JP5506973B1

JP5506973B1 - 球状黒鉛鋳鉄およびその製造方法

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Publication number: JP5506973B1
Application number: JP2013070759A
Authority: JP
Inventors: 圭晃和田; 享萱原; 孝信椙本; 智大田中
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014194052A; GB201405632D0; GB2513253B; GB2513253A; RU2551724C1

Abstract

【課題】良好な機械的性質および優れた低温靭性を確保しつつ、大幅にコストを低減し得る球状黒鉛鋳鉄およびその製造方法を提供する。
【解決手段】Ｃを３．５〜４．０質量％、Ｓｉを１．７〜２．３質量％、Ｍｎを０．２質量％未満、Ｃｒを０．１質量％未満、Ｍｇを０．０４〜０．０６質量％、ＣｕおよびＳ、並びにその他不可避的不純物を含有して、残部がＦｅからなり、氷点下で使用される球状黒鉛鋳鉄であって、上記Ｃｕを０．１０〜０．２０質量％、上記Ｓを０．０１〜０．０２質量％含有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、低温靭性に優れた球状黒鉛鋳鉄およびその製造方法に関するものである。

近年、電力供給設備として、燃料の枯渇が心配される石油や原子力を利用するものから、環境にも優しく再生可能な自然エネルギー（風力、太陽光など）を利用するものへの転換が図られている。特に風力発電設備は、発電コストが低く、工期が短いので、世界的に普及しつつある。また、我が国において、風力発電関連は、国家レベルでの重点化技術であり、さらなる開発が望まれている。

このような風力発電設備では、風力を受けるプロペラが、地上または洋上の数十メートル上空に配置される。このため、寒冷地に設けられた風力発電設備では、上記プロペラやこれに接続される機器（増速機など）が、−２０℃以下の低温環境下に配置されることもある。また、上記増速機のギヤボックスやベアリング用部品は、形状が複雑なので、現状だと鋳造法でしか製造することができない。

したがって、低温靭性に優れた鋳鉄が要望されており、この要望を満たすために、フェライト基地に微細な多数の球状黒鉛を均質に分布させた球状黒鉛鋳鉄が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この球状黒鉛鋳鉄は、上記特許文献１の実験データにより、−４０℃での優れた靭性を確保していることが示されている。また、上記球状黒鉛鋳鉄は、上記特許文献１の記載によると、フェライト化焼きなましを行うことにより、さらに靭性および伸びが向上する。

特許第２７１６０６３号公報

ところで、上記特許文献１に記載の球状黒鉛鋳鉄は、高価な元素であるＮｉが比較的多く添加されるので、当然ながら高価である。また、上記球状黒鉛鋳鉄に添加されるＢｉは、黒鉛化を阻害して球状黒鉛の微細化作用があるものの、歩留まりが悪い上に変動しやすいので、成分調整が困難である。さらに、上記球状黒鉛鋳鉄の製造において、フェライト化焼きなましを行うと、工数が増えることになる。したがって、上記特許文献１に記載の球状黒鉛鋳鉄は、高コストになるという問題があった。

そこで、本発明は、良好な機械的性質および優れた低温靭性を確保しつつ、大幅にコストを低減し得る球状黒鉛鋳鉄およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る本発明の球状黒鉛鋳鉄は、Ｃを３．５〜４．０質量％、Ｓｉを１．７〜２．３質量％、Ｍｎを０．２質量％未満、Ｃｒを０．１質量％未満、Ｍｇを０．０４〜０．０６質量％、ＣｕおよびＳ、並びにその他不可避的不純物を含有して、残部がＦｅからなり、氷点下で使用される球状黒鉛鋳鉄であって、
上記Ｃｕを０．１０〜０．２０質量％、上記Ｓを０．０１〜０．０２質量％含有するものである。

また、請求項２に係る本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄を溶湯の鋳込みにより製造する球状黒鉛鋳鉄の製造方法であって、
上記鋳込み前に、Ｓを含有する接種剤を溶湯に添加する第一接種工程と、
上記鋳込み時に、Ｓを含有する接種剤を溶湯に添加する第二接種工程とが具備されるものである。

さらに、請求項３に係る本発明の球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法において、フェライト化焼きなましを行わないものである。

