JP4061687B2 - Sus301のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼の精錬方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、SUS301のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼の精錬方法に係わる。
【0002】
【従来技術】
バネ材として利用されるオーステナイト系ステンレス鋼(例えば、特開平3−61322号公報、特開平7−188861号公報参照)は、伸線性が良好な素材であること、また製造されたバネの安全性と使用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る。
【0003】
一般に、ステンレス鋼は、転炉あるいは電気炉から出鋼した溶鋼を、図4に示すようなAOD(argon oxygendecarburization)、あるいはVOD(vacuum oxygen decarburization) と称する2次精錬装置で再度処理し、そのに中に存在する非金属介在物3を除去し、清浄化する。特に、バネ材として利用され、Al2 O3 系の硬質な非金属介在物3を嫌うSUS301等のオーステナイト系ステンレス鋼の製造では、前記2次精錬装置において溶鋼にSiを還元剤として添加し、塩基性スラグの存在下で不活性ガス(アルゴン、窒素)の吹き込み等により溶鋼を強撹拌し、脱酸及び非金属介在物3の浮上及び除去を促進させている。
【0004】
ところが、溶鋼に添加したSiは、生成したスラグや使用炉の内張耐火物中のAl2 O3 を還元する。そして、還元後溶鋼中に入った[Al]は、再酸化されてAl2 O3 を主体とした硬質な非金属介在物3を生成し、その状態のまま、鋳片として凝固される。従って、かかる鋳片を圧延して製造したバネ材は、その特性が著しく低いものになる。そこで、特開平3−267312号公報は、精錬中に生成されるスラグのCaO/SiO2 を1.5〜2.5に、スラグ中のAl2 O3 濃度を5重量%以下に調整し、前記非金属介在物3の形成を抑制する方法を提案した。
【0005】
しかしながら、この方法は、比較的Si濃度の低いオーステナイト系ステンレス鋼では、スラグ中のAl2 O3 の還元反応をある程度抑制したが、バネ材に利用されるオーステナイト系ステンレス鋼では、Si濃度が高いため、スラグ中のAl2 O3 は依然として還元されてしまい、Al2 O3 系の硬質非金属介在物の量は減少しない。また、精錬に使用する溶鋼容器に安価なAl2 O3 系耐火物を内張りした場合には、そこからの溶出もあり、スラグ中のAl2 O3 濃度を5重量%以下にするのは困難である。そのため、バネ材に好適なオーステナイト系ステンレス鋼を溶製するには、高価な非Al2 O3 系の耐火物を特別に内張りしなければならないという問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑み、精錬中に、生成する非金属介在物を伸延性の良好な無害化された非金属介在物とし、伸線性と疲労強度のいずれにも優れたオーステナイト系ステンレス鋼を得ることの可能な精錬方法の提供を目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
従来より、単に非金属介在物を低融点化し、圧延、伸線の工程で変形し易くするために、溶鋼中にCaを添加することが知られている。そのため、本発明者は、まず、このことを実験で確認した。その結果、Caの単独添加でも効果はあるが、その程度は小さく、バネ材のように極めて要求の厳しい鋼材のかかる介在物欠陥を十分に防止するには、Caを数十〜百ppmもの多量添加が必要であるとの結論を得た。また、この介在物によって鋼材が発錆し易くなり、実用的でないことも明らかになった。
【0008】
そこで、本発明者は、このCa単独添加の欠陥を補う他の添加元素の発見に努め、REMをCaに複合添加すると、上述のような不都合が生じないことを知り、この発見を本発明に具現化した。
すなわち、本発明は、精錬容器にオーステナイト系ステンレス鋼の溶鋼を保持し、まず該溶鋼を脱炭精錬した後に目標濃度になるようCr及びNi量を調整してから、Siで脱酸するSUS301のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼の精錬方法において、前記Si脱酸後の溶鋼に,引き続きCaとREMを複合添加し、該溶鋼中のCaとREMの合計濃度を0.0001〜0.0015重量%の範囲に調整することを特徴とするSUS301のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼の精錬方法である。
【0009】
