JP4082064B2 - チタン含有鋼の溶製方法 - Google Patents
チタン含有鋼の溶製方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4082064B2 JP4082064B2 JP2002105978A JP2002105978A JP4082064B2 JP 4082064 B2 JP4082064 B2 JP 4082064B2 JP 2002105978 A JP2002105978 A JP 2002105978A JP 2002105978 A JP2002105978 A JP 2002105978A JP 4082064 B2 JP4082064 B2 JP 4082064B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- content
- slag
- tio
- steel
- molten steel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/20—Recycling
Landscapes
- Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴｉおよびＳを含有し、高い被削性を有するチタン含有鋼の溶製方法に関する。更に詳しくは、主として機械構造用鋼として用いられる、Ｔｉ炭硫化物が分散し高い被削性を有するチタン含有鋼を、高いＴｉ添加歩留りとＴｉ含有量の良好な制御性のもとで溶製できる溶製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高い被削性の得られる機械構造用鋼として、ＴｉおよびＳを含有させることによりＴｉ炭硫化物を分散させ、被削性を高めたチタン含有鋼が広く用いられている。
【０００３】
例えば、特開平９−５３１４２号公報には、ＴｉおよびＳを多量に含有する耐疲労特性に優れた非調質鋼材およびその製造方法が開示され、また特開平１０−１９５５９９号公報には、強度と靱性に優れた快削非調質鋼が開示されている。
【０００４】
これらの開示された鋼は、質量％で、Ｔｉ含有量が０．０４〜０．２５％または０．０５〜１．０％、および、Ｓ含有量が０．０１〜０．１％または０．０１〜０．２％を基本的な組成範囲とし、Ｔｉ硫化物またはＴｉ炭硫化物を微細に分散させることにより、高い機械的特性および快削性を持たせたチタン含有鋼である。
【０００５】
これらのチタン含有鋼の溶製方法に関して、特開平９−５３１４２号公報では真空溶解炉を用いて通常の方法で溶製すること、また特開平１０−１９５５９９号公報では真空溶解炉を用いること、さらにＴｉ脱酸生成物の生成を避けるための脱酸剤の添加順序について、それぞれ記載があるが、詳細な溶製方法について開示がない。また、特開平１０−１９５５９９号公報には、酸素含有量が０．０１５％以下、望ましくは０．０１０％以下であれば、硬質な酸化物系介在物による被削性の低下は避けられるとの記載があるが、その具体的な溶製方法については記載されていない。
【０００６】
特開平１１−３１０８４８号公報には、Ｔｉ：０．０４〜１．０％、Ｓ：０．０１〜０．２％を含有する鋼において、Ｔｉ硫化物もしくはＴｉ炭硫化物またはその両者と金属相とからなる共晶組織部を有する高強度で被削性の改善された非調質鋼材用連続鋳造鋳片が開示されている。しかし、ここで開示されているのは、鋼の連続鋳造方法およびそれ以降の製造工程における製造条件であって、詳細な溶製方法については開示がない。
【０００７】
特開２０００−３４５２３４号公報には、溶鋼にＴｉを添加する方法として、スラグに酸化チタン含有物質およびアルミニウム含有物質を投入し、アルミニウムで酸化チタンを還元する方法が開示されている。しかし、スラグ中のＳｉＯ2濃度が低いＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＯ2 系スラグの場合には、スラグの滓化性が悪く、実用には耐えない。
【０００８】
酸素との親和力の高いＴｉを０．０４％以上含有するチタン含有鋼の溶鋼では、溶製中に溶鋼中のＴｉと取鍋内スラグとが反応しやすく、機械構造用鋼の必要条件である全酸素含有量の低減、すなわち高清浄化を達成することが困難な場合が多い。また、溶鋼中のＴｉは酸化による損失が著しいことから、Ｔｉの添加歩留りは低下しやすく、その制御も難しい。したがって、添加するＴｉのコスト上昇および製鋼プロセスにおける時間の延長に伴う製造コストの上昇という問題がある。
【０００９】
また、溶鋼中に残存する酸化物系介在物の融点を低下させて融体とすることにより介在物を球状化するとともに、軟質化することが、切削工具の摩耗抑制に有効であるが、Ｔｉを０．０４％以上含有するチタン含有鋼における低融点酸化物の組成、および鋼の溶製条件は知られていない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ＴｉおよびＳを含有させてＴｉ炭硫化物を分散させ、高い被削性の得られるチタン含有鋼を、高いＴｉ添加歩留りとＴｉ含有量の良好な制御性のもとで溶製できる溶製方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、Ｔｉを０．０４質量％以上含有するチタン含有鋼において、上記の課題を達成するため、前記した従来技術の問題点、すなわち、全酸素（以下「Ｔ．Ｏ」ともいう）含有量の低減（以下「低酸素化」ともいう）、Ｔｉの添加歩留りとその制御性の向上、および酸化物系介在物の低融点化について検討を加え、以下の知見を得た。
【００１２】
（ａ）溶鋼中にＴｉを含有する場合には、Ｔｉは酸素との親和力が高いため、Ｔｉは大気およびスラグによって酸化されやすい。Ｔｉの酸化状態が相違することによって溶鋼の脱酸状態は変化する。脱酸により生成したＴｉの酸化物が溶鋼中を浮上してスラグとメタルの界面でスラグに捕捉されれば、溶鋼中には酸化物として残留しないため、溶鋼は清浄化され低酸素化が達成される。しかし、生成したＴｉ酸化物が溶鋼中を完全に浮上せずに溶鋼中に残留する場合は、鋼の清浄度は悪化し、低酸素化は達成されない。
【００１３】
（ｂ）従来は、Ｓｉ、Ａｌなどの脱酸用元素の含有量を増加させることによって、溶鋼および鋼の低酸素化および添加合金元素の酸化損失の抑制を図ってきた。しかし、Ｔｉ含有鋼では、これらの脱酸用元素の含有量を増加させても、その溶製過程において取鍋内スラグによってＴｉの酸化損失が発生する。これは、溶鋼中のＴｉが取鍋内スラグ中のＳｉＯ2 によって酸化されるためである。スラグとメタルの界面でＴｉなどの元素の酸化損失が生じると、鋼中の全酸素量が増加し、上記（ａ）で述べたとおり、鋼の低酸素化が阻害される。
そこで、脱酸用のＳｉ、Ａｌなどの元素の含有量をいたずらに高めるのではなく、単独ではＴｉよりも若干脱酸能力が低いＳｉに着目して種々の試験を行い、さらに、以下の（ｃ）〜（ｆ）の知見を得た。
【００１４】
（ｃ）溶鋼中のＳｉ含有量を０．１〜１．５％とし、溶鋼中のＳｉとＡｌの含有量に関する後述の（イ）式で表される関係を満足させ、さらにスラグ中のＳｉＯ2 含有量の適正化に関する後述の（ロ）式で表される関係を満足させることにより、溶鋼の低酸素化とＴｉの酸化損失抑制の両立が可能である。
【００１５】
（ｄ）上記（ｃ）で述べた溶鋼中のＳｉおよびスラグ中のＳｉＯ2 含有量の条件下で、スラグ中のＴｉＯ2 含有量を溶鋼中のＴｉ含有量に応じた適正範囲とすることにより、Ｔｉの酸化損失を抑制し、Ｔｉ含有量の制御性を向上することができる。
【００１６】
具体的には、溶鋼中のＴｉ含有量を０．０４〜０．２５％、取鍋内スラグ中のＴｉＯ2 含有量を２〜３０％とし、取鍋内スラグ中のＴｉＯ2 の含有量と溶鋼中のＴｉ含有量とを後述の（ハ）式で表される関係を満足するように調整することである。
【００１７】
（ｅ）取鍋内スラグ中のＴｉＯ2 の含有量、およびスラグ中のＴｉＯ2 の含有量と溶鋼中のＴｉ含有量との比の値を上記（ｄ）で述べたように調整するには、造滓剤としてＴｉＯ2 を含有する酸化物を取鍋内スラグに添加することが好ましい。
【００１８】
すなわち、スラグ中のＳｉＯ2 含有量を適正化すると、後述するとおり、スラグ中のほとんどのＴｉ酸化物の価数は４価となることから、スラグ中にＴｉＯ2 を添加して、スラグ中のＴｉＯ2 含有量を増加させても、ＴｉＯ2 は溶鋼の酸化の要因とはならず、Ｔｉの添加歩留りおよびＴｉ含有量の制御性を向上することができる。
【００１９】
（ｆ）溶鋼中のＡｌ含有量を０．０００５〜０．００５質量％および全Ｃａ（以下「Ｔ．Ｃａ」ともいう）含有量を０．０００１〜０．００５質量％とし、取鍋内スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を３〜１２質量％に調整することが好ましい。
【００２０】
すなわち、残存する酸化物系介在物は低融点であれば被削性は向上するが、チタン含有鋼において低融点化できる介在物は、ＣａＯを含有し、介在物中のＡｌ2 Ｏ3 含有量が低い、ＴｉＯ2−ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系の介在物である。この成分系の介在物は、製鋼温度で融体となるように低融点化が可能である。
【００２１】
このような介在物を得るためには、前記（ｃ）〜（ｅ）で述べた溶製条件に加えて、溶鋼中のＡｌ含有量、Ｔ．Ｃａ含有量および取鍋内スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を上記（ｆ）で述べたように調整して溶製すればよい。
【００２２】
本発明は、上記（ａ）〜（ｆ）の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（３）に示すチタン含有鋼の溶製方法にある。
【００２３】
（１）質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｔｉ：０．０４〜０．２５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．０００５〜０．１０％、および全酸素含有量：０．００５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなるチタン含有鋼の溶製方法であって、溶鋼中のＳｉおよびＡｌ含有量は下記式（イ）で表される関係を満足し、取鍋内スラグの組成はＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2およびＭｇＯを主成分として、下記式（ロ）で表される関係を満足し、取鍋内スラグ中のＴｉＯ2含有量は２〜３０％であり、スラグ中のＴｉＯ2含有量と溶鋼中のＴｉ含有量とが下記式（ハ）で表される関係を満足するように調整するチタン含有鋼の溶製方法。
Ｆｎ≧０．２ ・・・・・・・・・・・・・・（イ）
ただし、
Ｆｎ＝Ｓｉ＋１０×Ａｌ
２．３≦（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2≦５．０・・（ロ）
５０≦ＴｉＯ2／Ｔｉ ・・・・・・・・・・（ハ）
ここで、
Ｓｉ、ＡｌおよびＴｉは、それぞれ溶鋼中のＳｉ、ＡｌおよびＴｉの含有量を表し、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2およびＴｉＯ2は、それぞれ取鍋内スラグ中のＣａＯ、ＳｉＯ 2 、Ａｌ 2 Ｏ 3 、ＴｉＯ 2 およびＭｇＯを主成分としてそれらの各成分組成の合計を１００質量％に換算した場合に計算される、当該取鍋内スラグ中のＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2およびＴｉＯ2の含有量を表す。
【００２４】
（２）前記（１）に記載のチタン含有鋼の溶製方法において、造滓剤としてＴｉＯ2を含有する酸化物を取鍋内スラグに添加することにより、取鍋内スラグ中のＴｉＯ2含有量が２〜３０％、スラグ中のＴｉＯ2含有量と溶鋼中のＴｉ含有量とが下記式（ハ）で表される関係を満足するように調整することが好ましい。
５０≦ＴｉＯ2／Ｔｉ ・・・・・・・・・（ハ）
ここで、
ＴｉＯ2およびＴｉは、それぞれ取鍋内スラグ中のＣａＯ、ＳｉＯ 2 、Ａｌ 2 Ｏ 3 、ＴｉＯ 2 およびＭｇＯを主成分としてそれらの各成分組成の合計を１００質量％に換算した場合に計算される、当該スラグ中のＴｉＯ2の含有量および溶鋼中のＴｉの含有量を表す。
【００２５】
（３）前記（１）または（２）に記載のチタン含有鋼の溶製方法において、溶鋼中のＡｌ含有量が０．０００５〜０．００５％、Ｔ．Ｃａ含有量が０．０００１〜０．００５％、取鍋内スラグ中のＡｌ2Ｏ3含有量が３〜１２％となるように調整することが好ましい。
ここで、
Ａｌ 2 Ｏ 3 は、取鍋内スラグ中のＣａＯ、ＳｉＯ 2 、Ａｌ 2 Ｏ 3 、ＴｉＯ 2 およびＭｇＯを主成分としてそれらの各成分組成の合計を１００質量％に換算した場合に計算される、当該スラグ中のＡｌ 2 Ｏ 3 の含有量を表す。
【００２６】
本発明で規定する「チタン含有鋼」とは、チタン含有炭素鋼またはチタン含有低合金鋼をいい、上記（１）に記載されるとおり、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｔｉ：０．０４〜０．２５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、およびＡｌ：０．０００５〜０．１０％、Ｔ．Ｏ量：０．００５％以下を含有し、必要に応じて、Ｃｒ：０．０３〜２．０％、Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｍｏ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．００１〜０．０５％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜２．０％、ＲＥＭ（希土類元素）：０．０００１〜０．０３％、Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％、Ｓｅ：０．０１〜０．５％、Ｔｅ：０．０１〜０．５％およびＢ：０．０００１〜０．０２％のうちの１種類または２種類以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼を指す。
