JP2005264335A - 疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の鋼と比較して、有害な大型介在物が少なく、しかも残留した介在物も延性のある介在物であり、かつその介在物は微細分散されたものであり、疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼およびその製造方法を提供する。
【解決手段】質量％でＡｌ：０．００３％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｚｒ：０．００１０％以下およびＳｉ：０．０５〜４．０％含有するＳｉ脱酸鋼であって、かつ該Ｓｉ脱酸鋼中の介在物が質量％でＳｉＯ₂ ：４５％以上、アルカリ金属Ｒ（Ｒ= Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ）の酸化物（Ｒ₂ Ｏ）：０．５〜１０％含有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、従来の鋼と比較して、有害な大型介在物が少なく、しかも残留した介在物も延性のある介在物であり、かつその介在物は微細に分散されたものであり、疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼およびその製造方法に関する。

Ｓｉ脱酸鋼は、Ｓｉが鋼材としての必要成分であると同時に、溶鋼中での酸素との親和力が大きく鋼を脱酸する機能を有することから、強脱酸元素を含有しない鋼に脱酸材として広く用いられている。

一般にＳｉ脱酸鋼は、鋼中のＳｉ濃度がＡｌ脱酸鋼のＡｌ濃度と比較して数倍ないし数十倍高い。また、Ｓｉ脱酸鋼は、Ａｌ脱酸鋼よりも全酸素濃度が高くなるが、介在物組成の制御が可能であるという利点がある。この利点を生かして、疲労強度向上に有害な介在物の生成を抑制することが広く行われている。

例えば、特公昭５４−７２５２号公報には、線材用高炭素Ｓｉ脱酸鋼中のＳｉＯ₂ −ＭｎＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 系の３元系非金属介在物を低融点のスペサタイト領域に制御する技術が開示されている。この技術は、介在物を低融点化することにより、熱間圧延段階での介在物の伸展性を向上させ、線材加工時の伸線性を良好にするものである。しかしながら、この技術は全酸素濃度が高く介在物量が多いという問題がある。

また、特公昭５８−５６０２１号公報には、線材用の高炭素Ｓｉ脱酸鋼中の全酸素濃度が５０重量ｐｐｍ以下、非粘性介在物インデックスが１５以下、および介在物組成が硬度の低いロードナイト質を含む複合酸化物からなることを特徴とする清浄鋼が開示されている。しかしながら、この発明でのＳｉ脱酸鋼中の全酸素濃度は３０〜４５ｐｐｍと高い水準にとどまっている。

さらに、特公平６−７４４８４号公報には、介在物を無害化するという観点から介在物の長さ（ｌ）と幅（ｄ）のアスペクト比（ｌ／ｄ）が５以下で、組成がＳｉＯ₂ ：２０〜６０％、ＭｎＯ：１０〜８０％、およびＣａＯ：５０％以下、ＭｇＯ：１５％以下の介在物であることを特徴とする冷間加工性および疲労特性に優れた高清浄鋼が提案されている。また、特公平６−７４４８５号公報には、同じアスペクト比で、組成がＳｉＯ₂ ：３５〜７５％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：３０％以下、ＣａＯ：５０％以下、ＭｇＯ：２５％以下からなる介在物であることを特徴とする冷間加工性および疲労特性に優れた高清浄鋼が提案されている。これらは、熱間圧延で残存している介在物であっても、その段階での形状と組成を限定することにより、大型の有害介在物が存在する割合を小さくする技術と言える。しかしながら、これらの技術は、介在物低減には限界があり、疲労特性の向上にも限界があった。

特公平４−８４９９号公報には、介在物をさらに延性なものとする方法として、全酸素量、非粘性介在物インデックスを規定し、さらに介在物成分のうちＳｉＯ₂ 、ＭｎＯ、ＭｇＯ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＣａＯ、ＴｉＯ₂ 組成を限定するとともに、さらにその他酸化物としてＶ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｎａの酸化物および不可避的に混入する酸化物を５％以下に制御した技術が提案されている。この技術は、非粘性介在物組成を制御するために全酸素濃度を１５ｐｐｍ以上とする必要があるため、介在物量そのものを減じる、あるいは微細化するという機能はない。

特許２６５４０９９号公報には、Ｓｉ脱酸剤とアルカリ金属化合物を添加することにより、脱酸生成物をアルカリ金属含有組成にコントロールする清浄鋼の製造法が開示され、この方法によれば介在物にアルカリ金属化合物量を４〜２４％含有させることにより、７．５μｍ以上の大型介在物量を減少させることができるとしている。この大型介在物が減少する理由は、アルカリ金属化合物によるアルミナ系およびシリカ系介在物の延性化により圧延過程で微細化されるためである。しかしこの方法では、脱酸生成物に起因する介在物の組成制御が考慮されていないことから、より有害なアルミナ系介在物そのものを減ずるものではなく、しかもこれは安定な酸化物であるため、容易には組成変化し難く、したがって非延性な組成で残存するおそれがある。また、この方法はアルカリ金属化合物を直接溶鋼に添加するので、アルカリ金属の蒸発やそれによる発煙といった製造法上の問題が避けられない。

