特開 2024-120512 球状黒鉛鋳鉄製鋳物の製造方法及びその製造方法に用いる鋳型

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024120512

(43)【公開日】2024-09-05

(54)【発明の名称】球状黒鉛鋳鉄製鋳物の製造方法及びその製造方法に用いる鋳型

(51)【国際特許分類】

   B22D 27/04 20060101AFI20240829BHJP

   B22C 9/02 20060101ALI20240829BHJP

【ＦＩ】

B22D27/04 E

B22C9/02 103H

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023027351

(22)【出願日】2023-02-24

(71)【出願人】

【識別番号】391012796

【氏名又は名称】ヨシワ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121728

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 勝守

(74)【代理人】

【識別番号】100227695

【弁理士】

【氏名又は名称】有川 智章

(72)【発明者】

【氏名】中村 綜一

(72)【発明者】

【氏名】阪谷 岳洋

(57)【要約】

【課題】本発明では、砂型鋳物を鋳放した状態でも、強い引張強さと高い伸び特性とを両立した球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を得る鋳造方法及びその鋳型を得ることを目的とする。
【解決手段】球状黒鉛製の鋳物を鋳造する鋳物の製造方法は、鋳型１０のキャビティ４０に溶湯を注湯する前に、水槽２０内に冷却水を貯留するとともに、所定量の冷却水を注水かつ排水して水槽２０内の冷却水を入れ替えながら冷却水で冷却壁Ｋを介して砂型３０を冷却する状態とし、水槽２０の冷却水を入れ替えながら砂型３０を冷却する状態でキャビティ４０に溶湯を注湯し、鋳型１０内で球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を鋳造する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋳物砂を用いて内面側に鋳物用のキャビティを形成した砂型と、
該砂型の外面側に設けられ、内部に冷却水を貯留する水槽と、
該水槽内に冷却水を注水する注水口と、
該水槽内の冷却水を排水する排水口と、を備え、
該砂型に接触する該水槽の側壁が、該水槽の冷却水が直接該砂型に接触することを防止し、且つ該水槽の該冷却水で該砂型を冷却する冷却壁を構成している鋳型、を用いて球状黒鉛製の鋳物を鋳造する鋳物の製造方法において、
該鋳型の該キャビティに溶湯を注湯する前に、該水槽内に該冷却水を貯留するとともに、所定量の冷却水を注水かつ排水して該水槽内の該冷却水を入れ替えながら、該冷却水で該冷却壁を介して該砂型を冷却する状態とし、
該水槽の該冷却水を入れ替えながら該砂型を冷却する状態で、該キャビティに該溶湯を注湯し、該鋳型内で球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を鋳造することを特徴とする鋳物の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載の鋳物の製造方法において、
該砂型、該冷却壁及び該水槽の厚さを同じ断面で比較すると、該水槽、該砂型及び該冷却壁の順番で薄くなっていることを特徴とする鋳物の製造方法。

【請求項3】

請求項１に記載の鋳物の製造方法において、
該冷却水が、常温以下の冷却水であることを特徴とする鋳物の製造方法。

【請求項4】

請求項１に記載の鋳物の製造方法において、
該鋳物砂は生砂、自硬性鋳物砂、ガス硬化性鋳物砂またはシェル砂であることを特徴とする鋳物の製造方法。

【請求項5】

鋳物砂を用いて内面側に鋳物用のキャビティを形成した砂型と、
該砂型の外面側に設けられ、内部に冷却水を貯留する水槽と、
該水槽内に冷却水を注水する注水口と、
該水槽内の冷却水を排水する排水口と、
該砂型に接触する該水槽の側壁が、該水槽の冷却水が直接該砂型に接触することを防止し、且つ該水槽の該冷却水で該砂型を冷却する冷却壁を構成し、
該鋳型の該キャビティに溶湯を注湯する前から、該水槽内に該冷却水を貯留するとともに、所定量の冷却水を注水かつ排水して該水槽内の該冷却水を入れ替えながら該砂型を冷却させつつ、該キャビティに該溶湯を注湯中の間、該水槽内の該冷却水を入れ替えながら該砂型を介して該鋳物を冷却させるように該水槽への該冷却水の注水及び排水を制御する冷却水制御部と、を備えていることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を製造する鋳型。

【請求項6】

請求項５に記載の鋳型において、
該砂型、該冷却壁及び該水槽の厚さを比較すると、該水槽、該砂型及び該冷却壁の順番で薄くなっていることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を製造する鋳型。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、球状黒鉛鋳鉄製鋳物の製造方法及びその製造方法に用いる鋳型に関し、特に、機械的性質が優れた球状黒鉛鋳鉄製鋳物の製造方法及びその製造方法に用いる鋳型に関する。

