(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学成分として、
Ｃ：１．２０％以下、
Ｓｉ：３．００％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０５％以下、
Ｃｒ：３．５０％以下、
を含み、
さらに、質量％で、
Ａｌ：０．００５〜０．２０％、
Ｃａ：０％超、０．０００５％以下、
ＲＥＭ：０．００００５〜０．０００４％、
Ｔ．Ｏ：０％超、０．００３％以下を含み、
残部がＦｅ及び不純物であり、
ＲＥＭ含有量、Ｃａ含有量、Ｔ．Ｏ含有量が、下記式１及び式２を満たし、
鋼中に、予測面積３００００ｍｍ２の条件で、極値統計法で得られる最大予測径が１μｍ以上３０μｍ以下で、かつＡｌ２Ｏ３およびＲＥＭ酸化物を含有する非金属介在物が分散し、
前記非金属介在物中の前記Ａｌ２Ｏ３の平均割合が、５０％超であり、
前記ＲＥＭは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの１種類又は２種以上の希土類元素である、
ことを特徴とする低酸素清浄鋼。
０．１５≦ＲＥＭ／Ｃａ≦４．００…式１
Ｃａ／Ｔ．Ｏ≦０．５０…式２
【請求項２】
さらに、下記式３を満足することを特徴とする請求項１に記載の低酸素清浄鋼。
０．０５≦ＲＥＭ／Ｔ．Ｏ≦０．５０…式３
【請求項３】
前記化学成分として、質量％で、さらに、
Ｍｏ：０．８５％以下、
を含む
ことを特徴とする請求項１または２に記載の低酸素清浄鋼。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の低酸素清浄鋼を備えることを特徴とする低酸素清浄鋼製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低酸素清浄鋼及びその低酸素清浄鋼から製造された鋼製品に関し、特にＡｌ又はＡｌ−Ｓｉで脱酸した低酸素清浄溶鋼を鋳造した低酸素清浄鋼及びその低酸素清浄鋼から製造された低酸素清浄鋼製品に関する。
本願は、２０１３年０４月２４日に、日本に出願された特願２０１３−０９１７２５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、棒鋼や線材用の鋼として、機械特性に優れる鋼が求められている。通常、これらの用途に供する鋼においては、高強度化に伴い、非金属介在物に起因する断線や疲労折損が起こり易くなる。非金属介在物の主なものは、脱酸過程で生成する、Ａｌ２Ｏ３を含む介在物である。【０００３】
Ａｌ２Ｏ３を含む介在物は、Ａｌ２Ｏ３を主体とする介在物粒子同士がクラスターを形成したり、ＣａＯ等の成分を取り込んで介在物粒子の融点が低下して互いに凝集合体して、大型化し易い。凝集合体によって大型化した介在物は、鋼材の性能低下を招く。このため、介在物を大型化させない方法が種々検討されている。介在物粒子同士の凝集合体によるクラスター形成を抑制して介在物の大きさを小さくする方法は、これまで数多く提案されている。【０００４】
例えば、特許文献１〜６には、鋼材に微量なＲＥＭを添加して、アルミナクラスターのＦｅＯバインダーを低減する方法が開示されている。しかし、この方法は、ＦｅＯバインダーの低減には有効であるものの、単に、ＲＥＭを添加するだけでは、不可避的に鋼中へ混入した微量のＣａ又はＣａＯに起因するＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系の粗大介在物の生成を防ぎきれない。【０００５】
特許文献７には、Ｍｇの添加によって、アルミナクラスターのＦｅＯバインダーを低減する方法が開示されている。しかし、この方法においても、特許文献１〜６に開示の方法と同様に、微量のＣａ又はＣａＯと、精錬用耐火物から不可避的に混入する微量のＭｇ又はＭｇＯとによって、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系の粗大介在物が生成する。【０００６】
特許文献８には、鋼中の［Ｏ］（溶存酸素）をＡｌで制御脱酸した鋼を、さらに、Ｔｉ→ＲＥＭの順序で脱酸することによって、粗大介在物の生成を防止する方法が開示されている。しかし、この方法は、鋼中に［Ｏ］を意図的に残存させるので、二次精錬工程においてスラグ酸化度の上昇は避けられず、低酸素清浄鋼の製造には適さない。【０００７】
特許文献９には、Ａｌ＋Ｔｉ＋ＲＥＭの複合脱酸によって、プレス割れの原因となるクラスター状介在物の生成を防止する方法が開示されている。しかし、特許文献９に記載の方法は、特許文献８に記載の方法と同様に、Ｔｉによる脱酸が必須であるため、低Ｔｉ鋼の製造に適用できない。また、特許文献９に記載の方法は、強脱酸精錬下で、Ａｌ２Ｏ３が５０％以上の介在物を意図的に形成することが困難であるので、高清浄度鋼の製造には適用できない。【０００８】
特許文献１０には、Ｔ．Ｏ（鋼中のトータル酸素）を低くするためＲＥＭを脱酸剤として添加した、ＳｉＯ２を主とする延伸性介在物を含む鋼材が開示されている。しかし、懸架ばね及び軸受用の鋼を始めとする鋼においては、結晶粒径の微細化のため、Ａｌ添加が必須である。そのため、Ａｌ脱酸により介在物の組成はＳｉＯ２主体からＡｌ２Ｏ３主体となる。それ故、特許文献１０記載の技術はＡｌ添加鋼に適用できない。【０００９】
特許文献１１には、ＲＥＭを含有する溶鋼を鋳造する際に、溶鋼の［Ｏ］と［Ｓ］に応じてＲＥＭを添加し、鋳造時の製造性を向上させる方法が開示されている。しかし、この方法は、ＲＥＭ添加時にＲＥＭ硫化物が生成するのを防止するための方法であり、介在物の改質を行うことを目的としていない。そのため、ＲＥＭの目標値が著しく高い。【００１０】
特許文献１２には、疲労特性及び冷間加工性に優れた高清浄度鋼が開示されている。しかしながら、特許文献１２の特徴は、Ｓｉ脱酸鋼における酸化物系介在物の組成の調整であり、ＲＥＭ添加によるＡｌ２Ｏ３を主体とする介在物の改質に関するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】日本国特開２００４−０５２０７６号公報
【特許文献２】日本国特開２００４−０５２０７７号公報
【特許文献３】日本国特開２００５−００２４２０号公報
【特許文献４】日本国特開２００５−００２４２１号公報
【特許文献５】日本国特開２００５−００２４２２号公報
【特許文献６】日本国特開２００５−００２４２５号公報
【特許文献７】日本国特開２００５−００２４１９号公報
【特許文献８】日本国特開２００７−１８６７４４号公報
【特許文献９】日本国特開２００６−０９７１１０号公報
【特許文献１０】日本国特開昭６３−１４００６８号公報
【特許文献１１】日本国特開２００５−０６０７３９号公報
【特許文献１２】日本国特開２００５−０２９８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述したように、従来、棒鋼や線材用の鋼の機械特性を高める方法が種々提案されている。しかしながら、それらの方法は、いずれも基本的には、介在物の生成を抑制する、又は、介在物の大きさを小さくする方法である。【００１３】
近年、棒鋼や線材用の鋼には、より一層の機械特性の向上が求められている。このような要求に応えるには、従来法とは異なる観点に基づく改善策を検討する必要がある。【００１４】
