(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造後、炭化物の微細球状化熱処理を施されるＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物の鋳造方法であって、
特定の組成範囲にあるＣ及びＳｉ、並びに不可避不純物を含む残部ＦｅのＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金よりなる鋳造材料を、液相状態および固液共存状態の一方の状態にして鋳型に充填する第１工程と、
前記第１工程で鋳型に充填した前記鋳造材料を、共晶温度域まで冷却して凝固させる第２工程と、
前記第２工程で凝固させた前記鋳造材料を冷却する第３工程とを順次行い、
前記第２工程における前記鋳造材料の平均凝固速度Ｖ1 をＶ1 ≧５００℃／min に設定すると共に、前記第３工程における前記鋳造材料の共析変態終了温度域までの平均冷却速度Ｖ2 をＶ2 ≧９００℃／min に設定し、
前記特定の組成範囲は、Ｃ含有量をｘ軸とし、またＳｉ含有量をｙ軸としたとき、座標（１．９５，０．７）に対応する第１の点（ａ1 ）と、座標（３．０３，０．７）に対応する第２の点（ａ2 ）と、座標（２．４２，３）に対応する第３の点（ａ3 ）と、座標（１．４５，３）に対応する第４の点（ａ4 ）とを結んで得られ、且つ第２，第３の点（ａ2 ，ａ3 ）およびその両点（ａ2 ，ａ3 ）を結ぶ第１の線分（ｂ1 ）が５０重量％共晶線上に在り、且つまた第１，第４の点（ａ1 ，ａ4 ）およびその両点（ａ1 ，ａ4 ）を結ぶ第２の線分（ｂ2 ）が０重量％共晶線上に在る略平行四辺形の図形の範囲内であり、ただし、前記組成範囲の限界を示す前記図形の輪郭（ｂ）上の組成から、前記第２，第３の点（ａ2 ，ａ3 ）及び前記第１の線分（ｂ1 ）上の組成、ならびに前記第１，第４の点（ａ1 ，ａ4 ）及び前記第２の線分（ｂ2 ）上の組成が除かれることを特徴とする、Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物の鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物の鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、先に、鋳造後のＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物に存する炭化物、即ち、主としてセメンタイトを熱処理により微細球状化することによって、前記鋳物の機械的強度を、機械構造用炭素鋼と同程度まで向上させることのできる技術を開発した（特願平８−２５０９５３号明細書および図面参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記熱処理後のＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物の金属組織には、微細球状化したセメントタイトだけでなく黒鉛も存在する。この黒鉛には、熱処理前、したがって鋳造後の前記鋳物が元々有していたものと、前記熱処理中にセメントタイトの一部が分解して生じたＣ（炭素）に起因するものとが含まれ、この黒鉛量が一定量を超えると、熱処理後のＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物の機械的強度の向上が妨げられる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記熱処理により生じる黒鉛量が略一定していることから、鋳造により生じる黒鉛量を所定値に抑え、これにより前記熱処理による機械的強度向上を実現し得るようにした前記Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物の鋳造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば、鋳造後、炭化物の微細球状化熱処理を施されるＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物の鋳造方法であって、特定の組成範囲にあるＣ及びＳｉ、並びに不可避不純物を含む残部ＦｅのＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金よりなる鋳造材料を、液相状態および固液共存状態の一方の状態にして鋳型に充填する第１工程と、前記第１工程で鋳型に充填した前記鋳造材料を、共晶温度域まで冷却して凝固させる第２工程と、前記第２工程で凝固させた前記鋳造材料を冷却する第３工程とを順次行い、前記第２工程における前記鋳造材料の平均凝固速度Ｖ1 をＶ1 ≧５００℃／min に設定すると共に、前記第３工程における前記鋳造材料の共析変態終了温度域までの平均冷却速度Ｖ2 をＶ2 ≧９００℃／min に設定し、前記特定の組成範囲は、Ｃ含有量をｘ軸とし、またＳｉ含有量をｙ軸としたとき、座標（１．