［研究報告］

Cr、Mn 量を変化させた球状黒鉛鋳鉄チル試験片のチル面積率と硬さとの関係＊
池浩之＊＊、高川貫仁＊＊、岩清水康二＊＊

チル検査用非破壊測定装置開発のため、Cr を 0.1～0.3mass%、Mn を 0.7～1.7mass%と変化させた球状黒鉛鋳鉄チル試験片を作製した。この試験片についてチル面積率と硬さを調べた。この時の試験片形状は階段状とした。その結果、Mn が多くなるとチル面積率は増加する傾向にあった。しかし Cr を増加させた場合、チル面積率は、試験片の厚みによりばらつくことが分かった。また、得られた試験片を用いて、チル面積率とブリネル硬さとの相関関係を求めた。
キーワード：チル試験片、球状黒鉛鋳鉄、チル面積率、硬さ

Relation between Chill Area Rate and Hardness of Ductile Cast IronChill Test Specimen with Varying Contents of Cr and Mn
IKE Hiroyuki, TAKAGAWA Takahito, IWASHIMIZU Kouji
In order to develop a non-destructive tester ofchill in cast iron, test specimens

chilled iron casting with varying contents of Cr and Mn. Cr contents was varied in therange of 0.1-0.3mass%, Mn was 0.7-1.7mass%. The test specimens had stairs shape, Chillarea rate and hardness of the specimens were investigated. As a result, the chill area rate
showed the tendency to increase when the content of Mn increased. However, the chill area
rate varied by the thickness of the test specimen when the content of Cr was increased.
Moreover, the correlation between the chill area rate with the brinell hardness wasestimated by using the test specimen.
key words: chill test specimen, ductile cast iron, chill area, hardness１

緒言た。その結果、引け巣やポアなどの欠陥の無いチル試

著者らは渦電流や交流磁化法による鋳鉄中のチル検験片が作製できた。そして肉厚 5mm 部では、いずれの査用非破壊測定装置開発のため、鋳鉄中にセメンタイ組成でもチルが晶出した。また 10mm 以上の肉厚では、ト相が晶出した試験片（以下：チル試験片）の作製方

Cr や Mn の添加量が増加するほど、チル晶出量は増加法について検討してきた 1)-2)。これまでは、片状黒鉛傾向にあるが、注湯温度の影響などによってバラツク

鋳鉄および球状黒鉛鋳鉄で、円盤状試験片の厚みや湯ことが分かった 2)。

口体積などを変化させて検討した。その結果、片状黒本研究では前回同様に階段状試験片鋳型を用いて、鉛鋳鉄の場合、厚みが 3mm の試験片ではチルを晶出さ

球状黒鉛鋳鉄に Cr や Mn を添加したチル試験片を作製せることが可能であったが、冷やし金を用いると砂型した。そして組織中のチル面積率などを画像解析によ側に大きな引けが生じた。さらに厚みが 6mm 試験片でり測定した。またチル面積率と硬さの相関関係などには、湯口体積を５倍以上にすると、引けの無い試験片ついても調べた。

を作製することが可能であったが、冷却速度が遅くなるために、チルが晶出しなかった 1)。一方、球状黒鉛鋳鉄の場合は、湯口体積を５倍以上とすることで、引けのない厚さ 6mm のチル試験片を作製出来た 1)。

２実験方法

球状黒鉛鋳鉄は、FCD400 相当の溶湯を基本組成とし、銑鉄、フェロシリコン、電解鉄、電解 Mn を原料としてまた、片状黒鉛鋳鉄で引け巣のないチル試験片を作調整した。そして鋳鉄の主要元素であり、黒鉛化阻害製するために、階段状試験片鋳型を用いて、黒鉛化阻元素でもある Mn の添加量を 0.7mass%、1.2mass%、害元素である Cr や Mn を微量添加した試験片を作製し1.7mass%と変化させた。さらに Mn 添加量を 0.2mass%＊＊＊

