(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．１５〜０．２７％、
Ｓｉ：０．１０％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：０．５〜１．２％、
Ｎｉ：０．３５〜１．６０％、
Ｃｒ：０．１〜０．７％、
Ｍｏ：０．１〜０．４％、
Ｖ  ：０．３％以下（０％を含まない）、
Ａｌ：０．０３％以下（０％を含まない）、
Ｃｕ：０．０３％以下（０％を含まない）、
Ｐ  ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｓ  ：０．０１％以下（０％を含まない）を含有し、
残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材であり、
下記（１）式で算出される指数φ１の値が−０．５〜０であることを特徴とする鋼材。
φ１＝０．０１×［Ｃ］＋０．６３×［Ｓｉ］＋０．１０×［Ｍｎ］−０．４×［Ｎｉ］＋０．０１×［Ｃｒ］−０．１９×［Ｍｏ］−０．２０×［Ｖ］＋１．０×［Ａｌ］＋０．０５×［Ｃｕ］＋３．６４×［Ｐ］＋４．２４×［Ｓ］  ・・（１）
［但し、上記（１）式中、［  ］は、各元素の含有量（質量％）を意味している。］
【請求項２】
質量％で、
Ｃ  ：０．１５〜０．２７％、
Ｓｉ：０．１０％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：０．５〜１．２％、
Ｎｉ：０．３５〜１．６０％、
Ｃｒ：０．１〜０．７％、
Ｍｏ：０．１〜０．４％、
Ｖ  ：０．３％以下（０％を含まない）、
Ａｌ：０．０３％以下（０％を含まない）、
Ｃｕ：０．０３％以下（０％を含まない）、
Ｐ  ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｓ  ：０．０１％以下（０％を含まない）を含有し、
残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材であり、
下記（２）式で算出される指数φ２の値が−０．００８〜０．００８であることを特徴とする鋼材。
φ２＝（φ１＋０．２）／（１００−ΔＴ）  ・・・（２）
［但し、上記（２）式中、φ１は下記（１）式で算出される値であり、該φ１の値は−０．５〜０である。ΔＴは下記（３）式で求められる値であり、下記（３）式中、ＴLは下記（４）式、ＴSは下記（５）式で求められる値である。下記（１）式、（３）式〜（５）式中、［  ］は、各元素の含有量（質量％）を意味している。
φ１＝０．０１×［Ｃ］＋０．６３×［Ｓｉ］＋０．１０×［Ｍｎ］−０．４×［Ｎｉ］＋０．０１×［Ｃｒ］−０．１９×［Ｍｏ］−０．２０×［Ｖ］＋１．０×［Ａｌ］＋０．０５×［Ｃｕ］＋３．６４×［Ｐ］＋４．２４×［Ｓ］  ・・（１）
ΔＴ＝ＴL−ＴS  ・・（３）
ＴL＝１５３６−（０．１＋８３．９×［Ｃ］＋１０×［Ｃ］2＋１２．６×［Ｓｉ］＋５．４×［Ｍｎ］−３０×［Ｐ］−３７×［Ｓ］＋４．６×［Ｃｕ］＋５．１×［Ｎｉ］＋１．５×［Ｃｒ］−３．３×［Ｍｏ］）  ・・（４）
ＴS＝１５３６−（４１５．５×［Ｃ］＋１２．３×［Ｓｉ］＋６．８×［Ｍｎ］＋１２４．５×［Ｐ］＋１８３．９×［Ｓ］＋４．３×［Ｎｉ］＋１．４×［Ｃｒ］＋４．１×［Ａｌ］）  ・・（５）］
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼材から製造される鋳鋼品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船用大型ディーゼルエンジンのクランクスローなどの大型厚肉鋳鋼品として用いられる鋼材、およびこの鋼材の成分設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
船用大型ディーゼルエンジンのクランクスローなどの大型厚肉鋳鋼品は、溶鋼を鋳型に鋳込んで製造されるが、この大型厚肉鋳鋼品として用いられる鋼材には強度の他、溶接性や鋳造性などの特性が求められる。
【０００３】
