(57)【要約】【課題】鋳鉄材のヤング率を向上させる。【解決手段】２〜３．２質量％のＣ、０．６〜３．３質量％のＳｉを含有し、好ましくは亜共晶域である溶湯に対し、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種を合計で０．５〜２０質量％となる割合で添加する。次に、この溶湯を用いて鋳造を行い、鋳造品を作製する。この鋳造品を冷却することにより、金属組織中にＮｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種の炭化物を析出させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
２〜３．２質量％のＣと、０．６〜３．３質量％のＳｉとを含有する鋳鉄材を母材とし、且つ前記母材中に炭化物が析出した炭化物析出鋳鉄材であって、
Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種を合計で０．５〜２０重量％含有するとともに、これらＮｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種と前記Ｃとで形成された前記炭化物が析出し、
且つヤング率が１９０ＧＰａ以上であることを特徴とする炭化物析出鋳鉄材。
【請求項２】
請求項１記載の炭化物析出鋳鉄材において、前記母材が亜共晶鋳鉄材であることを特徴とする炭化物析出鋳鉄材。
【請求項３】
２〜３．２質量％のＣと、０．６〜３．３質量％のＳｉとを含有する鋳鉄材を母材とし、且つ前記母材中に炭化物が析出した炭化物析出鋳鉄材の製造方法であって、
２〜３．２質量％のＣと、０．６〜３．３質量％のＳｉとを含有する鋳鉄材の溶湯に対し、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種を合計で０．５〜２０質量％添加する工程と、
前記溶湯を用いて鋳造を行い、鋳造品を得る工程と、
前記鋳造品を冷却することで、前記Ｎｂ、前記Ｍｏ、前記Ｖ、前記Ｗの中の少なくともいずれか１種と、前記Ｃとから前記炭化物を析出させる工程と、
を有することを特徴とする炭化物析出鋳鉄材の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の製造方法において、前記Ｃと前記Ｓｉとの成分比を亜共晶鋳鉄材となる割合として前記溶湯を調製することを特徴とする炭化物析出鋳鉄材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの中の少なくともいずれか１種が鋳鉄材の金属組織中に炭化物として析出した炭化物析出鋳鉄材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｆｅ−Ｃ系合金は、Ｃの含有量に基づいて鋼材と鋳鉄材に大別される。鋳鉄材は、鋼材に比して鋳造が容易であり且つコスト的に優れる等の利点を有するものの、剛性が劣る。従って、例えば、低コストと高剛性とが同時に希求される部材の構成材として鋳鉄材を採用することは容易ではない。換言すれば、鋳鉄材には、剛性が低いために用途が限られてしまうという不具合が顕在化している。
【０００３】
鋳鉄材の１種であるダクタイル鋳鉄材（ＦＣＤ）では、片状黒鉛鋳鉄（ＦＣ）に対して金属組織中に黒鉛が球状に晶出しており、これによりヤング率、ひいては剛性を向上させている。しかしながら、ヤング率が一層向上した鋳鉄材が希求されており、この観点から、特許文献１では、特定の元素を所定量含有させたＦＣＤが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１４５４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヤング率を一層向上させた鋳鉄材を得るために、ＦＣＤの金属組織中に炭化物を析出させることが想起される。すなわち、鋳造を行う前の溶湯に、炭化物の源となる金属元素、例えば、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗを添加し、これらの炭化物を生成させる。
【０００６】
しかしながら、このような元素を添加して炭化物とすることで鋼材に匹敵するヤング率を有する鋳鉄材を得るためには、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗを多量に添加する必要がある。周知のようにこれらの金属は高価であり、従って、多量の添加を行うことはコスト的に不利となる。
【０００７】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの添加量を比較的少量とした場合であっても大きなヤング率を示し、このために高剛性である炭化物析出鋳鉄材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明は、２〜３．２質量％のＣと、０．６〜３．３質量％のＳｉとを含有する鋳鉄材を母材とし、且つ前記母材中に炭化物が析出した炭化物析出鋳鉄材であって、
Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種を合計で０．５〜２０重量％含有するとともに、これらＮｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種と前記Ｃとで形成された前記炭化物が析出し、
且つヤング率が１９０ＧＰａ以上であることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る炭化物析出鋳鉄材では、母材である鋳鉄材の金属組織中に炭化物が分散して存在する。このため、該炭化物析出鋳鉄材は、いわゆる普通鋳鉄材やＦＣＤに比して大きなヤング率を示す。具体的には、ＦＣＤ４５０のヤング率が１６５ＧＰａ程度であるのに対し、それを上回る１９０ＧＰａ以上となる。
【００１０】
ここで、本発明においては、ＦＣＤに比してＣの割合が小さく設定される。このため、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの添加量を上記のように比較的少量に設定し、炭化物の析出量を少量にした場合であっても、ヤング率が確保される。
【００１１】
すなわち、本発明によれば、普通鋳鉄材に比してヤング率が著しく大きな鋳鉄材を構成することが可能となる。このような鋳鉄材は、例えば、低コスト及び高剛性が同時に求められる用途に好適である。
【００１２】
この炭化物析出鋳鉄材の母材である鋳鉄材は、亜共晶鋳鉄材であることが好ましい。Ｃ量が小さい亜共晶域の鋳鉄材を母材とすることで、大きなヤング率を確保することが容易となるからである。
【００１３】
また、本発明は、２〜３．２質量％のＣと、０．６〜３．３質量％のＳｉとを含有する鋳鉄材を母材とし、且つ前記母材中に炭化物が析出した炭化物析出鋳鉄材の製造方法であって、
２〜３．２質量％のＣと、０．６〜３．３質量％のＳｉとを含有する鋳鉄材の溶湯に対し、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種を合計で０．５〜２０質量％添加する工程と、
前記溶湯を用いて鋳造を行い、鋳造品を得る工程と、
前記鋳造品を冷却することで、前記Ｎｂ、前記Ｍｏ、前記Ｖ、前記Ｗの中の少なくともいずれか１種と、前記Ｃとから前記炭化物を析出させる工程と、
を有することを特徴とする。
【００１４】
このような簡便な工程を経ることにより、普通鋳鉄材に比してヤング率が著しく大きな炭化物析出鋳鉄材を容易に得ることが可能となる。
【００１５】
なお、母材を亜共晶鋳鉄材とするには、溶湯を調製する際、前記Ｃと前記Ｓｉとの成分比を亜共晶鋳鉄材となる割合に設定すればよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、Ｃ量が比較的少ない鋳鉄材の金属組織中に炭化物を析出させるようにしているので、普通鋳鉄材やＦＣＤに比してヤング率が大きな鋳鉄材を構成することができる。
【００１７】
この種の鋳鉄材は、鋳鉄材の利点を活用しながらも高剛性も求められる用途、例えば、自動車の内燃機関を構成するクランクシャフト等に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る炭化物析出鋳鉄材及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
本実施の形態に係る炭化物析出鋳鉄材は、２〜３．２質量％のＣと、０．６〜３．３質量％のＳｉとを含有する鋳鉄材の金属組織中にＮｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種の炭化物が分散された形態をなす。ここで、該炭化物は、これらＮｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種と、鋳鉄材の構成元素である前記Ｃとが化学的に結合して形成されたものである。
【００２０】
上記したように、Ｃの割合は２〜３．２質量％に設定される。Ｃが２質量％未満である場合は鋼材であり、融点が高くなるので鋳造を行うことが容易でなくなる。一方、３．２質量％を超えると、１９０ＧＰａ以上のヤング率を確保することが困難となる。
【００２１】
また、Ｓｉの割合は、０．６〜３．３質量％に設定される。Ｓｉが０．６質量％未満であると、該炭化物析出鋳鉄材を作製する際に脱炭素が起こるので作製が困難となる。一方、３．３質量％を超えると、炭化物析出鋳鉄材が脆性を示すようになる。
【００２２】
ＣとＳｉの割合は、母材である鋳鉄材が亜共晶域となるように設定することが好ましい。この場合、ヤング率が一層向上するからである。
【００２３】
Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗは、上記したように、前記Ｃとともに炭化物を形成する元素である。この炭化物が金属組織中に析出・分散して存在することにより、母材である鋳鉄材のヤング率、ひいては剛性が向上する。なお、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの炭化物は、少なくともいずれか１種の炭化物が存在すればよい。勿論、２種以上の炭化物が同時に存在していてもよい。