また、本発明は、前記脱炭精錬を真空下あるいは不活性ガス下で行うことを特徴とするSUS301のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼の精錬方法である。
さらに、本発明は、前記精錬容器をアルミナ質耐火物で内張りすることを特徴とするSUS301のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼の精錬方法である。
【0010】
本発明によれば、精錬中に生成するスラグ組成や炉耐火物の組成に影響されずに、凝固後に鋳片に析出する硬質のAl2 O3 系非金属介在物が軟質化し、その伸延性が良好になる。その結果、鋼中のSi濃度が高くとも、従来より大幅に伸線性や疲労強度に優れたバネ材に好適なオーステナイト系ステンレス鋼が製造できるようになる。また、精錬容器の内張りに安価なAl2 O3 系耐火物が使用できるようになるので、精錬費用の削減効果も得られる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、発明をなすに至った経緯もまじえて、本発明の実施の形態を説明する。発明者は、転炉精錬を終え出鋼したオーステナイト系ステンレス鋼の溶鋼を、精錬容器に受け、2次精錬装置としてAOD,VODに相当する条件にて多数の実験操業を行った。つまり、溶鋼中に真空下で酸素ガスを吹込んだり(VOD)、あるいは大気下で不活性ガスを吹込み強撹拌して、炭素をCOガスとして除去(脱炭)し、Cr,Ni等を添加して成分調整をした後、Siを投入して溶鋼の脱酸を行った。
【0012】
その際、特にバネ材に利用されるオーステナイト系ステンレス鋼は、通常、生成スラグのCaO/SiやAl2 O3 濃度を精錬中に低下させても、溶鋼中のSi濃度が比較的高いため、スラグ中のAl濃度と平衡する溶鋼中のAl濃度が高くなり、非金属介在物中3のAl2 O3 濃度が増加し、硬質な非金属介在物が形成する。そこで、発明者は、前記Si脱酸でスラグおよび炉耐火物から還元されて入ったAlの存在下において、溶鋼に前記CaおよびLa、Ceを含んだREM元素を添加し、凝固後の該ステナイト系ステンレス鋼中に含まれる非金属介在物の性状を調査したのである。
【0013】
その結果、圧延後の鋼材に含まれる非金属介在物3は、図1に模式図で示したような圧延方向に延びた形状になり、しかも、溶鋼時の添加元素の増加につれ、短径d1 と長径d2 の比d2 /d1 が大きく異なることがわかった。なお、形成された非金属介在物の組成は、主にSiO2 −MnO−Al2 O3 −CaO−La3 O3 −Ce2 O3 の複合酸化物であり、Ca及びREM元素の添加量により、CaO−La2 O3 −Ce2 O3 の濃度が異なる。
【0014】
また、図2に非金属介在物中のCaO−La2 O3 −Ce2 O3濃度と圧延後の非金属介在物の短径d1 と長径d2の比d2 /d1 との関係を示すが、CaO−La2O3 −Ce2 O3 の濃度が高いほど、短径d1と長径d2の比d2 /d1 が大きく、伸延性の大きい非金属介在物3になることがわかった。特に、非金属介在物中のCaO−La2O3 −Ce2 O3 濃度が10重量%以上になると、非金属介在物3の伸延性は大幅に向上し、一般に伸延性良好とされるd2/d1 >5を達成できることが確認された。これはSiO2 −MnO−Al2 O3系非金属介在物中にCaO−La2 O3 −Ce2 O3 が加わったために、非金属介在物の融点が低下したためと考えられる。
なお、このようにCaO−La2 O3 −Ce2 O3の濃度が高いほど伸延性の大きい非金属介在物になる効果は、図2の結果から、非金属介在物中のCaO−La2O3 −Ce2 O3濃度が30重量%までの範囲で確認できているので、本発明のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼では鋼中に含有される非金属介在物中のCaOとREM酸化物の含有量の和が10重量%以上であることを要件とする。
【0015】
さらに、図3に溶鋼中のCa+REM元素濃度と非金属介在物中のCaO−La2 O3 −Ce2 O3 濃度との関係を示すが、溶鋼中のCa+REM元素濃度が増加するに従い、非金属介在物中CaO−La2 O3 −Ce2 O3 の濃度も増加する。
発明者は、以上図1〜3に示した関係を整理し、本発明となしたのである。つまり、非金属介在物の延伸性を高めるには、該非金属介在物中のCaO−La2 O3 −Ce2 O3 濃度を10重量%以上必要であり、そのためにはVODあるいはAOD装置による精錬時に溶鋼中のCa+REM濃度を0.0001重量%以上とする。しかし、このREMとCaの合計濃度が0.0015重量%を超えると、鋼材に前記発錆問題が生じるので、その上限濃度を0.0015重量%とするようにした。
【0016】
【実施例】