大型構造用部材として使用される鋳鋼品の強度、延性、靭性、および溶接性を改善するための熱処理方法が特許文献１に開示されている。この熱処理方法では鋼を９００〜９６０℃に保持した後、空冷乃至油冷を施し、次いで６２０〜６８０℃に保持した後、炉冷している。しかし、例えば直径が１ｍ以上の大型厚肉鋳鋼品を水冷や油冷することは設備的、操業的に困難である。
【０００４】
一方、特許文献２には上記特許文献１の問題点を解決するために、オーステナイト化処理時の冷却速度が空冷のように遅い場合でも高強度となり、しかも溶接性にも優れ、且つ鋳造時に引け巣が発生しない低合金鋳鋼材が開示されている。この特許文献２では、合金元素の含有量に基づいて、焼入性倍数α、溶接性指数β、鋳造性指数γを設定し、強度、溶接性、鋳造性を改善している。
【０００５】
ところで、大型厚肉鋳鋼品を製造するときの鋳造時には、上記特許文献２で指摘されているように引け巣欠陥が発生しないことが求められるが、鋳鋼品の品質を一層向上させるには逆Ｖ偏析を低減することも要求される。大型厚肉鋳鋼品を製造する際には、凝固速度が小さいためマクロ偏析などが発生しやすく、鋳鋼品内の成分組成が不均一となり、特に逆Ｖ偏析と呼ばれる局所的な偏析帯が発生すると、逆Ｖ偏析内部に引け巣欠陥が発生することがあり、更に鋳鋼品の中心軸位置と外周部で強度のバラツキを生じたり、溶接性が悪くなるからである。
【０００６】
逆Ｖ偏析を低減する技術として特許文献３の技術が知られている。この特許文献３では、不可避不純物のうちＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓを低減することによって逆Ｖ偏析の発生を防止している。しかしＭｎを低減し過ぎると強度を確保できない。また、特許文献３では２％以上のＣｒを積極的に添加しているが、Ｃｒを過剰に含有させると溶鋼の密度が小さくなるため、凝固時の固液共存領域における濃化溶鋼とバルク溶鋼との密度差が大きくなり、逆Ｖ偏析が発生しやすくなる。
【０００７】
溶鋼中の密度差による偏析形態を考慮することによってストリーク状のマクロ、ミクロ偏析を抑制する技術として特許文献４が提案されている。しかしこの特許文献４においてはＮｉを０．３０％以下に抑制すると共に、Ｃｒを１．０％以上含有させており、本発明者が検討したところ、溶鋼中の密度差が大きく、逆Ｖ偏析の発生は充分に抑制できていないことが分かった。
【０００８】
また、非特許文献１にはキルド鋼塊の逆Ｖ偏析線密度と鋼材の成分組成との関係について開示されており、この文献にはキルド鋼塊の逆Ｖ偏析線密度は、固液共存相内残溶鋼に働く平均浮力を表わす指数φの値が増すにつれて増加することが記載されている。また、Ｖ（バナジウム）は頭部偏析やＶ偏析を減らす元素であるが、溶鋼の密度差のみを考慮した指数φ中のＶの係数はゼロであると記載されている。
φ＝０．０１×［％Ｃ］＋０．６３×［％Ｓｉ］＋０．１０×［％Ｍｎ］＋３．６４×［％Ｐ］＋４．２４×［％Ｓ］−０．１９×［％Ｍｏ］＋０．０１×［％Ｃｒ］−０．０１×［％Ｎｉ］    ・・（ａ）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５９−１３６４５１号公報
【特許文献２】特開２０００−３４５２８５号公報
【特許文献３】特開平５−２３９５９３号公報
【特許文献４】特開２００３−２６８４８５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】拝田治、「溶鋼組成による鋼塊中逆Ｖ偏析線密度の推定」、鉄と鋼、第６１年（１９８１）第７号、ｐ．１１４〜１１８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記非特許文献１では、逆Ｖ偏析と鋼材の成分組成との関係について着目されている。しかし引け巣欠陥などの鋳造欠陥については着目されていない。
【００１２】
