JP2005297005A

JP2005297005A - 圧延鋳鉄の製造方法および圧延鋳鉄

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Publication number: JP2005297005A
Application number: JP2004117166A
Authority: JP
Inventors: Takeo Imoto; 健夫井本; Hideaki Yamamura; 英明山村; Wataru Ohashi; 渡大橋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-04-12
Filing date: 2004-04-12
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】本発明は、従来製造が困難であった鋳鉄の圧延材を安価に、大量に製造すると共に、高品質の圧延鋳鉄を提供することを目的とする。
【解決手段】炭素濃度１．５〜５．０質量％の鋳鉄に、希土類元素を０．０１〜０．５０質量％含有させて鋳片を作成する。鋳片は９００〜１２００℃の温度域で２０分以上加熱された後、８００℃以上の温度で圧延を実施することによって良好な圧延鋳鉄を得る。鋳鉄中の硫黄濃度を０．００７〜０．７００質量％とすることで特に安定した圧延鋳鉄を製造することができ、本発明によって製造された圧延鋳鉄は延びや強度など優れた材料特性を有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、鋳鉄の圧延製品の製造方法、および、圧延鋳鉄製品に関する。

一般に、高炭素鋼である鋳鉄は、鋳肌の美しさや、優れた制振性などの特徴を持つことから、利用範囲が広い。しかし、加工性の悪さから砂型や木型などを用いた最終形状に近い形での鋳造が行われた上で、表面研磨などの加工が施されるため、バッチの鋳造になり、生産性は著しく低く、用途が厳密に限られてしまう。

鋳鉄の特性については、非特許文献１に種々記載されており、成分や熱処理条件による材料特性が詳しく記載されている。鋳鉄の特性を生かした板材を製作することができれば、従来の型鋳造材とは全く異なる部位に適用が可能とすることができ、現存の製鋼、圧延プロセスで製造可能になれば生産性が飛躍的に高くなるばかりか、脱炭炉での脱炭工程の大幅軽減ができるなどコスト的にもメリットは非常に大きい。

鋳鉄板の鋳造方法については特許文献１に示されるような双ロール鋳造機を用いる方法が提案されており、１０ｍｍ以下の鋳鉄板の連続鋳造が可能であることが示されている。また、球状黒鉛鋳鉄と鋼材を積層して構成した複合鉄鋼片を圧延して新しい材質を生み出す試みも特許文献２に開示されている。一方、球状黒鉛鋳鉄の塑性加工性を利用した圧延鋳鉄の特性については、非特許文献２に種々記載されており、圧延鋳鉄の材料としての適用例などにも言及されている。
特開昭６０−２６２９２３号公報特開平０３−１４６２０３号公報中田ら、金属材料（１９７７年）第１７巻第１０号４６頁福村ら、金属材料（１９７５年）第１７巻第１１号３１頁

特許文献１に示されるような双ロール鋳造機を用いる方法は、通常の鋳造方法と比較して生産性が低いばかりではなく、現状では、実用化に対応できる基数も僅かでかつコスト的にも割高になるため、鋳鉄の商業的製造にまでは至っていないのが現状である。また、特許文献２に開示されているような製造方法は、球状黒鉛鋳鉄と鋼材の積層工程が高コストになるばかりでなく、鋳鉄自身の特性を生かせるものではない。さらに、非特許文献２に記載されている情報には、圧延鋳鉄の適正な成分値や安定的な製造方法には言及さていないばかりか、材料特性をより高めるための手段についても言及されていない。

本発明は、大量生産型の溶製条件で鋳鉄を製造し、一般的な連続鋳造やインゴットキャスティングで製造した鋳鉄片を、大規模圧延機で高生産に、清浄かつ材料特性に優れた鋳鉄製品を製造する手段と、安価で大量に製造された清浄かつ材料特性に優れた鋳鉄製品（半製品を含む）を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の特徴とするところは以下の通りである。
（１）希土類元素を０．０１質量％以上０．５０質量％以下含有する鋳鉄を鋳造して得た鋳片を、９００℃以上１２００℃以下で２０分以上加熱し、圧延機によって８００℃以上の温度域で圧延を実施することを特徴とする圧延鋳鉄の製造方法であり、
（２）鋳鉄の硫黄濃度が０．００７質量％以上０．７００質量％以下であることを特徴とする（１）に記載の圧延鋳鉄の製造方法であり、
（３）鋳鉄の珪素濃度が０．２質量％以上１．５質量％以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の圧延鋳鉄の製造方法であり、
また、（４）（１）〜（３）のいずれかに記載の方法によって製造された圧延鋳鉄である。

