JP2009106967A - 鋼の連続鋳造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】硫黄快削鋼などを連続鋳造する際の内部割れを防止あるいは低減し、良好な品質を有する機械構造用快削鋼の鋳片を得るための連続鋳造方法を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｓを０．０３〜０．５０％含有し、ＭｎとＳの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓが２０未満である鋼を連続鋳造する際に、短辺に対する長辺の長さの比が１．５未満である断面形状が矩形の鋳型を用い、垂直型、完全凝固後に矯正する湾曲型、または完全凝固後に曲げおよび矯正を行う垂直曲げ型の連続鋳造機を用いて鋳造する連続鋳造方法であって、鋳造された鋳片の横断面における対角比を０．９９以上とし、鋳片のバルジング量およびディプレッション量をそれぞれ４ｍｍ未満とする鋼の連続鋳造方法である。前記に方法において、定常状態における鋳造速度を０．６ｍ／ｍｉｎ未満として鋳造することが好ましい。
【選択図】図１
【解決手段】質量％で、Ｓを０．０３〜０．５０％含有し、ＭｎとＳの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓが２０未満である鋼を連続鋳造する際に、短辺に対する長辺の長さの比が１．５未満である断面形状が矩形の鋳型を用い、垂直型、完全凝固後に矯正する湾曲型、または完全凝固後に曲げおよび矯正を行う垂直曲げ型の連続鋳造機を用いて鋳造する連続鋳造方法であって、鋳造された鋳片の横断面における対角比を０．９９以上とし、鋳片のバルジング量およびディプレッション量をそれぞれ４ｍｍ未満とする鋼の連続鋳造方法である。前記に方法において、定常状態における鋳造速度を０．６ｍ／ｍｉｎ未満として鋳造することが好ましい。
【選択図】図１
Description
本発明は、硫黄快削鋼などを連続鋳造する際の内部割れを防止あるいは低減し、良好な品質を有する機械構造用快削鋼の鋳片を得るための連続鋳造方法に関する。
従来、鋼の被削性を向上するために鋼中に鉛（Ｐｂ）を添加した鉛快削鋼が広く利用されてきた。しかし近年、環境保全の観点から快削鋼への鉛添加が問題視されるようになり、鉛を含有しない快削鋼の開発が進められている。これらのＰｂ無添加の快削鋼では硫黄（Ｓ）含有率を増加させる方法がしばしば採用されるが、硫黄含有率の増加は、内部割れ感受性を高め、連続鋳造時に内部割れを発生するため、圧延後の製品の機械的特性および内部品質に悪影響を及ぼす。
従来、内部割れは、鋼の凝固過程で鋳片の凝固シェルに応力が付与され、この歪み量がその鋼種特有の限界量を超えたときに発生することが明らかにされている。この知見に基づき、例えば特許文献１には、抗張力出現温度と延性出現温度の間の温度域に存在する間に受ける歪み量の総和が、鋳造する鋼種の限界歪を超えない条件で鋳造する鋼の連続鋳造方法が開示されている。
この方法は、内部割れを防止するための優れた方法であるが、鋼種毎に異なる限界歪みを事前に何らかの方法で知る必要がある。限界歪みを事前に得るためには、実際に測定する方法、あるいは他の鋼種での実験結果に基づいて予想する方法がある。実際に測定するためには多大な工数と費用がかかるという問題がある。さらに、他の鋼種の限界歪み測定結果に基づいて予想する方法においては、従来のデータが鋼中の硫黄含有率の低い薄板用鋼種が中心であることから、この結果に基づいて硫黄含有率の高い鋼種（以下、「高Ｓ含有鋼」とも記す）にデータを外挿しても、精度の高い推測値が得られないという問題があった。
このような問題に対して、本発明者らは高Ｓ含有鋼の内部割れの発生挙動に関する検討を行い、高Ｓ含有鋼の内部割れ感受性は、特定組成範囲において著しく増加することを見いだした。この知見に基づいて、特許文献２において、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１９％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｐ：０．００１〜０．２％、Ｓ：０．２〜０．６９％、Ｐｂ：０．０１％未満、Ａｌ：０．１％以下、Ｏ（酸素）：０．００１〜０．０２％およびＮ：０．００１〜０．０２％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、かつＭｎとＳの含有率が下記（１）式および（２）式の関係を満足する溶鋼を鋳造する低炭素硫黄系快削鋼の連続鋳造方法を提案した。
［Ｍｎ％］×［Ｓ％］＜０．９ ・・・（１）
［Ｓ％］＜０．３２×［Ｍｎ％］5 ・・・（２）
ここで、［Ｍｎ％］はＭｎ含有率（質量％）を、［Ｓ％］はＳ含有率（質量％）をそれぞれ表す。
［Ｓ％］＜０．３２×［Ｍｎ％］5 ・・・（２）
ここで、［Ｍｎ％］はＭｎ含有率（質量％）を、［Ｓ％］はＳ含有率（質量％）をそれぞれ表す。
さらに、成分系の異なる機械構造用の高Ｓ含有快削鋼にも同様の思想が適用できることを見いだし、特許文献３において、機械構造用快削鋼の連続鋳造方法を提案した。これらの方法は、高Ｓ含有鋼の内部割れを防止することが可能であり、鋳片品質や製品特性の優れた快削鋼を製造可能とする優れた方法である。しかしながら、このような条件を満足しても、なお内部割れが発生する場合のあることが判明した。
本発明は、上記の課題を克服するためになされたものであり、その目的は、鉛快削鋼などの代替鋼として硫黄含有率を高めることにより被削性を向上させた鋼種を、内部割れの発生を起こすことなく連続鋳造できる方法を提供することにある。
本発明者らは、上述の高Ｓ含有鋼の連続鋳造時に鋳片内に発生する内部割れを防止するために、Ｍｎ含有率（質量％）（［Ｍｎ％］）とＳ含有率（質量％）（［Ｓ％］）とが下記（２）式の関係を満足すれば内部割れを発生することなく、連続鋳造することが可能であることを見いだし、特許文献２あるいは特許文献３に記載の発明を完成した。
［Ｓ％］＜０．３２×［Ｍｎ％］5 ・・・（２）
しかしながら、上記（２）式の関係を満足させても、Ｓ含有率の高い鋼種では鋳片内部に内部割れの発生する場合があった。そこで、種々の条件で鋳片内の内部割れの発生状況について調査を行うとともに、内部割れの発生を起こすことなく連続鋳造できる方法について検討を行い、下記の（Ａ）〜（Ｃ）に示す知見を得た。
しかしながら、上記（２）式の関係を満足させても、Ｓ含有率の高い鋼種では鋳片内部に内部割れの発生する場合があった。そこで、種々の条件で鋳片内の内部割れの発生状況について調査を行うとともに、内部割れの発生を起こすことなく連続鋳造できる方法について検討を行い、下記の（Ａ）〜（Ｃ）に示す知見を得た。
（Ａ）内部割れの発生は、鋳片の断面形状と密接に関係している。鋳片の断面において顕著なバルジングあるいはディプレッションが認められる場合、あるいは横断面の両対角線の長さの比が１：１から逸脱して平行四辺形状に変形している場合には、内部割れが悪化する。すなわち、断面形状が矩形から逸脱するほど内部割れが悪化する。
（Ｂ）上記（Ａ）の知見に基づくさらなる検討の結果、下記の事項が判明した。すなわち、内部割れを防止あるいは軽減するためには、鋳片横断面において２つの対角線のうち、短い方の対角線長さを長い方の対角線長さで除した比の値を０．９９以上とし、鋳片のバルジング量を４ｍｍ未満とし、かつディプレッション量を４ｍｍ未満とする必要がある。
（Ｃ）鋳造操業の定常状態において、鋳造速度を０．６ｍ／ｍｉｎ未満とすることにより、鋳片内の内部割れの発生状況を一層低減できる。
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（６）に示す連続鋳造方法にある。
