(57)【要約】【課題】耐食性に優れた新規で有用なオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄とその製造方法を新たに提供することを課題とする。【解決手段】本発明の球状黒鉛鋳鉄は、質量％で、Ｃ：２．１〜３．３％、Ｓｉ：１．０〜３．６％、Ｍｎ：０．３〜５．０％、Ｎｉ：１８〜３０％、Ｃｕ：０．０１〜３．０％、Ａｌ：０．１〜５．０％、Ｃｒ：＜０．２％、Ｍｏ：＜０．２％、を含有し、残部がＦｅからなるオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄である。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ      ：２．１〜３．３％、
Ｓｉ    ：１．０〜３．６％、
Ｍｎ    ：０．３〜５．０％、
Ｎｉ    ：１８〜３０％、
Ｃｕ    ：０．０１〜３．０％、
Ａｌ    ：０．１〜５．０％、
Ｃｒ    ：＜０．２％、
Ｍｏ    ：＜０．２％、
を含有し、残部がＦｅからなるオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
質量％で、
Ｃ      ：２．１〜２．７％、
Ｓｉ    ：１．３〜２．８％、
Ｍｎ    ：０．３〜１．０％、
Ｎｉ    ：１８〜２４％、
Ｃｕ    ：０．１〜３．０％、
Ａｌ    ：１．５〜４．０％、
Ｃｒ    ：＜０．１％、
Ｍｏ    ：＜０．１％、
を含有し、残部がＦｅからなるオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄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。
【請求項３】
質量％で、
Ｃ      ：２．１〜２．５％、
Ｓｉ    ：１．５〜２．８％、
Ｍｎ    ：０．３〜０．７％、
Ｎｉ    ：２１〜２４％、
Ｃｕ    ：２．０〜３．０％、
Ａｌ    ：３．０〜３．６％、
を含有し、ＣｒとＭｏを含有せず、残部がＦｅからなるオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄であることを特徴とする請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄。
【請求項４】
質量％で、
Ｃ      ：２．１〜３．３％、
Ｓｉ    ：１．０〜３．６％、
Ｍｎ    ：０．３〜５．０％、
Ｎｉ    ：１８〜３０％、
Ｃｕ    ：０．０１〜３．０％、
Ａｌ    ：０．１〜５．０％、
Ｃｒ    ：＜０．２％、
Ｍｏ    ：＜０．２％、
を含有し、残部がＦｅからなるように材料を溶解し、１４００〜１５５０℃で５分〜１時間保持し、次にＭｇが０．０３〜０．１質量％溶湯中に残るようにＭｇ処理と接種処理とを行い、その後１３５０〜１５００℃で鋳放し、更にこの鋳放し鋳鉄を９００〜１１００℃で０．５〜１０時間拡散熱処理し、その後の冷却は、空冷もしくは空冷とその後の水冷とにより常温まで冷却することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は球状黒鉛鋳鉄とその製造方法に関し、より詳しくは、耐食性に優れたオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳鉄は鋳造により製造プロセス上での形状自由度が高いことから、複雑な形状をした部材や比較的大型の部材の製造に多用される。そして球状黒鉛鋳鉄は優れた機械的性質を有することから、様々な用途に使用されるが、屋外やその他の腐食環境下に置かれることもある。このような腐食環境下で使用される球状黒鉛鋳鉄としては、オーステナイト系球状黒鉛鋳鉄やその他の合金鋳鉄がある。
オーステナイト系鋳鉄は、オーステナイト相安定化元素であるＮｉを、例えば１８〜３６質量％含有させて、基地をオーステナイト相にしたもので、このオーステナイト系鋳鉄は、金属元素を固溶させ易いことから、耐熱性や耐食性の向上を目的とするものに供され易い。
