(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃを１．８ｗｔ％≦Ｃ≦２．５ｗｔ％、Ｓｉを１．０ｗｔ％≦Ｓｉ≦３．０ｗｔ％、Ｍｎを０．１ｗｔ％≦Ｍｎ≦１．５ｗｔ％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、共晶量Ｅｃが１０ｗｔ％＜Ｅｃ＜５０ｗｔ％であるチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料において、
Ｃｒを０．１ｗｔ％≦Ｃｒ≦１．０ｗｔ％含有することを特徴とするチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料。
【請求項２】
さらに、Ｎｉを０．２ｗｔ％≦Ｎｉ≦３．０ｗｔ％含有することを特徴とする請求項１に記載のチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料に係り、特に、薄肉部や細い溶湯通路部等での凝固収縮によるクラックの発生を防止することができるチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チクソキャスティング法では、鋳造材料を加熱して固相（略固相となっている相、以下同じ）と液相とが共存する半溶融状態とし、次いで、その半溶融状態の鋳造材料を加圧下で鋳型のキャビティに充填し、その加圧下で鋳造材料を凝固させるようにしている。このようなチクソキャスティング法では、鋳造材料を半溶融状態とすることにより、低い溶融温度で鋳型への鋳造が可能であるため、鋳型への熱負荷が一般の鋳造と比べて極めて軽減され、型寿命が長く経済的であるとともに、普通のダイキャスト装置を用いることができる等の利点があることから、アルミ材では広く普及している。一方、鉄系合金におけるチクソキャスティング法として、特開平５−４３９７８号公報では、Ｃ：２．６〜３．６ｗｔ％、Ｓｉ：０〜３．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．０ｗｔ％含有し、かつ、共晶の量が５０ｗｔ％以上で７０ｗｔ％以下、炭素等量（Ｃｗｔ％＋０．３Ｓｉｗｔ％）が３．５〜３．９ｗｔ％を満たすＦｅ系合金材料を用い、固相率を３０〜５０ｗｔ％としてチクソキャスティングを行うことにより、収縮孔の少ない良好な鋳物を得ることができるとされている。
【０００３】
ところで、Ｆｅ系合金材料を用いたチクソキャスティング法では、溶湯温度が低い状態で材料を鋳型へ充填するため、薄肉製品や複雑な形状の製品を成形する場合のように、内部に狭い溶湯通路を有する鋳型を用いる鋳造では、半溶融鋳造材料が鋳型壁面から急激に冷却され、得られた製品のうち液相から凝固した部分が靭性の低いチル組織になる。このチル組織は、鋳造材料の凝固収縮時にクラック発生の起点となるため、鋳型内部に狭い溶湯通路を設けないような設計を余儀なくされていた。そこで、特開平９−２３９５１３号および特開平９−２３９５１４号では、薄板形状の製品の表面性状を向上させることも兼ね、鋳型内壁部に炭素材料（黒鉛）を用いることにより溶湯の急冷を緩和し、チル組織、特にセメンタイトの生成を抑制し、割れの少ない鋳物製品を製造することができるダイキャスト用鋳型が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶湯を鋳型に直接鋳造する場合よりも低い温度での鋳造が可能なチクソキャスティング法においても、Ｆｅ系合金材料を用いると溶湯温度は１１９０℃前後というかなりの高温であり、しかも、溶湯を加圧するダイキャスト法を用いるため使用環境がかなり厳しい。したがって、炭素材料を用いた鋳型では、特に、製品の薄肉部や溶湯通路等での鋳型表面の溶損が激しい。このため、鋳型の交換を頻繁に行う必要があり、経済的でなく生産性も低下するという問題があった。したがって、薄肉製品のクラックの発生を防止するために、鋳造材料そのものを改善することが重要な課題となっていた。