JP2002275575A - 高強度球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ
以上である高強度球状黒鉛鋳鉄を提供する。 【解決手段】重量％で、炭素：３．０〜４．５％、シリ
コン：１．６〜２．５％、マンガン：０．２〜０．５
％、マグネシウム：０．０３〜０．０５％、ジルコニウ
ム：０．０００５〜０．０９％を含み、更にスズ及び銅
の１種または２種を含み、スズ換算量（スズ換算量=ス
ズ重量％＋銅重量％×０．１）をαとしたとき、αが
０．０３〜０．１１％であり、残部が不可避不純物およ
び鉄を含む組成を有すると共に、熱処理を行わないで引
張り強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする高
強度球状黒鉛鋳鉄である。重量％で、スズは０．０４〜
０．０８％とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は引張り強度が９００
ＭＰａ以上の高強度球状黒鉛鋳鉄及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車等のように軽量化が益々要
請される鋳鉄部品の多くは、アルミ材料など比重が小さ
い材料への材料置換が行われている。しかしアルミ材等
の軽量材料は、その特性の低さから必ずしも部品の重量
が比重の比ほど軽量化できるものではない場合が多い。
これに対し同種の材料を高強度化した場合には縦弾性係
数等の特性は基本的には変化しないので、理論上は高強
度化した分だけ薄肉化による軽量化が可能となる。この
ため産業界では球状黒鉛鋳鉄の更なる高強度化は切望さ
れている。

【０００３】従来、球状黒鉛鋳鉄は高強度鋳鉄に分類さ
れている。しかし、高強度を有するこれらの鋳鉄も熱処
理を行わない状態では引張り強度で８００ＭＰａ以上は
達成されていない。また、熱処理を行なった場合には引
張り強度は１０００ＭＰａを越えることもあるが、熱処
理に際に歪みが発生し易くなる。更に熱処理は球状黒鉛
鋳鉄のコストをかなりアップさせる要因となる。したが
って、熱処理による高強度化は種々の検討がされている
が実用化に至っていないのが実情である。

【０００４】また、軽量化には薄肉化が有効ではある
が、バーミキュラ黒鉛鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄を薄肉化する
と球状化処理後の溶湯の湯流れ不良、チル化、引け巣等
の鋳造欠陥が増加しやすい事などの課題も存在する。こ
の課題を解決するために、いもむし状の黒鉛が分散した
バーミキュラ黒鉛鋳鉄を対象にした特公昭６３ー４８３
号に係る技術、球状黒鉛鋳鉄を対象にした特開平１０ー
２３７５２８に係る技術等の検討がなされているが、こ
れらの公報に係る本文および付図からみると、こられの
公報技術は球状黒鉛鋳鉄の高強度化を対象にした発明で
なく、単に溶湯を鋳造する際における鋳造欠陥の改善を
目的にしたものである。

【０００５】また、特公昭６３ー４８３号公報には、Ｚ
ｒを含む鋳鉄用添加剤が開示されている。特開平１０ー
２３７５２８号公報には、Ｍｇ、レアアース、Ｚｒを含
む鉄系の球状化剤が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した特公昭６３ー
４８３号公報に係る鋳鉄用添加剤は、Ｚｒを含むもの
の、非球状のいもむし状黒鉛が分散したバーミキュラ黒
鉛鋳鉄の溶湯を処理対象としており、球状黒鉛が分散し
ている球状黒鉛鋳鉄用の処理剤ではない。

【０００７】また、上記した特開平１０ー２３７５２８
号公報に係る鉄系の球状化剤は、黒鉛の球状化を阻害す
る元素として知られているＺｒを含むものであるが、特
開平１０ー２３７５２８号公報に係る鉄系の球状化剤に
おいては、Ｚｒの効果の本質が本発明とは異なる。即
ち、特開平１０ー２３７５２８号公報に係る球状化剤
は、球状化に最も寄与する重要元素であるＭｇの酸化を
抑えるべく、Ｍｇよりも優先的にＺｒを酸化させてＺｒ
酸化物をスラグ滓として生成することにより、球状化に
最も寄与する重要元素であるＭｇの酸化物生成（スラグ
化）を抑えることを意図している。従って上記した特開
平１０ー２３７５２８号公報に係る球状化剤を用いた技
術によれば、Ｚｒは溶湯中においては専ら酸化物である
スラグ滓として浮遊して存在するものであり、同公報に
係る球状化剤で製造した凝固後の球状黒鉛鋳鉄のマトリ
ックスには、Ｚｒが存在しないものである。その証拠
に、特開平１０ー２３７５２８号公報に係る明細書の表
２、表５は球状化処理後の球状黒鉛鋳鉄の組成を示して
いるが、Ｚｒは凝固後の球状黒鉛鋳鉄には含まれていな
い。ちなみに、この表２、表５に示されているように、
この球状黒鉛鋳鉄はＳｎ、Ｃｕを含むものでもない。

