高延性球状黒鉛鋳鉄とその鋳造方法

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【発明の名称】	高延性球状黒鉛鋳鉄とその鋳造方法
【発明者】	【氏名】鈴木克美【氏名】大場義夫【氏名】中島範之
【要約】	【課題】伸び特性を特に向上させた高延性の球状黒鉛鋳鉄を提供する。【解決手段】高延性の球状黒鉛鋳鉄であって、伸びが２４～３５％である。そのうち、鋳放し材（肉厚２５ｍｍのＹ形供試材）の伸びが２４～３０％で、熱処理材の伸びが３０～３５％である。高延性の球状黒鉛鋳鉄を鋳造するにあたり、原料として還元鉄を用いる。還元鉄を用い電気炉にて球状黒鉛鋳鉄を鋳造するにあたり、鋳鉄溶湯にカルシウム化合物を添加して、スラグの粘性を下げる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】高延性の球状黒鉛鋳鉄であって、伸びが２４～３５％であることを特徴とする高延性球状黒鉛鋳鉄。
【請求項２】鋳放し材（肉厚２５ｍｍのＹ形供試材）の伸びが２４～３０％である請求項１記載の高延性球状黒鉛鋳鉄。
【請求項３】熱処理材の伸びが３０～３５％である請求項１記載の高延性球状黒鉛鋳鉄。
【請求項４】Ｍｎを０．２５質量％以下含有する請求項１～３のいずれか１項に記載の高延性球状黒鉛鋳鉄。
【請求項５】常温におけるシャルピー衝撃値が、鋳放し材で２７Ｊ／ｃｍ²以上、熱処理材で２９Ｊ／ｃｍ²以上である請求項１～３のいずれか１項に記載の高延性球状黒鉛鋳鉄。
【請求項６】高延性の球状黒鉛鋳鉄を鋳造するにあたり、原料として還元鉄を用いて、請求項１記載の球状黒鉛鋳鉄を得ることを特徴とする高延性球状黒鉛鋳鉄の鋳造方法。
【請求項７】還元鉄を用い電気炉にて球状黒鉛鋳鉄を鋳造するにあたり、鋳鉄溶湯にカルシウム化合物を添加して、スラグの粘性を下げることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の鋳造方法。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高延性の球状黒鉛鋳鉄とその鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】鋳鉄として、黒鉛形態が球状の球状黒鉛鋳鉄が知られており、この球状黒鉛鋳鉄は、引張強さが４００～８００ＭＰａの範囲であって、引張強さが大きくなれば伸びが低く、逆に伸びを高くしようとすると引張強さが小さくなるという傾向を有している。
【０００３】そのうち、引張強さが改善されなくても伸び特性が特に優れた高延性の球状黒鉛鋳鉄は、自動車部品の中で、足まわり部品、例えばロアーアーム、アッパーアーム、ナックルハウジング、サスペンションなどで求められている。従来から、球状黒鉛鋳鉄について、伸びを大きくしようとする場合、成分組成のうちＭｎの含有量を下げることが知られているが、伸びはせいぜい２０％程度であった。
【０００４】また、Ｍｎ含有量を下げるといっても、従来においては、有効な脱Ｍｎ法がないため、原材料としてＭｎ含有量の低いものを使用することや、Ｍｎ含有量の低い材料で希釈することしか考えられなかったが、いずれも高純度銑鉄やベースメタルなどの低Ｍｎ鉄原料は高価であり、コスト的な問題があった。
