特許 5669038 球状黒鉛鋳鉄管およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5669038

(24)【登録日】2014年12月26日

(45)【発行日】2015年2月12日

(54)【発明の名称】球状黒鉛鋳鉄管およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 37/04 20060101AFI20150122BHJP

   C21D 5/00 20060101ALI20150122BHJP

   B22D 13/02 20060101ALI20150122BHJP

   B22D 27/20 20060101ALI20150122BHJP

【ＦＩ】

   C22C37/04 D

   C21D5/00 T

   B22D13/02 501C

   B22D27/20 C

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2010-59248(P2010-59248)

(22)【出願日】2010年3月16日

(65)【公開番号】特開2011-190516(P2011-190516A)

(43)【公開日】2011年9月29日

【審査請求日】2013年2月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000142595

【氏名又は名称】株式会社栗本鐵工所

(74)【代理人】

【識別番号】100074206

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 文二

(74)【代理人】

【識別番号】100084858

【弁理士】

【氏名又は名称】東尾 正博

(74)【代理人】

【識別番号】100112575

【弁理士】

【氏名又は名称】田川 孝由

(72)【発明者】

【氏名】中本 光二

(72)【発明者】

【氏名】堤 親平

(72)【発明者】

【氏名】坂本 和也

(72)【発明者】

【氏名】中道 昇

(72)【発明者】

【氏名】道浦 吉貞

【審査官】 佐藤 陽一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−２６６０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０９５９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０５５７３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ３７／００−３７／１０

Ｃ２１Ｄ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＳｎとＣｕのうちの１種または両方をＳｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ＜０．０５０となる範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、基地組織におけるパーライトの面積率が６０〜８０％であり、基地組織中に晶出している黒鉛の粒数および平均粒径は、粒径３μｍ以下のものを除いて計測したときの粒数が５００個／ｍｍ^２以上、平均粒径が１５μｍ以下である球状黒鉛鋳鉄管。

【請求項2】

重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＳｎとＣｕのうちの１種または両方をＳｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ＜０．０５０となる範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成の溶湯を用いて、金型遠心鋳造により管状の半製品を鋳造し、この半製品に対して、９００〜１１００℃で５〜２５分保持した後、２０〜３０℃／分の冷却速度で６８０℃以下まで冷却し、さらに７００〜７２０℃で１５〜３０分加熱保持する熱処理を連続焼鈍炉で行うことにより、前記半製品を請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄管となす球状黒鉛鋳鉄管の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金型遠心鋳造により鋳造される球状黒鉛鋳鉄管（ダクタイル鋳鉄管）とその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的な球状黒鉛鋳鉄には、ＪＩＳ規格のFCD350、FCD400、FCD450等の高靭性タイプのものと、FCD600、FCD700、FCD800等の高強度タイプのものがあるが、球状黒鉛鋳鉄管に関しては、比較的強度と伸びのバランスのよいFCD450（引張強さ：４５０ＭＰａ以上、伸び：１０％以上）に相当する材質のものがよく使用される。

【0003】

ところで、上記FCD450相当の材質の球状黒鉛鋳鉄管を金型遠心鋳造により製造する場合は、通常、その鋳放し組織がパーライト主体の基地にセメンタイトと球状黒鉛が共存した斑組織であるため、鋳造後に連続焼鈍炉で下記のような熱処理（焼鈍）を施して、セメンタイトを分解するとともに基地組織をフェライト化することにより、所望の機械的性質が得られるようにしている。

【0004】

上記金型遠心鋳造後の熱処理は、まず、鋳造された管状の半製品をオーステナイト域（８７０℃以上）まで加熱し、セメンタイトを完全に分解して、オーステナイトの基地に黒鉛のみが晶出した組織とする。なお、このときには、加熱温度が高いほど短時間でセメンタイトの分解が可能である。その後、共析変態点付近（７００〜７５０℃程度）の温度域で一定時間保持するか、もしくは変態点付近を徐冷することにより、オーステナイトからフェライトを析出させる。このときには、保持時間が長いほど、あるいは冷却速度が遅いほどフェライト析出量が多くなる。そして、基地組織が完全にフェライト化して、フェライトの基地に黒鉛が分散した組織となった場合に、FCD450相当の材質が得られる。

