JP6364219B2

JP6364219B2 - 鋳鉄鋳物とその製造方法

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Publication number: JP6364219B2
Application number: JP2014082780A
Authority: JP
Inventors: 和樹藤尾; 西川　進; 進西川
Original assignee: Kogi Corp
Current assignee: Kogi Corp
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2034-04-14
Also published as: JP2015203138A

Description

本発明は鋳鉄鋳物とその製造方法に関する。

高硬度で耐摩耗性、耐肌荒れ性を必要とする厚肉鋳物として、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｂなどを含有させた鋳鉄鋳物が従来から提供されている。

例えば下記特許文献１には、熱間圧延用複合ロールの外層材としてＣ、Ｓｉの他、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂを含有するハイス系鋳鉄を用い、これを一旦加熱してオーステナイト化した後、２００〜３００℃に焼入れし、その後５００〜５５０℃で各１０時間の焼戻しを複数回繰り返して、マルテンサイト又はベイナイトと２次炭化物析出させた組織とし、硬度を８０Ｈｓ以上とするものが開示されている。
また本出願人の以前の出願に係る下記特許文献２には、鋳鉄鋳物の製造方法としてＣ、Ｓｉの他、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖを含有する鋳鋼を用い、これを一旦加熱してオーステナイト化した後、冷却し、４５０〜５４０℃で２０〜１４０時間保持した後、常温まで冷却することで、基地の８０％以上をマルテンサイト相とし、硬度を７４Ｈｓ以上とするものが開示されている。

特開２００６−２８９３９１号公報特開２０１３−２２７５９８号公報

しかしながら上記特許文献１の発明においては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの他にＷ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂを含有させる必要があること、焼入れによる割れを防ぐために比較的冷却速度の遅い焼入れを行うことに伴って、残留オーステナイトが多くなるので、複数回に及ぶ焼戻し処理を行って、組織の改善と硬度向上を行わなければならないという問題があった。
また上記特許文献２の発明においては、成分組成的にはＶが入っていること、また熱処理的には４５０〜５４０℃で２０〜１４０時間保持することで残留オーステナイトを減らしているが、２０時間以上の保持時間は長く、コスト高となる。

そこで本発明は上記従来の問題点を解消し、焼割れが生じ難く、且つ複数回に及ぶ焼戻し処理や焼入れ途中に残留オーステナイトを減らすための長時間の保持を行わなくても、マルテンサイト相が多く且つ残留オーステナイト相が少なく、よって所定の高硬度で、耐摩耗性に優れ、厚肉鋳物に適した鋳鉄鋳物とその製造方法の提供を課題とする。

上記課題を解決する本発明の鋳鉄鋳物は、重量％で、Ｃ：１．０〜２．５％、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｎｉ：１．０〜３．０％、Ｃｒ：５．０〜９．０％、Ｍｏ：０．９〜２．５％、を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、基地中に８０％以上のマルテンサイト相と２０％未満の残留オーステナイト相を含むと共に、金属炭化物が５〜３０％の面積率で分散した組織からなり、且つ硬度が７４Ｈｓ以上であることを第１の特徴としている。
また本発明の鋳鉄鋳物は、上記第１の特徴に加えて、重量％で、Ｃ：１．２〜２．３％、Ｓｉ：０．４〜１．３％、Ｍｎ：０．４〜１．３％、Ｎｉ：１．０〜２．５％、Ｃｒ：５．５〜８．５％、Ｍｏ：０．９〜２．４％、を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、基地中に８５％以上のマルテンサイト相と１５％未満の残留オーステナイト相を含むと共に、金属炭化物が５〜３０％の面積率で分散した組織からなり、且つ硬度が７４〜８７Ｈｓであることを第２の特徴としている。
また本発明の鋳鉄鋳物は、上記第１又は第２の特徴に加えて、肉厚が１００ｍｍ以上の厚肉部分を有することを第３の特徴としている。
また本発明の鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記第１〜第３の特徴の何れかに記載の鋳鉄鋳物の製造方法であって、予め成分組成を調整してなる鋳造物を９５０〜１１００℃まで加熱してオーステナイト化した後、冷却速度を１０〜４３℃／分として、４５０〜５４０℃にまで冷却し、その温度で２０時間未満の短時間保持した後若しくは保持することなく、常温まで冷却するようにしたことを第４の特徴としている。
また本発明の鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記第４の特徴に加えて、予め成分組成を調整してなる鋳造物を９７０〜１０８０℃まで加熱してオーステナイト化した後、冷却速度を１３〜３１℃／分として、４７０〜５２５℃まで冷却し、その温度で２０時間未満の短時間保持した後若しくは保持することなく、常温まで冷却するようにしたことを第５の特徴としている。
また本発明の鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記第５の特徴に加えて、予め成分組成を調整してなる鋳造物を９９０〜１０６０℃まで加熱してオーステナイト化した後、冷却速度を１６〜２３℃／分として、４９０〜５１０℃まで冷却し、その温度で２０時間未満の短時間保持した後若しくは保持することなく、常温まで冷却するようにしたことを第６の特徴としている。

