(57)【要約】【課題】この発明は、鋳放しで非磁性・高強度・高延性・耐食性等の秀れた特性を備えた球状黒鉛を有する鋳鉄に関し、さらに耐摩耗性や強度を改善し、鋳造性の良くないステンレス鋼鋳物の代替材料として広く応用可能となる新規な鋳鉄を提供する。【解決手段】ニッケルが１０ないし１５ｗｔ％、マンガンが５ないし１０ｗｔ％に、バナジウムが０．１ないし０．５ｗｔ％の割合で含まれ、マンガンを添加しないものに比べて５０ＭＰａ以上の増強と、３０％以上の伸びとが付与された構成からなる球状黒鉛を有する鋳鉄である。【選択図】    図２５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル系オーステナイト球状黒鉛鋳鉄のニッケルの一部をマンガンで置き換え、さらに所定割合のバナジウムを添加してなるものとしたことを特徴とする球状黒鉛を有する鋳鉄。
【請求項２】
ニッケルが１０ないし１５ｗｔ％、マンガンが５ないし１０ｗｔ％に、バナジウムが０．１ないし１．０ｗｔ％の割合で含まれ、非磁性特性を持たせたことを特徴とする球状黒鉛を有する鋳鉄。
【請求項３】
ニッケルが１０ないし１５ｗｔ％、マンガンが５ないし１０ｗｔ％に、バナジウムが０．１ないし１．０ｗｔ％の割合で含まれ、５５０ＭＰａを超える引張強さを付与してなることを特徴とする球状黒鉛を有する鋳鉄。
【請求項４】
ニッケルが１０ないし１５ｗｔ％、マンガンが５ないし１０ｗｔ％に、バナジウムが０．１ないし０．５ｗｔ％の割合で含まれ、バナジウムを添加しないものに比べて５０ＭＰａ以上の増強と、３０％以上の伸びとが付与されたことを特徴とする球状黒鉛を有する鋳鉄。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の目的】
この発明は、鋳放しで非磁性・高強度・高延性・耐食性等の秀れた特性を備えた球状黒鉛を有する鋳鉄に関し、さらに耐摩耗性や強度を改善し、鋳造性の良くないステンレス鋼鋳物の代替材料として広く応用可能となる新規な鋳鉄を提供しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまでにも、例えば特開平５−３１１３３８号「耐照射性オーステナイト鉄基合金」発明、特開平５−３２０７９５号「熱間成形が可能な耐熱性オーステナイト系ニッケル合金」発明、特開平６−２２８７０９号「耐照射性オーステナイト鉄基合金」発明、特開平７−２１６４８３号「オーステナイト・ニッケルークロム−鉄合金」発明、特開平１１−２４１１４９号「優れた耐酸化性を備えたオーステナイトステンレス鋼」発明等、ニッケル−マンガン系オーステナイトステンレス鋼は知られるところものであり、高強度で高靭挫のある材料として自動車部品をはじめとし、産業機械部品や建設機械部品用として広く使用されてきている。
【０００３】
しかし、これら公知のニッケル−マンガン系オーステナイトステンレス鋼は、夫々優れた特性を有してはいるものの、溶湯の特性上、複雑な形状を実現し難いばかりか、製造単価が高くつき、化学プラント部品等の特殊な用途にしか利用されず、汎用性に欠けるという問題があった。また、ニッケル−マンガン系オーステナイト球状黒鉛鋳鉄の場合は、それらに比較的して複雑な部品の形状に対応し易く、製造単価についても割安になるというメリットがあって、近年、代替材料として期待されているが、均質なオーステナイト組織であるため、耐摩耗性が期待できない恨みがあった
【０００４】
この発明は、このニッケル−マンガン系オーステナイト球状黒鉛鋳鉄の有用性に鑑み、その弱点である耐摩耗性や強度を向上させ、しかも東北等の寒冷地使用を想定して“サブゼロ処理をしても磁気的特性を変化しないこと”という要望を適えることはできないものかと逸早く開発、研究に取り組み、長年に渡る試行錯誤と幾多の試作実験とを積み重ねてきた結果、遂に以下において詳述するとおりの新規な球状黒鉛を有する鋳鉄の実現化に成功したものであり、以下では、その新規な構成について説示していくこととする。
【０００５】
【発明の構成】
この発明の球状黒鉛を有する鋳鉄は、基本的に、次に示すとおりの構成から成り立っている。
即ち、ニッケル系オーステナイト球状黒鉛鋳鉄のニッケルの一部をマンガンで置き換え、さらに所定割合のバナジウムを添加してなるものとした構成を要旨とする球状黒鉛を有する鋳鉄である。