本発明は、従来の鋼と比較して、有害な大型介在物が少なく、しかも残留した介在物も延性のある介在物であり、かつその介在物は微細に分散されたものであり、疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼およびその製造方法を提供することにある。

本発明者は、有害な大型介在物の生成を抑制する等の検討を重ねた結果、下記の知見を得た。
（Ａ）大型介在物の生成を防ぐには、介在物量を抑制するとともに介在物を微細に分散させることが有効である。微細な介在物が安定であるためには、溶鉄との界面エネルギーが低いものが望ましく、介在物中のＦｅＯ、ＭｎＯ濃度が高いものが良いと推察される。しかしながら、介在物中でのこれらのＦｅＯ、ＭｎＯ濃度が高くなると、溶鋼中の酸素ポテンシャルが高くなり、介在物量の増加をまねくという問題を生じる。

（Ｂ）延性のある介在物とするには、ＳｉＯ₂ を基本組成とする必要があるので、ＳｉＯ₂ が主体の介在物で、それら介在物の微細化を図るために、アルカリ金属：Ｒ（Ｒ= Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ）の酸化物（以下、Ｒ₂ Ｏともいう）を含有させればよいと着想した。

すなわち、ＳｉＯ₂ 系介在物にＲ₂ Ｏが含まれている状態は、ＦｅＯやＭｎＯが含まれている状態に比べて溶鋼温度域で熱力学的により安定であり、溶鋼との平衡酸素ポテンシャルが低い。一方、ＣａＯ、Ａｌ₂ Ｏ₃ およびＭｇＯと比較すると、Ｒ₂ Ｏは溶鋼温度域で熱力学的により不安定であるため、ＳｉＯ₂ 系介在物にＲ₂ Ｏが含まれている状態は、ＳｉＯ₂ 系介在物にＣａＯ、Ａｌ₂ Ｏ₃ およびＭｇＯが含まれている状態に比較して溶鋼との反応性が高くなるため、界面エネルギーが低くなる。この界面エネルギーの低下効果により、Ｒ₂ Ｏが含まれているＳｉＯ₂ 系介在物は微細化が可能となる。この結果、介在物起因の疲労強度の低下要因が低減され、疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼が得られる。

（Ｃ）このような良好な介在物を含有するＳｉ脱酸鋼は、取鍋精錬におけるスラグ組成を適正な組成に制御することにより得られる。
本発明は、以上の知見に基づいてなされたもので、その要旨は、下記のとおりである。

(１）質量％でＡｌ：０．００３％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｚｒ：０．００１０％以下およびＳｉ：０．０５〜４．０％含有するＳｉ脱酸鋼であって、かつ該Ｓｉ脱酸鋼中の介在物が質量％でＳｉＯ₂ ：４５％以上、アルカリ金属Ｒ (Ｒ= Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ）の酸化物（Ｒ₂ Ｏ）：０．５〜１０％含有することを特徴とする疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼。

(２）前記Ｓｉ脱酸鋼が、更に、Ｃ：１．２％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｏ：０．００２０％以下含有することを特徴とする上記（１）に記載の疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼。

(３）前記Ｓｉ脱酸鋼が、更に、Ｃ：１．２％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｏ：０．００２０％以下、Ｃｒ：０．０５〜２．０％含有することを特徴とする上記（１）に記載の疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼。

(４）前記Ｓｉ脱酸鋼が、更に、Ｃ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：４〜２０％、Ｏ：０．００８０％以下含有することを特徴とする上記（１）に記載の疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼。

(５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載のＳｉ脱酸鋼を製造する方法であって、精錬炉から取鍋に出鋼するときにＳｉ脱酸を行い、その後の取鍋スラグ精錬時のスラグ組成を質量％でＣａＯ：２０〜４５％、ＳｉＯ₂ ：２５〜６０％、ＭｇＯ：５〜１８％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：１〜１２％、ＭｎＯ：０．２〜８％、アルカリ金属Ｒ（Ｒ= Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ）の酸化物（Ｒ₂ Ｏ）：０．５〜１０％とすることを特徴とする疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼の製造方法。

本発明のＳｉ脱酸鋼は、従来の鋼と比較して、有害な大型介在物が少なく、しかも残留した介在物も延性のある介在物であり、かつその介在物は微細に分散されたものであり、今までにない疲労強度に優れた鋼種である。

介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度が４５質量％（以下、単に％で質量％を表す）以上であれば、非延性で有害なＡｌ₂ Ｏ₃ 系介在物、ＭｇＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ 系介在物およびＭｇＯ系介在物の生成確率は確実に減少する。望ましい介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度は７０％以上である。

