JP3740006B2

JP3740006B2 - 耐亀甲割れ性に優れた鋳鋼品の製造方法および鋳鋼品

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Publication number: JP3740006B2
Application number: JP2000294995A
Authority: JP
Inventors: 啓之森; 晋介羽田; 昌吾村上
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: JP2002105584A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳造後の鋳物表面の亀甲割れの発生を抑制することのできる鋳造方法および鋳鋼品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋳造後の鋳物表面に小さな割れがネットワーク状に生成すること、いわゆる亀甲割れが発生することが知られている。鋳物表面の亀甲割れ部分を黒く強調して示した模式図を図１に示した。
【０００３】
この亀甲割れは、フラン樹脂鋳型中に存在する硫黄が原因であると考えられている。この硫黄は、フラン樹脂の硬化剤として使用される有機スルホン酸に由来するが、有機スルホン酸系硬化剤を使用しないフェノール樹脂鋳型では、亀甲割れが発生しないからである。
【０００４】
しかし、フェノール樹脂はフラン樹脂に比べて高価であり、しかも、フェノール樹脂鋳型はその強度があまり高くない。さらに鋳型砂を再生する場合に、硬化触媒として用いられるアルカリ金属塩、あるいは樹脂炭化物等を、砂から完全に分離する工程が必要であり、煩雑である。
【０００５】
このことから、例えば、特開平２−１２１７４５号には、溶鋼側の肌砂にフェノール樹脂を用い、裏砂にフラン樹脂を用いた２層構造の鋳型によってフラン樹脂中の硫黄が鋳物に与える悪影響を防ぐという技術が開示されている。しかしこの発明においてもフェノール樹脂を使用することには変わりなく、前記問題点が依然として残る。
【０００６】
一方、特開昭５７−４３５２号には、亀甲割れ防止ではないが、鋳物への浸硫防止法として、鋳型表面に硫黄分と親和性のある物質（炭酸カルシウム等）を含む塗型材と従来のジルコン系塗型材を塗布する発明が示されている。しかし、大型鋳物を製造する場合は鋳込み量が多いため鋳型に伝わる熱量も多くなって、薄膜の塗型材層では防ぎきれない量の硫黄分が発生して、溶鋼中への硫黄分の混入を防止することはできない。
【０００７】
また、最近鋳鋼品においても高強度化が求められており、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等の強化元素を鋳鋼に添加することが行われているが、これらの強化元素を添加すると、通常の炭素鋼鋳鋼に比べて亀甲割れが頻発することが、実操業上見出されている。深さ１ｍｍ程度の亀甲割れの場合、鋳造後の熱処理工程で鋳物表面に酸化膜が形成されるため亀甲割れは消失するが、深さが１ｍｍを超える亀甲割れは熱処理でも消失しないため、鋳物表面層を研磨除去する必要が生じ、寸法精度が低下したり、研磨工程に時間がかかる、といった問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術を考慮して、本発明では、鋳型の構成を検討するのではなく、鋳鋼材料の化学成分の検討によって亀甲割れを可及的に少なくする製造方法を見出すことを課題として掲げた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の鋳鋼品の製造方法は、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％以上、Ａｌが０．０２０質量％以下の溶鋼を用いるところに要旨を有する。Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖが多く、亀甲割れを起こしやすい鋼成分であっても、Ａｌ量を低減することによって、亀甲割れを防止することができる。
【００１０】
一方、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％未満（０％を含む）であれば、亀甲割れの頻度が若干低下するので、許容Ａｌ量の上限は０．０２６質量％となる。
【００１１】
本発明の製造方法を適用するに当たり、鋳型の種類は限定されず、例えばフェノール鋳型において上記組成の鋼により鋳鋼品を製造しても構わないが、特に亀甲割れが起こりやすいフラン樹脂鋳型を用いる場合に本発明法を適用することにより、亀甲割れを防止することができるため、有用である。また、鋼の鋳込み量が少ない場合はあまり亀甲割れは起こらないため、本発明法は鋼の鋳込み量が４００ｋｇ以上であるような大型鋳鋼品の製造に適している。
【００１２】
本発明には、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％以上、Ａｌが０．０２０質量％以下という化学組成の鋳鋼品と、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％未満、Ａｌが０．０２６質量％以下という化学組成の鋳鋼品が含まれる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、亀甲割れの防止方法を検討した結果、驚くべきことに、Ａｌ量の少ない鋼を用いると効果的であることを見出した。図２に、鋳鋼中のＡｌ含有量（質量％）と亀甲割れの深さ（熱処理前）との関係を示した。測定法の詳細は後述する実施例１に示した。
【００１４】
図２から、Ａｌ含有量と亀甲割れの深さには、良い相関が認められる。１ｍｍ以下の亀甲割れであれば、鋳造後の熱処理によって消失するため、Ａｌ量は０．０２０質量％以下が好ましいことがわかる。また、亀甲割れ部分の断面を走査型電子顕微鏡で拡大し、組成を検討すると、Ａｌ₂Ｏ₃の回りをＦｅＳが取り囲むように存在していることが確認された。図３に、亀甲割れ断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。黒い部分がＡｌ₂Ｏ₃で、灰色の部分がＦｅＳである。
【００１５】
これらの検討結果から、亀甲割れが生じるメカニズムは次のように考えられる。
▲１▼まず、フラン樹脂鋳型中に含まれる有機スルホン酸が、高温の溶鋼によって熱せられ、ＳＯ₂ガスとなり、鋳型から溶鋼中へ侵入する。
▲２▼ＳＯ₂と溶鋼中のＡｌが反応し、アルミナとフリーのＳが生成する（下式）。
３ＳＯ₂＋４Ａｌ→２Ａｌ₂Ｏ₃＋３Ｓ
▲３▼フリーのＳがＦｅと結合し、ＦｅＳがＡｌ₂Ｏ₃の回りに生成する。
▲４▼ＦｅＳの部分で割れが生じる。
【００１６】
このようなメカニズムを経るため、鋳型と接する鋳物表面のみに亀甲割れが生じるのである。そして、通常の鋳鋼においては、脱酸剤として、また、結晶粒微細化元素として、Ａｌが０．０５〜０．１質量％程度必ず含まれていたため、亀甲割れが頻発していたと考えられる。亀甲割れを防止するには、ＦｅＳの生成を抑制すれば良く、ＦｅＳの生成を抑制するには、フリーのＳの生成を抑制すれば良く、フリーのＳの生成を抑制するには、Ａｌ量を減らせばよいことになる。
