JP2005154877A - 軸受鋼の溶製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、粗大な非金属介在物が従来より少なく、耐転動疲労性に優れた軸受鋼の溶製方法を提供することを目的としている。
【解決手段】転炉から取鍋に出鋼中の溶鋼へ脱酸剤及び脱酸生成物の滓化促進剤を添加した後、該取鍋内に保持した溶鋼へＭｇＯ，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とした混合フラックスを添加して不活性ガスの吹き込みで撹拌し、引き続き、前記取鍋をＲＨ方式の真空脱ガス槽に配置し、該真空脱ガス槽内で溶鋼を環流させて脱ガス処理する軸受鋼の溶製方法において、前記環流を開始する前の取鍋内溶鋼へ、該溶鋼の表面全体を覆う量のＭｇＯを投入するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、軸受鋼の溶製方法に係わり、特に、粗大な非金属介在物の巻き込みが少ない高清浄な軸受鋼を溶製する技術に関する。

機械等の回転部品を支える軸受は、該回転部品から接触加重を繰り返し受けるので、所謂「転動疲労」に耐える必要がある。そのため、該軸受の素材には、転動疲労性に優れている鋼材（軸受鋼と称す）が要求される。

ところで、鋼材の転動疲労性は、該鋼材が溶製される過程で巻き込んだ非金属介在物の大きさと量が大いに影響すると言われている。従って、軸受鋼の溶製に際しては、図３に示すように、転炉吹錬後に取鍋へ出鋼した溶鋼をさらに精錬し（二次精錬という）、非金属介在物の低減を図るのが一般的である。

その二次精錬には、取鍋に受入れた溶鋼を、上方に設けた電極を介してアークで加熱しながら撹拌する方法（レードル・ファーネス法、以下、「ＬＦ法」と略す）や、この「ＬＦ法」を施した後の溶鋼をさらに真空脱ガス処理する方法が採用されている。また、このような二次精錬を行う前に、前記取鍋内の溶鋼へ、ＭｇＯ，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とするフラックスを添加して、溶鋼上にＳｉＯ₂を１０質量％以下，ＭｇＯを１５〜２５質量％，Ａｌ₂Ｏ₃を３０〜４５質量％、ＣａＯを３５〜５０質量％含有するスラグを形成させりと共に、不活性ガスを吹き込み撹拌することも提案されている（特許文献１参照）。このガス・インジェクションにより、介在物の量が一層低減できるばかりでなく、粒径も小さくなるからである。さらに、前記真空脱ガス処理を行うに際し、合金添加後に非金属介在物の浮上分離だけを目的とした処理時間を考慮する技術も開示されている（特許文献２参照）。
特開２０００−１２９３３６号公報（２頁） 特開２００１−２６２２１８号公報（２〜３頁、図１）

しかしながら、上記した技術を採用しても、今だ軸受鋼の転動疲労性に関する仕様を満たさない溶鋼を溶製してしまうことが多い。

本発明は、かかる事情に鑑み、粗大な非金属介在物が従来より少なく、耐転動疲労性に優れた軸受鋼の溶製方法を提供することを目的としている。

発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究し、その成果を本発明に具現化した。

すなわち、本発明は、転炉から取鍋に出鋼中の溶鋼へ脱酸剤及び脱酸生成物の滓化促進剤を添加した後、該取鍋内に保持した溶鋼へＭｇＯ，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とした混合フラックスを添加して不活性ガスの吹き込みで撹拌し、引き続き、前記取鍋をＲＨ方式の真空脱ガス槽に配置し、該真空脱ガス槽内で溶鋼を環流させて脱ガス処理する軸受鋼の溶製方法において、前記環流を開始する前の取鍋内溶鋼へ、該溶鋼の表面全体を覆う量のＭｇＯを投入することを特徴とする軸受鋼の溶製方法である。

この場合、前記真空脱ガス槽を取鍋へ配置する際に、溶鋼表面上のスラグが該真空脱ガス槽の浸漬管内へ浸入しないように、該浸漬管の先端にスラグ巻き込み防止手段を取り付けるのが好ましい。また、前記取鍋に出鋼中の溶鋼へ、前記脱酸剤及び脱酸生成物の滓化促進剤に代え、脱酸剤だけを添加したり、あるいは前記滓化促進剤が、ＣａＯを含まないＭｇＯ系フラックスであるのが良い。さらに、前記混合フラックスが、ＳｉＯ₂：１０質量％以下，ＭｇＯ：６〜１５質量％，Ａｌ₂Ｏ₃：３０〜４５質量％，ＣａＯ：３５〜６０質量％を含有するスラグを形成するものであることが好ましい。