本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、引け巣などの鋳造欠陥を低減した鋼材、およびこの鋼材の成分設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決することのできた本発明に係る鋼材は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２７％、Ｓｉ：０．１０％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：０．５〜１．２％、Ｎｉ：０．３５〜１．６０％、Ｃｒ：０．１〜０．７％、Ｍｏ：０．１〜０．４％、Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｃｕ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｐ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０１％以下（０％を含まない）を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材である。そして、下記（１）式で算出される指数φ１の値が−０．５〜０であるか、および／または下記（２）式で算出される指数φ２の値が−０．００８〜０．００８である点に要旨を有している。
φ１＝０．０１×［Ｃ］＋０．６３×［Ｓｉ］＋０．１０×［Ｍｎ］−０．４×［Ｎｉ］＋０．０１×［Ｃｒ］−０．１９×［Ｍｏ］−０．２０×［Ｖ］＋１．０×［Ａｌ］＋０．０５×［Ｃｕ］＋３．６４×［Ｐ］＋４．２４×［Ｓ］    ・・（１）
φ２＝（φ１＋０．２）／（１００−ΔＴ）    ・・・（２）
【００１４】
但し、上記（２）式中、φ１は上記（１）式、ΔＴは下記（３）式で求められる値であり、下記（３）式中、ＴLは下記（４）式、ＴSは下記（５）式で求められる値である。
ΔＴ＝ＴL−ＴS    ・・（３）
ＴL＝１５３６−（０．１＋８３．９×［Ｃ］＋１０×［Ｃ］2＋１２．６×［Ｓｉ］＋５．４×［Ｍｎ］−３０×［Ｐ］−３７×［Ｓ］＋４．６×［Ｃｕ］＋５．１×［Ｎｉ］＋１．５×［Ｃｒ］−３．３×［Ｍｏ］）    ・・（４）
ＴS＝１５３６−（４１５．５×［Ｃ］＋１２．３×［Ｓｉ］＋６．８×［Ｍｎ］＋１２４．５×［Ｐ］＋１８３．９×［Ｓ］＋４．３×［Ｎｉ］＋１．４×［Ｃｒ］＋４．１×［Ａｌ］）    ・・（５）
上記（１）式、（３）式〜（５）式中、［  ］は、各元素の含有量（質量％）を意味している。
【００１５】
本発明には、上記鋼材から製造される鋳鋼品（例えば、クランクスローなど）も包含される。
【００１６】
上記課題を解決することのできた本発明に係る鋼材は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．２７％、Ｓｉ：０．１０％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：０．５〜１．２％、Ｎｉ：０．３５〜１．６０％、Ｃｒ：０．１〜０．７％、Ｍｏ：０．１〜０．４％、Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｃｕ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｐ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０１％以下（０％を含まない）を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼材において、下記（１）式で算出される指数φ１の値が−０．５〜０を満足するように成分調整するか、および／または下記（２）式で算出される指数φ２の値が−０．００８〜０．００８を満足するように成分調整することによって得ることができる。
φ１＝０．０１×［Ｃ］＋０．６３×［Ｓｉ］＋０．１０×［Ｍｎ］−０．４×［Ｎｉ］＋０．０１×［Ｃｒ］−０．１９×［Ｍｏ］−０．２０×［Ｖ］＋１．０×［Ａｌ］＋０．０５×［Ｃｕ］＋３．６４×［Ｐ］＋４．２４×［Ｓ］    ・・（１）
φ２＝（φ１＋０．２）／（１００−ΔＴ）    ・・・（２）
【００１７】
但し、上記（２）式中、φ１は上記（１）式、ΔＴは下記（３）式で求められる値であり、下記（３）式中、ＴLは下記（４）式、ＴSは下記（５）式で求められる値である。下記（１）式、（３）式〜（５）式中、［  ］は、各元素の含有量（質量％）を意味している。
ΔＴ＝ＴL−ＴS    ・・（３）
