炭素構造用鋼におけるリン偏析の形成と割れの解析

炭素構造用鋼におけるリン偏析の形成と割れの解析

現在、国内の製鉄所が提供する炭素構造用鋼線材・棒鋼の一般的な規格はφ5.5～φ45で、より成熟した規格はφ6.5～φ30です。小型線材・棒鋼原料におけるリン偏析に起因する品質事故は数多く発生しています。ご参考までに、リン偏析の影響と割れ発生の解析についてご説明いたします。

鉄にリンを添加すると、鉄-炭素状態図においてオーステナイト相領域が閉じるため、固相線と液相線の距離を大きくする必要があります。リン含有鋼を液体から固体に冷却する際には、広い温度範囲を通過する必要があります。鋼中のリンの拡散速度は遅いため、この時、リン濃度の高い（融点の低い）溶融鉄が最初に凝固したデンドライト間の隙間を埋め、リン偏析を形成します。

冷間圧造や冷間押出工程では、割れが発生した製品がしばしば見られます。割れた製品の金属組織学的検査と分析により、フェライトとパーライトが帯状に分布し、マトリックス内に白鉄の帯が明瞭に観察されます。フェライト中には、この帯状のフェライトマトリックス上に、断続的に帯状の淡灰色の硫化物介在物が存在します。この帯状の組織はリン化硫黄の偏析によって生じており、「ゴーストライン」と呼ばれています。これは、リン偏析が著しい領域では、リンに富む領域が白く輝いて見えるためです。白く輝いている帯のリン含有量が高いため、リンに富む白く輝いている帯の炭素含有量は低下しているか、非常に低くなっています。このように、リンに富む帯の連続鋳造中に、連続鋳造スラブの柱状結晶は中心に向かって発達します。ビレットが凝固すると、まず溶鋼からオーステナイトのデンドライトが析出します。これらのデンドライトに含まれるリンと硫黄は還元されますが、最終的に凝固した溶鋼にはリンや硫黄の不純物元素が豊富に含まれており、デンドライト軸の間で凝固します。リンと硫黄の含有量が多いため、硫黄は硫化物を形成し、リンはマトリックスに溶解します。拡散しにくく、炭素を排出する作用があります。炭素は溶け込むことができないため、リン固溶体の周り（フェライトホワイトバンドの両側）は炭素含有量が高くなります。フェライトベルトの両側、つまりリンが濃化した領域の両側の炭素元素は、それぞれフェライトホワイトベルトと平行な狭い断続的なパーライトベルトを形成し、隣接する正常な組織と分離します。ビレットを加熱して加圧すると、軸が圧延加工方向に沿って伸びます。フェライト帯に高リンが含まれるため、すなわち、リンの偏析が顕著であり、これが顕著な幅広く明るいフェライト帯構造の形成につながります。素体の広く明るい帯には、鉄の硫化物の薄灰色の帯がはっきりと見られます。このリンを多く含むフェライト帯と長い硫化物の帯は、一般に「ゴーストライン」組織と呼ばれています（図1-2参照）。