JP3865853B2 - 加工割れ感受性の低いオーステナイト系ステンレス鋼及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、加工割れ感受性が低いオーステナイト系ステンレス鋼及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼は、近年、機能材料としても使用されるようになってきている。オーステナイト系ステンレス鋼の中でも、常温で非磁性の鋼種は、電子部品用材料として使用されることが多い。
この種の材料には、高い清浄度が要求される。そのため、素材製造時の精錬工程で不活性ガスの吹込みにより溶鋼を十分撹拌しながら、ＣａＯを主体とする塩基性フラックス及びＡｌ等の強還元剤を添加し、脱硫，脱酸及び非金属介在物除去を十分に行わせている。
たとえば、特開平６−３０６４３８号公報では、二次精錬炉の耐火物を特定すると共に精錬後のスラグ組成を調整することにより、有害なＡｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ系非金属介在物の生成を抑制している。このような処理によって、ある程度まで高清浄度化される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電子部品用材料に供される素材の中でも、鋼板の板厚が０．５ｍｍ程度以下の極薄で製品形状が複雑なものでは、加工時に僅かな割れや表面疵が発生しても、製品として使用不可となる。そのため、機能材料として用いられる用途では、加工精度や品質に対する要求が苛酷である。
加工割れや表面疵は、硬質な非金属介在物に原因があることが多い。しかし、精錬工程で溶鋼を強撹拌することにより非金属介在物を完全に浮上分離することは困難である。また、非金属介在物の硬さは組成によって大きく変わるが、生成する非金属介在物の組成までを制御してない。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、非金属介在物の組成を制御することにより、熱間加工時に粘性変形し冷間加工時に微細分散するＭｎＯ−ＳｉＯ2 系にし、非金属介在物起因の加工割れがないオーステナイト系ステンレス鋼を得ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、その目的を達成するため、Ｃ：０．０８重量％以下，Ｓｉ：０．２〜１．０重量％，Ｍｎ：２．０重量％以下，Ｓ：０．００７重量％以下，Ｎｉ：８．０〜１５．０重量％，Ｃｒ：１５．０〜１９．０重量％，Ｎ：０．０３重量％以下，Ａｌ：０．００３重量％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｓｉ／Ａｌの重量比が１００以上になる組成を持ち、非金属介在物がＭｎＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ 2 Ｏ 3 系であり、ＭｇＯ：７重量％以下，Ａｌ2Ｏ3：３５重量％以下，Ｃｒ2Ｏ3：１０重量％以下に規制された組成を有することを特徴とする。
このオーステナイト系ステンレス鋼は、ドロマイト系耐火物をライニングした精錬炉を用いてステンレス溶鋼を精錬し、精錬終了後のスラグのＣａＯ／ＳｉＯ2比を１．４〜２．４に、Ａｌ2Ｏ3濃度を８重量％以下に維持することにより製造される。ドロマイト系耐火物には、ＭｇＯ：４０〜６３重量％及び主成分としてＣａＯ：３４〜５７重量％を含む耐火物が使用される。
【０００５】
【作用】
本発明者等は、オーステナイト系ステンレス鋼に絞り加工を施して得た製品について、非金属介在物に由来する加工割れが発生しているものを調査した。
オーステナイト系ステンレス鋼に分散している非金属介在物は、通常、約３０重量％のＭｇＯを含むスピネル型Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系，約５０重量％のＡｌ2Ｏ3を含むＭｎＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3系，約１５重量％のＣｒ2Ｏ3を含むＭｎＯ−ＳｉＯ2系である。本発明者等による調査・研究の結果、これらの介在物に含まれるＡｌ2Ｏ3濃度，ＭｇＯ濃度及びＣｒ2Ｏ3濃度が加工割れに大きく影響していることが判った。そして、ＭｎＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ 2 Ｏ 3 系の非金属介在物を生成させると共に、ＭｇＯ：７重量％以下，Ａｌ2Ｏ3：３５重量％以下，Ｃｒ2Ｏ3：１０重量％以下に調整するとき、非金属介在物が無害化し、加工割れ感受性の低いオーステナイト系ステンレス鋼が得られることを見い出した。
更に、介在物組成に影響を及ぼす因子としてメタル組成，スラグ組成，耐火物組成等について検討を進めたところ、精錬終了後のスラグ組成及び取鍋の耐火物組成を特定することが有効であることが判った。
【０００６】
以下、本発明オーステナイト系ステンレス鋼に含まれる合金成分，含有量等を説明する。
