(57)【要約】【課題】酸化物系介在物の少ない高窒素含有鋼を効率良く製造する方法を提供する。【解決手段】溶鋼を攪拌しつつ真空脱ガスして精錬するに際し、下記（１）式および（２）式を満足する様に、ＡｒとＮ２の混合ガスまたはＮ２ガスを、溶鋼に２０分以上吹き込むことにより溶鋼を攪拌することを特徴とする酸化物系介在物の少ない高窒素含有鋼の製造方法。【数１】2004076116.tif 000013式中、ＱＡｒ：Ａｒガス吹き込み流量（ＮＬ／ｍｉｎ・溶鋼ｔ）、ＱＮ２：Ｎ２ガス吹き込み流量（ＮＬ／ｍｉｎ・溶鋼ｔ）、ＣＮ，ａｉｍ：精錬終了時における鋼中の目標窒素濃度（ｐｐｍ）、Ｐ：真空脱ガス時の真空度（Ｐａ）である。【選択図】　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶鋼を攪拌しつつ真空脱ガスして精錬するに際し、
下記（１）式および（２）式を満足する様に、ＡｒとＮ２の混合ガスまたはＮ２ガスを、溶鋼に２０分以上吹き込むことにより溶鋼を攪拌することを特徴とする酸化物系介在物の少ない高窒素含有鋼の製造方法。
【数１】
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式中、ＱＡｒ：Ａｒガス吹き込み流量（ＮＬ／ｍｉｎ・溶鋼ｔ）
ＱＮ２：Ｎ２ガス吹き込み流量（ＮＬ／ｍｉｎ・溶鋼ｔ）
ＣＮ，ａｉｍ：精錬終了時における鋼中の目標窒素濃度（ｐｐｍ）
Ｐ：真空脱ガス時の真空度（Ｐａ）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶鋼を攪拌しつつ真空脱ガスして精錬する技術に関するものであり、より詳細には、溶鋼を攪拌しつつ真空脱ガスして精錬することにより酸化物系介在物の少ない高窒素含有鋼を製造する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造用鋼（例えば、歯車用鋼や軸受け用鋼など）や薄鋼板には、高濃度の窒素を含む鋼が用いられる場合がある。窒化物の析出により結晶粒の微細化や、窒素の固溶などにより高強度化が図れるからである。高窒素含有鋼を製造する技術としては、例えば、特開昭５２−４２４１０号や特開平７−９０３４５号、同７−２１６４３９号、特公平６−６８１２３号などが提案されている。これらの技術では、例えば転炉や電気炉内の溶鋼に、炉底から窒素ガスを吹き込むことにより、溶鋼中の窒素濃度を高めている。
【０００３】
また、疲労強度や疲労寿命が要求される機械部品用の鋼は、清浄度の高いものが求められる。鋼中の酸化物系介在物が多くなると、該介在物が疲労破壊の原因となるからである。鋼中の酸化物系介在物量を低減する技術としては、例えば特許第３０３３０００号や特開２００１−３４２５１２号などには、真空脱ガス時における槽内の真空度や処理時間を規定したり、脱酸剤を用いることが提案されている。
【０００４】
ところで、近年における機械部品の使用環境はますます過酷になり、鋼材に対する要求特性も厳しくなっている。従って、上述した如く、鋼中の窒素濃度を高めたり、或いは、酸化物系介在物量を低減するだけでは、要求特性を満足しきれなくなっている。そこで、鋼中に高濃度の窒素を含有せしめつつ酸化物系介在物量を低減することが考えられる。ところが、本発明者らが検討したところでは、溶鋼中の窒素濃度を高めた高窒素含有溶鋼を真空脱ガスして精錬すると、酸化物系介在物の量は低減するものの真空脱ガス時に溶鋼からの脱窒が起こり、窒素含有量が低下する。
【０００５】
