(57)【要約】【課題】転動疲労寿命の劣化に繋がるＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系粗大介在物の極めて少ない清浄鋼の精錬方法、特に高い転動疲労寿命を有する軸受鋼の精錬方法を提案する。【解決手段】転炉で溶製された溶鋼を出鋼する際、脱酸剤および合金鉄のみを添加することにより非金属介在物の極めて少ない清浄鋼の精錬する。その際、脱酸剤および合金鉄とともにＣａＯ分を含まないＭｇＯ系フラックスを添加することができ、さらに、転炉で溶製された溶鋼の出鋼完了後、取鍋内溶鋼上に質量比でＳｉＯ２：１０％以下、ＭｇＯ：６〜１５％未満、Ａｌ２Ｏ３：２５〜４５％、ＣａＯ：３５〜６０％を含有するトップスラグが形成されるようにフラックスを添加し、次いで上記フラックスと溶鋼とを混合・撹拌し、しかる後、真空脱ガス処理による溶鋼撹拌処理を行うこととすることができる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
転炉で溶製された溶鋼を出鋼する際、脱酸剤および合金鉄のみを添加することを特徴とする非金属介在物の極めて少ない清浄鋼の精錬方法。
【請求項２】
転炉で溶製された溶鋼を出鋼する際、脱酸剤および合金鉄とともにＣａＯ分を含まないＭｇＯ系フラックスを添加することを特徴とする請求項１記載の非金属介在物の極めて少ない清浄鋼の精錬方法。
【請求項３】
転炉で溶製された溶鋼の出鋼完了後、取鍋内溶鋼上に質量比でＳｉＯ２：１０％以下、ＭｇＯ：６〜１５％未満、Ａｌ２Ｏ３：２５〜４５％、ＣａＯ：３５〜６０％を含有するトップスラグが形成されるようにフラックスを添加し、次いで上記フラックスと溶鋼とを混合・撹拌し、しかる後、真空脱ガス処理による溶鋼撹拌処理を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の非金属介在物の極めて少ない清浄鋼の精錬方法。
【請求項４】
ＲＨ真空脱ガス処理による溶鋼撹拌処理は合金剤の最終添加後さらに３０ｍｉｎ以上、又は溶鋼環流回数が１４回以上となるように行うことを特徴とする請求項１、２及び３のいずれかに記載の非金属介在物の極めて少ない清浄鋼の精錬方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非金属介在物のきわめて少ない高清浄度鋼の精錬方法に係り、特に転炉で精錬された溶鋼を二次精錬して非金属介在物のきわめて少ない高清浄度鋼を溶製する精錬方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２０００−１２９３３６号公報
【特許文献２】特開２００１−２６２２１８号公報
軸受鋼は、厳しい繰り返し接触荷重を受けるものであるため、転動疲労寿命が優れていることが要求される。一般に、転動疲労寿命には鋼中非金属介在物が悪影響を及ぼすことはよく知られており、そのため軸受鋼の溶製に当たっては鋼中非金属介在物をきわめて少なくする二次精錬が採用される。
【０００３】
その代表的なものとしては、受鋼した溶鋼を取鍋内でアーク加熱を行ないながら長時間撹拌する方法（ＬＦ法と呼ばれる）やＬＦ法を行った後、さらに真空脱ガス処理を行なって非金属介在物を低減する方法がある。これに加えて、特許文献１には、転炉から取鍋に出鋼した溶鋼に、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３を主成分とするフラックスを添加してＳｉＯ２を１０ｍａｓｓ％以下、ＭｇＯを１５〜２５ｍａｓｓ％、Ａｌ２Ｏ３を３０〜４５ｍａｓｓ％およびＣａＯを３５〜５０ｍａｓｓ％含有するスラグを調整し、このようなスラグを生成させた取鍋内溶鋼に不活性ガスを吹きこんで撹拌処理を行ない、その後ＲＨ脱ガス処理を行うことによって介在物量が少なくかつ介在物粒径の小さな高清浄度鋼を溶製する手段が提案されている。さらに、特許文献２には、転炉から取鍋中に出鋼された溶鋼に真空脱ガス処理を施し非金属介在物を十分に分離・浮上させるという手段が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの手段により鋼中酸素濃度を低下させることができ、また、介在物量が少なくかつ、介在物粒径の小さい高清浄度鋼の溶製が可能になっている。一般的には、これら手段により製造された軸受鋼は高い転動疲労寿命を持つことが期待される。
