JP2016539243A - 非調質鋼及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

非調質鋼及びその製造方法。非調質鋼の製造方法は、仕上工程、それに続く冷却のために強冷却と緩冷却とが交互に行われる冷却工程を有し、ここで、強冷却は、鋼材料の表面温度を急速に低下させることを確実にし、緩冷却は、鋼材料の中心部温度が表面まで徐々に拡散することを可能にし、急速な熱放散を可能にするために更なる強冷却が行われ、強冷却と緩冷却は、実際の必要性に基づいて交互に複数回行うことができる。強冷却と緩冷却とを組み合わせた水冷却スキームは、鋼材料の中心部温度と表面温度とが短時間で収束することを可能にし、したがって鋼材料の機械的性質の均一性を確保して製造効率を増大させる。

Description

本発明は、非調質鋼及びその製造方法に関し、鉄冶金の技術分野に属する。

現在、中国における機械切削用棒鋼は一般に、４５、４０Ｃｒ及び４２ＣｒＭｏ鋼などの一般的な鋼が使用される。これらの棒鋼は、機械切削用の原材料として使用する際に焼入れ及び焼戻し熱処理を必要とする。焼入れ及び焼戻しプロセスはコストが高い。焼入れ及び焼戻しプロセスは、エネルギー消費を増大させ、環境を汚染し、いくらかの廃棄物ロスをもたらすため、現在のエネルギー節約及び環境保護の要求に合致していない。したがって、焼入れ及び焼戻しプロセスを必要とせず、切削に直接使用できる非調質鋼が徐々に一般的な鋼に置き換わり、今後普及する傾向にある。非調質鋼とは、焼入れ及び焼戻し処理なしで性能要求事項を満たし得る機械的構造を有する鋼を意味する。このような鋼を部品製造に使用する場合、焼入れ及び焼戻し熱処理プロセスを省くことができ、エネルギー及び材料節約、技術簡素化などの利点があり、環境汚染の低減、並びに酸化、脱炭、変形及び亀裂の防止が可能となる。

国内における切削用非調質鋼製造の従来的プロセスは、電気炉製錬〜精錬〜鋳型鋳造〜制御圧延及び制御冷却を含む。このような製造プロセスの難点は鋼の性能の制御である。現在、国内及び海外の製造者は、一般に、非調質鋼の化学組成を改善することにより鋼の性能の制御を行っている。しかし、研究によって示されるように、成分設計のみによって非調質鋼が性能要求を満たすことは困難である。

このため、Ｓｈｏｕｇａｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは、転炉製錬、スラグ切断出鋼、取鍋内での脱酸合金化、取鍋炉（ＬＦ：Ｌａｄｌｅ Ｆｕｒｎａｃｅ）精錬、Ｓライン供給、取鍋底部アルゴン吹き込みによる完全保護鋳造、スラブ温度制御、制御冷却及び圧延等を含む、非調質鋼の新規な製造方法を提示している。圧延工程では、加熱温度は１１００〜１１８０℃であり、初期圧延温度は１０２０〜１１００℃であり、仕上圧延温度は８５０〜９２０℃であり、相対変形は１５〜３５％である。圧延後、温度は６００℃に低下し、その後、室温までゆっくりと冷却される。上記プロセスによって製造された非調質鋼は、徐冷により鋼の中心部温度と表面温度を短時間で確実に同じにすることが困難であり、鋼の表面と中心部とが大きく異なる強度及び靭性を持ち、極めて不均一な機械的性質を有する傾向がある。上記プロセスが大型の非調質鋼（例えばφ７０〜φ１４５ｍｍ棒鋼）の製造に用いられる場合、棒鋼の表面と中心部の不均一な機械的性質が生じるという現象は更に顕著になる。

本発明により解決される技術的課題は、既存の非調質鋼製造方法によって製造される鋼の表面の機械的性質と中心部の機械的性質とが不均一であるという欠陥の克服である。したがって、本発明は、最終製品の表面の機械的性質と中心部の機械的性質との均一性を確保するための非調質鋼及びその製造方法を提供する。

この目的のために、本発明は、下記化学成分：炭素０．４２〜０．５０重量％、ケイ素０．２０〜０．４０重量％、マンガン１．４０〜１．８０重量％、クロム０．００〜０．３０重量％、アルミニウム０．０１０〜０．０３０重量％、ニッケル０．００〜０．２０重量％、銅０．００〜０．２０重量％、リン０．０００〜０．０３０重量％、硫黄０．００〜０．０３５重量％、バナジウム０．０６〜０．２５重量％、及び残部の鉄からなる非調質鋼を提供する。

好ましい実施例において、本発明による非調質鋼は、下記化学成分：炭素０．４５〜０．５０重量％、ケイ素０．３０〜０．４０重量％、マンガン１．５０〜１．８０重量％、クロム０．２０〜０．３０重量％、アルミニウム０．０１０〜０．０２０重量％、ニッケル０．１０〜０．２０重量％、銅０．１０〜０．２０重量％、リン０．０２０〜０．０２５重量％、硫黄０．００〜０．０３０重量％、バナジウム０．０６〜０．１５重量％、及び残部の鉄からなる。

本発明は、少なくとも仕上工程後に実施される冷却工程を含む、非調質鋼の製造方法を提供し；前記冷却工程において、鋼が少なくとも２段階の水冷却を経るように強冷却と緩冷却とを交互に実施し、特定の時間内に鋼の中心部温度と表面温度とが同じになるようにすることを特徴とする。

