(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳鉄の溶解に際し、鋳鉄の切削加工性を改善するために添加物を添加するものにおいて、微量のMn及びSを含む鋳鉄に対し、添加物として０．００５重量％以上０．０２５重量％未満（０．００５％を除く）の範囲でMgを残留させるべく添加してなる工具摩耗抑制片状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
添加物として０．００５重量％以上０．０２重量％以下（０．００６％以下を除く）の範囲でAlを残留させるべく添加してなる請求項１の工具摩耗抑制片状黒鉛鋳鉄。
【請求項３】
Mg又はMg及びAlにより鋳鉄の高速切削時において切削工具表面に高融点の保護皮膜の形成を可能とした請求項１又は２の工具摩耗抑制片状黒鉛鋳鉄。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この本発明は、主として高い切削速度領域での切削加工時において、工具摩耗抑制効果をもたらす付着物層が工具表面に生成するよう、Mg，Alを微量に添加して製作する工具摩耗抑制片状黒鉛鋳鉄に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
一般に鋳鉄製品の出荷に至るまでに要するコストの中でも、切削加工工程におけるコストはその占める割合も大きくまた低減の余地を残している。特に製造方法の面でも大きな投資を要することなく、高速切削速度領域における工具摩耗の抑制等により切削加工工程におけるコスト低減を可能にする鋳鉄材料が求められている。
【０００３】
これに対し、従来切削工具の耐摩耗性を向上させる片状黒鉛鋳鉄として、鋳鉄溶湯にSi，Al，Ca等を接種剤として添加するものは、特開平９−２９１３３３号公報に示されるように公知である。
【０００４】
しかし上記のような従来技術においては、添加剤の種類及び鋳鉄に対する添加量も多く、高速切削域における工具の耐摩耗性が不十分であり、これらの点の改善が求められていた。
【０００５】
この発明は少種類の添加物を少量添加することで、特に高速域でも切削工具の十分な耐摩耗性を付与する片状黒鉛鋳鉄を提供せんとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の鋳鉄は、第１に鋳鉄の溶解に際し、鋳鉄の切削加工性を改善するために添加物を添加するものにおいて、微量のMn及びSを含む鋳鉄に対し、添加物として０．００５重量％以上０．０２５重量％未満（０．００５％を除く）の範囲でMgを残留させるべく添加してなることを特徴としている。
【０００７】
第２に、添加物として０．００５重量％以上０．０２重量％以下（０．００６％以下を除く）の範囲でAlを残留させるべく添加してなることを特徴としている。
【０００８】
第３に、Mg又はMg及びAlにより鋳鉄の高速切削時において切削工具表面に高融点の保護皮膜の形成を可能としたことを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の鋳鉄は、主に高い切削速度領域での切削加工時において工具摩耗抑制効果をもたらす付着物層が工具表面に生成するように、Mg，Alを微量に添加して製作した片状黒鉛鋳鉄材料である。本発明における鋳鉄の製造過程において微量に添加したMg，Alの各元素は、材料中に酸化物等の非金属介在物として存在する。
【００１０】
これに対し、TiCやSi3N4などを主成分とする切削工具を用いた、主に高速切削速度条件下の切削時においては、これらが材料中に存在するSiO2など他の非金属介在物とともに工具表面に選択的に付着堆積することで保護皮膜を形成し、工具と材料との反応を妨げることにより切削工具の摩耗を抑制するものである。  このようにMg、Alを添加することで、工具表面に形成される保護皮膜の溶融温度が高くなるため、特に切削温度上昇をともなう高速切削時において工具摩耗抑制効果をもつものである。
【００１１】
さらにこの発明の特徴を具体的に説明すると、この発明は、Mgを0.005重量％以上0.025重量％未満、Alを0.005重量％以上0.02重量％以下の範囲で残留するよう、Mgを単独もしくはMg、Alの両方を鋳鉄溶湯に添加して製造した、片状黒鉛鋳鉄（FC系）である。特に高速切削速度領域で工具すくい面および逃げ面の摩耗進行抑制効果を持つ点に特徴がある。
【００１２】
