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(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】
(24)【登録日】2023-12-21
(45)【発行日】2024-01-04
(54)【発明の名称】鋳造用鉄合金材料および鉄鋳物
(51)【国際特許分類】
C22C 37/00 20060101AFI20231222BHJP
C22C 38/00 20060101ALI20231222BHJP
C22C 38/60 20060101ALI20231222BHJP
【ＦＩ】
C22C37/00 Z
C22C38/00 302Z
C22C38/60
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2022557533
(86)(22)【出願日】2021-10-18
(86)【国際出願番号】 JP2021038484
(87)【国際公開番号】W WO2022085642
(87)【国際公開日】2022-04-28
【審査請求日】2023-10-20
(31)【優先権主張番号】P 2020178270
(32)【優先日】2020-10-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000227593
【氏名又は名称】日之出水道機器株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】梅谷 拓郎
(72)【発明者】
【氏名】池田 朋弘
(72)【発明者】
【氏名】武谷 洸希
(72)【発明者】
【氏名】高橋 宏太
【審査官】鈴木 毅
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２００５／００７９１４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開昭６３－１１４９３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６３－９３８４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－１７９９３８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２２Ｃ ３７／００ － ３８／６０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項5】
請求項１～４のいずれか一項に記載の鋳造用鉄合金材料を用いて鋳造された鉄鋳物。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鋳造用鉄合金材料および鉄鋳物に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、超高精度が要求される、工作機械、電子部品製造機械、顕微鏡等の構造体は、室温付近の温度変化による熱膨張や熱収縮による寸法変化が微小であることが必要であり、熱膨張率がきわめて小さい材料が求められていることが記載されている（段落［０００２］参照）。
【0003】
特許文献２には、冷却速度が遅くなる大型厚肉製品あるいは製品の厚肉部では、共晶凝固時間が長いことから、球状黒鉛鋳鉄の金属組織中に異常黒鉛組織であるチャンキー黒鉛が晶出しやすいこと、および、チャンキー黒鉛の晶出により、鋳鉄材料のヤング率、引張強さ、伸びは著しく低下することが記載されている（段落［０００３］参照）。
【0004】
特許文献１および２によれば、熱膨張を低減させ、かつ、伸びを向上させることは容易ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２００１－１９２７７７号公報
【文献】国際公開第２０１５／０３４０６２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
熱膨張を低減させ、かつ、伸びを向上させることが可能な鋳造用鉄合金材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様は、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０２～０．５０質量％のＳｂとを含み、残部がＦｅおよび不可避元素である、鋳造用鉄合金材料である。
【0008】
この鋳造用鉄合金材料では、Ｓｉの含有量を０．１～３．０質量％にすることで、熱膨張係数を低減させている。さらに、Ｃの含有量を０．３～３．５質量％にし、凝固時に晶出する黒鉛が共晶状組織を形成する傾向を高めることにより、黒鉛の膨張量を増大させ、引け巣の発生を抑制している。さらに、Ｎｉの含有量を２６．０～４２．０質量％にすることで、黒鉛の周囲にＮｉを偏析させ、最終凝固部にＳｉを偏析させるとともに、Ｓｂの含有量を０．０２～０．５０質量％にすることで、黒鉛の周囲に濃化したＮｉだけでなく最終凝固部に濃化したＳｉに対してもＳｂを効果的に作用させている。これにより、黒鉛化促進元素として作用するＮｉおよびＳｉのそれぞれの濃化領域において黒鉛粒数を増加させることができる。このため、共晶状組織の形成傾向を高めたことで黒鉛化作用が高まりやすいＣが、チャンキー黒鉛（異常黒鉛）に成長することを抑制することができる。したがって、熱膨張を低減させ、かつ、伸びを向上させることが可能な鋳造用鉄合金材料を提供することができる。
