炭素構造鋼におけるリン偏析の形成と亀裂の解析
現在、国内製鉄所が提供する炭素構造用鋼線材の一般的な仕様はφ5.5～φ45ですが、より成熟した範囲はφ6.5～φ30です。小径線材の原材料では、リン偏析による品質事故が多発しています。参考までに、リン偏析の影響と亀裂発生の分析についてお話ししましょう。
鉄にリンを添加すると、鉄-炭素状態図におけるオーステナイト相領域がそれに応じて閉じられる。そのため、固相線と液相線の間の距離が拡大する必要がある。リン含有鋼が液体から固体に冷却される際、広い温度範囲を通過する必要がある。鋼中のリンの拡散速度は遅い。このとき、リン濃度が高い（融点が低い）溶融鉄が最初に凝固したデンドライト間の隙間に充填され、リンの偏析が形成される。
冷間鍛造または冷間押出し工程では、割れた製品がよく見られます。割れた製品の金属組織検査と分析では、フェライトとパーライトが帯状に分布しており、母材中に白鉄の帯がはっきりと見られます。フェライト中には、この帯状のフェライト母材上に、断続的に帯状の淡灰色の硫化物介在物があります。このリン化硫黄の偏析によって生じる帯状構造は「ゴーストライン」と呼ばれます。これは、リン偏析が激しい領域のリンリッチゾーンが白く輝いて見えるためです。白く輝く帯のリン含有量が高いため、リンが濃縮された白く輝く帯の炭素含有量は減少するか、非常に小さくなります。このようにして、連続鋳造スラブの柱状結晶は、リンが濃縮された帯の連続鋳造中に中心に向かって発達します。ビレットが凝固すると、最初に溶鋼からオーステナイト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減少しますが、最終的に凝固した溶鋼にはリンと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に凝固します。リンと硫黄の含有量が高いため、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、炭素を放出する効果があります。炭素は溶融できないため、リン固溶体の周囲（フェライト白帯の両側）は炭素含有量が高くなります。フェライト帯の両側、つまりリン濃縮領域の両側の炭素元素は、それぞれフェライト白帯に平行な狭く断続的なパーライト帯を形成し、隣接する正常組織を分離します。ビレットが加熱およびプレスされると、シャフトは圧延加工方向に沿って伸びます。フェライト帯に高濃度のリンが含まれているため、すなわち、深刻なリン偏析により、鉄が明瞭に分布する幅広く明るいフェライト帯構造が形成され、元素本体の幅広く明るい帯の中に淡灰色の硫化物の帯が見られる。このリンに富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」構造と呼ばれるものである（図1-2参照）。
図1 炭素鋼製ゴーストワイヤ SWRCH35K 200X
図2 普通炭素鋼Q235 500X中のゴーストワイヤ
鋼を熱間圧延する際、ビレット中にリンの偏析が存在する限り、均一な微細構造を得ることは不可能である。さらに、リンの偏析が激しい場合、「ゴーストワイヤー」構造が形成され、材料の機械的特性が必然的に低下する。
炭素鋼におけるリンの偏析は一般的ですが、その程度は様々です。リンが著しく偏析すると（「ゴーストライン」構造が現れると）、鋼に極めて悪影響を及ぼします。明らかに、リンの著しい偏析は、冷間鍛造工程における材料の割れの原因となります。鋼中の異なる結晶粒はリン含有量が異なるため、材料の強度と硬度が異なります。また、材料に内部応力を発生させ、内部割れを起こしやすくします。「ゴーストライン」構造を持つ材料では、硬度、強度、破断後の伸び、断面積の減少、特に衝撃靭性の低下が顕著であり、これが材料の冷間脆性につながります。したがって、リン含有量と鋼の構造特性は非常に密接な関係にあります。
金属組織学的検査 視野中央の「ゴーストライン」組織には、多数の淡灰色の細長い硫化物が存在する。構造用鋼中の非金属介在物は、主に酸化物と硫化物の形で存在する。GB/T10561-2005「鋼中の非金属介在物含有量の標準等級表顕微鏡検査方法」によれば、タイプB介在物は、この時点で加硫され、材料レベルは2.5以上に達する。周知のように、非金属介在物は亀裂の潜在的な原因である。それらの存在は、鋼の微細構造の連続性と緻密性を著しく損ない、鋼の粒界強度を大幅に低下させる。このことから、鋼の内部構造の「ゴーストライン」に硫化物が存在することが、亀裂が発生する可能性が最も高い場所であると推測される。したがって、多くのファスナー製造現場で発生する冷間鍛造割れや熱処理焼入れ割れは、大量の淡灰色の細長い硫化物によって引き起こされます。このような不良な糸状構造の出現は、金属特性の連続性を損ない、熱処理のリスクを高めます。「ゴーストスレッド」は焼ならしなどでは除去できず、不純物元素は製錬工程から、あるいは原材料が工場に入る前から厳密に管理する必要があります。
非金属介在物は、その組成と変形性に応じて、アルミナ（A型）、ケイ酸塩（C型）、球状酸化物（D型）に分類されます。これらの存在は金属の連続性を遮断し、剥離後にピットや亀裂を形成します。冷間据え込み中に亀裂の発生源となりやすく、熱処理中に応力集中を引き起こし、焼入れ割れにつながります。したがって、非金属介在物は厳密に管理する必要があります。現在の鋼材規格GB/T700-2006「炭素構造鋼」およびGB/T699-2016「高品質炭素構造鋼」では、非金属介在物に関する明確な要件は規定されていません。重要な部品については、A、B、Cの粗線と細線は一般的に1.5以下、DとDsの粗線と細線は2以下です。
投稿日時：2021年10月21日