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、従来の鋳型を用いることで経済性および生産性を低下させることなく、凝固収縮時のクラック発生の起点となるチル組織の強度を向上させることにより、薄肉や細形状の製品であってもクラックの発生を未然に防止することができるチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、チル組織に起因するクラック発生を防止するために鋭意研究を重ねた結果、含有元素の１つであるＣｒに着目した。すなわち、本発明者は、Ｆｅ系合金材料にＣｒを規定量添加することにより、半溶融状態に調整した場合の液相中にＣｒ炭化物が生成し、チクソキャスティング後においては、複雑形状（薄肉部）を有する成形品であっても、Ｃｒ炭化物によってチル組織が強化され、その結果、鋳型中での凝固収縮によるクラックの発生が防止されることを見い出した。また、固相中に固溶しているＣｒは固相部分にオーステナイトを残留させ、これによって組織全体の靭性が増加することも判った。
【０００７】
本発明は、上記知見に基づいてクラック発生の防止に寄与するＣｒ量を定量的に解析してなされたものであり、Ｃを１．８ｗｔ％≦Ｃ≦２．５ｗｔ％、Ｓｉを１．０ｗｔ％≦Ｓｉ≦３．０ｗｔ％、Ｍｎを０．１ｗｔ％≦Ｍｎ≦１．５ｗｔ％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、共晶量Ｅｃが１０ｗｔ％＜Ｅｃ＜５０ｗｔ％であるチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料において、Ｃｒを０．１ｗｔ％≦Ｃｒ≦１．０ｗｔ％含有することを特徴としている。以下、上記数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。
【０００８】
共晶量Ｅｃ：１０ｗｔ％＜Ｅｃ＜５０ｗｔ％
Ｆｅ系合金材料を加熱していくと、共晶温度で共晶の溶融が始まり、その溶融潜熱のために温度の上昇は一時停止し、その温度で共晶の溶融が進行する。そして、全ての共晶が溶融すると温度は再び上昇し始める。したがって、共晶量が多ければ固相率が低くなる。チクソキャスティング法では、固相率を厳密に管理する必要があることから、共晶温度よりもやや高い温度まで加熱することで加熱温度に基づいて固相率を管理する。本発明では、共晶量Ｅｃを前述の特開平５−４３９７８号における５０ｗｔ％≦Ｅｃ≦７０ｗｔ％よりも低く設定することにより、製品の機械的特性を向上させるとともに固相率を高めている。
【０００９】
一般に、Ｆｅ系合金材料を加熱して半溶融状態にすると、共晶の溶融（共晶溶解）で生じた液相が固相の周りを取り囲む。液相は大きな潜熱を持っているためその流動性が維持され、固相が成長して凝固収縮が進行している間も固相どうしの隙間に液相が充分に供給され、ミクロンオーダーの空孔の発生が防止される。これにより、チクソキャスティング特有の機械的特性を有する製品を得ることができる。ところが、共晶量が上記従来技術のように多いと、熱処理後に粗大な黒鉛の析出量が多くなって製品の機械的特性が通常の鋳込みによる鋳物と同等になってしまう。本発明者の検討によれば、共晶量Ｅｃを５０ｗｔ％未満にすることにより、製品のヤング率、引張強さ、疲労強度等の機械的特性が向上することが判明している。また、共晶量Ｅｃを５０ｗｔ％未満にすることで固相率を高めることができ、半溶融材料の自立性等の取扱性を向上させることができる。
【００１０】
一方、共晶量Ｅｃが１０ｗｔ％以下の場合には、鋳造温度（半溶融Ｆｅ系合金材料の温度、以下、同じ）がＦｅ系合金の平衡状態図の液相線近くまで上昇してしまい、鋳造装置や搬送装置の熱負荷が高くなってその耐久性を劣化させる。よって、共晶量Ｅｃは、１０ｗｔ％＜Ｅｃ＜５０ｗｔ％とした。
【００１１】
Ｃ：１．８ｗｔ％≦Ｃ≦２．５ｗｔ％
ＣはＳｉとともに共晶量を左右する元素であり、共晶量が１０ｗｔ％を上回るようにするためには１．８ｗｔ％以上含有する必要がある。また、Ｃの含有量が１．８ｗｔ％未満では、Ｓｉの含有量を増やして共晶量が１０ｗｔ％を上回るようにしても、鋳造温度が高くなってしまうのでチクソキャスティングの利点が滅殺される。一方、Ｃの含有量が２．５ｗｔ％を上回ると共晶量が多くなり、その結果、前述のように黒鉛の析出量が多くなるとともに、固相率が低下して鋳造装置の耐久性と半溶融材料の取扱性を低下させる。よって、Ｃの含有量は１．８ｗｔ％≦Ｃ≦２．５ｗｔ％とした。
