FCD 材を得る手法について最近の研究開発成果を基に紹介

.

は じめに近年，気候の温暖化傾向やエルニーニョ現象などに象徴さする．

.

高強度・高延性球状黒鉛鋳鉄の特性と組織制御れる異常気象など，地球規模の環境問題は悪化の一途を辿っている．その原因の一つは温室効果をもたらす CO2 ガスの球状黒鉛鋳鉄(4)(5)とは，鋳鉄溶湯に適当な処理を行い，黒排出とされている．自動車産業での CO2 ガス低減は，車両鉛を球状化させた鋳鉄を指す．基本的には，ねずみ鋳鉄とな軽量化による自動車の燃費改善が，また，トラックでは車両るべき溶湯に Mg, Ca, Ce などの黒鉛球状化元素，またはこ重量を軽減できれば積載量を増加させることができ，結果とれらを含む合金を添加し，フェロシリコンやカルシウムシリして CO2 の削減に貢献することになる．

コンなどで接種を行い，鋳放しで球状黒鉛を晶出させた鋳鉄

車両の軽量化は車体側重量(ばね上)と車輪側重量(ばねである．球状黒鉛鋳鉄(Spheroidal graphite cast iron)は，ダ下)，すなわち足回り部品の軽量化が必要とされ，ばね下重クタイル鋳鉄( Ductile cast iron )，または，ノジュラー鋳鉄

量の軽量化は操縦安定性や乗り心地の向上にも繋がるメリッ(Nodular cast iron)と呼ばれることもある．鋳鉄の黒鉛形状

トがあることから，より重要とされている(1)(2)．

は図(6)のように分類されており，形態が片状，形態が軽量化を目的として，比重の軽いアルミ二ウムやマグネシ球状黒鉛に相当する．

ウム合金などへの材料置換が進んでいる．しかし，製品形状球状黒鉛鋳鉄は，片状黒鉛鋳鉄における機械的性質の弱点の自由度が高く，材料及び製造コストが安いという観点かを補い，高強度と高延性をあわせ持つ以外にも，切削性，鋳ら，足回り鋳物部品においては，鋳鉄材は強度面や設計的な造性，耐摩耗性などに優れる長所を持つことが広く知られて工夫などでアルミ化より有利とされている(3)．

いる．その用途は，主として自動車の足回り部品やクランク足回り部品の現行材質は，強度，靭性，生産性，コスト等に優れる球状黒鉛鋳鉄材(FCD 材)が多く使用されている．
この部材で新材料開発による軽量化が行えれば，その効果は大きい．

シャフト，サスペンション部品などの自動車部品や鋳鉄管，建設機械など各種産業機械部品など多岐に渡る(7)(8)．


球状黒鉛鋳鉄の特性と成分，組織及び鋳物肉厚の関係

足回り部品の軽量化の多くは薄肉化設計により行われる．

球状黒鉛鋳鉄は発明以来，多くの研究及び安定製造法の追一方で，材料としては単に高強度化のみならず，衝突時安全求により，鋼に匹敵する強度特性が得られている．球状黒鉛性の観点から高い延性(伸びで 10以上)を同時に兼ね備え鋳鉄の引張強さ，耐力，伸びは JIS G 5502, 5503, 5504(9)る，いわば高強度・高延性 FCD 材が求められている．

によって規定されている．なお，この他にも合金鋳鉄や鋳鉄

本稿 では組 織制 御によ る足 回り部 品で高 強度 ・高 延性管に関しては別の規格がある．

株式会社アイメタルテクノロジー研究開発部グループリーダー(〒3000015 土浦市北神立町 42)
早稲田大学高等研究所准教授 早稲田大学名誉教授
Development of Spheroidal Graphite Cast Iron with High Strength and High Elongation by Structure Control; Bairong Zhao, Shinsuke
Suzuki, Hideo Nakae(I Metal Technology Co., Ltd., Tsuchiura. Waseda Institute for Advanced Study, Tokyo. Professor
Emeritus Waseda University, Tokyo)
Keywords: spheroidal graphite cast iron, strength and elongation, structure control, as cast, heat treatment, matrix structure lamellar andgranular, pearlite morphology
2012年 9 月10日受理

