鋳鋼の生産：特性と組成
鋳造所でのテストと検査
鋳鋼は、最大炭素含有量が約0.75％の鉄合金です。鋳鋼は、型内の空隙を溶鋼で埋めることによって製造される固体金属物体です。それらは、鍛造金属として製造できる同じ炭素鋼および合金鋼の多くで利用できます。鋳鋼の機械的特性は一般に錬鉄よりも低いですが、化学組成は同じです。鋳鋼は、より少ないステップで複雑な形状を形成する能力でこの欠点を補います。
鋳鋼の特性
鋳鋼は、幅広い特性で製造できます。鋳鋼の物性は、化学組成や熱処理によって大きく変化します。これらは、目的のアプリケーションのパフォーマンス要件に一致するように選択されます。
- 硬度
摩耗に耐える材料の能力。炭素含有量は、鋼で得られる最大硬度、つまり焼入れ性を決定します。
- 強さ
材料を変形させるのに必要な力の量。炭素含有量と硬度が高いほど、強度の高い鋼になります。
- 延性
引張応力下で変形する金属の能力。炭素含有量が少なく、硬度が低いと、延性の高い鋼になります。
- タフネス
ストレスに耐える能力。延性の増加は通常、靭性の向上に関連しています。合金金属の添加と熱処理により靭性を調整できます。
- 耐摩耗性
摩擦と使用に対する材料の耐性。鋳鋼は、同様の組成の鍛鋼と同様の耐摩耗性を示します。モリブデンやクロムなどの合金元素を追加すると、耐摩耗性が向上します。
- 耐食性
酸化や錆に対する材料の耐性。鋳鋼は、鍛鋼と同様の耐食性を示します。クロムとニッケルのレベルが高い高合金鋼は、非常に耐酸化性があります。
- 機械加工性
鋳鋼は、機械加工（切断、研削、または穴あけ）によって材料を除去することにより、形状を簡単に変えることができます。被削性は、硬度、強度、熱伝導率、および熱膨張に影響されます。
- 溶接性
欠陥なく溶接される鋳鋼の能力。溶接性は、主に鋳鋼の化学組成と熱処理に依存します。
- 高温特性
周囲温度を超える温度で動作する鋼は、酸化、水素損傷、亜硫酸塩のスケーリング、および炭化物の不安定性により、機械的特性が低下し、早期に故障する可能性があります。
- 低温特性
鋳鋼の靭性は、低温で大幅に低下します。合金化と特殊な熱処理により、荷重と応力に耐える鋳物の能力を向上させることができます。
鋳鋼の化学組成
鋳鋼の化学組成は、性能特性に大きく影響し、鋼の分類や標準的な指定によく使用されます。鋳鋼は、炭素鋳鋼と合金鋳鋼の2つの大きなカテゴリに分類できます。
炭素鋳鋼
鍛鋼と同様に、炭素鋳鋼は炭素含有量に応じて分類できます。低炭素鋳鋼（0.2％炭素）は比較的柔らかく、熱処理が容易ではありません。中炭素鋳鋼（0.2〜0.5％炭素）はやや硬く、熱処理による強化に適しています。最大の硬度と耐摩耗性が必要な場合は、高炭素鋳鋼（0.5％炭素）が使用されます。
合金鋳鋼
合金鋳鋼は、低合金または高合金のいずれかに分類されます。低合金鋳鋼（≤8％の合金含有量）は、通常の炭素鋼と同様に動作しますが、焼入れ性が高くなります。高合金鋳鋼（> 8％の合金含有量）は、耐食性、耐熱性、耐摩耗性などの特定の特性を生み出すように設計されています。
一般的な高合金鋼には、ステンレス鋼（> 10.5％クロム）とハドフィールドのマンガン鋼（11〜15％マンガン）が含まれます。酸素にさらされると酸化クロムの不動態化層を形成するクロムの添加は、ステンレス鋼に優れた耐食性を与えます。ハドフィールド鋼のマンガン含有量は、高強度とハードワーク時の耐摩耗性を提供します。
| ASTM | 化学的要件 | 引張要件 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 鋼種 | カーボン | マンガン | シリコン | 硫黄 | リン | 引張強度 | 降伏点 | 2インチの伸び。 | 面積の縮小 |
| 最大％/範囲 | 最小ksi[Mpa]/範囲 | 最小％ | |||||||
| ASTM A27 / A27M | |||||||||
| ASTM A27、グレードN-1 | 0.25 | 0.75 | 0.80 | 0.06 | 0.05 | N / A | N / A | N / A | N / A |
| ASTM A27、グレードN-2 | 0.35 | 0.60 | 0.80 | 0.06 | 0.05 | N / A | N / A | N / A | N / A |
