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Effect of Matrix Structure on the Thermal Fatigue Strength of Cast Iron

１.緒言
　 鋳鉄はエンジン部品、油圧機器部品および工作機械部品などに多用されており、要求品質としては、薄肉化するとともに、高温強度の向上も必要となっている。 こういった繰り返し熱負荷に長時間さらされる部品の強化方法を開発する上で、熱疲労特性の解明が重要であり、現在までに鋳鉄の熱疲労特性に関する研究は多 く報告されている。しかし、機械的性質に影響を及ぼす大きな要因として挙げられる黒鉛形状や基地組織について系統的な解明を行った報告はあまりない。そこ で著者らは、基地組織、黒鉛形状が熱疲労特性に及ぼす影響を明らかにしてきた。次の段階として本研究では、このことをふまえた上で熱疲労強度に基地組織が 寄与する影響を明確にすることを目的として実施した。

２.実験方法
　基地組織の違いによる熱疲労 強度への影響を調べるために、供試試料として、JIS規格に基づきFC250相当の片状黒鉛鋳鉄(以後、この試験片をFC_Pと略して表す)｡Cr、 Mo、Cuを添加した低合金片状黒鉛鋳鉄(以後、FC_CrMoCu)。それと、レーザー焼入れを行い、一部組織をマルテンサイト化するための片状黒鉛鋳 鉄（FC250相当）を溶製した。それぞれの試料における化学分析値をTable1に示した。また、試料は熱疲労強度に及ぼす基地組織の影響を調べるため に、初期の基地組織をパーライト基地で統一する必要がある。そこで試料を全てパーライト基地にするために、焼ならし（1173Kで2時間保持後、空冷）を 行った。

　 この試料を、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドを模した形状に機械加工し試験片とした。　本実験で考案した熱疲労試験片の形状をFig.1に示す。二つ の穴はそれぞれ吸気、排気ポートを想定している。また、レーザー焼入れを行った試験片については、ポート間のオレンジ色の帯の部分にレーザーを照射した。 レーザー照射は20mm/sと22mm/sの2水準とし、それぞれ以後FC_L-1、FC_L-2と略して表す。

　 試験条件は電気抵抗炉にて1473Ｋに加熱しておいた黒鉛粒中に熱疲労試験片を埋め込み、ポート間（以後試験面）を共析変態以上の1073Ｋに昇温し、保 持（30ｓ）する。その後、空冷にて373Kまで冷却、保持（30ｓ）し、この加熱冷却サイクルを繰り返し、熱疲労を負荷する。この条件にて、試験面に発 生した亀裂の評価として、亀裂発生、亀裂進展、亀裂ポート間貫通の各段階ごとに、光学顕微鏡監察に寄る組織観察を行う。また、定量的評価として亀裂面積率 の測定を行った。
　亀裂面積率の測定方法として、まず定義された測定部分（ポート間2.88mm×5mm）を3分割して50倍の顕微鏡組織写真を 撮影する。次に画像処理装置にて2値化（黒鉛と亀裂を黒、基地組織を白として認識）して黒鉛と亀裂の面積率を求める。そして、試験前の顕微鏡組織写真で同 様の画像処理し、黒鉛のみの面積率を求めておき、この数値を引くことで亀裂面積率を算出する。以上により熱疲労亀裂の発生と進展を評価検討する。

３． 実験結果および考察
３．１　亀裂発生に対するパーライト組織の効果
　 鋳鉄の熱疲労強度に及ぼす基地組織の影響を調べる上で、まず片状黒鉛鋳鉄でパーライト組織の試験片（FC_P）と低合金を添加し、パーライト組織をより強 化した試験片（FC_CrMoCu）について熱疲労試験を行い、比較検討した。その結果、FC_P試験片においては、60サイクル付近で黒鉛と基地組織の 界面部分に初期亀裂が発生した。その後、片状黒鉛に沿うように亀裂が進展していき、110サイクルでポート間の亀裂貫通に至った。FC_CrMoCu試験 片では、120サイクル付近で初期亀裂の発生が観察できた。そして400サイクルでポート間を亀裂が貫通した。この実験結果より、FC_CrMoCu試験 片がFC_P試験片と比較し熱疲労寿命が長くなった理由としてパーライト組織の分解速度の違いに着目し、考察した。
　鋳鉄中のパーライトは、共析 温度で約0.6%～0.7%のCを固溶していたγ鉄が、0.02%以下のCしか固溶しないα鉄に変態するときに、その過剰なγ鉄中のCがセメンタイトとし てα鉄と同時にラメラ状に析出した組織である。そのため、共晶セメンタイトを安定化する元素はこの場合のセメンタイト（共析セメンタイト）をも安定化する ことになる。その代表例としてCr，V，Mo，Mn，N，W等の元素がある。FC_CrMoCu試験片はそのセメンタイト安定化元素であるCrやMo、ま たMnとCuといった共存することでパーライトを安定化させる元素を多く含有させた試験片である。Fig.2にパーライト組織が分解されていった速度をグ ラフ化したものを示す。

図 より、明らかにFC_P試験片の方が早い段階でパーライト組織が分解していることがわかる。それに比べ、FC_CrMoCu試験片では120サイクル付近 までパーライト組織が分解されずに残っていることが確認できた。FC_P試験片では60サイクル付近FC_CrMoCu試験片では120サイクル付近で パーライト組織がほぼ分解されていることがわかったが、これは熱疲労試験の結果より、それぞれの試験片における初期亀裂発生サイクルと一致する。このこと により、パーライト組織の分解速度の違いが初期亀裂の発生サイクルを遅らせ、結果的に熱疲労寿命の向上に寄与したと考えられる。
　また、 Fig.3にFC_P試験片、FC_CrMoCu試験片におけるパーライトラメラの様子を示した。図より明らかにパーライトラメラがFC_CrMoCu試 験片の方が緻密な層を成していることがわかる。このパーライトラメラの緻密さの違いもパーライト分解速度に影響を及ぼし、しいては熱疲労寿命の長さの違い にも影響したと考えられる。

