(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：２．５〜４％（「質量％」の意味。化学成分組成について以下同じ）、Ｓｉ：２〜３．６％およびＭｎ：０．１〜１．０％を夫々含有すると共に、Ａｌ：０．４〜１．５％およびＴｉ：０．１５〜０．５％を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、且つ黒鉛粒子が分散したものであることを特徴とする耐熱性に優れたフェライト系鋳鉄。
【請求項２】
基地組織の８０面積％以上がフェライトである請求項１に記載の耐熱性に優れたフェライト系鋳鉄。
【請求項３】
円相当直径が２０μｍ以下の黒鉛粒子が、観察視野１ｍｍ2当り５０００個以上である請求項１または２に記載の耐熱性に優れたフェライト系鋳鉄。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱性に優れた鋳鉄に関するものであり、殊に複雑な溶湯処理をせずとも優れた耐熱性を発揮すると共に、急速加熱と冷却の繰り返しに耐える強度を有する鋳鉄に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋳鉄は鋳造性と機械的性質に優れていることから、従来から鋳物製品等の素材として広く使用されている。鋳鉄鋳物については、ねずみ鋳鉄品（ＪＩＳ  Ｇ５５０１）、球状黒鉛鋳鉄品（ＪＩＳ  Ｇ５５０２）、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄品（ＪＩＳ  Ｇ５５０３）、オーステナイト鋳鉄品（ＪＩＳ  Ｇ５５１０）、ダクタイル鋳鉄管（ＪＩＳ  Ｇ５５２６）、ダクタイル鋳鉄異形管（ＪＩＳ  Ｇ５５２７）、可鍛鋳鉄品（ＪＩＳ  Ｇ５７０５）等に各種規定されており、工作機械、産業機械、自動車・車両部品、水道管、金型、各種用途で使用されることが予定されている。
【０００３】
ところで、鋳造用金型には、ねずみ鋳鉄が使用されることがあるが、耐熱性に問題があることから、耐熱性が必要な金型にはＣＶ（Ｃｏｍｐａｃｔｅｄ  Ｖｅｒｍｉｃｕｌａｒ）黒鉛鋳鉄がその素材として用いられている。ＣＶ黒鉛鋳鉄はＪＩＳ  Ｇ５５０２に示されている形態（III）の片状と球状との中間型の黒鉛を持った鋳鉄であり、機械的性質、鋳造性、耐熱性に優れていることが知られている（例えば、非特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、ＣＶ黒鉛鋳鉄は製造方法が複雑で、特に溶湯処理と戻し材（再溶解材）に含まれる球状化阻害元素の管理を十分に行なわなければならない。このことがＣＶ黒鉛鋳鉄の製造の難易度を高くし、鋳物の品質にバラツキを生じさせる要因となることが知られている（例えば、非特許文献２）。
【０００５】
こうしたことから、ＣＶ黒鉛鋳鉄を用いなくても優れた耐熱性、鋳造性を発揮する鋳鉄素材が安価で比較的容易に製造できることが望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「鋳造工学便覧」、２００４．１月、丸善（株）発行、第２４０〜第２４１頁
【非特許文献２】「鋳鉄の生産技術」、１９９３．１月、（財）素形材センター発行、第２８２〜第２９２頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこうした状況の下になされたものであって、その目的は、複雑な溶解材料の管理と溶湯処理をせずとも鋳物の品質が安定し、優れた耐熱性を発揮すると共に、鋳造性にも優れ、金型用鋳物等の素材として有用なフェライト系鋳鉄を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成し得た本発明のフェライト系鋳鉄とは、Ｃ：２．５〜４．０％（「質量％」の意味。化学成分組成について以下同じ）、Ｓｉ：２〜３．６％およびＭｎ：０．１〜１．０％を夫々含有すると共に、Ａｌ：０．４〜１．５％およびＴｉ：０．１５〜０．５％を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、且つ黒鉛粒子が分散したものである点に要旨を有するものである。本発明は、基本的に基地組織の８０面積％以上がフェライトである鋳鉄を想定したものである。上記「基地組織」とは、黒鉛粒子を除いた組織を意味する。また、「黒鉛粒子が分散した」とは、各黒鉛粒子が繋がることなく独立して存在している状態を意味する。
