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JP2001321917A - 厚肉球状黒鉛鋳鉄品の製造方法 - Google Patents

厚肉球状黒鉛鋳鉄品の製造方法

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JP2001321917A
JP2001321917A JP2000147782A JP2000147782A JP2001321917A JP 2001321917 A JP2001321917 A JP 2001321917A JP 2000147782 A JP2000147782 A JP 2000147782A JP 2000147782 A JP2000147782 A JP 2000147782A JP 2001321917 A JP2001321917 A JP 2001321917A
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cooling
cast iron
cooling device
molten metal
water
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JP2000147782A
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Hiroshi Awajiya
浩 淡路谷
Masayuki Nakada
正之 中田
Keiichi Yomo
慶一 四方
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Nippon Chuzo Co Ltd
JFE Engineering Corp
Original Assignee
Nippon Chuzo Co Ltd
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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  • Refinement Of Pig-Iron, Manufacture Of Cast Iron, And Steel Manufacture Other Than In Revolving Furnaces (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製品形状に自由度を持ち、しかも、優れた品
質を有する厚肉球状黒鉛鋳鉄品を製造する。 【解決手段】 C:3.0〜4.0%、Si:2.0〜
3.0%、Mn:0.3%以下、P:0.05%以下、
S:0.02%以下、Mg:0.03〜0.06%(以
上、質量%)を含有する鉄系合金溶湯を、通水により冷
却可能な冷却装置を内設した砂型に注湯し、前記冷却装
置に通水することによって、溶湯を強制冷却することに
よって、溶湯を強制冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、厚肉球状黒鉛鋳
鉄品の製造方法、特に、製品形状に自由度を持ち、しか
も、優れた品質を有する厚肉球状黒鉛鋳鉄品の製造方法
に関するものである。
【0002】
【従来技術】ねずみ鋳鉄は、溶湯中にC、Siを多く含
有するために鋳造性が良好で、しかも、鉄基地中に黒鉛
が分布することにより快削性、制振性に優れている等の
特性を有している、経済性と機能性に富む材料である。
【0003】しかし、黒鉛が片状であるために強度と靭
性が鋼に比べて大幅に劣る。一方、鋳鉄の溶湯にMg等
の黒鉛球状化元素を添加して製造される球状黒鉛鋳鉄
は、鋳鉄の特性を有しながら、鋼に近い強度と靭性を示
す優れた材料である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、肉厚が
200mmを超えるような厚肉球状黒鉛鋳鉄品を砂型に
よって鋳造する場合、鋳型に注湯してから凝固が完了す
るまでの凝固時間が長いために、黒鉛球状化処理および
接種処理の効果が時間の経過とともに減衰してしまい、
球状黒鉛が粗大化および形状悪化を来して品質が大幅に
低下してしまう恐れがあった。
【0005】更に、溶湯成分を厳重に管理しないと、チ
ャンキー黒鉛と呼ばれる厚肉球状黒鉛鋳鉄に特有の微粒
状黒鉛が発生して、鋳造品の強度、靭性および外観を著
しく悪化させてしまう。
【0006】上述した問題は、凝固時間が長いことが主
な原因である。凝固時間を短縮する技術としては、冷し
金を用いる方法が広く採用されている。この方法は、砂
型中において鋳鉄製または鋼製のブロックを溶湯に直接
または間接的に当てて、鋳物を冷却する方法である。
【0007】ところが、厚肉品は、保有する熱量が莫大
であるので、それに見合う大きな冷し金を砂型内に設置
することは困難である。
【0008】特開平6−108147号公報には、銅合
金製の水冷金型に鋳込んで強制冷却を行う方法が開示さ
れている。しかし、この方法は、肉厚が比較的薄い製品
を対象に開発されたものであり、肉厚が200mmを超
えるような厚肉品への適用について十分に検討されてい
ない。また、金型鋳造は、砂型と異なり形状の複雑な製
品には適さない。
【0009】従って、この発明の目的は、製品形状に自
由度を持ち、しかも、優れた品質を有する厚肉球状黒鉛
鋳鉄品を製造することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明は、通水により
冷却可能な冷却装置を内設した砂型に溶湯を注ぎ、前記
冷却装置によって溶湯を強制冷却することによって凝固
時間を短縮し、かくして、球状黒鉛の微細化および黒鉛
形状の改善を図って品質を向上させるものである。しか
も、鋳型内に冷却装置を内設することによって、特定の
箇所のみを冷却することが可能となるので、この点から
も製品形状に対する自由度が大きくなる。即ち、この発
明は、下記を特徴とするものである。
【0011】請求項1記載の発明は、C:3.0〜4.
