高剛性球狀石墨鑄鐵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明通過使碳當量(CE值)降低、提高楊氏模量來提供剛性高的球狀石墨鑄鐵。按質(zhì)量％計，含有C：2.0％以上且不足2.7％或超過3.0％且不足3.6％、Si：1.5～3.0％、Mn：1.0％以下、Cu：1.0％以下、Mg：0.02～0.07％，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，根據(jù)C和Si的含量通過式(1)：CE＝C(％)+Si(％)/3計算出的碳當量(CE值)，在C：2.0％以上且不足2.7％的第1范圍時為CE：2.8～3.2％，且在C：超過3.0％且不足3.6％的第2范圍時為CE：3.6～4.2％，并且楊氏模量為170GPa以上。
【專利說明】高剛性球狀石墨鑄鐵

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及球狀石墨鑄鐵，涉及適宜用作例如車輛用部件，特別是轉(zhuǎn)向節(jié)、懸掛臂、制動鉗等懸掛系統(tǒng)部件，曲軸、凸輪軸、活塞環(huán)等發(fā)動機部件的高剛性球狀石墨鑄鐵。

【背景技術(shù)】
[0002]為了實現(xiàn)油耗改善和環(huán)境應(yīng)對，車輛用部件的輕量化要求日益提高，要求用于這些部件的材料的高剛性化。在車輛用部件中使用著各種材料，鑄鐵成本較低且形狀自由度優(yōu)異，特別是球狀石墨鑄鐵具有比片狀石墨鑄鐵高的強度，因此廣泛用于車輛用部件。但是，通常用于車輛用部件的共晶組成的球狀石墨鑄鐵的楊氏模量為165GPa左右，即使進行高強度化楊氏模量也不變，因此，若為了輕量化而減少部件的壁厚，則不能保持剛性且振動特性、噪聲特性降低。因此，要求高剛性的車輛用部件使用著楊氏模量比鑄鐵高的鑄鋼。但是，鑄鋼比鑄鐵的澆鑄溫度高，熔液流動性不佳，因此難以適用于復(fù)雜的形狀、薄壁的制品。另外，鑄鋼比鑄鐵容易發(fā)生縮孔，為了防止縮孔而需要在鑄造方案中設(shè)置大的冒口，制造成本變高。因此，為了實現(xiàn)車輛用部件的輕量化，要求球狀石墨鑄鐵的高剛性化。
[0003]為了使球狀石墨鑄鐵高剛性化則必須提高楊氏模量，而楊氏模量受金屬組織中石墨的形狀和結(jié)晶量的影響，石墨的形狀為球狀，結(jié)晶量越少則楊氏模量變得越高。另外，在球狀石墨鑄鐵中充分地進行了球狀化時，給楊氏模量帶來影響的主要原因是石墨結(jié)晶(晶出)量，因此通過降低給石墨結(jié)晶量帶來影響的熔液成分中的C含量、Si含量和碳當量(CE值)，來抑制石墨結(jié)晶量，提高楊氏模量而進行高剛性化。
[0004]作為這樣的技術(shù)，提出了通過制成按質(zhì)量％計C:1.5~3.0%、S1:1.0~5.5%的亞共晶球狀石墨鑄鐵而使碳含量減少，由此提高楊氏模量而實現(xiàn)高剛性化的技術(shù)(專利文獻I)。另外，提出了通過將球狀石墨鑄鐵的CE值設(shè)為3.4~4.0%而低于共晶組成的CE值(4.3%)，由此提高楊氏模量而實現(xiàn)高剛性化的技術(shù)(專利文獻2)。此外，提出了球狀石墨鑄鐵的C:2.7~3.0質(zhì)量％，CE值為3.6~3.9 %，石墨球狀化率為80%以上的技術(shù)(專利文獻3) ο
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0006]專利文獻
[0007]專利文獻1:日本特開2001 — 3134號公報
[0008]專利文獻2:日本特開2000 - 17372號公報
[0009]專利文獻3:日本特開平8 - 295978號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]發(fā)明所要解決的課題
[0011]但是，若球狀石墨鑄鐵的C含量、CE值變得比共晶組成的值(CE值:4.3%, CE =C(% )+Si(% )/3)低則成為亞共晶組成，對于該組成而言，凝固時的初晶成為奧氏體，因此奧氏體以枝晶狀結(jié)晶，隨后結(jié)晶的球狀石墨容易連接為直線狀。并且，若該球狀石墨的直線狀的鏈組織(石墨鏈(黒鉛連鎖)組織)遍及廣范圍，則給機械特性帶來不良影響。特別是石墨鏈組織成為拉伸斷裂的起點，抗拉強度、伸長率顯著降低。