Ｃ：０．０８重量％以下
固溶強化元素であり、多量に含まれると０．２％耐力が上昇し、鋼材を硬質化する。絞り加工が供される鋼材では、耐力及び硬さの上昇により加工性が阻害され、加工時に耳割れを発生させることもある。そこで、本発明においては、Ｃ含有量の上限を０．０８重量％に設定した。
Ｓｉ：０．２〜１．０重量％
溶鋼の脱酸に使用される成分であり、０．２重量％未満では脱酸不足となる。そして、非金属介在物中のＣｒ2 Ｏ3 濃度が１０重量％よりも高くなり、加工割れ原因の非金属介在物が生成する。しかし、１．０重量％を超える多量のＳｉが含まれると、鋼材が硬質化し、冷間加工で薄板を製造する際に所定板厚まで圧延するために多くのパス回数を必要とし、生産性が大きく低下する。また、鋼材の硬質化に伴って、絞り加工時に耳割れが発生することもある。
【０００７】
Ｍｎ：２．０重量％以下
熱間加工性の確保に有効な合金成分であり、０．２％耐力を低下させ、鋼材を軟質化する作用も呈する。Ｍｎ添加の効果は、２．０重量％で飽和し、それ以上添加しても増量に見合った性質改善がみられない。
Ｓ：０．００７重量％以下
熱間加工性に悪影響を及ぼす元素であることから、Ｓ含有量の上限を０．００７重量％に規制した。なお、一層良好な熱間加工性を得るためには、Ｓ含有量を０．００５重量％以下に規制することが好ましい。
Ｎｉ：８．０〜１５．０重量％
オーステナイト系ステンレス鋼の主要合金成分であり、加工性及び常温非磁性を確保するために８．０重量％以上のＮｉ量が必要である。しかし、高価な元素であることから、Ｎｉの多量添加は鋼材コストを上昇させる原因となる。また、１５．０重量％を超えると、却って非磁性化できなくなる。
【０００８】
Ｃｒ：１５．０〜１９．０重量％
耐食性の改善に必要な合金成分であり、１５．０重量％以上の含有量でＣｒ添加の効果が顕著になる。しかし、過剰量のＣｒが含まれると鋼材が硬質化し、加工性が劣化することから、本発明ではＣｒ含有量の上限を１９．０重量％に設定した。
【０００９】
Ｎ：０．０３重量％以下
Ｃと同様な固溶強化元素であり、多量に含まれると０．２％耐力が上昇し、鋼材を硬質化する。絞り加工が要求される鋼材では、耐力及び硬さの上昇により加工性が阻害され、加工時に耳割れを発生させることもある。そこで、本発明においては、Ｎ含有量の上限を０．０３重量％に設定した。
Ａｌ：０．００３重量％以下
加工割れの起点となる非金属介在物の組成に大きく影響する成分である。Ａｌ含有量が０．００３重量％を超えると、有害な非金属介在物が生成し易くなる。
Ｓｉ／Ａｌの重量比：１００以上
加工割れの起点となる非金属介在物の組成は、Ｓｉ／Ａｌの重量比で調整できる。Ｓｉ／Ａｌ＜１００では有害な非金属介在物が生成するが、Ｓｉ／Ａｌ≧１００にすると熱間加工時に粘性変形し冷間加工時に微細分散するＭｎＯ−ＳｉＯ 2 −Ａｌ 2 Ｏ 3 系非金属介在物になる。
【００１０】
非金属介在物：
ＭｎＯ−ＳｉＯ 2 −Ａｌ 2 Ｏ 3 系のものにすることにより非金属介在物は無害化されるが、更にＭｇＯ：７重量％以下，Ａｌ2Ｏ3：３５重量％以下，Ｃｒ2Ｏ3：１０重量％以下にすることにより加工割れ感受性が一層改善される。ＭｇＯは、耐火物やスラグに含まれており、不可避的に介在物中に含まれることが多い。ＭｇＯ濃度が７重量％を超えると、介在物が熱間加工中に粘性変形しなくなり、加工割れの原因になり易い。このような欠陥は、ＭｇＯ濃度を７重量％以下にすることにより抑制される。Ａｌ2Ｏ3は、種々の添加原料に含まれているＡｌから生成すると考えられるが、Ａｌ2Ｏ3も介在物中の濃度により介在物の変形能に大きな影響を及ぼす。Ａｌ2Ｏ3濃度が３５重量％よりも高いと有害な介在物が生成されるが、３５重量％以下であると介在物は熱間圧延で粘性変形し、冷間圧延で微細分散するため加工割れを発生させることがない。Ｃｒ2Ｏ3は、１０重量％を超える濃度では加工割れ原因の介在物となるが、１０重量％以下の濃度では無害な介在物となる。
【００１１】
精錬終了時のスラグ組成：
精錬終了時のスラグ組成も、非金属介在物の組成に大きな影響を及ぼす。スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ2 比が１．４よりも低く、且つＡｌ2 Ｏ3 濃度が８重量％以下の場合、介在物の主組成がＭｎＯ−ＳｉＯ2 となり、加工割れに悪影響を及ぼす介在物中のＡｌ2 Ｏ3 やＭｇＯが極く僅かに含まれる程度になる。しかし、この場合でも、介在物にＣｒ2 Ｏ3 が２０重量％程度含まれることがあり、加工割れ原因になることがある。ＣａＯ／ＳｉＯ2 比が１．４より低く且つＡｌ2 Ｏ3 濃度が８重量％を超えると、ＭｎＯ−Ａｌ2 Ｏ3 系の介在物が生成し易くなる。ＭｎＯ−Ａｌ2 Ｏ3 系介在物は、変形能が良好でないため加工割れの原因になる。一方、ＣａＯ／ＳｉＯ2 比が２．４を超えるようなスラグ組成では、代表的な硬質介在物であるＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3 系スピネル型介在物が生成し易くなる。このようなことから、スラグ組成は、ＣａＯ／ＳｉＯ2 比を１．４〜２．４の範囲に、Ａｌ2 Ｏ3 濃度を８重量％以下にする必要がある。