上記球状黒鉛鋳鉄およびその製造方法によると、良好な機械的性質および優れた低温靭性を確保しつつ、大幅にコストを低減することができる。

本発明の実施例１に係る球状黒鉛鋳鉄および比較材の機械的性質および低温靭性とＳｉの含有量との関係を示すグラフであり、（ａ）は０．２％耐力とＳｉの含有量との関係を示し、（ｂ）は引張強さとＳｉの含有量との関係を示し、（ｃ）は−２０℃での衝撃値とＳｉの含有量との関係を示し、（ｄ）は−４０℃での衝撃値とＳｉの含有量との関係を示す。本発明の実施例２に係る球状黒鉛鋳鉄、比較材および従来材の機械的性質および低温靭性とＳｉの含有量との関係を示すグラフであり、（ａ）は０．２％耐力とＳｉの含有量との関係を示し、（ｂ）は引張強さとＳｉの含有量との関係を示し、（ｃ）は−２０℃での衝撃値とＳｉの含有量との関係を示し、（ｄ）は−４０℃での衝撃値とＳｉの含有量との関係を示す。

以下、本発明の実施の形態に係る球状黒鉛鋳鉄およびその製造方法について説明する。なお、本実施の形態において、低温とは氷点下（０℃以下）を言う。
まず、上記球状黒鉛鋳鉄について説明する。

この球状黒鉛鋳鉄は、Ｃ（炭素）を３．５〜４．０質量％、Ｓｉ（ケイ素）を１．７〜２．３質量％、Ｍｎ（マンガン）を０．２質量％未満、Ｃｒ（クロム）を０．１質量％未満、およびＭｇ（マグネシウム）を０．０４〜０．０６質量％、Ｐ（リン）を０．０２５質量％未満含有する。

特に上記球状黒鉛鋳鉄は、その特徴として、Ｃｕ（銅）を０．１０〜０．２０質量％、Ｓ（硫黄）を０．０１〜０．０２質量％含有する。なお、上記球状黒鉛鋳鉄は、その他不可避的不純物も含有し、残部がＦｅ（鉄）などからなる。

次に、上述の成分範囲にした理由について説明する。
ＣおよびＳｉの含有量については、それぞれの範囲を、ＣＥ値（Ｃ＋Ｓｉ／３）が４．３程度になるようにして定めた。なぜなら、ＣＥ値と機械的強度とには強い相関関係があり、球状黒鉛鋳鉄の所定の機械的強度を確保するためである。特にＳｉの含有量については、Ｓｉを多量に含有すると０．２％耐力および引張強さが向上するものの、−２０℃での衝撃値が低下するので、これらが図１および図２に示すＤＩＮ規格を満たす範囲として、１．７％〜２．３％とした。なお、上記ＤＩＮ規格は、図１および図２に示すように、ＥＮ−ＧＪＳ−４００Ｕ−Ｌ相当材において、０．２％耐力が２２０ＭＰａ以上、引張強さが３７０ＭＰａ以上、−２０℃での衝撃値が１０Ｊ以上である。

Ｍｎの含有量については、Ｍｎを多量に含有するとパーライトが生成されるので、０．２質量％未満とした。
Ｃｒの含有量については、Ｃｒを多量に含有すると炭化物が生成されるので、０．１質量％未満とした。

Ｍｇの含有量については、黒鉛の球状化のために、０．０４〜０．０６質量％とした。
Ｐの含有量については、Ｐは不可避的不純物の１つであるから、特に限定されるものではないが、一例として０．０２５質量％以下とした。

以下、本発明の要旨であるＣｕおよびＳの成分範囲について詳細に説明する。
一般に鋳鉄は、Ｃｕを含有させることにより、機械的性質が良好になるものの、低温靭性に劣る。言い換えれば、０．２％耐力および引張強さが向上するものの、低温での衝撃値が低下する。しかしながら、本発明者らは、Ｃｕの含有量が０．１０〜０．２０質量％であれば、良好な機械的性質と優れた低温靭性とが両立することを見出した。具体的には、α−Ｆｅ（フェライト）にＣｕが０．１０質量％以上固溶すると、機械的性質が良好になるとともに、低温靭性に優れる。しかし、α−Ｆｅ（フェライト）におけるＣｕの溶解度（常温）は０．２０質量％であり、それを超えると低温靭性に劣る。したがって、０．１０〜０．２０質量％が、Ｃｕの好ましい含有量である。これにより、本発明の鋳鉄では、特許文献１のように高価なＮｉを添加することなく、良好な機械的性質と優れた低温靭性とが両立する。

また、さらに優れた低温靭性を得るために、鋳鉄における球状黒鉛は、微細且つ多数であって均質に分布していることが望ましい。ここで、通常の球状化剤を使用すると、球状黒鉛は所望のサイズよりも大きくなる。しかしながら、本発明者らは、Ｓの接種を行うことにより、球状黒鉛が所望のサイズに微細分散することを確認した。原理的には、ＳがＭｇＳ（硫化マグネシウム）などを生成し、これらＭｇＳなどが球状黒鉛の核になると考えられる。したがって、Ｓの接種を行うことにより、特許文献１のように成分調整が困難なＢｉを添加することなく、球状黒鉛が微細分散する。

