(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素が３．２〜３．６質量％、ケイ素が１．７〜２．４質量％含有され且つＣＥ値が３．８〜３．９５に設定されていると共に、マンガンが０．４５〜０．９質量％、リンが０．２質量％以下、イオウが０．２質量％以下、クロムが０．２〜０．５質量％、銅が０．３〜０．５質量％、モリブデンが０．２〜０．４質量％含有されており、残部が鉄及び不可避的に存在する不純物でなることを特徴とする鋳鉄材。
【請求項２】
炭素が３．２〜３．６質量％、ケイ素が１．７〜２．４質量％含有され且つＣＥ値が４．１〜４．２５に設定されていると共に、マンガンが０．４５〜０．９質量％、リンが０．２質量％以下、イオウが０．２質量％以下、クロムが０．２〜０．５質量％、銅が０．５〜０．７質量％、モリブデンが０．４〜０．６質量％含有されており、残部が鉄及び不可避的に存在する不純物でなることを特徴とする鋳鉄材。
【請求項３】
請求項１または２記載の鋳鉄材において、
ある規定厚さのテストピースの引張強度を「１００」とした場合に、その規定厚さの約４倍の厚さのテストピースの引張強度率が７０％程度またはそれ以上に得られることを特徴とする鋳鉄材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば内燃機関のシリンダブロックの構成材料等として使用される鋳鉄材に係る。特に、モリブデン等の元素を含有した鋳鉄材に対し、質量効果を小さくするための対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関、特に、ディーゼルエンジンにおいては、シリンダブロック等に代表される主要鋳造部品の構成材料として、切削性や製造コストを考慮して片状黒鉛鋳鉄が一般に採用されている。
【０００３】
この種の片状黒鉛鋳鉄としては、炭素が約２〜４質量％、ケイ素が約１〜３質量％、マンガンが約０．２〜１．３質量％、リンが約０．０５〜０．５質量％、イオウが約０．０２〜０．２質量％で、残部が鉄である組成のものが一般に採用されている。また、この片状黒鉛鋳鉄に、クロム、ニッケル、銅、モリブデン、バナジウム、チタン、すず等の材料を含有させることも行われている。このことは、例えば「鋳鋼・鋳鉄」株式会社朝倉書店発行の第５３頁に開示されている。
【０００４】
これら元素を含有させることにより、エンジンの高出力化及び高性能化に適した耐久性の高い主要鋳造部品の実現を図っている。その結果、高出力、高性能且つ長寿命のエンジンを搭載した車両の実用化を図り、一般ユーザの要求に応える高い性能を有する車両が得られるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記シリンダブロック等の鋳造部品においては、ボルトのボス部や隔壁リブ部といった部分は、他の部分よりも肉厚が大きいため冷却速度が比較的小さくなる。このため、質量効果による強度低下が大きくなってしまう。以下、この質量効果による強度低下について詳細に説明する。
【０００６】
図１は、一般的なディーゼルエンジンのシリンダブロックの側面図である。この図において、Ａ部分の肉厚は２０mm程度に、Ｂ部分の肉厚は５０〜７０mm程度に、Ｃ部分の肉厚は１００mm程度になっている。そして、このシリンダブロックを鋳造により作製する場合、比較的薄肉の部分（図中のＡ部分）では、熱容量が小さいため迅速に冷却される。これに対し、比較的厚肉の部分（図中のＢ部分やＣ部分）では、熱容量が大きいため上記Ａ部分に比べて冷却速度は小さくなっている。
【０００７】
今、シリンダブロックと同一組成の鋳鉄材により作製された直径３０mmの円柱状テストピースを使用し、このテストピースの強度を「１００」とした場合の上記Ａ〜Ｃの各部における実体強度率を算出する。つまり、この実体強度率は以下の式により求められる。
【０００８】
実体強度率（％）＝（実体強度（ＭＰａ）／別体強度（ＭＰａ））×１００                                                              …（１）