９５，０．７）に対応する第１の点と、座標（３．０３，０．７）に対応する第２の点と、座標（２．４２，３）に対応する第３の点と、座標（１．４５，３）に対応する第４の点とを結んで得られ、且つ第２，第３の点およびその両点を結ぶ第１の線分が５０重量％共晶線上に在り、且つまた第１，第４の点およびその両点を結ぶ第２の線分が０重量％共晶線上に在る略平行四辺形の図形の範囲内であり、ただし、前記組成範囲の限界を示す前記図形の輪郭上の組成から、前記第２，第３の点及び前記第１の線分上の組成、ならびに前記第１，第４の点及び前記第２の線分上の組成が除かれることを特徴とするＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物の鋳造方法が提供される。
【０００６】
共晶量Ｅｃは黒鉛の面積率に関係する。そこで、共晶量ＥｃをＥｃ＜５０重量％に設定（即ち鋳造材料のＣ及びＳｉを前記特定の組成範囲に設定）し、また平均凝固速度Ｖ1 をＶ1 ≧５００℃／min に設定すると、Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物に晶出する黒鉛量を、その面積率Ａ1 においてＡ1 ＜５％に抑制することが可能である。また前記平均冷却速度Ｖ2 をＶ2 ≧９００℃／min に設定すると、Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物における黒鉛の析出を妨げてその面積率Ａ1 を凝固時のＡ1 ＜５％に維持することが可能である。
【０００７】
ただし、共晶量ＥｃがＥｃ≧５０重量％では（即ち鋳造材料のＣ及びＳｉが前記特定の組成範囲に無ければ）、平均凝固速度Ｖ1 および平均冷却速度Ｖ2 をそれぞれＶ1 ≧５００℃／min およびＶ2 ≧９００℃／min に設定しても、黒鉛の面積率Ａ1 がＡ1 ≧５％となる。また平均凝固速度Ｖ1 がＶ1 ＜５００℃／min では、共晶量ＥｃをＥｃ＜５０重量％に設定（即ち鋳造材料のＣ及びＳｉを前記特定の組成範囲に設定）しても黒鉛の面積率Ａ1 がＡ1 ≧５％となる。さらに平均冷却速度Ｖ2 がＶ2 ＜９００℃／min では、黒鉛の面積率Ａ1 ＜５％を維持することができない。
【０００８】
本発明方法による鋳造後、炭化物の微細球状化熱処理を施されるＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物において、金属組織内に存する黒鉛の面積率Ａ1 をＡ1 ＜５％にできるので、熱処理後の黒鉛の面積率Ａ2 をＡ2 ＜８％に抑制して、Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物の機械的強度、特に、ヤング率を、例えば球状黒鉛鋳鉄のそれよりも向上させることが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に示す加圧鋳造装置１はＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金よりなる鋳造材料を用いてチクソキャスティング法、またはダイカスト法の適用下で鋳物を鋳造するために用いられる。その加圧鋳造装置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よりなる鋳型ｍを備え、両合せ面２ａ，３ａ間に鋳物成形用キャビティ４が形成される。固定金型２に、半溶融鋳造材料５を設置し、また溶湯を保持するチャンバ６が形成され、そのチャンバ６はゲート７を介してキャビティ４に連通する。また固定金型２に、チャンバ６に連通するスリーブ８が水平に付設され、そのスリーブ８にチャンバ６に挿脱される加圧プランジャ９が摺動自在に嵌合される。スリーブ８は、その周壁上部に材料および溶湯用挿入口１０を有する。固定および可動金型２，３には、それぞれキャビティ４に近接するように冷却液通路１１が設けられている。
【００１０】
表１は、Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金よりなる鋳造材料の例１〜９に関するＣおよびＳｉ含有量（残部は不可避不純物を含むＦｅ）、共晶量Ｅｃ、液相線温度、共晶温度および共析変態終了温度をそれぞれ示す。
【００１１】
【表１】
0004318761.tif 000002
【００１２】
先ず、鋳造材料の例１〜８を用い、次のようなチクソキャスティング法の適用下で、材料の例１〜８に対応する鋳物の例１〜８を鋳造した。
（ａ）  第１工程
鋳造材料を１２２０℃まで誘導加熱して、固相と液相とが共存する半溶融鋳造材料を調製した。この材料の固相率ＲはＲ＝７０％であった。次いで、図１の加圧鋳造装置１において、固定および可動金型２，３の温度を制御すると共にそのチャンバ６内に前記半溶融鋳造材料５を設置し、加圧プランジャ９を作動させてその鋳造材料５をキャビティ４に充填した。この場合、半溶融鋳造材料５の充填圧力は３６ＭＰａであった。
