鋳鉄の焼入硬化性に就いて（第1報）

7

鋳鉄の焼入硬化性に就いて（第1報）

三 ケ 島 秀  雄

Harde血ability of Cast Irons（lst Rep．）

旦夕π泌eo』411（．4SHU44

Syn・mpsis：

 The au†hor investigated the effect of carbon， silicon， nickel， manganese，

coppeエ， chromium and molybudenum on the hardenability of cast iron．  In plain cast iron， the haτdenability is great when it contains Iower carbor！and lower silicon・ Nickel increases the hardenability and it is especially effectfve in low silicon cast irons． As to manganese， it is effective in Iow carbo孤and low silicon cast irons， and l・2％addition of it causes the maximuln hardenability・

Addition of copper alone in the cast iron does not affect the haτdenability，

but the addition of copper with chromium improves the hardenability greatly．

Avery small amount of molybudenum・as much as O・15％・is exce11ently effective to increase the hardenability．

      の方法が考えられる。一つは窒1ヒ法で他は焼入法

    1緒 言     である．鰍の窒化法は遠心髄に依る気笛類に

 従来鋼には広く熱処理が応用せられ，焼入によ   限つて一部実施せられている。鋳物に不便な・妊 つて硬度を増加し，叉物或は耐磨耗材として使用   を含む事及び窒1ヒの深さが浅い事等のためにあま

し，或は焼入，焼戻処理に依り強靱性を賦与する   り実用的に広まらない現状にある。叉焼入法は鋳 等熱処理利用の範囲が極めて広く・就中特殊鋼に  物全体をそのまま焼入することが取扱上種々の困 対しては一暦よくこれが適用されている。然るに  難を伴うのであまり実施せられていない。鋳鉄全 鋳鉄鋳物に於V・ては鋳造組織が残留する場合に軽  体を焼入しつV・で焼戻してソルバイト組織とする V・焼鈍を施してその歪を除去することが行われる  熱処理は弱V・黒鉛を有する鋳鉄の素地をいかに向 が，これすら鋼のようには一般に利用せられてい  上せしめても大した問題とならなV・のであまり関 ない。尤も可鍛鋳鉄のように必ホ熱処理を施して  心が払われていない。従つて鋳鉄の焼入法として 使用するものもあるが，これに対しても焼入処理  は表面硬度の上昇とV・う方面に進むべきであると

は行われない。鋳鉄はCを多く含むから理論上は  考えられる。鋳鉄の表面硬化法としては火焔硬化 熱処理に依り硬化し，叉焼戻処理によつてソルバ  法，高周波焼入法等が実用化の機運に向いつつあ イト組織も出し得るのであるがあまり利用せられ   り，これ等に関する基礎的研究を経続申てある てV・ない。それは鋳物が一般に大型で肉厚も様々  が，今回は予備的研究として行つた鋳鉄の焼入硬 で実際上熱処理を簡単に行v・得ないという理由に  化性に就いてその一部を報告する。

も依るが，一面焼入処理を施しても硬化能の向上

があまり鵬せられ触ためでもある。    巫試料の使肪及び実験方法

 従来鋳鉄を耐磨耗材，例えばシリンダーライナ   本実験に使用した鋳鉄は普通鋳鉄及び合金鋳鉄 一，工作機械，歯車等に使用する場合には地質の  である。普通鋳鉄は長崎造船所で作られた電気炉 硬V・パーライト鋳鉄を以て満足しているが，何等  鋳鉄を使用した。叉合金鋳鉄はタリプトル電気炉

かの方法で硬化すれば一層積極的に耐磨耗性を増  で増塙熔解し，25mm径の丸棒を砂型に鋳造した。

進せしめることが出来る。この鋳鉄の硬1ヒに二つ  これを750°〜900°Cの各種温度に20分間加熱水

中焼入を行つた。硬度はαDurometer（ロツクウ  なお試料No・8に就いて25°Cおきに硬度を測定 エル硬度計とほぼ同型式）で測り，これをそれに  した結果では875°Cで最高を示し，900°Cにな 相当するヴイツカース硬度（V・H・N）で示した。  ればかえつて硬度が低下する。本鋳鉄の硬化の程 鋳鉄は黒鉛を含むため場所に依り硬軟硬度の差異  度に就いて見るに，高茨素鋼ではV．H．N 700〜

