［研究報告］

高硬度オーステンパ球状黒鉛鋳鉄
勝負澤善行 *、 茨島 明 *、池 浩之 **、高川 貫仁*
オーステンパ球状黒鉛鋳鉄の耐摩耗性を向上するため、基地組織中にベイナイトとマルテンサイトを混在させ硬さ上げることについて検討した。用いた方法は、オーステンパ熱処理を中断して水冷処理を行い、未変態のオーステナイトをマルテンサイト化するもので当所で開発したものである。被熱処理材としては、少量のSnやMo,Crなどを合金化した球状黒鉛鋳鉄を用いた。
その結果、Snを0.15%添加した試料で、引張強さ900MPaで硬さが57HRCの高強度で高硬度なオーステンパ球状黒鉛鋳鉄を得ることができた。

キーワード:オーステンパ球状黒鉛鋳鉄、マルテンサイト、炭化物

Development of Hardy Austemperd Ductile Cast Iron
SHOUBUZAWA Yoshiyuki , BRAJIMA Akira , IKE Hiroyuki andTAKAGAWA Takahito
Functionally Graded Cast Iron has been developed.Firstly , cast-in bonding spheroidal graphite castiron and gray cast iron,Secondly the bonding material carried out Austemper heat treatment for
FunctionallyGradedCastIronwithhardnessandstrength.
MechanicalProperties of FunctionallyGradedCastIronaresummarizedasfollows:(1) Thereisdirectionofbendstrengthandhardness.
(2) Thereis 2000N/mm ２ ofbendstrngthasunder-sideAustempredSpheroidalgraphitecast
iron,but650N/mm ２ asunder-side Austempred gray castiron.
(3) Thereis200 〜 290N/mm ２ oftensilestrength.
(4) Heardness are 30 〜 38HRCsideofAustempredgraycastiron,and40 〜 46HRCsideofAustempredSpheroidalgraphitecastiron.
keywords:

Austempred

Spheroidal

GraphiteCast

Iron,Tin-Bath

Heat

Treatment,Martensite

１緒

約1万t/年)

言オーステンパ熱処理により基地組織をベイナイトとしまた、ADI鋳物は鋳造加工により製造するので自由形たオーステンパ球状黒鉛鋳鉄(ADI)は、高い引張強さ・状に対応できること、機械的性質の制御が容易であるこ

高い靱性・高い硬さが特徴である。現在、ADI鋳物は歯と及びリサイクル性が優れていることなどにより、特殊

1)車、カムシャフト、ブルドーザ用保護板など 主に耐摩鋼や鍛造鋼に代わり今後の用途拡大が期待されている。

耗部材として産業機械分野で広く使用されており、国内

著者らは、ADIの製造技術として、従来一般的に使用

2)で約１万t/年 生産されている。(米国約3万t/年、独国*金属材料部**企画情報部

されてきた溶融塩浴に代わり溶融金属錫浴を用いた無公複合機能鋳造材料の機械的性質
害オーステンパ熱処理技術を開発 し、非合金球状黒鉛タイプの熱硬化鋳型に注湯して30φ×150mmの引張試験

鋳鉄によるADIでも従来以上の機械的性質が得られるこ用試片を、又同様にCO鋳型により502φ×20mmの摩耗試とを明らかにした。次に、この技術を県内企業に移転し験用試片をそれぞれ 得た。なお、各溶解ではMn量を0.283)

4)て、ADI及びその製造技術を利用し『鋳鉄製農耕爪』 や5)%の一定として、Mo,Sn,Crを添加した。なお、Snの添加『鋳物の刃物』 などを県内企業と共に商品化し、現在量は黒鉛の球状化を阻害7)しない0.15%とした。表１に各市場展開中6)である。

試験片の化学組成を示す。

現在、土木・農林業用機械部材や最近需要が拡大している廃棄物粉砕処理機械部材などには高マンガン・高ク

表１

化学組成( mass%)

ロム含有鋼を使用されているが、これら希金属の使用量元素

ＣSiPMgCrMoSn-3- 3× 10- 3× 10- 3× 10× 10-3やコスト低減に限界が見え始めているのが現状である。

No.

