JPH03257138A - 強度と減衰能に優れた片状黒鉛鋳鉄及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、片状黒鉛鋳鉄材の改質に係り、特に十分な強
度とともに大きな減衰能を有する片状黒鉛鋳鉄及びその
製造方法に関する。

［従来の技術］ 片状黒鉛鋳鉄（ねずみ鋳鉄：ＦＣ）は、ＦｅにＣやＳｉ
が含まれた基地組織（通常はパーライト）中に湾曲した
筋状（立体的には葉片状）の黒鉛（片状黒鉛）が混在し
たものであり、片状黒鉛の存在により様々な特性を示す
。

即ち、耐摩耗性（渭漬摩耗）や被切削性に優れ、振動吸
収能（減衰能）が大きい等の長所を有する。

また、凝固時に片状黒鉛が析出するため全体として収縮
が少なく鋳造し易いのも大きな特徴である。

しかしその一方、片状黒鉛が脆くて弱いために、その部
分に力が加わるとひびが入り易い等片状黒鉛の存在によ
り鋳物の強度が低下したり靭性を弱める欠点がある。こ
れらの特徴は、片状黒鉛の割合が多い程顕著に現れる。

この欠点を解消したものに球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳
鉄：ＦＣＤ）がある。これは、黒鉛が球状を呈するため
含有量の割には体積が小さく、強度も片状のものよりは
大きいため、上記片状黒鉛鋳鉄の利点もある行程備えつ
つ比較的大きな強度と靭性を有する。また、その特性は
基地組織に大きく依存する。ただ、球状化のために高価
なＭｇやＣｅを添加するし大きい押し湯が必要で鋳造が
比較的困難なためコスト高になる難点がある。

そこで、現在では機械部品や自動車部品等強度を要する
ものは主として球状黒鉛鋳鉄を用い、あまり強度を要求
されないものには安価なこともあり片状黒鉛鋳鉄が多く
用いられている。

［発明が解決しようとする課題］ 最近、騒音とか振動による加工精度の低下等を解消する
ために、自動車、家電製品、工作機械等あらゆる消費材
、生産材の部材に大きな振動吸収能（減衰能）が要求さ
れつつある。

しかし、金属素材の減衰能と引張強度とは一般に反比例
し、高減衰且つ高強度材は高価なＴ１Ｎｉ合金やＭｇ−
Ｚｎ合金等を用いる材料が多い。

鉄系材にも数種類はあるがいずれもＣｒやＡｌの合金で
あり、やはり高価につく。

ところで、鋳鉄特に片状黒鉛鋳鉄は黒鉛による発生エネ
ルギーの吸収により高い減衰能を有し、しかも極めて安
価である。例えば、特に片状黒鉛の多いＦＣ−１０クラ
ス或いは１５クラスのものは優れた振動吸収能（減衰能
）を示す（本発明者等の測定で１５〜１９％程度）。し
かしこのクラスのものは強度（引張強さ）が極端に劣る
（１０〜１５　ｋｇｆ／ｆ１２程度）。また、−船釣な
Ｆｅ１２やＦＣ−２５クラスになると減衰能はかなり低
くなる（同じく７％程度）。

一方、ギヤや自動車の足回り部品（ブレーキドラム等）
とか、ＮＣ加工機のバイトホルダーなどに用いらる球状
黒鉛鋳鉄は一般的なＦＣＤ−４５クラスで減衰能は５％
程度、焼きならし処理したＦＣＤ−９０クラス（引張強
さ：　９０　ｋｇｆ／ｆｉ２程度）になる行程％程度と
極めて低くなる。そのため、自動車のブレーキ操作時に
鳴きが生したり、旋盤では振動によりビビリが生じて加
工精度が落ちたり刃物が損傷し易い等の問題を生じてい
る。

このように、現在の鋳鉄では既存の高減衰・高強度材に
比べて格段に安価ではあるが、強度及びび靭性と減衰能
の両方を満足させるものは無く、その開発が強（要請さ
れていた。

［課題を解決するための手段］ 以上のような現状に鑑み、本発明者等は銭意研究の結果
本発明を完成させたものであり、その特徴とするところ
は、キュポラ由来、即ちキュポラ溶解炉にて溶解又は１
次溶解された片状黒鉛鋳鉄であって、高炭ｆｆ１（３，
２〜４．４％）、高珪ａ　（２゜２〜３．４％）含有の
ものを、オーステンパー処理して基地組織をベイナイト
化（ベイナイトとオーステナイトとの混合組織）したも
のである。

