JPH11264053A

JPH11264053A - 酸・硫化物分散強化鋼

Info

Publication number: JPH11264053A
Application number: JP6722198A
Authority: JP
Inventors: Yukio Shinpo; 幸雄真保
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 1999-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】工業的に安定に製造できる酸・硫化物分散強化
鋼を提供する。【解決手段】粒子径が０．００１〜０．０６μｍの酸・
硫化物粒子を体積％で０．０５〜２％を含有する鋼であ
って、前記酸・硫化物粒子が酸化物粒子を核として硫化
銅が酸化物粒子上に析出した複合粒子であり、この複合
粒子が鋼中に分散されたことを特徴とする、酸・硫化物
分散強化鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸・硫化物の粒子
により分散強化した鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、鋼の強化には析出強化が利用され
ている。これはＮｂ、Ｖ、Ｔｉなどの炭・窒化物を生成
しやすい元素を鋼中に添加し、微細な炭・窒化物を適当
な熱処理により析出させ、この析出粒子により強化する
ものである。しかしながら、炭・窒化物は特定の温度域
で析出するため温度、冷却速度などを厳密に管理する必
要があり、さらには炭・窒化物は高温では安定ではなく
鋼中に固溶するため、高温ではその強化が利用できな
い。したがって高温での強度を要求される場合には高温
でも安定な粒子による強化が必要である。高温でも安定
な酸化物粒子を鋼中に微細分散させたものとして特開昭
６３−５０４４８号公報や特開昭５７―３６３４３号公
報にしめされているインコ・アロイズ社のＭＡ９５７が
ある。これはＣｒ−Ｔｉ−Ｍｏ鋼中にＹ₂ Ｏ₃ などの酸
化物を機械的合金法により微細に分散させることを特徴
とするものである。ここでの機械的合金法とは金属粉末
と酸化物粉末とを高エネルギーミル（アトライター）中
で混合し、高い機械的エネルギーを利用して機械的圧
縮、破壊、接合を繰り返して酸化物を微細に金属マトリ
ックス中に分散するものであり、熱力学的に不可能な状
態をも達成するものである。このようにして酸化物が分
散した金属粉末を成形、焼結して製品を得る。しかし、
この方法では基本的に粉末焼結法であり大型の製品を製
造するには不向きである。また、このような粉末焼結法
では量産に向かない点を改良して、酸化物分散鋼の大型
の製品を連続的に大量に生産する方法として特開平０５
−０５１７０１号公報に酸化物分散強化フェライト系耐
熱鋼板が開示されている。これは、融点１５００℃以上
の酸化物と金属粉とを混合し、機械的合金法により酸化
物粒子が微細分散した予備処理粉末を得、これを溶鋼に
添加して、酸化物が分散した耐熱鋼板を得るものであ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
特開平０５−０５１７０１号公報においても、大量の酸
化物分散鋼材を安定的に安価に製造しようとすると以下
のような問題がある。まず、酸化物と金属粉とを機械的
合金法により混合して微細酸化物が金属中に微細分散し
た予備処理粉末を得ているが、機械的混合法は高エネル
ギーミルでの長時間の混合が必要であり、大量の酸化物
分散鋼を製造するための予備処理粉末の製造が困難ある
いは極めてコスト高である。また、酸化物として融点１
５００℃以上の酸化物を用いており、例としてＹ₂Ｏ
₃ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｃｅ₂ Ｏ₃ などを上げている。しか
し、これらの酸化物はいずれも表面エネルギーが大きく
凝集しやすい。予備処理粉末の段階では機械的合金法に
より極めて微細に分散した酸化物も溶鋼中に添加されれ
ば熱力学的に安定な状態に、すなわち表面エネルギーを
最小化するように凝集、粗大化していく。粗大な粒子に
なれば溶鋼との比重差により浮上してしまい鋼中には残
らない。したがって、酸化物粒子が凝集粗大化する前に
鋳造を完了する必要があるが、工業的な製鋼・鋳造プロ
セスにおいては鋳造が完了するまで数分から十数分を要
し、鋳造中に溶鋼中の微細酸化物が凝集粗大化し浮上分
離してしまう。本発明の目的は、このような観点から、
工業的に安定に製造できる酸・硫化物分散強化鋼を提供
することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決し目的を
達成するために、本発明は以下に示す手段を用いてい
る。（１）本発明の鋼は、粒子径が０．００１〜０．０６μ
ｍの酸・硫化物粒子を体積％で０．０５〜２％を含有す
る鋼であって、前記酸・硫化物粒子が酸化物粒子を核と
して硫化銅が酸化物粒子上に析出した複合粒子であり、
この複合粒子が鋼中に分散されたことを特徴とする、酸
・硫化物分散強化鋼である。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明者は、上記の課題を解決す
べく鋭意研究を重ねた結果、溶鋼中に添加される酸化物
粒子の凝集、粗大化を防止するためには、溶鋼との界面
エネルギーを下げる物質，即ち硫化銅を酸化物粒子の表
面に生成させることが有効であるという知見を得た。こ
の知見に基づき、本発明者は、鋼中に含有させる酸・硫
化物粒子の粒径と含有量を規定し、酸化物粒子の表面に
硫化銅を析出させた複合粒子を鋼中に分散させるように
して、溶鋼中に添加する酸化物粒子の凝集・粗大化を防
止し、工業的に安定に製造できる酸・硫化物分散強化鋼
を見出し、本発明を完成させた。

