(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を２．０〜４．５ｍａｓｓ％、アルミニウムを２．０〜２０．０ｍａｓｓ％およびシリコンを１．０〜３．０ｍａｓｓ％含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム含有鋳鉄を大気または酸素含有雰囲気中で７５０〜１１００℃の温度で加熱処理し、鋳造時に晶出した表層部の黒鉛を酸素によって脱炭するとともに、脱炭により生じた空隙において組成成分のアルミニウムに由来するアルミナを生成させ、表面層を形成させることを特徴とする表面層が改質された鋳鉄の製造方法。
【請求項２】
アルミニウムを６．０〜１８．０ｍａｓｓ％含有することを特徴とする請求項１に記載の表面層が改質された鋳鉄の製造方法。
【請求項３】
９５０〜１０５０℃の温度で加熱処理することを特徴とする請求項１または２に記載の表面層が改質された鋳鉄の製造方法。
【請求項４】
加熱処理時間を１〜５０時間とすることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項に記載の表面層が改質された鋳鉄の製造方法。
【請求項５】
炭素を２．０〜４．５ｍａｓｓ％、アルミニウムを２．０〜２０．０ｍａｓｓ％およびシリコンを１．０〜３．０ｍａｓｓ％含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム含有鋳鉄において、鋳造時に晶出した表層部の黒鉛が酸素によって脱炭され、脱炭により生じた空隙において組成成分のアルミニウムに由来するアルミナが生成し、表面層が形成されていることを特徴とする表面層が改質された鋳鉄。
【請求項６】
アルミニウムを６．０〜１８．０ｍａｓｓ％含有することを特徴とする請求項５に記載の表面層が改質された鋳鉄。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、表面層が改質された鋳鉄とその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、常温のみならず高温下における砂や小石等に対する耐摩耗性が要求されるセメント製造用のロータリーキルンや自動車のマニホールド等の材料として好適な、表面層が耐高温酸化性、耐摩耗性を有するものとして改質された鋳鉄とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
従来から耐熱性や耐摩耗性に優れた鋳鉄としては高クロム鋳鉄やニレジスト鋳鉄（高Ｎｉ鋳鉄）が使用されてきている。しかしながら、クロムは環境汚染元素として近年使用が抑制されてきており、特にヨーロッパではクロムの使用が厳しく制限されている。また、ニッケルは資源として貴重であるが、ニッケルが鉄元素と結合して合金になった場合、現在の技術では分離が不可能であり、資源再利用の面からもニッケルの使用には制限があった。
【０００３】
また一方、鋳鉄にアルミニウムを含有させると、優れた耐高温酸化特性を示すことは知られている。しかしながら、従来から知られているアルミニウム含有鋳鉄は、鋳鉄にアルミニウムを添加して溶解凝固することにより製造されたものだけである。このような従来公知のアルミニウム含有鋳鉄の場合には、鋳鉄中の黒鉛自体に空隙があるため、酸素がこの空隙を経由して内部まで入り、黒鉛と反応して脱炭が起こるので、製品劣化の原因となっていた。
【０００４】
さらにまた、従来から鋳鉄の表面層を改質する方法として、鋳鉄の表面層に他の材料を含浸することも行われてきた。しかしながら、従来から行われている表面層に他の材料を含浸させる方法には、鋳鉄の表面層にドリル等で微細孔を形成した後、改質材料の溶融液を含浸する方法、あるいはオイルレスベアリングを成形する時に採用されているような加熱冷却を数十回繰り返し、改質材料を含浸する等の複雑な方法が主として採用されていた。
【０００５】
このような機械的操作による方法とは別に、化学的操作によって表面層に空隙を形成してアルミニウムを含浸させる方法も知られている。たとえば、特公昭５３−３０６５７号公報には、鋳鉄を酸化性雰囲気中で７５０〜９５０℃に加熱して脱炭処理を行い、鋳鉄の表面層に空隙を形成させ、この空隙を形成した鋳鉄にアルミニウム等の低融点金属の溶融体を加圧しながら含浸させる鋳鉄表面層の改質方法が開示されている。
【０００６】