本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記冷却工程において、鋼は３段階の水冷却に供され、ここで、水冷却の第１の段階では強冷却を用い、水冷却の第２の段階では緩冷却を用い、水冷却の第３の段階では強冷却を用いる。

本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記冷却工程において、冷却強度は水冷却装置の弁の開度を制御することにより制御される。

本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記冷却工程において、鋼の温度は水冷却後４〜７秒で１００〜４００℃低下し、鋼の温度は温度逆転後に更に５０〜１００℃低下する。

本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記冷却工程において、鋼の表面温度が４〜７秒で１００〜４００℃低下することを確保するため、第１の段階の弁開度は３０％〜４０％となるように制御され、第２の段階の弁開度は２０％となるように制御され、第３段階の弁開度は３０％〜４０％となるように制御される。

本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記冷却工程において、鋼は温度逆転後に噴霧冷却による温度降下冷却（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｄｒｏｐｐｉｎｇ ｃｏｏｌｉｎｇ）に供される。

本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記温度降下冷却の後、鋼は別個に冷床上に置かれ、１０〜１２分間空気冷却に供される。

本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記空気冷却の後、鋼は積み重ねられ、シールド冷却（ｓｈｉｅｌｄ ｃｏｏｌｉｎｇ）に供される。

本発明による非調質鋼の製造方法は、冷却工程前の仕上圧延工程を更に含み、前記仕上圧延工程において、鋼の温度は仕上圧延工程に入る時点で９５０℃以下に制御され；鋼は鋼温度が８５０℃〜９００℃であるときに低温圧延に供される。

本発明による非調質鋼の製造方法は、仕上圧延工程前の製錬工程を更に含み、製錬工程は、逐次的に実施される電気炉製錬工程、取鍋炉製錬工程及び精錬工程を含む。

本発明の非調質鋼の製造方法によれば、電気炉製錬では溶鉄製錬が利用され、ここで、最終リン含有率は０．０１５％以下であり、最終炭素含有率は０．０３％〜０．１０％であり、最終温度は１６２０〜１７００℃である。

本発明の非調質鋼の製造方法によれば、取鍋炉製錬工程及び／又は精錬工程において、脱酸のために、炭化ケイ素、フェロシリコン粉が用いられる。

本発明の非調質鋼の製造方法によれば、取鍋炉製錬工程は、白色スラグを生成して白色スラグを２０分以上保持することを含む。

本発明の非調質鋼の製造方法によれば、精錬工程において、精錬時間は４５分以上であり、水素含有量は１．５ｐｐｍ以下に制御される。

本発明の非調質鋼の製造方法は、精錬工程後の連続鋳造工程を更に含み、前記連続鋳造工程において、過熱は２０〜３５℃に制御され、引抜き速度は０．５ｍ／分〜０．６ｍ／分に制御される。

本発明の非調質鋼の製造方法は、連続鋳造工程後の加熱工程を更に含み、前記加熱工程では、鋼ビレットが加熱されるために加熱炉内に置かれ、ここで、予備加熱段階の温度は８５０±３０℃に制御され、加熱段階の温度は１１００±３０℃に制御され、均熱段階の温度は１１３０±３０℃に制御され、均熱段階の合計時間は２時間以上である。

好ましい実施例において、本発明は、下記の工程：
（１）電気炉製錬工程：所望の組成を有する鉄原材料を用意し、電気炉製錬で溶鉄製錬が利用され、ここで、最終リン含有率は０．０１５％以下であり、最終炭素含有率は０．０３％〜０．１０％であり、最終温度は１６２０℃〜１７００℃である工程；
（２）取鍋炉製錬工程：炭化ケイ素及び／又はフェロシリコン粉を用いて脱酸が実施され、石灰を添加することにより白色スラグが生成され、白色スラグが２０分以上保持される；
（３）精錬工程：脱気が実施され、精錬時間は４５分以上に制御され、水素含有量は１．５ｐｐｍ以下に制御される工程；
（４）連続鋳造工程：精錬工程で得られた溶鋼が連続鋳造に供され、溶鋼の過熱は２０〜３５℃に制御され、引抜き速度は０．５ｍ／分〜０．６ｍ／分に制御される工程；
（５）加熱工程：連続鋳造工程で製造された鋼ビレットが加熱されるために加熱炉内に置かれ、ここで、予備加熱段階の温度は８５０±３０℃に制御され、加熱段階の温度は１１００±３０℃に制御され、均熱段階の温度は１１３０±３０℃に制御され、均熱段階の合計時間は２時間以上である工程；
（６）仕上圧延工程：鋼の温度が仕上圧延工程に入る時点で９５０℃以下に制御され；鋼温度が８５０〜９００℃であるときに鋼が低温圧延に供される工程；並びに
（７）冷却工程：鋼は３段階の水冷却に供され、ここで、水冷却の第１の段階では強冷却を用い、水冷却の第２の段階では緩冷却を用い、水冷却の第３の段階では強冷却を用い、冷却中に中心部温度と表面温度とが同じになるようにする工程
を順次含む、非調質鋼の製造方法を提供する。