【０００６】以下に本発明の実施の形態について説明す
る。本発明の酸・硫化物分散強化鋼は、粒子径が０．０
０１〜０．０６μｍの酸・硫化物粒子を体積％で０．０
５〜２％を含有する鋼であって、前記酸・硫化物粒子が
酸化物粒子を核として硫化銅が酸化物粒子上に析出した
複合粒子であり、この複合粒子が鋼中に分散されたこと
を特徴とする。

【０００７】本発明においては微細な酸化物粒子の表面
に硫化銅を析出させて界面エネルギーを下げ凝集、粗大
化することを防止した点が最大の特徴である。酸化物は
一般に溶鋼との界面エネルギーが大きいため、界面エネ
ルギーを下げるために凝集して表面積を最小にしようと
する。

【０００８】したがって凝集するのを防ぐには界面エネ
ルギーを下げる物質を表面に生成させれば良いことにな
る。前述したように、本発明者は、この界面エネルギー
を低下させる物質を鋭意探求してきたが硫化銅がこの効
果を持つことがわかった。鋼中に微細な酸化物を分散さ
せると、硫黄は界面活性な元素であるため、酸化物の表
面に吸着する。表面に吸着した硫黄は鋼中の銅と反応し
て硫化銅を生成する。硫化銅の溶鋼との界面エネルギー
は小さく、硫化銅に表面を被覆された酸化物粒子は擬集
しない。このような硫化銅を生成させるため、添加した
酸化物量に応じて必要なだけ硫黄および銅を鋼中に添加
しておくか、添加酸化物に硫黄、銅を添加しておく。こ
の際、鋼中に添加する場合の好適なＣｕ，Ｓ量は、それ
ぞれ重量％で、０．０３〜０．２５％、０．００７〜
０．１５％である。また、添加酸化物中に添加する場合
も鋼に対して好適な前記重量％になるようにする。

【０００９】また、微細な酸化物を溶鋼中に分散させる
には複合酸化物を溶鋼中で分解する方法を用いる。たと
えば、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 超伝導酸化物を溶鋼中に添加
すると、この酸化物は反応性が高いため溶鋼中に微細に
分散し、さらに超伝導酸化物中の銅が鉄によって還元さ
れて分解し、極く微細な数ｎｍ程度の大きさのＹ₂ Ｏ
₃ ，あるいはＹＢａ複合酸化物を生成する。このように
して生成した微細酸化物の表面には既に述べたように直
ちに硫黄が吸着し、硫黄と銅とが反応し硫化銅が生成す
る。酸化物としては硫化銅の生成サイトとして働き、溶
鋼中で安定に存在できるものであればよく、必ずしも前
記の酸化物にかぎるものではなく、他にＡｌ₂ Ｏ₃、Ｃ
ｒ₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂ 、ＭｎＯ、ＴｉＯ₂ 、これらの複合
酸化物、および、これらと鉄の複合酸化物であってもよ
い。

【００１０】酸・硫化物粒子のサイズを０．００１〜
０．０６μｍとしたのは、０．０６μｍを超えると靭性
が低下する傾向が見られたこと、分散強化させるために
は体積率を高くとらなければならなくなるからであり、
また０．００１μｍ以上としたのは、それ未満の大きさ
では分散強化が得られないからである。

【００１１】また、酸・硫化物の体積率を０．０５〜２
％としたのは０．０５％未満であると分散強化が働か
ず、２％を超えると靭性および伸びの低下がみられたか
らである。以下に本発明の実施例を挙げ、本発明の効果
を立証する。

【００１２】

【実施例】溶鋼に添加する複合酸化物は固相反応法によ
り作製した。すなわち金属元素が所定のモル比になるよ
うに原料となる酸化物を混合し、大気中で７００℃で仮
焼結、粉砕、さらに大気中で９００℃で焼結して複合酸
化物を生成させたものを粉砕した粉末を用いた。

