(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、炭素：３．０〜４．５％、シリコン：１．６〜２．５％、マンガン：０．２〜０．５％、マグネシウム：０．０３〜０．０５％、ジルコニウム：０．０００５〜０．０９％を含み、更にスズ及び銅の１種または２種を含み、スズ換算量（スズ換算量=スズ重量％＋銅重量％×０．１）をαとしたとき、αが０．０３〜０．１１％であり、残部が不可避不純物および鉄からなり、熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする高強度球状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
請求項１において、重量％で、スズは０．０４〜０．０８％である熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする高強度球状黒鉛鋳鉄。
【請求項３】
酸化物生成元素を主要成分とする外層部分とジルコニウム含有濃度を前記外層部分よりも多く設定した内層部分とを有する処理剤と、球状化剤とを用意する工程と、
前記球状化剤及び前記処理剤を同時に又は個別に溶湯に添加する工程と、
前記球状化剤及び前記処理剤が添加された溶湯を凝固させる工程とを順に実施し、
熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上である請求項１に係る高強度球状黒鉛鋳鉄を製造することを特徴とする高強度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】
本発明は引張り強度が９００ＭＰａ以上の高強度球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等のように軽量化が益々要請される鋳鉄部品の多くは、アルミ材料など比重が小さい材料への材料置換が行われている。しかしアルミ材等の軽量材料は、その特性の低さから必ずしも部品の重量が比重の比ほど軽量化できるものではない場合が多い。これに対し同種の材料を高強度化した場合には縦弾性係数等の特性は基本的には変化しないので、理論上は高強度化した分だけ薄肉化による軽量化が可能となる。このため産業界では球状黒鉛鋳鉄の更なる高強度化は切望されている。
【０００３】
従来、球状黒鉛鋳鉄は高強度鋳鉄に分類されている。しかし、高強度を有するこれらの鋳鉄も熱処理を行わない状態では引張り強度で８００ＭＰａ以上は達成されていない。また、熱処理を行なった場合には引張り強度は１０００ＭＰａを越えることもあるが、熱処理に際に歪みが発生し易くなる。更に熱処理は球状黒鉛鋳鉄のコストをかなりアップさせる要因となる。したがって、熱処理による高強度化は種々の検討がされているが実用化に至っていないのが実情である。
【０００４】
また、軽量化には薄肉化が有効ではあるが、バーミキュラ黒鉛鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄を薄肉化すると球状化処理後の溶湯の湯流れ不良、チル化、引け巣等の鋳造欠陥が増加しやすい事などの課題も存在する。この課題を解決するために、いもむし状の黒鉛が分散したバーミキュラ黒鉛鋳鉄を対象にした特公昭６３ー４８３号に係る技術、球状黒鉛鋳鉄を対象にした特開平１０ー２３７５２８に係る技術等の検討がなされているが、これらの公報に係る本文および付図からみると、こられの公報技術は球状黒鉛鋳鉄の高強度化を対象にした発明でなく、単に溶湯を鋳造する際における鋳造欠陥の改善を目的にしたものである。
【０００５】
また、特公昭６３ー４８３号公報には、Ｚｒを含む鋳鉄用添加剤が開示されている。特開平１０ー２３７５２８号公報には、Ｍｇ、レアアース、Ｚｒを含む鉄系の球状化剤が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特公昭６３ー４８３号公報に係る鋳鉄用添加剤は、Ｚｒを含むものの、非球状のいもむし状黒鉛が分散したバーミキュラ黒鉛鋳鉄の溶湯を処理対象としており、球状黒鉛が分散している球状黒鉛鋳鉄用の処理剤ではない。
【０００７】
