｂに示す。黒鉛粒数は１６００個／ｍｍ２以上で、チルは皆無のチルなし組織であった。
【００４４】
次に前記と同様手順でＦｅ‐Ｓｉの二次接種を実施し、肉厚３ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×３ｍｍ）に鋳込んだ結果を図１の本発明鋳鉄Ｃに示す。黒鉛粒数は１５００個／ｍｍ２以上で、チルは皆無のチルなし組織であった。
【００４５】
次に前記と同様手順でＦｅ‐Ｓｉの二次接種を実施せずに肉厚３ｍｍの薄板試験片に鋳込んだ結果を図１の本発明鋳鉄Ｄに示す。黒鉛粒数は１３００個／ｍｍ２以上で、チルは皆無のチルなし組織であった。
【００４６】
比較例として従来技術の化学成分の材料について実験した。上記同様に２，０００ｋｇ容量の低周波誘導炉を用いて、鋼屑及び戻し材を使用し、Ｃｕ、Ｓｎを添加せずＦＣＤ５００相当の溶湯とした。この溶湯を市販のＦｅ‐Ｓｉ‐Ｍｇ‐ＲＥ合金の黒鉛球状化剤を用い黒鉛球状化剤の添加量を変えてサンドウィッチ法で球状化処理を実施後にＦｅ‐Ｓｉをインモールド法によりＳｉ当量で０．１０％二次接種し、肉厚２ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）に鋳込んだ結果を図１の比較例Ｅに示す。Ｍｇ０．０２３％での黒鉛粒数は１７０７個／ｍｍ２で、試験片全面にチルが発生した。
【００４７】
次に前記と同様手順でＦｅ‐Ｓｉの二次接種を実施せずに肉厚２ｍｍの薄板試験片に鋳込んだ結果を図１の比較例Ｆに示す。Ｍｇ質量％０．０２３％での黒鉛粒数は１５０５個／ｍｍ２で、試験片全面にチルが発生した。
【００４８】
又、前記と同様手順でＦｅ‐Ｓｉの二次接種を実施し、肉厚３ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×３ｍｍ）に鋳込んだ結果を図１の比較例Ｇに示す。Ｍｇ質量％０．０２３％での黒鉛粒数は１５８９個／ｍｍ２で、試験片全面にチルが発生した。
【００４９】
次に前記と同様手順でＦｅ‐Ｓｉの二次接種を実施せずに肉厚３ｍｍの薄板試験片に鋳込んだ結果を図１の比較例Ｈに示す。Ｍｇ質量％０．０２３％での黒鉛粒数は１４７４個／ｍｍ２で、試験片全面にチルが発生した。
【００５０】
薄板試験片での結果をまとめると表１、２に示す如くのようになる。従来材であるＦＣＤ５００相当材では、低Ｍｇでも、インモールド法による二次接種有り無しにかかわらずチルが発生した。これに比べ、本発明材では、インモールド法による二次接種有り無しにかかわらずチルが発生しなかった。インモールド法による二次接種なしでは、肉厚３．０ｍｍ以下において黒鉛粒数は１３００個／ｍｍ２以上でチルは皆無、肉厚２ｍｍ以下において黒鉛粒数は１６００個／ｍｍ２以上でチルは皆無、インモールド法による二次接種有りでは、肉厚３．０ｍｍ以下において黒鉛粒数は１５００個／ｍｍ２以上となりチルは皆無、肉厚２ｍｍ以下において黒鉛粒数は２０００個／ｍｍ２以上となりチルは皆無のチルなし組織であった。
【００５１】
この結果を従来の文献に記載されている技術と比較すると次のように説明できる。鋳造工学Ｖｏｌ・７４号３０〜３５頁では、ＭｇＳ黒鉛核生成についての検証を行い、肉厚２ミリで黒鉛粒径２．５μ以上で計測し最大１１００〜１３００個／ｍｍ２の黒鉛粒数が得られ、ＳとＭｇを上げることで最大値１３００個／ｍｍ２となり、チルを発生させないための最低黒鉛粒数は１１００〜１３００／ｍｍ２以上と報告されている。しかし「はかせ」を用いない本実施例の実験では、この黒鉛粒数以上でもチルが発生した。これは「はかせ」を付けない試験を実施したため急冷されチル発生の条件がより厳しくなったためである。すなわち高Ｃｕ、微量Ｓｎを含有しない従来技術の鋳鉄では黒鉛粒数増加によるチル防止効果より、急冷によるチルの促進が優位になったためである。従来技術に対し本発明の高Ｃｕ、微量Ｓｎ、低Ｍｇと二次接種の相乗効果によるチル防止効果は従来の常識を覆す結果である。
【実施例２】
【００５２】
次に金属組織のチル発生状況についての実験結果を説明する。２，０００ｋｇ容量の低周波誘導炉を用いて、鋼屑及び戻し材を使用し、Ｃｕ、Ｓｎ及びその他の成分を表１のように変えて添加し、本発明鋳鉄ではＦＣＤ８００相当の溶湯、比較例ではＦＣＤ５００相当の溶湯として、この溶湯を市販のＦｅ‐Ｓｉ‐Ｍｇ‐ＲＥ合金の黒鉛球状化剤を用い、サンドウィッチ法でＭｇ質量％０．０１３〜０．０２９％と表１に示すように変化させ、球状化処理を実施後にＦｅ‐Ｓｉをインモールド法によりＳｉ当量で０．１０％二次接種し、肉厚２ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）に鋳込んだ結果を表１に、本発明鋳鉄３の金属組織写真を図２、図９に、また本発明鋳鉄の３の黒鉛画像を図３に示す。きわめて緻密な金属組織でありチルの発生は皆無のチルなし組織である。そして比較例１の金属組織写真を図４に示す。該比較例１は全面に激しいチルが発生しているのがわかる。
【００５３】
次に上記と同様手順で肉厚３ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×３ｍｍ）に鋳込んだ結果を表２に、本発明鋳鉄７の金属組織写真を図５に、また本発明鋳鉄７の黒鉛画像を図６に示す。肉厚２ｍｍと同じくきわめて緻密な金属組織でありチルの発生は皆無である。比較例２の金属組織写真を図７に示す。該比較例２は全面に激しいチルが発生しているのがわかる。
【００５４】
