JP4964371B2 - 高炭素鋼線材の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炭素鋼の製造方法に関するものであり、詳細には自動車等の懸架装置用ばね、エンジン用の弁ばね及びタイヤ用スチールコード等に好適な高強度線材として使用される高炭素鋼の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
自動車等の軽量化の要請に伴い、ばね用鋼やスチールコードには高強度化が要求されている。具体的な要求特性としては、ばね用鋼の場合には繰り返し使用に対する優れた耐疲労性が必要とされ、またスチールコードの場合には極細径に伸線加工を行っても断線しないような耐断線性が必要である。この様な耐疲労性や耐断線性を阻害する要因としては、鋼中に存在する介在物であることが知られており、例えばAl2O3 の様な高融点で延性の低い介在物が疲労破壊や断線の起点となっている。従って、ばね用鋼やスティールコードの高強度化には、鋼中介在物を低融点で高延性な組成及び形態に制御することが不可欠である。
【0003】
尚、ばね用鋼やスティールコードに用いられる高炭素鋼の製造方法としては、脱酸並びに成分調整を行った溶鋼にCaO−SiO2 −Al2O3 系フラックスを加え、不活性雰囲気内にてArガス等の不活性ガスをインジェクションランスや底吹きポーラス煉瓦から吹き込み撹拌することで精錬を行い、得られた溶鋼を連続鋳造し、鋳片内部の凝固が完了する前に連続的に鍛造加工することにより鋳片を得ることが一般的である。
【0004】
この様な製造方法を前提とした上で高炭素鋼の高強度化を図る技術として、特開平6−212237号公報には、吹き込み撹拌精錬を行うにあたり、撹拌精錬後の溶鋼中Al量、Mn/Si及びスラグ組成、並びに使用する耐火物組成を特定することにより、非延性のAl2O3 系及びSiO2 系の介在物と溶鋼中全酸素量を低減し高炭素鋼の高強度化を図る方法が開示されている。この技術は、要するに溶鋼とスラグの成分組成を規定することで、溶鋼中成分とスラグ間の脱酸反応の結果生じる介在物の組成を制御しようとするものである。しかしながら、実際には脱酸反応だけで全ての介在物を高延性な組成のものに制御することは極めて困難であり、脱酸反応が十分に行われずに残留するAl2O3 やSiO2等の結晶系非延性介在物が存在する。従って、実質上は介在物の低融点化及び延性化は図れておらず、上記非延性介在物を起点としてばねの疲労破壊及びスチールコードの断線が発生していた。
【0005】
また、特開2000−212636公報には、上記不活性ガスを吹き込み撹拌することにより取鍋精錬を行う高炭素鋼の製造方法において、 CaF2やNaFなどのふっ化物を添加等によりスラグと溶鋼の接触角を低下させてスラグの溶鋼中への巻き込みを促進しスラグによるより完全な介在物組成制御を成し遂げる技術が開示されている。しかしこれらのふっ化物は耐火物との反応性が高く精錬容器寿命を低下させ、さらに高価であるという欠点があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に着目してなされたものであって、優れた耐疲労性及び耐断線性を有する高炭素鋼の製造方法を提供しようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明とは、
(1)Cを0.60〜1.0質量%含有する高炭素鋼を製造するに当たり、取鍋精錬でのスラグの最終組成が、(%CaO)/(%SiO2):0.7〜1.4、Al2O3:2〜10質量%かつ、%CaO+%SiO2 +%Al 2 O 3 ≧93.4質量%であり、さらにスラグの原料として用いる生CaOの質量がスラグ全体の20%以下であることを特徴とする高炭素鋼線材の製造方法である。
【0008】
尚、ばねやスチールコードとして用いられる高炭素鋼には、炭素以外にも、Si:0.20〜1.40%、Mn:0.50〜0.80%を有する溶鋼が用いられ、Pを0.02%以下、Sを0.02%以下にする処理が施されている。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明方法は、高炭素鋼の取鍋精錬において、スラグの流動性が確保できるようにスラグの原料を選択し、Ar等の不活性ガスを吹き込んで取鍋内の溶鋼を撹拌する際に、処理の初期からスラグを有効に溶鋼中に巻き込ませ、介在物とスラグを直接接触させることで上記介在物の低融点化及び高延性化を図るものである。
