JP6328967B2 - 球状黒鉛鋳鉄管、及び球状黒鉛鋳鉄管の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、水道管等に使用される球状黒鉛鋳鉄管、及びこの球状黒鉛鋳鉄管の製造方法に関する。

一般的な球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）は、ＪＩＳ規格のＦＣＤ３５０、ＦＣＤ４００、ＦＣＤ４５０等の高靱性タイプのものや、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、ＦＣＤ８００等の高強度タイプのものがある。主に水道管用として鋳造される球状黒鉛鋳鉄については、これらの中で強度と伸びのバランスが比較的良好なＦＣＤ４５０（引張強さ４５０ＭＰａ以上、伸び１０％以上）が選択される。これに対し、スラリー状物質や摩耗性の高い硬質物質等を輸送する用途には高硬度のものが、自動車部品や建機部品等の素材としての用途には高強度かつ高耐力のものがそれぞれ選択される。

例えば、金型遠心鋳造によって鋳造された球状黒鉛鋳鉄管（直管）の鋳放し組織のマトリックス（基地）の主体はパーライトであり、この金型遠心鋳造における冷却速度が大きいため、安定系の黒鉛に加え、準安定系のセメンタイトが同時に多く晶出した斑構造となる。このセメンタイトは伸びの阻害要因となるため、ＦＣＤ４５０タイプに要求される強度と伸びの両立を図るために、セメンタイトの分解及びマトリックスのフェライト化を目的とした焼鈍が必要となる。

球状黒鉛鋳鉄管の焼鈍は、一般的には連続焼鈍炉で行われる。この連続焼鈍炉において、球状黒鉛鋳鉄管は、オーステナイト化温度域以上（８７０℃以上）に加熱される。これによりセメンタイトを完全に分解し、基地組織のオーステナイト化を行う。このセメンタイトの分解は、処理温度と処理時間に依存し、処理温度が高いほど処理時間を短くすることができる一方で、処理温度が低いほど長い処理時間を要する。この連続焼鈍炉は、炉内の均一な温度コントロールが困難であることが多い。このため、セメンタイトを確実にオーステナイト化するために、処理温度及び処理時間を決定する必要がある。

基地組織のオーステナイト化を完了したら、このオーステナイトからフェライトを析出させるため、共析変態点付近（６８０〜７５０℃程度）の温度域を一定時間保持するか、この共析変態点付近を徐冷する熱処理を行う。この際の保持時間や冷却速度により、フェライト析出量が決定される。すなわち、保持時間が長いほど、又は冷却速度が小さいほどフェライト析出量は増大する一方で、保持時間が短いほど、又は冷却速度が大きいほどフェライト析出量は減少し、マトリックスの主体はパーライトとなる。

この熱処理において連続焼鈍炉を用いる場合、厳密に温度コントロールを行ってフェライトとパーライトの量を細かくコントロールすることが困難なため、基本的にはフェライトが主体となる条件で焼鈍を実施して靱性の確保を図っている。

球状黒鉛鋳鉄管において、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、ＦＣＤ８００といった高強度タイプのものが要求される場合は、マトリックスのパーライト化が必要となる。このパーライト化を熱処理条件の制御のみで行うのは困難なため、パーライト化を促進するＭｎ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｓｎ等を添加するのが一般的である。

この球状黒鉛鋳鉄管を、鉱石質スラリーや石灰質スラリー等のスラリー状物質や、摩耗性の高い硬質物質等の輸送に用いる場合は、耐摩耗性に優れた特性が要求される。一般的に、この耐摩耗性は、硬度を上昇させることにより向上する。球状黒鉛鋳鉄管を摩耗性の高い物質を輸送する目的で使用する際には、ブリネル硬度で評価した硬度が３５０ＨＢ以上であることが望ましいといわれている。

この球状黒鉛鋳鉄管の硬度を高めるために、低炭素マルテンサイトの形成を目的とした焼入れ及び焼き戻し等の特殊な熱処理を行うことが考えられる。しかしながら、上記のように、連続焼鈍炉を用いた熱処理は厳密な温度コントロールが困難であり、所望の硬度を達成できないことが多い。このため、耐摩耗性に優れるといわれる耐摩耗鋼管を採用したり、特許文献１に示すように、Ｎｉ等のレアメタルを添加してマトリックスの改良を行い、硬度の向上を図る手法を採用したりすることがある。

