(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ；１．０〜３．３％、Ｓｉ；０．５〜１．５％、Ｍｎ；０．５〜１．５％、Ｃｒ；１０〜３０％、Ａｌ；１〜５％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、組織中に網目状の高濃度クロム相を有することを特徴とする耐溶湯溶損性に優れた鋳鉄。
【請求項２】
溶製中の前記組成の鋳鉄溶湯に１〜５質量％のチタン酸アルカリ金属塩を添加することにより導かれたＴｉおよびアルカリ金属をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄。
【請求項３】
Ｃ／Ｃｒ比を７／９１〜１１／８９とすることを特徴とする請求項１または２のいずれか一方に記載の鋳鉄。
【請求項４】
Ａｌ／Ｃｒ比を９／７１〜１１／６９とすることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１記載の鋳鉄。
【請求項５】
質量％で、Ｃ；１．０〜２．０％、Ｓｉ；０．５〜１．５％、Ｍｎ；０．５〜１．５％、Ｃｒ；１２〜１６％、Ａｌ；１〜３％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、この成分の溶湯にさらに１〜５％のチタン酸アルカリ金属塩を添加して導かれるＴｉおよびアルカリ金属をさらに含有し、該溶湯を鋳造し、鋳造後８００℃〜１０００℃の温度下で軟化焼鈍処理を行うことを特徴とする耐溶湯溶損性に優れた鋳鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金や亜鉛合金の鋳造製品を製造する機器において、溶湯と接触するストーク、ルツボ、ラドルなどの部材に用いられる耐溶湯溶損性に優れた鋳鉄に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金、亜鉛合金、マグネシウム合金等の低圧鋳造用器材、例えばストーク、ルツボ、ラドル、熱電対保護管などには従来からＦＣ２０〜ＦＣ２５の鋳鉄に耐溶湯溶損性に優れた塗型材を塗布したものが使用されている。しかし、ルツボ及びストーク等は連続使用される場合が多く、塗型剤が剥離してくると侵食されてしまい、短寿命であるので使用者に満足は得られていない。
【０００３】
そこで、ＦＣ鋳鉄に代わる耐溶湯溶損性に優れた種々の材料が研究されている。例えば、特許文献１にはキュポラで製造される耐アルミニウム溶湯溶損性をもつ合金鋳鉄が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特公平３−４６５３９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
鋳鉄の融点は１２００℃以上であり、アルミニウムの溶解温度は７００℃前後であり、本来であれば問題なく使用できるはずであるが、鉄とアルミが接触すると、ＦｅＡｌ合金となり途端に融点が５６０℃（アルミニウム溶湯の温度以下）に下がってしまい、短時間で著しく侵食されてしまうのが現状である。例えば、ルツボから加圧溶湯を鋳型に供給するための溶湯供給管（ストーク）は、繰り返し使用するうちにどんどん侵食されてしまい短寿命であるので、頻繁に新品に交換する必要がある。
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、繰り返し使用に耐えられる長寿命の耐溶湯溶損性に優れた鋳鉄を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、非鉄金属溶湯の鋳造器材に繰り返し使用に耐えられる材料について長期間にわたり鋭意研究を続けている。その過程で、ＳＵＳ４１０が耐アルミニウム溶湯溶損性に優れているが、この材料は溶接構造となるため溶接部が脆弱であることと、複雑な形状がつくれないこととにより実用的ではなかったため、これと似た組成をもつＳＣＳ２（鋳鋼）について溶損性評価試験をおこなったが、その結果は思わしくなかった。