実際にMgを約0.01重量％、Alを約0.01重量％残留するよう添加して製造したJIS FC200相当材料を、市販のサーメット工具、窒化珪素系セラミック工具等を用いて切削速度400、600、800、1000ｍ/minで乾式旋削した結果、従来の片状黒鉛鋳鉄切削時に比べ、特に高速切削速度領域で工具すくい面および逃げ面の摩耗進行が大幅に抑制される効果を確認することができた。
【００１３】
そしてこの発明では、片状黒鉛鋳鉄の機械的性能を得るために制御する在来使用の元素以外にMg、Alを微量に添加して製造するため、従来の片状黒鉛鋳鉄と比べ機械的性質および鋳造性に影響がなく、製造方法も従来の鋳鉄製造方法と比べ大差なくかつ大きな投資を要することがないことも特徴である。
【００１４】
【実施例】
以下本発明の具体的実施例につき説明すると、表１は本実施例と他の２つの比較例の資料の成分表であり、表２は上記各資料の機械的性質を表した表である。表３は各資料の切削試験の実験条件を表している。
【００１５】
【表１】
0003707675.tif 000002
【００１６】
表１における比較例１は一般的な片状黒鉛鋳鉄FC材、比較例２は、Alが材料に0.01重量％残留するよう比較例１と同一溶湯にAlを微量添加し製作した材料である。実施例は、AlおよびMgが、ともに0.01重量％残留するよう比較例１と同一溶湯にAlを微量添加し製作した材料である。
【００１７】
【表２】
0003707675.tif 000003
【００１８】
表２に示す数値は概ね同程度にあり、各材料の機械的性質（引張り強さ、硬さ）に大差はないことが明らかである。その結果本実験で行ったAl，Mg微量添加による成分調整は、材料の機械的性質に影響を及ぼしていないと考えることができる。
【００１９】
【表３】
0003707675.tif 000004
【００２０】
本実験で用いた切削工具は、サーメット工具と超硬工具P10種（TiCを含有）、および窒化珪素系セラミック工具（Si3N4）の、いずれも市販の切削工具3種類である。これらの工具を用いて各材料を切削速度400〜1000m/minの範囲で高速乾式旋削加工した。
【００２１】
図１〜図３はそれぞれ比較例１，同２及び実施例の組織写真を示し、各材料の黒鉛形状および基地組織に大差なく（Mgを添加している実施例についても黒鉛形状は球状化していない）、各材料とも片状黒鉛鋳鉄であることがわかる。本実験で行ったAl、Mg微量添加による成分調整は、材料の黒鉛形状および基地組織に影響を及ぼしていないと考えることができる。
【００２２】
図４は各材料をサーメット工具で切削した時の工具逃げ面平行部摩耗幅（切削距離：1300m）を、図５は各材料をサーメット工具で切削した時の工具すくい面クレータ摩耗深さ（切削距離：1300m）をそれぞれ示している。
【００２３】
これらの図から明らかなように、比較例１を切削した場合では工具は大きく摩耗しており、また工具すくい面の摩耗は切削速度の増加に伴い大きくなる傾向にある。比較例２を切削した場合では、比較例1の切削時に比べ摩耗は抑制されており、また切削速度の増加に伴い摩耗量が小さくなるという、比較例１の切削時とは逆の傾向にある。
【００２４】
実施例を切削した場合、比較例2をの切削時よりもさらに摩耗量は抑制されており、特に高速切削速度領域において工具摩耗の進行が大幅に抑制され1000m/minという高い切削速度においても工具摩耗量は非常に小さい。また切削速度の増加に伴い摩耗量が小さくなる傾向も大きく現れている。
【００２５】
図６は各材料を窒化けい素系セラミック工具で切削した時の工具逃げ面平行部摩耗幅（切削距離：1300m）を示し、図７は各材料を窒化けい素系セラミック工具で切削した時の工具すくい面クレータ摩耗深さ（切削距離：1300m）を示している。
【００２６】
図示するように、窒化珪素系セラミック工具での切削においては、サーメット工具に比べ工具摩耗量は小さい。また切削速度の変化に伴う摩耗量の違いは小さい傾向にあるといえる。比較例１の切削時では、各切削速度において、工具すくい面および逃げ面で工具摩耗の進行が確認できる。
【００２７】
比較例２を切削した場合では、比較例1の切削時に比べ摩耗は抑制されている。特に工具すくい面摩耗の抑制効果が高いことがわかる。実施例を切削した場合ではサーメット工具の切削時と同様に、比較例２の切削時よりもさらに摩耗量は抑制されており、特に高速切削速度領域において工具摩耗の進行が大幅に抑制されるという傾向が現れている。また工具すくい面に関しては、切削速度を問わず摩耗が生じていないことがわかる。
【００２８】
図８は各材料を超硬工具P10種で切削した時の工具逃げ面平行部摩耗幅（切削距離：250m）を示し、図９は各材料を超硬工具P10種で切削した時の工具すくい面クレータ摩耗深さ（切削距離：250m）をそれぞれ示している。