本発明者らは、棒鋼や線材用の鋼の機械特性、特に、疲労特性をより一層高めるため、従来法にはない“介在物の改質”に着目して、鋭意研究を行った。【００１５】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものである。本発明は、介在物の生成を抑制するとともに、介在物を改質して機械特性を高めることを課題とする。具体的には、Ａｌ２Ｏ３系介在物を含むＡｌ脱酸鋼及びＡｌ−Ｓｉ脱酸鋼において、凝集合体して大型化しやすいＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物の生成を抑制するとともに介在物を改質し、さらに、介在物の形態を制御して、機械特性、特に、疲労特性をより一層高めることを課題とする。そして本発明は、上記課題を解決する鋼、及びその鋼からなる鋼製品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、大型化しやすいＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物の生成、粗大化を抑制するためには、溶鋼中へのＣａ又はＣａ含有物の混入を抑制して、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物の生成量を予め低減したうえで、何らかの介在物改質材を添加することによって、残存するＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物を別の成分組成の介在物に改質することが有効ではないかと発想した。本発明者らは、種々の物質を介在物改質材として添加して、介在物の性状及び鋼の特性の変化を調査した。その結果、次の知見を得るに至った。【００１７】
すなわち、溶鋼中へのＣａ又はＣａ含有物の混入を抑制しつつ、Ａｌ脱酸又はＡｌ−Ｓｉ脱酸を行うことによってＴ．Ｏ（トータル酸素）を十分に低減した溶鋼に、脱酸終了前に、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ等のＲＥＭ（希土類元素）を微量添加することで、介在物の改質が可能であることが分かった。
ここで、Ｔ．Ｏとは、鋼中の溶存酸素と介在物等に含まれる非溶存酸素との合計量を示す。【００１８】
具体的には、上記の通りにＲＥＭを添加することによって、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物の生成が抑制される。さらに、少ないながらも生成したＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３介在物のＣａＯがＲＥＭにより還元されることによって、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３介在物が、Ａｌ２Ｏ３系及び／又はＲＥＭ２Ｏ３系介在物、又は、これらの介在物を含む複合介在物に改質されることが分かった。【００１９】
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下の通りである。【００２０】
（１）本発明の一態様に係る低酸素清浄鋼は、化学成分として、Ｃ：１．２０％以下、Ｓｉ：３．００％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：３．５０％以下、を含み、さらに、質量％で、Ａｌ：０．００５〜０．２０％、Ｃａ：０％超、０．０００５％以下、ＲＥＭ：０．００００５〜０．０００４％、Ｔ．Ｏ：０％超、０．００３％以下を含み、残部がＦｅ及び不純物であり、ＲＥＭ含有量、Ｃａ含有量、Ｔ．Ｏ含有量が、下記式１及び式２を満たし、鋼中に、予測面積３００００ｍｍ２の条件で、極値統計法で得られる最大予測径が１μｍ以上３０μｍ以下で、かつＡｌ２Ｏ３およびＲＥＭ酸化物を含有する非金属介在物が分散し、前記非金属介在物中の前記Ａｌ２Ｏ３の平均割合が、５０％超であり、前記ＲＥＭは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの１種類又は２種以上の希土類元素である。
０．１５≦ＲＥＭ／Ｃａ≦４．００…式１
Ｃａ／Ｔ．Ｏ≦０．５０…式２
（２）上記（１）の低酸素清浄鋼は、さらに、下記式３を満足してもよい。
０．０５≦ＲＥＭ／Ｔ．Ｏ≦０．５０…式３
（３）上記（１）または（２）に記載の低酸素清浄鋼は、前記化学成分として、質量％で、さらに、Ｍｏ：０．８５％以下、を含んでもよい。
（４）本発明の別の態様に係る低酸素清浄鋼製品は、上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の低酸素清浄鋼を備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の上記態様によれば、鋼中に、高融点でかつ凝集し難いＡｌ２Ｏ３とＲＥＭ酸化物とを含有する非金属介在物が分散した、疲労特性に優れる低酸素清浄鋼を提供することができる。なお、上記非金属介在物には、ＲＥＭ硫化物、ＭｇＯ、又は、その両方を含有する場合がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】非金属介在物の最大粒径（√ａｒｅａ（μｍ））と疲労強度（ＭＰａ）との関係を示す図である（非特許文献：村上敬宜、「金属疲労  微小欠陥と介在物の影響」より）。
【図２】ＲＥＭ含有量（ｐｐｍ）と鋼片極値統計（最大予測径）（μｍ）との関係を示す図である。
【図３】ＲＥＭ／Ｃａと鋼片極値統計（μｍ）との関係を示す図である。
【図４】ＲＥＭ／Ｔ．Ｏと鋼片極値統計（μｍ）との関係を示す図である。
【図５】ＲＥＭの適正添加（０．００００５〜０．０００４％）、ＲＥＭの過剰添加（０．０００４％超）、及び、ＲＥＭ添加無し（ＲＥＭ含有量が０．００００５％未満）の場合において調査した、Ｃａ／Ｔ．Ｏと鋼片極値統計（μｍ）との関係を示す図である。
【図６】鋼中に存在する非金属介在物の形態（ＳＥＭ反射電子像）を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は、発明例（後出の表２−１、表２−２中「Ｎｏ．２−１」）の非金属介在物の形態を示し、（ｃ）及び（ｄ）は、比較例（後出の表２−１、表２−２中「Ｎｏ．２−２」）の非金属介在物の形態を示す。
【図７】ラジアル転動疲労試験片の作製態様を示す。（ａ）は、ラジアル転動疲労試験片の素材の形状を示し、（ｂ）は、ラジアル転動疲労試験片の採取態様を示し、（ｃ）は、採取したラジアル転動疲労試験片の最終形状を示す。
【図８】極値統計法で得た鋼片極値統計（最大予測径）と、ラジアル疲労試験で得た破断最短寿命との関係を示す図である。
【図９】回転曲げ疲労特性の評価のために作製した試験片の形状を示す図である。
【図１０】小野式回転曲げ試験で得られた、最大応力と耐久回数との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の一実施形態に係る低酸素清浄鋼（以下、本実施形態に係る低酸素清浄鋼ということがある。）について、詳細に説明する。
本実施形態に係る低酸素清浄鋼は、基本元素として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓを含み、さらに、質量％で、Ａｌ：０．００５〜０．２０％、Ｃａ：０％超、０．０００５％以下、ＲＥＭ：０．００００５〜０．０００４％、及び、Ｔ．Ｏ：０％超、０．００３％以下を含み、必要に応じてその他の元素を含む。
また、本実施形態に係る低酸素清浄鋼は、ＲＥＭ含有量、Ｃａ含有量、Ｔ．Ｏ含有量が、下記の式１及び式２を満足し、好ましくは下記式３を満足し、前記鋼中に、予測面積３００００ｍｍ２の条件で、極値統計法で得られる最大予測径が１μｍ以上３０μｍ以下で、かつＡｌ２Ｏ３およびＲＥＭ酸化物を含有する非金属介在物が分散し、前記非金属介在物中の前記Ａｌ２Ｏ３の平均割合が、５０％超である。また、本実施形態に係る低酸素清浄鋼は、Ａｌ脱酸鋼又はＡｌ−Ｓｉ脱酸鋼である。
０．１５≦ＲＥＭ／Ｃａ≦４．００…式１
Ｃａ／Ｔ．Ｏ≦０．５０…式２
０．０５≦ＲＥＭ／Ｔ．Ｏ≦０．５０…式３
【００２４】
ここで、ＲＥＭは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ又はＮｄの１種類又は２種以上の希土類元素である。
