(57)【要約】【課題】高強度、高延性、かつ高靭性の球状黒鉛鋳鉄、特に、引張強さが700MPa以上の高強度で、伸びが10%以上、常温における吸収エネルギーが10J/cm2以上である球状黒鉛鋳鉄を提供すること。【解決手段】質量%で、Ｃ：3.0〜4.0%、Ｓｉ：2.0〜2.4%、Ｃｕ：0.20〜0.50%、Ｍｎ：0.15〜0.35%、Ｓ：0.005〜0.030%およびＭｇ：0.03〜0.06%を、Ｍｎ＋Ｃｕ：0.45〜0.75%の下に含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成と、パーライトの基地に晶出した球状黒鉛をフェライト層が取囲む組織と、を有し、前記組織は、前記パーライトの一部が前記基地側から前記球状黒鉛側に向かって延在して前記フェライト層を分断する箇所が１以上ある、球状黒鉛鋳鉄。【選択図】図３
2020183558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量%で、
Ｃ：3.0〜4.0%、
Ｓｉ：2.0〜2.4%、
Ｃｕ：0.20〜0.50%、
Ｍｎ：0.15〜0.35%、
Ｓ：0.005〜0.030%および
Ｍｇ：0.03〜0.06%
を、Ｍｎ＋Ｃｕ：0.45〜0.75%の下に含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成と、
パーライトの基地に晶出した球状黒鉛をフェライト層が取囲む組織と、
を有し、
前記組織は、前記パーライトの一部が前記基地側から前記球状黒鉛側に向かって延在して前記フェライト層を分断する箇所が１以上ある、球状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
引張強さが700MPa以上、伸びが10%以上、並びに、
常温における吸収エネルギーが10J/cm2以上である、請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄。
【請求項３】
前記組織全体に対するフェライト層の面積率が20〜55%である、請求項１または２に記載の球状黒鉛鋳鉄。
【請求項４】
質量%で、
Ｃ：3.0〜4.0%、
Ｓｉ：2.0〜2.4%、
Ｃｕ：0.20〜0.50%、
Ｍｎ：0.15〜0.35%、
Ｓ：0.005〜0.030%および
Ｍｇ：0.03〜0.06%、
を、Ｍｎ＋Ｃｕ：0.45〜0.75%の下に含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成を有する鋳放し材を、800℃以上850℃以下の温度域にて、30分超240分以下の時間保持する均熱処理を施し、
前記均熱処理後に、冷却する、球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の球状黒鉛鋳鉄からなる、車両足回り部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状黒鉛鋳鉄、特に、自動車の足回り部品に適用することが可能な高強度かつ高延性な球状黒鉛鋳鉄に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保全や省エネルギーの観点から、自動車の軽量化が促進される中、自動車足回り部品、例えばステアリングナックル（以後、ナックルとも称する）を軽量化することが求められている。自動車足回り部品を軽量化するためには、適用材料を高強度化することが有効である。従来、自動車足回り部品の材料として、JIS規格のFCD450-10、およびFCD550-7級材が適用されているが、これらの材料よりもさらに高い引張強さを有する材料が求められている。
【０００３】
引張強さの高い材料として、従来のFCD700級材があげられる。従来のFCD700級材を自動車足回り部品の材料として適用することも検討された。しかしながら、従来のFCD700級材は、引張強さが高い半面、伸びおよび靭性が低い。よって、従来のFCD700級材をナックルなどの自動車足回り部品の材料とした場合、伸びおよび靭性が不足することから、車両衝突時に自動車足回り部品が破断する可能性がある。
【０００４】
ここで、伸びや靭性の高い素材として、二相混合組織を有する鋳鉄が知られている。すなわち、鋳造後の冷却温度の制御、および熱処理により、フェライトとパーライトとが混合する、二相混合組織を有する鋳鉄が得られる。かような二相混合組織を有する鋳鉄としては、以下の特許文献１に開示されている球状黒鉛鋳鉄があげられる。
【０００５】
