ダクタイル鋳鉄部品の化学組成制御による大断面鋳造フェライト
1．大断面ダクタイル鋳鉄部品の製造における困難
このタイプの鋳造は断面が大きく、冷却速度が遅いため、溶融金属が長時間凝固し、鋳造内部で収縮が発生しやすい。
フェライト系球状黒鉛鋳鉄を製造する際、従来は引張強度、降伏強度、伸びを向上させるためにフェライト化熱処理が必要とされていました。熱処理温度は鋳造組織中に遊離セメンタイトやパーライトが存在するかどうかによって決まり、900～950℃の高温熱処理が用いられていました。しかし、製造コストが高く、工程が複雑で、製造サイクルが長いため、生産組織や納期に大きな困難が生じていました。そのため、鋳造状態でフェライトマトリックスを得る必要がありました。したがって、この材料の製造における主な困難点は以下のとおりです。
1.1. 鋳造品は指定された領域で放射線検査を行う必要があり、鋳造品の内部収縮をどのように解決するか。
1.2. 鋳造状態で90%以上のフェライトマトリックスが得られるようにするにはどうすればよいか。
1.3. 材料に十分な引張強度と降伏強度を持たせる方法
1.4. 十分な伸び（18%以上）を得る方法、および合金化処理後に規定の伸びを得る方法。
1.5. 最適な合金処理プロセスを使用する。
2．化学組成の制御
2.1 C、Si、CEの選定
球状黒鉛はマトリックスを弱める効果がほとんどないため、球状黒鉛鋳鉄中の黒鉛の量は機械的特性にほとんど影響を与えません。炭素含有量が3.2%から3.8%の範囲で変化しても、機械的特性に明らかな影響はありません。したがって、プロセス中の炭素とシリコンの含有量を決定する際の主な考慮事項は鋳造性能を確保することであり、炭素当量は共晶組成付近で選択されます。共晶組成の溶銑は流動性が最も高く、集中収縮空洞を形成する傾向が大きく、鋳造組織の密度が高くなります。シリコンはねずみ鋳鉄よりも球状黒鉛鋳鉄中のフェライトを増加させる効果が大きいため、シリコン含有量は球状黒鉛鋳鉄マトリックス中のフェライトの量に直接影響します。シリコンは球状黒鉛鋳鉄の性能に大きな影響を与え、これは主にシリコンがマトリックスに固溶強化効果を与えることによって現れます。シリコンは黒鉛を微細化し、黒鉛球の真円度を向上させることができます。したがって、球状黒鉛鋳鉄中のシリコン含有量の増加は、強度指数を大幅に向上させ、靭性を低下させる可能性がある。球状化処理後の溶銑は過冷却結晶化を起こし、白鋳鉄を形成する傾向が強いが、シリコンはこの傾向を抑制できる。しかし、シリコン含有量が高すぎると、大断面球状黒鉛鋳鉄中の断片化黒鉛の形成が促進され、鋳物の機械的特性が低下する。データによると、接種の形で球状黒鉛鋳鉄にシリコンを添加すると、性能をある程度向上させることができる。
上記の分析に基づくと、鋳造性能向上の観点から、溶銑の炭素当量は共晶点付近で選択するのが最適である。このとき、溶銑の流動性が最も高く、収縮空洞が集中する傾向が強く、収縮を補償しやすい。しかし、炭素当量が高すぎると黒鉛が浮上し、炭素当量の増加に伴って浮上層の厚さが増す。なお、炭素当量が高すぎることが黒鉛浮上の主な原因ではあるが、唯一の原因ではない。鋳造サイズ、肉厚、注湯温度なども重要な要因である。
炭素当量、鋳物壁厚、黒鉛浮遊の関係について。明らかに、薄肉鋳物の場合、炭素当量を高く設定しても黒鉛浮遊は発生しない。逆に、厚肉・大型鋳物の場合、炭素当量を低く設定する必要がある。つまり、炭素当量の上限は黒鉛浮遊がないことを基準とし、下限はセメンタイトがなく、かつ黒鉛が完全に析出することを基準とする。この前提のもと、高密度鋳物を得るためには、炭素当量をできるだけ高く設定すべきである。
2.2 マンガン（Mn）
球状黒鉛鋳鉄におけるマンガンの役割は、ねずみ鋳鉄における役割とは異なります。ねずみ鋳鉄では、マンガンはフェライトを強化しパーライトを安定化させるだけでなく、硫黄の有害な影響を軽減する効果もあります。球状黒鉛鋳鉄では、球状化元素が強い脱硫能力を持つため、マンガンにはこの効果はありません。マンガンは強い正偏析傾向を持つため、共晶グループの粒界に濃縮されることが多く、粒界炭化物の形成を促進し、球状黒鉛鋳鉄の靭性を著しく低下させます。厚肉・大断面の球状黒鉛鋳鉄では、マンガンの偏析傾向がより顕著になります。同時に、マンガン含有量の増加は母材中のパーライト含有量を増加させるため、強度指数は向上するものの、靭性は低下します。高靭性球状黒鉛鋳鉄におけるマンガン含有量は、より厳密に管理する必要があります。
したがって、原料が可能な限りマンガン含有量が低いほど望ましい。大型鋳造品の場合、マンガン含有量の管理上限はMn<0.3%である。
2.3 リン：
リンは球状黒鉛鋳鉄中で偏析しやすい性質があり、粒界にリン共晶を形成しやすいため、球状黒鉛鋳鉄の靭性を著しく低下させる。また、リンは球状黒鉛鋳鉄の収縮傾向を高める。球状黒鉛鋳鉄に高い靭性が求められる場合、リン含有量を0.06%以下に抑える必要がある。
2.4 硫黄:
球状黒鉛鋳鉄中の硫黄は、球状化剤と結合して硫化物や硫黄酸化物を生成する能力が強く、球状化剤を消費して不安定な球状化を引き起こすだけでなく、介在物の数を増やし、球状化の劣化速度を加速させる。製錬における硫黄は主に浸炭剤に由来する。工程管理によって原料中の硫黄含有量を可能な限り低減する一方で、炉前脱硫対策も講じられている。
RE-Mg合金処理を行う前は、一般的に硫黄残留物Sは0.02%未満であり、球状化の劣化や硫化物スラグの混入には影響がない。元の溶銑中のSが0.02%を超える場合は、脱硫処理を採用する必要がある。
2.5 モリブデン:
Moは材料の高温強度と室温強度を向上させます。しかし、Moの使用により、一定量のパーライトと炭化物が形成されやすくなり、靭性が低下します。Moを添加した球状黒鉛鋳鉄の場合、材料規格ではMo含有量を0.3～0.7%に制御することが求められています。
2.6 マグネシウムおよび希土類元素の含有量
マグネシウムは主要な球状化元素です。希土類元素は脱硫作用を持ち、球状化阻害元素を中和し、マグネシウムを保護し、溶銑の腐食防止能力を向上させます。しかし、希土類元素は炭化物形成元素であるため、良好な球状化を確保しつつ、残留希土類元素の量をできるだけ制御する必要があります。Re=0.01～0.04%、Mg=0.03～0.06%の場合、球状化が保証されます。上記の分析と計算に基づくと、最終的な化学組成は次のようになります。C: 3.3～3.8%、Si: 2.2～2.7%、Mn: <0.30%、S<0.02%、Re=0.01～0.04%、Mg=0.03～0.06%、Mo: 0.3～0.7%
