(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳放し状態で用いられる亜共晶球状黒鉛鋳鉄であって、
質量パーセントで、
Ｃ          ：１．８〜２．７％
Ｓｉ        ：１．６〜２．６％
炭素当量    ：２．４〜３．４％
Ａｌ        ：０．０１〜０．２％
Ｍｇ        ：０．０１５〜０．０６０％
Ｎｉ        ：０．０１〜１．６％
Ｃｕ        ：０．０５〜１．６％
Ｃｕ＋Ｎｉ  ：０．０６〜２．０％
を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、
基地中における黒鉛球状化率が８０％以上、黒鉛面積率が９％以下、ヤング率が１８０ＧＰａ以上であることを特徴とする亜共晶球状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
質量パーセントで、
Ｃ          ：１．８〜２．７％
Ｓｉ        ：１．６〜２．６％
炭素当量    ：２．４〜３．４％
Ａｌ        ：０．０１〜０．２％
Ｍｇ        ：０．０１５〜０．０６０％
Ｎｉ        ：０．０５〜１．６％
Ｃｕ        ：０．０５〜１．６％
Ｃｕ＋Ｎｉ  ：０．１〜２．０％
を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有することを特徴とする請求項１に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄。
【請求項３】
質量パーセントで、
Ｃ          ：１．８〜２．７％
Ｓｉ        ：１．６〜２．６％
炭素当量    ：２．４〜３．４％
Ａｌ        ：０．０１〜０．２％
Ｍｇ        ：０．０１５〜０．０６０％
Ｎｉ        ：０．１〜１．２％
Ｃｕ        ：０．１〜１．２％
Ｃｕ＋Ｎｉ  ：０．２〜１．６％
を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有することを特徴とする請求項２に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄。
【請求項４】
質量パーセントで、
Ｍｎ        ：１．０％未満
とすることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は亜共晶球状黒鉛鋳鉄に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に球状黒鉛鋳鉄は強度、靱性に寄与しない黒鉛を面積率で１０〜１３％程度含むため、鋼より機械的特性が劣る。ヤング率は鋼では２００〜２１０ＧＰａ、球状黒鉛鋳鉄では１４０〜１７０ＧＰａ程度である。
一方、炭素含有量を減らした亜共晶組成の球状黒鉛鋳鉄では、冷却時にデンドライトが先行して生じ易い。デンドライトが先行することで、残部液相にＭｎ等の炭化物安定化元素が濃化し、共晶セメンタイトができ易くなる。即ち、亜共晶組成の球状黒鉛鋳鉄は白鋳鉄化し易い傾向にある。このため従来は、鋳込み後に熱処理を行うことによって、組織中のセメンタイトを分解、黒鉛化して、組織を改善し、機械的特性を出すようにするのが一般的であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３１７０９３号公報
【特許文献２】特開２０００−１７３７２号公報
【特許文献３】特開２００１−３１３４号公報