ま て り あ 第52巻 第 1 号(2013)
Materia Japan



図1

図2

黒鉛粒の形状分類図(6)(JIS G 55022001)．

図3

フェライトの引張強さに及ぼす合金元素の影
響(12)．

図4

球状黒鉛鋳鉄の機械的性質に及ぼす球状化率の影響(13)．

各種鋳鉄の機械的性質と CE 値の関係(10)．

片状黒鉛鋳鉄の強さは CE 値( CE 値は炭素当量といい，シリコンなどの合金元素の黒鉛化能力を炭素量に換算した値

球状黒鉛鋳鉄で最も重要な要因は黒鉛の形状であり，球にである．CE＝C＋1/3(Si＋P))に強く依存するが，球近いことが不可欠である．フェライト基地鋳鉄について，黒状黒鉛鋳鉄の強さは CE 値に依存せず， CV (芋虫状)黒鉛鋳鉛球状化率と引張強さ，伸びの関係を図(13) に示す．引張鉄 は両者 の中間 となる ことが ，図(10) のよう に示し てい

強さは黒鉛球状化率に比例するが，伸びは黒鉛球状化率がる．これらの結果は，鋼の基地に球状黒鉛が体積率で 10

80 を超える付近から急増していることがわかる．ここに程度分散している材料が球状黒鉛鋳鉄であると考えると，良は記載されていないが，衝撃値はさらに黒鉛球状化率に敏感く理解できる．すなわち， 10の黒鉛以外の 90は基地でであり，球状化率の向上と共に増大することが明らかにされあり，これが強度を決める，といわれている(10)．ている．

通常，鋳鉄の基地組織はフェライトとパーライトである．

球状黒鉛鋳鉄の機械的性質は，一般的には Mn や Cu など

しかし，パーライトはフェライト基地にセメンタイトが分散のパーライト安定化元素の添加により基地組織で制御していした共析組織であり，パーライトの強度(硬さ)はセメンタイる．これに関しては，図(14) のような結果が報告されていトの量と形態，それにフェライトの強度で決まる．セメンタる．図中で複合則の値とは，球状黒鉛鋳鉄の引張強さを単純

イトの量と形態に関しては鉄鋼便覧(11)に詳細が記述されてにフェライト基地とパーライト基地の引張強さに，その体積いるので参照いただきたい．

分率を掛けて求めた値である．これらの値はほとんど一致しフェライトの強さに対する合金元素の影響を図(12) に示ており，まさに基地組織だけで引張強さが決まっていることす．これより，鋳鉄の主要合金元素であるシリコンやマンガを 明 確 に 示 し て い る ． ま た ， 図 に 示 す よ う に ， 強 度 800

ンはフェライトの著しい強化元素であることがわかる．

MPa 以上を求めるにはパーライト率は 80程度以上が必要



解説である．さらに伸びが 10以上に欲しい場合，パーライトト系にも肉厚感受性はあるが，その詳細な原因は明らかでは率は 70程度以下に制御する必要がある．

ない．球状黒鉛鋳鉄特有の現象として，肉厚の増加に伴う黒機械的性質に及ぼす鋳物肉厚の影響は通常の金属材料と異鉛球状化の低下や，フェライト組織の粗大化が機械的性質低にする．一般に金属材料の強度は結晶粒度の大きさに依存す下に影響しているのであろう．黒鉛球状化率の低下は大きなる．これはホール－ペッチの式として，強度が結晶粒径のル鋳物を作る際の問題になっている．