また、上記した特開平１０ー２３７５２８号公報に係る鉄系の球状化剤は、黒鉛の球状化を阻害する元素として知られているＺｒを含むものであるが、特開平１０ー２３７５２８号公報に係る鉄系の球状化剤においては、Ｚｒの効果の本質が本発明とは異なる。即ち、特開平１０ー２３７５２８号公報に係る球状化剤は、球状化に最も寄与する重要元素であるＭｇの酸化を抑えるべく、Ｍｇよりも優先的にＺｒを酸化させてＺｒ酸化物をスラグ滓として生成することにより、球状化に最も寄与する重要元素であるＭｇの酸化物生成（スラグ化）を抑えることを意図している。従って上記した特開平１０ー２３７５２８号公報に係る球状化剤を用いた技術によれば、Ｚｒは溶湯中においては専ら酸化物であるスラグ滓として浮遊して存在するものであり、同公報に係る球状化剤で製造した凝固後の球状黒鉛鋳鉄のマトリックスには、Ｚｒが存在しないものである。その証拠に、特開平１０ー２３７５２８号公報に係る明細書の表２、表５は球状化処理後の球状黒鉛鋳鉄の組成を示しているが、Ｚｒは凝固後の球状黒鉛鋳鉄には含まれていない。ちなみに、この表２、表５に示されているように、この球状黒鉛鋳鉄はＳｎ、Ｃｕを含むものでもない。
【０００８】
ところで、一般的に、熱処理を行なわずに球状黒鉛鋳鉄の引張り強度を向上させるには、鋳鉄材料のマトリックスをパーライト化させる方法が行なわれる。しかし、この方法では熱処理を行なわないならば、球状黒鉛鋳鉄の引張り強度はせいぜい７００ＭＰａが限界である。しかるに、同じ鉄系材料でもマトリックスがパーライトからなる鋼材（非鋳鉄材）では、引張り強度としては９００ＭＰａを越えることが出来る。これらの強度の違いは、鋳鉄が砂型等の成形型に溶湯を注入して凝固させる工法であるため、鋳鉄の溶湯には成形型のキャビティ中における良好なる流動性が求められ、溶湯流動性を高めるものの強度低下の要因となる多量の炭素が鋳鉄材に含有されていることに起因する。
【０００９】
すなわち、この溶湯に流動性を付加するために鋳鉄には、一般的には、鋼材の１０倍以上の炭素とＳｉが添加される。添加された炭素は、凝固するときにマトリックス中に片状または、球状もしくはこれらの中間的形状を有する黒鉛粒と成るため、この部分が切り欠き効果をもたらし鋳鉄の強度を低減させることになる。それゆえ、鋳鉄ではマトリックスがパーライト化した場合であっても、熱処理なしでは、引張り強度はせいぜい７３０ＭＰａ程度である。
【００１０】
本発明は上記した球状黒鉛鋳鉄における近年の要請に鑑みてなされたものであり、熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上である高強度球状黒鉛鋳鉄を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、高強度をもつ球状黒鉛鋳鉄を開発すべく、鋭意開発を進めている。本発明者は、Ｚｒは酸化しやすいため、Ｚｒ酸化物であるスラグ滓を直ちに形成し、球状黒鉛鋳鉄の溶湯に溶け込まない元素であることに着目し、Ｚｒを溶湯に積極的に溶け込ませるのに有利な球状黒鉛鋳鉄用の新規なＺｒ系の処理剤を開発した。この新規な処理剤は、基本的には、シリコンなどの酸化物生成元素を主要成分とする外層部分と、ジルコニウム含有濃度（重量％）を外層部分よりも多く設定した内層部分とを有する処理剤である。代表的な処理剤としては、Ｚｒを主要成分とする内層（例えばＺｒ−Ｓｉ−Ｆｅ系）を、Ｓｉを主要成分とする外層（１層または複数層の外層,例えばＳｉ−Ｆｅ系,Ｓｉ系）で覆った形態の処理剤である。外層はＺｒを含まないか、内層に比較してＺｒ含有濃度（重量％）がかなり低い。
【００１２】
本発明者は、このような球状黒鉛鋳鉄用の新規なＺｒ系の処理剤を球状化剤と併用すると共に、球状化処理後の球状黒鉛鋳鉄の組成としてＳｎ及びＣｕのうちの１種または２種を配合し、重量％で、炭素：３．０〜４．５％、シリコン：１．６〜２．５％、マンガン：０．２〜０．５％、マグネシウム：０．０３〜０．０５％、ジルコニウム：０．０００５〜０．０９％を含み、更にスズ及び銅の１種または２種を含み、スズ換算量（スズ換算量=スズ重量％＋銅重量％×０．１）をαとしたとき、αが０．０３〜０．１１％とし、残部が不可避不純物および鉄からなる組成に設定すれば、熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上である高強度球状黒鉛鋳鉄が得られることを知見し、試験で確認し、本発明に係る高強度球状黒鉛鋳鉄を完成した。
【００１３】
本発明において引張り強度９００ＭＰａ以上の高強度をもつ球状黒鉛鋳鉄が得られる理由は、現在のところ必ずしも明確ではないものの、次のように推測される。即ち、上記した新規なＺｒ系の処理剤によれば、Ｚｒの外側に含まれているＳｉ等の酸化物生成元素が溶湯中の酸素と優先的に酸化して酸化物を生成するため、溶湯中においてＺｒ付近の酸素が消費され、これによりＺｒが酸化物となることが抑えられ、以て球状黒鉛鋳鉄の溶湯に対してＺｒを積極的に溶解させることになるものと推察される。
【００１４】
