JP2003221627A - 高清浄マルエージング鋼の製造方法 - Google Patents

高清浄マルエージング鋼の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 VARを行って得られるマルエージング鋼中に
残留する、TiNやTiCN等の非金属介在物の大きさを小さ
くできるマルエージング鋼の製造方法を提供する。 【解決手段】 真空アーク再溶解を行ない、窒化物およ
び炭窒化物の最大長が15μm以下とする高清浄マルエー
ジング鋼の製造方法であって、前記真空アーク再溶解時
の条件を下式に従うA値が12A/mm以上にする高清浄マル
エージング鋼の製造方法。 A値[A/mm]=(投入電流)/(モールド径) 好ましくは、上記の真空アーク再溶解を行った後、鋼塊
状態または熱間鍛造後の何れか若しくは両方で、少なく
とも一回以上のソーキングを行い、その後、圧延する高
清浄マルエージング鋼の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高清浄マルエージ
ング鋼の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】マルエージング鋼は、2000MPa前後の非
常に高い引張強さをもつため、高強度が要求される部
材、例えば、ロケット用部品、遠心分離機部品、航空機
部品、自動車エンジンの無段変速機用部品、金型、等種
々の用途に使用されている。その代表的な組成には、質
量%で18%Ni-8%Co-5%Mo-0.45%Ti-0.1%Al-bal.Feが挙げら
れる。そして、マルエージング鋼は、強化元素として、
Mo、Tiを適量含んでおり、時効処理を行うことによっ
て、Ni3Mo、Ni3Ti、Fe2Mo等の金属間化合物を析出させ
て高強度を得ることのできる鋼である。
【0003】しかし、マルエージング鋼は、非常に高引
張強度が得られる一方、疲労強度に関しては必ずしも高
くない。この疲労強度を劣化させる最大の要因に、TiN
やTiCN等といった窒化物や炭窒化物の非金属介在物があ
り、この非金属介在物が鋼中で大きく成長してしまう
と、介在物を起点として疲労破壊を生じることになる。
そのため、一般的に鋼中に存在する非金属介在物を少な
くするために、真空アーク再溶解(以下、VARと記す)法が
用いられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このVAR法で製造され
るマルエージング鋼は、均質(成分偏析が少ない)でしか
も、非金属介在物の量が少なくなると言った利点を有す
るものである。しかしながら、VAR法で製造するマルエ
ージング鋼にも、比較的大きなTiNやTiCN等の非金属介
在物が残留し、残留した大きな非金属介在物は、VAR後
に行う熱間鍛造、熱処理、熱間圧延、冷間圧延を行った
後の素材中にもそのまま残留し、残留する大きな非金属
介在物を起点とした疲労破壊を生じる原因となってい
た。本発明の目的は、VARを行って得られるマルエージ
ング鋼中に残留するTiNやTiCN等の非金属介在物の大き
さを最長で15μm以下にできるマルエージング鋼の製造
方法を提供することである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、VAR
を行うことによって、均質で非金属介在物の量を低減で
きるという利点がある。本発明者等は、この利点を損な
うことなく、窒化物及び炭窒化物の非金属介在物の大き
さを小さくする製造条件について鋭意検討を行った。そ
の結果、VAR時の投入電流/モールド径と、非金属介在物
の大きさに特定の関係があることを知見し、本発明に到
達した。即ち本発明は、真空アーク再溶解を行ない、窒
化物および炭窒化物の非金属介在物の最大長が15μm以
下とするにする高清浄マルエージング鋼の製造方法であ
る。
【0006】好ましくは、上記の真空アーク再溶解を行
った後、鋼塊状態または熱間鍛造後の何れか若しくは両
方で、少なくとも一回以上のソーキングを行い、その
後、圧延する高清浄マルエージング鋼の製造方法であ
る。更に好ましくは、マルエージング鋼の化学組成が質
量%で、C:0.01%以下、Ni:8.0〜22.0%、Co:7.0〜20.0%、
Mo:2.0〜9.0%、Ti:0.1〜2.0%、Al:0.15%以下、N:0.003%