【００１２】
取鍋の耐火物：
ＭｇＯ含有量が５０〜８５重量％で残部の主成分がＣｒ2 Ｏ3 のマグクロ系耐火物を取鍋耐火物として用いた場合、スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ2 比が１．９を超えると耐火物の溶損が大きくなり、スラグ中のＭｇＯ濃度が上昇するため、介在物中のＭｇＯ濃度が高くなる。その結果、加工割れを招く介在物になる可能性が高い。また、マグクロ系耐火物は十分な脱硫能を有していないため、鋼中のＳ濃度規制が厳しい場合、精錬によって成分規格を満足できない場合が生じる。これに対し、ＭｇＯ含有量が４０〜６３重量％で残部の主成分がＣａＯであるドロマイト系耐火物は、スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ2 比の上昇によっても耐火物の溶損が加速されないため、介在物組成に及ぼす悪影響が小さく、また製造コストを低く抑えることもできる。更に、十分な脱硫能をもっていることから、鋼中Ｓ規制を精錬によって十分満足させることが可能になる。
【００１３】
【実施例】
実施例１：
表１に示した成分組成をもつオーステナイト系ステンレス鋼を７０トン電気炉で溶解し、転炉処理，ＶＯＤ精錬，連鋳，熱延，酸洗，冷延を経て、種々の非金属介在物が分散した板厚３．０ｍｍのステンレス鋼薄板を製造した。このステンレス鋼薄板に絞り比３の絞り加工を施し、精錬時に生成したＣａＯ−ＳｉＯ2 系スラグの組成が非金属介在物の組成及び加工割れの発生有無に及ぼす影響を調査した。
【００１４】
【００１５】
図１〜３の調査結果にみられるように、精錬時のスラグに含まれるＡｌ2 Ｏ3 の濃度及びＣａＯ／ＳｉＯ2 の重量比が絞り加工時の加工割れに大きく影響していることが判った。なお、図１〜３では、非金属介在物に含まれる各成分の濃度を縦軸に示し、加工割れが発生した場合を白抜き記号で、加工割れが発生しなかった場合を中実記号で示した。
図１，２から、スラグのＡｌ2 Ｏ3 濃度が８．０重量％以下でＣａＯ／ＳｉＯ2 比が１．４より低い場合、ＭｎＯ−ＳｉＯ2 系の非金属介在物が生成していることが判る。生成した非金属介在物は、Ａｌ2 Ｏ3 （丸印）やＭｇＯ（四角印）を僅かに含む程度であったが、約１３〜１８重量％のＣｒ2 Ｏ3 （三角印）を含んでいた。このことから、スラグのＡｌ2 Ｏ3 濃度が８．０重量％以下でＣａＯ／ＳｉＯ2 比が１．４より低いと、Ｃｒ2 Ｏ3 の還元が十分に進行せず、加工割れの原因となる非金属介在物が生成するものと推察される。
【００１６】
Ｃｒ２Ｏ３の濃度は、ＣａＯ／ＳｉＯ２比が大きくなるに従って減少しており、ＣａＯ／ＳｉＯ２比が２．４を超える条件下では非金属介在物にほとんどＣｒ２Ｏ３が含まれていなかった。しかし、Ａｌ２Ｏ３濃度が約４２〜７０重量％，ＭｇＯ濃度が約２６〜３０重量％になっていた。特にＣａＯ／ＳｉＯ２比が２．６以上になると、Ａｌ２Ｏ３濃度が約７０重量％，ＭｇＯ濃度が約３０重量％の硬質なスピネル型介在物となっていた。これらの非金属介在物が原因して、図１，２に示すように加工割れが発生するものと推察される。
また、スラグ中のＡｌ２Ｏ３濃度が９．５重量％では、図３に示すようにＣａＯ／ＳｉＯ２比に拘らず、全ての条件下で加工割れの原因となる非金属介在物が生成していた。
【００１７】
これに対し、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 濃度を８．０重量％以下に規制し、ＣａＯ／ＳｉＯ2 比を１．４〜２．４の範囲に維持して精錬すると、生成した非金属介在物は、Ｃｒ2 Ｏ3 濃度１０重量％以下，Ａｌ2 Ｏ3 濃度３５重量％以下，ＭｇＯ濃度７重量％以下の組成をもつＭｎＯ−ＳｉＯ2 系介在物となった。この非金属介在物は、熱間加工時に粘性変形し、冷間加工時に微細分散する特性をもっている。そのため、図１，２に中実記号で示すように、加工割れの発生がないステンレス鋼板が得られた。
【００１８】
次いで、非金属介在物の組成に及ぼすメタル組成の影響を調査した。介在物組成に影響を及ぼすメタル組成としては精錬時に添加する脱酸剤が挙げられ、脱酸剤としてはＳｉ，Ａｌが使用されることから、介在物組成に及ぼすＳｉ濃度及びＡｌ濃度の影響を調べた。図４の調査結果にみられるように、Ａｌ濃度が０．００３重量％より高い場合、Ｓｉ濃度の如何に拘らず加工割れや表面疵の発生が検出された。そこで、Ａｌ濃度を０．００３重量％以下としてＳｉ濃度を変化させたところ、Ｓｉ／Ａｌの重量比が１００以上になると加工割れや表面疵が発生しなくなった。
更に、ステンレス鋼の精錬に使用される耐火物の組成が非金属介在物に及ぼす影響を調査した。ＭｇＯ含有量が４０〜６３％で残部の主成分がＣａＯであるドロマイト系耐火物、ＭｇＯ含有量が５０〜８５重量％で残部の主成分がＣｒ2 Ｏ3 であり、その他にＳｉＯ2 やＡｌ2 Ｏ3 を含むＭｇＯ−Ｃｒ2 Ｏ3 系耐火物（マグクロ系）を使用し、精錬後の介在物組成を比較調査した。