【0009】
鋳造用鉄合金材料は、０．００１～６．０質量％のＣｏをさらに含むことが好ましい。Ｃｏの含有量を０．００１～６．０質量％にすることで、Ｎｉとの相乗効果により熱膨張係数を一層低減させることができる。
【0010】
鋳造用鉄合金材料は、０．０１～１．４質量％のＭｎをさらに含むことが好ましい。この鋳造用鉄合金材料では、Ｎｉの含有量を２６．０～４２．０質量％にするとともに、Ｍｎの含有量を０．０１～１．４質量％にすることで、オーステナイトを安定化させてマルテンサイトの生成を抑制することができる。したがって、この鋳造用鉄合金材料を用いて鋳造された鉄鋳物の切削性を向上させることができる。
【0011】
鋳造用鉄合金材料は、０．０１～０．１質量％のＭｇをさらに含むことが好ましい。Ｍｇの含有量を０．０１～０．１質量％にすることで、黒鉛の球状化作用を高めるとともに、最終凝固部にＭｇを偏析させることができる。このため、最終凝固部に濃化したＳｉに対して、Ｓｂだけでなく、ＳｂおよびＭｇの化合物を作用させやすい。したがって、Ｓｂと、ＳｂおよびＭｇの化合物とによりＣの過剰な黒鉛化を抑制しやすく、チャンキー黒鉛の生成を一層抑制しやすい。
【0012】
本発明の他の態様は、上記の鋳造用鉄合金材料を用いて鋳造された鉄鋳物である。熱膨張を低減させ、かつ、伸びを向上させた鉄鋳物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】鋳造用鉄合金材料の実施例および比較例の組成、熱膨張係数および伸びを示す図。
【図2】鋳造用鉄合金材料（実施例１５）の試験片の組織におけるＮｉの観察結果を示す図。
【図3】鋳造用鉄合金材料（実施例１５）の試験片の組織におけるＳｉの観察結果を示す図。
【図4】鋳造用鉄合金材料（実施例１５）の試験片の組織におけるＳｂの観察結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、添付図面を参照して、本願が開示する鋳造用鉄合金材料および鉄鋳物の実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されず、請求の範囲に規定されたものを含む。
【0015】
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０２～０．５０質量％のＳｂとを含み、残部がＦｅおよび不可避元素である。
第１の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０２～０．５０質量％のＳｂとを含み、残部がＦｅおよび不可避元素である。
【0016】
本実施形態において、「鋳造」は、砂型鋳造法、金型鋳造法、ダイカスト法等の各種の鋳造法による鋳造を含む。また、「鉄合金材料」は、主相として鉄の相を含む合金材料を意味する。したがって、「鋳造用鉄合金材料」は、砂型鋳造法、金型鋳造法、ダイカスト法等の各種の鋳造法により鋳造される鉄合金材料を意味する。元素の「質量％」は、鋳造用鉄合金材料の質量に対する、元素の質量の百分率を意味する。例えば、「Ａ～Ｂ質量％の元素」の表記は、元素の質量％がＡ％以上Ｂ％以下であることを意味する。「残部」は、鋳造用鉄合金材料を構成する成分のうち、列挙された元素以外の成分を意味する。例えば、「・・・Ｃと、・・・Ｓｉと、・・・Ｎｉと、・・・Ｓｂとを含み、残部がＦｅおよび不可避元素である、鋳造用鉄合金材料。」の表記は、鋳造用鉄合金材料を構成する成分のうち、Ｃ、Ｓｉ、ＮｉおよびＳｂ以外の成分がＦｅおよび不可避元素であることを意味する。以下の実施形態においても同様である。
【0017】
（Ｃ：炭素）
第１の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．３～３．５質量％のＣを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｃの含有量を０．３～３．５質量％にし、凝固時に晶出する黒鉛が共晶状組織を形成する傾向を高めることにより、黒鉛の膨張量を増大させ、引け巣の発生を抑制している。Ｃの含有量の下限を０．３質量％にすることで、鋳造用鉄合金材料の液相線温度を低下させることができる。このため、鋳造用鉄合金材料の湯流れ性を向上させることができる。また、Ｃの含有量の下限を０．３質量％にすることで、黒鉛の晶出量を増加させることができる。このため、鋳造用鉄合金材料を用いて鋳造された鉄鋳物（以下、単に「鉄鋳物」という。）の切削性を向上させることができる。また、Ｃの含有量の上限を３．５質量％にすることで、黒鉛浮上（カーボンフローテーション）を抑制することができる。このため、鉄鋳物の強度や延性の低下を抑制することができる。以下の実施形態においても同様である。