ここで、実体強度とは上記Ａ〜Ｃの各部における強度であり、別体強度とは上記テストピースの強度である。つまり、Ａ〜Ｃの各部の実体強度率は、テストピースの強度に対する各部の強度の比率として求められる。以下、算出された各部の実体強度率の例を列挙する。
（Ａ）Ａ部分（肉厚２０mm程度）の実体強度率：８０〜９０％
（Ｂ）Ｂ部分（肉厚５０〜７０mm程度）の実体強度率：７０〜８０％
（Ｃ）Ｃ部分（肉厚１００mm程度）の実体強度率：６０〜７０％
このように、肉厚が大きい部分ほど冷却速度は小さくそれに伴って実体強度率も低下している。図２は、直径が異なる複数種類のテストピースにおける「炭素飽和度」と「引張り強度」との関係を示すグラフである（鋳物便覧：丸善（株）発行  第５１４頁出典）。このグラフからも判るように、大径の（肉厚が大きい）テストピースほど引張り強度が低くなる、つまり質量効果の影響によって実体強度率が低下していることが判る。
【０００９】
このように、従来の鋳鉄材にあっては、その肉厚の大小に起因する冷却速度によって強度が左右される影響が大きく、つまり質量効果の大きいものであった。
【００１０】
近年、ディーゼルエンジンは、高出力化及び高性能化の傾向が著しく、シリンダブロック等の主要鋳造部材に作用する負荷は年々増加する傾向にある。従って、上述した従来のような質量効果の大きな鋳鉄材では、ボルトのボス部等の厚肉部分の如く冷却速度が小さい部分における強度の信頼性が確保し難しくなってきている。
【００１１】
特に、エンジンの高出力化を図る場合、図３に示すように、シリンダブロック１の上端に形成される棚部２に対するライナ鍔部３の締め付けトルク（図中矢印参照）を高くせねばならいといった要求があるが、従来の鋳鉄材において、この締め付けトルクを高くする場合、上記質量効果の影響によって棚部に十分な強度が得られていない可能性があり、経年劣化によりシリンダブロック１の棚部２周辺にクラック４が発生してしまうことが懸念される。このため、この締め付けトルクを高くするには限界があり、そのためエンジンの高出力化にも限界があった。
【００１２】
一方、むやみに合金の添加量を増加させて強度の向上を図ろうとすると、他の部位（比較的薄肉の部分の如く冷却速度が高い部分）においては硬度が必要以上に高くなってしまい、切削性が損なわれたり鋳造性が悪化したりするといった不具合を招いてしまう。
【００１３】
本発明は、かかる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、切削性や鋳造性の悪化を招くことなしに質量効果を小さくすることができる鋳鉄材、つまり冷却速度の大小が強度を左右する影響を少なくすることができて製品全体に十分な強度を得ることが可能な鋳鉄材を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
−発明の概要−
上記目的を達成するために、本発明は、クロムや銅やモリブデン等の元素を含有した鋳鉄材に対し、炭素及びケイ素の含有量やこれら元素の含有比率に対する銅及びモリブデンの含有量の適正化を図って、切削性や鋳造性の悪化を招くことなしに質量効果を小さくすることができる鋳鉄材が得られるようにしている。
【００１５】
−解決手段−
具体的に、本発明が講じた第１の解決手段は、鋳鉄材に対し、炭素を３．２〜３．６質量％、ケイ素を１．７〜２．４質量％含有させ且つＣＥ値を３．８〜３．９５に設定すると共に、マンガンを０．４５〜０．９質量％、リンを０．２質量％以下、イオウを０．２質量％以下、クロムを０．２〜０．５質量％、銅を０．３〜０．５質量％、モリブデンを０．２〜０．４質量％含有させている。また、残部は鉄及び不可避的に存在するアンチモンやスズなどの不純物でなる。尚、上記ＣＥ値は、炭素当量とも呼ばれ、以下の式により求められるものである。
【００１６】
ＣＥ値＝｛炭素含有量（質量％）｝＋｛ケイ素含有量（質量％）／３｝
…（２）
【００１７】
また、第２の解決手段は、炭素を３．２〜３．６質量％、ケイ素を１．７〜２．４質量％含有させ且つＣＥ値を４．１〜４．２５に設定すると共に、マンガンを０．４５〜０．９質量％、リンを０．２質量％以下、イオウを０．２質量％以下、クロムを０．２〜０．５質量％、銅を０．５〜０．７質量％、モリブデンを０．４〜０．６質量％含有させている。また、残部は鉄及び不可避的に存在する不純物でなる。
