(57)【要約】【課題】疲労特性および耐水素割れ性に優れた鍛造用鋼塊を提供する。【解決手段】鋳型により形成される鍛造用鋼塊であって、鋼塊下部において鋼断面で観察される長径５〜１０μｍの介在物の密度（ＤＢＯＴ）が、１０〜８０個／ｃｍ２であり、鋼塊上部において鋼断面で観察される長径５〜１０μｍの介在物の密度（ＤＴＯＰ）が、２０〜９０個／ｃｍ２であり、鋼断面において観察される長径４０μｍ以上の介在物の密度が、前記鋼塊下部、前記鋼塊上部の双方において５個／ｃｍ２以下であり、かつ（ＤＴＯＰ）／（ＤＢＯＴ）≧［Ｓ（ｐｐｍ）］／１８を満たす鍛造用鋼塊。【選択図】図８
2008266768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型により形成される鍛造用鋼塊であって、鋼塊下部（重力方向の端部であって、該端部から鋼塊全高の２０％以内の部位）において鋼断面で観察される長径５〜１０μｍの介在物の密度（ＤＢＯＴ）が、１０〜８０個／ｃｍ２であり、鋼塊上部（前記鋼塊下部の反対側の端部であって、該端部から鋼塊全高の２０％以内の部位）において鋼断面で観察される長径５〜１０μｍの介在物の密度（ＤＴＯＰ）が、２０〜９０個／ｃｍ２であり、鋼断面において観察される長径４０μｍ以上の介在物の密度が、前記鋼塊下部、前記鋼塊上部の双方において５個／ｃｍ２以下であり、かつ下記（１）式を満たす鍛造用鋼塊。
【数１】
2008266768.tif 000008
但し、［Ｓ］は、鋼中のＳの含有量（質量ｐｐｍ）を示す。
【請求項２】
Ｃ：０．２〜０．６％（質量％の意味。以下、同じ。）
Ｓｉ：０．０５〜０．５％
Ｍｎ：０．２〜１．２％
Ｎｉ：０．１〜３．５％
Ｃｒ：０．９〜２．５％
Ｍｏ：０．１〜０．７％
Ｖ：０．００５〜０．２％
Ａｌ：０．０１〜０．１％
Ｓ：０．００５％以下（０％を含まない）
Ｔｉ：０．００５％以下（０％を含まない）
Ｏ：０．００１５％以下（０％を含まない）
を含み、残部が鉄及び不可避的不純物からなる請求項１記載の鍛造用鋼塊。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造塊法により製造される鍛造用鋼塊に関するものである。本発明の鍛造用鋼塊を用いて製造される鍛鋼品は、機械、船舶、発電器等の産業分野で広く有効に活用されるものであり、特に回転運動部品のように高い疲労強度が要求される部品に適している。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、船舶のクランク軸の耐水素割れ性を向上させるため、鋼中に含まれる最大弦長が１μｍ以上の介在物の円形度の平均値（以下、平均円形度という。）が０．５以上、最大弦長が２０μｍ以上の介在物の個数が１００ｍｍ２あたり４０個未満で、その平均円形度が０．２５以上、および最大弦長が１〜１０μｍの介在物の個数が１００ｍｍ２あたり１００個以上とする鍛造用鋼が記載されている。
【０００３】
特許文献２には、クランクシャフトの被削性及び耐摩耗性を向上させる目的で、Ｃ：０．６２〜０．８０％、Ｓｉ：０．６０％以下、Ｍｎ：０．３０〜１．８０％、Ｓ：０．０４〜０．３５％、Ｃｒ：０．０５〜０．５０％、Ａｌ：０．００５％未満、Ｏ：０．００２０％以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、熱間鍛造後の組織が初析フェライト分率３％以下のパーライト主体であり、且つ厚み２０μｍ以下の硫化物系介在物を含有する鋼材が記載されている。
【特許文献１】特開２００６−３３６０９２号公報
【特許文献２】特開２００２−１９４５０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
船舶用の部品において、近年特に問題となるのは、水素性の欠陥による水素割れと、介在物欠陥による疲労強度の低下である。しかしながら、上記従来の技術では、被削性及び耐摩耗性には優れていても、過酷な使用環境下でも破壊し難い十分な疲労特性、及び十分な耐水素割れ性を有する鍛造用の鋼塊を製造するには至っていない。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、疲労特性及び耐水素割れ性の双方に優れた鍛造用鋼塊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】
【０００５】
水素割れを防止するためには、通常は鋼材中の水素を捕捉するＭｎＳ系介在物を鋼材中に分布させる。しかし、ＭｎＳ系の介在物は、耐水素割れ性を向上する一方で、鋼材の疲労強度を低下させてしまう。したがって、このようなトレードオフの関係にある耐水素割れ性と、疲労強度の双方を同時に向上させることは非常に難しい。
【０００６】