【０００６】
この基本的な構成からなる鋳鉄をより具体的な構成のものとして示せば、ニッケルが１０ないし１５ｗｔ％、マンガンが５ないし１０ｗｔ％に、バナジウムが０．１ないし１．０ｗｔ％の割合で含まれ、非磁性特性を持たせてなる構成の球状黒鉛を有する鋳鉄ということができる。
【０００７】
そして、それら基本的な構成の鋳鉄には、ニッケルが１０ないし１５ｗｔ％、マンガンが５ないし１０ｗｔ％に、バナジウムが０．１ないし１．０ｗｔ％の割合で含まれ、５５０ＭＰａを超える引張強さを付与してなる球状黒鉛を有する鋳鉄が包含されている。
【０００８】
また同様に、ニッケルが１０ないし１５ｗｔ％、マンガンが５ないし１０ｗｔ％に、バナジウムが０．１ないし０．５ｗｔ％の割合で含まれ、バナジウムを添加しないものに比べて５０ＭＰａ以上の増強と、３０％以上の伸びとが付与されてなる構成の球状黒鉛を有する鋳鉄についても包含している。
【０００９】
【実施例１】
供試材は、銑鉄に電解ニッケル（Ｎｉ）と、フェロマンガン等各種合金鉄を配合し、５０ｋｗ高周波溶解炉で溶解した。１５００℃で球状化処理後、ノックオフ試験片用シェル鋳型に注湯した。なお、ニッケル（Ｎｉ）、およびマンガン（Ｍｎ）の量は、下記の表１に示してある。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
得られた丸棒（φ２５ｍｍ）から引張試験片（ＪＩＳ４号）を採取し、つかみ部でブリネル硬さを測定後、引張強さおよび伸びを測定した。さらに、つかみ部でミクロ組織の観察および透磁率（μ）の測定を行った。
製品が低温での使用を想定したものであったため、鋳放し材およびサブゼロ処理材について透磁率を測定した。サブゼロ温度は、０〜−５０℃（５℃間隔）および−１９６℃（液体窒素冷却）とした。なお、透磁率の測定には、透磁率計（電子磁気工業ＬＰ−１４１）を使用した。そのフローチャートを図１に示してある。
【００１２】
【実施例２】
上記した実施例で裏付けられているように、Ｎｉの一部を安価なＭｎで代替することの有用性が判明したところで、次に、この非磁性・高強度・高延性を維持したまま、さらに耐摩耗性を改善するため、微細なバナジウム炭化物を分散させることによって、次のような機械的特性を示すことを突き止めた。
【００１３】
図２２には、１０ｗｔ％Ｎｉ−７．５ｗｔ％Ｍｎ材の機械的性質に及ぼすバナジウム（Ｖ）の影響について、図２３には、１５ｗｔ％Ｎｉ−７．５ｗｔ％Ｍｎ材の機械的性質に及ぼすバナジウム（Ｖ）の影響について、引張強さ、伸び、ブリネル硬さの関係について示してある。これは、バナジウム（Ｖ）を０．１％以上添加することにより、図２４が示すとおり、微細なバナジウム炭化物が分散される結果であり、この関係と共に、上記実施例によって明らかにされた図１６ないし１９に示したとおりの機械的特性を、共に図１５に重ね合わせた形で示したのが、図２５の、０．１〜０．５ｗｔ％のバナジウム（Ｖ）を含有し、非磁性・高延性（伸び３０％以上）・高強度（引張強さ５５０ＭＰａ以上）を示す領域の図である。
【００１４】
【発明の作用】
上記の実施例１により、次のような事実が確認されている。
（１）鋳放し材の透磁率
鋳放し材のＭｎ添加による透磁率の変化を図２、図３に示す。何れのＮｉ量でも、Ｍｎ添加量の少ない領域で高い透磁率を示し、強磁性体となっている。１０ｗｔ％および１５ｗｔ％Ｎｉ材ではＭｎ無添加および２．５ｗｔ％Ｍｎ添加材で、１５ｗｔ％以上のＮｉ材ではＭｎ無添加材で強磁性を示す。図４の、強磁性を示した材料のミクロ組織の一例（１５ｗｔ％Ｎｉ−Ｍｎ無添加材）に見るとおり、マルテンサイト組織を呈しており、これが強磁性を示した原因であると考えられる。７．５ｗｔ％Ｎｉ材における低Ｍｎ領域のデータはないが、図５にあるとおり、５ｗｔ％Ｍｎ添加材（μ＝１．１）でも黒鉛の周囲にマルテンサイトが認められた。
【００１５】
Ｍｎ添加量を増やすとμ＝１．００８〜１．０２まで透磁率が急激に減少していくが、この実験で最も低い透磁率を示した１５ｗｔ％Ｎｉ−２．５ｗｔ％Ｍｎ材のミクロ組織を図６に示してあり、このように比較的均質なオーステナイト組織を呈しているために、低透磁率を示したものと考えられる。
