(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：３．０〜４．０％、
Ｓｉ：２．０〜３．０％、
Ｍｎ：０．３％以下、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｍｇ：０．０３〜０．０６％（以上、質量％）
を含有する鉄系合金溶湯を、通水により冷却可能な冷却装置を内設した砂型に注湯し、前記冷却装置に通水することによって、溶湯を強制冷却する際に、前記球状黒鉛鋳鉄品の肉厚を２００ｍｍ以上とし、前記冷却装置を、少なくとも溶湯に接する面から冷却水に接する面までの部分を銅合金によって構成し、溶湯に接する面から冷却水に接する面までの前記銅合金の厚さを２０〜８０ｍｍとし、前記冷却装置には、前記銅合金と冷却水との間の平均熱伝達率が１２００〜１４０００Ｊ／ｍ2・ｓ・Ｋとなるように通水することを特徴とする、厚肉球状黒鉛鋳鉄品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、厚肉球状黒鉛鋳鉄品の製造方法、特に、製品形状に自由度を持ち、しかも、優れた品質を有する厚肉球状黒鉛鋳鉄品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
ねずみ鋳鉄は、溶湯中にＣ、Ｓｉを多く含有するために鋳造性が良好で、しかも、鉄基地中に黒鉛が分布することにより快削性、制振性に優れている等の特性を有している、経済性と機能性に富む材料である。
【０００３】
しかし、黒鉛が片状であるために強度と靭性が鋼に比べて大幅に劣る。一方、鋳鉄の溶湯にＭｇ等の黒鉛球状化元素を添加して製造される球状黒鉛鋳鉄は、鋳鉄の特性を有しながら、鋼に近い強度と靭性を示す優れた材料である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、肉厚が２００ｍｍを超えるような厚肉球状黒鉛鋳鉄品を砂型によって鋳造する場合、鋳型に注湯してから凝固が完了するまでの凝固時間が長いために、黒鉛球状化処理および接種処理の効果が時間の経過とともに減衰してしまい、球状黒鉛が粗大化および形状悪化を来して品質が大幅に低下してしまう恐れがあった。
【０００５】
更に、溶湯成分を厳重に管理しないと、チャンキー黒鉛と呼ばれる厚肉球状黒鉛鋳鉄に特有の微粒状黒鉛が発生して、鋳造品の強度、靭性および外観を著しく悪化させてしまう。
【０００６】
上述した問題は、凝固時間が長いことが主な原因である。凝固時間を短縮する技術としては、冷し金を用いる方法が広く採用されている。この方法は、砂型中において鋳鉄製または鋼製のブロックを溶湯に直接または間接的に当てて、鋳物を冷却する方法である。
【０００７】
ところが、厚肉品は、保有する熱量が莫大であるので、それに見合う大きな冷し金を砂型内に設置することは困難である。
【０００８】
特開平６−１０８１４７号公報には、銅合金製の水冷金型に鋳込んで強制冷却を行う方法が開示されている。しかし、この方法は、肉厚が比較的薄い製品を対象に開発されたものであり、肉厚が２００ｍｍを超えるような厚肉品への適用について十分に検討されていない。また、金型鋳造は、砂型と異なり形状の複雑な製品には適さない。
【０００９】
従って、この発明の目的は、製品形状に自由度を持ち、しかも、優れた品質を有する厚肉球状黒鉛鋳鉄品を製造することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、通水により冷却可能な冷却装置を内設した砂型に溶湯を注ぎ、前記冷却装置によって溶湯を強制冷却することによって凝固時間を短縮し、かくして、球状黒鉛の微細化および黒鉛形状の改善を図って品質を向上させるものである。しかも、鋳型内に冷却装置を内設することによって、特定の箇所のみを冷却することが可能となるので、この点からも製品形状に対する自由度が大きくなる。即ち、この発明は、下記を特徴とするものである。
【００１１】
請求項１記載の発明は、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：２．０〜３．０％、Ｍｎ：０．３％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｍｇ：０．０３〜０．０６％（以上、質量％）を含有する鉄系合金溶湯を、通水により冷却可能な冷却装置を内設した砂型に注湯し、前記冷却装置に通水することによって、溶湯を強制冷却する際に、前記球状黒鉛鋳鉄品の肉厚を２００ｍｍ以上とし、前記冷却装置を、少なくとも溶湯に接する面から冷却水に接する面までの部分を銅合金によって構成し、溶湯に接する面から冷却水に接する面までの前記銅合金の厚さを２０〜８０ｍｍとし、前記冷却装置には、前記銅合金と冷却水との間の平均熱伝達率が１２００〜１４０００Ｊ／ｍ2・ｓ・Ｋとなるように通水することに特徴を有するものである。
