(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状黒鉛鋳鉄からなる素材を１１５０°Ｃ乃至１３００°Ｃの温度範囲内に加熱して融解する融解過程と、その融解した球状黒鉛鋳鉄を球状黒鉛が残存している期間中に成形する成形過程とを含むことを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の成形方法。
【請求項２】
請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄の成形方法において、前記成形過程が、前記融解した球状黒鉛鋳鉄を型に押し込んで加圧する型成形であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の成形方法。
【請求項３】
請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄の成形方法において、前記成形過程が、前記融解した球状黒鉛鋳鉄を型内に吸引する型成形であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の成形方法。
【請求項４】
請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄の成形方法において、前記成形過程が、前記融解した球状黒鉛鋳鉄をダイスを通して押し出す押し出し成形であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の成形方法。
【請求項５】
請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄の成形方法において、前記成形過程が、前記融解した球状黒鉛鋳鉄を対をなすローラの間を通して圧延する圧延成形であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、球状黒鉛鋳鉄中の球状黒鉛の球状化率の劣化を招くことなく、良好な流動性を利用する、型成形、圧延、鍛造、押し出し等の成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
球状黒鉛鋳鉄を得る方法としては、溶解状態にある成分調整した鋳鉄溶湯に黒鉛球状化処理を施し、鋳造する方法が一般的である。この方法によれば、溶解温度あるいは鋳造温度が非常に高温（通常１４００°Ｃ程度）であり、型への熱負荷が大きいため、型の寿命の著しい低下を招く。また、凝固時の収縮により巣が発生する場合があり、できる限り低温で鋳造する必要があるが、時間とともに黒鉛球状化作用が消失するという問題があり、温度を低下させる時間的余裕がない。
一方、球状黒鉛鋳鉄を固相温度域、例えば１０００°Ｃに加熱して、鍛造、圧延等により成形する方法がある。この方法によれば、固相成形であるため、成形荷重を高くする必要があり、また、固相の塑性流動により球状であるべき黒鉛が変形してしまう問題がある。黒鉛の変形は球状黒鉛鋳鉄の本来の強靱な性質の低下につながる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、型への熱負荷を軽減でき、黒鉛が変形しない、球状黒鉛鋳鉄の成形方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、球状黒鉛鋳鉄を加熱して溶解した状態において優れた流動性を持ち、且つ球状黒鉛の球状化率が劣化しない温度範囲のあることを発見して完成に至ったものである。すなわち、本発明の手段は、球状黒鉛鋳鉄からなる素材を１１５０°Ｃ乃至１３００°Ｃの温度範囲内に加熱して融解する過程と、その融解した球状黒鉛鋳鉄を球状黒鉛が残存している期間中に成形する過程とを含むことを特徴とする。
前記成形過程は、型を使用する、通常の型鋳造、押し込み加圧鋳造、吸引鋳造、型鍛造、また、長手方向断面形状が一様なものに加工するロールによる圧延、あるいはダイスを通して押し出す押し出し、等である。
【０００５】
前記手段において、温度範囲を前記のように限定した理由は、１１５０°Ｃ未満では、未溶解の固相が多いため、流動性を確保できず、目的の形状に成形し難く、また温度が低くなるほど割れが発生する可能性が高くなるからである。そして、１３００°Ｃを越えると、黒鉛球状化の効果が消失してしまい、すなわち温度が高くなるほど球状黒鉛が組織中に溶け出して球状でなくなり、また球状化率が低下するのであり、良質の球状黒鉛を含む組織が得られないからである。