【0005】

一方、近年では、FCD450よりも強度と伸びのバランスがよく、かつ安価に製造できる球状黒鉛鋳鉄管がユーザから強く求められている。そこで、本出願人は、球状黒鉛鋳鉄の基本的な化学成分に、パーライト安定化元素であるＳｎとＣｕのうち少なくとも１種を、０．０５０≦Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ≦０．０８９となる範囲で添加し、基地組織にパーライトを５０〜９０％の面積率で析出させて、基地組織をフェライトとパーライトからなる二相組織とするとともに、基地組織中に微細な黒鉛を多数晶出させることにより、FCD600と同等以上の引張強さとFCD450に匹敵する伸びを同時に達成する技術を提案した（特願２００９−３５３１４）。しかし、この技術では、ＳｎおよびＣｕの含有量の範囲が狭いためその管理が面倒であり、またこれらの成分のコストが高いという難点がある。

【0006】

また、砂型鋳造によって製造される球状黒鉛鋳鉄製品に対しては、鋳造した半製品をオーステナイト域まで加熱して一定時間保持した後、６０℃／分程度の冷却速度で急冷してオーステナイトからパーライトを析出させ、さらに６７０〜７６０℃で加熱保持する熱処理を行って、パーライトの一部からフェライトを生成させるとともに残りのパーライトの性状を調整することにより、高強度を確保しつつ伸びの改善を図る技術が提案されている（特許文献１参照。）。

【0007】

しかしながら、球状黒鉛鋳鉄製品が水道管等の管材である場合、その鋳造方法は砂型鋳造よりも冷却速度がかなり大きい金型遠心鋳造が中心となるため、上記特許文献１に記載の技術を適用することは困難である。すなわち、特許文献１の技術では鋳造時に基地組織にパーライトを生成する冷却速度で冷却されることが前提条件となっているが、それよりも冷却速度の大きい金型遠心鋳造を行った場合には、基地組織にセメンタイトが多く生成してしまうので、特許文献１に記載された熱処理を適用しても望ましい特性を得ることはできない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００３−５５７３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の課題は、高強度と高靭性を兼ね備え、容易かつ安価に製造できる球状黒鉛鋳鉄管とその製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の課題を解決するために、本発明の球状黒鉛鋳鉄管は、重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＳｎとＣｕのうちの１種または両方をＳｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ＜０．０５０となる範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、基地組織におけるパーライトの面積率が６０〜８０％であり、基地組織中に晶出している黒鉛の粒数が５００個／ｍｍ^２以上、平均粒径が１５μｍ以下であるものとした。

【0011】

ここで、パーライトの面積率とは、所定の大きさの視野において黒鉛を除いた基地組織の面積を１００％とした場合のパーライトの面積の割合（％）である。また、黒鉛の粒数および平均粒径は、粒径３μｍ以下のものを除いて計測した値である。

【0012】

すなわち、本発明では、基地組織におけるパーライト面積率を６０〜８０％となるように調整するとともに、基地組織中に微細な球状黒鉛を多数晶出させて組織を緻密化することにより、コストの高いＳｎやＣｕを多く添加しなくても、高強度と高靭性を同時に達成できるようにしたのである。

【0013】

次に、各合金元素の含有量を上記の範囲に限定した理由について説明する。

【0014】

Ｃは、本発明に必要な黒鉛量と鋳造性（溶湯の流動性）を確保するために、少なくとも３．２０％含むようにした。一方、含有量が４．００％を超えると、黒鉛の晶出が過剰になって高い強度が得られなくなるので、含有量の上限を４．００％とした。