【０００８】
さらに、本発明者は耐溶湯溶損性に優れた材料について鋭意研究を続けたところ、１３クロム鋳鉄に所定量のアルミニウムを添加すると、アルミニウム溶湯に対する耐性が増大して寿命が延びることを確認した。また、さらにＴｉとアルカリ金属を添加すると耐溶湯溶損性が向上することを確認した。本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、以下の組成からなる。
【０００９】
（１）本発明に係る耐溶湯溶損性に優れた鋳鉄は、質量％で、Ｃ；１．０〜３．３％、Ｓｉ；０．５〜１．５％、Ｍｎ；０．５〜１．５％、Ｃｒ；１０〜３０％、Ａｌ；１〜５％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、組織中に網目状の高濃度クロム相を有することを特徴とする。
（２）また、本発明は、（１）に記載した鋳鉄において、溶製中の前記組成の鋳鉄溶湯に１〜５質量％のチタン酸アルカリ金属塩を添加することにより導かれたＴｉおよびアルカリ金属をさらに含有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る耐溶湯溶損性に優れた鋳鉄の製造方法は、質量％で、Ｃ；１．０〜２．０％、Ｓｉ；０．５〜１．５％、Ｍｎ；０．５〜１．５％、Ｃｒ；１２〜１６％、Ａｌ；１〜３％を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、この成分の溶湯にさらに１〜５％のチタン酸アルカリ金属塩を添加して導かれるＴｉおよびアルカリ金属をさらに含有し、該溶湯を鋳造し、鋳造後８００℃〜１０００℃の温度下で軟化焼鈍処理を行うことを特徴とする。
【００１１】
以下、本発明の鋳鉄及びその製造方法において上記のように数値限定した理由について説明する。
【００１２】
（１）Ｃ；１．０〜３．３％または１．０〜２．０％
Ｃは、高周波電気炉に装入する銑鉄およびスクラップに由来するものであり、鋳鉄の高温強度および硬さを増大させる重要な元素である。Ｃ含有量が１．０％を下回ると、必要最低限の機械的性質（強度、硬さ、耐溶損性、耐エロージョン性）を得ることができない。一方、Ｃ含有量が３．３％を上回ると、硬くなりすぎて加工できなくなるとともに、湯流れが悪くなり鋳造できなくなる。また、Ｔｉ及びアルカリ金属の共存下でＣ含有量が２．０％を上回ると、鋳造性が劣化する。
【００１３】
（２）Ｓｉ；０．５〜１．５％
Ｓｉ含有量が０．５％を下回ると、フェライト相の粘り気（弾力）が損なわれる。一方、Ｓｉ含有量が１．５％を上回ると、塑性加工性が低下する。
【００１４】
（３）Ｍｎ；０．５〜１．５％
Ｍｎ含有量が０．５％を下回ると、溶湯の流動性が悪くなる。一方、Ｍｎ含有量が１．５％を上回ると、酸化物が炉材を侵食するという問題を生じる。
【００１５】
（４）Ｃｒ；１０〜３０％または１２〜１６％
Ｃｒは、必要な高温強度を確保するとともに、溶湯に接触したときの耐溶損性を増大させる重要な成分元素である。鋳鉄の組織中、鉄部分が出ていると、その部分が、鉄アルミ合金となり融点が下がってしまうのが問題であるため、鉄部分を限りなく少なくすることができれば侵食を減少させることができる。Ｃｒ含有量が１０％を下回ると、耐熱性が低下する。一方、Ｃｒ含有量が３０％を上回ると、初晶の炭化物が生成され、網目状組織ができなくなる。また、Ｔｉ及びアルカリ金属の共存下では、Ｃｒ含有量が１２％を下回ると、耐食性が低下する。一方、Ｔｉ及びアルカリ金属の共存下では、Ｃｒ含有量が１６％を上回ると、均一な網目状組織が生成され難くなる。
【００１６】
（５）Ａｌ；１〜５％または１〜３％
Ａｌは、組織中に網状の高濃度クロム相を析出させるために重大な元素である。１３クロム鋳鉄にアルミニウムを添加すると、図２の（ａ）に示すように高濃度クロム相が網目状に析出し、この網目状析出相が耐溶損性を増大させる。Ａｌ含有量が１％を下回ると、高濃度クロム析出相の網目状析出組織が生成されなくなる。一方、Ａｌ含有量が５％を上回ると、アルミナ発生量が過剰に多くなり鋳造性が損なわれる。また、Ｔｉ及びアルカリ金属の共存下では、Ａｌ含有量が３％を上回ると、アルミナおよびチタン酸アルカリ金属塩の浮遊する量が多くなり鋳造性が劣化する。