【０００８】ところで、一般的に、熱処理を行なわずに
球状黒鉛鋳鉄の引張り強度を向上させるには、鋳鉄材料
のマトリックスをパーライト化させる方法が行なわれ
る。しかし、この方法では熱処理を行なわないならば、
球状黒鉛鋳鉄の引張り強度はせいぜい７００ＭＰａが限
界である。しかるに、同じ鉄系材料でもマトリックスが
パーライトからなる鋼材（非鋳鉄材）では、引張り強度
としては９００ＭＰａを越えることが出来る。これらの
強度の違いは、鋳鉄が砂型等の成形型に溶湯を注入して
凝固させる工法であるため、鋳鉄の溶湯には成形型のキ
ャビティ中における良好なる流動性が求められ、溶湯流
動性を高めるものの強度低下の要因となる多量の炭素が
鋳鉄材に含有されていることに起因する。

【０００９】すなわち、この溶湯に流動性を付加するた
めに鋳鉄には、一般的には、鋼材の１０倍以上の炭素と
Ｓｉが添加される。添加された炭素は、凝固するときに
マトリックス中に片状または、球状もしくはこれらの中
間的形状を有する黒鉛粒と成るため、この部分が切り欠
き効果をもたらし鋳鉄の強度を低減させることになる。
それゆえ、鋳鉄ではマトリックスがパーライト化した場
合であっても、熱処理なしでは、引張り強度はせいぜい
７３０ＭＰａ程度である。

【００１０】本発明は上記した球状黒鉛鋳鉄における近
年の要請に鑑みてなされたものであり、熱処理を行わな
いで引張り強度が９００ＭＰａ以上である高強度球状黒
鉛鋳鉄を提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、高強度をも
つ球状黒鉛鋳鉄を開発すべく、鋭意開発を進めている。
本発明者は、Ｚｒは酸化しやすいため、Ｚｒ酸化物であ
るスラグ滓を直ちに形成し、球状黒鉛鋳鉄の溶湯に溶け
込まない元素であることに着目し、Ｚｒを溶湯に積極的
に溶け込ませるのに有利な球状黒鉛鋳鉄用の新規なＺｒ
系の処理剤を開発した。この新規な処理剤は、基本的に
は、シリコンなどの酸化物生成元素を主要成分とする外
層部分と、ジルコニウム含有濃度（重量％）を外層部分
よりも多く設定した内層部分とを有する処理剤である。
代表的な処理剤としては、Ｚｒを主要成分とする内層
（例えばＺｒ−Ｓｉ−Ｆｅ系）を、Ｓｉを主要成分とす
る外層（１層または複数層の外層,例えばＳｉ−Ｆｅ系,
Ｓｉ系）で覆った形態の処理剤である。外層はＺｒを含
まないか、内層に比較してＺｒ含有濃度（重量％）がか
なり低い。

【００１２】本発明者は、このような球状黒鉛鋳鉄用の
新規なＺｒ系の処理剤を球状化剤と併用すると共に、球
状化処理後の球状黒鉛鋳鉄の組成としてＳｎ及びＣｕの
うちの１種または２種を配合し、重量％で、炭素：３．
０〜４．５％、シリコン：１．６〜２．５％、マンガ
ン：０．２〜０．５％、マグネシウム：０．０３〜０．
０５％、ジルコニウム：０．０００５〜０．０９％を含
み、更にスズ及び銅の１種または２種を含み、スズ換算
量（スズ換算量=スズ重量％＋銅重量％×０．１）をα
としたとき、αが０．０３〜０．１１％とし、残部が不
可避不純物および鉄を含む組成に設定すれば、熱処理を
行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上である高強度
球状黒鉛鋳鉄が得られることを知見し、試験で確認し、
本発明に係る高強度球状黒鉛鋳鉄を完成した。

【００１３】本発明において引張り強度９００ＭＰａ以
上の高強度をもつ球状黒鉛鋳鉄が得られる理由は、現在
のところ必ずしも明確ではないものの、次のように推測
される。即ち、上記した新規なＺｒ系の処理剤によれ
ば、Ｚｒの外側に含まれているＳｉ等の酸化物生成元素
が溶湯中の酸素と優先的に酸化して酸化物を生成するた
め、溶湯中においてＺｒ付近の酸素が消費され、これに
よりＺｒが酸化物となることが抑えられ、以て球状黒鉛
鋳鉄の溶湯に対してＺｒを積極的に溶解させることにな
るものと推察される。

【００１４】その結果、球状黒鉛鋳鉄の組成が上記した
ものであれば、凝固後の組織状態から判断すれば、Ｓｎ
及びＣｕの１種または２種を含むと共にＺｒを含む微細
な析出物等の生成物が鋳鉄のマトリックスの粒界に均一
に良好に生成し、これにより球状黒鉛鋳鉄におけるパー
ライト系のマトリックスを強化でき、更に、パーライト
系のマトリックスの結晶粒の微細化、球状黒鉛の微細化
を図ることができ、以て球状黒鉛鋳鉄の高強度化を一層
図ることができるためと推察される。なお、本発明に係
る高強度球状黒鉛鋳鉄において、Ｓｎ及びＣｕの１種ま
たは２種を含むと共にＺｒを含む微細な生成物が球状黒
鉛鋳鉄のマトリックスの粒界に生成することは、ＥＰＭ
Ａ分析装置によって確認されている。

【００１５】本発明に係る高強度球状黒鉛鋳鉄は、重量
％で、炭素：３．０〜４．５％、シリコン：１．６〜
２．５％、マンガン：０．２〜０．５％、マグネシウ
ム：０．０３〜０．０５％、ジルコニウム：０．０００
５〜０．０９％を含み、更にスズ及び銅の１種または２
種を含み、スズ換算量（スズ換算量=スズ重量％＋銅重
量％×０．１）をαとしたとき、αが０．０３〜０．１
１％であり、残部が不可避不純物および鉄を含む組成を
有すると共に、熱処理を行わないで引張り強度が９００
ＭＰａ以上であることを特徴とするものである。

