WO2021033692A1 - プリメルトフラックス - Google Patents

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Abstract

本開示の一側面は、CaO結晶相の含有率は、1.0質量%以下である、プリメルトフラックスを提供する。

Description

プリメルトフラックス
 本開示は、プリメルトフラックスに関し、特にエレクトロスラグ再溶解法(ESR)において使用されるプリメルトフラックスに関する。
 エレクトロスラグ再溶解法は、積層凝固法の1つである。エレクトロスラグ再溶解法では、電気炉等で得られた母材が鋳型に装入される。この母材が電極として用いられ、溶融スラグに通電がなされる。この溶融スラグの抵抗熱(ジュール熱)によって、電極自体が溶融する。溶融した金属は、液滴となってスラグ中を通過する。このように溶融した金属がスラグ中を通過する際に、金属は精錬される。溶融した金属は、鋳型内で順次凝固する。このような方法によって、偏析の少ない鋳塊が得られる。この鋳塊は、高い品質が要求される部材の材料として使用される。エレクトロスラグ再溶解法の一例が、特開2009-167511公報に開示されている。
 近年のエレクトロスラグ再溶解法では、いわゆるコールドスタート法が主に採用されている。コールドスタート法では、鋳型内にフラックス(固体)が投入される。このフラックスがアーク熱で溶解されることで、溶融したフラックスを含むスラグが得られる。
 特開昭63-36966号公報には、エレクトロスラグ再溶解法に使用されるプリメルトフラックスが開示されている。このプリメルトフラックスは、複数種の原料フラックスが溶融及び混合され、凝固させられて得られる。プリメルトフラックスでは、その特性が事前に調整されている。従ってこのプリメルトフラックスは、コールドスタート法に特に適している。
特開2009-167511公報 特開昭63-36966号公報
 フラックスには、通電開始直後に安定して溶解する特性(溶解安定性)が必要である。フラックスにはさらに、鋳塊の白点割れを生じさせにくいことが必要である。白点割れは、鋳塊の水素脆化によって生じる。この水素は、フラックス中の水分に起因する。従ってフラックスには、吸湿抑制性が必要である。
 本開示の目的は、溶解安定性及び吸湿抑制性に優れた、エレクトロスラグ再溶解法のためのプリメルトフラックスを提供することである。
 本開示の一側面は、プリメルトフラックスでは、CaO結晶相の含有率は、1.0質量%以下である。フラックス中のCaO結晶相は融点が比較的高く、CaO結晶相の含有率が多いフラックスの場合には、通電を開始しても溶解に時間を要しうる。また、フラックス中のCaO結晶相は吸湿性も比較的高く、CaO結晶相の含有率が多いフラックスをエレクトロスラグ再溶解法に用いた場合には鋳塊の水素脆化を招きうる。これに対して、本開示に係る上記プリメルトフラックスはCaO結晶相の含有率が1.0質量%以下であることから、溶解安定性及び吸湿抑制性に優れる。
 このプリメルトフラックスが、CaF結晶相及びCa12Al1432結晶相を含んでもよい。CaF結晶相及びCa12Al1432結晶相の合計含有率は、好ましくは、90.0質量%以上である。
 CaF結晶相の含有率は、好ましくは、30質量%以上50質量%以下である。Ca12Al1432結晶相の含有率は、好ましくは、50質量%以上70質量%以下である。
 本開示に係るプリメルトフラックスは、溶解安定性に優れる。さらにこのフラックスは、吸湿抑制性に優れる。このプリメルトフラックスが用いられたエレクトロスラグ再溶解法では、鋳塊の白点割れが生じにくい。
図1は、本開示の一実施形態に係るプリメルトフラックスが用いられたエレクトロスラグ再溶解法のための設備が示された概念図である。
 以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。ただし、以下の実施形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示を以下の内容に限定する趣旨ではない。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、各要素の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