【００１９】
図５の調査結果にみられるように、マグクロ系耐火物ではＣａＯ／ＳｉＯ2 比が大きくなると溶損量が増加する傾向を示し、ＣａＯ／ＳｉＯ2 比が１．９を超える付近で溶損量が増大した。溶損量の増加に伴って、介在物中のＭｇＯ濃度も増加する傾向を示し、ＣａＯ／ＳｉＯ2 比２．０以上で介在物中のＭｇＯ濃度が７重量％を超えるようになった。ＭｇＯ濃度の上昇は、溶損した耐火物中のＭｇＯが還元されて鋼中Ｍｇとなり、介在物中の酸素と結び付くことに起因するものと推察される。また、マグクロ系耐火物では十分な脱硫能が得られず、精錬後のＳ濃度が本発明で規定する範囲に達しないこともあった。
【００２０】
他方、ドロマイト系耐火物を使用した場合、ＣａＯ／ＳｉＯ2 比が高くなっても精錬時の耐火物の溶損が少ないため、非金属介在物中のＭｇＯ濃度が７重量％を超えることはなかった。ＭｇＯ濃度の上昇が抑制される理由は明らかでないが、耐火物成分であるＣａＯ−ＭｇＯがスラグ成分であるＣａＯ−ＳｉＯ2 と反応して耐火物表層部のＣａＯ／ＳｉＯ2 比が高くなり、結果として耐火物表層部が高融点の耐火物でコーティングされた状態になることに起因するものと推察される。脱硫に関しても、ドロマイト系耐火物を使用して精錬した後のＳ濃度は、本発明で規定される範囲に十分収まっていた。しかも、ドロマイト系耐火物は、マグクロ系耐火物に比較して安価であるため、製造コストの面でも有利である。
【００２１】
実施例２：
オーステナイト系ステンレス鋼を７０トン電気炉で溶解し、転炉で製錬し、取鍋に注入した。取鍋としては、ＭｇＯ：４０〜６３重量％，残部ＣａＯのドロマイト系耐火物をライニングした取鍋、ＭｇＯ：５０〜８５重量％，Ｃｒ２Ｏ３：７〜３０重量％でその他にＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３を含むマグクロ系耐火物をライニングした取鍋を使用した。
取鍋に収容した溶鋼をＶＯＤ炉で精錬し、メタル組成及びスラグ組成を変化させた。精錬時、スラグ量を約４０ｋｇ／トンに維持した。このようにして製造されたオーステナイト系ステンレス鋼の成分・組成を表２に示す。
【００２２】
【００２３】
精錬後の溶鋼を厚み２００ｍｍ，幅１ｍのスラブに連続鋳造した。得られたスラブを１２３０℃で熱間圧延した後、板厚０．３ｍｍの薄板に仕上げ、更に絞り比４の加工を施した。加工された鋼板を観察し、加工割れの発生有無を調査した。そして、ＶＯＤ精錬後のスラグ組成，薄板のメタル組成が絞り加工後の加工割れに及ぼす影響を調査した。
表３の調査結果にみられるように、本発明に従った条件下で製造されたオーステナイト系ステンレス鋼は、何れも加工割れが検出されず、非金属介在物が無害化されていることが判る。これに対し、スラグ組成やメタル組成が本発明で規定した範囲を外れる比較例のオーステナイト系ステンレス鋼では、有害な非金属介在物が分散しており、絞り加工後に加工割れが発生していた。
【００２４】
【００２５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、非金属介在物を熱間加工時に粘性変形し、冷間加工時に微細分散するＭｎＯ−ＳｉＯ 2 −Ａｌ 2 Ｏ 3 系のものに調整しているため、加工割れの起点となる非金属介在物がなく、加工割れ感受性の低い材料であり、過酷な加工に供される各種機能材料として使用される。また、メタル組成，精錬後のスラグ組成，耐火物組成等を調整することにより非金属介在物が組成制御されるため、製造自体も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 スラグのＡｌ2 Ｏ3 濃度３．２重量％，メタルのＳｉ／Ａｌ比５００の条件下でスラグのＣａＯ／ＳｉＯ2 比が介在物の組成及び加工割れに及ぼす影響を示したグラフ
【図２】 スラグのＡｌ2 Ｏ3 濃度８．０重量％，メタルのＳｉ／Ａｌ比５００の条件下でスラグのＣａＯ／ＳｉＯ2 比が介在物の組成及び加工割れに及ぼす影響を示したグラフ
【図３】 スラグのＡｌ2 Ｏ3 濃度９．５重量％，メタルのＳｉ／Ａｌ比５００の条件下でスラグのＣａＯ／ＳｉＯ2 比が介在物の組成及び加工割れに及ぼす影響を示したグラフ
【図４】 メタル中のＳｉ濃度及びＡｌ濃度が加工割れに及ぼす影響を示したグラフ
【図５】 ＣａＯ／ＳｉＯ2 比が耐火物の溶損及び介在物中のＭｇＯ濃度に及ぼす影響を示したグラフ
【産業上の利用分野】
本発明は、加工割れ感受性が低いオーステナイト系ステンレス鋼及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼は、近年、機能材料としても使用されるようになってきている。オーステナイト系ステンレス鋼の中でも、常温で非磁性の鋼種は、電子部品用材料として使用されることが多い。
この種の材料には、高い清浄度が要求される。そのため、素材製造時の精錬工程で不活性ガスの吹込みにより溶鋼を十分撹拌しながら、ＣａＯを主体とする塩基性フラックス及びＡｌ等の強還元剤を添加し、脱硫，脱酸及び非金属介在物除去を十分に行わせている。