特許文献１には、強度及び靭性に優れた球状黒鉛鋳鉄であって、(a)質量比で、Ｃ：3.4〜4%、Ｓｉ：1.9〜2.8%、Ｍｇ：0.02〜0.06%、Ｍｎ：0.2〜1%、Ｃｕ：0.2〜2%、Ｓｎ：0〜0.1%、(Ｍｎ＋Ｃｕ＋10×Ｓｎ)：0.85〜3%、Ｐ：0.05%以下、Ｓ：0.02%以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、(b)面積率で2〜40%の微細フェライト相と60〜98%の微細パーライト相とからなる二相混合基地組織を有し、前記フェライト相の最大長さが300μm以下であり、(c)前記二相混合基地組織に分散した黒鉛の周囲に前記パーライト相が形成されていることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄が開示されている。
【０００６】
上述したような二相混合組織を有する鋳鉄を、自動車の足回り部品の材料として適用することが検討されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第６０７９６４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述したような二相混合組織は、靭性が十分ではなく、より高強度、高延性、かつ高靭性の材料が求められていた。
【０００９】
そこで、本発明は、高強度、高延性、かつ高靭性の球状黒鉛鋳鉄、特に、引張強さが700MPa以上の高強度で、伸びが10%以上、常温における吸収エネルギーが10J/cm2以上である球状黒鉛鋳鉄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】
発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討を重ねた。
その結果、フェライトとパーライトとを含む組織を800℃以上850℃以下の温度域にて30分超240分以下の時間保持し、その後、冷却することによって、黒鉛を取囲むフェライト層にパーライトが複雑に入り込んだ組織を有する新規の球状黒鉛鋳鉄を得ることができることを知見するに至った。
【００１１】
この組織においては、先行技術とは異なり、黒鉛を取囲むフェライト層が完全に分断されず、パーライトが複雑に入り込んだフェライト層がネット（網目）状につながった組織となる。フェライト層がネット状につながっていることによって、引張り、衝撃破断の経路に柔らかなフェライトを多く存在させ、破壊の進行を防ぐことができ、高強度、高延性、かつ高靭性を共立することができる。
【００１２】
なお、本明細書中においては、引張強さが700MPa以上であり、かつ伸びが10%以上であり、かつシャルピー吸収エネルギー試験における吸収エネルギーが10J/cm2以上である場合、高強度、高延性、かつ高靭性であるという。
【００１３】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量%で、
Ｃ：3.0〜4.0%、
Ｓｉ：2.0〜2.4%、
Ｃｕ：0.20〜0.50%、
Ｍｎ：0.15〜0.35%、
Ｓ：0.005〜0.030%および
Ｍｇ：0.03〜0.06%
を、Ｍｎ＋Ｃｕ：0.45〜0.75%の下に含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成と、
パーライトの基地に晶出した球状黒鉛をフェライト層が取囲む組織と、
を有し、
前記組織は、前記パーライトの一部が前記基地側から前記球状黒鉛側に向かって延在して前記フェライト層を分断する箇所が１以上ある、球状黒鉛鋳鉄。
２．引張強さが700MPa以上、伸びが10%以上、並びに、
常温における吸収エネルギーが10J/cm2以上である、上記１に記載の球状黒鉛鋳鉄。
３．前記組織全体に対するフェライト層の面積率が20〜55%である、上記１または２に記載の球状黒鉛鋳鉄。
４．質量%で、
Ｃ：3.0〜4.0%、
Ｓｉ：2.0〜2.4%、
Ｃｕ：0.20〜0.50%、
Ｍｎ：0.15〜0.35%、
Ｓ：0.005〜0.030%および
Ｍｇ：0.03〜0.06%、
を、Ｍｎ＋Ｃｕ：0.45〜0.75%の下に含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物の成分組成を有する鋳放し材を、800℃以上850℃以下の温度域にて、30分超240分以下の時間保持する均熱処理を施し、
前記均熱処理後に、冷却する、球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
５．上記１〜３のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄からなる、車両足回り部品。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、引張強さが700MPa以上の高強度で、伸びが10%以上、常温における吸収エネルギーが10J/cm2以上である高強度、高延性、かつ高靭性の球状黒鉛鋳鉄を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１および２で用いた鋳型のキャビティー形状、および製造したＹ形供試材の寸法を示す図である。