耐食性鋳鉄としては、Ｎｉを１５〜３０質量％含むニレジスト鋳鉄が挙げられるが、それらは耐食性が十分とは言えず、海水環境だけでなく大気腐食環境でも防食処理を必要とする。またＳｉを１３〜１６質量％含む高Ｓｉ鋳鉄は、Ｓｉが金属間化合物として存在することにより、基地組織の硬度が高く機械加工性が悪いといった問題点を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３０２１４１号公報
【特許文献２】特開平３−２９１３５４号公報
【特許文献３】特開２０１１−６８９２１号公報
【特許文献４】特表２０１１−１４５３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の発明は高断熱性耐食鋳鉄に関し、特許請求の範囲では、Ｃ：０．８〜２．０質量％、Ｓｉ：３．０〜１０．０質量％、Ｎｉ：１５〜４０質量％、ＭｇとＣａの少なくとも１種：０．０３〜１．０質量％、Ｍｎ：０．４〜１０質量％（０．４質量％を含まず）とした鋳鉄が示されている。
しかしながら、この特許文献１で実際に開示された表１の鋳鉄資料１〜９においては、Ｃの含有量が何れも１．０質量％以下の低量であり、溶湯処理にＭｇの他にＣａを用いていることから、球状黒鉛鋳鉄ではなく黒鉛鋳鋼であると思われる。また断熱性を高めるためにＳｉの含有量が、資料３を除き、何れも５質量％程度とかなり高い。また耐食性を高めるにＮｉの他、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｏ等を多く含有させており、炭化物や金属化合物からなる晶出物、析出物の増加による硬度の上昇と切削加工性の低下、並びに晶出物、析出物がもたらす局部電池作用による耐食性の悪化が懸念される。
また上記特許文献２の発明は、耐候性に優れた鋳鉄に関し、特許請求の範囲では、Ｃ：２．８〜３．８質量％、Ｓｉ：２．６〜３．８質量％、Ｍｎ：０．０１〜０．６質量％、Ｃｒ：０．１〜０．６質量％、Ｎｉ：０．１〜２．０質量％とした鋳鉄が示されている。
しかしながら、この特許文献２で実際に開示された第１表の例Ａ〜Ｈにおいては、Ｎｉの含有量が何れもオーステナイト相からなる組織にはならない低含有量であり、フェライト・パーライト系であると推測される。その一方、Ｃの含有量、Ｓｉの含有量が高く、耐候性乃至耐食性の効果はそれほど高くないと考えられる。
また上記特許文献３の発明は、オーステナイト系鋳鉄とその製造方法およびオーステナイト系鋳鉄鋳物に関し、特許請求の範囲では、Ｃ：２．１〜３．１質量％、Ｓｉ：４．４〜５．７質量％、Ｃｒ：０．８〜２．２質量％、Ｍｎ：２．０〜５．５質量％、Ｎｉ：１１〜１４質量％、Ｃｕ：０．８〜１．８質量％としたオーステナイト系鋳鉄が示され、効果として熱疲労強度や耐酸化性に優れるとされている。
しかしながら、この特許文献３では、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ量がかなり多く含有する成分組成となっている。
また上記特許文献４の発明は、オーステナイト系鋳鉄、オーステナイト系鋳鉄鋳物およびその製造方法に関し、高温下での耐酸化性及び中温域でのオーステナイト相の安定性に優れる効果を奏するとされている。
しかしながら、この特許文献４の場合も前記特許文献３の場合と同様に、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ量がかなり多く含有する成分組成となっている。
【０００５】
本発明は、耐食性に優れた新規で有用なオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄とその製造方法を新たに提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本発明の球状黒鉛鋳鉄は、質量％で、Ｃ：２．１〜３．３％、Ｓｉ：１．０〜３．６％、Ｍｎ：０．３〜５．０％、Ｎｉ：１８〜３０％、Ｃｕ：０．０１〜３．０％、Ａｌ：０．１〜５．０％、Ｃｒ：＜０．２％、Ｍｏ：＜０．２％、を含有し、残部がＦｅからなるオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄であることを第１の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄は、上記第１の特徴に加えて、質量％で、Ｃ：２．１〜２．７％、Ｓｉ：１．３〜２．８％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｎｉ：１８〜２４％、Ｃｕ：０．