たとえば、特開平６−３０６４３８号公報では、二次精錬炉の耐火物を特定すると共に精錬後のスラグ組成を調整することにより、有害なＡｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ系非金属介在物の生成を抑制している。このような処理によって、ある程度まで高清浄度化される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電子部品用材料に供される素材の中でも、鋼板の板厚が０．５ｍｍ程度以下の極薄で製品形状が複雑なものでは、加工時に僅かな割れや表面疵が発生しても、製品として使用不可となる。そのため、機能材料として用いられる用途では、加工精度や品質に対する要求が苛酷である。
加工割れや表面疵は、硬質な非金属介在物に原因があることが多い。しかし、精錬工程で溶鋼を強撹拌することにより非金属介在物を完全に浮上分離することは困難である。また、非金属介在物の硬さは組成によって大きく変わるが、生成する非金属介在物の組成までを制御してない。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、非金属介在物の組成を制御することにより、熱間加工時に粘性変形し冷間加工時に微細分散するＭｎＯ−ＳｉＯ2 系にし、非金属介在物起因の加工割れがないオーステナイト系ステンレス鋼を得ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、その目的を達成するため、Ｃ：０．０８重量％以下，Ｓｉ：０．２〜１．０重量％，Ｍｎ：２．０重量％以下，Ｓ：０．００７重量％以下，Ｎｉ：８．０〜１５．０重量％，Ｃｒ：１５．０〜１９．０重量％，Ｎ：０．０３重量％以下，Ａｌ：０．００３重量％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｓｉ／Ａｌの重量比が１００以上になる組成を持ち、非金属介在物がＭｎＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ 2 Ｏ 3 系であり、ＭｇＯ：７重量％以下，Ａｌ2Ｏ3：３５重量％以下，Ｃｒ2Ｏ3：１０重量％以下に規制された組成を有することを特徴とする。
このオーステナイト系ステンレス鋼は、ドロマイト系耐火物をライニングした精錬炉を用いてステンレス溶鋼を精錬し、精錬終了後のスラグのＣａＯ／ＳｉＯ2比を１．４〜２．４に、Ａｌ2Ｏ3濃度を８重量％以下に維持することにより製造される。ドロマイト系耐火物には、ＭｇＯ：４０〜６３重量％及び主成分としてＣａＯ：３４〜５７重量％を含む耐火物が使用される。
【０００５】
【作用】
本発明者等は、オーステナイト系ステンレス鋼に絞り加工を施して得た製品について、非金属介在物に由来する加工割れが発生しているものを調査した。
オーステナイト系ステンレス鋼に分散している非金属介在物は、通常、約３０重量％のＭｇＯを含むスピネル型Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系，約５０重量％のＡｌ2Ｏ3を含むＭｎＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3系，約１５重量％のＣｒ2Ｏ3を含むＭｎＯ−ＳｉＯ2系である。本発明者等による調査・研究の結果、これらの介在物に含まれるＡｌ2Ｏ3濃度，ＭｇＯ濃度及びＣｒ2Ｏ3濃度が加工割れに大きく影響していることが判った。そして、ＭｎＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ 2 Ｏ 3 系の非金属介在物を生成させると共に、ＭｇＯ：７重量％以下，Ａｌ2Ｏ3：３５重量％以下，Ｃｒ2Ｏ3：１０重量％以下に調整するとき、非金属介在物が無害化し、加工割れ感受性の低いオーステナイト系ステンレス鋼が得られることを見い出した。
更に、介在物組成に影響を及ぼす因子としてメタル組成，スラグ組成，耐火物組成等について検討を進めたところ、精錬終了後のスラグ組成及び取鍋の耐火物組成を特定することが有効であることが判った。
【０００６】
以下、本発明オーステナイト系ステンレス鋼に含まれる合金成分，含有量等を説明する。
Ｃ：０．０８重量％以下
固溶強化元素であり、多量に含まれると０．２％耐力が上昇し、鋼材を硬質化する。絞り加工が供される鋼材では、耐力及び硬さの上昇により加工性が阻害され、加工時に耳割れを発生させることもある。そこで、本発明においては、Ｃ含有量の上限を０．０８重量％に設定した。
Ｓｉ：０．２〜１．０重量％
溶鋼の脱酸に使用される成分であり、０．２重量％未満では脱酸不足となる。そして、非金属介在物中のＣｒ2 Ｏ3 濃度が１０重量％よりも高くなり、加工割れ原因の非金属介在物が生成する。しかし、１．０重量％を超える多量のＳｉが含まれると、鋼材が硬質化し、冷間加工で薄板を製造する際に所定板厚まで圧延するために多くのパス回数を必要とし、生産性が大きく低下する。また、鋼材の硬質化に伴って、絞り加工時に耳割れが発生することもある。
【０００７】