このような状況下、本発明者らは、水素割れの原因となる鋼中の水素濃度が、一つの鋼塊の中でも、鋼塊下部よりも鋼塊上部において高いことを見出した。更に研究を進めたところ、鋼塊上部・下部における介在物密度の比と、介在物の形成に関連が深いＳ（硫黄）の濃度とが一定の関係を満たすとき、鋼塊の疲労強度を低下させることなく、鍛造用鋼塊の水素割れを防止できることを突き止め、本発明を完成させた。
【０００７】
上記目的を達成し得た本発明の鍛造用鋼塊は、
鋳型により形成される鍛造用鋼塊であって、鋼塊下部（重力方向の端部であって、該端部から鋼塊全高の２０％以内の部位）において鋼断面で観察される長径５〜１０μｍの介在物の密度（ＤＢＯＴ）が、１０〜８０個／ｃｍ２であり、鋼塊上部（前記鋼塊下部の反対側の端部であって、該端部から鋼塊全高の２０％以内の部位）において鋼断面で観察される長径５〜１０μｍの介在物の密度（ＤＴＯＰ）が、２０〜９０個／ｃｍ２であり、鋼断面において観察される長径４０μｍ以上の介在物の密度が、前記鋼塊下部、前記鋼塊上部の双方において５個／ｃｍ２以下であり、かつ下記（１）式を満たす鍛造用鋼塊。
【０００８】
【数１】
2008266768.tif 000003
但し、［Ｓ］は、鋼中のＳの含有量（質量ｐｐｍ）を示す。
【０００９】
上記鍛造用鋼塊は、
Ｃ：０．２〜０．６％（質量％の意味。以下、同じ。）
Ｓｉ：０．０５〜０．５％
Ｍｎ：０．２〜１．２％
Ｎｉ：０．１〜３．５％
Ｃｒ：０．９〜２．５％
Ｍｏ：０．１〜０．７％
Ｖ：０．００５〜０．２％
Ａｌ：０．０１〜０．１％
Ｓ：０．００５％以下（０％を含まない）
Ｔｉ：０．００５％以下（０％を含まない）
Ｏ：０．００１５％以下（０％を含まない）
を含み、残部が鉄及び不可避的不純物からなるものであることが推奨される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、鋼塊下部における微小介在物の密度と、鋼塊上部における微小介在物の密度と、鋼塊下部・鋼塊上部における粗大介在物の密度を調整し、かつ鋼塊上部・下部における介在物密度の比と、鋼中のＳ濃度とが一定の関係を満たすことにより、疲労特性及び耐水素割れ性に優れた鍛造用鋼塊を製造できることである。
【００１１】
例えば、現状のクランク軸には、１シリンダー当たり２０００ｋＷの出力に対応する負荷が想定されているが、今後の大型船舶用のクランク軸等では、燃費向上を目的としたエンジンの小型化、軽量化の要望に応えるため、これに耐える疲労特性を備える必要がある。そのためにはクランク軸のサイズに関わらず耐久限度比（疲労強度／引張強度）が０．４５以上必要であるが、本発明により、この要件を満たすクランク軸を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
造塊法により製造される鋼塊は、図１に示すように、沈殿晶帯である鋼塊下部と、最終凝固部である鋼塊上部において介在物の密度が高くなる。したがって、鋼塊下部や鋼塊上部では、鋼塊の耐水素割れ性や疲労特性が顕著に反映される部分であり、鋼塊の特性を特定する部位として適している。
【００１３】
なお、本発明においては、図２に示すように、
鋼塊下部：鋼塊の重力方向の端部であって、該端部から鋼塊全高の２０％以内の部位
鋼塊上部：鋼塊下部の反対側の端部であって、該端部から鋼塊全高の２０％以内の部位
とそれぞれ定義する。
【００１４】
（鋼塊下部の微小介在物の密度（ＤＢＯＴ）：１０〜８０個／ｃｍ２）
上記のように、鋼中に微小な介在物を分散させることにより、耐水素割れ性を向上させることができるが、この効果を有効に発揮させるためには、鋼塊下部の鋼断面で観察される微小介在物（長径５〜１０μｍ）を１０個／ｃｍ２以上（より好ましくは２０個／ｃｍ２以上、さらに好ましくは３０個／ｃｍ２以上）とする必要がある。一方、微小介在物といえども、多く含みすぎると、図３〜図５の走査型電子顕微鏡写真に示すように、介在物群を形成し、粗大介在物と同様に疲労破壊の起点となってしまう。したがって、鋼断面で観察される微小介在物は、８０個／ｃｍ２以下（より好ましくは７０個／ｃｍ２以下、さらに好ましくは６０個／ｃｍ２以下）とする必要がある。
【００１５】
なお実際には、５μｍ未満の介在物も耐水素割れ性を持つから、５μｍ未満の介在物も微小介在物としてカウントすることも考えられる。しかし、５μｍ未満の介在物は、５〜１０μｍの介在物とほぼ同様の分布特性を持つことから、５〜１０μｍの介在物の個数をカウントするだけでも、耐水素割れ性を判定するには十分である。よって、５μｍ未満の介在物をカウントの対象から外すことにより、追試の利便性を向上させた。
【００１６】
（鋼塊上部の微小介在物の密度（ＤＴＯＰ）：２０〜９０個／ｃｍ２）
鋼塊上部では、鋼断面で観察される微小介在物（長径５〜１０μｍ）を２０個／ｃｍ２以上（より好ましくは３０個／ｃｍ２以上、さらに好ましくは４０個／ｃｍ２以上）とする必要がある。また、上記のように、微小介在物といえども多く含みすぎると介在物群を形成し、粗大介在物と同様に疲労破壊の起点となってしまう。したがって、鋼断面で観察される微小介在物は、９０個／ｃｍ２以下（より好ましくは８０個／ｃｍ２以下、さらに好ましくは７０個／ｃｍ２以下）とする必要がある。
