(57)【要約】【課題】鋳鉄鋳物素材の脱炭を従来より大幅に短時間で行うことのできる脱炭熱処理方法を提供する。【解決手段】酸化鉄、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムおよび炭酸カルシウムからなる群より選ばれた少なくとも１種の化合物からなる脱炭剤と、二酸化珪素とを含有する溶融塩中で鋳鉄鋳物素材の脱炭を行う鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱炭剤を含有する溶融塩中で鋳鉄鋳物素材の脱炭を行うことを特徴とする鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。
【請求項２】
前記脱炭剤が、酸化鉄、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムおよび炭酸カルシウムからなる群より選ばれた少なくとも１種の化合物を含むものである請求項１記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。
【請求項３】
前記溶融塩が、二酸化ケイ素を含むものである請求項２記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。
【請求項４】
前記溶融塩の温度が９５０〜１１００℃である請求項１〜３のいずれか１項記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法に関する。特に詳しくは、白銑鋳物素材から白心可鍛鋳鉄鋳物を得る際の脱炭熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
白心可鍛鋳鉄鋳物は、鋳造により製造された白銑鋳物素材を砂鉄やスケールなどの固体脱炭剤の中に埋めて、あるいはＣＯ２を主体としたＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ混合ガスなどの酸化性ガス雰囲気中において、１０７０℃前後の温度で６０〜１００ｈ加熱し脱炭し、その後５００〜６００℃まで徐冷した後、放冷して製造される（例えば、特許文献１〜３参照）。したがって、白銑鋳物素材を鋳造する際には、比較的炭素含有量の高い、溶湯の流動性の良い鋳鉄を用いることにより多様な形状の鋳込みができるため、複雑形状で薄肉の鋳物素材の作製が可能である。しかも上記脱炭熱処理により白心可鍛鋳鉄鋳物は表層部がフェライト組織になるため、溶接性、メッキ性等に優れ、内部はフェライトとパーライトと焼戻し黒鉛の混合組織とからなり比較的高い引張強さおよび伸びをもつ性質が得られる。その特質により、白心可鍛鋳鉄鋳物は、自動車部品をはじめ、産業機械器具用部品、土木建築部品、工具類、刃物類等、広く用いられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１７６２３６号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５６３４０号公報
【特許文献３】
特開２０００−４５０１９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の脱炭熱処理方法のうち、脱炭剤として砂鉄やスケールなどの固体脱炭剤を用いる方法では、白銑鋳物素材を耐熱性のポットに入れてポットごと加熱炉で加熱するので、鋳鉄鋳物素材表面の反応済み雰囲気が長時間停滞して反応を遅くするとともに、必要な温度までの加熱時間や冷却時間が長くなる。一方、ＣＯ２を主体としたＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ混合ガスなどの酸化性ガスを用いる方法では、必要な温度までの加熱時間や冷却時間は上記固体還元剤を用いる方法に比べ短縮できる。しかし、鋳鉄鋳物素材表面での脱炭反応は、上記固体還元剤を用いる方法と同様、Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯの反応によりガスを介して進行するため、依然として遅い。