［技術報告］

複合オーステンパ球状黒鉛鋳鉄の耐摩耗性
勝負澤善行 、池＊浩之 、高川＊

貫仁 、茨島＊明＊＊

土木・産業機械の性能向上のため、高い耐摩耗性と強靱な機械的性質の鋳鉄材が必要とされている。これに対応して、鋳ぐるみにより超硬合金を複合化させたオーステンパ球状黒鉛鋳鉄を製作し、その耐摩耗性について検討を行った。その結果、次のことが明らかになった。
(1) 超硬合金粉及び焼結体を球状黒鉛鋳鉄により鋳ぐるみ複合化することは容易であり、さらに超硬合金の割れを伴わずにオーステンパ熱処理が可能である。
(2) 超硬合金の複合化により、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄及び球状黒鉛鋳鉄の耐摩耗性能を大きく向上できる。
(3) 超硬合金と球状黒鉛鋳鉄の鋳ぐるみ界面には、黒鉛層が晶出する。
キーワード:複合オーステンパ球状黒鉛鋳鉄、超硬合金、耐摩耗性

Wear Properties of Composite Austemperd Ductile Cast Ironwith Partial Reinforcement
SHOUBUZAWA Yoshiyuki, IKE Hiroyuki, TAKAGAWA Takahito
and BARAJIMA Akira
The wear properties of composite austempered ductile cast iron with WC(wc) particles
are examined by using pin-on-disk method in this study. It is summarized as follows:(1) Composite austempered ductile cast iron can be made easily. Ductile cast iron combinedwith wc particles by cast-in insertions, and this composite ductile cast iron can beheat-treated without crack of wc particles.
(2) Wear properties of composite austempered ductile cast iron are superior wear-resistance.
(3) Flake graphite are seen in the interface of ductile cast iron and wc particles.
key words : composite austempered ductile cast iron, WC, wear
１緒

現在、ADI鋳物は機械的性質の制御が容易であること

言

ねずみ鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄は、形状に対する自由度及びリサイクル性が優れていることなどにより、特殊鋼が高く、従来より種々の産業機械用部材として広く用や鍛造鋼に代わり今後の用途拡大が期待されている。

いられている。しかし、引張強さは 100 〜800MPa、実用化されている製品例は、歯車、カムシャフト、土硬さは 8 〜20HRC の範囲であり、より高い強度や耐摩木機械部品等の耐摩耗部材であるが、機器の高性能化に耗を必要する部材として用いるためには機械的性質が従い、更に高い耐摩耗性や強靱性が求められている。

低い。これに対して、球状黒鉛鋳鉄にオーステンパ熱

著者らは、オーステンパ熱処理に冷却能が高く無公害

１)な金属錫浴２ ) を用いた熱処理方法を工夫して ADI の性された。その機械的性質は引張強さ 900 〜 1500MPa、能向上を試みてきた。例えば、図１に示すように ADI

伸び 1 〜 10%、硬さ 30 〜 48HRC と強靱で硬い。

熱処理工程を従来の処理 B から処理 A に代えることに処理を施したオーステンパ球状黒鉛鋳鉄(ADI)が開発＊

金属材料部(現在＊＊

企画情報部材料技術部)

63

岩手県工業技術センター研究報告第１０号（２００３）より最高硬さを 45 〜 48HRC から 53 〜 58HRC に向上させ、ベルカッター、鉋盤用刃物及びルータビット等の木工用刃物に用いる検討3)を行い実用化に成功した。

表１
元素名

球状黒鉛鋳鉄の化学組成(mass%)
CSiMn

含有量 3.96 2.57 0.261173K

処理Ａ

1173K
3.6ksec

0.3ksec573K

２−２1.8ksec

573K

SMg

0.072 0.016 0.033

処理Ｂ

温度、K

3.6ksec

P

溶製した球状黒鉛鋳鉄を40φ×16mmに加工後、各種

空冷

水冷

各試験片と熱処理処理を施し摩耗試験片を作成した。各試験片の内容を時間、ksec

図１

時間、ksec

表２に示すが、基本的に図１‑Bのオーステンパ熱処理

熱処理方法の変更により基地をベイナイト化した試験片、そして超硬合金を鋳ぐるみ複合化した試験片、更に両処理を併用し本年度は、高い耐摩耗性が必要な土木関連機械部品へた試験片の３種である。また、A-4 と A-6 では、オーの応用化を図るため、超硬合金を鋳ぐるみ複合化した