【００１７】
（粗大介在物の密度：５個／ｃｍ２以下）
粗大介在物は、疲労破壊の起点となってしまうため、鋼塊上部および鋼塊下部の双方において、鋼断面で観察される粗大介在物（長径４０μｍ以上）を５個／ｃｍ２以下（より好ましくは４個／ｃｍ２以下、さらに好ましくは３個／ｃｍ２以下）とする必要がある。
【００１８】
（  （ＤＴＯＰ）／（ＤＢＯＴ）≧［Ｓ］／１８  ）
本発明者らが鋼塊の水素濃度について調べたところ、図６に示すように、鋼塊下部よりも鋼塊上部において水素濃度が高いことを見出した。また、鋼塊上部での耐水素割れ性及び耐久限度比についても調査した。その結果を図７に示す。図７は、縦軸に（ＤＴＯＰ）／（ＤＢＯＴ）、横軸に［Ｓ］をとり、耐水素割れ性及び耐久限度比が所定の基準を満たしたものを（●）、満たさなかったものを（×）として、それぞれプロットしたものである。（●／×）の判定基準は、後述する表１〜３における「総合評価」の（●／×）の判定基準と同じである。
【００１９】
［Ｓ］は、鋼中のＳの濃度（質量ｐｐｍ）を示すものである。図７から、（ＤＴＯＰ）／（ＤＢＯＴ）＝［Ｓ］／１８で示される直線を境に、直線の上側に（●）のケース、下側に（×）のケースがそれぞれ出現していることがわかる。
【００２０】
図７では、鋼中のＳ濃度が高い領域では、（ＤＴＯＰ）／（ＤＢＯＴ）の値が高くなければ、即ち、鋼塊下部に比較して鋼塊上部の微小介在物濃度が高くなければ、鋼塊上部において水素割れが発生してしまうことを表している。しかし、注目すべきことに、鋼中のＳ濃度が低い領域では、（ＤＴＯＰ）／（ＤＢＯＴ）の値が高くなくとも、水素割れは発生していない。例えば、（ＤＴＯＰ）／（ＤＢＯＴ）の値が１を下回るような場合であっても水素割れは発生していない。
【００２１】
例えば、鋼中のＳ濃度が０．００３％の場合、鋼塊中に許容される水素値は、１．５ｐｐｍであるのに対して、Ｓ濃度が０．００１％になると、許容される水素値は、１．０ｐｐｍと非常に低い値となる。通常、１本の鋼塊から、１本のクランク軸を製造する場合、水素値の範囲は、０．５〜１．８ｐｐｍ程度である。
【００２２】
後述するように、本発明者らは、水素値を１．２ｐｐｍ以下に抑えるプロセスも可能としたため、Ｓ濃度を０．００３％以下としても、水素割れを発生させずに鍛造用鋼塊を製造することが可能となった。これにより、Ｓ濃度を更に低減する余地が生まれた。
【００２３】
通常は、疲労特性を向上させようとしてＳ濃度を低くすると水素割れを起こしやすくなるが、図７からは、Ｓ濃度を低くしても（ＤＴＯＰ）／（ＤＢＯＴ）≧［Ｓ］／１８という条件さえ満足すれば耐水素割れ性と疲労特性は保たれることになる。これにより、鋼塊の疲労特性と耐水素割れ性のバランスを従来よりも改善することができるものと考えられる。
【００２４】
（鋼塊の化学成分）
本発明は、以上説明したように、鋼材中に存在する介在物の大きさや密度を制御したところに特徴を有しており、鋼の基本組成は特に制限されないが、例えばクランク軸等として求められる強度や靭性、更には疲労特性を満足するには、鋼材の一般的技術水準に照らして下記基本組成を満たすことが望ましい。
【００２５】
（Ｃ：０．２〜０．６％）
Ｃは強度向上に寄与する元素であり、クランク軸に十分な強度を確保するには、例えば０．２％以上、より好ましくは０．２５％以上、更に好ましくは０．３％以上含有させるのがよい。しかしＣ量が多過ぎるとクランク軸の靭性を劣化させるので、例えば０．６％以下、より好ましくは０．５５％以下、更に好ましくは０．５％以下に抑える。
【００２６】
（Ｓｉ：０．０５〜０．５％）
Ｓｉは、強度向上元素として作用し、クランク軸に十分な強度を確保するには、例えば０．０５％以上、より好ましくは０．１％以上、更に好ましくは０．１５％以上含有させるのがよいが、多過ぎると逆Ｖ偏析が著しくなって清浄な鋼塊が得られ難くなるので、例えば０．５％以下、より好ましくは０．４５％以下、さらに好ましくは０．４％以下とする。
【００２７】
（Ｍｎ：０．２〜１．２％）
Ｍｎも焼入れ性を高めると共に強度向上に寄与する元素であり、十分な強度と焼入れ性を確保するには、例えば０．２％以上、より好ましくは０．５％以上、更に好ましくは０．８％以上含有するものが望ましいが、多過ぎると逆Ｖ偏析を助長する場合もあるので、例えば１．２％以下、好ましくは１．１％以下、より好ましくは１％以下とする。
【００２８】
（Ｎｉ：０．１〜３．５％）
Ｎｉは、靭性向上元素として有用な元素であり、例えば０．１％以上、好ましくは０．２％以上含有させることが奨励されるが、Ｎｉ量が過剰になるとコストアップとなるので、３．５％以下、好ましくは３％以下とする。
【００２９】