【００１７】
（６）Ｃ／Ｃｒ比
クロム含有量に対する炭素含有量の比率（Ｃ／Ｃｒ比）は、７／９１〜１１／８９の範囲とすることが好ましく、最も好ましくは１／９とする。Ｃ／Ｃｒ比が９／９１〜１１／８９の範囲を外れると、網目状高濃度クロム相が良好に析出しなくなるからである。
【００１８】
（７）Ａｌ／Ｃｒ比
クロム含有量に対するアルミニウム含有量の比率（Ａｌ／Ｃｒ比）は、９／７１〜１１／６９の範囲とすることが好ましく、最も好ましくは１／７とする。Ａｌ／Ｃｒ比が９／７１〜１１／６９の範囲を外れると、網目状高濃度クロム相が良好に析出しなくなるからである。
【００１９】
（８）Ｔｉ及びアルカリ金属
Ｔｉは、鋳鉄の結晶粒を微細化し、網目状組織を小さくするので、０．０３〜０．１０％の範囲で適量を含有することが好ましい。
【００２０】
アルカリ金属は、鋳鉄中の非金属介在物の形態と分布を調整するために重要な役割を有するので、微量（０．１０％未満）を含むことが好ましい。アルカリ金属にはカリウム、ナトリウム、リチウム等があるが、このうちカリウムが最も好ましく、この場合はチタン酸カリウムの形態で溶湯に添加する。
【００２１】
Ｔｉ及びアルカリ金属は、チタン酸アルカリ金属塩を溶製中の溶湯に添加することにより含有量の調整がなされる。例えば、１〜５質量％のチタン酸カリウムを溶湯に添加することにより鋳鉄中に導入される。なお、１〜５質量％のチタン酸カリウムを添加した場合は、最終的には０．０３〜０．１０％のＴｉと通常の分析器では検出不能な程度の極微量（トレース程度）のカリウムが鋳鉄に含有されることになる。
【００２２】
（９）不可避不純物
銑鉄およびスクラップ等から種々の不純物が不可避的に混入してくるが、不可避不純物のうち特にＰ，Ｓは低融点化合物をつくり鋳鉄を著しく脆化させるので、それぞれ含有量を可能な限り抑えるようにする。脆化に及ぼす影響が実質的に無視できるほど小さくするためには、Ｐを０．０５％未満、Ｓを０．０３％未満とする必要がある。
【００２３】
（１０）溶製方法
本発明の鋳鉄は高周波電気炉で溶製する。その理由は、溶解速度が大きいこと、および成分調整が容易であることによる。よって、本発明の鋳鉄の溶製には上記の特許文献１のキュポラは用いない。キュポラを用いると炭素含有量の調整が難しくなるからである。
【００２４】
（１１）軟化焼鈍処理
本発明の鋳鉄は、鋳造後に８００℃〜１０００℃の温度範囲に軟化焼鈍処理する。特にＴｉ及びアルカリ金属を含む鋳鉄では、切削加工性を向上させるために軟化焼鈍処理が必須となる。焼鈍温度が８００℃未満であると、伸びが低下して（増大せず）加工が困難になるからである。一方、焼鈍温度が１０００℃を超えると、歪の発生および組織の変化を生じるからである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。
【００２６】
本実施形態ではアルミニウム合金の鋳造用器材としてルツボ、ストークおよび溶湯供給管に本発明の鋳鉄を用いた例をあげて説明する。
【００２７】
高周波電気炉１０は、図１に示すように、取鍋１２を介して鋳型１の受口４に注湯するようになっている。高周波電気炉１０はスクラップ等を溶解して表１に示す試料Ａ３の鋳鉄（ＡｌＴｉ含有１３Ｃｒ鋳鉄）をつくる。
【００２８】
鋳型１は上型２と下型３からなり、上型２には受口４、湯口５、湯道６、堰７および不活性ガスシール孔９が形成されている。溶湯は、ストーク１２から受口４、湯口５、湯道６、堰７を通過してキャビティに鋳込まれ、キャビティ内で凝固して鋳造品（ルツボ）８となる。なお、不活性ガスシール孔９にはアルゴンガスが供給され、溶湯の酸化防止が図られている。
【００２９】
次に、表１を参照して本発明の実施例を比較例と比べて説明する。
【００３０】
