(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ２．５〜４．０ｍａｓｓ％、Ｓｉ１．８〜２．７ｍａｓｓ％、Ｍｎ０．０５〜０．７ｍａｓｓ％、Ｐ０．０８ｍａｓｓ％以下、Ｓ０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄を、８３０°Ｃ〜９５０°Ｃの範囲で３０分〜２時間保持した後、２５０°Ｃ〜４００°Ｃまで急冷し、その温度で３０分〜２時間保持して得たオーステンパ球状黒鉛鋳鉄からなる刃又は爪等の農機具の使用方法において、耕作する土に７ｖｏｌ％以上の水分を含有させて農機具を湿潤状態とし、農機具の摩耗する表面に水が付着した状態で塑性変形させることにより表面を硬化させ、硬化面の摩耗の進行とともに新生面が現れる現象を利用し、表面の硬化と新生面の表出との繰り返しによって農機具の寿命を長くすることを特徴とするオーステンパ球状黒鉛鋳鉄からなる農機具の使用方法。
【請求項２】
前記農機具の使用方法において、耕作する土に１０ｖｏｌ％以上の水分を含有させることを特徴とする請求項１記載の農機具の使用方法。
【請求項３】
前記農機具の使用方法において、耕作する土に１５ｖｏｌ％以上の水分を含有させることを特徴とする請求項１記載の農機具の使用方法。
【請求項４】
摩耗面に水又は水溶液を散布又は流動させ、摩耗面を湿潤させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の農機具の使用方法。
【請求項５】
摩耗面を水又は水溶液に浸漬し、摩耗面に水を付着させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の農機具の使用方法。
【請求項６】
平均球状黒鉛粒径が１０μｍ以上である請求項１〜５のいずれかに記載の農機具の使用方法。
【請求項７】
平均球状黒鉛粒径が２０μｍ以上である請求項１〜５のいずれかに記載の農機具の使用方法。
【請求項８】
平均球状黒鉛粒径が３５μｍ以上である請求項１〜５のいずれかに記載の農機具の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内部が強度と靭性延性に優れ、かつ表面が耐摩耗性に優れた耕作等を行う器具に好適なオーステンパ球状黒鉛鋳鉄からなる農機具の使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、農機具として使用されるサプソイラー、ロータリー、プラウ等の刃やスプロケット、屎尿のポンプケース、畜産糞尿ポンプや散布機械部品、汚泥の輸送パイプ、木材（チップ）破砕機、キャタピラ等の耐摩耗性材料には、主として鍛鋼品が使用されている。
【０００３】
農機具等では、例えばプラウ等の刃で土地を耕す場合、常に土砂と触れることになるので、鍛鋼品の摩耗部分には高炭素鋼等の耐摩耗性の極めて硬い材料を溶接し、かつ表面処理などを施して使用しているのが普通である。
この硬質の耐摩耗性部分の強度は引張り強さで６０ｋｇ／ｍｍ２程度であり、延性は５％程度の材料が使用されている。この特性は必ずしも良好なものではなく、耐摩耗性材料としては不十分であり、しかも、溶接部分の摩耗寿命が製品の寿命となるという欠点があった。
【０００４】
また、上記のような農耕器具の鍛鋼品はプレス加工、鍛造、溶接等の加工が必要であるため、形状が加工な可能な範囲に限られてしまうという問題があり、機械加工コストや製造工数さらには製造時間も増加するという問題がある。
この製造エネルギーを試算してみたところ、ギア−を製造した場合において５８００〜６２００ｋＷの多くのエネルギーを消費するという結果が得られた。
さらに、上記のように溶接により接合して製造したものは、使用後スクラップとして再利用する場合には、複数の材料が混在しているため、リサイクル材としては不向きであるという欠点がある。
