(57)【要約】【課題】耐候性を有するとともに切削性等の機械加工性に影響を与える機械的性質の劣化を抑制することができ、さらに戻り材を通常の鋳鉄の原材料として再利用することができる耐候性球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法を提供すること。【解決手段】球状黒鉛鋳鉄を溶解し、これに質量％でＣｕ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％を添加する第１工程（Ｐ１）と、さらにこれに、質量％でＭｏ：０．０２５〜０．１７５％を添加する第２工程（Ｐ２）とを経て、耐候性球状黒鉛鋳鉄を製造する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃｕ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、及びＭｏ：０．０１〜０．２％を含むことを特徴とする、耐候性球状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
質量％で、Ｃｕ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％、及びＭｏ：０．０２５〜０．１７５％を含むことを特徴とする、耐候性球状黒鉛鋳鉄。
【請求項３】
質量％でＣ：２．５〜４．０％、Ｃｕ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｃｒ０．１〜０．３％、及びＭｏ：０．０２５〜０．１７５％を含み、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物元素からなることを特徴とする、耐候性球状黒鉛鋳鉄。
【請求項４】
日本工業規格Ｚ２３７１による環境サイクル試験における腐食量が、日本工業規格ＦＣＤ４５０に相当する球状黒鉛鋳鉄を１とした場合に、０．７以下であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の耐候性球状黒鉛鋳鉄。
【請求項５】
ブリネル硬さが２３０ＨＢ以下、かつチル長さが３０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の耐候性球状黒鉛鋳鉄。
【請求項６】
日本工業規格Ｇ５５０２による引張強さが４５０Ｎ／ｍｍ２以上、かつ伸びが１０％以上であることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の耐候性球状黒鉛鋳鉄。
【請求項７】
球状黒鉛鋳鉄を溶解して、これに質量％で、Ｃｕ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％を添加する第１工程と、さらにこれに、質量％でＭｏ：０．０２５〜０．１７５％を添加する第２工程とを経て耐候性球状黒鉛鋳鉄を得る、耐候性球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐候性に優れた球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法に係り、特に、優れた耐候性を有すると共に切削性向上及び機械的性質の劣化を抑制した新規なる改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、景観材として鋳鉄である景観鋳物が多く用いられるようになってきている。たとえば、意匠パネルやバルコニー鋳物等の建築部材、外灯、フェンス、モニュメント等の景観材等であり、その需要は今後も増加するものと期待されている。しかし係る用途の鋳鉄は屋外に放置され、外気に曝されることから、より高い耐候性を備えることが要求されている。景観鋳物の材質改善に関する研究例もあり、耐候性向上技術が提案されている。ＣｕやＣｒを多く含む鋳鉄は現在、耐候性の鋳鉄として広く用いられている。
【０００３】
また、特開平３−２９１３５４号公報には、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＣｒ、その他合金元素を微量配合することにより、大気中における耐候性に優れた建築用、構造・意匠部材用鋳鉄が得られることが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしＣｕ、Ｃｒ等を添加する従来の耐候性鋳鉄は、機械的性質の劣化、及び再利用性の点で問題があり、特に経営が比較的小規模の事業者においては、これを用いた景観材は容易に製造できない現状にある。すなわち、従来の耐候性鋳鉄では、切削性等の機械加工性に影響を与えるチルの発生や硬さの増大などの機械的性質の低下が生じやすく、これを防ぐためには相当コストを要する熱処理設備等が必要となる。したがって、このような新規の設備投資をせずにコストを抑制して、耐候性鋳鉄を簡易に製造する方法が求められていた。
【０００５】