ステンパ熱処理時に超硬合金の劣化が懸念されたので、ADI の耐摩耗性向上について検討した。

アルミナ系塗型材 (鋳型表面の耐火度を増すために塗るもの)を熱処理前に試片に塗布して被覆した。

２２−１

実験方法試験片の溶製と鋳ぐるみ

表２ 各試験片と内容銑鉄と電解鉄及び Fe-Si(75%)等を配合し、 7kg/回を試料名

内容

3KHz-50KW の 高 周 波 誘 導 炉 を 用 い て 最 高 溶 解 温 度

A −0

無処理材

1723K で 溶 解 し た 。 そ し て サ ン ド イ ッ チ 法 に よ り

A −1

図１−A 処理

1700K で Fe-Si-Mg(6.6%)合金を添加して球状化処理を

A −2

図１−B 処理行い球状黒鉛鋳鉄試験片（ FCD500 相当）を溶製した。

A −3

超硬合金粉を鋳ぐるみ、表面硬化

試験片は図２に示す様に、寸法が 50 φ× 24mm、押A −4A-3を図１−B 処 理

し湯は 45 φ× 60mm であり、人工ムライト砂の CO2

A−５

超硬合金焼結体を鋳ぐるみ硬化

A−６A‑5 を 図１−B 処理鋳型を用いて２個／型を鋳造した。
超 硬 合 金 ( W C ‑ 1 5 % C o : 6 . 1 % C ) を 鋳 ぐ る む 場 合 は、60mesh 粉-10g 及び焼結体(30φ×3-30g)をそれぞれ試験

２−３

片鋳型底面部にセット(図２)し、球状黒鉛鋳鉄溶湯を注摩耗試験

各試験片の耐摩耗特性は、ピンオンディスク摩耗試湯して鋳ぐるんだ。溶製した球状黒鉛鋳鉄の化学組成は験装置(神鋼造機㈱製SWT‑405‑03)を用いて行い、摩耗表１に示すとおりであるが、黒鉛球状化率を90%以上と深さを測定して評価した。すなわち、相手材を5.55 φするため残留Mg量は0.03%以上とした。の玉軸受け鋼球(硬さ62HRC−３ 個)とし、デスク位置に各摩耗試験片を設置後、20kgの負荷で回転数800rpmとして60minの一定時間摩耗試験を行った。

３押し湯45φ×60

３−１

結果及び考察硬さ

各試験片の硬さを表３に示すが、 A‑ 0 材は一般的な試験片 50φ×24

フェライト系球状黒鉛鋳鉄の硬さで軟らかく、オーステンパ熱処理途中水冷処理した A-1 は ADI(A-2)より若干高い値となっている。これは下部ベイナイト組織にマ超 硬合 金ルテンサイトが混在 4) するためである。しかし、超硬合(1)試験片形状(2) 試験片寸法

金粉を鋳ぐるんだ A-3 ではベースの A-0 より低い値となった。これは、超硬 合金粉が粗の状態で表面に鋳ぐ

図２

試験片形状と寸法64

複合オーステンパ球状黒鉛鋳鉄の耐摩耗性るまれ、ベースも軟らかいためと思われる。同様の理であることが分かる。

由で A-4 も基地が ADI の A-2に比べ低い値となっていまた、超硬合金焼結体を複合化した試験片では、鋳放るものと思われる。しかし、超硬合金焼結体を鋳ぐる

しでもベースを ADI とした場合でも摩耗深さは非常にんだA‑5とA‑6では、超硬合金自体と同様な硬さとなり、小さく、複合化の効果が大きく母材の基地組織の影響は複合化効果が顕著である。

少ない。これは、超硬合金粉に比べ焼結体は厚さがあるため、複合化母材の影響が少なくそれ自体の硬さが発揮各試験片の硬さされるためと考えられる。

試験片

硬さ HRC

３−３

A-09.3

耐摩耗向上に効果があった超硬合金粉複合化の界面

A-150.4付近の顕微鏡組織を図４に示す。球状黒鉛鋳鉄と複合

A-2

44.7化された超硬合金粉層(図4‑1)は厚さが400〜800μmあり、A-37.3

各粉粒には鋳ぐるみ時の熱影響のため30〜80μm程の拡A-438.4散相が形成されている。この相の機械的性質は若干低A-568.3いと思われる。 また、図4‑2に示すように超硬合金粉粒

A-668.1の近接では、黒鉛の球状化が崩れ片状黒鉛となっており、表３超硬合金粉複合化の顕微鏡組織強度は低下するが熱伝導性が向上し耐摩耗性には良好に作用するものと思われる。更に、 ADI として基地をベ1.2３min

イナイトとした試験片では、超硬合金粉粒近傍でのベイナイト組織が荒くなっている様に観察される。これは、摩耗深さ(mm)1.0

融合化時、超硬合金が分解して母材の球状黒鉛鋳鉄側に試験 時間 (60m in)