（Ｃｒ：０．９〜２．５％）
Ｃｒは焼入れ性を高めると共に靭性を向上させる有効な元素であり、それらの作用は例えば０．９％以上、好ましくは１．１％以上、さらに好ましくは１．３％以上含有させる。しかし多過ぎると逆Ｖ偏析を助長して高清浄鋼の製造を困難にする場合があるので、例えば、２．５％以下、好ましくは２．３％以下、より好ましくは２．１％以下とする。
【００３０】
（Ｍｏ：０．１〜０．７％）
Ｍｏは、焼入れ性、強度、靭性の全ての向上に有効に作用する元素であり、それらの作用を有効に発揮させるには、例えば０．１％以上、より好ましくは０．２％以上、さらに好ましくは０．２５％以上含有させる。しかし、Ｍｏは平衡分配係数が小さくミクロ偏析（正常偏析）を生じ易くするので、例えば０．７％以下、好ましくは０．６％以下、より好ましくは０．５％以下とする。
【００３１】
（Ｖ：０．００５〜０．２％）
Ｖは、析出強化及び組織微細化効果があり、鋼材の高強度化に有用な元素である。この様な作用を有効に発揮させるには、Ｖを例えば０．００５％以上、好ましく０．０１％以上は含有させることが推奨される。但し、過剰に含有させても上記効果は飽和してしまい、経済的に無駄であるので、０．２％以下、より好ましくは０．１５％以下とする。
【００３２】
（Ａｌ：０．０１〜０．１％）
Ａｌは、製鋼工程における脱酸元素として有効であり、また鋼の耐割れ性にも有効である。従って、Ａｌ量は、例えば０．０１％以上、好ましくは０．０１５％以上含有させることが奨励される。一方、Ａｌは、ＡｌＮ等の形でＮを固定し、ＮおよびＶ等の配合による鋼の強化作用を阻害する他、種々の元素とも結合し、非金属介在物や金属間化合物を生成し、鋼の靭性を低下させる場合もあるので、好ましくは、例えば０．１％以下、より好ましくは０．０８％以下とする。
【００３３】
（Ｓ：０．００５％以下（０％を含まない））
Ｓは、鍛造用鋼中で粗大な介在物を形成し易いため、鍛造用鋼塊の疲労強度を低下させる場合がある。したがって、鋼中のＳの含有量は、例えば０．００５％以下、好ましくは０．００４５％以下、より好ましくは０．００４％以下、さらに好ましくは０．００３５％以下とする。
【００３４】
一方、鍛造用鋼中に微細なＳ系介在物が一定密度以上含まれる場合、鋼中に多数の応力場が形成され、固溶限を超えた鋼中の余剰水素を捕捉しやすく、鋼の耐水素割れ性を改善する効果がある。
【００３５】
このようなＳ系介在物を確保するために、鋼中のＳの含有量を、好ましくは０．０００２％以上、より好ましくは０．０００４％以上、一層好ましくは０．０００６％以上、さらに好ましくは０．０００８％以上とする。
【００３６】
Ｓ含有量は、溶製時のスラグ組成を制御することによって調整できる。具体的には、スラグ中のＣａＯ濃度とＳｉＯ２濃度の比（ＣａＯ／ＳｉＯ２：以下、「Ｃ／Ｓ」と記載することがある）を高くすることにより鋼中のＳ含有量を低下させることができる。また、補足的手段として、ＣａＯ濃度とＡｌ２Ｏ３濃度の比（ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３：以下、「Ｃ／Ａ」と記載することがある）も高くすることにより、鋼中のＳ含有量を低下させることができる。逆に、Ｓ含有量を多くしたい場合は、Ｃ／Ｓおよび／またはＣ／Ａが小さくなるようにスラグ組成を調整する。
【００３７】
（Ｔｉ：０．００５％以下（０％を含まない））
Ｔｉは、鋼中で粗大な窒化物を形成し、鍛造用鋼の疲労強度を低下させてしまう場合がある。したがって、鋼中のＴｉの含有量は、例えば０．００５％以下、好ましくは０．００４％以下、より好ましくは０．００３％以下とする。
なお、Ｔｉは、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ４Ｃ２Ｓ２のような微細介在物を構成して鋼中に分散し、固溶限を超えた鋼中の余剰水素を吸蔵捕捉し、鋼の耐水素割れ性を改善する効果がある。このようなＴｉ系介在物を確保する場合は、鋼中のＴｉの含有量を、例えば０．０００２％以上、好ましくは０．０００４％以上、より好ましくは０．０００６％以上とする。
【００３８】
Ｔｉ含有量については、副原料中の不純物Ｔｉ含有量が多い合金（低品位合金）と、不純物Ｔｉ含有量が少ない合金（高品位合金）との使用量比を調節することにより調整できる。
【００３９】
（Ｏ：０．００１５％以下（０％を含まない））
Ｏ（酸素）は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ等の酸化物を形成し、介在物となって鋼塊の疲労強度を低下させる元素である。したがって、Ｏは極力低減することが好ましく、トータル酸素量は、０．００１５％以下、より好ましくは０．００１％以下とする。
【００４０】
