(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：３．０〜４．０％，Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．０００５〜０．０５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０５％、及び黒鉛の球状化処理を行う際に含まれたＭｇを含み、残りＦｅの成分よりなるダクタイル鋳鉄材において、球状黒鉛が球状化率９０％以上を維持したままフェライトベースの基地に晶出し、引張強度４５０ＭＰａ以上、かつ伸び２０％以上を維持し、前記フェライトベースの基地に晶出している球状黒鉛が少なくとも２，０００個／ｍｍ2以上測定されていることを特徴とする強靭なダクタイル鋳鉄材。
【請求項２】
溶湯成分がＣ：３．０〜４．０％，Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、残りＦｅとなるように溶解、精練した後、該溶湯にＭｇを主体とした球状化処理剤を加えて黒鉛の球状化処理を行なうと同時にまたはその後に、接種剤を溶湯へ接種して最終的にＢｉが０．０００５〜０．０５％、Ｃａが０．０００１〜０．０５％の範囲で明確に検出できるように添加し、パーライト面積率０％且つＣａＯが析出しないように鋳造することを特徴とする強靭なダクタイル鋳鉄材の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、Ｂｉ、Ｃａの添加は化学成分がＳｉ：２０〜８０％、Ｂｉ：０．１〜２５．０％、Ｃａ：１〜４０％、残りＦｅよりなる合金粉末または混合粉末を接種剤として使用することを特徴とする強靭なダクタイル鋳鉄材の製造方法。
【請求項４】
Ｂｉ、Ｃａを添加する際の接種剤の粒径が０．０５ｍｍ〜６ｍｍであることを特徴とするについて請求項２又は３に記載の強靭なダクタイル鋳鉄材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダクタイル鋳鉄材、およびその製造方法に係り、生型、乾燥型、時硬性鋳型の他、たとえば消失模型鋳型など特殊な鋳造法によって製造されるダクタイル鋳鉄製の鋳造品において焼鈍特性に優れ、組織が緻密で強度と靭性を兼ね具えた材料の製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダクタイルとは靭性を意味し、従来の鋳鉄の常識を破った材料として広く多用され今日に至っている。球状黒鉛鋳鉄とも呼ばれ、従来のネズミ鋳鉄では異方性の強い薄片状の黒鉛が析出するのに対し、ダクタイル鋳鉄の黒鉛は小結晶が共通の核から放射状に発達した集合体として球状を呈しており、材料強度と伸びを具えた特性の原因となっている。現在は自動車産業をはじめ産業用機器、装置の部材として多方面で利用され、さらに材質の向上を目指して多くの開発、研究が続けられている。
【０００３】
特開平１−３０９９３９号公報による従来技術では、自動車などのフェライト地の球状黒鉛鋳鉄において、伸び、特に低温衝撃値を向上し熱処理を省略、または容易にすることを課題とし、通常の球状黒鉛鋳鉄成分の他に、Ｃｒ：０．１％未満、Ｂｉ：０．００１５〜０．００８％を含み、Ｃ．Ｅ値を３．９〜４．６にすることで黒鉛粒数を３００個／ｍｍ2以上の組織としたとしている。
【０００４】
本来、球状黒鉛鋳鉄では、Ｓを筆頭にＳｂ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｐｂなどが微量含まれると、球状の黒鉛が晶出し難いというのが定説である。しかし、この従来技術では適量のＢｉを添加して黒鉛粒数を３００個／ｍｍ2以上とすることでパーライトを減少させ、低温熱処理、または熱処理なしで十分な伸びと衝撃値を得たと謳っている。しかし、Ｂｉは溶湯に対する溶込み歩留りが悪く、歩留り率の変動も大きいから、残留含有量を維持するためには添加量を０．００５〜０．０２５％の範囲に設定する必要があるが、残留Ｂｉ量が０．００８％を超えてしまうと黒鉛の球状化が阻害され、球状化率が８０％以下となるので注意が必要であるとしている。同じ出願人による特開平２−７００１５号の従来技術もほぼ同じ要旨からなっている。Ｂｉの添加について、この従来技術では円錐形の塊状Ｂｉを添加し、または粒状として紙などに包んで添加してＢｉ歩留まりを向上させたとあり、同時にＦｅ−Ｓｉの接種剤を使用した実施例を報告している。