ＴL＝１５３６−（０．１＋８３．９×［Ｃ］＋１０×［Ｃ］2＋１２．６×［Ｓｉ］＋５．４×［Ｍｎ］−３０×［Ｐ］−３７×［Ｓ］＋４．６×［Ｃｕ］＋５．１×［Ｎｉ］＋１．５×［Ｃｒ］−３．３×［Ｍｏ］）    ・・（４）
ＴS＝１５３６−（４１５．５×［Ｃ］＋１２．３×［Ｓｉ］＋６．８×［Ｍｎ］＋１２４．５×［Ｐ］＋１８３．９×［Ｓ］＋４．３×［Ｎｉ］＋１．４×［Ｃｒ］＋４．１×［Ａｌ］）    ・・（５）
上記（１）式、（３）式〜（５）式中、［  ］は、各元素の含有量（質量％）を意味している。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、上記（１）式および／または上記（２）式に基づいて鋼材の成分設計を行い、鋼材に含まれる合金元素の添加バランスを適切に制御しているため、鋳造時に逆Ｖ偏析の発生を抑制できるのみならず、引け巣などの鋳造欠陥の発生も防止できる。そのため、大型厚肉鋳鋼品を作製しても高強度を維持でき、しかも鋳鋼品の中心軸位置と外周部における強度差が少なくなり、溶接性の劣化も防止可能な鋼材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、指数φ１の値と鋳造欠陥の個数との関係を示すグラフである。
【図２】図２は、指数φ２の値と鋳造欠陥の個数との関係を示すグラフである。
【図３】図３は、指数φの値と鋳造欠陥の個数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明者らは、溶鋼を鋳造して大型厚肉鋳鋼品を作製したときに、高強度を維持しつつ中心軸付近と外表面側付近の強度差が少なく、しかも溶接性を良好なものとするために、引け巣などの鋳造欠陥の発生を防止することを目指して鋭意検討を重ねてきた。その結果、鋼材の成分組成が下記（１）式で算出される指数φ１を満足するか、および／または下記（２）式で算出される指数φ２を満足するように成分設計すれば、鋳造時に鋳造欠陥が発生しにくくなることを見出し、本発明を完成した。
【００２１】
まず、本発明の鋼材の成分組成について説明する。本発明の鋼材は、Ｃ：０．１５〜０．２７％、Ｓｉ：０．１０％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：０．５〜１．２％、Ｎｉ：０．３５〜１．６０％、Ｃｒ：０．１〜０．７％、Ｍｏ：０．１〜０．４％、Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｃｕ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｐ：０．０１％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０１％以下（０％を含まない）を含有するものである。こうした範囲を規定した理由は次の通りである。
【００２２】
Ｃは、鋼材の強度を向上させると共に、焼き入れ性を向上させる元素であり、０．１５％以上含有させる必要がある。好ましくは０．１７％以上である。しかし過剰に含有すると、溶接割れの感受性が高くなるため、０．２７％以下とする。好ましくは０．２５％以下、より好ましくは０．２４％以下である。
【００２３】
Ｓｉは、脱酸剤として作用するほか、焼き入れ性を向上させるのに作用する元素である。こうした作用を有効に発揮させるには、０．０１％以上含有することが好ましい。より好ましくは０．０２％以上である。しかし過剰に含有すると鋳造時に鋳造欠陥が発生するため、０．１０％以下とする。好ましくは０．０８％以下であり、より好ましくは０．０６％以下である。
【００２４】
Ｍｎは、鋼材の強度を向上させると共に、焼き入れ性を向上させる元素であり、０．５％以上含有させる必要がある。好ましくは０．５５％以上である。しかし過剰に含有すると鋳造時に鋳造欠陥が発生するため、１．２％以下とする。好ましくは１．１５％以下であり、より好ましくは１．０％以下である。
【００２５】
Ｎｉは、溶接性を低下させることなく、鋼材の強度を向上させると共に、焼き入れ性を向上させる元素であり、積極的に含有させることが推奨される元素である。従って本発明ではＮｉを０．３５％以上含有させる必要がある。好ましくは０．４％以上であり、より好ましくは０．５％以上である。しかしＮｉは高価な元素であるため、過剰に含有するコスト高となる。従ってＮｉは１．６０％以下、好ましくは１．５％以下、より好ましくは１．４％以下である。
