(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量基準にてＣ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：０．３％以下（ただしゼロは含まず）、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．０３を超え０．０７％以下を含有し、かつ前記組成においてＣＥ値（Ｃ＋１／３Ｓｉ）：４．０〜４．６％である鉄系合金溶湯を、銅合金製金型または銅合金と鉄系材料からなる金型に注湯した後通水してこれを強制冷却するに際して、前記鉄系合金溶湯に混合される不純物として、重量基準にてＰｂ：０．００１％以下、Ｚｎ：０．０１％以下の内の１種以上を制御することを特徴とする、球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
【請求項２】
前記球状黒鉛鋳鉄の肉厚が２００ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
【請求項３】
前記銅合金製金型または銅合金と鉄系材料からなる前記金型において、溶湯に接する面と冷却水に接する面の距離が２０〜８０ｍｍであり、水量密度２００〜５０００リットル／分・ｍ2をもつ冷却水で冷却されることを特徴とする、請求項１または２に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
【請求項４】
前記球状黒鉛鋳鉄の主原料に高炉溶銑を用いることを特徴とする、請求項１ないし３いずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚肉球状黒鉛鋳鉄品の金型鋳造における内部品質の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
球状黒鉛鋳鉄は、球状黒鉛が微細化すると黒鉛形状が改善されたり基地組織が緻密化されたりして機械特性が向上することが知られている。したがって、鋳鉄製または鋼製金型を使用する金型鋳造は、金型の冷却効果により球状黒鉛が微細化するため、高品質な球状黒鉛鋳鉄の製造を可能とする。しかしながら、厚肉品においては冷却効果が中心部まで十分に及ばないために、球状黒鉛が粗大化したり形状悪化したりして内部品質が低下してしまう。特開平６−１０８１４７で見られるように、銅合金製の水冷金型を使用して効果的に冷却する技術が開発されている。しかし、比較的肉厚の薄い製品を対象として開発されており、肉厚が２００ｍｍを超すような厚肉品への適用については十分に検討されていない。
【０００３】
一方、表面処理鋼板や快削鋼に見られるように、近年の鋼板の高級化・機能化により、溶解材料に用いられる鋼屑からＰｂ、Ｚｎといった球状黒鉛鋳鉄の製造に有害な不純元素が混入することが問題となっている。これら有害元素が混入すると、黒鉛の球状化が妨げられたり、ピンホールなどの鋳造欠陥を発生させて、品質が低下してしまう。厚肉品は、有害元素の作用にとくに敏感であり重要な問題である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
肉厚２００ｍｍ以上の厚肉球状黒鉛鋳鉄品を金型で鋳造する場合、従来用いられている鋳鉄製または鋼製金型では、冷却効果が中心部まで十分に及ばずに内部品質が低下してしまうため、さらに冷却効果を大きくする技術が必要となる。金型を強制冷却する場合、厚肉品は重量が大きく莫大な熱量を有するため、冷却効率と安全の両面からの検討する必要があり、金型の仕様と通水条件の選定が重要となる。
【０００５】
また、厚肉品は有害元素の作用に敏感であるから、有害元素を含有しない厳選された溶解材料を使用しなければならない。ところが、近年の鋼材の高級化・機能化により、有害元素を含有しない鋼屑の調達が難しくなってきている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、有害元素を含有しない厳選された原材料を使用して、成分組成が重量基準でＣ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：０．３％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．０３を超え０．０７％以下を含有し、Ｐｂ：０．００１％以下、Ｚｎ：０．０１％以下、かつＣＥ値(Ｃ＋１／３Ｓｉ)：４．０〜４．６％に制御された鉄系合金溶湯を、銅合金製金型または銅合金と鉄系材料からなる金型に注湯して、溶湯に接する面から冷却水に接する面までの距離が２０〜８０ｍｍになるようにして、水量密度２００〜５０００リットル／分・ｍ2で通水して強制冷却を行えば、肉厚２００ｍｍ以上の厚肉球状黒鉛鋳鉄品に優れた内部品質をもたせることができる。
【０００７】
以下に本発明の詳細を説明する。
[Ａ]成分
(１)Ｃ：３．０〜４．０重量％