これに対応して、硬さの上限が47〜48HRC(ロックウエ

13.602.405733335015ルCスケール)であるADIの硬さを向上することにより、

23.53

2.2092363693ー

上述の分野に新たに対応できると考える。

33.65

2.33663237184ー

著者らは、『鋳物の刃物』の開発において、ADIの基43.72

1.97683533ー

150

地組織を従来のベイナイト(オースフェライト)１種類に

53.54

2.286033136ー

ー

代わり、図１に示すようにオーステンパ熱処理を中断しNo.1は非合金材×10て水冷処理(複合オーステンパ熱処理)を行い基地組織にベイナイトと硬いマルテンサイトを混在させ硬さを47HR

2‑2 複合オーステンパ熱処理5)

C→53HRCとして、これを成功させた。

溶製した球状黒鉛鋳鉄は、平行部を10 φmmとしたJIS
４号引張試験片の近似形状に、又摩耗試験片は40φ×15①一般的なオーステンパ熱処理
オーステナイトベイナイト
残留オーステナイト

1173K 加熱mmにそれぞれ 加工後複合オーステンパ熱処理を行った。

550〜700K 恒温保持

硬さを向上するための複合オーステンパ熱処理は、図２に示すように、被熱処理材を1173K×1hのオーステナ
イト化後573K又は650Kの溶融金属錫浴に急冷し、その温度で５min,10min恒温保持後水冷した。また、同時にオ

ベイナイト

ーステナイト化後30minの一般的なオーステンパ処理も5 5 0 〜 7 0 0K

マルテナサイト行った。

T 時間恒温保持後残留オーステナイト
1173K×1h

水冷処理

図１

熱処理方法

、度 K

② 複合オーステンパ熱処理

本開発研究では、MoやSn、Cr等を合金化した球状黒鉛

温573K,650K
30min

鋳鉄を用い、複合オーステンパ熱処理を行いADIの高硬度空冷5min化について検討した。

10min

水２冷実験方法

2‑1試料の溶製
ADI用球状黒鉛鋳鉄は、3KHz‑50KWの小型高周波溶解炉時
図２間,h or min

複合オーステンパ熱処理により溶解した。使用した溶解材料は、球状黒鉛鋳鉄用
銑鉄（4.51%C,1.29%Si,0.14%Mn,0.068%P,0.016%S）やFe‑Si(75%Si)、電解鉄等である。これらの溶解材料を配合得られた各条件の試料は、引張試験やロックウエル硬さ測定及び顕微鏡組織観察等を行い評価した。

して、溶解量7kgを最高溶解温度1780Kとし1730Kでサン

2‑3

摩耗試験

ドイッチ法によりFe‑Si‑Mg合金(45%Si,6.6%Mg,残Fe)1.2

各試験片の耐摩耗特性は、図４に示すピンオンディス%を用いて球状化処理を行い、除滓後接種しノックオフ

ク摩耗試験装置(神鋼造機㈱製SWT‑405‑03)を用いて行い

岩手県工業技術センター研究報告
摩耗深さで評価した。摩耗試験の相手材は5.55φ(硬さ62HRC)の玉軸受け鋼球(３個)で、デスク位置に各摩耗試験

第5号 ( 1998 )3-2 顕微鏡組織
図４に試料No.4(Sn添加)の573K処理試験片①〜③の顕微鏡組織を示す。①では恒温変態により針状の下部ベイ片を設置して一定時間の摩耗試験を行った。

ナイトが析出し始めているがその量は少なく、ベイナイト周囲はマルテンサイトとなっている。このマルテンサ
イトは、オーステナイトがベイナイトに変態する途中に急冷されるので、未変態のオーステナイトのから変態析出したものである。10min保持の②では、更に変態が進行しベイナイト量が増加するのでマルテンサイトの析出量は少なくなり、硬さも30min保持の③に近い値となる。

図３

ピンオンディスク摩耗試験装置

３

実験結果

3‑1 硬さ表２に各試験片の硬さを示す。ADIの硬さは、基地組織が下部ベーナイトの45〜48HRCが限界値であり、複合
オーステンパ熱処理により硬さを向上できることが分かる。下部ベイナイトが得られる573K処理試験片では①②では、一般的なオーステンパ熱処理の③に比較し硬さが高い。しかし､10min保持の②での硬さ向上率は小さい。
これに対して上部ベイナイトが得られる650K処理試験片では5,10min保持の④⑤とも硬さの向上率は大きい。また、Sn添加試験片での硬さ向上は大きく①で57.5HRC、②で53.4HRCとなる。

表２No.