即ち本発明は、ＦＣ−１０，１５クラスの片状黒鉛鋳鉄
の基地組織をオーステンパー処理によりベイナイト化し
て強度アップを図ることに成功した結果完成したもので
ある。

オーステンパー処理は元来鋼の強度増加処理法であり、
ここ１０年らい球状黒鉛鋳鉄にも応用されている技術で
ある。この技術を球状黒鉛鋳鉄について説明すると、ま
ず鋳放しの鋳鉄製品を共析変態温度以上（８００〜１０
００℃程度）に１時間程度加熱して基地組織をパーライ
トからオーステナイトに変え、次いで３００〜５５０℃
に急冷し、このベイナイト恒温変態域で１時間程度保持
し、その後放冷するものである。肉厚物では、内部まで
急冷され難いので、ＭＯやＣｕ或いはＮｉ等を添加して
パーライト域（パーライトノーズ）を右方向に後退させ
て回避することも行なわれる。

この処理により、ＦＣＤ−４０〜５０クラスのものが同
１００前後に約２倍程度強度アップする。

ところで、片状黒鉛鋳鉄については本発明者等の知るか
ぎり、この処理は従来用いられていない。

これは、オーステンパー処理が強度増強を目的とするも
のであり、球状黒鉛鋳鉄によってその目的は達せられて
いることによる。

そこで本発明者は、見方を変え、ＦＣ−１０゜１５クラ
スの片状黒鉛鋳鉄の優れた振動減衰能をそのままにして
強度を機械部品等に使用できる強度域（少なくともＦＣ
−２０，２５程度）までアップさせる観点から、片状黒
鉛鋳鉄についてのオーステンパー処理について種々研究
を行なった。

しかし、従来通常に用いられている組成の片状黒鉛鋳鉄
の場合、思わしい結果が得られなかった。

ただ、Ｍｏをかなり多く（０，５〜１％）添加するとベ
イナイト化し易いが、Ｍｏが偏析して硬化相を生じて性
質を劣化させるとともに、減衰能の低下や鋳造性の悪化
を起こす。

そこで更に研究を続け、珪素（Ｓ　ｉ）を通常より多量
に添加してみたところ、ある条件下でＭ。

等の添加なくして基地のベイナイト化に成功した。

一般に片状黒鉛鋳鉄の場合、珪素が少ないと白銑化し易
く、多くなるとコスト高になるし共晶セルが微細になっ
て「巣」が生じ脆くなるとか鋳造し難（なるため可能な
限り量を抑える傾向にあり、一般には１．５〜２．１％
程度が通常用いられている。

これに対し、本発明では片状黒鉛鋳鉄でありながら珪素
を２．２〜３．４％程度と通常よりも多量に用いる。た
だ、あまりに多くするとコストや「巣」の問題が生じる
ので、より好ましくは２．３〜３゜０％程度である。ま
た炭素も３．２〜４．４％と多量に添加するが、これは
ＦＣ−１０クラスのものと殆ど同じである。より好まし
い炭素添加量は３．５〜４．０％程度である。但し、こ
の範囲の組成の片状黒鉛鋳鉄は、鋳放しくＡｓ　　Ｃａ
５ｔ）のままではＩｎ程度の高さから落下させても割れ
るなど脆くて使いものにならい。これをオーステンパー
処理することよって十分な強度と靭性が賦与される。

尚、厚物（３０＋ｍφ、２０＋＋＋＋Ｉｌｔ以上）の場
合は、中側か急冷しにくいので、ＭＯを少量（０，５％
程度以下、より好ましくは０．１〜０．３％程度）添加
することも考えられる。この場合、偏析防止のためにＮ
ｉやＣｕを少量（何れも０．８％程度以下）添加すると
よい。

次に、上記した「ある条件」と言うのが本発明のもう１
つの要件である。この条件とは、驚くべきことに、片状
黒鉛鋳鉄がキュポラ由来、即ちキュポラ溶解炉にて熔解
又は１次溶解されたものに限ると言うことである（表−
１）。そして、電気炉溶解されたものは本発明者の実験
では全くと言ってよい程基地がベイナイト化せず、従っ
て強度も思わしい色間上しなかったく表−２）。