【００１６】本発明に係る高強度球状黒鉛鋳鉄の製造方
法は、酸化物生成元素を主要成分とする外層部分とジル
コニウム含有濃度を外層部分よりも多く設定した内層部
分とを有する処理剤と、球状化剤とを用意する工程と、
球状化剤及び処理剤を同時に又は個別に溶湯に添加する
工程と、球状化剤及び処理剤が添加された溶湯を凝固さ
せる工程とを順に実施し、熱処理を行わないで引張り強
度が９００ＭＰａ以上である請求項１に係る高強度球状
黒鉛鋳鉄を製造することを特徴とするものである。

【００１７】本発明に係る球状黒鉛鋳鉄によれば、マト
リックスにおけるパーライト化率の向上、黒鉛の球状化
率の確保を図りつつ、球状黒鉛の微細化、結晶粒の微細
化が図られ、従って高強度化を図り得る。本発明に係る
球状黒鉛鋳鉄は、強度において優れており、引張り強度
が９００ＭＰａ以上を有することができる。殊に、熱処
理を行わない鋳放し状態でも、引張り強度が９００ＭＰ
ａ以上を有することができる。

【００１８】なお、上記した鋳鉄組成の割合で合金元素
を単に配合した場合には、Ｚｒは溶湯に溶解せず、目標
とする高強度球状黒鉛鋳鉄が得られない。また、時間を
かけてＺｒとＦｅとの反応溶解を試みた場合には、Ｚｒ
が酸化してＺｒ酸化物を生成し、そればかりか球状化元
素として重要なＭｇがフェイディング現象を起し、球状
化が充分に起こらなくなり、球状黒鉛鋳鉄の強度が著し
く低下し、球状黒鉛鋳鉄の目標とする高強度の性能が得
られなくなる。フェイディング現象は、球状化処理のた
めに添加したＭｇが時間経過に伴って酸化または他の元
素と反応し消費されるため減少してしまい、時間経過に
つれて球状化が進まなくなる現象である。

【００１９】本発明に係る球状黒鉛鋳鉄は、熱処理を行
わないものであり、鋳放し状態、または、少しの機械加
工を施した状態で用いることができる。

【００２０】以下、本発明に係る球状黒鉛鋳鉄における
組成の限定理由について説明を加える。

【００２１】（Ｃ：３．０〜４．５％）Ｃの配合量につ
いては、上記したＣの下限値未満では本発明に係る球状
黒鉛鋳鉄の黒鉛量が不足し、溶湯の流動性が悪くなるば
かりでなく、チル組織の増加を伴い、目的とする高強度
は得ることが出来ない。また上記したＣの上限値を越え
るとＣが過剰となり、鋳鉄材料自体が脆くなり、目的と
する高強度は得ることが出来ない。したがって、Ｃの配
合量は重量で３．０〜４．５％と定めた。上記した事情
を考慮し、好適にはＣの配合量は重量％で３．０〜４．
４％、３．６〜３．８％である。なおＣの下限値として
は３．１％、３．２％、３．３％等を例示でき、Ｃの下
限値と対応するＣの上限値としては４．４％、４．３
％、４．２％等を例示できる。

【００２２】（Ｓｉ：１．６〜２．５％）Ｓｉについて
は、上記したＳｉ下限値未満では、本発明に係る球状黒
鉛鋳鉄の溶湯の流動性が悪くなるばかりでなく、チル組
織の増加を伴い、目的とする高強度は得ることが出来な
い。また上記したＳｉ上限値を越えると、材料の均質性
が悪くなるとともに、鋳鉄が脆くなり、特に低温での衝
撃強度が著しく低下する。さらに、硬度も低下し目的と
する高強度を得られない。したがって、Ｓｉの配合量は
重量％で１．６〜２．５％と定めた。上記した事情を考
慮し、好適にはＳｉ量は重量％で１．７〜２．４％、
２．２〜２．４％である。なおＳｉの下限値としては
１．８％、１．９％等を例示でき、Ｓｉの下限値と対応
するＳｉの上限値としては２．３％、２．２％等を例示
できる。

【００２３】（Ｍｎ：０．２％〜０．５％）Ｍｎは冷却
過程でパーライト化を促進する傾向にある元素で、強度
への影響は重要である。上記Ｍｎは重量％で上記した下
限値未満では、溶湯中に存在する硫化物が偏析して残存
するため、強度低下をもたらす。一方、上記したＭｎの
上限値を越えるとチル化を促進するため、マトリックス
中にセメンタイトやマルテンサイト等の組織が増加し、
強度と硬度は上昇するが、機械的加工性が低下するため
実用的な材料とはならない。したがって、Ｍｎ量は重量
％で０．２％〜０．５％と定めた。上記した事情を考慮
し、好適にはＭｎの配合量は重量で０．３〜０．５％、
０．３〜０．４％である。なおＭｎの下限値としては
０．２２％、０．２５％等を例示でき、Ｍｎの下限値と
対応するＭｎの上限値としては０．４５％、０．４７％
等を例示できる。

