(57)【要約】【課題】  振動吸収能及び切削性に優れた無チルの低Ｓｉ過共晶片状黒鉛鋳鉄およびその製造方法を提供すること。【解決手段】重量％で、Ｃ：４．０５〜５．５％、Ｓｉ：１．２５％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．２５％以下、Ｓ：０．２％以下を含有し残部がＦｅ及び不純物からなり、ＣＥＬ＝Ｃ％＋０．２３Ｓｉ％が４．３３〜５．５５％であり、チル１％以下である。溶湯上面に未溶解の黒鉛を浮かせ、溶湯が目標のカーボン値になるような任意の温度で保持する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：４．０５〜５．５％、Ｓｉ：１．２５％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．２５％以下、Ｓ:０．２％以下を含有し残部がＦｅ及び不純物からなり、ＣＥＬ＝Ｃ％＋０．２３Ｓｉ％が４．３３〜５．５５％であり、チル部の面積率が１．０％以下である過共晶片状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】
基地組織中に板状もしくはウッドマンステッテン状の炭化物が０．１〜８．０％存在する請求項１記載の過共晶片状黒鉛鋳鉄。
【請求項３】
焼き入れもしくはベイナイト化処理を行い、基地組織がベイナイトもしくはマルテンサイトのいずれかもしくはその混合組織にする請求項１又は２記載の過共晶片状黒鉛鋳鉄。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の過共晶片状黒鉛鋳鉄の製造方法であって、溶湯上面に未溶解の黒鉛を浮かせ、溶湯が目標のカーボン値になるような任意の温度で保持することにより、カーボンの成分調整を任意に行う過共晶片状黒鉛鋳鉄の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動吸収能及び加工性に優れた低シリコン過共晶片状黒鉛鋳鉄品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳鉄を製造するにあたっては、１．３％以上程度のシリコンが含有されないとチルといわれる炭化物が出るため、シリコンの含有量は高クロム鋳鉄などチルを前提とする鋳物を除いて、シリコンを１．３％以上にすることが多い。過共晶片状黒鉛鋳鉄においても例外ではなく、半凝固を用いた特許文献１においてもＳｉが２．０％未満では黒鉛化が進まないとされている。
【０００３】
過共晶片状黒鉛鋳鉄においては、初晶として黒鉛が晶出するためにチルが出づらい事が学問的には、予想されるが、過共晶片状黒鉛鋳鉄について統計だって研究した情報は報告されていない。また、シリコン１．３％以下の過共晶片状黒鉛鋳鉄も研究されたことがない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２７６９６２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、シリコン１．３％以下で、１％以下のチル面積率でキッシュ黒鉛を持つ過共晶片状黒鉛鋳鉄品及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る過共晶片状黒鉛鋳鉄の特徴構成は、重量％で、Ｃ：４．０５〜５．５％、Ｓｉ：１．２５％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．２５％以下、Ｓ:０．２％以下を含有し残部がＦｅ及び不純物からなり、ＣＥＬ＝Ｃ％＋０．２３Ｓｉ％が４．３３〜５．５５％であり、チル部の面積率が１．０％以下としたことにある。
【０００７】
また、本発明の過共晶片状黒鉛鋳鉄を発明する中で、板状もしくはウッドマンステッテン状の炭化物が析出する現象が発見され、この炭化物が０．１％〜８．０％析出すると振動吸収能が高くなることが認められた。
【０００８】
上記に加え、本過共晶片状黒鉛鋳鉄をベイナイト処理又は焼き入れ等の熱処理を行うことにより、基地組織をベイナイト又はマルテンサイトもしくは混合組織とすることにより、強度を増すとともに振動吸収能を増加させた。
【０００９】