0.4ＷとＣが拡散するため、Ｗ6Ｃの生成5) やベイナイト析出に影響を及ぼしているものと思われる。これらの状況は更に詳しく調べる必要がある。

0.24‑10.0
A-0A-1A-2A-3A-4A-5

複合化した超硬合金粉

A-6

試料名

図３３−２

ピンオンディスク摩耗試験の結果

摩耗試験結果ピンオンディスク摩耗試験の結果を図３に示す。A‑0は硬さが低いため、この摩耗試験では3minの短時間内に急激に摩耗してしまい他の試験片と比較ができるレベルではない。オーステンパ熱処理したA‑1とA‑2での摩耗は4‑2

ADIとした基地組織同じレベルであるが、硬さが高い方が少し摩耗は少ない。
超硬合金粉を鋳ぐるんだA‑3では、各種処理した試験片に比べて摩耗深さが大きいが、硬さが同レベルのA‑0

基地

超硬合金粉粒に比較して耐摩耗性は大きく向上した。しかし、耐摩耗性が低いのは、表面に超硬合金粉を複合化しただけでは耐摩耗性の効果が小さいことを示している。これに対して、超硬合金粉の複合化と共にベースの球状黒鉛鋳鉄をADIとして硬さを向上させたA‑4では、非常に摩耗が少なくなる。この結果、超硬合金粉を鋳ぐるむことにより耐摩耗性を向上する場合は、ベースも硬化することが有効

図４65

超硬合金粉複合化の顕微鏡組織

岩手県工業技術センター研究報告３−４

第１０号（２００３）

はマイナスに作用するものと思われる。黒鉛層は、超硬超硬合金焼結体複合化の顕微鏡組織

本検討で最も摩耗深さが小さい、超硬合金焼結体を合金中のWとCが鋳ぐるみ時に鋳鉄側に拡散し、その拡散複合化した試験片の顕微鏡組織を図５に示す。図5‑1のしたＣが界面で黒鉛化したものと思われる。そしてオー鋳放し材で確認されるように、超硬合金焼結体界面にはステンパ熱処理後では、更に分解と拡散が進み黒鉛が晶矢印で示すような拡散相が70〜90μm形成され、融合化出成長したものと思われる。対策としては、球状黒鉛鋳は良好に行われて複合化している。耐摩耗性は、鋳ぐる鉄のCE値(C+Si/3)を低下して炭素を吸収する事などが考み接合面とは逆側の超硬合金の硬さの維持によって十分えられる。

発揮される。

また、界面には球状黒鉛鋳鉄側に薄い黒４結言

超硬合金を鋳ぐるみ複合化した ADI の耐摩耗性向上

鉛層が超硬合金粉の場合より明確に形成されているのがについて検討し、次の結果を得た。

観察される。この黒鉛層は、図5‑2の様にオーステンパ熱処理で更に成長して明確な層となっており、強度的に(1) 超硬合金粉及び焼結体は、球状黒鉛鋳鉄により鋳5-1ぐるみ複合化が容易である。

複合化した超硬合金界面(2) 超硬合金粉を複合化した球状黒鉛鋳鉄鋳放し材は、拡散相球状黒鉛鋳鉄の耐摩耗性を向上する。
(3) 超硬合金焼結体を鋳ぐるんだ球状黒鉛鋳鉄は、超硬合金の割れを伴わずにオーステンパ熱処理が可能である。
(4) 超硬合金粉を複合化したオーステンパ球状黒鉛鋳鉄
は、基地の効果と共に耐摩耗性能を大きく向上する。

球状黒鉛鋳鉄(5) 超硬合金焼結体を複合化した材料は、鋳放しでも耐摩耗性が飛躍的に向上する。
(6) 超硬合金と球状黒鉛鋳鉄の鋳ぐるみ界面には、黒鉛層が晶出する。

5-2 オーステンパ処理後の超硬合金界面(7) 超硬合金粉を鋳ぐるんだ球状黒鉛鋳鉄状及び ADI
は耐摩耗性が向上し、土木関係器機の耐摩耗部材と超硬合金界面して用途が期待できることが分かった。

文献1) 第３回ADI国際会議報告 他
2) 勝負澤ほか：鋳造工学 Vol.71（1999）7-484

球状黒鉛鋳鉄3) 茨島

ほか：岩手工技セ研究報告 Vol.8(2001)25

4) 勝負澤ほか：岩手工技セ研究報告 Vol.7(2000)45
図５

超硬合金焼結体を複合化した顕微鏡組織

5) 麻生

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ほか：鋳造工学 Vol.73（2001）3-155