JPH07502819A - 組織改良鋳鉄中の炭素当量の決定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

組織改良鋳鉄中の炭素当量の決定方法 本発明は、ダクタイル鋳鉄および緻密黒鉛鋳鉄（ｃｏｍｐａｃｔｅｄ　ｇｒａｐ ｈｉｔｅ　１ｒｏｎ）のような組織改良鋳鉄中の炭素当量の決定方法に関するも のである。 鋳鉄を作るのに使われるすべての材料は常にケイ素やマンガンのような合金元素 と共に硫黄やリンのような不純物を含み、これらは相の関係を変えることができ るので、鉄と炭素の二元系状態図は鋳造工業の限られた分野にしか関係がな１１ １゜これらの元素の中のあるものは、炭素を異なる割合に変換し、それによって 状態図に影響を与えることができる。状態図上の物質の全体の影響の結果として 、溶湯の特定の組成において見られる液相線温度は炭素当量またはＣ，Ｅ、と呼 ばれ、Ｃ，Ｅ、　＝％Ｃ＋％Ｓ　ｉ／ｘ＋　％　Ｐ／ｙ＋、、。 で表される。ここで、Ｘは３と４の間の値であり、かつｙは３と６の間の数値で あると仮定される。米国では、この式は通常下記のように簡易化されているので 、この式は以下の説明中で使用される。 Ｃ，Ｅ、＝％Ｃ＋％Ｓ　ｉ／３ 鋳造工業において処理鋳鉄用に使用される溶湯のリン含１￥置は非常に低くて重 要ではないので、この短縮された式が使用できる。緻密黒鉛鋳鉄およびダクタイ ル鋳鉄の製造に関する領域は、Ｃ，Ｅ、＝３〜５の範囲である。 今まで出版された鉄−炭素−ケイ素系状態図の大部分は、ねずみ鋳鉄が凝固する 条件、すなわち、黒鉛の結晶が延伸されかつ枝分かれした片状に成長する未処理 鋳鉄が凝固する条件に関するものである。この系において、γ鉄（オーステナイ ト）と黒鉛片の間の共晶反応はＣ，Ｅ、約４．３５％および約１１５５℃の温度 で起こる。炭素台「鼠またはＣ，Ｅ、が４．３５％以下の鋳鉄は通常亜共昌であ ると呼ばれ、一方、炭素含狂臣またはＣ，Ｅ、が４，３５％以上の材料は過共晶 であると呼ばれる。前述のように、この定義は片状黒鉛鋳鉄についてのみ重要で ある。 亜共晶鋳鉄の物理的Ｃ，Ｅ、値を相変化温度によって決定することは可能である 。冷却曲線は、試料の温度が液相線を越えかつγ相が析出し始めるときζこ温度 変化の停滞を示す。この温度停滞の原因はオーステナイト相の成長速度が非常ζ こ高くかつγ相の結晶化の熱量がＪに常に高いことである。 これらの因子は、所定の時間に亘る温度停滞を伴う温度一時間曲線上の鋭敏でよ く限定された点を形成丈るのに役立つ。 この原理は鋳造工業では長年用〜）られてきた。たとえ１ｆ１従来のＴＲＩ行物 であるスウェーデン特許公告第３５０１２４号（ＳＥ−Ｂ−３５０１２４）ζよ ７容融鋳鉄のためのそのような冷却曲線を決定する装置を教示して（Ｘる。 しかしながら、過共晶合金におけるＣ、　Ｅ、を決定するため；こ同様な技術を 用いようとする企ては、成功していない。片状黒鉛はそのような溶融物力）ら析 出する最初の固相である。しかしながら、炭素結晶は、液相線を通過した直後（ こＣよ核にならず、発生した潜熱は僅かで温度の休止中

【こ拡散してしまう。し た力くって、凝固曲線中の変化をＣ，Ｅ、の測定を可能ならしめるＩＦ常１こ明 瞭な牛０変イヒに結びつけるのは不可能である。この問題はスウェーデン特許公 告第３４２５０８号？ご教示される方法によって解決される。この刊行物４、黒 鉛の形成力（溶融物にｚ＝ｔするある種の元素の添加によって抑制され得る場合 （こ、γ−鉄とセメンタイトの準安定な系中に対応する線が形成されるまで過冷 却されるであろうことを１５＋１示している。凝固中に非常に過共晶の溶融物内 に形成される第一の平目Ｇよセメンタイトであり、これはその高い成長速度によ って、充分な熱を放出し所定の時間温度低下を停滞させるであろう。 