第１の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．３～３．５質量％のＣを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｃの含有量を０．３～３．５質量％にし、凝固時に晶出する黒鉛が共晶状組織を形成する傾向を高めることにより、黒鉛の膨張量を増大させ、引け巣の発生を抑制している。Ｃの含有量の下限を０．３質量％にすることで、鋳造用鉄合金材料の液相線温度を低下させることができる。このため、鋳造用鉄合金材料の湯流れ性を向上させることができる。また、Ｃの含有量の下限を０．３質量％にすることで、黒鉛の晶出量を増加させることができる。このため、鋳造用鉄合金材料を用いて鋳造された鉄鋳物（以下、単に「鉄鋳物」という。）の切削性を向上させることができる。また、Ｃの含有量の上限を３．５質量％にすることで、黒鉛浮上（カーボンフローテーション）を抑制することができる。このため、鉄鋳物の強度や延性の低下を抑制することができる。以下の実施形態においても同様である。
【0018】
（Ｓｉ：ケイ素）
第１の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．１～３．０質量％のＳｉを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｓｉの含有量を０．１～３．０質量％にすることで、熱膨張係数を低減させている。Ｓｉの含有量の下限を０．１質量％にすることで、鋳造用鉄合金材料の液相線温度を低下させることができる。このため、鋳造用鉄合金材料の湯流れ性を向上させることができる。また、Ｓｉの含有量の下限を０．１質量％にすることで、Ｃの含有量に対するＳｉの含有量の割合を増加させることができる。このため、ＣＯガスの形成を抑制することができる。したがって、鉄鋳物の表面に生じるガス欠陥を低減させることができる。また、Ｓｉの含有量の上限を３．０質量％にすることで、ＳｉのＦｅ（鉄基地）への固溶量を低減させることができる。このため、熱膨張係数の増加を抑制することができる。また、黒鉛化促進元素として作用するＳｉの含有量の上限を３．０質量％にすることで、Ｃの過剰な黒鉛化を抑制することができる。このため、チャンキー黒鉛の生成を抑制することができる。したがって、鉄鋳物の伸びを向上させることができる。以下の実施形態においても同様である。
第１の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．１～３．０質量％のＳｉを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｓｉの含有量を０．１～３．０質量％にすることで、熱膨張係数を低減させている。Ｓｉの含有量の下限を０．１質量％にすることで、鋳造用鉄合金材料の液相線温度を低下させることができる。このため、鋳造用鉄合金材料の湯流れ性を向上させることができる。また、Ｓｉの含有量の下限を０．１質量％にすることで、Ｃの含有量に対するＳｉの含有量の割合を増加させることができる。このため、ＣＯガスの形成を抑制することができる。したがって、鉄鋳物の表面に生じるガス欠陥を低減させることができる。また、Ｓｉの含有量の上限を３．０質量％にすることで、ＳｉのＦｅ（鉄基地）への固溶量を低減させることができる。このため、熱膨張係数の増加を抑制することができる。また、黒鉛化促進元素として作用するＳｉの含有量の上限を３．０質量％にすることで、Ｃの過剰な黒鉛化を抑制することができる。このため、チャンキー黒鉛の生成を抑制することができる。したがって、鉄鋳物の伸びを向上させることができる。以下の実施形態においても同様である。
【0019】
（Ｎｉ：ニッケル）
第１の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、２６．０～４２．０質量％のＮｉを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｎｉの含有量を２６．０～４２．０質量％にすることで、黒鉛の周囲にＮｉを偏析させ、その結果、最終凝固部にＳｉを偏析させている。すなわち、Ｎｉを黒鉛の周囲の領域に濃化させることによりオーステナイトを安定化させ、Ｓｉを残液側である最終凝固部に濃化させている。Ｎｉの含有量の下限を２６．０質量％にすることで、オーステナイトを安定化させてマルテンサイトの生成を抑制することができる。このため、鉄鋳物の延性の低下を抑制するとともに、鉄鋳物の切削性を向上させることができる。また、Ｎｉの含有量の上限を４２．０質量％にすることで、熱膨張係数の増加を抑制することができる。また、黒鉛化促進元素として作用するＮｉの含有量の上限を４２．０質量％にすることで、Ｃの過剰な黒鉛化を抑制することができる。このため、チャンキー黒鉛の生成を抑制することができる。したがって、鉄鋳物の伸びを向上させることができる。以下の実施形態においても同様である。