【００２５】
本実施形態に係る低酸素清浄鋼は、前述したように、「介在物の生成抑制」と「生成した介在物の改質」とにより、微細なＡｌ２Ｏ３およびＲＥＭ酸化物を含有する非金属介在物が鋼中に分散している。
この「介在物の生成抑制」の効果は、Ａｌ含有量、Ｃａ含有量、Ｔ．Ｏ含有量を、所定の範囲に制御することによって得られる。
また、「生成した介在物の改質」の効果は、０．００００５〜０．０００４質量％の微量のＲＥＭによって得られる（詳細は、後述する。）。このＲＥＭによる介在物改質効果は、ＣａＯや、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３のＣａＯに対するＲＥＭの還元作用で得られる効果である。
すなわち、本実施形態に係る低酸素清浄鋼は、介在物の生成抑制の点から、Ａｌ：０．００５〜０．２０質量％、Ｃａ：０％超、０．０００５質量％以下、及び、Ｔ．Ｏ：０質量％超、０．００３質量％以下に制御し、生成した介在物の改質の点から、ＲＥＭ：０．００００５〜０．０００４質量％に制御することが重要である。
【００２６】
通常、鋼は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ及び、必要に応じてその他元素を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる。本実施形態に係る低酸素清浄鋼において、上記のＲＥＭの介在物改質効果は、Ａｌ、Ｃａ、ＲＥＭ、及び、Ｔ．Ｏ以外のＣ、Ｓｉ、及び、Ｍｎ等の溶鋼成分に影響されずに発現する。すなわち、Ａｌ、Ｃａ、ＲＥＭ、及び、Ｔ．Ｏ以外の含有量を限定する必要がない。本発明者らは、このことを、実験的に、また、実操業において確認している。各含有量の限定理由については後述する。
【００２７】
さらに、本発明者らは、溶鋼中に微量に存在するＡｌ、Ｃａ、ＲＥＭ、及び、Ｔ．Ｏについて、元素間の相互作用及び反応を適正に維持し、ＲＥＭの介在物改質効果を最大限に引き出すためには、各元素の含有量だけでなく、含有量比も制御することが重要であることを見出した。具体的には、含有量比の指標として、ＲＥＭ／Ｃａ、ＲＥＭ／Ｔ．Ｏ、及び、Ｃａ／Ｔ．Ｏを制御することが有効であることを見出した。これらの含有量比の限定理由については後述する。
【００２８】
まず、成分組成（化学成分）の限定理由について説明する。なお、以下、％は質量％を意味する。本実施形態に係る低酸素清浄鋼では、ＪＩＳＧ０４１７に準じて鋳造前の溶鋼からサンプリングした試料、またはその溶鋼を鋳造して得られた鋼において、化学成分が以下の範囲であればよい。
【００２９】
Ａｌ：０．００５〜０．２０％
Ａｌは、脱酸元素であり、また、鋼の結晶粒を微細化する元素である。これらの効果を得るため、Ａｌ含有量の下限を０．００５％とする。好ましくはＡｌ含有量の下限を０．０１０％とする。
【００３０】
一方で、溶鋼中にＡｌが含有されると、溶鋼は不可避的にＡｌ脱酸溶鋼となり、溶鋼中にＡｌ２Ｏ３含有の介在物が生成する。溶鋼中のＡｌ含有量が０．２０％を超えると、上記介在物が多量に生成して、鋼中に残存し、鋼の疲労特性が低下する。そのため、Ａｌ含有量の上限を、０．２０％とする。好ましくはＡｌ含有量の上限を０．１０％とする。
【００３１】
Ｃａ：０％超、０．０００５％以下
Ｃａは、脱酸元素であり、脱酸反応によって、凝集合体し易い低融点のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物を形成する元素である。溶鋼中のＣａ含有量が０．０００５％を超えると、Ａｌ２Ｏ３系介在物が、低融点のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物に複合化して粗大化する。粗大化して鋼中に残存したＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物は、圧延温度で液相化せず、粗大なまま鋼中に残存する。Ｃａは少ないほど好ましいが、０．０００５％以下であれば許容できるので、Ｃａ含有量の上限を０．０００５％とする。Ｃａ含有量の上限は、好ましくは０．０００３％であり、より好ましくは０．０００２５％である。
一方で、取鍋内で、溶鋼上部にＣａＯを含むスラグを接触させて精錬を行う現行の製鋼法では、Ｃａが不可避的に溶鋼中に取り込まれるので、鋼からＣａを完全に排除することはできない。そのため、Ｃａ含有量の下限を０％超とする。
本実施形態に係る低酸素清浄鋼は、不可避的に溶鋼中に取り込まれる微量のＣａが存在する条件のもとで、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物が生成するのを抑制することができる。
【００３２】
本実施形態において、Ｃａ含有量の調整はＲＥＭの添加前に行う。精錬過程でＣａを０．０００５％以下に抑制する方法については後述する。
【００３３】
ＲＥＭ：０．００００５〜０．０００４％
ＲＥＭは、溶鋼中のＣａＯや、介在物中のＣａＯを還元して、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物を改質する重要な元素である。Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉで十分に脱酸した溶鋼において、介在物改質効果を得るため、溶鋼に、ＲＥＭ（希土類元素、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、及び、Ｎｄの１種又は２種以上）を０．００００５〜０．０００４％含有させる。ＲＥＭ含有量が、０．００００５％以下では、介在物改質効果が得られない。
【００３４】
一方、ＲＥＭを溶鋼に０．０００４％を超えて含有させると、介在物が大型化する。詳細なメカニズムは明確でないが、ＲＥＭを溶鋼に０．０００４％を超えて含有させると、介在物に、融点が低くＲＥＭ濃度の高い化合物相が出現し、この化合物相が介在物の凝集合体を助長することによって、介在物が大型化すると考えられる。それ故、ＲＥＭ含有量の上限は０．０００４％とする。ＲＥＭ含有量の上限は、好ましくは０．０００３％、より好ましくは０．０００２％である。
【００３５】
上記のＲＥＭ含有量の範囲は、極値統計法によって算出した本実施形態に係る低酸素清浄鋼中の非金属介在物の鋼片極値統計（最大予測径）と、疲労強度との関係を評価した結果に基づいている。
【００３６】
図１は、非金属介在物の最大径（√ａｒｅａ（μｍ））と疲労強度（ＭＰａ）との関係を示す図である。図１から、非金属介在物の粒径（√ａｒｅａ（μｍ））が小さくなれば、疲労強度が向上することが解る。
【００３７】
鋼の疲労強度は、非金属介在物の成分組成、形態（寸法・形状）に大きく影響を受ける。非金属介在物の成分組成、形態（寸法・形状）については後述する。
【００３８】
図２に、ＲＥＭ含有量（ｐｐｍ）と鋼片極値統計（μｍ）との関係を示す。鋼片極値統計（μｍ）とは、極値統計法によって得られる、鋼材の所定の被検査量（予測面積）の中に存在する介在物の最大径の推定値（最大予測径）である。本実施形態では、予測面積を３００００ｍｍ２として極値統計法によって鋼片極値統計を算出している。
【００３９】
図２から、鋼片極値統計（μｍ）が３０μｍ以下となるＲＥＭ含有量は４ｐｐｍ（０．０００４％）以下であることが解る。調査対象の鋼のＴ．Ｏはいずれも５〜２０ｐｐｍであり、本実施形態の望ましい範囲内であった。本実施形態に係る低酸素清浄鋼では、上記を根拠に、ＲＥＭ含有量の上限を、前述したように、０．０００４％とする。
【００４０】
また、図２によれば、ＲＥＭ含有量が０．５ｐｐｍ以上で、ＲＥＭの介在物改質効果が発現する。よって、ＲＥＭ含有量の下限を、０．００００５％とする。すなわち、ＲＥＭ含有量は、０．００００５〜０．０００４％とする。ＲＥＭ含有量は、好ましくは０．００００５〜０．０００３％、より好ましくは０．００００５〜０．０００２％である。