なお、Ｔ．Ｏ含有量とは、鋼中の全酸素含有量をいい、鋼中に酸化物として存在する酸素量、および固溶している酸素量の総和を指す。
また、Ｔ．Ｃａ含有量とは、鋼中の全Ｃａ含有量をいい、鋼中に介在物として存在するＣａ量、および固溶しているＣａ量の総和を指す。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明における鋼およびスラグの化学組成を限定した理由を以下に詳しく説明する。なお、以下の説明において、特に断らない限り、「％」は「質量％」を意味する。
【００２８】
（Ａ）鋼の化学組成
Ｃ：０．１〜０．６％：
機械構造用鋼としての鋼の強度を得るのに必要な元素である。その含有量が０．１％未満では強度が不足し、一方、０．６％を超えると機械構造用鋼として必要な靱性が得られない。そこで、Ｃ含有量の範囲を０．１〜０．６％とした。強度と靱性のバランスの観点からは、０．２〜０．５％の範囲が好ましい。
【００２９】
Ｓｉ：０．１〜１．５％：
鋼の脱酸およびフェライト強化のために必要な元素である。その含有量が０．１％未満では脱酸効果が不充分であり、一方、１．５％を超えると靱性が不足する。そこで、Ｓｉ含有量の範囲を０．１〜１．５％とした。また、フェライト強化および靱性のバランスの観点からは、０．１５〜１．３％の範囲が好ましい。
【００３０】
Ｍｎ：０．４〜２．０％：
固溶強化により、鋼の疲労強度の向上を図るために必要な元素である。その含有量が０．４％未満では充分な疲労強度が得られず、一方、２．０％を超えると焼き入れ性が高くなりすぎて、ベイナイトあるいは島状マルテンサイト組織が生成しやすくなり、耐久比（疲労強度／引張り強さ）が低下する。そこで、Ｍｎ含有量の範囲を０．４〜２．０％とした。
【００３１】
Ｔｉ：０．０４〜０．２５％：
本発明の重要な構成であるＴｉ炭硫化物の形成に必要な元素である。その含有量が０．０４％未満では、被削性を得るために必要な量の炭硫化物が形成されず、一方０．２５％を超えるとＴｉＣの生成による靱性の低下をきたす。そこで、Ｔｉ含有量の範囲を０．０４〜０．２５％とした。またＴｉは高価であるため、コストの観点からは、必要な被削性を得るに足る最小のＴｉ含有量が好ましい。好ましい範囲は０．１０〜０．２０％である。
【００３２】
Ｓ：０．０１〜０．２％：
被削性を確保するために必須の元素である。Ｓを含有することにより分散したＴｉ炭硫化物およびＭｎＳなどの硫化物が形成され、それらの切り欠き効果、潤滑効果および構成刃先効果などによって、高い被削性が得られる。Ｓ含有量が０．０１％未満では、快削鋼としての充分な被削性が得られず、一方、０．２％を超えるとＴｉ炭硫化物および硫化物の量が過剰となり、これらが亀裂発生の起点となって、機械構造用鋼としての機械的特性を満たさなくなる。そこで、Ｓ含有量の範囲を０．０１〜０．２％とした。好ましい範囲は０．０４〜０．１８％である。
Ａｌ：０．０００５〜０．１０％：
鋼の脱酸に必要な元素であるとともに、酸化物系介在物の融点を低下させるために微量の含有で有効に作用する元素である。含有量が０．０００５％未満では酸化物系介在物中のＡｌ2 Ｏ3 濃度が低下しすぎて、介在物の融点を低下させる効果が得られない。一方、０．１０％を超えると脱酸剤としての効果が飽和し、合金コストの上昇をまねく。そこで、Ａｌ含有量の範囲を０．０００５〜０．１０％とした。酸化物系介在物の融点を低下させるためには、後述するように０．００５％以下であることが好ましい。
【００３３】
なお、本発明においてＡｌとは、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）をいう。
【００３４】
Ｔ．Ｏ：０．００５％以下：
鋼中のＴ．Ｏは、鋼中の酸化物系介在物の量を増加させる。酸化物系介在物には硬質なものが多く、工具を損傷させて被削性を低下させる。特に大型の酸化物系介在物は、被削性の低下におよぼす影響が大きい。また、酸化物系介在物は亀裂発生の起点となることから、鋼材の疲労特性や靭性といった機械的特性も劣化させる。
一方、Ｔ．Ｏ含有量が０．００５％以下では、上記の被削性、疲労特性および靭性の悪化が認められなくなる。酸化物系介在物の量が減少することに加えて、酸化物粒子の粒径分布も小粒側にシフトし、直径５０μｍを超える酸化物粒子の個数が減少するからである。そこで、Ｔ．Ｏ含有量の範囲を０．００５％以下とした。好ましくは、０．００３％以下である。
【００３５】
本発明に係る溶製方法が対象とする鋼には、前記のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、ＳおよびＡｌ以外に、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｒ：０．０３〜２．０％、Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｍｏ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．００１〜０．０５％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜２．０％、ＲＥＭ（希土類元素）：０．０００１〜０．０３％、Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％、Ｓｅ：０．０１〜０．５％、Ｔｅ：０．０１〜０．５％およびＢ：０．０００１〜０．０２％のうちの１種類または２種類以上を含有させてもよい。
【００３６】
Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｕ、ＮｉおよびＢ：
これらの元素は、含有させることにより、組織の微細化、固溶強化、析出強化あるいは焼き入れ性の向上により、鋼の強度、特に疲労強度を向上させる効果を有する。一方、これらの強化元素の含有は、いずれも合金コストを上昇させ、また、過剰に含有させると、強化によって靱性あるいは熱間加工性を劣化させる。したがって、含有させる場合は、それぞれ前記の値の範囲内で含有させることが好ましい。
【００３７】
ＲＥＭおよびＭｇ：
これらの元素は、含有させることにより、ＭｎＳの一部をＲＥＭの硫化物およびＭｇＳに置換して、圧延時にＭｎＳを伸展しにくくする効果を有する。したがって、材料特性の異方性、すなわち機械的特性についての圧延方向とそれ以外の方向との差違が改善される。しかし、これらの元素は過度に含有させると、Ｔｉ炭硫化物の生成を抑制する。したがって、含有させる場合は、それぞれ前記の値の範囲内で含有させることが好ましい。
【００３８】
ＳｅおよびＴｅ：
これらの元素は、Ｓと類似の化学的性質を有することから、含有させることにより、Ｍｎ（Ｓ、Ｓｅ）およびＭｎ（Ｓ、Ｔｅ）を形成し、被削性を改善する効果を有する。しかし、過度に含有させると熱間脆性を生じ、また合金コストを上昇させる。したがって、含有させる場合は、それぞれ前記の値の範囲内で含有させることが好ましい。
【００３９】
なお、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂ、ＳｅおよびＴｅを含有させても、前記の範囲内の含有量であれば、低酸素化、Ｔｉ歩留向上および酸化物系介在物組成制御の効果には影響しない。また、ＲＥＭおよびＭｇは、酸素およびＳとの親和力が大きいため、それぞれ前記含有量の上限値を超えて含有した場合に、酸化物系介在物の組成制御は難しくなるが、低酸素化およびＴｉ歩留向上の効果に悪影響をおよぼすことはない。
Ｆｎ≧０．２：
本発明の方法では、溶鋼の化学組成を上記の範囲の値とすることに加えて、さらに、前記の（イ）式で規定されるＦｎの値を０．２以上とする。その理由は、以下のとおりである。
【００４０】
鋼中のＴｉ含有量は、被削性向上のためのＴｉ炭硫化物の生成量や材料特性によって決められることから、その含有量はＴｉ：０．０４〜０．２５％である。したがって、脱酸元素であるＳｉおよびＡｌによる鋼の低酸素化およびＴｉの酸化損失を抑制するための調整が必要である。
【００４１】
そこで、チタン含有鋼において、低酸素化に必要なＳｉおよびＡｌの含有量の下限について検討を行った。これらの脱酸元素を用いる場合に想定される取鍋内スラグ組成であるＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系のスラグの存在下で、Ｔｉ含有溶鋼の脱酸実験を行った。その結果、後述する本発明の範囲内の取鍋内スラグ組成の場合には、溶鋼中のＳｉおよびＡｌの含有量がそれぞれ、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ａｌ：０．０００５〜０．１０％で、かつ、前述の（イ）式により表される関係を満足すれば、鋼の低酸素化およびＴｉの酸化損失の抑制がともに達成できることが判明した。
【００４２】
前述の（イ）式で規定されるＦｎの値が０．２未満では、溶鋼中のＴ．Ｏ含有量が高くなり、また溶鋼中のＴｉの酸化による損失も増大する。Ｆｎの上限は特に限定されないが、脱酸能が飽和すること、およびの脱酸剤コストの上昇を抑える観点からは１．５以下とすることが好ましい。
（Ｂ）取鍋内スラグの化学組成
（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 ：２．３〜５．０：
本発明では、取鍋内スラグの組成をＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2 Ｏ3、ＴｉＯ2 およびＭｇＯを主成分とし、前述の（ロ）式により表されるとおり、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値を２．３〜５．０とする。
【００４３】
取鍋内スラグ組成をＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2 Ｏ3、ＴｉＯ2 およびＭｇＯを主成分の組成とするのは、前述のとおり、この成分系の介在物であれば、充分な低融点化が図れ、製鋼温度で融体とすることができるからである。介在物は、製鋼温度で融体であれば、界面張力により凝集して球状化するため、浮上分離されやすい。また、溶鋼中に残存しても、低融点の介在物は軟質であること、および球状化していることから、切削工具の摩耗を低減でき、被削性を向上することができる。
【００４４】
取鍋内スラグ中のＴｉＯ2 含有量が高い条件で、溶鋼中のＴｉの酸化損失を調べたところ、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．３〜５．０であれば、スラグ中のＳｉＯ2 活量が充分低く、Ｓｉによる脱酸反応がＴｉの酸化損失を抑制できることを見出した。すなわち、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．３未満では、ＳｉＯ2 活量が高く、Ｓｉ脱酸も十分ではないので溶鋼中のＴｉの酸化損失が大きく、またＴ．Ｏ含有量も高くなる。
【００４５】
一方、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が５．０を超えると上記の効果は飽和し、また取鍋内スラグが滓化不良になって実操業に支障をきたすという問題が生じる。また、鋼材の種類によっては、フェライト組織の強化のために鋼中のＳｉ含有量を高くする場合がある。その場合に、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値を高くするためには、取鍋内スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）の含有量を多くする必要があり、そのような組成の取鍋内スラグとするには、ＣａＯ等の媒溶剤添加量が多くなり現実的でなくなるからである。
ＴｉＯ2 ：２〜３０％、５０≦ＴｉＯ2 ／Ｔｉ：
取鍋内スラグ中のＴｉＯ2 の含有量は２〜３０％とし、かつ、前記（ハ）式により表されるとおり、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値を５０以上とする。
【００４６】
このように調整することにより、溶鋼中のＴｉの酸化損失速度が低下し、Ｔｉの添加歩留りが安定する。すなわちスラグ中のＴｉＯ2 含有量が２％未満では、溶鋼中のＴｉ含有量が０．０４％であっても、Ｔｉの酸化損失が発生するからであり、一方、ＴｉＯ2 含有量が３０％を超えると、スラグの滓化が不良となるからである。また、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値が５０未満では、なお溶鋼中のＴｉの酸化損失の速度が著しく大きい。なお、１５０を超えると、金属Ｔｉ添加による調整の場合には高価なＴｉを損失することになる。また、後述する取鍋スラグ中へのＴｉＯ2 含有酸化物の添加の場合には、過剰な添加により熱的損失を招くことになる。したがって、好ましくは１５０以下である。
【００４７】
本発明では、取鍋内スラグ中のＴｉＯ2 の含有量を２〜３０％とし、かつ、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値を５０以上に調整するために、造滓剤としてＴｉＯ2 を含有する酸化物を取鍋内スラグに添加するのが好ましい。その理由を以下に述べる。
【００４８】
スラグ中のＴｉ酸化物は、便宜上、全てＴｉＯ2 と記載しているが、価数で表示すれば、製鋼反応が生じる温度および酸素分圧下では、Ｔｉは３価または４価である。すなわち、酸化物として化学式で表示すれば、Ｔｉ2 Ｏ3 およびＴｉＯ2 である。また、これらの存在比率は、その系の酸素分圧およびスラグ組成により変化する。ところで、スラグ中にＴｉ2 Ｏ3 が存在する場合に、Ｔｉの酸化を考慮してＴｉＯ2 を添加すると、ＴｉＯ2 から酸素が放出され、ＴｉＯ2 が酸化源となる可能性がある。スラグ中の３価のＴｉと４価のＴｉの比率は、スラグ中のＳｉＯ2 の含有量に依存し、本発明で規定する範囲のようにＳｉＯ2 活量が低い範囲のスラグでは大部分のＴｉは４価として存在する。
