(57)【要約】  本発明は、機械強度が大きく、耐摩耗性が高く、且つ高い延性を有する鋳鉄製品を製造するための球状鋳造合金に関するものである。この鋳鉄合金は、非鉄成分として、２．５〜３．８重量％のＣと、２．４〜３．４重量％のＳｉと、０．０２〜０．０８重量％のＰと、０．０２〜０．０６重量％Ｍｇと、０．０１〜０．０５重量％のＣｒと、０．００２〜０．０２重量％のＡｌと、０．０００５〜０．０１５重量％のＳと、０．０００２〜０．００２重量％のＢと、通常の不純物とを含有する。本発明によるこの鋳鉄合金においては、Ｃが３．０〜３．７重量％、Ｓｉが２．６〜３．４重量％、Ｐが０．０２〜０．０５重量％、Ｍｇが０．０２５〜０．０４５重量％、Ｃｒが０．０１〜０．０３重量％、Ａｌが０．００３〜０．０１７重量％、Ｓが０．０００５〜０．０１２重量％、Ｂが０．０００４〜０．００２重量％含まれるようにする。この鋳鉄合金は、自動車産業において例えばシャーシ部品またはブレーキディスクを製造するのに利用される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械強度が大きく、耐摩耗性が高く、且つ高い延性を有する鋳鉄製品用の球状鋳造合金であって、非鉄成分として、
２．５〜３．８重量％のＣと、
２．４〜３．４重量％のＳｉと、
０．０２〜０．０８重量％のＰと、
０．０２〜０．０６重量％のＭｇと、
０．０１〜０．０５重量％のＣｒと、
０．００２〜０．０２重量％のＡｌと、
０．０００５〜０．０１５重量％のＳと、
０．０００２〜０．００２重量％のＢと、
通常の不純物と
を含有する当該球状鋳造合金において、
Ｃが３．０〜３．７重量％、
Ｓｉが２．６〜３．４重量％、
Ｐが０．０２〜０．０５重量％、
Ｍｇが０．０２５〜０．０４５重量％、
Ｃｒが０．０１〜０．０３重量％、
Ａｌが０．００３〜０．０１７重量％、
Ｓが０．０００５〜０．００９重量％、
Ｂが０．０００４〜０．００２重量％
含まれていることを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項２】
請求項１に記載の球状鋳造合金において、
前記鋳造合金が、０．５〜０．８重量％とするのが好ましい０．１〜１．５重量％のＣｕを含有することを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項３】
請求項１に記載の球状鋳造合金において、
前記鋳造合金が、０．１５〜０．２重量％とするのが好ましい０．１〜１．０重量％のＭｎを含有することを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項４】
請求項１に記載の球状鋳造合金において、この鋳造合金が、
０．５〜０．８重量％とするのが好ましい０．１〜１．５重量％のＣｕと、
０．１５〜０．２重量％とするのが好ましい０．１〜１．０重量％のＭｎと
を含有することを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項５】
請求項１に記載の球状鋳造合金において、この鋳造合金が、
０．５〜１．０重量％とするのが好ましい０．１〜１．５重量％のＭｎと、
０．０５〜０．２重量％とするのが好ましい０．０５〜１．０重量％Ｃｕと
を含有することを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の球状鋳造合金において、
鋳造及び冷却処理の直後において、黒鉛成分が、存在する黒鉛の９０％以上について球状及びバーミキュラ形態の双方又はいずれか一方であることを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の球状鋳造合金において、
鋳造及び冷却処理の直後において、鋳造部品の結晶構造の７０〜９０％がパーライト形状であることを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の球状鋳造合金において、
鋳造及び冷却処理の直後において、鋳造部品の結晶構造が１ｍｍ２あたり２００〜７００スフェルライトであることを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の球状鋳造合金において、