【0010】
具体的には、スラグの原料として配合される純粋な生石灰のスラグ全体に占める質量割合を20%以下とし、さらに好ましくは、1100℃以下の融点を有する滓化促進剤をスラグ全体に占める質量割合が10%以上になるように配合することで、処理の初期の段階からスラグの流動性が確保でき、スラグを溶鋼中に巻き込ませ、巻き込んだスラグと介在物を直接接触させて、介在物組成を積極的に制御することにより、優れた耐疲労性及び耐断線性を有する高炭素鋼を得ることができる。以下発明の内容を詳細に述べる。
【0011】
特開2000−212636公報に記載されているとおり、高炭素鋼線材において優れた耐疲労性及び耐断線性を確保するためには、非延性で硬質なAl2O3やSiO2 の介在物を、CaO,MgO,MnO等が含まれる高延性で軟質な介在物組成に制御することが重要であり、そのために、取鍋精錬において底吹きArバブリング等で溶鋼を攪拌し、スラグを巻き込ませて介在物と直接接触させて、介在物組成を積極的に制御することが有効である。そのための手段としてCaF2やNaFのスラグと溶鋼の界面張力を顕著に低下させる方法が開示されているが、この方法では、耐火物の溶損が大きな問題として残存する。また、この技術は、スラグが十分溶融し、全体として液相を呈する状態に至った後に利用できる技術であり、後述するように処理時間が制限される取鍋精錬処理においては、スラグと溶鋼の表面張力を制御するよりも、スラグが巻き込まれるように液相化を早期に促進することが重要な場合が多い。
【0012】
高炭素鋼線材を安価に大量生産することを前提とした場合、高い生産性を確保する意味から、連続鋳造プロセスにおいて多連鋳化が必須となり、当然、1ヒート当たりの取鍋精錬の処理時間も制限される。本発明者らは、上記のスラグの早期液状化の重要性に着眼し、実機試験等を通して、制限された取鍋精錬の処理時間の中で目的の介在物制御を可能とするためにスラグが具備すべき条件を、スラグの原料の配合に注目して調査した。
【0013】
スラグの液状化の難易度を調査するために、以下のような実験を行った。つまり、まず、所定の粉末状原料を所定の配合比で混合し、ラバープレスを用いて、15mm×15mm×15mmの成型体を作成する。次ぎに、作成した成型体をAl2O3製の基盤上に載せ、シリコニット炉の中で一定の昇温速度で昇温させる。炉体に取り付けた観察窓から常時観察を行い、溶融が始まって立方体の形が完全に崩れて流れ出す温度を溶流温度として記録した。ここで、昇温速度は5℃/分であった。本発明者らは、実機設備を用いた試験を行い、このようにして測定したスラグの溶流温度と同一組成、同一配合原料を用いて取鍋精錬した高炭素鋼線材の介在物組成の間には密接な関係があることを見いだした。つまり、溶流温度が1280℃より低い場合には、実施例にて詳述する実機設備を用いた試験にて製造された介在物の組成制御がほぼ完全に達成され、1280℃より高い場合は、介在物の中に非延性のAl2O3やSiO2が残存するということである。
【0014】
以下スラグの溶流温度の測定実験から得られた結果つまり、優れた耐疲労性及び耐断線性を有する高炭素鋼を得るためのスラグの具備すべき条件について述べるが、スラグの基本組成として、(%CaO)/(%SiO2):0.7〜1.4、(%Al2O3):2〜10質量%を選択しているのは、以下の理由による。(%CaO)/(%SiO2)を0.7以上にしているのは、それより低値であるとスラグの原料配合の方法に拘わらず、SiO2系の硬質介在物ができてしまうためである。また、(%CaO)/(%SiO2)を1.4以下にしているのは、(%CaO)/(%SiO2)が1.4より高値であると原料配合の方法の如何にかかわらず、介在物の延性が小さく、耐疲労性及び耐断線性が劣化してしまうためである。また、(%Al2O3)を規定しているのは、(%Al2O3)が2%より低値であると介在物の延性が小さく、耐疲労性及び耐断線性が劣化してしまうためであり、(%Al2O3)が10%より高値であると硬質のAl2O3が出現するためである。
【0015】
