(57)【要約】【課題】オーステナイト系の高ニッケル低熱膨張鋳鉄において、コバルトを全く含有せず、高減衰能と高強度とを共に満たすことの可能な低熱膨張鋳鉄を提供する。【解決手段】低熱膨張鋳鉄は、オーステナイト基地鉄中に共晶黒鉛組織を有し、成分組成として２〜３重量％の炭素、０．８〜１．２重量％のケイ素、０．６重量％以下のマンガン、３５〜３７重量％のニッケル、残部が鉄及び不可避的不純物を含有している。この低熱膨張鋳鉄には、０．０１〜０．０２重量％のチタンを含有させてもよい。低熱膨張鋳鉄において、該低熱膨張鋳鉄中の全黒鉛組織に対する共晶黒鉛組織の割合を、３５〜９５％とすることは好ましい。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト基地鉄中に共晶黒鉛組織を有し、成分組成として２〜３重量％の炭素、０．８〜１．２重量％のケイ素、０．６重量％以下のマンガン、３５〜３７重量％のニッケル、残部が鉄及び不可避的不純物を含有していることを特徴とする低熱膨張鋳鉄。
【請求項２】
オーステナイト基地鉄中に共晶黒鉛組織を有し、成分組成として２〜３重量％の炭素、０．８〜１．２重量％のケイ素、０．６重量％以下のマンガン、３５〜３７重量％のニッケル、０．０１〜０．０２重量％のチタン、残部が鉄及び不可避的不純物を含有していることを特徴とする低熱膨張鋳鉄。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の低熱膨張鋳鉄において、該低熱膨張鋳鉄中の全黒鉛組織に対する前記共晶黒鉛組織の割合は、３５〜９５％であることを特徴とする低熱膨張鋳鉄。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーステナイト系の高ニッケル低熱膨張鋳鉄に係り、特に高減衰能と高強度とを兼ね備えた低熱膨張鋳鉄に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の低熱膨張鋳鉄としては、耐食性、耐熱性等に優れたオーステナイト系の高ニッケル低熱膨張鋳鉄が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載のオーステナイト系の低熱膨張鋳鉄は、炭素０．８〜３．０重量％、シリコン１．０〜３．０重量％、ニッケル３０．０〜３４．０重量％、コバルト４．０〜６．０重量％、マンガン２．０重量％以下、イオウ１．０重量％以下、リン１．５重量％以下、マグネシウム１．０重量％以下、残部が不純物を含む鉄よりなるものである。この低熱膨張鋳鉄は、オーステナイト基地鉄中に片状黒鉛組織又は球状黒鉛組織を有しており、片状黒鉛組織を有する場合には優れた減衰能を発揮し、球状黒鉛組織を有する場合には、高強度を満たすようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特公昭６０−５１５４７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術に係る特許文献１に記載の低熱膨張鋳鉄では、オーステナイト基地鉄中の黒鉛組織（黒鉛形状）の違いにより、減衰能や強度に大きな影響があった。つまり、オーステナイト基地鉄中に片状黒鉛組織を有する場合には、高減衰能を発揮するものの、強度が不十分となってしまうおそれがあり、オーステナイト基地鉄中に球状黒鉛組織を有する場合には、高強度を満たすものの、減衰能が不十分となってしまうおそれがあった。また、特許文献１に記載の低熱膨張鋳鉄は、その熱膨張係数の増大を抑制すべく、レアメタルである高価なコバルトを４．０〜６．０重量％含有しているため、コスト高も招いていた。
