JP3825570B2

JP3825570B2 - 加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼鋳片およびその製造方法

Info

Publication number: JP3825570B2
Application number: JP30006698A
Authority: JP
Inventors: 隆二中尾; 光司高野; 昌夫五十嵐; 弘毅秦
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Priority date: 1998-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2018-10-21
Also published as: JP2000129402A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ネジ材あるいはバネ材等として有用なオーステナイト系ステンレス鋼素材およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステンレス鋼のうち、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５あるいはＳＵＳＸＭ７などのオーステナイト系ステンレス鋼は高加工が加えられるネジ用あるいはバネ用の素材として使用されているが、その場合、圧造性あるいは伸線性が良好な素材であること、またバネ材については製造されたバネの安全性および長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ている。
【０００３】
これらの素材は概ね、次のようにして製造されている。その一例を以下に説明する。
例えば電気炉で所望の組成となるように各成分原料を溶解して粗溶鋼を製造した後、ＡＯＤ炉に移送して、酸素ガスとＡｒガスによる脱炭精錬を行って［Ｃ］濃度を目標値に調整する。その後、不可避的に酸化してスラグに移行した［Ｃｒ］，［Ｍｎ］等を回収するために、ＳｉあるいはＡｌ等を添加して還元精錬を行う。この時に、Ｓｉ、Ｍｎ等の成分調整も実施する。その後、上記溶鋼を取鍋に出鋼し、最終的な温度および成分の調整を行い、連続鋳造にて鋳造する。得られた鋳片（ビレット）を熱間圧延して所望径の線材とした後、それに溶体化処理を施し、冷間鍛造工程によりネジあるいはバネに加工される。
【０００４】
この溶製過程では、不可避的に酸化物系の各種非金属介在物（以下、単に介在物という）が生成する。例えば、前記還元精錬時に還元材としてＳｉを使用する場合にはＣａＯ−ＳｉＯ₂系の介在物、Ａｌを使用する場合にはＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系の介在物が生成する。
【０００５】
従来は、ステンレス鋼ではこれらの介在物の中でＭｇＯを高濃度に含んだＣａＯ−ＳｉＯ₂−ＭｇＯ系の介在物やＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネルの介在物およびＡｌ₂Ｏ₃単体の介在物等の硬質の介在物が鋳片中に多量に存在した場合には、介在物が塑性変形しづらいために、圧造性あるいは伸線性が劣り、また疲労強度も低下した材料になるとされていた。そのために、ネジ用あるいはバネ用の素材に対しては、溶製時に硬質介在物の生成量を減少させると共に、介在物が軟質介在物となるように介在物組成を制御するという努力がなされてきた。
【０００６】
例えば、特開平７−１８８８６１号公報に記載されているように、還元精錬時の還元材にＳｉを用いた溶製法で、鋼中の［Ｃａ］を０．００１０〜０．００５０ｍａｓｓ％、［Ａｌ］を０．００５０ｍａｓｓ％以下、［Ｏ］を０．００２０〜０．００７０ｍａｓｓ％以下として、介在物をＭｇＯ濃度が６ｍａｓｓ％以下のＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系とした高清浄度ステンレス鋼が知られている。
【０００７】
しかしながら、これらの従来の方法で製造した素材ではネジあるいはバネに加工する冷間鍛造性にばらつきを生じ、加工割れを起こす場合があった。この主な原因は熱間圧延後の溶体化処理で、十分に結晶粒の粗大化が進行しないために、粒径にばらつきを生じることにあった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの課題を解決し、熱間圧延後の溶体化処理時に安定して結晶粒の粗大化を進行させて、冷間鍛造性に優れた素材を提供することにある。
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために種々検討した結果、ステンレス鋼において、鋳片での介在物の組成および大きさを制御することで熱間圧延後の素材中の介在物分布が均一化し、それに続く溶体化処理での結晶粒の粗大化が安定して進行することを見出した。