【００２４】（Ｍｇ：０．０３％〜０．０５％）Ｍｇは
球状化させるために添加される球状化処理元素である。
上記したＭｇの下限値未満では、黒鉛の球状化が充分に
進まないため、凝固組織におけるマトリックス中の黒鉛
析出部に応力集中が起こり、目的とする強度が得られな
い。一方、Ｍｇは非常に酸化し易い元素であるため、上
記したＭｇの上限値を越えると、マトリックス中のＭｇ
酸化物が増加し、マトリックスの強度を低下させる傾向
があるため、目的とする強度が得られにくい。したがっ
てＭｇの配合量は重量％で０．０３％〜０．０５％と定
めた。好適にはＭｇ量は重量％で０．０３５〜０．０４
５％である。Ｍｇの下限値としては０．０３３％等を例
示でき、Ｍｇの下限値と対応するＭｇの上限値としては
０．０４８％等を例示できる。

【００２５】（Ｚｒ：０．０００５％〜０．０９％）前
述した様にＺｒ添加による改善のメカニズムは明確でな
いが、凝固後の球状黒鉛鋳鉄の組織を観察すれば、結果
的に黒鉛粒の粒径を微細化し、またＺｒ炭化物を生成す
ることでパーライト系のマトリックスの強度を向上して
いる。上記したＺｒの下限値未満では、マトリックスを
強化するのに充分な炭化物の生成は起こりにくく、ま
た、黒鉛の微細化も起こりにくい。そのため目的とする
高強度な球状黒鉛鋳鉄は得られない。一方、上記したＺ
ｒの上限値を越えると、黒鉛の球状化が阻害され、マト
リックス中の黒鉛析出部に応力集中が起こり易く、目的
とする強度が得られにくくなる。したがってＺｒは重量
％で０．０００５％〜０．０９％と定めた。上記した事
情を考慮し、好適にはＺｒ量は重量％で０．０００６％
〜０．０９％、０．０３０％〜０．０８０％である。な
おＺｒの下限値としては０．００１％、０．０１％を例
示でき、Ｚｒの下限値と対応するＺｒの上限値としては
０．０８５％、０．０７５％等を例示できる。

【００２６】（α：０．０３〜０．１１％）スズ換算量
（スズ換算量=スズ重量％＋銅重量％×０．１）をαと
したとき、αを０．０３〜０．１１％と定めた。Ｓｎは
マトリックスを強化する目的で添加されるパーライト化
元素である。Ｃｕはマトリックスを強化する目的で添加
されるパーライト化元素であるが、Ｓｎに比較して上記
効果において敏感性が低下し、効果的にはＳｎの効果に
対して約１／１０であり、スズ換算量としては、銅重量
％×０．１として把握できる。αが上記した下限値未満
では、マトリックス中に十分なパーライトが生成され
ず、目的とする強度が得られない。一方、αが上記した
上限値を越える場合は、マトリックスの強度が著しく低
下し、チル組織が析出し、難加工性になる。したがっ
て、αは重量％で０．０３％〜０．１１％と定めた。上
記した事情を考慮し、好適にはαは重量％で０．０４％
〜０．１１％、０．０４％〜０．１０％、０．０４％〜
０．０９％である。なおαの下限値としては０．０３５
％、０．０４０％等を例示でき、αの下限値と対応する
αの上限値としては０．０９５％等を例示できる。

【００２７】（Ｓｎ、Ｃｕ）Ｓｎ単独で用いても良い
し、Ｃｕ単独で用いても良いし、Ｓｎ及びＣｕの双方を
用いても良い。Ｓｎ単独で用いられる場合には、Ｓｎは
重量％で０．０３〜０．１１％とし、好適にはＳｎは重
量％で０．０４０％〜０．０８０％である。Ｃｕ単独で
用いられる場合には、Ｃｕは重量％で０．９０％以下、
殊に０．６５％以下とし、好適にはＣｕは重量％で０．
２０％〜０．６０％である。

【００２８】本発明に係る球状黒鉛鋳鉄のマトリックス
は、パーライトが主体である。マトリックス（黒鉛部除
去）に占めるパーライト率は、面積率で一般的には８５
〜９８％、８７〜９５％である。

【００２９】上記した球状黒鉛鋳鉄を製造にあたり、球
状化処理後の溶湯を成形型（砂型または金型等）に注湯
する際には、Ｆｅ−Ｓｉ系の接種剤を添加することがで
きる。この場合、球状化処理後１０分以内（殊に８分以
内）で接種剤を添加することが好ましい。この時間を越
すと接種剤の効果が少なくなる。これを補うため接種剤
の量を増やしてしまうと、結果的に、球状黒鉛鋳鉄のマ
トリックス中のＳｉ等の合金元素の量が過剰に増加する
ため、必要な特性が得られなくなるおそれがある。この
場合、特に球状黒鉛鋳鉄の靱性の低下が著しくなる。

