JP2006007289A - 高窒素鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、適正な雰囲気圧力下にてブローホール欠陥のない鋼塊を得ることが可能な高窒素鋼の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 上記課題を解決するため、本発明の高窒素鋼の製造方法は、
質量％で、Ｃ：０．５０％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｃｒ：１１．０〜３０％、Ｍｏ：１０％以下、Ｎ：０．３０〜１．５％を含有し、残部が実質的にＦｅからなる高窒素鋼の製造方法であって、
溶鋼の凝固時に印加される全圧Ｐを、大気圧以上の範囲内で、溶鋼中のＣ濃度が高いほど下げ、溶鋼中のＳｉ濃度が高いほど上げ、溶鋼中のＣｒ濃度が高いほど下げ、溶鋼中のＭｏ濃度が高いほど上げるように制御を行うことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高窒素鋼の製造方法に関する。

高窒素鋼は、例えばオーステナイト系やマルテンサイト系のステンレス鋼において、鋼中の窒素濃度を高めて硬度と耐食性を向上させたものである。その用途はエアシャフト、ボールベアリング、軸受、プラスチック金型など多岐にわたっている。また、生体材料の分野においては、人体にとって好ましくない元素であるＮｉに代わる元素として窒素を含有させることで硬度と耐食性を維持できるという利点がある。

特開平０３−２４０９３５号公報 特開平０５−０９８３９３号公報 特開平０５−０９８３９４号公報 特開平０６−３２２４８７号公報

ところで、高窒素鋼では、溶解−鋳造法により製造する工程において、鋳造凝固後、鋼塊中にブローホール欠陥が認められる場合がある。これは、鋳造凝固時に、窒素の固溶度が減少し、窒素が気泡となり鋼中から排出されるためと推定される。

そのようなブローホール欠陥を生じさせないためには、窒素の固溶度が減少しないよう、溶鋼に一定以上の雰囲気圧力を印加する必要がある。しかしながら、そのために必要な雰囲気圧力は鋼種によって異なり、その定量値が不明なため、必要以上に高い雰囲気圧力を用いねばならなくなり、設備や使用ガスに関して無駄が多くなるといった問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、適正な雰囲気圧力下にてブローホール欠陥のない鋼塊を得ることが可能な高窒素鋼の製造方法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・発明の効果

上記課題を解決するため、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、溶鋼の凝固時において、溶鋼中の成分濃度とブローホール欠陥の生じやすさとの間に相関があることを見出し、その生じやすさに応じて雰囲気圧力（全圧Ｐ）を制御することでブローホール欠陥の発生を防止できるとの知見を得た。

すなわち、本発明の高窒素鋼の製造方法は、
質量％で、Ｃ：０．５０％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｃｒ：１１．０〜３０％、Ｍｏ：１０％以下、Ｎ：０．３０〜１．５％を含有し、残部が実質的にＦｅからなる高窒素鋼の製造方法であって、
溶鋼の凝固時に印加される全圧Ｐを、大気圧以上の範囲内で、溶鋼中のＣ濃度が高いほど下げ、溶鋼中のＳｉ濃度が高いほど上げ、溶鋼中のＣｒ濃度が高いほど下げ、溶鋼中のＭｏ濃度が高いほど上げるように制御を行うことを特徴とする。

このように、溶鋼中の成分に応じて全圧Ｐを適宜調整することによって、ブローホール欠陥を発生させずに、溶鋼の凝固を適正な雰囲気圧力下にて行うことができるようになり、設備や使用ガスに関する無駄を低減させることが可能となる。
以下、各成分の濃度に応じて全圧Ｐを調整する理由、及び高窒素鋼の組成限定理由を説明する。