【００１０】
すなわち、本発明は、ｍａｓｓ％で、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．００３〜０．０５％、Ｏ：０．００１〜０．０１％を含有するステンレス鋼で、非金属酸化物系介在物中のＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相の大きさが２〜２０μｍであることを特徴とする加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼鋳片である。
【００１１】
また本発明は、上記ステンレス鋼を製造するに際し、該ステンレス鋼の精錬炉において、酸化精錬時に生成したクロム酸化物を含むスラグの還元材にＳｉ含有物質を用いて、還元精錬後のスラグ組成をｍａｓｓ％で、下記条件に制御し、続いて取鍋に出鋼し、続いて前記取鍋内にＡｌ純分で溶鋼トン当たり３０ｇ以上３００ｇ以下のＡｌ含有物質を添加し、続いて鋳造することを特徴とする加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼鋳片の製造方法である。
１．５≦（ＣａＯ）／（ＳｉＯ₂）≦２．０
５≦（Ａｌ₂Ｏ₃）≦１５
８≦（ＭｇＯ）≦１５
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、溶体化処理時の結晶粒の粗大化を阻害する要因は、鋳片の介在物が熱間圧延で展伸・分断し、微細な介在物となり、これが溶体化処理でピン止め効果として働くためであることを見出した。従来の方法で製造された鋳片の介在物はＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系の軟質介在物であり、展伸性をもつために、熱間圧延時に１μｍ以下から数μｍ程度の微細な介在物となってしまい、溶体化処理での結晶粒粗大化が進行せず、冷間鍛造性のばらつきを生じていたものである。
【００１３】
鋳片の介在物は溶製工程で用いる還元材・脱酸材の種類、量および最終工程でのスラグ量、スラグ組成により種々変化する。その中で、ＣａＯ−ＳｉＯ₂系介在物およびＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系介在物の中に、ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相を有する介在物は、ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相およびＡｌ₂Ｏ₃相が高融点であり、かつ硬質であるために、熱間圧延時に細かく展伸・分断されにくいことを見出した。
【００１４】
鋳片での介在物中のＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相の大きさが２μｍ未満の小さい場合には熱間圧延後に微細な介在物が分布することになり、溶体化処理でのピン止め効果に作用してしまい、結晶粒の粗大化を阻害するために十分な効果が得られない。
【００１５】
なお、鋳片での介在物の組成および大きさは、鋳片断面より１０個以上の介在物を任意に抽出し、各介在物についてＥＰＭＡ装置にてＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相およびＡｌ₂Ｏ₃相の部分を選定した後に、大きさ（直径）を測定し、測定した介在物のＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相の最大値で評価した。
【００１６】
一方、鋳片での介在物中のＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相の大きさが２０μｍを超えると、溶体化処理時のピン止め効果はないが、介在物自体が大きいために、冷間鍛造時の割れの起点となり、加工割れを起こす原因となる。したがって、鋳片での介在物中のＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相の大きさは２〜２０μｍとする必要がある。
【００１７】
なお、ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相からなる介在物とするためにはＳｉ、Ａｌの脱酸成分を適度に含有する必要があり、そのために、Ｓｉは０．１〜１．０％で、Ａｌは０．００３〜０．０５％とする必要がある。また、Ｏ濃度は高濃度では、多量の介在物が存在することになり、冷間加工時の割れが発生しやすくなるために、０．０１％以下とする必要がある。なお、Ｏ濃度は低いほど好ましいが、現実的には０．００１％未満の濃度は達成できないために、０．００１〜０．０１％が適正な濃度範囲である。