（ｂ）  第２工程
加圧プランジャ９をストローク終端に保持することによってキャビティ４内に充填された半溶融鋳造材料５に加圧力を付与し、その加圧下で半溶融鋳造材料５を共晶温度域まで冷却することで凝固させて鋳物を得た。この場合、半溶融鋳造材料５の平均凝固速度Ｖ1 はＶ1 ＝６００℃／min に設定された。
（ｃ）  第３工程
鋳物を約４００℃まで冷却し、次いで離型した。この場合、鋳物の共析変態終了温度域までの平均冷却速度Ｖ2 はＶ2 ≧１３０４℃／min に設定された。鋳物の例１〜８における共析変態終了温度は表１に示した通りであり、この温度よりも約１００℃低い温度およびその近傍を共析変態終了温度域とする。
【００１３】
次に、鋳造材料の例９を用い、次のようなダイカスト法の適用下で、材料の例９に対応する鋳物の例９を鋳造した。
（ａ）  第１工程
鋳造材料を１４００℃にて溶解して、固相率が０％の溶湯を調製した。次いで、図１の加圧鋳造装置１において、固定および可動金型２，３の温度を制御すると共にそのチャンバ６内に前記溶湯を保持させ、加圧プランジャ９を作動させてその溶湯をキャビティ４に充填した。この場合、溶湯の充填圧力は３６ＭＰａであった。
（ｂ）  第２工程
加圧プランジャ９をストローク終端に保持することによってキャビティ４内に充填された溶湯に加圧力を付与し、その加圧下で溶湯を共晶温度域まで冷却することで凝固させて鋳物を得た。この場合、溶湯の平均凝固速度Ｖ1 はＶ1 ＝６００℃／min に設定された。
（ｃ）  第３工程
鋳物を約４００℃まで冷却し、次いで離型した。この場合、鋳物の共析変態終了温度域までの平均冷却速度Ｖ2 は、前記同様に、Ｖ2 ≧１３０４℃／min に設定された。
【００１４】
鋳物、つまり鋳放し品の例１〜９について、黒鉛の面積率Ａ1 を測定した。この面積率Ａ1 は、テストピースを研磨し、エッチングを行うことなく、画像回析装置（ＩＰ−１０００ＰＣ、旭化成社製）を用いて求められた。
【００１５】
鋳放し品の例１〜９に熱処理を施して炭化物、主としてセメントタイトの微細球状化を行い、次いで熱処理後の鋳物、つまり熱処理品の例１〜９について、前記同様の方法で黒鉛の面積率Ａ2 を測定し、またヤング率Ｅ、引張強さおよび硬さを求めた。
【００１６】
表２は鋳放し品に対する熱処理条件を示す。
【００１７】
【表２】
0004318761.tif 000003
【００１８】
表３は、鋳放し品の例１〜９における黒鉛の面積率Ａ1 ならびに熱処理品の例１〜９における黒鉛の面積率Ａ2 、ヤング率Ｅ、引張強さおよび硬さを示す。
【００１９】
【表３】
0004318761.tif 000004
【００２０】
図２は、表１，３に基づいて、共晶量Ｅｃと、鋳放し品および熱処理品における黒鉛の面積率Ａ1 ，Ａ2 との関係をグラフ化したものである。図２から、鋳放し品に熱処理を施すと、黒鉛量が増加することが判る。
【００２１】
図３は、表２に基づいて、熱処理品の例１〜９における黒鉛の面積率Ａ2 とヤング率Ｅとの関係をグラフ化したものである。
【００２２】
図３から明らかなように、黒鉛の面積率Ａ2 をＡ2 ＜８％に設定すると、熱処理品の例１〜５のごとく、それらのヤング率ＥをＥ≧１７０ＧＰａにして球状黒鉛鋳鉄のそれ（Ｅ＝１６２ＧＰａ）よりも確実に向上させることができる。これを実現するためには、図２に示すように、共晶量Ｅｃ＜５０重量％において、鋳放し品における黒鉛の面積率Ａ1 をＡ1 ＜５％に設定することが必要である。
【００２３】
また図３から明らかなように黒鉛の面積率Ａ2 をＡ2 ≦１．４％に設定すると、熱処理品の例１のごとく、そのヤング率ＥをＥ≧２００ＧＰａにして機械構造用炭素鋼のそれ（Ｅ＝２０２ＧＰａ）と同程度まで向上させることができる。これを実現するためには、図２に示すように、共晶量Ｅｃ＜５０重量％において、鋳放し品における黒鉛の面積率Ａ1 をＡ1 ≦０．３％に設定することが必要である。
【００２４】
次に、鋳造材料の例２を用い、前記と同様のチクソキャスティング法を実施して平均凝固速度Ｖ1 および平均冷却速度Ｖ2 と、黒鉛の面積率Ａ1 との関係を調べたところ、表４の結果を得た。
【００２５】
【表４】
0004318761.tif 000005
【００２６】
図４は表４に基づいて、平均凝固速度Ｖ1 および平均冷却速度Ｖ2 と、黒鉛の面積率Ａ1 との関係をグラフ化したものである。図４から明らかなように、鋳放し品における黒鉛の面積率Ａ1 をＡ1 ＜５％にするためには、平均凝固速度Ｖ1 をＶ1 ≧５００℃／min に設定し、また平均冷却速度Ｖ2 をＶ2 ≧９００℃／min に設定することが必要である。前記のような速い平均凝固速度Ｖ1 は、金型、黒鉛型等の熱伝導率の高い型を用いることによって達成される。
【００２７】
