JP3762710B2 - Cast iron - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば内燃機関のシリンダブロックの構成材料等として使用される鋳鉄材に係る。特に、モリブデン等の元素を含有した鋳鉄材に対し、質量効果を小さくするための対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関、特に、ディーゼルエンジンにおいては、シリンダブロック等に代表される主要鋳造部品の構成材料として、切削性や製造コストを考慮して片状黒鉛鋳鉄が一般に採用されている。
【０００３】
この種の片状黒鉛鋳鉄としては、炭素が約２〜４質量％、ケイ素が約１〜３質量％、マンガンが約０．２〜１．３質量％、リンが約０．０５〜０．５質量％、イオウが約０．０２〜０．２質量％で、残部が鉄である組成のものが一般に採用されている。また、この片状黒鉛鋳鉄に、クロム、ニッケル、銅、モリブデン、バナジウム、チタン、すず等の材料を含有させることも行われている。このことは、例えば「鋳鋼・鋳鉄」株式会社朝倉書店発行の第５３頁に開示されている。
【０００４】
これら元素を含有させることにより、エンジンの高出力化及び高性能化に適した耐久性の高い主要鋳造部品の実現を図っている。その結果、高出力、高性能且つ長寿命のエンジンを搭載した車両の実用化を図り、一般ユーザの要求に応える高い性能を有する車両が得られるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記シリンダブロック等の鋳造部品においては、ボルトのボス部や隔壁リブ部といった部分は、他の部分よりも肉厚が大きいため冷却速度が比較的小さくなる。このため、質量効果による強度低下が大きくなってしまう。以下、この質量効果による強度低下について詳細に説明する。
【０００６】
図１は、一般的なディーゼルエンジンのシリンダブロックの側面図である。この図において、Ａ部分の肉厚は２０mm程度に、Ｂ部分の肉厚は５０〜７０mm程度に、Ｃ部分の肉厚は１００mm程度になっている。そして、このシリンダブロックを鋳造により作製する場合、比較的薄肉の部分（図中のＡ部分）では、熱容量が小さいため迅速に冷却される。これに対し、比較的厚肉の部分（図中のＢ部分やＣ部分）では、熱容量が大きいため上記Ａ部分に比べて冷却速度は小さくなっている。
【０００７】
今、シリンダブロックと同一組成の鋳鉄材により作製された直径３０mmの円柱状テストピースを使用し、このテストピースの強度を「１００」とした場合の上記Ａ〜Ｃの各部における実体強度率を算出する。つまり、この実体強度率は以下の式により求められる。
【０００８】
実体強度率（％）＝（実体強度（ＭＰａ）／別体強度（ＭＰａ））×１００ …（１）
ここで、実体強度とは上記Ａ〜Ｃの各部における強度であり、別体強度とは上記テストピースの強度である。つまり、Ａ〜Ｃの各部の実体強度率は、テストピースの強度に対する各部の強度の比率として求められる。以下、算出された各部の実体強度率の例を列挙する。
（Ａ）Ａ部分（肉厚２０mm程度）の実体強度率：８０〜９０％
（Ｂ）Ｂ部分（肉厚５０〜７０mm程度）の実体強度率：７０〜８０％
（Ｃ）Ｃ部分（肉厚１００mm程度）の実体強度率：６０〜７０％
このように、肉厚が大きい部分ほど冷却速度は小さくそれに伴って実体強度率も低下している。図２は、直径が異なる複数種類のテストピースにおける「炭素飽和度」と「引張り強度」との関係を示すグラフである（鋳物便覧：丸善（株）発行 第５１４頁出典）。このグラフからも判るように、大径の（肉厚が大きい）テストピースほど引張り強度が低くなる、つまり質量効果の影響によって実体強度率が低下していることが判る。
【０００９】
このように、従来の鋳鉄材にあっては、その肉厚の大小に起因する冷却速度によって強度が左右される影響が大きく、つまり質量効果の大きいものであった。
【００１０】
近年、ディーゼルエンジンは、高出力化及び高性能化の傾向が著しく、シリンダブロック等の主要鋳造部材に作用する負荷は年々増加する傾向にある。従って、上述した従来のような質量効果の大きな鋳鉄材では、ボルトのボス部等の厚肉部分の如く冷却速度が小さい部分における強度の信頼性が確保し難しくなってきている。
【００１１】
特に、エンジンの高出力化を図る場合、図３に示すように、シリンダブロック１の上端に形成される棚部２に対するライナ鍔部３の締め付けトルク（図中矢印参照）を高くせねばならいといった要求があるが、従来の鋳鉄材において、この締め付けトルクを高くする場合、上記質量効果の影響によって棚部に十分な強度が得られていない可能性があり、経年劣化によりシリンダブロック１の棚部２周辺にクラック４が発生してしまうことが懸念される。このため、この締め付けトルクを高くするには限界があり、そのためエンジンの高出力化にも限界があった。
【００１２】
一方、むやみに合金の添加量を増加させて強度の向上を図ろうとすると、他の部位（比較的薄肉の部分の如く冷却速度が高い部分）においては硬度が必要以上に高くなってしまい、切削性が損なわれたり鋳造性が悪化したりするといった不具合を招いてしまう。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、切削性や鋳造性の悪化を招くことなしに質量効果を小さくすることができる鋳鉄材、つまり冷却速度の大小が強度を左右する影響を少なくすることができて製品全体に十分な強度を得ることが可能な鋳鉄材を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