素材の球状黒鉛鋳鉄を１１５０°Ｃ乃至１３００°Ｃの範囲内に加熱した状態は、流動性を呈する半溶融状態であり、球状黒鉛はそのまま存在している。基礎的実験の結果を示すと、Ｃ３．５ｗｔ％、Ｓｉ３．２ｗｔ％を含有する黒鉛球状化率８６．８％の球状黒鉛鋳鉄を素材とし、この素材を坩堝に収容して１２００°Ｃまで加熱し、この温度に５分間保持後、大気中で放冷して凝固させ、黒鉛球状化率を調査したところ、８７．４％（実験結果１）であった。また、前記と同じ素材を１２４０°Ｃまで加熱して５分間保持後、同様に冷却して凝固させ、黒鉛球状化率を調査したところ、８２．６％（実験結果２）であった。図５（ａ）は素材、（ｂ）は実験結果１、（ｃ）は実験結果２の夫々の鋳鉄の顕微鏡組織写真であり、（ａ）の球状黒鉛に対し（ｂ）、（ｃ）の球状黒鉛が殆ど変化していないことが認められる。その後の実験では、前記範囲内の所定温度に２０分間保持してから凝固させても黒鉛の球状化率が殆ど変化しないことが確認されている。従って、このように球状黒鉛の球状が保たれている期間内に成形を終了するようにすれば、元の素材に対応する高品質の球状黒鉛鋳鉄の成形品を得ることが可能となる。前記２０分という時間は成形に必要な時間として略満足できる期間である。
【０００６】
また、前記温度範囲の最高値である１３００°Ｃでも、通常の球状黒鉛鋳鉄の鋳込み温度である１４００°Ｃと比べると１００°Ｃ低いから、型やダイスへの熱負荷がそれだけ軽減され、金型やダイスの強度を確保しやすい。従って、吸引鋳造や押し込み加圧鋳造が可能となる。また、金型寿命も伸びる。前記温度範囲の最低値である１１５０°Ｃは、従来の球状黒鉛鋳鉄の鍛造や圧延、すなわち固相温度域（１０００°Ｃ）の加熱での鍛造や圧延に比べて加熱温度が高いから、球状黒鉛は固相であるが他の大部分は液相であり、型鍛造やロール圧延に相当する成形加工を行っても球状黒鉛が変形しない。従って、元の素材に対応する品質の球状黒鉛鋳鉄の成形品を得ることが可能となり、更に成形過程で材料が加圧される場合には組織が緻密となるが流動性を有するため球状黒鉛の変形はなく、より品質が向上する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
第１の実施の形態は、加圧による型成形であり、図１に模式図として示すように、素材の球状黒鉛鋳鉄を１１５０°Ｃ乃至１３００°Ｃの範囲内の所定温度に加熱して融解した融解物１をコンテナ２に収容し、ラム３を下方へ前進させることにより鋳型４の型空間に押し込み、凝固させて成形品として取り出す。図中５は高周波加熱コイル又は抵抗発熱体からなる加熱手段であり、必要に応じて使用する。なお、素材の融解から成形時の凝固開始までの前記温度範囲内にある時間は２０分以下とするのがよい。また、この実施の形態に用いた装置では、上記使用方法の外にコンテナ２内に未融解の素材を収容し、始めから加熱手段５によって融解する使用方法が可能であり、このようにしてもよい。
得られる成形品は、素材と略同等の球状黒鉛鋳鉄であり、加圧成形されたものであるから組織がより緻密である。
【０００８】
第２の実施の形態は、吸引鋳造であり、図２に模式図として示すように、素材の球状黒鉛鋳鉄を１１５０°Ｃ乃至１３００°Ｃの範囲内の所定温度に加熱して融解した融解物６を鋳型７の型空間に、吸引し、凝固させて成形品として取り出す。図中８は保持炉、９は高周波加熱コイル又は抵抗発熱体からなる加熱手段、１０は吸い込みノズル、１１は吸引管である。なお、素材の融解から成形時の凝固開始までの前記温度範囲内にある時間は２０分以下とするのがよい。
得られる成形品は、素材と略同等の球状黒鉛鋳鉄であり、吸引成形であるから吸引中に脱ガスされ、品質が向上する。
【０００９】
第３の実施の形態は、押し出し成形であり、図３に模式図として示すように、素材の球状黒鉛鋳鉄を１１５０°Ｃ乃至１３００°Ｃの範囲内の所定温度に加熱して融解した融解物１２の所定量を、コンテナ１３内に収容してラム１４を前進させることによりダイス１５を通して押し出し、所定断面形状の成形品１６とする。なお、この場合ダイス１５を出た直後は表面近くが凝固しているが中心部は未だ融解状態であり変形しやすい状態であるから、成形品ガイドを用いて直線状態に案内するのがよい。また、必要に応じてコンテナ１３に図１に示したような加熱手段を設ける。なお、素材の融解から成形時の凝固開始までの前記温度範囲内にある時間は２０分以下とするのがよい。また、この実施の形態に使用した装置も、加熱手段を設けた場合は、始めから未融解の素材をコンテナ１３内に収容して融解するようにしてもよい。