次にＭｇ量を増加した場合のチル化傾向を明らかにするために、本発明においてＭｇを質量％０．０３２％に増量して実験を行った。２，０００ｋｇ容量の低周波誘導炉を用いて、鋼屑及び戻し材を使用し、ＣｕとＳｎを添加してＦＣＤ８００相当の溶湯として、この溶湯を市販のＦｅ‐Ｓｉ‐Ｍｇ‐ＲＥ合金の黒鉛球状化剤を用い、サンドウィッチ法でＭｇ０．０３２％で球状化処理を実施後にＦｅ‐Ｓｉをインモールド法によりＳｉ当量で０．１０％二次接種し、肉厚２ｍｍの薄板試験片（６０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ）に鋳込んだ比較例３を表２に示す。この表示のように、質量％Ｃｕ２．９％、Ｓｎ０．０２％である。また、その金属組織写真を図８に示す。質量％Ｍｇ０．０３２％では部分的にチル発生しているのがわかる。Ｍｇ質量％０．０３％以上になるとこのようにチル化傾向が徐々に強まるのである。この結果から、本発明のＭｇ量の上限を０．０３０％とした。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学組成が質量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｐ：０．０１〜０．０５％、Ｓ：０．０１〜０．０３％、Ｍｇ：０．０１３〜０．０３０％、Ｃｕ：１．８〜３．３％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄であって、該球状黒鉛鋳鉄の組織中の２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数が、肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で、１３００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
前記薄肉球状黒鉛鋳鉄において組織中の２．５μｍ以上の粒径を有する肉厚２．０ｍｍ以下の薄肉部分で黒鉛粒数が１６００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項１記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【請求項３】
注湯時にＦｅ‐ＳｉをＳｉ当量で組成中質量％０．０５〜０．１５％、インモールド法により二次接種することによって、薄肉球状黒鉛鋳鉄の組織中２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数が、肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で１５００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項１に記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【請求項４】
前記薄肉球状黒鉛鋳鉄において、組織中の２．５μｍ以上の粒径を有する肉厚２．０ｍｍ以下の薄肉部分で黒鉛粒数が２０００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項３記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【請求項１】
化学組成が質量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｐ：０．０１〜０．０５％、Ｓ：０．０１〜０．０３％、Ｍｇ：０．０１３〜０．０３０％、Ｃｕ：１．８〜３．３％、Ｓｎ：０．０１〜０．０５％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄であって、該球状黒鉛鋳鉄の組織中の２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数が、肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で、１３００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
前記薄肉球状黒鉛鋳鉄において組織中の２．５μｍ以上の粒径を有する肉厚２．０ｍｍ以下の薄肉部分で黒鉛粒数が１６００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項１記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【請求項３】
注湯時にＦｅ‐ＳｉをＳｉ当量で組成中質量％０．０５〜０．１５％、インモールド法により二次接種することによって、薄肉球状黒鉛鋳鉄の組織中２．５μｍ以上の粒径を有する黒鉛粒数が、肉厚３．０ｍｍ以下の薄肉部分で１５００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項１に記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【請求項４】
前記薄肉球状黒鉛鋳鉄において、組織中の２．５μｍ以上の粒径を有する肉厚２．０ｍｍ以下の薄肉部分で黒鉛粒数が２０００個／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項３記載の薄肉球状黒鉛鋳鉄。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−７９４１８（Ｐ２０１３−７９４１８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１９４０４（Ｐ２０１１−２１９４０４）
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【出願人】（５９９１５８６４９）青梅鋳造 株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【出願人】（５９９１５８６４９）青梅鋳造 株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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