本発明によれば、ＲＨ方式の真空脱ガス槽内で溶鋼の脱ガス処理を行う際に、溶鋼上にあるスラグを真空脱ガス槽への環流へ混入するのを防止できるようになる。その結果、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃及びＣａＯ−ＭｇＯのような粒径１２μｍを超える粗大な非金属介在物の溶鋼への巻き込みが抑制され、耐転動疲労性に優れた軸受鋼が安定して溶製できるようになる。その際、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃及びＣａＯ−ＭｇＯの非金属介在物が生成しない対策を合わせて施すと、一層良い。

以上述べたように、本発明により、粗大な非金属介在物が従来より少なく、耐転動疲労性に優れた軸受鋼が安定して溶製できるようになる。

以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明の実施の形態を説明する。

まず、発明者は、軸受鋼の転動疲労寿命試験で、その寿命が５×１０⁷サイクル以上とされている高清浄度軸受鋼を基準に、該寿命を達成するための条件を調査した。そして、該軸受鋼の顕微鏡観察における３２０ｍｍ²の視野での粒径３μｍ以上の非金属介在物個数と予測最大粒径との関係を図２に整理した。その結果、上記寿命を達成するには、３２０ｍｍ²の視野での粒径３μｍ以上の非金属介在物個数が２３０個以下で、予測最大粒径が１２．５μｍ以下であることを見出した。この個数については、最近は低減対策が施されるようになっているので、前記高清浄度軸受鋼を安定して溶製するには、大型介在物の低減が問題になると考えた。

この大型介在物は、従来よりＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃及びＣａＯ−ＭｇＯの非金属介在物であり、ＣａＯを含有していることから、溶製工程でのスラグの混濁に起因するものと推定された。このことを確認するため、発明者は、図３に示した溶製工程の転炉内、ガス・インジェクション前及び脱ガス処理前の取鍋へ、３種のトレーサとなる物質（ＢａＣＯ₃，ＣｅＯ₂，Ｌａ₂Ｏ₃）を投入し、そこで形成されるスラグの組成を調査した。その結果、ＲＨ真空脱ガス槽でのスラグ混入が確認された。

そこで、このスラグの混入を防止できれば良いと考え、その手段として、ＲＨ真空脱ガス槽での溶鋼の環流を開始する前の取鍋内へ、溶鋼の表面全体を覆う量のＭｇＯ（例えば、マグネシア・クリンカー等）を投入することにしたのである。このようにすると、溶鋼とスラグとの間に、比重がスラグより大きく、且つ固相率の高いＭｇＯリッチな物質層が形成され、環流が開始されても、スラグの溶鋼中への巻き込みが防止できるからである。なお、該固相率の高いＭｇＯリッチな物質層は、脱ガス処理の期間ではスラグと同じ組成にならないことが確認されている。

また、前記真空脱ガス槽を取鍋へ配置する際に、溶鋼表面上のスラグが該真空脱ガス槽の浸漬管内へ浸入しないように、該浸漬管の先端にスラグ巻き込み防止手段を取り付けるのが好ましい。これにより、前記真空脱ガス槽を取鍋へ配置するにあたり、取鍋内に保持している溶鋼の表面上に浮かぶスラグが該真空脱ガス槽の浸漬管内へ浸入するのが防止でき、スラグの混入防止効果が一層向上するからである。スラグ巻き込み防止手段としては、溶鋼への浸漬後に直ちに溶解し、前記固相率の高いＭｇＯリッチな物質層の形成を妨害しないものであれば良く、鋼製の板状体（現場では、陣笠と称している）が利用できる。