このように介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度が４５％以上と高い介在物は、圧延長手方向に著しく延伸した形状ではないが、オーバルな鋭角のない形状であり、微細である限りにおいては、疲労強度に悪影響を及ぼしにくい。

しかしながら、単に（ＳｉＯ₂ ）濃度が高い介在物が主体となった場合、これが１０μｍ以上の幅を有する大きなものであれば、疲労強度に悪影響を及ぼす可能性が高い。また、（ＳｉＯ₂ ）濃度が高い介在物組成に制御すること自体は、介在物径を減少させる効果はないし、また、（ＳｉＯ₂ ）濃度が極端に高い介在物は熱間圧延加工での延伸効果が期待できず、１０μｍ以上の幅を有する介在物が圧延加工後でも存在する確率が高い。

そこで、この１０μｍ以上の幅を有するＳｉＯ₂ 系介在物の生成を防ぐために、介在物を微細に分散させる条件について、脱酸過程での溶鋼−酸化物間の界面エネルギーから検討すると、Ｓｉ脱酸鋼で一般的なＳｉＯ₂ −ＣａＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 系介在物よりも、ＦｅＯやＭｎＯ濃度の高い介在物の方が微細に分散させるのに有利となる。

しかしながら、ＦｅＯやＭｎＯ濃度の高い介在物を生成させるには、溶鋼中のＳｉ濃度を低く抑える必要があり、多くのＳｉ脱酸鋼には適用できず、また弱脱酸になることから介在物個数はむしろ増加する。

そこで、ＳｉＯ₂ 系介在物に、介在物を微細に分散させるのに有利になると考えられる強塩基性のアルカリ金属酸化物（Ｒ₂ Ｏ、Ｒ= Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ）を含有させることを前述の通り着想した。

以下に、この着想を確認するために実施した模擬実験結果を示す。
取鍋スラグ精錬を模擬することができる雰囲気調整炉を用いて、種々のＳｉ脱酸鋼を１５００〜１５６０℃で溶解した。

溶鋼を［Ｃ］：０．７０％、［Ｍｎ］：０．２５％にそれぞれ成分調整後、所定成分のスラグを添加し、取鍋スラグ精錬を行い、溶鋼温度を１５００〜１５６０℃に保持した後、スラグが混入しないように炉を傾動して得られた溶鋼を鋳造した。このようにして得られた鋼塊（大きさ：２２０ｍｍφ×５００ｍｍ、質量：１５０ｋｇ）を６５ｍｍφまで鍛圧し、さらに５．５ｍｍφまで圧延加工した。

スラグの生成は、ＣａＯ−ＳｉＯ₂ −ＭｇＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ｎａ₂ Ｏ系を基本とするフラックスを対象溶鋼質量ｋｇあたり１５ｇ使用して行い、スラグ中のＮａ₂ Ｏ濃度を８％とした。

圧延加工した試料から、長手方向断面に切断、鏡面研磨して、内在する幅１μｍ以上の酸化物系介在物を調査した。調査した酸化物系介在物は、すべて単独または硫化物と複合した形態であり、組成についてはそのうちの酸化物部分をエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザで分析した。

図１は、鋼中の［Ａｌ］濃度と介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度との関係を示すグラフである。
なお、図中の●値は、観察した介在物（ｎ= ３０〜４０）中の（ＳｉＯ₂ ）濃度の平均値を、図中のエラーバーは、観察した介在物（ｎ= ３０〜４０）中の最大値と最小値をそれぞれ示す（以下の図２〜５および８も同様）。

同図に示すように、鋼中の［Ａｌ］濃度が０．００３％以下で介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度が４５％以上となる。また、鋼中の［Ａｌ］濃度が０．００１％以下で介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度が７０％以上となる。

図２は、鋼中の［Ｔｉ］濃度と介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度との関係を示すグラフである。
同図に示すように、鋼中の［Ｔｉ］濃度が０．００３％以下で介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度が４５％以上となる。また、鋼中の［Ｔｉ］濃度が０．００１％以下で介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度が７０％以上となる
図３は、鋼中の［Ｚｒ］濃度と介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度との関係を示すグラフである。

同図に示すように、鋼中の［Ｚｒ］濃度が０．００１０％以下で介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度が４５％以上となる。また、鋼中の［Ｚｒ］濃度が０．０００２％以下で介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度が７０％以上となる
次に、［Ａｌ］≦０．００３％、［Ｔｉ］≦０．００３％および［Ｚｒ］≦０．００１０％である鋼を使用して、［Ｓｉ］濃度を０．０３％から４．４％の範囲に調整し、そのときの加工試料中に観察される介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度および（Ｎａ₂ Ｏ濃度）を分析した。