【００４９】
したがって、本発明において、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．３〜５．０の条件で、ＴｉＯ2 添加によりＴｉ歩留まりの向上と低酸素化の両立が図られるのは、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が上記の範囲の場合には、ＳｉＯ2 活量が充分に低く、４価のＴｉＯ2 が大部分であり、ＴｉＯ2 を添加しても酸化源とはならないからである。
【００５０】
取鍋内スラグへのＴｉＯ2 の添加量は、スラグ量と目標のスラグ中のＴｉＯ2 含有量とで決められる。その際、スラグ中のＴｉＯ2 含有量は、たとえば、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値を１００として求めればよい。また、ＴｉＯ2 の添加方法については、転炉または電気炉などの製鋼炉から出鋼した後、必要に応じて除滓した後、ＴｉＯ2 を含む媒溶剤をＣａＯ、ＳｉＯ2 などとともに投入すればよい。望ましくは、溶鋼中へのＴｉ添加に先行して、スラグ中に添加するのがよい。ＴｉＯ2 を含む媒溶剤は、ＦｅＯなどの低級酸化物が少なく、かつ、安価な媒溶剤が望ましく、例えば、ルチルサンド（砂状の金紅石）が適している。
【００５１】
Ａｌ：０．０００５〜０．００５％、Ｔ．Ｃａ：０．０００１〜０．００５％、Ａｌ2 Ｏ3 ：３〜１２％：
本発明では、溶鋼中のＡｌ含有量を０．０００５〜０．００５％、Ｔ．Ｃａ含有量を０．０００１〜０．００５％、取鍋内スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を３〜１２％に調整するのが好ましい。その理由を以下に述べる。
【００５２】
本発明が対象とする鋼では、Ｔｉ炭硫化物、Ｔｉ硫化物およびＭｎ硫化物への応力集中による切削域での切り屑分断効果、および潤滑効果により、被削性が向上する。さらに、低酸素化により、酸化物系介在物によって切削工具の表面がミクロ的に切削されてすり減る、いわゆるアブレイシブ磨耗も発生しにくくなり、工具寿命の向上と安定に寄与する。
【００５３】
また、残留する酸化物系介在物を低融点化することにより、高速域での超硬工具による切削において、ベラーク付着による工具磨耗の抑制効果が得られる。したがって、本発明が対象とするチタン含有鋼において、酸化物系介在物の融点が低下するスラグ組成の領域およびそのスラグ組成に調整する製鋼条件が見出されれば、さらなる高速域における切削性の向上が達成できる。
【００５４】
そこで、チタン含有鋼の酸化物系介在物を低融点化できる介在物組成の範囲を把握するため、Ｃ：０．４７％、Ｔｉ：０．０５〜０．１７％、Ｓｉ：０．９％、Ｍｎ：１．０％、およびＳ：０．１〜０．１７％の鋼組成において、ＡｌおよびＣａ含有量を変化させて種々の鋼を溶製し、溶鋼中の介在物組成と形態との関係を調査した。
【００５５】
その結果、Ａｌ：０．０００５〜０．００５％およびＴ．Ｃａ：０．０００１〜０．００５％の範囲であれば、球状を呈する酸化物が観察され、それらはＣａＯを含有し、かつ介在物中のＡｌ2 Ｏ3 含有量が特定の範囲に限定されたＴｉＯ2−ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系の多成分系介在物であった。そこで球状介在物が観察された実験での介在物の平均化学組成を調査したところ、ＣａＯ：１０〜３０％、Ａｌ2 Ｏ3 ：５〜４０％、ＴｉＯ2 ：２０〜６０％、ＭｇＯ：３〜１０％、およびＳｉＯ2 ：３〜１５％であった。
【００５６】
すなわち、ＴｉＯ2−ＳｉＯ2−ＭｇＯ酸化物系介在物をベースとして、溶鋼中のＡｌ含有量が０．０００５％以上であれば、介在物中のＡｌ2 Ｏ3 含有量は５％以上となり、同Ａｌ含有量が０．００５％以下であれば、介在物中のＡｌ2 Ｏ3 含有量が４０％以下となる。また、Ｔ．Ｃａ含有量が０．０００１〜０．００５％の範囲内で、介在物中のＣａＯ含有量が１０〜３０％の範囲となり、介在物の組成は低融点の組成になる。なお、Ｔ．Ｃａ含有量が０．００５％を超えて過剰に存在しても、本発明が対象とするＳ含有量の高い鋼では、ＣａＳが生成するだけであり、Ｃａの効果は飽和する。
【００５７】
さらに、Ａｌ：０．０００５〜０．００５％およびＴ．Ｃａ：０．０００１〜０．００５％となる製鋼条件について検討したところ、スラグ組成が前記（２）で示された組成条件に加えて、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を３〜１２％とすれば達成できることが判明した。その理由は、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が３％未満ではスラグ−メタル間の反応により溶鋼中のＡｌ含有量は０．０００５％未満となり、一方、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が１２％を超えると溶鋼中のＡｌ含有量は０．００５％を超えるからである。
【００５８】
溶鋼中へのＣａの添加は、通常の粉体吹き込み、ワイヤ添加等の方法を用いることができる。Ｃａ含有量の制御の難しさを考慮すれば、取鍋での二次精錬の末期または鋳造直前の段階が好ましい。
【００５９】
スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量は、転炉の出鋼時におけるＡｌ2 Ｏ3 を含む一部のスラグの取鍋への流出、Ａｌ2 Ｏ3 成分を含む耐火物の溶損、および脱酸剤としてのＡｌの大気による酸化などにより影響を受ける。したがって、これらのＡｌの供給源を抑制するとともに、生石灰等の媒溶剤量、Ａｌを含有する脱酸剤の投入を制限することによりスラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を調整することができる。また、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を３％未満にするには耐火物や合金鉄としてＡｌを含有しない材料を使用する必要が生じ、製鋼コストが増加する。
その他のスラグ組成：
スラグのその他の成分についての好適組成は以下のとおりである。
【００６０】
スラグ中のＭｇＯの供給源は、転炉の出鋼時におけるＭｇＯを含む一部のスラグの流出、ＭｇＯ成分を含む耐火物の溶損、および媒溶剤中のＭｇＯ成分などであり、スラグ中ＭｇＯ含有量はこれらの影響を受ける。ＭｇＯ含有量が２５％以上では、スラグの滓化性が悪化するとともに、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値を５．０以下に調整することが難しくなる。したがって、ＭｇＯ含有量は２５％未満が好ましい。
【００６１】
ＦｅＯおよびＭｎＯは、Ｔｉの酸化損失につながることから、それらの含有量は低いことが望ましく、ＦｅＯ含有量は１％以下、ＭｎＯ含有量は２％以下が好ましい。
【００６２】
さらに、ＣａＦ2 は、ＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系スラグの滓化性の保持、および溶鋼中のＳの損失の抑制の観点から、以下の範囲に調整することが望ましい。すなわち、ＣａＦ2 を、前記ＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系スラグに対して、外数で１０％以下含有させることが好ましい。
【００６３】
スラグ組成の調整方法は、転炉などの製鋼炉から出鋼した後、必要に応じて除滓した後、生石灰、珪砂、およびドロマイトなどの媒溶剤を添加すればよい。さらに必要に応じて、取鍋精錬時に媒溶剤の追加により調整して精錬末期に目標組成となるようにする。
【００６４】
【実施例】
スラグ精錬を模擬できる誘導加熱炉を用いて、本発明による低酸素化、Ｔｉ添加歩留りの向上、およびＴｉ含有量の制御性の向上を確認するための試験を行った。
【００６５】
ＳｉおよびＡｌの本発明による下限を調べるために、Ｃ：０．４０〜０．４２％、Ｍｎ：１．１〜１．１４％、Ｓ：０．１２〜０．１５％、Ｐ：０．００１〜０．０１５％を含有する１５５ｋｇの鋼を１５８０〜１６２０℃の温度範囲で溶解した。また、一部の試験では、Ｃｒ、Ｖ、ＭｇおよびＳｅのうちの複数元素を添加した。酸化鉄などを添加してスラグおよびＴｉを添加する前のＴ．Ｏ含有量が０．０１％程度となるように成分の調整を行った。
【００６６】
次いで、ＳｉおよびＡｌ含有量を調整するとともに、Ｔ．Ｏ含有量を０．００７〜０．００９％の範囲に調整した。その後、ＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系スラグを添加した。スラグ量は、溶鋼１ｋｇ当たり約３０ｇとした。スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．９程度、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が６〜１０％、ＴｉＯ2 含有量が１６〜２０％となるように試薬を配合し、調整した。さらに、Ｔｉを添加し、約５〜１０分後にＴｉ含有量が０．０５〜０．０８％となった時の、ＳｉおよびＡｌ含有量と到達Ｔ．Ｏ含有量との関係を調査した。
【００６７】
表１に、溶解した鋼の化学組成を示す。
【００６８】
【表１】
【００６９】
試験番号Ａ１〜Ａ４は、Ｔ．Ｏ含有量が０．００５％以下の範囲まで到達した例であり、試験番号Ａ５〜Ａ８は、Ｔ．Ｏ含有量が０．００５％を超えたままの例である。
【００７０】
図１は、溶鋼中のＳｉおよびＡｌ含有量と到達Ｔ．Ｏ含有量との関係を示す図である。図中の（ ）内の数字はＴ．Ｏ含有量をｐｐｍ単位で示す。また、図中の■印で表示した点は溶鋼中のＴ．Ｏ含有量が０．００５％以下に達した試験結果を表し、□印で表示した点は溶鋼中のＴ．Ｏ含有量が０．００５％を超えたままの試験結果を表す。
【００７１】
Ａｌ含有量が０．０００５％以上、Ｓｉ含有量が０．１％以上、かつ、ＡｌとＳｉの含有量が前記（イ）式で表される関係を満足する領域において、Ｔ．Ｏ含有量が５０ｐｐｍ以下となることが判明した。
【００７２】
次に、本発明におけるスラグ組成とＴｉの酸化損失による減少速度、および歩留との関係を調べるために、Ｃ：０．３９〜０．４３％、Ｍｎ：０．９５〜１．０１％、Ｓ：０．０９８〜０．１６％、Ｐ：０．０１〜０．０１７％を含有する１５５ｋｇの鋼を１５８０〜１６２０℃の温度範囲で溶解した。また、一部の試験では、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｇのうちの複数元素を添加した。酸化鉄などを添加してスラグおよびＴｉを添加する前のＴ．Ｏ含有量が０．０１％程度となるように成分の調整を行った。
【００７３】
次いで、Ｓｉ含有量を０．６９〜０．９０％の範囲に、Ａｌ含有量を０．０００５〜０．０１３％の範囲に調整して、Ｔ．Ｏ含有量を０．００７〜０．００９％の範囲とし、その後、ＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系スラグを添加した。スラグ量は、溶鋼１ｋｇ当たり約３０ｇとし、試薬を配合して調整することにより、スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 含有量、およびＴｉＯ2 含有量を変化させた。
【００７４】
さらに、Ｔｉを所定量添加し、１８０〜１０２０秒保持した後、溶鋼組成およびスラグ組成を分析してＴｉの酸化損失による減少速度およびＴｉ歩留を調査した。
【００７５】
表２に、溶鋼組成、スラグ組成、およびスラグの滓化性の評価結果を示す。
【００７６】
【表２】
【００７７】
試験番号Ｂ１〜Ｂ５は、式（ロ）の値が２．３〜５．０の範囲内にある例であり、試験番号Ｂ６およびＢ７は、式（ロ）の値が２．３未満の例であり、試験番号Ｂ８は、式（ロ）の値が５．０を超える例である。
【００７８】
図２は、スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値と溶鋼中のＴ．Ｏ含有量との関係を示す図である。図中の■印で表示した点は本発明例を表し、□印で表示した点は比較例を表す。なお、図３および４における表示も同様である。同図に示すように、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．３以上の場合に、溶鋼中のＴ．Ｏ含有量は０．００５％以下となる。
【００７９】
Ｔｉ歩留りは、Ｔｉ添加量に対する溶鋼中の残存Ｔｉ量の割合を算出することにより、また、Ｔｉ含有量の減少速度は、Ｔｉの減少が一次反応に従うとしたときの見掛けの減少速度定数、−（１／ｔ）×ｌｎ（Ｔｉ／Ｔｉ0）を求めることにより、それぞれを評価した。ここで、Ｔｉは任意の時刻のＴｉ含有量（％）を、Ｔｉ0 は、初期のＴｉ含有量（％）を、そして、ｔはＴｉ添加後の経過時間（ｓ）を表す。その際、Ｔｉ含有量は０．０８〜０．２０％である。
【００８０】
図３は、スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値と溶鋼中の見掛けのＴｉ減少速度定数との関係を示す図である。
【００８１】
（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．３以上の場合に、見掛けのＴｉ減少速度定数は０．００１５（１／ｓ）以下となり、Ｔｉの減少速度が低下して、Ｔｉ含有量の制御性は向上する。
【００８２】
図４は、スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値と溶鋼中のＴｉ添加歩留りとの関係を示す図である。
【００８３】
（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 が２．３以上で、Ｔｉ添加歩留は３５％以上となり、同値が２．３未満の場合と比較して、Ｔｉ添加歩留りは向上し、Ｔｉの酸化損失が抑制されることが明らかである。一方、同値が５．０を超えると、滓化が不良となり、問題であった。
次に、スラグ中のＴｉＯ2 含有量と溶鋼中のＴｉ含有量との比、すなわちＴｉＯ2／Ｔｉの値の適正な下限値を確認するための試験を行った。溶鋼の化学組成は、Ｃ：０．４５％、Ｓｉ：０．７％、Ｍｎ：１．０％、Ｓ：０．１７％、Ｐ：０．０１５％とした。スラグは、ＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系のものを用意し、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．５〜３．０となるように調整し、Ｔｉを添加後、１８０〜１０２０秒後のＴｉＯ2／Ｔｉの値とＴｉ減少速度定数との関係を調査した。
【００８４】
図５は、ＴｉＯ2／Ｔｉの値と、溶鋼中の見掛けのＴｉ減少速度定数との関係を示す図である。ここで、図中の◆印は式（ロ）の値が本発明の範囲内にあるものを表し、□印は本発明の範囲外のものを表す。
【００８５】
ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値が５０以上では、見掛けのＴｉ減少速度定数は０．００１５（１／ｓ）未満となり、Ｔｉの酸化損失が抑制され、Ｔｉ含有量の制御性が向上する。なお、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値が１５０を超えると、Ｔｉ減少速度は小さいものの、その効果は飽和している。
【００８６】
さらに、溶鋼の低酸素化およびＴｉ添加歩留まりの向上におよぼすスラグ中へのＴｉＯ2 添加の効果を確認するための試験を行った。溶鋼の化学組成はＣ：０．４５％、Ｓｉ：０．７％、Ｍｎ：１．０％、Ｓ：０．１７％、Ｐ：０．０１５％、Ａｌ：０．００２％とした。スラグはＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系であり、スラグ中へＴｉＯ2 を添加した場合の配合量は、溶鋼中の目標Ｔｉ含有量に対して、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値が１００となるように調整した。（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値は２．５〜３．０となるように調整し、Ｔｉ添加後１８０〜１０２０秒後のＴ．Ｏ含有量およびＴｉ添加歩留りを調査した。
【００８７】
図６は、溶鋼中のＴ．Ｏ含有量に対するスラグ中へのＴｉＯ2 添加の効果を示す図であり、図７は、溶鋼中のＴｉ添加歩留りに対するスラグ中へのＴｉＯ2 添加の効果を示す図である。
【００８８】
ＴｉＯ2 の添加により、Ｔｉの酸化損失は抑制される。Ｔｉの酸化損失によって溶鋼中に生成する酸化物系介在物量は減少し、Ｔ．Ｏ含有量は減少する。さらには、Ｔｉ添加歩留りも向上する。
次にＣａ含有量およびＡｌ含有量を限定した場合の本発明における効果を示す。溶鋼の化学組成をＣ：０．４５％、Ｓｉ：０．７％、Ｍｎ：１．０％、Ｓ：０．１７％、Ｐ：０．０１５％とした。スラグはＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系であり、スラグ中へのＴｉＯ2 添加量は、溶鋼中の目標Ｔｉ含有量に対して、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値が１００となるように配合し、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値は２．５〜３．０となるように調整した。その後Ｔｉを添加し、１８０〜６６０秒経過した後に、必要に応じてＣａ添加処理を行い、溶鋼成分のＴｉが０．０７〜０．１１％、Ｃａが０．０００１〜０．００６％、Ａｌが０．０００４〜０．００６％とした後、介在物形態および組成を調べるため、溶鋼から直径２０ｍｍ、高さ４０ｍｍの大きさのボンブサンプルを採取した。なお、ボンブサンプル採取段階でのスラグ組成は、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．５〜３．０、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値が５０〜１５０、およびＡｌ2 Ｏ3 含有量が５〜１３％の範囲であった。
【００８９】
図８は、溶鋼中のＴ．Ｃａ含有量およびＡｌ含有量と介在物の形態との関係を示す図である。ここで、図中の●印で表示した点は介在物形態が球状であることを示し、□印で表示した点は介在物がＴｉＯ2 系であることを示し、△印で表示した点は介在物がＣａＳ系であることを示し、そして◇印で表示した点は介在物がＡｌ2 Ｏ3 系であることを示す。
【００９０】
採取したボンブサンプルを横断面方向に切断して研磨した後、その面に観察される酸化物系介在物の組成をエネルギー分散型Ｘ線分析装置にて調べるとともに、その形態をつぎのように分類した。
【００９１】
すなわち、i）角部が少なく球状のものは、ボンブサンプル採取段階で溶融状態を呈していたと認められる介在物であり、ii）それ以外のものは、角部がある介在物、または採取段階ではすでに固体状態を呈していた介在物である、として分類した。
【００９２】
介在物の形状の判定は、直径１〜１０μｍの範囲にある１０個の介在物を無作為に抽出し、その個数の５０％以上の介在物が呈する形態を以て、その介在物の形態を代表する形態とした。介在物の化学組成については、それらの組成の算術平均値を以て介在物の化学組成とした。
図８から、溶鋼中のＴ．Ｃａ：０．００２〜０．００５０％、Ａｌ：０．０００５〜０．００５％の範囲内においては、酸化物系介在物の組成は低融点の組成、すなわち溶鋼段階において溶融状態であることを示す球状の形態であることが判明した。また、これら球状を呈した介在物は、ＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系の多成分系であり、その平均化学組成は、ＣａＯ：１０〜３０％、ＳｉＯ2 ：３〜１５％、ＴｉＯ2 ：２０〜６０％、Ａｌ2 Ｏ3 ：５〜４０％、およびＭｇＯ：３〜１０％であることも明らかとなった。
【００９３】
図９は、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量および溶鋼中のＡｌ含有量と生成介在物の形態との関係を示す図である。
【００９４】
同図から、以下のことが判明した。スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量が１２％を超えると、溶鋼中のＡｌ含有量が０．００５％を超え、生成する介在物もＡｌ2 Ｏ3 系となる。また、スラグ以外の合金などからのＡｌの供給を極力低減した状態で、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を３％未満とした場合には、Ａｌ含有量が０．０００４％となり、介在物はＴｉＯ2 系となる。すなわち、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量が３〜１２％の場合に、介在物は球状の形態を呈することが確認された。
【００９５】
図８および９の結果より、溶鋼中のＴ．Ｃａを０．００２〜０．００５％、Ａｌを０．０００５〜０．００５％とし、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を３〜１２％に調整すれば、酸化物系介在物が低融点化し、被削性向上の観点から好ましいことが裏付けられた。
【００９６】
【発明の効果】
本発明の溶製方法によれば、ＴｉおよびＳを含有することによりＴｉ炭硫化物を分散させ、高い被削性が得られるチタン含有鋼を、Ｔｉの高い添加歩留りとＴｉ含有量の良好な制御性のもとで溶製できるので、機械構造用鋼として必要な高清浄化の達成および製造コストの低減に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶鋼中のＳｉおよびＡｌ含有量と到達Ｔ．Ｏ含有量との関係を示す図である。
【図２】スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値と溶鋼中のＴ．Ｏ含有量との関係を示す図である。
【図３】スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値と溶鋼中の見掛けのＴｉ減少速度定数との関係を示す図である。
【図４】スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値と溶鋼中のＴｉ添加歩留りとの関係を示す図である。
【図５】スラグ中のＴｉＯ2 含有量と溶鋼中のＴｉ含有量との比ＴｉＯ2／Ｔｉの値と、溶鋼中の見掛けのＴｉ減少速度定数との関係を示す図である。
【図６】溶鋼中のＴ．Ｏ含有量に対するスラグ中へのＴｉＯ2 添加の効果を示す図である。
【図７】溶鋼中のＴｉ添加歩留りに対するスラグ中へのＴｉＯ2 添加の効果を示す図である。
【図８】溶鋼中のＴ．Ｃａ含有量およびＡｌ含有量と介在物の形態との関係を示す図である。
【図９】スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量および溶鋼中のＡｌ含有量と生成介在物の形態との関係を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴｉおよびＳを含有し、高い被削性を有するチタン含有鋼の溶製方法に関する。更に詳しくは、主として機械構造用鋼として用いられる、Ｔｉ炭硫化物が分散し高い被削性を有するチタン含有鋼を、高いＴｉ添加歩留りとＴｉ含有量の良好な制御性のもとで溶製できる溶製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高い被削性の得られる機械構造用鋼として、ＴｉおよびＳを含有させることによりＴｉ炭硫化物を分散させ、被削性を高めたチタン含有鋼が広く用いられている。
【０００３】
例えば、特開平９−５３１４２号公報には、ＴｉおよびＳを多量に含有する耐疲労特性に優れた非調質鋼材およびその製造方法が開示され、また特開平１０−１９５５９９号公報には、強度と靱性に優れた快削非調質鋼が開示されている。
【０００４】
これらの開示された鋼は、質量％で、Ｔｉ含有量が０．０４〜０．２５％または０．０５〜１．０％、および、Ｓ含有量が０．０１〜０．１％または０．０１〜０．２％を基本的な組成範囲とし、Ｔｉ硫化物またはＴｉ炭硫化物を微細に分散させることにより、高い機械的特性および快削性を持たせたチタン含有鋼である。
【０００５】
これらのチタン含有鋼の溶製方法に関して、特開平９−５３１４２号公報では真空溶解炉を用いて通常の方法で溶製すること、また特開平１０−１９５５９９号公報では真空溶解炉を用いること、さらにＴｉ脱酸生成物の生成を避けるための脱酸剤の添加順序について、それぞれ記載があるが、詳細な溶製方法について開示がない。また、特開平１０−１９５５９９号公報には、酸素含有量が０．０１５％以下、望ましくは０．０１０％以下であれば、硬質な酸化物系介在物による被削性の低下は避けられるとの記載があるが、その具体的な溶製方法については記載されていない。
【０００６】
特開平１１−３１０８４８号公報には、Ｔｉ：０．０４〜１．０％、Ｓ：０．０１〜０．２％を含有する鋼において、Ｔｉ硫化物もしくはＴｉ炭硫化物またはその両者と金属相とからなる共晶組織部を有する高強度で被削性の改善された非調質鋼材用連続鋳造鋳片が開示されている。しかし、ここで開示されているのは、鋼の連続鋳造方法およびそれ以降の製造工程における製造条件であって、詳細な溶製方法については開示がない。
【０００７】
特開２０００−３４５２３４号公報には、溶鋼にＴｉを添加する方法として、スラグに酸化チタン含有物質およびアルミニウム含有物質を投入し、アルミニウムで酸化チタンを還元する方法が開示されている。しかし、スラグ中のＳｉＯ2濃度が低いＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＯ2 系スラグの場合には、スラグの滓化性が悪く、実用には耐えない。
【０００８】
酸素との親和力の高いＴｉを０．０４％以上含有するチタン含有鋼の溶鋼では、溶製中に溶鋼中のＴｉと取鍋内スラグとが反応しやすく、機械構造用鋼の必要条件である全酸素含有量の低減、すなわち高清浄化を達成することが困難な場合が多い。また、溶鋼中のＴｉは酸化による損失が著しいことから、Ｔｉの添加歩留りは低下しやすく、その制御も難しい。したがって、添加するＴｉのコスト上昇および製鋼プロセスにおける時間の延長に伴う製造コストの上昇という問題がある。
【０００９】
また、溶鋼中に残存する酸化物系介在物の融点を低下させて融体とすることにより介在物を球状化するとともに、軟質化することが、切削工具の摩耗抑制に有効であるが、Ｔｉを０．０４％以上含有するチタン含有鋼における低融点酸化物の組成、および鋼の溶製条件は知られていない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ＴｉおよびＳを含有させてＴｉ炭硫化物を分散させ、高い被削性の得られるチタン含有鋼を、高いＴｉ添加歩留りとＴｉ含有量の良好な制御性のもとで溶製できる溶製方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、Ｔｉを０．０４質量％以上含有するチタン含有鋼において、上記の課題を達成するため、前記した従来技術の問題点、すなわち、全酸素（以下「Ｔ．Ｏ」ともいう）含有量の低減（以下「低酸素化」ともいう）、Ｔｉの添加歩留りとその制御性の向上、および酸化物系介在物の低融点化について検討を加え、以下の知見を得た。
【００１２】
（ａ）溶鋼中にＴｉを含有する場合には、Ｔｉは酸素との親和力が高いため、Ｔｉは大気およびスラグによって酸化されやすい。Ｔｉの酸化状態が相違することによって溶鋼の脱酸状態は変化する。脱酸により生成したＴｉの酸化物が溶鋼中を浮上してスラグとメタルの界面でスラグに捕捉されれば、溶鋼中には酸化物として残留しないため、溶鋼は清浄化され低酸素化が達成される。しかし、生成したＴｉ酸化物が溶鋼中を完全に浮上せずに溶鋼中に残留する場合は、鋼の清浄度は悪化し、低酸素化は達成されない。
【００１３】
（ｂ）従来は、Ｓｉ、Ａｌなどの脱酸用元素の含有量を増加させることによって、溶鋼および鋼の低酸素化および添加合金元素の酸化損失の抑制を図ってきた。しかし、Ｔｉ含有鋼では、これらの脱酸用元素の含有量を増加させても、その溶製過程において取鍋内スラグによってＴｉの酸化損失が発生する。これは、溶鋼中のＴｉが取鍋内スラグ中のＳｉＯ2 によって酸化されるためである。スラグとメタルの界面でＴｉなどの元素の酸化損失が生じると、鋼中の全酸素量が増加し、上記（ａ）で述べたとおり、鋼の低酸素化が阻害される。
そこで、脱酸用のＳｉ、Ａｌなどの元素の含有量をいたずらに高めるのではなく、単独ではＴｉよりも若干脱酸能力が低いＳｉに着目して種々の試験を行い、さらに、以下の（ｃ）〜（ｆ）の知見を得た。
【００１４】
（ｃ）溶鋼中のＳｉ含有量を０．１〜１．５％とし、溶鋼中のＳｉとＡｌの含有量に関する後述の（イ）式で表される関係を満足させ、さらにスラグ中のＳｉＯ2 含有量の適正化に関する後述の（ロ）式で表される関係を満足させることにより、溶鋼の低酸素化とＴｉの酸化損失抑制の両立が可能である。
【００１５】
（ｄ）上記（ｃ）で述べた溶鋼中のＳｉおよびスラグ中のＳｉＯ2 含有量の条件下で、スラグ中のＴｉＯ2 含有量を溶鋼中のＴｉ含有量に応じた適正範囲とすることにより、Ｔｉの酸化損失を抑制し、Ｔｉ含有量の制御性を向上することができる。
【００１６】
具体的には、溶鋼中のＴｉ含有量を０．０４〜０．２５％、取鍋内スラグ中のＴｉＯ2 含有量を２〜３０％とし、取鍋内スラグ中のＴｉＯ2 の含有量と溶鋼中のＴｉ含有量とを後述の（ハ）式で表される関係を満足するように調整することである。
【００１７】
（ｅ）取鍋内スラグ中のＴｉＯ2 の含有量、およびスラグ中のＴｉＯ2 の含有量と溶鋼中のＴｉ含有量との比の値を上記（ｄ）で述べたように調整するには、造滓剤としてＴｉＯ2 を含有する酸化物を取鍋内スラグに添加することが好ましい。
【００１８】
すなわち、スラグ中のＳｉＯ2 含有量を適正化すると、後述するとおり、スラグ中のほとんどのＴｉ酸化物の価数は４価となることから、スラグ中にＴｉＯ2 を添加して、スラグ中のＴｉＯ2 含有量を増加させても、ＴｉＯ2 は溶鋼の酸化の要因とはならず、Ｔｉの添加歩留りおよびＴｉ含有量の制御性を向上することができる。
【００１９】
（ｆ）溶鋼中のＡｌ含有量を０．０００５〜０．００５質量％および全Ｃａ（以下「Ｔ．Ｃａ」ともいう）含有量を０．０００１〜０．００５質量％とし、取鍋内スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を３〜１２質量％に調整することが好ましい。
【００２０】
すなわち、残存する酸化物系介在物は低融点であれば被削性は向上するが、チタン含有鋼において低融点化できる介在物は、ＣａＯを含有し、介在物中のＡｌ2 Ｏ3 含有量が低い、ＴｉＯ2−ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系の介在物である。この成分系の介在物は、製鋼温度で融体となるように低融点化が可能である。
【００２１】
このような介在物を得るためには、前記（ｃ）〜（ｅ）で述べた溶製条件に加えて、溶鋼中のＡｌ含有量、Ｔ．Ｃａ含有量および取鍋内スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を上記（ｆ）で述べたように調整して溶製すればよい。
【００２２】
本発明は、上記（ａ）〜（ｆ）の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（３）に示すチタン含有鋼の溶製方法にある。
【００２３】
（１）質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｔｉ：０．０４〜０．２５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．０００５〜０．１０％、および全酸素含有量：０．００５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなるチタン含有鋼の溶製方法であって、溶鋼中のＳｉおよびＡｌ含有量は下記式（イ）で表される関係を満足し、取鍋内スラグの組成はＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2およびＭｇＯを主成分として、下記式（ロ）で表される関係を満足し、取鍋内スラグ中のＴｉＯ2含有量は２〜３０％であり、スラグ中のＴｉＯ2含有量と溶鋼中のＴｉ含有量とが下記式（ハ）で表される関係を満足するように調整するチタン含有鋼の溶製方法。
Ｆｎ≧０．２ ・・・・・・・・・・・・・・（イ）
ただし、
Ｆｎ＝Ｓｉ＋１０×Ａｌ
２．３≦（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2≦５．０・・（ロ）
５０≦ＴｉＯ2／Ｔｉ ・・・・・・・・・・（ハ）
ここで、
Ｓｉ、ＡｌおよびＴｉは、それぞれ溶鋼中のＳｉ、ＡｌおよびＴｉの含有量を表し、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2およびＴｉＯ2は、それぞれ取鍋内スラグ中のＣａＯ、ＳｉＯ 2 、Ａｌ 2 Ｏ 3 、ＴｉＯ 2 およびＭｇＯを主成分としてそれらの各成分組成の合計を１００質量％に換算した場合に計算される、当該取鍋内スラグ中のＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2およびＴｉＯ2の含有量を表す。
【００２４】
（２）前記（１）に記載のチタン含有鋼の溶製方法において、造滓剤としてＴｉＯ2を含有する酸化物を取鍋内スラグに添加することにより、取鍋内スラグ中のＴｉＯ2含有量が２〜３０％、スラグ中のＴｉＯ2含有量と溶鋼中のＴｉ含有量とが下記式（ハ）で表される関係を満足するように調整することが好ましい。
５０≦ＴｉＯ2／Ｔｉ ・・・・・・・・・（ハ）
ここで、
ＴｉＯ2およびＴｉは、それぞれ取鍋内スラグ中のＣａＯ、ＳｉＯ 2 、Ａｌ 2 Ｏ 3 、ＴｉＯ 2 およびＭｇＯを主成分としてそれらの各成分組成の合計を１００質量％に換算した場合に計算される、当該スラグ中のＴｉＯ2の含有量および溶鋼中のＴｉの含有量を表す。
【００２５】
（３）前記（１）または（２）に記載のチタン含有鋼の溶製方法において、溶鋼中のＡｌ含有量が０．０００５〜０．００５％、Ｔ．Ｃａ含有量が０．０００１〜０．００５％、取鍋内スラグ中のＡｌ2Ｏ3含有量が３〜１２％となるように調整することが好ましい。
ここで、
Ａｌ 2 Ｏ 3 は、取鍋内スラグ中のＣａＯ、ＳｉＯ 2 、Ａｌ 2 Ｏ 3 、ＴｉＯ 2 およびＭｇＯを主成分としてそれらの各成分組成の合計を１００質量％に換算した場合に計算される、当該スラグ中のＡｌ 2 Ｏ 3 の含有量を表す。
【００２６】
本発明で規定する「チタン含有鋼」とは、チタン含有炭素鋼またはチタン含有低合金鋼をいい、上記（１）に記載されるとおり、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｔｉ：０．０４〜０．２５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、およびＡｌ：０．０００５〜０．１０％、Ｔ．Ｏ量：０．００５％以下を含有し、必要に応じて、Ｃｒ：０．０３〜２．０％、Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｍｏ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．００１〜０．０５％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜２．０％、ＲＥＭ（希土類元素）：０．０００１〜０．０３％、Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％、Ｓｅ：０．０１〜０．５％、Ｔｅ：０．０１〜０．５％およびＢ：０．０００１〜０．０２％のうちの１種類または２種類以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼を指す。
なお、Ｔ．Ｏ含有量とは、鋼中の全酸素含有量をいい、鋼中に酸化物として存在する酸素量、および固溶している酸素量の総和を指す。
また、Ｔ．Ｃａ含有量とは、鋼中の全Ｃａ含有量をいい、鋼中に介在物として存在するＣａ量、および固溶しているＣａ量の総和を指す。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明における鋼およびスラグの化学組成を限定した理由を以下に詳しく説明する。なお、以下の説明において、特に断らない限り、「％」は「質量％」を意味する。
【００２８】
（Ａ）鋼の化学組成
Ｃ：０．１〜０．６％：
機械構造用鋼としての鋼の強度を得るのに必要な元素である。その含有量が０．１％未満では強度が不足し、一方、０．６％を超えると機械構造用鋼として必要な靱性が得られない。そこで、Ｃ含有量の範囲を０．１〜０．６％とした。強度と靱性のバランスの観点からは、０．２〜０．５％の範囲が好ましい。
【００２９】
Ｓｉ：０．１〜１．５％：
鋼の脱酸およびフェライト強化のために必要な元素である。その含有量が０．１％未満では脱酸効果が不充分であり、一方、１．５％を超えると靱性が不足する。そこで、Ｓｉ含有量の範囲を０．１〜１．５％とした。また、フェライト強化および靱性のバランスの観点からは、０．１５〜１．３％の範囲が好ましい。
【００３０】
Ｍｎ：０．４〜２．０％：
固溶強化により、鋼の疲労強度の向上を図るために必要な元素である。その含有量が０．４％未満では充分な疲労強度が得られず、一方、２．０％を超えると焼き入れ性が高くなりすぎて、ベイナイトあるいは島状マルテンサイト組織が生成しやすくなり、耐久比（疲労強度／引張り強さ）が低下する。そこで、Ｍｎ含有量の範囲を０．４〜２．０％とした。
【００３１】
Ｔｉ：０．０４〜０．２５％：
本発明の重要な構成であるＴｉ炭硫化物の形成に必要な元素である。その含有量が０．０４％未満では、被削性を得るために必要な量の炭硫化物が形成されず、一方０．２５％を超えるとＴｉＣの生成による靱性の低下をきたす。そこで、Ｔｉ含有量の範囲を０．０４〜０．２５％とした。またＴｉは高価であるため、コストの観点からは、必要な被削性を得るに足る最小のＴｉ含有量が好ましい。好ましい範囲は０．１０〜０．２０％である。
【００３２】
Ｓ：０．０１〜０．２％：
被削性を確保するために必須の元素である。Ｓを含有することにより分散したＴｉ炭硫化物およびＭｎＳなどの硫化物が形成され、それらの切り欠き効果、潤滑効果および構成刃先効果などによって、高い被削性が得られる。Ｓ含有量が０．０１％未満では、快削鋼としての充分な被削性が得られず、一方、０．２％を超えるとＴｉ炭硫化物および硫化物の量が過剰となり、これらが亀裂発生の起点となって、機械構造用鋼としての機械的特性を満たさなくなる。そこで、Ｓ含有量の範囲を０．０１〜０．２％とした。好ましい範囲は０．０４〜０．１８％である。
Ａｌ：０．０００５〜０．１０％：
鋼の脱酸に必要な元素であるとともに、酸化物系介在物の融点を低下させるために微量の含有で有効に作用する元素である。含有量が０．０００５％未満では酸化物系介在物中のＡｌ2 Ｏ3 濃度が低下しすぎて、介在物の融点を低下させる効果が得られない。一方、０．１０％を超えると脱酸剤としての効果が飽和し、合金コストの上昇をまねく。そこで、Ａｌ含有量の範囲を０．０００５〜０．１０％とした。酸化物系介在物の融点を低下させるためには、後述するように０．００５％以下であることが好ましい。
【００３３】
なお、本発明においてＡｌとは、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）をいう。
【００３４】
Ｔ．Ｏ：０．００５％以下：
鋼中のＴ．Ｏは、鋼中の酸化物系介在物の量を増加させる。酸化物系介在物には硬質なものが多く、工具を損傷させて被削性を低下させる。特に大型の酸化物系介在物は、被削性の低下におよぼす影響が大きい。また、酸化物系介在物は亀裂発生の起点となることから、鋼材の疲労特性や靭性といった機械的特性も劣化させる。
一方、Ｔ．Ｏ含有量が０．００５％以下では、上記の被削性、疲労特性および靭性の悪化が認められなくなる。酸化物系介在物の量が減少することに加えて、酸化物粒子の粒径分布も小粒側にシフトし、直径５０μｍを超える酸化物粒子の個数が減少するからである。そこで、Ｔ．Ｏ含有量の範囲を０．００５％以下とした。好ましくは、０．００３％以下である。
【００３５】
本発明に係る溶製方法が対象とする鋼には、前記のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、ＳおよびＡｌ以外に、Ｆｅの一部に代えて、Ｃｒ：０．０３〜２．０％、Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｍｏ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．００１〜０．０５％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜２．０％、ＲＥＭ（希土類元素）：０．０００１〜０．０３％、Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％、Ｓｅ：０．０１〜０．５％、Ｔｅ：０．０１〜０．５％およびＢ：０．０００１〜０．０２％のうちの１種類または２種類以上を含有させてもよい。
【００３６】
Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｕ、ＮｉおよびＢ：
