WO2016010073A1 - マルエージング鋼の製造方法およびマルエージング鋼の消耗電極の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このマルエージング鋼は、通常、強化元素として、Mo、Tiを適量含んでおり、時効処理を行うことによって、Ni3Mo、Ni3Ti、Fe2Mo等の金属間化合物を析出させて高強度を得ることのできる鋼である。このMoやTiを含んだマルエージング鋼の代表的な組成としては、質量%でFe-18%Ni-8%Co-5%Mo-0.45%Ti-0.1%Alが挙げられる。
そのため、TiNやTiCNに対してはこれらを微細化して、疲労強度を高める提案がなされており、本出願人も例えば、特開2004-256909号公報(特許文献1)や国際公開2005/035798号(特許文献2)として、Mgを添加した消耗電極を真空アーク再溶解(以下、VAR)にて再溶解を行ってTiNやTiCN等の窒化物系介在物を微細化する方法を提案している。
この特許文献1や特許文献2で示すマルエージング鋼の製造方法は、MgOを核とするTiNやTiCNを有する消耗電極の製造と、その後のVARとの組合わせにより窒化物系介在物の微細化を行うものであり、敢えて有害な酸化物系介在物を一旦形成させて、その酸化物系介在物を利用して窒化物系介在物の微細化をはかるという技術思想に基づくものであり、新規で独創的な方法である。この方法で得られたマルエージング鋼の窒化物系介在物のサイズは飛躍的に微細化することができた。
一方で、鋼塊重量が1トン以下の場合、再溶解工程以降における酸化物の影響を無視しえない場合がある。酸化物はVAR工程における溶鋼プール中で浮上分離して除去されるが、鋼塊サイズが小さいと溶鋼プールの凝固速度が大きいため、酸化物の浮上分離効果が弱くなる。また、VARによって得られた鋼塊は熱間加工・冷間加工によって酸化物の破砕が発生するが、加工代が小さくなる分、この効果も弱くなる。
本発明の目的は、TiNやTiCN等の窒化物系介在物の大きさをより確実に微細化するために、一次溶解で確実にMgOの核を形成させ、かつ酸化物影響を抑制することが可能なマルエージング鋼の製造方法を提供するものである。
本発明の一観点によれば、一次真空溶解において、溶鋼にMgを添加して、溶鋼中にMgOを形成させるMg酸化物形成工程と、該Mg酸化物形成工程の後に、溶鋼を凝固させてMgOが残留する消耗電極を得る消耗電極製造工程と、この消耗電極を用いて真空アーク再溶解を行う真空アーク再溶解工程とを含むマルエージング鋼の製造方法において、Mg酸化物形成工程において、標準生成自由エネルギーがマグネシアよりも高い酸化物を添加することとするマルエージング鋼の製造方法が提供される。
本発明の一具体例によれば、真空アーク再溶解工程で得られる鋼塊の直径がφ450mm以上である。
本発明の一具体例によれば、真空アーク再溶解工程後のマルエージング鋼の組成が、質量%で、C:0.1%以下、Al:0.01~1.7%、Ti:0.2~3.0%、Ni:8~22%、Co:5~20%、Mo:2~9%、Mg:0.0030%以下を含有し、残部はFe及び不純物である。
本発明の一具体例によれば、酸化物の添加量は、溶鋼重量の0.01%~1.0%である。
本発明の一具体例によれば、酸化物をMg添加後10分以内に添加する。
上述したように、この一次真空溶解時の問題として、MgOの核を保有しない窒化物系介在物の存在がある。Mgを添加する本発明のMg酸化物形成工程では、酸素あるいは酸化物の量が少なければ窒化物系介在物は核を保有しない確率が高まると考えられる。