【００１７】
このメカニズムに基づき、本発明の鋳造方法では、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％以上の場合は、Ａｌが０．０２０質量％以下の溶鋼を用いること、また、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％未満の場合は、Ａｌが０．０２６質量％以下の溶鋼を用いることを、必須的要件としたのである。Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶを添加した鋳鋼であって、これら強化元素が合計でも１．５質量％（０％を含む）に満たない場合は、Ａｌ量が０．０２６質量％でも亀甲割れの低減効果が発現するが、強化元素が合計で１．５質量％以上の場合は、理由は明らかではないが亀甲割れの発生率が増大するため、Ａｌ量を０．０２０質量％以下に抑制する必要がある。いずれの場合においてもＡｌ量が少ないほど亀甲割れの発生率およびその深さを小さくできるため、Ａｌ量を０．０１０質量％以下とすることが好ましく、０．００５質量％以下がさらに好ましい。なお、「耐亀甲割れ性に優れた」とは、鋳造後熱処理前において、１ｍｍ以上の亀甲割れが発生していないことを意味する。
【００１８】
その他の化学成分は特に限定されないが、炭素鋼鋳鋼品、溶接構造用鋳鋼品、構造用合金鋼鋳鋼品等、用途に応じて定められた成分とすればよい。Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％未満であれば、Ｃ：０．２０〜０．３０質量％、Ｓｉ：１質量％以下、Ｍｎ：３質量％以下、Ｎｉ、Ｃｒ：１質量％以下、Ｍｏ：０．３質量％以下、Ｖ：０．１質量％以下が好ましい。Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％以上の高強度低合金鋼であれば、Ｃ：０．１０〜０．２０質量％、Ｓｉ：１質量％以下、Ｍｎ：３質量％以下、Ｎｉ：１〜３質量％、Ｃｒ：０．１〜２質量％、Ｍｏ：０．１〜２質量％以下、Ｖ：０．０１〜０．５質量％が好ましい。またいずれの場合も酸素は１５０ｐｐｍとすることが好ましい。１５０ｐｐｍを超えると、酸化物系の介在物が生成し、品質に悪影響を及ぼす恐れがあるからである。
【００１９】
亀甲割れは、鋳込み量が多いほど発生率が増す。これは、鋳込み量が多いと鋳型に及ぼす熱的な影響が大きくなって、ＳＯ₂ガスの発生量が増大することによる。従って、鋳込み量が少ない場合は亀甲割れが起こりにくく、本発明法を適用しなくても亀甲割れの心配はないが、もちろん適用しても構わない。一方、鋳込み量が４００ｋｇ以上になると、亀甲割れの発生が起こり、その頻度は鋳込み量が多くなればなるほど多くなるので、本発明法を適用して亀甲割れを防ぐことが好ましい。
【００２０】
前記したＡｌ量の鋼を用いれば、他の鋳造条件は特に限定されないが、フラン樹脂鋳型を用いる方が亀甲割れ防止効果が顕著に発揮されるため好ましい。フラン樹脂鋳型は、フラン樹脂を粘結剤とする自硬性鋳型であり、クロマイトサンドや珪砂等の砂と、キシレンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸等の有機スルホン酸系硬化剤と、フラン樹脂とから形成される。フラン樹脂は砂に対し、０．７〜１．５質量％が好ましい。有機スルホン酸系硬化剤がＳＯ₂ガスの発生原因となる化合物であるが、鋳型の硬化システムには必要であり、通常、樹脂に対し４０〜６０質量％使用することが好ましい。なお、鋳造の際には各種塗型剤を用いても良い。一方、フェノール樹脂鋳型にはＳＯ₂ガス発生原因となる硫黄化合物が含まれていないため、本発明法を適用しなくても亀甲割れは起こらないが、もちろん本発明法の適用は可能である。
【００２１】
鋳造後には、鋳造組織を改善し、鋳造応力を除去するために、焼鈍等の公知の熱処理を行うことが好ましい。品質が向上する上に、特に深さ１ｍｍ以内の亀甲割れが熱処理工程で消失するためである。
【００２２】
本発明には、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％以上、Ａｌが０．０２０質量％以下の鋳鋼品と、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％未満、Ａｌが０．０２６質量％以下である鋳鋼品が含まれる。これらの鋳鋼品は、熱処理後の亀甲割れが消失したものを意味する。これらは、質量が４００ｋｇ以上であることが好ましい。
【００２３】
【実施例】
以下実施例によって本発明をさらに詳述するが、下記実施例は本発明を制限するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することはすべて本発明の技術範囲に包含される。
【００２４】
実験例１
化学成分を表１に示したように変化させた鋼を高周波溶解炉を用いて溶製した後、クロマイトサンドを鋳物砂とし、キシレンスルホン酸硬化剤で硬化させたフラン樹脂鋳型に、鋼を鋳込んで、舟形形状に鋳造した。鋳込み量は９００ｋｇに統一した。なお、Ｃ、Ｓは赤外線吸収法、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌについては発光分光分析法（カントバック法；ＪＩＳＧ１２５３）で調べた。鋳造後、焼鈍を行わず、亀甲割れの有無を磁粉探傷法で調べ、亀甲割れが発生した場所を切断し、断面を観察して、最も深い割れの長さ（亀甲割れ最大深さ；ｍｍ）を測定した。図２と表１に結果を示した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
Ａｌ含有量と亀甲割れの深さにはよい相関が認められ、Ａｌ量が０．０２０質量％以下であれば、亀甲割れ深さを１ｍｍ以下に抑制できることが確認された。亀甲割れが１ｍｍ以下であれば、後の焼鈍工程で消失するため、亀甲割れのない鋳鋼品とすることができる。
【００２７】
実験例２
表２および表３に示したように、化学成分と鋳込み量を変化させて、亀甲割れの発生の有無を検討した。溶製は電気炉で行った。鋳込み量０．８トン以下のものは直方体状に、鋳込み量１０トン以上の場合はクランクスロー形状や構造部材形状に鋳造した。鋳造後、９００〜１０００℃で、６〜２４時間焼鈍し、亀甲割れの有無を磁粉探傷法で調べた。表２には、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％以上の鋼、表３には、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％未満の鋼による結果を示している。なお、表２における酸素の量（ｐｐｍ）は、Ｈｅ気流中で鋼を加熱融解して酸素をＣＯとして他のガス成分と共に抽出し、加熱した酸化銅でＣＯをＣＯ₂に酸化させ、赤外線吸収検出器（ＬＥＣＯ社製「ＴＣ−４３６ＡＲ型」；酸素、窒素、アルゴン分析装置）で吸収量を測定した結果である。
【００２８】
【表２】