Ｍｎ：２．０重量％以下
熱間加工性の確保に有効な合金成分であり、０．２％耐力を低下させ、鋼材を軟質化する作用も呈する。Ｍｎ添加の効果は、２．０重量％で飽和し、それ以上添加しても増量に見合った性質改善がみられない。
Ｓ：０．００７重量％以下
熱間加工性に悪影響を及ぼす元素であることから、Ｓ含有量の上限を０．００７重量％に規制した。なお、一層良好な熱間加工性を得るためには、Ｓ含有量を０．００５重量％以下に規制することが好ましい。
Ｎｉ：８．０〜１５．０重量％
オーステナイト系ステンレス鋼の主要合金成分であり、加工性及び常温非磁性を確保するために８．０重量％以上のＮｉ量が必要である。しかし、高価な元素であることから、Ｎｉの多量添加は鋼材コストを上昇させる原因となる。また、１５．０重量％を超えると、却って非磁性化できなくなる。
【０００８】
Ｃｒ：１５．０〜１９．０重量％
耐食性の改善に必要な合金成分であり、１５．０重量％以上の含有量でＣｒ添加の効果が顕著になる。しかし、過剰量のＣｒが含まれると鋼材が硬質化し、加工性が劣化することから、本発明ではＣｒ含有量の上限を１９．０重量％に設定した。
【０００９】
Ｎ：０．０３重量％以下
Ｃと同様な固溶強化元素であり、多量に含まれると０．２％耐力が上昇し、鋼材を硬質化する。絞り加工が要求される鋼材では、耐力及び硬さの上昇により加工性が阻害され、加工時に耳割れを発生させることもある。そこで、本発明においては、Ｎ含有量の上限を０．０３重量％に設定した。
Ａｌ：０．００３重量％以下
加工割れの起点となる非金属介在物の組成に大きく影響する成分である。Ａｌ含有量が０．００３重量％を超えると、有害な非金属介在物が生成し易くなる。
Ｓｉ／Ａｌの重量比：１００以上
加工割れの起点となる非金属介在物の組成は、Ｓｉ／Ａｌの重量比で調整できる。Ｓｉ／Ａｌ＜１００では有害な非金属介在物が生成するが、Ｓｉ／Ａｌ≧１００にすると熱間加工時に粘性変形し冷間加工時に微細分散するＭｎＯ−ＳｉＯ 2 −Ａｌ 2 Ｏ 3 系非金属介在物になる。
【００１０】
非金属介在物：
ＭｎＯ−ＳｉＯ 2 −Ａｌ 2 Ｏ 3 系のものにすることにより非金属介在物は無害化されるが、更にＭｇＯ：７重量％以下，Ａｌ2Ｏ3：３５重量％以下，Ｃｒ2Ｏ3：１０重量％以下にすることにより加工割れ感受性が一層改善される。ＭｇＯは、耐火物やスラグに含まれており、不可避的に介在物中に含まれることが多い。ＭｇＯ濃度が７重量％を超えると、介在物が熱間加工中に粘性変形しなくなり、加工割れの原因になり易い。このような欠陥は、ＭｇＯ濃度を７重量％以下にすることにより抑制される。Ａｌ2Ｏ3は、種々の添加原料に含まれているＡｌから生成すると考えられるが、Ａｌ2Ｏ3も介在物中の濃度により介在物の変形能に大きな影響を及ぼす。Ａｌ2Ｏ3濃度が３５重量％よりも高いと有害な介在物が生成されるが、３５重量％以下であると介在物は熱間圧延で粘性変形し、冷間圧延で微細分散するため加工割れを発生させることがない。Ｃｒ2Ｏ3は、１０重量％を超える濃度では加工割れ原因の介在物となるが、１０重量％以下の濃度では無害な介在物となる。
【００１１】
精錬終了時のスラグ組成：
精錬終了時のスラグ組成も、非金属介在物の組成に大きな影響を及ぼす。スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ2 比が１．４よりも低く、且つＡｌ2 Ｏ3 濃度が８重量％以下の場合、介在物の主組成がＭｎＯ−ＳｉＯ2 となり、加工割れに悪影響を及ぼす介在物中のＡｌ2 Ｏ3 やＭｇＯが極く僅かに含まれる程度になる。しかし、この場合でも、介在物にＣｒ2 Ｏ3 が２０重量％程度含まれることがあり、加工割れ原因になることがある。ＣａＯ／ＳｉＯ2 比が１．４より低く且つＡｌ2 Ｏ3 濃度が８重量％を超えると、ＭｎＯ−Ａｌ2 Ｏ3 系の介在物が生成し易くなる。ＭｎＯ−Ａｌ2 Ｏ3 系介在物は、変形能が良好でないため加工割れの原因になる。一方、ＣａＯ／ＳｉＯ2 比が２．４を超えるようなスラグ組成では、代表的な硬質介在物であるＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3 系スピネル型介在物が生成し易くなる。このようなことから、スラグ組成は、ＣａＯ／ＳｉＯ2 比を１．４〜２．４の範囲に、Ａｌ2 Ｏ3 濃度を８重量％以下にする必要がある。
【００１２】
取鍋の耐火物：
ＭｇＯ含有量が５０〜８５重量％で残部の主成分がＣｒ2 Ｏ3 のマグクロ系耐火物を取鍋耐火物として用いた場合、スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ2 比が１．９を超えると耐火物の溶損が大きくなり、スラグ中のＭｇＯ濃度が上昇するため、介在物中のＭｇＯ濃度が高くなる。その結果、加工割れを招く介在物になる可能性が高い。また、マグクロ系耐火物は十分な脱硫能を有していないため、鋼中のＳ濃度規制が厳しい場合、精錬によって成分規格を満足できない場合が生じる。これに対し、ＭｇＯ含有量が４０〜６３重量％で残部の主成分がＣａＯであるドロマイト系耐火物は、スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ2 比の上昇によっても耐火物の溶損が加速されないため、介在物組成に及ぼす悪影響が小さく、また製造コストを低く抑えることもできる。更に、十分な脱硫能をもっていることから、鋼中Ｓ規制を精錬によって十分満足させることが可能になる。
