片状黒鉛鋳鉄のパーライト分解過程に及ぼす Mo の影響 Effect of Mo on Decomposition Process of Pearlite of Flake Graphite Cast Iron 302 1. 緒濵原遼介（Ryosuke Hamahara）言鋳鉄の基地組織は，特別な熱処理あるいは合金添加がない場合，フェライトあるいはパーライト，またはこれら両者の混合組織で形成されている．フェライトはα固溶体と呼ばれるCを少量含んだFeで，αFeとも呼ばれ軟らかく，パーライトはフェライトとセメンタイト（Fe3C）の板状結晶が交互に層状になっているため高強度である．しかし，パーライト組織も高温状態が続くと分解してオーステナイト変態し，基地組織が変化してしまう．これにより高温での熱疲労強度が低下し，クラックなどの破壊につながる．また，現在パーライト組織の生成過程については解明されているが，分解過程については解明されていない．よって熱疲労によるパーライト組織の分解過程の詳細を正しく理解することは非常に重要である．また，鋳鉄は用途に合わせて熱処理や合金添加を行うことで組織や機械的性質をコントロールして使用されている．特に，合金添加は微量でも基地組織等に大きな影響を与え，例えば， Cr，Cu，Sn，Mo，Mnなどのパーライト安定化元素を一定量含有させるだけで基地組織をオールパーライトにすることが可能である．よって合金添加が鋳鉄に与える影響についても詳細を解明することで，今後の鋳鉄材料の用途拡大にもつながると考えられる．そこで本研究では，まず片状黒鉛鋳鉄の熱疲労によるパーライト分解過程の詳細を明らかにすることを目的とし，材料を高温保持することにより熱疲労を与え，パーライト分解過程をその場観察した．そして，元素分布の観点からもパーライト分解過程の詳細を明らかにするために EPMA を用いて元素分析を行った．さらに，パーライト安定化元素の一つであり，一般的に材料の高温特性を向上させる効果を有する Mo を片状黒鉛鋳鉄に含有させることで，パーライト組織およびパーライト組織の分解過程に及ぼす影響について詳細を明らかにした． 2. 実験方法本実験において，共焦点走査型レーザ顕微鏡と赤外線加熱装置を組み合わせた装置を加熱およびその場観察に使用した．また，EPMA を用いて元素の観点からパーライトの分解過程を解明した．供試材料にはパーライト地の片状黒鉛鋳鉄として，FC300 を基準に Mo を含有させた試料を作製し，同一条件で実験を行った後，実験結果を比較することで Mo がパーライト分解過程に与える影響について検証した．供試材料の化学分析結果を表 1 に示す．表1 FC300 FC－Mo C 3.07 3.16 供試材料の成分分析結果 Si 1.65 1.85 Mn 0.75 0.76 P 0.070 0.030 (mass%) S 0.050 0.009 Mo <0.005 0.353 2.1 片状黒鉛鋳鉄の高温保持によるパーライト分解過程のその場観察供試材料を3mm立方に加工し，観察面の研磨とバフ琢磨を行っ観察方向た後，3%ナイタール液にて腐食を行った．試料の観察面を上に向観察位置けた状態で，図1に示すように赤外線加熱装置専用のジルコニア製るつぼ（内径4.5mm）にセットして，赤外線加熱装置の炉内に設置した．真空ポンプとアルゴンガス（流量200mL/min）を使用し，ガス置換を3回行った後，真空を引いた．その際，真空度は2Pa以下とした．図2に示す高温保持プログラムを開始し，パーライト分解過程を共焦点走査型レーザ顕微鏡でその場観察した．A1変態点図1 試料設置イメージ（727℃）より高温な850℃で保持すること 60min によって熱負荷を与え，基地組織をオースさせた．冷却時にパーライト組織が再び析出しないために，冷却は炉内で空冷を行った．高温保持中に顕微鏡組織を撮影し，高 850 温度 [℃] テナイト化させてパーライト組織を分解炉内空冷温保持によるパーライト分解過程の詳細 0 を検討した．図2 2.2 時間 [min] その場観察の高温保持プログラム片状黒鉛鋳鉄の高温保持によるパーライト分解過程の元素分析パーライト組織はフェライト（αFe）とセメンタイト（Fe3C）の層状組織である．そしてパーライトは分解することでオーステナイト化し，その後の冷却でフェライト化する．よって，パーライトが分解することで基地組織内のC検出量は減少すると考えられる．そこでEPMAを用いて，パーライト組織のセメンタイト（Fe3C）中に含まれるCを検出し，高温保持前後のC検出量および分布を比較することで，高温保持によるパーライト分解の有無や分解過程の詳細を元素の観点から解明した．実験方法は，2.1に示した手順の850℃保持前後において，EPMAを用いてCに関す 5，10，15，30，60min る元素分析を行った．