本発明による非調質鋼の製造方法は下記の利点を有する：
１．本発明による非調質鋼の製造方法は、以前の非調質鋼製造における仕上圧延前の冷却方式を変更するものであり；方法は少なくとも、仕上圧延工程後の冷却工程を有し；単独の水冷却又は一貫した空気冷却の冷却方式を用いる従来技術の冷却方式とは対照的に、本方法では強冷却と緩冷却とを交互に行う。強冷却は、鋼の表面温度を急速に低下させることが確実にでき；緩冷却は、鋼の中心部温度が表面まで徐々に拡散することを可能にし；急速な熱放散を可能にするために更なる強冷却が実施される。強冷却及び緩冷却は、実際の要求に従って交互に数回実施してもよい。強冷却と緩冷却とを組み合わせた水冷却方式は、鋼の中心部温度と表面温度が短時間で同じになることを可能にし、したがって鋼の機械的性質の均一性を確保し、生産効率を改善する。

２．本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記冷却工程において、鋼は３段階の水冷却に供され、ここで、水冷却の第１の段階では強冷却を用い、水冷却の第２の段階では緩冷却を用い、水冷却の第３の段階では強冷却を用いる。仕上圧延が終了した時、鋼は比較的高い温度になっている。水冷却の第１の段階では、鋼の表面温度が急速に低下するように強冷却を利用する。熱伝達効果により、表面温度の低下後に、中心部の熱が表面まで徐々に伝達する。中心部の熱を可能な限り表面に伝達させるため、水冷却の第２の段階において緩冷却が利用される。緩冷却の後、熱伝達により表面温度が上昇し、次いで、強冷却方式により表面が再び急速に冷却され、表面の熱が急速に除去される。この時点で、熱伝達により表面温度と中心部温度は同じになり、したがって機械的性質の均一性が確保される。

３．本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記冷却工程において、冷却は、水冷却装置の弁の開度を制御することにより制御され、特に、鋼の表面温度が４〜７秒で１００℃〜４００℃低下することを確保するため、第１の段階の弁開度は３０％〜４０％となるように制御され、第２の段階の弁開度は２０％となるように制御され、第３の段階の弁開度は３０％〜４０％となるように制御される。弁開度を制御することにより水流量を制御し、水冷却の強度を制御することができる。この制御方式は非常に単純である。弁を一定時間開放した後、水処理を行うため鋼を水中に差し込む。水処理の間、表面冷却の均一性を確保するため、鋼の表面が全方向にわたり冷却される。

４．本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記冷却工程において、鋼は温度逆転後に噴霧冷却による温度降下冷却に供される。噴霧冷却は、水冷却の有利な補足手段である。噴霧冷却により、中心部の熱が更に表面に拡散し、中心部温度と表面温度が同じになることが更に確実になる。

５．本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記温度降下冷却の後、鋼は別個に冷床上に置かれ、１０〜１２分間空気冷却に供される。噴霧冷却の後、鋼は別個に冷床上に置かれ、空気冷却が行われる。表面の熱が更に拡散するように、噴霧冷却を追加的に行ってもよい。

６．本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記空気冷却の後、鋼は積み重ねられ、シールド冷却が行われる。シールド冷却は徐冷法の一種である。上記冷却処理が過度に急速に進み鋼の構造及び性質を損なうことを避けるため、鋼は積み重ねられ、シールド冷却に供される。水冷却、噴霧冷却及び空気冷却を含む冷却スキームの後、鋼の表面温度と中心部温度は本質的に同じになる。この時点で、冷却速度を下げるためシールド冷却が用いられ、それによって鋼の構造及び性質が改善される。

７．本発明の非調質鋼の製造方法によれば、前記取鍋炉製錬工程において、白色スラグが生成され、２０分以上保持される。白色スラグ保持時間は、白色スラグの脱酸、脱硫及び介在物除去の効果をより顕著にし、それによって鋼の純度を高めるために、厳密に制御される。

８．本発明の非調質鋼の製造方法によれば、精錬工程において、精錬時間は４５分以上であり、水素含有量は１．５ｐｐｍ以下に制御される。精錬プロセスは、水素含有量を効果的に制御し、鋼の水素誘起割れが後に起こるリスクを低減することができ；より均一な組成を生成するための十分な時間があり；本プロセスにより介在物が浮上するための十分な時間が与えられ、それにより介在物制御の問題が効果的に解決され、最終製品の純度がより高くなる。

９．本発明の非調質鋼の製造方法によれば、連続鋳造工程において、過熱は２０〜３５℃に厳密に制御され；引抜き速度は０．５ｍ／分〜０．６ｍ／分に制御される。連続鋳造において、低過熱度及び低引抜き速度により、鋳物素材の品質が確保される。

本発明の主眼点は、圧延を制御し圧延後の冷却工程を制御することにより鋼の表面と中心部の性能を実質的に一致させ、それにより鋼の品質を改善することにある。具体的な冷却制御は下記の処理を含む：
（１）仕上圧延後、強冷却と緩冷却とを交互に行うことにより鋼を少なくとも２段階の水冷却に供し、一定時間内に鋼の中心部温度と表面温度とが同じになるようにする。特に、仕上圧延後、前記鋼は３段階の水冷却に供され、ここで、水冷却の第１の段階では強冷却を用い、水冷却の第２の段階では緩冷却を用い、水冷却の第３の段階では強冷却を用いる。具体的な水冷却では、冷却強度は、水冷却装置の弁の開度を制御することにより制御される。本発明において、強冷却とは、一般に、７℃／秒以上の冷却速度での冷却を意味し；これに対して、緩冷却とは、２〜４℃／秒の冷却速度での冷却を意味する。
（２）水冷却の後、鋼は焼きなましされ、次いで温度逆転後に噴霧冷却による温度降下冷却に供される。
（３）前記温度降下冷却の後に、鋼は別個に冷床上に置かれ、１０〜１２分間空気冷却に供される。
（４）前記空気冷却の後、鋼は積み重ねられ、シールド冷却に供される。