また、特開昭５６−２５９１９号や特開平２−２２５６１５号などにも、酸化物系介在物の少ない高窒素含有鋼の製造方法が提案されている。これらの技術では、真空脱ガスによる精錬を清浄化期と加窒期に分け、清浄化期では装置内を真空にすると共に、還流ガスとしてＮ２ガスやＡｒガスを溶鋼内へ吹き込んで溶鋼を攪拌することにより脱酸を進め、一方加窒期には、前記装置内へ窒素ガスを吹き込んでＮ２ガス雰囲気とすることによって、酸化物系介在物の生成を抑制すると共に窒素量を高めている。しかし、清浄化期と加窒期に分けて操業すると、精錬に要する時間が長くなり、生産性が低下する。また、前掲の従来技術では、精錬後の溶鋼に含まれる窒素濃度を如何に制御するか、といった具体的な手段までは追求されていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化物系介在物の少ない高窒素含有鋼を効率良く製造する方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明に係る酸化物系介在物の少ない高窒素含有鋼の製造方法とは、溶鋼を攪拌しつつ真空脱ガスして精錬するに際し、下記（１）式および（２）式を満足する様に、ＡｒとＮ２の混合ガスまたはＮ２ガスを、溶鋼に２０分以上吹き込むことにより溶鋼を攪拌する点に要旨を有する。
【０００８】
【数２】
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【０００９】
式中、ＱＡｒ：Ａｒガス吹き込み流量（ＮＬ／ｍｉｎ・溶鋼ｔ）、ＱＮ２：Ｎ２ガス吹き込み流量（ＮＬ／ｍｉｎ・溶鋼ｔ）、ＣＮ，ａｉｍ：精錬終了時における鋼中の目標窒素濃度（ｐｐｍ）、Ｐ：真空脱ガス時の真空度（Ｐａ）である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
溶鋼内に生成した酸化物系介在物は、還流ガスで溶鋼を攪拌することにより除去される。この際、溶鋼内の酸素を効率良く除去するための方法として汎用されているのは、溶鋼へＡｒガスを吹き込んで攪拌する方法である。しかし、上述した様に、転炉や電気炉などで高濃度の窒素を含有させた高窒素含有鋼を真空脱ガスして精錬すると、溶鋼からの脱窒が起こって溶鋼中の窒素濃度が低下する。そこで、真空脱ガス精錬する際に、Ａｒガスの代わりにＮ２ガスを使用すると、攪拌に用いた窒素が溶鋼へ溶解するので、窒素量の低下を抑えることができる。
【００１１】
しかし、精錬時にＡｒガスの代わりにＮ２ガスを使用すると、例えば、第１２４回日本鉄鋼協会生産部門製鋼部会資料（平成１３年３月１６日、Ｐ．１〜１４）に記載されている様に、Ｎ２ガスはＡｒガスよりも溶鋼を攪拌する能力が劣るため、攪拌不足となり脱ガスが不充分になって、酸化物系介在物の生成を抑制できない場合がある。
【００１２】
ところが、本発明者らが検討を重ねたところ、溶鋼を攪拌しつつ真空脱ガスして精錬するに際し、精錬終了時における鋼中の目標窒素濃度に応じて、溶鋼内へ吹き込むガス流量と該ガスの組成および真空脱ガス時の真空度を適切に制御すれば上記課題が見事達成されることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明の構成および作用効果を詳細に説明していく。
【００１３】
本発明では、上記（１）式および（２）式を満足する様に、ＡｒとＮ２の混合ガスまたはＮ２ガスを溶鋼内へ吹き込むことが重要であり、これらの式を定めた理由は、下記の通りである。
【００１４】
溶鋼への窒素溶解度はＳｉｅｖｅｒｔｓの法則に従うことが知られており、鋼中に含まれる窒素の濃度は下記▲１▼式で表される。▲１▼式中、ＣＮは鋼中の窒素濃度、ＰＮ２は窒素分圧であり、Ｋ１は定数（１８７３Ｋのとき０．０４４）である。