１〜３．０％、Ａｌ：１．５〜４．０％、Ｃｒ：＜０．１％、Ｍｏ：＜０．１％、を含有し、残部がＦｅからなるオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄であることを第２の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄は、上記第２の特徴に加えて、質量％で、Ｃ：２．１〜２．５％、Ｓｉ：１．５〜２．８％、Ｍｎ：０．３〜０．７％、Ｎｉ：２１〜２４％、Ｃｕ：２．０〜３．０％、Ａｌ：３．０〜３．６％、を含有し、Ｃｒ、Ｍｏを含有せず、残部がＦｅからなるオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄であることを第３の特徴としている。
また本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、質量％で、Ｃ：２．１〜３．３％、Ｓｉ：１．０〜３．６％、Ｍｎ：０．３〜５．０％、Ｎｉ：１８〜３０％、Ｃｕ：０．０１〜３．０％、Ａｌ：０．１〜５．０％、Ｃｒ：＜０．２％、Ｍｏ：＜０．２％、を含有し、残部がＦｅからなるように材料を溶解し、１４００〜１５５０℃で５分〜１時間保持し、次にＭｇが０．０３〜０．１質量％溶湯中に残るようにＭｇ処理と接種処理とを行い、その後１３５０〜１５００℃で鋳放し、更にこの鋳放し鋳鉄を９００〜１１００℃で０．５〜１０時間拡散熱処理し、その後の冷却は、空冷もしくは空冷とその後の水冷とにより常温まで冷却することを第４の特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄によれば、そこに示された成分組成により、ニレジスト鋳鉄以上に降雨、海水、飛来海塩に対する耐食性に優れたものとなる。同時に、析出物・晶出物がもたらす機械的性質、切削加工性の悪化の懸念なく、耐食性に優れた球状黒鉛鋳鉄を得られる。
また請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄によれば、上記請求項１の構成による作用効果に加えて、成分組成をより好ましい範囲に限定することで、上記した請求項１による良好な耐食性、機械的性質、切削加工性の効果を一層良好に且つ確実に奏するオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄を提供することができる。
また請求項３に記載の球状黒鉛鋳鉄によれば、上記請求項２の構成による作用効果に加えて、更に一層、良好な耐食性、機械的性質、切削加工性に優れた球状黒鉛鋳鉄を提供することができる。
また請求項４に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法によれば、オーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄であって、耐食性に優れたものを製造することができる。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の球状黒鉛鋳鉄について、先ず実施形態に係る球状黒鉛鋳鉄の成分組成における各成分元素の含有範囲の限定理由を以下に説明する。
【０００９】
Ｃの含有量は、２．１〜３．３質量％とする。
Ｃは黒鉛化、黒鉛の球状化、鋳造性を確保するために重要である。
Ｃの含有量が２．１質量％未満では、共晶炭化物が生成し易くなり、脆くなる。
一方、Ｃの含有量が３．３質量％を超えると、黒鉛の球状化が難しくなり、球状黒鉛鋳鉄としての好ましい機械的性質が得られなくなる。適切な黒鉛の球状化ができなかった場合、黒鉛は球状黒鉛ではなく芋虫状黒鉛や共晶状黒鉛となる。その場合、黒鉛は連続性を持ったものとなり、黒鉛と基地との境界長を長くする他、腐食源が材料内部まで侵入し易くなり、耐食性が悪くなる。
Ｃの含有量は、黒鉛の球状化、黒鉛と基地との境界の長さを考慮すると、２．１〜２．７質量％が好ましく、２．１％〜２．５質量％とするのがより好ましい。
【００１０】
Ｓｉの含有量は、１．０〜３．６質量％とする。
ＳｉはＣの黒鉛化を容易にさせる元素である。
Ｓｉの含有量が１．０質量％未満の場合は、黒鉛化が促進され難い。