【特許文献４】特開２０１３−１７３９６９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の発明は高剛性球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法に関し、組織中の黒鉛量を減少させ、靱性、高ヤング率、０．２％耐力の向上の面で有利な、特に低温における靱性の向上に有利なものが開示されている。しかしながら、この発明は黒鉛化促進のために、ＢｉやＢａを添加している。Ｂｉ、Ｂａは少量で黒鉛の球状化を阻害する傾向をもたらす。
上記特許文献２の発明は高剛性球状黒鉛鋳鉄に関し、引け巣及びチルの発生を防止しながらヤング率の向上を図るものが開示されている。しかしながら、この発明では依然としてＣＥ値が高く、組織中の黒鉛量が多くなり、機械的特性が不十分となる問題が生じ得る。
上記特許文献３の発明は亜共晶球状黒鉛鋳鉄に関し、鋳放しのままでも強度、靱性および剛性に優れたものが開示されている。しかしながら特許文献１の発明では、高コストのＲＥＭ（希土類元素）、ＢＮ（窒化ホウ素）を黒鉛化促進、球状化促進に用いており、コストを重視する産業的生産には適さないという問題がある。
上記特許文献４の発明は高剛性球状黒鉛鋳鉄に関し、炭素当量（ＣＥ値）を低下させて、黒鉛晶出量を抑制し、ヤング率を高め、高剛性化を図るものが開示されている。しかしながら、この発明では、ＣＥ値が３．６〜４．２％の高い範囲では黒鉛の晶出量がかなり多くなり、機械的特性が期待できない。一方、ＣＥ値が２．８〜３．２％の低い範囲では、含有成分的からして、鋳放し状態で遊離セメンタイトを晶出させないのは難しく、そのままでは実製品に適用し難いという問題が残る。
【０００５】
そこで本発明は上記従来の問題点を解消し、鋳放しのままで、遊離セメンタイトが晶出することなく、しかも晶出する黒鉛の面積率が小さく、黒鉛球状化率が高い、高ヤング率を有する亜共晶球状黒鉛鋳鉄の提供を課題とする。
【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亜共晶球状黒鉛鋳鉄は、鋳放し状態で用いられる亜共晶球状黒鉛鋳鉄であって、質量パーセントで、Ｃ：１．８〜２．７％、Ｓｉ：１．６〜２．６％、炭素当量：２．４〜３．４％、Ａｌ：０．０１〜０．２％、Ｍｇ：０．０１５〜０．０６０％、Ｎｉ：０．０１〜１．６％、Ｃｕ：０．０５〜１．６％、Ｃｕ＋Ｎｉ：０．０６〜２．０％を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、
基地中における黒鉛球状化率が８０％以上、黒鉛面積率が９％以下、ヤング率が１８０ＧＰａ以上であることを第１の特徴としている。
また本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄は、上記第１の特徴に加えて、質量パーセントで、Ｃ：１．８〜２．７％、Ｓｉ：１．６〜２．６％、炭素当量：２．４〜３．４％、Ａｌ：０．０１〜０．２％、Ｍｇ：０．０１５〜０．０６０％、Ｎｉ：０．０５〜１．６％、Ｃｕ：０．０５〜１．６％、Ｃｕ＋Ｎｉ：０．１〜２．０％を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有することを第２の特徴としている。
また本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄は、上記第２の特徴に加えて、質量パーセントで、Ｃ：１．８〜２．７％、Ｓｉ：１．６〜２．６％、炭素当量：２．４〜３．４％、Ａｌ：０．０１〜０．２％、Ｍｇ：０．０１５〜０．０６０％、Ｎｉ：０．１〜１．２％、Ｃｕ：０．１〜１．２％、Ｃｕ＋Ｎｉ：０．２〜１．６％を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有することを第３の特徴としている。