本発明によって、鋳鉄の圧延材を従来よりも安価にかつ大量生産することが可能になると共に、材料特性の優れた圧延鋳鉄を提供できることが可能になり、その工業的価値は大きい。

本発明では、母材として鋳鉄溶湯（以下溶湯と示す）を用いる。ここで、鋳鉄とは鉄を母相として炭素濃度が１．５質量％以上５．０質量％以下のものを言う。

溶湯は高炉で製造した溶銑にスクラップを配合したり、転炉で必要組成まで脱炭するなどした後、取鍋精錬で合金鉄を添加するなどしても良いし、電気炉でスクラップと必要成分を溶解して製造するなど、当該業者が適宜行う溶製方法で良い。このときの溶湯成分は、希土類元素を０．０１質量％以上、０．５０質量％以下で含有する必要がある。

ここで言う希土類元素とは、元素周期律表のＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの１７元素を言い、これらの中の１種もしくは複数種の質量％の合計で管理される。

溶湯に添加する希土類元素の役割は、鋳造後から圧延までの加熱炉（鋳造直後の鋳片の保熱工程でも良い）内で鋳鉄中の黒鉛の析出核として作用し、圧延鋳鉄の母相中炭素濃度を低減して加工性を向上させるもので、添加量は０．０１質量％以上で有効な核として作用する。０．０１質量％未満では、析出核頻度が低いため、有効な析出核としては作用しない可能性がある。また、添加量に０．５質量％以下と上限を設けたのは、０．５質量％を超えると、析出核頻度が過剰になり、加工性の向上には適さない虞がある一方で合金コストのアップを招くためである。

この鋳鉄溶湯の鋳造は、一般の連続鋳造機を用いて製造する方法が、歩留り良く高生産に製造可能であるが、後の圧延工程に挿入可能なもの、もしくは、挿入可能な形状に加工することができれば、インゴット鋳造などでも全く支障はない。

鋳片の加熱温度は、鋳造後から圧延までの加熱炉（鋳造直後の鋳片の保熱工程でも良い）内では少なくとも９００℃以上１２００℃以下である必要があり、９００℃未満では有効な黒鉛の析出核としては作用しない虞があることが発明者らの調査で判明した。また、加熱温度に１２００℃と上限を設けた理由は、殆どの鋳鉄組成では、１２００℃超の温度では固相線温度を超え、安定な鋳片加熱が困難となる虞があるためである。

また、希土類元素による炭素の析出のためには２０分以上加熱する方が好ましい。析出時間には上限は特に設置しないが、４時間を越えると、析出効果を上げるために特殊な加熱炉を用いる必要性が生じる虞があり、スケール発生による歩留りロスが増加して経済的には有利ではなくなる場合もある。

圧延中の温度は、発明者らの試験の結果、圧延温度は８００℃以上の条件を確保する方が好ましい。これは、圧延温度が８００℃を下回る場合は、耳割れの発生を生じて、圧延後の製品歩留りの低下を招く虞があるためである。圧延温度に特に上限は規定しないが、加熱炉温度以上での圧延を行うことは通常の圧延機では不可能であるため、１２００℃以下の圧延が好ましい。

また、鋳鉄の硫黄濃度は０．００７質量％以上、０．７質量％以下であることが望ましい。これは、発明者らの基礎実験によって、質量比で希土類元素に対して０．７〜１．４倍の硫黄の存在で希土類硫化物が微細に鋳鉄鋳片に残留してより良好な黒鉛析出が実現できることが明らかになったためである。

また、加熱炉における鋳鉄母相中における黒鉛析出の促進のためには珪素の存在が有利である。これは、珪素の存在によって炭素当量が高められ、鋳鉄母相中の見かけ上の炭素ポテンシャルが高くなるために、鋳鉄母相中からの黒鉛の排出が促進されるためである。特に、０．２質量％以上珪素の存在で良好な黒鉛析出が確認できた。一方、珪素濃度が１．５質量％超では製品の圧延鋳鉄のめっき性が悪化しやすくなる虞がある。

