(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
６ｗｔ％≦Ｃ≦２．５ｗｔ％、３．０ｗｔ％＜Ｓｉ≦５．５ｗｔ％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、炭素当量（ＣＥ値＝Ｃ（ｗｔ％）＋１／３Ｓｉ（ｗｔ％））が２．９≦（Ｃ（ｗｔ％）＋１／３Ｓｉ（ｗｔ％））≦３．５であることを特徴とするチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料。
【請求項２】
０．１ｗｔ％≦Ｃｒ≦０．３ｗｔ％をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載のチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料を、固相率３５〜５０％の半溶融状態とし、これを加圧鋳造することを特徴とするチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料の鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料およびその鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固液共存状態の半溶融ビレットを圧力負荷して金型内へ射出成形するチクソキャスティングは、これまでの成形法に比べて薄肉かつ複雑な形状の部品の成形が可能である。このことから、加工部位の削減による低廉化が達成され、また、一般のダイキャストに比べ低い溶融温度で鋳型への鋳造が可能であるために鋳型への熱負荷がきわめて軽減されるので、鋳鉄等の金型加圧鋳造法として有望視されている。しかしながら、チクソキャスティングで得られた鉄鋳物は液相部が靭性の低いチル組織となる。一方、高温ビレットを用いる鉄の成形にあっては、金型内の冷却時に大きな凝固収縮が生じ、これによりチル組織からクラックが発生しやすい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、特開平９−２３９５１３号公報では、カーボン鋳型を用いることでチルの生成を防止してクラックの発生を抑制する方法が提案されているが、カーボン鋳型は強度に劣り金型寿命が短いため、頻繁な金型交換が必要で生産性の低下を招く。また、特開２００１−１２３２４２号公報や特開２０００−１４４３０４号公報では、Ｃｒ添加によるチル組織の強化、また、Ｍｎ量の増加によりチル組織と高靭性相とを混合させてクラックの発生を防止する方法を提案している。しかしながら、金型内での凝固収縮量が依然大きいため、チル組織の硬い成形品が凝固収縮して金型を擦ることにより削り、この繰り返しで削られた部分の寸法精度が低下して金型の寿命が低下する。また擦れで塗型が部分的に剥離すると成形品と金型の熱伝導が部分的に異なり、その結果、凝固速度に差が生じて寸法変化やクラック等の鋳造欠陥の原因となる。
【０００４】
よって本発明は、凝固収縮量が低減されることにより金型の寿命の延長が図られるとともに、寸法変化やクラック等の鋳造欠陥が防止されるチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料およびその鋳造方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料は、１．６ｗｔ％≦Ｃ≦２．５ｗｔ％、３．０ｗｔ％＜Ｓｉ≦５．５ｗｔ％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、炭素当量（ＣＥ値＝Ｃ（ｗｔ％）＋１／３Ｓｉ（ｗｔ％））が２．９≦（Ｃ（ｗｔ％）＋１／３Ｓｉ（ｗｔ％））≦３．５であることを特徴としている。また、本発明では、さらにＣｒを０．１ｗｔ％≦Ｃｒ≦０．３ｗｔ％の範囲で含むことを好ましい形態としている。
【０００６】
次に、本発明のチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料の鋳造方法は、上記本発明の材料を、固相率３５〜５０％の半溶融状態とし、これを加圧鋳造することを特徴としている。
以下、上記数値限定の根拠ならびに効果を説明する。
【０００７】
・Ｓｉ量：３．０ｗｔ％＜Ｓｉ≦５．５ｗｔ％