特許第３８２３３４７号公報

上記の耐摩耗鋼管は比較的安価であるものの、高い耐摩耗性を発揮するために必要とされる硬度（ブリネル硬度で３５０ＨＢ以上）を達成できないものが多い。また、Ｎｉ等のレアメタルを添加する方法は、所望の硬度を達成できる反面、高価なレアメタルを使用するため、材料コストの高騰につながる問題がある。

そこで、この発明は、高価なレアメタルを使用せずに、高い耐摩耗性を備えた球状黒鉛鋳鉄管を構成することを課題とする。

上記の課題を解決するため、この発明は、重量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＭｎ：２．５０〜３．００％、Ｃｕ：０．８０〜２．００％となる範囲で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、焼鈍後の基地組織におけるパーライトの面積率が８０％以上であり、未分解のセメンタイトの面積率が１０〜１５％の範囲内である球状黒鉛鋳鉄管を構成した。

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けるマトリックスの面積を１００％としたときにパーライトの面積が占める割合（％）のことをいい、セメンタイトの面積率とは、所定の大きさの視野の全体の面積を１００％としたときにセメンタイトの面積が占める割合（％）のことをいう。

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。

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％含有するようにした。その一方で、含有量が高すぎ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、その上限を４．００％とした。

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確保するために、少なくとも１．４０％含有するようにした。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３．００％とした。

Ｍｎは、Ｓを固定して無害化するとともにパーライトを安定的に存在させ、かつパーライトの強度を向上させるのに有効な元素であり、その効果を十分に得つつ所定の硬度を確保するために少なくとも２．５０％含有するようにした。その一方で、含有量が高すぎると、セメンタイトの残留が顕著となって強度及び伸びが低下するため、その上限を３．００％とした。

Ｍｇは、黒鉛を球状化させるのに必要な元素であり、その効果を十分に得るために少なくとも０．０２％含有するようにした。その一方で、含有量が高すぎると、その効果の向上があまり見られなくなるので、その上限を０．０８％とした。

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り、その効果を十分に得つつ所定の硬度を確保するために少なくとも０．８０％含有するようにした。その一方で、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２．００％とした。

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。

上記各合金元素の他に、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。

このように、各合金元素を上記濃度範囲内で、特にパーライト組織を安定的に存在させるＭｎ及びＣｕを上記濃度範囲内で含有させることにより、十分なパーライトの面積比（８０％以上）を有するとともに、未分解のセメンタイトの面積比を所定の面積比の範囲内（１０〜１５％）とした球状黒鉛鋳鉄管とすることができる。このように各合金元素の濃度を調整して鋳造した球状黒鉛鋳鉄管は、焼入れ・焼き戻し等の特殊な熱処理を必要とせず、比較的簡便な焼鈍熱処理のみで、引張強さ、耐力だけでなく十分な耐摩耗性を発揮できる硬度（ブリネル硬度で３５０ＨＢ以上）を付与される。また、高価なレアメタルであるＮｉ等の代わりに、比較的安価なＭｎやＣｕを使用しているため、製造コストの低減を図ることもできる。

前記各構成においては、基地組織中に晶出している黒鉛が微細化された状態とするのが好ましい。

このように、微細なサイズ（例えば、１５．０μｍ以下）とすることにより、十分な耐摩耗性を確保しつつ、さらに高強度かつ高耐力を兼ね備えた球状黒鉛鋳鉄管を構成することができる。

また、本発明に係る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％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＭｎ：２．５０〜３．００％、Ｃｕ：０．８０〜２．００％となる範囲で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる溶湯を用いて、冷却速度２．０〜８．０℃／秒で所定形状の半製品を鋳造し、前記半製品を９００〜１１００℃の温度範囲内で５〜３０分保持した後、１〜８℃／分の冷却速度で冷却する球状黒鉛鋳鉄管を製造するものである。