以下、上記球状黒鉛鋳鉄の製造方法について、具体的に示した実施例を説明する。

溶解炉には、５ｔｏｎ低周波溶解炉を使用した。また、成分調整後の出湯の温度を１４８０℃とした。
次に、球状化剤としてＦｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金を取鍋内添加した。ここで、添加方法をサンドイッチ法とし、添加量を１．１％とした。そして、一次接種としてＦｅ−Ｓｉ−Ｃａ−Ｓ合金（第一接種剤）を取鍋内添加した（第一接種工程）。ここで、添加方法をサンドイッチ法とし、添加量を０．３％とした。

その後、二次接種としてＦｅ−Ｓｉ−Ｃａ−Ｓ合金（第二接種剤）を、鋳込み流（鋳込み中の溶湯流れ）に直接添加した（第二接種工程）。ここで、添加温度が１３５０℃であり、添加量を０．１％とした。なお、二次接種を行う理由は、確実に接種の効果を得て、微細で多数の球状黒鉛を生成するためである。すなわち、二次接種は、一次接種から鋳込みまでの時間経過により薄れた一次接種の効果を補うためのものである。また、鋳込みには、ＪＩＳＧ５５０２本体付き供試材を採取できるようにした。

そして、上記鋳込み後には、熱処理を行わず、つまり鋳放しとした。
引張試験片はＪＩＳ１４Ａに準拠したものとし、衝撃試験片はＪＩＳ４号（Ｖノッチ）に準拠したものとした。以下、採取した供試材の成分並びに試験片の機械的性質および低温靭性を、比較材（１）〜（３）とともに表１および表２に示す。また、表２の内容をグラフ化して、図１に示す。

図１に示すように、比較材では、機械的性質およびＳｉの含有量で正の相関が見られ、低温での衝撃値およびＳｉの含有量で負の相関が見られた。一方、本発明材では、比較材と比べて、良好な機械的性質および優れた低温靭性が得られた。

本実施例２に係る球状黒鉛鋳鉄の製造方法は、上記実施例１に係る製造方法の鋳込み後に、応力除去焼なましの熱処理を行ったものである。これ以外については、実施例２は実施例１と同一である。

すなわち、本実施例２では、鋳込み後に、応力除去焼なましの熱処理として、５９０℃で５時間保持し、その後は炉内でゆっくりと冷却（炉冷）した。以下、採取した供試材の成分並びに試験片の機械的性質および低温靭性を、比較材（１）〜（３）および従来材とともに表３および表４に示す。また、表４の内容をグラフ化して、図２に示す。なお、上記従来材は、比較材（３）相当材において、Ｎｉの含有量を、本発明材のＣｕの含有量と同じにしたものである。

図２に示すように、比較材では、機械的性質およびＳｉの含有量で正の相関が見られ、低温での衝撃値およびＳｉの含有量で負の相関が見られた。一方、本発明材では、比較材と比べて、良好な機械的性質および優れた低温靭性が得られた。本発明は、特に−４０℃で、靭性が顕著に向上した。

このように、本発明の上記球状黒鉛鋳鉄およびその製造方法によると、球状黒鉛鋳鉄の機械的性質および低温靭性を向上させることができた。また、高価なＮｉや成分調整が困難なＢｉを用いないので、大幅にコストを低減することができた。さらに、上記製造方法によると、熱処理を行わず、または応力除去焼なましのみの熱処理を行い、フェライト化焼なましを行わないので、工数を減らし、一層コストを低減することができた。

ところで、上記実施例１および２では、第一接種剤および第二接種剤として、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃａ−Ｓ合金について説明したが、これに限定されるものではなく、Ｓを含有するものであればよい。

Claims

Ｃを３．５〜４．０質量％、Ｓｉを１．７〜２．３質量％、Ｍｎを０．２質量％未満、Ｃｒを０．１質量％未満、Ｍｇを０．０４〜０．０６質量％、ＣｕおよびＳ、並びにその他不可避的不純物を含有して、残部がＦｅからなり、氷点下で使用される球状黒鉛鋳鉄であって、
上記Ｃｕを０．１０〜０．２０質量％、上記Ｓを０．０１〜０．０２質量％含有することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄。
請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄を溶湯の鋳込みにより製造する球状黒鉛鋳鉄の製造方法であって、
上記鋳込み前に、Ｓを含有する接種剤を溶湯に添加する第一接種工程と、
上記鋳込み時に、Ｓを含有する接種剤を溶湯に添加する第二接種工程とが具備されることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄の製造方法。
フェライト化焼きなましを行わないことを特徴とする請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄の製造方法。