JP2008025021A - 鍛造用鋼およびその製造方法並びに鍛造品 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた疲労特性の鍛造品を得るための介在物の微細化された鍛造用鋼、およびこうした鍛造用鋼を製造するための有用な方法を提供し、更には、この様な鍛造用鋼を用いて得られる、良好な疲労特性を発揮しうる介在物の微細化された鍛造品（特に、一体型クランク軸）を提供する。
【解決手段】本発明の鍛造用鋼は、鋼中の溶存Ｍｇ濃度が０．０４〜５ｐｐｍ、かつ鋼中の溶存Ａｌ濃度が５０〜５００ｐｐｍであることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、鍛造用鋼およびその製造方法、並びに鍛造用鋼を用いて得られる鍛造品に関するものであり、特に、鋼中に存在する介在物を微細化させた鍛造用鋼およびその製造方法、並びに鍛造用鋼を用いて得られる鍛造品に関するものである。本発明の鍛造用鋼を用いて製造される鍛造品は、機械、船舶、電機等の産業分野で広く有効に活用されるものであるが、以下では代表的な用途例として、船舶用駆動源の伝達部材として用いられるクランク軸に適用する場合を中心に説明を進める。

鍛造用鋼を用いて製造される、例えば船舶用駆動源の伝達部材である大型クランク軸には、過酷な使用環境下でも疲労破壊を生じ難い、優れた疲労特性が要求される。

クランク軸の疲労特性を向上させる方法として、非特許文献１には、加工面での技術を駆使して疲労特性を高めたことが示されており、具体的には、ＲＲ（Ｒｏｅｄｅｒｅ Ｒｕｇｅｔ）法を採用することにより、自由鍛造法で製造したクランク軸より疲労特性を著しく向上させたことや、冷間ロール加工を施して疲労強度を向上させたことなどが示されている。

また、非特許文献２では、船舶用クランク軸に採用される低合金鋼の疲労特性向上について検討されており、（１）介在物は疲労破壊の起点となりやすく、鋼の高強度化に伴いその傾向が顕著となること、（２）介在物サイズが大きいほど疲労強度は低下すること、（３）伸長した介在物を含む鋼材は疲労強度の異方性が表れやすいこと、などが示されている。そして、鍛造材の疲労特性を向上させるには、介在物形状を球状とし、寸法を小さくすることが有効である旨結論付けられている。

しかしながら上記報告には、介在物形状を球状化し、かつ寸法を小さくするための具体的な手段まで示されておらず、制御すべき介在物の種類やサイズ等も明らかにされていない。従って、疲労特性の向上に有効な、介在物の形態制御を具現化するには、更なる検討を要すると考えられる。

ところで、鋼中介在物の形態制御法としては、これまで様々な方法が提案されており、例えば特許文献１には、耐ラメラテイア性と耐水素誘起割れ性の優れた構造用低合金鋼を得るための手段として、硫化物と酸化物をともに減少させ、かつ介在物の形態をコントロールする方法が提案されている。具体的には、耐ラメラテイア性や耐水素誘起割れ性を阻害するＭｎ硫化物の生成を抑制するには、Ｓ量およびＯ量を低減し、かつＣａやＭｇを添加すればよいことが提案されている。

また、特許文献２には、Ｍｇ、Ｃａ添加により、熱間圧延により伸び易いＭｎＳやクラスター状につらなるＡｌ₂Ｏ₃系介在物の生成を抑制し、形状を変えて微細化を図るなどの介在物の形態制御を行うことが示されている。

特許文献３や特許文献４には、酸化物系介在物を超微細化することで、歯車材としての面疲労強度や歯曲げ疲労強度を高めることが示されており、具体的には、酸化物系介在物として、凝集合体し難いＭｇＯやＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃を生成させることを提案している。また、硫化物であるＭｎＳの一部を（Ｍｎ・Ｍｇ）Ｓとすれば、介在物の延伸性が抑制され、機械的強度の異方性が低減することを明らかにしている。

特許文献５には、被削性に優れた機械構造用鋼を得るべく、硫化物としてＭｎＳ、ＣａＳ、ＭｇＳ、（Ｃａ、Ｍｎ）Ｓ、（Ｃａ、Ｍｇ、Ｍｎ）Ｓを存在させたことが示されており、特に、ＲＥＭ、ＣａおよびＭｇを含有させて硫化物の形態を制御すれば、機械的性質の異方性が抑えられるとともに、Ｓ含有快削鋼よりも被削性が高められることを明らかにしている。