アルミニウム溶湯用のルツボを製作し、このルツボでアルミニウム溶解を６７０〜７００℃で、１日１７時間溶解をして通算使用日数を比較した。その結果を表１に示す。
【００３１】
本発明の実施例として４種の試料Ａ１〜Ａ４を作製し、比較例として２種の試料Ｂ１，Ｂ２を作製した。実施例Ａ１，Ａ２はアルミニウムをそれぞれ１．７８％，１．８６％含む鋳鉄、実施例Ａ３，Ａ４はアルミニウムをそれぞれ１．５１％，１．６７％含み、かつチタンをそれぞれ０．０５５％，０．０２３％含む鋳鉄、比較例Ｂ１，Ｂ２はアルミニウムおよびチタンを共に含まない鋳鉄（ＪＩＳＧ５５１０第４種に０．８％のクロムを添加した鋳鉄）からなる。いずれの試料も高周波電気炉で溶製し、鋳造後に焼戻し処理したものである。
【００３２】
上記試料について同一条件下で耐アルミニウム溶湯溶損性の評価試験を行ったところ、比較例Ｂ１，Ｂ２の寿命が２７日、２９日であったのに対して、実施例Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の寿命は５８日、６３日、６５日、６２日であった。このように本発明の鋳鉄は従来品に比べて２倍以上の寿命を有することが確認された。
【００３３】
次に、図２を参照して本発明の鋳鉄の金属組織について考察する。
【００３４】
従来の１３％Ｃｒ鋳鉄では、組織に鉄部分が一様に分布しており、鉄アルミニウム合金ができやすい組織となっている。これに対して本発明では、アルミニウムを加えることにより、クロム部分が網目状組織となる。本発明鋳鉄の金属組織をＸ線マイクロアナライザーにより解析したところ、本発明鋳鉄中のクロム（Ｃｒ）分布は図２の（ａ）に示すように網目状になり、この網目状に析出したクロムは炭素と結合し、炭化クロム相となっていることが判明した。この網目状の高濃度クロム相の部分は、アルミニウム溶湯に侵食されない部分であり、この部位がアルミニウム溶湯の離型性を高めていると推察される。
【００３５】
また、この炭化クロム相に囲まれた部分は、鉄、アルミニウム、シリコンが多く、アルミニウムの一部はアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）となり、アルミニウムに溶損しないアルミナとなっている。なお、図２の（ｂ）は本発明鋳鉄中のアルミニウム（Ａｌ）分布を示し、図２の（ｄ）は本発明鋳鉄中の珪素（Ｓｉ）分布を示す。また、図２の（ｃ）は解析元素を特定しないオリジナル画像を示す。
【００３６】
しかも、軟化焼鈍することにより機械的強度（引張強度、降伏強度）が４００Ｎ／ｍｍ2以上のレベルで、１％以上２％以下の伸びが確保され、ブリネル硬度で２６０〜２９０の硬さとし、鋳鉄のなかでは加工性にも優れたものとなっている。このようなことから、本発明の鋳鉄はルツボ、ストーク、ラドル等に安全に使用することができる。
【００３７】
なお、上記の実施例ではアルミニウム溶湯に対する耐溶湯溶損性について説明したが、本発明の鋳鉄を亜鉛溶湯に用いた場合も同様の効果が得られる。
【００３８】
【表１】
0003664703.tif 000002
【００３９】
【発明の効果】
本発明の鋳鉄は、高濃度Ｃｒの網目状組織を有するので、アルミニウム溶湯や亜鉛溶湯に直接接触する厳しい溶損環境下においても繰り返し使用に耐えられ、従来品に比べて長寿命となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アルミニウム鋳造に用いる鋳型の一例を示す概略断面図。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の耐溶湯溶損性に優れた鋳鉄をＸ線マイクロアナライザーで分析した金属組織をそれぞれ示す分析画像写真。
【符号の説明】
１…鋳型、２…上型、３…下型、４…受口、５…湯口、６…湯道、７…堰、
８…鋳造品、９…不活性ガスシール孔、
１０…高周波電気炉、１２…取鍋。
【図１】
0003664703.tif 000003
【図２】
0003664703.tif 000004