バネ材として利用されるオーステナイト系ステンレス鋼SUS301を製造可能な溶鋼(Cr:17重量%、Ni:6.6重量%に調整)を転炉から160tonの取鍋2に出鋼し、その取鍋2を所謂VOD装置1内にセットした。そして、酸素上吹きランス4から溶鋼7中に酸素ガス10を吹込み、VODによる脱炭を行った。その際、減圧室6の圧力は、10〜100torrの範囲で変更して減圧し、溶鋼7の当初温度は1670℃であった。また、溶鋼中のCa+REM濃度はほぼ0であった。
【0017】
この脱炭終了後、金属Siを投入して、溶鋼7や生成したスラグ8の還元を行った。そして、引き続き、溶鋼7中にCa+REM元素を添加し、それらの溶鋼7中濃度を調整した。この調整は、本発明の要件を満足する場合(実施例)及び満足しない場合(比較例)の両方で実施した。かくして最終成分としてはC:0.09〜0.11重量%、Si:0.55〜0.75重量%、Mn:0.70〜0.90重量%、Cr:16.8〜17.2重量%、Ni:6.50〜6.70重量%、N:0.0450〜0.0650重量%で、Ca+REMの含有量が0〜9ppmの溶鋼を得た。なお、使用した取鍋2(精錬容器)に内張りした耐火物は、通常使用されている安価なアルミナ−マグネシア煉瓦である。また、操業中に、スラグの組成は、CaO/SiO2 を1.5、アルミ濃度を8重量%となるようにした。さらに、CaやREMの添加手段(図示せず)及び分析手段は、公知のものを採用した。
【0018】
かかる操業で得た溶鋼7は、公知の連続鋳造で鋳片にされ、熱間圧延−冷間圧延を施して板状にし、所定位置から試料を採取して含有する非金属介在物3の調査が行われた。この調査は、SEM(2次電子顕微鏡)で形状の観察および短径d1 と長径d2 の測定をし、EDX(エネルギー分散型X線分析装置)を用いて組成を同定することである。その結果を、表1に一括して示す。
【0019】
【表1】
【0020】
表1より、本発明の要件を満足する場合には、非金属介在物3がSiO2 −MnO−Al2 O3 −CaO−La2 O3 −Ce2 O3 系であり、その形態は針状であることがわかる。つまり、軟質化して伸延性の大きいものになっていた。
【0021】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明により、SUS301のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼のようなSi濃度の高い鋼種でも、非金属介在物を軟化し、伸延性を良くすることができるようになった。すなわち、伸線性や疲労強度に優れたSUS301のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼を、安価な内張り耐火物を使用した装置で、安定して製造することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る精錬方法で得た鋳片の圧延後、該鋳片内で観察される非金属介在物の形状を示す模式図である。
【図2】図1に示した非金属介在物中のCaO−La2 O3 −Ce2 O3 濃度と、(短径d1 /長径d2 比)との関係を示す図である。
【図3】溶鋼中のCa+REM元素濃度と非金属介在物中のCaO−La2 O3 −Ce2 O3 濃度との関係を示す図である。
【図4】本発明に係る精錬方法を実施する装置の図であり、(a)はVOD装置,(b)はAOD炉である。
【符号の説明】
1 VOD真空脱ガス装置
2 精錬容器(取鍋、AOD炉等)
3 非金属介在物
4 酸素上吹きランス
5 ガス吹き込みノズル
6 減圧室
7 溶鋼
8 スラグ
9 不活性ガス
10 酸素ガス
11 排気
Claims (3)
- 精錬容器にオーステナイト系ステンレス鋼の溶鋼を保持し、まず該溶鋼を脱炭精錬した後に目標濃度になるようCr及びNi量を調整してから、Siで脱酸するSUS301のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼の精錬方法において、
前記Si脱酸後の溶鋼に、引き続きCaとREMを複合添加し、該溶鋼中のCaとREMの合計濃度を0.0001〜0.0015重量%の範囲に調整することを特徴とするSUS301のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼の精錬方法。 - 前記脱炭精錬を真空下あるいは不活性ガス下で行うことを特徴とする請求項1記載のSUS301のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼の精錬方法。
- 前記精錬容器をアルミナ質耐火物で内張りすることを特徴とする請求項1又は2記載のSUS301のバネ用オーステナイト系ステンレス鋼の精錬方法。
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