次に、発明者は、溶製過程で生成する粗大な非金属介在物であるＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃及びＣａＯ−ＭｇＯを低減すれば、さらに良好な軸受鋼になると考え、それらの発生原因を調査した。その結果、かかる非金属介在物は、転炉からの出鋼時に溶鋼に添加する脱酸剤（例えば、金属ＡｌやＡｌ，Ｍｇ，Ｓｉ等の鉄合金等）により生成するＡｌ₂Ｏ₃やＭｇＯ等の脱酸生成物と、その滓化を促進するために添加する焼石灰（主成分：ＣａＯ）との反応で生じることがわかった。そこで、本発明では、転炉出鋼過程でＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系介在物はできるだけ生成させず、脱酸生成物をＡｌ₂Ｏ₃系、Ａｌ₂Ｏ₃―ＭｇＯ系として微細化し、溶鋼中に分散させることとし、やむを得ず生じたＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系、ＣａＯ−ＭｇＯ系介在物を凝集・粗大化し、浮上分離でスラグ中へ移行して除去することにした。

具体的な生成抑制手段としては、取鍋に出鋼中の溶鋼へ従来は脱酸剤及び脱酸生成物の滓化促進剤を加えていたのを、脱酸剤だけを添加したり、あるいは前記滓化促進剤にＣａＯを含まないＭｇＯ系フラックスを使用するようにした。また、図３に示した不活性ガスによる溶鋼撹拌工程の前に添加する混合フラックスには、その工程で形成するスラグがＳｉＯ₂：１０質量％以下，ＭｇＯ：６〜１５質量％，Ａｌ₂Ｏ₃：３０〜４５質量％，ＣａＯ：３５〜６０質量％を含有するものになるように、ＭｇＯ，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃の各成分を適切に調整したものを採用することにした。ここで、ＣａＯを含まないＭｇＯ系フラックスとは、例えばＭｇＯ：９９質量％以上で、ＣａＯ：０．１質量％以下のマグネシア・クリンカーである。なお、不活性ガスによる溶鋼撹拌工程で形成するスラグの組成を、ＳｉＯ₂：１０質量％以下，ＭｇＯ：６〜１５質量％，Ａｌ₂Ｏ₃：３０〜４５質量％，ＣａＯ：３５〜６０質量％としたのは、以下の理由による。

ＭｇＯは、それが６質量％未満では、脱酸生成物であるＡｌ₂Ｏ₃の微細なＡｌ₂Ｏ₃―ＭｇＯへの転換が起きず、１５質量％超えでは、スラグ中に固相部分が増え、介在物の吸収能が低下する。ＣａＯは、それが６０質量％超えると、粗大介在物が増え、３５質量％未満では、スラグの溶鋼中に生じるＳｉＯ₂系介在物を吸収する能力が低下する。ＳｉＯ₂は、１０質量％を超えると、該ＳｉＯ₂により溶鋼が再酸化し、鋼の清浄度が低下する。Ａｌ₂Ｏ₃は、スラグの粘性、融点の調整のために、３０〜４５質量％含有させるのが良い。

Ｃ：０．９８〜１．０３質量％，Ｓｉ：０．２〜０．３質量％，Ｃｒ：１．３〜１．６質量％，Ａｌ：０．０２〜０．０５質量％の軸受鋼を、図３に示した溶製工程を用いて多数チャージ溶製した。
（実施例１）
まず、容量１８０トンの上底吹き転炉で溶銑を酸素吹錬し、得られた溶鋼を１６００〜１７００℃で取鍋へ出鋼した。その際、溶鋼流に脱酸剤として金属Ａｌを０．５ｋｇ/ｔ、高炭素フェロマンガンを３．５ｋｇ/ｔ、フェロシリコンを２．５ｋｇ/ｔ添加した。なお、脱酸生成物の滓化促進剤は添加しなかった。