【図２】実施例１の組織観察における、Ｙ形供試材からの試験片の採取位置および顕微鏡観察した領域を示す図である。
【図３】実施例１のNo.1〜5の組織の顕微鏡写真を示す。
【図４】実施例１のNo.6〜9、およびNo.1の組織の顕微鏡写真を示す。
【図５】実施例１のNo.10〜13の組織の顕微鏡写真を示す。
【図６】実施例２の組織観察および硬さ測定における、Ｙ形供試材からの試験片の採取位置および顕微鏡観察した領域を示す図である。
【図７】実施例２の引張り試験、および衝撃試験における、試験片の採取位置を示す図である。
【図８】実施例２の比較例１〜５、および発明例１〜３の組織の顕微鏡写真を示す。
【図９】実施例２の発明例４、および比較例６〜１１の組織の顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態に係る球状黒鉛鋳鉄について説明する。まず、球状黒鉛鋳鉄の成分組成の限定理由について述べる。なお、本明細書中において、各成分元素の含有量を示す「％」は、特に断らない限り、「質量％」を意味する。また、本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
【００１７】
Ｃ：3.0〜4.0%
Ｃ（炭素）は黒鉛組織とするために必須の元素である。Ｃの含有量が3.0%未満の場合、黒鉛が晶出しにくくなり、例えばナックルの薄肉部において炭化物（チル）が晶出して、後述する熱処理（以下、単に熱処理とも称する）後に本発明の組織が得られない場合がある。Ｃの含有量が4.0%を超えると、黒鉛粒径が大きくなり爆発状黒鉛となって球状化率が低下し、熱処理後の引張強さ、伸び、および靭性が低下する場合がある。従って、Ｃの含有量を3.0〜4.0%とする。好ましくは、Ｃの含有量を、3.4〜3.8%とする。
【００１８】
Ｓｉ：2.0〜2.4%
Ｓｉは、鋳放し材における黒鉛の晶出を促進させる元素である。Ｓｉの含有量が2.0%未満の場合、黒鉛が晶出しにくくなり、例えばナックルの薄肉部においてチルが晶出して、熱処理後に本発明の組織が得られないことがある。Ｓｉの含有量が2.4%を超えると、フェライト中のＳｉの固溶量が高くなり、硬さが高いシリコンフェライトが生成し、後述する熱処理後の靭性が低下する。従って、Ｓｉの含有量を2.0〜2.4%とする。好ましくは、Ｓｉの含有量を、2.1〜2.3％とする。
【００１９】
なお、鋳放し材では、Ｓｉの含有量が上記の比較的低い範囲にあると、一般的に組織全体に対するフェライトの面積率（以下、単にフェライトの面積率とも称する）が低くなる。Ｓｉの含有量が低い組成で、高強度かつ高フェライトの面積率を達成することは難しい。本発明は、Ｓｉの含有量が低い組成の鋳放し材においては難しかった高強度と高フェライトの面積率とを、熱処理を施すことによって達成する手法でもある。
【００２０】
Ｃｕ：0.20〜0.50%
Ｃｕはパーライトを安定化する元素であり、熱処理後の引張強さを所期の値にするために必要な元素である。Ｃｕの含有量が0.2%未満では、引張強さが不足し、また本発明の組織を得にくくなる。Ｃｕの含有量が0.5%を超えると熱処理後の組織全体に対するパーライトの面積率（以下、単にパーライトの面積率とも称する）が高くなり、目的とする伸びを得られない場合がある。従って、Ｃｕの含有量を0.2〜0.5%とする。好ましくは、Ｃuの含有量を、0.25〜0.47%、より好ましくは、0.3〜0.4%とする。
【００２１】
また、Ｃｕは、熱処理後に本発明の組織を得るために必要な元素でもある。本発明においては、いわゆるブルスアイ組織を有する球状黒鉛鋳鉄に所定の条件にて熱処理を施すことによって、本発明の組織を得ている。Ｃｕの含有量が低いと、ブルスアイ組織を有する球状黒鉛鋳鉄に熱処理を施した後、冷却時にオーステナイト中のＣ成分が黒鉛組織へ拡散移動して再黒鉛化（二次黒鉛）するため、本発明で所期する組織ができずに、ブルスアイ組織に戻ってしまうことがある。しかし、本発明においては、Ｃｕを上述の範囲内で含有しているため、黒鉛周辺をＣｕがフィルム状に覆い、オーステナイト中のＣ成分がＣｕのバリア効果で黒鉛組織へ拡散移動することが妨げられる。結果、冷却時に組織がブルスアイ組織に戻ることとならず、本発明の組織を得ることができる。
【００２２】
Ｍｎ：0.15〜0.35%
Ｍｎは、パーライトを安定化する元素である。Ｍｎの含有量が0.15%未満の場合、パーライトが少なくなり、強度が低下する。本発明の組織は上記のＣｕが添加されることにより実現する。すなわち、本発明では、Ｍｎと、同じくパーライト安定化元素であるＣｕが含まれているため、Ｍｎの含有量が0.35%を超えると、パーライトが多くなり、伸びおよび靭性が低下する。よって、Ｍｎの含有量は0.15〜0.35%とする。好ましくは、Ｍｎの含有量を、0.2〜0.3%とする。
【００２３】
Ｓ：0.005〜0.030%