【背景技術】

【0002】

製造プロセスの環境配慮として高強度かつ高延性を有する球状黒鉛鋳鉄を実現し、製品の軽量化に貢献することが指向されており、自動車部品等に使用される鋳鉄部品においても、軽量化設計を実現させるための機械的性質の向上が要求されている。例えば、球状黒鉛鋳鉄においては、ハイレベルで優れた強度と伸び特性とを兼備したものの必要性が高まってきている。

【0003】

一般に、球状黒鉛鋳鉄としては、ＪＩＳ規格のＦＣＤ３５０、ＦＣＤ４００、ＦＣＤ４５０などの高延性のものや、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、ＦＣＤ８００などの高強度のものが知られている。高延性タイプのＦＣＤ４５０は、引張強さが４５０ＭＰａ以上、伸びが１０％以上であり、また高強度タイプのＦＣＤ７００は、引張強さが７００ＭＰａ以上、伸びが２％以上である。このように、球状黒鉛鋳鉄では、強度および伸びの一方を増大させると他方が低減する傾向にあるため、引張強さと伸び特性を高いレベルで両立することは容易ではない。例えば、伸び特性が良好な高延性の球状黒鉛鋳鉄を用い、その鋳鉄の肉厚を厚くすることで強度不足を補うこと行われているが、基地組織が厚さ方向でバラツク問題や、厚肉化に伴う重量増大やコスト増大が懸念される。

【0004】

例えば、特開２００１－３２１９１７号公報では、球状黒鉛鋳鉄品を鋳造する鋳型として砂型を用い、砂型の中に冷却装置を埋め込んで設けている。この冷却装置では、鋳物に接触する鋳型面に銅合金製の部材が配置され、その後側に円筒形の冷却配管が蛇行して設けられている。砂型内に溶湯を注湯後、冷却配管に通水して銅合金製の部材を介して鋳物の冷却を促進することで、球状黒鉛の微細化など品質を改良することが開示されている。

【0005】

また、特開昭５９－１３５６５号公報では、砂型鋳造鋳型の一部に水冷チラーを配置して、鋳込み後この水冷チラーの背後に冷却水を流して強制冷却することで、この水冷チラーに接触する面から凝固させるようにした厚肉鋳鋼品の製造方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００１－３２１９１７号公報

【特許文献2】特開昭５９－１３５６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、上記特許文献１では、銅合金製の冷却部材に接触する部分とそうでない部分とで溶湯の冷却速度が異なり固化する時期が異なるために、鋳物の組織に偏析が生じ易く、強度や伸びなどの機械的強度がばらつくこととなり、安定した鋳物を得ることが難しい。また、凝固時間は鋳放し状態にして自然放冷する場合に比較して冷却時間が短くなっているが、引張強さが４１０ＭＰａ、伸びが２８．５％であり、伸びは良い結果を示すが、引張強さは不十分なものであり、要求レベルからするとまだ不十分であった。

【0008】

また、特許文献２では、鋳込み後に冷却チラーの背後に冷却水を流すものであり、冷却時間は、鋳放し状態にして自然放冷した鋳物よりも早く冷却されるが、冷却チラーに近い部分と遠い部分とで、鋳物が固化する時期が異なるために鋳物の組織に偏析が生じ易く、強度や伸びなどの機械的強度がばらつくこととなる。特に、冷却チラーに接触する部分は、急冷により高強度になるが延性が不足することとなる。

【0009】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、本発明では、砂型鋳物を鋳放した状態でも、強い引張強さと高い伸び特性とを両立した球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を得る鋳造方法及びその鋳型を得ることを目的とする。本発明において、「鋳放し」とは、熱処理を加えてない状態をいうものとする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の目的を達成するために、本発明は、砂型鋳物を鋳放しで冷却する際の冷却速度、特にＡ１変態点を通過するときの冷却速度を高速化することで、基地組織にフェライトとパーライトを混在させるとともに、その基地組織の性状を調整することにより、強い引張強さと高い伸び特性とを両立した球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を得る鋳造方法及びその鋳型を得るようにしたことを特徴とする。

【0011】

具体的には、請求項１の発明は、鋳物砂を用いて内面側に鋳物用のキャビティを形成した砂型と、該砂型の外面側に設けられ、内部に冷却水を貯留する水槽と、該水槽内に冷却水を注水する注水口と、該水槽内の冷却水を排水する排水口と、を備え、該砂型に接触する該水槽の側壁が、該水槽の冷却水が直接該砂型に接触することを防止し、且つ該水槽の該冷却水で該砂型を冷却する冷却壁を構成している鋳型、を用いて球状黒鉛製の鋳物を鋳造する鋳物の製造方法において、該鋳型の該キャビティに溶湯を注湯する前に、該水槽内に該冷却水を貯留するとともに、所定量の冷却水を注水かつ排水して該水槽内の該冷却水を入れ替えながら、該冷却水で該冷却壁を介して該砂型を冷却する状態とし、該水槽の該冷却水を入れ替えながら該砂型を冷却する状態で、該キャビティに該溶湯を注湯し、該鋳型内で球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を鋳造することを特徴とする。