−発明の概要−
上記目的を達成するために、本発明は、クロムや銅やモリブデン等の元素を含有した鋳鉄材に対し、炭素及びケイ素の含有量やこれら元素の含有比率に対する銅及びモリブデンの含有量の適正化を図って、切削性や鋳造性の悪化を招くことなしに質量効果を小さくすることができる鋳鉄材が得られるようにしている。
【００１５】
−解決手段−
具体的に、本発明が講じた第１の解決手段は、鋳鉄材に対し、炭素を３．２〜３．６質量％、ケイ素を１．７〜２．４質量％含有させ且つＣＥ値を３．８〜３．９５に設定すると共に、マンガンを０．４５〜０．９質量％、リンを０．２質量％以下、イオウを０．２質量％以下、クロムを０．２〜０．５質量％、銅を０．３〜０．５質量％、モリブデンを０．２〜０．４質量％含有させている。また、残部は鉄及び不可避的に存在するアンチモンやスズなどの不純物でなる。尚、上記ＣＥ値は、炭素当量とも呼ばれ、以下の式により求められるものである。
【００１６】
ＣＥ値＝｛炭素含有量（質量％）｝＋｛ケイ素含有量（質量％）／３｝
…（２）
【００１７】
また、第２の解決手段は、炭素を３．２〜３．６質量％、ケイ素を１．７〜２．４質量％含有させ且つＣＥ値を４．１〜４．２５に設定すると共に、マンガンを０．４５〜０．９質量％、リンを０．２質量％以下、イオウを０．２質量％以下、クロムを０．２〜０．５質量％、銅を０．５〜０．７質量％、モリブデンを０．４〜０．６質量％含有させている。また、残部は鉄及び不可避的に存在する不純物でなる。
【００１８】
これら特定事項により、上記厚肉部のように冷却速度が比較的小さい部分においても、フェライトの析出、パーライト組織の粗大化、黒鉛の晶出が共に抑制される。つまり、従来の鋳鉄材にあっては冷却速度が小さいためにフェライトや黒鉛が晶出しやすい状況においても、本発明の鋳鉄材ではこれらの晶出を抑制することができる。これにより、質量効果による強度の劣化を緩和することが可能な鋳鉄材を得ることができる。特に、中型や大型の鋳造物であって各部の肉厚に大きな差がありそれぞれの冷却速度に大きな差があるもの（例えばエンジンのシリンダブロック等）に適用した場合には、その鋳造物の全体に亘って略均一な高い強度を確保することができる。更に、合金の添加量を増加させて強度の向上を図るものではないので、比較的薄肉の部分（冷却速度が比較的高い部分）において硬度が必要以上に高くなってしまうことがなく、切削性や鋳造性が良好に維持されている。
【００１９】
具体的には、炭素及びケイ素の含有量やこれら元素の比率（ＣＥ値）に対して、クロム、銅及びモリブデンの含有量の適正化を図ったことで、引張り強度２５０ＭＰａ以上、ブリネル硬さ２４５ＨＢ以下の機械的性質を満たした鋳鉄材を得ることができる。また、銅を上記適正量だけ添加したことにより、パーライト組織を安定化させ、厚肉部（冷却速度の小さい部分）における組織の粗大化を抑制することができる。よって、従来の鋳鉄材に比べて、本発明の鋳鉄材にあっては、大型鋳造品等の厚肉部分における強度低下を抑制し、各部における強度のバラツキを回避することができる。
【００２０】
上記各元素の質量比率を上述のように限定した理由を以下に説明する。
【００２１】
（炭素）
炭素量が３．２質量％未満では、引け巣等の鋳造欠陥を生じ易くなると共に、被削性が劣化してしまう。一方、３．６質量％を超える場合には、黒鉛晶出量が過多となって材質が脆弱化してしまう。
【００２２】
（ケイ素）
ケイ素量が１．７質量％未満では、溶湯の流動性が劣化して鋳造性が損なわれる。一方、２．４質量％を超える場合には、基地組織中のフェライトの析出量が多くなり、強度が劣化する。
【００２３】
（マンガン）
基地パーライトの高温安定化と、不純物としてのイオウの有害性を取り除くためには０．４５質量％以上のマンガン量が必要である。一方、マンガン量が０．９質量％を超えるとチル化傾向が増大して脆弱化してしまう。
【００２４】
（リン）
リンは溶解原料から不可避的に存在する（少なくとも０．０２質量％以上は存在する）が、多量に存在すると脆弱化するため、その影響が無視できる程度の０．２質量％以下とした。
【００２５】
（イオウ）
イオウも溶解原料から不可避的に存在する（少なくとも０．０５質量％以上は存在する）が、多量に存在すると鋳造凝固過程で高温割れが生じ易く、その影響が無視できる程度の０．２質量％以下としている。
【００２６】
（クロム）
基地パーライトの高温安定化、特に５００℃までのパーライトの分解を阻止してフェライトや黒鉛を抑制するためには０．２質量％以上のクロム量が必要である。一方、クロム量が０．５質量％を超えると遊離炭化物が形成されて脆弱化すると共に被削性が著しく劣化してしまう。
【００２７】
（銅及びモリブデン）
銅及びモリブデンの含有量は上記ＣＥ値に応じて適切に設定する必要がある。つまり、上述した如く、炭素及びケイ素が上記範囲にあって且つＣＥ値が３．８〜３．９５である場合には、銅を０．３〜０．５質量％、モリブデンを０．２〜０．４質量％含有させる。また、炭素及びケイ素が上記範囲にあって且つＣＥ値が４．１〜４．２５である場合には、銅を０．５〜０．７質量％、モリブデンを０．４〜０．６質量％含有させる。
【００２８】
各場合における銅の含有量として、パーライトの安定化、クロムやモリブデンによる炭化物の生成を抑制するためには上記各下限値の以上の銅が必要である。一方、銅の量が上記上限値を超えると含有量に見合った効果が得られなくなってしまう。