【０００５】
しかしながら、これらの手段をとってもなお、ときとして転動疲労寿命の劣る軸受鋼が製造される場合があり、その原因は粗大介在物、特にＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系粗大介在物にあると推定されている。本発明は、このような転動疲労寿命の劣化に繋がるＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系粗大介在物の生成を阻止し得る非金属介在物の極めて少ない清浄鋼の精錬方法、特に高い転動疲労寿命を有する軸受鋼の精錬方法を提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、粗大介在物、特にＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系粗大介在物の組成、発生原因について調査した結果、次の知見を得た。
▲１▼ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物は、転炉出鋼時に加えられる脱酸剤としてのＡｌ及び合金鉄中のＡｌから生成する脱酸生成物であるＡｌ２Ｏ３と滓化促進のため造滓剤として出鋼流に添加される焼石灰中の主成分であるＣａＯとの反応により主として形成される。その生成は出鋼過程で起こり、かつ生成したＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物は粗大介在物となる。
▲２▼そして、一旦生成したＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系粗大介在物は従来提案されている手段を適用しても完全には除去し得ず、転動疲労寿命の低い軸受鋼の発生原因になる。
【０００７】
そこで本発明では、出鋼過程において生ずるＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物の発生を阻止し、Ａｌ２Ｏ３系、Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系介在物として微細化させ、溶鋼中に分散させることとし、さらにやむを得ず生じたＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物は凝集・合体化させ、極力その浮上除去を図ることとする。
【０００８】
本発明は、上記知見を基礎としており、具体的には、転炉で溶製された溶鋼を出鋼する際、脱酸剤および合金鉄のみを添加することにより非金属介在物の極めて少ない清浄鋼の精錬するものであり、出鋼時にＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物の生成を阻止を図り、非金属介在物の極めて少ない清浄鋼の製造を可能にするものである。
【０００９】
上記発明においては、転炉で溶製された溶鋼を出鋼する際、脱酸剤および合金鉄とともにＣａＯ分を含まないＭｇＯ系フラックスを添加することができる。さらに、転炉で溶製された溶鋼の出鋼完了後、取鍋内溶鋼上に質量比でＳｉＯ２：１０％以下、ＭｇＯ：６〜１５％未満、Ａｌ２Ｏ３：２５〜４５％、ＣａＯ：３５〜６０％を含有するトップスラグが形成されるようにフラックスを添加し、次いで上記フラックスと溶鋼とを混合・撹拌し、しかる後、真空脱ガス処理による溶鋼撹拌処理を行うこととすることができる。
【００１０】