請求項１に記載の鋳鉄鋳物によれば、そこに示された成分組成、相構成、硬度構成により、Ｎｉは含むが、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｂを含まない合金鋳鉄鋳物として、焼割れが生じ難く、また複数回に及ぶ焼戻し処理を行わなくても、残留オーステナイト相を十分に少なく且つマルテンサイト相を十分に多くし、且つ金属炭化物を５〜３０％の面積率で分散させることで、所望の高硬度で、耐摩耗性に優れ、厚肉鋳物にも適した鋳鉄鋳物を現に提供することができる。
また請求項２に記載の鋳鉄鋳物によれば、上記請求項１の構成による作用効果に加えて、成分組成、相構成、硬度構成をより好ましい範囲に限定することで、より焼割れが生じ難く、複数回に及ぶ焼戻し処理を行わなくても、残留オーステナイト相がより少なく且つマルテンサイト相がより多く、よってより高硬度で、耐摩耗性に優れ、厚肉鋳物にも適した鋳鉄鋳物を安定して提供することができる。
また請求項３に記載の鋳鉄鋳物によれば、上記請求項１又は２の構成による作用効果に加えて、肉厚が１００ｍｍ以上の厚肉部分を有する鋳鉄鋳物においても、所望の高硬度で耐摩耗性に優れた厚肉鋳物とすることができる。

また請求項４に記載の鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項１〜３の何れかに記載の鋳造鋳物の製造方法であって、予め成分組成を調整してなる鋳造物を９５０〜１１００℃まで加熱してオーステナイト化した後、冷却速度を１０〜４３℃／分として、４５０〜５４０℃にまで冷却し、その温度で２０時間未満の短時間保持した後若しくは保持することなく、常温まで冷却するようにしたので、
焼戻し処理を複数回繰り返すような熱処理を行うことなく、短時間の熱処理で、焼割れが生じ難く、残留オーステナイト相が少なく且つマルテンサイト相が多く、よって高硬度で、耐摩耗性に優れ、厚肉鋳物にも適した鋳鉄鋳物を現に製造することができる。
また請求項５に記載の鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項４に記載の構成による作用効果に加えて、製造条件をより好ましい条件に限定することで、より短時間の熱処理で、より安定して確実に、焼割れが生じ難く、厚肉鋳物に適した鋳鉄鋳物を提供することができる。
また請求項６に記載の鋳鉄鋳物の製造方法によれば、上記請求項５に記載の構成による作用効果に加えて、製造条件を更に好ましい条件に限定することで、一層短時間の熱処理で、更に安定して確実に、焼割れが生じ難く、厚肉鋳物にも適した鋳鉄鋳物を提供することができる。

本発明の実施形態に係る製造方法を説明する図である。

本発明の鋳鉄鋳物とその製造法について、まず使用する鋳鉄材料の成分組成における各成分元素の含有範囲の限定理由を以下に説明する。

Ｃの含有量は、１．０〜２．５重量％とする。
ＣはＣｒ、Ｍｏと結合して、高硬度な炭化物を形成するのに有効である。１．０重量％未満では所望の硬さが得られない。一方、２．５重量％を超えると靭性が低下し、且つ冷却の遅い厚肉鋳物では焼入れ性が低下する。
Ｃの含有量は、硬度、靱性、焼入れ性を考慮して、１．２〜２．３重量％がより好ましく、更に好ましくは１．５〜２．０重量％とする。