第１の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、２６．０～４２．０質量％のＮｉを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｎｉの含有量を２６．０～４２．０質量％にすることで、黒鉛の周囲にＮｉを偏析させ、その結果、最終凝固部にＳｉを偏析させている。すなわち、Ｎｉを黒鉛の周囲の領域に濃化させることによりオーステナイトを安定化させ、Ｓｉを残液側である最終凝固部に濃化させている。Ｎｉの含有量の下限を２６．０質量％にすることで、オーステナイトを安定化させてマルテンサイトの生成を抑制することができる。このため、鉄鋳物の延性の低下を抑制するとともに、鉄鋳物の切削性を向上させることができる。また、Ｎｉの含有量の上限を４２．０質量％にすることで、熱膨張係数の増加を抑制することができる。また、黒鉛化促進元素として作用するＮｉの含有量の上限を４２．０質量％にすることで、Ｃの過剰な黒鉛化を抑制することができる。このため、チャンキー黒鉛の生成を抑制することができる。したがって、鉄鋳物の伸びを向上させることができる。以下の実施形態においても同様である。
【0020】
（Ｓｂ：アンチモン）
第１の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．０２～０．５０質量％のＳｂを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｓｂの含有量を０．０２～０．５０質量％にすることで、黒鉛の周囲に濃化したＮｉだけでなく最終凝固部に濃化したＳｉに対してもＳｂを効果的に作用させている。すなわち、黒鉛近傍のＮｉ濃化領域だけでなく、黒鉛から離れたＳｉ濃化領域に対してもＳｂを効果的に作用させている。これにより、黒鉛化促進元素として作用するＮｉおよびＳｉのそれぞれの濃化領域において黒鉛粒数を増加させるとともに、黒鉛の過剰な成長を抑制することができる。このため、共晶状組織の形成傾向を高めたことで黒鉛化作用が高まりやすいＣが、チャンキー黒鉛に成長することを抑制することができる。したがって、鉄鋳物の熱膨張を低減させ、かつ、伸びを向上させることができる。さらに、本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｎｉの含有量を２６．０～４２．０質量％にすることで、Ｎｉを黒鉛の周囲の領域に濃化させることによりオーステナイトを安定化させている。このため、スパイキー黒鉛の生成も抑制することができる。したがって、鉄鋳物の脆化も抑制することができる。Ｓｂの含有量の下限を０．０２質量％にすることで、厚肉部を有する鉄鋳物であっても、最終凝固部になりやすい厚肉部においてチャンキー黒鉛が生成することを抑制することができる。このため、厚肉部を有する鉄鋳物の伸びを向上させやすい。また、Ｓｂの含有量の上限を０．５０質量％にすることで、スパイキー黒鉛の生成や、ＳｂおよびＭｇの化合物の過剰な増加に伴う球状化不良を抑制することができる。以下の実施形態においても同様である。
第１の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．０２～０．５０質量％のＳｂを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｓｂの含有量を０．０２～０．５０質量％にすることで、黒鉛の周囲に濃化したＮｉだけでなく最終凝固部に濃化したＳｉに対してもＳｂを効果的に作用させている。すなわち、黒鉛近傍のＮｉ濃化領域だけでなく、黒鉛から離れたＳｉ濃化領域に対してもＳｂを効果的に作用させている。これにより、黒鉛化促進元素として作用するＮｉおよびＳｉのそれぞれの濃化領域において黒鉛粒数を増加させるとともに、黒鉛の過剰な成長を抑制することができる。このため、共晶状組織の形成傾向を高めたことで黒鉛化作用が高まりやすいＣが、チャンキー黒鉛に成長することを抑制することができる。したがって、鉄鋳物の熱膨張を低減させ、かつ、伸びを向上させることができる。さらに、本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｎｉの含有量を２６．０～４２．０質量％にすることで、Ｎｉを黒鉛の周囲の領域に濃化させることによりオーステナイトを安定化させている。このため、スパイキー黒鉛の生成も抑制することができる。したがって、鉄鋳物の脆化も抑制することができる。Ｓｂの含有量の下限を０．０２質量％にすることで、厚肉部を有する鉄鋳物であっても、最終凝固部になりやすい厚肉部においてチャンキー黒鉛が生成することを抑制することができる。このため、厚肉部を有する鉄鋳物の伸びを向上させやすい。また、Ｓｂの含有量の上限を０．５０質量％にすることで、スパイキー黒鉛の生成や、ＳｂおよびＭｇの化合物の過剰な増加に伴う球状化不良を抑制することができる。以下の実施形態においても同様である。
【0021】
（Ｆｅ：鉄、不可避元素）
第１の実施形態の鋳造用鉄合金材料における残部は、Ｆｅおよび不可避元素である。残部に含まれる不可避元素としては、例えば、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔｉ（チタン）等の元素が挙げられる。不可避元素の含有量は、例えば、合計で５．０質量％以下であることが好ましく、合計で３．０質量％以下または合計で１．０質量％以下であることがさらに好ましい。以下の実施形態においても同様である。