【００１８】
これら特定事項により、上記厚肉部のように冷却速度が比較的小さい部分においても、フェライトの析出、パーライト組織の粗大化、黒鉛の晶出が共に抑制される。つまり、従来の鋳鉄材にあっては冷却速度が小さいためにフェライトや黒鉛が晶出しやすい状況においても、本発明の鋳鉄材ではこれらの晶出を抑制することができる。これにより、質量効果による強度の劣化を緩和することが可能な鋳鉄材を得ることができる。特に、中型や大型の鋳造物であって各部の肉厚に大きな差がありそれぞれの冷却速度に大きな差があるもの（例えばエンジンのシリンダブロック等）に適用した場合には、その鋳造物の全体に亘って略均一な高い強度を確保することができる。更に、合金の添加量を増加させて強度の向上を図るものではないので、比較的薄肉の部分（冷却速度が比較的高い部分）において硬度が必要以上に高くなってしまうことがなく、切削性や鋳造性が良好に維持されている。
【００１９】
具体的には、炭素及びケイ素の含有量やこれら元素の比率（ＣＥ値）に対して、クロム、銅及びモリブデンの含有量の適正化を図ったことで、引張り強度２５０ＭＰａ以上、ブリネル硬さ２４５ＨＢ以下の機械的性質を満たした鋳鉄材を得ることができる。また、銅を上記適正量だけ添加したことにより、パーライト組織を安定化させ、厚肉部（冷却速度の小さい部分）における組織の粗大化を抑制することができる。よって、従来の鋳鉄材に比べて、本発明の鋳鉄材にあっては、大型鋳造品等の厚肉部分における強度低下を抑制し、各部における強度のバラツキを回避することができる。
【００２０】
上記各元素の質量比率を上述のように限定した理由を以下に説明する。
【００２１】
（炭素）
炭素量が３．２質量％未満では、引け巣等の鋳造欠陥を生じ易くなると共に、被削性が劣化してしまう。一方、３．６質量％を超える場合には、黒鉛晶出量が過多となって材質が脆弱化してしまう。
【００２２】
（ケイ素）
ケイ素量が１．７質量％未満では、溶湯の流動性が劣化して鋳造性が損なわれる。一方、２．４質量％を超える場合には、基地組織中のフェライトの析出量が多くなり、強度が劣化する。
【００２３】
（マンガン）
基地パーライトの高温安定化と、不純物としてのイオウの有害性を取り除くためには０．４５質量％以上のマンガン量が必要である。一方、マンガン量が０．９質量％を超えるとチル化傾向が増大して脆弱化してしまう。
【００２４】
（リン）
リンは溶解原料から不可避的に存在する（少なくとも０．０２質量％以上は存在する）が、多量に存在すると脆弱化するため、その影響が無視できる程度の０．２質量％以下とした。
【００２５】
（イオウ）
イオウも溶解原料から不可避的に存在する（少なくとも０．０５質量％以上は存在する）が、多量に存在すると鋳造凝固過程で高温割れが生じ易く、その影響が無視できる程度の０．２質量％以下としている。
【００２６】
（クロム）
基地パーライトの高温安定化、特に５００℃までのパーライトの分解を阻止してフェライトや黒鉛を抑制するためには０．２質量％以上のクロム量が必要である。一方、クロム量が０．５質量％を超えると遊離炭化物が形成されて脆弱化すると共に被削性が著しく劣化してしまう。
【００２７】
（銅及びモリブデン）
銅及びモリブデンの含有量は上記ＣＥ値に応じて適切に設定する必要がある。つまり、上述した如く、炭素及びケイ素が上記範囲にあって且つＣＥ値が３．８〜３．９５である場合には、銅を０．３〜０．５質量％、モリブデンを０．２〜０．４質量％含有させる。また、炭素及びケイ素が上記範囲にあって且つＣＥ値が４．１〜４．２５である場合には、銅を０．５〜０．７質量％、モリブデンを０．４〜０．６質量％含有させる。
【００２８】
各場合における銅の含有量として、パーライトの安定化、クロムやモリブデンによる炭化物の生成を抑制するためには上記各下限値の以上の銅が必要である。一方、銅の量が上記上限値を超えると含有量に見合った効果が得られなくなってしまう。
【００２９】