【００２９】
また、各場合のモリブデンの含有量として、パーライトの微細化及びフェライトの抑制のためには、上記各下限値以上のモリブデン量が必要である。一方、モリブデン量が上記各上限値を超えると含有量に見合った効果が得られない。また、モリブデン含有量が多過ぎると、引け巣等の鋳造欠陥が生じ易くなると共に、遊離炭化物が形成されて脆弱化し、更に被削性が著しく劣化してしまう。
【００３０】
また、上記組成の鋳鉄材によって得られる特性として、ある規定厚さのテストピースの引張強度を「１００」とした場合に、その規定厚さの約４倍の厚さのテストピースの引張強度率が７０％程度またはそれ以上であることが掲げられる。これは、例えば、後述するように、直径３０mmの試験片の引張強度を「１００」とした場合において、この試験片と同じ組成で成る直径１２０mmの試験片の引張強度の比率を以下の式により算出した値が７０％程度またはそれ以上であることを示している。
【００３１】
強度率（％）＝（直径１２０mmの試験片の引張強度（ＭＰａ）／直径３０mmの試験片の引張強度（ＭＰａ））×１００ …（３）
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態として、本発明に係る鋳鉄材と従来の鋳鉄材とを比較するために行った機械的性質試験について説明する。
【００３３】
この試験では、以下の各表に示す組成成分を含有する（各表に示す組成成分以外である残部は、鉄及び不可避的に存在する不純物でなる）各試験片（実施例１〜４、比較例１〜４）に対してアムスラー万能試験機による評価試験を行った。各試験片の評価結果として引張り強度及びブリネル硬さの測定結果を各表に合わせて示す。また、この試験例で使用した試験片は、鋳造により作製された直径３０mmの抗折試験片（ＪＩＳ Ｇ５５０１参照）及び直径１２０mmの試験片を使用した。この試験片の作製時の型バラシ温度は５００℃以下とした。また、各引張試験片は、鋳造された試験片の中央部分のみを採取し、ＪＩＳ Ｚ２２０１の８号試験片とし、硬さ試験片はその一部を用いた。
【００３４】
また、各表に合わせて示す強度率とは、直径３０mmの試験片の引張強度を「１００」とした場合において、この試験片と同じ組成で成る直径１２０mmの試験片の引張強度の比率を以下の式により算出したものである。
【００３５】
強度率（％）＝（直径１２０mmの試験片の引張強度（ＭＰａ）／直径３０mmの試験片の引張強度（ＭＰａ））×１００ …（３）
以下の各表において、表１は本発明の請求項１に係る鋳鉄材を実施例としている。また、表２は本発明の請求項２に係る鋳鉄材を実施例としている。
【００３６】
【表１】

【００３８】
【表２】

【００３９】
これらの表から明らかなように、本発明に係る試験片（各実施例）は、何れの試験片においても引張り強度２５０ＭＰａ以上、ブリネル硬さ２４５ＨＢ以下の機械的性質を満たし、被削性や強度が十分に高い鋳鉄材が得られていることが確認できる。また、強度率も７０％程度の高い値が得られている。
【００４０】
これに対し、各比較例のものでは、一部のものにおいては引張強度及びブリネル硬さが上記範囲にあるものの強度率としては何れも６０％以下の値しか得られていない。これは、質量効果が大きいことを示している。つまり、冷却速度の高い直径３０mmの試験片の引張強度に対して、冷却速度の小さい直径１２０mmの試験片の引張強度の低下率が大きくなっており、質量効果が大きいことを示している。
【００４１】
以上の試験結果から、本形態に係る鋳鉄材にあっては、切削性や鋳造性の悪化を招くことなしに質量効果を小さくすることができ、ディーゼルエンジンのシリンダブロックに適用した場合には、高出力、高性能且つ長寿命のエンジンを実現することができる。
【００４２】
また、他の機械的性質試験として、直径が異なる複数種類の上記試験片を作製し、本発明品と従来品とのそれぞれにおいて上記強度率を求めた。その一例をグラフ化したものが図４である。
【００４３】
この図から判るように、同一形状の試験片であっても本発明品の方が強度率は高く維持されている。例えば、直径９０mmの試験片においては、従来品の強度率（直径３０mmの試験片の引張強度を「１００」とした場合の引張強度の比率）が６１％であるのに対し、本発明品の強度率は７４％と高い値になっている。同様に、直径１２０mmの試験片においては、従来品の強度率が５８％であるのに対し、本発明品の強度率は７３％と高い値になっている。
【００４４】
−金属組織の比較−
次に、本発明に係る鋳鉄材と従来の鋳鉄材との金属組織を比較するために、上記実施例及び比較例に使用した鋳鉄材の金属組織の顕微鏡写真を図５に示す。この図５の左上段は従来の鋳鉄材における黒鉛組織を、右上段は本発明に係る鋳鉄材における黒鉛組織をそれぞれ示している。また、この図５の左下段は従来の鋳鉄材における基地組織を、右下段は本発明に係る鋳鉄材における基地組織をそれぞれ示している。
【００４５】
先ず、黒鉛組織を比較すると、本発明に係る鋳鉄材は従来の鋳鉄材に比べて黒鉛の晶出量が抑制されている。また、晶出している黒鉛も微細化されている。この両画像に対して画像解析処理を行ってそれぞれの黒鉛面積率を求めた。それによれば、従来の鋳鉄材では、直径３０mmの試験片においては黒鉛面積率が１０％であったのに対し直径１２０mmの試験片においては黒鉛面積率が１４％に達していた。一方、本発明に係る鋳鉄材では、直径３０mmの試験片及び直径１２０mmの試験片の何れにおいても黒鉛面積率は１０％であった。つまり、本発明に係る鋳鉄材では試験片の外径が大きくなって（厚肉になって）冷却速度が小さくなっても黒鉛の晶出量の抑制及びその微細化を図ることができ、質量効果が小さくなっていることが判る。