（１）質量％で、Ｓを０．０３〜０．５０％含有し、ＭｎとＳの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓが２０未満である鋼を連続鋳造する際に、短辺に対する長辺の長さの比が１．５未満である矩形の断面形状の鋳型を用い、垂直型、完全凝固後に矯正する湾曲型、または完全凝固後に曲げおよび矯正を行う垂直曲げ型の連続鋳造機を用いて鋳造する連続鋳造方法であって、鋳造された鋳片の横断面における対角比を０．９９以上とし、鋳片のバルジング量およびディプレッション量をそれぞれ４ｍｍ未満とすることを特徴とする鋼の連続鋳造方法（以下、「第１発明」とも記す）。
（２）定常状態における鋳造速度を０．６ｍ／ｍｉｎ未満として鋳造することを特徴とする前記（１）に記載の鋼の連続鋳造方法（以下、「第２発明」とも記す）。
（３）前記（１）または（２）に記載の鋼の連続鋳造方法を用いて、質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｐ：０．００３〜０．２％、Ｓ：０．０３〜０．５０％、Ｐｂ：０．０１％未満、およびＮ：０．００１〜０．０２％を含有し、ＭｎとＳの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓが２０未満であり、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼を鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法（以下、「第３発明」とも記す）。
（４）前記（１）または（２）に記載の鋼の連続鋳造方法を用いて、質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｐ：０．００３〜０．２％、Ｓ：０．０３〜０．５０％、Ｐｂ：０．０１％未満、Ｎ：０．００１〜０．０２％、およびＡｌ：０．００５〜０．１％を含有し、ＭｎとＳの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓが２０未満であり、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼を鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法（以下、「第４発明」とも記す）。
（５）Ｆｅに替えて、質量％で、Ｃｕ：１．０％、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：０．５％以下およびＮｂ：０．１％以下から選んだ１種または２種以上を含有する鋼を鋳造することを特徴とする前記（３）または（４）に記載の鋼の連続鋳造方法（以下、「第５発明」とも記す）。
（６）さらに、Ｆｅに替えて、質量％で、Ｔｅ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．３％以下、Ｓｎ：０．３％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下および希土類元素：０．０１％以下から選んだ１種または２種以上を含有する鋼を鋳造することを特徴とする前記（３）〜（５）のいずれかに記載の鋼の連続鋳造方法（以下、「第６発明」とも記す）。
本発明において、「対角比」とは、鋳片の横断面における２つの対角線のうち、短い方の対角線長さを長い方の対角線長さで除した比を意味する。
また、「バルジング量」とは、鋳片横断面の長辺または短辺における部分的な膨れ量を意味し、「ディプレッション量」とは、鋳片横断面の長辺または短辺における部分的な窪み量を意味する。
「定常状態」とは、鋳込み開始初期、鋳込み終了および取鍋交換作業時期といった非定常な操業時期を除く鋳造操業状態（時期）を意味する。
本発明の連続鋳造方法によれば、鉛を含有せずに、硫黄含有率を高めることにより、従来の鉛快削鋼や鉛と他の快削元素とを複合添加した複合快削鋼に匹敵する被削性を有する機械構造鋼用快削鋼を、内部割れを発生することなく連続鋳造することができる。
１．発明の基本構成
１−１．内部割れ発生要因の規定
第１発明は、質量％で、Ｓを０．０３〜０．５０％含有し、ＭｎとＳの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓが２０未満である鋼を連続鋳造する際に、短辺に対する長辺の長さの比が１．５未満である断面形状が矩形の鋳型を用い、垂直型、完全凝固後に矯正する湾曲型、または完全凝固後に曲げおよび矯正を行う垂直曲げ型の連続鋳造機を用いて鋳造する連続鋳造方法であって、鋳造された鋳片の横断面における対角比を０．９９以上とし、鋳片のバルジング量およびディプレッション量をそれぞれ４ｍｍ未満とすることを特徴とする鋼の連続鋳造方法である。
１−１．内部割れ発生要因の規定
第１発明は、質量％で、Ｓを０．０３〜０．５０％含有し、ＭｎとＳの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓが２０未満である鋼を連続鋳造する際に、短辺に対する長辺の長さの比が１．５未満である断面形状が矩形の鋳型を用い、垂直型、完全凝固後に矯正する湾曲型、または完全凝固後に曲げおよび矯正を行う垂直曲げ型の連続鋳造機を用いて鋳造する連続鋳造方法であって、鋳造された鋳片の横断面における対角比を０．９９以上とし、鋳片のバルジング量およびディプレッション量をそれぞれ４ｍｍ未満とすることを特徴とする鋼の連続鋳造方法である。
前述のとおり、内部割れは、鋼の凝固過程において鋳片の凝固シェルに応力が付与され、凝固過程における抗張力出現温度と延性出現温度との間に生ずる歪み量の総和が、その鋼種特有の限界量を超えたときに発生することが明らかにされている。したがって、抗張力出現温度と延性出現温度との温度差を拡大する、すなわち液相線温度と固相線温度との間の温度差を拡大する作用を有する溶質の濃度増加は、内部割れ感受性を高める。このような溶質元素の典型的な例としてＣ、Ｐ、Ｓなどが知られている。
一方、近年、環境保全の観点から快削鋼への鉛添加が問題とされるようになり、鉛を含有しない快削鋼の開発が進められている。これらのＰｂ無添加の快削鋼では、硫黄含有率を増加させる方法がしばしば採用されるが、硫黄は前述のように内部割れ感受性を高める元素として知られており、連続鋳造時に内部割れを発生するという問題がある。本発明はこのような背景の下で、内部割れの発生のおそれを伴いながら製造されるＳ含有率が０．０３〜０．５０質量％の範囲内にあり、かつ、ＭｎとＳとの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓの値が２０未満である鋼種を対象として、内部割れを低減または防止できる連続鋳造方法を提供するものである。
本発明者らは、上記の状況を踏まえ、鋳片の内部に発生する内部割れの発生状況を調査した。その結果、Ｓ含有率が０．０３〜０．５０質量％であり、かつ、Ｍｎ／Ｓの値が２０未満である鋼種では、鋳片の内部割れは表皮下１５ｍｍ以内の比較的浅い部位を起点として発生するものが多いことが判明した。内部割れは、鋼の凝固過程において、鋳片の凝固シェルに応力が生じることにより発生することから、連続鋳造機内における内部割れの発生部位は、伝熱凝固解析などを行って鋳片の凝固挙動を明らかにすることにより把握することができる。内部割れが表皮下１５ｍｍ以内の領域を起点としているという事実は、内部割れが鋳型下部あるいは鋳型直下などの鋳型周辺において発生していることを示している。このような表皮近傍に発生する割れは、鋳片の曲げ、矯正またはミスアライメントによる歪みなどに起因して発生する鋳片の比較的内側で発生する内部割れと比べて、圧延や鍛造の加工過程において表面に現れる可能性が高い。したがって、製品欠陥の防止、歩留りの向上のためには、このような割れの防止技術の確立が必要である。