μ＜１．０３で非磁性といわれるが、非磁性体となるために必要なＭｎ量は、７．５および１０ｗｔ％Ｎｉ材では７．５ｗｔ％であり、１０および１２．５ｗｔ％Ｎｉ材では５ｗｔ％、１５および２０ｗｔ％Ｎｉ材では２．５ｗｔ％となり、Ｎｉ量が多いほど少量のＭｎでオーステナイト組織が得られることが判る。
【００１６】
最低の透磁率を示す量以上にＭｎ添加量を増やすと、僅かながら透礎率が増加する傾向にある。その一例が、図７の１５ｗｔ％Ｎｉ−１０ｗｔ％Ｍｎ材のミクロ組織の写真に示してあり、基地組織中に数種類の異相が認められる。同定はできなかったが、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で分析したところ、何れもＭｎ−ｒｉｃｈな相であった。固溶限以上のＭｎが偏析したものと考えられるが、これらの異相の存在が透磁率を増加させたものと考えられる。
【００１７】
（２）サブゼロ処理による透磁率変化
図８に、７．５ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透磁率変化が示されているように、鋳放しで僅かにマルテンサイトが認められた５ｗｔ％Ｍｎ添加材では、−１５℃までは略一定の透磁率を示すが、−２０℃以下では、サブゼロ処理温度が下がるほど透磁率が増加する傾向にあり、これはサブゼロ処理温度が下がるほどマルテンサイトの量が増えていくためと想定される。
７．５ｗｔ％Ｍｎ材では、−１９６℃で僅かに透磁率が増加するものの、−５０℃までは１．０２弱の略一定の透磁率を示している。−１９６℃での透磁率増加量がさほど大きくないことから、マルテンサイト変態点（Ｍｓ  点）は、−５０℃よりもかなり低い温度と考えられ，非磁性の目的で自然界で使用することには問題がないものと考えられる。
【００１８】
１０ｗｔ％以上のＭｎを添加すると、サブゼロ処理を施しても透磁率の変化は見られないが、比較的高い透磁率を示しており、この１０ｗｔ％Ｍｎ添加材では、図７に示したものと同様のＭｎ−ｒｉｃｈ相が見られたが、  １２．５ｗｔ％以上のＭｎ添加材では図９に示すようなＭｎが関係した炭化物が晶出していた。基地組織のオーステナイト自体は、−１９６℃でサブゼロ処理を施しても安定であるが、Ｍｎ−ｒｉｃｈ相や炭化物があるため、１．１程度の透磁率を示したものと考えられる。
【００１９】
図１０には、１０ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透磁率変化を示してあり、鋳放しでマルテンサイト組織であったＭｎ無添加材および２．５ｗｔ％Ｍｎ添加材ではサブゼロ処理を施しても高透磁率のままであり、Ｍｎ添加量を５ｗｔ％まで増やしたときには，−２０℃までは低透磁率（１．０２）を維持するが、−２５℃以下では、サブゼロ温度が下がるにつれて次第に透磁率が増加していき、５ｗｔ％Ｍｎ添加材では−２０〜−２５℃にＭｓ点が存在するものと思われる。
【００２０】
同様にして、６．３ｗｔ％Ｍｎ添加材のＭｓ点は、−５０℃以下と考えられ、さらにＭｎ添加量を増加させると、−１９６℃でも透磁率の変化がなくなり、オーステナイトが安定であることが判る。ただし、１０ｗｔ％までＭｎを添加すると、μ＝１．０４という非磁性領域を僅かに超える透磁率を示すが、これは、Ｍｎ−ｒｉｃｈ相が増えるためと考えられる。
【００２１】
図１１が示すとおり、１２．５ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透磁率変化も、１０ｗｔ％Ｎｉ材と同様の変化を示すが、５ｗｔ％Ｍｎ添加材のＭｓ点が−５０℃以下となることが判る。また、１０ｗｔ％までＭｎを添加しても、全ての温度範囲で、１．０３弱の低い透磁率を示すようになり、１５ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透磁率変化は、図１２に示したとおり、１２．５ｗｔ％Ｎｉに比べてより低Ｍｎでもオーステナイトが安定になり、２．５ｗｔ％Ｍｎで−２０℃まで、４ｗｔ％Ｍｎで−５０℃まで、５ｗｔ％以上のＭｎ添加で全ての温度範囲で非磁性となる。また、１７．５ｗｔ％Ｎｉ材、２０ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透磁率変化を夫々図１２、１３に示してあり、Ｎｉ量が増えることにより、さらにオーステナイトが安定となり、２．５ｗｔ％Ｍｎ添加材のＭｓ点もより低温度側に移動することが判明する。