【0012】

請求項２の発明は、請求項１の発明において、該砂型、該冷却壁及び該水槽の厚さを同じ断面で比較すると、該水槽、該砂型及び該冷却壁の順番で薄くなっていることを特徴とする。

【0013】

請求項３の発明は、請求項１の発明において、該冷却水が、常温以下の冷却水であることを特徴とする。

【0014】

請求項４の発明は、請求項１の発明において、該鋳物砂は生砂、自硬性鋳物砂、ガス硬化性鋳物砂またはシェル砂であることを特徴とする。

【0015】

請求項５の発明は、球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を製造する鋳型が、鋳物砂を用いて内面側に鋳物用のキャビティを形成した砂型と、該砂型の外面側に設けられ、内部に冷却水を貯留する水槽と、該水槽内に冷却水を注水する注水口と、該水槽内の冷却水を排水する排水口と、該砂型に接触する該水槽の側壁が、該水槽の冷却水が直接該砂型に接触することを防止し、且つ該水槽の該冷却水で該砂型を冷却する冷却壁を構成し、該鋳型の該キャビティに溶湯を注湯する前から、該水槽内に該冷却水を貯留するとともに、所定量の冷却水を注水かつ排水して該水槽内の該冷却水を入れ替えながら該砂型を冷却させつつ、該キャビティに該溶湯を注湯中の間、該水槽内の該冷却水を入れ替えながら該砂型を介して該鋳物を冷却させるように該水槽への該冷却水の注水及び排水を制御する冷却水制御部と、を備えていることを特徴とする。

【0016】

請求項６の発明は、請求項５の発明において、該砂型、該冷却壁及び該水槽の厚さを比較すると、該水槽、該砂型及び該冷却壁の順番で薄くなっていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

請求項１の発明では、溶湯を注湯する前から砂型を大量の冷却水で冷却しているので、高温の溶湯を注湯しても砂型を介して溶湯を冷却でき、溶湯の冷却速度を高速で安定的に保つことができ、高い引張強さ及び高い伸びの球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を得られる。

【0018】

請求項２の発明では、該砂型、該冷却壁及び該水槽の厚さを比較すると、該水槽、該砂型及び該冷却壁の順番で薄くなっており、且つ注湯する前から冷却水で砂型を冷却しているので、該水槽内を流れる冷却水の冷却温度が該冷却壁から該砂型に素早く伝わり砂型が安定して冷却され、高温の溶湯が注湯されても溶湯も安定して冷却できる。

【0019】

請求項３の発明では、冷却水が常温以下であり、高温の溶湯が注湯されても、冷却水も１００℃近くの高温になることを防止できる。

【0020】

請求項４の発明では、該鋳物砂は生砂、自硬性鋳物砂、ガス硬化性鋳物砂またはシェル砂など、各種の鋳物砂からなる砂型が適用できる。

【0021】

請求項５の発明では、球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を製造する鋳型が、鋳物砂を用いて内面側に鋳物用のキャビティを形成した砂型と、該砂型の外面側に設けられ、内部に冷却水を貯留する水槽と、該水槽内に冷却水を注水する注水口と、該水槽内の冷却水を排水する排水口と、該水槽への該冷却水の注水及び排水を制御する冷却水制御部とを備えているので、溶湯を注湯する前から砂型を大量の冷却水で冷却でき、高温の溶湯を注湯しても砂型を介して溶湯を冷却でき、溶湯の冷却速度を高速で安定的に保つことができ、高い引張強さ及び高い伸びの球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を得られる。

【0022】

請求項６の発明では、該砂型、該冷却壁及び該水槽の厚さを比較すると、該水槽、該砂型及び該冷却壁の順番で薄くなっており、鋳込む前から冷却水で砂型全体を冷却しているので、該水槽内を流れる冷却水の温度が該冷却壁から該砂型に素早く伝わり砂型が安定して冷却され、高温の溶湯が注湯されても溶湯も安定して冷却できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る鋳型を示す図２のI－I線における断面図である。