ＣＮ＝Ｋ１×［ＰＮ２］１／２　　　・・・▲１▼
一方、ＡｒとＮ２の混合ガスまたはＮ２ガスを用いて溶鋼を攪拌する際の窒素分圧ＰＮ２が、真空脱ガス時の真空度Ｐに占めるＮ２ガスの比率に比例すると仮定すると、窒素分圧ＰＮ２は下記▲２▼式で表される。
【００１５】
【数３】
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【００１６】
式中、ＱＡｒはＡｒガス吹き込み流量（ＮＬ／ｍｉｎ・溶鋼ｔ）、ＱＮ２はＮ２ガス吹き込み流量（ＮＬ／ｍｉｎ・溶鋼ｔ）であり、Ｋ２は比例定数である。なお、Ａｒガスを吹き込まない場合は、ＱＡｒ＝０である。
【００１７】
前記▲１▼式を変形すると下記▲３▼式が導かれ、さらに該▲３▼式と前記▲２▼式から▲４▼式が求められる。
ＰＮ２＝［ＣＮ／Ｋ１］２　　　・・・▲３▼
【００１８】
【数４】
2004076116.tif 000005
【００１９】
そして、上記▲４▼式を変形すると下記▲５▼式が導出される。なお、下記▲５▼式のＫ３は比例定数である。
【００２０】
【数５】
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【００２１】
そして、本発明者らが多くの実験を繰り返したところ、溶鋼の精錬終了時における鋼中の目標窒素濃度をＣＮ，ａｉｍとしたとき、下記（１）式を満たす様に制御すれば良いが分かった。
【００２２】
【数６】
2004076116.tif 000007
【００２３】
上記（１）式の関係を定めた理由を以下に説明する。
【００２４】
成分組成として、Ｃ：０．０１〜１％（「質量％」の意味。以下同じ。）、Ｓｉ：０．０１〜１％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ａｌ：０．００１〜０．１％および不可避不純物を含む溶鋼を、転炉から取鍋へ２４０トン出鋼し、ＲＨ式脱ガス精錬装置を用いて精錬した。
【００２５】
このとき、真空脱ガス時におけるＲＨ式脱ガス精錬装置内の真空度Ｐと、溶鋼へ吹き込むガスの組成を変化させた。溶鋼へ吹き込むガスとしては、ＡｒとＮ２の混合ガスまたはＮ２ガスを用い、溶鋼へ吹き込むガス流量に対するＮ２ガス流量（ガス組成）と真空度の関係を調べた。結果を図１に示す。
【００２６】
精錬終了時点で鋼内に実際に含まれている窒素濃度を、堀場製作所製ＲＭＧＡ−５２０を用いて不活性ガス−インパルス加熱溶解法で測定すると共に、精錬終了時における鋼中の目標窒素濃度（ＣＮ，ａｉｍ）を６０、１００、１２０ｐｐｍに設定し、鋼中に実際に含まれている窒素濃度が、上記目標窒素濃度以上となる場合を○で示し、目標窒素濃度未満となる場合を×で示した。図１の（ａ）はＣＮ，ａｉｍ＝６０ｐｐｍのとき、（ｂ）はＣＮ，ａｉｍ＝１００ｐｐｍのとき、（ｃ）はＣＮ，ａｉｍ＝１２０ｐｐｍのときを夫々示している。
【００２７】
図１からも明らかな様に、真空度と吹き込みガスの組成を適切に制御すれば、精錬終了時に鋼中に実際に含まれているＮ２濃度を、目標窒素濃度以上にすることができる。このとき、○と×の境界線は各図に示した曲線［ａ］〜［ｃ］となり、これらの曲線は下記▲６▼式で表される。
【００２８】
【数７】
2004076116.tif 000008
【００２９】
すなわち、下記（１）式を満足する様に真空脱ガス時の真空度と溶鋼への吹き込みガスの組成を制御すれば、精錬終了後の鋼内に目標濃度以上の窒素を含有させることが可能となる。
【００３０】
【数８】