だが、鋳鉄の表面層に他の材料を含浸させるために行われてきた従来の方法は、いずれも、鋳鉄表面層に予め何らかの手段により空隙を形成した後、溶融した改質材料を含浸する方法であるため、操作が複雑で時間がかかり、コストが嵩み、大量製造には不適当であった。そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来技術の問題点を解消し、低コストで簡便に大量生産が可能とされ、表面の耐高温酸化性および耐摩耗性の向上が図られる、表面層が改質された新しい鋳鉄とその製造方法を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するためのものとして、第１に、炭素を２．０〜４．５ｍａｓｓ％、アルミニウムを２．０〜２０．０ｍａｓｓ％およびシリコンを１．０〜３．０ｍａｓｓ％含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム含有鋳鉄を大気または酸素含有雰囲気中で７５０〜１１００℃の温度で加熱処理し、鋳造時に晶出した表層部の黒鉛を酸素によって脱炭するとともに、脱炭により生じた空隙において組成成分のアルミニウムに由来するアルミナを生成させ、表面層を形成させることを特徴とする表面層が改質された鋳鉄の製造方法を提供するものである。この出願の発明は、第２に、上記の表面層が改質された鋳鉄の製造方法において、アルミニウムを６．０〜１８．０ｍａｓｓ％含有することを特徴とする表面層が改質された鋳鉄の製造方法を提供するものであり、第３に、上記の表面層が改質された鋳鉄の製造方法において、９５０〜１０５０℃の温度で加熱処理することを特徴とする表面層が改質された鋳鉄の製造方法を提供するものであり、第４に、上記の表面層が改質された鋳鉄の製造方法において、加熱処理時間を１〜５０時間とすることを特徴とする表面層が改質された鋳鉄の製造方法を提供するものである。そして、この出願の発明は、第５に、炭素を２．０〜４．５ｍａｓｓ％、アルミニウムを２．０〜２０．０ｍａｓｓ％およびシリコンを１．０〜３．０ｍａｓｓ％含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム含有鋳鉄において、鋳造時に晶出した表層部の黒鉛が酸素によって脱炭され、脱炭により生じた空隙において組成成分のアルミニウムに由来するアルミナが生成し、表面層が形成されていることを特徴とする表面層が改質された鋳鉄を提供するものであり、第６に、アルミニウムを６．０〜１８．０ｍａｓｓ％含有することを特徴とする表面層が改質された鋳鉄を提供するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実態について説明する。
【０００９】
この出願の発明は、クロムのような環境汚染元素やニッケルのような貴重元素を使用することなく、無害で埋蔵量が多く安価な元素であるアルミニウムを鋳鉄に含有させて、加熱処理するだけの簡単な方法で製造することのできる、耐高温酸化性や耐摩耗性に優れた表面層を有する鋳鉄を提供するものであるが、この出願の発明では、まずは、鋳鉄中のアルミニウムの含有量が２．０〜２０．０ｍａｓｓ％に、炭素２．０〜４．５ｍａｓｓ％、そしてシリコン１．０〜３．０ｍａｓｓ％を含有するように成分調整を行い、たとえば十分黒鉛が晶出するように冷却速度が遅い砂型等の鋳型を使用して鋳鉄鋳物を製造する。次いで、この鋳鉄鋳物を７５０〜１１００℃の温度範囲において大気または酸素含有雰囲気中で加熱処理する。この加熱処理によって、鋳鉄の表層近傍の黒鉛が雰囲気中の酸素で脱炭されて、黒鉛のあった空隙にはアルミナが生成されて表面層が形成される。
【００１０】
この出願の発明では、このように、アルミニウムを含有させた鋳鉄を大気または酸素含有雰囲気中で加熱処理するだけで、鋳鉄の表面層を改質し、耐高温酸化性、耐摩耗性を向上させることができる。
【００１１】
この出願の発明では、鋳鉄の組成において、アルミニウム２．０〜２０ｍａｓｓ％とするが、この理由としては、アルミニウムが２．０ｍａｓｓ％未満であると、鋳鉄の表層部の黒鉛がアルミナに換わる速度よりも、表面が酸化して鉄が酸化鉄となって剥離していく速度が速くなり、表面の状態が悪くなり、改質層の生成が困難となるためである。また、アルミニウム含有量が２０ｍａｓｓ％を超えると、湯流れが悪くなるためである。加熱処理温度は７５０〜１１００℃の範囲である。加熱処理温度が７５０℃未満では脱炭のみが優先的に起こり、十分発達したアルミナ相の形成がなされないためである。１１００℃を超えると、大気中の酸素による酸化反応が激しく起こり、表面近傍のアルミナ化よりも剥離が優先的に起こるためである。以上のようなこの出願の発明における加熱処理では、鋳鉄の組成として、あらかじめアルミニウム含有量を６．０〜１８．０ｍａｓｓ％の範囲とすることや、加熱処理の温度を９５０〜１０５０℃の範囲にすることがさらに有効である。なお、組成には不可避的不純物の存在が許容されることは言うまでもない。
【００１２】
そして、アルミナ相形成に必要な加熱処理の時間は、表１および図３に示唆されているように、アルミナ置換が効果的に行われる１〜５０時間程度が好ましく、特に３〜４０時間が好適と考えられる。
【００１３】