第１の実施形態の鋳造用鉄合金材料における残部は、Ｆｅおよび不可避元素である。残部に含まれる不可避元素としては、例えば、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔｉ（チタン）等の元素が挙げられる。不可避元素の含有量は、例えば、合計で５．０質量％以下であることが好ましく、合計で３．０質量％以下または合計で１．０質量％以下であることがさらに好ましい。以下の実施形態においても同様である。
【0022】
本実施形態の鋳造用鉄合金材料において、Ｎｉの含有量とＳｉの含有量との比は、「１０～１００：１」であることが好ましく、「１０～９０：１」、「１３～５０：１」であることがより好ましく、「１５～４０：１」、「１７～３５：１」または「１９～３４：１」であることがさらに好ましい。Ｎｉの含有量とＳｉの含有量との比をこのようにすることで、より一層、Ｎｉを黒鉛の周囲の領域に濃化させ、Ｓｉを残液側である最終凝固部に濃化させやすい。以下の実施形態においても同様である。
【0023】
本実施形態の鋳造用鉄合金材料において、Ｓｂの含有量の下限は、０．０３質量％であることが好ましく、０．０４５質量％、０．０７質量％または０．０８５質量％であることがさらに好ましい。また、Ｓｂの含有量の上限は、０．４５質量％であることが好ましく、０．４０質量％であることがより好ましく、０．３５質量％であることがより好ましく、０．３２質量％であることがより好ましく、０．３０質量％であることがより好ましく、０．２６質量％であることがさらに好ましい。Ｓｂの含有量の下限および上限をこのようにすることで、より一層、黒鉛近傍のＮｉ濃化領域だけでなく、黒鉛から離れたＳｉ濃化領域に対してもＳｂを効果的に作用させやすい。したがって、鉄鋳物の熱膨張を低減させ、かつ、伸びを向上させやすい。あるいは、熱膨張が極端に増加するか、または、伸びが極端に低下する事態を抑制し、熱膨張および伸びの両方をバランスよく発現させやすい。以下の実施形態においても同様である。
【0024】
本実施形態の鋳造用鉄合金材料において、Ｃの含有量の下限は、０．４質量％であることが好ましく、０．７質量％であることがより好ましく、１．０質量％であることがより好ましく、１．２５質量％であることがより好ましく、１．５質量％であることがさらに好ましい。また、Ｃの含有量の上限は、３．３質量％であることが好ましく、３．０質量％であることがより好ましく、２．７５質量％であることがより好ましく、２．５質量％であることがさらに好ましい。Ｓｉの含有量の下限は、１．０質量％であることが好ましく、１．２質量％であることがより好ましく、１．４質量％であることがさらに好ましい。また、Ｓｉの含有量の上限は、２．５質量％であることが好ましく、２．３質量％であることがより好ましく、２．１質量％であることがさらに好ましい。Ｎｉの含有量の下限は、２８．５質量％であることが好ましく、３１．０質量％であることがさらに好ましい。また、Ｎｉの含有量の上限は、３８．０質量％であることが好ましく、３６．０質量％であることがより好ましく、３４．０質量％であることがさらに好ましい。Ｃ、ＳｉおよびＮｉの各含有量の下限および上限をこのようにすることで、鉄鋳物の熱膨張を低減させ、かつ、伸びを向上させやすい。以下の実施形態においても同様である。
【0025】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０２～０．５０質量％のＳｂと、０．００１～６．０質量％のＣｏとを含み、残部がＦｅおよび不可避元素である。
第２の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０２～０．５０質量％のＳｂと、０．００１～６．０質量％のＣｏとを含み、残部がＦｅおよび不可避元素である。
【0026】
（Ｃｏ：コバルト）
第２の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．００１～６．０質量％のＣｏを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｃｏの含有量を０．００１～６．０質量％にすることで、Ｎｉとの相乗効果により熱膨張係数を一層低減させることができる。Ｃｏの含有量の下限を０．００１質量％にすることで、Ｎｉとの相乗効果により熱膨張係数の極小値を減少させることができる。また、Ｃｏの含有量の上限を６．０質量％にすることで、Ｃｏの過剰な添加に伴い熱膨張係数が極小値を示した後に増加することを抑制することができる。
第２の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．００１～６．０質量％のＣｏを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｃｏの含有量を０．００１～６．０質量％にすることで、Ｎｉとの相乗効果により熱膨張係数を一層低減させることができる。Ｃｏの含有量の下限を０．００１質量％にすることで、Ｎｉとの相乗効果により熱膨張係数の極小値を減少させることができる。また、Ｃｏの含有量の上限を６．０質量％にすることで、Ｃｏの過剰な添加に伴い熱膨張係数が極小値を示した後に増加することを抑制することができる。