３．０重量％未満では黒鉛粒数が減少してしまい、４．０重量％を超えるとドロスが発生し易くなるため、３．０〜４．０重量％とする。
(２)Ｓｉ：２．０〜３．０重量％
２．０重量％未満では強制冷却により急冷された際のチル発生が促進され、３．０重量％を超えるとドロス発生や靭性低下を招くので、２．０〜３．０重量％とする。
(３) Ｍｎ：０．３重量％以下
Ｍｎは炭化物安定化元素であり、多量に含まれるとチル発生が促進されるので、０．３重量％未満（ただしゼロは含まず）とする。
(４)Ｐ：０．０５重量％以下
Ｐは共晶セル境界に偏析して製品を脆化させ、厚肉品ではとくにその傾向が顕著になるため、０．０５重量％以下とする。
(５)Ｓ：０．０２重量％以下
Ｓは黒鉛球状化下阻害元素であり、厚肉品にではとくにその作用に敏感になるため、０．０２重量％以下とする。
(６)Ｍｇ：０．０３〜０．０７重量％
０．０３重量％以下では肉厚２００ｍｍ以上の製品中心部まで黒鉛を充分に球状化させることができず、０．０７％を超えるとチルやドロスが発生し易くなるため、０．０３〜０．０７重量％とする。
(７)Ｐｂ：０．００１重量％以下
Ｐｂは黒鉛球状化阻害元素であり、肉厚２００ｍｍ以上の厚肉品ではとくにその作用が大きく、０．００１重量％を超えると黒鉛形状が崩れるとともに、ミクロ偏析して最終凝固部に異常黒鉛を発生させるため、０．００１％以下とする。
(８) Ｚｎ：０．０１重量％以下
Ｚｎはピンホールを発生させて品質を低下させるため、０．０１重量％以下とする。
(９)ＣＥ値(Ｃ＋１／３Ｓｉ)：４．０〜４．６％
４．０重量％未満ではチル、引け巣などが発生しやすくなり、４．６重量％を超えるとドロスが発生し易くなるので、４．０〜４．６重量％とする。
[Ｂ]金型仕様と通水条件
厚肉品の中心部まで効果的に強制冷却を行うためには、冷却部材の熱伝導率の大きいことが必要であるため材質は、銅合金製金型または銅合金と鉄系材料からなる金型が適する。しかし、厚肉品を鋳造する場合の金型は重量が大きく、これを全て銅合金製にするとコストが高くなってしまう。そこで、熱伝導率が大きくてはならない溶湯に接する面から冷却水に接する面までの冷却部材を銅合金製にして、その外側は鉄系材料としてもいい。厚肉品の金型には多大な圧力がかかるので、溶湯に接する面から冷却水に接する面までのある程度の距離が必要となる。ところが、この距離が小さいほど強制冷却の効果は大きくなるので、厚肉品内部の品質は向上し、さらに、注湯直後の金型表面温度の上昇も抑制される。したがって、品質向上と金型寿命の両面から、溶湯に接する面から冷却水に接する面までの距離は小さいことが望ましい。これらの点について検討を重ねた結果、溶湯に接する面から冷却水までの距離を２０〜８０ｍｍにして、金型製品面の面積に対する通水量の密度である水量密度を２００リットル／分・ｍ2以上で通水して強制冷却を行えば、肉厚２００ｍｍ以上の厚肉品の中心部まで効果的に冷却できることがわかった。水量密度が５０００リットル／分・ｍ2を超えると冷却効果の差が小さくなるので、２００〜５０００リットル／分・ｍ2の範囲とする。
[Ｃ]原材料
溶解材料として最も多く使用されている鋼屑には、昨今の鋼板の機能化によりＰｂ，Ｚｎといった有害元素が含有されているため、極微量の有害元素混入が問題となる厚肉球状黒鉛鋳鉄品の溶解材料には適さない。鉄鉱石を高炉中で還元して得られる高炉溶銑は、外部からの不純物混入が無く、予備処理により有害元素を最小限に抑えることが可能であり、さらに直鋳で使用すれば溶解エネルギーも節約されるので、厚肉品の原材料として最適である。したがって、高炉溶銑を主原料に使用し、残りに有害元素を含有しない厳選された鋼屑と合金鉄を用いる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態における球状黒鉛鋳鉄の製造方法について説明する。
【０００９】
高炉溶銑を主原料として使用し、溶解炉中でこれに鋼屑と合金鉄を加えて成分調整を行った後、球状化処理及び接種処理を施してから、銅合金製金型または銅合金と鉄系材料からなる金型に注湯する。金型内に通水して強制冷却を行えば、黒鉛が微細化及び形状改善されて、肉厚２００ｍｍ以上の厚肉品に対しても優れた品質をもたせることができる。
【００１０】
高炉溶銑は脱燐・脱硫処理を施された高純度のものを使用する。成分調製のために加える鋼屑は、表面処理等が施されていない球状黒鉛鋳鉄に有害な元素を含まないものを厳選して使用する。これにＦｅ−Ｓｉ合金、場合によっては加炭材を加えて、溶解炉中で成分調整を行って、鋳鉄溶湯を溶製する。
【００１１】
球状化処理は、黒鉛を球状化させる目的で、黒鉛球状化元素であるＭｇ，Ｃｅ，Ｃａ等を溶湯に添加する溶湯処理である。添加合金はＦｅ−Ｓｉ−Ｍｇ系が最も一般的であり、そのうち多くのものには球状化補助元素としてＲＥＭ、Ｃａを少量添加してある。ところが、厚肉球状黒鉛鋳鉄品では、ＲＥＭ、Ｃａはチャンキー黒鉛発生の原因となるので、これらの元素が添加されていないＦｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金を使用することが好ましい。添加方法としては、取鍋底に添加合金を装入して、ここに鋳鉄溶湯を流し込む置注ぎ／サンドイッチ法が最も一般的であるが、一部では取鍋上部にタンディッシュカバーを取り付けたタンディッシュ法、プランジャにより溶湯中に添加合金を装入するプランジャ法なども行われている。