【００１４】
以下に、この発明における化学成分組成の限定理由について説明する。
【００１５】
Ｃ：３．０〜４．０質量％
Ｃ含有量が３．０質量％未満であると黒鉛粒数が減少してしまい、一方、４．０質量％を超えるとドロスが発生し易くなる。従って、Ｃ含有量は、３．０〜４．０質量％の範囲内に限定する。
【００１６】
Ｓｉ：２．０〜３．０質量％
Ｓｉ含有量が２．０質量％未満であると、強制冷却して急冷された際にチルが生成し易くなり、一方、３．０質量％を超えると、ドロスの発生や靭性低下を招く。従って、Ｓｉ含有量は、２．０〜３．０質量％の範囲内に限定する。
【００１７】
Ｍｎ：０．３質量％以下
Ｍｎは、炭化物安定化元素であるが、多量に含まれるとチルが生成し易くするため、０．３質量％以下の範囲に限定する。
【００１８】
Ｐ：０．０５質量％以下
Ｐは、最終凝固部に偏析して鋳造品を脆化させる。この現象は、厚肉品で特に顕著であるので、０．０５質量％の範囲に限定する。
【００１９】
Ｓ：０．０２質量％以下
Ｓは、球状化阻害元素であり、厚肉品は、特にその作用に敏感であるので、０．０２質量％以下の範囲に限定する。
【００２０】
Ｍｇ：０．０３〜０．０６質量％
Ｍｇは、球状化促進元素であるが、０．０３質量％未満では、肉厚２００ｍｍを超える厚肉品の中心部まで十分に黒鉛が球状化しない。一方、０．０６質量％を超えると、チルやドロスが発生し易くなる。従って、Ｍｇ含有量は、０．０３〜０．０６質量％の範囲内に限定する。
【００２１】
次に、この発明において使用する冷却装置を、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は、この発明において使用する冷却装置を示す正面図、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００２３】
図１および図２に示すように、この発明において使用する冷却装置は、冷却装置本体１の内部に通水路２が蛇行して形成され、砂型側の側面に、通水路２に通じる銅合金製通水管３を取り付けたものからなり、肉厚２００ｍｍ以上の厚肉品に直接あるいは間接に当てて、強制冷却を行なって製品の内部品質を向上させる。なお、通水路２の出入り口に蓋をし、砂型に設置する際、この蓋を外して、外部の通水管に接続するようにしても良い。
【００２４】
上記冷却装置において、少なくとも溶湯に接する面から冷却水に接する面までの溶湯側部分（図１中ハッチングで示す）は、冷却に有利なように、熱伝導率の大きい銅合金により構成すると良い。なお、この例では、通水路２の中心点を通る線を境に溶湯側部分４が銅合金製、砂型側部分５がステンレス鋼製で作られている。
【００２５】
溶湯に接する面から冷却水に接する面までの距離（Ｌ）が短いほど、熱抵抗が小さくなり、強制冷却が効果的に行われるが、短すぎると注湯直後の溶湯側の本体１の側面温度が過度に上昇して、冷却装置が損傷する恐れがある。従って、距離（Ｌ）および溶湯側部分４と冷却水との間の熱伝達率の選択が重要な要件となる。
【００２６】
この点について検討したところ、距離（Ｌ）を２０〜８０ｍｍの範囲内にし、且つ、冷却装置本体１の銅合金と冷却水との間の平均熱伝達率が１２００〜１４０００Ｊ／ｍ2・ｓ・Ｋとなるように通水すれば、製品の内部品質を向上させることができることが分かった。
【００２７】
【発明の実施形態】
次に、この発明の厚肉球状黒鉛鋳鉄の製造方法の一実施形態について説明する。
【００２８】
溶解炉中で鋳鉄溶湯を溶製して、球状化処理及び接種処理を施し、この後、溶湯を上述した冷却装置を内投した砂型に注湯する。注湯完了後、冷即装置に通水して強制冷却を行い、かくして、肉厚２００ｍｍ以上の厚肉品の内部品質を向上させる。
【００２９】
黒鉛球状化処理とは、黒鉛を球状化させるために、黒鉛球状化促進元素であるＭｇ、Ｃｅ、Ｃａ等を溶湯に添加する処理である。添加合金は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金が一般的に使用されており、この内の多くのものには、黒鉛球状化促進としてＣｅ、Ｃａが添加されている。
