塑性加工に対応した高延性薄肉鋳鉄の開発
北海道立総合研究機構 産業技術研究本部 工業試験場
製品技術部 研究主任 鶴谷 知洋（平成 22 年度奨励研究助成 AF-2010033）
キーワード：塑性加工，薄肉鋳鉄

1．研究の目的と背景想定し，引張強度 450MPa，伸びは軟鋼と同等の 20%以上と鋳物部品において，穴あけやフランジ面加工など寸法精した．
球状黒鉛鋳鉄の組織の中で，黒鉛そのものは材料の強度度が必要な部分は機械加工が行われており，機械加工費は製造原価に占める割合が大きい．そのため，コスト低減とに寄与しないが，黒鉛の量が多くなれば相対的に金属部分加工時間短縮を目的として様々な検討が行われている．の比率が小さくなるので，黒鉛の面積率（組織写真から算大林らは鋳造後の切削加工を不要とし品質の安定性を出される値）が機械的性質に影響することになる．さらに，高めるため，リベットや溶接による組立部品への工法転換

黒鉛の面積率が同じであっても黒鉛形状（黒鉛の真円度を1)を提案している ．また，松岡は高能率･高精度切削による示す指標），黒鉛粒数（単位面積当たりの黒鉛の個数），黒加工時間短縮と品質向上を目的として高速ミーリング加鉛粒径（黒鉛の大きさの平均値）が異なれば，引張強度，工技術を提案している 2)．

伸び，あるいは靱性といった材料特性に影響を及ぼす 7)．

本研究は，機械加工をプレス加工に置換できればコスト低減と加工時間短縮につながると考え，複雑形状を低コス

そのため，鋳物組成および基地組織の目標値は JIS 規格のFCD450 を参考に表 1 に示す値とした．

トで量産できる鋳造技術と組み合わせた新しい量産型加工プロセスの開発を目的としている．具体的には，塑性加工に適した鋳鉄材料の材質制御技術を確立し，サーボプレスによる加工条件によって品質がどの様に変化するか検証を行う．最後に鋳鉄品の塑性加工試験を行い本研究の加工技術の有効性を確認する．

2． 塑性加工に適した鋳鉄材質制御技術の確立
球状黒鉛鋳鉄材の組織写真を図 1 に示す．点在する黒点が黒鉛，黒鉛周囲の白色部分がフェライト，その他の部分がパーライトである．組織写真中の黒鉛は溶湯中のカーボ
図 1 球状黒鉛鋳鉄の組織ンが晶出して結晶化したのもので，材料の強度には寄与しない．フェライトは延性に富み，伸びなどの塑性変形能に

表 1 鋳物組成・組織の目標値寄与する．パーライトは硬い組織を含んでおり，材料の硬さや引張強度に影響する 3)．
球状黒鉛鋳鉄材は，球状の黒鉛結晶が一つずつ独立し応C（mass%）Si（mass%）

球化率(%)

粒径(μm)

3.6～4.0

2.3～2.7

80 以上

50 以下

力集中が起きにくいため，割れにくく高い強度を持つ．そ

粒数(1/mm )ﾌｪﾗｲﾄ率(%)

硬さ(HRB)のため，靱性や伸びなどが大きく，自動車部品など高強1000 以上

80 以上

80～95

度・高靱性を要する複雑形状の部材に用いられている 4)．
しかしながら，薄肉化することでチルと呼ばれる硬くて脆い組織が生じやすく，機械加工が行えなくなる問題を抱えている 5)．自動車部品をはじめとする産業部品では，強度を保ちながら軽量化することが求められており，これまで様々な検討が行われている 6)．
産業部品に求められる性質と鋳物部品にプレス加工を施すために必要な性質を考慮し，本研究で必要となる鋳鉄の材質を，産業機械部品に多く用いられる球状黒鉛鋳鉄を

2

2.1 薄肉球状黒鉛鋳鉄の鋳造試験
薄肉球状黒鉛鋳鉄材の試験片は，冷却速度を低下させる
ため「はかせ方案」を用いて薄板状とし，駄肉部も設けた．
また，Mn を 0.5mass%，Mg を含む合金による脱酸処理とFe-Si による接種処理を行った．JIS 規格で規定された
FCD450 の一般的な溶湯温度 1350℃～1400℃ではチルが生じやすく十分な伸びが得られなかった．そこで冷却速度をー 235 ー遅くしチルのの発生を抑えるた
ため 1450～15000℃に管理した
た．

結果，
結 C は 3.09～～3.43mass%の範範囲で，Si は範範囲が広く 1.922得られた鋳物物を図 2 に示す．
．

～3.30mass%の値～値において目標標とする機械的的性質が得られれ試験片は，得得られた鋳物かから湯口およびび駄肉を切り離離し，た．一般的な球た球状黒鉛鋳鉄（FFCD450）の化学
学成分は C 3.66