| ASTM A27、グレードU60-30 | 0.25 | 0.75 | 0.80 | 0.06 | 0.05 | 60 [415] | 30 [205] | 22 | 30 |
| ASTM A27、グレード60-30 | 0.30 | 0.60 | 0.80 | 0.06 | 0.05 | 60 [415] | 30 [205] | 24 | 35 |
| ASTM A27、グレード65-35 | 0.30 | 0.70 | 0.80 | 0.06 | 0.05 | 65 [450] | 35 [240] | 24 | 35 |
| ASTM A27、グレード70-36 | 0.35 | 0.70 | 0.80 | 0.06 | 0.05 | 70 [485] | 36 [250] | 22 | 30 |
| ASTM A27、グレード70-40 | 0.25 | 1.20 | 0.80 | 0.06 | 0.05 | 70 [485] | 40 [275] | 22 | 30 |
| ASTM A148 / A148M | |||||||||
| ASTM A148、グレード80-40 | N / A | N / A | N / A | 0.06 | 0.05 | 80 [550] | 40 [275] | 18 | 30 |
| ASTM A148、グレード80-50 | N / A | N / A | N / A | 0.06 | 0.05 | 80 [550] | 50 [345] | 22 | 35 |
| ASTM A148、グレード90-60 | N / A | N / A | N / A | 0.06 | 0.05 | 90 [620] | 60 [415] | 20 | 40 |
| ASTM A216 / A216M | |||||||||
| ASTM A216、グレードWCA | 0.25 | 0.70 | 0.60 | 0.045 | 0.04 | 60-85 [415-585] | 30 [205] | 24 | 35 |
| ASTM A216、グレードWCB | 0.30 | 1.00 | 0.60 | 0.045 | 0.04 | 70-95 [485-655] | 36 [250] | 22 | 35 |
| ASTM A216、グレードWCC | 0.25 | 1.20 | 0.60 | 0.045 | 0.04 | 70-95 [485-655] | 40 [275] | 22 | 35 |
鋳鋼グレード
鋼種は、ASTM International、American Iron and Steel Institute、Society of Automotive Engineersなどの標準化団体によって作成され、特定の化学組成と結果として生じる物理的特性を持つ鋼を分類しています。鋳造所は、特定の特性に対するユーザーの需要を満たすため、または特定の生産グレードを標準化するために、独自の鋼の内部グレードを開発する場合があります。
鍛鋼の仕様は、主な合金元素によってさまざまな鋳造合金を分類するためによく使用されてきました。ただし、鋳鋼は必ずしも錬鉄の組成に従うとは限りません。シリコンとマンガンの含有量は、鍛造品と比較して鋳鋼の方が高いことがよくあります。主に高レベルのシリコンとマンガンに加えて、合金鋳鋼は、鋳造プロセス中の脱酸にアルミニウム、チタン、およびジルコニウムを使用します。アルミニウムは、その有効性と比較的低コストのために、主に脱酸剤として使用されます。
鋳鋼の生産
鋼の鋳造の慣行は、他の金属の鋳造よりもはるかに遅い1750年代後半にまでさかのぼります。鋼の融点が高く、金属を溶かして処理するために利用できる技術が不足しているため、鋳鋼産業の発展が遅れました。これらの課題は、炉技術の進歩によって克服されました。
炉は、溶融する材料である「チャージ」を含み、溶融するためのエネルギーを提供する耐火物で裏打ちされた容器です。現代の鉄鋼鋳造所で使用されている炉には、電気アークと誘導の2種類があります。
電気アーク炉
電気アーク炉は、グラファイト電極間の電気アークによって「熱」と呼ばれる金属のバッチを溶かします。電荷は電極間を直接通過し、進行中の放電による熱エネルギーにさらされます。
電気アーク炉は、タップツータップの操作サイクルに従います：
- 炉の充電
大量の鉄スクラップと合金が炉に追加されます。