仕上圧延後、鋼は上記の様式（特に水冷却）により冷却制御に供されるが、これは以前の非調質鋼製造における仕上圧延前の冷却方式を変更するものであり；方法は少なくとも、仕上圧延工程後の冷却工程を有し；単独の水冷却又は一貫した空気冷却の冷却方式を用いる従来技術の冷却方式とは対照的に、本方法では強冷却と緩冷却とを交互に行う。強冷却は、鋼の表面温度を急速に低下させることが確実にでき；緩冷却は、鋼の中心部温度が表面まで徐々に拡散することを可能にし；急速な熱放散を可能にするために更なる強冷却が実施される。強冷却及び緩冷却は、実際の要求に従って交互に数回実施しもよい。強冷却と緩冷却とを組み合わせた水冷却方式は、鋼の中心部温度と表面温度が短時間で同じになることを可能にし、したがって鋼の機械的性質の均一性を確保し、生産効率を改善する。上記に基づき、後続の噴霧冷却を組み合わせた制御により、空気冷却及びシールド冷却を行い、中心部温度が表面まで連続的に拡散し、表面温度が絶えず取り除かれるようにし；更に、前記冷却様式の組合せは適切な冷却速度をもたらす。空気冷却後にシールド冷却を用いることにより、鋼の表面温度と中心部温度が一致する適度な冷却速度が得られ、したがって全体の機械的性質が改善する。

本発明の明確な理解がより容易に得られるように、図面を参照しながら実施例に従い本発明を更に詳細に説明する。

本発明の製造方法により製造された非調質鋼の倍率５００倍での金属顕微鏡写真である。 本発明の製造方法により製造された非調質鋼の結晶粒度を示す画像である。 本発明の製造方法により製造された非調質鋼の介在物を示す画像である。

以下の記載では、いくつかの非調質鋼の製造方法に関して、本発明の制御圧延、制御冷却、製錬及び連続鋳造工程を詳細に説明する。

「実例１」
本実例は、仕上圧延工程と、仕上圧延後の冷却工程とを含む、非調質鋼の製造方法を提供する。本実例では、仕上圧延工程において、仕上圧延工程に入る時点でのロッドの温度が９５０℃以下に制御され；ロッドはロッド温度が８５０℃〜９００℃であるときに低温圧延に供された。圧延後、鋼は専用の制御可能水冷却装置による３段階の水冷却に供され、ここで、水冷却の第１の段階では強冷却を用い、水冷却の第２の段階では緩冷却を用い、水冷却の第３の段階では強冷却を用いた。

ここで、水冷却強度を制御するには多くの方法があることに留意されたい。本実例では、水冷却強度を制御するために、水冷却装置の弁の開度を制御することにより水流を制御した。具体的には、ロッドの表面温度が５秒で１００℃〜４００℃低下することを確保するため、第１の段階の弁開度が３０％〜４０％となるように制御され、第２の段階の弁開度が２０％となるように制御され、第３の段階の弁開度が３０％〜４０％となるように制御された。ロッドの温度が逆転した後、熱が急速に放散するように、ロッド温度が５０℃〜１００℃低下するようにロッドを噴霧冷却に供し、次いでロッドを別個に冷床上に置いて１０分間空気冷却に供し、最後にロッドを冷床から取り出し、積み上げてシールド冷却した。

調質金型鋼の代わりとなり切削用途に直接用いられる本実例の非調質鋼の製造方法において、ロッドは、３段階の水冷却に供され、ここで、水冷却の第１の段階では強冷却を用い、水冷却の第２の段階では緩冷却を用い、水冷却の第３の段階では強冷却を用いた。仕上圧延が終了した時、ロッドは比較的高い温度になっていた。ロッドは、鋼の表面温度が急速に低下するように、強冷却を用いて水冷却の第１の段階に供された。表面温度の低下後、熱伝達効果により中心部の熱が表面まで徐々に伝達した。中心部の熱を可能な限り表面に伝達させるため、水冷却の第２の段階で緩冷却を用い、冷却時の中心部の熱伝達のために、より多くの時間が残されるようにした。緩冷却の後、熱伝達により表面温度を上昇させ、次いで、表面の熱が急速に除去されるように、強冷却様式により再び表面を急速に冷却した。この時点で、熱伝達により表面温度と中心部温度は同じになり、したがって機械的性質の均一性が確保された。

「実例２」
本実例は、実例１を更に改善した、非調質鋼の製造方法を提供する。実例１と比較すると、本方法は、仕上圧延工程前の製錬工程を更に含み、製錬工程は、逐次的に実施される電気炉製錬工程、取鍋炉製錬工程及び精錬工程を含む。

電気炉製錬工程において、溶鉄製錬を用い、出鋼前のリン含有率を０．０１５％以下に厳密に制御し、最終炭素含有率は０．０３％〜０．１０％であり、最終温度は１６２０℃〜１７００℃であった。電気炉製錬は、従来の転炉製錬よりも良好にスラグ排滓処理を制御することができる。