【００３０】上記した高強度球状黒鉛鋳鉄を得るために
本発明者が開発したＺｒ系の処理剤２の概念模式図を図
４に示す。図４に示すように、この処理剤２は、基本的
には、Ｚｒを主要成分とする合金（例えばＺｒ−Ｓｉ−
Ｆｅ系）で形成された内層１０の外側に、Ｓｉを主要成
分とする外層２０を被覆した構造を有する。内層１０
は、Ｚｒを主要成分とする合金で形成することができ
る。殊に、内層１０は、Ｚｒ−Ｓｉ−Ｆｅ系の合金で形
成することができ、内層１０自体を１００％としたと
き、基本的には重量％でＺｒが４５〜７０％、Ｓｉが２
５〜４５％、Ｆｅが３〜１５％、不可避不純物の組成に
設定することができる。但しこれに限定されるものでは
ない。Ｓｉを主要成分とする外層２０は、図４に示すよ
うに、内層１０を覆う第１外層２１と、第１外層２１を
覆う第２外層２２とを備えていることが好ましい。第１
外層２１はＳｉが最も高めであり、第１外層２１自体を
１００％としたとき、基本的にはＳｉが重量％で７０〜
１００％とすることができるが、これに限定されるもの
ではない。第２外層２２はＳｉが高めであり、Ｆｅ−Ｓ
ｉ系合金で形成することができ、第２外層２２自体を１
００％としたとき、Ｓｉが重量％で２０〜７０％、残部
が不可避不純物及び実質的にＦｅの組成とすることがで
きるが、これに限定されるものではない。なお第１外層
２１、第２外層２２はＺｒを含まないか、内層１０に比
較してＺｒ含有濃度がはるかに低い。

【００３１】一般的には、Ｚｒを含む従来技術に係る処
理剤を溶湯中に添加したとしても、高融点であるＺｒ部
分は、その表面から酸化が進行して酸化物を生成する。
このため溶湯中へのＺｒの拡散は妨げられる。しかしな
がら上記した図４に示すＺｒ系の新規な処理剤２によれ
ば、一般的には、Ｚｒを主要成分とする内層１０が溶湯
に接触する前の段階で、外側の第２外層２２、第１外層
２１が溶湯に接触し易い。故に、第２外層２２に含まれ
ているＳｉ、第１外層２１に含まれているＳｉが溶湯中
の酸素と結合してＳｉ酸化物を生成し、溶湯中の酸素を
消費する。このため、Ｚｒを主要成分とする内層１０が
溶湯に接触する段階では、処理剤２付近の溶湯部分の酸
素の消費が進行しているため、Ｚｒの酸化が抑えられ、
Ｚｒが溶湯中に高歩留りで溶けるものと推察される。な
お、図４は処理剤２の組織構造をモデル化した概念図で
あり、詳細的な組織構造まで規定するものではない。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した実施形
態について比較例、従来例と共に説明する。

【００３３】Ｃ、Ｓｉ、Ｓ等の含有量を調整した球状黒
鉛鋳鉄、または、銑鉄を出発原料として用いた。Ｃ、Ｓ
ｉ、Ｓ等の含有量を調整した後に溶解原料を高周波溶解
炉５０（溶解重量：２５ｋｇｗ、以下溶解炉と記す）で
１５８０℃まで加熱し、溶解を行なった。その後、添加
元素であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｃｕを適宜添加し、
溶湯成分の調整を行った。添加した成分が溶湯に充分に
溶解し、温度が再び１５５０℃以上になったら、図１に
示すように溶解炉５０を傾斜させ、溶解炉５０の出湯口
５０ａから、取鍋６０に溶湯を注湯した。この場合、取
鍋６０の底部には、Ｍｇ系の球状化剤６５（平均粒径：
５．０〜１．５ｍｍ）と、Ｚｒ系の処理剤２（平均粒
径：１．０〜３．０ｍｍ）とが予め装入されていた。具
体的には、取鍋６０の底部の室６１に、Ｍｇ系の球状化
剤６５を装入し、その上にＺｒ系の処理剤２を配置し、
鉄板６８で覆って保護した。

【００３４】Ｍｇ系の球状化剤６５の上に処理剤２を配
置した主な理由は、球状化剤６５と溶湯とが触れて球状
化処理が行われる際には、吸熱現象が生じるため、吸熱
反応をなるべく避け、高温の溶湯を処理剤６６に接触さ
せることを意図している。なおＭｇ系の球状化剤６５の
平均粒径、Ｚｒ系の処理剤２の平均粒径は上記したもの
に限定されるものではない。

【００３５】本実施形態で用いたＺｒ系の処理剤２の概
念模式図は図４に示されている。この処理剤２は、基本
的には、Ｚｒ−Ｓｉ−Ｆｅ系の合金で形成された内層１
０の外側に、Ｓｉ系の外層２０を被覆した構造を有す
る。Ｓｉ系の外層２０は、内層１０を覆う第１外層２１
と、第１外層２１を覆う第２外層２２とを備えている。

【００３６】内層１０は、Ｚｒ−Ｓｉ−Ｆｅ系の合金で
形成されており、内層１０自体を１００％としたとき、
基本的には重量％でＺｒが５８％、Ｓｉが３５％、Ｆｅ
が７％に設定されていた。Ｚｒ系の処理剤２を１００％
としたとき、内層１０（融点：約１６００℃）の割合は
重量％で１３％であった。内層１０の平均粒径は３０〜
２００μｍ（例えば５０μｍ）であった。

