(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
0.001〜0.01質量%のMgを溶質として含有する溶鋼中にCO2ガス、または不活性ガスとCO２の混合ガスを供給し、MgOあるいはMgOを含む酸化物を生成することを特徴とする溶鋼中の微細酸化物分散方法。
【請求項２】
溶鋼に供給するガス流量が溶鋼1tあたり5000Nl/min以下であり、さらに、CO2ガスの混合比に応じて、供給するガスの総量Lが下記式のLminで表される値以上とすることを特徴とする請求項1に記載の溶鋼中の微細酸化物分散方法。
Lmin[Nl]=12500×(%CO2)-0.7
【請求項３】
溶鋼組成が、質量%で、
C : 0.03〜0.2%、
Si : 0.4%以下、
Mn : 0.5〜2.0%、
P : 0.015%以下、
S : 0.006%以下、
Ti : 0.007〜0.02%、
Al: 0.001%〜0.03%、
O : 0.005%以下、
N : 0.0025〜0.006%、
を含有し、残部がFe及び不可避的な不純物からなることを特徴とする請求項1または2に記載の溶鋼中の微細酸化物分散方法。
【請求項４】
質量%で、さらに、Cu : 1.5%以下、Ni : 1.5%以下、Mo : 1%以下、Cr : 1%以下、Nb : 0.05%以下、V : 0.05%以下、B : 0.002%以下、Ca : 0.004%以下、REM : 0.003%以下、の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項3に記載の溶鋼中の微細酸化物分散方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Mgを含有する鋼材の製造に際し、鋼の性質を向上させるために微細な酸化物を鋼中に分散させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、溶接における熱影響部（以後、HAZ 部と呼ぶ）の靭性のさらなる向上を目的として、溶鋼中で生成する酸化物を用いる技術が望まれている。酸化物の導入方法として、多くの場合、鋼の溶製工程において、Tiなどの脱酸元素を単独に添加する方法などがあるが、多くの場合、溶鋼保持中に酸化物の凝集合体が起こり粗大な酸化物の生成をもたらし、かえって鋼の清浄度を損ない靭性を低下させることとなる。そこで、これらの酸化物の微細化を図るために複合脱酸法などの様々な工夫がなされている。
【０００３】
例えば、特開昭62-170459号公報に開示される溶接用高張力鋼板では、低Al化によるフェライト析出の促進効果と、Ti、Bの複合添加、N量の制御とを組み合わせてHAZ靭性の改善を行うことが提案されている。
しかしながら、従来知られている方法では、エレクトロスラグ溶接に代表されるような超大入熱溶接時の結晶粒の粗大化を阻止しうるほどの、微細な介在物を分散させることはできない。抜本的なHAZ靭性の向上を図るためには、超大入熱溶接時でも旧γ粒のピニング効果が期待できるような、高温でも溶解しにくい、高融点の酸化物粒子などを鋼中に生成し、かつ微細に分散できるような技術の開発が望まれている。
【０００４】
このような微細な粒子を鋼中に分散させる方法の一つとして、金属MgやMg合金を溶鋼中に添加し、鋼中溶存酸素により微細なMgOあるいはMgOを含む酸化物にして溶鋼中に分散させる方法がある。例えば、Mgを主とした脱酸を行う薄鋼板材用溶鋼の溶製方法が特開平5-302112号公報に開示されている。また、製鋼温度(1500〜1750℃程度)においてMgは蒸発しやすく、添加の歩留まりが悪いとされている問題を解決する手段として、添加剤としてMg合金を使う方法が、例えば、特開平7-48616号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶鋼中の酸素濃度が低い場合、添加されたMgは反応する酸素が不足しているためMgOを十分に生成できず、そのまま揮発してしまい、Mg歩留まりが低下する。Mg歩留まりの低下は、溶鋼中のAl2O3等をMgOを含む酸化物に改質することができず、Al2O3系の粗大な酸化物を形成し、鋼材の品質欠陥に至る可能性がある。