事業名「鋳鉄の機械的特性に及ぼす基地組織の定量的評価」
材料技術部

岩手県工業技術センター研究報告第１５号（２００８）

一定として、鋳鉄のセメンタイト化促進元素である Cr溶解した後、Fe-Si-Mg 系の球状化剤で、サンドイッチの添加量を 0.1mass%、0.2mass%、0.3mass%と変化させ法により球状化処理を行った。そして#650 セラビーズ

た。上記の 6 種類の組成に調整した原料を、それぞれで作製した階段状試験片鋳型に 1400～1450℃で注湯黒鉛坩堝に投入し高周波誘導炉を用いて、約 1500℃でした。この時、チル化を促進するために接種は行わなかった。鋳型と作製した階段状試験片の外観を図１に示した。階段状試
験片の肉厚は 5,10,20,30mm と変化20mm

させ、試験片の幅は 74mm、それぞれの肉厚部の奥行きは 35mm とした。得mられた試験片は、切断後光学顕微鏡

5m

10mm

30mm

140による組織観察を行った。また各肉7435厚部の平均チル面積率を画像解析装図１ 階段状試験片鋳型と鋳造後の試験片置（日下レアメタル製：鋳造くん）で求めた。さらにマイクロビッカー

表１ 作製した各試料の発光分光分析結果
試料番号CSiMn

PS

スおよびブリネル硬さ試験機で各肉CrTi

Mg

厚部の硬さ測定も行った。

A3.70

2.390.240.0270.0090.100.0120.038

B

3.59

2.270.180.023

0.006

0.20

0.011

0.037

C

3.49

2.49

0.200.021

0.008

0.270.011

0.041

表１には、試料 A～F の発光分光分

D

3.60

2.270.73

0.023

0.004

0.02

0.012

0.040

析による測定結果を示した。A～C は

E

3.79

2.42

1.20

0.030

0.004

0.020.013

0.041

Mn 添加量を 0.2%一定として Cr 添加

F

3.57

2.36

1.61

0.027

0.004

0.020.012

0.041

量を 0.1～0.3%と変化させ、D～F で３結果は、Cr 添加量を 0.02%一定として Mn
添加量を 0.7～1.7%と変化させた。
30mm20mm

10mm

5mm
チル

試料番号 F の 1.7%Mn で Mn 含有量が0.1%ほど少ない 1.61%となったことを除けば、ほぼ目標とした組成の試験片が得られた。
図２は、0.1%Cr を添加した試料 A

14.3%の各肉厚部の代表的な組織と平均チ

図２ 0.1%Crを添加した（試料A）階段状試験片の腐食後の組織とチル面積率（組織写真下の数値）

ル面積率を求めた結果を示した。肉

０%

3.6%

2.7%

厚が薄くなるほど冷却速度は速くなるため、組織中に白色で観察される

A：0.10Cr

B:0.20Cr

チル（セメンタイト）相が増加し、C:0.27Crチル面積率が大きくなった。
図３は試料 A～F の厚さ 5mm の肉厚チル部をピクリン酸溶液で腐食した後の光学顕微鏡組織と平均チル面積率を示した。試験片中の Cr 含有量が平均チル面積率(%) 14.3
D:0.73Mn

13.6
E:1.20Mn

7.60.10%から 0.27%と増加すると、平均チル面積率は 14.3%から 7.6%まで逆F:1.61Mnに減少することが分かった。一方 Mn含有量が 0.73%から 1.61%と増加す

チルると平均チル面積率は、17.6%から24.1%まで増加した。一般に Cr は50μm
平均チル面積率(%) 17.6

21.5

24.1

Ti,V などとともに強力な黒鉛化阻害元素であることが知られている。
また Mn は黒鉛化阻害元素ではある

図３ クロム、マンガン添加量を変化させた時のチル面積率の変化
階段状試験片 5mm厚み部 （ナイタール腐食）

が、セメンタイト共晶温度を下げる
ことなどから、Cr に比較するとそれCr、Mn 量を変化させた球状黒鉛鋳鉄チル試験片のチル面積率と硬さとの関係ほど大きなチル化促進元素ではないことも知られてい有量を変化させた場合、5mm 肉厚部ではチル面積率がる。しかし、本結果の場合、強力な黒鉛化阻害元素でCr 含有量とともに減少し、10mm,30mm の肉厚部では増ある Cr の含有量が増加してもチル量は増加せず、逆に加傾向にあり、20mm では一度減少してから増加する変減少することが分かった。そこで、図４には Cr、Mn化を示した。すなわち、Cr 含有量によるチル化の傾向含有量を変化させたときの各肉厚部の平均チル面積率にバラツキを生じた。この原因は、Cr の場合、その含の変化を示した。図４右に示すように Mn 含有量を増加