【００１３】
【実施例】
実施例１：
表１に示した成分組成をもつオーステナイト系ステンレス鋼を７０トン電気炉で溶解し、転炉処理，ＶＯＤ精錬，連鋳，熱延，酸洗，冷延を経て、種々の非金属介在物が分散した板厚３．０ｍｍのステンレス鋼薄板を製造した。このステンレス鋼薄板に絞り比３の絞り加工を施し、精錬時に生成したＣａＯ−ＳｉＯ2 系スラグの組成が非金属介在物の組成及び加工割れの発生有無に及ぼす影響を調査した。
【００１４】
図１〜３の調査結果にみられるように、精錬時のスラグに含まれるＡｌ2 Ｏ3 の濃度及びＣａＯ／ＳｉＯ2 の重量比が絞り加工時の加工割れに大きく影響していることが判った。なお、図１〜３では、非金属介在物に含まれる各成分の濃度を縦軸に示し、加工割れが発生した場合を白抜き記号で、加工割れが発生しなかった場合を中実記号で示した。
図１，２から、スラグのＡｌ2 Ｏ3 濃度が８．０重量％以下でＣａＯ／ＳｉＯ2 比が１．４より低い場合、ＭｎＯ−ＳｉＯ2 系の非金属介在物が生成していることが判る。生成した非金属介在物は、Ａｌ2 Ｏ3 （丸印）やＭｇＯ（四角印）を僅かに含む程度であったが、約１３〜１８重量％のＣｒ2 Ｏ3 （三角印）を含んでいた。このことから、スラグのＡｌ2 Ｏ3 濃度が８．０重量％以下でＣａＯ／ＳｉＯ2 比が１．４より低いと、Ｃｒ2 Ｏ3 の還元が十分に進行せず、加工割れの原因となる非金属介在物が生成するものと推察される。
【００１６】
Ｃｒ２Ｏ３の濃度は、ＣａＯ／ＳｉＯ２比が大きくなるに従って減少しており、ＣａＯ／ＳｉＯ２比が２．４を超える条件下では非金属介在物にほとんどＣｒ２Ｏ３が含まれていなかった。しかし、Ａｌ２Ｏ３濃度が約４２〜７０重量％，ＭｇＯ濃度が約２６〜３０重量％になっていた。特にＣａＯ／ＳｉＯ２比が２．６以上になると、Ａｌ２Ｏ３濃度が約７０重量％，ＭｇＯ濃度が約３０重量％の硬質なスピネル型介在物となっていた。これらの非金属介在物が原因して、図１，２に示すように加工割れが発生するものと推察される。
また、スラグ中のＡｌ２Ｏ３濃度が９．５重量％では、図３に示すようにＣａＯ／ＳｉＯ２比に拘らず、全ての条件下で加工割れの原因となる非金属介在物が生成していた。
【００１７】
これに対し、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 濃度を８．０重量％以下に規制し、ＣａＯ／ＳｉＯ2 比を１．４〜２．４の範囲に維持して精錬すると、生成した非金属介在物は、Ｃｒ2 Ｏ3 濃度１０重量％以下，Ａｌ2 Ｏ3 濃度３５重量％以下，ＭｇＯ濃度７重量％以下の組成をもつＭｎＯ−ＳｉＯ2 系介在物となった。この非金属介在物は、熱間加工時に粘性変形し、冷間加工時に微細分散する特性をもっている。そのため、図１，２に中実記号で示すように、加工割れの発生がないステンレス鋼板が得られた。
【００１８】
次いで、非金属介在物の組成に及ぼすメタル組成の影響を調査した。介在物組成に影響を及ぼすメタル組成としては精錬時に添加する脱酸剤が挙げられ、脱酸剤としてはＳｉ，Ａｌが使用されることから、介在物組成に及ぼすＳｉ濃度及びＡｌ濃度の影響を調べた。図４の調査結果にみられるように、Ａｌ濃度が０．００３重量％より高い場合、Ｓｉ濃度の如何に拘らず加工割れや表面疵の発生が検出された。そこで、Ａｌ濃度を０．００３重量％以下としてＳｉ濃度を変化させたところ、Ｓｉ／Ａｌの重量比が１００以上になると加工割れや表面疵が発生しなくなった。
更に、ステンレス鋼の精錬に使用される耐火物の組成が非金属介在物に及ぼす影響を調査した。ＭｇＯ含有量が４０〜６３％で残部の主成分がＣａＯであるドロマイト系耐火物、ＭｇＯ含有量が５０〜８５重量％で残部の主成分がＣｒ2 Ｏ3 であり、その他にＳｉＯ2 やＡｌ2 Ｏ3 を含むＭｇＯ−Ｃｒ2 Ｏ3 系耐火物（マグクロ系）を使用し、精錬後の介在物組成を比較調査した。
【００１９】
図５の調査結果にみられるように、マグクロ系耐火物ではＣａＯ／ＳｉＯ2 比が大きくなると溶損量が増加する傾向を示し、ＣａＯ／ＳｉＯ2 比が１．９を超える付近で溶損量が増大した。溶損量の増加に伴って、介在物中のＭｇＯ濃度も増加する傾向を示し、ＣａＯ／ＳｉＯ2 比２．０以上で介在物中のＭｇＯ濃度が７重量％を超えるようになった。ＭｇＯ濃度の上昇は、溶損した耐火物中のＭｇＯが還元されて鋼中Ｍｇとなり、介在物中の酸素と結び付くことに起因するものと推察される。また、マグクロ系耐火物では十分な脱硫能が得られず、精錬後のＳ濃度が本発明で規定する範囲に達しないこともあった。
【００２０】