図４は、鋼中の［Ｓｉ］濃度と介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度との関係を示すグラフである。
なお、図中の●は、スラグにＮａ₂ Ｏを８％配合したときの試験結果を、○はＮａ₂ Ｏを無添加としたときの試験結果を、それぞれ示す。

同図に示すように、スラグにＮａ₂ Ｏの添加有無に関係なく、鋼中の［Ｓｉ］濃度が０．０５〜４．０％の範囲において、介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度が４５％以上となる。
図５は、鋼中の［Ｓｉ］濃度と介在物中の（Ｎａ₂ Ｏ）濃度との関係を示すグラフである。

なお、図中の●は、スラグにＮａ₂ Ｏを８％配合したときの試験結果を、□はＮａ₂ Ｏを無添加としたときの試験結果を、それぞれ示す。
同図に示すように、スラグにＮａ₂ Ｏを８％配合すると、鋼中の［Ｓｉ］濃度が０．０５〜４．０％の範囲において、介在物中の（Ｎａ₂ Ｏ）濃度が０. ５％以上となる。

次に、［Ｃ］：０．７０％、［Ｓｉ］：０．２５％、［Ｍｎ］：０．５０％、［Ａｌ］：０．０００４％、［Ｔｉ］：０．０００４％、［Ｚｒ］：０．０００１％以下の鋼組成を有し、かつ介在物中の（Ｎａ₂ Ｏ）濃度が３．２〜３．６％を有するものについて、ＳｉＯ₂ 濃度が４２％、５４％および７５％の３水準の試料を作製し、前記の通り５．５ｍｍφまで圧延加工した。

図６は、圧延方向断面における介在物の幅の大きさとその度数分布との関係を示すグラフである。
なお、図中横軸に記載の例えば１〜２とは１〜２μｍ未満を示し、２〜４とは２〜４μｍ未満をそれぞれ示す。

同図に示すように、介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度が４２％では、Ｎａ₂ Ｏを含有していても８μｍ以上の介在物が有るのに対し、ＳｉＯ₂ 濃度が５４％では、８μｍ未満となり、７５％では６μｍ未満であり、介在物が微細化する。

同様に上記鋼組成で、介在物の組成が（ＳｉＯ₂ ）７０％以上で、（Ｎａ₂ Ｏ）濃度が０．３％、１．８％、３．６％、９．７％の４水準の試料を作製し、前記の通り５．５ｍｍφまで圧延加工した。

図７は、介在物中の（Ｎａ₂ Ｏ）濃度をパラメータとした圧延方向断面における介在物の幅の大きさとその度数分布との関係を示すグラフである。
同図に示すように、介在物中の（Ｎａ₂ Ｏ）濃度が０．３％では、８μｍ以上の介在物が有るのに対し、（Ｎａ₂ Ｏ）濃度が１．８％では、８μｍ未満となり、３．６重量以上％では６μｍ未満であり、介在物が微細化する。

さらに、詳しく介在物中のアルカリ金属酸化物の濃度について試験検討したところ、アルカリ金属酸化物の濃度は、０．５％以上で望ましくは３％以上で介在物を微細に分散させる効果が認められた。

しかし、その介在物を微細に分散させる効果は約１０％で飽和する。一方、アルカリ金属酸化物は、溶鋼脱酸が生じるような還元性雰囲気下で分解しやすくなり、その結果、介在物中に約１０％を越えるアルカリ金属酸化物を安定して維持させることは困難となる。

本発明の優れた点は、Ｓｉ脱酸鋼のＳｉＯ₂ 系介在物中にアルカリ金属酸化物を含有させれば、さまざまな鋼種に適用が可能となることである。
そこで、本発明を使用できる望ましい鋼種について以下に述べる。

その一には、Ｃ：１．２０％以下、Ｍｎ：０．１０％〜１．５０％、およびＯ：０．００２０％以下の組成を基本とする高炭素Ｓｉ脱酸鋼が望ましい。
Ｃ濃度の上限を１．２０％とした理由は、１．２０％を越えると鋼自体が脆化し加工性が悪化するとともに、アルカリ金属酸化物が溶鋼中の炭素によって分解しやすくなるおそれがあるからである。

下限は特に限定されるものではないが、鋼材強度を適度に保つには０．０５％以上とすることが望ましい。
Ｍｎ濃度の上限を１. ５％とした理由は、Ｍｎ濃度が高くなるとＳｉ−Ｍｎ複合脱酸の影響が現れ始め、Ｍｎ濃度が１．５％を越えると介在物中のＭｎＯ濃度が１０％を越えて、介在物中のＳｉＯ₂ 濃度が７０％以上となることが困難となるおそれがあるからである。下限は介在物制御の観点から特にないが、鋼材の強度等を鑑みれば、０．２０％以上とすることが望ましい。

Ｏ濃度の上限を０．００２０％とした理由は、疲労強度の向上には、介在物量が少ないことが望ましいからである。
また、上記高炭素Ｓｉ脱酸鋼に、Ｃｒを０．０５〜２．０％含有させた高炭素Ｃｒ含有Ｓｉ脱酸鋼も望ましい。