- 溶ける
鋼は、炉の内部にエネルギーを供給することによって溶けます。電気エネルギーはグラファイト電極を介して供給され、通常、鋼の溶解操作における最大の要因です。化学エネルギーは、酸素燃料バーナーと酸素ランスを介して供給されます。
- 洗練
酸素を注入して、溶融プロセス中に不純物やその他の溶存ガスを除去します。
- スラグ除去
多くの場合、望ましくない不純物を含む過剰なスラグは、タップアウトする前にバスから除去されます。スラグ除去は、注ぐ前に取鍋内で行うこともできます。
- タップ（またはタップアウト）
金属は、炉を傾け、取鍋などの移送容器に金属を注ぐことによって炉から除去されます。
- 炉のターンアラウンド
タップアウトして、次の炉の装入サイクルの準備が完了します。
鋼をさらに脱酸し、注ぐ前に金属からスラグを除去するために、このプロセスのさまざまな段階で連続的な追加のステップがしばしば取られます。長時間のタップアウト中の合金の枯渇を考慮して、鋼の化学的性質を調整する必要がある場合があります。
誘導炉
誘導炉は、熱エネルギーが誘導によって伝達される電気炉です。銅コイルが非導電性の電荷コンテナを囲み、交流電流がコイルに流れて、電荷内に電磁誘導を生成します。
誘導炉はほとんどの金属を溶解することができ、最小限の溶融損失で操作できます。欠点は、金属の精製がほとんどできないことです。電気アーク炉とは異なり、鋼は変形できません。
現代の鉄鋼鋳造所は、鋳造生産のコストと環境への影響を減らすために、リサイクルされた鉄スクラップを頻繁に利用しています。廃止された自動車、機械部品、および同様のアイテムは、分離され、サイズが決定され、スクラップとして鋳造所に出荷されます。これは、鋳造プロセスで生成された内部スクラップと組み合わされ、さまざまな合金元素と組み合わされて、溶解炉に装入されます。
熱処理
鋳物が固化し、型から外され、洗浄された後、適切な熱処理によって鋳鋼の物理的特性が向上します。
- アニーリング
鋳鋼を特定の温度に加熱し、特定の期間保持してから、ゆっくりと冷却します。
- 正規化
焼きなましに似ていますが、鋳鋼は屋外で冷却され、場合によってはファンが使用されます。これは、鋳物がより高い強度を達成するのに役立ちます。
- 焼入れ
正規化と同様ですが、強制空気を使用して冷却がはるかに速いペースで行われます。クエンチ媒体として水または油が使用されます。
- 焼き戻し（またはストレス緩和）
鋳物内から内部応力を緩和するために使用される技術。これらの応力は、鋳造プロセスから、または正規化や焼入れなどの強化または硬化熱処理中に発生する可能性があります。応力緩和には、鋳物を焼きなまし温度よりもかなり低い温度に加熱し、その温度に保持してから、ゆっくりと冷却することが含まれます。
鋳鋼検査
鋳鋼は、寸法精度、鋳造面の仕上げ状態、内部の健全性などの特定の物理的特性を検証するために検査を受けることがよくあります。さらに、化学組成も検査する必要があります。化学組成は、材料に添加された少量の合金元素によって劇的に影響を受けます。鋳鋼合金は化学組成の変動を受けやすいため、鋳造前に正確な化学組成を確認するために化学分析が必要です。溶融金属の少量のサンプルを型に流し込み、分析します。
寸法精度
寸法検査は、製造された鋳物がお客様の寸法要件と機械加工の許容範囲を含む公差を満たしていることを確認するために実行されます。内部寸法を測定するために、サンプル鋳物を破壊する必要がある場合があります。
表面仕上げ状態
鋳物の美的外観を調査するために、鋳物表面仕上げ検査が採用されています。彼らは、視覚的には明らかではないかもしれない鋳物の表面と表面下の欠陥を探します。鋳鋼の表面仕上げは、使用するパターンの種類、鋳物砂、型塗り、鋳物の重量、洗浄方法によって影響を受ける可能性があります。
内部の健全性
すべての鋳造品にはある程度の欠陥があり、健全性の仕様によって許容可能な欠陥のしきい値が決まります。最大許容欠陥レベルを過剰に指定すると、スクラップ率が高くなり、鋳造コストが高くなります。最大許容欠陥レベルの仕様が不十分な場合、障害が発生する可能性があります。
鋳鋼で発生する3つの一般的な内部欠陥は次のとおりです。
- 気孔率
滑らかで光沢のある内壁が特徴の、鋳鋼のボイド。気孔率は通常、鋳造プロセス中のガスの発生またはガスの閉じ込めの結果です。
- 包含