３．２　亀裂進展に及ぼすレーザー焼入れの影響
　 次にレーザー焼入れを行った試験片(FC_L-1試験片、FC_L-2試験片)の熱疲労試験を行った。この実験により、レーザー焼入れを行い一部組織をマ ルテンサイト化したことによる熱疲労強度への影響を、FC_P試験片の試験結果と比較することによって検討した。その結果、FC_L-1試験片においては 初期亀裂が70サイクル付近で発生した。そして350サイクルにかけて、レーザー焼入れ影響部及びそうでない部分の亀裂が、それぞれ独立した形で連結し成 長していく。その間、レーザー焼入れ影響部で発生、成長した亀裂は焼入れの影響を受けていない基地組織の部分で亀裂の成長が止まっていた。また同じように レーザーの影響を受けていない部分で発生、成長した亀裂も、レーザー影響部まで亀裂がさしかかると、進展が止まっていた。その後、455サイクルにおいて レーザー影響部の亀裂と、ポート周辺からの亀裂が連結し亀裂貫通にいたった。FC_L-2試験片においてもFC_L-1試験片と同様に、70サイクル付近 で初期亀裂が発生する。そして、215サイクルにかけてレーザー影響部とそうでない部分の亀裂が独立した形で連結、成長していく。この際、やはり FC_L-1試験片と同様にレーザー影響部と元の基地組織との界面で亀裂の進展が止まることが確認された。そして最終的に326サイクルにおいて、レー ザー影響部とそうでない部分での亀裂が連結し亀裂貫通に至った。この実験結果よりFC_L-1、FC_L-2試験片がFC_P試験片よりも熱疲労寿命が向 上した理由として、亀裂進展の様子が違うことがあげられる。
　Fig.4に亀裂面積率の測定結果のグラフを示した。グラフより、レーザー焼入れを 行った試験片の共通の特徴としてFC_L-1試験片においては、250サイクル～320サイクル付近で、FC_L-2試験片においては120サイク ル～220サイクル付近で亀裂面積率の増加が一時的に止まっていることがわかる。このように、レーザー焼入れを行ったことにより、レーザー焼入れ部と元の 基地組織との界面において、亀裂の進展が一時的に止まった事が熱疲労寿命の向上に寄与したと考えられる。

３．３　熱疲労寿命に及ぼす黒鉛と基地組織の影響
　熱疲労試験において発生した亀裂が、黒鉛部分を通り進展しているのか、それとも基地組織を通り進展しているのかを調べることにより、各試験片における熱疲労寿命に及ぼす黒鉛と基地組織の影響を考察した。
　 Fig.5にFC_P試験片とFC_CrMoCu試験片における黒鉛が亀裂進展に関与した割合を表したグラフを示す。数字が黒鉛を通り亀裂が進展した割合 であるが、まずFC_P試験片においては亀裂はほぼ黒鉛を通り、ポート間の亀裂貫通にいたっていることがわかる。それに比べ、FC_CrMoCu試験片で は初期亀裂、亀裂進展の途中まではFC_P試験片と同様に黒鉛を多く通り亀裂が進展しているが、亀裂面積率がFC_P試験片における熱疲労寿命を超えたあ たりから、基地組織中を亀裂が進展していったことがわかる。このことにより、FC_CrMoCu試験片では黒鉛に沿った形で一気にポート間を亀裂貫通に 至ったのではなく、まず試験面全体に黒鉛の関与した短めの亀裂が発生し、その後徐々に基地組織中を亀裂が進展し貫通に至ったと考えられる。つまり、熱疲労 試験の初期段階では、亀裂が進展しやすい黒鉛界面に亀裂が発生し、近くにある亀裂同士が連結する。しかし、基地組織中を亀裂が進展しにくかったため、試験 面全体の黒鉛の部分にだけ短めの亀裂が多く発生することになる。そしてその後、熱疲労試験を繰り返し行うことで基地組織にも亀裂が進展し亀裂貫通に至るの だが、結果的にポート間を亀裂が貫通するまでに、多くの熱疲労サイクルを要することになる。このことにより、FC_CrMoCu試験片においては、 Cr，Cu，Moを添加したことによるパーライト組織の強化が熱疲労寿命向上に効果を発揮したと考えられる。

４．結言
　以上の結果をまとめると次の通りである。
（１）球状黒鉛鋳鉄溶湯で、Si濃度が均一に高まってもチャンキー黒鉛は生成しにくい。
（２）部分的に不均一なSi濃度ができることによってチャンキー黒鉛が生成する。チャンキー黒鉛の生成領域のSi濃度は球状黒鉛のそれの数倍で、7～8mass%程度と推定される。
（３）チャンキー黒鉛はその生成領域において球状黒鉛が存在し、高い球状化能を維持する一方で、連続性を有する黒鉛として生成する。
（４） チャンキー黒鉛の生成は、凝固速度と成長速度のバランスで説明できる。両速度のバランスが取れているときは球状黒鉛として成長し、凝固速度が大きくなって 成長速度を大きく上回ると黒鉛成長が間に合わなくなり、球状で生成した黒鉛が激しく枝分かれをして、連続性を有するチャンキー黒鉛として生成する。

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