【００４６】
また、基地組織を比較すると、本発明に係る鋳鉄材は従来の鋳鉄材に比べてフェライトの析出量が抑制されていると共に、パーライト組織の微細化も図られている。
【００４７】
以上の結果から、切削性や鋳造性の悪化を招くことなしに質量効果を小さくすることができて、製品全体に十分な強度を得ることが可能な鋳鉄材が得られていることが判る。
【００４８】
（その他の実施形態）
上述した各実施形態では、本発明に係る鋳鉄材をディーゼルエンジンのシリンダブロックに適用した場合について説明した。本発明はこれに限るものではない。例えば、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドやピストン等のその他のエンジン構成部材の材料として採用したり、ガソリンエンジン等のその他のエンジン構成部材の材料として採用することも可能である。また、エンジン以外のものへの適用も可能である。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、炭素及びケイ素の含有量やこれら元素の比率に対して、銅及びモリブデンの含有量の適正化を図ったことで、切削性や鋳造性の悪化を招くことなしに質量効果を小さくすることができる鋳鉄材が得られるようにしている。このため、鋳造物の全体に亘って略均一な高い強度を確保することができ、特に、中型や大型の鋳造物であって各部の肉厚に大きな差がありそれぞれの冷却速度に大きな差があるものに適用した場合には、その鋳造物の全体に亘って略均一な高い強度を確保することができて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディーゼルエンジンのシリンダブロックの側面図である。
【図２】直径が異なる複数種類のテストピースに対する「炭素飽和度」と「引張り強度」との関係を示す図である。
【図３】シリンダブロックの上端部周辺を示す断面図である。
【図４】本発明品と従来品とを比較するための試験片の径と強度率との関係を示す図である。
【図５】本発明に係る鋳鉄材と従来の鋳鉄材との金属組織を比較するための顕微鏡写真であって、左上段は従来の鋳鉄材における黒鉛組織を、右上段は本発明に係る鋳鉄材における黒鉛組織をそれぞれ示し、左下段は従来の鋳鉄材における基地組織を、右下段は本発明に係る鋳鉄材における基地組織をそれぞれ示している。
【符号の説明】
１ シリンダブロック[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cast iron material used as a constituent material of a cylinder block of an internal combustion engine, for example. In particular, the present invention relates to a measure for reducing the mass effect for cast iron materials containing elements such as molybdenum.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, flake graphite cast iron has generally been adopted as a constituent material of main cast parts typified by a cylinder block and the like in consideration of machinability and manufacturing cost in internal combustion engines, particularly diesel engines.
[0003]
As this type of flake graphite cast iron, carbon is about 2-4 mass% , silicon is about 1-3 mass% , manganese is about 0.2-1.3 mass% , and phosphorus is about 0.05-0. A composition having 5 % by mass , sulfur of about 0.02 to 0.2 % by mass and the balance being iron is generally employed. In addition, this flake graphite cast iron is also made to contain materials such as chromium, nickel, copper, molybdenum, vanadium, titanium, tin and the like. This is disclosed, for example, on page 53 published by Asakura Shoten Co., Ltd.