このようなことから、耐摩耗性の硬質部材を使用しなくても済むように、一体化した鋳造品の使用が最も有効と考えられるが、そのような鋳造品で有効なものが得られていないのが現状である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題を解決するために、耐摩耗性の硬質部材を溶接する必要がなく、しかも内部が強度と靭性延性に優れかつ表面が耐摩耗性に優れた材料として、サプソイラー、ロータリー、プラウ等の刃やスプロケット等の農機具の耐摩耗性材料に好適であり、しかもコストを低減し、リサイクルが可能な鋳造品からなる農機具の使用方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄、特にＣ２．５〜４．０ｍａｓｓ％、Ｓｉ１．８〜２．７ｍａｓｓ％、Ｍｎ０．０５〜０．７ｍａｓｓ％、Ｐ０．０８ｍａｓｓ％以下、Ｓ０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる球状黒鉛鋳鉄を、８３０°Ｃ〜９５０°Ｃの範囲で３０分〜２時間保持した後、２５０°Ｃ〜４００°Ｃまで急冷し、その温度で３０分〜２時間保持して得たオーステンパ球状黒鉛鋳鉄を農機具の刃又は爪等に使用し、この農機具の使用条件を適切に調節することにより、農機具の寿命を著しく長くすることができるとの知見を得、その技術を提供するものである。
すなわち、本発明は、上記オーステンパ球状黒鉛鋳鉄を農機具の刃又は爪等に使用して耕作する場合において、耕作する土に７ｖｏｌ％以上の水分を含有させ、農機具を常時湿潤状態として使用するものである。
農機具の摩耗する表面に水が付着した状態で塑性変形を受けると表面の硬化が著しくなる。そして、硬化した面は農機具の耕作等の能力を高める。一方、使用により表面の硬化した面の摩耗が徐々に進行するが、新たに農機具の表面は、この摩耗に伴って新生面が現れる。そして、この新生面は水が付着した状態で新たな塑性変形を受けるため、さらに表面硬化が著しくなるという現象を生ずる。
本発明は、この現象を利用し、表面の硬化と新生面の表出との繰り返しによって農機具の耕作能力を高め、寿命を向上させるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、上記の通り耐摩耗性材料として、Ｃ２．５〜４．０ｍａｓｓ％、Ｓｉ１．８〜２．７ｍａｓｓ％、Ｍｎ０．０５〜０．７ｍａｓｓ％、Ｐ０．０８ｍａｓｓ％以下、Ｓ０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ０．０１〜０．１ｍａｓｓ％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなるオーステンパ球状黒鉛鋳鉄を使用する。
この材料の引張り強さは１００ｋｇ／ｍｍ２以上、延性１２％程度の機械的特性を有している。このオーステンパ球状黒鉛鋳鉄は、本来合金鋼に匹敵する機械的特性を有するものであるが、本発明者らが研究してきたところによれば、湿潤雰囲気で使用すると著しい脆化現象を起こすことが分かった。
例えば引張り強さで３０％の低下、また伸びで１／４に低下し、疲労限界も５０％程度低下した（鋳造工学、第７０巻（１９９８）第３号、１９３〜１９９頁「水によるオーステンパ球状黒鉛鋳鉄の環境脆化」、同第７１巻（１９９９）第１０号、６７９〜６８４頁「オーステンパ球状黒鉛鋳鉄の水脆化に及ぼす黒鉛粒径の影響」、同６９８〜７０３頁「水環境におけるオーステンパ球状黒鉛鋳鉄の疲れ特性」参照）。
【０００８】
このような球状黒鉛鋳鉄の水による脆化は、塑性変形で活性化された鋳鉄表面において、水の分解によって生じた吸着水素原子が鋳鉄中へ拡散吸収される結果、水素脆化によって引き起こされることが分かった。しかも、黒鉛の粒径が大きくなるにしたがって、脆化が大きくなることも判明した。
このような球状黒鉛鋳鉄を強靭材料として屋外又は水中で使用するようなことを考えた場合、従来は水による表面腐食、すなわち“さび“に注意が払われている程度であり、水による脆化現象を知ることはなく、この研究自体は球状黒鉛鋳鉄の欠点を知る上で技術的に大きな前進であったが、残念ながら球状黒鉛鋳鉄を風雨にさらされる屋外又は水中で使用することについて否定する結果となった。
このように、球状黒鉛鋳鉄は機械設計者の材質的信頼性を得ている材料とはいえなかった。
【０００９】
ところが、上記組成の球状黒鉛鋳鉄を８３０°Ｃ〜９５０°Ｃの範囲で３０分〜２時間保持した後、２５０°Ｃ〜４００°Ｃまで急冷し、その温度で３０分〜２時間保持（好ましくは、８３０°Ｃ〜９００°Ｃの範囲で３０分〜２時間保持した後、３００°Ｃ〜４００°Ｃまで急冷し、その温度で４５分〜２時間熱処理）して得た本発明の耐摩耗性オーステンパ球状黒鉛鋳鉄を常時湿潤面とし、摩耗特性を調べたところ、耐摩耗性が著しく向上することが判明した。
なお、ここでオーステンパ球状黒鉛鋳鉄の摩耗部が湿潤雰囲気（状態）にあるということは、該摩耗部が常時湿り潤う環境にあり乾燥状態にはないことを意味する。すなわち、大気中において水蒸気（湿潤飽和水蒸気）で飽和した空気が冷却しその一部が摩耗部に凝結した状態、土中の水分により摩耗部が湿潤している状態及び該摩耗部が水に浸漬している状態等の全てを含む。