また，850℃の保持ト分解過程の詳細を段階的に検討した． 850℃の保持時間は図3に示す5，10，15，温度 [℃] 時間を変化させることによって，パーライ 850 炉内空冷 30，60分の5パターンとした．さらにFC－ Moの試料に関しては，Moの分布について 0 も元素分析を行うことで，Moがパーライ時間 [min] ト組織に及ぼす影響について解明した．図3 元素分析の高温保持プログラム実験結果および考察 3. 3.1 基地組織の比較実験を行う前に，Mo の含有が基地 FC300 FC－Mo 組織に与える影響について観察した． FC300 と FC－Mo の実験前の顕微鏡組織を図 4 に示す．図 4 より，FC300 は緻密なパーライトと粗大なパーライトの混合組織であるのに対し，FC－Mo は全体的に緻密なパーライト組織であ 20μ m ることがわかった．これより，Mo には図4 実験前の顕微鏡組織の比較パーライト組織を緻密にする効果があると考えられる． 3.2 片状黒鉛鋳鉄の高温保持によるパーライト分解過程のその場観察 850℃ 保持開始前ライト分解過程のその場観察結果を図 5 に示す．両試料とも，時間経過と共に黒 850℃ 60min保持後 850℃ 60min保持後(研磨) FC300 FC300 と FC－Mo のパー鉛周辺から酸化等による変細を直接観察することはできなかった．そこで，60 分保持後に酸化していた観察 FC－Mo 色が進行し，分解過程の詳面をバフ琢磨した後，再度腐食を行った結果，FC300 は基地組織がフェライト化 100μ m 図5 850℃60 分保持のその場観察結果していた．このことから， 60 分保持中にパーライトは分解してオーストナイト変態しており，冷却時にフェライトが析出したと考えられる．しかし，FC－Mo ではパーライトが確認されたので，60 分保持中に部分的にしかオーストナイト変態していないと考えられ，Mo はパーライト分解の進行を遅らせることがわかった． 3.3 片状黒鉛鋳鉄の高温保持によるパーライト分解過程の元素分析 FC300 および FC－Mo を 60 分保持した際の EPMA による元素分析結果を図 6，図 7 に示す．図 6 より，FC300 は 60 分保持によって基地組織内の C が減少していることから，元素の観点からもパーライト組織が分解したことが確認できた．図 7 より，Mo は鋳鉄内において粒界に偏析して存在していることがわかった．そして，Mo の分布と C の検出量の多かった位置が一致していることから Mo には C を集める効果があり，基地組織内で炭化物を生成し存在していると考えられる．FC－Mo も 60 分保持によって基地組織内の C が減少していたが，FC300 に比べ C の減少幅が小さいことからも Mo がパーライト分解を遅らせることが確認できた．Mo 周辺の C 検出量に関しては 60 分保持後に部分的に増加していることも確認され，これは一部分解したパーライトから放出された C を Mo が集 Mo と S の分布も一致していることがわかった．これにより Mo は硫化物も生成していると考えられる． FC300 および FC－Mo を 850℃で 5，10，15， 30，60 分保持後の EPMA による C 分析結果を図 8 に示す．FC300 の C 分析結果から，パーラ C 分析結果 850℃ 保持開始前の含有元素についても元素分析を行った結果，顕微鏡組織 850℃ 60min保持後め拘束したためだと考えられる．また，その他イト分解は 10 分保持から開始していることが 20μ m 確認できた．また，パーライトの中でも緻密な図6 FC300 の C 分析結果パーライトから分解が開始し， Mo 分析結果顕微鏡組織ことが確認できた．FC－Mo は 10，15 分保持において C の減少開始に合わせて Mo 周辺の C 検出量が増加していることが確認できた．C が減少した箇所でも FC300 に比べ C 検出量が多く，これがパーライト分解の遅れに C 分析結果 850℃ 60min保持後 850℃ 保持開始前粗大なパーライトは分解が遅い影響したと考えられる． 20μ m 図7 850℃ 10min 850℃ 15min 850℃ 30min 850℃ 60min FC－Mo FC300 850℃ 5min FC－Mo の Mo および C 分析結果 40μ m 図8 4. 結 850℃保持後 C 分析結果の時間別比較言（1）パーライト分解は緻密な部分から開始し，粗大な部分が最後に分解することがわかった．（2）Mo は緻密なパーライトを生成することがわかった．（3）Mo はパーライト分解の進行を遅らせることがわかった．参考文献 1）鋳鉄の生産技術教本編集部会：鋳鉄の生産技術(素形材センター)(1999)