以上のとおり、この出願の発明においては、鋳鉄の表面層にアルミナが生成されることによって表面層の耐高温酸化性が向上するが、これは、加熱処理前の鋳鉄では、鋳鉄中の黒鉛がネットワーク状に存在し、酸素が内部まで供給されやすい状態となっているが、加熱処理によって黒鉛のあった場所が緻密なアルミナに置き換わることにより酸素の供給ルートが遮断され、内部までの酸化が抑制されるためである。また、表面層の柔らかい黒鉛が高硬度のアルミナに置き換わることによって耐摩耗性が向上する。
【００１４】
なお、加熱処理によりアルミナとして形成させる表面層の厚さは、加熱温度、加熱処理時間、含有するアルミニウムの量を調整することによって制御することが可能である。
【００１５】
以下に実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明について説明する。
【００１６】
もちろん、以下の例によってこの出願の発明が制限されることはない。
【００１７】
【実施例】
＜実施例１＞
炭素３．２ｍａｓｓ％、シリコン２．４ｍａｓｓ％、アルミニウム６．０ｍａｓｓ％の配合比になるように電解鉄、電極黒鉛、金属シリコンおよび純アルミニウムを混合し、高周波誘導炉で溶解して砂型に鋳造して試料を作製した。この試料から縦１０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ５ｍｍの試験片を作製し、これを大気雰囲気中の１０００℃の高温炉内に２０時間保持した。その後、試験片を炉から取り出し、試験片を中央で切断し、その断面を光学顕微鏡およびＥＰＭＡ（ｅｌｅｃｔｒｏ  ｐｒｏｂｅ  ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｅｒ）により分析した。図１は、この試験片の断面を光学顕微鏡で観察したものである。図２は、同じ試験片の断面をＥＰＭＡ（ｅｌｅｃｔｒｏ  ｐｒｏｂｅ  ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｅｒ）で観察したものである。試験片を表面から裏面まで１ｍｍ間隔〔（ａ）〜（ｆ）〕で採取し、分析した。図１では、途中に、黒鉛の量が少なく白線のように見える部分が観察される。図２の結果から、この白線のように見える部分から表面側が、黒鉛がアルミナと置き換わった領域（Ａ）であり、内部は黒鉛のままの領域（Ｂ）であることがわかる。また、表面から１ｍｍ（ｂ）および裏面から１ｍｍ（ｅ）辺りまでアルミナ化が進んでいることがわかる。この部分は、図１における黒鉛がアルミナと置き換わった領域（Ａ）に相当する。
【００１８】
すなわち、加熱処理前には全て黒鉛相であったものが、加熱処理によって表面近傍だけがアルミナ相に置き換わっていることがわかる。このアルミナ化した部分が、耐高温酸化性・耐摩耗性の向上に寄与すると考えられる。
【００１９】
＜実施例２＞
実施例１と同じように、炭素３．２ｍａｓｓ％、シリコン２．４ｍａｓｓ％、アルミニウム６．０ｍａｓｓ％の配合比になるように電解鉄、電極黒鉛、金属シリコンおよび純アルミニウムを混合し、高周波誘導炉で溶解して砂型に鋳造して試料を作製した。この試料から縦１０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ５ｍｍの試験片を作製し、大気雰囲気中の１０００℃の高温炉内に入れ、それぞれ３０分間、１時間、３時間、７時間、２０時間、５０時間、７０時間保持した後、取り出してアルミナ層の厚さを測定したのが表１であり、それをグラフにしたのが図３である。
【００２０】
表１および図３のグラフから明らかなように、アルミナ層は時間とともに厚さを増している。ただし、アルミナ層の厚さの変化は、最初は急速であるが、時間の経過とともに次第に小さくなり、５０時間を超えるとほぼ平衡に達している。
【００２１】
【表１】
0003981722.tif 000002
【００２２】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、鋳鉄の表面に耐高温酸化性および耐摩耗性を付与する際に、鋳鉄に無害で安価、しかも埋蔵量が多いアルミニウムを含有させて特定の温度で熱処理することによって、低コストで簡便に表面層が改質された鋳鉄を大量生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１で得られた試験片の断面の光学顕微鏡像である。
【図２】  実施例１で得られた試験片の断面のＥＰＭＡ観察像である。
【図３】  加熱時間とアルミナ層の厚さの関係を示した図である。
【符号の説明】
Ａ  黒鉛がアルミナと置き換わった領域
Ｂ  黒鉛のままの領域
ａ  表面層
ｂ  表面から１ｍｍ層
ｃ  表面から２ｍｍ層
ｄ  裏面から２ｍｍ層
ｅ  裏面から１ｍｍ層
ｆ  裏面層
【図１】
0003981722.tif 000003
【図２】
0003981722.tif 000004
【図３】
0003981722.tif 000005