その結果、球状黒鉛鋳鉄の組成が上記したものであれば、凝固後の組織状態から判断すれば、Ｓｎ及びＣｕの１種または２種を含むと共にＺｒを含む微細な析出物等の生成物が鋳鉄のマトリックスの粒界に均一に良好に生成し、これにより球状黒鉛鋳鉄におけるパーライト系のマトリックスを強化でき、更に、パーライト系のマトリックスの結晶粒の微細化、球状黒鉛の微細化を図ることができ、以て球状黒鉛鋳鉄の高強度化を一層図ることができるためと推察される。なお、本発明に係る高強度球状黒鉛鋳鉄において、Ｓｎ及びＣｕの１種または２種を含むと共にＺｒを含む微細な生成物が球状黒鉛鋳鉄のマトリックスの粒界に生成することは、ＥＰＭＡ分析装置によって確認されている。
【００１５】
本発明に係る高強度球状黒鉛鋳鉄は、重量％で、炭素：３．０〜４．５％、シリコン：１．６〜２．５％、マンガン：０．２〜０．５％、マグネシウム：０．０３〜０．０５％、ジルコニウム：０．０００５〜０．０９％を含み、更にスズ及び銅の１種または２種を含み、スズ換算量（スズ換算量=スズ重量％＋銅重量％×０．１）をαとしたとき、αが０．０３〜０．１１％であり、残部が不可避不純物および鉄からなり、熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明に係る高強度球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、酸化物生成元素を主要成分とする外層部分とジルコニウム含有濃度を外層部分よりも多く設定した内層部分とを有する処理剤と、球状化剤とを用意する工程と、球状化剤及び処理剤を同時に又は個別に溶湯に添加する工程と、球状化剤及び処理剤が添加された溶湯を凝固させる工程とを順に実施し、熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上である請求項１に係る高強度球状黒鉛鋳鉄を製造することを特徴とするものである。
【００１７】
本発明に係る球状黒鉛鋳鉄によれば、マトリックスにおけるパーライト化率の向上、黒鉛の球状化率の確保を図りつつ、球状黒鉛の微細化、結晶粒の微細化が図られ、従って高強度化を図り得る。本発明に係る球状黒鉛鋳鉄は、強度において優れており、引張り強度が９００ＭＰａ以上を有することができる。殊に、熱処理を行わない鋳放し状態でも、引張り強度が９００ＭＰａ以上を有することができる。
【００１８】
なお、上記した鋳鉄組成の割合で合金元素を単に配合した場合には、Ｚｒは溶湯に溶解せず、目標とする高強度球状黒鉛鋳鉄が得られない。また、時間をかけてＺｒとＦｅとの反応溶解を試みた場合には、Ｚｒが酸化してＺｒ酸化物を生成し、そればかりか球状化元素として重要なＭｇがフェイディング現象を起し、球状化が充分に起こらなくなり、球状黒鉛鋳鉄の強度が著しく低下し、球状黒鉛鋳鉄の目標とする高強度の性能が得られなくなる。フェイディング現象は、球状化処理のために添加したＭｇが時間経過に伴って酸化または他の元素と反応し消費されるため減少してしまい、時間経過につれて球状化が進まなくなる現象である。
【００１９】
本発明に係る球状黒鉛鋳鉄は、熱処理を行わないものであり、鋳放し状態、または、少しの機械加工を施した状態で用いることができる。
【００２０】
以下、本発明に係る球状黒鉛鋳鉄における組成の限定理由について説明を加える。
【００２１】
（Ｃ：３．０〜４．５％）Ｃの配合量については、上記したＣの下限値未満では本発明に係る球状黒鉛鋳鉄の黒鉛量が不足し、溶湯の流動性が悪くなるばかりでなく、チル組織の増加を伴い、目的とする高強度は得ることが出来ない。また上記したＣの上限値を越えるとＣが過剰となり、鋳鉄材料自体が脆くなり、目的とする高強度は得ることが出来ない。したがって、Ｃの配合量は重量で３．０〜４．５％と定めた。上記した事情を考慮し、好適にはＣの配合量は重量％で３．０〜４．４％、３．６〜３．８％である。なおＣの下限値としては３．１％、３．２％、３．３％等を例示でき、Ｃの下限値と対応するＣの上限値としては４．４％、４．３％、４．２％等を例示できる。
【００２２】
（Ｓｉ：１．６〜２．５％）Ｓｉについては、上記したＳｉ下限値未満では、本発明に係る球状黒鉛鋳鉄の溶湯の流動性が悪くなるばかりでなく、チル組織の増加を伴い、目的とする高強度は得ることが出来ない。また上記したＳｉ上限値を越えると、材料の均質性が悪くなるとともに、鋳鉄が脆くなり、特に低温での衝撃強度が著しく低下する。さらに、硬度も低下し目的とする高強度を得られない。したがって、Ｓｉの配合量は重量％で１．６〜２．５％と定めた。上記した事情を考慮し、好適にはＳｉ量は重量％で１．７〜２．４％、２．２〜２．４％である。なおＳｉの下限値としては１．８％、１．９％等を例示でき、Ｓｉの下限値と対応するＳｉの上限値としては２．３％、２．２％等を例示できる。
【００２３】