【０００５】
特開平６−９３３６９号公報に係る別の従来技術では、従来の球状黒鉛鋳鉄よりも微細な球状黒鉛、および快削元素としてＣａ化合物を鋳鉄中に均一に分布させることによって被削性の向上を図るため、溶湯にＭｇの存在下でＣａを添加し、その後、Ｂｉを添加することによってＣａ化合物を微細化して多数晶出させることができ、鋳放しのままで被削性と機械的性質の改善ができると謳っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
実際にＢｉの添加は明らかに黒鉛の微細化に有効であるとはいえ、その使用方法を誤ると黒鉛の球状化を阻害して機械的強度と伸びを失い、ダクタイル鋳鉄としての折角の特徴が薄れてくる危惧がある。そのため添加量に厳しい上限を設けているが、本来、Ｂｉ自体の蒸気圧が低く、歩留まりの悪いことではトップクラスの成分であるから、如何に毎チャージの溶湯条件を均一に保つように努めたとしても、溶湯中に溶存する酸素量やＳ分を厳密にコントロールすることはかなり難しく、実用上、その厳しい上限が足かせとなる恐れは十分にある。
【０００７】
後に引用した最後の従来技術は、この点、Ｍｇの存在下でＣａを添加し、その後、Ｂｉを添加するというようにＣａの添加を要件としたことで前記引用例の危惧を解消する一つの答になっている。この従来技術の特徴は添加の順序によって快削性向上に差の出ることに着目し、添加剤の順序を変えてテストを重ねた末、このような結論に達したのではないかと推定されるが、実施例としてサポートされたのは、切削工具（ドリル）の磨耗量と切削長の関係グラフだけで、成分と組織や機械的性質との因果関係について具体的に何の例証もされていないので、詳細は分からない。
【０００８】
とくに該引用例は鋳放しのままで快削性と機械的性質の向上を図ることを課題とし、Ｃａを鋳鉄の基地組織内へ快削物質（ＣａＯ）として晶出させることに焦点を絞って説明されているが、普通、ＣａＯのような溶湯と反応した酸化生成物はノロとして浮上分離させて排除するものであり、それを鉄基地内に留めて分散させるためには何か開示されないノウハウがあるのかも知れない。しかし、鉄基地に微細に封じ込んで分散晶出しているとすれば、無数のミクロ的な欠陥が均等に分散しているのに等しく、確かに切削時に工具に掛かる負担は軽減され、快削性の向上に繋がるであろうことは理解できる。
【０００９】
しかし、ＣａＯという通常は非金属介在物（微滓とも呼ぶ）として取り扱われるミクロ的な不純物が全体に分散しているのであれば、なぜ機械的性質、具体的には引張強度や伸びが向上するのか、具体的な実施例の記載がないだけに理解し難い。たとえＢｉの添加によって黒鉛が微細化しても、無数の介在物の存在は基地の清浄度を著しく汚損し、構造材としての価値を問われる懸念があるのではないか。
【００１０】
また、鋳型との関係からいえば、従来から生型、乾燥型、有機、無機の自硬性型、シェル型、など多様な種類が実用化され、Ｖプロや消失模型鋳型などもかなり普及しつつある。Ｖプロは鋳型内が減圧されているから、溶湯の流動性にはプラスに働くが、消失模型（フルモールド）は砂中に埋め込んだ発砲ポリスチレン模型が溶湯の熱で直ちに燃焼し、ガス化してわずかの燃え滓が残る現象を原理とするので、原料である発砲ポリスレンの熱分解による吸熱反応によって湯流れにはマイナスに働き、製品の一部に前記の燃え滓を巻き込んだり、一部がチル化したり、複雑な形状の場合には湯回り不良による形状・寸法上の不良原因となる。そのため出湯温度を他の鋳型より高める必要があり、エネルギーコストの点で不利な条件は否めないという課題もある。
【００１１】
本発明は以上の公知事実をベースとした上で、全面清浄度の高いフェライト基地として高い靭性を与えた上、組織の微細化とほぼ完全な黒鉛の球状化によって強度も兼ね合わせた強靭なダクタイル鋳鉄材の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するめの手段】
本発明に係る強靭なダクタイル鋳鉄材は、Ｃ：３．０〜４．０％，Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、残りＦｅの成分よりなるダクタイル鋳鉄材であって、特にＢｉ：０．０００５〜０．０５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０５％を含み、多数の球状黒鉛が球状化率９０％以上を維持したままフェライトベースの基地に晶出し、引張強度４５０ＭＰａ以上、かつ伸び２０％以上を維持することによって前記の課題を解決した。