【０００５】一方、ダクタイル鋳鉄は、通常鋼屑や鋳物用銑鉄を原料とするため、不可避的にＭｎ含有量が０．２５～０．５質量％になり、また、近年、自動車重量の軽量化のために鋼板の高強度が要請されるのに伴い、Ｍｎ量を故意に０．６～１．０質量％レベルに増加させることが行われている。その結果、球状黒鉛鋳鉄用資材として市場に出てくる鋼屑に含有されるＭｎ量が必然的に多くなってくるという傾向があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明は上記した従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、伸び特性を特に向上させた高延性の球状黒鉛鋳鉄を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によれば、高延性の球状黒鉛鋳鉄であって、伸びが２４～３５％であることを特徴とする高延性球状黒鉛鋳鉄が提供される。この球状黒鉛鋳鉄のうち、鋳放し材（肉厚２５ｍｍのＹ形供試材）の伸びは２４～３０％で、また熱処理材の伸びは３０～３５％であることが好ましい。本発明の球状黒鉛鋳鉄においては、Ｍｎを０．２５質量％以下含有することが好ましく、また、常温におけるシャルピー衝撃値が、鋳放し材で２７Ｊ／ｃｍ²以上、熱処理材で２９Ｊ／ｃｍ²以上であることが好ましい。
【０００８】また、本発明によれば、高延性の球状黒鉛鋳鉄を鋳造するにあたり、原料として還元鉄を用いて、伸びが２４～３５％である高延性球状黒鉛鋳鉄を得ることを特徴とする高延性球状黒鉛鋳鉄の鋳造方法が提供される。さらに、本発明によれば、還元鉄を用い電気炉にて球状黒鉛鋳鉄を鋳造するにあたり、鋳鉄溶湯にカルシウム化合物を添加して発生するスラグの粘性を下げることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の鋳造方法が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。本発明は、従来にない高い伸び特性を有する高延性の球状黒鉛鋳鉄を提供するものであり、具体的には、その伸びが２４～３５％である高延性球状黒鉛鋳鉄である。このような高延性の球状黒鉛鋳鉄は、鋳鉄の難点ともいえる伸び値や衝撃値が改善されているため、例えば、自動車部品、電力部品及び建築部材などの技術分野において極めて有用である。
【００１０】本発明に係る球状黒鉛鋳鉄は、上記のように、その伸びが２４～３５％、好ましくは２８～３５％、特に好ましくは２９～３５％という特性を有するものである。そして、本発明の球状黒鉛鋳鉄のうち、鋳放し材（肉厚２５ｍｍのＹ形供試材）の伸びは２４～３０％、好ましくは２６～３０％であり、熱処理材の伸びは３０～３５％、好ましくは３２～３５％である。なお、本発明に係る球状黒鉛鋳鉄の引張強さは多少低くなるものの、３３０～４００ＭＰａ程度であり、実用上十分な強度を備えている。ここで、球状黒鉛鋳鉄の引張強さ、及び伸びという機械的性質は、ＪＩＳＺ２２０１で規定されている試験法に従って求めたものである。
【００１１】上記のような高延性の機械的性質を有する本発明の球状黒鉛鋳鉄は、成分的には、Ｍｎを０．２５質量％以下含有することが好ましく、Ｍｎを０．０５～０．１５質量％含有することがより好ましい。Ｍｎの添加量を上記範囲とすることにより、球状黒鉛鋳鉄の引張強さは３３０～４００ＭＰａ程度であるが、２４～３５％という従来にない高い伸び特性を有することができる。Ｍｎの含有量が０．２５質量％を超えると伸び特性が低下しはじめる。
【００１２】なお、本発明の高延性球状黒鉛鋳鉄の他の構成成分としては、特に限定されないが、Ｍｎを０．２５質量％以下とし、他の成分として、Ｃ３．５～３．７質量％、Ｓｉ２．４～２．７質量％、Ｐ０．０５質量％以下、Ｍｇ０．０３～０．０５質量％の組成となるように注湯流接種などにて調整することが好ましい。その理由は下記の通りである。
(1)Ｃが３．５質量％未満では、炭化物が現れて伸びが著しく減少する。Ｃが３．７質量％を超えると、初晶黒鉛が浮上して介在してくる。