【０００９】
本発明のフェライト系鋳鉄においては、円相当直径が２０μｍ以下の黒鉛粒子が、観察視野１ｍｍ2当り５０００個以上であることが好ましい。尚、本発明において「円相当直径」とは、黒鉛粒子の大きさに注目し、同一面積の円に換算したときの直径を意味する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎと共にＡｌ、Ｔｉを含有させることによって基地組織のフェライト割合を効果的に高め、黒鉛組織を効果的に微細分散させることができ、ＣＶ黒鉛鋳鉄の製造のような複雑な溶解材料の管理と溶湯処理をせずとも優れた耐熱性を発揮すると共に、鋳造性にも優れた鋳鉄が実現できた。この鋳鉄は耐熱性の要求される鋳造用金型等の素材として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】基地組織のフェライト割合と耐熱性の関係を示したグラフである。
【図２】黒鉛粒子個数と耐熱性の関係を示したグラフである。
【図３】Ａｌ含有量とフェライト割合の関係を示したグラフである。
【図４】Ａｌ含有量と黒鉛粒子個数の関係を示したグラフである。
【図５】Ｔｉ含有量とフェライト割合の関係を示したグラフである。
【図６】Ｔｉ含有量と黒鉛粒子個数の関係を示したグラフである。
【図７】Ｍｎ含有量とフェライト割合の関係を示したグラフである。
【図８】Ｍｎ含有量と黒鉛粒子個数の関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明者らは、ＣＶ黒鉛鋳鉄を用いなくても優れた耐熱性を発揮する鋳鉄を実現するべく、様々な角度から検討した。その結果、鋳鉄にアルミニウム（Ａｌ）およびチタン（Ｔｉ）を必須成分として含有させると共に、基本的な成分であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ等の含有量を適切な範囲に調整すれば、金属基地組織中のフェライト割合が高められると共に、黒鉛粒子が微細（特に、円相当直径で２０μｍ以下）に分散した鋳鉄が得られ、上記の目的に適うものとなることを見出し、本発明を完成した。
【００１３】
鋳造用金型の分野においては、ＣＶ黒鉛鋳鉄がその素材として優れていることが知られている。しかしながら、ＣＶ黒鉛鋳鉄を製造するためには、不純物元素の管理、溶湯の温度と保持時間の制御を狭い範囲で十分に行わなくてはならず、簡単な処理方法でも鋳物の品質を安定させることは困難である。
【００１４】
一方、ねずみ鋳鉄やＣＶ黒鉛鋳鉄に加熱・冷却を繰り返すと、パーライト組織の分解と黒鉛の生成、黒鉛・基地の酸化等が原因となる成長現象が生じ、これが原因となり、鋳鉄が割れることが耐熱性の低下させる要因となっていたのである。
【００１５】
本発明者らは、鋳鉄の成長現象を抑制することができれば良好な耐熱性が実現できるのではないかとの着想の下で更に検討した。その結果、所定量のＡｌとＴｉを含有させた状態では基地組織中のフェライト割合（以下、単に「フェライト割合」と呼ぶことがある）を増加させ、且つ黒鉛を微細分散できることが判明したのである。また、フェライト割合が高く、黒鉛が微細に分散した鋳鉄では、繰り返しの加熱・冷却による割れの発生が抑制され、良好な耐熱性が発揮されたのである。
【００１６】
本発明の鋳鉄によって、上記のような効果が得られる理由についてはその全て解明した得た訳ではないが、おそらく次の様に考えることができた。
【００１７】
ねずみ鋳鉄を共析温度以上に加熱すると共析組織が分解しオーステナイトとなり、それが冷却されると黒鉛が成長する場合があることは知られている。これは加熱・分解によりセメンタイトや小さな黒鉛粒子は消滅して、冷却・析出により大きな黒鉛がより大きく成長するためであると考えられている。本発明では、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎと共にＡｌとＴｉを含有させることにより、加熱による共析組織の分解と冷却による共析組織の生成が抑制されたことにより、鋳鉄の成長現象が抑制され、耐熱性が向上するものと考えられた。
【００１８】
本発明の鋳鉄は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ等の鋳鉄としての基本成分を所定量含むと共に、ＡｌおよびＴｉを必須成分として含有させることによって、上記の効果が発揮されるものであるが、まず特徴的な成分であるＡｌおよびＴｉにおける範囲限定理由は下記の通りである。
