(57)【要約】【課題】酸化被膜にばらつきが発生しないようにするとともに、急激な酸化を抑えて鋳鉄製品の表面に生成する酸化被膜を緻密なものにして、防錆処理が不要な高品質の製品を作ることができるようにする。【解決手段】鋳鉄製品Ｓが収納される炉室２及び炉室２内を加熱する電気ヒータ４を備えた電気炉１を用い、鋳鉄製品Ｓを炉室２内に収納して、炉室２内に不活性ガスを充填し、酸素濃度を０．１〜５％、望ましくは０．５〜１．５％にするとともに、炉室２内の温度を７００℃〜９３０℃にして、５〜３０分、望ましくは１２〜１５分熱処理する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳鉄製品が収納される炉室及び該炉室内を加熱する電気ヒータを備えた電気炉を用い、当該鋳鉄製品を上記炉室内に収納して加熱処理する鋳鉄製品の表面処理方法において、
上記炉室内に不活性ガスを充填し、酸素濃度を０．１〜５％にして熱処理し、その後、大気中で放冷することを特徴とする鋳鉄製品の表面処理方法。
【請求項２】
上記酸素濃度を０．５〜１．５％としたことを特徴とする請求項１記載の鋳鉄製品の表面処理方法。
【請求項３】
炉室内の温度を７００℃〜９３０℃にしたことを特徴とする請求項１または２記載の鋳鉄製品の表面処理方法。
【請求項４】
加熱処理時間を５〜３０分としたことを特徴とする請求項３記載の鋳鉄製品の表面処理方法。
【請求項５】
加熱処理時間を１２〜１５分としたことを特徴とする請求項４記載の鋳鉄製品の表面処理方法。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の表面処理方法により、表面に酸化被膜を形成してなることを特徴とする鋳鉄製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生産された鋳鉄製品に酸化被膜を付与する鋳鉄製品の表面処理方法及び酸化被膜が形成された鋳鉄製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋳鉄製品の表面処理方法としては、例えば、所謂釜焼きといわれ、鋳鉄製品の周りに木炭を配し、これを約８００℃〜１０００℃に加熱し、鋳鉄製品の表面に酸化被膜を生成する方法がある（非特許文献１参照）。
また、従来、例えば、電気炉を用いた表面処理方法がある。この方法は、温度制御が可能かつ容易で短時間に表面処理が終わる。
【０００３】
【非特許文献１】
伝統工芸品シリーズ「南部鉄器」  堀江皓著
２０００年６月初版発行  理工学社出版
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来の鋳鉄製品の表面処理方法において、前者の木炭処理による方法では、木炭の量，風量の調整が煩雑で、また、木炭の量，風量により処理温度及び雰囲気ガス濃度が鋳鉄製品の周りで不規則になるため鋳鉄製品の表面の酸化被膜にばらつきが発生し、均一な製品ができないという問題があった。また、処理時間が長くなってしまう問題もある。
また、後者の電気炉を用いた方法では、鋳鉄製品の周囲に酸素が高濃度に存在するため、鋳鉄製品の表面で急激に酸化反応が起こってしまう。このため、別途、防錆処理を必要とし、工数増になっているという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたもので、酸化被膜にばらつきが発生しないようにするとともに、急激な酸化を抑えて鋳鉄製品の表面に生成する酸化被膜を緻密なものにして、防錆処理が不要な高品質の製品を作ることができる鋳鉄製品の表面処理方法及び緻密な酸化被膜を有する鋳鉄製品を提供することを目的とする。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明の鋳鉄製品の表面処理方法は、鋳鉄製品が収納される炉室及び該炉室内を加熱する電気ヒータを備えた電気炉を用い、当該鋳鉄製品を上記炉室内に収納して加熱処理する鋳鉄製品の表面処理方法において、上記炉室内に不活性ガスを充填し、酸素濃度を０．１〜５％にして熱処理し、その後、大気中で放冷する構成としている。
【０００７】
ここで、鋳鉄製品は、普通鋳鉄あるいは球状黒鉛鋳鉄であり、例えば、以下の成分のものをいう。
Ｃ    ２．５〜４．０％
Ｓｉ  ０．５〜３．０％
Ｍｎ  ０．４〜１．０％