0%、Si:2.0〜3.0%、Mn:0.3%以下、
P:0.05%以下、S:0.02%以下、Mg:0.
03〜0.06%(以上、質量%)を含有する鉄系合金
溶湯を、通水により冷却可能な冷却装置を内設した砂型
に注湯し、前記冷却装置に通水することによって、溶湯
を強制冷却することに特徴を有するものである。
【0012】請求項2記載の発明は、前記球状黒鉛鋳鉄
品の肉厚は、200mm以上であることに特徴を有する
ものである。
【0013】請求項3記載の発明は、前記冷却装置は、
少なくとも溶湯に接する面から冷却水に接する面までの
部分が銅合金によって構成され、溶湯に接する面から冷
却水に接する面までの前記銅合金の厚さは、20〜80
mmであり、前記冷却装置には、前記銅合金と冷却水と
の間の平均熱伝達率が1200〜14000J/m2
s・Kとなるように通水することに特徴を有するもので
ある。
【0014】以下に、この発明における化学成分組成の
限定理由について説明する。
【0015】C:3.0〜4.0質量% C含有量が3.0質量%未満であると黒鉛粒数が減少し
てしまい、一方、4.0質量%を超えるとドロスが発生
し易くなる。従って、C含有量は、3.0〜4.0質量
%の範囲内に限定する。
【0016】Si:2.0〜3.0質量% Si含有量が2.0質量%未満であると、強制冷却して
急冷された際にチルが生成し易くなり、一方、3.0質
量%を超えると、ドロスの発生や靭性低下を招く。従っ
て、Si含有量は、2.0〜3.0質量%の範囲内に限
定する。
【0017】Mn:0.3質量%以下 Mnは、炭化物安定化元素であるが、多量に含まれると
チルが生成し易くするため、0.3質量%以下の範囲に
限定する。
【0018】P:0.05質量%以下 Pは、最終凝固部に偏析して鋳造品を脆化させる。この
現象は、厚肉品で特に顕著であるので、0.05質量%
の範囲に限定する。
【0019】S:0.02質量%以下 Sは、球状化阻害元素であり、厚肉品は、特にその作用
に敏感であるので、0.02質量%以下の範囲に限定す
る。
【0020】Mg:0.03〜0.06質量% Mgは、球状化促進元素であるが、0.03質量%未満
では、肉厚200mmを超える厚肉品の中心部まで十分
に黒鉛が球状化しない。一方、0.06質量%を超える
と、チルやドロスが発生し易くなる。従って、Mg含有
量は、0.03〜0.06質量%の範囲内に限定する。
【0021】次に、この発明において使用する冷却装置
を、図面を参照しながら説明する。
【0022】図1は、この発明において使用する冷却装
置を示す正面図、図2は、図1のA−A線断面図であ
る。
【0023】図1および図2に示すように、この発明に
おいて使用する冷却装置は、冷却装置本体1の内部に通
水路2が蛇行して形成され、砂型側の側面に、通水路2
に通じる銅合金製通水管3を取り付けたものからなり、
肉厚200mm以上の厚肉品に直接あるいは間接に当て
て、強制冷却を行なって製品の内部品質を向上させる。
なお、通水路2の出入り口に蓋をし、砂型に設置する
際、この蓋を外して、外部の通水管に接続するようにし
ても良い。
【0024】上記冷却装置において、少なくとも溶湯に
接する面から冷却水に接する面までの溶湯側部分(図1
中ハッチングで示す)は、冷却に有利なように、熱伝導
率の大きい銅合金により構成すると良い。なお、この例
では、通水路2の中心点を通る線を境に溶湯側部分4が
銅合金製、砂型側部分5がステンレス鋼製で作られてい
る。
【0025】溶湯に接する面から冷却水に接する面まで
の距離(L)が短いほど、熱抵抗が小さくなり、強制冷
却が効果的に行われるが、短すぎると注湯直後の溶湯側
の本体1の側面温度が過度に上昇して、冷却装置が損傷
する恐れがある。従って、距離(L)および溶湯側部分
4と冷却水との間の熱伝達率の選択が重要な要件とな
る。
【0026】この点について検討したところ、距離
(L)を20〜80mmの範囲内にし、且つ、冷却装置