【００１２】
Ｓｉ：１．０ｗｔ％≦Ｓｉ≦３．０ｗｔ％
Ｓｉの含有量が１．０ｗｔ％未満では、Ｃの含有量が１．８ｗｔ％未満のときと同様に鋳造温度が高くなってしまう。一方、Ｓｉの含有量が３．０ｗｔ％を上回ると、硬くて脆いシリコフェライトが増加して製品の機械的特性の向上を図ることができない。よって、Ｓｉの含有量は１．０ｗｔ％≦Ｓｉ≦３．０ｗｔ％とした。
【００１３】
また、ＣとＳｉの含有量と固相率との関係から上記数値限定の根拠を説明する。図１はＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金における加熱温度と固相率との関係を示す線図であり、Ｃ，Ｓｉ含有量がそれぞれ本発明の下限値の１．８ｗｔ％、１．０ｗｔ％の場合と、Ｃ，Ｓｉ含有量がそれぞれ本発明の上限値の２．５ｗｔ％、３．０ｗｔ％の場合の加熱温度−固相率の関係を示している。Ｃ，Ｓｉ含有量の下限値未満では、必要な固相率Ｒ（例えばＲ＞５０ｗｔ％）を得るためには鋳造温度がかなり高くなってしまうのが判る。換言すれば、鋳造装置等の耐久性の観点から設定される鋳造温度では固相率が高く、溶湯の充填不良や湯境などにおける成形不良が生じる。一方、Ｃ，Ｓｉ含有量の上限値を上回ると、固相率が低くなり、半溶融材料の自立性等の取扱性が低下する。なお、図１には、後述する実施例３（Ｃ：２．３８ｗｔ％、Ｓｉ：１．９９ｗｔ％）と比較例１（Ｃ：２．２７ｗｔ％、Ｓｉ：１．９８ｗｔ％）の加熱温度と固相率の関係も示した。
【００１４】
Ｍｎ：０．１ｗｔ％≦Ｍｎ≦１．５ｗｔ％
Ｍｎは脱酸剤として添加されるが、そもそもオーステナイト生成元素であり、固相部分にオーステナイトを残留させる重要な元素である。Ｍｎの含有量が０．１ｗｔ％を下回ると、脱酸剤としての効果がなくなり、また、固相部分でのオーステナイトの残留が全くなくなるとともに、チル組織を呈するレデブライトにおけるオーステナイトの晶出が全く行われなくなり、チル組織の強化ができず、クラックの発生の防止ができなくなる。一方、Ｍｎの含有量が１．５ｗｔ％を上回ると、レデブライト中のセメンタイト［（ＦｅＭｎ）３Ｃ］の析出量が多くなるため、製品の靭性および切削性が低下する。よって、Ｍｎの含有量は０．１ｗｔ％≦Ｍｎ≦１．５ｗｔ％とした。
【００１５】
Ｃｒ：０．１ｗｔ％≦Ｃｒ≦１．０ｗｔ％
本発明では、Ｃｒは液相中にＣｒ炭化物を生成してチル組織を強化するとともに、固相中に固溶した場合の固相部分にオーステナイトを残留させる重要な元素である。Ｃｒの含有量が０．１ｗｔ％を下回ると液相と固相に分散する量が少なく、Ｃｒ炭化物の生成ならびにオーステナイトの残留が不充分となる。一方、Ｃｒの含有量が１．０ｗｔ％を上回ると熱処理時のセメンタイトの分解を妨げ、未分解のセメンタイトによって製品の靭性および切削性が低下する。よって、Ｃｒの含有量は０．１ｗｔ％≦Ｃｒ≦１．０ｗｔ％とした。
【００１６】
さらに、本発明者は、オーステナイト生成元素であるＮｉに着目して検討を重ねた結果、Ｎｉを０．２ｗｔ％≦Ｎｉ≦３．０ｗｔ％の範囲で上記元素と併用することにより、鋳造後の凝固収縮によるクラックの発生をより一層確実に防止できることを見出した。Ｎｉの数値限定の根拠は、次による。
【００１７】
Ｎｉ：０．２ｗｔ％≦Ｎｉ≦３．０ｗｔ％
オーステナイト生成元素であるＮｉは、オーステナイトの残留をさらに促進させるとともに、残留させたオーステナイトに不純物を閉じ込めて無害化する。つまり、靭性を低下させる不純物を靭性に富むオーステナイト中に分散させることにより、不純物が機械的特性に対して影響しないようにする働きがある。また、Ｎｉは肉厚部のように徐冷される部分のパーライト化を防止する働きがある。そのような効果を得るためには、Ｎｉの含有量は０．２ｗｔ％以上必要である。一方、製品を鋳造した後には、セメンタイトを消失させて微細な球状黒鉛にする熱処理が行われるのが通常であるが、Ｎｉの含有量が３．０ｗｔ％を上回ると、析出した黒鉛が凝集して靭性を低下させるとともに、熱処理後の冷却でマルテンサイト化し硬度が高くなる。さらに、Ｎｉの過剰な添加は材料費のコストアップにつながる。よって、Ｎｉの含有量は０．２ｗｔ％≦Ｎｉ≦３．０ｗｔ％とした。
