現在鋳鉄に主に存在するガス元素は酸素、窒素、水素であり、この3種類のガス元素の鉄液中の存在形態及び含有量は鋳鉄の品質と性能に重要な影響を与える[1]。鋳鉄の組織と性能に対する酸素の影響は、主に鋳鉄の凝固過程に現れ、酸素と鉄液中の多種の元素が結合して酸化物を形成し、一部は黒鉛形核質点を構成し、もう一部は酸化介在物を形成する。高すぎる酸素は鉄液の酸化を促し、鉄液の流動性を低下させ、鋳造欠陥も発生する。同時に培養球化過程において酸素はさらに追加の培養球化剤を消費し、培養球化不良を引き起こす[2]。窒素が鋳鉄組織と性能に与える影響は、主に窒素が黒鉛シートの成長を抑制し、黒鉛シートの長さを短くし、端部を鈍化させ、曲げ度を増大させ、アスペクト比を減少させることができる[3]。適量の窒素は鋳鉄中で微合金化の役割も果たし、固溶は基体組織を強化し、材料性能を高め、高すぎる窒素は窒素孔を発生させる[4]。水素は鋳鉄の組織と性能に良い影響を与えず、研究によると炭素当量が4.2%前後の鋳鉄の中で、1 200℃で水素の溶解度は7.5である×10-6。高すぎる水素は凝固過程で析出し、鋳物に水素ピンホールなどを形成させる。

以上より、性能が安定で品質が高い鋳鉄部品を生産するために、鋳鉄中の酸素、窒素、水素の3種類のガス元素の含有量を測定し、そしてその元素含有量が鋳鉄部品の組織と性能に与える影響を検討し、鋳鉄生産に重要な現実的意義を持っている。

1試験材料の製造方法

本試験は中周波誘導炉を用いて鉄液の溶解を行い、異なる型番の灰鋳鉄と球状インク鋳鉄を製造し、灰鋳鉄と球状インク鋳鉄中の酸素と窒素元素の含有量を測定し分析する。炉材中の廃鋼の添加量は50%~ 65%、回炉材は20%~ 35%、銑鉄は0 ~ 20%で、灰鋳鉄と球墨鋳鉄を製造する際にはそれぞれ半黒鉛化炭素増加剤と黒鉛化炭素増加剤を用いて炭素増加処理を行い、添加量は1.0%~ 2.0%で、同時に0.6%~ 1.0%炭化珪素増珪素を添加した。鉄液温度が1 450℃前後に上昇した場合、サンプリングして成分分析を行い、***終鉄液は1 480 ~ 1 520℃で出庫した。

試料の調製と分析。フィールドサンプリング：採用Φ5 mm真空ガラス管をサンプリングし、真空ガラス管を鉄液に挿入し、瞬間的に吸引して鉄棒にしてすぐに水に入れ、冷却後にきれいなビニール袋に入れ、取り出した試験棒は緻密で気孔ができない。化学検査室での試料製造：研磨方法を用いて試料表面の酸化物を除去し、研磨過程中に絶えずエタノール内に浸漬して冷却し、試料の過熱を回避し、研磨後にエタノール内に入れて保存する。ドライヤーを用いて表面のエタノールを乾かし、さらに金剛ヤスリを用いて表面を微加工し、試料表面を滑らかで粗紋様がなく、***後に分析に適した量の試料（0.5 g程度）に加工して分析を行った。

分析時、ピンセットを用いて試料を鋼研ナックON−3000分析器に入れて分析を行った。結果データはいずれも5試料の平均値であった。

2灰鋳鉄及びグラファイト鋳鉄中の酸素、窒素含有量の測定

灰鋳鉄培養後の温度を1,350℃前後に下げてガラス管サンプリングを行い、酸素、窒素含有量を測定し、分析結果を表1に示す。試料HT 250及びHT 300において、その内部の酸素含有量は一般に窒素含有量よりはるかに低い。HT 300の酸素含有量と窒素含有量の平均値は、試料HT 250と比較して高い。

表1灰鋳鉄中の酸素と窒素の含有量

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グラファイト鋳鉄球状化処理後の温度を1,350℃程度に下げてガラス管サンプリングを行い、酸素、窒素含有量を測定し、分析結果を表2に示す。異なる型番のボールインキ鋳鉄について、その内部の酸素含有量はすべて窒素含有量よりはるかに低く、しかも酸素含有量の平均値は大きく異なり、窒素含有量の平均値は大きく異なり、QT 600-3とQT 500-5の窒素含有量の平均値は***大きく、いずれも57である×10-6、QT 400-18の窒素含有量平均***は40×10-6。

