鉄鋼の鋳造技術とその強度改善方法【業界技術者向け】

鉄鋼鋳造の基礎と近年の課題

鉄鋼鋳造は溶解した鋼を鋳型に流し込み、凝固させて所定形状を得るプロセスです。
高い形状自由度とコスト競争力が魅力ですが、凝固収縮や不均一組織に起因する欠陥が強度を制限します。
特に大型鋳物では内部欠陥の検出が難しく、品質保証が大きな課題です。
近年はCAEによる凝固解析が普及し、湯流れ・凝固挙動を事前に可視化することで歩留まり向上が進んでいます。

鋳鋼の強度を支配する冶金学的要因

化学成分と介在物

鋳鋼の強度低下要因の筆頭が酸素・硫黄・窒素などと生成する介在物です。
AlやSiによる脱酸は必須ですが、過剰に添加するとAl2O3クラスタが生成し靭性を損ないます。
酸化物を微細化する目的でCa添加による変質改良が広く採用されます。
介在物の球状化・分散化は疲労強度向上に直結するため、溶湯処理工程での成分管理は最優先課題です。

凝固組織とセグリゲーション

鋳鋼は凝固時に柱状晶と等軸晶が混在し、収縮空孔や液膜脆性が発生します。
特に中心偏析帯にMnSやPが濃化し、低温割れを誘発します。
凝固速度を制御し、等軸晶率を高めることが強度向上の鍵です。

強度改善の具体的アプローチ

1. 凝固制御技術

・押湯とライザー配置
　熱勾配を制御し、最後に凝固する部位を押湯で補給することで縮孔を防止します。
・冷金属インサート
　局所的に冷却速度を高め、柱状晶の成長を抑制し等軸晶を生成します。
・電磁撹拌（EMS）
　溶鋼中に誘導磁場を印加し、溶湯を撹拌して温度・成分均一化を促進します。
　大径スラブで中心偏析を30％以上低減した事例が報告されています。

2. 溶湯処理と脱酸・脱硫

真空脱ガス（VOD, RH）を組み合わせ、[O]を20 ppm以下、[S]を10 ppm以下に制御すると靭性が顕著に向上します。
Ca‐Siワイヤをタンディッシュで添加し、Al2O3をCaO‐Al2O3硫酸塩系に変質させることでノズル閉塞も抑制可能です。

3. マイクロアロイング

Nb, Ti, Vなどを数十ppmレベルで添加し、微細炭窒化物を析出させると焼戻し温度域で析出強化が得られます。
またTiN粒子は5 µm以上になると割れ源となるため、成長抑制目的でN量を0.005％以下に管理します。

4. 熱処理プロセスの最適化

・焼ならし
　粗大化した柱状晶を破砕し、組織均一化を図ります。
・一次焼入れ＋二次焼戻し
　M-A組織を微細化し、靭性と強度のバランスを確保します。
・等温熱処理
　パーライト発生温度で保持し偏析緩和と硬さ均一化を実現します。

欠陥検出と品質保証

非破壊検査（NDT）の高度化

X線CTは10 mm以下の内部縮孔を可視化できますが、大型鋳物では透過能力が課題です。
近年は超音波フェーズドアレイとX線ラミノグラフィを組合せたハイブリッド検査が注目されています。
デジタルツイン技術を活用し、鋳造CAE結果とNDTデータを重ね合わせることで欠陥予測精度が向上します。

機械学習による欠陥予測

湯流れシミュレーションの温度・速度場データを教師データ化し、欠陥発生確率をAIで推定する研究が進行中です。
実機試験で70％以上の的中率が報告されており、将来的にはリアルタイムフィードバック制御への応用が期待されます。

鋳造プロセスの最新動向

ハイブリッドAM鋳型

砂型内部に3Dプリンタで冷却チャネルを一体造形し、高次元的な熱制御を実現する技術が普及し始めています。
これにより凝固時間を最大40％短縮し、細粒化効果で降伏強度が15％向上した事例があります。

グリーン鋳造と脱炭素

電炉＋再生材料比率の増加に伴い、鋳鋼成分のばらつきが懸念されます。
光学排渣センサーと連動したスラグ除去装置により、溶湯中のCu, Snを低減し機械性質を安定化できます。
加えてバイオコークス導入や電力グリーン化を通じ、総CO2排出量を30％削減した実証が進んでいます。

まとめ

鋳鋼品の強度向上には、溶湯の清浄度確保、凝固組織制御、熱処理最適化が三位一体で求められます。
さらにCAE・NDT・AIを結合したデジタルエンジニアリングが欠陥ゼロ化へ向けた鍵となります。
今後は脱炭素要請下で資源循環と高品質を両立するプロセス革新が求められます。
現場エンジニアは化学成分管理の徹底とともに、新しい凝固制御手法やデータ駆動型品質保証を積極的に導入し、市場から求められる高強度鋳鋼の安定供給を実現することが重要です。