得られる成形品は、素材と略同等の球状黒鉛鋳鉄である。
【００１０】
第４の実施の形態は、ローラを用いた圧延加工に相当する成形であり、図４に模式図として示すように、素材の球状黒鉛鋳鉄を１１５０°Ｃ乃至１３００°Ｃの範囲の所定温度に加熱して融解した融解物１７を、冷却手段を備えた対をなす回転ローラ１８、１９の間に常にほぼ一定した量がローラ部上に溜まるように供給し、ローラ１８、１９の間から外表面が凝固して出てくる所定断面形状の連続した成形品２０として得る。なお、素材の融解から成形時の凝固開始までの前記温度範囲内にある時間は２０分以下とするのがよい。
得られる成形品は、素材と略同等の球状黒鉛鋳鉄である。第３、第４の実施の形態の成形品１６、２０は、断面形状が一様な、例えば、図４（ｂ）、（ｃ）に示す断面形状２１、２２のようなものである。なお、第３の実施の形態に関連して、マンドレルを使用する構成の装置を用いると球状黒鉛鋳鉄製の管、特に異形断面の管の成形も可能である。
【００１１】
【実施例】
第１の実施の形態において、素材の球状黒鉛鋳鉄として、Ｃが３．５ｗｔ％、Ｓｉが３．２ｗｔ％を含有し、黒鉛球状化率８６．８％のものを使用し、１１８０°Ｃに加熱したものを融解物１とし、外径５０ｍｍ、内径４４ｍｍ、高さ７５ｍｍのカップ型の成形品とした。その成形品の周壁の中間高さ位置の顕微鏡組織写真を図５（ｄ）に示す。その成形品の黒鉛球状化率は数箇所の平均値で８７．４％であった。この結果は黒鉛球状化率が素材と成形品とで略同じと判定できる。なお、一般には球状黒鉛鋳鉄の黒鉛球状化率は７０％以上であれば、強度上の欠陥が起こらないと認識されている。従って、この成形品は十分に良質な球状黒鉛鋳鉄製品であるといえる。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明は、元の素材に対応する品質の球状黒鉛鋳鉄の成形品を得ることが可能であり、素材の球状黒鉛鋳鉄を所定の温度範囲内に再加熱して成形するから、必要なだけの素材を融解して小ロットの球状黒鉛鋳鉄成形品の生産に対応でき、素材をストックしておくことにより、少量の注文に応じて迅速に生産できる効果を奏する。また、融解温度範囲が従来の球状黒鉛鋳鉄の鋳造温度よりも低いから、巣の発生が少なくなり、更に成形において使用する型やダイスに対する熱負荷が軽減されるから、その寿命が長くなる効果を奏する。
請求項２に記載の発明は、加圧成形であるから、複雑な形状の高品質の球状黒鉛鋳鉄成形品を得ることができる効果を奏する。
請求項３に記載の発明は、吸引による鋳造であるから、脱ガスが行われて品質のよい球状黒鉛鋳鉄成形品が得られる効果を奏する。
請求項４に記載の発明は、押し出し成形であるから、ダイスの変更のみによって異なる球状黒鉛鋳鉄成形品に対応できる効果を奏する。
請求項５に記載の発明は、ローラによる圧延成形であるから、組織が緻密となり、品質の良い球状黒鉛鋳鉄成形品が得られる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を、使用する加圧鋳造装置と共に模式的に示した縦断正面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を、使用する吸引鋳造装置と共に模式的に示した縦断正面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を、使用する押し出し成形装置と共に模式的に示した縦断正面図である。
【図４】（ａ）は本発明の第４の実施の形態を、使用する圧延装置と共に模式的に示した縦断正面図であり、（ｂ）及び（ｃ）は第３及び第４の実施の形態で得られる成形品の例を示す断面図である。
【図５】（ａ）は素材の球状黒鉛鋳鉄の顕微鏡組織写真、（ｂ）及び（ｃ）は素材を加熱融解して所定時間保持して凝固させた球状黒鉛鋳鉄の顕微鏡組織写真、（ｄ）は実施例の球状黒鉛鋳鉄の顕微鏡組織写真である。
【符号の説明】
１    融解した素材
２    コンテナ
３    プランジャ
４    型
５    加熱装置
６    融解した素材
７    型
８    保持炉
９    加熱装置
１０  吸引ノズル
１１  吸引管
１２  融解した素材
１３  コンテナ
１４  プランジャ
１５  ダイス
１６  成形品
１７  融解した素材
１８  ローラ
１９  ローラ
２０  成形品
【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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