JP2007270357A

JP2007270357A - Ｓｕｓ３０１のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP2007270357A
Application number: JP2007183885A
Authority: JP
Inventors: Goro Okuyama; 悟郎奥山; Hideji Takeuchi; 秀次竹内; Kenichi Tanmachi; 健一反町
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2018-01-09
Also published as: JP5135923B2

Abstract

【課題】本発明は、伸線性と疲労強度のいずれにも優れたＳＵＳ３０１のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目的としている。
【解決手段】ＳＵＳ３０１のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼において、鋼中に鋼中のＣａとＲＥＭを合計で０．００１５重量％以下含有し、鋼中に含有される非金属介在物がＣａＯとＲＥＭ酸化物を含有するものであり、該非金属介在物中のＣａＯ−Ｌａ_２Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３の含有量の和が１０重量％以上になるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＵＳ３０１のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼に関する。

ばね材として利用されるオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、特開平３−６１３２２号公報、特開平７−１８８８６１号公報参照）は、伸線性が良好な素材であること、また製造されたバネの安全性と使用寿命を確保するために、疲労強度に優れた素材であることが要求される。

一般に、ステンレス鋼は、転炉あるいは電気炉から出鋼した溶鋼を、図４に示すようなＡＯＤ（ＡｒｇｏｎＯｘｙｇｅｎＤｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）、あるいはＶＯＤ（ＶａｃｕｕｍＯｘｙｇｅｎＤｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）と称する２次精錬装置で再度処理し、そのに中に存在する非金属介在物３を除去し、清浄化する。特に、バネ材として利用され、Ａｌ_２Ｏ_３系の硬質な非金属介在物３を嫌うＳＵＳ３０１等のオーステナイト系ステンレス鋼の製造では、前記２次精錬装置において溶鋼にＳｉを還元剤として添加し、塩基性スラグの存在下で不活性ガス（アルゴン、窒素）の吹き込み等により溶鋼を強撹拌し、脱酸及び非金属介在物３の浮上及び除去を促進させている。

ところが、溶鋼に添加したＳｉは、生成したスラグや使用炉の内張耐火物中のＡｌ_２Ｏ_３を還元する。そして、還元後溶鋼中に入った［Ａｌ］は、再酸化されてＡｌ_２Ｏ_３を主体とした硬質な非金属介在物３を生成し、その状態のまま、鋳片として凝固される。従って、かかる鋳片を圧延して製造したバネ材は、その特性が著しく低いものになる。そこで、特開平３−２６７３１２号公報は、精錬中に生成されるスラグのＣａＯ／ＳｉＯ_２を１．５〜２．５に、スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３濃度を５重量％以下に調整し、前記非金属介在物３の形成を抑制する方法を提案した。

しかしながら、この方法は、比較的Ｓｉ濃度の低いオーステナイト系ステンレス鋼では、スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３の還元反応をある程度抑制したが、バネ材に利用されるオーステナイト系ステンレス鋼では、Ｓｉ濃度が高いため、スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３は依然として還元されてしまい、Ａｌ_２Ｏ_３系の硬質非金属介在物の量は減少しない。また、精錬に使用する溶鋼容器に安価なＡｌ_２Ｏ_３系耐火物を内張りした場合には、そこからの溶出もあり、スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３濃度を５重量％以下にするのは困難である。そのため、バネ材に好適なオーステナイト系ステンレス鋼を溶製するには、高価な非Ａｌ_２Ｏ_３系の耐火物を特別に内張りしなければならないという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑み、精錬中に、生成する非金属介在物を伸延性の良好な無害化された非金属介在物とし、伸線性と疲労強度のいずれにも優れたＳＵＳ３０１のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目的としている。

従来より、単に非金属介在物を低融点化し、圧延、伸線の工程で変形し易くするために、溶鋼中にＣａを添加することが知られている。そのため、本発明者は、まず、このことを実験で確認した。その結果、Ｃａの単独添加でも効果はあるが、その程度は小さく、ばね材のように極めて要求の厳しい鋼材のかかる介在物欠陥を十分に防止するには、Ｃａを数十〜百ｐｐｍもの多量添加が必要であるとの結論を得た。また、この介在物によって鋼材が発錆し易くなり、実用的でないことも明らかになった。

そこで、本発明者は、このＣａ単独添加の欠陥を補う他の添加元素の発見に努め、ＲＥＭをＣａに複合添加すると、上述のような不都合が生じないことを知り、この発見を本発明に具現化した。