また本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄は、上記第１〜第３の何れかに記載の特徴に加えて、質量パーセントで、Ｍｎ：１．０％未満とすることを第４の特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の鋳放し状態で用いられる亜共晶球状黒鉛鋳鉄によれば、そこに示された成分組成により、現に、鋳放しのままで、遊離セメンタイトが晶出することなく、しかも晶出する黒鉛の面積率が小さく、黒鉛球状化率が高い、高ヤング率を有する実用に適した亜共晶球状黒鉛鋳鉄を提供することが可能となる。より具体的には、基地中における黒鉛球状化率が８０％以上で、黒鉛面積率が９％以下、ヤング率が１８０ＧＰａ以上の亜共晶球状黒鉛鋳鉄を鋳放し状態で得ることが可能となる。また鋳放し状態で引張り強さが６９０Ｎ／ｍｍ２以上とすることが可能となる。
特に、Ｎｉを０．０１〜１．６質量％、Ｃｕを０．０５〜１．６質量％、ＣｕとＮｉの総量を０．０６〜２．０質量％とすることにより、黒鉛化の促進を図ることができ、より確実に黒鉛面積率が低く黒鉛球状化率が高い、高ヤング率の亜共晶球状黒鉛鋳鉄を鋳放し状態で得ることが可能となる。
またＣを１．８〜２．７質量％、Ｓｉを１．６〜２．６質量％、炭素当量を２．４〜３．４質量％とすることで、基地中の黒鉛面積率が低く、黒鉛球状化率の高い、より高ヤング率の高い亜共晶球状黒鉛鋳鉄を、より確実に鋳放し状態で得ることが可能となる。
【０００８】
また請求項２に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄によれば、上記請求項１に記載の構成による作用効果に加えて、Ｎｉを０．０５〜１．６質量％、Ｃｕを０．０５〜１．６質量％、ＣｕとＮｉの総量を０．１〜２．０質量％とすることにより、更に一層、黒鉛化の促進を図ることができ、より確実に黒鉛面積率が低く黒鉛球状化率が高い、高ヤング率の亜共晶球状黒鉛鋳鉄を鋳放し状態で得ることが可能となる。
また請求項３に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄によれば、上記請求項２に記載の構成による作用効果に加えて、Ｎｉを０．１〜１．２質量％、Ｃｕを０．１〜１．２質量％、ＣｕとＮｉの総量を０．２〜１．６質量％とすることにより、更により一層、黒鉛化の促進を図ることができ、更により確実に黒鉛面積率が小さく黒鉛球状化率が高い、高ヤング率の亜共晶球状黒鉛鋳鉄を鋳放し状態で得ることが可能となる。
【０００９】
また請求項４に記載の亜共晶球状黒鉛鋳鉄によれば、上記請求項１〜３の何れかに記載の構成による作用効果に加えて、Ｍｎを１．０質量％未満とすることで、共晶セメンタイトの晶出を抑制することができ、鋳放し状態での黒鉛化を促進することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄について、使用する鋳鉄材料の成分組成における各成分元素の含有範囲について、以下に説明する。なお、以下において各成分の含有量は質量％で記載する。
【００１１】
Ｃの含有量は、１．５〜２．７％とする。
亜共晶鋳鉄としては、Ｃの含有量は前提として４．３％未満ということになるが、Ｃの含有量が多くなりすぎると、黒鉛面積率が増加して、機械的特性が劣る。このためＣの含有量は２．７％以下とする。
Ｃの含有量が２．７％を超えると、基地中の黒鉛の量が多く、黒鉛面積率が９％を超え易く、機械的特性としてヤング率が１８０ＧＰａ未満、引張り強さが６００Ｎ／ｍｍ２未満となり易い。Ｃの含有量が１．５％未満では、黒鉛が晶出し難くなり、初析セメンタイトが生成する。
Ｃの含有量は、得られる亜共晶球状黒鉛鋳鉄が黒鉛球状化率８０％以上、黒鉛面積率が９％以下、引張り強さが６９０Ｎ／ｍｍ２以上、ヤング率が１８０ＧＰａ以上となることを考慮して、１．７〜２．５％が好ましく、更に好ましくは１．８〜２．３％とするのがよい。
【００１２】