【００１９】
［Ａｌ：０．４〜１．５％］
Ａｌは、基地組織中のフェライト割合を増加させ、耐熱性を向上させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させる為には、Ａｌ含有量は少なくとも０．４％以上とする必要があるが、１．５％を超えて過剰に含有されると溶湯の流動性が低下するので１．５％以下とすべきである。尚、Ａｌ含有量の好ましい下限は０．６％であり、この含有量では後述するＭｎ含有量が比較的多い場合でも、良好な耐熱性を確保できる。また、Ａｌ含有量の好ましい上限は１．２％程度であり、この含有量では溶湯の流動性が良好であり、比較的複雑形状の鋳物の製造も可能である。但し、それほど複雑な形状でない鋳物に適応する場合には、Ａｌの含有量が１．２％超〜１．５％程度であっても良い。
【００２０】
［Ｔｉ：０．１５〜０．５％］
Ｔｉは、黒鉛粒子を微細にし、耐熱性を向上させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させる為には、Ｔｉ含有量は少なくとも０．１５％以上とする必要があるが、０．５％を超えて過剰に含有されるとフェライト割合が低下することにより耐熱性が低下するので０．５％以下とするべきである。尚、Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．２％であり、この含有量では、Ｃ含有量が比較的多い場合でも、良好な耐熱性を確保できる。また、Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．４％程度であり、この含有量では後述するＭｎ含有量が比較的多い場合でも、良好な耐熱性を確保できる。
【００２１】
鋳鉄としての基本成分であるＣ、ＳｉおよびＭｎにおける範囲限定理由は下記の通りである。
【００２２】
［Ｃ：２．５〜４％］
Ｃは、黒鉛粒子を晶出させ、鋳造性を向上させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させる為には、Ｃ含有量は少なくとも２．５％以上とする必要があるが、４％を超えて過剰に含有させると、黒鉛粒子が粗大になり耐熱性が低下する。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は２．８％であり、より好ましくは３．０％以上とするのが良い。また、Ｃ含有量の好ましい上限は３．７％であり、より好ましくは３．５％以下とするのが良い。
【００２３】
［Ｓｉ：２〜３．６％］
Ｓｉは黒鉛化を促進させ、鋳造性を向上させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させる為には、Ｓｉ含有量は少なくとも２％以上とする必要があるが、３．６％を超えて過剰に含有させると、Ｓｉの優先酸化と黒鉛粒子粗大化により耐熱性が低下することになる。尚、Ｓｉ含有量の好ましい下限は２．４％であり、より好ましくは２．８％以上とするのが良い。また、Ｓｉ含有の好ましい上限は３．４％であり、より好ましくは３．２％以下とするのが良い。
【００２４】
［Ｍｎ：０．１〜１．０％］
Ｍｎは、鋳鉄の機械的性質を向上させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させる為には、Ｍｎ含有量は少なくとも０．１％以上とする必要があるが、１．０％を超えて、過剰に含有させると、フェライト割合が低下するので、１．０％以下とするべきである。尚、Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．７％であり、この含有量ではＡｌ含有量が比較的少ない場合でもフェライト割合が大きく、耐熱性を確保できる。但し、Ａｌが十分に含有されている場合は０．７％超〜１．０％程度であっても良好な耐熱性を確保できる。
【００２５】
本発明の鋳鉄における基本的な化学成分組成は上記の通りであり、残部は実質的に鉄（Ｆｅ）からなるものである。実質的に鉄とは、本発明の鋳鉄にはＦｅ以外にその特性を阻害しない程度の微量元素を含み得るものであり、こうした微量元素とは、例えばＰ、Ｓ等の不可避的不純物が挙げられる。
【００２６】