[0012]但是，一直以來，不能說對球狀石墨鑄鐵的石墨鏈組織進行了充分的研究。例如，對于專利文獻3中記載的C含量為2.7%以上且3.0%以下的組成而言，石墨鏈組織顯著增加(參照本申請說明書的表1的比較例3~6)。并且，若如此使球狀石墨鑄鐵的CE值低于共晶組成的值而使球狀石墨鑄鐵高剛性化，則抗拉強度、伸長率因石墨鏈組織而降低，因此存在如下問題，即，在適用于這些要求抗拉強度、伸長率等機械特性的車輛用部件時，無法得到穩(wěn)定的機械特性。
[0013]本發(fā)明是解決上述問題的方案，目的在于提供通過使碳當量(CE值)降低、提高楊氏豐旲量而實現(xiàn)了球狀石墨鑄鐵的聞剛性化的聞剛性球狀石墨鑄鐵。
[0014]用于解決課題的方法
[0015]為了解決上述課題，本發(fā)明人進行潛心研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過使碳當量(CE值)降低并提高楊氏模量而能夠?qū)崿F(xiàn)球狀石墨鑄鐵的高剛性化。需要說明的是，在進一步將石墨鏈組織的面積率管理為50%以下時，使抗拉強度和伸長率共同提高，而得到穩(wěn)定的機械特性。
[0016]即，本發(fā)明的高剛性球狀石墨鑄鐵，其楊氏模量為170GPa以上，按質(zhì)量％計，含有C:2.0%以上且不足2.7%或超過3.0%且不足3.6%、S1:1.5~3.0%,Μη:1.0%以下、Cu:
1.0 %以下、Mg:0.02~0.07%，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，根據(jù)C和Si的含量通過式(I):CE = C(% )+S i(% )/3計算出的碳當量(CE值)，在C:2.0%以上且不足2.7%的第I范圍時為CE:2.8~3.2%，且在C:超過3.0%且不足3.6%的第2范圍時為CE:3.6~4.2%。
[0017]如此，通過規(guī)定C的含量和CE值的范圍，石墨鏈組織變少，能夠得到楊氏模量為170GPa以上的高剛性球狀石墨鑄鐵。
[0018]若石墨鏈組織的面積率超過50%，則在達到材料本來的抗拉強度、伸長率之前，發(fā)生以石墨鏈組織為起點的斷裂，抗拉強度、伸長率顯著降低。
[0019]因此，若石墨鏈組織的面積率為50%以下則使抗拉強度和伸長率共同提高，能夠得到穩(wěn)定的機械特性，因此優(yōu)選。
[0020]另外，若斷裂伸長率設(shè)為A (%)、抗拉強度設(shè)為B(MPa)時，滿足式⑵:0.09XB+A> 65，則石墨鏈組織的面積率成為50%以下，抗拉強度和伸長率共同提高，因此優(yōu)選。
[0021]發(fā)明效果
[0022]根據(jù)本發(fā)明，通過使碳當量(CE值)降低并提高楊氏模量，能夠得到剛性高的球狀石墨鑄鐵。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是表示用于制作實施例的空腔形狀的測試裝置(~一夕七〃卜)模具的俯視圖。
[0024]圖2是表示拉伸試驗片的斷裂面的顯微圖像的圖。
[0025]圖3是明確了圖2的石墨鏈組織的示意圖。
[0026]圖4是表示實施例和比較例的抗拉強度與伸長率的關(guān)系的圖。

【具體實施方式】
[0027]以下，對本發(fā)明的實施方式進行說明。需要說明的是，在本發(fā)明中只要沒有限定，％表示質(zhì)量％。
[0028]本發(fā)明的實施方式的高剛性球狀石墨鑄鐵，按質(zhì)量％計，含有C:2.0%以上且不足 2.7%或超過 3.0%且不足 3.6%、S1:1.5 ~3.0%、Μη:1.0% 以下、Cu:1.0% 以下、Mg:
0.02~0.07%，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，根據(jù)C和Si的含量通過式⑴:CE =C(% )+Si(% )/3計算出的碳當量(CE值)在C:2.0%以上且不足2.7%的第I范圍時為CE:2.8~3.2%，且在C:超過3.0%且不足3.6%的第2范圍時為CE:3.6~4.2%，并且楊氏模量為170GPa以上。