鋳物中の異物の断片。介在物は、金属、金属間、または非金属である可能性があります。介在物は、金型内（破片、砂、またはコア材料）から発生する場合もあれば、鋳造物の注入中に金型内に移動する場合もあります。
- 収縮
通常、鋳物の内部にある空孔または低密度の領域。これは、凝固プロセス中にそれを供給するのに十分な供給金属を持たない材料の溶融島によって引き起こされます。収縮空洞は、粗い結晶性の内面が特徴です。
化学分析
鋳鋼の化学分析は、通常、湿式化学分析法または分光化学法によって行われます。湿式化学分析は、小さな標本の組成を決定するため、または製造後の製品分析を検証するために最もよく使用されます。対照的に、分光計を使用した分析は、忙しい生産ファウンドリ環境でのより大きなサンプルの化学組成の日常的かつ迅速な決定に適しています。ファウンドリは、熱レベルと製品レベルの両方で化学分析を行うことができます。
熱分析
熱分析では、液体鋳鋼の少量のサンプルが炉から取り出され、固化された後、分光化学分析を使用して化学組成が分析されます。合金元素の組成が正しくない場合は、鋳造前に炉または取鍋で迅速に調整することができます。正しくなると、熱分析は一般に、金属の熱全体の組成を正確に表すと見なされます。ただし、合金元素の偏析や鋼の熱を逃がすのにかかる時間により、化学組成の変動が予想されます。注ぐ過程で特定の元素の酸化が起こる可能性があります。
製品分析
注がれる個々の鋳物の組成が該当する仕様に完全に準拠していない可能性があるため、製品分析は特定の化学分析検証のために実行されます。これは、熱分析が正しい鋼の熱から製品が注がれた場合でも発生する可能性があります。業界の慣行と基準では、熱分析と製品分析の間に多少のばらつきがあります。
鋳鋼試験
鋳鋼の組成と熱処理を変更することにより、炭素鋼および合金鋼の鋳物に対してさまざまな機械的特性を実現できます。ファウンドリは、製品が完成する前に機械的特性をチェックするために特殊なテスト方法を利用しています。
鋳鋼試験に関しては、業界で使用される試験には、破壊試験と非破壊試験の2種類があります。 破壊的テスト 部品の内部の健全性を視覚的に判断するには、テスト鋳造物を破壊する必要があります。この方法は、テストされたピースの状態に関する情報を提供するだけであり、他のピースが健全であることを保証するものではありません。 非破壊検査 鋳物自体に損傷を与えることなく、鋳物の内部および外部の健全性を検証するために使用されます。鋳造品がテストに合格すると、目的の用途に使用できます。
引張特性
鋼鋳物の引張特性は、低速の荷重条件下での荷重に耐える鋳鋼の能力を示しています。引張特性は、破壊されるまで制御された引張荷重（引張バーの両端に加えられる引張力）を受ける代表的な鋳造サンプルを使用して測定されます。破損すると、引張特性が調べられます。
引張特性
プロパティ
説明
引張強さ
引張りまたは引張荷重下で鋳造物を破壊するために必要な応力。
降伏強さ
引張り中に鋳物が降伏または伸び始め、塑性変形を示すポイント。
伸び（％）
延性の尺度、または鋳物が塑性変形する能力。
面積の縮小（％）
鋳物の延性の二次測度。
引張棒の元の断面積と、引張りが失敗した後の最小断面積の違いを示します。
ベンドプロパティ
曲げ特性は、ピンの周りを特定の角度に曲げた長方形の代表的なサンプルを使用して、鋳物の延性を識別します。結果として生じる曲がったバーは、不快なひび割れをチェックするために観察されます。
影響プロパティ
衝撃特性は、標準的なノッチ付きサンプルを破壊するために必要なエネルギーをテストした結果として生じる靭性の尺度です。サンプルを破壊するために必要なエネルギーが多いほど、鋳造材料はより頑丈になります。
硬度
硬さは、圧痕試験を使用した鋳物の浸透に対する抵抗の尺度です。鋳鋼の耐摩耗性・耐摩耗性を示す特性です。硬さ試験は、生産環境での引張強度の兆候を試験するための簡単で日常的な方法も提供します。硬度スケールの試験結果は、通常、引張強度特性と密接に関連しています。
カスタムキャスティングサービス
Reliance Foundryはクライアントと協力して、各カスタム鋳造に最適な物理的および化学的特性、熱処理、および試験方法を決定します。キャスティングサービスがプロジェクトの要件にどのように適合するかについての詳細を入手するには、見積もりをリクエストしてください。
金属