【図2】図２は、本発明の実施形態に係る鋳型を示す側面図である。

【図3】図３は、供試材のＹブロックを示す正面図である。

【図4】図４は、実施形態の冷却水循環経路を示す概略図である。

【図5】図５は、本発明の実施例及び比較例の成分組成を示す表である。

【図6】図６は、本発明の実施例及び比較例の特性を示す表である。

【図7】図７は、本発明の実施例及び比較例の引張強さと伸びの関係を示すグラフである。

【図8】図８は、本発明の実施例及び比較例の冷却温度と時間との関係を示すグラフである。

【図9】図９は、比較例の鋳型を示す正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。

【0025】

図１及び図２に基づいて、本発明の実施形態の鋳型を説明する。図１及び図２は、それぞれ本発明の実施形態に係る鋳型を示す正面図及び側面図である。

【0026】

本発明の実施形態に係る鋳型１０で製造される鋳物４１は、ＪＩＳ Ｇ ５５０２ Ｙ形ブロックＢ号である。「ＪＩＳ Ｇ ５５０２ Ｙ形ブロックＢ号」を以下では、「Ｙブロック」と称す。鋳型１０は、周囲を囲っている鉄板製の板材１１と、左右の板材１１の下側に設けられた水槽２０と、鉄板製の板材１１と水槽２０の内側に設けられた砂型３０とを備える。砂型３０は、鋳物砂を用いて内面側の空間に、図３に示すようなＹブロック４１を鋳造する鋳物用のキャビティ４０を形成している。砂型３０は、キャビティ４０の周囲、即ち板材１１及び水槽２０の内部側と、キャビティ４０の底に相当する部分に設けられ、キャビティ４０の上側が解放され、溶湯がキャビティ４０内に注湯されるようになっている。なお、溶湯の注湯時には、鋳型１０は、水槽２０の底面と砂型３０とが基板１２上に接触した状態で、複数並んで基板１２の上に載置される。

【0027】

水槽２０は、砂型３０の外面側に設けられ、内部に冷却水を貯留するようになっている。水槽２０内に冷却水を注水する注水口２２と水槽２０内の冷却水を排水する排水口２３とを備える。砂型３０に接触する水槽２０の側壁２２が、水槽２０の冷却水が直接砂型３０に接触することを防止し、且つ水槽２０の冷却水で砂型３０を冷却する冷却壁Ｋを構成している。

【0028】

水槽２０は、板材１１の左側面板１１ａ及び右側面板１１ｂの下側で、砂型３０の外側の位置にそれぞれ設けられ、Ｙブロック４１の下方柱部ｙ１を冷却するようになっている。以下では、一方の水槽２０のみ説明し、他方の水槽２０の説明を省略する。１５は、水槽２０を鋳型１０に取り付ける部材である。

【0029】

鋳型１０の外観寸法は、上幅Ｂ１：１０２ｍｍ、下幅Ｂ２：１４５ｍｍ、高さＨ：１５０ｍｍ、奥行きＤ：３１２ｍｍのほぼ直方体である。板厚Ｂ３：１６ｍｍの板材１１の内側に砂型３０が設けられている。キャビティ４０の寸法即ちＹブロック４１の寸法は、図２及び図３に示すように、下幅ａ：２５ｍｍ、上幅ｂ：５５ｍｍ、下方柱部ｙ１の高さｈ１：４０ｍｍ、上方柱部ｙ２の高さｈ２：１００ｍｍ、奥行きｄ：２５０ｍｍである。

【0030】

水槽２０の外寸法は、高さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、奥行き３１２ｍｍの直方体からなる。水槽２０の周囲は、板厚４．５ｍｍの鉄鋼製の側壁２１で囲まれている。水槽２０の容積は、高さ４１ｍｍＸ４１ｍｍＸ３０３ｍｍ＝５０９．３２３ｍｍ３である。側壁２１の外面側壁２１ａの前側端で下方位置に注水口２２が、外面側壁２１ａの後端で上方位置に排水口２３が設けられている。側壁２１の内面側壁２１ｂが厚さＲ１：４．５ｍｍの冷却壁Ｋを構成している。この冷却壁Ｋに対応する砂型３０の厚さＲ２は１０ｍｍで、キャビティ４０の厚さ（すなわち下幅）ａは２５ｍｍ、水槽２０の厚さＲ３は４１ｍｍである。本発明で「厚さ」とは、同じ高さ位置（図１に示す位置）で、水平方向の距離を測定した時の寸法のことを示す。

【0031】

冷却壁Ｋはできるだけ薄い方が砂型３０を速く冷却できるので好ましいが、薄過ぎると損傷して水漏れする恐れがあるので、２ｍｍ～１０ｍｍとすることが好ましい。

【0032】

また、砂型３０の厚さＲ２は、水槽２０の冷却水で素早く冷却され、鋳物４１を冷却するためには薄い方が良いが、薄過ぎると鋳型１０の形状を保持でき無くなるので、２ｍｍ～２０ｍｍとすることが好ましい。