また、各場合のモリブデンの含有量として、パーライトの微細化及びフェライトの抑制のためには、上記各下限値以上のモリブデン量が必要である。一方、モリブデン量が上記各上限値を超えると含有量に見合った効果が得られない。また、モリブデン含有量が多過ぎると、引け巣等の鋳造欠陥が生じ易くなると共に、遊離炭化物が形成されて脆弱化し、更に被削性が著しく劣化してしまう。
【００３０】
また、上記組成の鋳鉄材によって得られる特性として、ある規定厚さのテストピースの引張強度を「１００」とした場合に、その規定厚さの約４倍の厚さのテストピースの引張強度率が７０％程度またはそれ以上であることが掲げられる。これは、例えば、後述するように、直径３０mmの試験片の引張強度を「１００」とした場合において、この試験片と同じ組成で成る直径１２０mmの試験片の引張強度の比率を以下の式により算出した値が７０％程度またはそれ以上であることを示している。
【００３１】
強度率（％）＝（直径１２０mmの試験片の引張強度（ＭＰａ）／直径３０mmの試験片の引張強度（ＭＰａ））×１００          …（３）
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態として、本発明に係る鋳鉄材と従来の鋳鉄材とを比較するために行った機械的性質試験について説明する。
【００３３】
この試験では、以下の各表に示す組成成分を含有する（各表に示す組成成分以外である残部は、鉄及び不可避的に存在する不純物でなる）各試験片（実施例１〜４、比較例１〜４）に対してアムスラー万能試験機による評価試験を行った。各試験片の評価結果として引張り強度及びブリネル硬さの測定結果を各表に合わせて示す。また、この試験例で使用した試験片は、鋳造により作製された直径３０mmの抗折試験片（ＪＩＳ Ｇ５５０１参照）及び直径１２０mmの試験片を使用した。この試験片の作製時の型バラシ温度は５００℃以下とした。また、各引張試験片は、鋳造された試験片の中央部分のみを採取し、ＪＩＳ  Ｚ２２０１の８号試験片とし、硬さ試験片はその一部を用いた。
【００３４】
また、各表に合わせて示す強度率とは、直径３０mmの試験片の引張強度を「１００」とした場合において、この試験片と同じ組成で成る直径１２０mmの試験片の引張強度の比率を以下の式により算出したものである。
【００３５】
強度率（％）＝（直径１２０mmの試験片の引張強度（ＭＰａ）／直径３０mmの試験片の引張強度（ＭＰａ））×１００          …（３）
以下の各表において、表１は本発明の請求項１に係る鋳鉄材を実施例としている。また、表２は本発明の請求項２に係る鋳鉄材を実施例としている。
【００３６】
【表１】
0003762710.tif 000002
【００３８】
【表２】
0003762710.tif 000003
【００３９】
これらの表から明らかなように、本発明に係る試験片（各実施例）は、何れの試験片においても引張り強度２５０ＭＰａ以上、ブリネル硬さ２４５ＨＢ以下の機械的性質を満たし、被削性や強度が十分に高い鋳鉄材が得られていることが確認できる。また、強度率も７０％程度の高い値が得られている。
【００４０】
これに対し、各比較例のものでは、一部のものにおいては引張強度及びブリネル硬さが上記範囲にあるものの強度率としては何れも６０％以下の値しか得られていない。これは、質量効果が大きいことを示している。つまり、冷却速度の高い直径３０mmの試験片の引張強度に対して、冷却速度の小さい直径１２０mmの試験片の引張強度の低下率が大きくなっており、質量効果が大きいことを示している。
【００４１】
以上の試験結果から、本形態に係る鋳鉄材にあっては、切削性や鋳造性の悪化を招くことなしに質量効果を小さくすることができ、ディーゼルエンジンのシリンダブロックに適用した場合には、高出力、高性能且つ長寿命のエンジンを実現することができる。
【００４２】
また、他の機械的性質試験として、直径が異なる複数種類の上記試験片を作製し、本発明品と従来品とのそれぞれにおいて上記強度率を求めた。その一例をグラフ化したものが図４である。
【００４３】
この図から判るように、同一形状の試験片であっても本発明品の方が強度率は高く維持されている。例えば、直径９０mmの試験片においては、従来品の強度率（直径３０mmの試験片の引張強度を「１００」とした場合の引張強度の比率）が６１％であるのに対し、本発明品の強度率は７４％と高い値になっている。同様に、直径１２０mmの試験片においては、従来品の強度率が５８％であるのに対し、本発明品の強度率は７３％と高い値になっている。