【０００５】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、オーステナイト系の高ニッケル低熱膨張鋳鉄において、コバルトを全く含有せず、高減衰能と高強度とを共に満たすことの可能な低熱膨張鋳鉄を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した実情に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、オーステナイト系の低熱膨張鋳鉄の黒鉛組織の少なくとも一部を共晶黒鉛組織とすると共に、オーステナイト系の低熱膨張鋳鉄の成分である炭素、ケイ素、マンガン、ニッケル（必要に応じてチタン）の各含有量を調製することで、コバルトを全く含有せずに、低熱膨張鋳鉄における高減衰能と高強度とを両立させることができるということを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、請求項１に記載の発明は、オーステナイト基地鉄中に共晶黒鉛組織を有し、成分組成として２〜３重量％の炭素、０．８〜１．２重量％のケイ素、０．６重量％以下のマンガン、３５〜３７重量％のニッケル、残部が鉄及び不可避的不純物を含有していることをその要旨としている。なお、仮に、請求項１に記載の低熱膨張鋳鉄において、その他の成分としてチタンを含有する場合には、後述する請求項２に記載のチタン含有量の範囲内となるように調製する必要がある。
【０００８】
請求項１において、オーステナイト基地鉄中に共晶黒鉛組織を有する構成とした理由は、主に低熱膨張鋳鉄における高減衰能と高強度とを両立できるようにするためである。炭素を２〜３重量％の範囲に設定したのは、２重量％未満の場合、鋳造性が悪化したり、低熱膨張鋳鉄の減衰能や強度が不十分となったりしてしまうおそれがあり、３重量％を超える場合、熱膨張係数が増大して所望とする低熱膨張鋳鉄が得られなくなってしまうおそれがあるからである。ケイ素を０．８〜１．２重量％の範囲に設定したのは、０．８重量％未満の場合、鋳造性が悪化したり、低熱膨張鋳鉄の強度が不十分となったりしてしまうおそれがあり、１．２重量％を超える場合、熱膨張係数が増大して所望とする低熱膨張鋳鉄が得られなくなってしまうおそれがあるからである。マンガンを０．６重量％以下としたのは、０．６重量％を超える場合、熱膨張係数が増大して所望とする低熱膨張鋳鉄が得られなくなってしまうおそれがあるからである。ニッケルを３５〜３７重量％の範囲に設定したのは、ニッケルが熱膨張係数に最も大きな影響を与える元素であって、３５重量％未満の場合や３７重量％を超える場合では、熱膨張係数の著しい増大を招いてしまうおそれがあるからである。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、オーステナイト基地鉄中に共晶黒鉛組織を有すると共に、成分組成として上述した所定量の鉄、炭素、ケイ素、マンガン、ニッケル及び不可避的不純物を含有しているため、コバルトを全く含有せずに、低熱膨張鋳鉄における高減衰能と高強度とが十分に発揮されるようになる。また、一般にオーステナイト基地の鋳鉄では、被削性は良好でないが、請求項１に記載の低熱膨張鋳鉄は、オーステナイト基地鉄中に共晶黒鉛組織を有しているため、被削性が改善される。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、オーステナイト基地鉄中に共晶黒鉛組織を有し、成分組成として２〜３重量％の炭素、０．８〜１．２重量％のケイ素、０．６重量％以下のマンガン、３５〜３７重量％のニッケル、０．０１〜０．０２重量％のチタン、残部が鉄及び不可避的不純物を含有していることをその要旨とする。
【００１１】
請求項２において、オーステナイト基地鉄中に共晶黒鉛組織を有する構成とすると共に、炭素、ケイ素、マンガン、ニッケルを上記数値範囲に設定したのは、請求項１で既述した理由と同じ理由による。チタンを０．０１〜０．０２重量％の範囲に設定したのは、０．０１重量％未満の場合、共晶黒鉛の晶出が不完全となって低熱膨張鋳鉄の強度が不十分となってしまうおそれがあり、０．０２重量％を超える場合、低熱膨張鋳鉄の減衰能が不十分となってしまうおそれがあるからである。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、オーステナイト基地鉄中に共晶黒鉛組織を有すると共に、成分組成として上述した所定量の鉄、炭素、ケイ素、マンガン、ニッケル、チタン及び不可避的不純物を含有しているため、コバルトを全く含有せずに、低熱膨張鋳鉄における高減衰能と高強度とが十分に発揮されるようになる。