【００１８】
さらに、本発明者らは、大きさが２〜２０μｍのＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相からなるオーステナイト系ステンレス鋼鋳片の製造法について検討した。
ステンレス鋼鋳片での介在物は精錬炉での酸化精錬後の還元精錬時に添加する還元材の種類、還元精錬後のスラグ組成、および取鍋出鋼後に取鍋内に添加する脱酸材あるいは成分調整材の種類・量によって決定される。
【００１９】
ステンレス鋼鋳片の介在物は精錬炉での還元精錬時に生成する一次介在物と、精錬炉から鋳造までの溶鋼温度の降下時に生成する二次介在物の結合体である。本発明者らは、一次介在物として還元材にＳｉを用いてＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系介在物を生成させ、二次介在物としてＡｌ₂Ｏ₃を主体とした介在物を生成させることで、ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相を有する介在物を生成させることが可能であることを見出し、これらの介在物の大きさを左右する条件を検討した。
【００２０】
図１には、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５またはＳＵＳＸＭ７の鋼種について、ＡＯＤにて還元材にＳｉを用いて精錬を行い、連続鋳造にて断面が１７８ｍｍφの鋳片を製造し、その後熱間圧延にて５．５ｍｍφの線材に圧延して、溶体化処理を行い、ネジに冷間鍛造試験を行った結果を示す。図の横軸はＡＯＤでの還元精錬後のスラグ中（Ａｌ₂Ｏ₃）濃度、縦軸はスラグ中（ＭｇＯ）濃度を示す。
【００２１】
図中の○印は鋳片介在物のＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相の大きさが２〜２０μｍであり冷間鍛造試験で割れを生じなかったもの、△印はＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相の大きさは２μｍ未満あるいは２０μｍを超えていたが冷間鍛造試験で割れを生じなかったもの、×印はＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相の大きさが２μｍ未満あるいは２０μｍ以上であり冷間鍛造試験で割れを生じたものを示す。
【００２２】
この場合、いずれも還元精錬後のスラグ中（ＣａＯ）／（ＳｉＯ₂）は１．５以上２．０以下であり、かつ取鍋内にＡｌ純分で溶鋼トン当たり３０ｇ以上３００ｇ以下のＡｌ含有物質を添加したものである。なお、Ａｌ含有物質としては金属Ａｌ以外にフェロシリコン（Ｆｅ−Ｓｉ）、カルシウム−シリコン合金（Ｃａ−Ｓｉ）、シリコン−マンガン合金（Ｓｉ−Ｍｎ）等が挙げられる。
【００２３】
図１より、（Ａｌ₂Ｏ₃）濃度が５％以上１５％以下、かつ（ＭｇＯ）濃度が８％以上１５％以下の領域では鋳片介在物中のＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相の大きさが２〜２０μｍであり、冷間鍛造時の割れもなく、加工性が優れている。一方、（Ａｌ₂Ｏ₃）濃度、（ＭｇＯ）濃度が上記を満足しない場合には一部割れのない場合もあるが、割れが発生する場合が多く、安定した冷間鍛造性が得られていない。
【００２４】
図２には、図１と同様に冷間鍛造試験行った場合の、割れ発生におよぼす還元精錬後のスラグ中（ＣａＯ）／（ＳｉＯ₂）および取鍋内に添加したＡｌ含有物質の影響を示す。図中の○、△、×印の定義は図１と同じであり、また還元精錬後のスラグ中（Ａｌ₂Ｏ₃）濃度は５％以上１５％以下で、（ＭｇＯ）濃度は８％以上１５％以下であった。
【００２５】
図２より、スラグ中（ＣａＯ）／（ＳｉＯ₂）が１．５以上２．０以下で、かつＡｌ含有物質の添加量がＡｌ純分で溶鋼トン当たり３０ｇ以上３００ｇ以下の領域では、鋳片介在物中のＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相の大きさが２〜２０μｍであり、冷間鍛造時の割れもなく、加工性が優れている。それ以外の領域では一部に割れのない場合もあるが、割れを発生する場合が多く、安定した冷間鍛造性が得られていない。
【００２６】
本発明法を有効に作用させる鋼の組成としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳＸＭ７の鋼種に代表されるステンレス鋼においても効果が得られることを確認した。
【００２７】
以上より、本願発明の条件範囲を満足することにより、ネジ材あるいはバネ材として有用な加工性に優れたステンレス鋼が得られることが確認された。
【００２８】