以下、O:0.0015%以下、残部は実質的にFeからなる高清
浄マルエージング鋼の製造方法である。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の最大の特徴は、VARを行
なう際に、投入電流とモールド内径とを調整すること
で、均質で非金属介在物の量を低減できるという利点を
活かしながら、TiNやTiCN等といった窒化物や炭窒化物
の非金属介在物の大きさを小さく制御できることにあ
る。以下に、本発明を詳しく説明する。
【0008】マルエージング鋼は窒素との親和力が大き
いTiを含有していることから、VAR用の電極鋼塊製造段
階でTiNやTiCN等の非金属介在物が存在する。これらの
非金属介在物は、VARの再溶解時に一部はTiN→Ti+NやTi
CN→Ti+C+Nの反応により溶鋼中へ溶解し、溶存窒素や
溶存炭素が増加する。また一部は完全には溶解せずにTi
NやTiCN等の非金属介在物の状態で溶鋼プール内に浮遊
する。溶鋼プールは凝固殻への抜熱により逐次凝固が進
行していくが、凝固前面付近では溶鋼温度が低下し、溶
鋼中に溶存している窒素や炭素は上述の未固溶のTiNやT
iCN表面上に晶出し成長していく。
【0009】VARでは水冷Cuモールドと接する溶鋼プー
ル表面の外周部にはシェルフと称する凝固殻が成長す
る。このシェルフには浮上分離したTiNやTiCN等の非金
属介在物が付着しているが、再溶解の進行による湯面の
上昇により、シェルフの一部が溶解する。このときシェ
ルフに捕捉されていたTiNやTiCN等の非金属介在物は溶
鋼プール内を浮遊する。これらの浮遊TiNはTiCNは上述
同様に溶鋼温度低下に伴い成長する。
【0010】以上のようにVAR再溶解時に溶鋼プール内
を浮遊するTiNやTiCNの存在により、TiNやTiCNが大きく
なる。従ってVAR鋼塊内のTiNやTiCNを微細にするには、
再溶解時の浮遊TiNやTiCNをなくす方法をとることが必
要である。このためには、溶鋼プールや電極端面で生成
するの液滴の熱容量を大きくすることおよびシェルフの
成長を抑えることが必要であり、VARの溶解電流を大き
くすることで溶鋼プール等の熱容量を高めることができ
る。
【0011】このようなことから、溶鋼プール等の熱容
量を高めるためには、投入電流を高めることが必要であ
るが、溶鋼プールの熱量はモールドへ抜熱されるためこ
の効果を考慮したA値=(投入電流)/(モールド径)を
大きくすればよい。このため、VARにおいて15μm以下の
TiNやTiCN等の非金属介在物を得るためにはA値が12A/mm
以上が必要である。A値が大きすぎると凝固偏析が大き
くなり問題となるが、実用上偏析許容範囲内であれば特
にA値の上限はないが、30A/mm以下にすると成分偏析も
制御でき、好ましい。
【0012】また、このVARを行う時に、真空度も1.5Pa
以下に調整すると更に好ましい。これは、マルエージン
グ鋼中に含まれる窒素の上昇を抑え、TiNやTiCNの大き
さを小さく保つことができ、上述のA値制御の効果をよ
り高めることができるためである。更に、電極径/鋼塊
径の比を大きくすることでシェルフの成長を抑えること
ができ、電極径/鋼塊径の比としては0.8以上にすること
が好ましい。
【0013】次に、本発明では上記の真空アーク再溶解
を行った後、鋼塊状態または熱間鍛造後の何れか若しく
は両方で、少なくとも一回以上のソーキングを行うと良
い。これは、VARで均質となった鋼塊をより成分偏析の
少ないものとすることで、強度を更に向上させることが
できるためである。ソーキングは、VAR後の鋼塊状態ま
たは熱間鍛造後の何れで行っても良く、例えば鋼塊状態
で行うと、VAR後の鋼塊表面の研削とソーキングによる
酸化層除去の工程を兼ねることができると言った利点が
ある一方で、拡散距離が長いため、ソーキングの温度を
高めにしたり、処理時間を長めにしたりしなければなら
ない。また、熱間鍛造後のソーキングは、拡散距離が短
く、比較的高温で短時間の処理で拡散させることができ
るという利点がある一方で、VAR後の鋼塊表面の研削
と、ソーキング後の表面酸化層の研削の、少なくとも二
回の研削工程を経なければならない。
【0014】ソーキングは、VAR後の鋼塊状態または熱
間鍛造後の両方で行うと、成分偏析はより少なくなっ