【0027】
本実施形態の鋳造用鉄合金材料において、Ｃｏの含有量の下限は、０．０１質量％であることが好ましく、４．０質量％であることがさらに好ましい。また、Ｎｉの含有量が３１．０～３４．０質量％に対して、Ｃｏの含有量が４．０～５．５質量％であることが好ましい。Ｃｏの含有量の下限および上限をこのようにすることで、Ｎｉとの相乗効果により熱膨張係数を一層低減させやすい。
【0028】
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０２～０．５０質量％のＳｂと、０．０１～１．４質量％のＭｎとを含み、残部がＦｅおよび不可避元素である。
第３の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０２～０．５０質量％のＳｂと、０．０１～１．４質量％のＭｎとを含み、残部がＦｅおよび不可避元素である。
【0029】
（Ｍｎ：マンガン）
第３の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．０１～１．４質量％のＭｎを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｍｎの含有量を０．０１～１．４質量％にすることで、Ｎｉとの相乗効果によりオーステナイトを安定化させてマルテンサイトの生成を抑制することができる。したがって、鉄鋳物の切削性を向上させることができる。Ｍｎの含有量の下限を０．０１質量％にすることで、常温においてもオーステナイトを安定させることができる。また、Ｍｎの含有量の上限を１．４質量％にすることで、ＭｎのＦｅ（鉄基地）への固溶量を低減させることができる。このため、熱膨張係数の増加を抑制することができる。
第３の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．０１～１．４質量％のＭｎを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｍｎの含有量を０．０１～１．４質量％にすることで、Ｎｉとの相乗効果によりオーステナイトを安定化させてマルテンサイトの生成を抑制することができる。したがって、鉄鋳物の切削性を向上させることができる。Ｍｎの含有量の下限を０．０１質量％にすることで、常温においてもオーステナイトを安定させることができる。また、Ｍｎの含有量の上限を１．４質量％にすることで、ＭｎのＦｅ（鉄基地）への固溶量を低減させることができる。このため、熱膨張係数の増加を抑制することができる。
【0030】
本実施形態の鋳造用鉄合金材料において、Ｍｎの含有量の下限は、０．０８質量％であることが好ましい。また、Ｍｎの含有量の上限は、０．８５質量％であることが好ましく、０．２質量％であることがさらに好ましい。Ｍｎの含有量の下限および上限をこのようにすることで、Ｎｉとの相乗効果によりオーステナイトを安定化させてマルテンサイトの生成を一層抑制しやすい。
【0031】
＜第４の実施形態＞
第４の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０２～０．５０質量％のＳｂと、０．０１～０．１質量％のＭｇとを含み、残部がＦｅおよび不可避元素である。
第４の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０２～０．５０質量％のＳｂと、０．０１～０．１質量％のＭｇとを含み、残部がＦｅおよび不可避元素である。
【0032】
（Ｍｇ：マグネシウム）
第４の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．０１～０．１質量％のＭｇを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｍｇの含有量を０．０１～０．１質量％にすることで、黒鉛の球状化作用を高めるとともに、最終凝固部にＭｇを偏析させることができる。このため、最終凝固部に濃化したＳｉに対して、Ｓｂだけでなく、ＳｂおよびＭｇの化合物を作用させやすい。したがって、Ｓｂと、ＳｂおよびＭｇの化合物とによりＣの過剰な黒鉛化を抑制しやすく、チャンキー黒鉛の生成を一層抑制しやすい。Ｍｇの含有量の下限を０．０１質量％にすることで、黒鉛の球状化作用を高めることができる。また、Ｍｇの含有量の上限を０．１質量％にすることで、Ｍｇの酸化物または硫化物の生成を抑制することができる。このため、鋳造用鉄合金材料の湯流れ性の低下を抑制することができる。さらに、鉄鋳物の鋳造欠陥を低減させることができる。
第４の実施形態の鋳造用鉄合金材料は、０．０１～０．１質量％のＭｇを含む。本実施形態の鋳造用鉄合金材料においては、Ｍｇの含有量を０．０１～０．１質量％にすることで、黒鉛の球状化作用を高めるとともに、最終凝固部にＭｇを偏析させることができる。このため、最終凝固部に濃化したＳｉに対して、Ｓｂだけでなく、ＳｂおよびＭｇの化合物を作用させやすい。したがって、Ｓｂと、ＳｂおよびＭｇの化合物とによりＣの過剰な黒鉛化を抑制しやすく、チャンキー黒鉛の生成を一層抑制しやすい。Ｍｇの含有量の下限を０．０１質量％にすることで、黒鉛の球状化作用を高めることができる。また、Ｍｇの含有量の上限を０．１質量％にすることで、Ｍｇの酸化物または硫化物の生成を抑制することができる。このため、鋳造用鉄合金材料の湯流れ性の低下を抑制することができる。さらに、鉄鋳物の鋳造欠陥を低減させることができる。
【0033】
本実施形態の鋳造用鉄合金材料において、Ｍｇの含有量の下限は、０．０３質量％であることが好ましく、０．０４質量％であることがより好ましく、０．０５質量％であることがさらに好ましい。また、Ｍｇの含有量の上限は、０．０８質量％であることが好ましく、０．０７質量％であることがさらに好ましい。Ｍｇの含有量の下限および上限をこのようにすることで、最終凝固部に濃化したＳｉに対して、Ｓｂだけでなく、ＳｂおよびＭｇの化合物を一層作用させやすい。
【0034】
上記の実施形態の鋳造用鉄合金材料を用いることで、熱膨張を低減させ、かつ、伸びを向上させた鉄鋳物を提供することができる。したがって、この鉄鋳物は、低い熱膨張（係数）かつ高い伸びが求められる多種多様な用途に好適である。この鉄鋳物の用途の例としては、半導体製造装置、電子部品製造装置、工作機械等の構成部品等が挙げられる。
【0035】
＜実施例＞
図１に、鋳造用鉄合金材料の実施例および比較例の組成（質量％）、熱膨張係数（×１０－６／℃）および伸び（％）を示す。熱膨張係数（×１０－６／℃）は、鋳造用鉄合金材料の試験片について、ＪＩＳ Ｚ ２２８５（金属材料の線膨張係数の測定方法）に従って測定された値である。図１では、室温（２５℃基準）から５０℃までの平均熱膨張係数を示している。また、伸び（％）は、鋳造用鉄合金材料の試験片について、ＪＩＳ Ｚ
２２４１（金属材料引張試験方法）に従って測定された値である。図１では、Ｙブロック（Ｃ号）の肉厚５０ｍｍの部位における伸びを示している。
図１に、鋳造用鉄合金材料の実施例および比較例の組成（質量％）、熱膨張係数（×１０－６／℃）および伸び（％）を示す。熱膨張係数（×１０－６／℃）は、鋳造用鉄合金材料の試験片について、ＪＩＳ Ｚ ２２８５（金属材料の線膨張係数の測定方法）に従って測定された値である。図１では、室温（２５℃基準）から５０℃までの平均熱膨張係数を示している。また、伸び（％）は、鋳造用鉄合金材料の試験片について、ＪＩＳ Ｚ
２２４１（金属材料引張試験方法）に従って測定された値である。図１では、Ｙブロック（Ｃ号）の肉厚５０ｍｍの部位における伸びを示している。
【0036】
（実施例１～１９と比較例１との比較）
図１に示すように、実施例１～１９のＳｂの含有量は０．０２質量％以上であるのに対して、比較例１のＳｂの含有量は０．０２質量％未満である。ここで、実施例１～１９の熱膨張係数は、２．２２×１０－６～３．３２×１０－６／℃であるのに対して、比較例１の熱膨張係数は、４．５９×１０－６／℃である。このため、実施例１～１９では、比較例１と比べて熱膨張係数が０．５～０．７倍程度になっている。また、実施例１～１９の伸びは、１７．０～３４．４％であるのに対して、比較例１の伸びは、９．７％である。このため、実施例１～１９では、比較例１と比べて伸びが１．８～３．５倍程度になっている。このように、実施例１～１９では、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、０．０１～１．４質量％のＭｎと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０１～０．１質量％のＭｇと、０．００１～６．０質量％のＣｏとを含む鋳造用鉄合金材料において、Ｓｂの含有量の下限を０．０２質量％にすることで、熱膨張係数を低減させるとともに伸びを向上させることができることを確認することができた。
図１に示すように、実施例１～１９のＳｂの含有量は０．０２質量％以上であるのに対して、比較例１のＳｂの含有量は０．０２質量％未満である。ここで、実施例１～１９の熱膨張係数は、２．２２×１０－６～３．３２×１０－６／℃であるのに対して、比較例１の熱膨張係数は、４．５９×１０－６／℃である。このため、実施例１～１９では、比較例１と比べて熱膨張係数が０．５～０．７倍程度になっている。また、実施例１～１９の伸びは、１７．０～３４．４％であるのに対して、比較例１の伸びは、９．７％である。このため、実施例１～１９では、比較例１と比べて伸びが１．８～３．５倍程度になっている。このように、実施例１～１９では、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、０．０１～１．４質量％のＭｎと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０１～０．１質量％のＭｇと、０．００１～６．０質量％のＣｏとを含む鋳造用鉄合金材料において、Ｓｂの含有量の下限を０．０２質量％にすることで、熱膨張係数を低減させるとともに伸びを向上させることができることを確認することができた。
【0037】
（実施例１～１９と比較例２との比較）
図１に示すように、実施例１～１９のＳｂの含有量は０．５０質量％以下であるのに対して、比較例２のＳｂの含有量は０．５０質量％を超過する。ここで、実施例１～１９の熱膨張係数は、２．２２×１０－６～３．３２×１０－６／℃であるのに対して、比較例２の熱膨張係数は、３．３１×１０－６／℃である。このため、実施例１～１９では、比較例２と比べて熱膨張係数が同程度以下である。また、実施例１～１９の伸びは、１７．０～３４．４％であるのに対して、比較例２の伸びは、１６．８％である。このため、実施例１～１９では、比較例２と比べて伸びが同程度から２．０倍程度になっている。このように、実施例１～１９では、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、０．０１～１．４質量％のＭｎと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０１～０．１質量％のＭｇと、０．００１～６．０質量％のＣｏとを含む鋳造用鉄合金材料において、Ｓｂの含有量の上限を０．５０質量％にすることで、熱膨張係数を低減させるとともに伸びを向上させることができることを確認することができた。
図１に示すように、実施例１～１９のＳｂの含有量は０．５０質量％以下であるのに対して、比較例２のＳｂの含有量は０．５０質量％を超過する。ここで、実施例１～１９の熱膨張係数は、２．２２×１０－６～３．３２×１０－６／℃であるのに対して、比較例２の熱膨張係数は、３．３１×１０－６／℃である。このため、実施例１～１９では、比較例２と比べて熱膨張係数が同程度以下である。また、実施例１～１９の伸びは、１７．０～３４．４％であるのに対して、比較例２の伸びは、１６．８％である。このため、実施例１～１９では、比較例２と比べて伸びが同程度から２．０倍程度になっている。このように、実施例１～１９では、０．３～３．５質量％のＣと、０．１～３．０質量％のＳｉと、０．０１～１．４質量％のＭｎと、２６．０～４２．０質量％のＮｉと、０．０１～０．１質量％のＭｇと、０．００１～６．０質量％のＣｏとを含む鋳造用鉄合金材料において、Ｓｂの含有量の上限を０．５０質量％にすることで、熱膨張係数を低減させるとともに伸びを向上させることができることを確認することができた。
【0038】
（鋳造用鉄合金材料の組織）
図２～図４に、鋳造用鉄合金材料（実施例１５）の試験片の組織についての観察結果を示す。図２はＮｉ、図３はＳｉ、図４はＳｂの分布状態について、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により観察された結果を示す図である。
図２～図４に、鋳造用鉄合金材料（実施例１５）の試験片の組織についての観察結果を示す。図２はＮｉ、図３はＳｉ、図４はＳｂの分布状態について、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により観察された結果を示す図である。
【0039】
図１に示すように、実施例１５は、Ｎｉの含有量が３２．１質量％、Ｓｉの含有量が１．５５質量％である。すなわち、Ｎｉの含有量とＳｉの含有量との比は、「２１：１」である。図２に示すように、実施例１５では、黒鉛相１０の周囲の領域ＡにＮｉ相２０が分布している。また、図３に示すように、実施例１５では、黒鉛相１０から離れた最終凝固部ＢにＳｉ相３０が分布している。このように、実施例１５では、Ｎｉの含有量とＳｉの含有量との比を「２１：１」にすることで、Ｎｉ相２０を黒鉛相１０の周囲の領域Ａに濃化させ、Ｓｉ相３０を黒鉛相１０から離れた最終凝固部Ｂに濃化させることができている。さらに、図１に示すように、実施例１５は、Ｓｂの含有量が０．１００質量％である。図４に示すように、実施例１５では、黒鉛相１０の周囲の領域Ａに分布するＮｉ相２０（図２参照）から最終凝固部Ｂに分布するＳｉ相３０（図３参照）までにわたってＳｂ相４０が万遍なく分布している。このため、黒鉛相１０の周囲の領域Ａに濃化したＮｉ相２０だけでなく最終凝固部Ｂに濃化したＳｉ相３０に対してもＳｂを効果的に作用させることができている。これにより、黒鉛化促進元素として作用するＮｉ相２０およびＳｉ相３０のそれぞれの濃化領域において黒鉛粒数を増加させることで、チャンキー黒鉛の生成を抑制することができている。この結果、図１に示すように、実施例１５では、熱膨張を低減させるとともに伸びを向上させることができている。
【0040】
このように、鋳造用鉄合金材料の試験片の組織について観察した結果、Ｎｉ相２０とＳｉ相３０とを異なる領域に濃化させることで、黒鉛近傍のＮｉ濃化領域（黒鉛相１０の周囲の領域）Ａだけでなく、黒鉛から離れたＳｉ濃化領域（最終凝固部）Ｂに対してもＳｂを効果的に作用させることができることを確認することができた。この結果、図１に示すように、実施例１～実施例１９では、熱膨張を低減させるとともに伸びを向上させることができている。
【符号の説明】
【0041】
１０ 黒鉛相
２０ Ｎｉ相
３０ Ｓｉ相
４０ Ｓｂ相
２０ Ｎｉ相
３０ Ｓｉ相
４０ Ｓｂ相
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】