鋳造業界では、浸炭剤の品質は溶鉄の品質、鋳造性能、最終コストに直接影響します。窒素と硫黄は 2 つの非常に重要な元素であり、その影響は複雑で厳密な管理が必要です。
I. 窒素 (N) の影響: 両刃の剣-
窒素は溶鉄中で二重の役割を果たしており、その影響は溶鉄の組成、冷却速度、最終的な窒素含有量によって異なります。
1. プラスの効果 (適度で管理された条件下での有益な効果):
• フェライトの強化：窒素はフェライトに溶解し、固溶強化の役割を果たし、鋳鉄の強度をわずかに増加させます。
• オーステナイトの安定化: オーステナイト構造の安定化に役立ちます。
• 炭化物の形成の促進: 特定の元素と組み合わせると、パーライトの形成を促進し、強度と硬度を向上させることができます。
• 合金元素として: 一部の高級ねずみ鋳鉄やダクタイル鋳鉄では、適切な量の窒素がマグネシウムやカルシウムなどと小さな窒化物を形成し、黒鉛の結晶化の核として作用し、黒鉛を精製し、黒鉛の形態を改善して、材料の機械的特性を向上させます。
2. 悪影響 (含有量が多すぎる場合、または条件が不利な場合の危険):
• 窒素細孔 (ピンホール) の形成: これは窒素の最も致命的な危険です。溶鉄中の溶存窒素量が多すぎると、鋳物の凝固過程で窒素の溶解度が急激に低下します。過飽和窒素は気泡の形で沈殿し、皮下細孔または細かく分散した細孔を形成します。これらの細孔は、鋳造品の密度、機械的特性、および表面品質を著しく損ないます。
• 破断黒鉛の誘発（窒素-誘起黒鉛変形）: 過共晶ねずみ鋳鉄では、窒素含有量が高すぎると異常な黒鉛片の成長が起こり、鋭い破断黒鉛形態が形成され、マトリックスが著しく破壊され、鋳物の強度と靱性、特に衝撃靱性と耐疲労性が大幅に低下します。
• 鋳造脆性の増加: 過剰な窒化物は材料の脆性を増加させます。
浸炭剤は、溶鉄中の主要な窒素源の 1 つです。特にスクラップ鋼の比率が高い装入物を使用する場合、スクラップ鋼自体に窒素が含まれており、浸炭剤の窒素含有量が高い場合（一部の石油コークス浸炭剤など）、溶銑中の全窒素量が過剰になりやすい。
II.硫黄（S）の影響「有害」から「有用」へ
硫黄の影響はねずみ鋳鉄とダクタイル鋳鉄では根本的に異なります。
1. ねずみ鋳鉄の場合:
• 従来の見解（有害）: 硫黄は低融点の硫化鉄（FeS）を形成し、粒界に分布し、鋳物の熱間脆性を増大させ、流動性を低下させ、収縮を促進します。これは一般に有害な元素とみなされており、管理する必要があります。
• 現代の理解（中程度に有益）: 適切な量の硫黄（一般に推奨される 0.06%-0.12%）は、マンガンと結合して高融点の硫化マンガン（MnS）粒子を形成する可能性があります。-これらの粒子は黒鉛形成の核として作用し、黒鉛化を促進し、黒鉛を精製してねずみ鋳鉄の強度と硬度を向上させることができます。したがって、現代の鋳造プロセスでは、硫黄含有量が低いほど必ずしも良いとは限りません。むしろ、適切な範囲内で安定させる必要があります。
・浸炭剤の役割：浸炭剤に硫黄分が多すぎると、溶銑中の硫黄分が大きく変動し、その制御が困難になります。安定した低硫黄浸炭剤は、高品質のねずみ鋳鉄を製造するための基礎となります。{{1}
2. ダクタイル鋳鉄の場合:
• 非常に有害な元素: 硫黄はダクタイル鋳鉄の「最大の敵」です。硫黄は球状化剤 (Mg、Ce など) に対して非常に強い親和性を持ち、球状化剤と優先的に反応して硫化物 (MgS など) を形成し、貴重な球状化剤を大量に消費して球状化劣化を引き起こします。
• 黒鉛球状化への損傷: 球状化剤を消費した後、残留硫黄が黒鉛の球状成長を妨げ、黒鉛球状の変形、黒鉛球状体の数の減少、および鱗片状黒鉛の出現を引き起こし、機械的特性を著しく低下させます。
• 介在物のリスク: 硫化スラグの形成が増加すると、介在物欠陥のリスクが増加します。
• 浸炭剤の厳しい要件: したがって、ダクタイル鉄の製造では、原料鉄の硫黄分を減らし、球状化効果と安定性を確保するために、硫黄分が極めて低い浸炭剤 (通常、S < 0.05%、高品質のものでは < 0.02% が必要) を使用する必要があります。-
Ⅲ．ファウンドリ企業向けの推奨事項:
1. ニーズの明確化：まず、ねずみ鋳鉄かダクタイル鋳鉄のどちらを生産するか、また目標材種を決定します。
2. 原料管理の徹底：浸炭剤は一般の副原料ではなく、重要なプロセス原料として管理します。窒素、硫黄含有量について明確かつ厳格な調達基準を設ける。
3. 高品質浸炭剤を優先する:-
• 黒鉛化浸炭剤: 黒鉛電極またはスクラップから作られ、炭素含有量が高く、硫黄と窒素の含有量が極めて低く、吸収率が高いため、高品質の鋳鉄（特にダクタイル鋳鉄と高品位ねずみ鋳鉄）の製造に最適です。-
• 高温焼成石油コークス浸炭装置: 完全な焼成後、硫黄、窒素、揮発性物質が大幅に削減され、高い費用対効果が得られ、中級から高級まで広く使用されています。{{1}
• 使用は避けてください: 未焼成または軽く焼成した石油コークスまたは石炭{0}ベースの加炭剤は、硫黄、窒素、揮発性物質の含有量が高いため、鋳造欠陥につながりやすいためです。
プロセス監視の強化: 溶鉄の炉前分析（スペクトル分析など）を定期的に実行して窒素と硫黄含有量の変化を監視し、タイムリーなプロセス調整を可能にします。{0}
要約すると、加炭剤中の窒素と硫黄は、鋳造品質の安定性を決定する中心的な変数です。加炭剤の品質を科学的に選択して制御することにより、気孔率、黒鉛の変形、球状化不良などの重大な欠陥を効果的に回避し、鋳造品質と生産効率を向上させることができます。