【０００６】
このように、溶鋼に金属MgやMg合金を添加した際に、操業に支障を生じることなく、Mgが酸化してMgOになる歩留まりを高め、鋼材の組織を微細にして、鋳片及び鋼材の表面や内部の欠陥を抑制し、鋳片及び鋼材の手入れや屑化等を防止して品質の向上を図る方法について具体的に示されていないなどの問題がある。
本発明は、操業に支障を生じることなく、溶鋼中におけるMgOあるいはMgOを含有する酸化物の生成を増して、HAZ靭性及び母材の強度に優れた微細な酸化物が分散した鋼の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するために種々の検討を行った結果、酸化性ガスの溶鋼中への吹き込み、その中でもCO2ガス、あるいは不活性ガスとCO2の混合ガスの溶鋼中への吹き込みにより、MgOあるいはその他の酸化物より構成される微細介在物が従来以上に高密度に鋼材中に分散することを見出した。
【０００８】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
(1) 0.001〜0.01質量%のMgを溶質として含有する溶鋼中にCO２ガス、または不活性ガスとCO２の混合ガスを供給し、MgOあるいはMgOを含む酸化物を生成することを特徴とする溶鋼中の微細酸化物分散方法。
(2) 溶鋼に供給するガス流量が溶鋼1tあたり5000Nl/min以下であり、さらに、CO２ガスの混合比に応じて、供給するガスの総量が下記式のLｍｉｎで表される値以上とすることを特徴とする上記(1)に記載の溶鋼中の微細酸化物分散方法。
Lｍｉｎ[Nl]=12500×(%CO２)−０．７
(3) 溶鋼組成が、質量%で、C : 0.03〜0.2％、Si : 0.4%以下、Mn : 0.5〜2.0%、P : 0.015%％以下、S : 0.006%以下、Ti : 0.007〜0.02%、Al: 0.001%〜0.03%、O ： 0.005%以下、N : 0.0025〜0.006%、を含有し、残部がFe及び不可避的な不純物からなることを特徴とする上記(1)または(2)に記載の溶鋼中の微細酸化物分散方法。
(4) 質量%で、さらに、Cu : 1.5%以下、Ni : 1.5%以下、Mo : 1%以下、Cr : 1%以下、Nb : 0.05%以下、V : 0.05%以下、B : 0.002%以下、Ca : 0.004%以下、REM : 0.003%以下、の1種または2種以上を含有することを特徴とする上記(3)に記載の溶鋼中の微細酸化物分散方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
上記に示した方法を用いて酸化性ガスであるCO2ガスを溶鋼中へ吹き込むことにより、溶鋼中のMgを酸化して一次の微細な酸化物とすることができる。ここで一次の酸化物とは溶鋼中の成分とガス中の酸素分との反応によって生成する酸化物を示す。
【００１０】
しかし、このガスが酸化性の高いO2ガスであると、本発明における酸化性の低いCO2ガスに比して生成するMgOは粗大なものとなるため、溶鋼中より浮上分離しスラグ相へ混入しやすくなることや、この粗大な介在物が鋼中に残留した場合、製品の欠陥の原因となりやすいなどの難点がある。さらに、吹き込む酸素ガスの濃度次第では、溶鋼中のSi、Mn、Tiといった成分までをも酸化し、狙いとする鋼材の特性に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００１１】