上記熱処理の条件、２５０°Ｃ〜４００°Ｃで３０分〜２時間保持する理由は、強度と延性のバランスの良い材料が得られるからである。この温度及び時間に満たない場合には、オーステンパ反応が途中で終ってしまうため延性が小さくなり、またこの条件を超えると反応が進みすぎ、炭化物が析出し強度及び延性が落ちる。すなわち、上記の範囲は強度と伸びの好適な極大値を得るためのものである。
【００１０】
オーステンパ球状黒鉛鋳鉄を摩耗面として使用する場合には、一定期間使用した後、摩減した部品を交換することが前提となるので、機械的強度よりもむしろ摩耗材としての耐久性の問題である。しかも後述する試験では、硬化は主として表面部分で起こり、内部はオーステンパ球状黒鉛鋳鉄の機械的な特性をそのまま維持しているということが分かった。
また、表面の硬化は上記のように脆化面ともなり、長期間風雨に曝されるような構造材として使用する場合には、表面が水素脆化し亀裂や欠陥が入り易くなり疲労強度等の機械的強度が低下するが、摩耗部品の場合には、このような面は常時摩耗し新生面が現れるので、材料全体が脆化するということはない。
このようなことから、本発明のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄は、上記の特性を生かし、水に濡れる屋外の機械的構造材としてよりは、むしろ耐摩耗性材料として新しい用途が見出された。
【００１１】
オーステンパ球状黒鉛鋳鉄表面を常時湿潤面とするためには、例えば摩耗面を水又は水溶液に浸漬するか又は摩耗面に水又は水溶液を散布又は流動させて得ることができる。
また、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄を耕作、攪拌、掘削、破砕、散布等を行う器具として使用する場合には、対象物となる土砂、汚泥等のスラッジ、パルプ又は粘性材料に、７ｖｏｌ％以上の水分を含有させても本発明の効果を達成することができる。好ましくは１０ｖｏｌ％以上であり、さらに好ましくは１５ｖｏｌ％以上の水分を含有させるのが良い。
例えば、本発明のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄を耕作用（農耕用）爪として使用する場合には、必要な耕作用爪の摩耗面の湿潤を得るために、耕作用爪に水を散布して使用する。また、土中の水分を利用することもできる。雨中若しくは雨上がりに耕作する場合又は水分を多量に含有する耕作地の場合には、特に上記のような水を散布する必要はなく、そのままオーステンパ球状黒鉛鋳鉄の耕作用爪を使用することができる。しかし、いずれにしても耐摩耗性を維持するためには、常時オーステンパ球状黒鉛鋳鉄表面を常時湿潤面とすることが必要である。
【００１２】
オーステンパ球状黒鉛鋳鉄の黒鉛の粒径は大きい方が硬さは向上する。したがって、通常は平均黒鉛粒径が１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上、さらに好ましくは平均黒鉛粒径３５μｍ以上とするのが良い。黒鉛粒径を大きくすると脆化が増す傾向があるので、用途に応じて黒鉛粒径を調整することができる。
以上によって、耐摩耗機械器具を鋳造により一体化したものを製造することが可能となり、製品全体を熱処理によって耐摩耗性を付与することができ、製品の全ての部分で優れた耐摩耗性を有する。
すなわち、内部はオーステンパ球状黒鉛鋳鉄の強度を維持でき、かつ表面においては湿潤環境下において硬度を上げて耐摩耗性を向上させることができるという優れた特徴を有する。
これにより、引張り強度は１００ｋｇ／ｍｍ２以上、延性１２％程度のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄からなる耐摩耗性材料が得られる。
【００１３】
上記のように、鋳造品は複雑形状や中空形状を容易に製作できるため、プレス品、鍛造品、溶接品等の成形加工品に比べ、部品形状にはるかに自由度があり、使用条件に適した部品形状にすることができ、設計に制約がないという大きな特徴がある。そして、器具の一部に耐摩耗性の硬質部材を溶接するようなことは全く不要となった。
また、従来品に比べ製造工数が少なく、鋳物はマテリアルフローの最後の受け皿でもありコストを著しく低減することが可能となった。さらに、使用後のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄部品スクラップもさらに溶解して再利用することが可能であるという優れた特徴を有する。