ートに反比例することでよく知られている(15) ．すなわち，結晶粒が細かいほど材料強度は向上する．一方で，鋳物の場

高強度，高延性球状黒鉛鋳鉄の特性と組織制御

合には肉厚が増すほど冷却速度は遅くなり，結晶粒は粗大化

近年，車両の足回り球状黒鉛鋳鉄製品は，軽量化と衝突安する．鋳鉄の場合には結晶粒以外にも黒鉛形態や基地組織も全性両方のニーズにより，高強度でより高い靭性が求められ変化し，最終凝固部に微細な引け巣が発生することもある．

る．すなわち，材料の強度と伸びのバランスを最適化するこ

従って，鋳鉄鋳物においては，機械的性質に及ぼす鋳物肉厚とが重要である．図は強度 800 MPa 伸び 10 ，またはの影響を考慮することが不可欠である．

強度 600 MPa 伸び 20 を目標とする球状黒鉛鋳鉄材の開球状黒鉛鋳鉄の機械的性質の鋳物肉厚依存性を図に示す(16)．この肉厚依存性は一般的に肉厚感度，あるいは肉厚感受性と呼ばれている．図よりパーライト系で肉厚感受性が高いことがわかる．これは，肉厚の増大による基地組織のフェライト量の増加が大きく影響している．しかし，フェライ

図5

球状黒鉛鋳鉄の機械的性質に及ぼす基地組織の影響(14)．

図7

ま て り あ 第52巻 第 1 号(2013)
Materia Japan

図6

球状黒鉛鋳鉄の機械的性質の肉厚依存性(16)．

鉄鋼材料の組織制御による強靭化の考え方(17)．

なる傾向を確認した．

発に際し，その組織制御の考え方について示したものである．
鋳放し材の鋳造条件の最適化と組織制御及び特性

また，冷し金の有無や注湯温度などの鋳造条件の変化によ と◯ は，鉄鋼材料の強靭化の考え方(図 7(17) )における◯って，引張伸びが大きな影響を受ける材質も見受けられた




FCD にも適用可能である．これを実現するため，著者らは(たとえば，高強度試作材 1)．いずれにせよ，鋳造条件は鋳鋳放し球状黒鉛鋳鉄材における化学組成及び鋳造条件の最適放し材の機械的性質に大きな影響をもたらすことが明らかで化を検討した．すなわち，球状黒鉛鋳鉄材の基地組織の微細ある．
図に高強度，高延性の目標を達成した鋳鉄材(表 1 に網化(オーステナイト→フェライト)と冷し金による黒鉛粒数の増大による強靭化を検討した．その考え方をまとめて図に掛けで示した)の組織を示す．これよりパーライト率が 75～示す．基地組織の微細化に関しては，ニッケルの影

85で，黒鉛球状化率が 95以上，黒鉛粒数は300個/mm2響(18)(19)，硫黄の影響(20)(21)を考慮し，別実験(22)によりニッ以上で強度と高い伸びを兼ね備える FCD 材が得られること

ケルと硫黄の最適値を見出した．また，黒鉛粒数の増加によがわかる．また，この程度の黒鉛粒数を得るには冷し金が不る基地組織の微細化を目的に鋳造条件(冷し金や注湯温度，可欠なこともわかる．


A1 変態点上，下型ばらし)を変化させ，引張強さと伸び特性への影響などを検討した(22)．

熱処理条件の最適化と組織制御及び特性

球状黒鉛鋳鉄の基地組織の微細化により高強度高延性材

表に B 号YB(23)の 4 種材料の鋳造条件と引張強さと伸を得るために，特定の熱処理の検討を行った．この目的としびの関係を示す． A1 変態点温度の上，下での型ばらしの引て，粒径数 mm のフェライトとパーライトからなる微細な 2張強さと伸びに対する影響を調べるため， A1 変態点の上，相混合組織とすることを検討した研究(24)(25)がある．鋼の分下で型ばらした時の結果を比較すると，1.5NiFCD450材で，その影響が著しいことがわかる．
A1 変態点以上で型ばらした時，強度－伸びのバランスがよくなっていた．一部試作材の引張伸びの値は 800 MPa 10以上，または 600 MPa16に達し，JIS 規格球状黒鉛鋳鉄材の伸び(それぞれ 2と 3)を大きく上廻った．
A1 変態点以上の高い温度で鋳型をばらすと，成分の相違( FCD450 以外の 3 材種)に関係なく引張伸び特性は大きく向上し，1,5NiFCD，試作材 1，試作材 2 間の差は少なく