本発明の過共晶片状黒鉛鋳鉄を製造するためには、カーボンの正確な管理が必要となる。これを実現するために、本発明に係る過共晶片状黒鉛鋳鉄の製造方法の特徴は、溶湯表面にカーボンを浮かべ、図１に示す状態図の黒鉛の溶解度から推測される任意の温度に溶湯を保持して、任意のカーボン量の過共晶鋳鉄溶湯が得られるようにした。
【発明の効果】
【００１０】
上記本発明に係る過共晶片状黒鉛鋳鉄品及びその製造方法の特徴によれば、キッシュ黒鉛を含みチル組織が１％以下の過共晶片状黒鉛鋳鉄を得るに至った。この鋳鉄は、キッシュ黒鉛を含むため振動吸収能に優れ、なおかつ加工性にも優れるものとなった。
【００１１】
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】鉄−炭素系平衡状態図である。
【図２】テストピースの径（冷却速度）と引張強度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明に係る過共晶片状黒鉛鋳鉄は、重量％で、Ｃ：４．０５〜５．５％、Ｓｉ：１．２５％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．２５％以下、Ｓ:０．２％以下を含有し残部がＦｅ及び不純物からなり、ＣＥＬ＝Ｃ％＋０．２３Ｓｉ％が４．３３〜５．５５％であり、チル部の面積率が１．０％以下である。
【００１４】
一般的に鋳造現場では、ＣＥメーターにより初晶温度を求め、この初晶温度より炭素当量（ＣＥ）を求めている。ここで得られる値と計算値から得られる値により、成分の調整を行う。本発明におけるＣＥＬ＝Ｃ％＋０．２３Ｓｉ％は、成分の化学分析値とＣＥメーターの初晶温度から得られる炭素当量がよく一致する。しかし、日本で広く用いられているＣＥ＝Ｃ％＋１／３Ｓｉ％では、計算値と現実で矛盾が生じることがある。よって、本発明ではＣＥＬを採用している。液相線の算出式としてＬＴ（℃）＝１５３６−（９１Ｃ％）＋２１Ｓｉ％）という式があり、これをＣの係数である９１で割ると、ＣＥＬ＝Ｃ％＋０．２３Ｓｉ％となる。
【００１５】
Ｃ：４．０５〜５．５％含有させる。チル化させないためには、過共晶成分にする必要があるため、Ｃ４．０５〜５．５％に対して、ＣＥＬが４．３３〜５．５５％となるようなＳｉ量を含有する必要がある。鋳鉄は冷却速度が速いほどチル化しやすいが、強度は高くなる。また、逆に冷却速度が遅いほどチル化しづらくなるが、強度は低下する性質がある。このため、引張強度を５０ＭＰａ程度確保するためには、冷却速度の遅い鋳物ではＣＥＬが５．１％程度必要となる。逆に冷却速度の速い鋳物ではＣＥＬ５．５％程度必要となる。よって、本発明では、４．０５〜５．５％の範囲とする。
【００１６】
Ｓｉ：１．２５％以下含有させる。これにより、低シリコン過共晶片状黒鉛鋳鉄となる。例えば、材料に砂鉄を使用する場合、Ｓｉの最低値が０．０２％程度であり、意図的にチル化させる鋳物以外はＳｉ１．３％以上のＳｉ量である。よって、本発明のＳｉ量は、好ましくは、０．０２％以上１．２５％以下であるとよい。
【００１７】
ところで、ウッドマンステッテン状の炭化物はＳｉ０．５％以下の成分で、共析温度以下において現れる。Ｓｉが０．５％よりも多いとウッドマンステッテン状の炭化物は確認されないため、ウッドマンステッテン状の炭化物を出すためにはＳｉ０．５％以下とするとよい。よって、Ｓｉ量は、さらに好ましくは、０．０２％以上０．５％以下である。
【００１８】
振動減衰能（振動吸収能）とは振動のエネルギーを材料内部で熱に変換する特性を指す。自由振動している物体の振幅は内部摩擦によって次第に減衰する。片状黒鉛鋳鉄は金属材料の中では振動減衰能が大きいことが知られているが、これは基地に存在する片状黒鉛による内部摩擦によるためである。ウッドマンステッテン状の炭化物も同様に内部摩擦により、振動エネルギーを熱に変換し、これにより振動吸収能が向上すると思われる。
【００１９】
Ｍｎ：２．０％以下含有させる。２．０％を超えると炭化物が出て、鋳物として問題である。例えば、純粋な材料を使用するとＭｎの下限は０．００２％となる。よって、本発明のＭｎ量は、好ましくは、０．００２％以上２％以下であるとよい。 
【００２０】