Ｓの含有量が0.005%未満の場合、球状黒鉛が晶出する際の核となる硫化物が少なくなる。よってＳの含有量が0.005%未満の場合、球状黒鉛の晶出量が減少し、球状化率が低下する場合がある。Ｓの含有量が0.030%を超えると、黒鉛化が阻害されるとともに、黒鉛の球状化率が低下する。従って、Ｓの含有量を0.005〜0.030%とする。好ましくは、Ｓの含有量を、0.005〜0.020%とする。
【００２４】
Ｍｇ：0.03〜0.06%
Ｍｇは、黒鉛の球状化に影響する元素である。鋳鉄中に残留するＭｇの量（以下、残留Ｍｇ量とも称する）が0.03%未満であると黒鉛球状化率が低下し、熱処理後の引張強さ、伸び、靭性が低下する心配がある。残留Ｍｇ量が0.06%を超えると、チルが晶出して、本発明の組織が得られないことがある。従って、Ｍｇの含有量を0.03〜0.06%とする。好ましくは、Ｍｇの含有量を、0.04〜0.05%とする。
【００２５】
Ｍｎ＋Ｃｕ：0.45〜0.75%
ＭｎおよびＣｕは、上記した含有量の下、さらに含有量を規制する必要がある。すなわち、ＭｎおよびＣｕの合計含有量が0.45%未満になると、熱処理後の引張強さが十分に向上しない。一方、合計含有量が0.75%を超えると熱処理後のパーライト率が高くなり、伸びおよび靭性が低下する場合がある。好ましくは、ＭｎとＣｕとを合計量で、0.55〜0.75%含有する。
【００２６】
以上、本発明の基本成分について説明した。上記成分以外の残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物の例としては、Ｐ、Ｃｒがあげられる。不可避混入分としては、Ｐが0.05%未満、Ｃｒが、0.1%以下程度である。
【００２７】
次に、本発明の球状黒鉛鋳鉄が有する組織について説明する。
本発明の球状黒鉛鋳鉄は、球状黒鉛を取囲むフェライト層にパーライトが複雑に入り込んだ組織を有する。
【００２８】
より詳細に言えば、本発明の球状黒鉛鋳鉄が有する組織は、球状黒鉛を取囲むフェライト層にパーライトが複雑に入り込むことによって、球状黒鉛を取囲むフェライト層を微細パーライトが一か所以上分断している、混合組織である。なお、本明細書中において、黒鉛を取囲むフェライト層を微細パーライトが分断するとは、球状黒鉛とフェライトの境界領域において、パーライトが黒鉛まで到達していることを意味する。
【００２９】
上述した特許文献１の組織は、微細パーライト相と微細フェライト相とからなる二相混合基地組織、すなわち、フェライト粒とパーライト粒との微細混合基地組織であり、フェライト相は微細パーライト相によって微細に分散されている。特許文献１の組織においては、面積率の高い微細パーライト相の機械的特性が支配的であり、フェライト相は微細パーライト相によって微細に分散されているため、その機械的特性を十分に発揮することができない。
【００３０】
一方、本発明の組織においては、黒鉛を取囲むフェライト層に、フェライト層を微細に分散することなくパーライトが複雑に入り込んでおり、フェライト層が粒状ではなく、互いに結びついて一体となったクラスタ状の形態を有する。この特有の組織においては、フェライト層が微細に分散されないため、フェライトの機械的特性が損なわれない。また、フェライト層中の微細パーライトが、強化繊維のように機械的特性を発揮する。本発明の球状黒鉛鋳鉄は、この特有の組織を有することによって、フェライト及びパーライトの両方の機械的特性を両立している。
【００３１】
本発明の球状黒鉛鋳鉄において、フェライトの面積率は、20〜55%であることが好ましい。フェライトの面積率が20%未満では伸びと靭性とが所期の機械的特性を満足しない場合がある。フェライトの面積率が55%超では、引張強さが700MPaを下回る虞がある。
【００３２】
一般的に、フェライトの面積率が多い組織では、引張強さが低下する。しかしながら本発明に係る球状黒鉛鋳鉄は、球状黒鉛を取囲むフェライト層にパーライトが複雑に入り込んだ特有の組織を有するので、フェライトの面積率が20〜55%であっても、引張強さ700MPa以上という高い強度を有する。
【００３３】
また、本発明の球状黒鉛鋳鉄において、パーライトの面積率は、45〜80%であることが好ましい。パーライトの面積率が45%未満であれば、引張強さが700MPaを下回る場合がある。パーライトの面積率が80%超では、伸びと靭性とが所期の機械的特性を満足しない虞がある。
【００３４】
なお、本明細書中において、フェライトの面積率は、鋳鉄の断面における金属組織の顕微鏡写真を画像処理することによって、以下の式によって算出される。
フェライトの面積率（％）＝（フェライトの面積）/（パーライト＋フェライトの面積）×１００
組織中のパーライト＋フェライトの面積は、金属組織の顕微鏡写真から黒鉛を除いた組織を抽出し、面積を算出することによって得る。また、組織中のフェライトの面積は、金属組織の顕微鏡写真から黒鉛およびパーライトを除いた組織を抽出し、面積を算出することによって得る。