（Ｍｎ：０．２％〜０．５％）Ｍｎは冷却過程でパーライト化を促進する傾向にある元素で、強度への影響は重要である。上記Ｍｎは重量％で上記した下限値未満では、溶湯中に存在する硫化物が偏析して残存するため、強度低下をもたらす。一方、上記したＭｎの上限値を越えるとチル化を促進するため、マトリックス中にセメンタイトやマルテンサイト等の組織が増加し、強度と硬度は上昇するが、機械的加工性が低下するため実用的な材料とはならない。したがって、Ｍｎ量は重量％で０．２％〜０．５％と定めた。上記した事情を考慮し、好適にはＭｎの配合量は重量で０．３〜０．５％、０．３〜０．４％である。なおＭｎの下限値としては０．２２％、０．２５％等を例示でき、Ｍｎの下限値と対応するＭｎの上限値としては０．４５％、０．４７％等を例示できる。
【００２４】
（Ｍｇ：０．０３％〜０．０５％）Ｍｇは球状化させるために添加される球状化処理元素である。上記したＭｇの下限値未満では、黒鉛の球状化が充分に進まないため、凝固組織におけるマトリックス中の黒鉛析出部に応力集中が起こり、目的とする強度が得られない。一方、Ｍｇは非常に酸化し易い元素であるため、上記したＭｇの上限値を越えると、マトリックス中のＭｇ酸化物が増加し、マトリックスの強度を低下させる傾向があるため、目的とする強度が得られにくい。したがってＭｇの配合量は重量％で０．０３％〜０．０５％と定めた。好適にはＭｇ量は重量％で０．０３５〜０．０４５％である。Ｍｇの下限値としては０．０３３％等を例示でき、Ｍｇの下限値と対応するＭｇの上限値としては０．０４８％等を例示できる。
【００２５】
（Ｚｒ：０．０００５％〜０．０９％）前述した様にＺｒ添加による改善のメカニズムは明確でないが、凝固後の球状黒鉛鋳鉄の組織を観察すれば、結果的に黒鉛粒の粒径を微細化し、またＺｒ炭化物を生成することでパーライト系のマトリックスの強度を向上している。上記したＺｒの下限値未満では、マトリックスを強化するのに充分な炭化物の生成は起こりにくく、また、黒鉛の微細化も起こりにくい。そのため目的とする高強度な球状黒鉛鋳鉄は得られない。一方、上記したＺｒの上限値を越えると、黒鉛の球状化が阻害され、マトリックス中の黒鉛析出部に応力集中が起こり易く、目的とする強度が得られにくくなる。したがってＺｒは重量％で０．０００５％〜０．０９％と定めた。上記した事情を考慮し、好適にはＺｒ量は重量％で０．０００６％〜０．０９％、０．０３０％〜０．０８０％である。なおＺｒの下限値としては０．００１％、０．０１％を例示でき、Ｚｒの下限値と対応するＺｒの上限値としては０．０８５％、０．０７５％等を例示できる。
【００２６】
（α：０．０３〜０．１１％）スズ換算量（スズ換算量=スズ重量％＋銅重量％×０．１）をαとしたとき、αを０．０３〜０．１１％と定めた。Ｓｎはマトリックスを強化する目的で添加されるパーライト化元素である。Ｃｕはマトリックスを強化する目的で添加されるパーライト化元素であるが、Ｓｎに比較して上記効果において敏感性が低下し、効果的にはＳｎの効果に対して約１／１０であり、スズ換算量としては、銅重量％×０．１として把握できる。αが上記した下限値未満では、マトリックス中に十分なパーライトが生成されず、目的とする強度が得られない。一方、αが上記した上限値を越える場合は、マトリックスの強度が著しく低下し、チル組織が析出し、難加工性になる。したがって、αは重量％で０．０３％〜０．１１％と定めた。上記した事情を考慮し、好適にはαは重量％で０．０４％〜０．１１％、０．０４％〜０．１０％、０．０４％〜０．０９％である。なおαの下限値としては０．０３５％、０．０４０％等を例示でき、αの下限値と対応するαの上限値としては０．０９５％等を例示できる。
【００２７】
（Ｓｎ、Ｃｕ）Ｓｎ単独で用いても良いし、Ｃｕ単独で用いても良いし、Ｓｎ及びＣｕの双方を用いても良い。Ｓｎ単独で用いられる場合には、Ｓｎは重量％で０．０３〜０．１１％とし、好適にはＳｎは重量％で０．０４０％〜０．０８０％である。Ｃｕ単独で用いられる場合には、Ｃｕは重量％で０．９０％以下、殊に０．６５％以下とし、好適にはＣｕは重量％で０．２０％〜０．６０％である。
【００２８】
本発明に係る球状黒鉛鋳鉄のマトリックスは、パーライトが主体である。マトリックス（黒鉛部除去）に占めるパーライト率は、面積率で一般的には８５〜９８％、８７〜９５％である。
【００２９】
上記した球状黒鉛鋳鉄を製造にあたり、球状化処理後の溶湯を成形型（砂型または金型等）に注湯する際には、Ｆｅ−Ｓｉ系の接種剤を添加することができる。この場合、球状化処理後１０分以内（殊に８分以内）で接種剤を添加することが好ましい。この時間を越すと接種剤の効果が少なくなる。これを補うため接種剤の量を増やしてしまうと、結果的に、球状黒鉛鋳鉄のマトリックス中のＳｉ等の合金元素の量が過剰に増加するため、必要な特性が得られなくなるおそれがある。この場合、特に球状黒鉛鋳鉄の靱性の低下が著しくなる。