これらの、製造条件で製造した前記（１）〜（３）のいずれかの方法にて製造された圧延鋳鉄製品も本発明品に属する。

圧延鋳鉄は、圧延中に析出黒鉛が伸延され、母相の鉄組織と層状組織を形成することから、通常の鋳鉄に比較して伸び、引っ張り強度、制振性が著しく向上する。ここでいう圧延鋳鉄製品とは、熱間圧延機によって製造された熱延板、熱延板の酸洗板や熱延後に冷延を実施して製造した冷延板などの薄板鋳鉄、厚板圧延機にて必要に応じて長手方向、幅方向に圧延を繰り返して所定寸法として製造する厚板鋳鉄ならびに棒状、線状、レール状や山形、Ｉ型およびＨ型等の断面等に成型した条鋳鉄などの圧延鋳鉄製品（半製品を含む）を言う。

（実施例）
本発明の効果を確認するために、２０ｋｇの試験溶解鋳片を用いて鋳鉄の製造、並びに材質評価試験を実施した。

大気高周波炉を用いて鋳鉄２０ｋｇを溶解して、合金添加と成分分析を繰り返しながら、炭素２．４質量％、硫黄０．０２質量％、珪素１．０２質量％と残部不可避的不純物（Ｍｎ：０．２４質量％、Ｐ：０．０２１質量％、その他各：０．１質量％以下）よりなる鋳鉄を溶製し、１４００℃の温度条件で、ミッシュメタル（主成分Ｐｒ：３．８質量％、Ｎｄ：１０．３質量％、Ｃｅ：４８．２質量％、Ｌａ：３６．９質量％）を４０ｇ添加した直後に金属鋳型（１００ｍｍ角、深さ３００ｍｍ）に鋳込んで鋳片を作成した。

鋳片カットサンプルの分析の結果、希土類元素以外の成分にはほとんど変化は見られず、希土類元素は歩留りが変化し、Ｐｒ：０．００８質量％、Ｎｄ：０．０１７質量％、Ｃｅ：０．０７８質量％、Ｌａ：０．０４７質量％（希土類元素合計０．１５０質量％）の鋳片が得られた。

得られた鋳片を１１００℃で６０分加熱して、試験圧延機で１０２０℃〜８９０℃の温度範囲で１１パスの圧延を行い、４ｍｍ厚の圧延鋳鉄を得た。このとき製造した鋳鉄は耳割れ等の圧延むらは見られず、良好な圧延鋳鉄を得ることができた。

得られた圧延鋳鉄から、ＪＩＳ１３号Ｂで指定された試験圧延片を１０枚切り出し、自動引っ張り試験機で材料特性を測定したところ、全伸びで２４．３％（σ＝１．７％）、引っ張り強度で４３１Ｎ／ｍｍ^２（σ＝１２Ｎ／ｍｍ^２）の優れた値が得られた。（ここでσは標準偏差を意味する。）また、得られた圧延鋳鉄は、曲げ加工性にも優れ、制振性も球状黒鉛鋳鉄の値と同等以上の特性が確認できた。

（比較例）
比較例として、希土類元素添加条件以外は、前述の実施例と同じ条件で鋳鉄の溶製を行い、圧延を実施した。このとき、添加したミッシュメタルの量は２．０ｇで、鋳片中の希土類元素の濃度は０．００８質量％であった。

得られた鋳片を１１００℃で６０分加熱して、試験圧延機を用い、初期温度１０２０℃で圧延を開始したところ、圧延１パス目で鋳片に亀裂が入り、以後の圧延が続行不能になった。

残材を切り出し、エッチングの後に光学顕微鏡で組織を観察した。本発明の範囲の希土類元素添加量において得られる鋳片の研磨面からは、分散性に優れて形状が整った球状黒鉛を多数含む組織が観察されるのに対して、比較例で用いた鋳片の研磨面には、粗大で不定形を呈した個数密度の少ない黒鉛の析出が見られるのみで、本発明条件の金属組織とは明らかに異なる様相のものであった。

Claims

希土類元素を０．０１質量％以上０．５０質量％以下含有する鋳鉄を鋳造して得た鋳片を、９００℃以上１２００℃以下で２０分以上加熱し、圧延機によって８００℃以上の温度域で圧延を実施することを特徴とする圧延鋳鉄の製造方法。
鋳鉄の硫黄濃度が０．００７質量％以上０．７００質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧延鋳鉄の製造方法。
鋳鉄の珪素濃度が０．２質量％以上１．５質量％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧延鋳鉄の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法によって製造された圧延鋳鉄。