本発明のステンレス鋼は次のようにして製造できる。まず、溶解原料を電気炉で溶解して粗溶鋼を製造する。溶解した粗溶鋼をＡＯＤ炉に移送してＡＯＤでの脱炭精錬を行い、目標［Ｃ］濃度まで脱炭する。次いで、不可避的に酸化した［Ｃｒ］を還元するために、還元材としてＳｉを添加して還元精錬を行う。この時に、溶鋼中の［Ｓｉ］、［Ａｌ］および［Ｏ］濃度を目標濃度範囲に調整すると共に、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ₂等の造滓材を添加してスラグ組成を目標濃度範囲に調整する。その後、取鍋に出鋼し、取鍋でＡｒガスによる撹拌を行いながら、金属ＡｌあるいはＡｌ含有物質を目標Ａｌ純分量だけ添加する。その後、連続鋳造にて鋳片を製造する。
【００２９】
【実施例】
ネジ材として使用されるＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳＸＭ７の各ステンレス鋼について、先に示した溶解精錬工程を終えた後、連続鋳造により１７８ｍｍ径のビレットを製造した。次いで、熱間圧延を行って線径５．５ｍｍ径の線材とし、その後溶体化処理を行ってから、ネジへの冷間鍛造加工を行って、ネジを製造した。
【００３０】
表１に鋼中成分濃度、還元精錬後のスラグ組成、取鍋でのＡｌ含有物質のＡｌ純分での添加量および冷間鍛造加工結果をまとめて示す。Ｎｏ．２〜１０は本発明例、Ｎｏ．１１〜２０は本発明の条件外の比較例を示す。
【００３１】
本発明例では大きさが２〜２０μｍのＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃ からなる介在物が生成しており、冷間鍛造時の割れも認められず、加工性に優れていることが確認された。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のステンレス鋼は、伸線、圧造等の加工性に優れている。これは鋳片段階で存在する介在物が大きさの制御されたＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相および／またはＡｌ₂Ｏ₃相からなることがもたらす効果である。本発明のステンレス鋼はネジ材あるいはバネ材等の高加工が要求される素材として、その工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】還元精錬後のスラグ中の（Ａｌ₂Ｏ₃）および（ＭｇＯ）濃度と冷間鍛造加工性との関係を示す図。
【図２】還元精錬後のスラグ中（ＣａＯ）／（ＳｉＯ₂）および取鍋内添加Ａｌ純分量と冷間鍛造性との関係を示す図。

Claims

ｍａｓｓ％で、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．００３〜０．０５％、Ｏ：０．００１〜０．０１％を含有するステンレス鋼で、非金属酸化物系介在物中のＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相の大きさが２〜２０μｍであることを特徴とする加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼鋳片。
ｍａｓｓ％で、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．００３〜０．０５％、Ｏ：０．００１〜０．０１％を含有するステンレス鋼で、非金属酸化物系介在物中のＡｌ₂Ｏ₃相の大きさが２〜２０μｍであることを特徴とする加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼鋳片。
ｍａｓｓ％で、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．００３〜０．０５％、Ｏ：０．００１〜０．０１％を含有するステンレス鋼で、非金属酸化物系介在物中のＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃スピネル相およびＡｌ₂Ｏ₃相の大きさが２〜２０μｍであることを特徴とする加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼鋳片。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼鋳片を製造するに際し、該ステンレス鋼の精錬炉において、酸化精錬時に生成したクロム酸化物を含むスラグの還元材にＳｉ含有物質を用いて、還元精錬後のスラグ組成をｍａｓｓ％で、下記条件に制御し、続いて取鍋に出鋼し、続いて前記取鍋内にＡｌ純分で溶鋼トン当たり３０g 以上３００g 以下のＡｌ含有物質を添加し、続いて鋳造することを特徴とする加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼鋳片の製造方法。
１．５≦（ＣａＯ）／（ＳｉＯ₂）≦２．０
５≦（Ａｌ₂Ｏ₃）≦１５
８≦（ＭｇＯ）≦１５