一方、Ｓｉの含有量が３．６質量％を超えると、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｇの間で金属間化合物を生成し、黒鉛の球状化に必要なＭｇを消費してしまい、球状化に悪影響を及ぼす。また生成される金属間化合物は高硬度であることから、材料の硬度を上げてしまい、機械的性質や切削加工性を低下させる。
Ｓｉの含有量は、Ｃの黒鉛化と靭性の低下防止とを考慮して、１．３〜２．８質量％が好ましく、１．５〜２．８質量％とするのがより好ましい。
【００１１】
Ｍｎの含有量は、０．３〜５．０質量％とする。
Ｍｎは溶湯の脱酸脱硫に、またオーステナイトの安定化、Ｎｉ量の削減に寄与する。
Ｍｎの含有量が０．３質量％未満の場合は、鋳鉄の脱酸脱硫が不十分となり易い。
一方、Ｍｎの含有量が５．０質量％を超えると、高温において鋳鉄鋳物の割れが起こり易くなる。
Ｍｎの含有量は、溶湯の脱酸脱硫と鋳鉄鋳物の高温での機械的特性、９００〜１１００℃での拡散熱処理時の熱処理割れを考慮すると、０．３〜１．０質量％とするのが好ましく、０．３〜０．７質量％とするのがより好ましい。
【００１２】
Ｎｉの含有量は１８〜３０質量％とする。
Ｎｉはオーステナイトの安定化を促進する。またＡｌのオーステナイトへの固溶限を広げる役割がある。
Ｎｉの含有量が１８質量％未満の場合は、オーステナイトが安定せず、またマルテンサイトが鋳放しで析出する問題が生じる。
一方、Ｎｉの含有量が３０質量％を超えると、効果が飽和し、コスト上昇を招くだけとなる。
Ｎｉの含有量は、１８〜３０質量％の範囲であればオーステナイト安定化やＡｌの固溶限拡大の作用は良好に保てる。一方、厚肉部での鋳放し、拡散熱処理時の冷却におけるオーステナイトの安定性の低下等を更に考慮すると、１８〜２４質量％がより好ましく、２１〜２４質量％が最も好ましい。
【００１３】
Ｃｕの含有量は０．０１〜３．０質量％とする。
Ｃｕは耐食性を向上させるのに有用である。
Ｃｕの含有量が０．０１質量％未満の場合は、耐食性の悪化を招く。
一方、Ｃｕの含有量が３．０質量％を超えると、鋳造後の凝固時、又は拡散熱処理にて高温保持時において、オーステナイト相に過飽和に固溶できていたＣｕが粒界若しくは粒内に析出して、割れが生じる問題がある。
Ｃｕの含有量は、耐食性の向上、Ｃｕ粒子の析出による割れ等の点を考慮して、０．１〜３．０質量％が好ましく、２．０〜３．０質量％とするのがより好ましい。
【００１４】
Ａｌの含有量は０．１〜５．０質量％とする。
Ａｌはオーステナイト相に固溶することで、耐食性を著しく向上させることができるので有用である。防食環境では鋳鉄の表面に形成される防錆層がＡｌの添加により緻密となり、防食効果を高める。
Ａｌの含有量が０．１質量％未満の場合は、上記防食、耐食効果が期待できない。
一方、Ａｌの含有量が５．０質量％を超えると、Ｆｅ−Ｎｉ−Ａｌ金属間化合物が生成され易く、機械的性質の悪化、耐食性の悪化を招く。
Ａｌの含有量は、耐食性、機械的性質等の点を考慮して、１．５〜４．０質量％が好ましく、３．０〜３．６質量％とするのがより好ましい。
【００１５】
ＣｒとＭｏの含有量は、０．２質量％未満とする。
Ｃｒ、Ｍｏが鋳鉄に含有する場合、炭化物を晶出させる傾向が強い。炭化物の存在は、炭化物と基地との境界において腐食が局部的に進行し易く、耐食性を悪化させるため、意図的には添加しないのがよい。しかし鉄源から混入することが考えられる。これらを考慮して、Ｃｒ、Ｍｏの各混入量が０．２質量％未満となるようにする。好ましくは、０．１質量％未満となるようにする。更には、Ｃｒ、Ｍｏは混入させないのが最も良い。
【００１６】
ＭｇとＣａは、その合計含有量を０．０３〜０．１質量％とする。
ＭｇとＣａは晶出する黒鉛を球状化する。
ＭｇとＣａの合計含有量が０．０３質量％未満では、黒鉛が球状化しない。
一方、合計含有量が０．１質量％を超えると、鋳鉄の白鋳鉄化が増大し、炭化物を晶出させ易くなる。
ＭｇとＣａの含有量は、黒鉛の球状化や炭化物の晶出を考慮すると、合計で０．０５〜０．０８質量％とするのが好ましい。
【００１７】
なお、Ｐ、Ｓは製造過程で混入不可避の元素として、わずかながら混入しているが、積極的に含有させるものではない。
【００１８】
次に上述の成分組成の鋳鉄の鋳物について、その製造方法について説明する。