かかる事態が生じる理由は不明である。ただ、キュポラ
由来のものは、コークスによるＳ成分が多い。またＭｎ
、Ｐの各成分もキュポラ溶解のものの方が多い。そこで
、これらの成分がキュポラ由来のものと同じ程度になる
ように別途添加して電気炉で溶解してみたが、やはりベ
イナイト化は殆ど行なわれていなかった（表−２中、Ｄ
−１３〜Ｄ−１８）。

もう１つ考えられる理由は、両者の共析変態温度の違い
である。共析変態温度は、一般に７３０℃とか７２３℃
と言われている。しかし、本発明者等が測定（熱電対：
クロメルアルメルを使用）したところ、キュポラ溶解の
ものは７０８℃であるのに対し、電気炉溶解のものは７
６７℃であり、両者にかなりの差がみられた。このこと
自体も理由不明であるが、このことがベイナイト化の可
否に関連していることも考えられる。尚、キュポラ溶解
のものでも、Ｓｉの含有量が低いとベイナイト化は起こ
らない。

次に、本発明のオーステンパー処理の条件について説明
する。まず、キュポラ由来の鋳造品を８５０〜９５０℃
に加熱する。加熱時間は製品の厚み等により０．５〜２
時間時間色する。加熱温度が低過ぎるとオーステナイト
化が不十分となり、逆に高過ぎるとカーボンがとんだり
ベイナイト領域に急冷することが困難になり好ましくな
い。より好ましい加熱温度は８８０℃〜９００”ｃ程度
である。また加熱時間は、短か過ぎるとオーステナイト
化が不十分になるし、長過ぎると片状黒鉛が消失する等
の変化が生じるので、鋳鉄製品の厚みや成分組成等に応
じて上記範囲内で適宜な時間を選ぶ。

次いで急激に（３０〜５０秒程度以内）に、ベイナイト
恒温変態温度（テンパリング温度）とされる２４０℃〜
４００℃に冷却し、一定時間（０゜５〜２時間程度）保
持する。テンバ・リング温度が低過ぎると基地組織がマ
ルテンサイト化するおそれがあるし、高過ぎるとパーラ
イト域を横切るおそれがある。より好ましいテンバリン
グ温度の範囲は２５０℃〜３８０℃程度である。また、
時間が短過ぎるとベイナイト化が不十分になり、長過ぎ
るとベイナイト組織が荒くなるので鋳鉄製品の厚みや成
分組成等に応じて上記範囲内で適宜な時間を選ぶ。

冷却方法は塩浴、加熱油浴、金属浴、強制熱風等が考え
られるが、最も簡単で確実なのは、硝酸ナトリウムや硝
酸カリウム等を用いる塩浴である。

変態終了後は、浴から取り出して放冷（空冷或いは水冷
）する。

尚、テンパリング温度（恒温変態温度）が３００℃以上
だと基地組織が上部ベイナイト（羽毛状：柔らかく帖い
）、それ以下だと下部ベイナイト（針状二硬く脆い）に
なり易い。

表−１は、キュポラで溶解或いは一次溶解したちのくＣ
系）から得られた３０＋＋ｎφの棒状鋳造品をオーステ
ンパー処理し、これからテストピース（Ｃ系：Ｃ−１〜
Ｃ−２３）を作り、組成及び機械的性質を測定した結果
を示すものである。尚、テストピースは、減衰能測定用
の厚さ５１Ｉｌ＃×幅１０＋ｓＸ長さ２００ｗｎａの短
冊型試験片と、引張強度測定用のＪＩＳＢ号Ｃ試験片を
夫々作製した。

オーステンパー処理の条件は、８８０〜９００℃加熱が
１時間、次いで硝酸塩（ＮａＮｏ３　　ｔ＜Ｎ０３）の
塩浴中でテンバリング温度（Ｔ、８２５０℃、３５０℃
及び３７５℃）に急冷（３０〜４０秒以内）して１時間
保持し、次いで空冷した。

表−２は、電気炉で溶解した鋳造品を用いた以外は表−
１のものと同じ条件でテストピース（Ｄ系ＨＤ−１−Ｄ
−３２）を作り、同一項目を測定した結果を示す。

尚、表−１、表−２とも、「ベイナイト化」の欄の記号
は、基地組織の状態を示す。

×・・・・・・パーライト析出、ベイナイト化無し。

Δ・・・・・・パーライトとベイナイトの混合組織、ベ
イナイト化不良。

○・・・・・・パーライト析出なし、ベイナイト組織良
好。

■・・・・・・緻密なベイナイト組織で良好。

また表中、Ｔ、Ｓは引張強度（ｋ　ｇ　ｆ　／５ｅａ２
）、ＨＢは硬度（ブリネル硬度）を示し、処理前の欄は
鋳放し、処理後の欄はオーステンパー処理後のテストピ
ースのものである。減衰能は後に詳述する自由減衰振動
による減衰能計測法により測定した。