鋳造部品のブリネル硬度が２２０を超えることを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の球状鋳造合金において、
黒鉛粒子の寸法分布は、ＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ  ９４５によるサイズ８が少なくとも３０％であり、サイズ７が１０％〜７０％であり、且つサイズ６が最大で２０％であること特徴とする球状鋳造合金。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の球状鋳造合金において、
鋳造部品の破断点伸びＡ５が５〜１４％であるとともに、引張強度Ｒｍが９００〜６００ＭＰａであることを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の球状鋳造合金において、
鋳造部品の破断点伸びＡ５が５〜１４％であるとともに、降伏強度Ｒｐ０．２が６００〜４００ＭＰａであることを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の球状鋳造合金において、
この鋳造合金が自動車のシャーシ部分に用いられることを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の球状鋳造合金において、
この鋳造合金が、自動車のウィッシュボーンに用いられることを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の球状鋳造合金において、
この鋳造合金が、自動車のホイールキャリアに用いられることを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項１６】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の球状鋳造合金において、
この鋳造合金が、自動車のピボット軸受に用いられることを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項１７】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の球状鋳造合金において、
この鋳造合金が、自動車のブレーキディスクに用いられることを特徴とする球状鋳造合金。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の球状鋳造合金から鋳造部品を製造する方法において、
鋳造及び冷却処理の後に、鋳造部品の加熱処理を行わないことを特徴とする鋳造部品を製造する方法。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の鋳造部品を製造する方法において、
鋳型が水平方向に分けられており、この鋳型内に鋳造部品を水平に配置することを特徴とする鋳造部分を製造する方法。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか一項に記載の鋳造部品を回転対称的に製造する方法において、
この鋳造部品の中心から回転対称的に鋳型を充填することを特徴とする鋳造部品を回転対称的に製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械強度が大きく、耐摩耗性が高く、且つ高い延性を有する鋳鉄製品用の球状鋳造合金であって、非鉄成分として、２．５〜３．８重量％のＣと、２．４〜３．４重量％のＳｉと、０．０２〜０．０８重量％のＰと、０．０２〜０．０６重量％のＭｇと、０．０１〜０．０５重量％のＣｒと、０．００２〜０．０２重量％のＡｌと、０．０００５〜０．０１５重量％のＳと、０．０００２〜０．００２重量％のＢと、通常の不純物とを含有する当該球状鋳造合金に関するものである。
【０００２】