【００３７】第１外層２１（融点：約１４１４℃）はＳ
ｉが最も高めの合金であり、第１外層２１自体を１００
％としたとき、基本的にはＳｉが重量％で実質的に１０
０％であった。Ｚｒ系の処理剤２を１００％としたと
き、第１外層２１は重量％で４７％であった。第１外層
２１の平均粒径は６０〜４００μｍ（例えば１００μ
ｍ）であった。 最も外側の第２外層２２（融点：約１
２２０℃）はＦｅ−Ｓｉ系合金で形成されており、第２
外層２２自体を１００％としたとき、重量％でＳｉが５
６％、Ｆｅが４２％の組成とされていた。Ｚｒ系の処理
剤２を１００％としたとき、第２外層２２は重量％で４
０％であった。なお第１外層２１、第２外層２２はＺｒ
を含まないか、内層１０に比較してＺｒ含有濃度がはる
かに低い。

【００３８】上記のようにＭｇ系の球状化剤６５とＺｒ
系の処理剤２とを予め設置した取鍋６０内に高温の溶湯
を注入することにより、溶湯は球状化処理された。球状
化処理後に、図２に示すように取鍋６０を傾斜させるこ
とにより、取鍋６０内の溶湯を、Ｙブロック（ＪＩＳ−
Ｇ５５０２ Ｂ号試験片）用の成形型８０（砂型）に注
湯し、凝固させ、試験片である発明材（Ｎｏ.１〜Ｎｏ.
１０）を得た。

【００３９】成形型８０に注湯する際には、溶湯温度に
して１４１０℃以上の温度で、図２に示すように接種剤
（フェロシリコン）を添加しつつ行った。この場合に
は、球状化処理後８分以内で成形型８０に注湯すること
にした。フェーディング現象を抑えるためである。

【００４０】

【表１】

【００４１】上記のようにして製造した発明材（Ｎｏ．
１〜Ｎｏ．１０）の組成を表１に示す。表１においてＢ
ａｌ．は実質的残部（Balance）を意味する。表１に示
すように、発明材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）は重量％
で、炭素：３．０〜４．５％、シリコン：１．６〜２．
５％、マンガン：０．２〜０．５％、マグネシウム：
０．０３〜０．０５％、ジルコニウム：０．０００５〜
０．０９％を含み、スズ換算量（スズ換算量=スズ重量
％＋銅重量％×０．１）をαとしたとき、αが０．０３
〜０．１１％、残部が不可避不純物および鉄を含む組成
を有する。不可避不純物としてのＳは重量％で０．０２
％以下、Ｐは０．１％以下であった。

【００４２】同様に、比較例１に係る球状黒鉛鋳鉄用の
溶湯（ＪＩＳ Ｇ ５５０３ ＦＣＤ７００相当）、比
較例２に係る球状黒鉛鋳鉄用の溶湯（ＪＩＳ Ｇ ５５
０３ＦＣＡＤ９００相当）、比較例３に係る球状黒鉛鋳
鉄用の溶湯（ＦＣＤ４５０相当）をそれぞれ溶解し、同
様に、Ｙブロック（ＪＩＳ−Ｇ５５０２ Ｂ号試験片）
の成形型に注湯し、凝固させ、比較例１に係る非熱処理
型の球状黒鉛鋳鉄、比較例２に係る熱処理型の球状黒鉛
鋳鉄、比較例３に係る非熱処理型の球状黒鉛鋳鉄を得
た。ＦＣＡＤはオーステンパー処理を施したものを意味
する。ＦＣＤ４５０は、重量％で、炭素：２．５％以
上、シリコン：２．７％以下、マンガン：０．４％以
下、マグネシウム：０．０９％以下、リン：０．０８％
以下、イオウ：０．０２％以下を含む組成を有する。Ｆ
ＣＤ７００は、ＦＣＤ４５０の組成をベースにしつつ、
パーライト化のためにスズを微量添加したものであり、
ジルコニウムは添加されていない。

【００４３】得られた発明材（Ｎｏ．２）の代表的な光
学顕微鏡組織（ナイタル腐食、倍率１００倍）を図３に
示す。図３に示すように、球状黒鉛は微細であり、その
数も多い。微細な球状黒鉛は高強度化に有効である。パ
ーライト組織の結晶粒のサイズの測定は、光学顕微鏡で
は容易ではないものの、球状黒鉛が微細であれば、マト
リックスの結晶粒も微細であると考えるのが金属組織学
的に一般的である。

【００４４】上記したＹブロックの成形型８０で得られ
た各発明材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）に機械加工を施し
て引張り試験片を形成した。引張り試験片は図５に示さ
れている。そして引張り試験片について引張り試験を行
なった。更に、上記した比較例１〜３の鋳鉄材と、熱処
理を行なわずに鋳放し状態の発明材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．
１０）を用いて切削試験を行ない、切削性の評価を行な
った。切削試験においては、発明材の特徴の一つでもあ
る機械加工性の容易さを明らかにするため、一般的な超
硬の切削工具による加工性について下記の条件で切削評
価を行ない、歯具の逃げ面摩耗量（Ｖ_B ）を測定して切
削評価結果として、表２に併記した。 （切削評価条件） 被削材 ：外径３０ｍｍ 切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ 送り ：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ 切りこみ：０．３ｍｍ 切削油 ：水溶性切削油（ケミクールＳＲー１） 切削長 ：１０００ｍ