表１に、従来の耐候性鋳鉄における合金元素添加条件による耐候性及び機械的性質の例を示す。
【０００６】
【表１】
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【０００７】
表中、参考例１は日本工業規格（以下、「ＪＩＳ」ともいう。）ＦＣＤ４５０に相当する球状黒鉛鋳鉄である。また参考例２〜７は、参考例１の球状黒鉛鋳鉄を溶解し、これに各合金元素を所定量添加して溶製した、耐候性球状黒鉛鋳鉄である。添加量の単位は、用いる参考例１のＦＣＤ４５０相当球状黒鉛鋳鉄の質量を１００％とした質量％である（以下、単に「％」と表記する場合は、「質量％」の意である。）。また耐候性は、Ｚ２３７１（ＪＩＳ）による環境サイクル試験によって生じる腐食の量に基づき評価している。具体的には、ＦＣＤ４５０相当球状黒鉛鋳鉄（参考例１）における腐食量を１とした場合の相対数値で示している。
【０００８】
表に示されるように、Ｃｕ、ＣｒあるいはＮｉの添加量を多くすることによって腐食率は低くなり耐候性は向上するが、同時に硬さが増加し、機械加工性が低下する。添加量がＣｕ０．２０％、Ｎｉ及びＣｒともに０．１０％である参考例２が、合金元素添加の参考例中では最も硬さの増大が抑制されているが、腐食率は０．８３にとどまり、耐候性は不充分である。したがって、硬さの増大がより少なく、さらにはチル発生や他の機械的性質劣化もより少なく、かつ腐食率もより低い耐候性球状黒鉛鋳鉄が求められていた。
【０００９】
他方、材料再利用の観点からは、従来の耐候性鋳鉄はこれを戻り材として利用する場合、製造された鋳鉄の機械的性質が劣化してしまい、再利用は困難であった。したがって、耐候性鋳鉄のリサイクル性を高めるとともに球状黒鉛鋳鉄の製造コスト削減を図るためには、戻り材を通常の鋳鉄の原材料として再利用できるような耐候性鋳鉄製造技術の確立が求められていた。
【００１０】
本発明の課題は、このような従来技術の欠点を解決して、耐候性を有するとともに切削性等の機械加工性に影響を与える機械的性質の劣化を抑制した球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法を提供することである。
【００１１】
また本発明の課題は、戻り材を通常の鋳鉄の原材料として再利用することができる耐候性球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本願発明者が鋭意検討した結果、Ｍｏを微量二次添加することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明に至った。すなわち、本願において特許請求される発明は以下のとおりである。
【００１３】
（１）質量％で、Ｃｕ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、及びＭｏ：０．０１〜０．２％を含むことを特徴とする、耐候性球状黒鉛鋳鉄。
【００１４】
（２）質量％で、Ｃｕ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％、及びＭｏ：０．０２５〜０．１７５％を含むことを特徴とする、耐候性球状黒鉛鋳鉄。
【００１５】
（３）質量％でＣ：２．５〜４．０％、Ｃｕ：０．２〜０．４％、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｃｒ０．１〜０．３％、及びＭｏ：０．０２５〜０．１７５％を含み、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物元素からなることを特徴とする、耐候性球状黒鉛鋳鉄。
【００１６】
（４）日本工業規格Ｚ２３７１による環境サイクル試験における腐食量が、日本工業規格ＦＣＤ４５０に相当する球状黒鉛鋳鉄を１とした場合に、０．７以下であることを特徴とする、（１）ないし（３）のいずれかの耐候性球状黒鉛鋳鉄。
【００１７】
（５）ブリネル硬さが２３０ＨＢ以下、かつチル長さが３０ｍｍ以下であることを特徴とする、（１）ないし（４）のいずれかの耐候性球状黒鉛鋳鉄。
【００１８】
（６）日本工業規格Ｇ５５０２による引張強さが４５０Ｎ／ｍｍ２以上、かつ伸びが１０％以上であることを特徴とする、（１）ないし（５）のいずれかの耐候性球状黒鉛鋳鉄。
【００１９】
（７）球状黒鉛鋳鉄を溶解して、これに質量％でＣｕ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％を添加する第１工程と、さらにこれに、質量％でＭｏ：０．０２５〜０．１７５％を添加する第２工程とを経て耐候性球状黒鉛鋳鉄を得る、耐候性球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
【００２０】
すなわち本発明は、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＣｒを微量添加配合する従来技術の耐候性向上手段に加えて、Ｍｏを微量添加することにより、硬さの増大やチル発生等の機械的性質の劣化を抑制して、耐候性鋳鉄における切削性等の機械加工性を改善するものである。