本発明のフェライト系鋳鉄は、フェライト割合が８０面積％以上の組織を想定したものであり、こうした組織に黒鉛粒子が微細に分散することによって、上記の効果を発揮するものである。こうした組織はＡｌ、Ｔｉ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎの含有量を適切に調整して溶解・凝固させることによって必然的に形成されることになる。黒鉛粒子が微細に分散した状態の目安は、円相当直径が２０μｍ以下の黒鉛粒子が、観察視野１ｍｍ2当り５０００個以上であるが、黒鉛粒子が粗大化するにつれて、この黒鉛粒子個数も少ないものとなる。フェライト以外の組織については、実質的にセメンタイトである。
【００２７】
尚、本発明の鋳鉄を用いて鋳物を製造するに当たっては、砂型鋳造、金型鋳造、遠心鋳造、精密鋳造等、これまで一般的に行われている方法を採用することができる。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００２９】
［実施例１］
下記表１に化学成分組成を示す本発明の鋳鉄（Ｎｏ．１）、ＣＶ黒鉛鋳鉄（Ｎｏ．２）およびねずみ鋳鉄（Ｎｏ．３）を、常法に従って溶解・鋳造した。得られた鋳鉄鋳物について、フェライト割合（基地組織中のフェライト割合）と耐熱性について調査した。このときの耐熱性（熱衝撃試験）の条件は下記の通りである。そして、この熱衝撃試験を繰り返し、５回毎に試験片の割れの発生および試験片表面の剥離の有無を調べ、「割れ・剥離が発生する熱衝撃回数」によって耐熱性を評価した。フェライト割合は、熱衝撃試験と同じ形状寸法の試験片中央を横切断し、その断面を研磨・腐食後、光学顕微鏡で観察したときの基地組織中の白色部の面積割合から求めた。尚、表１には、下記（１）式から求められる炭素当量ＣＥ（鋳鉄としての炭素当量）に同時に示した。
炭素当量ＣＥ＝［Ｃ］＋１／３［Ｓｉ］        …（１）
但し、［Ｃ］および［Ｓｉ］は、夫々鋳鉄中のＣおよびＳｉの含有量（質量％）を示す。
【００３０】
［熱衝撃試験条件］
昇温速度：１５℃／分
最高加熱温度：８５０℃
最高加熱温度保持時間：１０分
冷却条件：水中焼き入れ
試験片形状：φ２０×２５（ｍｍ）
【００３１】
その結果を、下記表２に示す。また、この結果に基づいて、「フェライト割合」と「割れ・剥離が発生する熱衝撃回数」の関係を図１に示す。
【００３２】
【表１】
0005548856.tif 000002
【００３３】
【表２】
0005548856.tif 000003
【００３４】
これらの結果から明らかなように、フェライト割合が増加するにつれて、耐熱性が向上する傾向を示していることが分かる。特にフェライト割合が８０面積％を超えると、ＣＶ黒鉛鋳鉄（Ｎｏ．２）よりも優れた耐熱性を示していることが分かる。これは、黒鉛粒子の成長の要因となるセメンタイト量が減少（フェライト量が増加）したという理由によるものと考えられる。
【００３５】
［実施例２］
上記表１に示した鋳鉄について黒鉛粒子個数と耐熱性について調査した。黒鉛粒子個数は、実施例１の熱衝撃試験と同じ形状寸法の試験片中央を横切断し、その断面を研磨後、腐食を行なわずに光学顕微鏡で観察したときの黒色部の粒子の単位面積当たりの個数から求めた。このとき画像解析ソフト（「ＩＰ−１０００」商品名  旭化成株式会社製）によって画像解析し、夫々の場合の円相当直径についても求めた。
【００３６】
その結果を、下記表３に示す。またこの結果に基づいて、「黒鉛粒子個数」と「割れ・剥離が発生する熱衝撃回数」の関係を図２に示す。
【００３７】
【表３】
0005548856.tif 000004
【００３８】
これらの結果から明らかなように、黒鉛粒子個数が増加する（黒鉛が微細になる）につれて、耐熱性が向上する傾向を示していることが分かる。特に黒鉛粒子個数が５０００個／ｍｍ2を超えると、ＣＶ黒鉛鋳鉄よりも優れた耐熱性を示していることが分かる。尚、本発明の鋳鉄（Ｎｏ．１）のものについて熱衝撃試験後の試験片断面を光学顕微鏡によって観察したところ、他の試験片（Ｎｏ．２、３）と比較して酸化による黒鉛消失量が少ないことが確認できた。
【００３９】
［実施例３］
下記表４に化学成分組成を示す鋳鉄を、常法に従って溶解・鋳造した。得られた鋳鉄鋳物について、耐熱性の評価するために基地組織中のフェライト割合を実施例１と同様の方法で調査した。
【００４０】
【表４】
0005548856.tif 000005