【００１３】
また、該ダクタイル鋳鉄材を製造する方法としては、溶湯成分がＣ：３．０〜４．０％，Ｓｉ：１．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１％以下、残りＦｅとなるように溶解、精練した後、該溶湯にＭｇを主体とした球状化処理剤を加えて黒鉛の球状化処理を行なうと同時にまたはその後に、接種剤を溶湯に接種して最終的にＢｉ：０．０００５〜０．０５％、Ｃａ：０．０００１〜０．０５％の範囲で明確に検出できるように歩留まりを計算に入れて添加して鋳造を行なう手順を要件とする。なお接種のタイミングは球状化処理後の方がより好ましい。
【００１４】
この場合、具体的には、Ｂｉ、Ｃａの添加は化学成分がＳｉ：２０〜８０％、Ｂｉ：０．１〜２５．０％、Ｃａ：１〜４０．０％、残りＦｅよりなる合金粉末または混合粉末を接種剤として使用することが望ましい。
【００１５】
接種材の粒径は細かいほど接種の歩留まりは向上し効果が上がるが、細かすぎると接種時に粉末が飛散し逆に効果が低減する。よって下限を０．０５ｍｍとする。また、上限は６ｍｍを超えると接種剤が均一に溶湯中に拡散できず効果が出ない。よって、粒径範囲を０．０５ｍｍ〜６ｍｍとする。最適範囲は、下限が粉末管理面からまた経済性から０．１ｍｍ以上とする。
【００１６】
このダクタイル鋳鉄材の成分限定は通常のＪＩＳ  Ｇ  ５５２６・５５２７、または日本水道協会の規定（ＪＷＷＡ  Ｇ  １１３・１１４）をほぼ踏襲し、ただ、鋳造直前にＢｉを最終的に０．０００５〜０．０５％、またＣａを０．０００１〜０．０５％が明確に検出できるように歩留まりを考慮した添加量を接種して、黒鉛を微細に晶出して球状黒鉛数を大量に増発させ、マトリックスをフェライト組織とし緻密で強靱な組織に調質することを特徴とする。
【００１７】
球状黒鉛鋳鉄の溶湯へＢｉを添加して黒鉛を微細化し均一に基地中へ分配する作用自体は公知であり、同じような働きをする元素としてＳｂ、Ｔｅ、Ｓｎなども知られている。Ｂｉは０．０００５％を超えてから優れた黒鉛晶出能を示し、０．０５％以上では黒鉛晶出能が低下したり、球状化阻害などの悪影響が出てくる。しかし本発明ではＢｉの添加は粉粒体状による接種で、Ｂｉの添加と共にＣａ添加をＦｅ−Ｓｉ−Ｂｉ−Ｃａの混合粉末または合金粉末を使用することによって発明の目的を効果的に達成できることを特に挙げておきたい。Ｃａは接種することによってＢｉの歩留まりを向上する安定化作用が顕れる。すなわち黒鉛核発生の凝固初期の段階でＣａが液化し、液相ＣａとＢｉが接触するとＢｉ−Ｃａの金属間化合物を形成して、蒸気圧が低いＢｉの気化損耗を抑止する作用があるのではないかと推定される。いうまでもなくＣａには溶湯に対する脱酸、脱硫の作用があって黒鉛球状化の大敵であるＳを取り除く作用が具わっているから、Ｂｉと共存することによってＢｉの球状化阻害要因を補って正常な球状化の進行に貢献する相乗作用があると考えられる。Ｃａは０．０００１％を超えてから明確にＢｉとの相乗効果が確認され、０．０５％を超えると不経済な上、相乗効果は減少し、外観不良等も増加する。なお、このような働きはＣａ以外の元素としてＭｇ、Ｓｒ、Ｂａなど周期律表ＩＩA族の金属や、希土類元素をブレンドした接種剤でも期待される。
【００１８】
また、Ｃａによる有効な脱硫、脱酸作用は溶湯の流動性改善にも有効である。溶湯の湯流れを決める要素の第一は当然、その保有する熱エネルギーであるが、溶湯内に残るＯ2，Ｈ2，Ｎ2などの溶存ガスの存在も無視できず、また消失模型では鋳型内を先行する湯先部の酸化、鋳型との反応で発生する燃焼ガスの侵入などの影響も考えられ、Ｃａの存在はこれら負の条件を退ける阻止要因として期待され、事実、消失模型（フルモールド）に鋳造した場合の不良率の発生に如実に反映している。
【００１９】
【発明の実施の形態】
表１は本発明の実施例および比較例の成分一覧表であり、各成分ともに通常のダクタイル鋳鉄材として適用される標準成分であるが、Ｂｉ、Ｃａ添加の有無だけが両者を分ける相違点である。比較例１はＢｉ、Ｃａ共に０％であり、比較例２はＢｉのみの添加でＣａを欠き、実施例１〜３は明確にＢｉ、Ｃａが検出された例である。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