上記スウェーデン特許公告第３４２５０８号の出願人４、二種の全く異なる溶融 物、一つは初析γ−相をもつ亜共晶溶融物、もう一つζよ初析セメンタイトの過 共晶析出物が同じ結果をもたらすという事実（こつ（１て関ＩＣ，＼ゐ（な（Ａ よう（こ見える。 この出願人は安定と準安定の間のγ−液相線の非常【こ重要な９頁域（こつ（為 て同様【こ輝関心である。 上記公告特許の出願人は、同様に、ある踵の元素力（黒鉛の形成を抑ｊｌＪＩす ることおよびマグネシウムについても述べているが、テルル最も効果的な元素で あることを従来どおり述べて０る。この見解ζよ部分的ζこＣよ正しいが、毎年 数百刃トンのダクタイル鋳鉄が、セメンタイト形成の危険性ζよζまとんどなし に、セリウム（および他の希土類元素およびマグネシウム）の限定ゲ】な添加に よって製造されている。 改良鋳鉄（すなわち、希土類元素および／またはマグネシウムの添加によって生 ずる）の研究の結果、これらのタイプの鋳鉄は全く異なる状態図で記載されなけ ればならないことを示しており、そこにおいては、γ−液相線と改良黒鉛ノジュ ールの液（Ｕ線、Ｃ．　Ｅ．　、および共晶反応の起こる温度はほき換えられる 。 本発明は、添付図面を参照して、さらに詳細に説明されるが、そこにおいて、図 １は、改良鋳鉄に関する状態図中の共晶反応領域付近を示すものであり、そして 、図２は、従来よりの公知技術および本発明にしたがって示された凝固曲線を示 すものである。 図１は、通常の鉄−炭素−ケイ素状態図から直径２．５ｃｍの試験棒中に１００ ±５０ノジユール／ｍｍ２の核形成水準をもつダクタイル鋳鉄の場合への変化を 示す。共晶組成物は約４．７０Ｃ．Ｅ．であり、共晶凝固温度は約１１４０℃で あることが分かうた。この点において、γ−鉄と黒鉛ノジュールは、てこの法則 （ｌｅｖｅｒ　ｒｕｌｅ）にしたがって析出した。低目のＣ．　Ｅ．値において は、γ−相は基本的に樹枝状に発達し、一方で、約４．７のＣ．　Ｅ．以上で黒 鉛ノジュールが溶融物から最初に析出し、これらのノジュールは溶融物の上部に 浮上する傾向がある。 この１００±５０ｍｍ２の接種レベルは、殆どの場合、基本的な処理の後（すな わち、Ｆ　ｅ−Ｓ　ｉ　−Ｍｇ＋　Ｆ　ｅ−Ｓ　ｉ＋　および任意に所定Ｈの希 土類金回のような物質を添加した後）のダクタイル鋳鉄の溶湯の実際の状態を表 すと（１う理由から選ばれた。 溶湯がこのレベルに達すると、高い正確度で、所定のノジュールのＨのレベルを 得るために必要な接種剤の鼠を決定できる。この種の鋳鉄中の残余のマグネシウ ムの量は０．０２０重厘％を超えなければならない。 鋳造工業にとって最も望ましいことは動力学的な転換された共晶点の少し下の組 成をもつ鋳物を作ることである。 この領域において、たとえばＣ．　Ｅ．が４．５５から４．６５の間で、Ｕ固ζ よ、鋳物製品の全体に亘って細かいデンドライトの網目状組織の析出で始まる。 この網目状組織は鋳造製品に一定の安定性を与えかつ溶湯内の浮上から処理工程 の後段階で黒鉛ノジュールが生ずるのを防ぐ。この細かいデンドライトの網目状 組織は溶融物のデンドライト間の流尤を厳しくは制限しないので、多孔質や収縮 を生ずる危険性が低減する。 実際のＣ，Ｅ、を処理工程中にそのような狭い限定範囲に調節する信頼性ある方 法は鋳造工業にとって非常に価（１ａがある。初期の公知の方法では、正確性が ないことにより、あるいは必須の情報を覆い隠す望ましくない炭化物の形成によ って組織改良鋳鉄に適用できなくなるという理由から、所定の結果を生じなかっ たものである。 本発明によれば、熱分析のためおよび組織改良溶湯の結晶化特性に関する情報を 得るために採取された試料は、先行米国特許第４６６７７２５号明細書（ＵＳ− Ａ−４６６７７２５）に詳細に記載されるように、さらに測定を行うことによっ て、実際の共晶点までのＣ，Ｅ、　（ｌａ、すなわち、上記の場合Ｃ，Ｅ、値４ ．