【００２６】
Ｃｒは、鋼材の強度を向上させるほか、焼き入れ性を向上させる元素であり、また焼き戻し軟化抵抗も高めるのにも作用する元素である。こうした効果を発揮させるには、０．１％以上含有させる必要がある。好ましくは０．２％以上であり、より好ましくは０．３％以上である。しかし過剰に含有すると溶接性を低下させるため０．７％以下とする。好ましくは０．６５％以下であり、より好ましくは０．６％以下である。
【００２７】
Ｍｏは、上記Ｃｒと同様に、鋼材の強度を向上させるほか、焼き入れ性を向上させる元素であり、また焼き戻し軟化抵抗も高めるのにも作用する元素である。こうした効果を発揮させるには、０．１％以上含有させる必要がある。好ましくは０．２％以上であり、より好ましくは０．３％以上である。しかし過剰に含有すると溶接性を低下させるため０．４％以下とする。好ましくは０．３３％以下である。
【００２８】
Ｖは、デンドライト形態を複雑化し、固液共存時に、合金元素が濃化した濃化溶鋼の流動を抑制して逆Ｖ偏析が発生することを防止する元素である。また、Ｖは、デンドライト形態を複雑化することにより引け巣などの鋳造欠陥の発生を抑制する元素である。また、Ｖは、焼き戻し軟化抵抗を高める元素であり、凝固組織の微細化にも寄与する元素である。こうした作用を有効に発揮させるには、０．０１％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．０３％以上であり、更に好ましくは０．０６％以上である。しかし過剰に含有させても焼き戻し軟化抵抗を高める作用は飽和し、しかも溶接性を低下させるため０．３％以下とする。好ましくは０．２％以下であり、より好ましくは０．１％以下である。
【００２９】
Ａｌは、脱酸剤として作用するほか、鋼材の結晶粒を微細化させて靭性を高めるのに有効に作用する元素である。しかし過剰に含有させるとＡｌ2Ｏ3系の介在物が多く生成し、溶鋼の清浄度が低下し、強度が低下するため０．０３％以下とする。好ましくは０．０２８％以下であり、より好ましくは０．０２５％以下である。
【００３０】
Ｃｕは、靭性を向上させる元素であり、また鋳鋼の降伏応力を上昇させるのにも有効に作用する元素である。こうした効果を有効に発揮させるには、０．０１％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．０１５％以上とする。しかし過剰に含有すると、高温割れが発生しやすくなるに伴い、表面性状が悪くなるため、０．０３％以下とする。好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２％以下とする。
【００３１】
Ｐは、不可避不純物として含有する元素であり、過剰に含有すると、偏析部に濃化し、濃化部分の溶鋼密度差を低下させて逆Ｖ偏析を発生しやすくする元素である。また、溶鋼の固相線温度を低下させてΔＴを大きくして鋳造欠陥を発生しやすくする元素である。また、過剰なＰは、靱性を低下させる原因となる。従ってＰは、０．０１％以下に抑制する必要がある。好ましくは０．００８％以下、より好ましくは０．００６％以下とする。
【００３２】
Ｓは、上記Ｐと同様に、不可避不純物として含有する元素であり、過剰に含有すると、偏析部に濃化し、濃化部分の溶鋼密度差を低下させて逆Ｖ偏析を発生しやすくする元素である。また、溶鋼の固相線温度を低下させてΔＴを大きくして鋳造欠陥を発生しやすくする元素である。また、過剰なＳは、靱性を低下させる原因となる。従ってＳは、０．０１％以下に抑制する必要がある。好ましくは０．００８％以下、より好ましくは０．００６％以下とする。
【００３３】
本発明の鋼材の成分組成は上記の通りであり、残部は鉄および不可避不純物である。
【００３４】
本発明の鋼材は、上述した成分組成を満足したうえで、更に下記（１）式で算出される指数φ１の値が−０．５〜０であるか、および／または下記（２）式で算出される指数φ２の値が−０．００８〜０．００８であることが重要である。