 図1に示された製造設備は、鋳型2及び電源4を有している。鋳型2は、定盤6を有している。鋳型2には、消耗電極8が装入される。この消耗電極8は、エレクトロスラグ再溶解法によって得られる鋳塊の、母材である。この母材(消耗電極8)は、電気炉等で製作され得る。母材(消耗電極8)と定盤6との間に電源4によって電圧がかけられる。電圧がかけられることによって、母材(消耗電極8)と定盤6との間が通電する。通電によってスラグ10においてジュール熱が生じる。これによって母材(消耗電極8)が溶融し、液滴となる。液滴は、スラグ10中を降下する。このとき液滴は、スラグ10によって精錬される。具体的には、非金属介在物等が、液滴から除去される。液滴からは、固相12、固液共存相14及び液相16が形成される。固相12が徐々に成長し、鋳塊が得られる。スラグ10による精錬を経ているので、この鋳塊には不純物が少ない。固相12が徐々に成長して鋳塊が得られるので、この鋳塊には偏析が少ない。この鋳塊は高品質である。
 スラグ(液体)は、プリメルトフラックス(固体)が溶融することで得られる溶融したフラックスを含む。本開示に係るプリメルトフラックスは、組成物である。プリメルトフラックスの一実施形態は、例えば、CaO結晶相、CaF結晶相及びCa12Al1432結晶相(Cal716F結晶相)からなる群より選択される少なくとも一種の結晶相を含んでよく、典型的には、CaO結晶相、CaF結晶相及びCa12Al1432結晶相(Cal716F結晶相)を含んでいる。この組成物は、MgO結晶相又はSiO結晶相をさらに含んでもよい。上記プリメルトフラックスは、CaF結晶相を含まない組成を有してもよい。上記プリメルトフラックスが、Ca12Al1432結晶相を含まない組成を有してもよい。
 本実施形態に係るプリメルトフラックスはエレクトロスラグ再溶解法におけるフラックスとして好適に用いることができ、プリメルト型エレクトロフラックスということもできる。また本実施形態に係るプリメルトフラックスは、コールドスタート法によるエレクトロスラグ再溶解法におけるフラックスとしても好適に使用できる。
 CaO結晶相は、結晶質である。このCaO結晶相の融点は、2572℃である。一方、CaF結晶相の融点は1418℃であり、Ca12Al1432結晶相の融点は1371℃である。CaO結晶相の融点は、高い。CaO結晶相を多量に含むプリメルトフラックスがコールドスタート法に使用されると、高温に達しないかぎり、プリメルトフラックスは完全には溶解しない。CaO結晶相を多量に含むプリメルトフラックスは、溶解安定性に劣る。
 本実施形態に係るプリメルトフラックスを用いる場合、溶解温度は、例えば、1500℃以下、1480℃以下、1470℃以下、1460℃以下、又は1450℃以下とすることができる。本明細書における溶解温度とは、プリメルトフラックスが溶解する温度を意味し、具体的には、本明細書の実施例に記載の溶解試験に基づいて測定される温度を意味する。なお、上記溶解温度は、プリメルトフラックスからなる試験片が略完全に溶解する温度であり、プリメルトフラックスの融点とは一致しない。
 CaF結晶相及びCa12Al1432結晶相に比べ、CaO結晶相は吸湿しやすい。CaO結晶相を多量に含むプリメルトフラックスは、水分を含みやすい。CaO結晶相を多量に含むプリメルトフラックスから得られた溶融したフラックスを含むスラグが用いられたエレクトロスラグ再溶解法では、水分に起因した水素の影響で、鋳塊に白点割れが生じやすい。
 本実施形態に係るプリメルトフラックスにおけるCaO結晶相の含有率は1.0質量%以下であるが、溶解安定性及び白点割れ抑制の観点から、プリメルトフラックスにおけるCaO結晶相の含有率は、0.6質量%以下が好ましく、0.4質量%以下がより好ましい。上記プリメルトフラックスにおけるCaO結晶相の含有率は、プリメルトフラックス全量を基準とした含有率である。上記プリメルトフラックスが、CaO結晶相を実質的に含まない組成を有してもよい。
 本実施形態に係るプリメルトフラックスは、CaF結晶相及びCa12Al1432結晶相を含んでもよい。上記プリメルトフラックスにおけるCaF結晶相及びCa12Al1432結晶相の合計含有率は、84.0質量%以上が好ましく、90.0質量%以上がより好ましく、91.0質量%以上が更に好ましく、95.0質量%以上が更により好ましく、96.0質量%以上が特に好ましい。CaF結晶相及びCa12Al1432結晶相の合計含有率を上記範囲内とすることで、上記プリメルトフラックスをエレクトロスラグ再溶解法に用いた場合の鋳塊における白点割れの発生をより十分に抑制し、更にエレクトロフラックスの溶解温度をより低くすることができる。CaF結晶相及びCa12Al1432結晶相の合計含有率は、プリメルトフラックス全量を基準とした含有率である。
 本実施形態に係るプリメルトフラックスにおけるCaF結晶相の含有率は、30質量%以上50質量%以下が好ましく、30質量%以上50質量%未満がより好ましく、35質量%以上45質量%以下が更に好ましい。本実施形態に係るプリメルトフラックスにおけるCa12Al1432結晶相の含有率は、50質量%以上70質量%以下が好ましく、55質量%以上65質量%以下がより好ましい。CaF結晶相及びCa12Al1432結晶相の含有率は、それぞれ、プリメルトフラックス全量を基準とした含有率である。