また、一般にオーステナイト基地の鋳鉄では、被削性は良好でないが、請求項２に記載の低熱膨張鋳鉄は、オーステナイト基地鉄中に共晶黒鉛組織を有しているため、被削性が改善される。加えて、請求項２に記載の発明によれば、オーステナイト基地鉄中の黒鉛組織の少なくとも一部を共晶黒鉛組織とするために、０．０１〜０．０２重量％という微量のチタンを用いているだけなので、低熱膨張鋳鉄の製造コストが極力抑えられる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の低熱膨張鋳鉄において、該低熱膨張鋳鉄中の全黒鉛組織に対する前記共晶黒鉛組織の割合は、３５〜９５％であることをその要旨としている。このように、請求項１又は請求項２に記載の低熱膨張鋳鉄において、該低熱膨張鋳鉄中の全黒鉛組織に対する共晶黒鉛組織の割合を３５〜９５％の範囲に設定することは好ましい。
【００１４】
ここで、共晶黒鉛組織の割合を３５〜９５％の範囲に設定する理由は、３５％未満であると、低熱膨張鋳鉄の所望とする高強度が得られない場合が生じるおそれがあり、９５％を超えると、低熱膨張鋳鉄の所望とする高減衰能が得られない場合が生じるおそれがあるからである。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は請求項２に記載の発明の作用効果がより確実なものとなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の低熱膨張鋳鉄は、オーステナイト基地鉄中に共晶黒鉛組織を有すると共に、成分組成として２〜３重量％の炭素、０．８〜１．２重量％のケイ素、０．６重量％以下のマンガン、３５〜３７重量％のニッケル、残部が鉄及び不可避的不純物を含有しているものである必要がある。この低熱膨張鋳鉄には、更に０．０１〜０．０２重量％のチタンを含有していてもよい。低熱膨張鋳鉄において、ニッケルの含有量を３５〜３７重量％に設定したのは、オーステナイト基地鉄とする目的もあり、オーステナイト基地鉄中の共晶黒鉛は、ＩＳＯの分類によるＤ型黒鉛に相当するものである。本発明の低熱膨張鋳鉄には、所定量の鉄、炭素、ケイ素、マンガン、ニッケル（必要に応じてチタン）及び不可避的不純物を含有しているが、元素含有量の調製や製造コスト等を考慮すると、これら以外の元素を含有していない方が好ましい。
【００１７】
また、上述した低熱膨張鋳鉄において、該低熱膨張鋳鉄中の全黒鉛組織に対する共晶黒鉛組織の割合（以下、単に「共晶比率」という）を３５〜９５％に設定することは好ましい。ここで、共晶比率は、低熱膨張鋳鉄の所定面積（例えば、低熱膨張鋳鉄の組織を１００倍に拡大した状態を示した光学顕微鏡写真）内において、黒鉛組織の総面積に対して共晶黒鉛組織の面積の占める割合を目視により判断して求めたものである。共晶比率は、特に３５〜９５％に限定されるものではなく、例えば４０〜９０％、５０〜８５％、７０〜９０％、７５〜８５％、８０〜９０％としてもよい。
【００１８】
本発明の低熱膨張鋳鉄中にマグネシウムなどの球状化剤（鋳鉄中の黒鉛を球状に晶出させるための添加剤）を含有していない場合、オーステナイト基地鉄中には、黒鉛組織として共晶黒鉛組織のみを有したり（共晶比率１００％）、黒鉛組織として共晶黒鉛組織と片状黒鉛組織とを有したりする。この場合、低熱膨張鋳鉄の共晶比率を制御すれば、所望とする減衰能及び強度を兼ね備えた低熱膨張鋳鉄を容易に得ることが可能となる。すなわち、より高い減衰能が要求されるときには、共晶比率を低くなるように制御し、より高い強度が要求されるときには、共晶比率を高くなるように制御することで、使用目的に応じた低熱膨張鋳鉄を容易、かつ確実に製造することができるようになる。
【００１９】