【００１３】容量５０ｋｇの高周波溶解炉で成分を調整
した溶鋼を用意し、作製した複合酸化物を溶鋼中に添加
し、１０分後鋳型に鋳込んだ。この鋼塊を１１００℃で
熱間圧延し１０ｍｍ厚みの鋼板とした。表１に鋼成分と
添加酸化物の組成、酸化物添加量を示す（Ｎｏ．１〜
４，６〜８，１０，１１：本発明例、Ｎｏ．９：比較
例）。また比較例として酸化物を添加しなかったもの
（Ｎｏ．５，１２）も作製した。表１中Ｎｏ．１〜５は
基本的に同じ組成の鋼である。Ｎｏ．１〜４はこの鋼に
種々の酸化物を添加した本発明例であり、Ｎｏ．５は酸
化物を添加しなかった比較例である。また、Ｎｏ．６〜
１２は同じ組成の鋼である。Ｎｏ．６〜９は同種の酸化
物の添加量を変えたものであり、Ｎｏ．９は酸化物を本
発明例の範囲を超えて過剰に添加した比較例である。ま
たＮｏ．１２は酸化物を添加しなかった比較例である。

【００１４】このようにして作製した鋼板から引張試験
片、シャルピー試験片を採取した。また鋼板の抽出レプ
リカから鋼中に分散した酸・硫化物粒子を採取し、透過
電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察し、粒子のサイズ、個
数を測定し、酸・硫化物粒子の体積率を求めた。体積率
は任意に選んだ２０視野の０．５μｍ四方の面積中にあ
る粒子の径をすべての粒子について測定し、粒子が球形
であると仮定して粒子の体積の合計を求め、これらの粒
子が０．５μｍ×０．５μｍ×平均粒子径×２０の体積
に含まれていると仮定して体積率を計算した。また、Ｔ
ＥＭのＥＤＸ分析により酸・硫化物粒子の成分元素を測
定した。表２に酸・硫化物粒子のサイズ、体積率、成分
元素、鋼の室温での引張特性、８００℃での引張特性、
−２０℃におけるシャルピー吸収エネルギーを示す。

【００１５】表２からわかるようにすべての酸・硫化物
粒子からは銅と硫黄と酸素が検出された。また、酸・硫
化物粒子のＴＥＭ写真には小さい核の存在が認められ
た。表２中のＮｏ．１〜５を比較すると本発明例Ｎｏ．
１〜４はいずれも酸化物の添加の無い比較例Ｎｏ．５と
比較して室温および８００℃での強度が優れる。また低
温靭性は酸化物の添加の無い比較例Ｎｏ．５と同等であ
る。

【００１６】一方、Ｎｏ．６〜９を比較すると、本発明
例Ｎｏ．６〜８では酸化物の添加量が増すにしたがい室
温、８００℃とも強度が増す、しかし本発明の範囲を超
えて過剰に酸化物を添加した比較例Ｎｏ．９では強度の
増加はあまりなく、伸び、低温靭性の低下が著しかっ
た。

【００１７】さらに、Ｎｏ．６〜１２を比較すると本発
明例Ｎｏ．６〜８，１０，１１はいずれも酸化物の添加
の無い比較例Ｎｏ．１２と比較して室温および８００℃
での強度が優れる。また低温靭性は酸化物の添加の無い
比較例Ｎｏ．１２と同等である。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、硫
化銅を酸化物粒子の表面に生成させた複合粒子を鋼中に
分散させることにより、工業的に安定に製造できる酸・
硫化物分散強化鋼を提供することができる。

【００２１】本発明の酸化物分散強化鋼は高温での強度
に優れる上、室温での強度も優れる。また、本発明の鋼
は酸・硫化物粒子による分散強化により強化されるが、
酸・硫化物粒子の分散状態は溶融凝固時に決定され、そ
の後の熱履歴に依存しない。

【００２２】一方、現在広く製造されている析出強化鋼
は熱処理条件に敏感であり、製造には厳密な温度管理を
要求される。したがって、析出強化鋼と比較して、本発
明にかかる酸・硫化物分散強化鋼は極めて製造が容易
で、工業上極めて大きな効果をもつものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粒子径が０．００１〜０．０６μｍの酸
・硫化物粒子を体積％で０．０５〜２％を含有する鋼で
あって、前記酸・硫化物粒子が酸化物粒子を核として硫化銅が酸
化物粒子上に析出した複合粒子であり、この複合粒子が
鋼中に分散されたことを特徴とする、酸・硫化物分散強
化鋼。