(57)【要約】【課題】鋳鉄の強度低下を招くことなく、セメンタイト組織およびマルテンサイト組織を共存させることができる鋳鉄の製造方法を提供する。【解決手段】鋳鉄の製造方法は、所定の成分の溶湯を作製する第１工程と、第１工程で作製された溶湯から、セメンタイト組織およびパーライト組織からなる白鋳鉄を製造する第２工程と、２工程で製造された白鋳鉄を、５２０〜７００℃の温度範囲で１〜６時間保持する第３工程と、３工程後の白鋳鉄を、７５０〜９５０℃の温度まで、０．５〜３時間かけて昇温し、昇温した鋳鉄を、水冷または油冷で急冷することにより、パーライト組織をマルテンサイト組織に変態させる第４工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：３．００〜３．２０質量％、Ｓｉ：１．８０〜２．００質量％、Ｍｎ：０．６０〜０．７０質量％、Ｐ：０．１０質量％以下、Ｓ：０．０４４質量％以下、Ｃｒ：０．４５〜０．４９質量％、Ｎｉ：０．１１〜０．１５質量％、Ｍｏ：０．１６〜０．２０質量％、Ｃｅ：０．０２２質量％以下、Ｓｂ：０．０１５質量％以下、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなる溶湯を作製する第１工程と、
前記第１工程で作製された前記溶湯から、セメンタイト組織およびパーライト組織からなる白鋳鉄を製造する第２工程と、
前記２工程で製造された前記白鋳鉄を、５２０〜７００℃の温度範囲で１〜６時間保持する第３工程と、
前記３工程後の白鋳鉄を、７５０〜９５０℃の温度まで、０．５〜３時間かけて昇温し、昇温した鋳鉄を、水冷または油冷で急冷することにより、前記パーライト組織をマルテンサイト組織に変態させる第４工程と、を含むことを特徴とする鋳鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメンタイト組織を有した鋳鉄を製造する鋳鉄の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両のエンジン、足回り、または駆動部品には、高強度・耐摩耗性の観点から鋳鉄が採用されている。このような鋳鉄には、マルテンサイト組織に黒鉛が分散したねずみ鋳鉄、さらに、この黒鉛を球状化させた球状化鋳鉄、または、セメンタイト組織とパーライト組織からなる白鋳鉄など、を挙げることができる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、鋳鉄をオーステナイト化温度以上に昇温した後に、オーステナイト化温度以下でパーライト化温度以上の温度に所定時間保ち、その後焼入を行う鋳鉄の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−１２０３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一般的に、溶湯から白鋳鉄を製造（鋳造）する際には、急冷することにより鋳鉄に、セメンタイト組織を生成するが、パーライト組織も生成される。パーライト組織は、鋳鉄の亀裂発生の部分となりやすいため、除去した方が好ましい。
【０００６】
そこで、特許文献１に示す焼き入れ処理を行うことにより、白鋳鉄のパーライト組織をマルテンサイト組織に変態させることも可能である。しかしながらこのような焼き入れ処理を白鋳鉄に行った場合、急加熱および急冷を行うため、鋳造時に応力が残留したセメンタイト組織が膨張・収縮する。この結果、セメンタイト組織を起点として、鋳鉄の強度低下を招き、場合によっては破損するおそれがある。
【０００７】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鋳鉄の強度低下を招くことなく、セメンタイト組織およびマルテンサイト組織を共存させることができる鋳鉄の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を鑑みて、本発明に係る鋳鉄の製造方法は、Ｃ：３．００〜３．２０質量％、Ｓｉ：１．８０〜２．００質量％、Ｍｎ：０．６０〜０．７０質量％、Ｐ：０．１０質量％以下、Ｓ：０．０４４質量％以下、Ｃｒ：０．４５〜０．４９質量％、Ｎｉ：０．１１〜０．１５質量％、Ｍｏ：０．１６〜０．２０質量％、Ｃｅ：０．０２２質量％以下、Ｓｂ：０．０１５質量％以下、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなる溶湯を作製する第１工程と、前記第１工程で作製された前記溶湯から、セメンタイト組織およびパーライト組織からなる白鋳鉄を製造する第２工程と、前記２工程で製造された前記白鋳鉄を、５２０〜７００℃の温度範囲で１〜６時間保持する第３工程と、前記３工程後の白鋳鉄を、７５０〜９５０℃の温度まで、０．５〜３時間かけて昇温し、昇温した鋳鉄を、水冷または油冷で急冷することにより、前記パーライト組織をマルテンサイト組織に変態させる第４工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第３工程において、白鋳鉄を、５２０〜７００℃の温度範囲で１〜６時間保持することにより、第２工程で製造された白鋳鉄のセメンタイト組織に残留する応力を、除去することができる。
【００１０】
その後、第４工程において、７５０〜９５０℃の温度まで、０．５〜３時間かけて、緩やかに昇温することで、残留応力が除去されたセメンタイト組織を緩やかに膨張させるので、セメンタイト組織を起点とした鋳鉄の強度低下を低減することができる。
【００１１】
このようにして、鋳造時の残留応力を除去したセメンタイト組織と、パーライト組織が変態したマルテンサイト組織と、からなる鋳鉄を得ることができる。これにより、得られた鋳鉄の強度および耐摩耗性を、従来の白鋳鉄よりも、高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は、第２工程後の白鋳鉄の組織写真であり、（ｂ）は、第４工程後の鋳鉄の組織写真である。
【図２】実施例および比較例１および２に係る試験片のカム表面に作用する面圧とカム表面にピッチングが発生するまでの繰り返し回数との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態に係る鋳鉄の製造方法を説明する。
１．第１工程について
本実施形態では、Ｃ：３．００〜３．２０質量％、Ｓｉ：１．８０〜２．００質量％、Ｍｎ：０．６０〜０．７０質量％、Ｐ：０．１０質量％以下、Ｓ：０．０４４質量％以下、Ｃｒ：０．４５〜０．４９質量％、Ｎｉ：０．１１〜０．１５質量％、Ｍｏ：０．１６〜０．２０質量％、Ｃｅ：０．０２２質量％以下、Ｓｂ：０．０１５質量％以下、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなる溶湯を、成分調整しながら溶鉱炉で作製する。
【００１４】
＜Ｃ（炭素）：３．００〜３．２０質量％＞
Ｃは、黒鉛を析出させることなく鋳鉄の基地に固溶するとともに炭化物を生成し、鋳鉄の強度を高めるための元素である。ここで、Ｃの含有量が、３．００質量％未満では、上述した効果を期待することができない。一方、Ｃの含有量が、３．２０質量％を超えると、黒鉛が多量に析出してしまう。
【００１５】
＜Ｓｉ（シリコン）：１．８０〜２．００質量％＞
Ｓｉは、上述した範囲で、耐酸化性と鋳造性の改善に有効な元素である。ここで、その含有量が１．８０質量％未満では、鋳鉄（白鋳鉄）の鋳造性が損なわれるおそれがある。一方、その含有量が２．００質量％を超えると、黒鉛が析出し易くなる。
【００１６】
＜Ｍｎ（マンガン）：０．６０〜０．７０質量％＞
Ｍｎは、Ｓを取り除く（ＭｎＳにする）ために有効な元素である。Ｍｎの含有量が、０．６０質量％未満では、この効果を容易に発現することができず、Ｍｎの含有量が、０．７０質量％を超えると、鋳鉄組織がチル化する傾向が増し、鋳鉄が脆化することがある。
【００１７】
＜Ｐ（リン）：０．１０質量％以下＞
Ｐは、鋳鉄に含有していないことが好ましい不可避不純物であり、Ｐの含有量が０．１０質量％を超えると、鋳造割れの原因の原因となるばかりでなく、熱劣化が発生しやすくなり、靱性も低下するおそれがあるため、本実施形態では、その上限値のみを限定している。
【００１８】
＜Ｓ（硫黄）：０．０４４質量％以下＞
Ｓは、鋳鉄に含有していないことが好ましい不可避不純物であり、Ｓの含有量が０．０４４質量％を超えると、多量の硫化物が生成されるため、鋳鉄の強度低下を招くおそれがあり、本実施形態では、その上限値のみを限定している。
【００１９】
＜Ｃｒ（クロム）：０．４５〜０．４９質量％＞
Ｃｒは、黒鉛の生成を抑制するとともに、酸化層を形成し、耐酸化性及び高温強度耐酸化性の改善に有効な元素である。Ｃｒの含有量が、０．４５質量％未満では、このような効果を充分に発現するに十分ではない。Ｃｒの含有量が、０．４９質量％を超えると、Ｃｒの炭化物（クロムカーバイド）が鋳造時に過多に析出することがあり、鋳鉄の靭性が低下することがある。
【００２０】
＜Ｎｉ（ニッケル）：０．１１〜０．１５質量％＞
Ｎｉ層は、後述する第４工程で、パーライト組織をマルテンサイト組織に変態させるのに有効な元素である。Ｎｉの含有量が、０．１１質量％未満では、このような効果を発現することが難しく、Ｎｉの含有量が、０．１５質量％を超えたとしてもそれ以上の効果を期待できない。
【００２１】
＜Ｍｏ（モリブデン）：０．１６〜０．２０質量％＞
Ｍｏは、耐酸化性及び高温強度の改善に有効な元素である。Ｍｏの含有量が、０．１６質量％未満では、このような効果を発現することが難しい。一方、Ｍｏの含有量が、０．２０質量％を超えてもそれ以上の効果を期待することができない。
【００２２】
＜Ｃｅ（セリウム）：０．０２２質量％以下＞
Ｃｅは、Ｃを球状黒鉛化する元素であるため、本実施形態では好ましくない元素である。したがって、Ｃｅを上述した範囲に制限することにより、後述する第２工程において、球状黒鉛化することを防止することができる。
【００２３】
＜Ｓｂ（アンチモン）：０．０１５質量％以下＞
Ｓｂは、後述する第２工程でパーライト組織を促進化するための元素であり、必要に応じて添加されるべき元素である。Ｓｂの含有量が、０．０１５質量％を超えたとしても、これ以上の効果を期待することができない。なお、Ｓｂの代わりに、Ｓｎ、Ｃｕでも同じ効果を期待することができる。
【００２４】
２．第２工程について
第２工程では、第１工程で作製された前記溶湯から、セメンタイト組織およびパーライト組織からなる白鋳鉄を製造する。具体的には、本実施形態では、第１工程で作製された溶湯から鋳鉄を鋳造する際に、溶湯を急冷することにより、前記鋳鉄にセメンタイト組織およびパーライト組織を析出させて、白鋳鉄を鋳造する。溶湯の急冷は、例えば、溶湯を鋳造する際の砂型に冷金を配置することにより行い、白鋳鉄を鋳造することができるのであれば、特にその方法は限定されない。
【００２５】
本実施形態では、溶湯を急冷することにより、セメンタイト組織とパーライト組織を有した白鋳鉄を鋳造したが、この方法に限定されるものでなく、鋳造時に溶湯の急冷を行わず、鋳造後の鋳鉄を急加熱後、急冷することにより、白鋳鉄を製造してもよい。
【００２６】
３．第３工程について
第３工程では、第２工程で製造された白鋳鉄を、５２０〜７００℃の温度範囲で１〜６時間保持する。これにより、上述した急冷時に、白鋳鉄内に析出したセメンタイト組織に残存する残留応力を除去することができる。
【００２７】
ここで、加熱温度が５２０℃未満である場合、または、加熱時間が１時間未満である場合、セメンタイト組織に残留する応力を十分に除去することはできない。一方、加熱温度が、７００℃を超えた場合、基地組織全体に影響を及ぼしてしまう。また、加熱時間が、６時間を超えたとしても、残留応力を除去する効果を、それ以上期待することができない。
【００２８】
４．第４工程について
第４工程では、第３工程後の白鋳鉄を、７５０〜９５０℃の温度まで、０．５〜３時間かけて昇温し、昇温した鋳鉄を、水冷または油冷で急冷することにより、パーライト組織をマルテンサイト組織に変態させる。
【００２９】
ここで、白鋳鉄はいわゆる緩加熱で昇温することが好ましく、具体的には、２５０℃／時間〜１９００℃／時間の昇温速度で、白鋳鉄を加熱する。これにより、白鋳鉄のセメンタイト組織は、緩やかに膨張するため、膨張が起因となったセメンタイト組織の破壊を回避することができる。
【００３０】
そして、昇温後の白鋳鉄を、水冷または油冷で急冷することにより、パーライト組織をマルテンサイト組織に変態させる。このようにして、鋳造時の残留応力を除去したセメンタイト組織と、パーライト組織が変態したマルテンサイト組織と、からなる鋳鉄を得ることができる。これにより、得られた鋳鉄の強度および耐摩耗性を、従来の白鋳鉄よりも、高めることができる。
【実施例】
【００３１】
以下に本発明を実施例により説明する。
＜実施例＞
実施例では、まず第１工程として、溶鉱炉内において、本発明の成分範囲を満たす溶湯を作製した。具体的には、Ｃ：３．１０質量％、Ｓｉ：１．９６質量％、Ｍｎ：０．６１質量％、Ｐ：０．０１６質量％、Ｓ：０．００５質量％、Ｃｒ：０．４９質量％、Ｎｉ：０．１３質量％、Ｍｏ：０．１７質量％、Ｃｅ：０．０１７質量％、Ｓｂ：０．０１質量％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなる溶湯を作製した。
【００３２】
次に、第２工程として、冷金（チラー）を入れた砂型に、作製した溶湯を注湯することにより、溶湯を急冷し、セメンタイト組織およびパーライト組織からなる白鋳鉄のバルブ開閉弁用のカムシャフト（試験片）を鋳造した。なお、第２工程後の白鋳鉄の組織を、顕微鏡で観察した。この結果を、図１（ａ）に示す。図１（ａ）は、第２工程後の白鋳鉄の組織写真であり、写真の白色の部分がセメンタイト組織であり、写真の黒色の部分がパーライト組織である。
【００３３】
次に、第３工程として、試験片の白鋳鉄のセメンタイト組織に残留した応力を除去すべく、白鋳鉄からなる試験片を、加熱温度６００℃で１時間保持した。
【００３４】
最後に、第４工程として、第３工程後の白鋳鉄に対して、室温から８００℃まで、０．５時間かけて線形的に昇温した（緩加熱した）。その後、８００℃まで昇温した白鋳鉄を水冷し、パーライト組織をマルテンサイト組織に変態させた。これにより、実施例に係る鋳鉄の試験片を得た。
【００３５】
なお、第４工程後の鋳鉄の組織を、顕微鏡で観察した。この結果を、図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）は、第４工程後の白鋳鉄の組織写真であり、写真の白色の部分がセメンタイト組織であり、写真の黒色の部分がマルテンサイト組織である。
【００３６】
＜比較例１＞
実施例の試験片と同じ形状の球状黒鉛鋳鉄（ＪＩＳ規格：ＦＣＤ７００）からなる試験片を作製した。その後、この試験片に対して焼き入れ処理を行い、球状黒鉛鋳鉄のパーライト組織をマルテンサイト組織に変態させた。
【００３７】
＜比較例２＞
実施例と同じ形状の試験片を、実施例と同じようにして作成した。実施例と相違する点は、第３工程以降の工程を行わず、白鋳鉄からなる試験片を作製した点である。
【００３８】
＜モータリング試験＞
実機のエンジンに、実施例、比較例１および２の試験片（カムシャフト）を搭載し、エンジンをモータで回転させながら、試験片のカム表面に２．１ＧＰａ、２．５ＧＰａの２つの条件で面圧を付与した。それぞれの条件に対して、カム表面にピッチングが発生するまでのエンジンの回転回数（繰り返し回数）を測定した。この結果を、図２に示す。
【００３９】
図２は、実施例および比較例１および２に係る試験片のカム表面に作用する面圧とカム表面にピッチングが発生するまでの繰り返し回数との関係を示した図である。図２では、比較例１および２における、カム表面の２．１ＧＰａ、２．５ＧＰａの面圧の条件と、ピッチングが発生するまでの繰り返し回数から、ＳＮ線を記載した。実施例の場合、いずれの面圧の条件においても、繰り返し回数１．５×１０８回に到達しても、カム表面にピッチングが発生しなかった。したがって、図２では、面圧２．５ＧＰａにおける繰り返し回数１．５×１０８回から、ＳＮ線（仮想線）を記載した。
【００４０】
＜結果＞
図２に示す結果から明らかなように、実施例に係る試験片は、比較例１のものに比べて、４．１倍以上の寿命を有すると言え、比較例２のものに比べて、２５倍以上の寿命を有すると言える。
【００４１】
＜考察＞
比較例１に係る試験片は、球状黒鉛を起点としてピッチングが発生したことにより、実施例の試験片よりも寿命が短くなったと考えられる。比較例２に係る試験片は、パーライト組織を起点として亀裂が発生したことにより、実施例の試験片よりも寿命が短くなったと考えられる。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図１】
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【図２】
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