本発明の低熱膨張鋳鉄の室温〜２００℃における熱膨張係数は、５×１０−６／℃以下であり、実用上の下限値は、３×１０−６／℃となっている。この熱膨張係数は、３〜４．５×１０−６／℃であることが好ましい。また、低熱膨張鋳鉄の対数減衰率は、０．３以上の高減衰能を有している。この対数減衰率は、０．４〜０．９であることが好ましく、０．５〜０．８であることがより好ましい。加えて、低熱膨張鋳鉄の引張強さは、１５０ＭＰａ以上の高強度を有している。この引張強さは、１５０〜２５０ＭＰａであることが好ましい。従って、低熱膨張鋳鉄であって、かつ高減衰能と高強度とを共に満たす条件は、室温〜２００℃における熱膨張係数が５×１０−６／℃以下であり、低熱膨張鋳鉄の対数減衰率が０．３以上、低熱膨張鋳鉄の引張強さが１５０ＭＰａ以上のものである。
【００２０】
低熱膨張鋳鉄において、共晶黒鉛組織を有するようにする（共晶黒鉛を晶出させる）方法としては、鋳造時の溶湯を急冷凝固させる方法、溶湯中に微量のチタンを添加する方法、真空に近い減圧下又は真空減圧下で溶解（真空溶解），鋳造する方法、高温溶解による方法などが挙げられる。鋳造時の溶湯を急冷凝固させる方法として、冷し金（当て金）などの冷却促進手段を用いることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を更に具体化した実施例、及び、比較例１〜３について、表１及び表２を併せ参照して説明する。
【００２２】
まず、高周波誘導炉を用いて所定金属を１５５０℃の温度で溶解して溶湯とした後、その溶湯を１４３０℃の注湯温度で砂型に鋳造することにより、表１に示した所定量の成分組成を有する４種類の低熱膨張鋳鉄材をそれぞれ得た。なお、表１には、成分組成として明示していないが、各低熱膨張鋳鉄材は、主成分である鉄や極少量の不可避的不純物を含有していることは言うまでもない。また、実施例及び比較例１では、黒鉛組織の一部を共晶黒鉛組織とするために、微量のチタンを添加する方法を用いた。
【００２３】
表１に示したように、実施例は、共晶比率８５％のオーステナイト系の低熱膨張鋳鉄であり、比較例１は、共晶比率３０％であって、チタンの含有量が０．００５重量％のオーステナイト系の低熱膨張鋳鉄である。また、比較例２は、黒鉛組織として片状黒鉛組織を９０％有するオーステナイト系の低熱膨張鋳鉄であり、比較例３は、黒鉛球状化率８５％を有するオーステナイト系の低熱膨張鋳鉄である。なお、表１からは明らかでないが、実施例、比較例１〜３に係る低熱膨張鋳鉄においては、オーステナイト基地鉄を有していることを確認している。
【００２４】
【表１】
2004238686.tif 000002
【００２５】
前記鋳造方法により得られた各低熱膨張鋳鉄材を直径１０ｍｍ×長さ５０ｍｍとなるようにそれぞれ加工して、実施例、比較例１〜３に係る熱膨張試験棒とした。そして、精密横型熱膨張計  ＤＬ−７００Ｙ（真空理工製）を用いて、各熱膨張試験棒の室温〜２００℃における熱膨張係数をそれぞれ測定した。その結果を表２に示す。表２に示されるように、実施例の熱膨張係数は、４．４０×１０−６／℃であり、比較例１の熱膨張係数は、４．１２×１０−６／℃であり、比較例２の熱膨張係数は、４．２０×１０−６／℃であり、比較例３の熱膨張係数は、４．６５×１０−６／℃であった。
【００２６】
また、前記鋳造方法により得られた各低熱膨張鋳鉄材を２００ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍとなるようにそれぞれ加工して、実施例、比較例１〜３に係る対数減衰率測定用テストピースとした。そして、対数減衰装置を用いて、対数減衰率測定用の各テストピースをそれぞれ加振して減衰波形を得ると同時に、その減衰波形及び振幅などに基いて解析することにより、各テストピースの対数減衰率をそれぞれ算出した。その結果を表２に示す。表２に示されるように、実施例の対数減衰率は、０．６７であり、比較例１の対数減衰率は、０．４１であり、比較例２の対数減衰率は、０．４３であり、比較例３の対数減衰率は、０．１４であった。
【００２７】