図9
図8

球状黒鉛鋳鉄の組織制御による強靭化の考え方．

表1

最適化実験材の諸性質(供試材JIS B 号 25 mmYB)(23)．

鋳造条件の組み合わせ
供試材

冷し金

鋳型ばらし

黒鉛組織
注湯温度

基地組織

機械的性質

平均粒数個/mm2

球状化率

パーライト率


引張強さ
MPa

伸び

◯

269

98.2

37.8

644

16.0

◯

158

95.9

39.0

601

15.9

◯

◯

162

95.5

81.3

9029.0

◯

◯

◯

362

98.8

84.6

87510.5

◯

◯

◯

390

98.573.981910.2◯◯270

97.979.6

8899.4あり

FCD450

FCD800 10 目標をクリアした高伸び材の基地組
織．

なし

A1 以下◯◯

A1 以上

高温

◯◯

低温

1.5NiFCD450◯
高強度試作材 1
高強度試作材 2◯解説野では，結晶粒の微細化と第 2 相粒子の均一微細分散化に

FCD450 材 ， 1.5  Ni FCD450 材 と 高 強 度 試 作 材 1 を 用 いよる構造材料の強靭化が最も基本的な方策とされていた．熱処理により得られた材料の引張伸び特性を図に示る(17)(26)．亜共析鋼では Up quenching 法と呼ばれる特殊なす．図に示すように鋳放し材に比べ，NiFCD 材と試作材 1

熱処理方法により，数 mm 径のフェライトとパーライトの均では引張強さは向上し，伸びにも向上している．

一な組織が得られている(27)(28)．これまでに，著者らはパーその原因を，これら供試材の顕微鏡組織(図)とともに考ライト中の Fe3C 相の層状から球状への組織遷移に関して，えると，鋳放し組織(上段)に対し，熱処理材(下段)では，片状黒鉛鋳鉄の基地組織に対する硫黄量及び熱履歴の影響を中・高強度材ほど 2 相混合組織を呈している．

報告した(29)．

また，フェライトの結晶粒径(図中←→で示した)はいずれ

本稿では， FCD60020 伸び材の開発を目的に熱処理条件と基地組織形態，さらには引張－伸び特性の変化に関して検討した幾つかの事例を紹介する．
球状パーライトの製造条件と組織及び特性

これまでの研究結果に基づいて球状パーライト組織を得る
熱処理条件，加熱保持温度を 1073 K, 1023 K, 973K とした結果を示す．図に 0.5  Cu FCD450 相当材に Sn を 0 ～0.06 mass変化させた試料の熱処理組織写真を示す．これより 973 K ～ 1073 K のいずれの場合も，パーライト組織は球状( PG )と層状( PL )の混合組織である．しかし， 1073 K処理材では局部的にコロニー状パーライトを示した．
図と図にこれら球状パーライトを立体的観察したSEM 写真を示す．これらの試料はフェライト相だけを腐食

図 111023 K 熱処理した 6Sn ( 0.06 )材の球状パーラ
イト(SEM)．

図 121073 K 熱処理した 4Sn ( 0.045  Sn )材の球状パーライト(SEM)．

図13

Sn 添加材の引張強さと伸びの関係(鋳放し材，熱処理材)．

除去させたもので(30) ， Fe3C 相を立体的に見ると， 1023 K
熱処理試料は棒状組織になっている．一方， 1073 K 熱処理材は珊瑚状になっていることがわかる．
これらの試料の引張特性を JIS 規格との対比で図に示す．これより球状(棒状)パーライトよりも球状(珊瑚状)とコロニー状パーライトを呈した材料が，引張強度伸びのバランスがよいことがわかる．
 相混合組織材の熱処理条件と組織及び特性