【0033】

冷却壁Ｋは金属の板材としてできるだけ薄くし、砂型３０は鋳物４１の形状を維持する必要があるので所定の厚さを必要とする。そのために、相対的に冷却壁Ｋの厚さＲ１の方が砂型３０の厚さＲ２よりも薄くなっている。また、冷却水を貯水する水槽２０の厚さＲ３は、冷却壁Ｋの厚さＲ１や砂型３０の厚さＲ２よりも厚くなっており、冷却壁Ｋ及び砂型３０を素早く冷却できるようになっている。また、冷却水を貯水する水槽２０の厚さＲ３が薄過ぎると、注湯した時の高温の溶湯の温度が砂型３０及び冷却壁Ｋに伝わって冷却水に伝わるので、冷却水が高温になる恐れがある。冷却水の温度が上昇しても、７０℃～８０℃までとすることが好ましいので、水槽２０の厚さＲ３は砂型３０の厚さＲ２や冷却壁Ｋの厚さＲ１よりも厚くなっている。鋳物であるＹブロック４１の厚さａは製品により異なるが、本発明のＹブロック４１のように両側に水槽２０を設けて冷却する場合には、Ｙブロック４１の厚さａは、水槽２０の厚さＲ３より薄く砂型３０の厚さＲ２より厚くなっている。そのために、本発明では、お互いの厚さは、Ｒ１<Ｒ２<ａ<Ｒ３の関係になることが好ましい。

【0034】

図４に示すように、冷却水を貯留するタンク２４からポンプ２５を介して注水口２２に接続されて、冷却水が水槽２０に供給され、排水口２３から排水される冷却水がタンク２４に戻るようになっている。ポンプ２５に接続された冷却水制御部２６で、供給する冷却水の水量が制御されている。

【0035】

水槽２０には、一杯に冷却水が満たされており、注水口２２から注水する冷却水の水量と排水口２３から排水する水量が同じ量になっており、水槽２０では常時所定量の冷却水が入れ替わりながら、冷却壁Ｋを介して砂型３０を冷却し、砂型３０を介してキャビティ４０内の鋳物４１を冷却するようになっている。

【0036】

水槽２０の注水口２２及び排水口２３の内径は、水槽２０の厚さＲ３よりも小さいが、水槽の冷却水が短い時間で全て入れ替わるように通流することで、水槽２０の冷却水が１００℃近くの高温になることを防止している。また、溶湯を注湯する前から冷却水を通流しているので、１３００℃前後の溶湯を注湯しても、水槽２０の冷却水が沸騰するような高温になることが防止される。

【0037】

特に、本発明では、単に冷却水パイプに冷却水を通流して砂型を介して溶湯を冷却するものに比較して、冷却する冷却水量を多くできる即ち水槽２０の厚さを厚くできるので、高温の溶湯に対しても１００℃近くまで高温になることを防止でき、且つ素早く鋳物を冷却できる。

【0038】

実施形態では、水槽２０は、板材１１の左側面板１１ａ及び右側面板１１ｂの下側で、砂型３０の外側の位置にそれぞれ設けられているが、Ｙブロック４１の底面側や前後端側にも設けても良い。

【0039】

（鋳造方法）
実施形態では、鋳型１０のキャビティ４０に溶湯を注湯する前に、水槽２０内に冷却水を貯留するとともに、冷却水制御部２６を制御して、１５リットル/分の冷却水を水槽２０に注水すると共に同量排水するようにする。このようにして、冷却水を常時入れ替えながら冷却壁Ｋを介して砂型３０を冷却している状態とする。例えば、実施形態では、４秒で水槽２０の冷却水が全部入れ代わる水量となっている。

【0040】

この通流状態を持続して図１及び図２に示すキャビティ４０に溶湯を注湯する。具体的には、溶解炉（高周波炉、低周波炉）内で原料溶湯の成分を調整する。次に、溶解炉（図示省略）から取鍋（図示省略）へ注湯する際に、周知のサンドイッチ法等を用いて、原料溶湯に黒鉛球状化剤（Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｇ合金）を接種・添加する。なお、必要に応じて、接種材を取鍋内添加または注湯流接種する。

【0041】

取鍋内で鋳鉄溶湯に球状黒鉛粒子が生成された後、鋳鉄溶湯の表面に生成されたシリカなどの不要物（ノロ）を除去し、取鍋から鋳鉄溶湯をＹブロック形状に形成された砂型３０のキャビティ４０に注湯する。溶湯の注湯前から注湯中、注湯後も鋳物４１が適切な温度に冷却されるまで鋳型１０内で鋳鉄溶湯を冷却し続ける。

【0042】

水槽２０に冷却水を通流しながら、冷却壁Ｋ、砂型３０を介して鋳物４１を冷却することで、約１３００℃の溶湯を注湯しても、鋳物４１が滑らかな冷却曲線を描きながら冷却されつつ、Ａ１変態点を通過するときの冷却速度を速くできるので、冷却時間を短くできるだけでなく、球状黒鉛鋳鉄の黒鉛、パーライト及びフェライトの組織を安定することができて、引張強さ及び伸びに優れたものが得られる。