本発明で使用される鍛造用鋼の好ましい基本成分は上記の通りであり、残部成分は実質的にＦｅであるが、該鍛鋼中には不可避的な不純物の含有が許容される。不可避的不純物としては、例えば、Ｐや、Ｎ等が挙げられ、例えばＰは、０．０３％以下となることが好ましく、０．０２％以下となることがより好ましい。また、前記本発明の作用に悪影響を与えない範囲で更に他の元素を積極的に含有させた鍛造用鋼を使用することも可能である。
【００４１】
積極添加が許容される他の元素の例としては、焼入れ性改善効果を有するＢ、固溶強化元素または析出強化元素であるＷ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｃｅ，Ｚｒ，Ｔｅなどが挙げられ、それらは単独で或いは２種以上を複合添加できる。これらの添加元素は、例えば、合計量で０．１％程度以下であることが望ましい。
【実施例】
【００４２】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術範囲に含まれる。
【００４３】
鋳型に注入する溶鋼の清浄度を上げて、鋼塊下部において鋼断面で観察される長径５〜１０μｍの介在物の密度を１０〜８０個／ｃｍ２程度、鋼塊上部において鋼断面で観察される長径５〜１０μｍの介在物の密度（ＤＴＯＰ）を２０〜９０個／ｃｍ２程度、長径４０μｍ以上の介在物の密度を５個／ｃｍ２程度以下とするためには、次に説明する方法により鋼を精錬することが推奨される。
【００４４】
この精錬方法は、転炉又は電気炉から出鋼された溶鋼に対し１回目の２次精錬を行い、該１回目の２次精錬終了後の溶鋼に対して脱ガス処理を行い、該脱ガス処理後の溶鋼に対して２回目の２次精錬を行うことにより高清浄鋼を製造するものである。
【００４５】
すなわち、スラグ巻き込みに起因する介在物が少なく、高い清浄度を備えた高清浄鋼を製造するためには、転炉により製造された溶鋼に対して、２次精錬処理→脱ガス処理→２次精錬処理という順序で、２回の２次精錬を行うことが有効である。
【００４６】
１回目の２次精錬処理は溶鋼成分の所定のものとする処理であって、脱ガス処理は溶鋼内に存在する水素等のガス成分の除去を行う処理であるため、両処理とも溶鋼表面に浮かぶスラグの巻き込みを極力抑制しながらも、攪拌動力密度を大きくする必要がある。
【００４７】
一方、２回目の２次精錬処理には、脱ガス処理で一旦溶鋼中に巻き込んだスラグを浮上分離させる機能を主に担わせており、溶鋼を加熱保持しつつ新たなスラグ巻き込みが発生しないように低攪拌動力密度で攪拌を行う必要性がある。
【００４８】
具体的には、１回目の２次精錬処理では、攪拌動力密度が５Ｗ／ｔｏｎ以上（好ましくは１０Ｗ／ｔｏｎ以上）、６０Ｗ／ｔｏｎ以下（好ましくは５０Ｗ／ｔｏｎ以下）となるように吹き込みガスの流量を調整すると共に、前記脱ガス処理後のスラグ組成が、ＣａＯ／ＳｉＯ２≧３．５且つＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３＝１．５〜３．５且つＴ．Ｆｅ＋ＭｎＯ≦１．０質量％となるようにスラグ調整を行なう。なお、Ｔ．Ｆｅは、鉄原子のトータル量の意味である。
【００４９】
脱ガス処理では、当該脱ガス処理の中期（途中）までは攪拌動力密度が５０Ｗ／ｔｏｎ以上、好ましくは６０Ｗ／ｔｏｎ以上で、２００Ｗ／ｔｏｎ以下、好ましくは１８０Ｗ／ｔｏｎ以下となるように吹き込みガスの流量を調整し、その後の脱ガス処理（中期以降）は攪拌動力密度が１４０Ｗ／ｔｏｎ以下、好ましくは１２０Ｗ／ｔｏｎ以下（０Ｗ／ｔｏｎを除く）となるように吹き込みガスの流量を調整する。
【００５０】
２回目の２次精錬処理では、攪拌動力密度が２５Ｗ／ｔｏｎ以下、好ましくは２０Ｗ／ｔｏｎ以下（０Ｗ／ｔｏｎを除く）となるように吹き込みガスの流量を調整する。
【００５１】
より詳細には、次の手順による。
【００５２】
まず、転炉や電気炉から取鍋に出鋼された溶鋼は、２次精錬装置へ運ばれ、１回目の２次精錬処理（以降、ＬＦ−Ｉと記載することもある）が施される。具体的には、アーク放電を発生させることにより溶鋼をＴＬ＝１６００℃程度まで加熱しつつ、フラックス供給手段を用いてフラックスを投入し、さらに、ガス吹き込み手段からＡｒガスを吹き込んで溶鋼を攪拌する。溶鋼の攪拌強度としては、下記式（２）で計算される攪拌動力密度εが５〜６０Ｗ／ｔｏｎとなるようにＡｒガスの流量を調整する。
【００５３】
なお、攪拌動力密度εの計算において、底吹きガスの吹き込み前温度Ｔｏ（Ａｒガスの吹き込み前温度）は常温（２９８Ｋ）とし、底吹きガスの吹き込み後温度Ｔｇ（Ａｒガスの吹き込み後温度）は溶鋼温度ＴＬとしている。
【００５４】
転炉や電気炉から受鋼した取鍋を最初に精錬するＬＦ−Ｉにおいては、溶鋼の加熱および成分調整が主であり、このときに適切な攪拌を行わなければ、溶鋼成分および溶鋼温度の均一化ができない。しかしながら、過剰な溶鋼攪拌は、成分と温度が均一でもスラグを巻込みやすく、後の欠陥源になり得る可能性が大きい。よって、攪拌動力密度εが５〜６０Ｗ／ｔｏｎとしている。これにより、スラグ巻込みを防止しつつ溶鋼の成分、温度の均一化が図れるようになる。