【００３５】
また、本明細書中において、パーライトの面積率は、以下の式によって算出される。
パーライトの面積率（％）＝１００−フェライトの面積率
【００３６】
また、本発明の球状黒鉛鋳鉄は、全域にわたって組織が均一化されている。具体的には、本発明の製造方法に従って製造したＹ形供試材の平行部において、フェライトの面積率の最大値と最小値との差は、好ましくは10%以下、より好ましくは、5%以下である。
【００３７】
なお、本発明の球状黒鉛鋳鉄が有する組織の球状化率は80%以上であり、JIS G5502の規格を満たす。
【００３８】
以上の成分組成および組織を有する球状黒鉛鋳鉄は、次の機械的特性を備えるものとなる。この機械的特性について説明する。
本発明の球状黒鉛鋳鉄は、引張強さが700MPa以上であり、かつ伸びが10%以上であり、かつ常温における吸収エネルギーが10J/cm2以上である。すなわち、本発明の球状黒鉛鋳鉄は、FCD700級材に相当する引張強さを有し、かつFCD450-10級材およびFCD550級材に相当する伸びを有し、靭性も、FCD450-10級材およびFCD550級材に匹敵する。
【００３９】
上記の優れた機械的特性を有することから、本発明の球状黒鉛鋳鉄は、強靭性が求められるステアリングナックル、ロアアーム、アッパーアーム、およびサスペンションなどの足廻り部品、ならびに、シリンダーヘッド、クランクシャフト、ピストンなどのエンジン部品の材料として適用が可能である。
【００４０】
次に、本発明に係る球状黒鉛鋳鉄の製造方法について説明する。
まず、前述した成分組成を有する鋳放し材を常法に従って製造する。得られた鋳放し材に対して、800℃以上850℃以下の温度域にて、30分超240分以下の時間保持する均熱処理を施す。均熱処理終了後、均熱処理した球状黒鉛鋳鉄を冷却することにより、本発明の組織が得られる。
すなわち、鋳放し材の組織、すなわちパーライト相およびフェライト相を、共析変態点温度以上にすることによって、オーステナイト相としてから、均熱処理における保持温度および保持時間を制御して所望の組織とするところに、本発明に係る球状黒鉛鋳鉄の製造方法の特徴がある。
【００４１】
均熱処理の保持温度：800℃以上850℃以下
均熱処理の保持温度を上記温度域とすることによって、本発明の組織を得ることができる。すなわち、保持温度が800℃未満では、十分なオーステナイト化が行われず、熱処理後の組織のフェライトの面積率が過多となり、引張強さが700MPaを下回る。一方、保持温度が850℃を超えると、熱処理後の組織のパーライトの面積率が過多となり、伸びと靭性とが所期の機械的特性を満足しない。好ましくは、均熱処理の保持温度は、805〜840℃、より好ましくは、810〜830℃とする。
【００４２】
均熱処理の保持時間：30分超240分以下
保持時間が30分以下では、オーステナイト化が十分に行われずに、後述の冷却後に、本発明の組織とすることができない。保持時間が240分を超えると、オーステナイト組織が粗大になる可能性があり、熱処理後の伸びや衝撃値が低下する虞がある。均熱処理の保持時間は、好ましくは、60〜200分、より好ましくは、100〜180分とする。
【００４３】
均熱処理後の冷却
冷却速度は特に限定されないが、共析変態点前後の少なくとも800〜600℃の区間の平均冷却速度を、20℃/min以上とすることが好ましい。
なお、本明細書中において、Ａ〜Ｂ℃の区間の平均冷却速度は、以下の式によって算出される。
平均冷却速度(℃/min)＝（Ａ−Ｂ）/（Δｔ）
ただし、Δｔは、Ａ℃からＢ℃への温度変化に要した時間（min）を指す。
鋳放し材においては、特に製品形状が複雑な場合、鋳放し材内部における冷却速度が不均一となることにより、全域にわたって均一な組織が得られない虞がある。しかしながら、共析変態点前後の少なくとも800〜600℃の区間の平均冷却速度を、20℃/min以上と速くすることにより、製品の肉厚部と肉薄部との間で冷却速度差が小さくなるため、熱処理後のフェライトとパーライトの晶出量を一定化することができ、製品内の組織の均一化が図れる。均熱処理後の冷却における共析変態点前後の少なくとも800〜600℃の区間の平均冷却速度は、より好ましくは、20〜30℃/min、さらに好ましくは、22〜30℃/minとする。また、より好ましくは、均熱処理終了温度〜600℃の区間の平均冷却速度を、20℃/min以上、さらに好ましくは、20〜30℃/min、特に好ましくは22〜30℃/minとする。
近年、軽量化ナックルは複雑形状に設計されている。軽量化ナックルは、従来のナックルよりも薄肉化されているが、ボルト締結部は強度を保つため薄肉化されていないため、製品内部における肉厚変動が大きくなってきている。しかしながら、本発明によれば、共析変態点前後の800〜600℃の区間の平均冷却速度を、20℃/min以上と速くすることにより、製品内の組織の均一化が図れ、全域で所期の要求特性を満足する軽量化ナックルを製造することができる。