Ｓｉ量を３．０ｗｔ％超とすることで凝固収縮量が低減し、例えば２．５ｍｍ程度の薄肉部では凝固収縮率を０．６％以下に抑えることができる。よって、金型に対する成形品の擦れが少なくなって金型の損傷が防がれるとともに、クラックも発生しにくくなる。これらの効果がよく得られる観点から、Ｓｉ量の下限は３．０ｗｔ％超、好ましくは３．５ｗｔ％以上である。従来の砂型球状黒鉛鋳鉄では、Ｓｉを３．５ｗｔ％以上含むと伸びや靱性が著しく低下する傾向にあったが、本発明品を用いて鋳造後、所定の焼鈍熱処理を施した製品ではＳｉ量が３．５ｗｔ％を超えても十分な伸びが得られ、特にＳｉ量が４ｗｔ％までは１０％以上の伸びが確保される。一方、ある範囲内のＣＥ値でＳｉ量を増加させるとＣ量が下がり鋳造時の粘度が上がるので、湯流れ性を確保するためには固相率を下げる必要が生じる。そのため、Ｓｉ量が４．５ｗｔ％以上になると凝固収縮量の低減は期待できず、６．５ｗｔ％以上では凝固収縮率が小さくても組織上における靱性が低下して成形時にクラックが生じるおそれがある。また、５．５ｗｔ％を超えると成形時に黒鉛が晶出して均一な組織の成形品が得られにくい。したがって、Ｓｉ量は３．０ｗｔ％＜Ｓｉ≦５．５ｗｔ％とした。
【０００８】
Ｓｉ量が３．０ｗｔ％＜Ｓｉ≦５．５ｗｔ％の範囲でＳｉ量が多ければ多いほど、ビレット等の鋳造前の材料を加熱した際にはその表面に強固なＳｉＯ２の不動態酸化膜が生成する。このため、材料が変形しにくく取り扱いやすくなり、加熱時にも酸化が進行しにくい。また、材料をパレット等で保持して誘導加熱コイルや炉内で加熱すると、材料とパレットの固着が問題になる場合があるが、表面に強固な酸化膜が生成するのでその固着が起こりにくいといった利点もある。
【０００９】
・炭素当量（ＣＥ値）：２．９≦ＣＥ値≦３．５
ＣＥ値が２．９を下回ると共晶量が少なくなり、半溶融状態での成形時に液相の補充が不十分となって充填不足になりやすい。一方、ＣＥ値が３．５を超えると共晶量が多くなりすぎ、材料の半溶融加熱時に変形が起こりやすく取り扱いにくくなる。このため、成形時に半溶融材料を金型内に充填する際に材料が変形し、表面の酸化膜が内部に混入するおそれがある。したがって、ＣＥ値は２．９≦ＣＥ値≦３．５とした。
【００１０】
・Ｃ量：１．６ｗｔ％≦Ｃ≦２．５ｗｔ％、
Ｃ量はＳｉ量とＣＥ値で決定され、１．６ｗｔ％≦Ｃ≦２．５ｗｔ％とした。ただし、Ｃ量が多いと成形後に製品を焼鈍熱処理した後のヤング率の低下を招くので、含有量は少ないことが望ましい。
【００１１】
・Ｃｒ量：０．１ｗｔ％≦Ｃｒ≦０．３ｗｔ％
Ｃｒは成形時の黒鉛の晶出を抑える元素として有効である。上記Ｓｉは黒鉛化を促進させる元素であり、Ｓｉ量が４．０ｗｔ％の組成の場合や急冷しにくい肉厚部にあっては成形時に黒鉛が晶出し、成形後に製品を焼鈍熱処理すると晶出黒鉛が粗大化して機械的特性の低下を招く。また、部分的に黒鉛の晶出が起こると黒鉛晶出部の凝固収縮率が変化するため寸法精度が低下して好ましくない。そこで、Ｃｒの添加が有効となるが、Ｃｒ量が０．１ｗｔ％未満では黒鉛の晶出を抑える効果に乏しく、０．３ｗｔ％超では焼鈍熱処理後の靱性が低下する。したがって、Ｃｒ量は０．１ｗｔ％≦Ｃｒ≦０．３ｗｔ％とした。
【００１２】
・固相率：３５〜５０％
材料の成形時における固相率に関しては、３５％を下回ると材料が変形しやすく取り扱いにくくなり、逆に５０％を超えると固相部分が多すぎて湯流れ性が低下し、金型内への充填不足が生じる。したがって、鋳造時の固相率は３５〜５０％とした。
【００１３】
【実施例】
以下、実施例を説明して本発明の効果を明らかにする。
Ａ．鋳造装置
図１は、図２に示す厚さが２段の薄板状試験片を鋳造するための加圧鋳造装置１の縦断面図である。この加圧鋳造装置１は、鉛直な合わせ面２ａ，３ａを有するいずれも銅製の固定金型２および可動金型３を備え、両合わせ面２ａ，３ａ間に湯道４および試験片が成形されるキャビティ５が形成される。固定金型２には、鋳造材料であるビレットＢを収容するチャンバ６が形成され、チャンバ６はゲートを７介して湯道４に連通している。また、固定金型２には、チャンバ６に連通するスリーブ８が水平に取り付けられ、スリーブ８には、チャンバ６に挿入されるプランジャ９が水平方向に摺動自在に嵌合されている。そして、スリーブ８の周壁上部に形成された挿入口８ａから半溶融状態のビレットＢをスリーブ８内に投入し、プランジャ９を可動側金型３方向に水平移動させることで、ビレットＢを湯道４からキャビティ５内に充填するようになっている。
【００１４】
Ｂ．試験片
上記加圧鋳造装置１のキャビティ５で成形される試験片は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、幅９０ｍｍ、高さ１１０ｍｍで、高さ方向の半分から一端側（図２で上側）が厚さ２．５ｍｍの薄肉部１０Ａ、他端側（図２で下側）が厚さ５ｍｍの厚肉部１０Ｂを有する２段厚さの薄板である。