を生じ測定に困難を来すものであるが，円形試料  800にも達するが，本鋳鉄では600にも達しな の外周近くに浩つて6ヶ所，申心附近3ケ所，中  い。これは黒鉛を含むためである。叉C及びSi 間部6ケ所に就いて測定し，その平均値を以て焼  の含有量にも影響せられることが極めて大であ 入硬度とした。      る。例えばSiがほぼ同一でc含量を異にする1

    秘実験結果    と6・3と5・4と7を噛す繊C饅の低紡

      がV・H・NlOO或はそれ以上も大である。Cの高V・

   （1）普通鋳鉄の焼入硬化性         ものが黒鉛を多く含む関係上硬度が低V・のは当然         第  1 表         であろう。叉cがほぼ同一でSiの異なるもの1

翻皿C％ISi％IM・％lp％IS％IC・％

113．10

2  3．21

313．32

4  3．36

514．05

6  4．45 7  4．53

2．09 2．12 2．30 2．63

0．60 0．61 0．62 0．63 2．29 1．94   0．68 2・631

0．471 0．352 0．308 0．443

0．221

0．008 10．539 0．011 0．017 0．005

0．006 0．112 0．137 0．172

0．082

813・・212・471・・5・1・・4・・1・…41…8・

と8，3と4及び6と7に就いて比較すれば明か にSiの高v・もの程軟い。しかし硬化度の差はSi に依る影響よりもむしろCに依る影響を受ける事 が著しい。従つて硬度の大なることを望むなら ば，低炭素，低珪素となるように成分を撰ぶべき である。

   （2）Niの影響  550

 第1表に示すような成分の普通鋳鉄に就v、て焼    500 入温度と硬度との関係を調べた結果は，第1図に    1 示す通りである。これに依れば鋳鉄は焼入に要す    450

る温度が鋼の場合よりも高く，750。Cでは未だ全  ヴ ・ 然硬化が始まらす，800。Cでもなお大部分のもの  イ40θ

       コ       ツ

は硬化しなV・。850°Cで初めてよく硬化を示す。

      カ350  6ρρ        1

 55°        ！   ス3・・    翻C％5 ％協

  5・・       2   硬     二瓢㌘㌶

  5。   シ  度25・  謬琴6麟夢

7zの      1←ぷ．  勿・

ツハ5。       乙へ6

力       津   Aべ㌔、

己  ∠4・／7⇔  ／5°

  ぴo         ◎一

       第2図AはC2・8〜3・3％， Si1．4〜1．8％の鋳鉄

   擁♂ク257507ク580082夕35ρ8ク5％θ   にNiを04」・9％添加した場合の焼入温度と硬

   ま    ヲ凌 入温ね ・C       度との関係を，3ζ第2図BはC3．0〜3．1％（Aとほ

        第 1 図         ぼ同様）でSiがAより高し・（Si2．0〜2．2％）鋳

一 鋳鉄の焼入硬化性に就いて（第1報） −      9

ヴ 55〃

イ 400

ツ

カ 3夕0

｜

ス 300 硬

度250

第  2  表

記号剰肌c％ISi％IM・％

  1    32  C2．9％   35

Si1．5〜1．8タ6   37

  正    42  C3．2％   45

Si1．7〜1．9タ6   47

  皿     55 C3．3〜3．6％   56

Si22〜2・7％157

2．85 2．91 2．91 3．13 3．16 3．22

1．56 1．50 1．82 1．87 1．72 1．73

0．73 1．23 1．65 1．13 1．45 2．27

 3… 2・641・・9・

  3．30      2．68

      1．22

  3．58    2．23    2．42 1       1

のである。この結果に依れば，Mnを添加する事 に依り焼入に要する温度を低下する。これはMn がNiと同様に変態点を降下せしめる点から見て 当然のことである。叉この第3図はC及びSi含 量の程度に応じてまとめたもので，1は低C（C2．

9％），低Si（Si1．5〜1．8％）， Hは中C（C3．2％），

低Si（Si1．7〜1．9％），璽は高C（C3．3〜3．6％），

  伽駕入籔度莞゜伽 高S （S 22−a7％）鋳鉄である・こ僻を見るに

       第2 図 B      V・すれのC含量のものに於V・てもMn 1・2％附近 鉄にNiを0．5−3．5％添加した場合の焼入盤と のものは低Mnのもの砒較して簸が高い・然 硬度との関係を示したものである。 ますSi含量  るにMI1が2％以上となればかえつて硬度は低下 の低v、Aに就いて見れば， Ni鋳鉄は変態点の降  する。その理由は多分オーステナイトの混入に基 下を来すため普瀦鉄より低温度で焼が入る．特 くものと考えられる・その最も効果的なMnの添 にNi 1〜L6％を含む1No．12，13は750。C焼入で  加量はこの実験の冷却条件下に於いてはMn1・2％

既に完全に焼が入り，Nio．4％及び1．9％を含む  であるが・冷却速度如何によつてはMnの有効添 No．11，14も800。Cで硬化し，それ以上焼入温度  加量に変態を来す事が考えられる。叉Mnのあま を高めても硬度を増加せず，むしろ低下の傾向す   り高いものは白銑1ヒの傾向があるのでSiを多く ら示している。然るにSi含量の多v・Bではし、す  加えなければならす・結局Mn1・2％程度のものが れの試料も750。C焼入では未だ硬化せす，800。C  全般的に見て最もよv・と考えられる。この第3図 焼入で完全に硬化を示してv、る。しかしてNi添  に於いてもc及びSiの影響が相当よく現われてv・

加の影響はAの場合と同様の傾向を示す。なおA  る。即ちC・Siの低v・1類ではV・H・N500以上を とBを比較すれば，Si含量の少v、 Aが硬化度は大  示しており・叉S輌含量がほぼ同一でcのやや高 である。Bはωに述べた普通鋳鉄No．1〜4とC  い（C3・2％）』類でもMn添加量を適当に選べば 及びSi含量がほぼ同一であるが， Ni添加のため  硬化度は相当良好であるが・C含量が3・3％以上

に黒鉛化が助長ぜられ焼入硬度はやや下る傾向を  になれば硬化度は急激に低下する。結局C3・2％

示して）・る。即ちNiは焼入硬化性の向上よりむ  以下・Si 2％以下とし・Mn 1・2％程度を添加した しろ靱性を改善するに効果があると考えられる。  ものが良好な結果を示している。

   （3）Mn の 影響       叉Siの影響を見るために第3表に示すような成  C2．85〜3．58％， Si 1．50〜2．68％を含む鋳鉄に  分の鋳鉄に就V・で焼入性を試験した。その結果を

Mnをo．73〜2．42％を添加した種々の試料に就v・  第4図に示す。Mn1．1〜1・3％のものではIV及びV

て実験した。その試料の成分は第2表に示す通り  に示すようにSiの低いものはかなり高い硬度を示

で，第3図は焼入温度と硬度との関係を示したも  してV・るが，Siが2％を超えるとV．H．N500以下

一三ケ島秀雄一

ぢ0ρ

ヴ 350 イ 30〃

ツ

  250

カ

  200

1   ！5−0 ス

硬 500

度450

  諺〜（

35帖 ^{?嚏ﾄ・・°°}

工 C29％， S∠／5〜！8％

    ズ誇洛く二こ』

ゾ蝉＿．2廟M％

ε巳ノ弊三＝へ＼

       、L⇔一一

550ヴ

5「00 イ    ツ 450   カ

   ｜ 400

350 ス       300硬

         口πC33〜3．6％、＆22−2ク％

      ∠タ0

  麟勘6循％0ク25循oク 8〃825 捗0防％O   a     娃 入温力・ご

      第  3  図

第  3 表         に低下する。然るにMnの高V・Wでは仮令Si含量

記∋番号1皿C％IM・％ISi％

w

v A

B A

B

w

31 32 33 35 36

2．95 2．85 2．94 2．91 2．88

4・13・・3

42 43 44 45 46 52 53

3．13 3．07 3．08 3．16 3．20 3．39 3．53

0．78 0．73 0．78 1．23 1．26 1．11 1．13 1．34 1．50 1．45 1．40 1．74 1．89

1．26 1．56 2．37 1．50 2．16 1．40 1．87 0．46 0．65 1．72 2．44 1．05 1．53

は2％以下に下げても焼入性はかなり低下する。

   （4）Cuの影響

 第4表はC3．2％， Si2．1％とし，これにCuを0

〜3％添加した種々の試料に就v・て焼入性を試験 した結果を示したものである。これも矢張り850

°C附近で最高硬度に達し，875°Cで焼入れすれば かえつて低下する傾向を示している。叉硬度は Cuに依り左程増加せす， Cu 2％以上を添加すれ ばかえつて減少する。即ち焼入硬化性の点から見 ればCuはあまり効果的な元素ではない。然るに

これにCrを添加したCu−Cr鋳鉄では焼入性を改

善する効果が大である。

一 鋳鉄の焼入硬化性に就いて（第1報） −       11

●

600

500．

400

ヴ300

．イ

ツ

 200 _カ

｜

ス600

硬 度

 500

400

300

200

1 ＼＼。。忌工＆．／5％

膓65三そ願 一一  一一一一・一一

 一         一   一一づ

∫     3／5乙＝∠26％

／32ジへ237％

〃 ＝＿1㌶㍑：㌶

         ，乙歳玩・、、 〃 ，協s・ ぺ

』 ，；A一ε3㌶1％蜘）≧＼、，一

    ／γβ一一一・c31−3・2％，刷3イ5￠〆

    ∠／一  廷艶江互一一〆一一    〆警竈2岱、．μ。覧2允・イち

   ，     ㌔一一＿＿＿r  一が 一一一   ・ ／諏6言二巌㌃←一一一一±一一一一    ノ1

  ，〆

X／   Ωδ ＝∠°5％

，／      53ぷ＝∠53％

1 ノ

7ZC34，〜35％， 〃九／7〜2．o％

700

  ヴ 600イb   ツ   カ 500 1   ス   硬 400   度 300

200

ノ蹴の  クク5    800   825   85∂    8「ク5   タσカ ま・ @ 娃入温叙・￠

        第 4 図        第  4  表

番

61

62 63

亙 亙

Cu

％ 0

0．3

石 厄

12

焼 入 温 度 ゜C 750

112．8 104．7 121．0 115．9 116．2

77518・・｝825

114．3 121．0 125．0 124．0 115．7

405 342 337 314 34C

447 328 340 451 398

850 411 476 454 444 438

875 374 310 332 452 404

900 465 481 434 439 412

番 号 66 67

百

69

Cu

％

1．5

2．0

2．5

可

焼 入 温 度 C°

750 117．4 115．9 115．3 113．5

775 115．5 117．0 114．7 113．5

800 315 122 128 136

825185・

383 305 351 392

436 407 401 365

8751g・・

410 395 393 410

406

414

405

390

ζOO

500

ヴ400

イ ツ カ

1 300

ス

硬 度

 200

  oq5ヴ゜

ψCf

〕  戸 ・

㍗ ／、

  ノ6

  ノ心

 第5図はCu2．4％を含むCu鋳鉄にCrO〜0．95％

を添加したCu−Cτ鋳鉄の焼入性を示したもので，

Cu， Cτを組み合すれば黒鉛化に対して互V・に補 V・合い材質的にも優秀となる。CrO％の時はV．

H．N400程度であるが， Cr添加量の増加と共に焼 入性は増加する。

 第6図はCエ0．3％及びCrO．6％と一定した場合，

Cu添加量の焼入性に及ぼす影響を示したもので ある。これ等はCrの硬化性が著しい影響を有す

るためにCu自身の影響が現われす， Cuの多V・事 は格別Crに良好な結果を与えるものではなV・こ とを物語つている。

   （5）Mo の 影 響

／°

ｶ立のク5。ク758・・82585・8ク5％・

か  競入温匁・σ     6ω

      第 5 図

5〃o

8

83

400 ²

σ・0．3％

 300 ^{6夕％ 04％}

W／ 032 α59

イ 82 ρ36 〃5

8 3α342．48 ツ200

カ

｜ 500 ス 白

硬 400 89

@     （｝・α6％

度

『）    6r％oん％

300

窃   84。．64ρ7ノ忽  85ρ64、26

86α68／45

弔       87  6λ66 ∠88

880，692．23

200 890582．82

ノ00

、鋪勤勿励クク580・82585り8ク5タ・・

ヴ イ

ツ400

カ 1 ス

硬300 度

qδb ル

番考 τc％5、％〃。％

9／   2973  ！ク24 0」危ク

92  2640 2098α250

93   30／9  2079ρ350

？4  2・724 22054500

95 3！77為06砺θ

96  ヨ039 2！03！∂oo

働  ！乃roク75 8り08万肪0 875％ρ

ま・    焼入鍛友℃

      第 7 図

 第7図はC約3％，Sil．7〜2．3％を含む鋳鉄に MoO．15〜1．0％を添加した場合の焼入性を示した ものである。Moの添加は焼入硬化性を著しく向 上する一面，衝寧抗力にも好結果を与えるもので ある。Moは0．15％で既に大いに硬化性を改善す るが，それ以上Moを多く添加しても左程の大き な利益はなく，Moが多いとかえって硬化性は低 下する。なおMoの添加は焼入温度が800°C程度 でよいこともその利点の一一つとなし得る。

IV 実験結果の考察

ま、    〕疫 入 張 汝 ・ご       鋳鉄は多量のCを含むから当然よく焼が入らな

      第 6 図       ければならない筈であるが，実際には仲々焼が入

一 鋳鉄の焼入硬化性に就いて（第1報） −      13

り難い。特に火焔硬化，高周波焼入のように急速  効果の減少等多方面に有利に働ぐが・焼入性の向 に加熱して表面層のみを変態点以上に加熱する場  上よりむしろ靱性の改善に大きな役割を有するも 合には，充分時間を与えて焼入した場合に比較し  のである。焼入性の点から見ればMnはNiより効 て一暦焼が入り難v・のである。鋳鉄の焼入硬化を  果的であるが，反面黒鉛化を妨げ白銑化する傾向 妨げる因子としてはます黒鉛の存在が挙げられ  を有するので，それだけ多くのSiを添加する必 る。黒鉛が多ければ多い程軟v・組織となるからこ  要があり，いかなる成分の鋳鉄でもMnを添加し れを焼入したものも当然硬度は落ちるのである。  て焼入性を改善する事が出来るとは限らない。

叉黒鉛の存在はγ組織の分解を促して一暦焼入を  この場合C及びSi含量に制限がある事は勿論，

困難ならしめる。例えば共晶黒鉛のような微細組  適量のMnを添加しなければ充分の硬化性を発揮 織の鋳鉄ではこの分解が一層大で，しばしばフエ  する事は出来なV・。なおCr及びMoも焼入性の向

ライトの組織さえ見られる場合がある。かかる組  上に効果的で，前者にありては約1％，後者にあ 織のものに於いては更に焼入が困難である。    りては0ユ5％でいすれも良好な焼入性を示すよう  なお次鋳鉄には黒鉛化をなさしめるために通常  になる。

多くのSiが含有せられている，普通の鋳鉄におい

てはSiは少くとも1％以上鮪している．元来Si  V結 言

はγに対するCの溶解度を減するので，それだけ   以上の結果を総括すれば，大体次の通りであ 焼入硬化を鈍くするものである。叉鋳鉄が完全な  る。

パーライト組織である場合には比較的よく焼が入  （1）普通鋳鉄は焼人温度が高く（850°C）かっ低 るが，黒鉛＋フェライトの組織である場合には，   炭素，低珪素としなければ焼入硬化性が少V・。

黒鉛が地鉄に固溶してγ組織となるにはかなりの  （2）Niの添加は変態点の降下を伴うため普通鋳鉄 時間を要する。従って火焔硬化その他のように急   より焼入温度が低くても（750°C）焼が入るが，

速加熱をなす場合にはCが充分溶け込む事が出来   焼入硬化能は同一C及びSiを含む普通鋳鉄と なv・ため焼入硬化性が劣るのである。叉鋳鉄の焼   ぼぼ同程度である。しかしてNiの添加と共に 入に際して懸念せられる問題は，脆弱な黒鉛が焼   焼入硬化性を増加するが，低Siの方が焼入性 入に際して膨脹し変形を大ならしめる点である。   は大である。

 以上の理由のために鋳鉄は焼入硬1ヒ性が不充分  （3）MnもNiと同様の焼入性を有するが・Niより で，鋼の場合より相当高温度から焼入ても鋼のよ   も著しく効果的である。MnL2％程度のものが

うな高硬度は得られなv・。鋼はA3変態点が750−一   最も焼入性が良く・Mnが2％以上になるとか 800。Cにして800〜820°C位でよく焼が入るが，   えつて焼入性は低下する。叉低炭素，低珪素の 鋳鉄では焼入抵抗性が大でCの吸牧速度も遅v・の    もの程焼入性は優秀にして，C3・3％以上， Si で850°Cで始めて硬化する。なお炭素鋼ではV．   2％以上になれば焼入性は激滅する。

H．N700〜800にも達するが，鋳鉄では低衆素，  ④ Cuは焼入性に左程の影響を与えす・2％以上 低珪素の場合にのみ500以上の硬度が得られ，普   を添加すればかえつて焼入性を低下する。

通の鋳鉄では500にも達しない場合が多V・。然る  （5）Cu−Cr鋳鉄では焼入性を改善する効果が大 に普通鋳鉄にNi， Mn， Cr等不可逆性の大きい   で， Crの添加と共に焼入性は大となる。

元素を添加すれば，変態点を降下するため775°C  （6）Moは0・15％程度の少量を添加しても著しく

附近の焼入でもよく焼が入るようになる。Niは   焼入性が向上するが，多くを添加するとかえつ

変態点の降下．焼入性の改善，靱性の賦与，質量   て焼入性は低下する。