しかし、従来の内部割れに関する多くの研究において行われた連続鋳造機内での凝固過程における内部割れ発生の原因となる歪みの解析によれば、下記のとおりの結果であった。つまり、鋳型付近における歪み量は、決して、鋳片の曲げ、矯正歪みまたはバルジングによる歪みのように大きくはなく、鋳型付近における内部割れの発生の原因は明らかではなかった。そこで、本発明者らが、内部割れの発生状況と鋳造条件や鋳片性状などとの関係について詳細な調査を行ったところ、内部割れの発生状況は、鋳片の断面形状と強い相関関係を有することが判明した。
図１は、実機で鋳造されたＳ含有率が０．０３〜０．５０質量％、かつ、Ｍｎ／Ｓの値が２０未満の鋼種の鋳片において調査された鋳片横断面の対角比と内部割れ発生長さとの関係を示す図である。
同図の関係は、表１に示された成分組成を有する鋼種を、完全凝固後に曲げを付与する垂直曲げ型の実機の連続鋳造機を使用して鋳造した鋳片についての調査結果である。同図の結果から、対角比が０．９９未満の場合には、いずれも長さが１５ｍｍ以上の粗大な内部割れが発生しており、圧延の実行および製品としての使用に支障や制約が生じる。
さらに、図２には、これらの試験片のうち、対角比が０．９９以上の鋳片において調査された内部割れに及ぼす鋳片のバルジング量およびディプレッション量の影響を示す。図２において、「割れなし」とは、鋳片サンプルにおいて割れが認められず、用途にかかわらず圧延および製品化が可能な状態を、「軽度の割れ」とは、長さが１０ｍｍ未満であり割れ部の開口が認められない軽微な内部割れがあり、用途に制約が生じる状態を、そして、「重度の割れ」とは、長さが１０ｍｍ以上または割れ部が開口した重度の内部割れが生じ、使用不可能あるいは特定の用途のみに使用可能な状態を意味する。
同図の結果によれば、バルジング量やディプレッション量が多い場合には、内部割れが悪化しており、バルジング量およびディプレッション量の少なくとも一方が４ｍｍ以上となる鋳片では、大半の場合に重度の内部割れが発生している。
つまり、図１および図２の結果から、鋳片の横断面における対角比が１．０から逸脱するほど、また、バルジング量やディプレッション量が大きくなるほど、内部割れが発生し、拡大することが判明した。
上記の調査により得られた断面の観察結果を下記の図３〜図５に示した。
図３は、鋳片横断面における対角比の測定方法および内部割れの発生状況を模式的に示す図である。対角比は横断面における２つの対角線のうち、短い方の対角線長さを長い方の対角線長さで除した比（すなわち、図３の例では、ａ／ｂを意味する）であり、この値が１．０から逸脱した鋳片では、横断面が菱形に変形している場合や不均一収縮により異形となっている場合がある。
横断面が菱形に変形した場合には、鋳片横断面の鈍角となるコーナー近傍には凝固過程で引っ張り歪みが発生し、同図に示すような位置に内部割れが発生する。この変形は主として内部割れの拡大に悪影響を与え、対角比が１．０から大きく逸脱すると、長さが３０ｍｍを超えるような粗大な内部割れが発生することもある。
図４は、鋳片横断面におけるバルジングの測定方法および内部割れの発生状況を模式的に示す図である。鋳片のバルジング量は、その横断面において、隣り合うコーナー部を結ぶ直線を基準として外部に向かって最も膨れた部分の変位量を測定することにより求めた。このようなバルジング量が大きくなると、多くの場合には、鋳片横断面に窪みとなるディプレッションが発生し、このディプレッションやバルジングの生成にともなう表面の変曲部に内部割れが発生する。
図５は、鋳片横断面におけるディプレッションの測定方法および内部割れの発生状況を模式的に示す図である。鋳片のディプレッション量は、隣り合うコーナー部を結ぶ直線を基準として内部に向かって最も窪んだ部分の変位量を測定することにより求めた。このようなディプレッション量が大きくなると、窪みとなる部分の表皮下部に内部割れが発生する。この発生の形状から、ディプレッションにともなう内部割れは、主としてディプレッションの形状に基づいて発生する引っ張り応力に起因していると考えられる。
１−２．適正範囲の限定理由および調整方法
第１発明における適正範囲を前記のとおり規定した理由および適正範囲への調整方法などについて下記に説明する。
第１発明における適正範囲を前記のとおり規定した理由および適正範囲への調整方法などについて下記に説明する。
（１）Ｍｎ／Ｓ
本発明では、Ｓを質量％で、０．０３〜０．５０％含有し、ＭｎとＳの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓが２０未満である鋼の連続鋳造を対象としている。Ｓ含有率の規定の理由については前述したとおりである。Ｍｎ／Ｓの値に関しては、その値が大きいと一般に内部割れ感受性が低下することが知られている。Ｓ含有率が０．０３％以上を含有する鋼種では、Ｍｎ／Ｓの値が２０以上であれば内部割れ感受性は小さく、鋳型出口付近で内部割れが発生することはほとんどない。そこで、本発明の対象となる鋼種を、Ｍｎ／Ｓの値が２０未満の鋼種と規定した。もちろん、Ｍｎ／Ｓの値が２０以上の鋼種に関しても、鋳型出口付近から二次冷却過程における鋳片の変形応力を抑制し、欠陥を防止するという本発明の技術的思想を適用することは可能である。
本発明では、Ｓを質量％で、０．０３〜０．５０％含有し、ＭｎとＳの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓが２０未満である鋼の連続鋳造を対象としている。Ｓ含有率の規定の理由については前述したとおりである。Ｍｎ／Ｓの値に関しては、その値が大きいと一般に内部割れ感受性が低下することが知られている。Ｓ含有率が０．０３％以上を含有する鋼種では、Ｍｎ／Ｓの値が２０以上であれば内部割れ感受性は小さく、鋳型出口付近で内部割れが発生することはほとんどない。そこで、本発明の対象となる鋼種を、Ｍｎ／Ｓの値が２０未満の鋼種と規定した。もちろん、Ｍｎ／Ｓの値が２０以上の鋼種に関しても、鋳型出口付近から二次冷却過程における鋳片の変形応力を抑制し、欠陥を防止するという本発明の技術的思想を適用することは可能である。
（２）鋳片横断面の長辺と短辺の長さの比
横断面の形状は、矩形であり、かつ横断面の長辺と短辺の長さの比が３：２未満（すなわち、１．５未満）と規定した。長辺と短辺の長さの比が１．５以上であり、一般に板の素材として使用され、スラブと呼ばれる鋳片においては、二次冷却などの条件を変化させても、平行四辺形状に変形することは少なく、対角比も大きくは変化しない。また、内部割れ感受性の高い鋼種をこのような形状の鋳片として鋳造することは希である。そこで、本発明では、鋳片横断面の長辺と短辺の長さの比を１．５未満と規定した。
横断面の形状は、矩形であり、かつ横断面の長辺と短辺の長さの比が３：２未満（すなわち、１．５未満）と規定した。長辺と短辺の長さの比が１．５以上であり、一般に板の素材として使用され、スラブと呼ばれる鋳片においては、二次冷却などの条件を変化させても、平行四辺形状に変形することは少なく、対角比も大きくは変化しない。また、内部割れ感受性の高い鋼種をこのような形状の鋳片として鋳造することは希である。そこで、本発明では、鋳片横断面の長辺と短辺の長さの比を１．５未満と規定した。
（３）対角比、バルジング量、ディプレッション量
対角比、バルジング量およびディプレッション量の限定理由については、前述のとおりである。鋳片の断面形状は、鋳型内の溶鋼の流動、鋳片の冷却、連続鋳造機のアライメント状況など、種々の因子の影響を受ける。本発明において規定する対角比が０．９９以上であり、鋳片のバルジング量が４ｍｍ未満、かつ、ディプレッション量が４ｍｍ未満となる鋳片を得るためには、鋳造速度の他にも、鋳型直下の二次冷却条件、鋳型の長短辺比、鋳型内における溶鋼の流動条件、鋳型テーパー、マシンアライメントなどの条件を最適化することが有効である。