Ｓｉの含有量は、０．２〜１．５重量％とする。
Ｓｉは、溶湯の脱酸と鋳造性を改善するために０．２重量％以上必要である。１．５重量％を超えると、靭性が低下する。
Ｓｉの含有量は、脱酸能、鋳造性、靱性を考慮して、０．４〜１．３重量％がより好ましく、更に好ましくは０．６〜１．１重量％とする。

Ｍｎの含有量は、０．２〜１．５重量％とする。
Ｍｎは溶湯の脱酸脱硫のために０．２重量％以上必要である。また１．５重量％を超えると靭性が低下する。
Ｍｎの含有量は、脱酸脱硫、靱性を考慮して、０．４〜１．３重量％がより好ましく、更に好ましくは０．６〜１．１重量％とする。

Ｎｉの含有量は、０．５〜３．０重量％とする。
Ｎｉは焼入れ性を向上させ、焼入れ中の保持時間が短くても所定の焼入れを容易に行うことができる。このため保持時間が短くても所定の焼入れ硬化を得ることができる。０．５重量％未満では焼入れ性の効果が得られない。一方、３．０重量％を超えると、Ｎｉはオーステナイトを安定にする効果があるため、焼入れ後に残留オーステナイト相が増え、硬度が低下する。
Ｎｉの含有量は、焼入れ性の向上と残留オーステナイト相の増加防止を考慮して、１．０〜２．５重量％がより好ましく、更に好ましくは１．５〜２．０重量％とする。

Ｃｒの含有量は、５．０〜９．０重量％とする。
Ｃｒは共晶炭化物を形成し、硬さを高める効果がある。一部は基地中に固溶して焼入れ性を向上させる。５．０重量％未満では前述の効果が得られない。また９．０重量％を超えると共晶炭化物が多すぎ、靭性を劣化させる。
Ｃｒの含有量は、焼入れ性、靱性を考慮して、５．５〜８．５重量％がより好ましく、更に好ましくは６．０〜８．０重量％とする。

Ｍｏの含有量は、０．８〜２．５重量％とする。
Ｍｏは基地中に固溶して焼入れ性を向上させ、焼戻し軟化抵抗を増す。０．８重量％未満では前述の効果が得られない。また２．５重量％を超えると基地中への固溶は飽和し、共晶炭化物が靭性を劣化させる。
Ｍｏの含有量は、焼入れ性、焼戻し軟化抵抗、靱性を考慮して、より好ましくは０．９〜２．４重量％、更に好ましくは１．０〜２．３重量％、特に好ましくは１．０〜２．０重量％とするのがよい。

本発明の成分組成において、得られる鋳物中に生じる金属炭化物は、クロム炭化物（Ｃｒ_７Ｃ_３）、モリブデン炭化物（Ｍｏ_２Ｃ）、鉄炭化物（Ｆｅ_３Ｃ）である。これらの金属炭化物の合計は、面積率で５〜３０％の範囲とする。３０％を超えると鋳物の靭性が悪くなる。また５％未満では、耐摩耗性が悪くなる。
金属炭化物の合計は面積率で、好ましくは８〜２５％、更に好ましくは１０〜２０％の範囲がよい。

次に上述の成分組成の鋳鉄材料を用いた鋳造鋳物の製造方法について説明する。
製造方法は、図１に示す熱処理図を参照して、上述の成分組成に調整した鋳鉄材料からなる鋳造物を用い、これを９５０〜１１００℃の温度に加熱してオーステナイト化した後、冷却速度を１０〜４３℃／分として、４５０〜５４０℃まで冷却し、その温度で１４０時間未満の短時間保持した後、若しくは保持することなく、放冷して常温まで冷却する。
このような熱処理により、割れが生じ難く、また残留オーステナイト相が少なく且つマルテンサイト相が多い組織となって、高硬度で、耐摩耗性に優れ、厚肉鋳物にも適した鋳鉄鋳物を安定して得ることができる。また複数回の焼戻し処理等を行うことなく、残留オーステナイト相を低減し、マルテンサイト相の多い組織を得ることができる。