表2ボールインキ鋳鉄中の酸素と窒素の含有量

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3酸素含有量が合成灰鋳鉄の品質に与える影響

酸素は活発性の強い元素であり、鋳鉄では多くの元素と結合して酸化物を形成することができる。灰鋳鉄、特に合成灰鋳鉄については懐胎処理をしっかりと行わなければならないが、懐胎処理前の原鉄液には一定の酸素と硫黄が存在し、実践により、鉄液中の硫黄の含有量は0.06%を下回るべきではなく、***は0.06%~ 0.09%の間に維持することが好ましい[6-7]が、酸素含有量の適切な値がどれだけ少ないかは現在明らかではないため、本文は実験を通じて合成灰鋳鉄の鉄液中の酸素含有量の適切な値を探究する。

合成灰鋳鉄にFe 2 O 3を添加することにより、Fe 2 O 3の異なる添加量及び添加条件が合成灰鋳鉄の酸素含有量及びその性能に与える影響を探究した。いくつかの成分が近い合成灰鋳鉄液にそれぞれ0.02%、0.04%、0.06%、0.08%のFe 2 O 3を添加し、鋳鉄試料中の酸素含有量と試料の性能を測定し、試験はいずれも炉出培養温度が1 480℃程度に低下してサンプリングし、試験結果は表3に示した。結果データはいずれも5試料の平均値であった。

表3 Fe 2 O 3の添加量及び添加条件対

灰鋳鉄の酸素含有量と性能の影響

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表3から分かるように、1 450℃の時と炉詰めの時に異なる割合のFe 2 O 3を添加し、その酸素含有量は（12 ~ 18）×10～6の間で変化し、平均値は13.75×10-6、性能は330 ~ 375 MPaで変動し、明らかな規則がない。人為的にFe 2 O 3を用いた酸素含有量の増加効果は明らかではなく、酸素含有量は引張強度の大きさに比例しない関係にあることが分かった。しかし、試験成分はHT 300材質であり、強度はいずれも330 MPa以上に達し、平均値は347 MPaであり、鉄液中の酸素の含有量は（10 ~ 20）×10-6が望ましい。なぜなら、鉄液中の酸素含有量が10未満になると×10-6以下の場合、黒鉛の外来コアとなりうる酸化物と硫黄酸素複合化合物は少なく、鉄液の培養処理に対する応答能力は不足し、灰鋳鉄組織には多くの過冷黒鉛（D、E型黒鉛）が出現する。酸素含有量が高すぎると、追加の合金元素が消費され、試料の性能が低下する。

4窒素含有量がHT 250の組織と性能に与える影響

鋳鉄組織と性能に対する窒素の影響に関する論述が多く、窒素に対する認識と利用も全 面的に深い。本文はHT 250に窒化マンガン合金を添加することにより、鉄液中の窒素含有量を高め、窒素含有量の変化が灰鋳鉄組織と性能に与える影響を探究する。試験炉材料の配合比は普通炭素廃棄鋼60%、同質再炉材料30%、銑鉄10%であった。鉄液を450℃に溶融したときに窒化マンガン鉄を添加した。添加量は0、0.1%、0.2%、0.3%の順であり、試験結果を表4に示した。結果データはいずれも5試料の平均値であった。

表4 MnNの添加量が鋳鉄組織と性能に与える影響

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表4から、MnN添加量の増加に伴い、灰鋳鉄中の窒素含有量は徐々に増加する傾向にあり、真珠光体の含有量は徐々に増加し、試料の引張強度は徐々に増加し、鋳鉄中の黒鉛形態はすべて***であることが分かった。またMnNの添加量が0.3%の場合、灰鋳鉄中の窒素含有量は110×10−6であり、試料の引張強度は370 MPaに達することができるが、鋳物には可視の窒素孔（図1のA、B、Cのような）が現れた。