【0043】

なお、水槽２０の冷却水がすべて入れ替わる時間は例示であり、上記数値に限られるものでは無い。なお、冷却水の温度が、１００℃近くの温度になりそうであれば、冷却水制御部２６を制御して水量を増量し、逆に冷却水の温度がそれ程高くならない場合には、水量を少なくするなどの自動制御を行うようにしても良く、途中で水量を変更するようにしてもよい。これにより、鋳型１０内でＹブロックの球状黒鉛鋳鉄製鋳物４１を得ることができる。

【0044】

（成分組成）
以下に、本発明における化学成分組成について説明する。ここにいう質量％は、球状黒鉛鋳鉄全体を１００質量％とした場合の成分割合である（以下、同じ）。成分調整された原料溶湯の各元素の含有量と、取鍋内に配置される黒鉛球状化剤などの各添加元素の添加量とを合わせた総量が、本発明の球状黒鉛鋳鉄の成分組成となる。

【0045】

Ｃ含有量は、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３．０質量％含有することが好ましい。その一方で、含有量が高すぎると球状化不良組織が現れて強度が低下してしまうので、４．０質量％以下とすることが好ましい。

【0046】

Ｓｉ含有量が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確保するために、少なくとも２．０質量％含有し、その一方で、含有量が高すぎ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り、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ため、その上限を３．５質量％とすることが好ましい。

【0047】

Ｍｎは、パーライト安定化元素として強度向上に寄与するが、多量に含まれるとチルが生成し易くするため、０．５質量％以下の範囲とすることが好ましい。

【0048】

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、０．０２２質量％以下の範囲とすることが好ましい。

【0049】

Ｓは、球状化阻害元素であるので、０．０１５質量％以下の範囲とすることが好ましい。

【0050】

Ｃｕは、Ｍｎと同様にパーライトを安定的に存在させるのに有効な元素であるが、含有量を必要以上に高くしても、その効果には限界があるため、その上限を０．５質量％以下とすることが好ましい。

【0051】

Ｍｇは、黒鉛を球状化させるのに必要な元素であり、０．０２質量％未満では、黒鉛が球状化されにくく、引張強さを確保できず、０．０５質量％を超えると、引け巣や炭化物が現れやすくなってしまう。０．０２質量％～０．０５質量％以下とすることが好ましい。

【0052】

本発明では、球状黒鉛鋳鉄製鋳物は、鋳放し状態で引張強さ６５０ＭＰａ以上、伸び１０％以上となることが好ましい。引張強さ及び伸び特性の両方をハイレベルとするためには、砂型を用いた鋳型で鋳物の冷却速度を速くする、特にＡ１変態点を通過するときの冷却速度を速くすることが好ましい。

【0053】

Ｆｅ-Ｃ系平衡状態図でのＡ１変態点は、安定系(Ｆｅ-Ｃ)で７３８℃、準安定系(Ｆｅ-Ｆｅ３Ｃ)で７２７℃とされる。その両方を満たす範囲の速度を算出するために、本発明では、７３０℃±１５℃での間における平均冷却速度をＡ１変態点の冷却速度とした。本発明において、「Ａ１変態点の冷却速度」とは、以上に述べた冷却速度のことを言う。

【0054】

冷却速度が速くなるとパーライトが増加し、フェライト面積率が減少する。そのために、引張強さは、パーライト面積率即ち冷却速度に依存し、冷却速度が速くなると引張強さが高くなるものと予測される。

【0055】

従って、本発明では、Ａ１変態点を通過するときの冷却速度は、鋳放しで放冷した時に比較して２倍以上、例えば、Ｙブロックで比較するとテストブロックでは、０．５℃／ｓ以上とすることが好ましい。

【0056】

特に本発明では、砂型の外側に水槽を設け、溶湯を注湯する前から水槽に冷却水を流して砂型を大量の冷却水で冷却するとともに所定量の冷却水を入れ替える状態に維持しておき、その後高温の溶湯を注湯するので、高温の溶湯で砂型が急激に高温になることが防止でき、溶湯が滑らかな冷却曲線を描きながらかつ早く冷却されることになる。従って、Ａ１変態点を通過するときの冷却速度を速くでき、高い引張強さ及び高い伸びの球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を得られる。
特に、本発明では、引張強さが６５０ＭＰａ以上でかつ伸びが１０％以上の球状黒鉛鋳鉄製の鋳物を得られる。

【0057】

特に、本発明では、溶湯を注湯する前から砂型を冷却するので、高温の溶湯を注湯した時に、高温の溶湯が急激に冷却されて、その冷却部分がチル化することが懸念されるが、水槽とＹブロックの間に砂型が介在していることで、高温の溶湯が急激に冷却されることが防止できている。