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【００３１】
次に、前記ＲＨ式脱ガス精錬装置の浸漬管から吹き込むガスの流量と混合比を適宜変化させ、溶鋼へのガス吹き込みが酸化物系介在物の生成に及ぼす影響について検討した。
【００３２】
溶鋼内へガスを吹き込む時間は２０分とし、真空脱ガス時におけるＲＨ式脱ガス精錬装置内の真空度は２００〜３００００Ｐａとした。精錬後の溶鋼からサンプルを採取し、断面をＥＰＭＡで観察して酸化物系介在物の個数を測定した。ＥＰＭＡとは、電子線マイクロプローブＸ線分析計（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　Ｘ−ｒａｙ　Ｍｉｃｒｏ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）であり、島津製作所製ＥＰＭＡ−８７０５を用いた。ＥＰＭＡ観察は、加速電圧２０ｋＶ、試料電流０．０１μＡ、観察視野面積３〜５ｃｍ２で行い、特性Ｘ線の波長分散分光により介在物中央部の定量分析を行なった。定量対象元素は、Ａｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｒ，Ｏとし、既知物質を用いて各元素のＸ線強度と元素濃度との関係を予め検量腺として求めておき、観察対象介在物から得られたＸ線強度からその元素濃度を定量した。本発明では、最大径が１０μｍ以上の介在物であって、ＥＰＭＡ分析したときにＯ元素（酸素元素）濃度が１０質量％以上の介在物を「酸化物系介在物」としている。観察視野内における酸化物系介在物の個数を測定し、これを観察視野面積で割って単位観察視野面積当たりの酸化物系介在物の生成量（個／ｃｍ２）を算出した。結果を図２に示す。なお、図中Ｘ軸は溶鋼へのＮ２ガス吹き込み流量、Ｙ軸は溶鋼へのＡｒガス吹き込み流量を夫々示しており、最大径が１０μｍ以上の酸化物系介在物の生成量が３０個／ｃｍ２未満の場合を●で、３０個／ｃｍ２以上の場合を□で夫々示した。
【００３３】
Ａｒガス吹き込み流量をＱＡｒ、Ｎ２ガス吹き込み流量をＱＮ２とすると、図２から明らかな様に、最大径が１０μｍ以上の酸化物系介在物の生成量を３０個／ｃｍ２未満に低減するには、下記（２）式を満足する必要がある。すなわち、Ｎ２ガスはＡｒガスに比べて溶鋼に対する攪拌力が弱いので、ＡｒガスとＮ２ガスの混合比が下記（２）式を満足しない場合は、溶鋼の攪拌が不充分となり、脱ガス不足により酸化物系介在物が生成し易くなる。
ＱＡｒ＋０．６×ＱＮ２≧４　　　・・・（２）
なお、最大径が１０μｍ以上の酸化物系介在物の生成量を３０個／ｃｍ２未満と定めた理由は、酸化物系介在物が３０個／ｃｍ２以上となると、鋼材の疲労強度や疲労寿命が明らかに劣化してくるからである。
【００３４】
ここで、図２の結果を、Ｘ軸を上記（２）式の左辺の値、Ｙ軸を酸化物系介在物の生成量としてプロットし直すと、図３の様になる。図３から明らかな様に、上記（２）式の左辺の値が４以上であれば、溶鋼の攪拌による脱ガスが充分に促進され、酸化物系介在物の生成を抑制できることが分かる。好ましくは、下記▲７▼式を満足するのが望ましい。
ＱＡｒ＋０．６×ＱＮ２≧５　　　　　　・・・▲７▼
尚、本発明において、吹き込みガスとしてＡｒとＮ２の混合ガスまたはＮ２ガスを用いる理由は、少なくともＮ２ガスを含む不活性ガスを溶鋼へ吹き込んで溶鋼を攪拌することで、鋼内へ高濃度の窒素を含有させることができるからであり、また、所定量のガスを溶鋼へ吹き込むことで、溶鋼からの脱ガスを促進し酸化物系介在物の生成を抑制できるからである。
【００３５】