一方、CO2ガスは製鋼温度である1500〜1750℃程度においてCO2=CO+1/2O2の反応によって分解し、酸素を生成する。一般的に、CO2ガス、不活性ガスとCO2の混合ガスから生成するO2ガスの分圧PO2は、CO2ガスの混合比に応じて概ね以下の(1)式のように表される。
PO2[Pa]=10×(%CO2)0.7    ・・・・・・(1)
ここで、(%CO2)は混合ガス中のCO2の体積%であり、CO2ガスを単独で使用する場合、(%CO2)=100である。また、不活性ガスとはHe、Ne、Ar、Krなど元素周期律表上で0族に分類されるガスを指す。本発明においては上記のいずれのガスも用いることが可能であるが、コストの観点からArを使用することが望ましい。例えば、1600℃の雰囲気中に105PaのCO2ガスを導入した場合、一部のCO2ガスが分解し、約2.5×102PaのO2ガスが生成する。また、105PaのAr+10%CO2ガスでは、約50PaのO2ガスが生成する。
【００１２】
このように、CO2ガスを用いることにより、O2ガスを使用する場合と比較して非常に低いポテンシャルで酸素を供給することが可能となる。また、CO2ガスを不活性ガスで希釈することにより、さらに酸素分圧を低減することが可能である。従って、粗大な介在物は生成しにくく、概ね2μm以下の微細な酸化物が生成し、微細であることから溶鋼中で浮上分離しにくく、容易に鋼中に分散することができる。なお、O2ガスを大量の不活性ガスで希釈して本発明と同等の低酸素ポテンシャルを実現することも可能であるが、体積比が大きく異なるため混合が困難であるなどの操業上の難点がある。
【００１３】
Mgは本発明において最も重要な役割を有する元素である。Mgが0.001%未満の場合、TiNの析出核となるMg系の酸化物を十分に析出させることができない。そのため、下限を0.001%とする。一方、酸化物として消費されるMgは0.01%あれば十分であり、これを超えるMgの効果は期待できない。Mgは蒸気圧が高く、酸化力が強い非常に活性な元素であることから、必要以上に鋼中に含有させることは製造コストの上昇を招き好ましくない。そのため、上限を0.01%とする。
【００１４】
ここで、生成する酸化物はMgOだけとは限らず、例えば溶鋼中不可避成分であるAlとMgOが反応するとMgO・Al2O3などの微細酸化物が生成する。
一方、本発明方法の範囲においてCO2ガス、あるいは不活性ガスとCO2の混合ガスを溶鋼に供給する際、その総量が少なすぎると溶鋼に十分な酸素分が供給できず、酸化物を多量分散させることができない。従って、供給するガスの総量は以下の(2)式で与えられるLminで表される値以上とする。
Lmin[Nl]=12500×(%CO2)-0.7  ・・・・・・(2)
例えば、CO2ガス単独により溶鋼に酸素を供給する場合、供給するガスの総量は(2)式より溶鋼1tあたり約500Nl以上とすることにより溶鋼に十分な酸素を供給し、酸化物を多量分散させることができる。反対に、供給するガスの流量が大きすぎると溶鋼の飛散の原因となり、歩留まりの低下、コストの増大を招いて好ましくない。従って、供給するガスの流量の上限を溶鋼1tあたり5000Nl/minとする。
【００１５】
このCO2ガスの供給方法としては、溶鋼上からガスを吹き付ける方法、溶鋼中にガスを吹き込む方法が考えられる。例えば溶鋼中へ多孔体耐火物ランスを浸漬する方法がある。または、溶鋼容器の一部分にポーラスプラグを埋め込み、これを介して溶鋼中にガスを供給してもよい。
なお、当該ガス吹き込み多孔体の形状と位置は、溶鋼保持容器に応じて適宜決定すればよい。例えば、溶鋼保持容器の壁面や底部に板状の形状で複数個配置してもよい。
【００１６】
この多孔体よりCO2ガスあるいは不活性ガスと CO2の混合ガスを供給し、多孔から溶鋼中へ供給添加することにより、溶鋼中で酸素分を供給することができる。このように酸化性ガスを溶鋼中に供給して、上記の如く微細酸化物を生成する態様としては、溶鋼の鋳造過程に近い箇所が望ましく、例えば取鍋、タンディッシュ、モールドにおけるガス供給が最適である。また、製鋼温度(1500〜1750℃程度)においてMgは蒸発しやすく、添加の歩留まりが悪いため、酸化性ガスの供給は溶鋼中へのMg投入からの時間経過が短いほど望ましい。