[0004]
By including these elements, the main cast parts having high durability suitable for high output and high performance of the engine are realized. As a result, a vehicle equipped with a high-power, high-performance and long-life engine is put into practical use, and a vehicle having high performance that meets the demands of general users is obtained.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the cast parts such as the cylinder block, portions such as the boss portions of the bolts and the partition rib portions are thicker than other portions, so that the cooling rate is relatively low. For this reason, the intensity | strength fall by a mass effect will become large. Hereinafter, the strength reduction due to the mass effect will be described in detail.
[0006]
FIG. 1 is a side view of a cylinder block of a general diesel engine. In this figure, the thickness of the A portion is about 20 mm, the thickness of the B portion is about 50 to 70 mm, and the thickness of the C portion is about 100 mm. And when producing this cylinder block by casting, since a heat capacity is small in a comparatively thin part (A part in a figure), it cools rapidly. On the other hand, since the heat capacity is relatively large in the relatively thick portions (B portion and C portion in the figure), the cooling rate is lower than that in the A portion.
[0007]
Now, using a columnar test piece with a diameter of 30 mm made of cast iron material having the same composition as the cylinder block, and calculating the strength of each part in the above A to C when the strength of this test piece is “100” To do. That is, this substance strength rate is calculated | required by the following formula | equation.
[0008]
Substantial strength rate (%) = (substantial strength ( MPa ) / separate strength ( MPa )) × 100 (1)
Here, the substance strength is the strength in each part of the above A to C, and the separate strength is the strength of the test piece. That is, the actual strength rate of each part of A to C is obtained as a ratio of the strength of each part to the strength of the test piece. Hereinafter, examples of the calculated entity strength ratio of each part will be listed.
(A) Real strength ratio of portion A (thickness of about 20 mm): 80 to 90%
(B) Substantive strength ratio of portion B (thickness of about 50 to 70 mm): 70 to 80%
(C) Body strength ratio of C part (thickness of about 100 mm): 60 to 70%
Thus, the cooling rate is smaller as the wall thickness is larger, and the substantial strength rate is reduced accordingly. FIG. 2 is a graph showing the relationship between “carbon saturation” and “tensile strength” in a plurality of types of test pieces having different diameters (casting manual: published by Maruzen Co., Ltd., page 514). As can be seen from this graph, it can be seen that the test piece having a larger diameter (thickness) has a lower tensile strength, that is, the substantial strength ratio is lowered due to the influence of the mass effect.
[0009]
As described above, in the conventional cast iron material, the strength is greatly influenced by the cooling rate due to the thickness of the wall, that is, the mass effect is large.
[0010]
In recent years, diesel engines tend to have high output and high performance, and loads acting on main cast members such as cylinder blocks tend to increase year by year. Therefore, in the conventional cast iron material having a large mass effect as described above, it is difficult to ensure the reliability of strength in a portion where the cooling rate is low, such as a thick portion such as a boss portion of a bolt.
[0011]
In particular, in order to increase the output of the engine, as shown in FIG. 3, it is necessary to increase the tightening torque (see the arrow in the figure) of the liner flange 3 with respect to the shelf 2 formed at the upper end of the cylinder block 1. Although there is a demand, when the tightening torque is increased in the conventional cast iron material, there is a possibility that sufficient strength is not obtained in the shelf due to the influence of the mass effect, and the shelf of the cylinder block 1 due to aging deterioration. There is a concern that cracks 4 may occur in the vicinity of 2. For this reason, there is a limit to increasing the tightening torque, and thus there is a limit to increasing the engine output.
[0012]
On the other hand, when trying to improve the strength by increasing the amount of alloy added, the hardness becomes higher than necessary at other parts (parts with a relatively high cooling rate such as relatively thin parts). This leads to problems such as deterioration of castability and deterioration of castability.
[0013]
The present invention has been made in view of such a point, and the object thereof is a cast iron material capable of reducing the mass effect without incurring deterioration of the machinability and castability, that is, the magnitude of the cooling rate. It is an object of the present invention to provide a cast iron material capable of reducing the influence of affecting the strength and obtaining a sufficient strength for the entire product.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
-Summary of invention-
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention optimizes the content of copper and molybdenum with respect to the content of carbon and silicon and the content ratio of these elements for cast iron materials containing elements such as chromium, copper and molybdenum. Thus, a cast iron material capable of reducing the mass effect without causing deterioration of the machinability and castability is obtained.
[0015]
-Solution-
Specifically, the first solving means taken by the present invention is that the cast iron material contains 3.2 to 3.6 % by mass of carbon and 1.7 to 2.4 % by mass of silicon and has a CE value. While setting to 3.8-3.95, manganese is 0.45-0.9 mass% , phosphorus is 0.2 mass% or less, sulfur is 0.2 mass% or less, and chromium is 0.2-0. 5 % by mass , 0.3 to 0.5 % by mass of copper and 0.2 to 0.4 % by mass of molybdenum are contained. The balance is made of iron and impurities such as antimony and tin which are unavoidably present. The CE value is also called a carbon equivalent and is determined by the following equation.