【００４４】
また、冷却方法は特に限定されないが、例えば空冷する方法があげられる。冷却を空冷によって行うことによって、20℃/min以上の平均冷却速度を得ることができる。また、冷却を空冷によって行うことによって、冷却速度を制御するための設備等、特別な設備が不要であるため、量産化に適用しやすい。
【００４５】
なお、鋳放し材を製造する方法は特に限定されないが、鋳造時に接種剤を添加することが好ましい。接種剤として、Ｃａ、Ｂａ、Ａｌ、ＳおよびＲＥの群から選ばれる少なくとも２種以上を含んだＦｅ−Ｓｉ合金（フェロシリコン）を用いることが好ましい。接種方法は特に限定されないが、製品形状、および製品の肉厚等に応じて、取鍋接種、注湯流接種、および鋳型内接種等を選択することができる。
【実施例１】
【００４６】
Ｆｅ-Ｓｉ系溶湯の原料を準備した。高周波電気炉を用いて原料を溶解して、Ｆｅ-Ｓｉ系溶湯を得た。該溶湯に球状化材（Ｆｅ-Ｓｉ-Ｍｇ）を添加して、球状化処理を施した。次いで、Ｂａ、Ｓ、およびＲＥを含んだＦｅ-Ｓｉ合金（Ｓｉ：70〜75%）を、接種材として溶湯全体に対して約0.2%となるように添加し、表１に示す組成とした。表１の組成１〜２は本発明の組成範囲の溶湯であり、組成３〜５は本発明の組成範囲外の溶湯である。
【００４７】
【表１】
2020183558.tif 000003
【００４８】
図１に示すキャビティー形状を有する鋳型を、ベータセット法により造型した。図１（ａ）は、キャビティーの側面形状の寸法、図１（ｂ）は、キャビティーの正面形状の寸法を示す。キャビティーは、図１（ａ）に示すように、押湯側の上辺部での厚みが45mmであり、この上辺部から下方に向かって厚みが10mmまで漸減し、以降は厚みが一定（10mm）の平行部１００となる、Ｙ形の側面形状を有する。なお、キャビティー形状の厚みは、自動車足回り部品およびエンジン部品の薄肉部を想定して決定した。鋳型に溶湯を注湯した。溶湯を常温まで鋳型内冷却した後、Ｙ形状の鋳放し品（鋳物）を鋳型内より取り出した。
【００４９】
得られた鋳放し品に対して、均熱処理を施した。均熱処理には、共栄電気炉製作所製の横扉式電気炉を用いた。鋳放し品は切断などをせずに、そのまま電気炉内に設置して均熱処理を施した。均熱処理の保持時間は750〜900℃の範囲から選定した。均熱処理の処理時間は30〜240分の範囲から選定した。各実施例および比較例の保持時間および処理時間を、表２に示した。
【００５０】
【表２】
2020183558.tif 000004
【００５１】
均熱処理終了後の鋳放し品を冷却した。この鋳放し品の冷却は、電気炉の加熱を停止し、炉扉を全開する冷却（空冷）によって行った。冷却と同時に、鋳放し品の平均冷却速度を測定した。鋳放し品のＹ形状の平行部１００の底面の中央部（底面の幅方向および厚み方向における中心部）に15mm深さの穴を開け、穴に熱電対を差し込んだ。熱電対によって測定された温度を、GRAPHTEC製データロガーGL200を用いて採取することによって、共析変態点前後の800〜600℃の区間の平均冷却速度を算出した。常温まで冷却した後、Ｙ形供試材を回収した。
【００５２】
得られたＹ形供試材の組織を、以下に記載する通りに観察した。組織観察は、平行部の中央部（平行部１００の高さ方向、幅方向および厚み方向における中心に位置する領域）について行った。まず、図２の破線にて示すように、Ｙ形供試材の平行部１００から、図２（ｂ）の右側面から90mmの位置において側面と平行に一断面を切り出して、幅15mm、厚み10mmの試験片を採取した。試験片の該一断面を鏡面仕上げした。鏡面仕上げした断面上の観察面Ａ（鏡面仕上げした断面上の高さ方向および幅方向における中心に位置する領域）を倍率100倍で光学顕微鏡により観察し、顕微鏡写真を撮影した。得られた顕微鏡写真を、図３〜５に示す。
【００５３】
図３は、表２のNo.1〜5の組織の顕微鏡写真を示す。表２に示すように、No.1〜5は、組成１の溶湯を用いて鋳造した鋳放し品に対し、750〜900℃の範囲内の保持温度にて、一定の保持時間にて均熱処理を施した実験例である。No.1〜5を比較することによって、均熱処理の保持温度が組織に及ぼす影響を検証した。図３に示す通り、800℃〜850℃の保持温度で本発明の組織が得られることがわかった。保持温度を750℃、または900℃とした比較例においては、本発明の組織とはならず、No.1の鋳放し材と同様、ブルスアイ組織となった。
【００５４】
図４は、実施例１のNo.6〜9、およびNo.1の組織の顕微鏡写真を示す。表２に示すように、No.6〜9は、組成１の溶湯を用いて鋳造した鋳放し品に対し、30〜240分の保持時間にて均熱処理を施した実験例である。保持温度は、基地組織がオールフェライトにならないよう800〜850℃から適宜選定した。No.6〜9を比較することによって、均熱処理の保持時間が組織に及ぼす影響を検証した。なお、No.1の組織を、均熱処理を行っていない比較例として、比較のために図４に示した。図４に示す通り、均熱処理の保持時間を30分超240分以下とすれば、本発明の組織が得られることがわかった。保持温度が30分では、黒鉛周辺にフェライトのほとんどが残っており、環状フェライト層を微細パーライト相が分断しておらず、本発明の組織にはならなかった。