【００２１】
上述のように、従来の耐候性鋳鉄において機械的性質劣化を抑制するためにはＣｕ、Ｎｉ、及びＣｒの添加配合量を低くすることが効果的であるが、それのみでは耐候性を向上させる効果には限界がある。本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法においては、このようなＣｕ、Ｎｉ、及びＣｒの添加配合量を低くすることによる耐候性の低下を、Ｍｏ微量添加によって防止し、さらに機械的性質をも改善することができる。また、本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄を戻り材として通常の鋳鉄の原材料として球状黒鉛鋳鉄を製造する場合、製品の機械的性質の劣化が抑制される。したがって、本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄は何ら問題なく再利用することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄は、球状黒鉛鋳鉄中に、質量％でＣｕ：０．２〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、及びＭｏ：０．０１〜０．２％をそれぞれ含むことを主たる構成とする（請求項１）。球状黒鉛鋳鉄の種類としては特に限定されずあらゆるものを含むことができ、本発明の特徴である各合金元素が添加含有される点を除けば、引張強さ４５０Ｎ／ｍｍ２以上その他の機械的性質を有するＦＣＤ４５０（ＪＩＳ規格　２種球状黒鉛鋳鉄）に相当する球状黒鉛鋳鉄も該当する。この点は、以下の各発明においても同様である。
【００２３】
Ｃｕ、Ｎｉ、及びＣｒはいずれも鋳鉄に耐候性を付与することのできる合金元素であり、Ｃｕは鋳鉄中に０．２〜２．０％含有させることにより偏析を抑制しつつ耐候性を向上させ、ＣｒはＣｕやＮｉの存在下で０．１〜１．０％含有させることにより白鉄化傾向を抑制しつつ耐候性効果を奏し、Ｎｉは０．１〜２．０％含有させることによりコスト上合理的な範囲内でＣｒ偏析の低減と錆層安定化の効果を奏することが知られている（特開平３−２９１３５４号公報）。Ｍｏもまた耐食性元素であり、その添加により、耐候性元素であるＣｕやＣｒの添加による機械的性質の劣化を抑制しつつ耐候性を付与することができる。
【００２４】
本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄は、球状黒鉛鋳鉄中に添加、含有させる各合金元素の含有量範囲を、望ましくは質量％でＣｕ：０．２〜１．０％（より望ましくは、Ｃｕ：０．２〜０．４％）、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％、及びＭｏ：０．０２５〜０．１７５％をそれぞれ含む構成とすることができる（請求項２）。上述のとおり、従来の耐候性鋳鉄において機械的性質劣化を抑制するためには、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＣｒの添加配合量を低くすることが効果的であり、従来用いられていた含有量範囲を機械的性質劣化抑制の効果がより一層得られる範囲に設定したものである。すなわち、含有させるＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒを上記範囲とすることにより、硬さの増大やチル発生をより抑制した耐候性球状黒鉛鋳鉄とすることができる。
【００２５】
しかしながらそれのみでは腐食率を抑制できず耐候性を向上させる効果には限界がある。そこでこのようなＣｕ、Ｎｉ、及びＣｒの含有量を低くすることによる耐候性の低下を、Ｍｏを０．０２５〜０．１７５％（より望ましくは、０．０５％〜０．１５％）添加、含有させることによって防止することができる。Ｍｏを０．０２５％以上含有させることにより、腐食率は一層低下し、また、上限を０．１７５％とすることにより、チル発生を一層抑制することができる。
【００２６】
本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄は上述のとおりＦＣＤ４５０（ＪＩＳ規格　２種球状黒鉛鋳鉄）に相当する球状黒鉛鋳鉄もこれに該当するため、質量％で、Ｃ：２．５〜４．０％、Ｃｕ：０．２〜０．４％、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％、及びＭｏ：０．０２５〜０．１７５％を含み、残部が実質的にＦｅ及びＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓといった不可避的不純物元素からなる構成とすることができる（請求項３）。
【００２７】