対角比、バルジング量およびディプレッション量の限定理由については、前述のとおりである。鋳片の断面形状は、鋳型内の溶鋼の流動、鋳片の冷却、連続鋳造機のアライメント状況など、種々の因子の影響を受ける。本発明において規定する対角比が０．９９以上であり、鋳片のバルジング量が４ｍｍ未満、かつ、ディプレッション量が４ｍｍ未満となる鋳片を得るためには、鋳造速度の他にも、鋳型直下の二次冷却条件、鋳型の長短辺比、鋳型内における溶鋼の流動条件、鋳型テーパー、マシンアライメントなどの条件を最適化することが有効である。
鋳片寸法や鋳造速度、鋳造鋼種などにより最適条件は異なるので一概に規定することはできないが、例えば、浸漬ノズルからの吐出流が短辺などの凝固シェルに強く衝突すると、局所的にシェル厚さが薄くなり、応力集中の原因となり、内部割れの発生につながる。連続鋳造機のアライメント不良が存在すると、鋳片の変形の原因となる。二次冷却の配管条件により鋳片表面の不均一冷却が生じると、ディプレッションの原因となることがある。また、鋳型内の湯面変動が鋳片のディプレッションの原因となることもある。これらの条件はいずれも内部割れ発生の誘因となり、鋳片寸法や鋳造速度、鋳造鋼種などに応じて適正な条件を設定することが重要である。
２．連続鋳造速度の好ましい範囲
第２発明は、定常状態における鋳造速度を０．６ｍ／ｍｉｎ未満として鋳造する第１発明の鋼の連続鋳造方法である。
第２発明は、定常状態における鋳造速度を０．６ｍ／ｍｉｎ未満として鋳造する第１発明の鋼の連続鋳造方法である。
本発明が対象とするＳ含有率が０．０３〜０．５０質量％であり、Ｍｎ／Ｓの値が２０未満である内部割れ感受性の高い鋼種においては、未凝固部を含む状態での鋳片の曲げまたは矯正により生じる歪みによっても内部割れが発生することがある。これは、上記鋳片が未凝固の段階で曲げや矯正操作を受けると、鋳片の表面から深い位置、すなわち、曲げや矯正時における凝固界面近傍において内部割れが発生しやすいからである。したがって、連続鋳造機の形式としては、垂直型、完全凝固後に鋳片を矯正する湾曲型、または完全凝固後に鋳片を曲げる形式の垂直曲げ型連続鋳造機を用いることが好ましい。
垂直型、完全凝固後に矯正する湾曲型、または完全凝固後に曲げる垂直曲げ型連続鋳造機によりこのような割れ感受性の高い鋼種を鋳造すると、曲げや矯正の操作に起因する内部割れは防止することが可能となるが、鋳片の表皮から５〜１５ｍｍ程度の表皮近傍、つまり比較的浅い領域で内部割れが発生することがある。そして、これらの割れの発生位置は、鋳片が鋳型から離れる位置、つまり鋳型下部あるいは鋳型出口における鋳片内の凝固界面の深さ位置に相当する。
鋳型内では、鋳片の４面全面が鋳型内面により支持されており、凝固シェルの変形に伴う歪みの発生は少ないが、鋳型下部あるいは鋳型出口では、凝固シェルが鋳型から離れるため、凝固シェルが変形する。この時の歪により上記のような内部割れが発生するものと考えられる。凝固シェルの厚みを増加させれば、凝固シェルの強度が増し変形量が減少する。また、凝固シェルが厚い場合には、同じ変形量であっても歪み量は減少する。
図６に、同一連続鋳造機により鋳造した場合の鋳造速度と内部割れの発生率との関係を示す。同図の関係は、Ｓを０．０３〜０．５０質量％含有し、Ｍｎ／Ｓの値が２０未満の鋼種について調査したものである。鋳造速度を０．６ｍ／ｍｉｎ未満とすることにより、内部割れ発生率は著しく低下し、凝固シェルが鋳型から離れる鋳型下部において厚さが十数ｍｍの凝固シェルが生成して、内部割れ感受性を緩和することができる。このような検討結果から、鋳造速度を０．６ｍ／ｍｉｎ未満とすることが好ましいことが判明した。より好適には、鋳造速度を０．５５ｍ／ｍｉｎ未満とするのがよい。
したがって、鋳型内において凝固シェルが鋳型から離れ、変形することに起因する内部割れの発生を防止するためには、凝固収縮に見合うテーパーを鋳型に設置することにより表皮下部の内部割れを防止することが有効である。
３．化学成分組成の限定理由および好ましい範囲
本発明は、被削性を備えた内部割れ感受性の高い機械構造用鋼を主な対象鋼とした連続鋳造方法である。第３発明〜第６発明において、下記のとおり含有率の適正範囲および好ましい範囲を規定した。
本発明は、被削性を備えた内部割れ感受性の高い機械構造用鋼を主な対象鋼とした連続鋳造方法である。第３発明〜第６発明において、下記のとおり含有率の適正範囲および好ましい範囲を規定した。
なお、以下の記述では、各成分元素の含有量についての「％」の表示は「質量％」を意味する。
３−１ 第３発明および第４発明
Ｃ：０．２〜０．６％
Ｃは、鋼の引張強度を確保するために必要な元素であり、機械構造用鋼として必要な強度および靱性を付与させることができるので、その含有率を０．２％以上と規定した。一方、その含有量が０．６％を超えて高くなると、快削性の前提となる素地の加工性が損なわれる。そこで、Ｃの含有率を０．２〜０．６％と規定した。
Ｃ：０．２〜０．６％
Ｃは、鋼の引張強度を確保するために必要な元素であり、機械構造用鋼として必要な強度および靱性を付与させることができるので、その含有率を０．２％以上と規定した。一方、その含有量が０．６％を超えて高くなると、快削性の前提となる素地の加工性が損なわれる。そこで、Ｃの含有率を０．２〜０．６％と規定した。
Ｓｉ：０．０３〜１．０％
Ｓｉは、鋼の製造プロセスにおいて鋼中の酸素含有率を低減するための脱酸元素として用いられる有効な元素の一つである。溶鋼が充分に脱酸されていない状態で連続鋳造を行うと、鋼中に気泡が生成し、製品の欠陥を発生するばかりでなく、場合によってはブレークアウトを誘発し、操業が不可能になるという問題がある。
Ｓｉは、鋼の製造プロセスにおいて鋼中の酸素含有率を低減するための脱酸元素として用いられる有効な元素の一つである。溶鋼が充分に脱酸されていない状態で連続鋳造を行うと、鋼中に気泡が生成し、製品の欠陥を発生するばかりでなく、場合によってはブレークアウトを誘発し、操業が不可能になるという問題がある。
また、Ｓｉは、鋼中で固溶強化作用を有する元素でもあり、脱酸およびこれらの効果を得るためには、その含有量を０．０３％以上とする必要がある。しかし、その含有率が１．０％を超えると、鋼の熱間加工性を低下させ、切削抵抗が高くなるという問題があるので、Ｓｉの含有率を０．０３〜１．０％とした。さらに好ましいＳｉ含有率の範囲は、０．１〜１．０％である。
Ｍｎ：０．４〜２．０％
Ｍｎは、ＭｎＳ系硫化物を形成する元素であるとともに、焼入れ性を向上させて鋼の引張強度を増大させるのに有効な元素であり、同時に脱酸作用も有する。このため、機械構造用などを用途とする鋼種においては、０．４％以上を含有させる必要がある。Ｍｎ／Ｓの値を大きくすれば割れ感受性を低下させ、内部割れを低減できることはよく知られている。しかし、Ｍｎが２．０％を超えて多く含有されると、機械構造用鋼として必要な加工性が低下するなどの弊害があることから、含有率の上限を２．０％とした。Ｍｎ含有率の好ましい上限は１．３％である。上記の理由から、Ｍｎの適正範囲を０．４〜２．０％とした。
Ｍｎは、ＭｎＳ系硫化物を形成する元素であるとともに、焼入れ性を向上させて鋼の引張強度を増大させるのに有効な元素であり、同時に脱酸作用も有する。このため、機械構造用などを用途とする鋼種においては、０．４％以上を含有させる必要がある。Ｍｎ／Ｓの値を大きくすれば割れ感受性を低下させ、内部割れを低減できることはよく知られている。しかし、Ｍｎが２．０％を超えて多く含有されると、機械構造用鋼として必要な加工性が低下するなどの弊害があることから、含有率の上限を２．０％とした。Ｍｎ含有率の好ましい上限は１．３％である。上記の理由から、Ｍｎの適正範囲を０．４〜２．０％とした。
Ｐ：０．００３〜０．２％