溶解はキュポラ炉によって行ない、成分調整、脱酸、脱硫など基準通りの溶製を行なった後、１４５０℃にてＭｇの圧力添加、取鍋に出湯後、口径１００ｍｍの異形管用消失模型鋳型に注湯する。管厚は８．５ｍｍである。この注湯に際して、化学成分がＳｉ：２０〜８０％、Ｂｉ：０．１〜２５．０、Ｃａ：１〜４０％、残りＦｅよりなる合金粉末または混合粉末を流下しつつある溶湯へ散布して万遍なくＢｉ、Ｃａの添加を行なう。なお、Ｂｉ、Ｃａの添加については、該注湯流接種のみではなく、取鍋中添加してもよく、また、両者を併用してもよい。鋳型への注湯温度は約１３００℃で、凝固後、鋳型から製品を取り出す。この実施例１〜２に使用した接種剤は、Ｂｉ：１０％、Ｃａ：１８％、Ｓｉ：４７％、残りＦｅからなり、実施例３に使用した接種剤は、Ｂｉ：１８％、Ｃａ：２７％、Ｓｉ：５０％、残りＦｅで、すべて粒径は０．１〜０．５ｍｍの混合粉末を選んだ。接種量については経験的に目標残留％に対する歩留まりを勘案しつつ溶湯量、製品サイズなどの要素に基づいて区分けして決定している。
【００２２】
図１は本発明の比較例１〜２と実施例１の顕微鏡組織の写真（倍率１００倍）であり、図１（Ａ）（Ｂ）が比較例１、比較例２でパーライトの面積率がそれぞれ約２４％と９％と残存し、球状黒鉛数が３８６、７４８個／ｍｍ2の数値が計測され、通常のダクタイル鋳鉄の標準品では、パーライトの残留が多く完全フェライト化に達していないことを立証している。また、薄肉部においてはチル化しているものもあった。これに対し図１（Ｃ）の実施例１では、パーライト面積率０％で完全にフェライト化し、球状黒鉛数も２０００個／ｍｍ2を超え、きわめて微細で清浄な単一基地に完全球状化した黒鉛が均等に分散している。もちろんＣａＯのような非金属介在物の析出もなく、高い靭性と強度を同時に具えている特性を示唆している。なお、本発明の実施例における球状黒鉛数とは、倍率１００倍の視野で測定し粒径１μｍ以下の粒数を除いた値である。
【００２３】
このことからも例証されるように、Ｂｉ単独の残留によっても鋳放し状態における黒鉛粒数は公知の通り確かに増加するが、Ｃａが検知できる程度まで共存すれば、相乗作用によって黒鉛粒数の増加は一層昂進し、組織緻密化という改善効果はさらに高まることが判る。また、非常に冷却速度の早い薄肉部や、金型の場合などにおいても、チル化を防止する効果が期待できる。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
表２は前記比較例１〜２と実施例１〜３の機械的性質をまとめたもので、実施例は４５０ＭＰａ以上というＦＣＤ４５０の引張強さをクリアした上、２０％以上というＦＣＤ４００の伸びも満足することができ、強度と伸びとは逆行するという金属一般の原則を超えるきわめて異例の強靭性を具える万能振りを示す。基地のフェライト相を晶出する前組織であるオーステナイト一次結晶粒が微細化され、黒鉛の粒数増加と微細化と高い球状化率の維持が、これをバックアップした結果と推定できる。
【００２６】
【発明の効果】
鉄系材料の溶湯から凝固初期にかけてのＣａの挙動にはまだ判らない一面もあるが、本発明の顕微鏡組織を見る限り、ＣａＯのような非金属介在物の晶出は認められない。発明者らの別のラボテストでは、球状黒鉛粒子を分析すると粒子中心はきわめてＣａリッチであることが確認され、黒鉛核発生の凝固初期の段階でＣａがその起点となる可能性が捉えられた。少なくともＣａの存在がＢｉの特殊な作用と共働きして、上手に利用すれば理想に近い強靭材料を構成するという効果は大きく、多数の球状黒鉛数と細かい二次晶出のフェライト結晶の基地によって強度、靭性、耐食性、耐摩耗性、疲労強度など、すべての面で従来技術を凌駕する組織を構築する効果がある。これは製造したダクタイル鋳鉄材自体の品質を理想的な状態に向上させる等、画期的な影響を産業界にもたらす効果も図り知れない。
【図面の簡単な説明】
【図１（Ａ）】本発明の比較例１の顕微鏡組織の写真である。
【図１（Ｂ）】本発明の比較例２の顕微鏡組織の写真である。
【図１（Ｃ）】本発明の実施例１の顕微鏡組織の写真である。
【図１（Ａ）】
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【図１（Ｂ）】
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【図１（Ｃ）】
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