硬さの結果
①②③④⑤⑥HRC

HRC HRCHRC

HRC HRC

１49.7

46.5

41.4

36.5

34.4

２

51.9

48.0

45.5

49.0

40.0

34.5

３54.0

49.6

48.1

44.8

40.1

35.3

４

57.5

53.4

50.6

48.6

39.6

５

49.0

45.0

44.1

40.7

34.9

図４3‑3

顕微鏡組織（No.４の①、②、③)

引張強さ

硬さが高い材料は脆くなり易いので、マルテンサイトの析出量が多く硬さが高くなった場合は、引張強さの低32.2

熱処理条件：①573Kx5min→水冷,②573Kx10min→水冷,下が予測される。表３に各試験片の引張試験結果を示す。
No.2①はMo0.093%含有試験片で、硬さは向上したが引張③573Kx30min→空冷,④650Kx5min→水冷,強さは1061MPaとなり、③に比較し25%程低下する。また、⑤650Kx10min→水冷,⑥650Kx30min→空冷

No.3①は前者の２倍のMo(0.184%)含有試験片であり、No.

複合機能鋳造材料の機械的性質
2より硬さが2高いだけであるが、引張強さは641MPaで③ラツキがあり硬さが高くても摩耗量が大きい場合がある。に比較し50%以上大きく低下する。これは、Mo炭化物が析出した影響と考えられ、図５に示す様に複合オーステ

表４

ンパ熱処理時に部部的に炭化物を起点割れが生じていこ試料とからも分かる。

No.

摩耗溝深さ(μ m)
①②③

試験条件：
試験荷重10kgf

一方No.４のSn0.15%含有試験片では、硬さの最高値

25.24.86.4

回転速度100rpm(表２)を示した①での引張強さは909MPaであり、Mo添加

34.84.66.9

試験時間60min

試料に比較し硬度上昇は大きいが引張強さの低下は小さ

42.33.66.2

い。なお、一般的なオーステンパ熱処理試験片③の引張

試料条件：①573Kx5min→水冷,②573Kx10min→水冷,強さはNo.2,3と同レベルの値である。

③573Kx30min→空冷

これらのことより、複合オーステンパ熱処理による硬さ向上には、ベイナイト化を促進する炭化物形成元素ではなく、脆化を抑えながら硬さを向上するSn添加が効果

４結言

ＡＤＩの基地組織を従来のベーナイト一種類に代わり、的であることが分かる。実用化のためには、更にその量合金化と複合オーステンパ熱処理(オーステンパ熱処理と機構を検討することが必要である。

中断の水冷処理)によりベイナイトとマルテンサイトや炭化物などとを混在させること等により、更に硬さを向表３引張試験結果（引張強さ:σ,伸び:ε）

試料

①No.

②上することを検討し次の結果を得た。

③(1) 複合オーステンパ熱処理による硬さ向上は、水冷処理によるマルテンサイトの析出による。

σεσεσε

MPa%

MPa%

MPa%

２1061

11292214232３64111184213762(3) 複合オーステンパ熱処理においては、Sn0.15%添加

４909

11101213992

試料で硬さが57HRCまで向上し、引張強さの低下傾向

試料条件：①573Kx5min→水冷,②573Kx10min→水冷,③573Kx30min→空冷(2) 複合オーステンパ熱処理は、ADIの硬さ向上に効果的であるが、引張強さが低下する。

は小さい。
(4)

Mo添加試料の複合オーステンパ熱処理では、炭化物が生成して割れが発生すると共に、引張強さが50%以上低下する。

(5)

複合オーステンパ熱処理により 硬さが向上した試料では、硬さが高いほどピンオンデスク摩耗試験の摩耗は少ない。

文献1) 第3回 ADI 国際会議報告書
2)大出ほか：鋳物67(1995)106
3)勝負澤ほか：鋳造工学71(1999)7484
4)勝負澤ほか：鋳造工学講演概要集119(1991)74
5)勝負澤、町田ほか特願平5314993:6)堀江：鋳物47(1975)286-

図５

複合オーステンパ熱処理による

3- 4 摩耗試験
表４にピンオンデスク摩耗試験結果を示す。硬さの高い試験片ほど摩耗が少なく、硬さの高い Sn 添加試験片の摩耗は少ない。また、炭化物を形成した試験片ではバ

特開平7163768-