【００２２】
これらの事実から、−５０℃までマルテンサイトに変態することなくオーステナイトが安定であれば、非磁性の特性を利用することに実用上問題がないと考えられる。図８および図１０ないし１４のデータから求めた−５０℃まで非磁性を示すＮｉおよびＭｎ領域を図１５に示してあり、この図から、Ｎｉ量が多いほど、非磁性維持するために必要な最低Ｍｎ量（Ｍｎｍｉｎ）は減少し、Ｍｎ上限量（Ｍｎｍａｘ）は増加する。また、非磁性を維持するために最低限必要なＮｉ量は、７ｗｔ％程度であると想定される。
【００２３】
（３）機械的性質
１２．５ｗｔ％Ｎｉ材のＭｎ添加による機械的性質の変化が、図１６に示されている。なお、Ｍｎ無添加材では鋳放しでマルテンサイト組織であったため引張試験は実施できなかった。
これから、Ｍｎを２．５ｗｔ％添加すると、マルテンサイトの占める割合が大幅に減少するため硬さは急激に減少するが、１０ｗｔ％程度の伸びしか得られない。しかし、５〜７．５ｗｔ％のＭｎを添加した材料では、５００ＭＰａを超える引張強さ、４０ｗｔ％を超す伸びが得られ、ブリネル硬さは１５０程度となる。引張強さおよびブリネル硬さは、ＦＣＤ４５０〜５００に相当するが、その場合の伸びは２０〜３０ｗｔ％であり、３０％を超える伸びが得られることがあるＦＣＤ３５０〜４００では、４００ＭＰａ前後の引張強さしか得られないことが分かっている。
【００２４】
したがって、１２．５ｗｔ％Ｎｉに５〜７．５ｗｔ％のＭｎを添加した材料は、一般的な鋳鉄材料に比べて高強度・高延性・低硬度の材料といえる。
この組成の材料の基地組織が比較的均質なオーステナイトであることが、この特性を生み出しているものと想定される。Ｍｎ添加量を１０ｗｔ％まで増やすと、引張強さおよび伸びの減少ならびに硬さの増加がみられるが、これは、Ｍｎ−ｒｉｃｈな相が生じるためと考えられる。
【００２５】
１０ｗｔ％、１５ｗｔ％、１７．５ｗｔ％、２０ｗｔ％Ｎｉ材のＭｎ添加による機械的性質の変化を夫々図１６ないし１９に示す。何れの場合にも、図１６に示した１２．５ｗｔ％Ｎｉ材の場合と同様の変化を示しているが、Ｎｉ量が増えるほど高延性を示すＭｎ添加量は低くなる傾向にある。また、１７．５ｗｔ％以上のＮｉ材では、５００ＭＰａ以上の引張強さを得ことができなくなってしまうが、この原因については、今のところ不明のままである。
【００２６】
図２１には、７．５ｗｔ％Ｎｉ材のＭｎ添加による機械的性質の変化が示されていて、７．５ｗｔ％のＭｎ添加で最大の伸びが得られるが、２３％程度に止まっており、そして、１２．５ｗｔ％以上のＭｎ添加材では、図９に示す炭化物が晶出しているため、著しく伸びが低くなっている。
【００２７】
また、実施例２からは、この領域の引張特性は、ステンレス鋼鋳物ＳＣＳ１３に略匹敵し、鋳鉄材料としてはこれまでにない特性を有しており、さらに、次のような事実が判明した。即ち
（イ）  バナジウム（Ｖ）を０．１ｗｔ％以上添加することにより、微細なバナジウム炭化物を分散させることができる。
（ロ）  １０〜１５ｗｔ％Ｎｉ、５〜１０ｗｔ％Ｍｎのオーステナイト球状黒鉛鋳鉄に、０．１  〜１．０ｗｔ％のＶを添加することにより、５５０ＭＰａを超える高い引張強さが得られ、Ｖを添加しないものに比べて５０ＭＰａ以上の強度の上昇が見られることになる。
（ハ）  １０〜１５ｗｔ％Ｎｉ、５〜１０ｗｔ％Ｍｎのオーステナイト球状黒鉛鋳鉄に、０．１〜０．５ｗｔ％のＶを添加することにより、３０ｗｔ％以上の伸びが得られ、Ｖ無添加の場合に比べると１０ｗｔ％程度の伸びの低下はあるものの、一般の鋳鉄材料に比べれば高延性であるといえる。しかし、Ｎｉ、Ｍｎがこの範囲からはずれると伸びは急激に減少する。
（ニ）  Ｖ添加量が１．０ｗｔ％までの範囲であれば、磁気的性質（非磁性）には影響を及ぼさない。
ということである。
【００２８】