[0029]< 組成 >
[0030]C(碳)是成為石墨組織的兀素，為了實現(xiàn)球狀石墨鑄鐵的聞剛性化并提聞楊氏豐旲量，需要與共晶組成相比使C含量降低來抑制石墨的結(jié)晶量。但是，若C含量不足2.0 %，則凝固開始溫度變高，石墨的結(jié)晶也變難，因此鑄造性劣化，在例如復(fù)雜的形狀、薄壁形狀的部件時發(fā)生熔液流動不良，容易在厚壁的制品中發(fā)生縮孔。另一方面，若C含量成為3.6%以上則石墨的結(jié)晶量變多，楊氏模量變小。此外，石墨鏈組織在C含量為2.7%以上3.0%以下的范圍時顯著增加。因此，C含量設(shè)為2.0%以上且不足2.7% (以下適當稱為“第I范圍”)或超過3.0%且不足3.6% (以下適當稱為“第2范圍”)。
[0031]Si是促進石墨的結(jié)晶的兀素。若Si含量不足1.5%,則石墨變得不易結(jié)晶，廣生游離滲碳體(白口(★>))，使加工性顯著降低。另一方面，若Si含量超過3.0%，則鐵素體脆化，機械特性的沖擊值降低。因此，將Si含量設(shè)為1.5%~3.0%。
[0032]Mn是珠光體組織的穩(wěn)定化元素，若Mn含量變高，則基體組織的珠光體率變高，抗拉強度上升。該效果在含量超過1.0%時飽和，因此將Mn含量設(shè)為1.0%以下。
[0033]Cu是珠光體組織的穩(wěn)定化元素，若Cu含量變高，則基體組織的珠光體率變高，抗拉強度上升。該效果在含量超過1.0%時飽和，因此將Cu含量設(shè)為1.0%以下。
[0034]需要說明的是，若Mn和Cu的含量變少，則抗拉強度的提高效果減少，但延展性提高。因此，用于使抗拉強度一定程度上提高的同時使延展性提高的下限優(yōu)選為Mn:超過0%且0.3%以下，Cu:超過0%且0.3%以下。需要說明的是，根據(jù)制品的壁厚，即使是相同的Mn和Cu的添加量，珠光體率也改變，因此根據(jù)制品的壁厚，Mn和Cu的添加量的下限在上述的范圍內(nèi)變化。
[0035]Mg是影響石墨的球狀化的元素，殘留Mg量是判斷石墨的球狀化的指標。若Mg的殘留量不足0.02%，則石墨球狀化率降低，楊氏模量也變低。另一方面，若殘留Mg量超過0.07%,則有時容易產(chǎn)生縮孔、白口。因此，將Mg含量設(shè)為0.02~0.07%。
[0036]需要說明的是，適用于重視高強度的車輛用部件時，與現(xiàn)有的球狀石墨鑄鐵同樣地，使珠光體化元素的Mn、Cu在上述范圍內(nèi)增量至上限側(cè)(例如分別為1.0% )，通過基體組織的珠光體化可以實現(xiàn)具有高強度的高剛性球狀石墨鑄鐵。另外，適用于重視延展性的車輛用部件時，通過將珠光體化元素的Mn、Cu的添加量抑制在上述的下限值內(nèi)，可以實現(xiàn)具有高延展性的高剛性球狀石墨鑄鐵。作為珠光體化元素，除Mn、Cu以外的元素，還可以使用例如Sn等。
[0037]本發(fā)明的高剛性球狀石墨鑄鐵成為亞共晶組成，因此與共晶組成的球狀石墨鑄鐵相比，容易廣生白口。因此，為了抑制白口的廣生，優(yōu)選在鑄造時添加娃鐵等孕育劑。孕育方法根據(jù)制品形狀、制品壁厚等可以選擇澆包孕育、隨流孕育、型內(nèi)孕育。孕育劑可以使用通常市售的含Si的硅鐵孕育劑。作為上述孕育劑，還可以使用對白口的抑制、球狀石墨的微細化有效的包含B1、Ba、Ca、RE (稀土元素)等的孕育劑。
[0038]另外，若在本發(fā)明的高剛性球狀石墨鑄鐵中添加孕育劑，則即使在鑄造后不實施熱處理也不會產(chǎn)生白口，能夠得到充分的機械特性。因此，與鑄造后需要熱處理的共晶組成的球狀石墨鑄鐵相比，還能夠改善生產(chǎn)率、制造成本。
[0039]< CE 值>
[0040]如上所述，與共晶組成相比若使C含量和CE值降低，則在凝固時初晶成為奧氏體，C含量和CE值降低時該初晶奧氏體增加。因此，C含量和CE值降低時，在此之后結(jié)晶的石墨鏈組織也廣范圍地產(chǎn)生。并且，若石墨鏈組織超過一定的比例則成為拉伸斷裂的起點，在達到材料本來的抗拉強度前發(fā)生斷裂，抗拉強度、伸長率顯著降低，且不能夠得到穩(wěn)定的材料特性。
[0041 ] 具體地，若使CE值從共晶組成(約4.3 % )起降低，則CE:超過3.2 %且不足3.8 %時，在拉伸試驗片的斷裂面確認到石墨鏈組織。
[0042]并且，在CE:3.2~2.9%的范圍時，在拉伸試驗片的斷裂面變得無法確認到石墨鏈組織。認為其原因如下，在CE:3.2~2.9%的范圍內(nèi)，初晶奧氏體隨著CE值的降低而增加，另一方面，球狀石墨的結(jié)晶量也減少而球狀石墨的密度降低，變得不產(chǎn)生石墨鏈組織。
[0043]此外，若CE變得不足2.9%，則再次產(chǎn)生石墨鏈組織。推測其原因如下，與球狀石墨的密度的降低相比，初晶奧氏體的結(jié)晶量的增加所致的石墨鏈組織形成的影響變大。
[0044]若石墨鏈組織的面積率超過50%，則在達到材料本來的抗拉強度、伸長率之前，發(fā)生以石墨鏈組織為起點的斷裂，抗拉強度、伸長率顯著降低。
[0045]因此，為了使石墨鏈組織的面積率為50%以下而消除對抗拉強度和伸長率的影響，CE值的范圍如下設(shè)定:在第I范圍時設(shè)為CE:2.8~3.2%，在第2范圍時設(shè)為3.6~
4.2%。
[0046]如上所述，通過規(guī)定C的含量和CE值的范圍，能夠得到楊氏模量為170GPa以上的高剛性球狀石墨鑄鐵。楊氏模量越高越容易進行輕量化，因此更優(yōu)選楊氏模量為175GPa以上。
[0047]另外，優(yōu)選在不出現(xiàn)石墨鏈組織的范圍、即CE:2.9~3.2%和CE:3.8~4.2%的范圍內(nèi)進行鑄造。特別是，若設(shè)為CE:2.9~3.2%，則不出現(xiàn)石墨鏈組織，且楊氏模量為180GPa以上，因此優(yōu)選。
[0048]需要說明的是，按照上述那樣若石墨鏈組織的面積率超過50%，則在達到材料本來的抗拉強度、伸長率之前，發(fā)生以石墨鏈組織為起點的斷裂，抗拉強度、伸長率顯著降低。在此，如圖4所示，存在抗拉強度變高則伸長率(斷裂伸長率)降低的傾向，為了兼顧二者，優(yōu)選在圖4的右下傾斜的直線L靠上側(cè)的區(qū)域R中管理抗拉強度和斷裂伸長率的值。對于直線L的關(guān)系式的導(dǎo)出，將在之后進行描述，區(qū)域R是斷裂伸長率設(shè)為A (% )、抗拉強度設(shè)為B(MPa)時，滿足式(2):0.09XB+A > 65的區(qū)域。
[0049]這樣，若將石墨鏈組織的面積率抑制為50%以下，則能夠?qū)⒖估瓘姸群蜕扉L率管理于區(qū)域R(式(2))的范圍，抗拉強度和伸長率共同提高并能夠得到穩(wěn)定的機械特性。
[0050]特別是，滿足BX0.09+A > 68時，石墨鏈組織的面積率變?yōu)镺 (零)％，抗拉強度和伸長率的平衡最優(yōu)，因此更優(yōu)選。
[0051]需要說明的是，在本發(fā)明中，石墨鏈組織的面積率為50%以下時，如上所述，抗拉強度和伸長率的平衡優(yōu)異，具有高剛性且穩(wěn)定的機械性質(zhì)，因此適于車輛用部件的輕量化。因此，例如，可以優(yōu)選將本發(fā)明用于轉(zhuǎn)向節(jié)、懸掛臂、制動鉗等懸掛系統(tǒng)部件，曲軸、凸輪軸、活塞環(huán)等發(fā)動機部件。特別是，在這些車輛用部件之中，若用于高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機部件、輪胎附近的部件，則不僅輕量化得到改善，振動特性、噪聲特性也可以得到改善。
[0052]實施例1
[0053]使用高頻電爐熔解Fe -S1-Mg系熔液，進一步按重量％添加1.0%左右的球狀化劑(Fe — 45% Si — 5% Mg)來實施球狀化處理，接著，作為孕育按重量％添加0.2%左右的硅鐵孕育劑(Fe - 75% Si)，成為表1中示出的組成。
[0054]將該熔液澆注于圖1中示出的空腔形狀的測試裝置模具10中，模具內(nèi)冷卻至常溫后，從模具內(nèi)取出鑄造件。澆注溫度為1400°C。測試裝置模具10的空腔形狀設(shè)定為:假定車輛用部件的轉(zhuǎn)向節(jié)的壁厚、設(shè)置有多根截面直徑為25_左右的圓棒3的形狀。需要說明的是，圖1的符號I表不燒口，符號2表不冒口。
[0055]對得到的鑄造件進行了以下評價。