これらの元素は、含有させることにより、組織の微細化、固溶強化、析出強化あるいは焼き入れ性の向上により、鋼の強度、特に疲労強度を向上させる効果を有する。一方、これらの強化元素の含有は、いずれも合金コストを上昇させ、また、過剰に含有させると、強化によって靱性あるいは熱間加工性を劣化させる。したがって、含有させる場合は、それぞれ前記の値の範囲内で含有させることが好ましい。
【００３７】
ＲＥＭおよびＭｇ：
これらの元素は、含有させることにより、ＭｎＳの一部をＲＥＭの硫化物およびＭｇＳに置換して、圧延時にＭｎＳを伸展しにくくする効果を有する。したがって、材料特性の異方性、すなわち機械的特性についての圧延方向とそれ以外の方向との差違が改善される。しかし、これらの元素は過度に含有させると、Ｔｉ炭硫化物の生成を抑制する。したがって、含有させる場合は、それぞれ前記の値の範囲内で含有させることが好ましい。
【００３８】
ＳｅおよびＴｅ：
これらの元素は、Ｓと類似の化学的性質を有することから、含有させることにより、Ｍｎ（Ｓ、Ｓｅ）およびＭｎ（Ｓ、Ｔｅ）を形成し、被削性を改善する効果を有する。しかし、過度に含有させると熱間脆性を生じ、また合金コストを上昇させる。したがって、含有させる場合は、それぞれ前記の値の範囲内で含有させることが好ましい。
【００３９】
なお、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂ、ＳｅおよびＴｅを含有させても、前記の範囲内の含有量であれば、低酸素化、Ｔｉ歩留向上および酸化物系介在物組成制御の効果には影響しない。また、ＲＥＭおよびＭｇは、酸素およびＳとの親和力が大きいため、それぞれ前記含有量の上限値を超えて含有した場合に、酸化物系介在物の組成制御は難しくなるが、低酸素化およびＴｉ歩留向上の効果に悪影響をおよぼすことはない。
Ｆｎ≧０．２：
本発明の方法では、溶鋼の化学組成を上記の範囲の値とすることに加えて、さらに、前記の（イ）式で規定されるＦｎの値を０．２以上とする。その理由は、以下のとおりである。
【００４０】
鋼中のＴｉ含有量は、被削性向上のためのＴｉ炭硫化物の生成量や材料特性によって決められることから、その含有量はＴｉ：０．０４〜０．２５％である。したがって、脱酸元素であるＳｉおよびＡｌによる鋼の低酸素化およびＴｉの酸化損失を抑制するための調整が必要である。
【００４１】
そこで、チタン含有鋼において、低酸素化に必要なＳｉおよびＡｌの含有量の下限について検討を行った。これらの脱酸元素を用いる場合に想定される取鍋内スラグ組成であるＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系のスラグの存在下で、Ｔｉ含有溶鋼の脱酸実験を行った。その結果、後述する本発明の範囲内の取鍋内スラグ組成の場合には、溶鋼中のＳｉおよびＡｌの含有量がそれぞれ、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ａｌ：０．０００５〜０．１０％で、かつ、前述の（イ）式により表される関係を満足すれば、鋼の低酸素化およびＴｉの酸化損失の抑制がともに達成できることが判明した。
【００４２】
前述の（イ）式で規定されるＦｎの値が０．２未満では、溶鋼中のＴ．Ｏ含有量が高くなり、また溶鋼中のＴｉの酸化による損失も増大する。Ｆｎの上限は特に限定されないが、脱酸能が飽和すること、およびの脱酸剤コストの上昇を抑える観点からは１．５以下とすることが好ましい。
（Ｂ）取鍋内スラグの化学組成
（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 ：２．３〜５．０：
本発明では、取鍋内スラグの組成をＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2 Ｏ3、ＴｉＯ2 およびＭｇＯを主成分とし、前述の（ロ）式により表されるとおり、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値を２．３〜５．０とする。
【００４３】
取鍋内スラグ組成をＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2 Ｏ3、ＴｉＯ2 およびＭｇＯを主成分の組成とするのは、前述のとおり、この成分系の介在物であれば、充分な低融点化が図れ、製鋼温度で融体とすることができるからである。介在物は、製鋼温度で融体であれば、界面張力により凝集して球状化するため、浮上分離されやすい。また、溶鋼中に残存しても、低融点の介在物は軟質であること、および球状化していることから、切削工具の摩耗を低減でき、被削性を向上することができる。
【００４４】
取鍋内スラグ中のＴｉＯ2 含有量が高い条件で、溶鋼中のＴｉの酸化損失を調べたところ、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．３〜５．０であれば、スラグ中のＳｉＯ2 活量が充分低く、Ｓｉによる脱酸反応がＴｉの酸化損失を抑制できることを見出した。すなわち、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．３未満では、ＳｉＯ2 活量が高く、Ｓｉ脱酸も十分ではないので溶鋼中のＴｉの酸化損失が大きく、またＴ．Ｏ含有量も高くなる。
【００４５】
一方、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が５．０を超えると上記の効果は飽和し、また取鍋内スラグが滓化不良になって実操業に支障をきたすという問題が生じる。また、鋼材の種類によっては、フェライト組織の強化のために鋼中のＳｉ含有量を高くする場合がある。その場合に、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値を高くするためには、取鍋内スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）の含有量を多くする必要があり、そのような組成の取鍋内スラグとするには、ＣａＯ等の媒溶剤添加量が多くなり現実的でなくなるからである。
ＴｉＯ2 ：２〜３０％、５０≦ＴｉＯ2 ／Ｔｉ：
取鍋内スラグ中のＴｉＯ2 の含有量は２〜３０％とし、かつ、前記（ハ）式により表されるとおり、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値を５０以上とする。
【００４６】
このように調整することにより、溶鋼中のＴｉの酸化損失速度が低下し、Ｔｉの添加歩留りが安定する。すなわちスラグ中のＴｉＯ2 含有量が２％未満では、溶鋼中のＴｉ含有量が０．０４％であっても、Ｔｉの酸化損失が発生するからであり、一方、ＴｉＯ2 含有量が３０％を超えると、スラグの滓化が不良となるからである。また、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値が５０未満では、なお溶鋼中のＴｉの酸化損失の速度が著しく大きい。なお、１５０を超えると、金属Ｔｉ添加による調整の場合には高価なＴｉを損失することになる。また、後述する取鍋スラグ中へのＴｉＯ2 含有酸化物の添加の場合には、過剰な添加により熱的損失を招くことになる。したがって、好ましくは１５０以下である。
【００４７】
本発明では、取鍋内スラグ中のＴｉＯ2 の含有量を２〜３０％とし、かつ、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値を５０以上に調整するために、造滓剤としてＴｉＯ2 を含有する酸化物を取鍋内スラグに添加するのが好ましい。その理由を以下に述べる。
【００４８】
スラグ中のＴｉ酸化物は、便宜上、全てＴｉＯ2 と記載しているが、価数で表示すれば、製鋼反応が生じる温度および酸素分圧下では、Ｔｉは３価または４価である。すなわち、酸化物として化学式で表示すれば、Ｔｉ2 Ｏ3 およびＴｉＯ2 である。また、これらの存在比率は、その系の酸素分圧およびスラグ組成により変化する。ところで、スラグ中にＴｉ2 Ｏ3 が存在する場合に、Ｔｉの酸化を考慮してＴｉＯ2 を添加すると、ＴｉＯ2 から酸素が放出され、ＴｉＯ2 が酸化源となる可能性がある。スラグ中の３価のＴｉと４価のＴｉの比率は、スラグ中のＳｉＯ2 の含有量に依存し、本発明で規定する範囲のようにＳｉＯ2 活量が低い範囲のスラグでは大部分のＴｉは４価として存在する。
【００４９】
したがって、本発明において、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．３〜５．０の条件で、ＴｉＯ2 添加によりＴｉ歩留まりの向上と低酸素化の両立が図られるのは、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が上記の範囲の場合には、ＳｉＯ2 活量が充分に低く、４価のＴｉＯ2 が大部分であり、ＴｉＯ2 を添加しても酸化源とはならないからである。
【００５０】
取鍋内スラグへのＴｉＯ2 の添加量は、スラグ量と目標のスラグ中のＴｉＯ2 含有量とで決められる。その際、スラグ中のＴｉＯ2 含有量は、たとえば、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値を１００として求めればよい。また、ＴｉＯ2 の添加方法については、転炉または電気炉などの製鋼炉から出鋼した後、必要に応じて除滓した後、ＴｉＯ2 を含む媒溶剤をＣａＯ、ＳｉＯ2 などとともに投入すればよい。望ましくは、溶鋼中へのＴｉ添加に先行して、スラグ中に添加するのがよい。ＴｉＯ2 を含む媒溶剤は、ＦｅＯなどの低級酸化物が少なく、かつ、安価な媒溶剤が望ましく、例えば、ルチルサンド（砂状の金紅石）が適している。
【００５１】
Ａｌ：０．０００５〜０．００５％、Ｔ．Ｃａ：０．０００１〜０．００５％、Ａｌ2 Ｏ3 ：３〜１２％：
本発明では、溶鋼中のＡｌ含有量を０．０００５〜０．００５％、Ｔ．Ｃａ含有量を０．０００１〜０．００５％、取鍋内スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を３〜１２％に調整するのが好ましい。その理由を以下に述べる。
【００５２】
本発明が対象とする鋼では、Ｔｉ炭硫化物、Ｔｉ硫化物およびＭｎ硫化物への応力集中による切削域での切り屑分断効果、および潤滑効果により、被削性が向上する。さらに、低酸素化により、酸化物系介在物によって切削工具の表面がミクロ的に切削されてすり減る、いわゆるアブレイシブ磨耗も発生しにくくなり、工具寿命の向上と安定に寄与する。
【００５３】
また、残留する酸化物系介在物を低融点化することにより、高速域での超硬工具による切削において、ベラーク付着による工具磨耗の抑制効果が得られる。したがって、本発明が対象とするチタン含有鋼において、酸化物系介在物の融点が低下するスラグ組成の領域およびそのスラグ組成に調整する製鋼条件が見出されれば、さらなる高速域における切削性の向上が達成できる。
【００５４】
そこで、チタン含有鋼の酸化物系介在物を低融点化できる介在物組成の範囲を把握するため、Ｃ：０．４７％、Ｔｉ：０．０５〜０．１７％、Ｓｉ：０．９％、Ｍｎ：１．０％、およびＳ：０．１〜０．１７％の鋼組成において、ＡｌおよびＣａ含有量を変化させて種々の鋼を溶製し、溶鋼中の介在物組成と形態との関係を調査した。
【００５５】
その結果、Ａｌ：０．０００５〜０．００５％およびＴ．Ｃａ：０．０００１〜０．００５％の範囲であれば、球状を呈する酸化物が観察され、それらはＣａＯを含有し、かつ介在物中のＡｌ2 Ｏ3 含有量が特定の範囲に限定されたＴｉＯ2−ＣａＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系の多成分系介在物であった。そこで球状介在物が観察された実験での介在物の平均化学組成を調査したところ、ＣａＯ：１０〜３０％、Ａｌ2 Ｏ3 ：５〜４０％、ＴｉＯ2 ：２０〜６０％、ＭｇＯ：３〜１０％、およびＳｉＯ2 ：３〜１５％であった。
【００５６】
すなわち、ＴｉＯ2−ＳｉＯ2−ＭｇＯ酸化物系介在物をベースとして、溶鋼中のＡｌ含有量が０．０００５％以上であれば、介在物中のＡｌ2 Ｏ3 含有量は５％以上となり、同Ａｌ含有量が０．００５％以下であれば、介在物中のＡｌ2 Ｏ3 含有量が４０％以下となる。また、Ｔ．Ｃａ含有量が０．０００１〜０．００５％の範囲内で、介在物中のＣａＯ含有量が１０〜３０％の範囲となり、介在物の組成は低融点の組成になる。なお、Ｔ．Ｃａ含有量が０．００５％を超えて過剰に存在しても、本発明が対象とするＳ含有量の高い鋼では、ＣａＳが生成するだけであり、Ｃａの効果は飽和する。
【００５７】
さらに、Ａｌ：０．０００５〜０．００５％およびＴ．Ｃａ：０．０００１〜０．００５％となる製鋼条件について検討したところ、スラグ組成が前記（２）で示された組成条件に加えて、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を３〜１２％とすれば達成できることが判明した。その理由は、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が３％未満ではスラグ−メタル間の反応により溶鋼中のＡｌ含有量は０．０００５％未満となり、一方、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が１２％を超えると溶鋼中のＡｌ含有量は０．００５％を超えるからである。
【００５８】
溶鋼中へのＣａの添加は、通常の粉体吹き込み、ワイヤ添加等の方法を用いることができる。Ｃａ含有量の制御の難しさを考慮すれば、取鍋での二次精錬の末期または鋳造直前の段階が好ましい。
【００５９】
スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量は、転炉の出鋼時におけるＡｌ2 Ｏ3 を含む一部のスラグの取鍋への流出、Ａｌ2 Ｏ3 成分を含む耐火物の溶損、および脱酸剤としてのＡｌの大気による酸化などにより影響を受ける。したがって、これらのＡｌの供給源を抑制するとともに、生石灰等の媒溶剤量、Ａｌを含有する脱酸剤の投入を制限することによりスラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を調整することができる。また、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を３％未満にするには耐火物や合金鉄としてＡｌを含有しない材料を使用する必要が生じ、製鋼コストが増加する。