【００１８】
ここで、上記のようなチクソキャスティング用Ｆｅ系合金材料を用いて鋳造するには、固相率が５０ｗｔ％を上回る半溶融状態とすることが望ましい。これにより、鋳造温度を低温側へシフトして鋳造装置の劣化を緩和するとともに、オーステナイトが残留した微細な固相組織が多いことは、凝固収縮時のクラックの発生防止に一層の効果をもたらす。また、固相率が５０ｗｔ％以下では、液相量が多すぎて半溶融材料の自立性と取扱性が悪化する。
【００１９】
【実施例】
以下、具体的な実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
Ａ．鋳造装置
図２は、図３に示すオイルポンプカバー２０を鋳造するために用いられる加圧鋳造装置１を示す断面図であり、鋳造されたオイルポンプカバー２０は、湯道２１と製品部２２とからなっている。この加圧鋳造装置１は、鉛直な合せ面２ａ、３ａを有する固定金型２および可動金型３を備え、両合せ面２ａ、３ａ間に鋳物形成用キャビティ４が形成される。固定金型２には、Ｆｅ系合金材料５を収容するチャンバ６が形成され、チャンバ６は円錐台形孔７およびゲート８を介してキャビティ４に連通している。また、固定金型２には、チャンバ６に連通するスリーブ９が水平に取り付けられ、スリーブ９には、チャンバ６に挿入されるプランジャ１０が水平方向に摺動自在に嵌合されている。そして、スリーブ９の周壁上部に形成された材料挿入口１１から半溶融状態のＦｅ系合金材料５を落下させ、プランジャ１０を左方向へ水平移動させることで材料５をキャビティ４内に充填するようになっている。
【００２０】
キャビティ４には、ゲート８の直後の位置に湯道４ａが設けられ、オイルポンプカバー２０の中央の孔２３を形成する抜きピン４ｂと周縁部のボルト孔２４を形成する抜きピン４ｃが設けられている。なお、固定および可動金型２，３は、例えばＳＫＤ６１等の鉄系合金で構成される。なお、冷却速度を増すためにＣｕ−Ｂｅ系合金、Ｃｕ−Ｃｒ系合金、Ｃｕ−Ｎｉ系などの銅系合金で構成しても良い。
【００２１】
Ｂ．鋳造用材料
図４は、本実施例（比較例も含む）で使用されるＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金材料におけるＣおよびＳｉ含有量と共晶量Ｅｃとの関係を示す線図である。同図に示すように、固相線の右側へ向かって、共晶量Ｅｃがそれぞれ１０ｗｔ％、２０ｗｔ％、３０ｗｔ％、４０ｗｔ％、５０ｗｔ％、１００ｗｔ％の、１０ｗｔ％共晶線、２０ｗｔ％共晶線、３０ｗｔ％共晶線、４０ｗｔ％共晶線、５０ｗｔ％共晶線、１００ｗｔ％共晶線が並んでいる。
【００２２】
また、Ｆｅ系合金材料の共晶量Ｅｃは１０ｗｔ％＜Ｅｃ＜５０ｗｔ％としており、これは、図４では１０ｗｔ％共晶線と５０ｗｔ％共晶線の間の範囲となる。さらに、Ｆｅ系合金材料のＣの含有量は１．８ｗｔ％≦Ｃ≦２．５ｗｔ％、Ｓｉの含有量は１．０ｗｔ％≦Ｓｉ≦３．０ｗｔ％としており、この含有量で図４を区画すると、点ａ１〜点ａ６を結んで得られる略六角形状の範囲となる。そして、以下に説明する本発明の実施例と比較例のＦｅ系合金材料の成分は、その略六角形状の範囲内となるように調整されている。なお、図４における括弧内の数字は、Ｃ含有量をｘ軸、Ｓｉ含有量をｙ軸としたときの座標である。
【００２３】
Ｃ．鋳造試験
図２に示す加圧鋳造装置１を用いて、直径が５０ｍｍ、長さが６５ｍｍの円柱状Ｆｅ系合金材料を半溶融状態に加熱し、最小肉厚部の厚さが２．５ｍｍ、図３に示す９箇所の抜き穴を有するオイルポンプカバーを鋳造した。その際の金型の予熱温度は２５０℃、加圧保持時間は１秒とし、また、離型材にはグラファイトを用いた。この鋳造に使用したＦｅ系合金材料の成分を表１に示す。なお、これら材料は、いずれも共晶量が５０ｗｔ％未満であり、かつ鋳造時の固相率が５０％を上回るものとした。以上のＦｅ系合金材料を用いて鋳造したオイルポンプカバーのクラックの発生の有無をレッドマークチェックで確認し、また熱処理後における靱性および切削性を調べた。これらの総合的な評価を、クラックの発生がなく靱性および切削性も良好な場合を「○」、クラックが発生したり靱性あるいは切削性が不良な場合を「×」として表１に併記した。なお、熱処理は１１００℃で６０分保持後、空冷の焼鈍処理を施すものとした。