上記の製造方法において、得られる鋳鉄鋳物の基地中におけるマルテンサイト相は８０％以上を占めるようにする。その一方、残留オーステナイト相は２０％未満となるようにする。
マルテンサイト相が８０％未満の場合は、７４Ｈｓ以上の硬度を得ることが難しくなる。勿論、残留オーステナイト相が２０％以上となる場合は、マルテンサイト相が８０％を下回り、所望の硬度を得ることができない。
マルテンサイト相は、好ましくは８５％以上とし、更に好ましくは９０％以上になるようにするのが良い。この場合において、残留オーステナイト相は、それぞれ１５％未満、１０％未満となるようにする。このようにすることで、硬度を確実に７４〜８７Ｈｓにすることができる。

前記加熱温度が９５０℃未満では基地中のＣ濃度が低下し、硬さが低下する。更に基地中のＣｒ、Ｍｏ濃度も低下し、焼入れ性が悪くなる。一方、１１００℃を超える温度では合金濃度が濃化した部分が溶融し、変形し易くなる。
加熱温度は、基地中のＣ、Ｃｒ、Ｍｏ濃度等を考慮して、９７０〜１０８０℃が好ましく、更に好ましくは９９０〜１０６０℃とする。
加熱時間は２〜５時間とすることができる。しかし、この時間に限定されるものではなく、加熱によってオーステナイト化できればよい。

前記加熱後の冷却保持温度が４５０℃未満ではベイナイト変態が起こり易くなり、硬度が低下する。一方、冷却保持温度が５４０℃を越えるとパーライト変態が起こり易くなる。
前記加熱後の冷却保持温度は、マルテンサイト化を考慮して、４７０〜５２５℃が好ましく、更に好ましくは４９０〜５１０℃とする。

前記加熱温度から冷却保持温度までの冷却速度は、加熱温度９５０〜１１００℃から冷却保持温度４５０〜５４０℃までの冷却を、１５〜４０分、即ち冷却速度を４３℃／分〜１０℃／分で行う。
加熱後の冷却速度が４５０℃まで１５分、即ち４３℃／分より早いと、急激な熱収縮により割れる可能性が高い。一方、５４０℃まで４０分、即ち１０℃／分より遅いと、パーライト変態が起こり、硬さが低下する。
加熱後の冷却速度は、速度が速すぎる場合の冷却時の割れ、遅すぎる場合のパーライト変態の発生を考慮して、加熱温度９７０〜１０８０℃から冷却温度４７０〜５２５℃までの冷却を、２０〜３５分、即ち冷却速度３１℃／分〜１３℃／分で行うのがより好ましい。
更に好ましくは、加熱温度９９０〜１０６０℃から冷却保持温度４９０〜５１０℃までの冷却を、２５〜３０分、即ち冷却速度２３℃／分〜１６℃／分で行うのがよい。

前記冷却保持温度での保持時間は０時間でもよい。０時間でも硬度を７４Ｈｓ以上とすることができる。
冷却保持時間が１４０時間を超えるとパーライト変態が生じ、硬さが低下して好ましくない。保持時間を１４０時間以内とすることで、硬度が７４〜８７Ｈｓ程度の鋳鉄鋳物を得ることができる。
一般的には、上記した冷却保持温度での保持時間が短い場合には、ＣｒやＭｏ等による金属炭化物の析出、成長が少なくなることから、冷却保持温度におけるオーステナイト相中の炭素量の低下が少なくなり、その分だけマルテンサイト変態が起こり難く、残留オーステナイトが多く残る傾向となる。が、本発明の場合には、成分組成の調整により、２０時間未満の保持時間としても、８０％以上のマルテンサイト相と２０％未満の残留オーステナイト相からなる硬度が７４Ｈｓ以上の鋳鉄鋳物を得ることができるのである。
保持時間は、２０時間未満とする。０時間でもよい。本発明では２０時間未満の保持時間でも硬度が７４Ｈｓ以上を達成できる。