７％をもつ緻密男鉛Ｖ！鉄およびダクタイル鋳鉄の溶湯の物理的Ｃ，Ｅ、を決 定するのに（受用できる。 米国持約第４６６７７２５号明細書の方法は、予熱されるかまたは′Ｉｈ鉄溶湯 にｆｆｉすることによって加熱され、かつ、たとえば、Ｉｖ！電対のような二個 の温度センサーであって、一方は容器の内壁に近接して設けられ、他方は最も近 い外壁からほぼ等距離にある容器の中心に置かれている温度センサーを備えてい るような容器内に含まれる溶湯から試料を取り出すことを基本としている。 この種の試料容器が使われると、通常は試料の中心部におけるＵ同速度の多少と も明瞭に示された減少を観察することができる。この方法は、問題となるタイプ の材料の正確なＣ，Ｅ、値を決定するための公知の方法に類似する。 しかしながら、たとえばスウェーデン特許公告第３４２５０８号に教示される方 法は、本発明が基礎を置いている問題を解決することはできない。 本発明によれば、この問題は、核形成を起こすこと、および、試料の温度が問題 の状態図中の液相線を超えるとき正確に熱的信号が得られることを常に保障する 既構をもってγ−相の析出を開始することによって解決できる。 この機構は、−制置」二の純粋な鋳鉄片を溶湯と接触させて試料容器に供給する ことによって得られる。この点で、使用される鋳鉄片は、完全に溶解しない程度 で充分な２ではあるが、全体として試料の平均組成は実質的に影響を与えな０程 度に少ない量の鋳鉄を含まなければならず、かつ試料容器が満たされるにつれて 、また後続の試料の冷却中に試料容雪中に混合されなければならない。このこと は、実際上、少量の比較的純斡な鋳鉄が試料中に存在しなければならないことを 穿味する。冷却工程中に、これらの少量の鋳鉄は、試料の平均組成に基づいて計 算されるように、γ−相の液相線温度よりも非常に高い温度で結晶化するであろ う。 したがって、少量のγ−相結晶は、温度が使用される状態図内のγ−相液相線を 通過するときにすでに形成されているものであり、そして試料の大部分の組成を 表す。 試料の内部における冷却は容器壁における冷却に関連して遅延されること、およ びそれらが、１ｆｆｉ常壁而で起こり２％　３ｍｍだけ溶湯内に拡がる一時的な 表面反応を避けるために溶湯内にぼかれることが必要である。 またさもなくば、試料容器壁を通過する熱伝達は壁の限定部分を熱的に隔離する ことによって低減でき、その限定部分は、そのため、それ自体低炭素鋼で製造す るか、または壁のそのような隔離地点に直接取り付けられた鋳鉄片から製造し得 る。 この時点において、γ−相デンドライトは試料の全容積に亘って直ちに発達し始 めることができる。γ−相デンドライトの最初の発達の開始は、試料容積の中心 部で得られたＵ固曲線における明瞭な屈曲点によって示される。時間−湯度曲線 の導関数において最も明瞭に観察されるこの曲線はγ−導関数呼称され得る。 この温度は、実際の液相線温度に関連させて絶対温度（”Ｃ）で表されるか、ま たは多数の試料の化学分析に関連させて修正される。 しかしながら、蘭固過程中にデンドライトの発達に直ちに続く共晶反応の間に定 常状態の温度に関連させてγ−相の成長の開始を設定することは重大な関心事で ある。図２は純鉄からなる開始剤を使用しないγ−デンドライトの成長を示す（ ａ）の場合の中心に配置された温度センサーから得られる本発明のＵ固曲線を示 す。図２から、γ−デンドライトの成長はほぼＴｒの温度で、時として図２のハ ツチングした領域にある間に開始することが看取される。開始剤が使用されると 、Ｔｒは決定された温度として同定され得る。さらに好ましくは、ＴｒとＴｃｍ ａｘの間の相違が使用でき、この相違は図の中で△Ｔで表される。これは、温度 と共晶反応に対するデンドライト成長の開始からの時間との関係が得られるのを ′ｉ１１能とする。