【００３０】
上記した高強度球状黒鉛鋳鉄を得るために本発明者が開発したＺｒ系の処理剤２の概念模式図を図４に示す。図４に示すように、この処理剤２は、基本的には、Ｚｒを主要成分とする合金（例えばＺｒ−Ｓｉ−Ｆｅ系）で形成された内層１０の外側に、Ｓｉを主要成分とする外層２０を被覆した構造を有する。内層１０は、Ｚｒを主要成分とする合金で形成することができる。殊に、内層１０は、Ｚｒ−Ｓｉ−Ｆｅ系の合金で形成することができ、内層１０自体を１００％としたとき、基本的には重量％でＺｒが４５〜７０％、Ｓｉが２５〜４５％、Ｆｅが３〜１５％、不可避不純物の組成に設定することができる。但しこれに限定されるものではない。Ｓｉを主要成分とする外層２０は、図４に示すように、内層１０を覆う第１外層２１と、第１外層２１を覆う第２外層２２とを備えていることが好ましい。第１外層２１はＳｉが最も高めであり、第１外層２１自体を１００％としたとき、基本的にはＳｉが重量％で７０〜１００％とすることができるが、これに限定されるものではない。第２外層２２はＳｉが高めであり、Ｆｅ−Ｓｉ系合金で形成することができ、第２外層２２自体を１００％としたとき、Ｓｉが重量％で２０〜７０％、残部が不可避不純物及び実質的にＦｅの組成とすることができるが、これに限定されるものではない。なお第１外層２１、第２外層２２はＺｒを含まないか、内層１０に比較してＺｒ含有濃度がはるかに低い。
【００３１】
一般的には、Ｚｒを含む従来技術に係る処理剤を溶湯中に添加したとしても、高融点であるＺｒ部分は、その表面から酸化が進行して酸化物を生成する。このため溶湯中へのＺｒの拡散は妨げられる。しかしながら上記した図４に示すＺｒ系の新規な処理剤２によれば、一般的には、Ｚｒを主要成分とする内層１０が溶湯に接触する前の段階で、外側の第２外層２２、第１外層２１が溶湯に接触し易い。故に、第２外層２２に含まれているＳｉ、第１外層２１に含まれているＳｉが溶湯中の酸素と結合してＳｉ酸化物を生成し、溶湯中の酸素を消費する。このため、Ｚｒを主要成分とする内層１０が溶湯に接触する段階では、処理剤２付近の溶湯部分の酸素の消費が進行しているため、Ｚｒの酸化が抑えられ、Ｚｒが溶湯中に高歩留りで溶けるものと推察される。なお、図４は処理剤２の組織構造をモデル化した概念図であり、詳細的な組織構造まで規定するものではない。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施形態について比較例、従来例と共に説明する。
【００３３】
Ｃ、Ｓｉ、Ｓ等の含有量を調整した球状黒鉛鋳鉄、または、銑鉄を出発原料として用いた。Ｃ、Ｓｉ、Ｓ等の含有量を調整した後に溶解原料を高周波溶解炉５０（溶解重量：２５ｋｇｗ、以下溶解炉と記す）で１５８０℃まで加熱し、溶解を行なった。その後、添加元素であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｃｕを適宜添加し、溶湯成分の調整を行った。添加した成分が溶湯に充分に溶解し、温度が再び１５５０℃以上になったら、図１に示すように溶解炉５０を傾斜させ、溶解炉５０の出湯口５０ａから、取鍋６０に溶湯を注湯した。この場合、取鍋６０の底部には、Ｍｇ系の球状化剤６５（平均粒径：５．０〜１．５ｍｍ）と、Ｚｒ系の処理剤２（平均粒径：１．０〜３．０ｍｍ）とが予め装入されていた。具体的には、取鍋６０の底部の室６１に、Ｍｇ系の球状化剤６５を装入し、その上にＺｒ系の処理剤２を配置し、鉄板６８で覆って保護した。
【００３４】
Ｍｇ系の球状化剤６５の上に処理剤２を配置した主な理由は、球状化剤６５と溶湯とが触れて球状化処理が行われる際には、吸熱現象が生じるため、吸熱反応をなるべく避け、高温の溶湯を処理剤６６に接触させることを意図している。なおＭｇ系の球状化剤６５の平均粒径、Ｚｒ系の処理剤２の平均粒径は上記したものに限定されるものではない。
【００３５】
本実施形態で用いたＺｒ系の処理剤２の概念模式図は図４に示されている。この処理剤２は、基本的には、Ｚｒ−Ｓｉ−Ｆｅ系の合金で形成された内層１０の外側に、Ｓｉ系の外層２０を被覆した構造を有する。Ｓｉ系の外層２０は、内層１０を覆う第１外層２１と、第１外層２１を覆う第２外層２２とを備えている。
【００３６】
内層１０は、Ｚｒ−Ｓｉ−Ｆｅ系の合金で形成されており、内層１０自体を１００％としたとき、基本的には重量％でＺｒが５８％、Ｓｉが３５％、Ｆｅが７％に設定されていた。Ｚｒ系の処理剤２を１００％としたとき、内層１０（融点：約１６００℃）の割合は重量％で１３％であった。内層１０の平均粒径は３０〜２００μｍ（例えば５０μｍ）であった。