上記真空脱ガス処理による溶鋼撹拌処理に当たっては、合金剤の最終添加後さらに３０ｍｉｎ以上、又は溶鋼環流回数が１４回以上となるように行うこととするのがやむを得ず生じたＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物の凝集・合体化及びその浮上除去を図る上で好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。本発明では、転炉で溶製された溶鋼を出鋼する際に脱酸剤および合金剤のみを添加する。脱酸剤としては主としてＡｌ系（金属Ａｌ等）を用いるが、Ｍｎ系（Ｆｅ−Ｍｎ等）、Ｓｉ系（Ｆｅ−Ｓｉ等）、Ｓｉ−Ｍｎ系などを併用することができる。出鋼時において焼石灰を造滓剤として添加しない。いいかえれば、出鋼時にはＣａＯを含む物質は添加されない。これにより、出鋼時に溶鋼流に添加されるＡｌによる脱酸生成物であるＡｌ２Ｏ３と造滓剤である焼石灰の主成分であるＣａＯとの反応によるＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３の生成が実質的に阻止され、たとえば軸受鋼においてはその粗大化した介在物による転動疲労寿命の劣化が生ずることがなくなる。
【００１２】
このように本発明では、出鋼時の焼石灰等ＣａＯ分を含む添加は行わない。脱酸剤としてのＡｌおよび合金剤の添加量は、従来法と同様に行なう。また、転炉スラグの取鍋中への排滓も通常と同様である。しかし、出鋼時のＣａＯ添加を行わないため、出鋼時に脱酸生成物であるＡｌ２Ｏ３を含む溶鋼とＣａＯ分との接触が断ち切られ、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３の生成阻止が可能になる。
【００１３】
上記出鋼の際、脱酸剤および合金剤とともにＣａＯを含まないＭｇＯを主成分とするＭｇＯ系フラックスを添加することができる。それによって脱酸生成物Ａｌ２Ｏ３の反応によりＡｌ２Ｏ３−ＭｇＯスピネルの形成が進行するため、粗大非金属介在物の根源となるＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３の形成が効果的に阻止される。ここにＣａＯを含まないＭｇＯを主成分とするＭｇＯ系フラックスとは、ＭｇＯをベースとして形成されるフラックスで、たとえばＭｇＯ：９９ｍａｓｓ％以上、かつＣａＯ分は不純物として含まれる程度のフラックスをいう。
【００１４】
上記のようにしてＣａＯを出鋼流に添加しない状態で出鋼後、取鍋内溶鋼上にフラックスを添加する。このフラックスは、次の撹拌工程において取鍋中に流出した転炉スラグとともに二次精錬用トップスラグを形成し、脱酸生成物であるＡｌ２Ｏ３など非金属介在物の起源となる物質を吸収し、鋼の清浄度を高める作用をする。このフラックスにはＭｇＯを含有させるとよい。それにより、出鋼の際に生成したＡｌ２Ｏ３をＭｇＯと結合させて比較的微細なＡｌ２Ｏ３−ＭｇＯスピネルに転換させることができる。このような目的を達成するためにはフラックス組成を、ＳｉＯ２：１０ｍａｓｓ％以下、ＭｇＯ：６〜１５ｍａｓｓ％未満、Ａｌ２Ｏ３：２５〜４５ｍａｓｓ％、ＣａＯ：４５〜６０ｍａｓｓ％を含有するトップスラグを生成させるようにするのがよい。
【００１５】
上記トップスラグでは、ＭｇＯ濃度が重要であり、これが低すぎるときは、上記Ａｌ２Ｏ３のＡｌ２Ｏ３−ＭｇＯスピネルへの転換が十分なされず、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系粗大介在物が生成させる傾向が大となる。一方、ＭｇＯ濃度が高すぎるときは、トップスラグ中に固相部分が多くなり、介在物の吸収能が低下して製品清浄度の向上が図れなくなる。したがって、トップスラグ中のＭｇＯ濃度は６〜１５ｍａｓｓ％未満となるようにする。なお、出鋼中にＭｇＯ系フラックスを添加する場合は、トップスラグ中のＭｇＯ濃度が上記範囲になるように添加すればよく、また添加は最終的にトップスラグの組成が目標値に合致する様に行えばよく、分割して添加してもかまわない。