【００４５】

【表２】

【００４６】表２に示すように発明材（Ｎｏ．１〜Ｎ
ｏ．１０）によれば、引張り強度はいずれも９００ＭＰ
ａ以上であり、極めて高かった。発明材Ｎｏ．１は引張
り強度は９２３ＭＰａ程度であり、発明材Ｎｏ．２は引
張り強度は９０８ＭＰａ程度であり、発明材Ｎｏ．３は
引張り強度は９２２ＭＰａ程度であった。発明材Ｎｏ．
４は引張り強度は９２６ＭＰａ程度であり、発明材Ｎ
ｏ．５は引張り強度は９２１ＭＰａ程度であった。発明
材Ｎｏ．６は引張り強度は９１４ＭＰａ程度であり、Ｓ
ｎ及びＺｒが多い発明材Ｎｏ．７は引張り強度は９２９
ＭＰａ程度であった。発明材Ｎｏ．８は引張り強度は９
００ＭＰａ程度であり、発明材Ｎｏ．９は引張り強度は
９２０ＭＰａ程度であり、発明材Ｎｏ．１０は引張り強
度は９０８ＭＰａ程度であった。

【００４７】伸びについては、ＣＥ値に影響を与える炭
素及びシリコンが多いＮｏ．９，Ｎｏ．１０を除いて、
２．０％以上得られた。殊に、発明材Ｎｏ．２，Ｎｏ．
５，Ｎｏ．６，Ｎｏ．８については３．０％以上の伸び
が得られた。なお衝撃値（シャルピー衝撃試験 ＪＩＳ
Ｚ２２０２ Ｎｏ．３ Ｕ溝ノッチ付き試験片）とし
ては、熱処理を行っていないため、５Ｊ／ｃｍ²以下で
あった。

【００４８】比較例１に係るＦＣＤ７００によれば、非
熱処理型であり、引張り強度は７３０ＭＰａ程度と低か
った。比較例２に係るオーステンパー熱処理を施したＦ
ＣＡＤ９００によれば、引張り強度は９５０ＭＰａ程度
と高かったものの、切削工具が欠損した。これは熱処理
を行うことで硬質なベイナイトに組織が変化し切削工具
への攻撃性が大きくなるためである。また比較例３に係
る非熱処理型のＦＣＤ４５０によれば、引張り強度は４
８２ＭＰａ程度とかなり低かった。

【００４９】また切削工具の刃先摩耗量によれば、発明
材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）は組織に占めるパーライト
の割合がかなり高いものの、表２に示すように切削性が
良好であり、刃先摩耗量が抑えられていた。発明材の切
削性が良好であるのは、球状黒鉛の微細化、粒数増加が
寄与しているものと推察される。

【００５０】上記した試験結果から理解できるように、
発明材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）は、熱処理を行なわな
い非熱処理型で、鋳放し状態であるにもかかわらず、引
張り強度が９００ＭＰａ以上の高強度が得られ、しかも
切削性が良好であった。これにより、従来から渇望され
ていた鋳鉄部品の軽量化が可能となり、飛躍的に自動車
部品等の軽量化が低コストで実現できる。

【００５１】（その他）上記した実施形態によれば、球
状化剤及び処理剤を同時に溶湯に添加することにしてい
るが、球状化剤及び処理剤を個別に溶湯に添加すること
にしても良い。例えば、球状化剤を溶湯に添加した後に
処理剤を溶湯に添加することにしても良い。あるいは、
処理剤を溶湯に添加した後に球状化剤を溶湯に添加する
ことにしても良い。本発明は上記した且つ図面に示した
実施形態にのみ限定されるものではなく、要旨を逸脱し
ない範囲内で適宜変更して実施できるものである。実施
形態に記載した語句は一部であっても各請求項に記載で
きるものである。