有量が 01.～0.27%と少ないため、冷却速度や注湯温度

5mm10mm
20mm
30mm20響したのではないかと考えられた。
5mm10mm20mm
30mm

25平均チル面積率（%）

25平均チル面積率（％）なども、チル発生に対し大きく影303015105020しかし、前回報告した片状黒鉛鋳鉄の場合も Cr の変化によりチル発生量にバラツキを生じた 2)。こ15のことは Cr 含有量、注湯温度、冷10

却速度そして接種の有無なども含5め今後さらに検討の余地があると云える。

000.1

0.20.30クロム添加量（％）

0.5

11.5

図５は各試験片のチル面積率測2

マンガン添加量（%）

定近傍をビッカース硬さ試験で測定した結果とチル面積率との関係

図４ クロム、マンガン添加による平均チル面積率の変化を示した。この時の荷重は 98.07Nである。これよりチル面積率が増600加するほど硬さも増加する傾向に硬さ（HV10）500あることが分かった。ここで、鋳鉄の硬さを測定する場合、組織中400に黒鉛を含むことから、黒鉛を含んだ領域で硬さを評価する必要が300ある。しかしビッカースでは荷重200も 98.07N と低くいため、黒鉛を含んだ領域の硬さ測定が行えなかっ100た。そこで、ブリネル硬さ計で各0試験片の硬さを測定した結果を図05101520
チル面積率（%）

25305～10mm 厚試験片で 14.71kN、20～30mm 厚試験片では 29.42kN とし

図５ チル面積率と硬さ（ビッカース硬さ）の関係た。この結果より、ブリネル硬さ500の値もチル面積率の増加に伴い硬450さが増加することが分かった。さ400
硬さ （HB）

６に示した。なおこの時の荷重はらに図７は、ブリネル硬さとチル350面積率の相関図にビッカース測定

300

結果をブリネル硬さに換算した値250をプロットした結果を示した。こ200

れより換算ビッカース、ブリネル

150

硬さと同じ傾向を示すことがわか100った。

50４005101520
チル 面 積 率 （ % ）2530結言球状黒鉛鋳鉄に黒鉛化阻害元素であるクロムやマンガンを添加し

図６ チル面積率と硬さ（ブリネル硬さ）の関係て、階段状試験片を作製し、組織させた場合、チルが発生していない 30mm 肉厚部を除い観察やチル面積率および硬さ測定を行った結果以下のてチル面積率も増加する傾向にあった。しかし、Cr 含結論が得られた。

岩手県工業技術センター研究報告第１５号（２００８）傾向にあることが分かった。また 30mm の肉厚では600

チルが発生しなかった。
500
400
硬さ（HB）

２HB測定値
換算HB

Cr 含有量を変化させると、5mm 厚試験片では、含有量とともにチル面積率が減少した。しかし、10mm 厚試験片では逆にチル面積率が増加する傾300

向にあった。これは、冷却速度、注湯温度の影響などが考えられた。

200

３階段状試験片で Cr、Mn 含有量を変化させることにより、幅広いチル面積率の試験片を作製す100ることが出来た。そしてチル面積率と硬さとの相005101520
チル面積率（%）

25

関関係を示すことが出来た。

30図７ チル面積率とブリネル硬さ（換算値および測定値）の関係

文献

1) 岩 手 県 工 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 , 13,１

階段状試験片の 5mm から 20mm の間では、Mn 含有量が増加すると組織中のチル面積率も増加する(2006)
2) 岩手県工業技術センター研究報告, 14,(2007)