【００１６】
ＣａＯは取鍋内スラグの塩基度、粘度、融点を調整するた機能を有し、これが高すぎるときには、先のＭｇＯ濃度とも関係するが、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系粗大介在物が生成させる傾向が大となる。また、ＭｇＯが高すぎる場合と同様、トップスラグ中に固相部分が多くなり、介在物の吸収能が低下して製品清浄度の向上が図れなくなる。一方、ＣａＯ濃度が低すぎるときには、溶鋼中に生成されるＳｉＯ２系の介在物の吸収能が低下し、製品清浄度の向上が図れなくなる。なお、トップスラグ中にはＣａＯが存在してもＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系粗大介在物の生成原因とならない。後述するように、溶鋼中Ａｌ２Ｏ３はトップスラグ中のＣａＯと直接接するものではなく、トップスラグ中のＭｇＯと優先的に結合してＡｌ２Ｏ３−ＭｇＯスピネルを生成するからである。
【００１７】
ＳｉＯ２濃度は高すぎると、ＳｉＯ２による溶鋼の再酸化により鋼の清浄度が低下するので１０ｍａｓｓ％以下とする。Ａｌ２Ｏ３は、粘性及び融点の調整剤としてトップスラグ中に２５〜４５ｍａｓｓ％、好ましくは３０〜４５ｍａｓｓ％含有させるのがよい。
【００１８】
なお、上記組成を有するトップスラグの調製は、特に手段を問わない。たとえば、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３について上記の組成を有するフラックス、たとえば焼成フラックスを準備し、除滓した取鍋内の溶鋼上に添加するようにしてもよい。また、トップスラグの構成物質であるＭｇＯ、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３等を別個に準備し、所定のフラックス成分となるように取鍋内に添加し、溶滓とともに混合撹拌処理することによって所定の組成を有するトップスラグに変換するようにすることもできる。
【００１９】
トップスラグの形成方法も特に手段を問わない。トップスラグの原料となるフラックス類、たとえば、ＭｇＯ系フラックス、Ａｌ２Ｏ３系フラックス、焼石灰、スラグ塩基度調整用フラックスを適宜調整して出鋼された取鍋の溶鋼上に浮遊する転炉スラグ上に投入した後、溶鋼浴面下に装入したランスから窒素ガスなどの不活性ガスを吹き込むことによって形成することができる。また、取鍋の底に設けたポーラスプラグから窒素ガスなどの不活性ガスを吹き込む手段により溶鋼とフラックス類を混合・撹拌することによってなされる。なお、この混合撹拌は、トップスラグの原料となるフラックス類が溶融した後も継続して行ない、これにＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２等の脱酸生成物あるいは転炉スラグなどに由来する非金属介在物形成成分の大部分を吸収・除去させるようにするのがよい。なお、この過程においては、溶鋼中のＡｌ２Ｏ３は、焼石灰を出鋼時に添加する場合と異なり、ＣａＯと直接接することがなくＭｇＯリッチのトップスラグと接してＡｌ２Ｏ３−ＭｇＯとなり、鋼中に残留する場合も微細なスピネルの形態であり、軸受鋼の疲労寿命を大きく害することが避けられる。
【００２０】
溶鋼は、上記工程の後、さらにＲＨ真空脱ガス処理による溶鋼撹拌処理に供され、脱ガスに加えて合金成分の最終調整、鋼の一層の高清浄化が図られる。その実施手段は、上記目的を達するものである限り特に問わない。
【００２１】
しかしながら、最終成分の調整のため合金鉄を添加した後に清浄度が低下することがある。また、生成量は大幅に減少するが、不純物としてのＣａＯおよびトップスラグ中のＣａＯにより僅かながら生じたＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物も残存することがある。この問題に対処するためには、特開２００１−２６２２１８号公報に開示されているように、合金剤の最終添加後さらに３０ｍｉｎ以上、又は溶鋼環流回数が１４回以上となるように行うことが望ましい。