【００５５】
【数２】
2008266768.tif 000004
【００５６】
ε：攪拌動力密度（Ｗ／ｔｏｎ）
Ｔｏ：底吹きガスの吹き込み前温度（常温（２９８Ｋ））
ＴＬ：溶鋼温度（Ｋ）
ＭＬ：溶鋼量（ｔｏｎ）
ρＬ：溶鋼密度（ｋｇ／ｍ３）
Ｑｇ：底吹きガス流量（Ｎｌ／ｍｉｎ）
Ｔｇ：底吹きガスの吹き込み後温度（Ｋ）
Ｐ：雰囲気圧力（ｔｏｒｒ）
ｈｏ：溶鋼深さ（ｍ）
【００５７】
例えば、１回目の２次精錬処理（ＬＦ−Ｉ）において、取鍋のサイズや実際の溶鋼装入量ＭＬ等、幾つか条件は異なるものの、Ｑｇ／ＭＬを０．３０〜３．７５Ｎｌ／ｍｉｎ・ｔｏｎとすることで、攪拌動力密度εが４．７〜６７．２Ｗ／ｔｏｎとなっている。
【００５８】
なお、ＬＦ−Ｉにおいて、フラックスの種類や量は、後述する真空脱ガス処理終了後（言い換えれば、２回目の２次精錬処理スタート時）におけるスラグの組成が、
（ｉ）ＳｉＯ２の質量に対してＣａＯの質量が３．５倍以上となる、
（ｉｉ）Ａｌ２Ｏ３の質量に対してＣａＯの質量が１．５〜３．５倍となる、
（ｉｉｉ）スラグ組成中のＴ．Ｆｅの質量とＭｎＯの質量の総和が、スラグの全質量の
１．０％以下となる、
の３つの条件を同時に満たすように、加熱温度を制御したり、副原料（フラックス）の投入量を調整したりする。
【００５９】
１回目の２次精錬処理が完了した溶鋼は、取鍋ごと真空脱ガス装置に搬送され、当該溶鋼に対して真空脱ガス処理（以降、ＶＤと記載することもある）が施される。
詳しくは、排気装置を作動させ、排気管を通じて取鍋内であって溶鋼上方のガスを排気することにより、取鍋内の雰囲気圧力Ｐを０．５Ｔｏｒｒ程度の真空状態に近づける。加えて、ガス吹き込み手段からＡｒガスを吹き込んで溶鋼を攪拌する。以上のような方法により、溶鋼内に存在する水素等のガス成分の除去が行われる。
【００６０】
ＶＤの時間は全体で約２０分程度であり、その前半（処理時間の中期以前、前半１０分）では、攪拌動力密度εが５０〜２００Ｗ／ｔｏｎとなるように底吹きガスの流量Ｑｇを調整し、後半（処理時間の中期以降、後半１０分）は攪拌動力密度εが１４０Ｗ／ｔｏｎ以下（０Ｗ／ｔｏｎは除く）となるように底吹きガスの流量Ｑｇを調整する。
【００６１】
ＶＤにおいては、成分調整がほぼ完了した溶鋼から、水素を除去する処理が行われるが、このときも、溶鋼内へのスラグ巻込み防止と脱水素とが両立できる攪拌動力密度εを採用することが好ましい。そこで、ＶＤ処理時間の前半で、攪拌動力密度εが５０〜２００Ｗ／ｔｏｎとすることにより、スラグの巻込みを最小限に抑えつつ、脱水素を効率よく行うことができる。加えて、ＶＤ後半では、攪拌動力密度εを１４０Ｗ／ｔｏｎ以下に抑えると、巻き込んだスラグの浮上分離が促進されるようになる。
【００６２】
さらに、本実施形態の場合、ＶＤ後の溶鋼に対して２回目の２次精錬（以降、ＬＦ−ＩＩと記載することもある）を行うことにより、高清浄鋼の製造を可能とする。
すなわち、真空脱ガス処理が完了した溶鋼を、取鍋ごと２次精錬処理装置に搬送し、溶鋼に対して２回目の２次精錬処理を施す。具体的には、アーク放電を発生させることにより溶鋼をＴＬ＝１６００℃程度まで加熱しつつ、ガス吹き込み手段からＡｒガスを吹き込んで溶鋼を攪拌する。溶鋼の攪拌強度としては、式（２）で計算される攪拌動力密度εが２５Ｗ／ｔｏｎ以下（０Ｗ／ｔｏｎは除く）となるようにＡｒガスの流量Ｑｇを調整する。
【００６３】
このように、再度ＬＦ処理（ＬＦ−ＩＩ）を行うことにより、ＶＤ途中から行った「巻き込んだスラグおよび脱酸生成物の浮上分離」をさらに促進させることができる。このとき、ＬＦ−ＩＩにおける攪拌動力密度εは、新たなスラグ巻き込みを防止するために２５Ｗ／ｔｏｎ以下であることが必要である。この攪拌動力密度εで溶鋼の加熱・保持を行うことで、確実なスラグ、脱酸生成物の浮上分離が可能である。
なお、前述した如く、ＬＦ−ＩＩにおけるスラグ成分は、
（ｉ）塩基度、すなわちＣａＯ／ＳｉＯ２≧３．５、
（ｉｉ）ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３＝１．５〜３．５、
（ｉｉｉ）Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯ≦１．０質量％、
であるため、スラグ中の酸化物による溶鋼成分の再酸化が確実に防げるようになっている。
【００６４】
以上述べた高清浄鋼の製造方法を採用することにより、スラグ巻き込みに起因する介在物が少ない、高清浄鋼を製造することが可能となる。
【００６５】
得られた高清浄の溶鋼を、下注ぎ造塊法により１０〜９０トンクラス（全高２〜４ｍ）の鋳型に注入し鋼塊を製造した。凝固した鋼塊を脱型した後、約１３００度まで加熱し熱間鍛造を施し断面直径１５０〜７００ｍｍの鍛造材に仕上げた。熱間鍛造は、鋼塊本体をプレス機により伸ばした後、専用工具を用いて丸断面に成形することにより行った。