本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄は、上述のような元素組成を有することにより、ＪＩＳ規格Ｚ２３７１による環境サイクル試験における腐食量を、前記ＦＣＤ４５０に相当する球状黒鉛鋳鉄を１とした場合に０．７６以下、さらには０．７以下とすることができ、充分な耐候性を示すものである（請求項４）。
【００２８】
本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄は、上述のような元素組成を有することにより、ブリネル硬さを２３０ＨＢ以下（さらには２２０ＨＢ以下）、かつチル長さを３０ｍｍ以下（さらには２０ｍｍ以下）とすることができ、耐候性元素Ｃｕ等を添加することによる機械的性質の劣化を抑制することができる（請求項５）。これらの物性値上限値は、切削性等の機械加工性を確保する上で求められるものであり、本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄はこれら望ましい機械的性質を備える。
【００２９】
また本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄は、上述のような元素組成を有することにより、ＪＩＳ規格Ｇ５５０２による引張強さを４５０Ｎ／ｍｍ２以上、かつ伸びを１０％以上とすることができる（請求項６）。これらの物性値下限値は、ＪＩＳ規格２種球状黒鉛鋳鉄の機械的性質を確保する上で求められるものであり、本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄はこれら望ましい機械的性質を備える。
【００３０】
図１は、本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄の製造方法を示すフロー図である。図において本方法では、球状黒鉛鋳鉄１を溶解して、これに質量％でＣｕ：０．２〜１．０％、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％を添加する第１工程Ｐ１と、さらにこれに、質量％でＭｏ：０．０２５〜０．１７５％を添加する第２工程Ｐ２とを経て、耐候性球状黒鉛鋳鉄２を得る。図中、第１工程Ｐ１で添加する合金元素の添加量は、より望ましくは質量％でＣｕ：０．２〜０．４％、Ｎｉ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％とし、また第２工程Ｐ２で添加するＭｏの量は、より望ましくは、０．０５％〜０．１５％とすることができる。本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄製造方法では、このような簡便な手順により、機械的性質の劣化を抑制した耐候性球状黒鉛鋳鉄を得ることができる。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
＜供試材＞
供試材として、溶解実験により組成の異なる球状黒鉛鋳鉄を製作した。ＪＩＳ規格ＦＣＤ４５０に相当する球状黒鉛鋳鉄を母材として、これに所定量のＣｕ、Ｎｉ、及びＣｒを添加し、さらに所定量のＭｏを二次添加した。
【００３２】
＜耐候性の評価方法＞
製作した各供試材を試料とし、耐候性（耐食性）関連項目として、ＪＩＳ規格Ｚ２３７１による環境サイクル試験を行った。すなわち、浸漬複合腐食試験機を用い、所定の温度−湿度条件、及び塩水噴霧−乾燥−湿潤のサイクルにより、２週間の環境サイクル試験を実施した。評価はＦＣＤ４５０における腐食量（ｍｇ／ｃｍ２）を１とした場合の相対値で比較した。なお試験片には、その一部をチル試験及び硬さ試験にも用いる階段状試験片を用いた。仕様は幅７０ｍｍ、長さ５０ｍｍの段が５段からなり、最小高さ３ｍｍ、最大高さ３０ｍｍである。
【００３３】
＜機械的性質の評価方法＞
製作した各供試材を試料とし、機械的性質関連項目としてブリネル硬さ試験、チル試験、強度試験等を行った。チル試験及び硬さ試験には、前記階段状試験片を用いた。なお試験片には、その一部をチル試験及び硬さ試験にも用いる階段状試験片を用いた。強度試験にはＹブロックＡ号試験片を用い、ＪＩＳ規格Ｇ５５０２による引張強さ、及び伸びを測定した。
【００３４】
＜耐候性―腐食率の改善＞
表２に、本発明の各実施例及び比較例について添加元素組成と腐食率測定結果を示す。表中、比較例１はＦＣＤ４５０に各耐候性元素を添加しなかったもの、比較例２はＣｕ、Ｎｉ、及びＣｒのみを添加し、Ｍｏは添加しなかったものである。各実施例はＣｕ、Ｎｉ、及びＣｒの添加量を一定とし、Ｍｏの添加量をそれぞれ変えた。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
表に示されるように、機械的性質劣化を抑制するためにＣｕ、Ｎｉ、及びＣｒの添加量をそれぞれ０．２０％、０．１０％、０．１０％にとどめても、Ｍｏを０．０２５％以上添加することにより、腐食率を０．７６以下とすることができた。さらに実施例２〜６でＭｏ添加量を０．０５％以上とすることにより、腐食率を０．７１以下とすることができた。特に実施例３（Ｍｏ：０．１０％）、実施例５（Ｍｏ：０．１７５％）等では、腐食率を０．６程度にまで改善することができた。