上述したように、各合金元素の含有量の範囲を上記のようにすることにより、十分な耐摩耗性を確保しつつ、高強度と高耐力を兼ね備えた球状黒鉛鋳鉄管を製造することができる。しかも、上記の熱処理は厳密な温度コントロールを要求されないため、一般的な連続焼鈍炉を用いて熱処理を行うことができる。

この製造方法においては、前記溶湯を金型に注湯する際に、Ｓｉが４５〜７５重量％含まれたＦｅ−Ｓｉ系接種剤を０．１〜０．５重量％注湯流接種するのが好ましい。

このようにすれば、基地組織中に晶出する黒鉛の粒数を増加させることができ、より確実に高い耐力を得ることができる。

この発明によると、球状黒鉛鋳鉄の溶湯に、Ｍｎ及びＣｕを所定の濃度範囲内で含有させることで、特殊な熱処理を行うことなく、耐摩耗性を発揮するために十分な硬度（ブリネル硬度で３５０ＨＢ以上）を確保しつつ、高強度かつ耐力性を備えた球状黒鉛鋳鉄管を構成することができる。しかも、Ｎｉ等の高価なレアメタルの代わりに、比較的安価なＭｎ及びＣｕを使用したので、材料コストの低減を図ることもできる。

球状黒鉛鋳鉄管の材料組織の顕微鏡写真を示し、（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２、（ｃ）は実施例３ 摩耗試験の装置構成を示し、（ａ）は装置全体の正面から見た断面図、（ｂ）は試験片の正面図 摩耗試験の結果を示す図

本願発明に係る球状黒鉛鋳鉄管の特性評価実験に先立ち、本願発明の実施例となる球状黒鉛鋳鉄管を鋳造した。この実施例に対する比較例として、耐摩耗鋼管とＮｉ系ダクタイル管を用意した。表１に実施例及び比較例に係る球状黒鉛鋳鉄の溶湯の化学成分を示す（本表への記載を省略した残部はＦｅ、及びＰ、Ｓ等の不可避的不純物である）。なお、表１に示した化学成分データは、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。

この実施例に係る球状黒鉛鋳鉄管においては、表１に示した化学成分の各溶湯を１３００℃において金型遠心鋳造装置の円筒状金型に注湯し、肉厚が１２．０ｍｍの管状の半製品（鋳放し管）を鋳造した。この注湯の際には、Ｓｉが４５〜７５重量％含まれたＦｅ−Ｓｉ系接種剤を０．１〜０．５重量％注湯流接種した。この鋳造時の冷却速度は４．０〜６．０℃／秒程度であった。この冷却速度は、金型の形状、注湯量、管の肉厚によって変化するが、２．０〜８．０℃／秒程度の範囲内に収まることが多い。

次に、この半製品に対し、次に示す焼鈍条件で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。
（焼鈍条件）
・加熱温度 ：９００〜１１００℃
・加熱保持時間：５〜３０分
・冷却速度 ：１〜８℃／分

このようにして得られた各鋳造管から試験片を採取し、それぞれについて、５％ナイタール液で腐食処理した後の組織観察、及び機械的性質（引張強さ、耐力、硬度）の測定を実施した。図１に顕微鏡による組織観察の結果を、表２に組織表面の画像解析結果を、表３に機械的性質の測定結果をそれぞれ示す。画像解析は、管の厚さ方向の中心部において実施している。

表２に示すように、Ｍｎ及びＣｕの含有量を所定の範囲内（Ｍｎ：２．５０〜３．００％、Ｃｕ：０．８〜２．０％）とすることにより、高いパーライト面積率（９５％以上）と所定範囲（１０〜１５％）のセメンタイト面積率を確保することができた。このパーライト面積率が８０％以上であれば、十分な強度を確保することができる。

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けるマトリックスの面積を１００％としたときにパーライトの面積が占める割合（％）のことをいい、セメンタイト又は黒鉛の面積率とは、所定の大きさの視野の全体の面積を１００％としたときにセメンタイト又は黒鉛の面積が占める割合（％）のことをいう。なお、黒鉛に関しては、粒径が３μｍ以下のものを除いて計測を行っている。