【００２４】
Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの割合は、合計で０．５〜２０質量％に設定される。すなわち、例えば、１２質量％のＮｂ及び５質量％のＭｏが同時に存在していてもよく、１質量％のＮｂ、５質量％のＭｏ、３質量％のＶ及び１０質量％のＷが同時に存在していてもよい。勿論、Ｍｏが単独で１５質量％存在していてもよいし、Ｗが単独で２０質量％存在していてもよい。
【００２５】
なお、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの合計割合が０．５質量％未満では、ヤング率を向上させる効果に乏しい。一方、２０質量％を超えると、溶湯からの鋳造を行う際に過度に多量の炭化物が析出したり、過剰の金属元素が溶湯から分離したりするので、いわゆる湯廻り性が低下する。しかも、高価なＮｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗを、２０質量％を超える量で添加することは、コスト的に不利である。
【００２６】
上記した各種炭化物は、鋳鉄材に比してヤング率が著しく大きい。従って、前記各種炭化物が析出した炭化物析出鋳鉄材では、普通鋳鉄材やＦＣＤに比して大きなヤング率、すなわち、１９０ＧＰａ以上を示す。
【００２７】
なお、Ｃよりも過剰量のＮｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗは、金属組織中に遊離状態で存在していてもよいし、母材である鋳鉄材の構成元素であるＦｅと結合した状態で存在していてもよい。
【００２８】
ここで、本実施の形態に係る炭化物析出鋳鉄材におけるヤング率を、添加元素とその含有量との関係で図１に示す。なお、比較のため、Ｃの含有量が３．２質量％を超える炭化物析出鋳鉄材、Ｗの添加量を２４重量％として作製した炭化物析出鋳鉄材、ＦＣＤ４５０及び可鍛鋳鉄材における各ヤング率も併せて示した。図１に表されるように、一般的な可鍛鋳鉄材のヤング率が１８８ＧＰａ程度であるのに対し、析出炭化物を所定量含有する本実施の形態に係る炭化物析出鋳鉄材では、１９０ＧＰａ以上を示し、場合によっては２００ＧＰａを超える値を示す。なお、Ｗの添加量を２４重量％とした場合、過剰のＷが溶湯から分離した。
【００２９】
以上の結果から、鋳鉄材に所定量以上のＮｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗを含有させて炭化物を形成させることにより、ヤング率を向上させることができることが明らかである。
【００３０】
すなわち、本実施の形態によれば、ヤング率が大きな炭化物を鋳鉄材の金属組織中に析出させるようにしているので、普通鋳鉄材やＦＣＤ、可鍛鋳鉄材等の各種鋳鉄材に比してヤング率を著しく大きくすることができる。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る炭化物析出鋳鉄材の製造方法につき説明する。この製造方法は、炭化物析出鋳鉄材となる溶湯を調製する第１工程と、鋳造品を得る第２工程と、前記鋳造品を冷却する第３工程とを有する。
【００３２】
先ず、第１工程において、溶湯を調製する。すなわち、２〜３．２質量％のＣ、０．６〜３．２質量％のＳｉを含み、好ましくはＣとＳｉの成分比が亜共晶鋳鉄材となる割合である鋳鉄材の溶湯に対し、合計で０．５〜２０質量％の割合となるように、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種を添加する。
【００３３】
次に、第２工程において、上記した所定量の成分が添加された溶湯を用いて鋳造を行う。この際、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種が０．５〜２０質量％であるので、炭化物が過度に析出して該溶湯の湯廻り性が低下することが回避される。また、Ｓｉが０．６〜３．２質量％であるので、脱炭素が起こることも回避される。
【００３４】
第２工程を行うことにより、鋳造品が作製される。次に、第３工程において、この鋳造品を冷却する。この冷却過程で、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、ＷとＣとが化学的に結合して炭化物が生成し、金属組織中に析出して分散するようになる。
【００３５】
以上により、金属組織中に炭化物が析出した炭化物析出鋳鉄材が得られるに至る。
【００３６】
なお、上記した実施の形態では、ＣとＳｉを含有する溶湯に対してＮｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの少なくともいずれか１種のみを添加するようにしているが、いわゆる特殊鋳鉄材を作製するために添加される金属元素をさらに添加するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施の形態に係る炭化物析出鋳鉄材と、ＦＣＤ、一般的な可鍛鋳鉄材とのヤング率を比較して示す図表である。
【図１】
2008121084.tif 000002