【００３７】
＜ブリネル硬さ＞
表３に、表２に示した本発明の各実施例及び比較例についてのブリネル硬さ測定結果を示す。
【００３８】
【表３】
2004011022.tif 000005
【００３９】
表に示されるように、各実施例とも、Ｍｏ添加のない比較例２と同等程度の硬さ２０１〜２１５を示し、本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄は良好な機械的性質を維持しつつ耐候性を高められる（表２）ことが示された。
【００４０】
＜チル長さ＞
表４に、表２に示した本発明の各実施例及び比較例についてのチル長さ測定結果を示す。
【００４１】
【表４】
2004011022.tif 000006
【００４２】
表に示されるように、実施例１〜４ではチル長さがいずれも２０ｍｍ以下であり、良好な機械的性質が得られた。実施例５及び６ではチル長さが３０ｍｍを超えており、したがってチル発生抑制の観点からは、Ｍｏ添加量上限は０．１７５％とすることがより望ましいと考えられた。
【００４３】
＜引張強さ＞
表５に、表２に示した本発明の各実施例及び比較例についての引張強さ測定結果を示す。
【００４４】
【表５】
2004011022.tif 000007
【００４５】
表に示されるように、実施例１〜６のいずれも引張強さは４５０Ｎ／ｍｍ２以上であり、良好な機械的性質が得られた。
【００４６】
＜伸び＞
表６に、表２に示した本発明の各実施例、及び比較例についての伸び測定結果を示す。表中、比較例３は比較例２同様Ｃｕ、Ｎｉ、及びＣｒのみを添加しＭｏを添加しないものであるが、Ｃｕ等の添加量を比較例２よりも少なくした点が異なる。
【００４７】
【表６】
2004011022.tif 000008
【００４８】
表に示されるように、実施例１〜６のいずれも伸びは１０％以上であり、良好な機械的性質が得られた。
【００４９】
＜戻り材使用＞
本発明により製造した耐候性球状黒鉛鋳鉄の戻り材について、これを再利用して球状黒鉛鋳鉄を製造した場合の機械的性質を検討した。３０％の通常配合と、８０％の大量配合により実験した。
表７に、本発明の実施例及び比較例について、戻り材を使用して鋳鉄を製造した例の成分表を示す。表中、比較例４〜６及び実施例７は、戻り材３０％使用による球状黒鉛鋳鉄、比較例７〜９及び実施例８は、戻り材８０％使用による球状黒鉛鋳鉄である。また、比較例４及び７は実質的に耐候性元素無添加であり、機械的性質の評価上ＦＣＤ４５０球状黒鉛鋳鉄と同等である。比較例５、６、８、及び９はＣｕ、Ｎｉ、及びＣｒ添加、Ｍｏ無添加である。
【００５０】
【表７】
2004011022.tif 000009
【００５１】
表８に、表７に示した各実施例及び比較例についての機械的性質各関連項目の測定結果を示す。
【００５２】
【表８】
2004011022.tif 000010
【００５３】
表に示されるように、戻り材３０％配合の通常配合では、硬さ、引張強さ、伸びとも、Ｍｏを添加した本発明の実施例７が比較例５及び６よりも、より耐候性元素無添加のＦＣＤ４５０（比較例４）の機械的性質に近く、ほぼ同等の機械的性質を示した。また８０％の大量配合の場合でも、硬さ、引張強さ、伸びとも、Ｍｏを添加した本発明の実施例８が比較例８及び９よりも、より耐候性元素無添加のＦＣＤ４５０（比較例７）の機械的性質に近く、ＦＣＤ４５０規格内の機械的性質を示した。したがって、戻り剤３０％の場合はもちろん、３０％の大量配合の場合にも、本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄は、機械的性質の劣化を抑制した再利用が可能であることが示された。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法は上述のように構成されているため、球状黒鉛鋳鉄において、充分な耐候性を有しつつ、硬さの増大、チル発生その他の機械的性質劣化を抑制することができ、したがって切削性等の機械加工性を良好に維持することができる。
【００５５】
また本発明による耐候性球状黒鉛鋳鉄は、戻り材を通常の鋳鉄の原材料として再利用する場合にも機械的性質の劣化を抑制することができ、耐候性鋳鉄のリサイクル性を高めるとともに球状黒鉛鋳鉄の製造コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐候性球状黒鉛鋳鉄の製造方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
１…球状黒鉛鋳鉄、　２…耐候性球状黒鉛鋳鉄、　Ｐ１…第１工程、　Ｐ２…第２工程
【図１】
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