【００２４】
【表１】
0003876099.tif 000002
【００２５】
図５に、実施例のＦｅ系合金材料によって鋳造したオイルポンプカバーを示す。実施例１〜３においてはクラックが一切発生せず、また、良好な靱性および切削性を示した。特に、実施例１ではＮｉを含んでいないことからＣｒ単独でクラックの発生を防止する効果があることが実証された。一方、比較例１〜４においてはクラックが発生した。また、比較例５ではクラックの発生は認められなかったが、靱性が低く切削性が劣っていた。ここで、図６に実施例３の表面性状を、また図７に比較例３の表面性状をそれぞれ示す。比較例３では、黒ベタ矢印で指す部分に表面割れが生じており、また、白抜き矢印で指す部分に湯じわが生じている。実施例３では表面割れや湯じわといった欠陥は認められず、鋳造性が良好であることが判る。図８は、比較例３に生じたクラック部分を示す顕微鏡写真（１００倍）である。このようなクラックは、鋳造時に液相であったレデブライト共晶部に発生することが判明しており、Ｃｒを添加することよりレデブライト共晶部の強度不足がＭｎとともにセメンタイトを強化することで補われ、クラックの発生が防止されたと推察される。
【００２６】
Ｄ．金属組織観察
図９は、実施例３の表面近傍の内部組織を示す顕微鏡写真（１００倍）である。内部組織はクラックの発生した図８の比較例３と同様であり、成形時に固相であった白い円状のオーステナイト部と、針状のマルテンサイト部と、それを取り囲む成形時液相であった灰色地に黒色の粒状物が点在するレデブライト共晶部とからなる。両図を比較するとその組織に差異は認められず、Ｃｒ添加の影響での組織変化による強度向上効果は否定される。よってＣｒは、割れの発生するレデブライト共晶中のセメンタイトの強度を効果的に向上させていると言える。また、図１０は比較例５の表面近傍の内部組織を示す顕微鏡写真（４００倍）である。比較例５はＣｒが１．０３ｗｔ％添加されており、セメンタイト中のＣｒが十分に分解されていない状態が顕著に認められる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ系（三元系）合金材料においてＣｒ含有量を適切に限定したことにより、凝固収縮時にクラック発生の起点となるチル組織が強化されるとともに靭性の高いオーステナイトが効果的に残留し、その結果、薄肉や細形状の製品であってもクラックの発生を未然に防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  Ｃ，Ｓｉ含有量に対応した加熱温度と固相率との関係を示す線図である。
【図２】  本発明の実施例で使用した加圧鋳造装置の断面図である。
【図３】  実施例のＦｅ系合金材料で鋳造したオイルポンプカバーを示す平面図である。
【図４】  Ｃ，Ｓｉ含有量と共晶量との関係を示す線図である。
【図５】  実施例のＦｅ系合金材料で鋳造したオイルポンプカバーを示す写真である。
【図６】  実施例のＦｅ系合金材料で鋳造したオイルポンプカバーの表面性状を示す写真である。
【図７】  比較例のＦｅ系合金材料で鋳造したオイルポンプカバーの表面性状を示す写真である。
【図８】  比較例のＦｅ系合金材料で鋳造したオイルポンプカバーのクラック部分の内部組織を示す顕微鏡写真である。
【図９】  実施例のＦｅ系合金材料で鋳造したオイルポンプカバーの内部組織を示す顕微鏡写真である。
【図１０】比較例のＦｅ系合金材料で鋳造したオイルポンプカバーの内部組織を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１…加圧鋳造装置、４…キャビティ、５…Ｆｅ系合金材料。
【図１】
0003876099.tif 000003
【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】
0003876099.tif 000009
【図８】
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【図９】
0003876099.tif 000011
【図１０】
0003876099.tif 000012