１）Ｃ：０．５０％以下
Ｃは、侵入型元素であって、焼入れ硬さや、強度の向上に寄与する。しかし、Ｎの溶解量を低下させる元素であるとともに、Ｃｒ炭化物の形成により母相の固溶Ｃｒを低下させ、耐食性の劣化を招いてしまうので、添加量が低い方が望ましい。但し、マルテンサイト系ステンレス鋼やプラスチック金型用鋼等の耐食性とともに硬さが重要な特性である鋼種については、必要に応じて添加するのが良い。しかし、過度の添加は、耐食性を著しく劣化させてしまうことや、マルテンサイト系ステンレス鋼、耐熱鋼及びプラスチック金型用鋼等では残留オーステナイト量の増大によりかえって焼入れ硬さや焼入れ‐焼戻し硬さを低下させてしまうことから、その添加量を０．５０％以下とする。好ましい範囲は０．３５％以下、更に好ましい範囲は０．３０％以下である。

２）Ｓｉ：２．０％以下
Ｓｉは、脱酸材として添加されるとともに、Ｓｉ_３Ｎ_４として高窒素鋼の溶解原料に利用される。また、強度、耐食性及び被削性の向上に効果がある元素であるが、溶鋼中においてはＮの溶解量を逆に低下させる元素であり、且つ、疲労強度や靭性、延性に有害なＳｉＯ_２を生成しやすい元素でもあるため、添加量が低い方が望ましい。そのため、上限を２．０％とする。より好ましくは０．７０％以下、更に好ましくは０．５０％以下である。

３）Ｃｒ：１１．０〜３０．０％
Ｃｒは、耐食性を向上させるため必須の元素であるとともに、Ｎの溶解量を増加させる効果が最も大きい元素である。そのため、十分なＮの添加量を確保するには、１１．０％以上の添加が必要である。但し、３０．０％を超える添加は、溶体化処理を施しても未固溶のＣｒ窒化物が残存し、清浄度を極端に悪化させて、かえって耐食性を劣化させたり、疲労強度や靭性、延性を劣化させること、また熱間加工性を著しく劣化させて、線材、帯材、板材、型鋼等への加工が困難となるため、その上限を３０％とする。好ましい範囲は１３．０％超過２５．０％未満であり、更に好ましくは１４．０％超過２５．０％未満である。

４）Ｍｏ：１０％以下
Ｍｏは、耐食性を向上させる元素であるとともに、Ｎの溶解量を増加させる効果が大きい元素である。そのため、十分なＮの添加量を確保するために添加することが好ましい。但し、１０．０％を超える添加は、σ相等の有害相を生成させ、かえって耐食性を劣化させたり、疲労強度や靭性、延性を劣化させること、また熱間加工性を著しく劣化させ、線材、帯材、板材、型鋼等への加工が困難となるため、その上限を１０％とする。好ましい範囲は０．５０％超過８．５０％未満である。

５）Ｎ：０．３０〜１．５０％
Ｎは、侵入型元素であり、強度、硬さ、耐食性を著しく向上させる元素であり、本発明において積極的に添加する元素である。０．３０％未満では十分な耐食性が得られず、１．５０％を超える添加は凝固時のブローホールを抑えることが困難であり、健全な鋼塊を得ることが困難であるため、その範囲を０．３０〜１．５０％とする。
また、マルテンサイト系ステンレス鋼、耐熱鋼及びプラスチック金型用鋼等では、残留オーステナイト量が増大して、かえって、焼入れ硬さや焼入れ‐焼戻し硬さを低下させてしまうので、０．３０〜０．８０％の添加がより好ましい。
一方、オーステナイト系ステンレス鋼、耐熱鋼では、Ｎの固溶量が大きく、強度、硬さ、耐食性を著しく向上させるので、０．８０〜１．５０％の添加が望ましい。

次に、溶鋼の凝固時に印加される全圧Ｐは、具体的には、下記式（Ａ）を満たすように制御することができる。なお、［ ］は、溶鋼中の各成分の濃度（ｗｔ％）を表す。
√Ｐ≧［Ｎ］／（０．２０×［Ｃ］−０．０３６×［Ｓｉ］＋０．０１１×［Ｃｒ］−６．４×１０−５×［Ｍｏ］−０．０４３）・・・式（Ａ）