【００５２】（付記）上記した記載から次の技術的思想
も把握できる。 （付記項１）各請求項において、Ｓｎ及びＣｕのうちの
１種または２種を含むと共にＺｒを含む微細な析出物等
の生成物が鋳鉄のマトリックスの粒界に生成しているこ
とを特徴とする熱処理を行わないで引張り強度が９００
ＭＰａ以上であることを特徴とする高強度球状黒鉛鋳鉄
及びその製造方法。高強度化に有利である。 （付記項２）伸びが０．８％以上または１．０％以上で
ある熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上
であることを特徴とする請求項１に係る高強度球状黒鉛
鋳鉄。 （付記項３）伸びが２．０以上である熱処理を行わない
で引張り強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とす
る請求項１に係る高強度球状黒鉛鋳鉄。 （付記項４）熱処理を行わないで引張り強度が９００Ｍ
Ｐａ以上であり、衝撃値が５Ｊ／ｃｍ²以下であること
を特徴とする請求項１に係る高強度球状黒鉛鋳鉄。 （付記項５）重量％で、炭素：３．０〜４．５％、シリ
コン：１．６〜２．５％、マンガン：０．２〜０．５
％、マグネシウム：０．０３〜０．０５％、ジルコニウ
ム：０．０００５〜０．０９％を含み、更にスズ及び銅
の１種または２種を含み、スズ換算量（スズ換算量=ス
ズ重量％＋銅重量％×０．１）をαとしたとき、αが
０．０３〜０．１１％であり、残部が不可避不純物およ
び鉄を含む組成を有すると共に、熱処理を行わないで引
張り強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする高
強度球状黒鉛鋳鉄の製造方法。 （付記項６）Ｚｒを主要成分とする内層と、Ｓｉを主要
成分とする外層とを有するＺｒ系処理剤。Ｚｒの酸化を
抑え、Ｚｒを溶湯に溶け込ませ得るため、高強度鋳鉄の
製造に有利である。 （付記項７）Ｚｒ、Ｓｉを主要成分とする内層と、Ｓｉ
を主要成分とする外層とを有するＺｒ系処理剤。Ｚｒの
酸化を抑え、Ｚｒを溶湯に溶け込ませ得るため、高強度
鋳鉄の製造に有利である。 （付記項８）Ｚｒ、Ｓｉ及びＦｅを主要成分とする内層
と、Ｓｉを主要成分とする外層とを有するＺｒ系処理
剤。Ｚｒの酸化を抑え、Ｚｒを溶湯に溶け込ませ得るた
め、高強度鋳鉄の製造に有利である。 （付記項９）Ｚｒを主要成分とする内層と、Ｓｉを主要
成分とする外層とを有し、外層は、内層を覆うＳｉ系の
第１外層と、第１外層を覆うＦｅ−Ｓｉ系の第２外層と
を有することを特徴とするＺｒ系処理剤。Ｚｒの酸化を
抑え、Ｚｒを溶湯に溶け込ませ得るため、高強度を有す
る鋳鉄の製造に有利である。 （付記項１０）Ｚｒを主要成分とする内層と、Ｓｉを主
要成分とする外層とを有する球状黒鉛鋳鉄用Ｚｒ系処理
剤。Ｚｒの酸化を抑え、Ｚｒを溶湯に溶け込ませ得るた
め、高強度を有する球状黒鉛鋳鉄の製造に有利である。 （付記項１１）Ｚｒを主要成分とする内層と、Ｓｉを主
要成分とする外層とを有し、外層は、Ｓｉ系の第１外層
と、Ｆｅ−Ｓｉ系の第２外層とを有することを特徴とす
る球状黒鉛鋳鉄用Ｚｒ系処理剤。Ｚｒの酸化を抑え、Ｚ
ｒを溶湯に溶け込ませ得るため、高強度を有する球状黒
鉛鋳鉄の製造に有利である。 （付記項１２）Ｚｒを主要成分とする内層とＳｉを主要
成分とする外層とを有するＺｒ系の前記記載または前記
各付記項に係る処理剤を用意する工程と、Ｍｇ（一般的
には球状化剤）を取鍋内に配置すると共にＺｒ系の処理
剤を取鍋内に配置する工程と、取鍋内に溶湯を注入して
球状化処理を行う工程と、溶湯を凝固させる工程とを順
に実施し、熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰ
ａ以上である請求項１に係る高強度球状黒鉛鋳鉄を製造
する高強度球状黒鉛鋳鉄の製造方法。Ｚｒの酸化を抑
え、溶け込み歩留まりの悪いＺｒを効率強く溶湯に溶け
込ませ得るため、高強度球状黒鉛鋳鉄の製造に有利であ
る。Ｍｇ（一般的には球状化剤）及びＺｒ系の処理剤
は、取鍋内の同一場所に配置しても良いし、取鍋内の別
の場所に配置しても良い。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、熱
処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上である
高強度の球状黒鉛鋳鉄を提供することができる。更に本
発明に係る高強度球状黒鉛鋳鉄よれば、切削性も良好で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】球状化剤及び処理剤を配置した取鍋に溶湯を注
入して球状化処理を行う際の説明図

【図２】球状化処理後の溶湯を成形型に注湯する際の接
種形態を示す説明図である。

【図３】発明材の光学顕微鏡組織を示す写真図（ナイタ
ル腐食,倍率１００倍）である。

【図４】Ｚｒ系の処理剤の組織構造を概念的に示す模式
図である。

【図５】引張り試験片を示す正面図である。図中、５０
は溶解炉、６０は取鍋、２は処理剤、６５は球状化剤を
示す。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２１Ｃ 1/10 １０２ Ｃ２１Ｃ 1/10 １０２ １０３ １０３

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、炭素：３．０〜４．５％、シリ
   コン：１．６〜２．５％、マンガン：０．２〜０．５
   ％、マグネシウム：０．０３〜０．０５％、ジルコニウ
   ム：０．０００５〜０．０９％を含み、更にスズ及び銅
   の１種または２種を含み、スズ換算量（スズ換算量=ス
   ズ重量％＋銅重量％×０．１）をαとしたとき、αが
   ０．０３〜０．１１％であり、残部が不可避不純物およ
   び鉄を含む組成を有すると共に、熱処理を行わないで引
   張り強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする高
   強度球状黒鉛鋳鉄。
2. 【請求項２】請求項１において、重量％で、スズは０．
   ０４〜０．０８％である熱処理を行わないで引張り強度
   が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする高強度球状
   黒鉛鋳鉄。
3. 【請求項３】酸化物生成元素を主要成分とする外層部分
   とジルコニウム含有濃度を前記外層部分よりも多く設定
   した内層部分とを有する処理剤と、球状化剤とを用意す
   る工程と、 前記球状化剤及び前記処理剤を同時に又は個別に溶湯に
   添加する工程と、 前記球状化剤及び前記処理剤が添加された溶湯を凝固さ
   せる工程とを順に実施し、 熱処理を行わないで引張り強度が９００ＭＰａ以上であ
   る請求項１に係る高強度球状黒鉛鋳鉄を製造することを
   特徴とする高強度球状黒鉛鋳鉄の製造方法。