取鍋炉（ＬＦ：ｌａｄｌｅ ｆｕｒｎａｃｅ）製錬工程において、炭化ケイ素、フェロシリコン粉を用いて脱酸を行い；白色スラグを生成するために石灰を添加し；白色スラグによって介在物を完全に除去できるように白色スラグを２０分以上保持した。

精錬炉（ＶＤ）製錬工程において、確実に水素含有量が１．５ｐｐｍ以下に制御されるように脱気処理を実施した。精錬時間は４５分以上だった。

ＬＦ炉＋ＶＤ炉精錬を用いる利点は、ＬＦ炉精錬のみを用いる従来の方法と比較して、本精錬方法は、水素含有率を効果的に制御して鋼棒の水素誘起割れが後に起こるリスクを低減できることである；十分な時間によって、より均一な組成を得ることができ；介在物が浮上するための十分な時間が与えられ、したがって介在物制御の問題が効果的に解決される。

「実例３」
本実例は、実例１又は２を更に改善した非調質鋼の製造方法を提供する。本実例では、連続鋳造工程及び加熱工程が改善された。連続鋳造工程及び加熱工程は、精錬工程の後、圧延工程及び水冷却工程の前に配置された。

連続鋳造工程において、タンデッシュ内の溶鉄を浸漬ノズルにより結晶装置に導入したため、従来型ノズルを使用したときに空気が入り込みやすいという問題は回避される。更に、浸漬ノズルとタンデッシュの接合部位にアルゴンガスを吹き付け、空気がタンデッシュ内に入り込むことを防止した。過熱は２０〜３５℃に厳密に制御され、引抜き速度は０．５ｍ／分〜０．６ｍ／分に制御された。連続鋳造では、低過熱度及び低引抜き速度により鋳物素材の品質を確保した。連続鋳造後の切削時に、切削位置の温度を８２０℃以下に制御した。切削後、鋳物素材の表面に明らかな欠陥がないことを手作業で確認する必要があった。鋳物素材に割れ又は収縮がないことを確認するため、鋳物素材のマクロ構造試料を取得した。中央部の緩みはレベル３以下だった。この要件は、後に圧延されるロッドの表面及びマクロ構造の品質を確認するためのものだった。検査合格後、鋳物素材が加熱されるために加熱炉に送られたが、ここで、予備加熱段階の温度は８５０±３０℃であり、加熱段階の温度は１１００±３０℃であり、均熱段階の温度は１１３０±３０℃であり、均熱段階の合計時間は２時間以上となった。

本実例における方法により製造された非調質鋼の倍率５００倍での金属組織学的構造は、（図１に示すように）フェライト及びパーライトを構成し、（図２に示すように）ＧＢ／Ｔ６３９４に従いレベル１０〜１１と評価される実際の結晶粒度（１００倍）を有し；結晶粒は微細且つ均一であり；中心部から端部までの率差は１．５以下である。鋼の表面及び中心部の機械的性質は均一である。中心部から端部までの強度及び靭性はほとんど変化しないため、広範囲の表面処理後に材料全体の機械的性質が適用上の要求を満たせないという欠陥は効果的に回避される。中心部から端部までの硬度差は３０ＨＢ未満であるため、切削工具及び処理における大きな硬度変化という欠点は効果的に回避される。しかも、（図３に示すように）介在物の含有率は低く、鋼の純度は高い。

「実例４」
本実例は、下記化学成分：炭素０．４２重量％、ケイ素０．２０重量％、マンガン１．４０重量％、クロム０．３０重量％、アルミニウム０．０３０重量％、ニッケル０．２０重量％、銅０．１０重量％、リン０．０３０重量％、バナジウム０．０６重量％、及び残部の鉄からなる、上記実例１に記載の方法により製造された非調質鋼を提供する。

「実例５」
本実例は、下記化学成分：炭素０．５０重量％、ケイ素０．４０重量％、マンガン１．８０重量％、クロム０．２０重量％、アルミニウム０．０２０重量％、ニッケル０．１０重量％、銅０．１５重量％、硫黄０．０３５重量％、バナジウム０．２５重量％、及び残部の鉄からなる、上記実例１に記載の方法により製造された非調質鋼を提供する。

「実例６」
本実例は、下記化学成分：炭素０．４５重量％、ケイ素０．３０重量％、マンガン１．６０重量％、クロム０．２５重量％、アルミニウム０．０１０重量％、ニッケル０．１０重量％、リン０．０２５重量％、硫黄０．０２重量％、バナジウム０．１０重量％、及び残部の鉄からなる、上記実例１に記載の方法により製造された非調質鋼を提供する。

「実例７」
本実例は、下記化学成分：炭素０．４８重量％、ケイ素０．３５重量％、マンガン１．７０重量％、クロム０．２８重量％、アルミニウム０．０１５重量％、ニッケル０．１５重量％、銅０．１８重量％、リン０．０３０重量％、バナジウム０．１０重量％、及び残部の鉄からなる、上記実例２に記載の方法により製造された非調質鋼を提供する。

「実例８」
本実例は、下記化学成分：炭素０．４９重量％、ケイ素０．３８重量％、マンガン１．４５重量％、クロム０．１０重量％、アルミニウム０．０２５重量％、ニッケル０．０８重量％、銅０．０７重量％、リン０．０２８重量％、バナジウム０．１９重量％、及び残部の鉄からなる、上記実例２に記載の方法により製造された非調質鋼を提供する。