そして、製造エネルギーコストを試算してみたところ、ギア−を製造した場合において３１００ｋＷのエネルギーを消費するのみで、従来の鍛鋼品に比べ半分以下という結果が得られた。
【００１４】
【実施例】
次に、実施例について説明する。なお、本実施例は発明の一例を示すためのものであり、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に含まれる他の態様及び変形を含むものである。
【００１５】
供試材は平行部厚さ２５ｍｍのＹ形砂型に鋳込んだ球状黒鉛鋳鉄であり、球状化率８０％、平均黒鉛粒径は２５μｍである。供試材の化学組成と表１に示す。
本発明のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄（ＡＤＩ）の熱処理パターンの例を図１に示す。また、比較のために、球状黒鉛鋳鉄の焼入れ焼戻し材（Ｑ．Ｔ）及び鋳放し材（as cast）を同様に作製した。図１の（ａ）はＡＤＩの熱処理パターンの例を、（ｂ）はＱ．Ｔの熱処理パターンの例を示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
摩耗試験は土砂を使用した。この試験装置及び試験片を図２（ａ）（ｂ）に示す。図２に示す装置（ａ）にφ１０ｍｍの丸棒試験片（ｂ）を取付け、水を７〜３５ｖｏｌ％混合したカンラン石又はケイ砂中で５００ｒｐｍ及び１４０ｒｐｍで回転させ、重量減少量を測定した。図２の符号１は試験片、符号２は砂と水の混合物、符号３は冷却水を示す。
【００１８】
引張試験は、φ６ｍｍ、平行部３５ｍｍのＪＩＳ４号サブサイズ試験片で、クロスヘッド速度８．３ｍｍ／ｋｓで行った。引張試験環境は大気中及び試験片中央部を水で濡らしたティシュペーパーを巻き付け水付着状態（湿潤状態）とした。
【００１９】
硬さ試験は、マイクロビッカース硬さ試験機により、付加荷重０．２４５Ｎで３０秒間、表面を濡らした状態と乾燥状態で行った。圧痕を走査型顕微鏡で写真撮影し、その後、画像解析装置によって対角線長さを測定して硬さを算出した。
【００２０】
スクラッチテストは、試料表面を水で濡らした状態及び乾燥状態で、ダイヤモンド圧子を負荷速度１．７Ｎ／ｓで５０Ｎまで押付けながら試料を０．１７ｍｍ／ｓで移動させ圧痕幅を測定した。
【００２１】
８６．４ｋｓの土砂摩耗試験後の摩耗量を、それぞれの硬さで整理したものを図３に示す。○はオーステンパ球状黒鉛鋳鉄（ＡＤＩ）、■は球状黒鉛鋳鉄の焼入れ焼戻し材（Ｑ．Ｔ）、左上は鋳放し材（as cast）をそれぞれ示す。
ＡＤＩはＱ．Ｔ及び鋳放し材（as cast）に比べ、優れた耐摩耗性を示した。特に硬さが同程度であるＱ．Ｔに比べても優れた耐摩耗性が得られている。
ＡＤＩの耐摩耗性は、オーステナイトの加工誘起変態によると一般に言われているが、この結果は加工誘起変態による硬さの上昇だけでは説明が困難であると考えられる。すなわち、水の存在が硬さの上昇に強く影響していることが、この実験結果から強く推測される。この傾向は、水を７ｖｏｌ％以上混合した場合に顕著であった。
【００２２】
次に、乾燥及び水付着状態における硬さの分布を図４に示す。図４のグラフは、正規確率紙にプロットしたもので、Ｙ軸は硬さの値、Ｘ軸はデータポイントより小さい変数Ｙのパーセンテージを示す。○は乾燥状態、●は水付着状態を示す。
図４から明らかな様に、水付着によって、試料表面で硬化を生じた。硬さ試験の負荷荷重が大きくなるとこの現象は発生せず、水による硬化はごく薄い表面層で生じていると考えられる。
これは、内部はオーステンパ球状黒鉛鋳鉄の強度（引張り強さ及び靭性延性）を維持でき、かつ表面においては湿潤環境下において硬度を上げて耐摩耗性を向上させることができるという耐摩耗性材料としての優れた特性を持つ意味で重要である。
【００２２】
次に、ＡＤＩのスクラッチテストの結果を図５に示す。図５で縦軸は圧痕の幅を示す。○は乾燥状態、●は水付着状態を示す。図５から明らかなように、水付着によって圧痕の幅が小さくなり、ひっかきによる摩耗が抑制されている。
【００２４】
以上の摩耗試験、硬さ試験及びスクラッチテストの結果から、本発明のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄（ＡＤＩ）の優れた耐摩耗特性は、オーステナイトの加工誘起変態に加え、材料表面に水が付着した状態で塑性変形をすることにより表面が硬化する水による自己硬化現象によると考えることができる。