本発明者らは、凝固時に印加される全圧Ｐが式（Ａ）を満たす場合に、得られる鋼塊中にブローホール欠陥が生じないことを見出した。このように、ブローホール欠陥が生じない全圧Ｐの下限値（式（Ａ）が等号の場合）、すなわちブローホール欠陥の発生／非発生の境界が得られたことにより、溶鋼の凝固を適正な雰囲気圧力下にて行うことができるようになるので、設備や使用ガスに関する無駄を著しく低減させることが可能となる。なお、式（Ａ）の詳細については、後述する。

以上により、本発明の高窒素鋼の製造方法では、ブローホール欠陥を有さず、鋼中のＮ濃度を高めて硬度と耐食性を向上させた高窒素鋼（例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系耐熱鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、オーステナイト系耐熱鋼、プラスチック金型用鋼）を得ることができる。なお、当該高窒素鋼における具体的なＮ濃度は、例えば０．３０〜１．５％程度とすることができる。

次に、全圧Ｐの上限について説明する。本発明は、溶鋼の凝固時において必要十分な全圧Ｐを得ることを目的としているので、上限については特には限定されない。しかし、設備や使用ガスに関する無駄を排除する本発明の目的等を考慮すると、全圧Ｐの上限値は、例えば４０ａｔｍ程度とすることができる。また、より好ましくは３０ａｔｍ程度、さらに好ましくは２０ａｔｍ程度とすることができる。なお、凝固時における雰囲気については、例えば、窒素ガス雰囲気とすることができる。また、鋼中へのＮの添加量に応じてアルゴン等の不活性ガスなどを６０％程度まで混在させることもできる。

次に、溶鋼の凝固前に行われる原料の溶解について説明する。原料の溶解に際しては、溶鋼中の各成分の濃度が上記組成範囲となるように、加圧窒素ガス雰囲気下で原料を溶解する。具体的には、原料装入後の溶解に際して、溶鋼中の窒素濃度が目標とする窒素濃度となるように、密封された容器内に窒素ガスを導入して予め定められた目標窒素分圧を印加する。当該目標窒素分圧は、溶鋼中に目標量添加するのに必要な窒素分圧に対し、例えば１．１〜１．５倍程度とすることができる。また、溶鋼への窒素の添加は、容器内における窒素ガスの導入とともに、窒素を含有した合金の装入によっても行うことができる。これにより、溶鋼の窒素含有量を所望のレベルに速やかに到達させることができる。

本発明者らは、以下の実験を行った。
（１）ブローホールの生成条件の調査
ブローホールの生成条件について実験的に調査した。実験には、１０気圧までの加圧雰囲気下で溶解及び鋳造凝固が可能な誘導炉を用いた。

調査対象鋼は、窒素以外の化学成分が、表１の７鋼種のものとした。

具体的には、前述の誘導炉によって装入原料を溶解した。溶解後、窒素以外の化学成分を表１の化学成分に調整し、さらに種々のガス雰囲気下とすることによって、窒素濃度を調整後、溶鋼の一部を採取した。

全７鋼種のブローホールの有無と窒素濃度圧力の関係を、図１〜７に示す。いずれの鋼種においても、試料採取圧力の増加にともない、ブローホールを生成させずに添加しうる窒素濃度（以下、加窒限界という。なお、上記の全圧Ｐの下限値に該当する。）が増加することがわかる。また、いずれの鋼種においても、加窒限界は、試料採取圧力の平方根に対して、ほぼ比例関係となることがわかる。各図において、ブロー無のプロット点のうち、（窒素濃度）／（圧力の平方根）が最大値となる点と、原点とをとおる直線を示した。ここで本直線を「ブロー境界線」とすると、ブロー境界線は、下記の式（１）で示される。
［Ｎ］_Ｌ＝Ｗ×√Ｐ・・・式（１）
なお、［ ］：溶鋼中の成分の濃度（ｗｔ％）、［Ｎ］_Ｌ：加窒限界（ｗｔ％）、Ｗ：各鋼種ごとに異なる定数（ｗｔ％／√ａｔｍ）、Ｐ：全圧（ａｔｍ）である。（以下、同じ）