表−１から、以下のことが判る。まず、ベイナイト化が
良好なのは、Ｓｔが２．２〜３゜４の範囲である。）１
張強度は、３５０℃、３７５℃処理のものでＦＣ−２０
クラス、２５０℃処理のものでＦＣ−２５クラス、Ｍｏ
添加のものではＦＣ−３０クラスの値を示す。しかも、
減衰率はＦＣ−１０クラスの１９％に優るとも劣らない
。これに対しＦＣ−２５では７％であるに過ぎない。

表−２に示す電気炉溶解のものは、珪素が上記範囲のも
のでもベイナイト化せずパーライト主体となるため引張
強度が低く、３５０〜３７５℃処理ではＦＣ−１０クラ
ス程度、２５０　”Ｃ処理でもＦＣ−１５クラス程度で
ある。ただ、Ｍｏ添加のものは無添加のものと異なり部
分的にベイナイト化が見られ強度もＦ（、−１５〜２０
クラスのものも散見するし、Ｓ等を添加したもの（Ｄ−
１３〜１８）では幾分ベイナイト化が見られ強度もＦＣ
２０クラスの値を示すが、キュポラ溶解のものに比べて
ベイナイト化が不安定である。

次に、減衰能について、従来の片状黒鉛鋳鉄及び球状黒
鉛鋳鉄と比較実験した結果を第１図〜第３図及び表−３
に示す。

減衰能は、前記した試験片（厚さ５ａ＋ｍＸ幅１０１１
＋１Ｘ長さ２００＠ｓの短冊状のもの）を片持ち状に支
持し、自由端に初期変位（本例では２　ｍｍ）を与えて
解放した時の自由減衰振動を記録（デジタルオシロスコ
ープ）し、演算により求めた。第１図は、表−３に示す
本発明品の自由減衰振動の記録チャートであり、これは
振動を与えてから約４．５秒間に０．５ミリ秒単位で記
録したものである。そして、各線分の長さは自由振動の
相つぐ谷から山、山から谷までの寸法を表わす。これら
を大きい方から順次Ｘ　ｌ　、Ｘ　２、ｘ３、ｘ４・・
・とし、ｘｉとｘｉ＋ｌの点をＸ−Ｙ座標にプロットし
て得られる直線の勾配をθとすると、減衰比ζは、ζｚ
　ｌ　／　πＸ　ｌ　ｎ　Ｌ　ａ　ｎθ、対数減衰率δ
　（％）は、 δ＝ζ×４×πＸ１００　　（％）で夫々求まる。

表−３（表−１の場合も同じ）に示す減衰能の値は、こ
のδの値である。同様に、第２図は表−３のＦＣ−２５
の振動記録、第３図は表−３のＦＣ−３０の振動記録で
ある。図から明らかなように、本発明品（第１図）はＦ
Ｃ−２５（第２図）及びＦＣ−３０（第３図）のものに
比較して振動が速やかに減衰することが判る。

この表から判るように、本発明品はＦＣ−２５クラスの
強度とＦＣ−１０に近い減衰能を有しており、同様の強
度を示すＦ（、−２５が７％の減衰能にあるのに比べ減
衰能において格段に優れていることが判る。

［応用例］ 次に、本発明の応用例を示す。

応用例　１「ドラムブレーキ」 表−４（ａ）に、本発明品（３５０℃処理）と従来材（
ＦＣ−２５）のドラムブレーキの組成と機械的性質（物
性値）を示す。この結果、同程度の強度を有しながら、
靭性に富み、且つブレーキの「鳴き」に影響を与える減
衰能は２倍以上もあり、ドラムブレーキにとって理想的
な素材と言える。

また、表−４（ｂ）に示す成分組成でドラムブレーキを
鋳造し、本発明品（ベイナイト化温度２５０℃、３５０
℃）及び未処理品（ＦＣ−２０相当）について各種物性
を測定した。また本発明品（３５０℃処理）の切削試験
を行なったところ、チップ（セラミック製２京セラ■、
材質５Ｎ６０）の摩耗が未処理品の場合に比べて７０％
程度となり、優れた被切削性を示した。本発明品の場合
基地組織はベイナイト（一部オーステナイト）であり、
基地組織がパーライトである未処理品よりも硬く被切削
性は悪いはずである。もっとも、本発明は片状黒鉛が多
くその影響も考えられるが、減衰能が大きいため切削時
のビビリが少ないことも影響していると思われる。

