JP2005528522A - 鋳造銑鉄処理用のミクロひけ巣を防止する接種合金 - Google Patents

Abstract

本発明は鋳造銑鉄の処理を目的とした接種合金を対象とし、該接種合金は、０．００５％から３％のビスマス、鉛そしてアンチモンのグループの一つの元素と、０．３％から１０％の稀土類金属と、そして場合によっては５％までのアルミニウムと、１．５％までのカルシウムを含有し（重量％）、残りはケイ素鉄であって、ランタンがその組成中の稀土類金属の９０％を超えて構成している。本発明による接種合金により、銑鉄の効果的な接種が可能になり、鋳造品中のミクロひけ巣の発生を回避できるようになる。

Description

本発明は、炭化鉄がなく、ミクロひけ巣のない構造が望まれる鋳造品の製造を目的とした銑鉄を、溶融状態で処理することに関するものである。

銑鉄というものは、よく知られた鉄−炭素−ケイ素の合金であり、機械部品の製造用に広く用いられている。それらの鋳造品の良好な機械的特性を得るためには、最終的には鉄＋黒鉛の構造を得ることで、合金を硬化させ、脆化させるＦｅ₃Ｃタイプの炭化鉄の形成を可能な限り回避しなければならないことが知られている。

次に、形成される黒鉛が、回転楕円状であったり、蠕虫状であったり、あるいは、薄板状であることを望むこともできるが、前もって満たすべき不可欠な条件は、炭化鉄の形成を回避することである。そのために、溶融銑鉄は鋳造前に接種処理を受け、該接種処理は冷却の際に、炭化鉄よりはむしろ黒鉛の発生を助長する。

したがって、接種処理は非常に重要である。ところで、用いられる接種剤がどうであれ、接種は溶融銑鉄に対して効果を有しており、該効果は時間とともに減少し、一般的には、１０分後にはすでに５０％も低下することがよく知られている。当業者はこの現象を「フェーディング効果」の名で呼んでいる。最大の効果を得るために、一般的には段階的な接種が実行され、該接種は、銑鉄を精錬する様々な段階で接種剤を幾度か添加することからなる。したがって、溶融銑鉄を接種することが通常の方法であり、該方法は、一方では、たとえば粒の大きさが２ｍｍと１０ｍｍの間または０．４ｍｍと２ｍｍの間に含まれる接種合金を用いて取鍋において、他方では、「注湯の際」、つまり粒の大きさが０．２ｍｍと０．７ｍｍの間に含まれる接種合金を用いて取鍋の湯口において、最後は「鋳型の中」、要するに鋳型の湯道において、溶融銑鉄の径路に接種剤で構成される挿入物を配置することで行われる。

所定の形状のこれらの挿入物にはスラグという名が付いている。二つのタイプのスラグがある。
−溶融した接種剤の鋳造によって得られる「鋳造した」スラグと、
−一般的には、ごく少量の結合剤で、ひいては結合剤なしで、圧縮された粉末から得られる塊状化したスラグである。

鋳造したスラグは、当業者には最高の品質レベルだと考えられているが、しかし、塊状化したスラグがコストという理由で当業者に好まれることも多い。鋳造品の鋳造時間は非常に短いため、スラグの溶解の運動は極めて急速でなければならない。

また、当業者は頻繁に、ミクロひけ巣という名で指示される、ミリメートル単位またはマイクロメートル単位の寸法の空洞が鋳造品の中に存在することを十分に確認している。これらの欠陥は鋳造品を脆化させ、ひいては、例えば表面の仕上げをするために、後で鋳造品を機械加工することが必要なとき、このような欠陥に遭遇することは、欠陥品を廃棄することが避けられないということにつながる。

銑鉄製品にミクロひけ巣が発生することを回避するための既知の方法は、溶融銑鉄にランタンを添加することである。ランタノイド類のこの金属は、実際、固化の始まる直前の溶融銑鉄の粘度だけではなく、固化の途中の銑鉄、つまり固体＋液体の混合物の粘度も低下させる特性がある。すべてが、ランタンの添加により、運動中の銑鉄がチキソトロピー性になったかのように行われる。そのとき当業者は、鋳型を正確に設計することで、押湯の中にひけ巣をまとめあげ、そうして無傷の鋳造品が得られる。

したがって、市場に次々と登場したのは、まずはランタンを含有する団塊化剤であり、該団塊化剤の使用法はＧＳ銑鉄と呼ばれる団塊状の銑鉄専用であり、次はＳｉが４５％でＬａが２％のＦｅＳｉタイプの接種剤であり、該接種剤は、ＧＳ銑鉄にも、ＧＬ銑鉄と呼ばれる薄板状の黒鉛銑鉄にも使用可能である。

本発明は、溶融銑鉄の処理を目的とする接種合金を供給することを対象としており、該接種合金によって、特に「鋳型の中」での処理の際に、鋳造によって得られる部品におけるミクロ気孔の形成を避けながら、効果的な接種が可能になるものである。

本発明は鋳造銑鉄の処理を目的とする接種合金を対象としており、その組成が（重量％で）０．００５％から３％のビスマス、鉛そしてアンチモンのグループの一つの元素と、０．３％から１０％の稀土類金属、そして場合によっては、５％までのアルミニウムと、１．５％までのカルシウムを含有し、残りはケイ素鉄であって、ランタンが、その組成に入る稀土類金属の９０％を超えて構成している。

合金は、好ましくはビスマスを含有し、その含有量は０．２％と１．５％の間、好ましくは０．７％と１．３％の間に含まれる。ランタンの含有量は、有利には０．３％から８％の間、好ましくは、０．５％から３％の間に含まれる。少なくとも０．８％のアルミニウムの存在が有利であり、その含有量は好ましくは１％と３．５％の間に含まれる。

本発明による合金は、粉末状または異なった組成の合金の粉末の混合物の形状、あるいは、溶融合金から鋳造したスラグの形状、もしくは粉末または粉末の混合物から塊状化したスラグの形状で調製することができる。この粉末は、好ましくは１ｍｍ未満の粒度を有し、総重量の３５％を超える５０μｍと２５０μｍの間である粒度分析の断片と、全体の２５％未満に相当する５０μｍ未満の断片を伴っている。

接種剤は、その性質上、炭素が黒鉛の形で存在するような銑鉄を得ることを目的としているので、本出願人には、ミクロひけ巣を防止する特性を有する接種剤を開発することが望ましく思われた。

したがって、まず検討の対象となったのは７５％のＦｅＳｉを主成分とする接種合金であり、該接種合金は、ミクロひけ巣を防止する元素が添加されており、該元素はランタンまたはゲルマニウムでありうる。ゲルマニウムに関しては、要求される含有量は０．３％から６％である。ランタンについては、０．３％から８％であり、好ましくは０．５％から５％である。

しかし、より有益な解決法は、同一の元素が複数の機能を果たすことができるような接種合金を考えると明らかになる。つまり、特に有益なものとして明らかなのは、米国特許第４４３２７９３号明細書（Ｎｏｂｅｌ−Ｂｏｚｅｌ）に記載されているような、ケイ素鉄を主成分とし、３％までのビスマス、鉛またはアンチモンと、３％までの稀土類を含有している合金を基に、該合金にランタンのような、ミクロ気孔を防止する元素を添加し、そしてＦｅ−Ｓｉ−Ｂｉ−Ｌａ合金の中のランタンとその他の稀土類との合計を最適化することで、得られる配合を確実なものにすることである。

本出願人は、まず、通常の粒度、すなわち、取鍋での処理用には２ｍｍと７ｍｍの間、または０．４ｍｍと２ｍｍの間、そして注湯に際しての処理用には０．４ｍｍと０．７ｍｍの間の粒度で調製された、ミクロ気孔を防止するこれらの新しい合金が、接種剤として多くの良好な特性を有するということを検証した。次に、これらの同じ合金で接種用のスラグを調製することを検討した。最終的な銑鉄にビスマスを投入したにもかかわらず、ミクロ気孔の減少という点での成果が確認された。

そうして、非常に良好な結果が、ＦｅＳｉタイプの合金で構成された、鋳造されたスラグで得られたのであり、該スラグは以下のものを含有していた。
−６０％から８０％、好ましくは７２％から７８％のケイ素、
−０．３％から８％、好ましくは０．５％から５％のランタン、
−０．２％から１．５％、好ましくは０．７％から１．３％のビスマス、
−０．８％から５％、好ましくは１％から３．５％のアルミニウム。

以下に説明する例を実施するために、１６００ｋｇの銑鉄について２０ｋｇの容量で、稀土類を含有していない、Ｍｇが５％でＣａが１％のＦｅＳｉＭｇタイプの通常の接種合金を用いて、一回分の装入量の銑鉄が誘導炉で溶融され、Ｔｕｎｄｉｓｈ Ｃｏｖｅｒ法で処理された。この溶融銑鉄の分析結果は次のとおりである。
Ｃ＝３．７％、 Ｓｉ＝２．６％、 Ｍｎ＝０．０７％、 Ｐ＝０．０３％、
Ｓ＝０．００３％、 Ｍｇ＝０．０３８％。

マクロレベルやミクロレベルでの気孔の性能が、「Ｖ」字の試験片の鋳造試験によって評価された。

この試験において、試験片は「Ｖ」字で構成され、その高さは１１０ｍｍ、頂点の角度は４０°、「Ｖ」字の分岐幅は２０ｍｍ、そして鋳造品の厚みは２０ｍｍである。この形状では、銑鉄の品質に従って、「Ｖ」字の頂点に８０ｍｍの幅、６９ｃｍ³である一単位あたりの体積、そして、４８０ｇから５００ｇである一単位あたりの質量となる。このタイプの鋳造品では、気孔は「Ｖ」字の凹入部に選択的に発生する。

試験の結果を判断するため、鋳造品は半分の厚みに裁断し、その断面を光学顕微鏡で観察することで、気孔性の表面を評価する。結果は、その断面の表面に関連する相対的な面積で表される。