 本実施形態に係るプリメルトフラックスがMgO結晶相又はSiO結晶相を含む場合、MgO結晶相及びSiO結晶相の合計含有率は5.0質量%以下が好ましく、4.0質量%以下がより好ましい。
 本明細書における各種結晶相の含有率は、例えば、粉末X線回折(XRD)パターンを測定し、リートベルト法によって解析することで得られる。
 本開示に係るプリメルトフラックスは、典型的には、CaO,CaF、及びAlを含む出発原料を溶融し、混合して得られる混合物が凝固することで得られる。
 好ましい出発原料の組成は、下記のとおりである。下記組成は、CaO,CaF、及びAlの合計量を基準とした含有率である。
  CaO:15質量%以上30質量%以下
  CaF:30質量%以上45質量%以下
  Al:30質量%以上45質量%以下
 出発原料が、MgO又はSiOを更に含んでもよい。この場合のMgO及びSiOの合計含有率は5.0質量%以下が好ましく、4.0質量%以下が特に好ましい。MgO及びSiOの合計含有率は出発原料全量を基準とした含有率である。
 本開示に係るプリメルトフラックスの製造方法は、例えば、
(1)15質量%以上30質量%以下のCaO、30質量%以上45質量%以下のCaF、及び30質量%以上45質量%以下のAlを含むフラックス原料(出発原料)を準備する工程
(2)このフラックス原料を溶融して混合物を得る工程
並びに
(3)この混合物を凝固させる工程
を含む。この製造方法によって、高品質なプリメルトフラックスが得られうる。
 本開示に係る金属製品の製造方法は、例えば、
(1)母材を準備する工程、
(2)CaO結晶相の含有率が1.0質量%以下であるプリメルトフラックスから得られた溶融したフラックスを含むスラグが用いられたエレクトロスラグ再溶解法によって、上記母材から鋳塊を得る工程及び
(3)上記鋳塊に塑性加工を施す工程
を含む。この製造方法によって、高品質な金属製品が得られうる。
 このプリメルトフラックスが用いられたエレクトロスラグ再溶解法によって、様々な材質の鋳塊が得られうる。鋳塊の典型的な材質として、工具鋼及び機械構造用合金鋼が挙げられる。
 以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。
 [実施例1]
 25質量%のCaO、45質量%のCaF及び30質量%のAlを含むフラックス原料(出発原料)を溶融及び混合して、実施例1のプリメルトフラックスを得た。このプリメルトフラックスの主成分は、CaF結晶相及びCa12Al1432結晶相であった。このプリメルトフラックスにおけるCaO結晶相の含有率は、0.4質量%であった。
 [実施例2-8並びに比較例1及び2]
 溶融温度及び混合条件を変更した他は実施例1と同様にして、実施例2-8並びに比較例1及び2のプリメルトフラックスを得た。このプリメルトフラックスにおけるCaO結晶相の含有率が、下記の表1に示されている。
 [溶解試験]
 5gのプリメルトフラックスを円柱状に成形し、試験片を得た。この試験片の、直径は15mmであり、高さは10mmであった。この試験片を炉に投入し、炉の温度を1℃/minの昇温速度で高めた。試験片を目視で観察し、溶解が完了したときの温度を測定した。この結果が、下記の表1に示されている。
 [ESR]
 下記の条件下で、エレクトロスラグ再溶解法による鋳塊の製造を300回行った。
  母材の質量:2t以上15t以下
  鋼種:工具鋼又は機械構造用合金鋼
  プリメルトフラックスの投入量:90kg以上350kg以下
300回のエレクトロスラグ再溶解法において生じた、プリメルトフラックスの溶解不良による工程の停止、及び鋳塊の白点割れの回数をそれぞれカウントした。この結果が、下記の表1に示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1の評価結果から、本開示の優位性は明らかである。
 本開示に係るプリメルトフラックスは、種々の鋼塊の製造に適している。
 2…鋳型,4…電源,6…定盤,8…消耗電極(母材),10…スラグ,12…固相,14…固液共存相,16…液相。

Claims (3)

  1.  CaO結晶相の含有率が1.0質量%以下である、プリメルトフラックス。
  2.  CaF結晶相及びCa12Al1432結晶相を含んでおり、
     前記CaF結晶相及び前記Ca12Al1432結晶相の合計含有率が90.0質量%以上である、請求項1に記載のプリメルトフラックス。
  3.  CaF結晶相及びCa12Al1432結晶相を含んでおり、
     前記CaF結晶相の含有率が30質量%以上50質量%以下であり、
     前記Ca12Al1432結晶相の含有率が50質量%以上70質量%以下である、請求項1又は2に記載のプリメルトフラックス。
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