【００３０】
ところが、Ｃｅ、Ｃａは、厚肉球状黒鉛鋳鉄品では、チャンキー黒鉛の発生を促進するので、これらの元素が添加されていない合金を用いることが好ましい。添加方法としては、取鍋底に添加合金を予め装入し、ここに鋳鉄溶湯を流し込む置注ぎ法が最も一般的に行われている。
【００３１】
接種処理とは、黒鉛粒数を増加させるために、Ｆｅ−Ｓｉ合金、または、適当な合金を溶湯に少量添加する処理である。厚肉品では凝固完了するまでの時間が長く、その間に接種効果が減衰してしまうため、鋳型に注湯する直前に行う後期接種が望ましい。この方法としては、注湯直前にワイヤ状の接種合金を取鍋中に送り込む方法、注湯時の湯流れ中に棒状の接種合金を湯で洗わせる方法、鋳型の上の掛堰中で接種合金を添加する方法が行われている。
【００３２】
【実施例】
次に、この発明の実施例について説明する。
【００３３】
砂型中に内設した冷却装置の効果を確認するために、大型ブロック材の鋳造試験を、以下のようにして行なった。
【００３４】
図２に示すように、冷し金無し鋳型、鋳鉄製冷し金を内設した砂型および本願発明にかかる冷却装置を内設した砂型の鋳型を用意して、幅４００×高さ５００×長さ７００ｍｍの寸法を有するブロック材を鋳造した。
【００３５】
冷却装置は、図１および図２に示したように、銅合金製の溶湯側部分４とステンレス鋼製の砂型側部分５とからなり、その間に径３８ｍｍの通水路が蛇行して形成されたものものを使用した。なお、溶湯に接する面から冷却水に接する面までの距離（Ｌ）は、３１ｍｍであった。
【００３６】
次に、溶解炉で溶製した鋳鉄溶湯に、取り鍋中でＭｇ系の球状化処理を施した。溶湯の取鍋分析値は、質量％で、Ｃ：３．５７％、Ｓｉ：２．１２％、Ｍｎ：０．２１％、Ｐ：０．０１５％、Ｓ：０．００７％、Ｍｇ：０．０４６％であつた。
【００３７】
次に、この溶湯にＦｅ−Ｓｉ合金を溶湯質量に対して０．１％後期接種してから、用意した鋳型に注湯した。このときの溶湯温度は、１３３０〜１３４０℃の温度範囲内であった。注湯と同時に、銅合金製の溶湯側部分４と冷却水との間の平均熱伝達率が約８０００Ｊ／ｍ2・ｓ・Ｋとなるように、冷却装置に９７２リットル／分・ｍ2で通水し、同時に、ブロック材の中心部に熱電対を設置して凝固時間を測定した。そして、このようにして鋳造したブロック材の中央部から図４に示すように、組織観察用サンプルＡと引張試験用Ｂとをそれぞれ採取して組織観察と引張試験とを行った。
【００３８】
これらの試験結果を、表1および図５に示す。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
表１から明らかなように、冷し金無し砂型の凝固特間は、２８０分であるのに対して、冷し金内設鋳型の凝固時間は、これより短縮されて９６分、そして、冷却装置内設鋳型の凝固時間は、更に、短縮されて５８分であった。凝固時間の短縮に伴って、黒鉛粒径が小さくなり、この結果、黒鉛球状化率が増加して、引張特性が向上した。そして、図５に示すように、チャンキー黒鉛は、観察されなかった。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、砂型を用いることによって、製品形状に自由度を持たせることができ、即ち、金型に比べて複雑な形状の鋳鉄品を製造することができ、しかも、通水可能な冷却装置を砂型に内設して、溶湯を強制冷却することによって、優れた内部品質を有する、肉厚２００ｍｍ以上の厚肉球状黒鉛鋳鉄品を容易に製造することができるといった有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明において使用する冷却装置を示す正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】冷し金無し鋳型、冷し金内設鋳型および冷却装置内設鋳型を示す平面図である。
【図４】鋳造したブロックからの組織観察用サンプルおよび引張試験用サンプルの採取位置を示す斜視図である。
【図５】冷し金無し鋳型、冷し金内設鋳型および冷却装置内設鋳型によって鋳造したブロックの中心部のミクロ組織を示す断面図である。
【符号の説明】
１：冷却装置本体
２：通水路
３：通水管
４：溶湯側部分
５：砂型側部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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