【００１７】
次に、各々の化学成分の限定理由について説明する。
Cの下限である0.03%は、母材及び溶接部の強度、靭性を確保するための最小値である。しかし、Cが多すぎると母材及びHAZ靭性を低下させるとともに溶接性を劣化させるため、その上限を0.2%とする。
Siは、脱酸のために鋼に含有されるが、多すぎると溶接性及びHAZ靭性が劣化するため、上限を0.4%とする。本発明の脱酸はTiだけでも十分可能であり、良好なHAZ靭性を得るためにはSiを0.3%以下にするのが望ましい。また下限は0%である。
【００１８】
Mnは、母材及び溶接部の強度、靭性の確保に不可欠であり、下限を0.5%とする。しかし、Mnが多すぎるとHAZ靭性を劣化させたり、スラブの中心偏析を助長し、溶接性を劣化させるため上限を2%とする。
Pは、本発明方法においては不純物元素であり、0.015%以下とする。Pの低減はスラブ中心偏析の軽減を通じて母材及びHAZ靭性の機械的性質を改善し、さらにはHAZの粒界破壊を抑制する。従って、下限は0%である。
【００１９】
Sは、多すぎると中心偏析を助長したり、延伸したMnSが多量に生成したりするため、母材及びHAZ靭性の機械的性質が劣化する。従って、上限を0.006%とする。また下限は0%である。
Tiは、ピニング粒子としての複合析出TiNの分散状態を制御する上で重要である。TiNは厚板圧延でのスラブ加熱時のγ粒成長抑制を通じて母材組織を微細化し、鋼材の強度と靭性を向上させることにも貢献する。しかし、Tiが多すぎるとTiCの過剰生成が原因となりHAZ靭性が低下するため、上限を0.02%とする。一方、Tiが0.007%未満の場合、MgOあるいはMgO・Al2O3酸化物上に複合析出するTiNの個数が過小となり、HAZ靭性向上に必要なγ粒成長抑制効果が得られないため、下限を0.007%とする。
【００２０】
Alは、多すぎると脱酸生成物がクラスター化し、粗大な介在物を作る原因になるため、上限を0.03%とする。しかし、本発明条件においてはMgO・Al2O3等の微細酸化物生成が期待でき、Mg添加前に若干のAlが溶存していることは好ましいと考えられるため、下限を0.001%とする。
Oは、多すぎると脱酸生成物の粗大化を引き起こすため、上限を0.005%とする。また下限は0%である。
【００２１】
Nは、ピンニング粒子であるTiNの個数を確保する上で重要である。Nが0.0025%未満の場合、TiNの個数が確保できない。また、Nが0.006%を超える場合固溶Nが過剰となり、HAZ靭性の低下を引き起こす。よって上限を0.006%、下限を0.0025%とする。
製品に求める特性を発現させるため、さらに以下の元素を1種または2種以上を溶鋼に添加しても良い。
【００２２】
Cu、Niは、溶接性及びHAZ靭性に悪影響を及ぼすことなく母材の強度、靭性を向上させる。しかし、1.5%を超えると溶接性及びHAZ靭性が劣化する。
Mo、Crは、母材の強度、靭性を向上させる。しかし、1%を超えると母材の靭性、溶接性およびHAZ靭性が劣化する。
Nbは、母材組織の微細化に有効な元素であり、母材の機械的性質を向上させる。しかし、0.05%を超えるとHAZ靭性が劣化する。
【００２３】
Vは、母材の靭性を向上させる。しかし0.05%を超えると溶接性及びHAZ靭性が劣化する。
Bは、焼き入れ性を高めて母材やHAZの機械的性質を向上させる。しかし、0.002%を超えて添加するとHAZ靭性や溶接性が劣化する。