鋳鉄合金は、自動車を構成する際、高い耐摩耗性を必要とする鋳造部品、例えばブレーキディスクに用いられる。ブレーキディスクにより、ブレーキの動作中に車両の運動エネルギーを熱エネルギーに変換させる必要がある。この際、ブレーキディスクの温度は約８５０℃にまで達するおそれがある。ブレーキの動作時には、ブレーキライニングだけではなく、ブレーキディスクも摩耗する。ブレーキディスクは不均一に摩耗してしまい、しばしば保証期間中であるにもかかわらず交換する必要が生じ自動車製造業者にとって大きなコスト負担となっている。ブレーキディスク表面上の摩耗がなるべく均一に起こるようにするためには、結晶構造及び構造の均質性に対する要求が大きくなる。均質性は、適切な鋳造工程により改善することができる。
【０００３】
英国特許第８３２６６６号明細書には、非鉄成分として、１．０〜２．５重量％のＣと、１．５〜３．２％重量のＳｉと、１．１５重量％未満のＭｎ、０．５重量％未満のＳと、０．００１〜０．０５重量％のＢとを含有する鋳鉄合金が開示されている。鋳造後、黒鉛成分が緻密な形態になる。この鋳鉄合金はＭｇを全く含まないため、球状黒鉛又はバーミキュラ黒鉛は存在せず、可鍛鋳鉄の焼戻し炭素ノードに類似した黒鉛の形成が主となる。この鋳鉄合金は支配的なパーライト構造中に炭化物を５〜１０％含有しているため、破断点における伸びが比較的小さくなってしまう。層状黒鉛の形成を制限し、それにより弾性率を改良するため、合金元素として、テルリウム及びビスマスを混合させている。その後、加熱処理を行うことで高い破断点伸び値を達成している。
【０００４】
米国特許公開第２００４／０１１２４７９号明細書には、３．７重量％のＣと、２．５重量％のＳｉと、１．８５重量％のＮｉと、０．８５重量％のＣｕと、０．０５重量％のＭｏとを含有するのが好ましい他の鋳鉄合金が開示されている。この物質は、５００〜９００ＭＰａの引張強度における伸び率が２０〜１６％であり、ブリネル硬度が１８０〜２９０ＨＢであることを特徴としている。これらの特性は、時間のかかる加熱処理、すなわち、７５０〜７９０℃で１０〜３６０分に亘り行われるオーステナイト化ステップと、３００〜４００℃の塩浴中で行われる急冷ステップと、３００〜４００℃で１〜３時間に亘り行われるオーステンパリングステップと、室温への冷却ステップという順次のステップを有する加熱処理の後に得られる。この処理の後、上記物質は、オーステナイト系のフェライト微細構造を有することになる。この物質は、従来のオーステンパリング法を行った鋳鉄よりも機械加工がより容易なことを特徴とする。
【０００５】
これらの先行技術に基づき、本発明は、できる限り安価な元素から製造される鋳鉄合金を提供すること、並びに可能な限り高い又は大きな耐熱性及び強度、特には耐摩耗性を有すると共に、追加の加熱処理なしで極めて高い延性強度を具える鋳造部品を提供することを目的とする。
【０００６】
この目的は、機械強度が大きく、耐摩耗性が高く、且つ高い延性を有する鋳鉄製品用の球状鋳造合金であって、非鉄成分として、２．５〜３．８重量％のＣと、２．４〜３．４重量％のＳｉと、０．０２〜０．０８重量％のＰと、０．０２〜０．０６重量％のＭｇと、０．０１〜０．０５重量％のＣｒと、０．００２〜０．０２重量％のＡｌと、０．０００５〜０．０１５重量％のＳと、０．０００２〜０．００２重量％のＢと、通常の不純物とを含有する当該球状鋳造合金において、Ｃが３．０〜３．７重量％、Ｓｉが２．６〜３．４重量％、Ｐが０．０２〜０．０５重量％、Ｍｇが０．０２５〜０．０４５重量％、Ｃｒが０．０１〜０．０３重量％、Ａｌが０．００３〜０．０１７重量％、Ｓが０．０００５〜０．０１２重量％、Ｂが０．０００４〜０．００２重量％含まれるようにすることで達成される。
【０００７】
本発明の好ましい態様は、特許請求の範囲の従属項に記載されている。
【０００８】
この鋳造合金は、得られる限り最高の強度−ひずみ特性を有するものとするのが有利である。このような特性は、０．１〜１．５重量％、好ましくは０．５〜０．８重量％のＣｕを含有する球状鋳造合金によって得られる。この特性は又、０．１〜１．０重量％、好ましくは０．１５〜０．２重量％のＭｎを含有する球状鋳造合金によっても得られる。
【０００９】