但し、Ｎ２ガスを単独で用いると、Ａｒガスを併用するとき以上の流量でＮ２ガスを吹き込む必要があるので、好ましくはＡｒとＮ２の混合ガスを用いるのが良い。このとき、ＡｒとＮ２の混合比は、上記（１）式および（２）式を満足する範囲内であれば特に限定されないが、例えば、混合比［Ａｒ／Ｎ２］を０．５〜２程度とすれば良い。
【００３６】
なお、Ａｒガスのみを溶鋼へ吹き込んで操業した場合は、ガス吹き込み精錬による窒素濃度の上昇が調整できなくなり、高窒素含有鋼が得られなくなるので採用できない。また、Ａｒ以外の不活性ガス（例えば、Ｈｅガス）をＮ２ガスと共に吹き込むこともできるが、例えばＨｅガスは非常に高価なので実操業に耐えない。
【００３７】
本発明において、ＡｒガスおよびＮ２ガスの吹き込み流量は、上記要件を満足すれば特に限定されないが、溶鋼への吹き込みガス流量が多過ぎると溶鋼の飛散が激しくなったり、耐火物の損耗が著しく進行したりするので、吹き込みガス流量の上限は全体で２０ＮＬ／ｍｉｎ・溶鋼ｔ以下とするのが好ましく、より好ましくは１５ＮＬ／ｍｉｎ・溶鋼ｔ以下とするのが望ましい。
【００３８】
本発明では、上記要件に加えて、ＡｒとＮ２の混合ガスまたはＮ２ガスを、溶鋼に２０分以上吹き込んで溶鋼を攪拌することが重要となる。ちなみに、吹き込み時間が２０分未満では、溶鋼の攪拌が不充分となり、吹き込み条件が上記（１）式および（２）式を満足したとしても、脱ガス不足となって酸化物系介在物の生成を充分に抑制できなくなる。しかも、溶鋼へのＮ２ガス吹き込み時間が短じか過ぎるため、鋼内に充分量の窒素を含有させることができず、本発明の目的を達成できない。溶鋼へガスを吹き込む時間の上限は特に限定されず、実操業プロセスで許容される範囲内で適宜設定すればよいが、一般的には一時間程度である。
【００３９】
本発明において、溶鋼を攪拌しつつ真空脱ガスする工程とは、転炉や電気炉などから取鍋に受鋼した後、ＲＨ式脱ガス精錬装置を用いて精錬する場合や、ＤＨ式やＡＳＥＡ式精錬装置を用いて精錬する場合などを指す。なお、本発明に用いることのできる鋼種は特に限定されず、種々のものが採用できる。例えば、歯車用鋼や軸受け用鋼、建築用鋼、造船用鋼などである。
【００４０】
以上の様に、本発明によると、所期の窒素濃度以上で、且つ、最大径が１０μｍ以上の酸化物系介在物が３０個／ｃｍ２未満に抑制された酸化物系介在物の少ない高窒素含有鋼材を得ることができ、疲労強度や疲労寿命が良好で且つ高強度の鋼材を提供できる。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更し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的範囲に含まれる。
【００４２】
溶銑を２４０トン転炉で一次精錬する際に、転炉の底部からＮ２ガスを吹き込み転炉出鋼時の溶鋼窒素濃度を７６〜１３２ｐｐｍに調整した。窒素濃度調整後の溶鋼を取鍋に受鋼した後、ＲＨ式脱ガス精錬装置を用いて二次精錬し、下記表１に示す成分組成に調整した。なお、本実施例では、成分調整の際に、窒化マンガンや窒化カルシウムなどの窒素を含む合金は使用していない。
【００４３】
【表１】
2004076116.tif 000010
【００４４】
二次精錬は、ＡｒとＮ２の混合ガスまたはＮ２ガスを、表２に示す流量（ＮＬ／ｍｉｎ・溶鋼ｔ）で浸漬管から取鍋内の溶鋼へ吹き込んだ。このときのガス吹き込み時間Ｔ（ｍｉｎ）と、ＲＨ式脱ガス精錬装置内における真空脱ガス時の真空度Ｐ（Ｐａ）を表２に示す。
【００４５】