すなわち、本発明は、ＳＵＳ３０１のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼において、
鋼中に鋼中のＣａとＲＥＭを合計で０．００１５重量％以下含有し、鋼中に含有される非金属介在物がＣａＯとＲＥＭ酸化物を含有するものであり、該非金属介在物中のＣａＯ−Ｌａ_２Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３の含有量の和が１０重量％以上であることを特徴とするＳＵＳ３０１のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼である。

本発明によれば、精錬中に生成するスラグ組成や炉耐火物の組成に影響されずに、凝固後に鋳片に析出する硬質のＡｌ_２Ｏ_３系非金属介在物が軟質化し、その伸延性が良好になる。その結果、鋼中のＳｉ濃度が高くとも、従来より大幅に伸線性や疲労強度に優れたバネ材に好適なオーステナイト系ステンレス鋼が製造できるようになる。また、精錬容器の内張りに安価なＡｌ_２Ｏ_３系耐火物が使用できるようになるので、精錬費用の削減効果も得られる。

以下、発明をなすに至った経緯もまじえて、本発明の実施の形態を説明する。

発明者は、転炉精錬を終え出鋼したオーステナイト系ステンレス鋼の溶鋼を、精錬容器に受け、２次精錬装置としてＡＯＤ，ＶＯＤに相当する条件にて多数の実験操業を行った。つまり、溶鋼中に真空下で酸素ガスを吹込んだり（ＶＯＤ）、あるいは大気下で不活性ガスを吹込み強撹拌して、炭素をＣＯガスとして除去（脱炭）し、Ｃｒ，Ｎｉ等を添加して成分調整をした後、Ｓｉを投入して溶鋼の脱酸を行った。

その際、特にバネ材に利用されるオーステナイト系ステンレス鋼は、通常、生成スラグのＣａＯ／ＳｉやＡｌ_２Ｏ_３濃度を精錬中に低下させても、溶鋼中のＳｉ濃度が比較的高いため、スラグ中のＡｌ濃度と平衡する溶鋼中のＡｌ濃度が高くなり、非金属介在物中３のＡｌ_２Ｏ_３濃度が増加し、硬質な非金属介在物が形成する。そこで、発明者は、前記Ｓｉ脱酸でスラグおよび炉耐火物から還元されて入ったＡｌの存在下において、溶鋼に前記ＣａおよびＬａ、Ｃｅを含んだＲＥＭ元素を添加し、凝固後の該ステナイト系ステンレス鋼中に含まれる非金属介在物の性状を調査したのである。

その結果、圧延後の鋼材に含まれる非金属介在物３は、図１に模式図で示したような圧延方向に延びた形状になり、しかも、溶鋼時の添加元素の増加につれ、短径ｄ_１と長径ｄ_２の比ｄ_２／ｄ_１が大きく異なることがわかった。なお、形成された非金属介在物の組成は、主にＳｉＯ_２−ＭｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ−Ｌａ_３Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３の複合酸化物であり、Ｃａ及びＲＥＭ元素の添加量により、ＣａＯ−Ｌａ_３Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３の濃度が異なる。

また、図２に非金属介在物中のＣａＯ−Ｌａ_３Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３濃度と圧延後の非金属介在物の短径ｄ_１と長径ｄ_２の比ｄ_２／ｄ_１との関係を示すが、ＣａＯ−Ｌａ_３Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３の濃度が高いほど、短径ｄ_１と長径ｄ_２の比ｄ_２／ｄ_１が大きく、伸延性の大きい非金属介在物３になることがわかった。特に、非金属介在物中のＣａＯ−Ｌａ_３Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３濃度が１０重量％以上になると、非金属介在物３の伸延性は大幅に向上し、一般に伸延性良好とされるｄ_２／ｄ_１＞５を達成できることが確認された。これはＳｉＯ_２−ＭｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３系非金属介在物中にＣａＯ−Ｌａ_３Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３が加わったために、非金属介在物の融点が低下したためと考えられる。

なお、このようにＣａＯ−Ｌａ_３Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３の濃度が高いほど伸延の大きい非金属介在物になる効果は、図２の結果から、非金属介在物中のＣａＯ−Ｌａ_３Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３濃度が３０重量％までの範囲で確認できているので、本発明のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼では鋼中に含有される非金属介在物中のＣａＯとＲＥＭ酸化物の含有量の和が１０重量％以上であることを要件とする。

さらに、図３に溶鋼中のＣａ＋ＲＥＭ元素濃度と非金属介在物中のＣａＯ−Ｌａ_３Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３濃度との関係を示すが、溶鋼中のＣａ＋ＲＥＭ元素濃度が増加するに従い、非金属介在物中ＣａＯ−Ｌａ_３Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３の濃度も増加する。