「実例９」
本実例は、下記化学成分：炭素０．５０重量％、ケイ素０．２９重量％、マンガン１．７６重量％、アルミニウム０．０３０重量％、ニッケル０．１５重量％、銅０．００〜０．２０重量％、リン０．０３０重量％、硫黄０．０３５重量％、バナジウム０．０８重量％、及び残部の鉄からなる、上記実例２に記載の方法により製造された非調質鋼を提供する。

「実例１０」
本実例は、下記化学成分：炭素０．５０重量％、ケイ素０．２９重量％、マンガン１．７６重量％、アルミニウム０．０３０重量％、ニッケル０．１５重量％、銅０．２０重量％、リン０．０３０重量％、硫黄０．０３３重量％、バナジウム０．０９重量％、及び残部の鉄からなる、上記実例３に記載の方法により製造された非調質鋼を提供する。

「実例１１」
本実例は、下記化学成分：炭素０．４８重量％、ケイ素０．３３重量％、マンガン１．５９重量％、クロム０．２６重量％、アルミニウム０．０１７重量％、ニッケル０．１８重量％、銅０．１６重量％、リン０．０２４重量％、硫黄０．００８重量％、バナジウム０．０１２重量％、及び残部の鉄からなる、上記実例３に記載の方法により製造された非調質鋼を提供する。

「実例１２」
本実例は、下記化学成分：炭素０．５０重量％、ケイ素０．３９重量％、マンガン１．７５重量％、クロム０．３０重量％、アルミニウム０．０１５重量％、ニッケル０．２０重量％、銅０．２０重量％、リン０．０２２重量％、バナジウム０．０１０重量％、及び残部の鉄からなる、上記実例３に記載の方法により製造された非調質鋼を提供する。

実例４〜１２において製造された非調質鋼の中心部の倍率５００倍での金属組織学的構造は、（図１に示すように）フェライト及びパーライトを構成し、（図２に示すように）ＧＢ／Ｔ６３９４に従いレベル１０〜１１と評価される実際の結晶粒度（１００倍）を有し；結晶粒は微細且つ均一であり；中心部から端部までの率差は１．５以下である。鋼の表面及び中心部の機械的性質は均一である。中心部から端部までの強度及び靭性はほとんど変化しないため、広範囲の表面処理後に材料全体の機械的性質が適用上の要求を満たすことができないという欠陥は効果的に回避される。中心部から端部までの硬度差は３０ＨＢ未満であるため、切削工具及び処理における大きな硬度変化という欠点は効果的に回避される。しかも、（図３に示されるように）介在物の含有率は低く、鋼の純度は高い。

実例４〜１２の機械的性質のデータは表１に示されたとおりである。表１から、本発明の方法により製造された非調質鋼は、降伏強さ、引張り強さ、伸長度、絞り、衝撃吸収エネルギー等の点で、優れた総合的機械的性質を有していることは明らかである。更に、表１の性能データから、実例３の方法を用いた実例、及び炭素０．５０、ケイ素０．４０、マンガン１．８０、クロム０．２０、アルミニウム０．０２０、ニッケル０．１０、銅０．１５、硫黄０．０３５、バナジウム０．２５、及び残部の鉄からなる鋼が、最も優れた総合的機械的性質を示したことがわかり；すなわち、実例５が最も優れた総合的機械的性質を示した。

下記の表に示された性能データからわかるように、本発明において提供される方法により製造された非調質鋼は、調質金型鋼を完全に置き換えることができ、優れた総合的機械的性質を示す。

「実例１３」
本実例は、非調質鋼を製造するための一般的方法を提供する。方法は製錬工程から始まる。製錬工程は、逐次的に実施される電気炉製錬工程、取鍋炉製錬工程及び精錬工程を含む。電気炉製錬工程において、溶鉄製錬を用い、出鋼前のリン含有率を０．０１５％以下に厳密に制御し、最終炭素含有率は０．０３％〜０．１０％であり、最終温度は１６２０℃〜１７００℃であった。電気炉製錬は、従来の転炉製錬よりも良好にスラグ排滓処理を制御することができる。取鍋炉（ＬＦ）製錬工程において、炭化ケイ素、フェロシリコン粉を用いて脱酸を行い；白色スラグを生成するために石灰を添加し；白色スラグによって介在物を完全に除去できるように、白色スラグを２０分以上保持した。精錬炉（ＶＤ）製錬工程において、確実に水素含有量が１．５ｐｐｍ以下に制御されるように脱気処理を実施した。精錬時間は４５分以上だった。

ＬＦ炉＋ＶＤ炉精錬を用いる利点は、ＬＦ炉精錬のみを用いる従来の方法と比較して、本精錬方法は、水素含有率を効果的に制御し、鋼棒の水素誘起割れが後に起こるリスクを低減できることであり；十分な時間によって、より均一な組成を得ることができ；介在物が浮上するための十分な時間が与えられ、介在物制御の問題が効果的に解決される。