CaとREMは、酸化物や硫化物を形成して材質を改善する。ここで、REMとはLa、Ceなどの希土類金属元素を示す。Caを0.004%を超えて添加しても材質改善効果が飽和する。REMを0.003%を超えて添加しても同様に材質改善効果が飽和する。必要以上に添加することは製造コストの増加を招き好ましくない。CaとREMの両方を添加しても効果は同等である。
【００２４】
すべての元素について下限値は0%を超える値とする。
【００２５】
【実施例】
以下、表1、表2および図1を参照しながら本発明の実施例について説明する。
（実施例1）
高周波誘導加熱により1tの電解鉄を真空溶解し、1600℃で成分調整後、Mn、Siにより脱酸した。その後Mgを添加し、溶鋼のサンプリングを行った。溶鋼の組成は質量%で、Mg: 0.0011〜0.0058%、C: 0.10〜0.15%、Si: 0.1〜0.3%、Mn: 1.0〜1.5%、P: 0.01%以下、S: 0.005%以下、Ti: 0.01%、Al: 0.01%、O: 0.005%以下、N: 0.0040〜0.0055%、B: 0.001〜0.002%である。
【００２６】
次に、多孔体耐火物からCO2ガスもしくはAr+CO2混合ガスを合計1000Nl/minで5分間吹き込み、その後金型内に鋳造し、凝固させた。なお本実施例におけるLminは500〜4010Nlの範囲であり、供給したガスの総量5000 Nlは本発明の範囲に属する。この試料の上部、中央部の2箇所についてそれぞれ2個以上のサンプルを切り出し、切断面を研磨、光学顕微鏡により介在物の粒径及び母相1mm2当たりの介在物密度を測定した。
【００２７】
表1にガス吹き込み前の溶鋼組成と冷却後の介在物の分散状態を示す。また、比較のため純Arガスを吹き込む試験(比較例11)及びAr-1%、10%O2ガスを同様の条件で溶鋼中へ吹き込む試験(比較例12〜15)を行い、同様の分析を行った結果を示す。さらに、比較のためMgを添加しない実験(比較例16、17)もあわせて行い、本発明方法におけるMgの役割を明らかにした。
【００２８】
図1は、各実験のガス中酸素ポテンシャルと測定された介在物密度の関係を表すグラフである。ここで、酸素ポテンシャルとは計算により求めた1600℃のCO2ガス、Ar+CO2ガスから生成するO2ガスの分圧である。
表1および図1から明らかなように、本発明の条件で製造した試料中において、径が0.2〜3μmの微細な酸化物が酸化性ガスを供給しなかった比較材11中およびAr+O2混合ガスを用いた比較材12〜15中に比べて多く生成した。また、比較材16、17より、本発明方法がMg含有鋼に特に有効な微細酸化物分散方法であることを示す結果が得られた。
【００２９】
【表１】
0004418119.tif 000002
【００３０】
（実施例2）
CO2ガス及びAr+CO2ガスを溶鋼中へ吹き込むに際して、供給ガスの総量を少なくした試験（比較例21、22）及びガスの流量を大きくした試験（比較例23）を行った。
表2より、供給するガスの総量が(2)式で与えられるLmin.より少ない場合、溶鋼に十分な酸素分が供給できず、酸化物を多量分散させることができなかった。また、溶鋼中へ供給するガスの流量が非常に大きい場合、溶鋼の飛散が激しく、操業が困難であった。
【００３１】
【表２】
0004418119.tif 000003
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、Mg含有溶鋼中へCO2ガスあるいはAr+CO2混合ガスを吹き込む手段を講じることにより、溶鋼中のMgを選択酸化微細化するとともに、分散させて鋼材の材質を向上することができる。また、粗大な酸化物の生成を防止することができ、鋼材の欠陥を防止して製品の品質を高めることができるなどの優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】供給ガスの酸素ポテンシャルと試料1mm2中に観察された0.2〜3μmの微細酸化物数との関係を示す図である。
【図１】
0004418119.tif 000004