Ｓｉの含有量は、１．０〜３．０％とする。
Ｓｉは強い黒鉛化作用があり、Ｃの１／３程度の割合で状態図を低Ｃ側に動かす。１．０％未満では黒鉛化作用が十分発揮しない。３．０％を超えると、フェライト基地に固溶し、靱性を下げる。
Ｓｉの含有量は、Ｃの黒鉛化促進と基地への固溶（靱性の低下）を考慮して、１．４〜２．６％が好ましく、更に好ましくは１．６〜２．４％とするのがよい。
【００１３】
炭素当量（ＣＥ値）は、２．２〜３．４％とする。
炭素当量は、これが高いと黒鉛の晶出量が多くなり、機械的特性が低下する。一方、少ないと遊離セメンタイトが晶出し易く、白鋳鉄化する。２．２％未満では鋳放しで白鋳鉄化し、実用に供せない。３．４％を超えると、黒鉛の晶出量が多く、ヤング率を１８０ＧＰａにするのが難しくなる。また引張り強さが６９０Ｎ／ｍｍ２を超えるのが難しくなる。
炭素当量は、得られる亜共晶球状黒鉛鋳鉄が黒鉛球状化率８０％以上、黒鉛面積率が９％以下、引張り強さが６９０Ｎ／ｍｍ２以上、ヤング率が１８０ＧＰａ以上となることを考慮して、２．３〜３．０％が好ましく、更に好ましくは２．４〜２．７％とするのがよい。
なお炭素当量（ＣＥ値）は、例えばＣＥ＝Ｃ％＋（１／３）・Ｓｉ％として、簡易演算することができる。本発明では、原則としてＣＥ＝Ｃ％＋（１／３）・Ｓｉ％として演算している。
勿論、前記Ｃ、Ｓｉ以外の成分元素、不純物元素が含まれる場合には、それら成分元素、不純物元素についての炭素当量を加算、減算して総炭素当量を演算し、これを炭素当量としてもよい。
【００１４】
Ａｌの含有量は、０．０１〜０．２％とする。
本発明では、Ａｌを添加、含有させるのが１つの特徴である。
ＡｌはＳｉと同様に、強い黒鉛化促進作用がある。また溶湯中の窒素濃度を下げ、セメンタイトの発生を抑制する作用がある。しかし０．２％以上添加すると、湯流れが悪くなる。また０．０１％未満では効果が薄い。
【００１５】
Ｎｉは黒鉛化促進作用がある。またフェライトに固溶して、基地を強化する作用がある。よって必須ではないが、含有させるのがよい。
Ｎｉを含有させる場合は、０．０１〜２．０％とする。２．０％を超えるとフェライト基地の脆化につながる。０．０１％未満では効果が薄い。
Ｎｉの含有量は、黒鉛化促進作用、基地強化作用、フェライト基地の脆化作用を考慮して、０．０５〜１．６％がより好ましく、更には０．１〜１．２％が最も好ましい。
【００１６】
Ｃｕは黒鉛化促進作用がある。またパーライトのラメラ間隔を密にして、耐力を向上させる。よって必須ではないが、含有させるのがよい。
Ｃｕを含有させる場合は、０．０１〜２．０％とする。２．０％を超えるとパーライト基地を脆化し、靱性が低下し、また黒鉛球状化を阻害する。０．０１％未満では効果が薄い。
Ｃｕの含有量は、黒鉛化促進作用、耐力向上作用、パーライト基地の脆化作用、黒鉛球状化阻害作用を考慮して、０．０５〜１．６％がより好ましく、更には０．１〜１．２％が最も好ましい。
【００１７】
なおＮｉとＣｕは何れも黒鉛化促進作用がある点で共通する。その合計、即ちＮｉ＋Ｃｕの合計としての含有は必須ではないが、上記ＮｉやＣｕの含有に伴って、Ｎｉ＋Ｃｕの合計量としても含有させることになる。但し、Ｎｉ＋Ｃｕの合計量としては、０．０１〜２．０％とする。０．０１％未満では黒鉛化促進効果が薄い。また２．０％を超えると基地の脆化につながる。
Ｎｉ＋Ｃｕの合計含有量は、黒鉛化促進作用、耐力向上作用、基地の強化と脆化の作用、黒鉛球状化阻害作用を考慮して、０．１〜２．０％がより好ましく、更には０．２〜１．６％が最も好ましい。
【００１８】
Ｍｇは黒鉛の球状化に用いる。
Ｍｇの含有量は０．０１５〜０．０６０％とする。
Ｍｇは溶湯中で気化し、その気泡中にＣが拡散して、球状黒鉛が生成されるため必須である。０．０６０％を超えると、Ｍｇによる炭化物促進作用が働き、好ましくない。０．０１５％未満では、黒鉛が自由に成長して片状になり易いので、好ましくない。