オーステンパ球状黒鉛鋳鉄の水分の存在による自己硬化現象を図６に模式的に解説した。すなわち図６に示すように、砂等による摩擦によりオーステンパ球状黒鉛鋳鉄が変形すると同時に水分の存在により、硬化が生じる。
【００２５】
次に、本発明のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄（ＡＤＩ）から製造した耕作用爪を使用して実際に耕作し、該爪の摩耗量を調べた。この材料の球状化率は８０％、平均黒鉛粒径は２５μｍ、化学組成は同様に表１に示す通りである。また、この耕作用爪は球状黒鉛鋳鉄を９００°Ｃで２時間保持した後、３００°Ｃまで急冷し、その温度で１．５時間保持する熱処理を施したものである。
比較材として、通常の黒鉛鋳鉄に構造用鋼（Ｓ５５Ｃ）を溶接して摩耗面とした従来使用されている耕作用爪を用いた。いずれの場合も、耕作した土中の水分量は１５ｖｏｌ％であり、耕作用爪は湿潤環境（状態）にあった。
摩耗テストの結果を図７に示す。図における○は比較例の摩耗曲線、●は本発明の実施例の摩耗曲線を示す。また、縦軸は摩耗による重量減少量、横軸は耕作面積を示す。
図７に示す通り、比較例の耕作用爪は耕作面積の増加とともに、急速に摩耗量が増加しているが、本発明の耕作用爪は比較例に比べ著しく摩耗量が減少している。そして耕作面積の増加とともにその差が大きくなっている。
これらの対比から、本発明のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄（ＡＤＩ）からなる耐摩耗性材料は、従来の耐摩耗性材料に比べ極めて著しいことが分かる。
【００２６】
以上に示す通り、水分の存在によりオーステンパ球状黒鉛鋳鉄の表面層のみが硬化し、耐摩耗性が向上する。摩耗の進行とともにオーステンパ球状黒鉛鋳鉄の新生面が現れるが、この新生面においても同様の機構により硬さが上り、耐摩耗性が向上する。
この耐摩耗性の向上は耐摩耗性器具としてのオーステンパ球状黒鉛鋳鉄が存在する間、継続することになり、器具の寿命が著しく向上する利点がある。
上記においては、水のみの存在で説明したが、水に他の物質を含む水溶液でも、また水分を含有するスラッジ、パルプ又は粘性材料においても同様の結果が得られた。いずれにしても、耐摩耗性を向上させるためには、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄からなる耐摩耗性材料の表面が湿潤状態にあることが必要である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、鋳造品の内部が強度と靭性延性に優れかつ表面がより耐摩耗性に優れた材料を得ることができ、しかもコストを低減し、リサイクルが可能な鋳造品を提供することができる効果を有する。
また、複雑形状や中空形状を容易に製作できるため、プレス品、鍛造品、溶接品等の成形加工品に比べ、部品形状にはるかに自由度があり、使用条件に適した部品形状にすることができ、さらに器具の一部に耐摩耗性の硬質部材を溶接することも不要となる大きな利点を有する。
そして、サプソイラー、ロータリー、プラウ等の刃やスプロケット等の農機具の耐摩耗性材料に使用することができる大きな特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  オーステンパ球状黒鉛鋳鉄（ＡＤＩ）の熱処理パターン（ａ）と球状黒鉛鋳鉄の焼入れ焼戻し材（Ｑ．Ｔ）の熱処理パターン（ｂ）を示す図である。
【図２】摩耗試験装置（ａ）及び試験片（ｂ）を示す図である。
【図３】土砂摩耗試験後の摩耗量と硬さの関係を示すグラフである。
【図４】乾燥及び水付着状態における硬さの分布を示すグラフである。
【図５】ＡＤＩのスクラッチテストの結果を示すグラフである。
【図６】オーステンパ球状黒鉛鋳鉄の水分の存在による自己硬化現象の模式的な説明図である。
【図７】本発明の実施例と比較例（従来例）の耕作用爪の耕作面積に対する摩耗量を調べたグラフである。
【符号の説明】
１  試験片
２  砂と水の混合物
３  冷却水
４  砂
５  水
６  オーステンパ球状黒鉛鋳鉄
７  変形（硬化）
【図１】
0003704676.tif 000003
【図２】
0003704676.tif 000004
【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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