図 3 に示す幅
幅 60mm 長さ 3000mm 厚さ 3mm の板状に切り出の出し～3.9mass%，～
Si 2.4～3.0mass%%であるが，C mass%，Si mass%%た．

ともに低めの値と値とすることでで伸びが大きくなることが明明らかとなった．
らはほぼ当初の目目標値通りでああ次に組織であるが，球化率はる 79.6％以上，粒径も同様に粒550μm 以下とななり目標とするる機械的性質が得機得られた．また，これらの目標標とする機械的的ロックウェル硬性質において，性硬さの値も 89.6HRB となり，目標値を達成し目た．
以上のことかから，注湯温度のの管理と Cmass%%の調整を行う
ことにより，塑
こ性加工に必要なな引張強度 4500MPa，伸び 20%%以上を持つ材料
以料を得ることがでできた．

図 2 鋳造試験ににより得られたた鋳物

図 5 得られれた試験片の組組織写真（左：AA，右：B）
表 2 材質質試験結果
試験片
試
図 3 切り出した試験片
2.2 材料試験
験CSi

球化率

粒径
径

粒数

(mass%%)(mass%)

(%)

(μmm)

(1/mm2)A

3.43

1.9284.3

14.1191.6

B3.09

3.30

79.6

11.6274.6

材料試験をを行うに当たり，，得られた試験験片の両面を鋳鋳肌の影響が残らないよう平面研研削し板厚 2mmm とした．引張張試

試験片
試

験片についてては，さらに機械械加工を行い図図 4 に示す形状
状・ﾌ ｪﾗ ｲ ﾄ 率

引張強 度

伸び硬さ

(%)

(MPa)(%)(HRB)外観とした．引引張試験機は㈱㈱島津製作所製
製の S-2000，硬硬さ

A

88.5
5492.524.489.6

試験は㈱ミツツトヨ製の AR-220 を使用し，組組織は光学顕微
微鏡

B

89.0
0526.821.691.1

にて撮像したた画像を㈱イノノテック製の画画像処理ソフ ト
QuickGrain ににて解析した．

3．サーボプレレスによる加工工条件と加工工品質の検証
本研究では，加加工特性を観察察するため様々々な加工条件のの設定が必要にな設ると想定されるることから，一一般的なプレススと異なり加工工と工程中の金型のの位置や速度をを自由に制御ででき，加工可能領き域が大きいサーーボプレスを用用いた．一般的的なプレスの加工な工動作（モーショョン）とサーボボプレスのモーーションの一例をシ
図 6 に，使用ししたサーボプレレスを図 7 に示
示す．
す

図 4 引張試験片（（上：形状，下：外観）目標とする機械的性質（引引張強度と伸びび）を達成した
た材料の材料試験
験結果を表 2 に，，組織写真を図
図 5 に示す．伸伸びに寄与するフフェライト量を増やすよう Cmmass%を減らししたー 236 ー

一般的なプレス

ｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽのの一例

図 6 プレススによる加工動動作（モーション）の違い

加工後の写真
真を図 11～図 133 に示す．曲げげ加工では頂点点部において割れ部れが発生するケーースが見受けらられた．これはは，ｱｲﾀﾀﾞｴﾝｼﾞﾆｱﾘﾝｸﾞ㈱㈱製

穴ぼこ状の模様穴様（ディンプルパパターン）が発発生しているこ
こ

加圧
圧能力

800kNとから延性破壊と壊が起きているとと考えられる．また，結晶構
構

ストローク

160mm

造の弱い面で平造
平らに割れるへへき開破面が見見られないこと

ｴｱﾀﾞｲｸｯｼｮﾝ

63kN

から脆性破壊はかは発生していない
い．以上のこととから，製作ししｴｱﾀﾞｲｸｯｼｮﾝｽﾄﾛｰｸ
ｸ

70mm

た材料は伸びがた十分あることががわかった．
潰し加工ではは，亀裂が入ったたものの，黒鉛鉛を起点としたた破断面で黒鉛を破つなぐようにななっていることと，一部ディンン

図 7 使用ししたサーボプレス
ス

プルパターンがプが認められるこことから曲げ加加工同様に延性性破壊が発生して破おり，伸びが十十分あることががわかる．黒鉛
鉛

3.1 平面研削
削材による加工工実験

粒とその周囲の粒組織が大きく変変形して伸びてており，材料と開発した鋳鋳鉄板の塑性加工
工品質を検証すするため，表 2 の試験片 B の鋳造造条件で得られれた材料を用いいて加工実験をを行しての流動性がし良い．以上のこことから，潰しし加工においてて十分な加工品質十質が得られることとがわかった．