【００１９】
Ｍｎは炭化物を安定化するので好ましくなく、含有させないのが原則である。ただし原料の鉄屑から混入する。混入量を１．０％未満にするのが好ましい。より好ましくは０．５％未満とするのが良い。
またＰやＳは、実際の製品では不純物として含有され得るが、本発明ではそれらの不純物は含有させる対象ではない。
【００２０】
Ｆｅの含有量は、１００％から各含有元素の含有量（％）を差し引いた残部となる。
【００２１】
なお黒鉛化促進のため、Ｚｒ、Ｃａ、Ｂａ等を含有する接種剤を溶湯に添加するようにしてもよい。
【００２２】
本発明の亜共晶球状黒鉛鋳鉄は、例えば、原料となる各材料を亜共晶組成となるようにして、溶解炉に入れ、１３５０〜１５５０℃で溶解し、その後１５５０℃で取鍋に移して球状化処理を行い、１４５０℃で鋳型に鋳込むことで製造することができる。Ａｌは溶解後に溶湯に添加する。また必要に応じて、Ｚｒ、Ｃａ、Ｂａ等を含有する接種剤を鋳込み直前に添加することができる。
上記によって、鋳放し状態で亜共晶球状黒鉛鋳鉄を現に製造することができる。
【００２３】
原則として、後処理としての熱処理は不要であるが、更に良好な組織、機械的特性を得るために、熱処理を後処理として施すことも可能である。
後処理としての熱処理は、例えば６００〜９００℃で一定時間保持し、その後徐冷する、いわゆるフェライト化焼鈍を行うことができる。このフェライト化焼鈍をすることで、パーライトを分解し、例えば後述の実施例２に示したように、伸びを例えば７％以上とする等、伸びを適当に増加させ、一方、引張り強度を適当に減少させる等の、引張り強度と伸びのバランス調整を行うことができる。ただし、そのようなフェライト化焼鈍処理を施しても、ヤング率は低下することがない。
【実施例】
【００２４】
実施例１〜６、比較例１の各鋳鉄材料を、電気炉で１３５０〜１５５０℃で約１時間溶融し、これを約１５５０℃で取鍋に移した後、約１４５０℃で、鋳型に鋳造した。得られた鋳放し鋳鉄の成分組成と炭素当量（ＣＥ値：Ｃ＋１／３・Ｓｉ）を表１に示す。
なお実施例２においては、鋳造後、９００℃で１時間、焼なましを行った。
また比較例２として、特開２０１３−１７３９６９号公報に開示された実施例８の成分組成を表１に併せて示す。比較例２はＡｌを含有していない点で、本発明と本質的に異なる。
更に実施例１〜６、比較例１〜２について、黒鉛面積率（％）、球状化率（％）、黒鉛粒数（個／ｍｍ２）、０．２％耐力（Ｎ／ｍｍ２）、引張り強さ（Ｎ／ｍｍ２）、伸び（％）、ヤング率（ＧＰａ）を測定した。結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
0006548924.tif 000002
【００２６】
表１より明らかなように、鋳放し状態の実施例１、３〜６において、黒鉛面積率３．９５〜７．０４％、球状化率８８．７〜９０．４％、０．２％耐力３７５．４〜５０６．４Ｎ／ｍｍ２、引張り強さ６９８．８〜８４８．１Ｎ／ｍｍ２、ヤング率１８３．４〜１９８．１ＧＰａであった。
これに対して比較例１では、Ｃの含有量、炭素当量（ＣＥ値）が過剰であり、また黒鉛面積率が９．２６％と過剰で、球状化率が８５．６％、０．２％耐力が３３４．０Ｎ／ｍｍ２、引張り強さが５５２．６Ｎ／ｍｍ２、ヤング率が１７８．０ＧＰａで何れも低調であった。
また比較例２では、黒鉛面積率、球状化率、０．２％耐力は不明である。一方、引張り強さが６８４．８Ｎ／ｍｍ２と本発明に比べてかなり低い。またヤング率は１８３．０ＧＰａで、１８０ＧＰａを超えるが、本発明と比べて低いと言える。
また実施例２では、鋳造後に焼きなましを行うことで、ヤング率が大きいまま、引張り強度を若干低下させるも、７００Ｎ／ｍｍ２以上を保持しつつ、伸びを７．０％以上（７．６８％）にすることができた。またヤング率は高いまま保持することができた。