φ１＝０．０１×［Ｃ］＋０．６３×［Ｓｉ］＋０．１０×［Ｍｎ］−０．４×［Ｎｉ］＋０．０１×［Ｃｒ］−０．１９×［Ｍｏ］−０．２０×［Ｖ］＋１．０×［Ａｌ］＋０．０５×［Ｃｕ］＋３．６４×［Ｐ］＋４．２４×［Ｓ］    ・・（１）
φ２＝（φ１＋０．２）／（１００−ΔＴ）    ・・・（２）
【００３５】
但し、ΔＴは下記（３）式で求められる値であり、下記（３）式中、ＴLは下記（４）式、ＴSは下記（５）式で求められる値である。
ΔＴ＝ＴL−ＴS    ・・（３）
ＴL＝１５３６−（０．１＋８３．９×［Ｃ］＋１０×［Ｃ］2＋１２．６×［Ｓｉ］＋５．４×［Ｍｎ］−３０×［Ｐ］−３７×［Ｓ］＋４．６×［Ｃｕ］＋５．１×［Ｎｉ］＋１．５×［Ｃｒ］−３．３×［Ｍｏ］）    ・・（４）
ＴS＝１５３６−（４１５．５×［Ｃ］＋１２．３×［Ｓｉ］＋６．８×［Ｍｎ］＋１２４．５×［Ｐ］＋１８３．９×［Ｓ］＋４．３×［Ｎｉ］＋１．４×［Ｃｒ］＋４．１×［Ａｌ］）    ・・（５）
上記（１）式、および（３）式〜（５）式中、［  ］は、各元素の含有量（質量％）を意味している。
【００３６】
《指数φ１について》
上記（１）式は、鋳造欠陥の発生に影響を及ぼす合金元素の含有バランスを示す式であり、各係数は、鋳造欠陥の発生に及ぼす影響度合いを示している。即ち、係数が正の値であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐ、およびＳは、鋳造欠陥の発生を促進する作用を有している。これらの元素は、凝固時の固液共存領域における濃化溶鋼の密度を小さくし、バルク溶鋼との密度差を大きくして濃化溶鋼を浮上させ、逆Ｖ偏析を発生しやすくする。また、これらの元素は、引け巣などの鋳造欠陥を発生しやすくする。これに対し、係数が負の値であるＮｉ、Ｍｏ、およびＶは、引け巣などの鋳造欠陥の発生を抑制する作用を有している。これらの元素は、上記濃化溶鋼の密度を大きくし、濃化溶鋼が浮上するのを防止し、鋳造欠陥の発生を防止する作用を有している。また、ＭｏとＶは、特に、溶鋼の凝固開始直後に形成されるデンドライトの形態を複雑化する作用を有しており、固液共存時に濃化溶鋼が流動して鋳造欠陥を発生させるのを防止する元素である。
【００３７】
なお、引け巣などの鋳造欠陥を改善するには、上記（１）式で規定するように、Ｖ、Ａｌ、およびＣｕの含有バランスについても適切に調整しなければならず、これらの元素については、上記非特許文献１では全く考慮されていない。また、Ｎｉは、引け巣などの鋳造欠陥の発生に及ぼす影響が大きく、上記非特許文献１に記載されている（ａ）式で設定されている係数よりも大きくしなければならないことが明らかになった。
【００３８】
上記（１）式から算出される指数φ１が０を超えると、鋼材の強度は高くなるものの合金元素量が過剰となるため、鋳造欠陥が発生し易くなる。従って上記指数φ１の値は、０以下とする。好ましくは−０．１０以下、より好ましくは−０．１５以下とする。
【００３９】
一方、合金元素量は少ない方が鋳造欠陥は発生しにくいと一般的に考えられている。しかし上記指数φ１が−０．５を下回ると、後記する実施例で示すように、却って鋳造欠陥が発生することが分かった。上記指数φ１が小さくなるということは、凝固時の固液共存領域における濃化溶鋼の密度が大きくなることを意味している。即ち、上記指数φ１が小さくなると、バルク溶鋼との密度差が大きくなり、濃化溶鋼は浮上せずに沈降する。従って偏析帯が発生しやすくなる。その結果、この偏析帯内部に引け巣などの鋳造欠陥が発生しやすくなる。また、上記指数φ１が−０．５を下回ると合金元素量不足となって鋼材の強度が低くなる。従って上記指数φ１の値は−０．５以上とする。好ましくは−０．４５以上、より好ましくは−０．４以上とする。
【００４０】
《指数φ２について》
上記（２）式は、鋳造欠陥の発生に影響を及ぼす合金元素の含有バランス（指数φ１）と固液共存温度幅（ΔＴ）が、鋳造欠陥の発生に及ぼす影響度合いを示している。固液共存温度幅（ΔＴ）は、上記（３）式から明らかなように、液相線温度［ＴL（℃）］と固相線温度［ＴS（℃）］との温度差として求められる。このΔＴが大きくなると、溶鋼が凝固するまでの時間が長くなるため、合金元素が濃化した濃化溶鋼が鋼中を移動し易くなり、逆Ｖ偏析を発生しやすくなる。また、引け巣などの鋳造欠陥を発生しやすくなる。そこで上記（２）式では、鋼材に含まれる合金元素の含有バランスと固液共存温度幅との両方を考慮して指数φ２を算出している。上述した指数φ１は簡易法として用いることができるが、上記指数φ２を用いて鋼材の成分組成を調整した方が、より正確に鋳造欠陥の発生を抑えることができる。
【００４１】
なお、上記（２）式に示すように、φ１の値に０．２を足した理由は、上記（１）式で規定する引け巣欠陥の評価指標は、指数φ１が−０．２のときに最も引け巣欠陥個数が少なくなって最小値をとるため、上記（２）式においてΔＴを評価指標に組み入れて指数φ２を算出するにあたっては、指数φ２がゼロのときを引け巣欠陥数の最小値となるために調製するためである。
【００４２】
また、１００からΔＴを引いた理由は、ΔＴは一般的な鋼材の成分組成では１００以下となり、ΔＴが大きくなると逆Ｖ偏析が発生しやすくなって引け巣欠陥を発生しやすくなるからである。従って本発明では、１００からΔＴを引いた値を用いた。
【００４３】
上記（２）式から算出される指数φ２が０．００８を超えると、鋼材の強度は高くなるものの合金元素量が過剰となり、また固液共存温度幅が広がって濃化溶鋼が移動しやすくなるため鋳造欠陥が発生しやすくなる。従って上記指数φ２の値は０．００８以下とする。好ましくは０．００５以下、より好ましくは０．００１以下とする。
【００４４】
一方、合金元素量が少なく、固液共存温度幅が狭い方が鋳造欠陥は発生しにくいと考えられるが、上記指数φ２が−０．００８を下回ると、後記する実施例で示すように、却って鋳造欠陥が発生することが分かった。上記指数φ２が小さくなるということは、上記指数φ１が小さくなるときと同様、凝固時の固液共存領域における濃化溶鋼の密度が大きくなることを意味している。即ち、上記指数φ２が小さくなると、バルク溶鋼との密度差が大きくなり、濃化溶鋼は浮上せずに沈降する。従って偏析帯が発生しやすくなる。その結果、この偏析帯内部に引け巣などの鋳造欠陥が発生しやすくなる。また、上記指数φ２が−０．００８を下回ると合金元素量不足となって鋼材の強度が低くなる。従って上記指数φ２の値は−０．００８以上とする。好ましくは−０．００７以上、より好ましくは−０．００６以上とする。
【００４５】
本発明の鋼材は、その成分組成が上記範囲を満足し、且つ指数φ１または指数φ２の値が上記範囲を満足するように常法に従って成分調整し、鋳造すればよい。上記指数φ１と指数φ２は同時に満たしてもよい。
【００４６】
鋳造して得られた鋳塊は、焼入れまたは焼きならしを行なってもよい。焼入れまたは焼きならしするときの温度は特に限定されないが、例えば９００〜９５０℃とすればよい。焼入れまたは焼きならし後の冷却は空冷とすればよい。空冷は、特に９００℃から４００℃の温度範囲における平均冷却速度を小さくすればよい。この平均冷却速度は、直径が１０００ｍｍ相当材の中心位置における冷却速度が、１℃／分以下となるように制御することが推奨される。
【００４７】
また、焼入れまたは焼きならし後は、焼戻ししてもよい。焼戻しすることによって、引張強度を高く（具体的には４５０ＭＰａ以上）することができる。焼戻しは、例えば、温度を６００〜７００℃、時間を１０〜３０時間とすることが好ましい。
【００４８】
本発明では、鋼材の成分組成を適切に制御することによって鋳造時に逆Ｖ偏析が発生することを防止でき、更には引け巣などの鋳造欠陥が発生するのを防止できるため、例えば、直径が５００〜１２００ｍｍ程度の大型厚肉鋳鋼品を製造しても、高強度で、軸位置と外周部の強度差が少なく、しかも溶接性に優れた鋼材を提供できる。
【００４９】
本発明の鋼材は、鋳鋼品、例えば、船用の大型ディーゼルエンジンのクランクスローの素材として用いることができる。
【００５０】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００５１】
下記表１に示す成分組成の鋼（残部は鉄および不可避不純物）を高周波誘導溶解炉で溶解し、砂型を用いてφ１２００ｍｍ×高さ２０００ｍｍ、２５トンの鋳塊を鋳造した。高さ２０００ｍｍのうち、本体部分の長さは１２００ｍｍであり、押湯部分の長さは８００ｍｍである。鋳込み温度は１５４５℃とした。