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図1の窒素孔欠陥画像

窒素含有灰鋳鉄試料の黒鉛形態を図2に示す。灰鋳鉄中の窒素含有量の増加に伴い、黒鉛は次第に短く、粗くなり、黒鉛片の端部は不動態化した。MnN添加量が0.2%、窒素含有量が85×10〜6時にはいくつかの固体黒鉛が出現し、シート状黒鉛は太くなり短くなり、湾曲現象があった。MnN添加量が0.3%の場合、黒鉛組織中に蠕虫状黒鉛のようなものが出現した。主な原因は黒鉛表面に吸着した原子層厚の窒素が金属液中の炭素原子の黒鉛中への拡散を阻害し、シート状黒鉛の成長を阻害し、黒鉛中に固溶した窒素は主に黒鉛内部構造の不完全性を増加することによって、黒鉛結晶格子に歪みを生じさせ、シート状黒鉛の湾曲をもたらした。

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図2窒素含有灰鋳鉄試料の黒鉛形態

窒素含有灰鋳鉄試料の基体組織を図3に示す。灰鋳鉄中の窒素含有量の増加に伴い、基体組織中のパーライト含有量が増加し、パーライト層のシート間隔が減少した。窒素は鉄中に固溶して隙間固溶体を形成することができ、固溶強化と安定オーステナイトの作用は明らかで、窒素は初生一次オーステナイト軸を短くし、二次アーム間隔を小さくし、共晶団を細分化させ、共析転移の過冷却度を増加させ、真珠光体組織を安定して細分化させ、合金化の役割を果たしたため、灰鋳鉄中の窒素の含有量は（50 ~ 100）に制御された×10-6が望ましい。

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5 QT 450における水素孔の形成と制御

鋳鉄中に水素が存在する形態は、液体または固体鋳鉄中に少量溶解してもよいし、鋳鉄の凝固過程中に単体ガスで析出して鋳物中の気孔欠陥を引き起こすこともできる[9]。鉄液の凝固過程において、水素気泡の発生は浮上しにくく、内部への移動も困難であり、***後に鋳物表皮層の下に留まった場合、鋳物に気孔欠陥を発生させる可能性がある[10]。水素孔欠陥は一般的に鋳物の上面に現れ、形状は比較的に丸く、鋳鉄中の水素の源は多く、主に炉材、炉ライニング、ライニングと鋳型塗料及び金属炉材表面のさびから来て、油汚れは鉄液中の水素含有量が高い主な原因であり、またライニングの乾燥クリーニングも鋳物水素孔を招く重要な要素である。

図4に示すように、QT 450材質を用いて箱蓋を加工する過程で大量の気孔欠陥が現れ、検出された気孔は水素ピン孔欠陥である。主な原因は第 一包鉄液注入時に包覆が完全に乾燥せず、鉄液中の合金元素アルミニウムと水蒸気が反応して水素ガスが発生し、鉄液が凝固する過程で水素ガスが析出し、それによって鋳物内に水素ガス孔欠陥が発生し、その反応式は：

2Al+3H2O→Al2+3H2↑

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図4 QT 450箱蓋及び水素孔欠陥

アルミニウム元素は水素孔を形成するリスクを高めることができるので、生産中にアルミニウムの含有量を制御することに注意しなければならない。球状インク鋳鉄にとって、Al≦0.02%、灰鋳鉄にとって、Al≦0.01%である。そのため、鋳鉄中のある金属元素（例えばアルミニウム、鉛、亜鉛など）の含有量を合理的に制御し、鋳鉄中の水素孔の形成を効果的に制御することができる。

6おわりに

（1）鋳鉄中の適量の酸素含有量は鉄液中の多種元素と酸化物を形成することができ、黒鉛外来コアを構成して鉄液の育成処理応答能力を高め、過剰な酸素は鉄液の酸化を促進し、鉄液の流動性を低下させ、鋳造欠陥も発生する。灰鋳鉄中の酸素含有量は（10 ~ 20）×10-6が望ましい。

（2）鋳鉄中の適量の窒素含有量は基体組織を強化し、マイクロ合金化の役割を果たし、材質性能を高めることができる。窒素の含有量***は（50～100）によく制御される×10～6、例えば100を超える×10〜6の場合、鋳物内の窒素気孔欠陥の形成を極めて招きやすい。

（3）鋳鉄中の水素含有量はできるだけ***低値に抑えるべきで、肝心な点は使用する炉材料中の微量元素（アルミニウム、鉛、亜鉛）の含有量が低いことである