【００１２】
接種処理は、黒鉛化を促進するために少量のＦｅ−Ｓｉ合金、または、適当な合金を溶湯に添加する溶湯処理である。添加方法は、取鍋中で球状化処理と同時に行う方法もあるが、厚肉品は鋳型に注湯してから凝固終了するまでの時間が長く、この間に接種効果が減衰してしまうので、注湯直前に接種を行う後期接種が好ましい。後期接種の方法としては、注湯直前に取鍋中にワイヤ状の接種合金を自動的に溶湯中に送り込む方法、注湯時の湯流れ中に棒状の接種合金を湯で洗わせる方法、鋳型に掛堰を設置して掛堰内で接種合金を添加する方法などが行われている。
【００１３】
金型は、溶湯に接する面から冷却水に接する面までは銅合金製で、その距離が２０〜８０ｍｍ、水量密度が２００〜５０００リットル／分・ｍ2の範囲内であることが必要であり、そのためには管内に適当な水圧が必要となる。適正水圧は金型の設計により異なるが、水圧が大きくなると冷却水の沸点が上昇して沸騰現象が起こりにくくなるので、水圧は大きい方が望ましい。
【００１４】
【実施例】
以下、高純度高炉溶銑を主原材料に用いて、銅合金とステンレスからなる水冷金型に注湯した後通水して厚肉球状黒鉛鋳鉄品を製造した実施例について説明する。
【００１５】
主原材料の高炉溶銑を低周波誘導炉に装入して、ここに鋼屑及びＦｅ−Ｓｉ合金を加えて鋳鉄溶湯を溶製した。高炉溶銑の成分は重量基準でＣ：３．９４％、Ｓｉ：０．００％、Ｍｎ：０．１２％、Ｐ：０．０１３％、Ｓ：０．００７％、Ｐｂ：０．０００４％、Ｚｎ：０．００３％で、溶湯全体重量の約９０％にこれを使用した。この鋳鉄溶湯に、取鍋中でＦｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金による球状化処理を施した後、Ｆｅ−Ｓｉ合金を溶湯重量に対して０．１％後期接種してから１３３０〜１３４０℃で金型に注湯して、幅５００ｍｍ×奥行き５００ｍｍ×高さ８００ｍｍのブロック材を製造した。球状化処理後の取鍋成分は重量基準でＣ：３．５５％、Ｓｉ：２．２７％、Ｍｎ：０．２１％、Ｐ：０．０１５％、Ｓ：０．００７％、Ｍｇ：０．０４５％、Ｐｂ：０．０００４％、Ｚｎ：０．００３％であった。金型は図１に示す銅合金とステンレスからなる水冷金型１（以下銅合金製水冷金型１という）と、図２に示す鋳鉄製金型２の２種類を用意した。銅合金製水冷金型１は、厚さ５０ｍｍの銅合金製内部材３とステンレス製外部材４から成り、銅合金製内部材３とステンレス製外部材４の間に直径３８ｍｍの通水路５があり、溶湯と接する面と冷却水と接する面の距離が３１ｍｍとなっている。注湯と同時に３００ｍ／分、流量密度８５０リットル／分・ｍ2で通水して強制冷却を行った。通水路内の水圧は金型の入側が２８４ｋＰａ、出側が１２７ｋＰａであった。こうして製造したブロック材の断面を観察したところ、ピンホール等の鋳造欠陥は観察されなかった。ブロック材の中心部から、図２の要領でサンプルを採取して、組織観察と引張試験を行った結果を表１と図３に示す。図３に見られるように、銅合金製水冷金型と鋳鉄製金型のどちらのサンプルにも、チャンキー黒鉛や異常黒鉛の発生は無かった。両サンプルを比較すると、表１に示す通り、銅合金製水冷金型の方が黒鉛粒径が小さく、黒鉛球状化率が高く、引張特性が高かった。
【００１６】
【表１】
0003712338.tif 000002
【００１７】
なお、上記実施例では、金型に銅合金と鉄系材料（ステンレス）からなる水冷金型を用いているが、もちろんすべて銅合金製の金型を用いてもよい。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高純度高炉溶銑を主原料とし、各成分が制御された溶湯を、銅合金製金型または銅合金と鉄系材料からなる金型に注湯して、金型内に通水して強制冷却を行えば、肉厚２００ｍｍ以上の厚肉球状黒鉛鋳鉄品に対しても優れた内部品質をもたせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】銅合金製水冷金型を示す図（図中（Ａ）は平面図を示し、図中（Ｂ）は側面図を示す）。
【図２】鋳鉄製金型を示す図（図中（Ａ）は平面図を示し、図中（Ｂ）は側面図を示す）。
【図３】ブロック材からのサンプル採取位置を示す斜視図。
【図４】ブロック材中心部のミクロ組織を示す図。
【符号の説明】
１  銅合金製水冷金型（銅合金と鉄系材料からなる金型）
【図１】
0003712338.tif 000003
【図２】
0003712338.tif 000004
【図３】
0003712338.tif 000005
【図４】
0003712338.tif 000006