更に、前記鋳造方法により得られた各低熱膨張鋳鉄材を２００ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍとなるようにそれぞれ加工して、実施例、比較例１〜３に係る引張強さ測定用テストピースとした。そして、万能試験機（島津製作所製）を用い、ＪＩＳ  Ｚ−２２４１「金属引張試験法」に準じて実行することにより、引張強さ測定用の各テストピースの引張強さをそれぞれ測定した。その結果を表２に示す。表２に示されるように、実施例の引張強さは、１５５ＭＰａであり、比較例１の引張強さは１２６ＭＰａであり、比較例２の引張強さは、１３５ＭＰａであり、比較例３の引張強さは、４８２ＭＰａであった。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表２からわかるように、実施例に係る低熱膨張鋳鉄は、室温〜２００℃における熱膨張係数が４．４０、対数減衰率が０．６７×１０−６／℃、引張強さが１５５ＭＰａであるため、高減衰能と高強度とを兼ね備えた低熱膨張鋳鉄としての条件である室温〜２００℃における熱膨張係数が５×１０−６／℃以下、対数減衰率が０．３以上、引張強さが１５０ＭＰａ以上という条件を満たしている。従って、実施例の低熱膨張鋳鉄（共晶比率８５％）では、コバルトを含有せずに、高減衰能と高強度とを共に満たして両機能を十分に発揮できるということを確認できた。なお、実施例に係る低熱膨張鋳鉄では、被削が良好な状態で行われて被削性が十分であるということを実験により確認した。
【００３０】
比較例１に係る低熱膨張鋳鉄は、熱膨張係数及び対数減衰率については条件を満たしているものの、引張強さが１２６ＭＰａであるため、高強度の条件を満たしていないことがわかる。これにより、低熱膨張鋳鉄中に含有するチタンの含有量が０．００５重量％（表１参照）では、低熱膨張鋳鉄の強度が不十分であるということを確認できた。
【００３１】
また、比較例２に係る低熱膨張鋳鉄も、比較例１と同様に、熱膨張係数及び対数減衰率については条件を満たしているものの、引張強さが１３５ＭＰａであるため、高強度の条件を満たしていないことがわかる。この結果から、オーステナイト基地鉄中の黒鉛組織が片状黒鉛組織（９０％）であり、かつ共晶黒鉛組織を有していないことにより、低熱膨張鋳鉄の強度が不十分であるということを確認できた。
【００３２】
比較例３に係る低熱膨張鋳鉄は、熱膨張係数及び引張強さについては条件を満たしているものの、対数減衰率が０．１４であるため、対数減衰率の条件を満たしていないことがわかる。この結果から、オーステナイト基地鉄中の黒鉛球状化率が８５％であり、かつ共晶黒鉛組織を有していないことにより、低熱膨張鋳鉄の減衰能が不十分であるということを確認できた。
【００３３】
他に、特許請求の範囲の各請求項に記載されないものであって、前記実施の形態及び前記実施例から把握される技術的思想について、以下に記載する。
【００３４】
（ａ）  請求項１〜３のいずれか一項に記載の低熱膨張鋳鉄において、対数減衰率が０．３以上、かつ引張強さが１５０ＭＰａ以上であることを特徴とする低熱膨張鋳鉄。前記（ａ）の構成とすることは、好ましい。
【００３５】
（ｂ）  請求項１〜３のいずれか一項に記載の低熱膨張鋳鉄において、対数減衰率が０．４〜０．９、かつ引張強さが１５０〜２５０ＭＰａであることを特徴とする低熱膨張鋳鉄。前記（ｂ）の構成とすることは、好ましい。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１〜３に記載の発明によれば、オーステナイト系の高ニッケル低熱膨張鋳鉄において、コバルトを全く含有せずに、低熱膨張鋳鉄における高減衰能と高強度とを同時に発揮することができるようになる。また、請求項１〜３に記載の発明によれば、高価なコバルトを含有していないため、コスト高を抑制することができる。更に、請求項１〜３に記載の発明によれば、高減衰能及び高強度に加えて、優れた被削性も発揮することが可能となる。
【００３７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の成分に加えて、０．０１〜０．０２重量％という微量のチタンを含有しているだけなので、所望とする低熱膨張鋳鉄を製造する際の製造コストを極力抑えることができる。