【００２２】
上記の一連の二次精錬を施すことによって、介在物量が少なくかつ介在物粒径の小さな高清浄度鋼を製造することができる。特に、本発明では粗大なＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系介在物の形成を効果的に防止することができ、それにより、酸化物系介在物推定最大径で１５μｍ以下、かつ３μｍ以上の粒径を有する酸化物系介在物個数を３２０ｍｍ２当たり２００個以下にすることができ、軸受鋼の転動疲労寿命を向上させることができる。なお、ここにいう酸化物系介在物の評価方法は特開平５−２５５８７号公報に開示された手段によるものである。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）
質量比でＣ：０．９８〜１．０３％、Ｓｉ：０．２〜０．３％、Ｃｒ：１．３〜１．６％、Ａｌ：０．０２〜０．０５％の軸受鋼を本発明により製造した。溶鋼の溶製は１８０ｔ転炉により行ない、１６７０〜１７４０℃で出鋼の際、Ａｌを０．５ｋｇ（溶鋼１ｔ当たり、以下同じ）、高炭素Ｆｅ−Ｍｎを３．５ｋｇ、Ｆｅ−Ｓｉを２．５ｋｇ溶鋼流に添加した。受鋼完了後、取鍋内溶鋼上に焼石灰５ｋｇ、ＭｇＯ系フラックス（ＭｇＯ：９９ｍａｓｓ％）、ＣａＯ系フラックス（ＣａＯ：５１ｍａｓｓ％、Ａｌ２Ｏ３：３９ｍａｓｓ％、ＳｉＯ２：７ｍａｓｓ％）、Ａｌ２Ｏ３系フラックス（Ａｌ２Ｏ３：９９．７ｍａｓｓ％）を投入し、取鍋内に浸漬したランスからＡｒガスを８．５ｍ３／ｍｉｎ（標準状態）の割合で吹き込み上記フラックスと溶鋼を撹拌してトップスラグを形成した。
【００２４】
形成されたトップスラグの組成は、ＳｉＯ２：９ｍａｓｓ％、ＭｇＯ：７ｍａｓｓ％、Ａｌ２Ｏ３：３０ｍａｓｓ％、ＣａＯ：５０ｍａｓｓ％その他の成分であった。上記撹拌処理完了後、溶鋼を取鍋ごとＲＨ真空脱ガス処理槽に移し、合金剤の最終添加後さらに３０ｍｉｎ以上、又は溶鋼環流回数が１４回以上溶鋼の撹拌を行なった。上記一連の工程で得られた溶鋼を通常の工程にしたがって鋳造、圧延し、軸受鋼とした。得られた製品の非金属介在物の分布状況は図１（●）に示すとおりである。
【００２５】
（実施例２）
実施例１と同様にして軸受鋼を製造した。ただし、出鋼の際、Ａｌを０．５ｋｇ（溶鋼１ｔ当たり、以下同じ）のほかＭｇＯ系フラックス０．５ｋｇを出鋼の際、溶鋼流に添加した。得られた製品の非金属介在物の分布状況は図１（▲）に示すとおりである。
【００２６】
（比較例）
出鋼の際、Ａｌを０．５ｋｇ（溶鋼１ｔ当たり、以下同じ）のほか焼石灰３ｋｇを出鋼の際、溶鋼流に添加した点、および、受鋼完了後、取鍋内溶鋼上に投入する焼石灰を２ｋｇとしたほかは実施例１と同様にして軸受鋼を製造した。得られた製品の非金属介在物の分布状況は図１（〇）に示すとおりである。
【００２７】
表１から理解できるように本発明により軸受鋼の非金属介在物量が従来に比べて減少し、酸化物系予測最大径で１５μｍ以下、かつ３μｍ以上酸化物系介在物個数で２００個以下（３２０ｍｍ２当たり）となった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の一連の二次精錬を施すことによって、介在物量が少なくかつ介在物粒径の小さな高清浄度鋼を製造することができる。特に、本発明では粗大なＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−介在物の形成を効果的に防止することができる。それにより、軸受鋼の転動疲労寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した場合の非金属介在物の分布状況を示すグラフである。
【図１】
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