Ｐ：０．２５％以下含有させる。０．２５％を超えると、リン共晶のステダイト組織が出て、引け巣が増し、強度や衝撃値が下がる。一方、Ｐは黒鉛化促進元素であるため、Ｐが少なすぎると黒鉛化しにくくなる。また、Ｐの含有量を少なくするためには、特別な精錬をする必要がある。これらの理由により、本発明のＰ量は、好ましくは、０．０１％以上０．２５％以下である。
【００２１】
ベイナイトやマルテンサイトは羽毛状もしくは針状の組織であり、各組織の尖っている先端部により振動を減衰、吸収することができる。そのため、上述した過共晶片状黒鉛鋳鉄に対し焼き入れやベイナイト化処理等の熱処理により得られるベイナイトやマルテンサイト又はこれらの混合組織は振動を減衰させる能力に優れている。
【００２２】
過共晶成分の調整方法は、加炭材を湯面上に敷き詰めてＣを過剰な状態において、例えば、１２５０℃で温度保持すると図１に示す状態図から溶湯中の炭素は自然に４．５％になる。この方法を用いて、任意のＣ量が含まれる溶湯成分とした。
【実施例】
【００２３】
以下に、本発明に係る実施例とその比較例について説明する。
［実験条件等］
Ｃの添加実験：本実験では、加炭材を湯面上に敷き詰めた状態において、例えば１２５０℃で温度保持すると溶湯中の炭素量が４．５％になる。１３３０℃はＣ４．７％、１４１０℃ではＣ４．９％、１４９０℃ではＣ５．１％の溶湯ができるため、その都度電気炉を傾動して、杓に受けて、Φ５０×２５０ｍｍのＴＰ（テストピース）を鋳込んだ。
【００２４】
Ｓｉの添加実験：Ｃ４．５％、Ｓｉ０．１３％、Ｍｎ０．００２％、Ｐ０．１％，Ｓ０．００５％の溶湯を作り、Ｓｉを添加することで溶湯のＳｉ量を０．３％、０．５％、０．７５％、１．００％、１．２５％と変化させて、成分を調整する度に電気炉を傾動して、杓に受けて、Φ５０×２５０ｍｍのＴＰを鋳込んだ。
【００２５】
Ｍｎの添加実験：Ｃ４．５％、Ｓｉ０．１３％、Ｍｎ０．００２％、Ｐ０．１％，Ｓ０．００５％の溶湯を作り、Ｍｎを添加することで溶湯のＭｎ量を０．００２％、１．０％、２．０％と変化させて、成分を調整する度に電気炉を傾動して、杓に受けて、Φ５０×２５０ｍｍのＴＰを鋳込んだ。
【００２６】
Ｐの添加実験：Ｃ４．５％、Ｓｉ０．１３％、Ｍｎ０．００２％、Ｐ０．１％，Ｓ０．００５％の溶湯を作り、Ｐを添加することで溶湯のＰ量を０．０１％、０．１％、０．２５％と変化させて、成分を調整する度に電気炉を傾動して、杓に受けて、Φ５０×２５０ｍｍのＴＰを鋳込んだ。
【００２７】
Ｓの添加実験：Ｃ４．５％、Ｓｉ０．１３％、Ｍｎ０．００２％、Ｐ０．１％，Ｓ０．００５％の溶湯を作り、Ｓを添加することで溶湯のＳ量を０．００５％、０．１％、０．２％と変化させて、成分を調整する度に電気炉を傾動して、杓に受けて、Φ５０×２５０ｍｍのＴＰを鋳込んだ。
【００２８】
［ＴＰの評価方法］
鋳込んだΦ５０×２５０ｍｍのＴＰを加工し、引張試験を行った。このＴＰを切り出し、研磨、組織観察を行い、画像解析を行うことでキッシュ黒鉛、板状炭化物、チルの面積率を測定した。また、組織観察を行ったＴＰを使用して超音波測定から振動減衰能を算出した。その後、熱処理を行い、再び振動減衰能を求めた。チルが出ているＴＰは加工できず引張試験が行えないため、組織観察のみ行った。
【００２９】
［評価の内容(表１)］
上記鋳込んだ各ＴＰによる試験結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
比較例１〜３として、Ｃ３．９〜４．３２％、Ｓｉ０％、Ｍｎ０．００２％、Ｐ０．１％、Ｓ０．００５％の成分のＴＰを作成した。これらのＴＰはＣＥＬが４．３２以下のため、亜共晶成分、もしくは共晶成分であり、キッシュ黒鉛が晶出せず、チル化した。
【００３２】
実施例１、２にＣ４．０５％およびＣ５．２６％、Ｓｉ１．２５％、Ｍｎ０．００２％、Ｐ０．１％、Ｓ０．００５％のＴＰを作成した。また、実施例３〜９はＣ４．３２〜５．５％、Ｓｉ０．１３％、Ｍｎ０．００２％、Ｐ０．１％、Ｓ０．００５％のＴＰを作成した。ＣＥＬは４．３３％以上であるため、過共晶成分であり、キッシュ黒鉛が晶出して、チル組織はほぼ確認されていない。本発明ではΦ５０×２５０のＴＰであるため、引張強度は１３４ＭＰａ〜３４ＭＰａであり、ＣＥＬが大きくなると引張強度が低下していく。例えば図２に示すように、Φ３０×２５０では鋳物の冷却速度が速くなるため引張強度が増し、Φ１００×２５０では鋳物の冷却速度が遅くなるため引張強度が低下する。なお、図２の例では、Φ３０のＣ４．５％のテストピースでは、径が細いため冷却速度が早くなり、チル化した。