また、表３に示すように、Ｍｎ及びＣｕの含有量を上記の所定の範囲内とすることにより、７００ＭＰａ以上の高い引張強さ（ＦＣＤ７００相当以上）と高い耐力（ＦＣＤ４５０相当以上）を確保しつつ、ブリネル硬度で３５０ＨＢ以上の高硬度を達成できることが確認できた（実施例１〜３参照）。この引張強さや耐力は、耐摩耗鋼管やＮｉ系ダクタイル管と比較して優れているか、全く遜色がない水準であるといえる。また、ブリネル硬度についても、耐摩耗鋼管よりも大幅に高く、高価なレアメタルを使用するＮｉ系ダクタイル管と比較しても同等程度の水準であるといえる。

次に、これらの試料を用いて摩耗試験を行った。この摩耗試験に用いた試験装置の構成を図２（ａ）に示す。この試験装置は、試験容器１内に水と珪砂を混合した混合体２を入れ、この混合体２に、外周近傍に図２（ｂ）に示すように棒状（長さＬ７０ｍｍ、直径Ｄ８．０ｍｍ）に加工した試験片３を取り付けた円盤４を水平に埋設し、この円盤４をその回転軸５周りに回転させるようになっている。この試験では、円盤を周速度ｒ＝４ｍ／秒（円盤外周近傍の速度）で３６０時間回転させて行った。

この摩耗試験の結果を図３に示す。グラフ縦軸の摩耗重量（％）は、各試験片の試験前の重量に対する、試験後の重量の減少分の割合を意味する。実施例１〜３に係る試験片の摩耗重量は、Ｎｉ系ダクタイル管よりは若干高いものの、一般的に用いられている耐摩耗鋼管よりも優れた耐摩耗性を有していることが確認できた。

上記のように、溶湯への各添加元素の含有量、特にＭｎ及びＣｕの含有量を所定の範囲内（Ｍｎ：２．５０〜３．００％、Ｃｕ：０．８０〜２．００％）とし、焼鈍後の基地組織におけるパーライトの面積率が８０％以上、未分解のセメンタイトの面積率が１０〜１５％となるようにすることにより、鋳放し品に対して特殊な熱処理を行うことなしに、しかも、Ｎｉ等の高価なレアメタルを使用することなく、高硬度を有し、優れた耐摩耗性を備えた球状黒鉛鋳鉄管を構成することができる。

なお、上記の実施形態においては、接種剤としてＦｅ−Ｓｉ系のものを用いたが、Ｂｉが０．５〜５．０重量％、Ｓｉが４５〜７５％、それぞれ含まれたＢｉ系接種剤を用いることもできる。また、これらの接種剤は、黒鉛をより多く晶出させるために使用されるが、必要な耐力が確保される限りにおいて、接種剤の使用を省略することも許容される。

１ 試験容器
２ 混合体
３ 試験片
４ 円盤
５ 回転軸

Claims (4)

1. 質量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＭｎ：２．５０〜３．００％、Ｃｕ：０．８０〜２．００％となる範囲で含有し、残部がＦｅ及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８０％以上であり、未分解のセメンタイトの面積率が１０〜１５％の範囲内である球状黒鉛鋳鉄管。
2. 基地組織中に晶出している黒鉛が１５．０μｍ以下に微細化された請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄管。
3. 質量％で、Ｃ：３．２０〜４．００％、Ｓｉ：１．４０〜３．００％、Ｍｇ：０．０２〜０．０８％、Ｃｒ：０．０１〜０．２０％を含有し、さらにＭｎ：２．５０〜３．００％、Ｃｕ：０．８０〜２．００％となる範囲で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる溶湯を用いて、冷却速度２．０〜８．０℃／秒で所定形状の半製品を鋳造し、前記半製品を９００〜１１００℃の温度範囲内で５〜３０分保持した後、１〜８℃／分の冷却速度で冷却し、
   基地組織におけるパーライトの面積率を８０％以上、未分解のセメンタイトの面積率を５〜１５％の範囲内とした球状黒鉛鋳鉄管の製造方法。
4. 前記溶湯を金型に注湯する際に、Ｓｉが４５〜７５質量％含まれたＦｅ−Ｓｉ系接種剤を０．１〜０．５質量％注湯流接種する請求項３に記載の球状黒鉛鋳鉄管の製造方法。