したがって、上記の両脱炭方法とも所望の脱炭深さを得るのに６０〜１００ｈという極めて長時間を要していた。そのため、白心可鍛鋳鉄鋳物の生産性が低いことが問題であった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、鋳鉄鋳物素材の脱炭を従来より大幅に短時間で行うことのできる脱炭熱処理方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、脱炭剤を含有する溶融塩中で鋳鉄鋳物素材の脱炭を行うことを特徴とする鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法である。
【０００７】
請求項２記載の発明は、前記脱炭剤が、酸化鉄、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムおよび炭酸カルシウムからなる群より選ばれた少なくとも１種の化合物を含むものである請求項１記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法である。
【０００８】
請求項３記載の発明は、前記溶融塩が、二酸化ケイ素を含むものである請求項２記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法である。
【０００９】
請求項４記載の発明は、前記溶融塩の温度が９５０〜１１００℃である請求項１〜３のいずれか１項記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法である。
【００１０】
上記請求項１〜４に記載の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法では、脱炭剤を含有する溶融塩が直接鋳鉄鋳物素材の表面に接触しているため、脱炭反応が液体を介して進行することにより脱炭速度が大幅に上昇するとともに、伝熱速度も大幅に上昇する。このため、脱炭処理時間が大幅に短縮され、エネルギー使用量も大幅に低減される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下においては、白銑鋳物素材から白心可鍛鋳鉄鋳物を得るための脱炭方法についてのみ説明するが、これに限定されるものではなく、ねずみ鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、Ｃ／Ｖ鋳鉄など他の鋳鉄からなる鋳物素材を脱炭熱処理する場合も本願発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００１２】
本発明の鋳鉄鋳物素材の脱炭熱処理方法の実施に用いる溶融塩浴炉としては、一般の熱処理に用いられる、バーナーにより溶融塩浴炉の外周から加熱する外熱式の炉や、溶融塩浴に電極を挿入して抵抗加熱により内部から加熱する内熱式の炉などを用いることができる。設備コストの面からは外熱式の炉の方が有利であるが、内熱式の炉の方が浴の攪拌効果が大きく溶融塩浴の温度と組成をより均一化できるため好ましい。
【００１３】
本発明の脱炭熱処理方法に用いる溶融塩は、下記の化学組成を有する配合物を加熱して溶融することにより得ることが推奨される。なお、以下において、化学組成の％は質量％を意味する。
【００１４】
ＳｉＯ２：１４〜１８％、Ｎａ２ＣＯ３：５５〜６０％、Ｎａ２Ｏ：０〜５％、ＮａＣｌ：５〜７％、ＫＣｌ：５〜７％、ＣａＯ：２〜３％、Ｆｅ２Ｏ３：２〜４％。
【００１５】
ここに、上記化学組成のうち、脱炭剤として働くのはＦｅ２Ｏ３およびＮａ２ＣＯ３である。
【００１６】
Ｆｅ２Ｏ３は、白銑鋳物素材表面のＣと反応して、Ｃ＋Ｆｅ２Ｏ３→ＣＯ＋２ＦｅＯまたは３Ｃ＋Ｆｅ２Ｏ３→３ＣＯ＋２Ｆｅの反応により脱炭を進行させる。
【００１７】