て、均質なものとなる一方で、酸化滅失が大きく、研削
の工程も多くなる。従って、ソーキングを行う場合は、
鋼塊サイズ、熱間鍛造比、ソーキング加熱炉の容量、加
工工程、求められる強度等を考慮して、鋼塊状態または
熱間鍛造後の何れか若しくは両方で、少なくとも一回以
上のソーキングを適宜行えば良く、勿論、熱間鍛造→ソ
ーキング→熱間鍛造→ソーキングと言った工程でも良
い。なお、ソーキングは、マルエージング鋼を構成する
Ni、Co、Mo、Ti等の元素を拡散、均質させる目的で行う
ものであるため、処理温度は1100℃〜1280℃の範囲で行
えば良く、処理時間は少なくとも10時間以上であれば良
い。
【0015】本発明では、上述の工程後に、圧延によっ
て板状にしても良い。圧延は、熱間圧延、冷間圧延等、
最終製品の用途形状に応じて、熱間や冷間の圧延を適宜
組合せると良く、例えば、圧延材に対して、Fe、Moを主
成分とする未固溶の金属間化合物を残留させないために
例えば800〜950℃で固溶化処理を行い、その後、材料に
加工歪を付加して、その後実施する二回目の固溶化処理
によって微細に再結晶させるために冷間圧延を行うと良
く、その後、時効処理を施すと良い。
【0016】次に、本発明の好ましい組成範囲の限定理
由について述べる。Cは炭化物を形成し、金属間化合物
の析出量を減少させて疲労強度を低下させるため本発明
ではCの上限を0.01%以下とした。Niは靱性の高い母相組
織を形成させるためには不可欠の元素であるが、8.0%未
満では靱性が劣化する。一方、22%を越えるとオーステ
ナイトが安定化し、マルテンサイト組織を形成し難くな
ることから、Niは8.0〜22.0%とした。
【0017】Coは、マトリックスであるマルテンサイト
組織を安定性に大きく影響することなく、Moの固溶度を
低下させることによってMoが微細な金属間化合物を形成
して析出するのを促進することによって析出強化に寄与
するが、その含有量が5.0%未満では必ずしも十分効果が
得られず、また20.0%を越えると脆化する傾向がみられ
ることから、Coの含有量は5.0〜20.0%にした。Moは時効
処理により、微細な金属間化合物を形成し、マトリック
スに析出することによって強化に寄与する元素である
が、その含有量が2.0%未満の場合その効果が少なく、
また9.0%を越えて含有すると延性、靱性を劣化させるF
e、Moを主要元素とする粗大析出物を形成しやすくなる
ため、Moの含有量を2.0〜9.0%とした。
【0018】Tiは、Moと同様に時効処理により微細な金
属間化合物を形成し、析出することによって強化に寄与
する元素であるが、2.0%を越えて含有させると延性、
靱性が劣化する。また、Moで十分硬さが得られている場
合は無添加でも良いため、Tiの含有量を2.0%以下とし
た。Alは、時効析出した強化に寄与するだけでなく、脱
酸作用を持っているが、1.7%を越えて含有させると靱性
が劣化することから、その含有量を1.7%以下とした。
【0019】Nは窒化物や炭窒化物の非金属介在物を形
成するため、0.003%を超えて含有すると、非金属介在物
を15μm以下とすることが困難となる。よって、その含
有量を0.003%以下とした。Oは酸化物系非金属介在物を
形成するため、0.0015%以下に制限する。Oが0.0015%を
超えて含有すると疲労強度が著しく低下するため、その
含有量を0.0015%以下にした。
【0020】なお、本発明ではこれら規定する元素以外
は実質的にFeとしているが、例えばBは、結晶粒を微細
化するのに有効な元素でるため、靱性が劣化させない程
度の0.01%以下の範囲で含有させても良い。また、不可
避的に含有する不純物元素のSi、Mnは脆化をもたらす粗
大な金属間化合物の析出を促進して延性、靭性を低下さ
せたり、非金属介在物を形成して疲労強度を低下させる
ので、Si、Mn共に0.1%以下に、望ましくは0.05%以下と
すれば良く、また、P、Sも粒界脆化させたり、非金属介
在物を形成して疲労強度を低下させるので、0.01%以下
とすると良い。
【0021】
【実施例】以下、実施例として更に詳しく本発明を説明
する。真空溶解で鋳造した表1に示す化学組成のVAR用
の消耗電極を用意し、前式のA値を11A/mm〜20A/mmの範
囲で変化させて、VARを行った鋼塊を作製した。なお、
この時の真空度は1.0Paであり、電極径/鋼塊径の比を0.