Ｐは、鋼中の不純物元素の一つであるが、被削性を改善する効果を有する元素でもある。精錬段階においてその含有率を０．００３％未満とするには、多大なコストを要するため、含有率の下限を０．００３％とした。被削性の改善のためには、０．０１％以上を含有させることが好ましい。一方、Ｐは凝固界面における元素の分配係数が小さいため、偏析を助長し、内部割れを悪化させ、熱間加工性を悪化させるとともに、靱性の劣化や延性の低下をもたらす。そこで、Ｐ含有率の上限を０．２％とした。Ｐの偏析に起因する熱間加工性の悪化と、加工工程における疵の発生を確実に防止するためには、Ｐ含有率の上限を０．１％とするのが好ましい。
Ｐは、鋼中の不純物元素の一つであるが、被削性を改善する効果を有する元素でもある。精錬段階においてその含有率を０．００３％未満とするには、多大なコストを要するため、含有率の下限を０．００３％とした。被削性の改善のためには、０．０１％以上を含有させることが好ましい。一方、Ｐは凝固界面における元素の分配係数が小さいため、偏析を助長し、内部割れを悪化させ、熱間加工性を悪化させるとともに、靱性の劣化や延性の低下をもたらす。そこで、Ｐ含有率の上限を０．２％とした。Ｐの偏析に起因する熱間加工性の悪化と、加工工程における疵の発生を確実に防止するためには、Ｐ含有率の上限を０．１％とするのが好ましい。
Ｓ：０．０３〜０．５％
Ｓは、Ｍｎなどの元素と硫化物を形成し、被削性を改善するために必要な元素である。本発明は、被削性を備えた内部割れ感受性の高い鋼種を主な対象鋼種として、内部割れの発生を防止する連続鋳造方法である。そのため、Ｓ含有率の下限を０．０３％とした。一方、Ｓを０．５％以上含有させると、鋼中に過剰のＭｎＳが生成して機械構造用鋼として必要な強度および靱性を得ることができなくなる。したがって、Ｓの含有率の適正範囲を０．０３〜０．５％とした。Ｓを０．２％以上含有すると、エンジン部材や自動車用足回り部材のように強度、疲労強度および耐久性を要求される用途に対しては、十分な信頼性を確保することが困難となる。そのような用途の鋼材に関しては、好ましいＳ含有率の範囲は０．０３〜０．２％である。
Ｓは、Ｍｎなどの元素と硫化物を形成し、被削性を改善するために必要な元素である。本発明は、被削性を備えた内部割れ感受性の高い鋼種を主な対象鋼種として、内部割れの発生を防止する連続鋳造方法である。そのため、Ｓ含有率の下限を０．０３％とした。一方、Ｓを０．５％以上含有させると、鋼中に過剰のＭｎＳが生成して機械構造用鋼として必要な強度および靱性を得ることができなくなる。したがって、Ｓの含有率の適正範囲を０．０３〜０．５％とした。Ｓを０．２％以上含有すると、エンジン部材や自動車用足回り部材のように強度、疲労強度および耐久性を要求される用途に対しては、十分な信頼性を確保することが困難となる。そのような用途の鋼材に関しては、好ましいＳ含有率の範囲は０．０３〜０．２％である。
Ｐｂ：０．０１％未満
本発明では、Ｐｂの含有率は特に規定しないが、本発明の目的がＰｂを含有しなくても良好な切削性能が得られる快削鋼の製造方法を提供することにあることから、不純物レベルのＰｂを含有する快削鋼の製造方法は、本発明の範囲に含まれる。スクラップからの混入などに起因して不純物として鋼中に含有されるＰｂ含有率は、高々０．０１％程度であることを考慮すれば、本発明の連続鋳造方法は、Ｐｂ含有率が０．０１％未満の快削鋼の製造が対象となる。
本発明では、Ｐｂの含有率は特に規定しないが、本発明の目的がＰｂを含有しなくても良好な切削性能が得られる快削鋼の製造方法を提供することにあることから、不純物レベルのＰｂを含有する快削鋼の製造方法は、本発明の範囲に含まれる。スクラップからの混入などに起因して不純物として鋼中に含有されるＰｂ含有率は、高々０．０１％程度であることを考慮すれば、本発明の連続鋳造方法は、Ｐｂ含有率が０．０１％未満の快削鋼の製造が対象となる。
Ａｌ：０．００５〜０．１％
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であるが、ＳｉおよびＭｎにより脱酸することもできる。したがって、Ａｌにより脱酸処理することは特に必要ではなく、Ａｌは含有させてもさせなくてもよい。一方、Ａｌを積極的に含有させれば、脱酸効果が高まるとともに、窒化物を形成してオーステナイト粒を微細にするので、靱性の改善効果が発揮される。これらの効果は、Ａｌの含有率が０．００５％以上において確実に得られる。
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であるが、ＳｉおよびＭｎにより脱酸することもできる。したがって、Ａｌにより脱酸処理することは特に必要ではなく、Ａｌは含有させてもさせなくてもよい。一方、Ａｌを積極的に含有させれば、脱酸効果が高まるとともに、窒化物を形成してオーステナイト粒を微細にするので、靱性の改善効果が発揮される。これらの効果は、Ａｌの含有率が０．００５％以上において確実に得られる。
したがって、脱酸効果および靱性の改善効果を得たい場合には、Ａｌを０．００５％以上含有させてもよい。しかし、Ａｌを０．１％を超えて多く含有させても、脱酸効果がほぼ飽和するだけでなく、窒化物が粗大化することから、かえって靱性の低下をきたす。このような理由から、Ａｌを含有させる場合には、その含有率の上限を０．１％とした。なお、上記「Ａｌ」とは、鋼中の酸可溶Ａｌ（以下、「ｓｏｌ．Ａｌ」ともいう）を意味する。
Ｎ：０．００１〜０．０２％
Ｎは、窒化物を形成して結晶粒を微細化し、靱性および疲労特性を向上させる作用を有する。通常の転炉または電気炉から２次精錬を経て連続鋳造するプロセスでは、不可避的に０．００１％以上を含有する。また、上記の窒化物の作用を確実なものとするためには、Ｎの含有率を０．００１％以上とする必要がある。しかし、その含有率が０．０２％を超えて高くなると、窒化物が粗大になり、かえって靱性の劣化を招く。そこで、Ｎ含有率の範囲を０．００１〜０．０２％とした。Ｎ含有率の好ましい範囲は０．００２〜０．０２％である。
Ｎは、窒化物を形成して結晶粒を微細化し、靱性および疲労特性を向上させる作用を有する。通常の転炉または電気炉から２次精錬を経て連続鋳造するプロセスでは、不可避的に０．００１％以上を含有する。また、上記の窒化物の作用を確実なものとするためには、Ｎの含有率を０．００１％以上とする必要がある。しかし、その含有率が０．０２％を超えて高くなると、窒化物が粗大になり、かえって靱性の劣化を招く。そこで、Ｎ含有率の範囲を０．００１〜０．０２％とした。Ｎ含有率の好ましい範囲は０．００２〜０．０２％である。
３−２ 第５発明および第６発明
第５発明および第６発明は、上記第３発明または第４発明の成分元素に加えて、さらに下記の（ａ）群および（ｂ）群の１つ以上の群から選んだ１種以上の元素を含有する鋼の連続鋳造方法である。
第５発明および第６発明は、上記第３発明または第４発明の成分元素に加えて、さらに下記の（ａ）群および（ｂ）群の１つ以上の群から選んだ１種以上の元素を含有する鋼の連続鋳造方法である。
すなわち、（ａ）群元素は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＶおよびＮｂからなり、含有させてもさせなくてもよいが、含有させることにより、鋼の強度、靱性などの機械的特性を改善する作用を有する元素である。また、（ｂ）群元素は、Ｔｅ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｍｇおよび希土類元素からなり、含有させてもさせなくてもよいが、含有させることにより、鋼の被削性をさらに改善する作用を有する元素である。
Ｃｕ：１．０％下