【００５２】
下記表１に示した成分組成に基づいて、上記（１）式〜（５）式から指数φ１、指数φ２、ΔＴ、ＴL、ＴSの値を算出し、算出結果を下記表２に示す。また、参考データとして、上記非特許文献１に記載されている上記（ａ）式から算出される指数φの値についても同様に算出し、算出結果を下記表２に示す。
【００５３】
また、得られた鋳塊について、押湯下横断面（直径はφ１２００ｍｍ）と本体部分の中央縦断面（直径１２００ｍｍ×本体部分の長さ１２００ｍｍ）の２断面について、鋳造欠陥の個数（引け巣に起因する鋳造欠陥の個数）を測定し、これらを合計した。鋳造欠陥の個数は、非破壊検査である浸透探傷試験（ＰＴ；カラーチェック）によって測定した。測定結果を下記表２に示す。本実施例では、浸透探傷試験（ＰＴ）で検出される欠陥の個数が１５０個以下の場合を合格とし、１５０個を超える場合を不合格とした。なお、欠陥の個数が１５０個以下を合格とする基準は、従来よりも厳しい条件であり、従来では欠陥の個数の合計が３００個程度であっても合格として許容していた。
【００５４】
また、指数φ１の値と浸透探傷試験（ＰＴ）で検出される欠陥の個数との関係を図１、指数φ２の値と浸透探傷試験（ＰＴ）で検出される欠陥の個数との関係を図２に示す。また、参考図として上記（ａ）式から算出される指数φの値と浸透探傷試験（ＰＴ）で検出される欠陥の個数との関係を図３に示す。なお、図１〜図３では下記表２に示したＮｏ．１〜１１の結果を■、Ｎｏ．１２〜１６の結果を▲で示す。
【００５５】
次に、得られた鋳塊を９０ｍｍ×９０ｍｍ×１９０ｍｍに切断して供試材を作製した。この供試材を、９２０℃に加熱して保持後、１℃／分の平均冷却速度で冷却した。この平均冷却速度は、厚肉鋳物を冷却するときの速度のうち比較的遅い側であり、空冷を模擬したものである。冷却後、６２０℃×２０時間で焼き戻しを行った。
【００５６】
焼き戻しを行なった供試材から、引張試験用の試験片（ＪＩＳ  １４Ａ号試験片）を切り出し、引張試験を行い、引張強度（ＴＳ）を測定した。測定結果を下記表２に示す。本実施例では、ＴＳが４５０ＭＰａ以上を合格とする。なお、「−」は引張強度を測定していないことを意味する。
【００５７】
下記表２から次のように考察できる。Ｎｏ．１〜１１は、いずれも本発明で規定する要件を満足する例であり、鋼材の成分組成が本発明で規定する範囲を満足しており、且つ指数φ１および指数φ２の値が本発明で規定する範囲を満足している。そのため引け巣の発生が抑えられ、鋳造欠陥の個数を低減できている。また、引張強度も確保できている。
【００５８】
一方、Ｎｏ．１２〜１６は、いずれも本発明で規定する要件を満足しない例である。これらのうちＮｏ．１２は、鋼材の成分組成は本発明で規定する範囲を満足しているが、指数φ１および指数φ２の値が本発明で規定する範囲を外れる例である。そのため引け巣が発生し、鋳造欠陥の個数が１５０個を超えている。Ｎｏ．１３〜１６は、鋼材の成分組成が本発明で規定する要件を満足しておらず、しかも指数φ１および指数φ２の値も本発明で規定する範囲を満足していない例である。そのため引け巣が発生し、鋳造欠陥の個数が１５０個を超えている。
【００５９】
次に、図１〜図３から次のように考察できる。本発明で規定する指数φ１または指数φ２を用いて成分設計したときの結果を示す図１および図２では、浸透探傷試験（ＰＴ）で検出される欠陥の個数が１５０個以下の本発明例（■：表２のＮｏ．１〜１１）と１５０個を超える比較例（▲：表２のＮｏ．１２〜１６）を良好にすみわけられている。一方、上記（ａ）式から算出される指数φを用いて成分設計したときの結果を示す図３では本発明例（■）と比較例（▲）をすみわけできていない。従って、上記指数φ１または上記指数φ２を用いて成分設計すれば、引け巣などの鋳造欠陥の個数を低減した鋼材を提供できることが分かる。
【００６０】
【表１】
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【００６１】
【表２】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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