その他のスラグ組成：
スラグのその他の成分についての好適組成は以下のとおりである。
【００６０】
スラグ中のＭｇＯの供給源は、転炉の出鋼時におけるＭｇＯを含む一部のスラグの流出、ＭｇＯ成分を含む耐火物の溶損、および媒溶剤中のＭｇＯ成分などであり、スラグ中ＭｇＯ含有量はこれらの影響を受ける。ＭｇＯ含有量が２５％以上では、スラグの滓化性が悪化するとともに、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値を５．０以下に調整することが難しくなる。したがって、ＭｇＯ含有量は２５％未満が好ましい。
【００６１】
ＦｅＯおよびＭｎＯは、Ｔｉの酸化損失につながることから、それらの含有量は低いことが望ましく、ＦｅＯ含有量は１％以下、ＭｎＯ含有量は２％以下が好ましい。
【００６２】
さらに、ＣａＦ2 は、ＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系スラグの滓化性の保持、および溶鋼中のＳの損失の抑制の観点から、以下の範囲に調整することが望ましい。すなわち、ＣａＦ2 を、前記ＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系スラグに対して、外数で１０％以下含有させることが好ましい。
【００６３】
スラグ組成の調整方法は、転炉などの製鋼炉から出鋼した後、必要に応じて除滓した後、生石灰、珪砂、およびドロマイトなどの媒溶剤を添加すればよい。さらに必要に応じて、取鍋精錬時に媒溶剤の追加により調整して精錬末期に目標組成となるようにする。
【００６４】
【実施例】
スラグ精錬を模擬できる誘導加熱炉を用いて、本発明による低酸素化、Ｔｉ添加歩留りの向上、およびＴｉ含有量の制御性の向上を確認するための試験を行った。
【００６５】
ＳｉおよびＡｌの本発明による下限を調べるために、Ｃ：０．４０〜０．４２％、Ｍｎ：１．１〜１．１４％、Ｓ：０．１２〜０．１５％、Ｐ：０．００１〜０．０１５％を含有する１５５ｋｇの鋼を１５８０〜１６２０℃の温度範囲で溶解した。また、一部の試験では、Ｃｒ、Ｖ、ＭｇおよびＳｅのうちの複数元素を添加した。酸化鉄などを添加してスラグおよびＴｉを添加する前のＴ．Ｏ含有量が０．０１％程度となるように成分の調整を行った。
【００６６】
次いで、ＳｉおよびＡｌ含有量を調整するとともに、Ｔ．Ｏ含有量を０．００７〜０．００９％の範囲に調整した。その後、ＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系スラグを添加した。スラグ量は、溶鋼１ｋｇ当たり約３０ｇとした。スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．９程度、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が６〜１０％、ＴｉＯ2 含有量が１６〜２０％となるように試薬を配合し、調整した。さらに、Ｔｉを添加し、約５〜１０分後にＴｉ含有量が０．０５〜０．０８％となった時の、ＳｉおよびＡｌ含有量と到達Ｔ．Ｏ含有量との関係を調査した。
【００６７】
表１に、溶解した鋼の化学組成を示す。
【００６８】
【表１】
試験番号Ａ１〜Ａ４は、Ｔ．Ｏ含有量が０．００５％以下の範囲まで到達した例であり、試験番号Ａ５〜Ａ８は、Ｔ．Ｏ含有量が０．００５％を超えたままの例である。
【００７０】
図１は、溶鋼中のＳｉおよびＡｌ含有量と到達Ｔ．Ｏ含有量との関係を示す図である。図中の（ ）内の数字はＴ．Ｏ含有量をｐｐｍ単位で示す。また、図中の■印で表示した点は溶鋼中のＴ．Ｏ含有量が０．００５％以下に達した試験結果を表し、□印で表示した点は溶鋼中のＴ．Ｏ含有量が０．００５％を超えたままの試験結果を表す。
【００７１】
Ａｌ含有量が０．０００５％以上、Ｓｉ含有量が０．１％以上、かつ、ＡｌとＳｉの含有量が前記（イ）式で表される関係を満足する領域において、Ｔ．Ｏ含有量が５０ｐｐｍ以下となることが判明した。
【００７２】
次に、本発明におけるスラグ組成とＴｉの酸化損失による減少速度、および歩留との関係を調べるために、Ｃ：０．３９〜０．４３％、Ｍｎ：０．９５〜１．０１％、Ｓ：０．０９８〜０．１６％、Ｐ：０．０１〜０．０１７％を含有する１５５ｋｇの鋼を１５８０〜１６２０℃の温度範囲で溶解した。また、一部の試験では、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｇのうちの複数元素を添加した。酸化鉄などを添加してスラグおよびＴｉを添加する前のＴ．Ｏ含有量が０．０１％程度となるように成分の調整を行った。
【００７３】
次いで、Ｓｉ含有量を０．６９〜０．９０％の範囲に、Ａｌ含有量を０．０００５〜０．０１３％の範囲に調整して、Ｔ．Ｏ含有量を０．００７〜０．００９％の範囲とし、その後、ＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系スラグを添加した。スラグ量は、溶鋼１ｋｇ当たり約３０ｇとし、試薬を配合して調整することにより、スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 含有量、およびＴｉＯ2 含有量を変化させた。
【００７４】
さらに、Ｔｉを所定量添加し、１８０〜１０２０秒保持した後、溶鋼組成およびスラグ組成を分析してＴｉの酸化損失による減少速度およびＴｉ歩留を調査した。
【００７５】
表２に、溶鋼組成、スラグ組成、およびスラグの滓化性の評価結果を示す。
【００７６】
【表２】
試験番号Ｂ１〜Ｂ５は、式（ロ）の値が２．３〜５．０の範囲内にある例であり、試験番号Ｂ６およびＢ７は、式（ロ）の値が２．３未満の例であり、試験番号Ｂ８は、式（ロ）の値が５．０を超える例である。
【００７８】
図２は、スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値と溶鋼中のＴ．Ｏ含有量との関係を示す図である。図中の■印で表示した点は本発明例を表し、□印で表示した点は比較例を表す。なお、図３および４における表示も同様である。同図に示すように、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．３以上の場合に、溶鋼中のＴ．Ｏ含有量は０．００５％以下となる。
【００７９】
Ｔｉ歩留りは、Ｔｉ添加量に対する溶鋼中の残存Ｔｉ量の割合を算出することにより、また、Ｔｉ含有量の減少速度は、Ｔｉの減少が一次反応に従うとしたときの見掛けの減少速度定数、−（１／ｔ）×ｌｎ（Ｔｉ／Ｔｉ0）を求めることにより、それぞれを評価した。ここで、Ｔｉは任意の時刻のＴｉ含有量（％）を、Ｔｉ0 は、初期のＴｉ含有量（％）を、そして、ｔはＴｉ添加後の経過時間（ｓ）を表す。その際、Ｔｉ含有量は０．０８〜０．２０％である。
【００８０】
図３は、スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値と溶鋼中の見掛けのＴｉ減少速度定数との関係を示す図である。
【００８１】
（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．３以上の場合に、見掛けのＴｉ減少速度定数は０．００１５（１／ｓ）以下となり、Ｔｉの減少速度が低下して、Ｔｉ含有量の制御性は向上する。
【００８２】
図４は、スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値と溶鋼中のＴｉ添加歩留りとの関係を示す図である。
【００８３】
（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 が２．３以上で、Ｔｉ添加歩留は３５％以上となり、同値が２．３未満の場合と比較して、Ｔｉ添加歩留りは向上し、Ｔｉの酸化損失が抑制されることが明らかである。一方、同値が５．０を超えると、滓化が不良となり、問題であった。
次に、スラグ中のＴｉＯ2 含有量と溶鋼中のＴｉ含有量との比、すなわちＴｉＯ2／Ｔｉの値の適正な下限値を確認するための試験を行った。溶鋼の化学組成は、Ｃ：０．４５％、Ｓｉ：０．７％、Ｍｎ：１．０％、Ｓ：０．１７％、Ｐ：０．０１５％とした。スラグは、ＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系のものを用意し、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．５〜３．０となるように調整し、Ｔｉを添加後、１８０〜１０２０秒後のＴｉＯ2／Ｔｉの値とＴｉ減少速度定数との関係を調査した。
【００８４】
図５は、ＴｉＯ2／Ｔｉの値と、溶鋼中の見掛けのＴｉ減少速度定数との関係を示す図である。ここで、図中の◆印は式（ロ）の値が本発明の範囲内にあるものを表し、□印は本発明の範囲外のものを表す。
【００８５】
ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値が５０以上では、見掛けのＴｉ減少速度定数は０．００１５（１／ｓ）未満となり、Ｔｉの酸化損失が抑制され、Ｔｉ含有量の制御性が向上する。なお、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値が１５０を超えると、Ｔｉ減少速度は小さいものの、その効果は飽和している。
【００８６】
さらに、溶鋼の低酸素化およびＴｉ添加歩留まりの向上におよぼすスラグ中へのＴｉＯ2 添加の効果を確認するための試験を行った。溶鋼の化学組成はＣ：０．４５％、Ｓｉ：０．７％、Ｍｎ：１．０％、Ｓ：０．１７％、Ｐ：０．０１５％、Ａｌ：０．００２％とした。スラグはＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系であり、スラグ中へＴｉＯ2 を添加した場合の配合量は、溶鋼中の目標Ｔｉ含有量に対して、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値が１００となるように調整した。（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値は２．５〜３．０となるように調整し、Ｔｉ添加後１８０〜１０２０秒後のＴ．Ｏ含有量およびＴｉ添加歩留りを調査した。
【００８７】
図６は、溶鋼中のＴ．Ｏ含有量に対するスラグ中へのＴｉＯ2 添加の効果を示す図であり、図７は、溶鋼中のＴｉ添加歩留りに対するスラグ中へのＴｉＯ2 添加の効果を示す図である。
【００８８】
ＴｉＯ2 の添加により、Ｔｉの酸化損失は抑制される。Ｔｉの酸化損失によって溶鋼中に生成する酸化物系介在物量は減少し、Ｔ．Ｏ含有量は減少する。さらには、Ｔｉ添加歩留りも向上する。
次にＣａ含有量およびＡｌ含有量を限定した場合の本発明における効果を示す。溶鋼の化学組成をＣ：０．４５％、Ｓｉ：０．７％、Ｍｎ：１．０％、Ｓ：０．１７％、Ｐ：０．０１５％とした。スラグはＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系であり、スラグ中へのＴｉＯ2 添加量は、溶鋼中の目標Ｔｉ含有量に対して、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値が１００となるように配合し、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値は２．５〜３．０となるように調整した。その後Ｔｉを添加し、１８０〜６６０秒経過した後に、必要に応じてＣａ添加処理を行い、溶鋼成分のＴｉが０．０７〜０．１１％、Ｃａが０．０００１〜０．００６％、Ａｌが０．０００４〜０．００６％とした後、介在物形態および組成を調べるため、溶鋼から直径２０ｍｍ、高さ４０ｍｍの大きさのボンブサンプルを採取した。なお、ボンブサンプル採取段階でのスラグ組成は、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値が２．５〜３．０、ＴｉＯ2 ／Ｔｉの値が５０〜１５０、およびＡｌ2 Ｏ3 含有量が５〜１３％の範囲であった。
【００８９】
図８は、溶鋼中のＴ．Ｃａ含有量およびＡｌ含有量と介在物の形態との関係を示す図である。ここで、図中の●印で表示した点は介在物形態が球状であることを示し、□印で表示した点は介在物がＴｉＯ2 系であることを示し、△印で表示した点は介在物がＣａＳ系であることを示し、そして◇印で表示した点は介在物がＡｌ2 Ｏ3 系であることを示す。
【００９０】
採取したボンブサンプルを横断面方向に切断して研磨した後、その面に観察される酸化物系介在物の組成をエネルギー分散型Ｘ線分析装置にて調べるとともに、その形態をつぎのように分類した。
【００９１】
すなわち、i）角部が少なく球状のものは、ボンブサンプル採取段階で溶融状態を呈していたと認められる介在物であり、ii）それ以外のものは、角部がある介在物、または採取段階ではすでに固体状態を呈していた介在物である、として分類した。
【００９２】
介在物の形状の判定は、直径１〜１０μｍの範囲にある１０個の介在物を無作為に抽出し、その個数の５０％以上の介在物が呈する形態を以て、その介在物の形態を代表する形態とした。介在物の化学組成については、それらの組成の算術平均値を以て介在物の化学組成とした。
図８から、溶鋼中のＴ．Ｃａ：０．００２〜０．００５０％、Ａｌ：０．０００５〜０．００５％の範囲内においては、酸化物系介在物の組成は低融点の組成、すなわち溶鋼段階において溶融状態であることを示す球状の形態であることが判明した。また、これら球状を呈した介在物は、ＣａＯ−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2−Ａｌ2 Ｏ3−ＭｇＯ系の多成分系であり、その平均化学組成は、ＣａＯ：１０〜３０％、ＳｉＯ2 ：３〜１５％、ＴｉＯ2 ：２０〜６０％、Ａｌ2 Ｏ3 ：５〜４０％、およびＭｇＯ：３〜１０％であることも明らかとなった。