Ｃｕは、鋼の焼入れ性を向上させる元素であり、その効果を得るためには、０．０１％以上を含有することが好ましい。一方、その含有率が１．０％を超えて高くなると、鋼材の熱間加工性や被削性が低下する。したがって、Ｃｕを含有させる場合は、その含有率の範囲を０．０１〜１．０％とすることが好ましい。また、連続鋳造時には「スタークラッキング」と称する表面割れを誘発する元素であることから、Ｃｕを０．０３％以上含有する場合にはその１／３以上の含有率のＮｉを併せて含有させるのが望ましい。
Ｃｕは、鋼の焼入れ性を向上させる元素であり、その効果を得るためには、０．０１％以上を含有することが好ましい。一方、その含有率が１．０％を超えて高くなると、鋼材の熱間加工性や被削性が低下する。したがって、Ｃｕを含有させる場合は、その含有率の範囲を０．０１〜１．０％とすることが好ましい。また、連続鋳造時には「スタークラッキング」と称する表面割れを誘発する元素であることから、Ｃｕを０．０３％以上含有する場合にはその１／３以上の含有率のＮｉを併せて含有させるのが望ましい。
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｉは、固溶強化によって鋼の強度を向上させる効果を有する元素である。また、焼入れ性や靭性を改善する効果も有する。これらの効果を得るには、その含有率を０．０１％以上とすることが好ましい。一方、含有率が１．０％を超えて高くなると、その効果は飽和するだけでなく、被削性が低下する。したがって、Ｎｉを含有させる場合は、その含有率の範囲を０．０１〜１．０％とすることが好ましい。
Ｎｉは、固溶強化によって鋼の強度を向上させる効果を有する元素である。また、焼入れ性や靭性を改善する効果も有する。これらの効果を得るには、その含有率を０．０１％以上とすることが好ましい。一方、含有率が１．０％を超えて高くなると、その効果は飽和するだけでなく、被削性が低下する。したがって、Ｎｉを含有させる場合は、その含有率の範囲を０．０１〜１．０％とすることが好ましい。
Ｃｒ：２．０％以下
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を改善する効果を有する元素である。その効果を得るためには０．０１％以上を含有させることが好ましい。しかし、その含有率が２．０％を超えて高くなると、被削性が劣化する。したがって、Ｃｒを含有させる場合は、その含有率の範囲を０．０１〜２．０％とすることが好ましい。
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を改善する効果を有する元素である。その効果を得るためには０．０１％以上を含有させることが好ましい。しかし、その含有率が２．０％を超えて高くなると、被削性が劣化する。したがって、Ｃｒを含有させる場合は、その含有率の範囲を０．０１〜２．０％とすることが好ましい。
Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、鋼組織を微細化し、靱性を改善する効果を有する。その効果を得るには０．０１％以上を含有させることが好ましい。しかし、１．０％を超えて含有させてもその効果は飽和し、また、Ｍｏは高価な元素であることから、コスト増加につながる。したがって、Ｍｏを含有させる場合は、その含有率の範囲を０．０１〜１．０％とすることが好ましい。
Ｍｏは、鋼組織を微細化し、靱性を改善する効果を有する。その効果を得るには０．０１％以上を含有させることが好ましい。しかし、１．０％を超えて含有させてもその効果は飽和し、また、Ｍｏは高価な元素であることから、コスト増加につながる。したがって、Ｍｏを含有させる場合は、その含有率の範囲を０．０１〜１．０％とすることが好ましい。
Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．１％以下
ＶおよびＮｂは、鋼中で炭窒化物を形成し、鋼の強度を高める効果を有する元素である。その効果を得るためには、それぞれ、０．００５％以上を含有させることが好ましい。しかし、Ｖについては０．５％を、また、Ｎｂについては０．１％を、それぞれ超えて高く含有させても、上記の効果が飽和するのみならず、炭化物や窒化物が過剰に生成し、被削性の劣化をきたす。したがって、これらの元素を含有させる場合は、その含有率の範囲を、Ｖについては０．００５〜０．５％、Ｎｂについては０．００５〜０．１％とすることが好ましい。
ＶおよびＮｂは、鋼中で炭窒化物を形成し、鋼の強度を高める効果を有する元素である。その効果を得るためには、それぞれ、０．００５％以上を含有させることが好ましい。しかし、Ｖについては０．５％を、また、Ｎｂについては０．１％を、それぞれ超えて高く含有させても、上記の効果が飽和するのみならず、炭化物や窒化物が過剰に生成し、被削性の劣化をきたす。したがって、これらの元素を含有させる場合は、その含有率の範囲を、Ｖについては０．００５〜０．５％、Ｎｂについては０．００５〜０．１％とすることが好ましい。
Ｔｅ：０．０１％以下
Ｔｅは、Ｍｎとともに、Ｍｎ（Ｓ、Ｔｅ）を形成し、被削性の改善に有効な元素である。また、Ｔｅを含有する硫化物は、熱間加工時の硫化物の伸びを抑制する作用があるので、熱間加工後の鋼材の機械的特性の異方性を低減する作用がある。これらの効果を得るためには、０．００１％以上を含有させることが好ましい。しかし、Ｔｅは、０．０１％を超えて多量に含有されるとその効果が飽和し、また、極めて高価な元素であることから、コストを上昇させることとなる。したがって、Ｔｅを含有させる場合は、その含有率の範囲を、０．００１〜０．０１％とすることが好ましい。
Ｔｅは、Ｍｎとともに、Ｍｎ（Ｓ、Ｔｅ）を形成し、被削性の改善に有効な元素である。また、Ｔｅを含有する硫化物は、熱間加工時の硫化物の伸びを抑制する作用があるので、熱間加工後の鋼材の機械的特性の異方性を低減する作用がある。これらの効果を得るためには、０．００１％以上を含有させることが好ましい。しかし、Ｔｅは、０．０１％を超えて多量に含有されるとその効果が飽和し、また、極めて高価な元素であることから、コストを上昇させることとなる。したがって、Ｔｅを含有させる場合は、その含有率の範囲を、０．００１〜０．０１％とすることが好ましい。
Ｂｉ：０．３％以下、Ｓｎ：０．３％以下
ＢｉおよびＳｎは、いずれも低融点の金属介在物として鋼材の切削加工時に潤滑効果を発揮し、被削性を改善する。その効果は、それぞれの含有率が０．００５％以上で顕著になるので、これらの効果を得るためには、０．００５％以上を含有させることが好ましい。他方、これらの元素が多量に含有されると、連続鋳造時に、それらの介在物が表面割れの起点となることがあり、表面品質を悪化させる原因となる。このため、これらの元素の含有率は０．３％以下とすることが好ましい。上記の理由から、ＢｉまたはＳｎを含有させる場合は、いずれも、その含有率の範囲を、０．００５〜０．３％とすることが好ましい。
ＢｉおよびＳｎは、いずれも低融点の金属介在物として鋼材の切削加工時に潤滑効果を発揮し、被削性を改善する。その効果は、それぞれの含有率が０．００５％以上で顕著になるので、これらの効果を得るためには、０．００５％以上を含有させることが好ましい。他方、これらの元素が多量に含有されると、連続鋳造時に、それらの介在物が表面割れの起点となることがあり、表面品質を悪化させる原因となる。このため、これらの元素の含有率は０．３％以下とすることが好ましい。上記の理由から、ＢｉまたはＳｎを含有させる場合は、いずれも、その含有率の範囲を、０．００５〜０．３％とすることが好ましい。
Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下
ＣａおよびＭｇは、強力な脱酸元素であり、溶鋼中で微細な酸化物を多数生成し、ＭｎＳ生成の核となる。これらの酸化物を核としたＭｎＳは、熱間加工時に延伸が抑制される。また、ＣａおよびＭｇは、硫化物を形成し、ＭｎＳ生成の核となる。このように、ＣａおよびＭｇは、硫化物を微細分散させ、その形態を制御して被削性を改善する効果を有する。この効果を得たい場合には、ＣａおよびＭｇのいずれについても、０．０００１％以上含有させることが好ましい。より好ましくは、０．０００５％以上含有させるのがよい。一方、これらの元素を０．０１％を超えて多量に含有させてもその効果は飽和し、溶鋼の存在する高温では、蒸気圧が高くなり添加歩留まりも悪化する。したがって、ＣａまたはＭｇを含有させる場合は、それらの含有率の範囲は、いずれについても０．０００１〜０．０１％とすることが好ましい。
ＣａおよびＭｇは、強力な脱酸元素であり、溶鋼中で微細な酸化物を多数生成し、ＭｎＳ生成の核となる。これらの酸化物を核としたＭｎＳは、熱間加工時に延伸が抑制される。また、ＣａおよびＭｇは、硫化物を形成し、ＭｎＳ生成の核となる。このように、ＣａおよびＭｇは、硫化物を微細分散させ、その形態を制御して被削性を改善する効果を有する。この効果を得たい場合には、ＣａおよびＭｇのいずれについても、０．０００１％以上含有させることが好ましい。より好ましくは、０．０００５％以上含有させるのがよい。一方、これらの元素を０．０１％を超えて多量に含有させてもその効果は飽和し、溶鋼の存在する高温では、蒸気圧が高くなり添加歩留まりも悪化する。したがって、ＣａまたはＭｇを含有させる場合は、それらの含有率の範囲は、いずれについても０．０００１〜０．０１％とすることが好ましい。
希土類元素：０．０１％
希土類元素は、ランタノイドとして分類される元素群である。これらの元素を含有させる場合には、通常、これらの元素を主要成分とする安価なミッシュメタルなどを用いて添加する。本発明では、希土類元素の含有率は、希土類元素の中の１種または２種以上の元素の合計含有率により表す。希土類元素は、Ｓおよび酸素とともに硫化物または酸化物を形成する。形成された酸化物は微細に分散し、ＭｎＳ生成の核となるので、熱間加工時の延伸を抑制し、硫化物を微細に分散させ、介在物の形態を制御して被削性を向上させる。
希土類元素は、ランタノイドとして分類される元素群である。これらの元素を含有させる場合には、通常、これらの元素を主要成分とする安価なミッシュメタルなどを用いて添加する。本発明では、希土類元素の含有率は、希土類元素の中の１種または２種以上の元素の合計含有率により表す。希土類元素は、Ｓおよび酸素とともに硫化物または酸化物を形成する。形成された酸化物は微細に分散し、ＭｎＳ生成の核となるので、熱間加工時の延伸を抑制し、硫化物を微細に分散させ、介在物の形態を制御して被削性を向上させる。
これらの効果を得るためには、０．０００５％以上を含有させることが好ましい。しかし、希土類元素の含有率が０．０１％を超えて高くなると、上記の効果が飽和するだけではなく、多量の酸化物が生成し、連続鋳造過程において浸漬ノズルを閉塞させる原因となる。また、ＣａおよびＭｇと同様に、添加歩留りが低いので、多量に含有させるのはコスト的にも不利となる。したがって、希土類元素を含有させる場合は、その含有率の範囲を、０．０００５〜０．０１％とすることが好ましい。
本発明の効果を確認するため、下記に示す連続鋳造試験を行い、試験により得られた鋳片サンプルを用いて内部割れの発生状況を調査し、試験結果を評価した。
試験に使用した連続鋳造機の仕様を表２に示す。
鋳造試験には鋳片の横断面が幅４２５ｍｍ×厚さ３２０ｍｍであり、１６．７ｍの垂直部を有する１点曲げ、１点矯正の垂直完全凝固後曲げ型の連続鋳造機（以下、「連続鋳造機１」とも記す）、および鋳片横断面が幅４３５ｍｍ×厚さ３１０ｍｍの５点曲げ、１点矯正の垂直曲げ型ブルーム連続鋳造機（以下、「連続鋳造機２」とも記す）を使用した。なお、連続鋳造機２は、垂直曲げ型ではあるものの、内部割れ感受性の高い高炭素鋼などの鋳造に対応して鋳片の曲げゾーンの長さを長くとり、未凝固部を含む領域で鋳片を曲げ、歪みを分散させて、内部割れを発生する歪みを減少させた連続鋳造機である。
連続鋳造により得られた鋳片から横断面および縦断面のサンプルを採取し、サルファプリントを行い、目視により最大の内部割れ発生長さを測定した。あらかじめ、内部割れと判定された部分の元素マッピング分析を行い、Ｍｎ、Ｓ、Ｐなどの含有率が著しく増加していることを確認し、このような判定方法により内部割れを検出できることを確認した。
（内部割れ長さ）
縦断面試料を用い、採取鋳片の幅中央部について、鋳造方向の長さ約４００ｍｍにわたり観察を行った。内部割れは、通常、一定条件で鋳造すれば、高い頻度で同じ位置に発生し、鋳造方向に４００ｍｍの試料を採取すれば、複数個の割れの発生が検出され、同じ条件における割れの発生状況についての代表性を十分に確保することができる。そこで、このような方法により調査を行い、最大の割れ長さを内部割れ長さとした。
縦断面試料を用い、採取鋳片の幅中央部について、鋳造方向の長さ約４００ｍｍにわたり観察を行った。内部割れは、通常、一定条件で鋳造すれば、高い頻度で同じ位置に発生し、鋳造方向に４００ｍｍの試料を採取すれば、複数個の割れの発生が検出され、同じ条件における割れの発生状況についての代表性を十分に確保することができる。そこで、このような方法により調査を行い、最大の割れ長さを内部割れ長さとした。
（内部割れの評価）
最大の割れ長さが同じであっても、明瞭度が異なったり、発生頻度が異なるなどの理由により、製品としての使用可否の判定は異なる場合がある。そこで、内部割れの評価は下記のとおりとした。すなわち、鋳片サンプルにおいて割れが認められず、用途にかかわらず圧延および製品化が可能なものを割れなしとして「○評価」とし、長さが１０ｍｍ未満で且つ割れ部の開口が認められない軽微な内部割れがあり、用途に制約が生じるものを軽度として「△評価」とし、長さが１０ｍｍ以上または割れ部が開口しているような重度の内部割れが生じ、使用不可能あるいは特定の用途のみに使用可能なものを重度として「×評価」とした。
最大の割れ長さが同じであっても、明瞭度が異なったり、発生頻度が異なるなどの理由により、製品としての使用可否の判定は異なる場合がある。そこで、内部割れの評価は下記のとおりとした。すなわち、鋳片サンプルにおいて割れが認められず、用途にかかわらず圧延および製品化が可能なものを割れなしとして「○評価」とし、長さが１０ｍｍ未満で且つ割れ部の開口が認められない軽微な内部割れがあり、用途に制約が生じるものを軽度として「△評価」とし、長さが１０ｍｍ以上または割れ部が開口しているような重度の内部割れが生じ、使用不可能あるいは特定の用途のみに使用可能なものを重度として「×評価」とした。
（対角比）
鋳片の形状は、コーナー部分にスケールの固着や切断時の返りなどがあると、測定誤差の原因となることから、これらをあらかじめブラシなどで除去し、定規を使用して目視により０．５ｍｍの精度で測定した。対角比は、２つの対角線の長さの測定値の短い方を長い方で除して算出した。対角比が０．９９以上となる条件は、対角線の長さの差が１％以下となることを意味する。
鋳片の形状は、コーナー部分にスケールの固着や切断時の返りなどがあると、測定誤差の原因となることから、これらをあらかじめブラシなどで除去し、定規を使用して目視により０．５ｍｍの精度で測定した。対角比は、２つの対角線の長さの測定値の短い方を長い方で除して算出した。対角比が０．９９以上となる条件は、対角線の長さの差が１％以下となることを意味する。
（実施例１）
表３に示される成分組成を有する鋼種の溶鋼を用い、完全凝固後曲げ型の連続鋳造機１を使用して、鋳造速度を０．５〜０．５５ｍ／ｍｉｎとして連続鋳造し、内部割れの発生状況を調査した。また、表４に試験条件および試験結果をまとめて示した。
表３に示される成分組成を有する鋼種の溶鋼を用い、完全凝固後曲げ型の連続鋳造機１を使用して、鋳造速度を０．５〜０．５５ｍ／ｍｉｎとして連続鋳造し、内部割れの発生状況を調査した。また、表４に試験条件および試験結果をまとめて示した。
試験においては、鋳造速度、二次冷却水量、連続鋳造機の整備状況、その他鋳造中の変動因子の影響などにより鋳片の菱形変形、バルジング、ディプレッションなどが生じる場合があった。表４において、試験番号１および２は、第１発明で規定する条件を満足する本発明例の試験であり、試験番号３〜５は、第１発明で規定する条件を満たさない比較例の試験である。
本発明例である試験番号１および２では、鋳片横断面の対角比が０．９９以上であり、鋳片のバルジング量が４ｍｍ未満、かつ、ディプレッション量が４ｍｍ未満であったため、内部割れは発生しないか、または発生しても軽微なものであった。
これに対して、比較例である試験番号３では、対角比が０．９９以上であるが、ディプレッション量が４ｍｍ以上となったことから、ディプレッションの発生した鋳片のコーナー近傍の短辺側に大きな内部割れが発生した。また、対角比が０．９９未満となった比較例の試験番号４、および対角比が０．９９未満となり、かつ、ディプレッション量が４ｍｍ以上となった比較例の試験番号５では、鋳片横断面の対角線近傍に大きな内部割れが発生した。
（実施例２）
次に、同一鋼種を用いて、鋳造速度を変化させ、また、連続鋳造機の形式を変更して鋳造を行い、鋳造条件の影響を調査した。表５に、試験条件および試験結果をまとめて示した。
次に、同一鋼種を用いて、鋳造速度を変化させ、また、連続鋳造機の形式を変更して鋳造を行い、鋳造条件の影響を調査した。表５に、試験条件および試験結果をまとめて示した。
試験においては、溶鋼の供給条件や二次冷却条件、連続鋳造機のアライメントなどの設定を、極力、鋳片の変形を抑制できるような条件に選定した。
試験番号６は、完全凝固後曲げ型の連続鋳造機１を用い、鋳造速度を０．５０ｍ／ｍｉｎとして鋳造した本発明例の試験であり、試験番号７は、同じ連続鋳造機１を用いて、鋳造速度を０．６５ｍ／ｍｉｎとして鋳造し、ディプレッション量が４ｍｍ以上に達した比較例の試験である。また、試験番号８は、垂直曲げ型の連続鋳造機２を用いて、鋳造速度を０．５０ｍ／ｍｉｎとして鋳造した比較例の試験である。
完全凝固後曲げ型の連鋳機１を用いて鋳造速度を変化させたところ、本発明例である鋳造速度の遅い試験番号６では、内部割れが発生しなかったのに対して、鋳造速度を増加させた比較例の試験番号７では、ディプレッション量が増加し、鋳片横断面のコーナー近傍に内部割れが発生した。鋳造速度が増加することにともなって、鋳型出口付近における凝固シェルが脆弱化し、凝固シェルが変形して内部割れが発生したものと考えられる。
これに対して、内部割れ感受性の高い高炭素鋼などの鋳造に対応して、曲げ歪み量を減少するように設計された垂直曲げ型の連続鋳造機２を使用し、鋳造速度を０．５０ｍ／ｍｉｎとして鋳造を行った本発明例の試験番号８では、下記の結果となった。すなわち、鋳片の横断面形状の変形が抑制されたことにより、表皮近傍の割れは防止することができたが、鋳片の曲げに対応して表皮から３０ｍｍの深さの位置を起点として内部割れが発生した。鋳片の内部に発生する内部割れが製品の欠陥とならない用途であれば問題なく使用できるが、その内部割れが問題となる用途へは適用できない品質であった。
本発明の連続鋳造方法によれば、鉛を含有せずに、硫黄含有率を高めることにより、従来の鉛快削鋼や鉛と他の快削元素とを複合添加した複合快削鋼に匹敵する被削性を有する機械構造鋼用快削鋼を、内部割れを発生することなく連続鋳造することができる。よって、本発明の方法は、連続鋳造が困難であった硫黄系快削鋼の生産性および品質向上のための鋳造方法として広範に利用可能であり、当該技術分野の発展に大きく寄与できる。
Claims (6)
- 質量％で、Ｓを０．０３〜０．５０％含有し、ＭｎとＳの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓが２０未満である鋼を連続鋳造する際に、
短辺に対する長辺の長さの比が１．５未満である矩形の断面形状の鋳型を用い、
垂直型、完全凝固後に矯正する湾曲型、または完全凝固後に曲げおよび矯正を行う垂直曲げ型の連続鋳造機を用いて鋳造する連続鋳造方法であって、
鋳造された鋳片の横断面における対角比を０．９９以上とし、
鋳片のバルジング量およびディプレッション量をそれぞれ４ｍｍ未満とすることを特徴とする鋼の連続鋳造方法。
ここで、対角比とは、鋳片の横断面における２つの対角線のうち、短い方の対角線長さを長い方の対角線長さで除した比を意味する。また、バルジング量とは、鋳片横断面の長辺または短辺における部分的な膨れ量を意味し、ディプレッション量とは、鋳片横断面の長辺または短辺における部分的な窪み量を意味する。 - 定常状態における鋳造速度を０．６ｍ／ｍｉｎ未満として鋳造することを特徴とする請求項１に記載の鋼の連続鋳造方法。
ここで、定常状態とは、鋳込み開始初期、鋳込み終了および取鍋交換作業時期といった非定常な操業時期を除く鋳造操業状態を意味する。 - 請求項１または２に記載の鋼の連続鋳造方法を用いて、
質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｐ：０．００３〜０．２％、Ｓ：０．０３〜０．５０％、Ｐｂ：０．０１％未満、およびＮ：０．００１〜０．０２％を含有し、ＭｎとＳの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓが２０未満であり、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼を鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。 - 請求項１または２に記載の鋼の連続鋳造方法を用いて、
質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０３〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｐ：０．００３〜０．２％、Ｓ：０．０３〜０．５０％、Ｐｂ：０．０１％未満、Ｎ：０．００１〜０．０２％、およびＡｌ：０．００５〜０．１％を含有し、ＭｎとＳの質量含有率の比であるＭｎ／Ｓが２０未満であり、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼を鋳造することを特徴とする鋼の連続鋳造方法。 - Ｆｅに替えて、質量％で、Ｃｕ：１．０％、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｖ：０．５％以下およびＮｂ：０．１％以下から選んだ１種または２種以上を含有する鋼を鋳造することを特徴とする請求項３または４に記載の鋼の連続鋳造方法。
- さらに、Ｆｅに替えて、質量％で、Ｔｅ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．３％以下、Ｓｎ：０．３％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下および希土類元素：０．０１％以下から選んだ１種または２種以上を含有する鋼を鋳造することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の鋼の連続鋳造方法。
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| A521 | Written amendment |
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| A02 | Decision of refusal |
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