図1に(%CaO)/(%SiO2):0.7〜1.4、(%Al2O3):2〜10質量%を基本組成とし、CaOの原料としてスラグ全体の量の0〜50%を純粋な生CaOとして混合したスラグにおける溶流温度の測定値を示す。なお、残部のスラグ成分は予め純粋な酸化物を混合したものを1200℃で2時間焼成し、反応させたものを配合原料として使用している。図からも明らかなように、溶流温度は生CaOの割合に大きく影響され、生CaOの量が30%以下になると、溶流温度は、全体のスラグ組成の如何に拘わらず、前述の臨界の溶流温度である1280℃以下となり、介在物の好適な組成制御が可能となる溶融挙動を示した。
【0016】
さらに図2は、前述と同様のスラグの溶流温度測定実験において、生CaOと焼成スラグの混合物に質量割合で全スラグの15%に相当する50%(Na2O)−50%(SiO2)を滓化促進剤として純物質の形で混合した場合の溶流温度測定結果を示している。ここで(%CaO)/(%SiO2)は1.0、(%Al2O3)を5%としている。図1と比べて介在物の組成制御に好適な生CaOの配合割合の上限値が45%まで緩和されていることが判る。これは、1080℃付近に融点を持つ50%(Na2O)−50%(SiO2)が他のスラグ成分と反応する前に比較的低い温度で単独で溶解し、未溶解のスラグ粒の間に浸透し、スラグの溶融反応速度を高めたためと理解できる。図3に同じく50%(Na2O)−50%(SiO2)を滓化促進剤として用いその配合割合を変えた場合の溶流温度測定結果を示している。その他のスラグ組成は図2と同じである。スラグの溶流温度が1280℃以下となる最大の生CaOの割合(以下臨界生CaO値と呼ぶ)は滓化促進剤の配合割合が8%を越えると顕著に増加し、10%以上で臨界生CaO値は40%以上となることが判った。表1には種々の滓化促進剤を用いた場合に初期滓化促進剤の配合割合をそれぞれ10%、20%とした場合に、得られた臨界生CaO値の測定結果を示している。臨界生CaO値は用いた初期滓化促進剤の融点が1100℃を越えると、その滓化促進挙動が顕著に失われることが判った。
【0017】
【表1】
【0018】
以上のスラグ溶流温度測定実験から、(1)Cを0.60〜1.0質量%含有する高炭素鋼を製造するに当たり、取鍋精錬でのスラグの最終組成が、(%CaO)/(%SiO2):0.7〜1.4、Al2O3:2〜10質量%であり、さらにスラグの原料として用いる生CaOの質量がスラグ全体の20%以下であることを特徴とする高炭素鋼線材の製造方法。であり、(2) Cを0.60〜1.0質量%含有する高炭素鋼を製造するに当たり、取鍋精錬でのスラグの最終組成が、(%CaO)/(%SiO2):0.7〜1.4、Al2O3:2〜10質量%であり、さらにスラグの原料として用いる生CaOの質量がスラグ全体の40%以下であり、さらに、融点が1100℃以下であるスラグ滓化促進剤をスラグ全体の10%以上添加することを特徴とする高炭素鋼線材の製造方法でを用いれば、処理の初期の段階からスラグの流動性が確保でき、スラグを溶鋼中に巻き込ませ、巻き込んだスラグと介在物を直接接触させて、介在物組成を積極的に制御することにより、優れた耐疲労性及び耐断線性を有する高炭素鋼を得ることができる、という結論に至った。また、融点が1100℃以下の初期滓化促進剤として実用プロセスで用いられる物質としては、空気中で安定であり、耐火物溶損反応が顕著でないものを選択する必要がある。この条件に適合した物質としてNa2O−SiO22元系を主体とした低融点物質がある。
【0019】
さらに一般的にこれらの物質は安価に入手でき、鋼製造コストを抑制する点からも好適である。初期滓化促進剤の組成としてNa2Oを20〜55質量%、SiO2を45〜80質量%と規定しているのは、融点が1100℃以下であるための条件の内、Na2O濃度が60%以上であり、空気との反応性が高くなって取り扱いが困難になる組成領域を避けたものである。
【0020】
以下、本発明を実製造プロセスに適用し、優れた耐疲労特性および伸線時の耐断線性を有する高炭素鋼線材を得た例を説明する。
【0021】
【実施例】
<実施例1>