【００９３】
図９は、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量および溶鋼中のＡｌ含有量と生成介在物の形態との関係を示す図である。
【００９４】
同図から、以下のことが判明した。スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量が１２％を超えると、溶鋼中のＡｌ含有量が０．００５％を超え、生成する介在物もＡｌ2 Ｏ3 系となる。また、スラグ以外の合金などからのＡｌの供給を極力低減した状態で、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を３％未満とした場合には、Ａｌ含有量が０．０００４％となり、介在物はＴｉＯ2 系となる。すなわち、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量が３〜１２％の場合に、介在物は球状の形態を呈することが確認された。
【００９５】
図８および９の結果より、溶鋼中のＴ．Ｃａを０．００２〜０．００５％、Ａｌを０．０００５〜０．００５％とし、スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量を３〜１２％に調整すれば、酸化物系介在物が低融点化し、被削性向上の観点から好ましいことが裏付けられた。
【００９６】
【発明の効果】
本発明の溶製方法によれば、ＴｉおよびＳを含有することによりＴｉ炭硫化物を分散させ、高い被削性が得られるチタン含有鋼を、Ｔｉの高い添加歩留りとＴｉ含有量の良好な制御性のもとで溶製できるので、機械構造用鋼として必要な高清浄化の達成および製造コストの低減に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶鋼中のＳｉおよびＡｌ含有量と到達Ｔ．Ｏ含有量との関係を示す図である。
【図２】スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値と溶鋼中のＴ．Ｏ含有量との関係を示す図である。
【図３】スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値と溶鋼中の見掛けのＴｉ減少速度定数との関係を示す図である。
【図４】スラグ中の（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2 の値と溶鋼中のＴｉ添加歩留りとの関係を示す図である。
【図５】スラグ中のＴｉＯ2 含有量と溶鋼中のＴｉ含有量との比ＴｉＯ2／Ｔｉの値と、溶鋼中の見掛けのＴｉ減少速度定数との関係を示す図である。
【図６】溶鋼中のＴ．Ｏ含有量に対するスラグ中へのＴｉＯ2 添加の効果を示す図である。
【図７】溶鋼中のＴｉ添加歩留りに対するスラグ中へのＴｉＯ2 添加の効果を示す図である。
【図８】溶鋼中のＴ．Ｃａ含有量およびＡｌ含有量と介在物の形態との関係を示す図である。
【図９】スラグ中のＡｌ2 Ｏ3 含有量および溶鋼中のＡｌ含有量と生成介在物の形態との関係を示す図である。
Claims (3)
- 質量％で、Ｃ：０．１〜０．６％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜２．０％、Ｔｉ：０．０４〜０．２５％、Ｓ：０．０１〜０．２％、Ａｌ：０．０００５〜０．１０％、および全酸素含有量：０．００５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなるチタン含有鋼の溶製方法であって、溶鋼中のＳｉおよびＡｌ含有量は下記式（イ）で表される関係を満足し、取鍋内スラグの組成はＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2およびＭｇＯを主成分として、下記式（ロ）で表される関係を満足し、取鍋内スラグ中のＴｉＯ2含有量は２〜３０％であり、スラグ中のＴｉＯ2含有量と溶鋼中のＴｉ含有量とが下記式（ハ）で表される関係を満足するように調整することを特徴とするチタン含有鋼の溶製方法。
Ｆｎ≧０．２ ・・・・・・・・・・・・・・（イ）
ただし、
Ｆｎ＝Ｓｉ＋１０×Ａｌ
２．３≦（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ2≦５．０・・（ロ）
５０≦ＴｉＯ2／Ｔｉ ・・・・・・・・・・（ハ）
ここで、
Ｓｉ、ＡｌおよびＴｉは、それぞれ溶鋼中のＳｉ、ＡｌおよびＴｉの含有量を表し、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2およびＴｉＯ2は、それぞれ取鍋内スラグ中のＣａＯ、ＳｉＯ 2 、Ａｌ 2 Ｏ 3 、ＴｉＯ 2 およびＭｇＯを主成分としてそれらの各成分組成の合計を１００質量％に換算した場合に計算される、当該取鍋内スラグ中のＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2およびＴｉＯ2の含有量を表す。 - 造滓剤としてＴｉＯ2を含有する酸化物を取鍋内スラグに添加することにより、取鍋内スラグ中のＴｉＯ2含有量が２〜３０％、スラグ中のＴｉＯ2含有量と溶鋼中のＴｉ含有量とが下記式（ハ）で表される関係を満足するように調整することを特徴とする請求項１に記載のチタン含有鋼の溶製方法。
５０≦ＴｉＯ2／Ｔｉ ・・・・・・・・・（ハ）
ここで、
ＴｉＯ2およびＴｉは、それぞれ取鍋内スラグ中のＣａＯ、ＳｉＯ 2 、Ａｌ 2 Ｏ 3 、ＴｉＯ 2 およびＭｇＯを主成分としてそれらの各成分組成の合計を１００質量％に換算した場合に計算される、当該スラグ中のＴｉＯ2の含有量および溶鋼中のＴｉの含有量を表す。 - 溶鋼中のＡｌ含有量が０．０００５〜０．００５％、全Ｃａ含有量が０．０００１〜０．００５％、および取鍋内スラグ中のＡｌ2Ｏ3含有量が３〜１２％となるように調整することを特徴とする請求項１または２に記載のチタン含有鋼の溶製方法。
ここで、
Ａｌ 2 Ｏ 3 は、取鍋内スラグ中のＣａＯ、ＳｉＯ 2 、Ａｌ 2 Ｏ 3 、ＴｉＯ 2 およびＭｇＯを主成分としてそれらの各成分組成の合計を１００質量％に換算した場合に計算される、当該スラグ中のＡｌ 2 Ｏ 3 の含有量を表す。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002105978A JP4082064B2 (ja) | 2002-04-09 | 2002-04-09 | チタン含有鋼の溶製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002105978A JP4082064B2 (ja) | 2002-04-09 | 2002-04-09 | チタン含有鋼の溶製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003293029A JP2003293029A (ja) | 2003-10-15 |
| JP4082064B2 true JP4082064B2 (ja) | 2008-04-30 |
Family
ID=29243191
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002105978A Expired - Fee Related JP4082064B2 (ja) | 2002-04-09 | 2002-04-09 | チタン含有鋼の溶製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4082064B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009242912A (ja) * | 2008-03-31 | 2009-10-22 | Jfe Steel Corp | 含Ｔｉ極低炭素鋼の溶製方法および含Ｔｉ極低炭素鋼鋳片の製造方法 |
| JP7189053B2 (ja) * | 2019-03-14 | 2022-12-13 | 株式会社神戸製鋼所 | 非調質鍛造用鋼および非調質鍛造部品 |
| CN114854939B (zh) * | 2021-07-23 | 2023-07-25 | 包头洪盛化工有限责任公司 | 一种用于铬铁铁水的摇包脱钛渣及铬铁铁水摇包脱钛方法 |
-
2002
- 2002-04-09 JP JP2002105978A patent/JP4082064B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003293029A (ja) | 2003-10-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3294245B2 (ja) | 伸線性及び伸線後の耐疲労性に優れた高炭素鋼線材 | |
| EP2682489B1 (en) | High-carbon steel wire rod excellent in drawability and fatigue characteristics after wire drawing | |
| JP4900127B2 (ja) | 高周波焼入れ用鋼材及びその製造方法 | |
| JP6116286B2 (ja) | 発銹の少ないフェライト系ステンレス鋼 | |
| JP2019178363A (ja) | 製造性に優れた高Ｓｉ含有のオーステナイト系ステンレス鋼 | |
| JP2019039021A (ja) | Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｎｂ合金およびその製造方法 | |
| JP2007169769A (ja) | 疲労強度に優れた高清浄度鋼 | |
| JP2005029888A (ja) | 疲労強度および冷間加工性に優れた高清浄度鋼 | |
| JP2005264335A (ja) | 疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼およびその製造方法 | |
| WO2016027765A1 (ja) | 鋼中Ｔｉ濃度の制御方法およびシリコン脱酸鋼の製造方法 | |
| JP6903182B1 (ja) | 表面性状に優れたＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｆｅ合金およびその製造方法 | |
| JP4417792B2 (ja) | 疲労強度又は冷間加工性に優れた高清浄度鋼 | |
| JP4082064B2 (ja) | チタン含有鋼の溶製方法 | |
| JP3533196B2 (ja) | 高疲労強度ばね用鋼線とその製法 | |
| JPS6263650A (ja) | 軸受鋼およびその製造法 | |
| JP4544126B2 (ja) | 低炭素硫黄快削鋼の製造方法 | |
| CN116529396A (zh) | 耐焊接高温开裂性优异的高Ni合金 | |
| JP2001220651A (ja) | 耐ヘビーシェリング損傷性に優れたレール | |
| JP3632922B2 (ja) | ばね用鋼材の製鋼精錬方法とその製鋼精錬方法を用いて得られるばね用鋼線 | |
| JP2005029887A (ja) | 疲労特性に優れた高清浄ばね用鋼線 | |
| JP2008126273A (ja) | Ｂ含有低炭非鉛快削鋼の製造方法 | |
| JP2008163423A (ja) | 疲労特性に優れたＳｉキルド鋼線材およびばね | |
| JPH08225820A (ja) | 高炭素Ｓｉキルド鋼の製造方法 | |
| JPH09310113A (ja) | ステンレス鋼の高清浄化精錬法 | |
| JP2004346402A (ja) | ばね用鋼材の製鋼精錬方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040521 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050210 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070904 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071031 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080122 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080204 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4082064 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110222 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120222 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120222 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130222 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130222 Year of fee payment: 5 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130222 Year of fee payment: 5 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140222 Year of fee payment: 6 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |