JP2003064412A - 介在物を微細化した鋼の溶製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】鋼中の硫化物系介在物のサイズを微細化して粗
大な硫化物系介在物が鋼製品の疲労強度に悪影響を与え
る問題を解決することのできる鋼の溶製方法を提供す
る。 【解決手段】鋼を電気炉１０で溶解した後、取鍋精錬装
置１４で精錬を実施して溶鋼中のＳを０．００３％以下
のレベルに低減し、更にその後ＲＨ真空脱ガス装置１６
で真空脱ガス処理を実施して溶鋼中のＮレベルを１００
ｐｐｍ以下に低減し、その状態でＲＨ真空脱ガス処理の
末期において溶鋼中にＴｉを５０〜１５０ｐｐｍの範囲
で添加する。これによって鋼の凝固過程でＴｉＮの初相
を晶出させ、これを核としてその周りにＭｎＳを晶出さ
せることによって最終的に生成するＭｎＳ介在物のサイ
ズを小さなものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は介在物を微細化し
た鋼の溶製方法に関する。

【０００２】

【発明の背景】近年、鋼を用いた各種機械部品に対する
疲労強度向上の要請が強くなって来ている。鋼の疲労強
度は、鋼の硬さを高くすること、また鋼中に存在する介
在物を小さくすることが有効であると考えられている。
鋼の硬さを高くすることは、用いる鋼の材質を適当に選
択することで比較的容易に実現することができる。

【０００３】一方介在物について見ると、この介在物に
は大別して酸化物系の介在物と硫化物系の介在物とがあ
り、このうち酸化物系の介在物については、その大きさ
を最大でも２０μｍ以下の大きさとするための技術が一
応開発されている。

【０００４】例えば鋼の製造プロセスとして、従来鋼を
アーク炉等の電気炉で溶解した後、溶鋼を取鍋に移して
そこで精錬（ＬＦ精錬）を行って脱酸，脱硫を行い、し
かる後溶鋼の真空脱ガス処理を行ってその後に連続鋳造
等の鋳造処理を行うといったことが実施されているが、
介在物の少ない清浄鋼を溶製するに際して、ＬＦ精錬の
初期に脱酸力の強いＡｌを添加してＡｌ脱酸を行い、そ
してその後に真空脱ガス処理を長い時間かけて行った上
で鋳造を行うことで、酸化物系介在物をスラグ中に十分
に浮上分離させ、更に鋳造に際しても溶鋼の酸化を極力
防止するなどして、酸化物系介在物を少なくし且つ介在
物径を２０μｍ以下に小さくする方法が本出願人におい
て実施されている。

【０００５】他方硫化物系の介在物については、その大
きさを２０μｍ以下に制御するための方法については未
だ見い出されていない。そこで本発明者等は、硫化物系
介在物を２０μｍ以下の小さいものに制御するための方
法について研究し、先ず溶鋼中のＳ量を少なく制御する
こと、即ち溶鋼中のＳの総量規制を行ったところ、硫化
物系介在物全体の量については少なくなるものの、生成
した介在物について見るとその中に大きな介在物が存在
しており、従って単にＳの総量規制を行っただけでは硫
化物系介在物の大きさを十分に小さくすることはできな
いことが分った。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の鋼の溶製方法は
このような課題を解決するために案出されたものであ
る。而して請求項１のものは、鋼を溶解した後、重量基
準で溶鋼中のＮを１００ｐｐｍ以下に低減した状態で該
溶鋼中にＴｉを５０〜１５０ｐｐｍの範囲で添加すると
ともに、溶鋼中のＳを０．００３％以下に規制すること
を特徴とする。

【０００７】請求項２のものは、請求項１において、前
記鋼の溶解後に脱硫精錬を行って溶鋼中のＳを０．００
３％以下に低減した後において前記Ｔｉを添加すること
を特徴とする。

【０００８】請求項３のものは、請求項２において、前
記脱硫処理後に前記溶鋼の真空脱ガス処理を行って該溶
鋼中のＮを１００ｐｐｍ以下に低減した後、前記Ｔｉを
添加することを特徴とする。

【０００９】請求項４のものは、請求項３において、前
記Ｔｉの添加を前記真空脱ガス処理の末期に行うことを
特徴とする。

【００１０】請求項５のものは、請求項４において、前
記真空脱ガス処理後、溶鋼温度が１７００℃以下で該溶
鋼中にＢｉを添加することを特徴とする。

【００１１】請求項６のものは、請求項１〜５の何れか
において、前記溶鋼中のＮを７０ｐｐｍ以下に低減した
状態でＴｉを添加することを特徴とする。

【００１２】

【作用及び発明の効果】以上のように本発明は鋼を溶解
した後、溶鋼中のＮを１００ｐｐｍ以下に低減した状態
で溶鋼中にＴｉを５０〜１５０ｐｐｍの範囲で添加し、
且つ溶鋼中Ｓを０．００３％以下に総量規制するように
なしたものである。

【００１３】本発明者等は、硫化物系介在物を小さく制
御するため先ず代表的な硫化物系介在物であるＭｎＳの
生成機構について着眼し、そして硫化物系介在物のサイ
ズを小さく制御するために溶鋼の凝固過程で先ず核を生
成させ、その核の周りにＭｎＳを析出させることを考え
た。

【００１４】詳しくは、即ちＴｉＮ等を晶出させてこれ
を核とし、その周りにＭｎＳを析出させる点に着目し、
溶鋼の製造プロセスの中でＴｉを積極的に添加すること
を考えた。但し多量のＴｉを添加するとＴｉＮが過剰に
生成してこのＴｉＮ自身が介在物となってしまうため、
加えるべきＴｉの量は必要最小限とする必要がある。

【００１５】また同様に多量のＮが存在する中でＴｉを
加えると、同じく過剰のＴｉＮが生成してこれが介在物
となってしまう問題が発生する。従ってＴｉＮ等を核と
して生成させる場合においても、溶鋼中のＮ量，Ｔｉの
添加量，Ｔｉの添加時期等が極めて重要となる。

【００１６】ここにおいて本発明は、鋼を溶解した後、
溶鋼中のＮを１００ｐｐｍ以下に低減した状態で溶鋼中
にＴｉを５０〜１５０ｐｐｍの範囲で添加するようにな
したものである。ここでＴｉを５０〜１５０ｐｐｍの範
囲で添加するのは以下のような理由による。

【００１７】通常、清浄鋼を溶製する場合精錬後に溶鋼
の真空脱ガス処理を行うが、この真空脱ガス処理を行っ
たときに到達可能な溶鋼中のＮレベルはほぼ７０ｐｐｍ
以下のレベルである。

【００１８】ここで鋼の融点を例えば１５００℃とした
とき、ＮとＴｉとの溶解度積は図１中Ｙで表した線とな
る。即ちこの線Ｙにて表した境界よりも図中上側の領域
はＴｉＮが溶鋼中に固溶し切れずに一部が晶出して来る
領域であり、また下側の領域はＴｉＮが溶鋼中に固溶し
たままの状態となる領域である。

【００１９】ＴｉＮを核として晶出させ、その周りにＭ
ｎＳを析出させるためには、ＭｎＳが析出する前にＴｉ
Ｎを生成させておく必要があり、しかもこの場合ＴｉＮ
を過剰に晶出させることは、ＴｉＮ自体が介在物そのも
のとなってしまうことから避けなければならない。

【００２０】ここでＮが７０ｐｐｍ以下の状態で且つ溶
鋼が１５００℃で凝固し始めるとしたときのＴｉとＮと
の溶解度積を見ると、Ｔｉが１００ｐｐｍ前後がＴｉＮ
の固溶可能な最大限の量になると考えられる。そこで本
発明ではＴｉを１００ｐｐｍ前後、詳しくは溶鋼中のＮ
レベルが１００ｐｐｍ以下となるレベルでＴｉを５０〜
１５０ｐｐｍの範囲で添加するようになしたものであ
る。

【００２１】以上のようにＮ及びＴｉを制御して鋼の溶
製を行ったところ、従来達成できなかった硫化物系の介
在物径２０μｍ以下を達成することができた。而してこ
のように介在物径を小さく制御できたことによって、鋼
を用いた各種機械部品の疲労強度を十分に高めることが
可能となる。尚本発明においてはＳの総量規制も当然な
がら必要である。本発明では溶鋼中のＳの総量を０．０
０３％以下に規制している。

【００２２】本発明では、鋼の溶解後に脱硫精錬を行っ
て溶鋼中のＳを０．００３％以下に低減した後において
Ｔｉを添加することが望ましい（請求項２）。更にまた
脱硫処理後に溶鋼の真空脱ガス処理を行って溶鋼中のＮ
を１００ｐｐｍ以下に低減した後、Ｔｉを添加すること
が望ましい（請求項３）。この場合においてＴｉの添加
を真空脱ガス処理の末期に行うことができる（請求項
４）。

【００２３】尚、溶鋼中のＳ量を上記量に規制すること
によって鋼の被削性が低下するのを避けられない。そこ
で本発明では溶鋼中にＢｉを添加するようにしている。
但しＢｉは沸点が低く（１５６０℃）、従ってＢｉの添
加のタイミングを溶鋼の温度が高い段階で行うとＢｉが
蒸発によって多量にロスしてしまい、歩留りが悪くなっ
てしまう。

【００２４】そこでＢｉの添加は、溶鋼の温度が１７０
０℃以下で行うようになすのが望ましい（請求項５）。
尚このＢｉは最終的に溶鋼中０．０１〜０．１０％の範
囲で含有されるようにしておくことができる。またＯに
ついてはその含有量を１５ｐｐｍ以下に規制しておくこ
とができる。また上記Ｔｉを添加するに際して、その際
の溶鋼中のＮを望ましくは７０ｐｐｍ以下としておくの
が良い（請求項６）。

【００２５】

【実施例】次に本発明の実施例を以下に詳述する。ＪＩ
Ｓ規定の機械構造用鋼であるＳＣＭ４３５を以下のよう
なプロセスを経て溶製した。即ち、図２に示しているよ
うに先ず電気炉（アーク炉：ＥＡＦ）１０にて鋼を溶解
し、次いでスラグを除去（スラグオフ：ＳＯ）するとと
もに溶鋼を取鍋１２に移して取鍋精錬装置（ＬＦ精錬装
置）１４にて取鍋精錬（ＬＦ精錬）を行った。

【００２６】尚このときＬＦ精錬の初期に造滓剤Ｃａ
Ｆ，ＣａＦとともに脱酸剤としてのＡｌを添加し、ＬＦ
精錬において脱硫及び脱酸を行った。このとき溶鋼中に
含まれているＳ，ＯはＣａＳ，Ａｌ_２Ｏ_３等としてスラ
グ中に浮上分離する。

【００２７】続いてＲＨ真空脱ガス装置１６を用いて溶
鋼の真空脱ガス処理を行った。このときのＲＨ真空脱ガ
ス処理は４０分間行った。その後Ｂｉ添加を行った後、
図２に示す連続鋳造装置１８を用いて連続鋳造を行っ
た。これら一連のプロセスにおいて、本例ではＲＨ真空
脱ガス処理の末期にＴｉを約１００ｐｐｍ溶鋼中に添加
した。

【００２８】次にこのようにして得た鋼の中からサンプ
ルをランダムに５個切り出して、それぞれについて硫化
物系介在物（ＭｎＳ）のサイズを顕微鏡で各々１０視野
観察した（全部で５０視野）。結果が図３に示してあ
る。

【００２９】一方比較のために前述と同様の組成の鋼
（ＳＣＭ４３５）を上記と同様のプロセスに従って溶製
した（図５参照）。この比較例の製造プロセスは、Ｂｉ
を添加していないこと及びＲＨ真空脱ガス処理末期にお
いてＴｉを添加していないことを除き、基本的に上記実
施例の製造プロセスと同様である。

【００３０】図３の結果から分るように、本発明例のプ
ロセスに従って溶製した鋼の場合、何れの視野において
も硫化物系介在物のサイズは２０μｍよりも全て小さい
ものであった。尚、本発明例の製造プロセスによって溶
製した鋼についての硫化物系介在物のサイズの測定値を
極値統計法に従って統計処理したとき、存在し得る最大
サイズは一般部の場合９９．９％の確率で１５．０９μ
ｍ，中心部で１７．７５μｍであった。即ち鋼中に存在
し得る硫化物系介在物の粒径は一般部では９９．９％の
確率で１５．０９μｍ以下，中心部では１７．７５μｍ
以下との結果が得られた。

【００３１】一方比較例に従って溶製した鋼の場合、統
計処理をした場合の最大の粒径サイズは一般部で２３．
３μｍ，中心部で２２．７μｍであった。即ち本発明例
に従って鋼を溶製することにより、硫化物系介在物のサ
イズを従来では達成できなかった２０μｍ以下に制御す
ることが可能となる。

【００３２】以上本発明の実施例を詳述したがこれはあ
くまで一例示であり、本発明はその主旨を逸脱しない範
囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明において介在物を微細化するための原理
を説明する説明図である。

【図２】本発明の実施例において行った鋼の溶製方法の
プロセスを示す図である。

【図３】本発明例に従って得られた鋼の中の介在物のサ
イズを示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K013 AA07 BA05 BA08 BA11 BA14 CE01 DA03 DA08 DA12 EA18 FA02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼を溶解した後、重量基準で溶鋼中のＮ
   を１００ｐｐｍ以下に低減した状態で該溶鋼中にＴｉを
   ５０〜１５０ｐｐｍの範囲で添加するとともに、溶鋼中
   のＳを０．００３％以下に規制することを特徴とする介
   在物を微細化した鋼の溶製方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記鋼の溶解後に脱
   硫精錬を行って溶鋼中のＳを０．００３％以下に低減し
   た後において前記Ｔｉを添加することを特徴とする介在
   物を微細化した鋼の溶製方法。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記脱硫処理後に前
   記溶鋼の真空脱ガス処理を行って該溶鋼中のＮを１００
   ｐｐｍ以下に低減した後、前記Ｔｉを添加することを特
   徴とする介在物を微細化した鋼の溶製方法。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記Ｔｉの添加を前
   記真空脱ガス処理の末期に行うことを特徴とする介在物
   を微細化した鋼の溶製方法。
5. 【請求項５】 請求項４において、前記真空脱ガス処理
   後、溶鋼温度が１７００℃以下で該溶鋼中にＢｉを添加
   することを特徴とする介在物を微細化した鋼の溶製方
   法。
6. 【請求項６】 請求項１〜５の何れかにおいて、前記溶
   鋼中のＮを７０ｐｐｍ以下に低減した状態でＴｉを添加
   することを特徴とする介在物を微細化した鋼の溶製方
   法。