[0016]
CE value = {carbon content ( mass% )} + {silicon content ( mass% ) / 3}
... (2)
[0017]
In addition, the second solving means includes 3.2 to 3.6 % by mass of carbon, 1.7 to 2.4 % by mass of silicon, and sets the CE value to 4.1 to 4.25, Manganese is 0.45-0.9 mass% , phosphorus is 0.2 mass% or less, sulfur is 0.2 mass% or less, chromium is 0.2-0.5 mass% , copper is 0.5-0. 7 % by mass and 0.4 to 0.6 % by mass of molybdenum are contained. The balance consists of iron and unavoidable impurities.
[0018]
By these specific matters, ferrite precipitation, coarsening of the pearlite structure, and crystallization of graphite are all suppressed even in a portion where the cooling rate is relatively low, such as the thick portion. That is, in the conventional cast iron material, since the cooling rate is low, the crystallization of the cast iron material of the present invention can be suppressed even in a situation where ferrite and graphite are easily crystallized. Thereby, the cast iron material which can relieve | moderate the intensity | strength deterioration by a mass effect can be obtained. In particular, when applied to medium-sized or large-sized castings that have a large difference in the thickness of each part and a large difference in their cooling rates (for example, engine cylinder blocks), the entire casting A substantially uniform high strength can be ensured over the entire area. Furthermore, since the strength is not improved by increasing the amount of alloy added, the hardness does not become higher than necessary in a relatively thin portion (portion where the cooling rate is relatively high), and machinability is improved. And castability is maintained well.
[0019]
Specifically, by optimizing the content of chromium, copper and molybdenum with respect to the content of carbon and silicon and the ratio of these elements (CE value), the tensile strength is 250 MPa or more, the Brinell hardness A cast iron material satisfying mechanical properties of 245HB or less can be obtained. Moreover, by adding the appropriate amount of copper, the pearlite structure can be stabilized, and the coarsening of the structure in the thick part (part where the cooling rate is low) can be suppressed. Therefore, compared with the conventional cast iron material, in the cast iron material of the present invention, it is possible to suppress a decrease in strength in a thick portion such as a large-sized cast product and to avoid variation in strength in each portion.
[0020]
The reason why the mass ratio of each element is limited as described above will be described below.
[0021]
(carbon)
If the amount of carbon is less than 3.2 % by mass , casting defects such as shrinkage cavities are likely to occur, and machinability deteriorates. On the other hand, when it exceeds 3.6 mass% , the amount of graphite crystallization becomes excessive and the material becomes brittle.
[0022]
(Silicon)
If the amount of silicon is less than 1.7 % by mass , the fluidity of the molten metal deteriorates and the castability is impaired. On the other hand, when it exceeds 2.4 % by mass , the amount of ferrite precipitated in the base structure increases and the strength deteriorates.
[0023]
(manganese)
In order to stabilize the base pearlite at a high temperature and remove the harmfulness of sulfur as an impurity, an amount of manganese of 0.45 % by mass or more is required. On the other hand, if the amount of manganese exceeds 0.9 % by mass , the tendency to chill is increased and weakened.
[0024]
(Rin)
Phosphorus is inevitably present from the melting raw material (at least 0.02% by weight or more is present) is, for weakening the large amount present was 0.2% by mass or less to the extent that its effect is negligible.
[0025]
(Sulfur)
Sulfur is also inevitably present from the melting raw material (at least 0.05% by weight or more is present), high temperature cracking tends to occur between the casting solidification process large amounts are present, 0.2% by weight to the extent that its effect is negligible It is as follows.
[0026]
(chromium)
In order to stabilize the base pearlite at a high temperature, in particular to prevent the decomposition of pearlite up to 500 ° C. and suppress ferrite and graphite, a chromium amount of 0.2 % by mass or more is required. On the other hand, if the chromium content exceeds 0.5 % by mass , free carbides are formed and become brittle, and the machinability is significantly deteriorated.
[0027]
(Copper and molybdenum)
The contents of copper and molybdenum need to be set appropriately according to the CE value. That is, as described above, when carbon and silicon are in the above range and the CE value is 3.8 to 3.95, copper is 0.3 to 0.5 % by mass , molybdenum is 0.2 to 0.4 % by mass is contained. Moreover, when carbon and silicon are in the above-mentioned range and the CE value is 4.1 to 4.25, copper is 0.5 to 0.7 mass% and molybdenum is 0.4 to 0.6 mass. % Content.
[0028]
As the copper content in each case, at least the above lower limit values of copper are required in order to stabilize pearlite and suppress the formation of carbides by chromium or molybdenum. On the other hand, if the amount of copper exceeds the above upper limit, an effect commensurate with the content cannot be obtained.