さらに、本発明は、Ｓｉ脱酸で溶製できるフェライト系、あるいは、オーステナイト系ステンレス鋼にも適用することができる。
これらのステンレス鋼の望ましいＣｒ濃度は４．０〜２０％である。

Ｃｒが含有されると、Ｃｒと酸素の親和力が強く脱酸処理が困難となるおそれがある。脱酸が不足した場合には介在物が多量に残留して、本技術による介在物形態制御をもってしても、疲労強度に影響が出る可能性があることから、全酸素濃度を０．００８０％以下にすることが望ましい。

なお、Ｃｒ濃度が８．０％以上では、上記脱酸が不足するのを回避するために、Ｓｉ濃度が０．１０％以上あることが望ましい。
Ｃ濃度は、加工性と耐食性とを両立させるために、０．１５％以下が望ましい。

Ｍｎ濃度は、Ｓｉ脱酸の予備脱酸機能を持たせるために、また強度を確保するために、０．１％以上が望ましい。一方、Ｓｉ脱酸・Ｍｎ脱酸の複合脱酸効果による介在物中のＳｉＯ₂ 濃度の低下を防止するためには２．０％以下が望ましい。

また、Ｎｉ濃度については、特に制限はなく、オーステナイト系ステンレス鋼としての特徴を発揮する組成においても本発明は適用できる。
さらに、本発明は、Ｓｉ脱酸鋼で溶製できるＶやＭｏを含む高強硬度鋼や肌焼き鋼へも適用できる。すなわち、本発明においては脱酸に影響を及ぼさない合金成分、例えばＶやＭｏは通常の鋼成分の範囲であればその効果を発揮することができる。またＮｉ濃度についても特に制限はなく、その効果を発揮することができる。

次に、介在物組成の制御方法について述べる。
介在物組成は、基本的には溶鋼中の脱酸元素濃度およびスラグ組成によって制御することができる。

スラグ組成はスラグ精錬のタイミング、添加するフラックス組成および量、初期酸素濃度、精錬温度にも影響されるためこれらを考慮する必要がある。
Ｓｉ添加の時期については、転炉あるいは電気炉といった製鋼炉の出鋼前あるいは出鋼硫に対しての添加が望ましい。その理由は、脱酸初期に生成する大型介在物が浮上・除去するためである。

本発明で対象とするＳｉ脱酸鋼の溶製に際し、製鋼炉からの流出スラグを取鍋中の溶鋼から除滓を行い、あらためて溶鋼中にフラックス添加を行う。ここで最も重要な点は、フラックス添加取鍋精錬におけるスラグ組成である。

すなわち、この取鍋精錬段階において、ＣａＯ−ＳｉＯ₂ −ＭｇＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＭｎＯ−Ｒ₂ Ｏ（Ｒ= Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ）系スラグを用いる。
スラグ中のＣａＯは熱的に安定なスラグを構成するための必須成分であり、その濃度は２０％以上が望ましいが、４５％を越えると、スラグ塩基度が高くなることにより、介在物中のＣａＯ、ＭｇＯ等の塩基性成分、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等の中性成分が高い濃度で安定となり、介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度が４５％未満となるおそれがあり４５％以下が望ましい。すなわち、スラグ中のＣａＯ濃度は２０〜４５％が望ましい。

スラグ中のＳｉＯ₂ は、Ｓｉ脱酸鋼を安定に溶製するための必須成分であり、その濃度が２５％未満では、介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度が４５％未満となるおそれがあり、６０％を越えると取鍋耐火物の溶損が生じるおそれがあるため、スラグ中のＳｉＯ₂ 濃度は２５〜６０％が望ましい。

スラグ中のＭｇＯは製鋼炉流出スラグ、耐火物や副原料から入る不可避的適成分で極端に低減することはコスト的に困難であり、また耐火物保護の観点からスラグ中のＭｇＯ濃度は５％以上が望ましいが、ＭｇＯ濃度が１８％を越えると、介在物にＭｇＯ濃度が５０％を越え、非延性介在物が発生するおそれがあり、スラグ中のＭｇＯ濃度は１８％以下が望ましい。すなわち、スラグ中のＭｇＯ濃度は５〜１８％が望ましい。

スラグ中のＡｌ₂ Ｏ₃ は製鋼炉流出スラグ、耐火物や副原料から入る不可避的適成分で極端に低減することはコスト的に困難であり、Ａｌ₂ Ｏ₃ 濃度が１２％を越えると介在物の（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）濃度が３０％を越え、非延性介在物が発生するおそれがあるため、スラグ中のＡｌ₂ Ｏ₃ 濃度は１〜１２％が望ましい。