本体1の銅合金と冷却水との間の平均熱伝達率が120
0〜14000J/m2・s・Kとなるように通水すれ
ば、製品の内部品質を向上させることができることが分
かった。
【0027】
【発明の実施形態】次に、この発明の厚肉球状黒鉛鋳鉄
の製造方法の一実施形態について説明する。
【0028】溶解炉中で鋳鉄溶湯を溶製して、球状化処
理及び接種処理を施し、この後、溶湯を上述した冷却装
置を内投した砂型に注湯する。注湯完了後、冷即装置に
通水して強制冷却を行い、かくして、肉厚200mm以
上の厚肉品の内部品質を向上させる。
【0029】黒鉛球状化処理とは、黒鉛を球状化させる
ために、黒鉛球状化促進元素であるMg、Ce、Ca等
を溶湯に添加する処理である。添加合金は、Fe−Si
−Mg合金が一般的に使用されており、この内の多くの
ものには、黒鉛球状化促進としてCe、Caが添加され
ている。
【0030】ところが、Ce、Caは、厚肉球状黒鉛鋳
鉄品では、チャンキー黒鉛の発生を促進するので、これ
らの元素が添加されていない合金を用いることが好まし
い。添加方法としては、取鍋底に添加合金を予め装入
し、ここに鋳鉄溶湯を流し込む置注ぎ法が最も一般的に
行われている。
【0031】接種処理とは、黒鉛粒数を増加させるため
に、Fe−Si合金、または、適当な合金を溶湯に少量
添加する処理である。厚肉品では凝固完了するまでの時
間が長く、その間に接種効果が減衰してしまうため、鋳
型に注湯する直前に行う後期接種が望ましい。この方法
としては、注湯直前にワイヤ状の接種合金を取鍋中に送
り込む方法、注湯時の湯流れ中に棒状の接種合金を湯で
洗わせる方法、鋳型の上の掛堰中で接種合金を添加する
方法が行われている。
【0032】
【実施例】次に、この発明の実施例について説明する。
【0033】砂型中に内設した冷却装置の効果を確認す
るために、大型ブロック材の鋳造試験を、以下のように
して行なった。
【0034】図2に示すように、冷し金無し鋳型、鋳鉄
製冷し金を内設した砂型および本願発明にかかる冷却装
置を内設した砂型の鋳型を用意して、幅400×高さ5
00×長さ700mmの寸法を有するブロック材を鋳造
した。
【0035】冷却装置は、図1および図2に示したよう
に、銅合金製の溶湯側部分4とステンレス鋼製の砂型側
部分5とからなり、その間に径38mmの通水路が蛇行
して形成されたものものを使用した。なお、溶湯に接す
る面から冷却水に接する面までの距離(L)は、31m
mであった。
【0036】次に、溶解炉で溶製した鋳鉄溶湯に、取り
鍋中でMg系の球状化処理を施した。溶湯の取鍋分析値
は、質量%で、C:3.57%、Si:2.12%、M
n:0.21%、P:0.015%、S:0.007
%、Mg:0.046%であつた。
【0037】次に、この溶湯にFe−Si合金を溶湯質
量に対して0.1%後期接種してから、用意した鋳型に
注湯した。このときの溶湯温度は、1330〜1340
℃の温度範囲内であった。注湯と同時に、銅合金製の溶
湯側部分4と冷却水との間の平均熱伝達率が約8000
J/m2・s・Kとなるように、冷却装置に972リッ
トル/分・m2で通水し、同時に、ブロック材の中心部
に熱電対を設置して凝固時間を測定した。そして、この
ようにして鋳造したブロック材の中央部から図4に示す
ように、組織観察用サンプルAと引張試験用Bとをそれ
ぞれ採取して組織観察と引張試験とを行った。
【0038】これらの試験結果を、表1および図5に示
す。
【0039】
【表1】
【0040】表1から明らかなように、冷し金無し砂型
の凝固特間は、280分であるのに対して、冷し金内設
鋳型の凝固時間は、これより短縮されて96分、そし
て、冷却装置内設鋳型の凝固時間は、更に、短縮されて
58分であった。凝固時間の短縮に伴って、黒鉛粒径が
小さくなり、この結果、黒鉛球状化率が増加して、引張
特性が向上した。そして、図5に示すように、チャンキ