【００５５】
図５は、実施例１のNo.10〜13の組織の顕微鏡写真を示す。表２に示すように、No.10〜13は、組成３の溶湯を用いて鋳造した鋳放し品に対し、830℃〜900℃の保持温度にて、一定の保持時間にて均熱処理を施した実験例である。組成３においては、Ｃｕが添加されておらず、かわりにＭｎの含有量を増加させ、Ｍｎ＋Ｃｕが本発明の限定範囲内となるようにしている。表１に示すように、組成３にはＣｕが0.07%含有されているが、原材料から不可避的に入り込んだものである。図５に示す通り、組成３を用いた場合、いずれの保持温度においても本発明の組織は得られず、鋳放し材と同じブルスアイ組織となった。
【００５６】
以上より、本発明の組織は、熱処理条件として保持温度を800℃以上850℃以下、保持時間を30分超240分以下として保持後、冷却することによって得られるが、Ｃｕを添加した成分組成でなければならないことがわかる。
【実施例２】
【００５７】
溶湯の組成および鋳放し品の熱処理条件を表３に示す通りに変更した以外は、実施例１と同様に、鋳鉄を製造した。
【００５８】
得られた鋳鉄について、組織観察をし、硬さ、引張強さ、伸び、および常温におけるシャルピー吸収エネルギーを測定した。
【００５９】
まず、組織観察および硬さの測定について説明する。Ｙ形供試材中の組織の均一性も評価するため、組織観察および硬さの測定は、平行部１００の上側（平行部１００の底部から45mm高さ、かつ平行部１００の幅方向および厚み方向における中心に位置する領域）および底側（平行部１００の底部から5mm高さ、かつ平行部１００の幅方向および厚み方向における中心に位置する領域）の２カ所について行った。
【００６０】
図６（ｂ）の破線にて示すように、Ｙ形供試材の平行部１００から、図６（ｂ）の右側面から90mmの位置において側面と平行に一断面を切り出して、幅15mm、厚み10mmの試験片を採取した。試験片の該一断面を鏡面仕上げした。鏡面仕上げした断面上の観察面Ｂ（鏡面仕上げした断面上において、底部から45mm高さ、かつ幅方向における中心に位置する領域）および観察面Ｃ（鏡面仕上げした断面上において、底部から5mm高さ、かつ幅方向における中心に位置する領域）を倍率100倍で光学顕微鏡により観察し、顕微鏡写真を撮影した。
【００６１】
試験片の組織観察、および顕微鏡写真の撮影は、実施例１と同様に行った。組織写真を、図８および９に示す。
さらに、画像解析装置QuickGrainPro（株式会社イノテック製）を用いて、組織中のフェライトの面積率、黒鉛粒数、および黒鉛粒径を測定した。測定は、JIS G 5502に準拠して行った。平均粒径10μm以上の黒鉛を、球状黒鉛として黒鉛粒数および黒鉛粒径の測定対象とした。また、JIS G 5502に準拠して球状化率を算出した。球状化率とフェライトの面積率について、Ｙ形供試材の平行部１００の上側と底側との２つの試験片間の測定値の幅（差）を求め、表３に示した。
【００６２】
試験片の硬さは、上述した試験片の一断面の観察面Ｂおよび観察面Ｃにおける硬さをロックウェル硬さ試験機AR-10（株式会社ミツトヨ製）により測定することによって求めた。測定は、メーカの取り扱い説明書に準拠して行った。
【００６３】
次に、引張強さおよびシャルピー吸収エネルギーの測定について説明する。図７に試験片の採取位置を示した。Ｙ形供試材中の組織の均一性も評価するため、試験片は、Ｙ形供試材の平行部１００の上側（平行部１００の底部から30mmから45mmの高さ）と底側（平行部１００の底部から5mmから20mmの高さ）との２カ所から各１個ずつ採取した。
【００６４】
引張試験はJIS Z 2241に準拠して行った。まず、図７に示した２カ所の採取位置、すなわち上側（平行部１００において、底部から30mmから45mmの高さ、かつ厚さ方向において図７（ｂ）の左側面から5mmから90mmの部位）と底側（平行部１００の底部から5mmから20mmの高さ、かつ厚さ方向において図７（ｂ）の左側面から5mmから90mmの部位）から、JIS Z 2241に準拠した14A号引張試験片（円形断面試験片、径：6mm）を旋盤加工により作製した。２つの引張試験片を、オートグラフAG-300kNXplus（株式会社島津製作所製）を用いて引張試験に供し、0.2%耐力、引張強さ、および破断伸びを測定した。引張強さ、および破断伸びについて、測定結果を表３に示す。また、引張強さ、および破断伸びについて、Ｙ形供試材の平行部１００の上側から採取した試験片と底側から採取した試験片との測定値の幅（差）を求め、表３に示した。