取鍋での受鋼完了後、保持した溶鋼上に焼石灰５ｋｇと、ＭｇＯ系フラックス（ＭｇＯ：９９質量％）、ＣａＯ系フラックス（ＣａＯ：５１質量％、Ａｌ₂Ｏ₃：３９質量％、ＳｉＯ₂：７質量％），Ａｌ₂Ｏ₃フラックス（Ａｌ₂Ｏ₃：９９．７質量％）を所定量投入し、溶鋼へ浸漬したランスを介してアルゴン・ガスを８．５ｍ３（標準状態）／ｍｉｎで吹き込み、溶鋼と上記フラックスを撹拌してスラグ（溶鋼上に浮遊しているので、トップスラグという）を形成した。そのトップスラグの組成は、ほぼＳｉＯ₂：９質量％，ＭｇＯ：７質量％，Ａｌ₂Ｏ₃：３０質量％，ＣａＯ：５０質量％であった。上記撹拌処理の完了後、取鍋をＲＨ真空脱ガス槽にセットした。その際、該ＲＨ真空脱ガス槽の所謂「浸漬管」（溶鋼中へ浸漬する管）の先端には、鋼製の前記陣笠を取り付け、セット時に前記トップスラグが浸漬管内に浸入するのを防いだ。また、セット後には、該ＲＨ真空脱ガス槽内へマグネシア・クリンカーを投入した。その投入量は、取鍋に保持した溶鋼の全表面を完全に覆う量となるように、溶鋼の表面積を基に計算した。そして、ＲＨ真空脱ガス槽内を減圧して、取鍋内と該脱ガス槽の間での溶鋼の環流を開始し、４５分間の脱ガス処理を行った。得られた溶鋼は、通常の連続鋳造で軸受鋼用の鋼鋳片とした。
（実施例２）
転炉出鋼時に溶鋼流へ脱酸生成物の滓化促進剤として、焼石灰を３ｋｇ添加したこと及びガス撹拌前の取鍋へ投入する焼石灰の量を２ｋｇにした他は、上記実施例１と同様の条件で軸受用の鋼鋳片を製造した。
（比較例）
ＲＨ真空脱ガス槽での脱ガス処理時に、浸漬管に陣笠を取り付け及び槽内へのマグネシア・クリンカーの投入を行わない他は、実施例２と同じ条件で軸受用の鋼鋳片を製造した。

これらの操業成績は、得られた鋼鋳片から採取した試料の顕微鏡による介在物の調査結果で評価した。すなわち、図１に、それら試料の顕微鏡観察における３２０ｍｍ²の視野での粒径３μｍ以上の非金属介在物個数と予測最大粒径との関係を示すが、本発明に係る方法によれば、非金属介在物の量が従来法による比較例に比べて減少し、予測最大径で１５μｍ以下、かつ３μｍ以上の個数が２００個（３２０ｍｍ２当たり）以下であった。なお、図１では、実施例１の結果を●印、実施例２のそれを▲印で、比較例の結果を○印で示している。

本発明法の実施で得た軸受鋼中の非金属介在物の大きさ及び個数と、従来法で得たそれらとの比較した図である。 高清浄度軸受鋼の基準を定める根拠にした非金属介在物の最大粒径と、顕微鏡観察における３２０ｍｍ²の視野での粒径３μｍ以上の非金属介在物個数との関係を示す図である。 一般的な軸受鋼の溶製工程を示すフロー図である。

Claims (5)

1. 転炉から取鍋に出鋼中の溶鋼へ脱酸剤及び脱酸生成物の滓化促進剤を添加した後、該取鍋内に保持した溶鋼へＭｇＯ，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とした混合フラックスを添加して不活性ガスの吹き込みで撹拌し、引き続き、前記取鍋をＲＨ方式の真空脱ガス槽に配置し、該真空脱ガス槽内で溶鋼を環流させて脱ガス処理する軸受鋼の溶製方法において、
   前記環流を開始する前の取鍋内溶鋼へ、該溶鋼の表面全体を覆う量のＭｇＯを投入することを特徴とする軸受鋼の溶製方法。
2. 前記真空脱ガス槽を取鍋へ配置する際に、溶鋼表面上のスラグが該真空脱ガス槽の浸漬管内へ浸入しないように、該浸漬管の先端にスラグ巻き込み防止手段を取り付けることを特徴とする請求項１記載の軸受鋼の溶製方法。
3. 前記取鍋に出鋼中の溶鋼へ、前記脱酸剤及び脱酸生成物の滓化促進剤に代え、脱酸剤だけを添加することを特徴とする請求項１又は２記載の軸受鋼の溶製方法。
4. 前記滓化促進剤が、ＣａＯを含まないＭｇＯ系フラックスであることを特徴とする請求項１又は２記載の軸受鋼の溶製方法。
5. 前記混合フラックスが、ＳｉＯ₂：１０質量％以下，ＭｇＯ：６〜１５質量％，Ａｌ₂Ｏ₃：３０〜４５質量％，ＣａＯ：３５〜６０質量％を含有するスラグを形成するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の軸受鋼の溶製方法。

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