Ｐ    ０．０３〜０．８％
Ｓ    ０．０５〜０．１２％
【０００８】
また、鋳鉄製品は、砂型などの鋳型に、溶解したものを注入し、その後、脱型し、ある程度砂除去やバリ取りなどの仕上を行なったものである。本発明は、このような鋳鉄製品に対して上記の熱処理を行なう。また、本発明の熱処理は、応力除去などの目的で行なう焼鈍や、硬化させる目的の焼入れとは異なる処理である。尚、不活性ガス中で行なう熱処理技術も従来においてはあるが、これは、内部の組織変更を行なう目的のものであり、本発明の酸素をコントロールして表面処理を行なう技術とは異なる。
【０００９】
このような本発明の構成によれば、炉室内に不活性ガスを充填し、酸素濃度を０．１〜５％にして熱処理するので、急激な酸化反応を抑えることができ、鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜を均一に生成せしめることがでできる。酸化被膜としては、主にヘマタイト（ｈｅｍａｔｉｔｅ  Ｆｅ２  Ｏ３  ）及びマグネタイト（ｍａｇｎｅｔｉｔｅ  Ｆｅ３  Ｏ４  ）で構成される。即ち、電気炉を用いたので、処理温度の設定が容易かつ鋳鉄製品の周りの温度を均一にでき、鋳鉄製品の表面の酸化被膜を表面全体にばらつきがなく均一に生成することができる。また、炉室内に不活性ガスを充填し、酸素濃度を０．１〜５％にして熱処理するので、電気炉内の酸素濃度が均一に低下させられ、そのため、鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜を生成することができる。その結果、鋳鉄製品の高品質化を図り、処理時間の短縮化を図ることができる。
【００１０】
そして、必要に応じ、上記酸素濃度を０．５〜１．５％とした構成としている。より一層確実に鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜を生成せしめることができる。
そしてまた、必要に応じ、炉室内の温度を７００℃〜９３０℃にした構成としている。炉室内の温度を７００℃〜９３０℃にすることにより、より一層確実に鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜を生成せしめることができる。
この場合、加熱処理時間を５〜３０分としたこと、望ましくは、加熱処理時間を１２〜１５分としたことが有効である。より一層確実に鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜を生成せしめることができ、最適な厚さの酸化被膜を得ることができる。加熱処理時間は、経験的に５分未満では酸化被膜の厚さが足りず、３０分を越えると酸化被膜が厚くなりすぎて酸化被膜が剥離してしまうことから、１２分〜１５分が有効な範囲であり、最適な酸化被膜の厚さが得られる。
【００１１】
また、上記目的を達成するための本発明の鋳鉄製品は、上記の表面処理方法により、表面に酸化被膜を形成してなる鋳鉄製品である。鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜が均一に生成されるので、鋳鉄製品の高品質化が図られる。また、緻密な酸化被膜が生成されているため防錆処理を不要にできるので、その分の工数を少なくすることができ、低コストでの鋳鉄製品の製造を行なうことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態に係る鋳鉄製品の表面処理方法について説明する。この実施の形態に係る鋳鉄製品の表面処理方法は、図１に示すように、電気炉を用いて表面処理を行なう。鋳鉄製品としては、砂型等で鋳造された、例えば、鉄瓶，鉄鍋，風鈴等各種の製品である。
【００１３】
図１には本発明の鋳鉄製品の表面処理方法で用いる電気炉１を示している。この電気炉１は、鋳鉄製品Ｓが収納される炉室２と、炉室２内を加熱する電気ヒータ４とを備えている。符号３は、鋳鉄製品Ｓを載せるボート、符号７は、炉室２の排気及び吸気を行なう直径４０ｍｍ程度の排気口である。
【００１４】