精錬工程に続いて、連続鋳造工程を実施した。連続鋳造工程において、タンデッシュ内の溶鉄を浸漬ノズルにより結晶装置に導入したため、従来型ノズルを使用したときに空気が入り込みやすいという問題は回避される。更に、浸漬ノズルとタンデッシュの接合部位にアルゴンガスを吹き付け、空気がタンデッシュ内に入り込むことを防止した。過熱は２０〜３５℃に厳密に制御し、引抜き速度は０．５ｍ／分〜０．６ｍ／分に制御した。連続鋳造では、低過熱度及び低引抜き速度により鋳物素材の品質を確保した。連続鋳造後の切削時に、切削位置の温度を８２０℃以下に制御した。切削後、鋳物素材の表面に明らかな欠陥がないことを手作業で確認する必要があった。鋳物素材に割れ又は収縮がないことを確認するため、鋳物素材のマクロ構造試料を取得した。中央部の緩みはレベル３以下だった。この要件は、後に圧延されるロッドの表面及びマクロ構造の品質を確認するためのものだった。検査合格後、鋳物素材が加熱されるために加熱炉に送られたが、ここで、予備加熱段階の温度は８５０±３０℃であり、加熱段階の温度は１１００±３０℃であり、均熱段階の温度は１１３０±３０℃であり、均熱段階の合計時間は２時間以上となった。

加熱工程に続いて、仕上圧延工程及び冷却工程を実施した。仕上圧延工程では、仕上圧延工程に入る時点でのロッドの温度は９５０℃以下に制御された。ロッドはロッド温度が８５０℃〜９００℃であるときに低温圧延に供された。圧延後、鋼は専用の制御可能水冷却装置による３段階の水冷却に供され、ここで、水冷却の第１の段階では強冷却を用い、水冷却の第２の段階では緩冷却を用い、水冷却の第３の段階では強冷却を用いた。

本実例では、水冷却強度を制御するために、水冷却装置の弁の開度を制御することにより水流を制御した。具体的には、ロッドの表面温度が５秒で１００℃〜４００℃低下することを確保するため、第１の段階の弁開度が３０％〜４０％となるように制御され、第２の段階の弁開度が２０％となるように制御され、第３の段階の弁開度が３０％〜４０％となるように制御された。ロッドの温度が逆転した後、熱が急速に放散するように、ロッド温度が５０℃〜１００℃低下するようにロッドを噴霧冷却に供し、次いでロッドを別個に冷床上に置いて１０分間空気冷却に供し、最後にロッドを冷床から取り出し、積み上げてシールド冷却した。

本実例の方法において、ロッドは３段階の水冷却に供され、ここで、水冷却の第１の段階では強冷却を用い、水冷却の第２の段階では緩冷却を用い、水冷却の第３の段階では強冷却を用いた。仕上圧延が終了した時、ロッドは比較的高い温度になっていた。ロッドは、鋼の表面温度が急速に低下するように、強冷却を用いて水冷却の第１の段階に供された。表面温度の低下後、熱伝達効果により中心部の熱が表面まで徐々に伝達した。中心部の熱を可能な限り表面に伝達させるため、水冷却の第２の段階で緩冷却を用い、冷却時の中心部の熱伝達のために、より多くの時間が残されるようにした。緩冷却の後、熱伝達により表面温度を上昇させ、次いで、表面の熱が急速に除去されるように、強冷却様式により再び表面を急速に冷却した。この時点で、熱伝達により表面温度と中心部温度は同じになり、したがって機械的性質の均一性が確保された。

上記実例は、明確に説明するための単なる典型例であり、実施例に対する制限でないことは明らかである。当業者であれば、上記の記述に基づいて他の形態で変更又は修正を行うことができる。すべての実施例を挙げることは不要であり不可能である。上記実施例から導き出された明らかな変更点又は修正点は、なお本発明の保護の範囲内にある。

Claims (19)