【００２９】
【表３】

【００３０】
表２および表３から、鋳込み量が０．３トン以下の場合は、Ａｌ量にかかわらず、亀甲割れが起こらないことがわかる。これは、前記した亀甲割れ発生メカニズムにおいて、鋳込み量が少ないため鋳型に与えられる熱量が小さく、ＳＯ₂ガスの発生量が少ないためであると考えられる。鋳込み量が多くても、Ａｌ量が少ないと、亀甲割れが発生しないことが確認できた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明法は、Ａｌ含有量を減らすと言う極めて簡単な方法で、鋳造の際に問題となる亀甲割れの発生を抑制することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋳造品の表面に発生した亀甲割れを示す模式図である。
【図２】鋳鋼中のＡｌ含有量と亀甲割れ最大深さの関係を示すグラフである。
【図３】亀甲割れ部の断面顕微鏡写真である。

Claims

Ｃ：０．２０〜０．３０質量％、Ｓｉ：１質量％以下、Ｍｎ：３質量％以下、Ｎｉ、Ｃｒ：１質量％以下、Ｍｏ：０．３質量％以下、Ｖ：０．１質量％以下、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＶの合計量が１．５質量％未満、Ａｌが０．０２６質量％以下で、残部がＦｅの溶鋼を、
砂と、砂に対して０．７〜１．５質量％のフラン樹脂と、フラン樹脂に対して４０〜６０質量％の有機スルホン酸系硬化剤とから形成されたフラン樹脂鋳型を用いて鋳造することを特徴とする耐亀甲割れ性に優れた鋳鋼品の製造方法。
請求項１に記載の製造方法で鋳造されたことを特徴とする耐亀甲割れ性に優れた鋳鋼品。