85としてシェルフの成長を抑えた。本発明のA値15A/mm
のものにはA、本発明のA値20A/mmのものにはB、比較例
のA値11A/mmのものにはCを、それぞれ下記表1のNo.の後
に1A、1B、1Cと言うように記号として付して、以後説明
する。
【0022】
【表1】
【0023】No.1A、1B、1Cの材料は、VAR鋼塊で1250℃
×20時間のソーキングを行い、次いで熱間鍛造を行い熱
間鍛造品とした。また、No、2A、No.2B、No.2Cの材料
は、VAR鋼塊から熱間鍛造を行い、1250℃×20時間のソ
ーキングを行った。次に、これら材料に熱間圧延、820
℃×1時間の固溶化処理、冷間圧延、820℃×1時間の固
溶化処理と480℃×5時間の時効処理を行い、マルエージ
ング鋼の鋼帯を作製した。
【0024】得られたマルエージング鋼の鋼帯から介在
物測定用の試験片を5g採取し、それを硝酸溶液で溶解
後、残渣であるTiNやTiCNをフィルタでろ過し、フィル
タ上の残渣をSEMで観察し、TiN、TiCNの非金属介在物の
大きさを測定した。なお、TiN、TiCNの非金属介在物の
大きさは、非金属介在物に外接する円の直径で求め、観
察された非金属介在物全部のうち、最大のものを最大長
とし、表2に示した。
【0025】
【表2】
【0026】表2より、A値の増大により非金属介在物
が微細になっていることが分かる。また、高窒素の電極
では非金属介在物のサイズが大きくなるが、A値を最適
化することで15μm以下にできることが分かる。
【0027】次に、上述のマルエージング鋼帯の圧延方
向における中央部について、試験片を採取し、圧延方向
および板厚方向を含む面を鏡面研磨し、EPMAの面分析で
Ti、Mo、Ni、Coについて成分偏析を評価した。その結
果、No.1A、1B、1C、2A、2B、2Cの何れの鋼帯にも縞状
の偏析がみられず均質であった。マルエージング鋼帯の
圧延方向における先・後端部についても中央部と同様に
面分析を行ったが、中央部と同様、縞状の偏析がなく均
質であった。このうち、本発明の製造方法を適用したN
o.1A、1B、2A、2Bの鋼帯では、TiNやTiCNの非金属介在
物の大きさが小さく、しかも、成分偏析も少なくするこ
とができた。一方、比較例のNo.1C、2Cでは、成分偏析
は少ないが、15μmより大きなTiN、TiCNの非金属介在物
が鋼帯中にも残留していることから、この非金属介在物
を起点とした疲労破壊が起こる可能性が大きい結果とな
った。
【0028】
【発明の効果】以上のような結果から、本発明の製造方
法を適用すると、TiNやTiCNの非金属介在物の大きさが
小さく、しかも、成分偏析も少なくすることができるた
め、優れた疲労強度を有するマルエージング鋼を製造す
ることが出来る。
【手続補正書】
【提出日】平成14年6月20日(2002.6.2
0)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0022
【補正方法】変更
【補正内容】
【0022】
【表1】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高尾 秀実 島根県安来市安来町2107番地2 日立金属 株式会社安来工場内 Fターム(参考) 4K001 AA10 EA02 FA10 GA16

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空アーク再溶解を行ない、窒化物およ
    び炭窒化物の最大長が15μm以下とする高清浄マルエー
    ジング鋼の製造方法であって、前記真空アーク再溶解時
    の条件を下式に従うA値が12A/mm以上にすることを特徴
    とする高清浄マルエージング鋼の製造方法。 A値[A/mm]=(投入電流)/(モールド径)
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の真空アーク再溶解を行
    った後、鋼塊状態または熱間鍛造後の何れか若しくは両
    方で、少なくとも一回以上のソーキングを行い、その
    後、圧延することを特徴とする高清浄マルエージング鋼
    の製造方法。
  3. 【請求項3】 請求項1または2に記載のマルエージン
    グ鋼の化学組成が質量%で、C:0.01%以下、Ni:8.0〜22.0
    %、Co:5.0〜20.0%、Mo:2.0〜9.0%、Ti:2.0%以下、Al:1.
    7%以下、N:0.003%以下、O:0.0015%以下、残部は実質的
    にFeからなることを特徴とする高清浄マルエージング鋼
    の製造方法。
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