スラグ中のＭｎＯは製鋼炉流出スラグ、合金成分の脱酸から入る不可避的成分で極端に低減することはコスト的に困難であり、ＭｎＯ濃度が８％を越えると全酸素濃度を下げることが困難となり、介在物量そのものが増加するおそれがあるため、スラグ中のＭｎＯ濃度は０．２〜８．０％が望ましい。

スラグ中のＲ₂ Ｏは、スラグ中に０．５％以上含有させることが望ましいが、Ｒ₂ Ｏ濃度が１０％を越えるとスラグ中であっても蒸発し易くなり、その蒸発量が増加してダスト量が増加する等の問題が発生するおそれがあり、スラグ中のＲ₂ Ｏ濃度は０．５〜１０％が望ましい。

Ｒ₂ Ｏ原料の代表例であるＮａ₂ Ｏ原料は、熱的に安定でコスト的にも有利な珪酸ソーダ、メタ珪酸ソーダ、ソーダ灰、ソーダガラス等が望ましい。
Ｒ₂ Ｏ原料の添加時期は特に制限はないが、スラグへの速やかな溶解を図るため、添加フラックスとの同時添加、または造滓後スラグへのＲ₂ Ｏ原料の個別添加が望ましい。

スラグ精錬段階におけるＲ₂ Ｏの過大な蒸発を抑制するには、溶鋼温度を低くすることが有効であり、スラグ精錬時の溶鋼温度を１６００℃以下とすることが望ましい。
なお、ＣａＦ₂ の併用は、通常、スラグの滓化性を改善する効果が期待できるので必要に応じて使用すればよいが、本発明の効果に影響を及ぼさないため、ＣａＦ₂ の濃度範囲を特に限定しない。

また、不可避的成分としてスラグに含有されるＦｅＯ濃度またはステンレス溶製時におけるスラグ中のＣｒ₂ Ｏ₃ 濃度は、スラグからの溶鋼再酸化を防ぐ観点から極力低いことが有効であるが、それらの合計濃度で５％以下とすることが望ましい。

次に、本発明のスラグ精錬の実施形態について、転炉( または電気炉) −取鍋精錬プロセスを模擬した実験に沿って述べる。
通常、Ｓｉ脱酸鋼は、転炉あるいは電気炉によって所期の目的炭素濃度および温度になるように酸素吹精された後、取鍋へ出鋼される。出鋼時、Ｆｅ−Ｓｉ等のＳｉ源をＦｅ−Ｍｎ等のＭｎ源とともに添加することによりＳｉ脱酸される。

このＳｉ脱酸出鋼時の流出スラグを極力抑制し、出鋼後に取鍋中の残滓を除去した後に所定組成のフラックスを添加して造滓する。
本発明は、この取鍋スラグ精錬によって、Ｓｉ脱酸鋼中の介在物における（ＳｉＯ₂ ）濃度および（Ｒ₂ Ｏ）濃度を制御するものであり、前に述べたように本発明のＲはＬｉ、Ｎａ、Ｋでありこれらの効果は等価として扱えることから、（Ｎａ₂ Ｏ）濃度を制御する方法について以下に説明する。

取鍋スラグ精錬機能を模擬した溶鋼量１５ｋｇの試験装置により、溶鋼組成としては、Ｃ：０．４５〜０．５５％、Ｍｎ：０．２０〜０．３０％を含むＳｉ未添加鋼を１５２０〜１５６０℃で溶解した。ここで出鋼を模擬してＳｉおよびＭｎ添加を行い、最終的にＳｉ：０．２０〜０．３０％およびＭｎ：０．４５〜０．５５％になるよう調整する。所定時間保持した後、種々の組成に配合した合成スラグを添加した後、さらに所定時間保持し、ボンブサンプラーで溶鋼から採取した試料中の介在物組成とスラグ組成との関係を調査した。

スラグの基本成分としては、ＣａＯ−ＳｉＯ₂ −Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−ＣａＦ₂ として、そこにＮａ₂ Ｏはその炭酸塩の試薬で配合した。
図８は、ＣａＯ：３３〜４０％、ＳｉＯ₂ ：３３〜４０％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：２〜５％、ＭｇＯ：１２〜１５％、残部にＣａＦ₂ ：２〜５と不可避的に含まれるＦｅＯ、ＭｎＯおよびその他不純物を含有するスラグ中のＮａ₂ Ｏ濃度と介在物中のＮａ₂ Ｏ濃度との関係を示すグラフである。

同図に示すように、スラグ中のＮａ₂ Ｏ濃度の上昇とともに介在物中の（Ｎａ₂ Ｏ）濃度も上昇し、その効果は１０％で飽和する。また、この試験の際、１０％を越えて配合すると、スラグからの蒸発物が著しく増加することが認められた。

