JP2007204815A

JP2007204815A - 球状黒鉛鋳鉄の製造方法

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Publication number: JP2007204815A
Application number: JP2006025196A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Momono; 正桃野; Rin O; 麟王
Original assignee: NORTHERN ADVANCEMENT CENTER FOR SCIENCE &TECHNOLOGY; NORTHERN ADVANCEMENT CT FOR SC; Muroran Institute of Technology NUC
Current assignee: NORTHERN ADVANCEMENT CENTER FOR SCIENCE &TECHNOLOGY; NORTHERN ADVANCEMENT CT FOR SC; Muroran Institute of Technology NUC
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: JP4746434B2

Abstract

【課題】効率の悪い真空脱酸装置を使用することなく、大気中で鋳鉄溶湯中の効率的な溶存酸素と硫黄の低下を可能とし、その結果、鋳造する時に硬くて脆いセメンタイトの晶出を抑制可能な高靭性薄肉球状黒鉛鋳鉄の製造方法の提供。
【解決手段】大気中で鋳鉄溶湯に脱酸剤と溶剤を共添加して、鋳鉄溶湯中の酸素を3massppm以下に、硫黄を0．01％以下に低下させる脱酸及び脱硫処理を行った後、該脱酸及び脱硫処理した溶湯に球状化剤を添加して球状化処理することを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
【選択図】図１

Description

この発明は、脱酸剤と溶剤を鋳鉄溶湯に共添加することによって、低コスト、高効率で鋳鉄溶湯の酸素量と硫黄量を同時に低減させ、単位面積あたりの黒鉛粒数を増加させることができる球状黒鉛鋳鉄の製造方法に関する。

一般に、鋳鉄を急速に冷却すると炭素は黒鉛としてではなく、セメンタイト（Fe₃C）を形成して現れてくる。この現象はチル化と呼ばれる。セメンタイト組織は硬くて脆いため、鋳鉄の強度は低下してしまう。鋳鉄鋳物を薄肉化すると、薄くなる部分に急冷となる。このため、1〜3mmの肉厚を有する延性に富んだ鋳鉄の製造は極めて困難とされてきた。
薄肉球状黒鉛鋳鉄の製造でも同様であり、延性に富んだ材料の製造に際しては、硬くて脆いセメンタイトの晶出を抑制することが主眼とされてきた。例えば、注湯後徐冷すること、あるいは黒鉛化を促進する元素(Si、Ca、Al)を添加することなどである。
しかし、厚さ3mm以下の鋳物では上記の手段でセメンタイトの晶出を抑制できず、延性のある球状黒鉛鋳鉄の製造が難しかった。

チル組織の生成を防ぐためには、炭素を黒鉛として晶出させれば良い。しかし、球状黒鉛は共晶凝固開始する際、オーステナイトに囲まれ、炭素（C）の拡散は片状黒鉛と異なり、すべてオーステナイト中を通らければならない。これは球状黒鉛鋳鉄が片状黒鉛鋳鉄よりチル化しやすい原因である。黒鉛粒数を増加させると、オーステナイト相の厚さが薄くなってCの拡散を促進する。従って、球状黒鉛鋳鉄の黒鉛粒数を増加させるのが重要な課題となる。
酸素と硫黄は従来から黒鉛の球状化を妨害する元素といわれ、特に、溶湯中の溶存酸素は球状黒鉛の生成を大きく阻害するものである。
このような視点から、鋳鉄溶湯の酸素を減少させるための工夫がなされ、その一つとして減圧処理を提案された。しかし、減圧処理のみでは、多量の溶湯中の溶存酸素を低減するには、長時間の処理を必要とし、またこの間の溶湯温度の低下が問題となってきた。従って、減圧処理による多量の溶湯脱ガス法は、一般に効率が悪く、溶湯温度の低下をもたらし、溶存酸素量の低減に限界があるとされた。

一方、CaSiとCaC₂は優れた脱酸剤であり、従来から製鋼業に使われている。また、鋳造業ではカルシウム剤を接種剤として今まで使用している。しかし、CaC₂は2000°C以上の高融点を持ち、 CaSiでは高融点を持つ上に表面に酸化により不活性なα-Ca₂SiO₄皮膜生じ、単独使用すると脱酸剤としての効果が低下し良くない。
また、黒鉛粒数を増大させるために、希土類元素単体または希土類元素とCaを同時に添加することも行われているが、希土類元素の原料スクラップへの混入及び濃化が指摘され、リサイクル性の視点から問題が残った。