(2)鋳放し用としては、Ｓｉが２．４質量％未満では、炭化物が現れて伸びが著しく減少する。Ｓｉが２．７質量％を超えると、初晶黒鉛が浮上して介在してくる。なお、熱処理する場合は、炭化物が分解されて伸びが確保できるから、Ｓｉ量を上記の値（２．４質量％）よりも低下させることができる。
(3)Ｐが０．０５質量％を超えると、ステダイト相が現れて脆化する。
(4)Ｍｇが０．０３質量％未満では、黒鉛を球状化することができず、引張強さが確保できない。Ｍｇが０．０５質量％を超えると、炭化物が現れやすくなり、処理時のＭｇ合金が高価で好ましくない。
【００１３】また、本発明の球状黒鉛鋳鉄は、常温におけるシャルピー衝撃値が、鋳放し材で好ましくは２７Ｊ／ｃｍ²以上、熱処理材で好ましくは２９Ｊ／ｃｍ²以上である。本発明の球状黒鉛鋳鉄は、上記のように特に伸び特性に優れるため、シャルピー衝撃値が所定以上に高くなると考えられる。ここで、球状黒鉛鋳鉄のシャルピー衝撃値は、ＪＩＳで規定されたシャルピー試験法により求めたものである。
【００１４】さらに、本発明では、目標成分に調整した球状黒鉛鋳鉄溶湯を鋳型に注湯後、その後の冷却速度を制御することにより、所望の高延性の球状黒鉛鋳鉄を得るものであるが、その態様としては次の通り、各種の方法がある。
(1)肉厚が２５ｍｍ以上の場合、鋳型内で自然放冷（鋳放し）させることで所望の高延性の球状黒鉛鋳鉄を得ることができる。
(2)薄い製品、例えば、肉厚が１０ｍｍ以下の製品については速く冷却し過ぎて、パーライト組織が混在して、所望の伸び特性を有する鋳鉄が得られないので、鋳型を加熱することで冷却速度を制御して、肉厚が２５ｍｍ以上の場合とほぼ同様の冷却スケジュールとすることで所望の高延性の球状黒鉛鋳鉄を得ることができる。
(3)また注湯後、パーライト変態前の温度域に焼きなまし炉に入れるか、流動層炉や高周波加熱などの加熱を加えることでパーライト組織を残留させないようにできれば、熱処理は不要である。
【００１５】上記した本発明に係る球状黒鉛鋳鉄は、次に示すように、従来公知の方法をベースとして製造することができる。従来公知の鋳鉄製造方法に基づいて説明すると、材料ヤードから銑鉄、鋼屑など各種の鉄合金を、配合成分量を考慮して配合し、これを原料として電気炉（低周波炉又は高周波炉）あるいはキュポラを用いて鋳鉄溶湯が溶製される。目標組成通りに溶製された溶湯は、次に保持炉に取り出され、この際、少量の特殊な物質を添加する接種、球状化などの溶湯処理が行われる。
【００１６】溶湯処理が行われた後、溶湯は取鍋から造型機により造型された鋳型に注湯されて鋳込まれ、鋳型内でそのまま凝固、冷却される。鋳型内の物品が冷却されると、次にシェイクアウトマシンまたはドラムクーラーで型ばらし及び冷却が行われた後、ショットブラストで物品の表面に付着した砂を除去し、鋳仕上げ工程に掛けられる。この鋳仕上げ工程において堰、ばり取りなどの仕上げが行われて製品たる鋳鉄が得られることになる。
【００１７】本発明では、上記した方法において、鋳鉄の原料として、還元鉄を用いたことを特徴としている。還元鉄は、Ｍｎの含有量が０．０２～０．０６質量％と低く、この還元鉄を鋳鉄原料として用いることにより、本発明に係る高延性の球状黒鉛鋳鉄を製造することができる。ここで、還元鉄を原料として用いるにあたり、電気炉を使用する場合には、鋳鉄溶湯を作製する際に生じてくるスラグが除去し難いので、粘性を下げて流動性を高めるため、石灰石（ＣａＣＯ₃）、螢石（ＣａＦ₂）、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）₂）、生石灰（ＣａＯ）などのカルシウム化合物をスラグに添加することが好ましい。スラグの粘性が低下して液状化したノロは、メタルポンプなどのポンプを使用して吸い上げ、鋳鉄溶湯と分離する。なお、電気炉を用いた溶解炉の炉壁には、マグネシア系などの塩基性ライニングを施すことが好ましい。