【００６６】
表１〜３には、ＬＦ−Ｉにおける攪拌動力密度ε、ＶＤ前半の攪拌動力密度ε、ＶＤ後半の攪拌動力密度ε、ＬＦ−ＩＩにおける攪拌動力密度εを種々変更した条件（条件１〜２０）に対して、さらに、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）、ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３、Ｔ．Ｆｅ＋ＭｎＯ（％）の値を変えて行った試験（試験番号１〜５９）の諸条件と、得られた鋼塊の上部・下部から切り出した試験片の物性データを示す。
【００６７】
なお、表１〜３中、「成分・温度均一化」の欄には、鋼塊の鋳込み初期〜末期のＣ成分のばらつきを（ΔＣ）、温度のばらつきを（ΔＴ）としたとき、ΔＣ≦０．０１％かつΔＴ≦２０℃の場合は（○）を記入し、その他の場合は（×）を記入している。
「水素の除去」の欄には、精錬終了直前に水素濃度［Ｈ］を測定し、［Ｈ］≦１．２ｐｐｍの場合は（○）を記入し、［Ｈ］＞１．２ｐｐｍの場合は（×）を記入している。
「スラグ巻き込み」の欄には、溶鋼サンプルの検鏡面観察において長径５μｍ以上で、かつ、Ｃａ濃度５％以上の介在物の観察視野１ｃｍ２当たりの個数が３０以下である場合は（○）を記入し、３０を超える場合は（×）を記入している。
【００６８】
表１〜３には、各試験片の鋼中Ｓ濃度（質量ｐｐｍ）、鋼塊上部に相当する部分の微小介在物（長径５〜１０μｍ）の密度（ＤＴＯＰ）、鋼塊下部に相当する部分の微小介在物（長径５〜１０μｍ）の密度（ＤＢＯＴ）、鋼塊上部に相当する部分の粗大介在物（長径４０μｍ以上）の密度、鋼塊下部に相当する部分の粗大介在物（長径４０μｍ以上）の密度を示す。介在物の個数は、試験片の検鏡面１ｃｍ２当たりの介在物数をＥＰＭＡ（日本電子製ＪＸＡ−８９００Ｌ）によって調べた。
【００６９】
なお、試験片の鋼中化学成分は、Ｃ：０．３％、Ｓｉ：０．２５％、Ｍｎ：０．５５％、Ｎｉ：１．６％、Ｃｒ：１．６％、Ｍｏ：０．２５％、Ｖ：０．０１％、Ａｌ：０．０３％、Ｓ：０．００２％、Ｔｉ：０．００３％、Ｏ：０．００１３％、Ｐ：０．０１％であった。
【００７０】
また、（ＤＢＯＴ）／（ＤＴＯＰ）×鋼中Ｓ濃度（質量ｐｐｍ）の値（この値が１８以下の場合、式（１）が満足される）、最大介在物の大きさ（○は、最大サイズ（φ球径換算）＜０．５ｍｍ、△は、０．５ｍｍ＜最大サイズ≦１．０ｍｍ、×は、最大サイズ＞１．０ｍｍを示す。）、清浄度を示す。なお、鋼塊の上部（Ｔ）、下部（Ｂ）の区別が記載されていない項目については、鋼塊上部に関する試験結果を示したものである。
但し、清浄度の欄には、ＤＩＮ  ３規格の、ＤＩＮ  Ｋ（３）≦１５を○、ＤＩＮ  Ｋ（３）＞１５を×との基準を定め、鋼塊上部で○、かつ鋼塊下部で○の場合は、清浄度の欄を○、いずれか一方が○、他方が×の場合は、清浄度の欄を△、双方×の場合は、清浄度の欄を×とした。
【００７１】
また、表１〜３には、鋼塊上部・下部における耐久限度比、鋼塊上部・下部における水素割れの試験結果を記載している。
【００７２】
（耐久限度比）
後述する引張強度試験、疲労強度試験の結果から、耐久限度比＝疲労強度／引張強度を求め、耐久限度比≧０．４５の場合は（○）、０．４０≦耐久限度比＜０．４５の場合は（△）、耐久限度比＜０．４０の場合は（×）とした。
【００７３】
（引張強度）
鍛圧後の丸棒の鋼材中心部付近から、φ６ｍｍ×ゲージ長さ３０ｍｍ（各２本）引張試験片を採取し、常温にて引張試験（ＪＩＳ  Ｚ  ２２０４、２２４１）を実施した。
【００７４】
（疲労強度）
以下に示す試験片を用いて回転曲げ疲労試験を行った。
試験片          ：  直径１０ｍｍ平滑試験片
試験方法        ：  回転曲げ疲労試験（応力比＝−１，回転数：３６００ｒｐｍ）
疲労強度評価方法：  階差法
階差応力        ：  ２０ＭＰａ
試験片本数      ：  各５本
各試験片の疲労強度＝（破断応力）−（階差応力）
【００７５】
（耐水素割れ性）
４ＭＨｚの周波数で超音波探傷試験（ＵＴ）を実施した（より詳細には、「鍛鋼品の欠陥」，日本鋳鍛鋼会，鍛鋼研究部会偏，Ｐ３２−３３）。鋼塊の中間部（１／３〜１／５Ｒ）から水素割れを示す欠陥エコーが検出された場合は、耐水素割れ性に劣る（×）、検出されなかった場合は耐水素割れ性に優れる（○）とした。但し、鋼塊幅方向の側面（表層）を０Ｒ、中心を１／２Ｒとしたときに、中心部（１／２〜１／３Ｒ）、中間部（１／３〜１／５Ｒ）、表層部（０Ｒ〜１／５Ｒ）と各部位を定義した。
【００７６】
「総合評価」の欄は、鋼塊上部・下部における耐久限度比、鋼塊上部・下部における水素割れの試験結果が全て（○）の場合には（●）を記入し、その他の場合は（×）を記入している。
【００７７】
【表１】