製造方法は、所定の成分組成となるように調整した材料を溶融炉で溶かす。Ａｌは溶湯表面にて大気と反応して酸化被膜を生成し、歩留まりを低下させる。そのため、Ａｌの添加は出湯直前に行うのが好ましい。１４００〜１５５０℃で５分〜１時間保持した後、取鍋に出湯して、黒鉛球状化のためのＭｇ処理と接種（Ｆｅ−Ｓｉ添加）処理を行う。その際、Ｍｇが０．０３〜０．１％、溶湯中に残留するようにする。そして一旦、１３５０〜１５００℃で鋳込んで鋳鉄鋳物を得る。
次に、この鋳放し状態の鋳鉄鋳物を９００〜１１００℃の温度での高温の拡散熱処理を０．５〜１０時間、保持して行い、その後の冷却は、空冷もしくは空冷とその後の水冷とにより常温まで冷却する。前記その後の冷却に関しては、より具体的には、９００〜１１００℃での所定時間の保持の後に空冷により常温まで冷却する方法、９００〜１１００℃での所定時間の保持の後に少なくとも５００℃までは空冷し、その後は水冷により効率よく常温まで冷却する方法、がある。勿論、９００〜１１００℃での所定時間の保持の後に水冷により常温まで冷却する方法も可能であるが、その場合は、割れが生じることがある。また空冷だけで冷却を行う場合は、前記水冷だけで冷却する場合よりは好ましいと言えるが、鋳物表面へのマルテンサイト析出による硬度上昇や耐食性の悪化が生じる場合がある。よって一番好ましいのは、先ず空冷し、割れが生じない温度（例えば前記５００℃）まで冷却した後に水冷する方法であると言える。
上記拡散熱処理の保持は、均質化にかかる時間を１インチあたり１時間として鋳物の肉厚により変化させることができる。０．５時間未満の場合は、均質化することができない問題が生じる。一方、保持時間が１０時間を超えると、オーステナイト粒の粒成長が著しく、機械的性質の悪化を招くおそれがある。
以上によって、オーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄で耐食性に優れたものを提供することができる。
球状黒鉛鋳鉄に含有されているＡｌは鋳放しではＦｅ−Ｎｉ−Ａｌ金属間化合物として粒界に析出するものもあるが、前記高温の拡散熱処理を施すことで、基地組織に固溶させることができる。添加したＡｌを基地に固溶させることにより、防食効果を十分高めることができる。
【実施例】
【００１９】
実施例１〜７、比較例１〜５の各材料を、誘導電気炉で溶解し、１４００〜１５５０℃にて出湯し、Ｍｇ処理（黒鉛球状化）、接種（Ｆｅ−Ｓｉ添加）の後、鋳型に注湯（１３５０〜１５００℃）し、表１〜表２に示すような成分組成となる鋳鉄を作製した。
比較例１はＪＩＳ−ＦＣＤＡ−Ｎｉ２２、比較例３はＦＣＤ４００である。
実施例１〜７、比較例１〜５について、９００〜１１００℃で３時間の大気熱処理を行い、組織を均質化した後、耐食性の評価試験に供した。
【００２０】
【表１】
2019173110.tif 000002
【００２１】
【表２】
2019173110.tif 000003
【００２２】
＜耐食性試験条件＞
試料サイズ：１００×３０×３（ｍｍ）
試料数：各２ピース
試験方法：塩水（５％ＮａＣｌ）を１日２回、試料の表面に１０ｍｍＬずつ滴下することを４週間繰り返した。この場合において、経時的な塩の蓄積を防ぐことを目的に、各塩水の滴下前に流水で試料表面を洗浄した。
【００２３】
＜腐食減量の測定＞
各実施例１〜７、比較例１〜５についての腐食減量を測定した。
除錆方法は、ＪＩＳ  Ｚ  ２３７１に基づき塩酸−ヘキサメチレンテトラミン法を用いた。
除錆用溶液は、蒸留水５００ｍＬに３０％塩酸５００ｍＬを加え、更に腐食抑制剤としてヘキサメチレンテトラミンを３．５ｇ加えたものを使用した。
腐食させた試験片を、上記除錆用溶液に浸し、ブラッシング、超音波洗浄することで、錆層を除去した。
得られた腐食減量を表１〜表２に示す。
【００２４】
表１〜２によれば、同じくＮｉを２２質量％含有する場合において、比較例１、２等と比べて、実施例１〜５においては腐食減量が低値になっていることが明らかである。これら実施例１〜５においては、Ａｌの含有が耐食性に効果を奏していると言える。
なお、比較例４はＭｎを６．９％含有し、耐食性は良いが、Ｍｎの含有量が多いことで、高温で割れが発生し易い問題がある。Ｍｎの含有量が５％以下（Ｍｎ：４．９％）を含有する実施例７は、高温での割れを回避しながら、耐食性も良好である。
また実施例６は、実施例１〜４と比較して、ＣｕをＡｌと共に適量加えれば、耐食性が更に向上することと示している。但しＣｕの含有量が多いと、銅化合物が析出し易く、割れの原因となる。