【0058】

実施形態では、水槽に投入する冷却水として、通常工場で使用される水を使用したものであり、３０リットル/分である。しかし、本発明ではこの水量に限定されるものでは無い。実施形態では、常温以下の冷却水を使用した。尚、冷却水が高温の溶湯で１００℃近い温度になることを防止するためには、溶湯を注湯する前の冷却水の温度ができるだけ低い方が好ましいので、本発明では、冷却水は常温以下の冷却水であることが好ましい。

【0059】

本発明では、基地組織のフェライト組織の面積率が２５～６０％、パーライト組織の面積率が４０～７５％であることが好ましく、更には、フェライト組織の面積率が３０～５０％、パーライト組織の面積率が５０～７０％であることがより好ましい。冷却速度が速くなるとパーライト面積率が増加し、フェライト面積率が減少し、引張強さが高くなるので、パーライト組織の面積率を上記範囲とすることが好ましい。

【0060】

黒鉛球状化率は７０％以上、黒鉛の結晶粒数は１９０個／ｍｍ２～４００個／ｍｍ^２とすることが好ましい。黒鉛の平均粒径が２５μｍ以下であることが好ましい 。黒鉛球状化率が７０％未満であると、球状黒鉛鋳鉄のヤング率、疲労強度、延性がいずれも低下する。黒鉛面積率は上記範囲であると、疲労強度を高くしながら被削性の改善効果を十分に得ることができる。黒鉛の平均粒径が２５μｍ以下であると、微小な黒鉛が多く分布し、衝撃値特性が向上する。

【0061】

実施形態では、ＣＯ２法を用いて鋳物砂を造型したが、この造型方法に限られるものでは無く、他の鋳物砂の造型方法、例えば、生砂、自硬性鋳物砂、ガス硬化性鋳物砂またはシェル砂を使用することも可能である。

【実施例0062】

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【0063】

実施例１～８、及び比較例１及び２の成分組成は、図５に示す通りである。なお、図５において、残部（成分組成以外）はＦｅ及び不可避的不純物である。実施例１～８に使用する鋳型１０は、図１及び図２に示す実施形態のものを使用した。図３に示すように、Ｙブロック４１の斜線部から供試材を取り出した。図３に示すＹブロック４１の下方柱部ｙ１（斜線部分）から取り出した供試材を用いて各実施例１の特性を測定した。

【0064】

また、比較例１及び２の鋳型は、実施例１～８に使用した鋳型から水槽を取り除いた形状であって、図９に鋳型の概略を示す。鋳型１００の外観寸法は、幅：１２５ｍｍ、高さ：１５０ｍｍ、奥行き：３３０ｍｍの直方体であって、板厚：５ｍｍの金属プレートからなる板材１１０で周囲を囲っている。板材１１０の内側及び板材１１０の底に砂型３００を埋め込んだ。比較例１及び２のキャビティ４００は、実施例１～８のキャビティと同じ大きさである。砂型３００の内部には、ＪＩＳ Ｇ ５５０２ Ｙ形ブロックＢ号の鋳物を鋳造するキャビティ４００が設けられている。比較例１及び２のキャビティ４００は、実施例１～８のキャビティ４０と同じ大きさである。

【0065】

実施例１～８及び比較例１，２の鋳鉄溶湯を準備し、鋳鉄溶湯の温度を測定しながら、Ｙブロックの複数の鋳型に順次注湯した。その後、３００℃以下の温度まで鋳型内で冷却し、鋳型から鋳造品を取り出した。得られた鋳造品を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠した４号試験片をそれぞれ作製し、引張試験、伸び及び耐力を測定した。

【0066】

＜耐力（０．２％耐力）、引張強さ、伸び＞
ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠し、４号試験片を作製して室温（２３℃）において耐力（ＭＰａ）、引張強さ（ＭＰａ）及び伸び（％）を測定した。

【0067】

＜フェライト面積率＞
フェライト組織の面積率（％）は、鋳鉄の断面を光学顕微鏡により倍率１００倍で撮影し、撮影した組織写真の画像処理により、黒鉛を除いた組織を「パーライト＋フェライトの面積」として抽出し、黒鉛及びパーライトを除いた組織を「フェライトの面積」として抽出した。

【0068】

＜黒鉛粒数、黒鉛粒径、黒鉛球状化率、黒鉛面積率＞
供試材の断面を光学顕微鏡を用いて観察した観察画像を取り込み、画像解析ソフトを用いて、粒状または球状の黒鉛の黒鉛粒子数（個／ｍｍ２）、黒鉛粒径（μｍ）、黒鉛球状化率（％）、黒鉛面積率（％）を測定した。測定結果は５か所の観察箇所についての平均値とした。