更に、本発明品（３５０℃処理）の耐摩耗試験（スガ式
摩耗試験機による）を行なったところ、第４図に示すよ
うに耐摩鋳鉄材に耐摩耗処理したもの（Ｆ　Ｃ−２８＋
ｐ、ｃｒ＋タフト処理、及びＦＣＤ−４５＋タフト処理
）と、焼入れ材（ＳＰＣ浸炭焼入れ・焼戻処理材、その
他の材）との中間の値を示し、大変良好である。従って
、摺動摩耗部に好適に使用することができる。

応用例　２「バイトホルダー」 本発明品（テンバリング温度３５０℃）及び従本発明品
（テンバリング温度３５０℃）及び従来品のバイトホル
ダー（寸法はいずれも１５０ｓａＸ　２００ｍｍＸ　１
５０＋ｍ）の強度、硬度及び減衰能を測定した。表−５
に成分組成及び各種物性を示す。

本発明品は基地組織の大部分がベイナイト（残りはオー
ステナイト）で、減衰能が大きいし応用例１にも示すよ
うに耐摩耗性も優れる。これに対し従来品は、球状黒鉛
鋳鉄で基地がパーライトであり、その結果強度は相当大
きい（略ＦＣＤ−５０〜６０に相当）。

しかし、バイトホルダーに要求される性能は、高減衰能
、高剛性（硬度）、耐摩性であり、強度はＦＣ−２０〜
２５程度で十分である。特に、減衰能はバイトのビビリ
を抑えて加工精度を向上させる点からも極めて重要な要
素である。尚、ビビリの程度を表わすコンプライアンス
（振動変位／加振カニ単位μ／にｇ）が本発明品は従来
品の約２０％減となる。従って、これらを兼ね備えた本
発明品は、バイトホルダーとして理想的な素材と言うこ
とかできる。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の片状黒鉛鋳鉄は、キュポ
ラ溶解炉にて溶解又は１次溶解された高炭素高珪素の片
状黒鉛鋳鉄をオーステンパー処理して得られるものであ
る。従って、片状黒鉛の性質を十分生かした優れた振動
減衰能とともに、基地組織がベイナイトとオーステナイ
トの混合組織となっているので大きな引張り強度や靭性
を持ち、しかも優れた被切削性や耐摩耗性を備えている
等、振動発生箇所に用いる機械部品として極めて理想的
な素材と言うことができる。また、少量のモリブデンや
銅等を添加することにより強度は更に増加し厚物のベイ
ナイト化にも十分対処しうろこととなる。

また本発明方法は、この減衰能、引張強度を兼ね備えた
片状黒鉛鋳鉄を製造するもので、基本が片状黒鉛鋳鉄故
に造り易く、後はオーステンパー処理のみであるため格
別の技術や装置も必要と廿ず、容易に且つ確実に片状黒
鉛鋳鉄の改質を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は自由減衰振動の記録チャートで、第
１図は本発明品、第２図はＦＣ−２５材、第３図はＦＣ
−３０材のものを夫々示す。また第４図は、往復運動摩
耗試験結果を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、キュポラ溶解炉にて溶解又は１次溶解された炭素３
   ．２〜４．４％、珪素２．２〜３．４％を含む高炭素高
   珪素の片状黒鉛鋳鉄をオーステンパー処理してなること
   を特徴とする強度と減衰能に優れた片状黒鉛鋳鉄。 ２、モリブデンを０．０１〜０．５％含有してなる請求
   項１記載の強度と減衰能に優れた片状黒鉛鋳鉄。 ３、キュポラ溶解炉にて溶解又は１次溶解された炭素３
   ．２〜４．４％、珪素２．２〜３．４％を含む高炭素高
   珪素片状黒鉛鋳鉄を、８５０℃〜９５０℃の温度下で０
   ．５〜２時間加熱してオーステナイト化し、次いで２４
   ０℃〜４００℃に急冷しこの温度状態で０．５〜２時間
   保持して恒温変態させることを特徴とする強度と減衰能
   に優れた片状黒鉛鋳鉄の製造方法。