本実施例の溶製はLD転炉により行った。出鋼時にC,Mn,Siの成分調整のための加炭材、Fe−Mn,Fe−Si,Si−Mn等の脱酸合金を添加した。また出鋼後に取鍋底よりアルゴン吹込みを行った。受鋼後の取鍋内溶鋼はSi,Mn等により脱酸されたいわゆるキルド鋼である。この取鍋を溶鋼精錬を行う位置に設置後、スラグを上方より添加した。スラグは、平均粒径100μmの生CaO粉と焼成した残り酸化物成分の塊状の原料(平均粒径1mmφ)および初期滓化促進剤を加える場合は1mmφの粒径のものを加え、予めミキサーにて物理的に混合をしておいたものを用いた。取鍋の溶鋼質量は250トンであり、取鍋の底からArを200リットル/分で5分間吹き込み、溶鋼およびスラグを攪拌した。
【0022】
更に成分微調整を行った後、溶鋼は取鍋よりタンディッシュを経由して連続鋳造され、加熱炉経由で分塊、鋼片圧延、鋼片精整を施された後、加熱炉などを経由して線材圧延により 5.5mmφ線材に製造された。
【0023】
表2に生CaO質量%を変化した場合に得られた溶流温度と線材での介在物指数の測定結果を示す。ここで介在物指数は、要求される耐疲労特性と耐断線特性の限界の材質を示したNo3の例の線材での硬質のAl2O3とSiO2系介在物の個数を1とした場合の相対値としての該硬質介在物個数である。介在物指数が1以下の場合は要求される材質特性が満たされていることを示し、逆に1より大きい場合は、要求される材質特性が満たされなかったことを示す。No1およびNo2は、生CaOの添加質量割合が多く、スラグ溶流温度が1280℃を越え、介在物指数が1を越えて材質特性が満足されなかった比較例である。No3〜No7が本発明の実施例であり、スラグ溶流温度が1280℃以下であり、介在物指数が1以下となって材質特性を満足し、本発明の効果が確認できた。
【0024】
【表2】
【0025】
<実施例2>
表3に各種スラグ初期滓化促進剤を添加した場合の溶流温度と線材での介在物指数の測定結果を示す。試験の方法は実施例1と全く同一であるが、初期滓化促進剤は、平均粒径1.5mmφのものを生石灰および焼成スラグと混合して使用した。表において、No9、12および13が本発明の方法の実施例であり、スラグ初期滓化促進剤を10%以上添加することによって、添加する生CaOの量が20%を越えても、スラグの溶流温度が1280℃以下となり、線材での硬質の介在物指数が1.0以下となり、本発明の効果が確認できた。また、No8、10および11は本発明の方法の比較例を示す。No8はスラグ初期滓化促進剤の添加量が10%より小さい例であり、No10は初期滓化促進剤を10%以上添加したが、生CaOの添加量が40%を越えた例であり、No11は初期滓化促進剤の融点が1100℃を越えた例を示すが、いずれも、スラグの溶流温度が1280℃を越え、介在物指数が1.0を越えており、要求される材質特性を満たさない。
【0026】
【表3】
【0027】
【発明の効果】
Cを0.70〜0.95質量%含有する溶鋼を取鍋精錬する際に、(%CaO)/(%SiO2):0.7〜1.4、Al2O3:2〜10質量%であるスラグを用い、さらにスラグの原料として用いる生CaOの質量がスラグ全体の20%以下とすること、または、用いる生CaOの質量がスラグ全体の40%以下とし、且つ融点が1100℃以下であるスラグ初期滓化促進剤をスラグ全体の10%以上添加することにより、取鍋精錬でのスラグ巻き込みを促進し、介在物組成制御をほぼ完全に行うことができ、もって、耐疲労特性および耐断線特性の優れた高炭素鋼線材を製造することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】生CaOの配合割合とスラグの溶流温度の関係を示す図である。
【図2】滓化促進剤として50%Na2O−50%SiO2を15%の配合割合で添加したスラグの生CaOの配合割合とスラグの溶流温度の関係を示す図である。
【図3】50%(Na2O)−50%(SiO2)を滓化促進剤として用いその配合割合を変えた場合の溶流温度測定結果である。
Claims (1)
- Cを0.60〜1.0質量%含有する高炭素鋼を製造するに当たり、取鍋精錬でのスラグの最終組成が、(%CaO)/(%SiO2):0.7〜1.4、Al2O3:2〜10質量%かつ、%CaO+%SiO2 +%Al 2 O 3 ≧93.4質量%であり、さらにスラグの原料として用いる生CaOの質量がスラグ全体の20%以下であることを特徴とする高炭素鋼線材の製造方法。
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