[0056]抗拉強度和斷裂伸長率:切斷鑄造件的圓棒3，通過車床加工制作依據(jù)JIS Z2241的拉伸試驗片，使用Amsler萬能試驗機依據(jù)JIS Z 2241進行拉伸試驗，測定了抗拉強度和斷裂伸長率。
[0057]楊氏模量:從鑄造件的圓棒3切出一邊為1mm的立方體，用阿基米德法測定密度后，用超聲波脈沖法測定縱波音速和橫波音速，由這些值算出楊氏模量。超聲波脈沖法的測定裝置使用菱電湘南電子公司制造的“數(shù)字超聲波探傷器Π-25”(產(chǎn)品名)，作為振子使用榮進化學(xué)公司制造的縱波和橫波用振子。
[0058]石墨鏈組織的面積率:用顯微鏡觀察上述的拉伸試驗后的拉伸試驗片的斷裂面，算出石墨鏈組織占斷裂面的總面積的面積率。顯微鏡使用Hirox公司制造的ΚΗ-7700，用20~160倍變焦鏡頭(同公司型號:ΜΧ-2016Ζ)拍攝。憑借顯微鏡的2D(2維)計測功能，通過用石墨鏈組織的面積除以斷裂面整體的面積而算出。石墨鏈組織和其它組織的邊界是通過擴大斷面(視野)、邊目視確認石墨組織的鏈部邊進行指定。
[0059]在圖2中示出了拉伸試驗片的斷裂面的顯微圖像。斷裂面的黑色部分是球狀石墨以直線狀連接而成的石墨鏈組織。圖3表示明確了圖2的石墨鏈組織的示意圖，在斷裂面4內(nèi)存在石墨鏈組織5。
[0060]旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗:為了評價抗拉強度和伸長率的關(guān)系，對一部分實施例和比較例，進行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗。試驗片使用由鑄造件的圓棒3切出的JIS Z 2274的I號試驗片。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗利用小野式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機(東京沖機制造所的型號:ORB-10Β)來實施。試驗條件如下，旋轉(zhuǎn)速度:3000rpm，試驗循環(huán)數(shù):107次，彎曲應(yīng)力為與FCD600材料(球狀石墨鑄鐵件，在JISG5502中規(guī)定)的疲勞強度相當?shù)募s270MPa(272.8~273.3MPa)，試驗后的試驗片產(chǎn)生龜裂或斷裂的作為不合格。另外，對于I個試驗片來說，試驗數(shù)設(shè)為8次，求得其中的合格次數(shù)和不合格次數(shù)。若不合格次數(shù)為I次以下，則可以視為機械特性穩(wěn)定。
[0061]

【權(quán)利要求】
1.一種高剛性球狀石墨鑄鐵，楊氏模量為170GPa以上， 按質(zhì)量％計，含有C:2.0%以上且不足2.7%或超過3.0%且不足3.6%、S1:1.5~3.0%,Μη:1.0%以下、Cu:1.0%以下、Mg:0.02~0.07%，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成， 根據(jù)C和Si的含量通過式⑴:CE = C(%)+Si(%)/3計算出的碳當量(CE值)，在C:2.0%以上且不足2.7%的第I范圍時為CE:2.8~3.2%，且在C:超過3.0%且不足3.6%的第2范圍時為CE:3.6~4.2%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高剛性球狀石墨鑄鐵，石墨鏈組織的面積率為50%以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高剛性球狀石墨鑄鐵，斷裂伸長率設(shè)為A(% )、抗拉強度設(shè)為 B(MPa)時，滿足式 (2):0.09XB+A > 65。
【文檔編號】C22C37/04GK104136642SQ201380010622
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年2月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月24日
【發(fā)明者】飛田知行, 神林忠昭 申請人:株式會社理研