発明者は、以上図１〜３に示した関係を整理し、本発明となしたのである。つまり、非金属介在物の延伸性を高めるには、該非金属介在物中のＣａＯ−Ｌａ_３Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３濃度を１０重量％以上必要であり、そのためにはＶＯＤあるいはＡＯＤ装置による精錬時に溶鋼中のＣａ＋ＲＥＭ濃度を０．０００１重量％以上とする。しかし、このＲＥＭとＣａの合計濃度が０．００１５重量％を超えると、鋼材に前記発錆問題が生じるので、その上限濃度を０．００１５重量％とするようにした。

バネ材として利用されるオーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ３０１を製造可能な溶鋼（Ｃｒ：１７重量％、Ｎｉ：６．６重量％に調整）を転炉から１６０ｔｏｎの取鍋２に出鋼し、その取鍋２を所謂ＶＯＤ装置１内にセットした。そして、酸素上吹きランス４から溶鋼７中に酸素ガス１０を吹込み、ＶＯＤによる脱炭を行った。その際、減圧室６の圧力は、１０〜１００ｔｏｒｒの範囲で変更して減圧し、溶鋼７の当初温度は１６７０℃であった。また、溶鋼中のＣａ＋ＲＥＭ濃度はほぼ０であった。

この脱炭終了後、金属Ｓｉを投入して、溶鋼７や生成したスラグ８の還元を行った。そして、引き続き、溶鋼７中にＣａ＋ＲＥＭ元素を添加し、それらの溶鋼７中濃度を調整した。この調整は、本発明の要件を満足する場合（実施例）及び満足しない場合（比較例）の両方で実施した。かくして最終成分としてはＣ：０．０９〜０．１１重量％、Ｓｉ：０．５５〜０．７５重量％、Ｍｎ：０．７０〜０．９０重量％、Ｃｒ：１６．８〜１７．２重量％、Ｎｉ：６．５０〜６．７０重量％、Ｎ：０．０４５０〜０．０６５０重量％で、Ｃａ＋ＲＥＭの含有量が０〜９ｐｐｍの溶鋼を得た。なお、使用した取鍋２（精錬容器）に内張りした耐火物は、通常使用されている安価なアルミナ−マグネシア煉瓦である。また、操業中に、スラグの組成は、ＣａＯ／ＳｉＯ_２を１．５、アルミ濃度を８重量％となるようにした。さらに、ＣａやＲＥＭの添加手段（図示せず）及び分析手段は、公知のものを採用した。

かかる操業で得た溶鋼７は、公知の連続鋳造で鋳片にされ、熱間圧延−冷間圧延を施して板状にし、所定位置から試料を採取して含有する非金属介在物３の調査が行われた。この調査は、ＳＥＭ（２次電子顕微鏡）で形状の観察および短径ｄ_１と長径ｄ_２の測定をし、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を用いて組成を同定することである。その結果を、表１に一括して示す。

表１より、本発明の要件を満足する場合には、非金属介在物３がＳｉＯ_２−ＭｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ−Ｌａ_２Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３系であり、その形態は針状であることがわかる。つまり、軟質化して伸延性の大きいものになっていた。

本発明に係る精錬方法で得た鋳片の圧延後、該鋳片内で観察される非金属介在物の形状を示す模式図である。図１に示した非金属介在物中のＣａＯ−Ｌａ_２Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３濃度と、（短径ｄ_１／長径ｄ_２比）との関係を示す図である。溶鋼中のＣａ＋ＲＥＭ元素濃度と非金属介在物中のＣａＯ−Ｌａ_２Ｏ_３−Ｃｅ_２Ｏ_３濃度との関係を示す図である。本発明に係る精錬方法を実施する装置の図であり、（ａ）はＶＯＤ装置，（ｂ）はＡＯＤ炉である。

符号の説明

１ＶＯＤ真空脱ガス装置
２精錬容器（取鍋、ＡＯＤ炉等）
３非金属介在物
４酸素上吹きランス
５ガス吹き込みノズル
６減圧室
７溶鋼
８スラグ
９不活性ガス
１０酸素ガス
１１排気

Claims

ＳＵＳ３０１のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼において、
鋼中に鋼中のＣａとＲＥＭを合計で０．００１５重量％以下含有し、鋼中に含有される非金属介在物がＣａＯとＲＥＭ酸化物を含有するものであり、該非金属介在物中のＣａＯ−Ｌａ _２Ｏ _３ −Ｃｅ _２Ｏ _３の含有量の和が１０重量％以上であることを特徴とするＳＵＳ３０１のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼。