JP2013023739A - 高清浄度軸受鋼およびその溶製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】mass%で、C濃度:0.85〜1.2%、Sol.Al濃度:0.020〜0.035%、Cr濃度:0.50〜2.0%、S濃度:0.0020%以下、Total O濃度:0.0020%以下を有するとともに、連続鋳造後の鋳片から切り出したサンプルを鏡面研磨して顕微鏡観察した際に該鏡面研磨面上に存在する円相当径で1.0μm以上10μm以下の非金属介在物を有し、該非金属介在物を構成する全元素の中でのCa、Al、MgおよびOの占める割合が90atom%以上であるとともに、そのCa濃度が5atom%以上である非金属介在物の全個数のうち、その非金属介在物のCaO濃度が20〜50mass%であるものの個数比率が50%以上であることを特徴とする高清浄度軸受鋼である。
【選択図】図1
Description
(1)mass%で、C濃度:0.85〜1.2%、Sol.Al濃度:0.020〜0.035%、Cr濃度:0.50〜2.0%、S濃度:0.0020%以下、Total O濃度:0.0020%以下を有するとともに、連続鋳造後の鋳片から切り出したサンプルを鏡面研磨して顕微鏡観察した際に該鏡面研磨面上に存在する円相当径で1.0μm以上10μm以下の非金属介在物を有し、
該非金属介在物を構成する全元素の中でのCa、Al、MgおよびOの占める割合が90atom%以上であるとともに、そのCa濃度が5atom%以上である非金属介在物の全個数のうち、その非金属介在物のCaO濃度が20〜50mass%であるものの個数比率が50%以上であること
を特徴とする高清浄度軸受鋼。
「CaO−Al2O3−MgO系酸化物」とは、主要構成元素がCa、Al、MgおよびOで構成される非金属介在物であって、走査電子顕微鏡付属のエネルギー分散型X線分析装置等で測定した場合、上記元素の占める割合が90atom%以上である介在物を指す。一方、「MgO・Al2O3系酸化物」とは、主要構成元素がAl、MgおよびOで構成され、左記元素の占める割合が90atom%以上である介在物を指す。両者の違いは、酸化物中のCaの存在であり、Ca濃度が5atom%以上であるものを「CaO−Al2O3−MgO系酸化物」、Ca濃度が5atom%より低いものを「MgO・Al2O3系酸化物」とする。この時、酸化物には、上記元素の他、Si、Mn、やTi等の精錬段階で不可避的に混入する元素が10atom%以下で含まれていても良い。また、主要構成元素としてSもしくはNが45atom%以上含まれた、いわゆる硫化物もしくは窒化物は酸化物とは別に取り扱う。これら介在物は、鋳片1/2W、1/4T部(Wは幅、Tは厚さ方向を示す。)から切り出したサンプルを鏡面研磨した上で光学顕微鏡や走査電子顕微鏡等の観察器具を用いることで観察できる。顕微鏡観察では、測定視野面積40mm2以上観察し、鏡面研磨面上に存在する円相当径で1.0μm以上10μm以下の介在物を1サンプル当たり20個以上調査する。円相当径で10.0μmを超えるものは、スラグやモールドフラックスの巻き込み等による外来性の介在物である可能性が高いことから、検査対象からは除外する。この時、酸化物の全領域が含まれるように面分析を行い、得られた結果から、酸化物の組成をAl2O3、MgO、CaO、SiO2およびMnOといった酸化物の含有率(mass%)に換算できる。
本発明で「取鍋」とは、金属精錬に用いられる、金属鉄皮の内側を耐火物からなるレンガで内張した容器を指す。取鍋底部には溶鋼撹拌用のポーラス部が設けられており、スラグ精錬工程においては、ガスを吹き込んで溶鋼およびスラグを撹拌することができる。
製品寿命を向上させるためには、非金属介在物がCaO−Al2O3−MgO系酸化物であることが必要である。これは、硬質なMgO・Al2O3系酸化物を回避することを意味する。また、対象のCaO−Al2O3−MgO系酸化物は、その生成プロセスがスラグ起因でないことが必要であり、調査酸化物の粒径範囲を限定した上で、その個数比率を調査することで判別することができる。具体的には、調査面積内に存在する、円相当径で1.0μm以上10μm以下の非金属介在物の全個数に対し、その非金属介在物を構成する全元素の中でのCa、Al、MgおよびOの占める割合が90atom%以上であると共に、そのCa濃度が5atom%以上である非金属介在物の全個数の内、その非金属介在物のCaO濃度が20〜50mass%であるものの個数比率が50%以上であることが必要である。
本発明の高清浄度鋼の溶製方法は、製鋼炉から取鍋に出鋼した溶鋼に対して、バブリングランスを介して溶鋼中に撹拌ガスと脱硫剤を吹込む工程、スラグ精錬を行う工程、環流型脱ガス装置で取鍋精錬を行う工程を順次行う。なお、以下の説明では上記した工程を、バブリング工程、スラグ精錬工程、環流工程と呼ぶ。
高清浄度鋼は低酸素化、低硫化が必須であり、溶鋼炉から出鋼された溶鋼は、スラグメタル反応を伴うスラグ精錬工程、脱ガスと介在物の凝集、浮上除去促進を行う環流工程が適用されることが多い。
本発明では、環流工程においてC脱酸を活用することが重要である。従来、Al脱酸の高清浄度鋼ではAl添加に伴う脱酸およびスラグ精錬時のスラグメタル反応に伴う脱酸を活用していた。環流工程においては、Al脱酸が支配的である場合が多いが、条件によってはC脱酸が起こっていた場合もあった。
本発明における脱硫剤としては、CaO系脱硫剤であることが必要である。脱硫効率と反応性を考えると、CaO−CaF2系であることが望ましいが、CaO−Al2O3系もしくはCaO−CaF2−Al2O3系であっても良い。ここで、左記脱硫剤は主要構成成分の違いを示しており、CaO−CaF2系とは、主要構成成分であるCaO濃度とCaF2濃度の合計が90mass%以上であり、CaF2が最低10mass%以上含まれるものを指す。また、同様に、CaO−Al2O3系とは、主要構成成分であるCaO濃度とAl2O3濃度の合計が90mass%以上であり、Al2O3が最低10mass%以上含まれるものを指す。さらに、CaO−CaF2−Al2O3系とは、主要構成成分であるCaO濃度とCaF2濃度とAl2O3濃度の合計が90mass%以上であり、CaF2とAl2O3がそれぞれ最低10mass%以上含まれるものを指す。
ε:ガス撹拌に伴う溶鋼1t当たりの撹拌動力密度(W/t)
Q:吹込みガス流量(L(Normal)/min)
T:溶鋼温度(K)
W:溶鋼量(t)
ρ:溶鋼の密度(7000kg/m3)
H:ガス吹込み深さ(m)
P:雰囲気圧力(N/m2)
TG:吹込みガス温度(K)
次に、本発明を実施するにあたって、製品段階の鋼に含まれる元素について説明する。以下、断りが無い限り全てmass%とする。
C:0.85〜1.2%
Cは、母材強度の特性を支配する元素であり、強度を確保し、転動疲労寿命を向上させるために含有する。本発明では、上記4項で説明したように、C脱酸を生じさせるため、環流工程において溶鋼中のC濃度が0.85%以上必要である。同時に、本発明では製鋼炉から出鋼した時点である程度溶鋼中C濃度が高い状態でないと、脱硫反応が進行しない。一方、製品性能の面からは、1.2%を超えてCが含有されると過度に硬くなりすぎる。このため、C濃度は0.85〜1.2%以下であることが必要である。
Alは強力な脱酸元素であり、O濃度およびS濃度を低下させるために含有する。本発明では、上記4項で説明したように、環流工程において溶鋼中のsol.Al濃度が0.020〜0.035%であることが必要である。環流工程でのC脱酸後にAlを添加すると、酸化物組成がAl2O3に戻ってしまうことから、環流工程後のAl添加が出来ないことを考慮し、製品中のsol.Al濃度は0.020〜0.035%とする。
Crは焼き入れ性を高めて転動疲労寿命を向上させるのに有効な元素であり、0.5%以上含有していることが必要である。一方、2.0%を超えてCrを含有させても、焼き入れ後の表面硬さが高くなり過ぎ、加工性が低下するとともに、切削加工時の工具寿命も低化する。このため、Cr濃度は0.5〜2.0%であることが必要である。
Sは鋼材の製造過程において不可避的に含有される元素である。鋼材にとって強度を低下させる有害な元素であり、含有量は少ないほど望ましい。酸化物が極端に低減された鋼においては、硫化物を基点とした破壊が起こるようになる。このため、S濃度は0.0020%以下であることが必要である。望ましいS含有量は、0.0005%以下である。
Oは鋼材の製造過程において不可避的に含有される元素であり、溶存して、もしくは酸化物として存在する。両者を分離することは困難であることから、本発明でのO濃度は、両者を併せた全酸素濃度とする。鋼材中のO濃度が高くなると、酸化物量も多くなることから、鋼材の破壊の基点となる蓋然性が高くなる。このため、Total.O濃度は0.0020%以下であることが必要である。望ましいTotal.O含有量は、0.0005%以下である。
Si:0.1〜0.8%
Siは溶鋼中で脱酸元素として働き、鋼材中では焼き入れ性を高め、転動疲労寿命を向上させるのに有用であり、0.1%以上含有していることが望ましい。一方、0.8%を超えてSiを含有させても焼き入れ向上効果が飽和することに加え、母材が硬くなり切削時の工具寿命を低化させる。このため、Si濃度は0.1〜0.8%であることが望ましい。
Mnは脱酸剤として有用であり、鋼材の焼き入れ性を高めるとともに、鋼材中でMnSを形成して鋼材の被削性を増加させるのに有用であり、0.1%以上含有していることが望ましい。一方、1.5%を超えてMnを含有させても上記効果が飽和する。このため、Mn濃度は0.1〜2.5%であることが望ましい。
Pは結晶粒界に析出して鋼材の靱性や延性を低化させてしまう。Pの含有量が0.03%を超えると転動疲労寿命の低化が顕著に表れるようになることから、P濃度は0.03%以下であることが望ましい。
Caは鋼材の製造過程において媒溶剤等から不可避的に含有される元素であり、酸化物、硫化物中に含有される場合がある。Caが酸化物に含有されることで、酸化物は低融点化し、鋼材の破壊の基点となる蓋然性を低下させる。また、Caが硫化物に含有される場合も同様に、鋼材の破壊の基点となる蓋然性が低下する。本発明において、酸化物はCaO−Al2O3−MgO系であることが必要であるため、O%であってはならない。介在物中のCa量は微量であり、0.0005%以下であれば大きな問題とはならない。しかしながら、Caの含有量が0.0005%を超える場合、酸化物の粗大化を招き、転動疲労寿命の低化に繋がる。このため、Ca濃度は0.0005%以下(0%を含まない)であることが望ましい。
表3に示す値のうち、CaOが20%以上含まれるCaO−Al2O3−MgO系酸化物の個数比率と疲労寿命の関係を図1にグラフで示す。図1にグラフで示すように、本発明によって酸化物組成は軟質なCaO−Al2O3−MgO系に変化し、その個数比率が50%以上の場合は転動疲労寿命が向上していることがわかる。
Claims (3)
- mass%で、C濃度:0.85〜1.2%、Sol.Al濃度:0.020〜0.035%、Cr濃度:0.50〜2.0%、S濃度:0.0020%以下、Total O濃度:0.0020%以下を有するとともに、連続鋳造後の鋳片から切り出したサンプルを鏡面研磨して顕微鏡観察した際に該鏡面研磨面上に存在する円相当径で1.0μm以上10μm以下の非金属介在物を有し、
該非金属介在物を構成する全元素の中でのCa、Al、MgおよびOの占める割合が90atom%以上であるとともに、そのCa濃度が5atom%以上である非金属介在物の全個数のうち、その非金属介在物のCaO濃度が20〜50mass%であるものの個数比率が50%以上であること
を特徴とする高清浄度軸受鋼。 - 製鋼炉から取鍋に出鋼した溶鋼に対して、バブリングランスを介して溶鋼中に撹拌ガスと脱硫剤を吹込む工程、スラグ精錬を行う工程、環流型脱ガス装置で取鍋精錬を行う工程を順次行う高清浄度軸受鋼の溶製方法であって、
前記環流型脱ガス装置での処理を、溶鋼中のC濃度が0.85〜1.2mass%、sol.Al濃度が0.020〜0.035mass%であって、かつ、真空度が0.3kPa以下の状態で行うこと
を特徴とする請求項1に記載の高清浄度軸受鋼の溶製方法。 - 前記バブリングランスを介して溶鋼中に吹込むCaO系脱硫剤中のCa量が、Ca純分として溶鋼1tあたり1.0〜2.5kgであること
を特徴とする請求項2に記載の高清浄度軸受鋼の溶製方法。
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