【００３７】
第１外層２１（融点：約１４１４℃）はＳｉが最も高めの合金であり、第１外層２１自体を１００％としたとき、基本的にはＳｉが重量％で実質的に１００％であった。Ｚｒ系の処理剤２を１００％としたとき、第１外層２１は重量％で４７％であった。第１外層２１の平均粒径は６０〜４００μｍ（例えば１００μｍ）であった。  最も外側の第２外層２２（融点：約１２２０℃）はＦｅ−Ｓｉ系合金で形成されており、第２外層２２自体を１００％としたとき、重量％でＳｉが５６％、Ｆｅが４２％の組成とされていた。Ｚｒ系の処理剤２を１００％としたとき、第２外層２２は重量％で４０％であった。なお第１外層２１、第２外層２２はＺｒを含まないか、内層１０に比較してＺｒ含有濃度がはるかに低い。
【００３８】
上記のようにＭｇ系の球状化剤６５とＺｒ系の処理剤２とを予め設置した取鍋６０内に高温の溶湯を注入することにより、溶湯は球状化処理された。球状化処理後に、図２に示すように取鍋６０を傾斜させることにより、取鍋６０内の溶湯を、Ｙブロック（ＪＩＳ−Ｇ５５０２  Ｂ号試験片）用の成形型８０（砂型）に注湯し、凝固させ、試験片である発明材（Ｎｏ.１〜Ｎｏ.１０）を得た。
【００３９】
成形型８０に注湯する際には、溶湯温度にして１４１０℃以上の温度で、図２に示すように接種剤（フェロシリコン）を添加しつつ行った。この場合には、球状化処理後８分以内で成形型８０に注湯することにした。フェーディング現象を抑えるためである。
【００４０】
【表１】
0004565301.tif 000002
【００４１】
上記のようにして製造した発明材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）の組成を表１に示す。表１においてＢａｌ．は実質的残部（Balance）を意味する。表１に示すように、発明材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）は重量％で、炭素：３．０〜４．５％、シリコン：１．６〜２．５％、マンガン：０．２〜０．５％、マグネシウム：０．０３〜０．０５％、ジルコニウム：０．０００５〜０．０９％を含み、スズ換算量（スズ換算量=スズ重量％＋銅重量％×０．１）をαとしたとき、αが０．０３〜０．１１％、残部が不可避不純物および鉄からなる組成を有する。不可避不純物としてのＳは重量％で０．０２％以下、Ｐは０．１％以下であった。
【００４２】
同様に、比較例１に係る球状黒鉛鋳鉄用の溶湯（ＪＩＳ  Ｇ  ５５０３  ＦＣＤ７００相当）、比較例２に係る球状黒鉛鋳鉄用の溶湯（ＪＩＳ  Ｇ  ５５０３ＦＣＡＤ９００相当）、比較例３に係る球状黒鉛鋳鉄用の溶湯（ＦＣＤ４５０相当）をそれぞれ溶解し、同様に、Ｙブロック（ＪＩＳ−Ｇ５５０２  Ｂ号試験片）の成形型に注湯し、凝固させ、比較例１に係る非熱処理型の球状黒鉛鋳鉄、比較例２に係る熱処理型の球状黒鉛鋳鉄、比較例３に係る非熱処理型の球状黒鉛鋳鉄を得た。ＦＣＡＤはオーステンパー処理を施したものを意味する。ＦＣＤ４５０は、重量％で、炭素：２．５％以上、シリコン：２．７％以下、マンガン：０．４％以下、マグネシウム：０．０９％以下、リン：０．０８％以下、イオウ：０．０２％以下を含む組成を有する。ＦＣＤ７００は、ＦＣＤ４５０の組成をベースにしつつ、パーライト化のためにスズを微量添加したものであり、ジルコニウムは添加されていない。
【００４３】
得られた発明材（Ｎｏ．２）の代表的な光学顕微鏡組織（ナイタル腐食、倍率１００倍）を図３に示す。図３に示すように、球状黒鉛は微細であり、その数も多い。微細な球状黒鉛は高強度化に有効である。パーライト組織の結晶粒のサイズの測定は、光学顕微鏡では容易ではないものの、球状黒鉛が微細であれば、マトリックスの結晶粒も微細であると考えるのが金属組織学的に一般的である。
【００４４】
上記したＹブロックの成形型８０で得られた各発明材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）に機械加工を施して引張り試験片を形成した。引張り試験片は図５に示されている。そして引張り試験片について引張り試験を行なった。更に、上記した比較例１〜３の鋳鉄材と、熱処理を行なわずに鋳放し状態の発明材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）を用いて切削試験を行ない、切削性の評価を行なった。切削試験においては、発明材の特徴の一つでもある機械加工性の容易さを明らかにするため、一般的な超硬の切削工具による加工性について下記の条件で切削評価を行ない、歯具の逃げ面摩耗量（ＶB ）を測定して切削評価結果として、表２に併記した。
（切削評価条件）
被削材  ：外径３０ｍｍ
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り    ：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切りこみ：０．３ｍｍ
切削油  ：水溶性切削油（ケミクールＳＲー１）
切削長  ：１０００ｍ
【００４５】
【表２】
0004565301.tif 000003
【００４６】
表２に示すように発明材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）によれば、引張り強度はいずれも９００ＭＰａ以上であり、極めて高かった。発明材Ｎｏ．１は引張り強度は９２３ＭＰａ程度であり、発明材Ｎｏ．２は引張り強度は９０８ＭＰａ程度であり、発明材Ｎｏ．３は引張り強度は９２２ＭＰａ程度であった。発明材Ｎｏ．４は引張り強度は９２６ＭＰａ程度であり、発明材Ｎｏ．５は引張り強度は９２１ＭＰａ程度であった。発明材Ｎｏ．６は引張り強度は９１４ＭＰａ程度であり、Ｓｎ及びＺｒが多い発明材Ｎｏ．７は引張り強度は９２９ＭＰａ程度であった。発明材Ｎｏ．８は引張り強度は９００ＭＰａ程度であり、発明材Ｎｏ．９は引張り強度は９２０ＭＰａ程度であり、発明材Ｎｏ．１０は引張り強度は９０８ＭＰａ程度であった。
【００４７】
伸びについては、ＣＥ値に影響を与える炭素及びシリコンが多いＮｏ．９，Ｎｏ．１０を除いて、２．０％以上得られた。殊に、発明材Ｎｏ．２，Ｎｏ．５，Ｎｏ．６，Ｎｏ．８については３．０％以上の伸びが得られた。なお衝撃値（シャルピー衝撃試験  ＪＩＳ  Ｚ２２０２  Ｎｏ．３  Ｕ溝ノッチ付き試験片）としては、熱処理を行っていないため、５Ｊ／ｃｍ2以下であった。
【００４８】
比較例１に係るＦＣＤ７００によれば、非熱処理型であり、引張り強度は７３０ＭＰａ程度と低かった。比較例２に係るオーステンパー熱処理を施したＦＣＡＤ９００によれば、引張り強度は９５０ＭＰａ程度と高かったものの、切削工具が欠損した。これは熱処理を行うことで硬質なベイナイトに組織が変化し切削工具への攻撃性が大きくなるためである。また比較例３に係る非熱処理型のＦＣＤ４５０によれば、引張り強度は４８２ＭＰａ程度とかなり低かった。
【００４９】
また切削工具の刃先摩耗量によれば、発明材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）は組織に占めるパーライトの割合がかなり高いものの、表２に示すように切削性が良好であり、刃先摩耗量が抑えられていた。発明材の切削性が良好であるのは、球状黒鉛の微細化、粒数増加が寄与しているものと推察される。
【００５０】
上記した試験結果から理解できるように、発明材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）は、熱処理を行なわない非熱処理型で、鋳放し状態であるにもかかわらず、引張り強度が９００ＭＰａ以上の高強度が得られ、しかも切削性が良好であった。これにより、従来から渇望されていた鋳鉄部品の軽量化が可能となり、飛躍的に自動車部品等の軽量化が低コストで実現できる。
【００５１】
（その他）上記した実施形態によれば、球状化剤及び処理剤を同時に溶湯に添加することにしているが、球状化剤及び処理剤を個別に溶湯に添加することにしても良い。例えば、球状化剤を溶湯に添加した後に処理剤を溶湯に添加することにしても良い。あるいは、処理剤を溶湯に添加した後に球状化剤を溶湯に添加することにしても良い。本発明は上記した且つ図面に示した実施形態にのみ限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。実施形態に記載した語句は一部であっても各請求項に記載できるものである。
【００５２】
（付記）上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
（付記項１）各請求項において、Ｓｎ及びＣｕのうちの１種または２種を含むと共にＺｒを含む微細な析出物等の生成物が鋳鉄のマトリックスの粒界に生成していることを特徴とする熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする高強度球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法。高強度化に有利である。
（付記項２）伸びが０．８％以上または１．０％以上である熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に係る高強度球状黒鉛鋳鉄。
（付記項３）伸びが２．０以上である熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に係る高強度球状黒鉛鋳鉄。
（付記項４）熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上であり、衝撃値が５Ｊ／ｃｍ2以下であることを特徴とする請求項１に係る高強度球状黒鉛鋳鉄。
（付記項５）重量％で、炭素：３．０〜４．５％、シリコン：１．６〜２．５％、マンガン：０．２〜０．５％、マグネシウム：０．０３〜０．０５％、ジルコニウム：０．０００５〜０．０９％を含み、更にスズ及び銅の１種または２種を含み、スズ換算量（スズ換算量=スズ重量％＋銅重量％×０．１）をαとしたとき、αが０．０３〜０．１１％であり、残部が不可避不純物および鉄を含む組成を有すると共に、熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする高強度球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
（付記項６）Ｚｒを主要成分とする内層と、Ｓｉを主要成分とする外層とを有するＺｒ系処理剤。Ｚｒの酸化を抑え、Ｚｒを溶湯に溶け込ませ得るため、高強度鋳鉄の製造に有利である。
（付記項７）Ｚｒ、Ｓｉを主要成分とする内層と、Ｓｉを主要成分とする外層とを有するＺｒ系処理剤。Ｚｒの酸化を抑え、Ｚｒを溶湯に溶け込ませ得るため、高強度鋳鉄の製造に有利である。
（付記項８）Ｚｒ、Ｓｉ及びＦｅを主要成分とする内層と、Ｓｉを主要成分とする外層とを有するＺｒ系処理剤。Ｚｒの酸化を抑え、Ｚｒを溶湯に溶け込ませ得るため、高強度鋳鉄の製造に有利である。
（付記項９）Ｚｒを主要成分とする内層と、Ｓｉを主要成分とする外層とを有し、外層は、内層を覆うＳｉ系の第１外層と、第１外層を覆うＦｅ−Ｓｉ系の第２外層とを有することを特徴とするＺｒ系処理剤。Ｚｒの酸化を抑え、Ｚｒを溶湯に溶け込ませ得るため、高強度を有する鋳鉄の製造に有利である。
（付記項１０）Ｚｒを主要成分とする内層と、Ｓｉを主要成分とする外層とを有する球状黒鉛鋳鉄用Ｚｒ系処理剤。Ｚｒの酸化を抑え、Ｚｒを溶湯に溶け込ませ得るため、高強度を有する球状黒鉛鋳鉄の製造に有利である。
（付記項１１）Ｚｒを主要成分とする内層と、Ｓｉを主要成分とする外層とを有し、外層は、Ｓｉ系の第１外層と、Ｆｅ−Ｓｉ系の第２外層とを有することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄用Ｚｒ系処理剤。Ｚｒの酸化を抑え、Ｚｒを溶湯に溶け込ませ得るため、高強度を有する球状黒鉛鋳鉄の製造に有利である。
（付記項１２）Ｚｒを主要成分とする内層とＳｉを主要成分とする外層とを有するＺｒ系の前記記載または前記各付記項に係る処理剤を用意する工程と、Ｍｇ（一般的には球状化剤）を取鍋内に配置すると共にＺｒ系の処理剤を取鍋内に配置する工程と、取鍋内に溶湯を注入して球状化処理を行う工程と、溶湯を凝固させる工程とを順に実施し、熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上である請求項１に係る高強度球状黒鉛鋳鉄を製造する高強度球状黒鉛鋳鉄の製造方法。Ｚｒの酸化を抑え、溶け込み歩留まりの悪いＺｒを効率強く溶湯に溶け込ませ得るため、高強度球状黒鉛鋳鉄の製造に有利である。Ｍｇ（一般的には球状化剤）及びＺｒ系の処理剤は、取鍋内の同一場所に配置しても良いし、取鍋内の別の場所に配置しても良い。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上である高強度の球状黒鉛鋳鉄を提供することができる。更に本発明に係る高強度球状黒鉛鋳鉄よれば、切削性も良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】球状化剤及び処理剤を配置した取鍋に溶湯を注入して球状化処理を行う際の説明図
【図２】球状化処理後の溶湯を成形型に注湯する際の接種形態を示す説明図である。
【図３】発明材の光学顕微鏡組織を示す写真図（ナイタル腐食,倍率１００倍）である。
【図４】Ｚｒ系の処理剤の組織構造を概念的に示す模式図である。
【図５】引張り試験片を示す正面図である。
図中、５０は溶解炉、６０は取鍋、２は処理剤、６５は球状化剤を示す。
【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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