Ｎａ２ＣＯ３は、約８５０℃以上に加熱されるとＮａ２ＣＯ３→Ｎａ２Ｏ＋ＣＯ２の熱分解反応によりＣＯ２を放出するため、このＣＯ２が白銑鋳物素材表面のＣと反応して、Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯの反応により脱炭を進行させる。さらに、この脱炭反応により生じたＣＯはＦｅ２Ｏ３によりＣＯ＋Ｆｅ２Ｏ３→ＣＯ２＋２ＦｅＯまたは３ＣＯ＋Ｆｅ２Ｏ３→３ＣＯ２＋２Ｆｅの反応により酸化されてＣＯ２に再生され、再度脱炭反応に寄与することになる（ＦｅＯおよびＦｅは、後述する溶融塩浴中へのＮａ２ＣＯ３、ＣＯ２などの吹込みによりＦｅ２Ｏ３に再生される）。
【００１８】
また、Ｎａ２ＣＯ３は、Ｎａ２Ｏとともに溶融塩の融点を低下させて流動性を高め、鋳鉄鋳物素材との接触を良好にさせる。
【００１９】
上記配合物には添加していないが、Ｋ２ＣＯ３も約８９０℃以上に加熱されるとＫ２ＣＯ３→Ｋ２Ｏ＋ＣＯ２の熱分解反応により熱分解してＣＯ２を発生させるので、Ｎａ２ＣＯ３と同様、脱炭剤として働く。
【００２０】
ＣａＣＯ３も約９００℃以上に加熱されるとＮａ２ＣＯ３およびＫ２ＣＯ３と同様、ＣａＣＯ３→ＣａＯ＋ＣＯ２の熱分解反応により熱分解してＣＯ２を発生させるので、脱炭剤として溶融塩に添加することが可能である。ただし、熱分解生成物であるＣａＯが溶融塩の融点を上昇させて流動性を悪化させるので、その添加量は制限される（したがって、上記配合物にはＣａＣＯ３を添加していない）。
【００２１】
ＳｉＯ２はＦｅ２Ｏ３、ＦｅＯ、Ｎａ２Ｏ、ＣａＯ、Ｋ２Ｏなどと反応して溶融塩を流動性に優れた低融点スラグ化するとともに、高温状態における溶融塩の組成を安定化させる。特に、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏなどの揮発しやすい物質と化合して安定な珪酸化合物を生成させる。
【００２２】
ＣａＯはＳｉＯ２とともに溶融塩をスラグ化して高温状態における溶融塩の組成を安定化させる。ただし、上記の通りＣａＯは溶融塩の融点を上昇させるため、その添加量は制限される。
【００２３】
ＮａＣｌおよびＫＣｌは、固体状態の配合物の加熱の際における溶融を促進させる。
【００２４】
上記化学組成の配合物は、例えば、Ｎａ２ＣＯ３を主成分とするソーダ灰と、Ｎａ２Ｏ、ＳｉＯ２、ＣａＯを主成分とする廃ガラスと、ＮａＣｌを主成分とする食塩と、Ｆｅ２Ｏ３を主成分とする鉄鉱石と、ＫＣｌなどを配合することにより、低コストで得ることができる。その他、水ガラス、珪石、高炉スラグ、転炉スラグ、電気炉スラグなど上記化学組成を含む物質を適宜配合してもよい。
【００２５】
上記化学組成の配合物を上記溶融塩浴炉に装入し、脱炭熱処理に適した９５０〜１１００℃の範囲の温度に加熱して溶融する。溶融塩浴の温度を９５０〜１１００℃としたのは、９５０℃未満では脱炭に時間がかかりすぎることに加え、白銑鋳物素材内部の熱処理が不十分となるためであり、１１００℃を超えると溶融塩浴からの揮発分の発生が過大となるからである。
【００２６】
脱炭熱処理を行う白銑鋳物素材は、常温のまま溶融塩浴炉に浸漬すると急激な昇温により鋳物素材自身が変形したり溶融塩浴炉の温度を低下させるため、予め溶融塩浴炉とは別の予熱炉で８３０〜８６０℃に予熱してから、溶融塩浴炉に浸漬することが好ましい。なお、予熱温度の上限を８６０℃としたのは、大気雰囲気下で予熱しても白銑鋳物素材の表面には薄い酸化皮膜が生成する程度として、酸化スケールの生成により表面性状を劣化させないためである。このため、予熱時間も２０ｍｉｎ以内とする。
【００２７】
なお、白銑鋳物素材は、その形状や重量に適したステンレス製吊り金具を装着し、または金網でできた懸垂用カゴに装入し、これらと脱着自在に構成された吊り具で吊るして搬送装置で予熱炉から溶融塩浴炉へと順次移送するようにすることが好ましい。
【００２８】
脱炭熱処理される白銑鋳物素材のサイズによって最適な脱炭層深さが異なるため、溶融塩浴炉における脱炭熱処理のための必要な温度（すなわち溶融塩温度）および時間は異なる。例えば、白銑鋳物素材の主要肉厚が２ｍｍ以上３．５ｍｍ未満の場合には、脱炭熱処理の温度および時間は１０２５〜１０３５℃×２５〜３５ｈ、白銑鋳物素材の主要肉厚が３．５ｍｍ以上１５ｍｍ未満の場合には、脱炭熱処理の温度および時間は１０３５〜１０４５℃×３５〜４５ｈとすることが好ましい。ここで、「主要肉厚」とは、１つの鋳物素材において部位により肉厚が異なる場合、最も面積の広い部位の肉厚をいう。
