[发明专利]片状石墨铸铁及其制造方法

说明书

发明领域

本发明涉及适用于内燃机引擎零部件等的片状石墨铸铁及其制造方法，尤其实现了不使用混合稀土金属等的高强度且切削性等加工性优良的铸铁的廉价制造方法。

发明背景

一直以来，为寻求内燃机引擎零部件的高强度、加工稳定性及低成本化，进行了各种研究。例如，由于活塞环需要在内周面滑动以保持气密性，所以气缸套和活塞环等的引擎零部件需要较强的耐磨损性和耐划伤性，一直以来，都是使用含有分散有石墨和碳化物组织的特殊合金铸铁。添加有钼等合金元素的特殊合金铸铁，是一种高强度铸铁，但是，这种特殊的合金铸铁存在加工性差、缩短加工刀具的使用寿命、增大加工成本的问题。此外，由于需要添加多种贵重的合金元素，也存在导致制备成本增加的问题。

此外，从资源的有效利用观点出发，铸铁制备普遍将钢板碎屑(钢屑)作为原材料的一部分使用。近年来，为了提高车辆碰撞安全性及减轻车体重量，有使用高张力钢(低合金高强度钢)作为汽车材料的趋势。

添加到高张力钢材中的合金元素有作为基质组织强化元素的Mn、Cr、Mo等。其中，锰(Mn)作为最廉价的原料被大量利用，今后，随着高张力钢材使用比例的增加，预期将会大量出现含有较多锰的高张力碎屑(钢屑)。

现在，钢板碎屑(钢屑)作为铸造用原材料被大量使用，冲压过程中产生的巴厘作为钢板碎屑大量产生。因此，预期所述高张力碎屑将可作为铁源使用。

在高张力碎屑中大量含有的作为合金元素之一的锰是一种起到强化基质组织作用的元素，其在铸铁中可促进基质的珠光体组织，使珠光体中的碳化铁组织间隔致密并被强化。但是，锰同时又具有稳定碳化物、阻止石墨晶体析出的作用。

因此，目前的现状是，利用高张力碎屑制造铸铁，需要进行Mn的稀释和脱Mn等措施。这些措施可导致生产成本提高，若可以不除去Mn而直接得到铸铁，在工业应用上将非常高效。

铸铁年生产量约为500万吨。铸铁中，石墨以片状析出晶体的称为片状石墨铸铁，年生产量约为300万吨，另一方面，石墨以球状析出晶体的称为球墨铸铁，年生产量约为200万吨。

此外，总的来说，片状石墨铸铁的抗张强度(引张强度)低于球墨铸铁。导致球墨铸铁抗张强度高的主要原因是在熔融金属液中添加了含有Mg、Ca、Ce等的石墨球化剂后将石墨进行球化。

但是，现在已知熔融金属液中存在的硫(S)会与这些元素起反应形成硫化物，而降低石墨球化能力。

因此，对于含S量较高的熔融金属液，要预先进行脱硫处理以降低S含量或增量添加石墨球化剂等处理。另外，即使微量的Sb、Sn、Pb、Ti等元素仍会抑制石墨的球化，所以需从钢屑等原材料中去除这些元素以确保其中不存在这些元素。

因此，为得到抗张强度高的铸铁，可以制备球墨铸铁，但是用钢屑制造球墨铸铁时，要留心各种元素的混入并进行必要处理，尤其S可导致熔渣(slag)的产生，其量的控制就显得尤为重要。

另一方面，利用钢屑制备片状石墨铸铁时，虽然不像制备球墨铸铁那样，需要注意各种元素的混入，但是一般很难得到具有与球墨铸铁相同水平的抗张强度。

此外，铸铁中Mn含量很少时，由于S会与Fe结合形成硫化铁促进冷却，一般被认为是一种强的石墨化阻碍元素。

但是，在铸铁的熔融金属液中同时存在Mn和S时，会形成稳定的硫化物(MnS)，而互相中和不利的一面。而且，有消息说MnS有可能促进石墨共晶晶体的晶核的生成。

虽然一直以来有对Mn单体、S单体或两种元素相互间的关系的研究，但是在假定高锰组成的研究方面，除了例如本发明人提议的在专利文献1和专利文献2中所公开的方法以外，基本难觅踪迹。

此外，专利文献1及专利文献2所公开的任一方法，都需将稀土元素或混合稀土金属按熔融金属液中S量的两倍的量来添加，但是，因为稀土元素或是混合稀土金属的添加会降低流动性(铸铁的熔融流动性)，因此在操作上比较费时费力。尤其是为将气缸套和凸轮轴等加工到最小，对减小壁厚的要求非常高，为满足相关要求就需要有较好的流动性。

此外，专利文献1中所公开的方法采用向铁水中进一步添加S的构成，因为S会导致熔渣(slag)的产生，从而对再利用产生障碍，因此不建议添加S。

专利文献1：特开：2003-171729号公报

专利文献2：特开平：10-158777号公报

发明概述

本发明目的是提供一种不使用稀土和混合稀土金属等元素，强度高且切削性优良，适用于内燃机引擎零部件等的片状石墨铸铁及其制造方法。