【００１８】一方、本発明の製造方法において、溶解炉としてキュポラを用いる場合には、通常スラグ分離を容易にするため、原料中に石灰石を配合しているので、配合量を増加することで解決でき、電気炉の場合のようなカルシウム化合物の添加は必要がない。なお、スラグが出にくいような場合には、原料としてのカルシウム化合物の添加量を増加して対応することができる。
【００１９】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づき、更に具体的に説明する。
（実施例１）従来公知の鋳鉄製造方法をベースとし、原料として還元鉄を用い、電気炉にて球状黒鉛鋳鉄の溶湯を溶製した。すなわち、鋳鉄原料として還元鉄を用い、高周波炉にて、Ｃ３．５～３．７質量％、Ｓｉ２．４～２．７質量％、Ｍｎ０．１質量％、Ｐ０．０１８～０．０２２質量％、Ｓ０．００５～０．００８質量％、Ｍｇ０．０３５～０．０４３質量％に成分調整した球状黒鉛鋳鉄の溶湯を溶製した。高周波炉の炉壁には、マグネシアからなる塩基性ライニングを施したものを用い、溶湯上に出てきたスラグに石灰石を添加してスラグを液状化し、メタルポンプで吸い上げた。得られた球状黒鉛鋳鉄溶湯を、図１に示すＹ形供試材（Ｂ号）３０用の鋳型に約１４００℃で注湯し、鋳型内で常温まで自然放冷（鋳放し）した。
【００２０】得られたＹ形供試材（Ｂ号）３０（ＪＩＳＧ５５０２）の下部３１から試験片を採取した。引張特性（引張強さ、０．２％耐力および伸び）については、ＪＩＳＺ２２０１の４号試験片で測定し、また、ＪＩＳの３号試験片でシャルピー衝撃試験を行い、その結果を求めた。その結果をそれぞれ図２及び図３に示す。
【００２１】（実施例２）実施例１と同じ成分の溶湯を用いて得られた鋳造物を、９５０℃で２時間熱処理することによりフェライト化した。得られた各試験片に対し、引張試験、及びシャルピー衝撃試験を行った。得られた引張特性及びシャルピー衝撃値の結果を図２及び図３に示す。
【００２２】（実施例３）実施例２において、Ｓｉを１．８質量％として熱処理を行いフェライト化した。得られた引張特性及びシャルピー衝撃値の結果を図２及び図３に示す。
【００２３】（実施例４）実施例２において、Ｓｉを１．４質量％として熱処理を行いフェライト化した。得られた引張特性及びシャルピー衝撃値の結果を図２及び図３に示す。
【００２４】（比較例１）球状黒鉛鋳鉄の溶湯成分のうち、Ｍｎを０．３質量％とした以外は実施例１と同一方法により、Ｙ形供試材（Ｂ号）を鋳造し同様に試験片を採取して、その引張特性及びシャルピー衝撃値を測定した。得られた引張特性及びシャルピー衝撃値の結果を図２及び図３に示す。
【００２５】（考察）上記の実施例１～４及び比較例１の結果から明らかなように、実施例１～４により得られた球状黒鉛鋳鉄は、引張強さが３３０～４００ＭＰａ、伸びが２８～３２％となり、特に伸び特性に優れた機械的性質を有していることがわかる。また、実施例１～４で得られた球状黒鉛鋳鉄のシャルピー衝撃値は、鋳放し材が、常温で２７Ｊ／ｃｍ²、熱処理材が常温で２９Ｊ／ｃｍ²を達成していた。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、引張強さは多少低くなるものの伸び特性が特に優れた高延性の球状黒鉛鋳鉄を提供することができる。

【出願人】	【識別番号】０００１１６８７３【氏名又は名称】旭テック株式会社
【出願日】	平成１２年８月１４日（２０００．８．１４）
【代理人】	【識別番号】１０００８８６１６【弁理士】【氏名又は名称】渡邉一平（外１名）
【公開番号】	特開２００２－６０８２３（Ｐ２００２－６０８２３Ａ）
【公開日】	平成１４年２月２８日（２００２．２．２８）
【出願番号】	特願２０００－２４５７０４（Ｐ２０００－２４５７０４）