このように、この取鍋スラグ精錬によって、Ｓｉ脱酸鋼中の介在物における（Ｒ₂ Ｏ）濃度を任意に制御することができる。

８０ｔ転炉で脱炭精錬を行った後、取鍋へ出鋼する際に、Ｆｅ−ＳｉおよびＦｅ−Ｍｎ等の合金鉄および加炭剤を適宜添加し、Ｓｉ脱酸および成分の調整を行った。この際、後のスラグ組成制御をより効率良く行うために、流出スラグを極力防止し、さらに、スラグドラッガーで除滓を行った。

その後あらためて造滓のためのフラックスを添加し、所要の組成を有するスラグを形成せしめた。フラックスとしては、製鋼で一般に用いられる生石灰（ＣａＯ源）、珪砂（ＳｉＯ₂ 源）、ドロマイト（ＭｇＯおよびＣａＯ源）、蛍石（ＣａＦ₂ ）等を適宜添加した。

また、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＦｅＯおよびＭｎＯ成分は、残存スラグ、耐火物および脱酸生成物に由来し上記スラグ中に混入した。
ここで、スラグ中へのＲ₂ Ｏ源としては、Ｌｉ₂ Ｏ、Ｎａ₂ ＯおよびＫ₂ Ｏがほぼ等価な機能を有していることから、製鋼プロセスで利用しやすく工業的規模の入手が可能なＮａ₂ Ｏを含有する珪酸ソーダを用いた。スラグ量は、溶鋼質量トン当たり約１５ｋｇとなるようにした。この取鍋精錬時の温度は、１５００℃〜１６００℃の範囲であった。

上記条件下のスラグ精錬を約１０分間以上実施した後、スラグが均一になった状態でスラグを採取し組成を調べた。スラグ精錬をさらに約５分間以上実施した後、常法にしたがい連続鋳造を行い、得られた鋳片を常法にしたがい圧延を施し、５．５ｍｍφの線材を得た。線材の長手方向断面に観察される介在物を無作為に２０個以上選び、その組成をエネルギー分散型のＸ線マイクロアナライザーで調べ、その平均値を比較した。

上記の方法により種々の組成を有する鋼材を製造し、これらの圧延試料を用いて回転曲げ疲労試験（１０⁷ 回回転曲げ試験）を行った。各試料は、鋼種ごとに焼き入れ焼き戻し等の同じ熱処理を施した。疲労強度の評価は、温度は２０〜２５℃、湿度５０〜６０％の条件下試験を行った。

(実施例１）
表１に高炭素Ｓｉ脱酸鋼の化学組成および介在物の化学組成と疲労強度との関係を示す。

表１に示すように、高炭素Ｓｉ脱酸鋼の化学組成がＡｌ≦０．００３％、Ｔｉ≦０．００３％およびＺｒ≦０．００１０％でＳｉが０．０５〜４．０％で、かつ介在物中のＳｉＯ₂ 濃度が４５％以上、Ｎａ₂ Ｏ濃度が０．５〜１０％である試料No. １〜5 の本発明例は疲労強度が１０２３ＭＰａ以上と大きな値が得られたが、No.6〜10の比較例は疲労強度が７８０ＭＰａ以下と比較的に小さな値しかえられなかった。

(実施例２）
表２に高炭素Ｃｒ含有Ｓｉ脱酸鋼の化学組成および介在物の化学組成と疲労強度との関係を示す。

表２に示すように、高炭素Ｃｒ含有Ｓｉ脱酸鋼の化学組成がＡｌ≦０．００３％、Ｔｉ≦０．００３％およびＺｒ≦０．００１０％でＳｉが０．０５〜４．０％で、かつ介在物中のＳｉＯ₂ 濃度が４５％以上、Ｎａ₂ Ｏ濃度が０．５〜１０％である試料No.11 〜15の本発明例は疲労強度が１２２４ＭＰａ以上と大きな値が得られたが、No.16 〜20の比較例は疲労強度が１０４０ＭＰａ以下と比較的に小さな値しかえられなかった。

(実施例３）
表３に中炭素Ｃｒ、Ｍｏ含有Ｓｉ脱酸鋼の化学組成および介在物の化学組成と疲労強度との関係を示す。

表３に示すように、中炭素Ｃｒ、Ｍｏ含有Ｓｉ脱酸鋼の化学組成がＡｌ≦０．００３％、Ｔｉ≦０．００３％およびＺｒ≦０．００１０％でＳｉが０．０５〜４．０％で、かつ介在物中のＳｉＯ₂ 濃度が４５％以上、Ｎａ₂ Ｏ濃度が０．５〜１０％である試料No.21 〜25の本発明例は疲労強度が６２８ＭＰａ以上と大きな値が得られたが、No.26 〜30の比較例は疲労強度が５０８ＭＰａ以下と比較的に小さな値しかえられなかった。

(実施例４）
表４に中炭素Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ含有Ｓｉ脱酸鋼の化学組成および介在物の化学組成と疲労強度との関係を示す。