【００４１】
その結果を、下記表５に示す。またこの結果に基づいて、「Ａｌ含有量」と「フェライト割合」の関係を図３に示す。
【００４２】
【表５】
0005548856.tif 000006
【００４３】
これらの結果から、Ａｌ含有量が０．４％以上にすればフェライト割合を８０面積％以上になることが分かる。これは、Ａｌのフェライト安定化効果によるものと考えることができる。
【００４４】
［実施例４］
上記表４に示した鋳鉄について、実施例３と同様にして試験片を作製し、実施例２と同様にして黒鉛組織について調査した。その結果を、下記表６に示す。またこの結果に基づいて、「Ａｌ含有量」と「黒鉛粒子個数」の関係を図４に示す。
【００４５】
【表６】
0005548856.tif 000007
【００４６】
これらの結果から次のように考察できる。まず。Ａｌ含有量が増加するにつれて黒鉛粒子個数は減少するが、Ａｌ含有量が１．０％を超えると黒鉛粒子個数は一定になることが分かる。これは、Ａｌを多量に含有させても黒鉛粒子の粗大化による耐熱性の低下は起こらないことを示している。また、Ａｌ含有量の最も多い試料（Ｎｏ．９）では溶湯の湯流性がやや低下することが、鋳造時の目視観察により認められた。
【００４７】
［実施例５］
下記表７に化学成分組成を示す鋳鉄を、常法に従って溶解・鋳造した。得られた鋳鉄鋳物について、耐熱性の評価するために基地組織中のフェライト割合を実施例１と同様の方法で調査した。
【００４８】
【表７】
0005548856.tif 000008
【００４９】
その結果を、下記表８に示す。またこの結果に基づいて、「Ｔｉ含有量」と「フェライト割合の関係」を図５に示す。
【００５０】
【表８】
0005548856.tif 000009
【００５１】
これらの結果から次の様に考察できる。Ｔｉ含有量が増加するにつれてフェライト割合が減少するが、Ｔｉ含有量が０．５０％であってもフェライト割合は８５面積％を超えていることが分かる。しかし、図５中の実線の傾きより、０．５０％を超えるとフェライト割合が８０面積％以下になることが予想される。
【００５２】
［実施例６］
上記表７に示した鋳鉄について、実施例５と同様にして試験片を作製し、実施例２と同様にして黒鉛組織について調査した。
【００５３】
その結果を、下記表９に示す。またこの結果に基づいて、「Ｔｉ含有量」と「黒鉛粒子個数」の関係を図６に示す。
【００５４】
【表９】
0005548856.tif 000010
【００５５】
これらの結果から明らかなように、Ｔｉ含有量が増加するにつれて黒鉛粒子個数は増加する傾向を示していることが分かる。
【００５６】
［実施例７］
下記表１０に化学成分組成を示す鋳鉄を、常法に従って溶解・鋳造した。得られた鋳鉄鋳物について、耐熱性の評価するために基地組織中のフェライト割合を実施例１と同様な方法で調査した。
【００５７】
【表１０】
0005548856.tif 000011
【００５８】
その結果を、下記表１１に示す。またこの結果に基づいて、「Ｍｎ含有量」と「フェライト割合」の関係を図７に示す。
【００５９】
【表１１】
0005548856.tif 000012
【００６０】
これらの結果から明らかなように、Ｍｎ含有量が増すにつれて、フェライト割合が減少する傾向を示すことが分かる。特にＭｎ含有量が１．０％を超えるとフェライト割合は８０面積％以下となり、耐熱性が低下する傾向を示している。
【００６１】
［実施例８］
上記表１０に示した鋳鉄について、実施例７と同様にして試験片を作製し、実施例２と同様にして黒鉛粒子個数について調査した。その結果を、下記表１２に示す。またこの結果に基づいて、「Ｍｎ含有量」と「黒鉛粒子個数」の関係を図８に示す。この結果から明らかなように、Ｍｎ含有量が増すにつれて、黒鉛粒子個数は増加する傾向を示していることが分かる。
【００６２】
【表１２】
0005548856.tif 000013
【図１】
0005548856.tif 000014
【図２】
0005548856.tif 000015
【図３】
0005548856.tif 000016
【図４】
0005548856.tif 000017
【図５】
0005548856.tif 000018
【図６】
0005548856.tif 000019
【図７】
0005548856.tif 000020
【図８】
0005548856.tif 000021