【００４４】
−金属組織の比較−
次に、本発明に係る鋳鉄材と従来の鋳鉄材との金属組織を比較するために、上記実施例及び比較例に使用した鋳鉄材の金属組織の顕微鏡写真を図５に示す。この図５の左上段は従来の鋳鉄材における黒鉛組織を、右上段は本発明に係る鋳鉄材における黒鉛組織をそれぞれ示している。また、この図５の左下段は従来の鋳鉄材における基地組織を、右下段は本発明に係る鋳鉄材における基地組織をそれぞれ示している。
【００４５】
先ず、黒鉛組織を比較すると、本発明に係る鋳鉄材は従来の鋳鉄材に比べて黒鉛の晶出量が抑制されている。また、晶出している黒鉛も微細化されている。この両画像に対して画像解析処理を行ってそれぞれの黒鉛面積率を求めた。それによれば、従来の鋳鉄材では、直径３０mmの試験片においては黒鉛面積率が１０％であったのに対し直径１２０mmの試験片においては黒鉛面積率が１４％に達していた。一方、本発明に係る鋳鉄材では、直径３０mmの試験片及び直径１２０mmの試験片の何れにおいても黒鉛面積率は１０％であった。つまり、本発明に係る鋳鉄材では試験片の外径が大きくなって（厚肉になって）冷却速度が小さくなっても黒鉛の晶出量の抑制及びその微細化を図ることができ、質量効果が小さくなっていることが判る。
【００４６】
また、基地組織を比較すると、本発明に係る鋳鉄材は従来の鋳鉄材に比べてフェライトの析出量が抑制されていると共に、パーライト組織の微細化も図られている。
【００４７】
以上の結果から、切削性や鋳造性の悪化を招くことなしに質量効果を小さくすることができて、製品全体に十分な強度を得ることが可能な鋳鉄材が得られていることが判る。
【００４８】
（その他の実施形態）
上述した各実施形態では、本発明に係る鋳鉄材をディーゼルエンジンのシリンダブロックに適用した場合について説明した。本発明はこれに限るものではない。例えば、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドやピストン等のその他のエンジン構成部材の材料として採用したり、ガソリンエンジン等のその他のエンジン構成部材の材料として採用することも可能である。また、エンジン以外のものへの適用も可能である。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、炭素及びケイ素の含有量やこれら元素の比率に対して、銅及びモリブデンの含有量の適正化を図ったことで、切削性や鋳造性の悪化を招くことなしに質量効果を小さくすることができる鋳鉄材が得られるようにしている。このため、鋳造物の全体に亘って略均一な高い強度を確保することができ、特に、中型や大型の鋳造物であって各部の肉厚に大きな差がありそれぞれの冷却速度に大きな差があるものに適用した場合には、その鋳造物の全体に亘って略均一な高い強度を確保することができて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディーゼルエンジンのシリンダブロックの側面図である。
【図２】直径が異なる複数種類のテストピースに対する「炭素飽和度」と「引張り強度」との関係を示す図である。
【図３】シリンダブロックの上端部周辺を示す断面図である。
【図４】本発明品と従来品とを比較するための試験片の径と強度率との関係を示す図である。
【図５】本発明に係る鋳鉄材と従来の鋳鉄材との金属組織を比較するための顕微鏡写真であって、左上段は従来の鋳鉄材における黒鉛組織を、右上段は本発明に係る鋳鉄材における黒鉛組織をそれぞれ示し、左下段は従来の鋳鉄材における基地組織を、右下段は本発明に係る鋳鉄材における基地組織をそれぞれ示している。
【符号の説明】
１      シリンダブロック
【図１】
0003762710.tif 000004
【図２】
0003762710.tif 000005
【図３】
0003762710.tif 000006
【図４】
0003762710.tif 000007
【図５】
0003762710.tif 000008