熱処理後に得られる鋳造鋳物の基地組織は、マルテンサイト相が８０％以上、残りが残留オーステナイト相、ベイナイト相、その他となる。ベイナイト相、その他は量が少ない。ベイナイト相は保持温度での保持後の冷却の際に発生することがあるが、その量はごく僅かである。
一方で、上記した金属炭化物が分散した組織となる。
このような組織バランスと成分組成を持つことで、硬度が７４Ｈｓ以上で、高硬度で、耐摩耗性に優れ、肉厚が１００ｍｍ以上の厚肉鋳物にも適したものとなる。

実施例１〜４、比較例１〜１６の各鋳鉄材料を、表１に示すような成分組成となるように鋳造した。その後、基地組織と硬度調整のため、図１と表２に示す熱処理を施した。
実施例１〜４、比較例１〜１６と熱処理パターンＡ〜Ｎの組み合わせによって得られた鋳鉄鋳物の硬度（Ｈｓ）の測定結果を表３〜表６に示す。

前記実施例１〜４のうち、実施例３は成分組成がより好ましい範囲にあり、実施例２は成分組成が更に好ましい範囲にある。
前記比較例１〜１６は、何れも成分組成が本発明の成分組成には入っていない。
また熱処理パターンＡ〜Ｎのうち、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｍ、Ｎは本発明の製造方法において用いる熱処理の条件に合致しているが、一方、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌは本発明の製造方法において用いる熱処理の条件に合致していない。
表３〜表６において、実施例１〜４、比較例１〜１６で硬さを表記していないものは、一部変形が起こっているか、クラックが入っており、「×」と判定した。

Claims

重量％で、
Ｃ：１．０〜２．５％、
Ｓｉ：０．２〜１．５％、
Ｍｎ：０．２〜１．５％、
Ｎｉ：１．０〜３．０％、
Ｃｒ：５．０〜９．０％、
Ｍｏ：０．９〜２．５％、
を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、
基地中に８０％以上のマルテンサイト相と２０％未満の残留オーステナイト相を含むと共に、金属炭化物が５〜３０％の面積率で分散した組織からなり、且つ硬度が７４Ｈｓ以上であることを特徴とする鋳鉄鋳物。
重量％で、
Ｃ：１．２〜２．３％、
Ｓｉ：０．４〜１．３％、
Ｍｎ：０．４〜１．３％、
Ｎｉ：１．０〜２．５％、
Ｃｒ：５．５〜８．５％、
Ｍｏ：０．９〜２．４％、
を含有し、残部がＦｅからなる成分組成を有し、
基地中に８５％以上のマルテンサイト相と１５％未満の残留オーステナイト相を含むと共に、金属炭化物が５〜３０％の面積率で分散した組織からなり、且つ硬度が７４〜８７Ｈｓであることを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄鋳物。
肉厚が１００ｍｍ以上の厚肉部分を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳鉄鋳物。
請求項１〜３の何れかに記載の鋳鉄鋳物の製造方法であって、予め成分組成を調整してなる鋳造物を９５０〜１１００℃まで加熱してオーステナイト化した後、冷却速度を１０〜４３℃／分として、４５０〜５４０℃にまで冷却し、その温度で２０時間未満の短時間保持した後若しくは保持することなく、常温まで冷却するようにしたことを特徴とする鋳鉄鋳物の製造方法。
予め成分組成を調整してなる鋳造物を９７０〜１０８０℃まで加熱してオーステナイト化した後、冷却速度を１３〜３１℃／分として、４７０〜５２５℃まで冷却し、その温度で２０時間未満の短時間保持した後若しくは保持することなく、常温まで冷却するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の鋳鉄鋳物の製造方法。
予め成分組成を調整してなる鋳造物を９９０〜１０６０℃まで加熱してオーステナイト化した後、冷却速度を１６〜２３℃／分として、４９０〜５１０℃まで冷却し、その温度で２０時間未満の短時間保持した後若しくは保持することなく、常温まで冷却するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の鋳鉄鋳物の製造方法。