これは、組織改良鋳鉄を鋳造するとき、Ｕ固過程の進行のよ り優れた具体化像を提供し、この方法は高い正確度で炭素当量が決定されるのを 可能にする。 かくて、凝固試料からかつＴｃｍａｘが決定されているときの実際のＴｒまたは Δ丁の値によって該炭素当Ｈの値を得たのち、実際のＴｒ湯温度よびそれと共に 溶湯のＣ，Ｅ、を当該溶湯への合金添加によって変換される値をもつ鉄−炭素− ケイ素状態図の助けを借りて決定することが可能である。図１はかくて、２゜５ ｃｍ径の試料棒内で１００±５０ノジユール／ｍｍ２をもつダクタイル鋳鉄に関 する状態図（ｂ）を示す。かくて、もし、温度Ｔｒが１１５０℃またはΔＴ＝１ ０にのとき、Ｃ，Ｅ、は、図１の助けをかりて、この特殊な場合には４．５２％ と計算できる。 接種特性の静終調整は、フェロノリコン（Ｆｅ＋７５％Ｓｉ）の追加的添加によ って行われる。このノリコン添加は、しかしながら、鋳造材料の最終Ｃ，Ｅ。 の増加を生じ、このことはＣ，Ｅ、を計算するときに考慮されるべきである。 たとえば、もし０．１６％Ｆｅ−７５％ＳｉがＣ，Ｅ、決定後に添加されると、 Ｃ，Ｅ、は、下記の式から直ちに分かるように、＋０．０４％だけ増加する。 ７５％−０，１６／１００＝０．１２％Ｓ　ｉ＋これにより、０．１２％Ｓｉ／ ３＝０．０４％Ｃ，Ｅ、となる本発明は、このようにして米国特許第４６６７７ ２５号明細書に記載の技術の基本的改良を行うものである。この特許は、同様な 試料採取工程ならびζこ改良の程度や結晶化の核の数のような鋳鉄溶湯の固有の 結晶化特性を調節する工程を教示している。以前には再現性ある手段で炭素当量 に関する知識をいちどきに得ることは不可能であったし、しかも溶湯の鋳造に先 だって炭素当量の調節が可能となる短時間内に一般に認知されるか或いは広く流 布されている値を得ることができるような方法で炭素当量を測定することもまた 可能性が低かったものである。 図１ フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。 ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＰＴ、ＳＥ） 、０Ａ（ＢＦ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、ＣＩ、ＣＭ、ＧＡ、ＧＮ、ＭＬ、ＭＲ，ＮＥ 、ＳＮ。 ＴＤ、ＴＧ）、ＡＵ、ＢＢ、ＢＧ、ＢＲ，ＣＡ、ＣＺ。 ＦＩ、ＨＵ、ＪＰ、ＫＰ、ＫＲ，ＫＺ、ＬＫ、ＭＧ、ＭＮ、ＭＷ、Ｎｏ、ＮＺ、 ＰＬ、ＲＯ，ＲＵ、ＳＤ、ＳＫ、ＵＡ、ＵＳ、ＶＮ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．組織改良鋳鉄の溶湯の炭素当量を決定する方法であって、溶湯と熱的に平衡 状態にあり、その中心部に温度センサーが設けられ、かつ時間と関連させて温度 を記録する間溶湯が自由に凝固するようにされた試料容器中に溶湯試料が装入さ れる方法において、試料容器には鋳鉄溶湯と接触している低炭素含有量の一以上 の鋳鉄片が装入され、その鋳鉄片は凝固過程において完全には溶融せず溶湯の平 均組成に大幅に影響を与えないものであり、鋳鉄片における冷却は試料容器壁に おける冷却に関連して遅延せしめられ、γ−相液相線を通過する温度は絶対温度 としてまたは極めて近似した種類の組織改良鋳鉄の共晶温度の測定され修正され た温度に関連する温度差として記録され、かつ炭素当量は組織改良鋳鉄に適用し 得る平衡状態図に基づいて決定されることを特徴とする炭素当量の決定方法。
2. ２．必要により炭素および／またはケイ素または低炭素含有量の鉄を溶湯に添加 することによって、溶湯の炭素当量が決定されかつ調整されることを特徴とする 請求項１記載の炭素当量の決定方法。