【００６５】
シャルピー衝撃試験はJIS Z 2242に準拠して行った。まず、JIS Z 2242に準拠して、Ｙ形供試材から、図７に示した２カ所の採取位置、すなわち上側（平行部１００の底部から30mmから45mmの高さ、かつ厚さ方向において図７（ｂ）の右側面から5mmから90mmの部位）と、底側（平行部１００の底部から5mmから20mmの高さ、かつ厚さ方向において図７（ｂ）の右側面から5mmから90mmの部位）とから、Ｙ形供試材の厚み方向を長手方向として、長さ55mmで、１辺が10mmの正方形断面をもつ標準試験片を切り出した。該標準試験片に、ノッチ深さ2mm及びノッチ底半径1mmのＵノッチを付けてＵノッチ試験片を作製した。50J衝撃試験機CI-50（株式会社東京衡機製）を用いて、Ｕノッチ試験片をシャルピー衝撃試験に供し、常温における吸収エネルギーを測定した。測定結果を表３に示す。吸収エネルギーについて、Ｙ形供試材の平行部１００の上側から採取した試験片と底側から採取した試験片との測定値の幅（差）を求め、表３に示した。
【００６６】
【表３】
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【００６７】
なお、表３には示さないが、試験片のロックウェル硬さは、発明例および比較例で大きな差異はなく、HRB88.3〜100.5の範囲内であった。組織中の黒鉛粒数は、発明例および比較例で大きな差異はなく、130.6〜299.4個/mm2の範囲内であった。組織中の黒鉛粒径は、発明例および比較例で大きな差異はなく、20.4〜32.5μmの範囲内であった。試験片の0.2%耐力は、発明例および比較例で大きな差異はなく、353.5〜468.1MPaの範囲内であった。
【００６８】
比較例１〜５の鋳放し材について、Ｙ形供試材の全域で、引張強さが700MPa以上の高強度で、かつ伸びが10%以上、かつ常温における吸収エネルギーが10J/cm2以上という機械的特性を満足したものはない。比較例１〜５には、部分的に引張強さ、伸び、および靭性が本願の所期の機械的特性を満足するものがあるが、Ｙ形供試材の上側と底側とでフェライトの面積率に20ポイント程度の差があり、均一な組織が得られていないことがわかる。
【００６９】
発明例１〜４は所期の機械的特性を満足した。また、フェライトの面積率が20〜55%となっており、フェライトの面積率の幅も各発明例で10ポイント未満に抑えられ、均一な組織が得られていることがわかる。なお、発明例１〜４の中では、均熱処理の保持温度を低くし、保持時間を長くした場合に、Ｙ形供試材中におけるフェライトの面積率の幅が狭い傾向があることが読み取れる。
【００７０】
比較例６および７は、本熱処理条件の保持時間を短時間側に外した例である。比較例６は、伸びが所期の機械的特性を満足していない。組織写真から、本発明の組織に十分にならず、ブルスアイ組織に近い組織となっていることがわかる。フェライトの面積率も20%未満と低かった。また、比較例７では均熱処理の保持時間が短いため、オーステナイト化が十分に行われず、熱処理後のフェライトの面積率が55%を超え、引張強さが700MPaを下回った。
【００７１】
比較例８は、本熱処理条件の保持温度を上側に外したものである。引張強さは700MPa台であるが、伸びと靭性とが所期の機械的特性を満足しなかった。組織写真を見ると本発明の組織が得られておらず、ブルスアイ組織となっていることがわかる。
【００７２】
比較例９は、ＣｕおよびＭｎの含有量を本発明の組成範囲から外した例である。引張強さは700MPa台であるが、伸びと靭性とが所期の機械的特性を満足しなかった。組織写真を見ると本発明の組織が得られておらず、ブルスアイ組織となっていることがわかる。
【００７３】
比較例１０は、Ｓｉを本発明の組成範囲から外した例である。引張強さ700MPa台でフェライトの面積率が20%以上であり、組織写真からも本発明の組織と同様の形態となっていることがわかるが、靭性が所期の機械的特性を満足しなかった。比較例１０においてはＳｉが高い成分組成としたため、靭性の低いシリコンフェライトが生成し、靭性が低下したものと考えられる。
【００７４】
比較例１１は、Ｓｉを比較例１０よりも更に本発明の組成範囲から外した例である。引張強さが700MPa台でフェライトの面積率も20%以上であり、組織写真から本発明の組織が得られていることがわかるが、靭性は比較例１０よりも更に低下した。
【００７５】
以上より、本発明によれば、Ｙ形供試材の全域にわたって高強度、高延性、かつ高延性な球状黒鉛鋳鉄が得られることがわかった。
【符号の説明】
【００７６】
Ａ、Ｂ、Ｃ  観察面
１００  平行部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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