【００１５】
Ｃ．鋳造試験
表１に示すＣ量、Ｓｉ量およびＣｒ量を有する実施例１〜５、比較例１〜５のＦｅ系合金を材料としてφ５０ｍｍ×６５ｍｍの円柱状ビレットを作製し、これらを誘導加熱した。なお、表１にはＦｅ系合金の成分としてＣ、Ｓｉ、およびＣｒのみを示したが、残部はＦｅおよび不可避不純物である。加熱条件としては、ビレットの端面から５ｍｍ深さの内部の温度を測定して上記キャビティ５の厚さ２．５ｍｍの部分に充填可能な温度および固相率を適宜設定した。その加熱条件を表１に併記する。加熱したビレットを、図１に示した加圧鋳造装置１を用いて加圧鋳造し、試験片を成形した。鋳造の際の加圧力は７０ＭＰａ、金型２，３の予熱温度は２００℃であり、キュアタイム１秒で型開きして試験片を取り出した。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
上記のようにして成形した実施例１〜５、比較例１〜５の試験片の薄肉部１０Ａの幅を測定して凝固収縮量を求めた。また、鋳放し状態の厚肉部１０Ｂの内部組織を研磨後に顕微鏡で観察し、黒鉛の晶出の有無を調べた。これらの結果を表１に併記する。また、凝固収縮量の結果を図３に示す。
【００１８】
Ｄ．引っ張り試験
実施例１〜５の試験片につき、９５０℃×６０ｍｉｎ→炉冷の焼鈍熱処理を行い、この後、厚肉部１０Ｂの部分から幅６ｍｍ、平行部２７ｍｍの引っ張り試験部を有する引っ張り試験片を切り出した。これら引っ張り試験片につき引っ張り試験を行って伸びを測定した。その測定結果を表１に併記する。
【００１９】
Ｅ．鋳造試験の結果
本発明に基づく実施例１〜５においては、凝固収縮量がいずれも０．６％未満であり、これはアルミニウムのダイキャスト製品と同等あるいはそれ以下であることから、金型に与える擦れ等の損傷が防がれることが明らかである。また、ビレットをスリーブに投入する際にビレットが変形してつぶれなかったため、ビレットの表面の酸化膜がゲートでトラップされ、試験片への酸化膜の混入は見られなかった。
【００２０】
一方、本発明から逸脱する比較例１〜５のうち、比較例１はＣＥ値が高いために共晶量が多く、ビレットの加熱時にビレットが変形しやすかった。このため、ビレットをスリーブに投入した際にビレットがつぶれ、ビレットの表面の酸化膜がゲートを通過して試験片に混入し、表面に割れや湯境が発生した。比較例２〜４は材料の充填に関する欠陥は見られなかったが、凝固収縮量が０．６％以上と高く、金型に与える擦れ等の損傷が生じるとともに、製品に割れが生じやすいことが明らかとなった。Ｓｉ量の多い比較例５は、充填に不足はなく凝固収縮量も小さかったが、靱性がないため薄肉部と厚肉部との境の段部にクラックが発生した。
【００２１】
Ｆ．引っ張り試験の結果
実施例１〜５に対して行った引っ張り試験によると、Ｓｉ量が増加するにつれて伸びが低減する傾向にあるが、Ｓｉ量が３．５ｗｔ％を超えても十分な伸びが得られている。
【００２２】
Ｇ．組織の観察結果
図４は実施例４の組織の顕微鏡写真、図５は比較例５の顕微鏡写真である。実施例４の組織は均一で健全であることが判るが、比較例５では部分的に黒鉛の晶出（黒い部分）が認められた。したがって、比較例５では、焼鈍熱処理後の機械的特性の低下や、凝固収縮率の変化による寸法精度の低下等が起こることが推察される。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｓｉ量を従来よりも多く含有することにより、凝固収縮量が低減されて金型の寿命の延長が図られるとともに、寸法変化やクラック等の鋳造欠陥が防止されるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例で使用した加圧鋳造装置の縦断面図である。
【図２】  本発明の実施例で作製した試験片の（ａ）側面図、（ｂ）平面図である。
【図３】  本発明の実施例の凝固収縮量の結果を示す図である。
【図４】  本発明の実施例の内部組織を示す顕微鏡写真である。
【図５】  本発明に対する比較例の内部組織を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１…加圧鋳造装置、２…固定金型、３…可動金型、５…キャビティ、
Ｂ…ビレット（Ｆｅ系合金材料）。
【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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