炉室２内を加熱する電気ヒータ４は、電気ヒータ制御部５で制御される。電気ヒータ制御部５は、炉室２の温度を測る温度センサ６と、図示外の炉室内処理温度設定手段とを備えており、炉室内処理温度設定手段で設定された設定処理温度と温度センサ６で検知した温度とを比較して、検知した温度が設定処理温度よりも同じかまたは高ければ電気ヒータ４をオフにして炉室２を加熱しないようにし、検知した温度が設定処理温度よりも低いときは電気ヒータ４をオンにして炉室２を加熱する制御機能を備えている。この電気ヒータ制御部５と炉室２の密閉性との相乗効果で、炉室２内の温度分布を均一にでき、また、炉室２内の処理温度を任意に設定できる。ここでは、炉室２内を７００℃〜９３０℃に制御する。
【００１５】
また、電気炉１は、炉室２に不活性ガス供給口９から不活性ガスを供給する不活性ガス供給部１０を備えている。不活性ガスとしては、例えば、窒素（Ｎ２  ）アルゴン（Ａｒ）等適宜のものが用いられる。
不活性ガス供給部１０は、不活性ガスの流量を調整する流量調整バルブ１１と、開閉バルブ１２と、圧力を調整する圧力調整バルブ１３とを備えていて、末端に連結された不活性ガス供給源１４から所定の流量の不活性ガスを炉室２内に供給できるようになっている。
【００１６】
また、開閉バルブ１２の開閉を制御して不活性ガスの供給を制御する不活性ガス制御部１５が設けられている。不活性ガス制御部１５は、炉室２内の雰囲気の酸素濃度を検知する酸素濃度センサ１６と、炉室２内の雰囲気の酸素濃度を設定する図示外の酸素濃度設定手段とを備えていて、酸素濃度センサ１６で検知した酸素濃度と不活性ガス制御部１５の酸素濃度設定手段で設定した設定酸素濃度とを比較して、設定酸素濃度より検知した酸素濃度が高ければ開閉バルブ１２を開にして不活性ガスを炉室２に供給し、設定酸素濃度より検知した酸素濃度が同じかまたは低ければ開閉バルブ１２を閉にして不活性ガスを炉室２に供給しない制御機能を備えている。
【００１７】
この不活性ガス制御部１５の制御と炉室２の密閉性の相乗効果で、炉室２内の雰囲気ガスを均一に保つことができる。ここでは、不活性ガス制御部１５は、酸素濃度を０．１〜５％望ましくは０．５〜１．５％に制御する。炉室２内では、不活性ガスの供給または炉室２の加熱による気体の膨張で炉室２に収まりきらない炉室２内の気体は、排気口７から排気される。また、炉室２は排気口７以外からの気体の出入りができないように密閉性が高められている。
【００１８】
従って、この実施の形態に係る鋳鉄製品の表面処理を行なうときは、以下のようになる。
ここでの鋳鉄製品Ｓは、例えば、図２に示す工程に従って製造される。予め、砂型（上型，下型）が成形される（１−１）。中子を使用する場合には例えばシェルモールド法による中子が成形される（１−２）。下型に中子を設置し上型をかぶせて鋳型を組み立てる（１−３）。
【００１９】
そして、原料（例えば、Ｃ  ３．６％，Ｓｉ  ２．２％）を例えば１４５０℃に溶解しておき（１−４）、これを鋳型に注入する（１−５）。原料が硬化したならば、上型及び下型を分離して鋳鉄製品Ｓを取り出す（１−６）。それから、鋳物砂を除去し、バリ取りを行ない、必要に応じ、研磨して仕上げする（１−７）。寸法等の品質検査も行なう（１−８）。
【００２０】
次に、図３に示すように、実施の形態に係る表面処理を行なう。
先ず、図１に示すように、電気炉１を使用し、ボート３に鋳鉄製品Ｓを載せ、ボート３を炉室２内に収納し、排気口７以外からの気体の出入りができないように炉室２を密閉する。次に、電気ヒータ制御部５の温度設定手段で炉室２の温度を７００℃〜９３０℃になるように設定し、不活性ガス制御部１５の酸素濃度設定手段で炉室２内の酸素濃度が０．１〜５％望ましくは０．５〜１．５％になるように設定する。それから、炉室２内を加熱する電気ヒータ４をオンにして、鋳鉄製品Ｓの熱処理を行なう（２−１）。設定した処理温度に達してから５〜３０分加熱する。加熱処理時間が１２分〜１５分にするとより最適な酸化被膜の厚さが得られる。
【００２１】
この処理過程では、不活性ガス制御部１５は、酸素濃度センサ１６で検知した酸素濃度と不活性ガス制御部１５の酸素濃度設定手段で設定した設定酸素濃度とを比較して、設定酸素濃度より検知した酸素濃度が高ければ開閉バルブ１２を開にして不活性ガスを炉室２に供給し、設定酸素濃度より検知した酸素濃度が同じかまたは低ければ開閉バルブ１２を閉にして不活性ガスの供給を停止する。そのため、急激な酸化反応が抑えられて、鋳鉄製品Ｓの表面に緻密な酸化被膜が生成されていく。
【００２２】