【0015】

Ｓｉは、溶湯の流動性を高める作用や黒鉛の晶出を促進する作用を有するが、含有量が１．４０％未満ではこれらの作用による効果が十分に得られない。一方、含有量が３．００％を超えると、黒鉛の晶出が過剰になるとともに基地組織のパーライト化を抑える作用が大きくなって高強度が得られなくなるし、製品の外表面にピンホール等の荒れが発生しやすくなる。このため、含有量の範囲を１．４０〜３．００％とした。

【0016】

Ｍｎは、Ｓを固定して無害化する元素であり、その効果を十分に得るために少なくとも０．１０％含むようにした。しかし、過剰であれば伸びを低下させるので、含有量の上限を１．００％とした。

【0017】

Ｍｇは、黒鉛を球状化させるのに必要な元素であり、含有量が０．０２％未満では十分な効果が得られない一方、０．０８％を超えると効果の向上が少なくなるので、含有量の範囲を０．０２〜０．０８％とした。

【0018】

Ｃｒは、通常、不可避的に０．０１％以上含まれるが、含有量が０．２０％以下であればその影響は小さい

【0019】

ＳｎとＣｕはともにパーライト安定化元素であり、Ｃｕの効果はＳｎの約１／１０であることが知られている。しかし、基地組織におけるパーライトの面積率を６０〜８０％に調整するには、必ずしも多量に添加する必要はなく、Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ＜０．０５０となる範囲に含有量を抑えることにより、含有量の管理がしやすくなるとともに、コスト低減を図ることができる。

【0020】

上記各合金元素のほかには、Ｐ、Ｓ等の不可避的不純物が含有されるが、その含有量は少ないほどよい。例えば、Ｐは０．０８％以下、Ｓは０．０１５％以下とすることが好ましい。

【0021】

また、本発明の球状黒鉛鋳鉄管の製造方法は、重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＳｎとＣｕのうちの１種または両方をＳｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０ ＜０．０５０となる範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成の溶湯を用いて、金型遠心鋳造により管状の半製品を鋳造し、この半製品に対して、９００〜１１００℃で５〜２５分保持した後、２０〜３０℃／分の冷却速度で６８０℃以下まで冷却し、さらに７００〜７２０℃で１５〜３０分加熱保持する熱処理を連続焼鈍炉で行うことにより、前記半製品を上述した構成の球状黒鉛鋳鉄管となすものである。

【0022】

すなわち、上記溶湯を用いる金型遠心鋳造と上記条件の熱処理の組み合わせにより、パーライト面積率が６０〜８０％、かつ黒鉛の粒数が５００個／ｍｍ^２以上でその平均粒径が１５μｍ以下となり、高強度かつ高靭性の球状黒鉛鋳鉄管を容易に製造することができる。このとき、黒鉛粒数が５００個／ｍｍ^２を下回ると、上記熱処理を行う際にセメンタイトの分解に時間がかかり、また基地組織に含まれる固溶炭素の黒鉛化が遅れるため、上記範囲のパーライト面積率が得られにくくなるが、黒鉛粒数を５００個／ｍｍ^２以上とすることにより、この影響を小さくすることができる。

【発明の効果】

【0023】

上述したように、本発明の球状黒鉛鋳鉄管は、ＳｎおよびＣｕの含有量を抑えながら、基地組織におけるパーライトの面積率を６０〜８０％とし、基地組織中に微細な球状黒鉛を多く晶出させたものであるから、高強度と高靭性の両方の特性を有し、しかもＳｎやＣｕの含有量の管理が容易で成分コストの安いものとなっている。

【0024】

また、本発明の球状黒鉛鋳鉄管の製造方法は、ＳｎおよびＣｕの含有量を抑えた溶湯を用いて金型遠心鋳造を行った後、通常の連続焼鈍炉において所定の条件で熱処理を行うものであるから、熱処理設備の改造等を必要とせず、高強度かつ高靭性の球状黒鉛鋳鉄管を容易かつ安価に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】ａ〜ｃは、それぞれ実施形態の球状黒鉛鋳鉄管の材料組織の顕微鏡写真