フェライトとパーライトからなる 2 相混合組織を得る熱処理条件としては，1173 K60 min 保持に続いて，1073 K
40 min 保 持 を 行 い ， そ の 後 空 冷 し た ． こ の 実 験 で は

図 10

Sn 添加した 0.5 Cu FCD450 材の熱処理条件と基地組織(PL層状，PG球状，PCコロニー状)．

ま て り あ 第52巻 第 1 号(2013)
Materia Japan

の供試材の場合とも，熱処理材が鋳放し材に比較して細かく均粒径が細かくなっていることが明らかである．このことかなっていることがわかる．

ら，微細な結晶粒ほど隣接粒子への応力集中を弱める効果が2 相混合組織材が機械的性質に勝る原因を図に示す模式図で考えてみる．ここではブルスアイ組織材(鋳放し材)と 2強いことが，強度の向上に大きく寄与している(25)と考えられる．

相混合組織材(熱処理材)の組織特徴を模式図化した．仮に両.

者のフェライト量は全く同じと考えてみる．すると，図中矢おわりに印の方向に引っ張られた時，鋳放し材ではフェライトが周りのパーライト(フェライトに比べ変形能が小さく，伸びが小近年の高強度・高延性球状黒鉛鋳鉄材の開発ニーズに対さい)に拘束され低い伸びとなる．これに対し， 2 相混合組

し，化学組成，鋳放しと熱処理条件(冷却条件)による組織制織材では，フェライトが分散してネットワーク状に分布して御で高い強度と伸び特性を具備した球状黒鉛鋳鉄材料の製法いるため，周りのパーライトの拘束力が弱くなり，大きな伸について記述した．開発した 800 MPa10高強度・高延性びを示すことができると考える．

鋳放し球状黒鉛鋳鉄材を用い，CAE 手法†により形状の最適

一方， 2 相混合組織熱処理材の強度の向上と組織の関係化を図ることにより実用化にした製品は中型車ビーム( 17は，パーライト率からは説明できない．しかし，フェライトkg )，大型車ブラケットとビーム( 20 kg と 34 kg )である．の結晶粒径の熱処理前後の変化を確認すると，熱処理後は平このような製品において FCD 材の高強度・高延性化により現行の FCD450 相当材の同種製品に比べ 10 ～ 40 の軽量化と，アルミ材と同等程度の重量を達成しかもコストが安

図 16
図14

3 つの供試材の鋳放し材と 2 相混合組織熱処理材の引張強さと伸びの関係．

図15

ブルスアイ組織材と 2 相混合組織材の組織模式
図と伸び特性考察図(a フェライト， PLパーライト，Gグラファイト)．

3 つの供試材の鋳放し材と 2 相混合組織熱処理材の基地組織．
† ここでのCAE 手法とは FEM 構造解析法により高精度の応力解析を行ったことである．

解説

い．これらの事実により，今後も更なる発展が期待されている．
大型バスのサポートビーム，トラックではエアサスペンシ
ョン部品であるロッドブラケットやサポートビームなどの薄肉軽量化を実現するため，更なる高強度・高延性化材の開発は必要不可欠である．

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ま て り あ 第52巻 第 1 号(2013)
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463.
(30) 五十嵐芳夫金属，67(1997), 664
674.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
趙 柏榮
1993年 3 月 早稲田大学理工学研究科修士課程修了
1993年 4 月 現職
2012年 2 月 早稲田大学大学院 基幹理工学研究科 博士学位取得
専門分野鋳鉄(鋳造)◎自動車，産業機械用鋳鉄部材の材料開発に従事．片状黒鉛鋳鉄の高強度化，減衰能向上や球状黒鉛鋳鉄の高強度高延性材などの新材料開発，生産技術を中心に活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

趙柏榮

鈴木進補

中江秀雄