【００２９】
図示されるように、超硬工具P10種での切削では、他の2つの工具に比べ工具は大きく摩耗している。比較例1の切削時では、各切削速度において工具すくい面および逃げ面で工具は大きく摩耗している。切削速度1000m/minでは著しく摩耗しているように、切削速度の増加に伴い摩耗が大きくなるという傾向が強く現れている。
【００３０】
比較例２を切削した場合では、比較例1の切削時に比べ摩耗は抑制されているが、大幅な抑制効果をもたらすには至っていないといえる。実施例を切削した場合では、工具摩耗は大幅に抑制されており、特に高速切削速度領域における工具摩耗の抑制効果が高いことがわかる。
【００３１】
図１０（Ａ）〜（Ｄ）は実施例をサーメット工具で切削した時の工具逃げ面SE像およびEDSによるＯ，Al，Mgの各面分析結果（切削速度：1000m/min）を示し、図１１（Ａ）〜（Ｄ）は実施例をサーメット工具で切削した時の工具すくい面SE像およびEDSによるＯ，Al，Mgの各面分析結果（切削速度：1000m/min）を示している。
【００３２】
図より切削により被削材と接触する箇所、すなわち工具摩耗が生じる箇所には、Al、Mg、Ｏが同一箇所に検出されていることがわかる。この結果から、微量に添加した元素からなる酸化物（Al2Ｏ3、MgＯ）を主体とした複合的な保護皮膜が工具表面に形成され、工具摩耗の抑制に寄与しているものと考えられる。
【００３３】
【実験結果からの考察】
１．限られた試料片による実験結果とその判断について
片状黒鉛鋳鉄切削時において、材料中に存在する非金属介在物による複合的な保護皮膜を工具表面に形成させ工具摩耗を抑制させるという効果は、材料的観点では、切削時における切りくず形態の変化、すなわち切削機構の変化を伴うような組成的な材料特性の変化が生じない限り同様に得られるものと考えられる。本発明の実施例で採用したMg，Alの各元素の成分割合は微量であり、黒鉛形状の球状化など鋳鉄の材料性質を著しく変化させるものではない。
【００３４】
また鋳鉄は、製造方法の違いにより材料特性に違いが生じやすい材料である。微量元素を添加した成分調整材料のもつ効果を評価するためには、同一溶湯により同一方法で同時に製造する等同一の実験条件下で製造された材料を比較対象に用いなければならない。
【００３５】
即ち、実験条件の異なる他の実施例を本実験結果に付加して比較評価することは、同一ロットから製造されていないことから好ましい評価方法ではなく、他の実施例の実験結果を示すためには、その都度、同一溶湯による比較例を製作し同様に実験することで評価する必要がある。
【００３６】
この点に関し、本実験では全て上記の実験条件を満たした材料を用いて望ましい結果を得ているものの、限られた予算と期間内での実験であるために、実施例における試料例も限られている。したがってこの実施例の効果の及ぶ範囲は上記実験結果の傾向から判断する他はない。
以下Mg添加の独自の効果及びMg，Alの添加量につき実験結果に基づいて考察する。
【００３７】
２．Mg添加による独自の効果について
本発明はMg、Alの添加により、切削時においてこれらを成分とした溶融温度の高い保護皮膜を工具表面に形成させることで、特に切削温度上昇をともなう高速切削時において工具摩耗抑制効果をもたらすものと考えられる。
【００３８】
本実験では、実施例としてMg、Alの両方を添加した材料の切削を行っているが、工具摩耗状況の観察から、本実験の範囲では両元素ともに工具摩耗を促進させるというような工具に対する害作用は確認されていない。そして工具表面の成分分析結果では、Alよりも強い強度でMgが検出されている。工具表面には、添加元素を成分とした非金属介在物および材料中に存在する他の非金属介在物を成分とした複合的な保護皮膜が形成されているが、その皮膜の成分のなかでもMgOはAl2O3に比べ優先的に形成されていると認められる。したがってMgを単独で添加した場合においても、Alを単独で添加したもの（比較例2）以上の工具摩耗抑制効果をもたらす保護皮膜が形成されることが推察できる。
【００３９】
保護皮膜の形成状況は、切削時の雰囲気、被削材成分、切削工具成分、切削機構に加え、切削温度に大きく影響される。切削で発生する熱により、成分となる材料中の各非金属介在物が適度の流動性を得ることで、複合した組成の保護皮膜が生成される。MgO単体の融点はAl2O3単体の融点よりも高いため、MgOを主体とした保護皮膜はAl2O3を主体としたものに比べ溶融温度が高く、切削温度の上昇を伴う高速切削により適応したものである。このことからもMgを単独で添加した場合の方が、Alを単独で添加したもの（比較例2）以上の高速切切削速度領域での工具摩耗抑制効果をもつものと考えられる。