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明の実施形態の球状黒鉛鋳鉄管の特性を確認するために行った実験について説明する。実験では、まず、実施形態の球状黒鉛鋳鉄管（実施例１〜３）を製造した。表１は実験に用いた溶湯の化学成分を示す。ここで、記載を省略した残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物（Ｐ：０．０４〜０．０６％、Ｓ：０．００２〜０．００５％を含む）からなる。なお、化学成分のデータは、それぞれの溶湯から作製した白銑試料を発光分光分析装置で分析した値である。

【0027】

【表1】

【0028】

最初に、表１の組成を有する溶湯をそれぞれ約１３００℃で遠心鋳造装置の円筒状金型に注湯して、厚さ約７．０ｍｍの管状の半製品（鋳放し管）を鋳造した。この鋳造の際には、注湯した溶湯を金型水冷により凝固させた後、凝固した管状体を金型から引き抜いて空冷した。

【0029】

そして、各鋳放し管を連続焼鈍炉で下記の条件で熱処理（二段焼鈍）することにより、製品としての球状黒鉛鋳鉄管に仕上げた。
（１段目焼鈍条件）
・加熱保持：９００〜１１００℃×５〜２５分
・冷却速度：２５〜３０℃／分（実施例１、２）、２０〜２５℃／分（実施例３）
・冷却温度：６５０℃程度（６８０℃以下）
（２段目焼鈍条件）
・加熱保持：７００〜７２０℃×１５〜３０分
・冷却速度：１〜８℃／分
・冷却温度：６００℃程度

【0030】

ここで、１段目の冷却速度は、冷却後の基地組織のほとんどがパーライトとなりフェライトが析出しないように設定したものである。このため、実施例１、２に比べてパーライト安定化元素であるＳｎおよびＣｕの含有量が多い（Ｓｎ（重量％）＋Ｃｕ（重量％）／１０の値が高い）実施例３では、１段目の冷却速度を実施例１、２よりも遅くしている。そして、２段目の加熱保持により、パーライトからある程度のフェライトを析出させるとともにパーライト性状を調整して、伸びの向上を図っている。

【0031】

このようにして製造した各実施例の鋳鉄管から試験片を採取し、それぞれについて材料組織の性状および機械的性質を調査した。その調査結果を表２、３に示す。また、図１は各実施例の材料組織の顕微鏡写真を示す。ここで、表２の材料組織の性状に関するデータは、いずれも管の厚さ方向中心部の画像解析により計測したもので、そのうちのパーライト面積率は所定の大きさの視野における基地組織の面積を１００％とした場合のパーライトの面積の割合であり、黒鉛面積率は所定の大きさの視野全体の面積を１００％とした場合の黒鉛の面積の割合である。また、黒鉛に関しては、いずれも粒径が３μｍ以下のものを除いて計測を行っている。

【0032】

【表2】

【0033】

【表3】

【0034】

図１（ａ）〜（ｃ）から、各実施例の基地組織はパーライトとフェライトからなる二相組織となっており、微細な黒鉛が多数晶出していることがわかる。そして、表２、３から明らかなように、各実施例のパーライト面積率は６０〜８０％で、黒鉛の粒数が６００個／ｍｍ^２以上、平均粒径が１３μｍ以下であり、いずれの例でも約６００ＭＰａの引張強さと１３％以上の伸びが確保されている。

【0035】

以上の結果から、各実施例の球状黒鉛鋳鉄管は、基地組織におけるパーライト面積率を６０〜８０％に調整するとともに、冷却速度の大きい金型遠心鋳造と適切な条件の熱処理とを組み合わせて、基地組織中に微細な黒鉛を多数晶出させることにより、ＳｎやＣｕの含有量を低く抑えても、FCD600と同等の引張強さとFCD450よりも高い伸びを有する、高強度かつ高靭性のものとなり、容易かつ安価に製造できることが確認された。

【図1】