図５，６（ａ）は鋳放し品の例２における金属組織を示す顕微鏡写真であり、図５は研磨後に、また図６（ａ）はナイタル液によるエッチング後にそれぞれ該当する。図５において、黒点状部分が微細黒鉛であり、その面積率Ａ1 はＡ1 ＝０．４％である。図６において、網目状セメンタイトが島状のマルテンサイトを取囲むように存在することが判る。  図７は、鋳放し品の例２に熱処理を施して得られた熱処理品の例２（表３参照）の金属組織を示す顕微鏡写真である。図７において、黒点状および黒線状部分が黒鉛であり、その面積率Ａ2 はＡ2 ＝２％である。薄灰色部分はフェライト、濃灰色の層状部分はパーライトである。
【００２８】
図８（ａ）は鋳放し品の例２4 の金属組織を示す顕微鏡写真であり、ナイタル液によるエッチング後に該当する。図８において、少量の網目状セメンタイトと、比較的多くの大、小黒鉛が観察される。この場合の黒鉛の面積率Ａ1 はＡ1 ＝６．１％である。
【００２９】
図９は、Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金よりなる鋳造材料におけるＣおよびＳｉ含有量と共晶量Ｅｃとの関係を示す。
【００３０】
本発明における鋳造材料としては、下記のような特定の組成範囲にあるＣ及びＳｉ、並びに不可避不純物を含む残部ＦｅよりなるＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金が用いられる。この組成範囲は、図９においてＣ含有量をｘ軸とし、またＳｉ含有量をｙ軸としたとき、座標（１．９５，０．７）に対応する第１の点ａ1 、座標（３．０３，０．７）に対応する第２の点ａ2 、座標（２．４２，３）に対応する第３の点ａ3 、座標（１．４５，３）に対応する第４の点ａ4 を結んで得られ、且つ第２，第３の点ａ2 ，ａ3 およびその両点ａ2 ，ａ3 を結ぶ第１の線分ｂ1 が５０重量％共晶線上に在り、且つまた第１，第４の点ａ1 ，ａ4 およびその両点ａ1 ，ａ4 を結ぶ第２の線分ｂ2 が０重量％共晶線上に在る略平行四辺形の図形の範囲内である。ただし、前記組成範囲の限界を示す前記図形の輪郭ｂ上の組成から、５０重量％共晶線上に在る第２，第３の点ａ2 ，ａ3 およびそれらを結ぶ第１の線分ｂ1 上の組成、ならびに０重量％共晶線上に在る第１，第４の点ａ1 ，ａ4 およびそれらを結ぶ第２の線分ｂ2 上の組成は除かれる。
【００３１】
ただし、共晶量ＥｃがＥｃ≧５０重量％では黒鉛量が増加し、一方、Ｅｃ＝０重量％では炭化物が生成されない。またＳｉ含有量がＳｉ＜０．７重量％では、鋳造温度の上昇を来たし、一方、Ｓｉ＞３重量％ではシリコフェライトが生じるため鋳物の機械的特性が低下傾向となる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、熱処理後において球状黒鉛鋳鉄よりも優れると共に機械構造用炭素鋼と同等の機械的特性、特に、高いヤング率Ｅを示すＦｅ−Ｃ−Ｓｉ系合金鋳物を量産することが可能な鋳造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  加圧鋳造装置の縦断面図である。
【図２】  共晶量Ｅｃと黒鉛の面積率Ａ1 ，Ａ2 との関係を示すグラフである。
【図３】  各種鋳物（熱処理品）のヤング率Ｅを示すグラフである。
【図４】  平均凝固速度Ｖ1 および平均冷却速度Ｖ2 と黒鉛の面積率Ａ1 との関係を示すグラフである。
【図５】  鋳物（鋳放し品）の例２における研磨後の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図６】  （ａ）は、鋳物（鋳放し品）の例２におけるエッチング後の金属組織を示す顕微鏡写真、（ｂ）は（ａ）の要部写図である。
【図７】  鋳物（熱処理品）の例２の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図８】  （ａ）は、鋳物（鋳放し品）の例２4 におけるエッチング後の金属組織を示す顕微鏡写真、（ｂ）は（ａ）の要部写図である。
【図９】  ＣおよびＳｉ含有量と、共晶量Ｅｃとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
４        キャビティ
５        半溶融鋳造材料
９        加圧プランジャ
１１      冷却液通路
ｍ        鋳型
【図１】
0004318761.tif 000006
【図２】
0004318761.tif 000007
【図３】
0004318761.tif 000008
【図４】
0004318761.tif 000009
【図５】
0004318761.tif 000010
【図６】
0004318761.tif 000011
【図７】
0004318761.tif 000012
【図８】
0004318761.tif 000013
【図９】
0004318761.tif 000014