1. 炭素０．４２〜０．５０重量％、ケイ素０．２０〜０．４０重量％、マンガン１．４０〜１．８０重量％、クロム０．００〜０．３０重量％、アルミニウム０．０１０〜０．０３０重量％、ニッケル０．００〜０．２０重量％、銅０．００〜０．２０重量％、リン０．０００〜０．０３０重量％、硫黄０．００〜０．０３５重量％、バナジウム０．０６〜０．２５重量％、及び残部の鉄による化学成分を含む、非調質鋼。
2. 炭素０．４５〜０．５０重量％、ケイ素０．３０〜０．４０重量％、マンガン１．５０〜１．８０重量％、クロム０．２０〜０．３０重量％、アルミニウム０．０１０〜０．０２０重量％、ニッケル０．１０〜０．２０重量％、銅０．１０〜０．２０重量％、リン０．０２０〜０．０２５重量％、硫黄０．００〜０．０３０重量％、バナジウム０．０６〜０．１５重量％、及び前記残部の鉄による化学成分を含む、請求項１に記載の非調質鋼。
3. 少なくとも仕上工程後に実施される冷却工程を含み、前記冷却工程において、前記鋼が少なくとも２段階の水冷却を経るように強冷却と緩冷却とを交互に実施して、特定の時間内に前記鋼の中心部温度と表面温度とが同じになるようにすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の非調質鋼の製造方法。
4. 前記冷却工程において、前記鋼が３段階の水冷却に供され、水冷却の第１の段階では強冷却を用い、水冷却の第２の段階では緩冷却を用い、水冷却の第３の段階では強冷却を用いることを特徴とする、請求項３に記載の非調質鋼の製造方法。
5. 前記冷却工程において、冷却強度が、水冷却装置の弁の開度を制御することにより制御されることを特徴とする、請求項３又は４に記載の非調質鋼の製造方法。
6. 前記冷却工程において、前記鋼の温度が水冷却後４〜７秒で１００℃〜４００℃低下し、前記鋼の温度が温度逆転後に更に５０℃〜１００℃低下することを特徴とする、請求項３から５までのいずれか一項に記載の非調質鋼の製造方法。
7. 前記冷却工程において、前記鋼の表面温度が４〜７秒で１００〜４００℃低下することを確保するため、第１の段階の弁開度が３０％〜４０％となるように制御され、第２の段階の弁開度が２０％となるように制御され、第３の段階の弁開度が３０％〜４０％となるように制御されることを特徴とする、請求項５又は６に記載の非調質鋼の製造方法。
8. 前記冷却工程において、前記鋼が温度逆転後に噴霧冷却による温度降下冷却に供されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の非調質鋼の製造方法。
9. 前記温度降下冷却の後に、前記鋼が別個に冷床上に置かれ１０〜１２分間空気冷却に供されることを特徴とする、請求項８に記載の非調質鋼の製造方法。
10. 前記空気冷却の後、前記鋼が積み重ねられシールド冷却に供されることを特徴とする、請求項９に記載の非調質鋼の製造方法。
11. 前記冷却工程前の仕上圧延工程を更に含み、前記仕上圧延工程において、前記鋼の温度が、前記仕上圧延工程に入る時点で９５０℃以下に制御され、前記鋼の温度が８５０℃〜９００℃であるときに前記鋼は低温圧延に供されることを特徴とする、請求項３から１０までのいずれか一項に記載の非調質鋼の製造方法。
12. 前記仕上圧延工程前の製錬工程を更に含み、前記製錬工程が、逐次的に実施される電気炉製錬工程、取鍋炉製錬工程及び精錬工程を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の非調質鋼の製造方法。
13. 前記電気炉製錬において、溶鉄製錬が利用され、最終リン含有率は０．０１５％以下であり、最終炭素含有率は０．０３％〜０．１０％であり、最終温度は１６２０〜１７００℃であることを特徴とする、請求項１２に記載の非調質鋼の製造方法。
14. 前記取鍋炉製錬工程において、炭化ケイ素、フェロシリコン粉が脱酸のために用いられることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の非調質鋼の製造方法。
15. 前記取鍋炉製錬工程及び／又は前記精錬工程において、白色スラグを生成して前記白色スラグを２０分以上保持することを特徴とする、請求項１２から１４までのいずれか一項に記載の非調質鋼の製造方法。
16. 前記精錬工程において、精錬時間が４５分以上であり、水素含有量が１．５ｐｐｍ以下に制御されることを特徴とする、請求項１２から１５までのいずれか一項に記載の非調質鋼の製造方法。
17. 前記精錬工程後の連続鋳造工程を更に含み、前記連続鋳造工程において、過熱が２０〜３５℃に制御され、引抜き速度が０．５ｍ／分〜０．６ｍ／分に制御されることを特徴とする、請求項１２から１６までのいずれか一項に記載の非調質鋼の製造方法。
18. 前記連続鋳造工程後の加熱工程を更に含み、前記加熱工程において、鋼ビレットが加熱されるために加熱炉内に置かれ、予備加熱段階の温度は８５０±３０℃に制御され、加熱段階の温度は１１００±３０℃に制御され、均熱段階の温度は１１３０±３０℃に制御され、前記均熱段階の合計時間は２時間以上であることを特徴とする、請求項１５に記載の非調質鋼の製造方法。
19. （１）所望の組成を有する鉄原材料を用意し、電気炉製錬において、溶鉄製錬が利用され、最終リン含有率は０．０１５％以下であり、最終炭素含有率は０．０３％〜０．１０％であり、最終温度は１６２０℃〜１７００℃である、電気炉製錬工程と、
    （２）炭化ケイ素及び／又はフェロシリコン粉を用いて脱酸が実施され、石灰を添加することにより白色スラグが生成され、前記白色スラグが２０分以上保持される、取鍋炉製錬工程と、
    （３）脱気が実施され、精錬時間は４５分以上に制御され、水素含有量は１．５ｐｐｍ以下に制御される、精錬工程と、
    （４）前記精錬工程で得られた溶鋼が連続鋳造に供され、前記溶鋼の過熱が２０〜３５℃に制御され、引抜き速度が０．５ｍ／分〜０．６ｍ／分に制御される、連続鋳造工程と、
    （５）前記連続鋳造工程で製造された鋼ビレットが加熱されるために加熱炉内に置かれ、予備加熱段階の温度は８５０±３０℃に制御され、加熱段階の温度は１１００±３０℃に制御され、均熱段階の温度は１１３０±３０℃に制御され、前記均熱段階の合計時間は２時間以上である、加熱工程と、
    （６）前記鋼の温度が仕上圧延工程に入る時点で９５０℃以下に制御され、前記鋼の温度が８５０〜９００℃であるときに前記鋼が低温圧延に供される、仕上圧延工程と、
    （７）前記鋼は３段階の水冷却に供され、水冷却の第１の段階では強冷却を用い、水冷却の第２の段階では緩冷却を用い、水冷却の第３の段階では強冷却を用いて、前記冷却中に中心部温度と表面温度とが同じになるようにする、冷却工程と
    を順次含む、非調質鋼の製造方法。