Ｃ量の多いＴＰほどキッシュ黒鉛の面積率が増えるため、鋳放しの振動減衰能が向上した。熱処理を行うと熱処理前（鋳放し）よりも振動減衰能が向上した。
【００３３】
実施例１０〜１５はＣ４．５％、Ｓｉ０．１３％〜１．２５％、Ｍｎ０．００２％、Ｐ０．１％、Ｓ０．００５％の成分でＴＰを作成した。Ｓｉの量が多くなってもキッシュ黒鉛の面積率は殆ど変わらないが、板状炭化物の面積率は減少していき、０．７５％では板状炭化物は確認されない。チル面積率もＳｉ量が多くなると低下していき、Ｓｉ０．５％以降では確認されない。引張強度はＳｉ０．５％程度まで増していき、それ以上Ｓｉ量を増やしても値はほぼ変わらない。Ｓｉ量が多くなると、板状炭化物の面積率が減少するため、振動減衰能もこれに応じて若干の低下していき、Ｓｉ０．７５％が最も低い値を示した。Ｓｉ１．０％、１．２５％ではＡ型黒鉛の晶出が多くなるため、振動減衰能は高くなる。熱処理を行うと熱処理前（鋳放し）よりも振動減衰能が向上した。
【００３４】
実施例１６〜１８はＣ４．５％、Ｓｉ０．１３％、Ｍｎ０．００２％〜２．０％、Ｐ０．１％、Ｓ０．００５％の成分でＴＰを作成した。Ｍｎはパーライトを安定化させる元素であるため、添加量が多くなると引張強度が増していく。Ｍｎはキッシュ黒鉛面積率、板状炭化物面積率、チル面積率、振動減衰能には大きな影響は及ぼさない。熱処理を行うと熱処理前（鋳放し）よりも振動減衰能が向上した。
【００３５】
実施例１９〜２１はＣ４．５％、Ｓｉ０．１３％、Ｍｎ０．００２％、Ｐ０．０１％〜０．２５％、Ｓ０．００５％の成分でＴＰを作成した。Ｐは黒鉛化促進元素であるため、添加量が増えるとチル面積率が低下した。引張強度は増加していく。キッシュ黒鉛面積率は若干の増加傾向を示し、板状炭化物面積率、振動減衰能には大きな影響は及ぼさない。熱処理を行うと熱処理前（鋳放し）よりも振動減衰能が向上した。
【００３６】
実施例２２〜２４はＣ４．５％、Ｓｉ０．１３％、Ｍｎ０．００２％、Ｐ０．１％、Ｓ０．００５％〜０．２％の成分でＴＰを作成した。Ｓは黒鉛化阻害元素であるため、キッシュ黒鉛面積率が若干低下した。引張強度は増加傾向を示した。板状炭化物、チル面積率、振動減衰能には大きな影響は及ぼさない。熱処理を行うと熱処理前（鋳放し）よりも振動減衰能が向上した。
【００３７】
このように、発明者らは、過共晶片状黒鉛鋳鉄において、チルが発生しない条件を導き出し、１．３％以下の低Ｓｉでもチルがでない過共晶片状黒鉛鋳鉄の製造法を発明した。この低Ｓｉの過共晶片状黒鉛鋳鉄は、無チルであるばかりか粗大なキッシュ黒鉛を含むため、加工性がよく振動吸収能にも優れている。
【００３８】
最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。
上記実施形態において、低Ｓｉ化のためにＳｉを１．２５％以下とした。しかしながら、これに限らず、例えばＣＥＬ＝Ｃ％＋０．２３Ｓｉ％が４．３３〜５．５５％となるようにＳｉを含有させることも可能である。ＣＥＬが４．３３％以上であるため、過共晶成分であり、キッシュ黒鉛が晶出しチル組織はほぼ晶出しない。よって、この場合においても、キッシュ黒鉛を含みチル組織が１％以下の過共晶片状黒鉛鋳鉄を得ることができる。すなわち、過共晶片状黒鉛鋳鉄の他の特徴は、重量％で、少なくともＣ：４．０５％〜５．５％を含有し残部がＦｅ及び不純物からなり、ＣＥＬ＝Ｃ％＋０．２３Ｓｉ％が４．３３〜５．５５％となるようにＳｉを含有させ、チル部の面積率が１．０％以下としたことにある。係る場合、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．２５％以下、Ｓ:０．２％以下含有してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る過共晶片状黒鉛鋳鉄は、例えばブレーキローター等の振動減衰能（振動吸収能）が求められる材料として利用することができる。
【図１】
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【図２】
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