【0069】

＜鋳込み温度、初晶温度、鋳込み-初晶冷却速度、Ａ１変態点の冷却速度＞
温度測定は、シース熱電対をキャビティ４０内に入れておき、溶湯を注湯して、鋳込み温度（℃）、初晶温度（℃）、鋳込み－初晶冷却速度（℃／ｓ）、Ａ１変態点の冷却速度（℃／ｓ）を測定した。本発明では、「鋳込み-初晶冷却速度」とは鋳込み温度～初晶までの低下温度と時間から冷却速度を求めた。また、Ａ１変態点を通過するときの温度として、７３０±１５℃で設定している。Ｆｅ－Ｃ系平衡状態図でのＡ１変態点は安定系(Ｆｅ－Ｃ)で７３８℃、準安定系(Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ)で７２７℃とされている。その両方を満たす範囲の速度を算出するために上記温度範囲を低下するときの時間でＡ１変態点を通過するときの冷却速度としている。その結果を図６に示す。また、実施例４及び比較例１について、鋳鉄溶湯を鋳型に流し込んだ冷却温度と冷却時間との関係を図８に示す。

【0070】

図５及び図６に示すように、本発明の組成範囲内の実施例１～８の供試材は、引張強さは６５０ＭＰａ以上であり、伸びは１０％以上であった。図７に、実施例１～８、比較例１と２及びＪＩＳ規格品の引張強さと伸びの関係を示す。なお、ＦＣＤ４５０－１０は、伸びが１０％であり、引張強さが４５０ＭＰａである。ＦＣＤ５００－７は、伸びが７％であり、引張強さが５００ＭＰａである。ＦＣＤ６００－３は、伸びが３％であり、引張強さが６００ＭＰａである。ＦＣＤ７００－２は、伸びが２％であり、引張強さが７００ＭＰａである。比較例１及び２では伸びは１０％以上であるが、引張強さがそれぞれ６２４ＭＰａ、６２８ＭＰａであり、引張強さが不十分であった。ＦＣＤ４５０－１０、ＦＣＤ５００－７、ＦＣＤ６００－３、ＦＣＤ７００－２は、伸びが不足するか引張強さが不十分などちらかであり、伸びと引張強さの両方を満足するものは得られてない。これらのデータから、本発明の実施例１～８の供試材は高い強度と高い延性の両方を有することが分かる。

【0071】

実施例１～８の供試材は高い強度及び延性を有するのに対して、比較例１及び２が伸びは満足する値であったが、引張強さが不十分であった理由としては、比較例１や比較例２ではＡ１変態点を通過するときの冷却速度が、図６に示すように、それぞれ０．２６℃/秒、０．３２℃/秒と遅く、それに対して、実施例１～８ではいずれもＡ１変態点を通過するときの冷却速度が０．５０℃/秒以上であり、相対的に早く冷却できているからだと考えられる。

【0072】

また、実施例４及び比較例１の冷却温度と冷却時間の関係をグラフにすると、図８に示すようになった。このグラフから判断できることは、実施例４及び比較例１のどちらも、鋳込みから初晶までの冷却速度はほぼ同じである。このことからすると、実施例４では、自然放冷する比較例１と同様な初晶を得られるので、本発明で水槽を設けて冷却しても、急激な冷却になってなく、それによるチル組織はほとんど発生していないと言える。

【0073】

また、初晶以降の冷却では、実施例４及び比較例１のどちらも、緩やかな曲線で冷却しており、組織は安定していると言える。違いとしては、冷却速度が大きく異なり点である。Ａ１変態点を通過するときの冷却速度が、実施例４では０．６３℃/秒であるのに対して、比較例１では０．２６℃/秒であり、２倍以上の差異がある。

【0074】

なお、他の実施例についても、図８に表示すると煩雑にあるので表示を省略したが、図６に示すように、鋳込みから初晶までの冷却速度がほぼ同じであり、Ａ１変態点を通過するときの冷却速度が、他の実施例でも０．５℃／秒以上であるので、実施例４と同様なことが言える。

【産業上の利用可能性】

【0075】

本発明は、高強度かつ高延性が求められる、機械部品、自動車部品、例えばステアリングナックル、ロアアーム、アッパーアーム、サスペンションなどの足回り部品や、シリンダーヘッド、クランクシャフト、ピストンなどのエンジン部品への適用が可能となる。

【符号の説明】

【0076】

１０ 鋳型
１１ 板材
２０ 水槽
２１ 側壁
２１ｂ（Ｋ） 冷却壁
２２ 注水口
２３ 排水口
２４ タンク
２５ ポンプ
２６ 冷却水制御部
３０ 砂型
４０ キャビティ
４１ 鋳物（Ｙブロック）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】