【００２９】
脱炭熱処理が完了した後、白銑鋳物素材を溶融塩浴炉より取り出し、白銑鋳物素材表面に高圧空気等を吹き付けて表面に付着した溶融塩を除去する。
【００３０】
そして、炉冷（制御冷却）および／または放冷により白銑鋳物素材の冷却速度を調整することにより、最終製品である白心可鍛鋳鉄鋳物が得られる。冷却速度の調整は、例えば、常用の送風機を用いてその吹き付け風力を調整することにより行える。すなわち、最終製品として高強度製品を得たい場合には送風機の最強レベルの風力で急冷すればよく、通常強度製品を得たい場合には送風機の最弱レベルの風力で徐冷すればよい。また、弱強度高延性製品を得たい場合には送風機を用いずに放冷すればよい。
【００３１】
なお、冷却後の製品の表面に付着した溶融塩の固化物が残存していても高圧温水を吹き付けることにより容易に除去できるので問題はない。
【００３２】
以上のように、脱炭加熱時間を従来より大幅に短縮できるため、白心可鍛鋳鉄鋳物製品の生産性が大幅に上昇し、かつエネルギー使用量を大幅に低減できる。
【００３３】
上記脱炭熱処理に使用した溶融塩は、その脱炭能が低下した場合には、例えばＮａ２ＣＯ３粉末、酸化鉄粉末、ＣＯ２含有ガス等を溶融塩浴中にランス等で吹き込むことにより脱炭能力を再生することができる。これにより、溶融塩浴を冷却することなく続けて次回の脱炭熱処理に使用できる。したがって、従来の固体脱炭剤を用いる方法のように、ポットに入れた固体脱炭剤を脱炭熱処理に使用するごとに昇温・冷却する必要がなくなり、この点からもエネルギー使用量の節減が図れる。
【００３４】
本発明に使用する溶融塩は、毒性のない無公害の化学組成のみで構成された配合物から得ることができることと、上記のように再生使用が可能なことから、公害防止や廃棄処理に対する負担はほとんど必要としない。
【００３５】
また、従来の固体脱炭剤を用いる方法では、白銑鋳物素材のポット内への設置や取り出し作業は人手を要していたのに対し、本発明によれば、白銑鋳物素材の予熱炉への装入・取出しおよび溶融塩浴炉への浸漬・取り出し作業は、一貫して使用できる吊具と搬送システムによって工程の自動化が可能となり、人手作業の負荷が大幅に軽減できる。
【００３６】
また、前述したように、前記電極を用いた内熱式の炉を用いる場合には浴の攪拌効果により溶融塩浴の温度と組成をより均一化できるため、形状、サイズ、化学成分が異なる白銑鋳物素材ごとに最適のヒートパターンの設定が精密に行える。その結果、白心可鍛鋳鉄鋳物の品質のバラツキが低減して製品品質の信頼性が向上する。
【００３７】
【実施例】
本発明の効果を確認するため、以下の実験を実施した。
【００３８】
〔実施例１〕
白銑鋳物素材として、Ｃ：３．２％、Ｓｉ：０．６％、Ｍｎ：０．３％、Ｓ：０．１２％、Ｐ：０．０６％の銑鉄を溶製し、これを鋳造して長さ３０ｍｍ×幅３０ｍｍ×厚さ３．５ｍｍの板状の試験片を作製した。
【００３９】
この試験片をステンレスワイヤで縛り、ワイヤごと予熱炉として電気加熱炉を用いて大気雰囲気下で８５０℃×２０ｍｉｎの条件で予熱した。
【００４０】
予熱後この試験片を電気加熱炉から吊具でワイヤを吊るして取り出し、直ちに溶融塩浴炉に浸漬した。
【００４１】
溶融塩浴は、アルミナ坩堝に脱炭剤を含有する配合物を装入し、予熱炉に用いた電気加熱炉とは別の電気加熱炉内で坩堝ごと外熱して溶融させることにより作製した。脱炭剤を含有する配合物としては、ソーダ灰（Ｎａ２ＣＯ３）、石灰石（ＣａＣＯ３）、板ガラス（Ｎａ２Ｏ：１３〜１５％、ＳｉＯ２：７０〜７４％、ＣａＯ：７〜１２％）、鉄鉱石（Ｆｅ２Ｏ３）、食塩（ＮａＣｌ）、ＫＣｌ等を配合して、ＳｉＯ２：１７．５％、Ｎａ２ＣＯ３：５６．１％、Ｎａ２Ｏ：４．３％、ＮａＣｌ：６．０％、ＫＣｌ：６．０％、ＣａＯ：３．０％、Ｆｅ２Ｏ３：３．０％の化学組成のものを用いた。
【００４２】
溶融塩浴炉中での脱炭熱処理は１０３０℃×２５ｈの条件で行った。
【００４３】
脱炭熱処理完了後、試験片を溶融塩浴炉より吊り出し、室温まで放冷した。そして、この試験片に０．３ＭＰａ圧の高圧温水を吹き付けて水洗することにより試験片の表面に付着した溶融塩の固化物は容易に除去された。