他方、ドロマイト系耐火物を使用した場合、ＣａＯ／ＳｉＯ2 比が高くなっても精錬時の耐火物の溶損が少ないため、非金属介在物中のＭｇＯ濃度が７重量％を超えることはなかった。ＭｇＯ濃度の上昇が抑制される理由は明らかでないが、耐火物成分であるＣａＯ−ＭｇＯがスラグ成分であるＣａＯ−ＳｉＯ2 と反応して耐火物表層部のＣａＯ／ＳｉＯ2 比が高くなり、結果として耐火物表層部が高融点の耐火物でコーティングされた状態になることに起因するものと推察される。脱硫に関しても、ドロマイト系耐火物を使用して精錬した後のＳ濃度は、本発明で規定される範囲に十分収まっていた。しかも、ドロマイト系耐火物は、マグクロ系耐火物に比較して安価であるため、製造コストの面でも有利である。
【００２１】
実施例２：
オーステナイト系ステンレス鋼を７０トン電気炉で溶解し、転炉で製錬し、取鍋に注入した。取鍋としては、ＭｇＯ：４０〜６３重量％，残部ＣａＯのドロマイト系耐火物をライニングした取鍋、ＭｇＯ：５０〜８５重量％，Ｃｒ２Ｏ３：７〜３０重量％でその他にＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３を含むマグクロ系耐火物をライニングした取鍋を使用した。
取鍋に収容した溶鋼をＶＯＤ炉で精錬し、メタル組成及びスラグ組成を変化させた。精錬時、スラグ量を約４０ｋｇ／トンに維持した。このようにして製造されたオーステナイト系ステンレス鋼の成分・組成を表２に示す。
【００２２】
精錬後の溶鋼を厚み２００ｍｍ，幅１ｍのスラブに連続鋳造した。得られたスラブを１２３０℃で熱間圧延した後、板厚０．３ｍｍの薄板に仕上げ、更に絞り比４の加工を施した。加工された鋼板を観察し、加工割れの発生有無を調査した。そして、ＶＯＤ精錬後のスラグ組成，薄板のメタル組成が絞り加工後の加工割れに及ぼす影響を調査した。
表３の調査結果にみられるように、本発明に従った条件下で製造されたオーステナイト系ステンレス鋼は、何れも加工割れが検出されず、非金属介在物が無害化されていることが判る。これに対し、スラグ組成やメタル組成が本発明で規定した範囲を外れる比較例のオーステナイト系ステンレス鋼では、有害な非金属介在物が分散しており、絞り加工後に加工割れが発生していた。
【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼は、非金属介在物を熱間加工時に粘性変形し、冷間加工時に微細分散するＭｎＯ−ＳｉＯ 2 −Ａｌ 2 Ｏ 3 系のものに調整しているため、加工割れの起点となる非金属介在物がなく、加工割れ感受性の低い材料であり、過酷な加工に供される各種機能材料として使用される。また、メタル組成，精錬後のスラグ組成，耐火物組成等を調整することにより非金属介在物が組成制御されるため、製造自体も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 スラグのＡｌ2 Ｏ3 濃度３．２重量％，メタルのＳｉ／Ａｌ比５００の条件下でスラグのＣａＯ／ＳｉＯ2 比が介在物の組成及び加工割れに及ぼす影響を示したグラフ
【図２】 スラグのＡｌ2 Ｏ3 濃度８．０重量％，メタルのＳｉ／Ａｌ比５００の条件下でスラグのＣａＯ／ＳｉＯ2 比が介在物の組成及び加工割れに及ぼす影響を示したグラフ
【図３】 スラグのＡｌ2 Ｏ3 濃度９．５重量％，メタルのＳｉ／Ａｌ比５００の条件下でスラグのＣａＯ／ＳｉＯ2 比が介在物の組成及び加工割れに及ぼす影響を示したグラフ
【図４】 メタル中のＳｉ濃度及びＡｌ濃度が加工割れに及ぼす影響を示したグラフ
【図５】 ＣａＯ／ＳｉＯ2 比が耐火物の溶損及び介在物中のＭｇＯ濃度に及ぼす影響を示したグラフ
Claims (3)
- Ｃ：０．０８重量％以下，Ｓｉ：０．２〜１．０重量％，Ｍｎ：２．０重量％以下，Ｓ：０．００７重量％以下，Ｎｉ：８．０〜１５．０重量％，Ｃｒ：１５．０〜１９．０重量％，Ｎ：０．０３重量％以下，Ａｌ：０．００３重量％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｓｉ／Ａｌの重量比が１００以上になる組成を持ち、非金属介在物がＭｎＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ 2 Ｏ 3 系であり、ＭｇＯ：７重量％以下，Ａｌ2Ｏ3：３５重量％以下，Ｃｒ2Ｏ3：１０重量％以下に規制された組成を有することを特徴とする加工割れ感受性の低いオーステナイト系ステンレス鋼。
- ドロマイト系耐火物をライニングした精錬炉を用いて請求項１記載の組成をもつステンレス溶鋼を精錬し、精錬終了後のスラグのＣａＯ／ＳｉＯ2比を１．４〜２．４に、Ａｌ2Ｏ3濃度を８重量％以下に維持することを特徴とする加工割れ感受性の低いオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
- ＭｇＯ：４０〜６３重量％及びＣａＯ：３４〜５７重量％を含む組成のドロマイト系耐火物を使用する請求項２記載の加工割れ感受性の低いオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法。
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