この鋳造合金は、得られる限り最高の摩耗特性を有するものとするのが有利である。この特性は、０．１〜１．５重量％、好ましくは０．５〜０．８重量％のＣｕと、０．１〜１．０重量％、好ましくは０．１５〜０．２重量％のＭｎとを含有する球状鋳造合金によって得られる。この特性は又、０．１〜１．５重量％、好ましくは０．５〜１．０重量％のＭｎと、０．０５〜１．０重量％、好ましくは０．０５〜０．２重量％のＣｕとを含有する球状鋳造合金によっても得られる。
【００１０】
本発明の主たる目的は、ブレーキディスクとして使用した場合に摩耗ができる限り均一になる、２２０を超えるブリネル硬度を有する鋳鉄合金を提供することにある。この鋳鉄合金中の黒鉛は、球状又はバーミキュラ形態であり、層状形態ではない。層状黒鉛を有するブレーキディスクは安価であるが、温度変化に対する耐性が低くなる。その結果として、短時間使用しただけでいわゆる火われが発生してそれが急速に成長し、不規則な表面になるおそれがある。表面が不規則になると、熱負荷が不規則になって摩耗が不均一になり、いわゆるブレーキジャダーが生じてしまう。
【００１１】
本発明による球状鋳造合金の他の用途としては、例えばウィッシュボーン、ホイールキャリア及びピボット軸受のような高い機械的及び動的負荷を受けるトラック及び乗用車用の車軸及びシャーシ部品があり、これらは自動車が衝突した場合に塑性変形し破裂しないものとする必要がある。
【００１２】
実施例１
本発明による球状鋳造合金からブレーキディスクを製造した。化学組成は、Ｃが３．３４重量％、Ｓｉが２．９２重量％、Ｃｕが０．６２重量％、Ｍｎが０．１７重量％、Ｍｇが０．０３８重量％、Ｐが０．０２５重量％、Ｃｒが０．０２１重量％、Ａｌが０．０１重量％、Ｓが０．００１重量％及びＢが０．０００８重量％となり、残りがＦｅ及び通常の不純物となるようにした。このブレーキディスクについて、スフェルライト数、黒鉛含量、黒鉛形態及び黒鉛サイズ、パーライト含量、並びにブリネル硬度を調べた。このブレーキディスクから得られた試料に引張試験を行い強度−応力特性を確かめた。スフェルライト数は、１ｍｍ２あたり３８４＋／−７６スフェルライトである。黒鉛含量は、９．７＋／−０．７％である。黒鉛形状は、ＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ  ９４５によればＶＩ型が９７．９％である。黒鉛の寸法分布は、ＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ  ９４５によればサイズ８が４５％、サイズ７が４２％、サイズ６が１３％である。パーライト含量は、８４＋／−１％である。ブリネル硬度は、２４８＋／−３ＨＢである。引張試験においては、降伏強度Ｒｐ０．２＝４７４ＭＰａ、引張強度Ｒｍ＝７７８ＭＰａ、破断点伸びＡ５＝１１．４％、及び弾性係数Ｅ＝１６５〜１７０ｋＮ／ｍｍ２という値が確認された。
【００１３】
ブレーキディスクに用いられる公知の材料と比較して、酸化特性が極めて優れており（図１参照）、火われの生じる傾向が著しく低減されること（図２及び３参照）が確かめられた。このような酸化特性、及びそれによる摩耗特性は、球状鋳造合金に銅及びマンガンの双方又はいずれか一方による混合物を追加することにより著しく向上する。
【００１４】
図１は、７００℃の空気中で酸化させることにより生じる１日あたりの重量増加量をｇ／ｍ２で示している。通常のブレーキディスクに用いられる鋳鉄物質では重量増加が約２１ｇ／ｍ２・ｄであるのに対して、本発明の鋳鉄物質では重量増加が約９ｇ／ｍ２・ｄになっている。
【００１５】
火われを調べるための試験は、４０×２０×７ｍｍの寸法のサンプルに対して、７００℃まで７秒間加熱し水中で６秒間急冷するというサイクルを少なくとも１００サイクル行うことにより実施した。その後、顕微鏡下に横断面を提示して調査し写真を撮影した。
【００１６】
図２は、市販のブレーキディスクの顕微鏡写真であり、このブレーキディスクの火われは深さ０．４ｍｍとなっている。図３は、本発明によるブレーキディスクの顕微鏡写真を図２と同じ倍率で示しており、このブレーキディスクの火われは深さ０．１４ｍｍとなっている。
【００１７】
実施例２
本発明による球状鋳造合金から乗用車用のウィッシュボーンを製造した。化学組成は、Ｃが３．５重量％、Ｓｉが２．８５重量％、Ｃｕが０．６３重量％、Ｍｎが０．１８重量％、Ｍｇが０．０３８重量％、Ｐが０．０２６重量％、Ｃｒが０．０２９重量％、Ａｌが０．００４重量％、Ｓが０．００１重量％、Ｂが０．０００７重量％となるようにし、残りがＦｅ及び通常の不純物となるようにした。引張試験において、降伏強度Ｒｐ０．２＝４６５ＭＰａ、引張強度Ｒｍ＝７５７ＭＰａ、破断点伸びＡ５＝１１．１％、及び弾性係数Ｅ＝１６５〜１７０ｋＮ／ｍｍ２という値が確認された。ブリネル硬度は、２５８＋／−３ＨＢである。
【００１８】
実施例３
本発明による球状鋳造合金から乗用車用のホイールキャリアを製造した。化学組成は、Ｃが３．４３重量％、Ｓｉが３．３８重量％、Ｃｕが０．７１重量％、Ｍｎが０．２重量％、Ｍｇが０．０３７重量％、Ｐが０．０４７重量％、Ｃｒが０．０４３重量％、Ａｌが０．０１２重量％、Ｓが０．００４重量％、Ｂが０．０００８重量％となり、残りがＦｅ及び通常の不純物となるようにした。引張試験において、降伏強度Ｒｐ０．２＝５５８ＭＰａ、引張強度Ｒｍ＝８６２ＭＰａ、破断点伸びＡ５＝６．１％という値が確認された。ブリネル硬度は、２８８ＨＢである。微細構造中のスフェルライト数は、１ｍｍ２あたり４５５スフェルライトと測定された。
【００１９】
図４は、破断点伸びＡ５を引張強度Ｒｍの関数として示す。実線は、鋳造状態で製造される球状黒鉛を有する鋳鉄に関するＥＮ１５６３基準により得られるものの最小値を示す。本発明の上記実施例１〜３により得られた物質の測定値も記載してある。
【００２０】
図５は、破断点伸びＡ５を耐力強度Ｒｐ０．２の関数として示す。実線は、鋳造状態で製造される球状黒鉛を有する鋳鉄に関するＥＮ１５６３基準により得られるものの最小値を示す。本発明の上記実施例１〜３により得られた物質の測定値も記載してある。
【００２１】
このように、本発明の球状鋳鉄の物質特性は、球状黒鉛を有する鋳鉄に関する欧州基準ＥＮ１５６３を大幅に上回り、ＡＤＩ（＝Ａｕｓｔｅｍｐｅｒｅｄ  Ｄｕｃｔｉｌ  Ｉｒｏｎ）、つまり、比較的大きな壁厚において極めて複雑な加熱処理で製造され、高価な元素であるニッケル及びモリブデンの双方又はいずれか一方を加えることによってのみ得ることができる（従って高価なものである）ＥＮ１５６４基準として欧州で標準化された鋳鉄物質にさえ匹敵する値となっている。
【００２２】
図６は、アルミニウム鋳造合金、球状黒鉛を有する鋳鉄、ＡＤＩ及び上述した本発明の実施例１〜３による物質の破断点伸びに対する強度範囲を示す。
【００２３】
本発明による新規な鋳造工程によれば構造の均一性も達成される。鋳型を垂直方向ではなく水平方向に分け、ブレーキディスクを水平に配置し、ブレーキディスクの中央からエッジの方へ向かって鋳型を充填する。これにより、鋳型が回転対称的に充填され、鋳造後にブレーキディスクが内側から外側まで一様に冷却されることになる。その結果、ブレーキディスクの周囲全体に亘って均一で均質な構造が形成される。その後の時間及びコストのかかる加熱処理は不要である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、７００℃の空気中で酸化させることにより生じる１日あたりの重量増加量をｇ／ｍ２で示すグラフである。
【図２】図２は、市販のブレーキディスクの顕微鏡写真である。
【図３】図３は、本発明によるブレーキディスクの顕微鏡写真である。
【図４】図４は、破断点伸びＡ５を引張強度Ｒｍの関数として示したグラフである。
【図５】図５は、破断点伸びＡ５を耐力強度Ｒｐ０．２の関数として示したグラフである。
【図６】図６は、アルミニウム鋳造合金、球状黒鉛を有する鋳鉄、ＡＤＩ及び本発明の実施例１〜３による物質の破断点伸びに対する強度範囲を示すグラフである。
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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2008520827.tif 000010
2008520827.tif 000011
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