った．材質そのものの評価をを行うため，鋳鋳肌を平面研削削し抜き加工ではは，曲げ加工や潰潰し加工と比較較して黒鉛の変変平滑な状態ににした材料を用いいた．実験内容
容は，材料の加加工形が小さく，黒鉛形鉛をつなぐよううに破断面が形形成されているる特性を把握すするのに必要な曲
曲げ，潰し，抜抜きの３種類のの加が，加工面が直が線になっておりり，加工精度がが高いことがわ
わ工とした．加工工の模式図を図
図 8～図 10 に示示す．曲げ加工工はかった．
か

パルスハンドドルによる手動加加工，潰し加工
工および曲げ加加工は一般的なプ
プレス加工のモモーションと同同じクランクモモーションによる加工とした．

パンチ角度：90°
ダイス角度：90°
材料板厚：2.0mm

割
割れ無し

割れ発生

図 11 曲げ加工結果（左曲左：外観，右：組織）図 8 曲げ加加工模式図

法：
パンチ寸法
□11mm×11mm
材料板厚：2.0mm
加工速度：1SPM

図 12 潰しし加工結果（左左：外観，右：組組織）

図 9 潰し加加工模式図

φ17mm
パンチ径：φクリアランス
ス：
片側 0.15mm
材料板厚：2.0mm

図 13 抜き加工結果（左抜
左：外観，右：組織）

加工速度：1SPM
図 10 抜き加工模式図

ー 237 ー厚，面粗さは，一般鋳鉄材と高延性薄肉鋳鉄材共にともに3.2 鋳放し材による加工実験同じであった．
以上から，高延性薄肉鋳鉄材は一般鋳鉄材と同等の板厚3.2.1 高延性薄肉鋳鉄材を用いた加工実験
実部品への適用を想定した場合，鋳放し品を対象とした実験を行う必要があることから，鋳放しの鋳鉄品を用いた変化量を持ち，面粗さの向上も同程度であり，塑性加工に十分対応可能な伸びを持っていることがわかった．

加工実験（潰し加工）を行い，加工品質を評価した．実験では図 14 及び表 3 に示す一般的な製法による球状黒鉛鋳鉄（FCD450，以下「一般鋳鉄材」という）と本研究で製作した延性薄肉鋳鉄（以下「高延性薄肉鋳鉄材」）を使用した．加工条件を表 4 に示す．加工動作は一般的なプレスと同じクランクモーションを用いた．

図 15 潰し加工後の材料表面（左：一般鋳鉄材，右：高延性薄肉鋳鉄材）
表 5 潰し加工後の板厚および面粗さ
一般鋳鉄材

高延性薄肉鋳鉄材

加工前

加工後

加工前

加工後

板厚(mm)

2.88

2.192.872.21

面粗さ(Ra)5.10.64.80.8

3.2.2 ｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽのﾓ-ｼｮﾝを利用した加工実験
次に高延性薄肉鋳鉄材を対象として，一般的なプレスのモーションとサーボプレスのモーションを利用した場合の加工精度を評価する実験を行った．実験では 3.2.1 で用いたものと同じ試験片を用いた．実験条件を表 6 に，サー
図 14 使用した材料

ボプレスのモーションを図 16 に示す．

（上：一般鋳鉄材，下：高延性薄肉鋳鉄材）
表 6 加工条件
表 3 材料分析値

材料寸法

16mm×16mm

SPM

5742.9

パンチ寸法

11mm×11mm

15.4

18.4

潰し設定値

2.3mm

球化率(%)

71.8

80.2

ﾌｪﾗｲﾄ率(%)

45.4

65.4

一般鋳鉄材

高延性薄肉鋳鉄材

粒数 (個/mm2)693.4

粒径(μｍ)

表 4 加工条件
材料寸法

16mm×16mm

SPM5

パンチ寸法

11mm×11mm

潰し設定値

2.0mm

実験結果を図 15 および表 5 に示す．一般鋳鉄材ではパンチ接触部外周から材料の外周に向かい３か所の割れが発生した．高延性薄肉鋳鉄材では材料外周に変形が認めれれるものの，割れは発生しなかった．また，加工前後の板ー 238 ー

図 16 サーボプレスのモーション実験結果を図 17 および表 7 に示す．一般的なプレスの4.1 鋳物形状の設計・製作

モーションの加工とサーボプレスのモーションを利用し想定した部品は，フランジ部を有する円筒部品で，フラた加工ともに割れは見られない．また，サーボプレスのモンジ部に設けられた穴を用いてボルト締結していたものーションを利用した加工は，一般的なプレスのモーションを，かしめにより締結する構造とした．図 19 に設計・製の加工と比較して材料外周の湾曲が強く，材料の伸び量が作した鋳物を示す．

大きい．パンチの接触部については大きな違いは認められない．板厚については，一般的なプレスの加工では 2.79mmから 2.39mm への変化であったが，サーボプレスのモーションを利用した加工では，2.79mm から 2.30mm への変化となり，サーボプレスのモーションを利用した加工の方が潰し設定値に近かった．以上のことから，サーボプレスのモ
図 19 設計・製作した鋳物ーションを利用した加工の方が加工精度が良いことがわかった．

4.2 金型の設計・製作
鋳物部品の形状に合わせ，鋳物上部の開口部を押し広げて鋳物部品と機械加工部品を結合するかしめ加工の金型を設計・製作した（図 20）．

図 17 モーションの違いによる加工後の材料表面（左：一般的なﾌﾟﾚｽのﾓｰｼｮﾝ，右：ｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽのﾓｰｼｮﾝ）
表 7 モーションの違いによる潰し加工後の板厚板厚(mm)

一般的なﾌﾟﾚｽのｻｰﾎﾞﾌﾟﾚｽのﾓｰｼｮﾝﾓｰｼｮﾝ

加工前

加工後

加工前

加工後

2.79

2.39

2.79

2.30

（目標値 2.30mm）

4．実部品への適用実験
実部品への適用実験にあたり，鋳物部品と機械加工部品
図 20 かしめ金型がボルトで結合されている自動車部品を想定し，かしめ結（上：かしめ加工模式図，下：金型とパンチ形状）

合への工法転換を行った（図 18）．

4.3 加工実験
一般鋳鉄材と高延性薄肉鋳鉄材を用いて，かしめ加工を行った．かしめ部分において，一般鋳鉄材ではワレが発生したが，高延性薄肉鋳鉄材ではワレが発生せず，かしめ加工を行うことができた（図 21）．また，締結力を測定した
ところ 588[N・m]となりボルト接合と同等の結合力が得られた．

図 18 実部品への適用（工法転換）

ー 239 ー2)松岡甫たか:鋳物の切削加工技術 V 鋼の高速ミーリン
グ加工技術，鋳造工学，Vol.75 No.2，pp.169-174， (2003)
3)小綿利憲・堀江ひろし:薄肉球状黒鉛鋳鉄の機械的性質の評価，鋳造工学，Vol.73 No.4，pp.253-257，(2001)
4)野口徹・中村孝:機械材料工学，工学図書株式会社，
pp.186-187,(2001)
5)名雪東彦：鋳鉄の軽量薄肉化技術，北海道立工業試験場
技術情報，Vol.22 No.1，pp.5，(1999)
6)永吉英昭・中野英治・今西幸平・上田精心：薄肉高靭性
球状黒鉛鋳鉄，日立金属技報，Vol.14，pp.65-72，(1998)
7)戸羽篤也・安田星季・櫻庭洋平・三戸正道・宮腰康樹：

図 21 かしめ加工結果

薄肉球状黒鉛鋳鉄品の製造と材質特性，北海道立工業試験（左：一般鋳鉄材，右：延性薄肉鋳鉄材）

場報告，No.307，pp.129-135，(2008)

5．まとめ
鋳物部品の後加工である機械加工をプレス加工に転換し，複雑形状を低コストで量産できる鋳造技術と組み合わせた新しい量産型加工プロセスの開発を行った．詳細を以下に示す．
（1）鋳型の冷却速度を下げ，溶湯温度管理と各種成分調整と脱酸処理，接種処理を行うことで，伸びが 20％以上を持つ塑性加工に適した鋳鉄材料が得られた．
（2）鋳鉄材料を用いて曲げ加工，潰し加工，抜き加工を行った結果，一般鋳鉄材と比較し高延性薄肉鋳鉄材は伸びが十分あることがわかった．特に潰し加工，抜き加工においては十分な加工品質が得られることもわかった．
（3）サーボプレスのモーションを利用した加工は，一般的なプレスのモーションの加工と比較して板厚の変化量が大きく，加工精度が高いことがわかった．
（4）実部品への適用実験としてかしめ加工を行い，トルク強度を測定した結果，ねじによる結合と同等の締結力が得られた．
以上のことから，本研究の加工技術の有効性を確認することができた．
謝辞
本研究は，天田金属加工機械技術振興財団の平成 22 年度奨励研究助成事業（AF-2010033）により実施したものであり，深甚なる謝意を表します．
参考文献
1)大林根生・奈良小太郎:鋳物製機械構造部品の板金製品への転換，塑性と加工，Vol.48 No.563，pp.1094-1098 ，(2007)ー 240 ー