各鋼種のブロー境界線の傾きＷを図８に示す。鋼種毎に異なっていた。この傾きに対し、各合金元素の影響を回帰分析によって求め、式（２）を得た。
［Ｎ］_Ｌ ／ √Ｐ＝０．２０×［Ｃ］−０．０３６×［Ｓｉ］＋０．０１１×［Ｃｒ］−６．４×１０^−５×［Ｍｏ］−０．０４３・・・式（２）
これによると、Ｓｉはブローホールを助長させることを示した。また、Ｃ、Ｃｒはブローホールを抑制し、Ｍｏはブローホールを助長することを示した。
なお、当該式（２）は、上記式（Ａ）の等号の場合に該当する。

（２）検証実験
上記により得られたブローホールの生成条件について検証を行った。実験には、上記と同じ１０気圧誘導溶解鋳造炉を用いた。調査対象鋼は、上記と同じ１０気圧までの加圧雰囲気下で溶解及び鋳造凝固が可能な誘導炉を用いた。

具体的には、前述の誘導炉によって装入原料を溶解した。溶解後、化学成分を表２の化学成分に調整し、また雰囲気圧力（全圧）を所定圧力に調整後、準備した鋳型内に鋳造し、およそ５０ｋｇの鋼塊を得た。得られた鋼塊を切断し、ブローホールの有無を確認した。

式（２）から予想される添加可能な窒素濃度と、実際の窒素濃度（鋳込み直前の値）と、透過γ線像より明らかとなった各鋼種のブローホールの有無とを表３に示す。実際の窒素濃度（表３中の窒素実績値）が、式（２）から予想される添加可能な窒素濃度（表３中の加窒限予測値）より高い鋼種は、やはりブローホールが発生じており、式（２）は［ひいては式（Ａ）は］高窒素含有マルテンサイト系ステンレス鋼のブローホール生成条件の予測に際し、有効であると考えられる。

ブローホール生成状況（鋼種１） ブローホール生成状況（鋼種２） ブローホール生成状況（鋼種３） ブローホール生成状況（鋼種４） ブローホール生成状況（鋼種５） ブローホール生成状況（鋼種６） ブローホール生成状況（鋼種７） 各鋼種のブロー境界線の傾き

Claims (4)

1. 質量％で、Ｃ：０．５０％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｃｒ：１１．０〜３０％、Ｍｏ：１０％以下、Ｎ：０．３０〜１．５％を含有し、残部が実質的にＦｅからなる高窒素鋼の製造方法であって、
   溶鋼の凝固時に印加される全圧Ｐを、大気圧以上の範囲で、溶鋼中のＣ濃度が高いほど下げ、溶鋼中のＳｉ濃度が高いほど上げ、溶鋼中のＣｒ濃度が高いほど下げ、溶鋼中のＭｏ濃度が高いほど上げるように制御を行うことを特徴とする高窒素鋼の製造方法。
2. 請求項１に記載の全圧Ｐが、下記式（Ａ）を満たすように制御されることを特徴とする高窒素鋼の製造方法。
   √Ｐ≧［Ｎ］／（０．２０×［Ｃ］−０．０３６×［Ｓｉ］＋０．０１１×［Ｃｒ］−６．４×１０−５×［Ｍｏ］−０．０４３）・・・式（Ａ）
3. 請求項１または２に記載の高窒素鋼が、マルテンサイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系耐熱鋼及びプラスチック金型用鋼のいずれかであることを特徴とする高窒素鋼の製造方法。
4. 請求項１または２に記載の高窒素鋼が、オーステナイト系ステンレス鋼またはオーステナイト系耐熱鋼であることを特徴とする高窒素鋼の製造方法。

Images