【００４１】
Ｔ．Ｏ：０％超、０．００３％以下
Ｏは、溶鋼中に存在して酸化物を形成する元素である。したがって、介在物が少なくかつ微細に分散した、機械特性に優れた鋼を製造するに際し、Ｔ．Ｏ含有量は制御することが求められる。また、酸化物介在物の構成元素であるＣａ及びＲＥＭの溶鋼中の含有量との関係においても、Ｔ．Ｏ含有量を制御することは重要である。
【００４２】
溶鋼のＴ．Ｏ含有量が０．００３％を超えると、酸化物系介在物が多量に生成して鋼中に残存し、鋼の機械特性、特に、疲労特性が低下する。そのため、Ｔ．Ｏ含有量は０．００３％以下とする。Ｔ．Ｏ含有量は、好ましくは０．００２％以下、より好ましくは０．００１％以下である。
一方、Ｔ．Ｏは少ない方がよいが、０％にすることは困難であるため、下限を０％超とする。
【００４３】
次に、本実施形態に係る低酸素清浄鋼において、ＲＥＭ／Ｃａ：０．１５〜４．００及び、Ｃａ／Ｔ．Ｏ：０．５０以下と限定する理由、及びＲＥＭ／Ｔ．Ｏ：０．０５〜０．５０とすることが望ましい理由について説明する。
【００４４】
ＲＥＭ／Ｃａ：０．１５〜４．００（０．１５≦ＲＥＭ／Ｃａ≦４．００）
ＲＥＭは、介在物中のＣａＯを還元することによって、介在物の改質と粗大化の抑制とに作用する元素である。そのため、ＲＥＭ含有量とＣａ含有量の比であるＲＥＭ／Ｃａは、ＲＥＭの介在物改質効果を最大化する上で重要な指標である。
【００４５】
図３に、ＲＥＭ／Ｃａと鋼片極値統計（μｍ）との関係を示す。
【００４６】
図３から、ＲＥＭ／Ｃａ：０．１５〜４．００で、鋼片極値統計（μｍ）が３０μｍ以下であることが解る。一方、ＲＥＭ／Ｃａが０．１５未満であると、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３を主成分とする介在物の改質が不十分となる。その結果、介在物の粒径（鋼片極値統計）が３０μｍを超えて粗大化して鋼中に残存し、機械特性が向上しない。
【００４７】
ＲＥＭ／Ｃａが４．００を超えると、鋼片極値統計（μｍ）は３０μｍを超える。これは、溶鋼中のＲＥＭ含有量が過剰であったため、生成する介在物中のＲＥＭ酸化物の濃度が過剰となり、介在物の組成が適正な範囲から外れたためと推定される。詳細なメカニズムは明確でないが、介在物中のＲＥＭ濃度が過剰になると、介在物中に低融点の相が生じて、介在物の凝集合体が起き、この結果、鋼片極値統計（μｍ）が上昇すると推測される。
【００４８】
以上のことから、ＲＥＭ／Ｃａは０．１５〜４．００とする。ＲＥＭ／Ｃａは、好ましくは０．２０〜３．００、より好ましくは１．００〜３．００である。
【００４９】
Ｃａ／Ｔ．Ｏ：０．５０以下（Ｃａ／Ｔ．Ｏ≦０．５０）
ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物の生成及び粗大化を抑制するとともに、ＲＥＭの介在物改質効果を最大限に引き出すため、Ｃａ含有量とＴ．Ｏ含有量との比であるＣａ／Ｔ．Ｏは重要な指標である。
【００５０】
図５に、ＲＥＭ適正添加（ＲＥＭ含有量が０．００００５〜０．０００４％の鋼）、ＲＥＭ過剰添加（ＲＥＭ含有量が０．０００４％超の鋼）、及び、ＲＥＭ添加無し（ＲＥＭ含有量が０．００００５％未満）の場合において調査した、Ｃａ／Ｔ．Ｏと鋼片極値統計（μｍ）との関係を示す。
【００５１】
図５から、図中◇で表されるＲＥＭ適正添加において、Ｃａ／Ｔ．Ｏが０．５０以下であれば、鋼片極値統計が３０μｍ以下であることが解る。これは、Ｃａ／Ｔ．Ｏが０．５０以下であれば、介在物のＣａＯ活量が高位に維持され、ＲＥＭによるＣａＯの還元反応が起り易くなって、非金属介在物の粗大化が抑制されるためと推測される。
【００５２】
従って、Ｃａ／Ｔ．Ｏを０．５０以下とする。Ｃａ／Ｔ．Ｏは、好ましくは０．１０〜０．４０である。なお、Ｃａ含有量が０．０００２５％以下の場合、よりＣａによる介在物の粗大化を抑制するためには、Ｃａ／Ｔ．Ｏは、０．２０以下であることが好ましい。
【００５３】
ＲＥＭ／Ｔ．Ｏ：０．０５〜０．５０（０．０５≦ＲＥＭ／Ｔ．Ｏ≦０．５０）
【００５４】
ＲＥＭ／Ｔ．Ｏは、ＲＥＭの介在物改質効果を十分に引き出す上で有効な指標である。そのため、ＲＥＭの介在物改質効果を顕著に引き出すため、上述したＲＥＭ／Ｃａ、Ｃａ／Ｔ．Ｏに加えて、ＲＥＭ／Ｔ．Ｏを０．０５〜０．５０とすることが望ましい。
ＲＥＭ／Ｔ．Ｏが０．５０を超えると、ＲＥＭ添加直後において、介在物の凝集合体に結合剤として寄与するＣａＯやＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３のＣａＯの還元は達成されるが、未反応のＲＥＭ（ＲＥＭ自身、強力な脱酸元素である。）が多量に残存して、Ａｌ２Ｏ３を過剰に還元する。その結果、ＲＥＭ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３介在物が多量に生成して粗大化してしまう。そのため、機械特性の向上に寄与しない。
【００５５】
ＲＥＭ／Ｔ．Ｏが０．０５未満であると、上記介在物の結合剤として寄与するＣａＯや、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３のＣａＯの還元に十分寄与せず、介在物の改質効果が十分に発現しない。そのため、鋼中において、非金属介在物を微細に分散させる効果が得られず、機械特性の向上に寄与しない。よって、ＲＥＭ／Ｔ．Ｏは０．０５〜０．５０とすることが好ましい。ＲＥＭ／Ｔ．Ｏは、より好ましくは０．１０〜０．４０である。
【００５６】
図４に、Ｔ．Ｏ：０．００３％以下の鋼におけるＲＥＭ／Ｔ．Ｏと鋼片極値統計との関係を示す。なお、図４において、ＲＥＭ含有量、ＲＥＭ／Ｃａ、Ｃａ／Ｔ．Ｏ等は、いずれも本実施形態に係る低酸素清浄鋼の範囲内である。
【００５７】
ＲＥＭ／Ｔ．Ｏ：０．０５〜０．５０、好ましくは０．１０〜０．４０を満たすＲＥＭを、Ｔ．Ｏ：０．００３％以下の清浄な溶鋼に含有させると、ＲＥＭが、介在物の凝集合体に結合剤として寄与するＣａＯや、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３のＣａＯを十分に還元する（即ち、介在物の改質効果が十分に発現する）。その結果、介在物が凝集合体せず、非金属介在物がより微細に分散することになる。
【００５８】
次に、溶鋼の基本元素であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、さらに、不純物元素であるＰ及びＳの好ましい含有量について説明する。前述したように、本実施形態に係る低酸素清浄鋼において、ＲＥＭの介在物改質効果は、Ａｌ、Ｃａ、ＲＥＭ、及び、Ｔ．Ｏ以外の、Ｃ、Ｓｉ、及び、Ｍｎ等の鋼成分に影響されずに発現する。そのため、本実施形態の効果を得る場合、Ａｌ、Ｃａ、ＲＥＭ、及び、Ｔ．Ｏ以外の元素について、限定する必要がない。しかしながら、実用鋼においては、所定の特性を確保するため、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ等の含有量を制御することが望ましい。以下、好ましい成分組成（化学成分）について、実用鋼の成分組成に基づいて説明する。
【００５９】
Ｃ：１．２０％以下
Ｃは、焼入れ後の鋼の強度や硬さを確保するために有効な元素である。強度又は硬さをそれほど必要としない鋼種では、Ｃの含有を必ずしも必要としないので、下限は特に定めない。しかしながら、Ｃは、鋼の基本元素であり、その含有量を０％にすることは困難であるため、０％を含まない。
一方で、強度や硬さを高める場合には、Ｃ含有量を０．００１％以上にすることが好ましい。しかし、Ｃ含有量が１．２０％を超えると、焼入れ時に割れが発生したり、また、鋼が硬くなりすぎて切削工具の寿命が低下したりする。そのため、Ｃ含有量の上限を１．２０％とすることが好ましい。より好ましいＣ含有量の上限は１．００％である。
【００６０】
Ｓｉ：３．００％以下
Ｓｉは、鋼の焼入れ性を高めて強度や硬さを確保するために有効な元素である。強度又は硬さをそれほど必要としない鋼種では、Ｓｉの含有を必要としないので、下限は特に定めない。ただし、Ｓｉは、鋼の基本元素であり、その含有量を０％にすることは困難であるため、０％を含まない。
一方、鋼の強度や硬さを高める場合には、Ｓｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。しかし、Ｓｉ含有量が３．００％を超えると、効果が飽和するとともに、鋼の硬さが高くなりすぎて切削工具の寿命が低下する。そのため、Ｓｉ含有量の上限を、３．００％とすることが好ましい。より好ましいＳｉ含有量の上限は２．５０％である。
【００６１】
Ｍｎ：１６．０％以下
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高めて強度や硬さを確保するために有効な元素である。強度又は硬さをそれほど必要としない鋼種では、Ｍｎの含有が必要とならないため、下限は特に定めない。しかしながら、Ｍｎは鋼の基本元素であり、その含有量を０％にすることは困難であるため、０％を含まない。
一方、強度や硬さを高める場合には、Ｍｎ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。しかし、Ｍｎ含有量が１６．０％を超えると、焼入れ時に焼割れが発生したり、また、鋼が硬くなりすぎて切削工具の寿命が低下する。そのため、Ｍｎ含有量の上限を１６．０％とすることが好ましい。より好ましいＭｎ含有量の上限は１２．０％である。なお、一定量のＣ（例えば０．１％以上）を含有する場合であれば、Ｍｎ含有量が２．０％以下でも実用鋼の強度を確保できる。
【００６２】
Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、不純物元素であり、Ｐ含有量が多すぎると鋼の靱性が低下する。そのため、Ｐ含有量を、０．０５％以下に制限することが好ましい。より好ましくはＰ含有量を０．０３％以下に制限する。一方で、Ｐ含有量を０．０００１％以下に低減するためには、多大な精錬コストが必要となる。そのため、実用鋼でのＰ含有量の下限は０．０００１％程度である。
【００６３】
Ｓ：０．０５％以下
Ｓは、Ｐと同様に、不純物元素であり、Ｓ含有量が多すぎると鋼の靱性が低下する。そのため、Ｓ含有量を０．０５％以下に制限することが好ましい。より好ましくはＳ含有量を０．０３％以下に制限する。なお、Ｓ含有量を０．０００１％以下に低減するためには、多大な精錬コストが必要となる。そのため、実用鋼でのＳ含有量の下限は０．０００１％程度である。
【００６４】
本実施形態に係る低酸素清浄鋼は、特性を損なわない範囲で、上記元素以外に、さらに、Ｃｒ：３．５０％以下、Ｍｏ：０．８５％以下、Ｎｉ：４．５０％以下、Ｎｂ：０．２０％以下、Ｖ：０．４５％以下、Ｗ：０．３０％以下の１種又は２種以上を含有してもよい。これらの元素は必ずしも含有する必要はないため、その下限は０％である。
【００６５】
Ｃｒ：３．５０％以下
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を高めて強度や硬さを確保するのに有効な元素である。この効果を得る場合、Ｃｒ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒ含有量が３．５０％を超えると、靱性及び延性が低下するので、含有させる場合のＣｒ含有量の上限を３．５０％とする。好ましいＣｒ含有量の上限は、２．５０％である。
【００６６】
Ｍｏ：０．８５％以下
Ｍｏは、鋼の焼入れ性を高めて強度や硬さを確保するのに有効な元素である。また、Ｍｏは、炭化物を形成して、焼戻し軟化抵抗の向上に寄与する元素である。これらの効果を得る場合、Ｍｏ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｏ含有量が０．８５％を超えると、靱性及び延性が低下する原因となる過冷組織が生じ易くなる。そのため、含有させる場合のＭｏ含有量の上限を０．８５％とする。好ましいＭｏ含有量の上限は、０．６５％である。
【００６７】
Ｎｉ：４．５０％以下
Ｎｉは、焼入れ性を高めて強度や硬さを確保するのに有効な元素である。この効果を得る場合、Ｎｉ含有量を０．００５％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｉ含有量が４．５０％を超えると、靱性と延性とが低下する。そのため、含有させる場合のＮｉ含有量の上限を、４．５０％とする。好ましいＮｉ含有量の上限は３．５０％である。
【００６８】
Ｎｂ：０．２０％以下
Ｎｂは、炭化物、窒化物、または炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化防止や焼戻し軟化抵抗の向上に寄与する元素である。これらの効果を得る場合、Ｎｂ含有量を、０．００１％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｂ含有量が０．２０％を超えると、靱性及び延性が低下する。そのため、含有させる場合のＮｂ含有量の上限を、０．２０％とする。好ましいＮｂ含有量の上限は０．１０％である。
【００６９】
Ｖ：０．４５％以下
Ｖは、炭化物、窒化物、または炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化防止や焼戻し軟化抵抗の向上に寄与する元素である。これらの効果を得る場合、Ｖ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。一方、Ｖ含有量が０．４５％を超えると、靱性及び延性が低下する。そのため、含有させる場合のＶ含有量の上限を０．４５％とする。好ましいＶ含有量の上限は０．３５％である。
【００７０】
Ｗ：０．３０％以下
Ｗは、鋼の焼入れ性を高めて強度や硬さを確保するのに有効な元素である。また、Ｗは、炭化物を形成して焼戻し軟化抵抗の向上に寄与する元素である。これらの効果を得る場合、Ｗ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。一方、Ｗ含有量が０．３０％を超えると、靱性及び延性が低下する原因となる過冷組織が生じ易くなる。そのため、含有させる場合のＷ含有量の上限を、０．３０％とする。好ましいＷ含有量の上限は０．２０％である。
【００７１】
本実施形態に係る低酸素清浄鋼は、その特性を阻害しない範囲で、上記元素以外に、さらに、質量％で、Ｂ：０．００６％以下、Ｎ：０．０６％以下、Ｔｉ：０．２５％以下、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｐｂ：０．４５％以下、Ｂｉ：０．２０％以下、Ｔｅ：０．０１％以下、Ｓｂ：０．２０％以下、Ｍｇ：０．００１％以下の１種又は２種以上を含有してもよい。これらの元素は必ずしも含有する必要はないため、その下限は０％である。
【００７２】
Ｂ：０．００６％以下
Ｂは、鋼の焼入れ性を高め、強度の向上に寄与する元素である。また、Ｂは、オーステナイト粒界に偏析して、Ｐの粒界偏析を抑制し、疲労強度の向上に寄与する元素である。これらの効果を得る場合、Ｂ含有量を０．０００１％以上にすることが好ましい。一方、Ｂ含有量が０．００６％を超えると、効果が飽和するどころか、むしろ、脆化を招く。そのため、含有させる場合のＢ含有量の上限を、０．００６％とする。好ましいＢ含有量の上限は０．００４％である。
【００７３】
Ｎ：０．０６％以下
Ｎは、微細な窒化物を形成して結晶粒を微細化し、強度及び靭性の向上に寄与する元素である。これらの効果を得る場合、Ｎ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。一方、Ｎ含有量が０．０６％を超えると、窒化物が過剰に生成して靱性が劣化する。そのため、含有させる場合のＮ含有量の上限を０．０６％とする。好ましいＮ含有量の上限は０．０４％である。
【００７４】
Ｔｉ：０．２５％以下
Ｔｉは、微細なＴｉ窒化物を形成することによって結晶粒を微細化し、強度及び靭性の向上に寄与する元素である。これらの効果を得る場合、Ｔｉ含有量を０．０００１％以上にすることが好ましい。一方、Ｔｉ含有量が０．２５％を超えると、Ｔｉ窒化物が過剰に生成して靱性が劣化する。そのため、含有させる場合のＴｉ含有量の上限を０．２５％とする。好ましいＴｉ含有量の上限は０．１５％である。
【００７５】
Ｃｕ：０．５０％以下
Ｃｕは、鋼の耐食性を高める元素である。この効果を得る場合、Ｃｕ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｕ含有量が０．５０％を超えると、熱間延性が低下し、割れや疵の発生原因となる。そのため、含有させる場合のＣｕ含有量の上限を０．５０％とする。好ましいＣｕ含有量の上限は０．３０％
である。
【００７６】
Ｐｂ：０．４５％以下
Ｐｂは、鋼の快削性の向上に寄与する元素である。この効果を得る場合、Ｐｂ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。一方、Ｐｂ含有量が０．４５％を超えると靱性が劣化する。そのため、含有させる場合のＰｂ含有量の上限を０．４５％とする。好ましいＰｂ含有量の上限は０．３０％である。
【００７７】
Ｂｉ：０．２０％以下
Ｂｉは、鋼の快削性の向上に寄与する元素である。この効果を得る場合、Ｂｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。一方、Ｂｉ含有量が０．２０％を超えると靱性が劣化する。そのため、含有させる場合のＢｉ含有量の上限を０．２０％とする。好ましいＢｉ含有量の上限は０．１０％である。
【００７８】
Ｔｅ：０．０１％以下
Ｔｅは、鋼の快削性の向上に寄与する元素である。この効果を得る場合、Ｔｅ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。一方、Ｔｅ含有量が０．０１％を超えると靱性が劣化する。そのため、含有させる場合のＴｅ含有量の上限０．０１％とする。好ましいＴｅ含有量の上限は０．００５％である。
【００７９】
Ｓｂ：０．２０％以下
Ｓｂは、耐硫酸性及び耐塩酸性を主体とする耐食性の向上、及び、快削性の向上に寄与する元素である。これらの効果を得る場合、Ｓｂ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。一方、Ｓｂ含有量が０．２０％を超えると靱性が劣化する。そのため、含有させる場合のＳｂ含有量の上限を０．２０％とする。好ましいＳｂ含有量の上限は０．１０％である。
【００８０】
Ｍｇ：０．０１％以下
Ｍｇは、鋼の快削性の向上に寄与する元素である。この効果を得る場合、Ｍｇ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｇ含有量が０．０１％を超えると靱性が劣化する。そのため、含有させる場合のＭｇ含有量の上限を０．０１％とする。好ましいＭｇ含有量の上限は０．００５％である。
【００８１】
次に、本発実施形態に係る低酸素清浄鋼中に微細に分散して存在する非金属介在物について説明する。
【００８２】
本実施形態に係る低酸素清浄鋼は、質量％で、Ａｌ：０．００５〜０．２０％、Ｃａ：０．０００５％以下、Ｔ．Ｏ：０．００３％以下で、Ｃａ／Ｔ．Ｏ：０．５０以下を含む溶鋼に、ＲＥＭ：０．００００５〜０．０００４％を添加して含有させることによって得られ（ｘ１）ＲＥＭ／Ｃａ：０．１５〜４．００、及び（ｙ）Ｃａ／Ｔ．Ｏ：０．５０以下を満足し、好ましくは、さらに（ｘ２）ＲＥＭ／Ｔ．Ｏ：０．０５〜０．５０を満足する。
【００８３】
本実施形態に係る低酸素清浄鋼を得る場合、Ａｌ：０．００５〜０．２０％、Ｃａ：０．０００５％以下、Ｔ．Ｏ：０．００３％以下で、Ｃａ／Ｔ．Ｏ：０．５０以下の化学成分を有する溶鋼を用いる。このような溶鋼においては、溶鋼中に存在するＣａＯの量、及び、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３介在物の量は少ない。
【００８４】
この状態の溶鋼に、ＲＥＭを、０．００００５〜０．０００４％で、かつ上記（ｘ１）（好ましくはさらに（ｘ２））を満たす量を添加すれば、ＲＥＭが、介在物の凝集合体を促す結合剤として作用するＣａＯ、ＦｅＯ、ＦｅＯ−Ａｌ２Ｏ３等の化合物、及び、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３介在物中のＣａＯを還元する。その結果、（ｉ）ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３介在物が、Ａｌ２Ｏ３系及び／又はＲＥＭ２Ｏ３系介在物に改質され、また、（ｉｉ）Ａｌ２Ｏ３系介在物、Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系介在物、ＲＥＭ２Ｏ３系介在物等の凝集合体が抑制されて、介在物が粗大化しない。
【００８５】
すなわち、上述の通りＲＥＭを添加することで、溶鋼中に、微細な非金属介在物が生成することになる。したがって、微細な非金属介在物が存在する溶鋼を鋳造した本実施形態に係る低酸素清浄鋼は、非金属介在物が微細に分散した組織を得ることができる。この非金属介在物は、微細であり、予測面積を３００００ｍｍ２として極値統計法で得られた最大予測径でも、３０μｍ以下となる。また、この非金属介在物は、微細なので、破壊力学的に明らかなように、疲労破壊の起点になり難い。それ故、本実施形態に係る低酸素清浄鋼の機械特性、特に、疲労特性は著しく上昇する。この点が、本実施形態に係る低酸素清浄鋼の最大の特徴である。
なお、本実施形態において、介在物の最大予測径は、例えば、「金属疲労  微小欠陥と介在物の影響」（村上敬宜著、養賢堂、１９９３年発行、ｐ２２３〜２３９）に記載の極値統計法によって推定された値である。また、介在物の最大予測径（√ａｒｅａ（ｍａｘ））は、最長径ａ、及び、最長径と垂直に交わる短径ｂより、√ａｒｅａ（ｍａｘ）＝（ａ２＋ｂ２）１／２で算出する。
【００８６】
図６に、鋼中に存在する典型的な非金属介在物の形態（ＳＥＭ反射電子像）を示す。これは後述の実施例において鋼片極値統計を評価する際に検出された非金属介在物の形態である。図６（ａ）及び（ｂ）に、発明例（後出の表２−１、表２−２中「Ｎｏ．２−１」（鋼種：懸架ばねＡ））の非金属介在物の形態を示し、図６（ｃ）及び（ｄ）に、比較例（後出の表２−１、表２−２中「Ｎｏ．２−２」（鋼種：懸架ばねＡ））における代表的な非金属介在物の形態を示す。
【００８７】
図６（ｃ）及び（ｄ）に示す比較例の非金属介在物の直径（黒枠、参照）は、十μｍオーダーである。一方、図６（ａ）及び（ｂ）に示す発明例の非金属介在物の直径（黒枠、参照）は、数μｍオーダーである。本実施形態に係る低酸素清浄鋼中に図６（ａ）、（ｂ）に示されるような“微細な非金属介在物”が、種々の形状で存在する。この非金属介在物は、ＲＥＭで改質されて微細なため、疲労破壊の起点となり難い。本発明者らは、このことを、ばね鋼、軸受鋼、肌焼鋼などに用いられる主な鋼種について、実験的に、また、実操業において確認している。
【００８８】
上述した微細な非金属介在物が疲労破壊の起点になり難いことは、非金属介在物の成分組成にも関係する。以下、非金属介在物の成分組成について説明する。
【００８９】
表１に、上述した図６（ａ）〜（ｄ）に示す非金属介在物の成分組成を示す。また、表１には図６（ａ）〜（ｄ）とは別に観察された、本実施形態に係る低酸素清浄鋼の非金属介在物（発明例３〜１２）、及び比較鋼の非金属介在物（比較例３〜６）の成分組成も合わせて示している。非金属介在物の成分組成は、次のようにして測定した。
【００９０】
光学顕微鏡で検出した介在物１個の平均組成をエネルギー分散型Ｘ線分法で測定し、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｍｎ、Ｔｉ及び、Ｓの組成を分析する。ＭｎとＣａは、酸化物及び硫化物の両方を形成するので、Ｓが、ＭｎＳ→ＣａＳの順で硫化物を形成するとし、残りのＣａとＭｎを酸化物として分析した。介在物組成の平均を得る場合には、複数の介在物について上述のように組成を調査した上で、個数平均をとればよい。
【００９１】
図６に示す非金属介在物にはコントラストの差異がある。これは、非金属介在物が、酸化物及び硫化物の混合相であることを示しているが、混合相であることは疲労特性に支配的な影響を及ぼさない。このことは、図１に示す、非金属介在物の粒径と疲労強度との関係と整合する。
【００９２】
【表１】
0005935944.tif 000002
【００９３】
図６（ａ）及び（ｂ）の介在物組成を、表１の発明例１及び２に、図６（ｃ）及び（ｄ）の介在物組成を、質量％で、表１の比較例１及び２に示す。比較例１及び２、さらには比較例３〜６は、ＲＥＭによる介在物の改質がなされていないのに対し、発明例１及び２、さらには発明例３〜１２はＲＥＭによる介在物の改質がなされたものである。
【００９４】
表１から分かるように、比較例１及び２、さらに比較例３〜６は、いずれも、Ａｌ２Ｏ３及び／またはＣａＯを主成分としている。これに対して、発明例１及び２、さらに発明例３〜１２は、Ａｌ２Ｏ３とＲＥＭ酸化物とを主成分としている。また、各Ｎｏにおける介在物中のＡｌ２Ｏ３の平均割合が５０％を超えている。
また、比較例１及び２では、いずれも、ＣａＯが１６．５％及び２４．３％であり、１０％以上の高い値である。これに対し、発明例では、いずれも、ＣａＯが１．０％以下であり、比較例に比べて、著しく低下している。
また、発明例の介在物は、ＴｉＯ２やＳｉＯ２がほとんど検出されない（例えば１．０％以下である）。ＡｌやＡｌ−Ｓｉで十分に脱酸されている場合、非金属介在物にＴｉＯ２やＳｉＯ２はほとんど含まれない。
【００９５】
Ａｌ２Ｏ３とＲＥＭ酸化物とが主成分の介在物中に、ＣａＳ、ＭｎＳ、ＲＥＭ硫化物、及び、ＭｇＯの１種又は２種以上（化合物層）が存在していても、介在物の大きさへの影響は小さい。例えば、表１中、発明例１の非金属介在物の場合、外数で、ＭｎＳ＝３１．１質量％、ＣａＳ＝１０．２質量％（合計：４１．３質量％）、が存在し、発明例２の非金属介在物の場合、外数で、ＭｎＳ＝１１．２質量％、ＣａＳ＝１３．６質量％（合計：２４．５質量％）、が存在する。
【００９６】
このように、ＣａＳやＭｎＳが、Ａｌ２Ｏ３とＲＥＭ酸化物とが主成分の介在物中に、０〜４２％程度存在していても、調査の範囲内では、介在物の大きさは小さく保たれ、また、ＣａＳやＭｎＳの存在が疲労特性に影響を及ぼさず、ＣａＳやＭｎＳの存在が疲労特性に及ぼす影響は十分に小さいことを確認している。
【００９７】
本実施形態に係る低酸素清浄鋼の好ましい製造方法について、説明する。
【００９８】
実施形態に係る低酸素清浄鋼は、通常の鋼材と同様に、精錬工程、鋳造工程によって得られた鋼片を、圧延等によって加工すればよい。鋳造工程、圧延等の加工工程については、所望の形状及び特性を有するよう任意の方法を採用することができる。
ただし、本実施形態に係る低酸素清浄鋼は、質量％で、Ａｌ：０．００５〜０．２０％、Ｃａ：０．０００５％以下、Ｔ．Ｏ：０．００３％以下で、Ｃａ／Ｔ．Ｏ：０．５０以下の溶鋼に、ＲＥＭ：０．００００５〜０．０００４％を添加することが重要である。
そのため、精錬工程においては、以下の要領でＣａ含有量を制限するとともに、以下の方法でＲＥＭを溶鋼に含有させることが好ましい。
【００９９】
＜Ｃａ含有量を制限する方法＞
溶鋼の精錬及び成分調整を行う際、溶鋼に各種の副原料及び合金鉄を添加する。一般に、副原料や合金鉄は、Ｃａを種々の形態で含んでいるので、Ｃａ含有量を０．０００５％以下にするためには、副原料及び合金鉄の添加のタイミング及びこれらに含まれるＣａ分の管理が重要である。
【０１００】
合金鉄中のＣａは、合金成分として含まれる割合が高く、Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉで脱酸した溶鋼の場合、溶鋼中でのＣａの歩留りがよい。そのため、Ｃａ分の高い合金鉄等の添加は避ける必要がある。
【０１０１】
それ故、例えば、Ｃａ≦１．０％の合金鉄を使用して、Ｃａの添加量を低減することが望ましい。また、造滓材として添加する生石灰、ドロマイト等は、Ｃａを主に酸化物の形態で含むので、十分に浮上分離すればスラグ中に取り込まれる。しかしながら、二次精錬の末期では十分に浮上分離しきれないので、添加を避ける。なお、造滓材として、生石灰、ドロマイトの他、ＣａＯ含有のリサイクルスラグを用いてもよい。
【０１０２】
また、Ａｌ脱酸鋼やＡｌ−Ｓｉ脱酸鋼において、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物の生成を抑制するには、溶鋼にＣａＯを懸濁させないことが重要である。二次精錬の末期には、多量にＣａＯを含有するスラグと溶鋼の撹拌を抑制する。例えば、取鍋内へのＡｒ吹込みによる強撹拌等は避けるべきである。なお、ＲＥＭ濃度の均一化等の観点で溶鋼の攪拌を行う場合には、電磁攪拌など、スラグが溶鋼中に巻き込まれないような攪拌方法を用いる。
【０１０３】
＜ＲＥＭ添加方法＞
ＣａＯは、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする介在物に付着して、粗大化を促進する結合剤として機能する。このＣａＯを還元する作用をなすＲＥＭを、Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉによって十分に脱酸して取鍋スラグ精錬が完了した溶鋼に、０．００００５〜０．０００４％添加する。ＡｌまたはＡｌ−Ｓｉ脱酸が行われる前にＲＥＭを添加すると、介在物が粗大化するため望ましくない。
【０１０４】
例えば、一般的な取鍋電極加熱−真空脱ガスの二次精錬工程においては、溶鋼を取鍋電極加熱で脱酸した後、真空脱ガス工程で、ＲＥＭを溶鋼に添加する。また、タンディッシュや、鋳型内の溶鋼へＲＥＭを添加してもよい。
【０１０５】
ＲＥＭは、溶鋼への添加量が微量であるので、添加後、溶鋼のＲＥＭ濃度が均一になるように、溶鋼を撹拌するのが好ましい。溶鋼の攪拌は、真空脱ガス処理時の真空槽内での撹拌、タンディッシュ内での溶鋼流動による撹拌、鋳型内での電磁撹拌を活用することができる。
ＲＥＭは、Ｃｅ、Ｌａ等の純金属、ＲＥＭ金属の合金又は他合金との合金のいずれで添加してもよく、添加時の形状は、歩留りの点から、塊状、粒状、又は、ワイヤー状が好ましい。
【０１０６】
なお、本実施形態に係る低酸素清浄鋼製品は、本実施形態に係る低酸素清浄鋼を任意の方法で加工することによって製造することができる。
【実施例】
【０１０７】
次に、本発明の実施例について説明する。ただし、本実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例である。そのため、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。【０１０８】
（実施例１）
表２−１に示す成分組成の溶鋼を鋳造して鋼片を製造した。精錬時のスラグ組成と副原料条件とを表２−２に併せて示す。「副原料条件」の欄には、溶鋼に投入するＣａ源（ＣａＳｉまたはＦｅＳｉ）と、ＦｅＳｉのＣａ質量％を示した。成分組成の残部はＦｅ及び不純物である。【０１０９】
上記鋼片を対象とし、極値統計法により予測面積３００００ｍｍ２における非金属介在物の鋼片極値統計（最大予測径）（μｍ）を推定した。結果を表２−２に併せて示す。鋼片極値統計が３０μｍ以下であれば合格（Ｇ：ＧＯＯＤ）とし、３０μｍ超、３７μｍ以下を（Ｂ：ＢＡＤ）とし、３７μｍ超を（ＶＢ：ＶＥＲＹ  ＢＡＤ）とした。図６（ａ）及び（ｂ）に、Ｎｏ．２−１の発明例の非金属介在物の形態を示し、図６（ｃ）及び（ｄ）に、Ｎｏ．２−２の比較例の非金属介在物の形態を示す。【０１１０】
【表２−１】
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【０１１１】
【表２−２】
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【０１１２】
表２において、Ｎｏ．１−１の鋼片極値統計は１８．８μｍ（＜３０μｍ）である。Ｎｏ．２−２は、ＲＥＭが無添加であるので、介在物が改質されておらず、鋼片極値統計が３１．０μｍであった。このＮｏ．２−２では、介在物が疲労破壊の起点となった。【０１１３】
表中の介在物の鋼片極値統計は、極値統計法を用いて以下の要領で算出した。
すなわち、本発明鋼を湾曲型連鋳機で鋳造した後、減面比１．８以上で圧延した鋼片において、鋼片のＬ断面（ルーズ面の中心線と、この対向面の中心線、及び、鋼片の中心線を含む断面）のルーズ面側から１／４の位置の部位から鋼試料を採取して、検査基準面積：１００ｍｍ２（１０ｍｍ×１０ｍｍの領域）、検査視野：１６（つまり検査回数１６回）、予測を行う面積：３００００ｍｍ２の条件で測定した極値統計法に基づいて算出した。介在物の最長径ａ、及び、最長径と垂直に交わる短径ｂより、√ａｒｅａ＝（ａ２＋ｂ２）１／２で算出した。ここで、ルーズ面とは、湾曲型連鋳機の湾曲部から水平部において、上面側であった面をさす。【０１１４】
極値統計による介在物の最大予測径（√ａｒｅａ（ｍａｘ））の推定は、例えば、「金属疲労  微小欠陥と介在物の影響」（村上敬宜著、養賢堂、１９９３年発行、ｐ２２３〜２３９）に記載の方法による。用いた方法は、二次元的検査により一定面積内で観察される最大介在物を推定するという二次元的方法である。【０１１５】
上記の極値統計法によって、光学顕微鏡で撮像した非金属介在物の画像から検査基準面積（１００ｍｍ２）から、予測面積（３００００ｍｍ２）の介在物の最大予測径√ａｒｅａ（ｍａｘ）を推定した。具体的には、観察で得られた介在物の最大径の１６個のデータ（１６視野のデータ）を上記文献に記載の方法に従い、極値確率用紙にプロットして、最大介在物分布直線（最大介在物と極値統計基準化変数の一次関数）を求め、最大介在物分布直線を外挿することにより、面積：３００００ｍｍ２における介在物の最大予測径√ａｒｅａ（ｍａｘ）を推定した。【０１１６】
また、非金属介在物の特定は、光学顕微鏡によって、１０００倍の倍率で観察を行い、コントラストの違いから、非金属介在物を判別した。コントラストの違いによる判別法の妥当性は、予め、エネルギー分散型Ｘ線分光分析装置付き走査型電子顕微鏡にて確認した。また、複数の介在物を分析し、介在物の組成の平均割合も求めた。【０１１７】
（実施例２）
本発明鋼が適用される用途の鋼材に対する要求特性のひとつに、転動疲労特性や面疲労特性のような接触疲労特性がある。そのため、以下の要領で、ラジアル転動疲労特性の評価を行った。【０１１８】
ＳＵＪ２の鋼種の成分をベースに、介在物の最大予測径が異なるように、Ｃａ、ＲＥＭ、Ｔ．Ｏ等を変更した複数の溶鋼から得られた鋳片を、加熱炉において、１２００〜１２５０℃で２５〜３０時間保持し、セメンタイトの球状化処理を行い、その後、１０００〜１２００℃で分塊圧延を行った。得られた鋼片を９００〜１２００℃に加熱して、φ６５ｍｍまで圧延し、ラジアル転動疲労試験片の素材とした。【０１１９】
図７に、ラジアル転動疲労試験片の作製態様を示す。図７（ａ）に、ラジアル転動疲労試験片の素材の形状を示し、図７（ｂ）に、ラジアル転動疲労試験片の採取態様を示し、図７（ｃ）に、採取したラジアル転動疲労試験片の最終形状を示す。【０１２０】
φ６５ｍｍのラジアル転動疲労試験片（以下「試験片」という。）の素材から、図７（ａ）に示す形状（φ１２．２ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）の丸棒（両端にセンター穴を有し、一方の端部に、端面から５ｍｍのところにφ３ｍｍ貫通穴を有する。）を作製した。【０１２１】
この丸棒を、誘導加熱炉で８４０℃×３０分加熱した後、５０℃の油で焼入れを行い、その後、１８０℃×９０分間焼鈍して空冷した。熱処理後の丸棒から、図７（ｂ）に示すように、丸棒の両端は廃棄し、中央部から、図７（ｃ）に最終形状を示す２２ｍｍの試験片を４個採取し、ラジアル転動疲労試験に供した。【０１２２】
ラジアル転動疲労試験は、ラジアル転動疲労試験機（商品名「円筒型疲れ寿命試験機」、ＮＴＮ社製）を用い、試験片１２個につき、試験荷重：６００ｋｇｆ、繰返し速度：４６２４０ｃｐｍ、中止回数：１×１０８回で実施した。【０１２３】
図８に、各試験片の極値統計法で得た最大予測径（鋼片極値統計）と、ラジアル転動疲労試験で得られた破断最短寿命との関係を示す。鋼片極値統計が３０μｍ以下で、８×１０７以上の破断最短寿命が得られている。【０１２４】
（実施例３）
次に、小野式回転曲げ試験を行い、回転曲げ疲労特性を評価した。図９に、回転曲げ疲労特性の評価のために作製した試験片の形状を示す。【０１２５】
図９に示す寸法で作製した試験片を用いて、小野式回転曲げ試験を行った。試験片には、高周波焼入れ（周波数１００ｋＨｚ）を施した。高周波焼入れ時の冷媒は、水道水又はポリマー焼入剤を用いた。焼入れ後、１５０℃で１ｈｒの焼戻し処理を施した。試験結果を表３に示し、図１０に、最大応力と耐久回数との関係を示す。【０１２６】
【表３】
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【０１２７】
表３及び図１０から、発明鋼の回転曲げ疲労特性は、比較鋼に比べ遥かに優れていることが解る。【０１２８】
以上のとおり、本発明鋼は、従来鋼に比べ、疲労特性が遥かに優れている。そのため、本発明鋼で製造した鋼製品の寿命が大幅に伸びることは明らかである。【０１２９】
以上、本発明鋼の機械特性の向上については、介在物が大きく影響する疲労特性に着目して検証したが、対象とした全ての鋼において、非金属介在物の微細化を確認した。したがって、本発明鋼においては、疲労特性の他、鋳造、プレス、その他の加工に必要な機械特性（靱性、延性等）も当然に向上していると推測される。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
前述したように、本発明によれば、鋼中に、Ａｌ脱酸溶鋼又はＡｌ−Ｓｉ脱酸溶鋼に微量のＲＥＭを添加してＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物を改質した、高融点でかつ凝集し難いＡｌ２Ｏ３−ＲＥＭ酸化物と、ＲＥＭ硫化物、ＭｇＯ、又は、その両方を含有する微細な非金属介在物が存在するので、疲労特性が優れた鋼を提供することができ、その他の機械特性の改善も期待できる。その結果、上記鋼で製造した鋼製品の寿命が大幅に伸びるので、本発明は、鉄鋼製造産業及び鉄鋼加工産業において利用可能性が高いものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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