またAlの添加は機械的強度の低下や鋳造欠陥を招くことが懸念されるため、材料の品質を考えた場合、過剰添加は好ましくない。
【００４０】
３．Mg，Al添加量について
Mgは鋳鉄を適正な条件で処理すると黒鉛の形状を球状にし，このことにより機械的性質を鋼並に強くすることから、球状黒鉛鋳鉄を製造するときに用いられる元素である。この時に必要な残留Mg量はS量にも影響されるがほぼ0.04%以上必要とされる。また、近年片状黒鉛鋳鉄と球状黒鉛鋳鉄の中間的な性質を持つCV黒鉛鋳鉄が開発され、この鋳鉄に必要な必要な残留Mg量は0.025〜0.04%である。従って、黒鉛形状を変化させず片状黒鉛であるためには残留Mg量の上限は0.025％未満となる。片状黒鉛鋳鉄切削時に工具表面に酸化物層が形成されるにはAl単独添加の例から推察されるように0.005％以上必要である。
【００４１】
一般的にAlを添加した鋳鉄には，耐熱性（耐酸化性）を目的としたアルミニウム鋳鉄がある。これは、Alの含有量が１％〜数％のものであり本発明とはその添加量の範囲に大差がある。
【００４２】
片状黒鉛鋳鉄では先に述べたように機械的性質改善のため接種と言われる工程がある。これは接種剤であるFe-Si合金中のSiが炭素の活量を増大させ炭素を黒鉛として晶出する効果による。Alは添加量が微量の場合、片状黒鉛鋳鉄ではSiと同じく黒鉛化傾向の強い元素であり同等の効果を示す。また、SiとAlが共存すると接種効果がより高くなることが知られており、Al添加の接種剤も市販されている。通常の接種剤はFe-Si合金でありこの時の残留Al量は不純物として含有する微量であり、Al入り接種剤を用いたときの残留Al量はほぼ0.005％以下である。
【００４３】
一方，Alの含有量が増すと黒鉛化傾向の強い元素であることから黒鉛が粗大化し，基地のパーライト組織がフェライト化することから機械的強度が低下する上に種々の鋳造欠陥の原因となる。また、酸化保護皮膜層の形成には微量で十分なことから経済的要因も含めその含有量の上限は0.02％である。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように構成される本発明によれば、切削工具による鋳鉄の切削時、特に高速切削に際し、工具表面に耐摩耗性の保護皮膜を形成することにより、切削工具の摩耗を抑制し工具寿命の延長及びそれに伴う加工コスト低減の実現を図ることができる。
【００４５】
また本発明では、片状黒鉛鋳鉄の機械的性能を得るために制御する元素以外にMg、Alを微量に添加するだけで、容易に且つ低コストで上記効果を達成することができるほか、従来の片状黒鉛鋳鉄と比べ機械的性質および鋳造性に影響がない。さらに製造方法は、従来の鋳鉄製造方法と比べ大差なくかつ大きな投資を要することがない等の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】比較例１の組織写真である。
【図２】比較例２の組織写真である。
【図３】実施例の組織写真である。
【図４】各材料をサーメット工具で切削した時の工具逃げ面平行部摩耗幅を示すグラフである。
【図５】各材料をサーメット工具で切削した時の工具すくい面クレータ摩耗深さを示すグラフである。
【図６】各材料を窒化けい素系セラミック工具で切削した時の工具逃げ面平行部摩耗幅を示すグラフである。
【図７】各材料を窒化けい素系セラミック工具で切削した時の工具すくい面クレータ摩耗深さを示すグラフである。
【図８】各材料を超硬工具P10種で切削した時の工具逃げ面平行部摩耗幅を示すグラフである。
【図９】各材料を超硬工具P10種で切削した時の工具すくい面クレータ摩耗深さを示すグラフである。
【図１０】実施例をサーメット工具で切削した時の工具逃げ面SE像およびEDSによる面分析結果を示す写真である。
【図１１】実施例をサーメット工具で切削した時の工具すくい面SE像およびEDSによる面分析結果を示す写真である。
【図１】
0003707675.tif 000005
【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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【図１０】
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【図１１】
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