窒化物系介在物は核を保有しないと粗大し易くなり、一次真空溶解後に粗大となった窒化物系介在物は、再溶解時に更に成長してしまうことになる。なお、核を保有しない窒化物系介在物が最も溶融しにくい理由は、核を保有した窒化物系介在物は核の分解反応と関係して溶融し易くなると推定されるためである。この理由は明確でないが、1つの推論は、後に行うVAR中にMgOは溶鋼表面からのMg蒸発に影響されて、MgO→Mg+Oの分解反応が起きうるとするものである。もう1つの推論は、TiNがMgO核を保有することにより格子不整合が生じ、TiNそのものの融点が変化しているとするものである。いずれにしても、この核介在物の分解反応が真空アーク再溶解における窒化物系介在物の溶融を促進させると考えた場合、核を保有しない窒化物系介在物は溶融に対して最も不利となる。これが核を保有しない窒化物系介在物が、真空溶解・真空アーク再溶解のプロセスにおいて最も成長し易い理由であると言える。
具体的には、一次真空溶解時のMg酸化物形成工程において、標準生成自由エネルギーがマグネシア(MgO)よりも高い酸化物を添加する。本発明のマルエージング鋼はMgを添加することによってMgOを形成するが、酸素は別の酸化物からも供給する。この酸化物の標準生成自由エネルギーがマグネシア(MgO)より高いと、Mgによる酸化物の還元反応が発生し、マグネシア(MgO)が形成される。好ましい酸化物としては酸化鉄(FeO、Fe2O3、Fe3O4)、酸化ニッケル(NiO)、酸化マンガン(MnO、Mn2O3、Mn3O4、Mn2O3、MnO2、MnO3)、酸化シリコン(SiO2)、酸化クロム(Cr2O3)、酸化モリブデン(MoO、MoO2、Mo2O3、Mo3O4)、酸化コバルト(CoO、Co3O4)などが挙げられる。アルミナ(Al2O3)もマグネシア(MgO)より標準生成自由エネルギーが高いが、アルミナは酸化物として安定であり、Mgによる還元に時間を要するため、アルミナの使用は避けた方が好ましい。また、これらの酸化物は還元されてメタルとなっても不純物とはならないもの(Fe、Ni、Co、Mo)がより好ましい。また、MgOそのものを添加することにより、TiNやTiCN窒化物の核とすることも当然のごとく考えられるが、TiNやTiCN窒化物の核となりうるMgOのサイズは1μm以下と極めて小さいため、このような微粉のみでMgOを準備する、あるいは溶鋼に対して添加することが困難である。
また、前記の酸化物の添加量は、溶鋼重量の0.01%~1.0%が良い。酸化物を溶鋼に対して添加しても、その一部は溶鋼表面でスラグとなり、添加酸化物中の酸素は溶鋼内部におけるMgO酸化物の形成に使用されないため、MgO酸化物を形成する以上の酸素の供給、すなわち酸化物の添加が必要である。従って、酸化物の添加量の下限は0.01%とすることが好ましい。一方で、過度の酸化物の添加は酸化物量の過剰な上昇を招き、かつ多量のスラグを発生させて操業に問題を発生させることから、酸化物の添加量の上限は1.0%とすることが良い。具体的には、酸化物の添加量は溶鋼重量の0.05%~0.30%がより好ましい。
上記の条件で一次真空溶解を行って得られた電極の酸素量を3~15ppmとなるのが好ましい。電極の酸素量が3ppm未満であると、酸化物の生成が不十分であるおそれがあり、15ppmを超えると酸化物系介在物が大きく成長するおそれがある。
前述の本発明の消耗電極に対してVARを適用すると、高温領で揮発性元素であるMgの蒸発が起こり、MgOをはじめとする酸化物系介在物が分解され、酸素の気相および液相への拡散が起こる。つまり、MgOの分解により、酸化物の低減が促進される。TiNやTiCN等の窒化物系介在物もMgOを核として消耗電極中に存在するため、再溶解中にTi系の窒化物系介在物の熱分解が促進され、結果としてTi系介在物の微細化が達成されることになる。
この場合、本発明の製造方法で製造された消耗電極中には、MgOの核を有する窒化物系介在物の量が多くなっているため、より確実に熱分解が促進されて窒化物系介在物の微細化がはかれることになる。このVAR時の雰囲気は、0.6kPaよりも減圧とすることが好ましい。より好ましくは0.06kPa以下とするのが良い。0.6kPaを超えるような圧力では、MgOの分解反応の進行が遅くなるためである。
また、前記のVARで製造する鋼塊径はφ450mm以上であることが好ましい。これは、2トン以上の大型鋼塊とするのに好適なサイズであり、2トン以上の鋼塊においては酸化物の浮上分離効果が大きくなるためである。
なお、消耗電極でのMg濃度の上限は、再溶解後の鋼塊または製品の靭性を考慮すると300ppm以下であり、5~250ppmであれば上記の効果がより確実に得られるので上限は250ppmとするのが好ましい。
但し、揮発性の強いMgの添加は歩留が低く経済的でなく、またMgは真空再溶解で激しく蒸発し、操業を害するだけでなく鋼塊肌を悪くする場合があることからMg濃度の好ましい上限は200ppmとすると良い。より好ましい範囲は10~150ppmの範囲である。なお、Mgは真空アーク再溶解工程中にMgOは酸素とMgガスとに解離して、Mgの含有量が低下し、真空アーク再溶解工程後には30ppm以下となる。
また、MgO形成に必要なMg添加は、Ni-Mg、Fe-MgをはじめとするMg合金や金属Mgを溶鋼へ直接添加する方法があるが、中でも取り扱いが容易で成分調整しやすいNi-Mg合金を用いるのが好ましい。
Tiは、時効処理により微細な金属間化合物を形成し、析出することによって強化に寄与する必要不可欠な元素であり、望ましくは0.2%以上を含有させるとよい。しかし、その含有量が3.0%を超えて含有させると延性、靱性が劣化するため、Tiの含有量を3.0%以下にするとよい。
Niは、靱性の高い母相組織を形成させるためには不可欠な元素である。しかし、8%未満では靱性が劣化する。一方、22%を超えるとオーステナイトが安定し、マルテンサイト組織を形成し難くなることから、Niは8~22%とするとよい。
Coは、マトリックスであるマルテンサイト組織の安定性に大きく影響することなく、Moの固溶度を低下させることによってMoが微細な金属間化合物を形成して析出するのを促進することによって析出強化に寄与する元素である。しかし、その含有量が5%未満では必ずしも十分効果が得られず、また20%を越えると脆化する傾向がみられることから、Coの含有量は5~20%にするとよい。
Alは、時効析出した強化に寄与するだけでなく、脱酸作用を持っているため、0.01%以上を含有する。しかし、Alを1.7%を越えて含有させると靱性が劣化することから、その含有量を1.7%以下とするとよい。
C(炭素)は、炭化物や炭窒化物を形成し、金属間化合物の析出量を減少させて疲労強度を低下させるためCの上限を0.1%以下にするとよい。
上記の元素以外は実質的にFeでよいが、例えばBは、結晶粒を微細化するのに有効な元素であるため、靱性が劣化させない程度の0.01%以下の範囲で含有させてもよい。
また、不可避的に含有する不純物元素は含有されるものである。
O(酸素)は、酸化物を形成し、製品の疲労強度を低下させる元素である一方で、上述のように、電極時点における窒化物・炭窒化物の核となるMgOの不足分を補う元素である。MgOを形成させるMg酸化物形成工程中には、十分な酸素が必要となるため、電極中の酸素量はやや高めの3~15ppm程度となる。また、VAR後に過度に酸素が残留するようでは、疲労強度を低下させる酸化物の形成が心配されることからVAR後の鋼塊の酸素量は5ppm以下とするのが良い。
N(窒素)は、窒化物や炭窒化物を形成し、疲労強度を低下させるため、極力低いことが好ましく、Nの上限は20ppm以下にすると良い。
また、Tiを含むマルエージング鋼の内部には、一般的にTiNが存在する。このTiNは形状が矩形であり、応力集中が生じやすいことや、ダークエリアと呼ばれる水素脆化領域を形成することなどから、酸化物よりも高サイクル疲労破壊に対する感受性が高く、素材中のTiNは概ね10μm以下とする必要があると言われている。そのため、Tiを含むマルエージング鋼は、本発明の製造方法を適用するのに好適な用途の一つである。
前記の消耗電極を用いて、VARを行った。VARの鋳型はそれぞれ同一のものを用い、真空度は1.3Pa、投入電流は鋼塊の定常部で6.5kAで溶解した。VARで得られた鋼塊はφ500mmであり、粗大な酸化物系介在物の除去効率を高めた。化学組成を表2に示す。
本発明の実施例No.1~No.3及び比較例のNo.11、No.12のマルエージング鋼帯の両端部から横断試料を5g採取し、有機溶剤洗浄にて表面の汚れを除去し、塩酸+硝酸+水を1:1:2で混合した溶液にて溶解後、ろ過径3μmのフィルターでろ過を行って、窒化物・炭窒化物の抽出を行った。このフィルターろ過面について、走査型電子顕微鏡(SEM)でランダムに20視野(1視野面積約0.04mm2)の観察を行い、各視野における最大窒化物・炭窒化物のサイズを記録した。これら最大窒化物・炭窒化物の長辺と短辺の長さより面積を求めて円相当径を算出し、これら20点の円相当径に対して極値統計処理を行い、1つのコイルにおける最大窒化物・炭窒化物サイズを決定した。前記の円相当径の算出については、画像処理にて求めても良い。この結果を表3に示す。
また、No.1の電極から採取したTi系の窒化物系介在物の代表的な断面電子顕微鏡写真を図1に示す。図1に示すように、TiN中にMgOの核を有することがわかる。
Claims (7)
- 一次真空溶解において、溶鋼にMgを添加して、溶鋼中にMgOを形成させるMg酸化物形成工程と、
該Mg酸化物形成工程の後に、溶鋼を凝固させてMgOが残留する消耗電極を得る消耗電極製造工程と、
前記消耗電極を用いて真空アーク再溶解を行う真空アーク再溶解工程と、
を含むマルエージング鋼の製造方法において、
前記Mg酸化物形成工程において、標準生成自由エネルギーがMgOよりも高い酸化物を添加するマルエージング鋼の製造方法。 - 前記真空アーク再溶解工程で得られる鋼塊の直径がφ450mm以上である請求項1に記載のマルエージング鋼の製造方法。
- 前記真空アーク再溶解工程後のマルエージング鋼の組成が、質量%で、C:0.1%以下、Al:0.01~1.7%、Ti:0.2~3.0%、Ni:8~22%、Co:5~20%、Mo:2~9%、Mg:0.0030%以下を含有し、残部はFe及び不純物である請求項1または2に記載のマルエージング鋼の製造方法。
- 前記酸化物が、Fe、Ni、Mn、Si、Cr、Mo及び/又はCoの酸化物である請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載されたマルエージング鋼の製造方法。
- 酸化物の添加量は、溶鋼重量の0.01%~1.0%である請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載されたマルエージング鋼の製造方法。
- 前記酸化物をMg添加後10分以内に添加する請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載されたマルエージング鋼の製造方法。
- 真空溶解によるマルエージング鋼の消耗電極の製造方法において、
溶鋼にMgを添加して、溶鋼中にMgOを形成させるMg酸化物形成工程と、
該Mg酸化物形成工程の後に、溶鋼を凝固させてMgOが残留する消耗電極を得る消耗電極製造工程とを含み、
前記Mg酸化物形成工程中に、標準生成自由エネルギーがMgOよりも高い酸化物を添加するマルエージング鋼の消耗電極の製造方法。
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