[0029]
In addition, as the molybdenum content in each case, an amount of molybdenum equal to or greater than the above lower limit values is necessary in order to refine pearlite and suppress ferrite. On the other hand, if the amount of molybdenum exceeds the above upper limit values, an effect commensurate with the content cannot be obtained. Moreover, when there is too much molybdenum content, while it becomes easy to produce casting defects, such as a shrinkage cavity, a free carbide | carbonized_material is formed and it becomes weak, and also machinability will deteriorate remarkably.
[0030]
Further, as a characteristic obtained by the cast iron material having the above composition, when the tensile strength of a test piece having a specified thickness is set to “100”, the tensile strength ratio of the test piece having a thickness about four times the specified thickness is obtained. Is about 70% or more. For example, as will be described later, when the tensile strength of a test piece with a diameter of 30 mm is set to “100”, the ratio of the tensile strength of a test piece with a diameter of 120 mm having the same composition as this test piece is expressed by the following equation: It shows that the calculated value is about 70% or more.
[0031]
Strength ratio (%) = (tensile strength (MPa) / diameter 30mm tensile strength of the test piece of diameter 120mm specimens (MPa)) × 100 ... (3)
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, as an embodiment of the present invention, a mechanical property test performed for comparing the cast iron material according to the present invention and a conventional cast iron material will be described.
[0033]
In this test, each test piece containing the composition components shown in the following tables (the balance other than the composition components shown in each table is composed of iron and unavoidable impurities ) (Examples 1 to 4, comparison) An evaluation test using an Amsler universal testing machine was performed on Examples 1 to 4). Measurement results of tensile strength and Brinell hardness are shown in each table as evaluation results of each test piece. Moreover, the test piece used by this test example used the bending test piece (refer JIS G5501) of diameter 30mm produced by casting, and the test piece of diameter 120mm. The mold separation temperature at the time of producing this test piece was set to 500 ° C. or lower. Moreover, each tensile test piece extract | collected only the center part of the cast test piece, it was set as the JIS Z2201 No. 8 test piece, and the hardness test piece used the one part.
[0034]
Further, the strength factor shown in each table is the ratio of the tensile strength of a 120 mm diameter test piece having the same composition as this test piece when the tensile strength of a 30 mm diameter test piece is “100”. It is calculated by the following formula.
[0035]
Strength ratio (%) = (Tensile strength (MPa) of a test piece having a diameter of 120 mm / Tensile strength (MPa) of a test piece having a diameter of 30 mm) × 100 (3)
In each of the following tables, Table 1 shows an example of a cast iron material according to claim 1 of the present invention. Table 2 shows examples of cast iron materials according to claim 2 of the present invention.
[0036]
[Table 1]

[0038]
[Table 2]

[0039]
As is apparent from these tables, the test pieces according to the present invention (each example) satisfy the mechanical properties of any test piece with a tensile strength of 250 MPa or more and a Brinell hardness of 245 HB or less. It can be confirmed that a cast iron material having a sufficiently high strength is obtained. Also, a high value of about 70% has been obtained for the intensity ratio.
[0040]
On the other hand, in each of the comparative examples, only a value of 60% or less was obtained as the strength ratio of some of the comparative examples, although the tensile strength and the Brinell hardness are in the above ranges. This indicates that the mass effect is large. That is, the rate of decrease in the tensile strength of the test piece with a diameter of 120 mm with a low cooling rate is larger than the tensile strength of the test piece with a diameter of 30 mm with a high cooling rate, indicating that the mass effect is large.
[0041]
From the above test results, in the cast iron material according to the present embodiment, the mass effect can be reduced without incurring deterioration of the machinability and castability, and when applied to a cylinder block of a diesel engine, A high-power, high-performance and long-life engine can be realized.
[0042]
In addition, as another mechanical property test, a plurality of types of the above-mentioned test pieces having different diameters were produced, and the above-mentioned strength ratio was obtained for each of the product of the present invention and the conventional product. FIG. 4 shows an example of the graph.
[0043]
As can be seen from the figure, the strength factor of the product of the present invention is maintained higher even for test pieces having the same shape. For example, in the test piece having a diameter of 90 mm, the strength factor of the conventional product (the ratio of the tensile strength when the tensile strength of the test piece having a diameter of 30 mm is set to “100”) is 61%, whereas that of the product of the present invention is The strength rate is as high as 74%. Similarly, in the test piece having a diameter of 120 mm, the strength rate of the conventional product is 58%, whereas the strength rate of the product of the present invention is as high as 73%.
[0044]
-Comparison of metal structures-
Next, in order to compare the metal structures of the cast iron material according to the present invention and the conventional cast iron material, a photomicrograph of the metal structure of the cast iron material used in the examples and comparative examples is shown in FIG. The upper left part of FIG. 5 shows the graphite structure in the conventional cast iron material, and the upper right part shows the graphite structure in the cast iron material according to the present invention. 5 shows the base structure in the conventional cast iron material, and the lower right part shows the base structure in the cast iron material according to the present invention.
[0045]
First, when comparing the graphite structures, the cast iron material according to the present invention has a suppressed crystallization amount of graphite as compared with the conventional cast iron material. In addition, the crystallized graphite is miniaturized. Image analysis processing was performed on both images to determine the respective graphite area ratios. According to this, in the conventional cast iron material, the graphite area ratio was 10% in the test piece with a diameter of 30 mm, whereas the graphite area ratio reached 14% in the test piece with a diameter of 120 mm. On the other hand, in the cast iron material according to the present invention, the graphite area ratio was 10% in both the test piece having a diameter of 30 mm and the test piece having a diameter of 120 mm. In other words, in the cast iron material according to the present invention, the crystallization amount of graphite can be suppressed and refined even when the outer diameter of the test piece is increased (thickened) and the cooling rate is reduced. It can be seen that the effect is reduced.
[0046]
Further, when comparing the base structures, the cast iron material according to the present invention has a reduced amount of ferrite as compared with the conventional cast iron material, and the pearlite structure is miniaturized.
[0047]
From the above results, it can be seen that a cast iron material capable of reducing the mass effect without causing deterioration of the machinability and castability and obtaining sufficient strength for the entire product is obtained.
[0048]
(Other embodiments)
Each embodiment mentioned above demonstrated the case where the cast iron material which concerns on this invention was applied to the cylinder block of a diesel engine. The present invention is not limited to this. For example, it can be used as a material for other engine components such as a cylinder head and a piston of a diesel engine, or as a material for other engine components such as a gasoline engine. Moreover, application to things other than an engine is also possible.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by optimizing the contents of copper and molybdenum with respect to the contents of carbon and silicon and the ratio of these elements, the machinability and castability are deteriorated. A cast iron material capable of reducing the mass effect without any problems is obtained. For this reason, it is possible to ensure a substantially uniform high strength over the entire casting, and in particular, there is a large difference in the thickness of each part in a medium-sized or large-sized casting and a large difference in the respective cooling rates. When it is applied to a certain thing, it is effective because a substantially uniform high strength can be secured over the entire casting.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a cylinder block of a diesel engine.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between “carbon saturation” and “tensile strength” for a plurality of types of test pieces having different diameters.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the vicinity of the upper end of a cylinder block.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the diameter and strength factor of a test piece for comparing the product of the present invention with a conventional product.
FIG. 5 is a photomicrograph for comparing the metal structures of a cast iron material according to the present invention and a conventional cast iron material, wherein the upper left row shows the graphite structure of the conventional cast iron material, and the upper right row shows the cast iron according to the present invention. The graphite structure in the material is shown, the lower left part shows the base structure in the conventional cast iron material, and the lower right part shows the base structure in the cast iron material according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Cylinder block

Claims (3)

炭素が３．２〜３．６質量％、ケイ素が１．７〜２．４質量％含有され且つＣＥ値が３．８〜３．９５に設定されていると共に、マンガンが０．４５〜０．９質量％、リンが０．２質量％以下、イオウが０．２質量％以下、クロムが０．２〜０．５質量％、銅が０．３〜０．５質量％、モリブデンが０．２〜０．４質量％含有されており、残部が鉄及び不可避的に存在する不純物でなることを特徴とする鋳鉄材。Carbon is contained in an amount of 3.2 to 3.6 % by mass , silicon is contained in an amount of 1.7 to 2.4 % by mass, and a CE value is set at 3.8 to 3.95, and manganese is set in an amount of 0.45 to 0. 0.9 mass% , phosphorus is 0.2 mass% or less, sulfur is 0.2 mass% or less, chromium is 0.2 to 0.5 mass% , copper is 0.3 to 0.5 mass% , and molybdenum is 0. Cast iron material, characterized in that it is contained in an amount of 2 to 0.4 % by mass, and the balance is made of iron and inevitable impurities. 炭素が３．２〜３．６質量％、ケイ素が１．７〜２．４質量％含有され且つＣＥ値が４．１〜４．２５に設定されていると共に、マンガンが０．４５〜０．９質量％、リンが０．２質量％以下、イオウが０．２質量％以下、クロムが０．２〜０．５質量％、銅が０．５〜０．７質量％、モリブデンが０．４〜０．６質量％含有されており、残部が鉄及び不可避的に存在する不純物でなることを特徴とする鋳鉄材。Carbon is contained in an amount of 3.2 to 3.6 % by mass , silicon is contained in an amount of 1.7 to 2.4 % by mass, and a CE value is set to 4.1 to 4.25, and manganese is set to 0.45 to 0. 0.9 mass% , phosphorus 0.2 mass% or less, sulfur 0.2 mass% or less, chromium 0.2-0.5 mass% , copper 0.5-0.7 mass% , molybdenum 0 Cast iron material, characterized in that it is contained in an amount of .4 to 0.6 % by mass, and the balance consists of iron and inevitable impurities. 請求項１または２記載の鋳鉄材において、
ある規定厚さのテストピースの引張強度を「１００」とした場合に、その規定厚さの約４倍の厚さのテストピースの引張強度率が７０％程度またはそれ以上に得られることを特徴とする鋳鉄材。In the cast iron material according to claim 1 or 2,
When the tensile strength of a test piece having a specified thickness is “100”, the tensile strength ratio of a test piece having a thickness about four times the specified thickness can be obtained to be about 70% or more. Cast iron material.

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