特許に見られる球状黒鉛鋳鉄の製造方法としては、不活性ガスが吹き込まれた溶湯流表面から溶湯流中に接種剤を添加する方法(例えば、特許文献１参照)あるいは接種剤のガス巻き込みによる不良率を少なくし、接種の効果を挙げるために、湯道よりも高い位置に接種剤ストレーナを設ける技術(例えば、特許文献２参照)がある。しかし、これらはいずれも接種効果を高めるための工夫をしているものであって、溶存酸素を低減化する技術とは無関係の技術である。
このほか、極薄高珪素鋳鉄及び極薄高珪素球状黒鉛鋳鉄を製造する際に、減圧タンクの鋳鉄溶湯中に、希土類、亜希土類元素を添加する技術である(例えば、特許文献３参照)。これ自体は高珪素(3%以上)を含有させるためのもので、珪素を大量に添加する際の温度低下防止と、添加剤の酸化損耗を防止するためのものである。従って、珪素の大量添加が必須となっており、脱酸による溶存酸素を低減させるものではないと考えられる。また、この技術は、珪素を大量に添加しない球状黒鉛鋳鉄には適用できないという問題がある。
本件発明とは直接関係するものではないが、珪素接種の機構については、非特許文献１を挙げることができる。
特開平6−264128号公報特開平9−19740号公報特開平8−134522号公報柳沢平、丸山益輝「Fe−C−Si系合金の珪素接種の機構について」、鋳物、50巻6号(1978)、ｐ362−267

本発明は、効率の悪い真空脱酸装置を使用することなく、大気中で鋳鉄溶湯中の効率的な溶存酸素と硫黄の低下を可能とし、その結果、鋳造する時に硬くて脆いセメンタイトの晶出を抑制し、厚さ3mm以下、さらに2mm以下の高靭性薄肉球状黒鉛鋳鉄の製造を課題とする。

本発明は、上記課題を達成するため、次の方法を提供するものである。
その１）として、大気中で鋳鉄溶湯に脱酸剤と溶剤を共添加して、鋳鉄溶湯中の酸素を3massppm以下に、硫黄を0．01％以下に低下させる脱酸及び脱硫処理を行った後、該脱酸及び脱硫処理した溶湯に球状化剤を添加して球状化処理する薄肉球状黒鉛鋳鉄の製造方法を提供する。
鋳鉄溶湯に、脱酸剤と共に溶剤を添加することにより低融点スラッグを生成させることが可能となり、脱酸剤の脱酸力を大きく発揮させることができる。これは本願発明の大きな特徴の一つである。
その２）として、脱酸剤としてCaSi、CaC₂から一種又は二種を選択し、溶剤としてはCaF₂、MgF₂、NaF、NaCl及びCaCl₂から選択した中に一種又は二種以上を用いる１）記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法を提供する。
その３）として、脱酸剤の添加量を鋳鉄溶湯重量の0.1%〜5%とし、溶剤量を脱酸剤添加量の1％〜200%とする１）又は２）記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法を提供する。
その４）として、肉厚3mm以下の球状黒鉛鋳鉄をチル組織なしで製造する１）〜３）のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法を提供する。
その５）として、20分以内に脱酸、脱硫処理を完了する１）〜４）のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法を提供する。
その６）として、肉厚2mmの球状黒鉛鋳鉄の黒鉛粒数が900個/mm²以上である１）〜５）のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法を提供する。
その７）として、C：2.8〜4.5mass%、Si：1.0〜3.0mass％、Mn：0.05〜0.5mass％を含有する１）〜６）のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法を提供する。

本発明は、上記の通り溶湯の真空処理なしに薄肉球状黒鉛鋳鉄を製造することを目的とした溶湯処理法であり、従来の球状黒鉛鋳鉄とは単位面積あたりの黒鉛粒数、黒鉛粒径及び基地組織が異なる材質が得られる。すなわち、単位面積あたりの黒鉛粒数が増大することにより、セメンタイト組織の晶出を防止し、均一且つ微細な黒鉛粒径を持つ高靭性球状黒鉛鋳鉄が得られる。
さらに、本処理法により製造された薄肉球状黒鉛鋳鉄の引張強さは、マトリックス組織を制御することによって、任意の強度特性を有する材質が得ることができ、特に、厚さ3mm以下、さらに2mm以下の高強度で延性に富んだ薄肉球状黒鉛鋳鉄の製造を可能とする。

本発明は鋳物の機械性質が低下するセメンタイト組織の晶出を防止し、高靭性球状黒鉛鋳鉄を得るために、溶湯中の溶存酸素を極限まで低減するとともに硫黄量も低下することである。
具体的には、溶解炉に鋳鉄を溶解した後、鋳鉄溶湯重量の0.1%〜5%のCaSi、CaC₂などの脱酸剤と脱酸剤重量の1％〜200%の CaF₂、MgF₂、NaF、NaCl及びCaCl₂などの溶剤を混合して溶湯面に共添加し、その後球状化剤及び接種剤を添加して処理を行い、鋳型に注湯する。これによって、1〜3mmの薄肉球状黒鉛鋳鉄を製造することができる。
脱酸剤が0.1％未満であると脱酸効果が少ない。また5%を超えると効果が飽和し、それ以上添加は無駄となるので、脱酸剤を鋳鉄溶湯重量の0.1%〜5%添加するのが望ましい。
鋳鉄溶湯に、脱酸剤と共に溶剤を添加することにより低融点スラッグを生成させることが可能となる。これは、脱酸剤の脱酸力を大きく発揮させることができる著しい効果を有する。溶剤量を脱酸剤添加量の1％〜200%とするが、1％未満では添加の効果がない。また、200%超えると効果が飽和し、それ以上添加は無駄となるので、溶剤量は、脱酸剤添加量の1％〜200%とするのが良い。好ましくは脱酸剤50%〜150%である。

本発明は、真空処理装置が不要であるため、脱酸工程を短縮して容易に行い、また、脱酸処理時間を著しく短縮化でき、生産コストを低減させて作業能率を向上させることができる。
本発明の薄肉球状黒鉛鋳鉄の製造方法により、黒鉛の球状化を妨害する元素である酸素と硫黄を低下させることができるので、肉厚2mm球状黒鉛鋳鉄鋳物の黒鉛粒数を900個/mm2以上、さらには、1000個/mm²以上に増加させることができる。この黒鉛粒数の増加より、セメンタイト組織の生成を抑制することができる。
本発明の球状黒鉛鋳鉄は、C：2.8〜4.5mass%、Si：1.0〜3.0mass％、Mn：0.05〜0.5mass％を含有する鋳鉄に適用でき、大量の珪素の含有は必要としない。
Cが2.8mass%未満では、セメンタイトが出やすく、4.5%を超えると、黒鉛の晶出量が増大して粗大板状、塊状黒鉛が晶出しやすくなり、鋳物の機械的性質が低下するので、C：2.8〜4.5mass%の範囲とするのが好ましい。また、Siが1.0mass%未満では、セメンタイト組織が出やすく、3.0mass%超えると鋳物の機械的性質を低下させるのでSi：1.0〜3.0mass％の範囲とするのが良い。さらに、Mnが0.05mass%未満では、材料の強度が低下し、0.5mass%を超えると、セメンタイトが出やすく、最適な球状黒鉛鋳鉄が得られ難いので、Mn：0.05〜0.5mass％の範囲とするのが望ましい。

以下に、本発明の実施例及び比較例を説明する。なお、実施例はあくまで、発明の理解を容易にするためであり、この実施例の条件に制限されない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、他の態様、他の実施条件は、本願発明に全て含まれるものである。
高周波誘導電気炉にて、銑鉄および鋼屑を溶解し、炭素、ケイ素、マンガン等を添加して、表1に示す範囲内で成分を調整し溶製する。
本実施例として、代表的な黒鉛鋳鉄の成分である、炭素：3.78mass%、ケイ素：1.66mass%、マンガン：0.12mass%を含有する鋳鉄を用いた。しかし、本発明は、表１に示す組成範囲で任意に選択することが可能であり、本発明に適用できることは言うまでも無い。