【００４４】
水洗後乾燥済みの板状試験片の中央部よりミクロ観察用の試料および残留炭素量分析用の試料をそれぞれ採取し、ミクロ観察および残留炭素量分析を行った。
【００４５】
ミクロ観察の結果、同一形状の従来の白心可鍛鋳鉄鋳物（固体脱炭剤により脱炭熱処理したもの）とほぼ同等の、表層部に脱炭フェライト層とその内部にフェライトとパーライトの混合層に若干の微細黒鉛粒が点在する可鍛鋳鉄組織を有する組織が形成されていた。
【００４６】
ミクロ観察を行った断面に隣接する断面について赤外線吸収分析法で残留炭素量分析を行った結果、平均残留炭素量は０．２３％であり、同一形状の従来の白心可鍛鋳鉄鋳物（固体脱炭剤により脱炭熱処理したもの）の平均残留炭素量０．１５〜０．３０％の範囲内であった。
【００４７】
〔実施例２〕
白銑可鍛鋳鉄鋳物が用いられている汎用洋ハサミの把持部について、白銑鋳物素材からなる試験片を本発明の溶融塩浴炉を用いて脱炭熱処理し、処理後の試験片の材質を調査した。
【００４８】
試験片に用いた白銑鋳物素材の成分は実施例１のものと同じである。すなわち、実施例１と同じＣ：３．２％、Ｓｉ：０．６％、Ｍｎ：０．３％、Ｓ：０．１２％、Ｐ：０．０６％の銑鉄を溶製し、これを鋳造により汎用洋ハサミ１の把持部２の形状の試験片（厚さ４．２ｍｍ）を作製した（図１（ａ）参照）。
【００４９】
この試験片を実施例１と同じ予熱炉および溶融塩浴炉を用いて予熱＋脱炭熱処理を行った。予熱条件は実施例１と同じ、大気雰囲気下で８５０℃×２０ｍｉｎの条件とした。脱炭熱処理条件は、溶融塩の組成は実施例１と同じとしたが、試験片の厚さが今回は４．２ｍｍと実施例１の３．５ｍｍより厚いため、実施例１の１０３０℃×２５ｈより少し高温でかつ長時間の１０４０℃×４０ｈとした。脱炭熱処理後の冷却および水洗は実施例１と同様の方法・条件により行った。
【００５０】
水洗後乾燥済みの把持部形状の試験片２の湾曲部３を切り出し、これを屈曲試験に供した（図１（ａ）、（ｂ）参照）。また、刃物鋼４との溶接箇所５に相当する、この把持部形状の試験片２の端部５近傍からミクロ観察用の試料および残留炭素量分析用の試料をそれぞれ採取した（図１（ａ）参照）。
【００５１】
屈曲試験は、湾曲部３の両端３１、３２にそれぞれ適当な長さのパイプを差し込んでこれらのパイプを互いに押し広げるようにして湾曲部３を真っ直ぐになるまで伸ばす方法により行った（図１（ｂ）参照）。屈曲試験の結果、湾曲部３を直線状にまで伸ばしても折損や割れが生じることがなく、当該把持部に用いられる従来の白心可鍛鋳鉄鋳物（固体脱炭剤により脱炭熱処理したもの）とほぼ同等の可塑性を有することが確認された。
【００５２】
ミクロ観察の結果、実施例１と同様、当該把持部に用いる従来の白心可鍛鋳鉄鋳物（固体脱炭剤により脱炭熱処理したもの）とほぼ同等の、表層部に脱炭フェライト層とその内部にフェライトとパーライトの混合層に若干の微細黒鉛粒が点在する可鍛鋳鉄組織を有する組織が形成されていた。
【００５３】
ミクロ観察を行った断面に隣接する断面について赤外線吸収分析法で残留炭素量分析を行った結果、平均残留炭素量は０．４２％であり、当該把持部に用いる従来の白心可鍛鋳鉄鋳物（固体脱炭剤により脱炭熱処理したもの）の平均残留炭素量０．３０〜０．４５％の範囲内であった。
【００５４】
以上の実施例１および２から明らかなように、本発明の脱炭熱処理方法を適用することにより、従来製品と同等の品質を維持しつつ、脱炭熱処理時間が従来６０〜１００ｈ要していたのに対し２５〜４０ｈへと大幅に短縮された。
【００５５】
【発明の効果】
以上より、本発明によれば、鋳鉄鋳物製品の品質を維持しつつ、鋳鉄鋳物素材の脱炭を従来より大幅に短時間で行うことができるため、白心可鍛鋳鉄鋳物など脱炭熱処理を必要とする鋳鉄鋳物製品の生産性が顕著に改善され、さらに用途の拡大が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は汎用洋ハサミの把持部の構造を示す斜視図であり、（ｂ）は湾曲部についての屈曲試験の概要を示す斜視図である。
【図１】
2004156084.tif 000002