その後、ボート３に載せた鋳鉄製品Ｓをボート３ごと取り出し、大気中で放冷する（２−２）。このようにして、所定の処理温度で、低酸素濃度の雰囲気ガスの中での鋳鉄製品Ｓの表面処理を行なうことができる。そのため、鋳鉄製品Ｓの表面には防錆処理が不要にできる緻密な酸化被膜が生成される。酸化被膜としては、主にヘマタイト（ｈｅｍａｔｉｔｅ  Ｆｅ２  Ｏ３  ）及びマグネタイト（ｍａｇｎｅｔｉｔｅ    Ｆｅ３  Ｏ４  ）の被膜が形成される。
そして、被膜生成の品質検査を行ない（２−３）、必要に応じ、着色を行ない（２−４）、製品とする。
【００２３】
【実施例】
次に、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
［実施例］
実施例に係る鋳鉄製品Ｓの表面処理方法は、炉室２に供給する不活性ガスに窒素（Ｎ２  ）９９．５％を用いて、炉室２内の処理温度を８８０℃、炉室２内雰囲気の酸素濃度を３％に夫々設定し、処理時間を１２分としたものである。実施例に係る鋳鉄製品Ｓの表面は、図４に示す実施例の顕微鏡写真から判るように、酸化被膜が緻密な網目状の良好な構造となっている。
【００２４】
［比較例］
比較例に係る鋳鉄製品Ｓの表面処理方法は、不活性ガスを供給することなく、炉室２内の大気をそのまま用いて、炉室２内の処理温度を８８０℃に設定し、処理時間を１２分としたものである。比較例に係る鋳鉄製品Ｓの表面は、図５に示す比較例の顕微鏡写真から判るように、酸化被膜が粒状になっていてひびを生じ易い構造になっている。
【００２５】
また、実施例において、表面のＸ線回折分析を行なった。結果を図６に示す。ヘマタイト（ｈｅｍａｔｉｔｅ  Ｆｅ２  Ｏ３  ）及びマグネタイト（ｍａｇｎｅｔｉｔｅ    Ｆｅ３  Ｏ４  ）の被膜が形成されていることが判る。
【００２６】
尚、上記実施の形態で示した電気炉において、酸素量の調整方法は上記の方法に限定されるものではなく、例えば、不活性ガス中に所定量を混合して供給する等、適宜に設定してよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電気炉を用いたので、処理温度の設定が容易かつ鋳鉄製品の周りの温度を均一にでき、鋳鉄製品の表面の酸化被膜を表面全体にばらつきがなく均一に生成することができる。また、炉室内に不活性ガスを充填し、酸素濃度を０．１〜５％にして熱処理するので、電気炉内の酸素濃度が均一に低下させられ、そのため、鋳鉄製品の表面に緻密な酸化被膜を生成することができる。その結果、鋳鉄製品の高品質化を図り、処理時間の短縮化を図ることができる。しかも、緻密な酸化被膜が生成されているため防錆処理を不要にできるので、その分の工数を少なくすることができ、低コストでの鋳鉄製品の製造を行なうことができる。また、防錆処理を施す場合は緻密な酸化被膜との相乗効果で更なる防錆効果も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る鋳鉄製品の表面処理方法で用いる電気炉を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る鋳鉄製品の表面処理方法で用いる鋳鉄製品の製造工程を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る鋳鉄製品の表面処理方法を示す工程図である。
【図４】本発明の実施例に係る鋳鉄製品の表面処理方法によって製造された鋳鉄製品の表面の酸化被膜を示す図面代用顕微鏡写真（倍率１０００倍）である。
【図５】比較例に係る鋳鉄製品の表面処理方法によって製造された鋳鉄製品の表面の酸化被膜を示す図面代用顕微鏡写真（倍率１０００倍）である。
【図６】本発明の実施例に係る鋳鉄製品の表面処理方法によって製造された鋳鉄製品の表面の酸化被膜のＸ線回折分析結果を示す表図である。
【符号の説明】
Ｓ  鋳鉄製品
１  電気炉
２  炉室
３  ボート
４  電気ヒータ
５  電気ヒータ制御部
６  温度センサ
７  排気口
９  不活性ガス供給口
１０  不活性ガス供給部
１１  流量調整バルブ
１２  開閉バルブ
１３  圧力調整バルブ
１４  不活性ガス供給源
１５  不活性ガス制御部
１６  酸素濃度センサ
【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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