表４に示すように、同脱酸鋼の化学組成がＡｌ≦０．００３％、Ｔｉ≦０．００３％およびＺｒ≦０．００１０％でＳｉが０．０５〜４．０％で、かつ介在物中のＳｉＯ₂ 濃度が４５％以上、Ｎａ₂ Ｏ濃度が０．５〜１０％である試料No.31 〜35の本発明例は疲労強度が６０９ＭＰａ以上と大きな値が得られたが、No.36 〜40の比較例は疲労強度が５０８ＭＰａ以下と比較的に小さな値しかえられなかった。

(実施例５）
表５に低炭素Ｃｒ系ステンレスＳｉ脱酸鋼の化学組成および介在物の化学組成と疲労強度との関係を示す。

表５に示すように、同脱酸鋼の化学組成がＡｌ≦０．００３％、Ｔｉ≦０．００３％およびＺｒ≦０．００１０％でＳｉが０．０５〜４．０％で、かつ介在物中のＳｉＯ₂ 濃度が４５％以上、Ｎａ₂ Ｏ濃度が０．５〜１０％である試料No.41 〜45の本発明例は疲労強度が３３０ＭＰａ以上と大きな値が得られたが、No.36 〜40の比較例は疲労強度が３１１ＭＰａ以下と比較的に小さな値しかえられなかった。

(実施例６）
表６に低炭素Ｃｒ−Ｎｉ系ステンレスＳｉ脱酸鋼の化学組成および介在物の化学組成と疲労強度との関係を示す。

表６に示すように、同脱酸鋼の化学組成がＡｌ≦０．００３％、Ｔｉ≦０．００３％およびＺｒ≦０．００１０％でＳｉが０．０５〜４．０％で、かつ介在物中のＳｉＯ₂ 濃度が４５％以上、Ｎａ₂ Ｏ濃度が０．５〜１０％である試料No.51 〜55の本発明例は疲労強度が３５６ＭＰａ以上と大きな値が得られたが、No.56 〜60の比較例は疲労強度が３１１ＭＰａ以下と比較的に小さな値しかえられなかった。

鋼中の［Ａｌ］濃度と介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度との関係を示すグラフである。 鋼中の［Ｔｉ］濃度と介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度との関係を示すグラフである。 鋼中の［Ｚｒ］濃度と介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度との関係を示すグラフである。 鋼中の［Ｓｉ］濃度と介在物中の（ＳｉＯ₂ ）濃度との関係を示すグラフである。 鋼中の［Ｓｉ］濃度と介在物中の（Ｎａ₂ Ｏ）濃度との関係を示すグラフである。 圧延方向断面における介在物の幅の大きさとその度数分布との関係を示すグラフである。 介在物中の（Ｎａ₂ Ｏ）濃度をパラメータとした圧延方向断面における介在物の幅の大きさとその度数分布との関係を示すグラフである。 ＣａＯ：３３〜４０％、ＳｉＯ₂ ：３３〜４０％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：２〜５％、ＭｇＯ：１２〜１５％、残部にＣａＦ₂ ：２〜５と不可避的に含まれるＦｅＯ、ＭｎＯおよびその他不純物を含有するスラグ中のＮａ₂ Ｏ濃度と介在物中のＮａ₂ Ｏ濃度との関係を示すグラフである。

Claims (5)

1. 質量％でＡｌ：０．００３％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｚｒ：０．００１０％以下およびＳｉ：０．０５〜４．０％含有するＳｉ脱酸鋼であって、かつ該Ｓｉ脱酸鋼中の介在物が質量％でＳｉＯ₂ ：４５％以上、アルカリ金属Ｒ（Ｒ= Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ）の酸化物（Ｒ₂ Ｏ）：０．５〜１０％含有することを特徴とする疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼。
2. 前記Ｓｉ脱酸鋼が、更に、Ｃ：１．２％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｏ：０．００２０％以下含有することを特徴とする請求項１に記載の疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼。
3. 前記Ｓｉ脱酸鋼が、更に、Ｃ：１．２％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｏ：０．００２０％以下、Ｃｒ：０．０５〜２．０％含有することを特徴とする請求項１に記載の疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼。
4. 前記Ｓｉ脱酸鋼が、更に、Ｃ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：４〜２０％、Ｏ：０．００８０％以下含有することを特徴とする請求項１に記載の疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のＳｉ脱酸鋼を製造する方法であって、精錬炉から取鍋に出鋼するときにＳｉ脱酸を行い、その後の取鍋スラグ精錬時のスラグ組成を質量％でＣａＯ：２０〜４５％、ＳｉＯ₂ ：２５〜６０％、ＭｇＯ：５〜１８％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：１〜１２％、ＭｎＯ：０．２〜８％、アルカリ金属Ｒ（Ｒ= Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ）の酸化物（Ｒ₂ Ｏ）：０．５〜１０％とすることを特徴とする疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼の製造方法。

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