本実施例においては、減圧処理装置を使わず、大気中で脱酸剤と溶剤を共添加し、脱酸処理と脱硫処理を行う。そして、溶湯中の溶存酸素量と硫黄量を測定した。溶湯中の溶存酸素量は、ジルコニアセンサーにより測定する起電力を換算して求めた。
すなわち、酸素と硫黄を高効率で低減する目的で、表２と表３に示す脱酸剤（CaSi）と溶剤（CaF₂）を使用し、添加量をそれぞれ溶湯の0．5%〜2%、0．25%〜1%に変化させた。表２と表３には無添加の場合も示す。またこれらの表には、溶存酸素量、すなわち脱酸剤の添加による溶湯中の溶存酸素及び硫黄の変化も示す。
処理時間は、溶湯の重量及び脱酸剤の添加量によって異なるので、本実施例では処理時間を5minで一定とした。また、上記の通り、溶存酸素量はジルコニアセンサーによる測定する起電力を換算して求めた。表２は、脱酸剤と溶剤を使用した場合の溶存酸素（O）量の推移を示し、表３は、脱酸剤と溶剤を使用した場合の硫黄（S）量の推移を示す。

表２から明らかにように、脱酸剤（CaSi）と溶剤（CaF₂）の添加量が増加するに従い、溶存酸素量が低下した。また、いずれの場合においても、5分という短時間で、溶存酸素量2masspmmレベルに低減させることができた。下記の比較例の減圧脱酸のみの処理に比べて、顕著な脱酸効果が認められた。
表３に硫黄の変化を示す。下記比較例に示す減圧処理する場合に硫黄量があまり変化しないのに対して、本実施例は硫黄量が大幅に低下した。脱酸剤（CaSi）と溶剤（CaF₂）の添加量が増加するに従い、S量0．007mass%〜0．0018mass%へと低下した。すなわち脱酸剤（CaSi）と溶剤（CaF₂）の添加量が増加するにしたがって、硫黄量の低下の程度は大きくなった。

本実施例で脱酸処理した溶湯を用いて鋳造した直径10mm鋳物の組織を観察すると、球状化剤を添加しなくても組織に球状黒鉛の生成が観察された。この結果を図１の組織写真に示す。図１は、脱酸剤として鋳鉄溶湯重量の2%CaSi、溶剤として脱酸剤の50%CaF₂を共添加した場合であり、直径10mm試験片の基地組織に球状黒鉛の直接生成が観察される。溶存酸素量は1.5massppm、硫黄含有量は0．0018mass%である。これは、球状黒鉛の生成を妨害する元素である酸素と硫黄の極低減によるものと考えられる。

また、本実施例の脱酸処理した溶湯に球状化剤を添加して処理を行い、鋳造した厚さ2mm鋳物の組織写真を、図２に示す。図２〜図６は、脱酸剤として鋳鉄溶湯重量の1%CaSi、溶剤として脱酸剤の50%CaF₂、50%MgF₂、50%NaF、50%NaCl、50%CaCl₂を共添加した場合である。およそ1000個/mm²以上の黒鉛粒数が得られ、試験片の基地組織に、セメンタイトとオーステナイト相の共晶であるレデブライト組織が消失し、パーライト（図で黒の部分）とフエライト（図で白の部分）が混在する組織となった。溶存酸素量は、それぞれ2.1 massppm、1.9 massppm、2.1 massppm、2.2 massppm、2.1massppm、硫黄含有量はそれぞれ、0.007 mass%、0.007 mass%、0.009 mass%、0,008 mass%、0.009mass%であった。

（比較例１−２）
図７と図８は、脱酸剤として溶湯重量の1%CaSi、溶剤として脱酸剤の0.5%CaF₂、250%CaF₂を共添加した場合である。0.5%CaF₂を複合添加した場合、CaSiは殆ど未反応のまま残渣となり、厚さ2mm試験片の基地組織にレデブライト組織が生じた。
250%CaF₂を複合添加した場合は、スラグが多く生じ、溶湯の流動性が悪くなり、厚さ2mm試験片の表面に湯周り不良欠陥が生じて基地組織にレデブライト組織が観察された。

（比較例３−４）
比較例３として、脱酸剤を添加しない場合、比較例４として、減圧処理を行った場合の条件を設定した。真空度は0.13kpa とした。試験材料としては、実施例と同成分組成の鋳鉄を溶製した。
脱酸剤を添加しない比較例１の場合、溶湯中の溶存酸素量は4.8massppmであり、硫黄量は0.012mass%であった。この結果を表３に示す。比較例２の減圧処理の場合の溶湯中の溶存酸素量は、表４に示すように2massppmオーダの溶存酸素量に到達するためには、30min以上の減圧処理時間が必要であった。
真空タンク内に加熱装置が具備されていない場合は、鋳鉄溶湯温度の低下は避け難い。また、処理時間が本実施例に較べ、極めて長くなることが分る。また、減圧処理する場合、溶湯中の硫黄の低下は認められない。
また、脱酸剤を添加しない場合の厚さ2mm鋳物の黒鉛粒数は、およそ600個/mm²程度であった。この顕微鏡写真を図９に示す。この図９に示すように、基地組織にセメンタイトとオーステナイト相の共晶であるレデブライト組織が多量に生じた。溶存酸素量は4．8massppmであり、硫黄量は0．012mass%であった。
以上から、従来技術である比較例の条件は、本願発明の実施条件に較べ、著しく不利であり、品質も劣るものであることが分かる。

真空減圧処理のみで鋳鉄溶湯の溶存酸素を低減させるよりも、大気中でCaSi、CaC₂などの脱酸剤と溶剤を併用添加すると、短時間で顕著な溶存酸素の低下が可能であり、硫黄量も著しく低下させることができる。真空装置を使わないため、低コストで生産することが可能である。高効率で黒鉛の球状化を妨害する元素である酸素及び硫黄を低下させることにより、黒鉛粒数を増大させてセメンタイト組織の生成を抑制し、高靭性薄肉球状黒鉛鋳鉄の製造に有用である。

本実施例の脱酸処理した溶湯を用いて鋳造した直径10mm鋳物の組織写真を示す図である。本実施例の1%CaSi脱酸剤と脱酸剤の50%溶剤CaF₂を複合添加して脱酸処理した溶湯に球状化剤を添加して処理を行い、鋳造した鋳物の組織写真を示す図である。本実施例の1%CaSi脱酸剤と脱酸剤の50%溶剤MgF₂を複合添加して脱酸処理した溶湯に球状化剤を添加して処理を行い、鋳造した鋳物の組織写真を示す図である。本実施例の1%CaSi脱酸剤と脱酸剤の50%溶剤NaFを複合添加して脱酸処理した溶湯に球状化剤を添加して処理を行い、鋳造した鋳物の組織写真を示す図である。本実施例の1%CaSi脱酸剤と脱酸剤の50%溶剤NaClを複合添加して脱酸処理した溶湯に球状化剤を添加して処理を行い、鋳造した鋳物の組織写真を示す図である。本実施例の1%CaSi脱酸剤と脱酸剤の50%溶剤CaCl₂を複合添加して脱酸処理した溶湯に球状化剤を添加して処理を行い、鋳造した鋳物の組織写真を示す図である。比較例１の溶湯重量の1%脱酸剤と脱酸剤の0.5%溶剤を複合添加して脱酸処理した溶湯に球状化剤を添加して処理を行い、鋳造した鋳物の組織写真を示す図である。比較例２の溶湯重量の1%脱酸剤と脱酸剤の250%溶剤を複合添加して脱酸処理した溶湯に球状化剤を添加して処理を行い、鋳造した鋳物の組織写真を示す図である。脱酸剤を添加しない場合（比較例３）の鋳物の顕微鏡写真である。

Claims

大気中で鋳鉄溶湯に脱酸剤と溶剤を共添加して、鋳鉄溶湯中の酸素を3massppm以下に、硫黄を0．01％以下に低下させる脱酸及び脱硫処理を行った後、該脱酸及び脱硫処理した溶湯に球状化剤を添加して球状化処理することを特徴とする薄肉球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
脱酸剤としてCaSi、CaC₂から一種又は二種を選択し、溶剤としてはCaF₂、MgF₂、NaF、NaCl及びCaCl₂から選択した中に一種又は二種以上を用いることを特徴とする請求項１記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
脱酸剤の添加量を鋳鉄溶湯重量の0.1%〜5%とし、溶剤量を脱酸剤添加量の1％〜200%とすることを特徴とする請求項１又は２記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
肉厚3mm以下の球状黒鉛鋳鉄をチル組織なしで製造することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
20分以内に脱酸、脱硫処理を完了することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
肉厚2mmの球状黒鉛鋳鉄の黒鉛粒数が900個/mm²以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
C：2.8〜4.5mass%、Si：1.0〜3.0mass％、Mn：0.05〜0.5mass％を含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。