実施例１
前の工程から取鍋一つ分の処理済の銑鉄が回ってくると、それを粉末の接種合金を用いて取鍋で接種したのだが、該粉末の粒度は２ｍｍと１０ｍｍの間に含まれ、その組成は「Ｆｏｕｎｄａｒｙ Ｇｒａｄｅ」であり、残りは主にＦｅであって、１トンの銑鉄に対して２００ｇの用量で用いられた。

この銑鉄は、検定試験で規定されたのと同一の形状であるＶ字の鋳造品を鋳造するために用いられたもので、３６個の鋳造品が湯道によって供給された砂鋳型の中に密集して配置され、該湯道には、耐熱スポンジで構成されたフィルタが配置されている。

得られた鋳造品は、研磨された断面を光学顕微鏡で観察することで、深さに応じた金属の構造と気孔率のレベルとを測定した。

分岐の中心部では、黒鉛の団塊の密度は１２０／ｍｍ²と測定された。鋳造品の平均気孔率は２．４％と評価された。

実施例２
前の工程から第二の取鍋一つ分の処理済の銑鉄が回ってくると、それを接種合金を用いて取鍋で接種したのだが、該接種合金は、粒度が２ｍｍと１０ｍｍの間に含まれ、その組成は、
Ｓｉ＝７５．４％、 Ａｌ＝０．９４％、 Ｃａ＝０．８６％、 Ｌａ＝２．２％、
Ｂｉ＝０．９２％で、残りは主にＦｅであり、１トンの銑鉄に対して２００ｇの用量で用いられた。

この銑鉄は、検定試験で規定されたのと同一の形状であるＶ字の鋳造品を鋳造するために用いられたもので、３６個の鋳造品が、湯道によって供給された砂鋳型の中に密集して配置され、該湯道には、耐熱スポンジで構成されたフィルタが配置されている。

得られた鋳造品は、研磨された断面を光学顕微鏡で観察することで、深さに応じた金属の構造と気孔率のレベルを測定した。分岐の中心部では、黒鉛の団塊の密度は、３６０／ｍｍ²と計測された。

鋳造品の平均気孔率は０．３％と評価された。

実施例３
前の工程から第三の取鍋一つ分の処理済の銑鉄が回ってくると、それは検定試験で規定されたのと同一の形状であるＶ字の鋳造品を鋳造するために用いられるのだが、該銑鉄は、密集して配置された３６個の小室のある砂鋳型の中に湯道によって供給され、該湯道では、鋳型での処理のための接種合金で構成された２５ｇのスラグが配置されており、その組成は、
Ｓｉ＝７３．６％、 Ａｌ＝３．９２％、 Ｃａ＝０．７８％、 Ｌａ＝２．１％、
Ｂｉ＝０．９７％で、残りは主にＦｅであった。

得られた鋳造品は、研磨された断面を光学顕微鏡で観察することで、深さに応じた金属の構造と気孔率のレベルを判断した。分岐の中心部では、黒鉛の団塊の密度は３２０／ｍｍ²と計測された。

鋳造品の気孔率は平均で０．２％と算定された。

Claims (12)

1. 鋳造銑鉄用の接種合金であり、その組成が（重量％で）、０．００５％から３％のビスマス、鉛そしてアンチモンのグループのいずれか一つの元素と、０．３％から１０％の稀土類金属と、そして場合によっては５％までのアルミニウムと１．５％までのカルシウムを含有し、残りがケイ素鉄であるものであって、ランタンがその組成に入る稀土類金属の９０％を超えて構成することを特徴とする、鋳造銑鉄用の接種合金。
2. ０．３％から８％のランタンと０．２％から１．５％のビスマスを含有することを特徴とする、請求項１に記載の鋳造銑鉄用の接種合金。
3. ビスマスの含有量が０．７％と１．３％の間に含まれることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の鋳造銑鉄用の接種合金。
4. ランタンの含有量が０．５％と５％の間に含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の鋳造銑鉄用の接種合金。
5. アルミニウムの含有量が０．８％と５％の間に含まれることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の鋳造銑鉄用の接種合金。
6. アルミニウムの含有量が１％と３．５％の間に含まれることを特徴とする、請求項５に記載の鋳造銑鉄用の接種合金。
7. 粉末に調製されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の鋳造銑鉄用の接種合金。
8. 「鋳型の中」での処理のために、スラグの形状に調製されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の鋳造銑鉄用の接種合金。
9. スラグが溶融合金の鋳造によって得られることを特徴とする、請求項８に記載の鋳造銑鉄用の接種合金。
10. スラグが粉末の塊状化によって得られることを特徴とする、請求項８に記載の鋳造銑鉄用の接種合金。
11. 粉末の粒度が１ｍｍよりも小さく、５０μｍと２５０μｍの間に含まれる粒度分析の断片が、総重量の３５％を超え、５０μｍ未満の断片が２５％未満に相当することを特徴とする、請求項１０に記載の鋳造銑鉄用の接種合金。
12. 合金の平均的な組成が、異なった組成の合金の粉末の混合によって得られることを特徴とする、請求項１０または請求項１１に記載の鋳造銑鉄用の接種合金。