叙述の如く、この発明の球状黒鉛を有する鋳鉄は、ニッケル−マンガン系オーステナイト球状黒鉛鋳鉄が、高価なニッケル（Ｎｉ）の一部を安価なマンガン（Ｍｎ）で置き換え、機械的性質を殆ど変化させないでかなり汎用性を高めることができ、サブゼロ処理をしても磁気的特性を変化させず、東北という寒冷地での使用にも耐え得るものとなる上に、０．１〜０．５ｗｔ％のバナジウム（Ｖ）を添加することによって、その特性は、僅かに延性を落とすものの、微細な炭化物が分散することにより、強度が上昇するばかりでなく、耐摩耗性も期待できるものとなることから、鋳造性の悪いステンレス鋼鋳物の代替材料として、化学プラントに代表されるような特殊な用途以外にも幅広く採用、普及していくものになると予想される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この試供体の実験方法を示すフローチャートである。
【図２】１０ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透過率変化を表したグラフである。
【図３】１５ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透過率変化を表したグラフである。
【図４】１５ｗｔ％Ｎｉ材のミクロ組織を写した光学顕微鏡写真である。
【図５】１０ｗｔ％Ｎｉ−５ｗｔ％Ｍｎ添加材のミクロ組織を写した光学顕微鏡写真である。
【図６】１５ｗｔ％Ｎｉ−２．５ｗｔ％Ｍｎ材のミクロ組織を写した光学顕微鏡写真である。
【図７】１５ｗｔ％Ｎｉ−１０ｗｔ％Ｍｎ材のミクロ組織を写した光学顕微鏡写真である。
【図８】７．５ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透磁率を表したグラフである。
【図９】７．５ｗｔ％Ｎｉ−１２．５ｗｔ％Ｍｎ材のミクロ組織を写した光学顕微鏡写真である。
【図１０】１０ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透磁率を表したグラフである。
【図１１】１２．５ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透磁率を表したグラフである。
【図１２】１５ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透磁率を表したグラフである。
【図１３】１７．５ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透磁率を表したグラフである。
【図１４】２０ｗｔ％Ｎｉ材のサブゼロ処理による透磁率を表したグラフである。
【図１５】−５０℃まで非磁性を維持するＮｉおよびＭｎ領域を示すグラフである。
【図１６】１２．５ｗｔ％Ｎｉ材の機械的性質を表したグラフである。
【図１７】１０ｗｔ％Ｎｉ材の機械的性質を表したグラフである。
【図１８】１５ｗｔ％Ｎｉ材の機械的性質を表したグラフである。
【図１９】１７．５ｗｔ％Ｎｉ材の機械的性質を表したグラフである。
【図２０】２０ｗｔ％Ｎｉ材の機械的性質を表したグラフである。
【図２１】７．５ｗｔ％Ｎｉ材の機械的性質を表したグラフである。
【図２２】１０ｗｔ％Ｎｉ−７．５ｗｔ％Ｍｎ材の機械的性質に及ぼすバナジウムの影響を、引張強さ、伸び、ブリネル硬さとの関係で表したグラフである。
【図２３】１５ｗｔ％Ｎｉ−７．５ｗｔ％Ｍｎ材の機械的性質に及ぼすバナジウムの影響を、引張強さ、伸び、ブリネル硬さとの関係で表したグラフである。
【図２４】１２．５ｗｔ％Ｎｉ−７．５ｗｔ％Ｍｎ−０．５ｗｔ％Ｖ材のミクロ組織を写した光学顕微鏡写真である。
【図２５】０．１〜０．５ｗｔ％のバナジウム（Ｖ）を含有し、非磁性・高延性（伸び３０％以上）・高強度（引張強さ５５０ＭＰａ以上）を示す領域を表したグラフである。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年2月5日(2003.2.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
【表１】




【手続補正書】
【提出日】平成15年2月5日(2003.2.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
【表１】
2004218027.tif 000029