2008266768.tif 000005
【００７８】
【表２】
2008266768.tif 000006
【００７９】
【表３】
2008266768.tif 000007
【００８０】
なお、表３の試験番号４１、４９、５５では、鋼塊下部の粗大介在物の数が基準よりも低くなっているにもかかわらず耐久限度比（Ｂ）が（×）になっているのは、これらの試験片では水素割れが発生し、この割れに起因して疲労強度が低下したためである。
【００８１】
また、図８（ａ）は、縦軸に鋼塊上部に相当する部分の微小介在物（長径５〜１０μｍ）の密度（ＤＴＯＰ）、横軸に鋼塊上部に相当する部分の粗大介在物（長径４０μｍ以上）の密度をとり、総合評価が（●）であったものを（●）で示し、耐久限度比、水素割れの試験結果のいずれかにおいて（×）のものを（×）で示した。（ＤＴＯＰ）が２０個／ｃｍ２を下回る場合は水素割れが発生し、（×）となっている。
また、（ＤＴＯＰ）が９０個／ｃｍ２を上回る場合、及び長径４０μｍ以上の介在物の密度が５個／ｃｍ２を上回る場合は、所定の耐久限度比が得られておらず、（×）となっている。
【００８２】
また、図８（ｂ）には、縦軸に鋼塊下部に相当する部分の微小介在物（長径５〜１０μｍ）の密度（ＤＢＯＴ）、横軸に鋼塊下部に相当する部分の粗大介在物（長径４０μｍ以上）の密度をとり、総合評価が（●）であったものを（●）で示し、耐久限度比、水素割れの試験結果のいずれかにおいて（×）のものを（×）で示した。（ＤＢＯＴ）が１０個／ｃｍ２を下回る場合は水素割れが発生し、（×）となっている。
また、（ＤＢＯＴ）が８０個／ｃｍ２を上回る場合、及び長径４０μｍ以上の介在物の密度が５個／ｃｍ２を上回る場合は、所定の耐久限度比が得られておらず、（×）となっている。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】図１は、造塊法により製造される鋼塊の凝固の状態を示す図である。
【図２】図２は、造塊法により製造される鋼塊を示す図である。
【図３】図３は、鋼断面を２０００倍で観察したＳＥＭ写真である。
【図４】図４は、鋼断面を２００倍で観察したＳＥＭ写真である。
【図５】図５は、鋼断面を２００倍で観察したＳＥＭ写真である。
【図６】図６は、鋼塊上部および鋼塊下部における水素濃度を示す図である。
【図７】図７は、鋼塊の水素割れ及び耐久限度比に関する評価結果を示す図であって、縦軸に鋼塊上部および鋼塊下部における微小介在物密度の比、横軸に鋼中Ｓ濃度をとったものである。
【図８】図８は、鋼塊の耐久限度比の良否、及び水素割れの有無を示す図であって、（ａ）は鋼塊上部、（ｂ）は鋼塊下部に関するものである。
【図１】
2008266768.tif 000009
【図２】
2008266768.tif 000010
【図６】
2008266768.tif 000011
【図７】
2008266768.tif 000012
【図８】
2008266768.tif 000013
【図３】
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【図４】
2008266768.tif 000015
【図５】
2008266768.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月16日(2008.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型により形成される鍛造用鋼塊であって、鋼塊下部（重力方向の端部であって、該端部から鋼塊全高の２０％以内の部位）において鋼断面で観察される長径５〜１０μｍの介在物の密度（ＤＢＯＴ）が、１０〜８０個／ｃｍ２であり、鋼塊上部（前記鋼塊下部の反対側の端部であって、該端部から鋼塊全高の２０％以内の部位）において鋼断面で観察される長径５〜１０μｍの介在物の密度（ＤＴＯＰ）が、２０〜９０個／ｃｍ２であり、鋼断面において観察される長径４０μｍ以上の介在物の密度が、前記鋼塊下部、前記鋼塊上部の双方において５個／ｃｍ２以下であり、かつ下記（１）式および下記（２）の化学成分を満たす鍛造用鋼塊。
【数１】
2008266768.tif 000017
但し、［Ｓ］は、鋼中のＳの含有量（質量ｐｐｍ）を示す。
（２）化学成分
Ｃ：０．２〜０．６％（質量％の意味。以下、同じ。）
Ｓｉ：０．０５〜０．５％
Ｍｎ：０．２〜１．２％
Ｎｉ：０．１〜３．５％
Ｃｒ：０．９〜２．５％
Ｍｏ：０．１〜０．７％
Ｖ：０．００５〜０．２％
Ａｌ：０．０１〜０．１％
Ｓ：０．００５％以下（０％を含まない）
Ｔｉ：０．００５％以下（０％を含まない）
Ｏ：０．００１５％以下（０％を含まない）
残部：鉄及び不可避的不純物
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2008266768.tif 000018