精錬終了時における鋼中の目標窒素濃度ＣＮ，ａｉｍ（ｐｐｍ）を表２に示す様に設定したときに、前記（１）式を用いて左辺と右辺の値を夫々算出し、表２に合わせて示した。さらに、溶鋼へのガス吹き込み流量から前記（２）式を用いて左辺の値を算出し、表２に示す。
【００４６】
二次精錬後の溶鋼からサンプルを採取し、精錬後の窒素濃度と酸化物系介在物の生成量を測定した。窒素濃度は堀場製作所製ＥＭＧＡ−５２０を用いて、不活性ガス−インパルス加熱融解法で測定した。酸化物系介在物は、サンプルの断面をＥＰＭＡで観察し、最大径が１０μｍ以上のものの個数を測定した。ＥＰＭＡとは、電子線マイクロプローブＸ線分析計（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　Ｘ−ｒａｙ　Ｍｉｃｒｏ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）であり、島津製作所製ＥＰＭＡ−８７０５を用いた。ＥＰＭＡ観察は、加速電圧２０ｋＶ、試料電流０．０１μＡ、観察視野面積３〜５ｃｍ２で行い、特性Ｘ線の波長分散分光により介在物中央部の定量分析を行なった。定量対象元素は、Ａｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｒ，Ｏである。既知物質を用いて、各元素のＸ線強度と元素濃度との関係を予め検量腺として求めておき、観察対象介在物から得られたＸ線強度からその元素濃度を定量した。本発明では、ＥＰＭＡ分析でＯ元素（酸素元素）濃度が１０質量％以上の介在物を「酸化物系介在物」としている。観察視野内における酸化物系介在物の個数を測定し、これを観察視野面積で割って単位観察視野面積当たりの酸化物系介在物の個数を算出した。精錬後の窒素濃度と酸化物系介在物の生成量を表２に合わせて示す。
【００４７】
【表２】
2004076116.tif 000011
【００４８】
精錬後の窒素濃度（ｐｐｍ）に対して酸化物系介在物の生成量（個／ｃｍ２）をプロットしたものを図４として示す。なお、図中、○はＮｏ．１〜９の結果であり、●はＮｏ．１０〜２５の結果である。
【００４９】
表２および図４から次の様に考察できる。Ｎｏ．１〜９は、本発明の要件を満足する本発明例であり、溶鋼を攪拌しつつ真空脱ガスすることにより酸化物系介在物の少ない高窒素含有鋼が得られる。すなわち、Ｎｏ．１〜９は、真空脱ガスにより酸化物系介在物の生成量を３０個／ｃｍ２未満に低減できているにもかかわらず、精錬後の溶鋼の窒素濃度は目標窒素濃度以上の高窒素含有鋼を実現できている。一方、Ｎｏ．１０〜２５は、本発明の何れかの要件を満足しない比較例である。
【００５０】
【発明の効果】
上記のような構成を採用すると、精錬後の溶鋼に含まれる窒素濃度を目標窒素濃度以上に制御することができ、酸化物系介在物の少ない高窒素含有鋼を効率良く製造する方法を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】真空脱ガス時における真空度と溶鋼へ吹き込むガスの組成が、鋼中の窒素濃度へ及ぼす影響を示したグラフである。
【図２】Ａｒガス吹き込み流量およびＮ２ガス吹き込み流量と、酸化物系介在物の生成量との関係を示したグラフである。
【図３】Ａｒガス吹き込み流量およびＮ２ガス吹き込み流量と、酸化物系介在物の生成量との関係を示したグラフである。
【図４】精錬後の窒素濃度に対して酸化物系介在物の生成量をプロットしたグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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