ー黒鉛は、観察されなかった。
【0041】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、砂型を用いることによって、製品形状に自由度を持
たせることができ、即ち、金型に比べて複雑な形状の鋳
鉄品を製造することができ、しかも、通水可能な冷却装
置を砂型に内設して、溶湯を強制冷却することによっ
て、優れた内部品質を有する、肉厚200mm以上の厚
肉球状黒鉛鋳鉄品を容易に製造することができるといっ
た有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明において使用する冷却装置を示す正面
図である。
【図2】図1のA−A線断面図である。
【図3】冷し金無し鋳型、冷し金内設鋳型および冷却装
置内設鋳型を示す平面図である。
【図4】鋳造したブロックからの組織観察用サンプルお
よび引張試験用サンプルの採取位置を示す斜視図であ
る。
【図5】冷し金無し鋳型、冷し金内設鋳型および冷却装
置内設鋳型によって鋳造したブロックの中心部のミクロ
組織を示す断面図である。
【符号の説明】
1:冷却装置本体 2:通水路 3:通水管 4:溶湯側部分 5:砂型側部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中田 正之 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 四方 慶一 神奈川県川崎市川崎区白石町2番1号 日 本鋳造株式会社内 Fターム(参考) 4K014 BA01 BB06 BC12

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】C:3.0〜4.0%、 Si:2.0〜3.0%、 Mn:0.3%以下、 P:0.05%以下、 S:0.02%以下、 Mg:0.03〜0.06%(以上、質量%) を含有する鉄系合金溶湯を、通水により冷却可能な冷却
    装置を内設した砂型に注湯し、前記冷却装置に通水する
    ことによって、溶湯を強制冷却することを特徴とする、
    厚肉球状黒鉛鋳鉄品の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記球状黒鉛鋳鉄品の肉厚は、200m
    m以上であることを特徴とする、請求項1記載の、厚肉
    球状黒鉛鋳鉄品の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記冷却装置は、少なくとも溶湯に接す
    る面から冷却水に接する面までの部分が銅合金によって
    構成され、溶湯に接する面から冷却水に接する面までの
    前記銅合金の厚さは20〜80mmであり、前記冷却装
    置には、前記銅合金と冷却水との間の平均熱伝達率が1
    200〜14000J/m2・s・Kとなるように通水
    することを特徴とする、請求項1または2記載の、厚肉
    球状黒鉛鋳鉄品の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1313633C (zh) * 2005-05-17 2007-05-02 上海大学 汽车模具用空硬型合金球铁模具材料及其制备方法
JP2010509070A (ja) * 2006-11-10 2010-03-25 ネマク ディリンゲン ゲー・エム・べー・ハー 鋳物を鋳造する鋳型および該鋳型の使用方法
CN104289699A (zh) * 2014-08-18 2015-01-21 安徽惠明机械制造有限公司 一种生铁铸造的快速水冷的方法
CN115351258A (zh) * 2022-07-25 2022-11-18 哈尔滨理工大学 一种内嵌冷却水管型冷铁及其铸造方法和应用

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