しかし、これら介在物の形態制御技術は、船舶用駆動源の伝達部材等の如く過酷な環境下で使用される鍛造品を対象とするものでない。従って、鍛造品の疲労特性を高めるべく、鍛造品の製造に用いる鍛造用鋼を対象に、独自の介在物制御方法を検討して確立することが求められている。
「クランク軸の進歩改善」，日本船舶用機関学会誌，昭和４８年１０月，第８巻， 第１０号，ｐ．５４−５９ 「高強度クランク軸材の疲労強度特性に関する研究」，Journal of the JIME，平成１３年，ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．６，ｐ．３８５−３９０ 特公昭５８−３５２５５号公報 特公昭５７−５９２９５号公報 特開平７−１８８８５３号公報 特開平７−２３８３４２号公報 特開２０００−８７１７９号公報

本発明は、この様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、優れた疲労特性の鍛造品を得るための介在物の微細化された鍛造用鋼、およびこうした鍛造用鋼を製造するための有用な方法を提供し、更には、この様な鍛造用鋼を用いて得られる、良好な疲労特性を発揮しうる介在物の微細化された鍛造品（特に、一体型クランク軸）を提供することにある。

上記目的を達成し得た本発明の鍛造用鋼とは、鋼中の溶存Ｍｇ濃度が０．０４〜５ｐｐｍ（以下、ｐｐｍは「質量ｐｐｍ」を示す）であると共に、鋼中の溶存Ａｌ濃度が５０〜５００ｐｐｍである点に要旨を有するものである。尚、「溶存Ａｌ濃度」および「溶存Ｍｇ濃度」とは、鋼中で化合物を形成せずに、固溶元素として存在しているＡｌやＭｇの濃度を意味し、例えば二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定される値である。

本発明の鍛造用鋼においては、（ａ）鋼中に含まれる酸化物系介在物は、その平均組成が下記（１）式および（２）式を満足するものであること、（ｂ）鋼中に含まれる酸化物系介在物の断面積をＡ（μｍ²）としたとき、√Ａの平均値が１６０μｍ以下であること、等の要件を満足することが好ましい。
［ＭｇＯ］＋［Ａｌ₂Ｏ₃］≧４０％ …（１）
［ＭｇＯ］≧５％ …（２）
但し、［ＭｇＯ］および［Ａｌ₂Ｏ₃］は、夫々酸化物系介在物中のＭｇＯおよびＡｌ₂Ｏ₃の含有量（質量％）を示す。

また鍛造用鋼や鍛造品として一般に優れた強度や靭性を確保するためには、下記成分組成を満足することが好ましい。

「Ｃ：０．２〜１．０％（以下、％は「質量％」を示す）、Ｓｉ：０．０５〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｎｉ：４％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．５〜４％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．００５〜０．３％を夫々含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものである」

本発明は上記鍛造用鋼を用いて製造された鍛造品も含み、特に、本発明の鍛造用鋼を用いて製造される一体型クランク軸は、優れた疲労特性を発揮する。

一方、本発明の鍛造用鋼の製造方法とは、鍛造用鋼を製造するに当り、溶鋼処理工程におけるトップスラグ中のＭｇＯ濃度を５％以上とすると共に、鋼中の溶存Ａｌ濃度が５０〜５００ｐｐｍとなるように溶鋼中のＡｌ濃度を制御する点に要旨を有するものである。

本発明は上記のように構成されており、鋼中の溶存Ｍｇ濃度および溶存Ａｌ濃度を調整することによって、形成される介在物の形態を制御することができ、介在物の微細化された鍛造用鋼を提供し得ることになった。この様な鍛造用鋼を用いて得られる鍛造品は、優れた疲労特性を期待することができ、特に船舶で用いられるクランク軸等の大型鍛造製品として極めて有用である。

本発明者らは、前述した様な状況の下、過酷な環境下で使用される鍛造品の疲労特性を高めることを最終目標に、様々な角度から検討した。特に、凝固温度の遅い大型鋼塊（例えば、２０トン以上）では、目標とすべき疲労強度が得られ難く、これまでとは違う観点からの検討を進めた。

その結果、疲労強度の低下を招く原因は、ＭｇＳを主成分とする粗大介在物であり、この粗大介在物の生成には鋼中の溶存Ｍｇ濃度および溶存Ａｌ濃度が大きく関与しており、この溶存Ｍｇ濃度および溶存Ａｌ濃度を所定の範囲に制御すれば上記粗大介在物の生成が抑制され得ることを見出し、本発明を完成した。

また、本発明者らが小型鋼塊（２０ｋｇ）および大型鋼塊（２０トン）について検討したところ、鋼塊の大きさに拘わらず、鋼中の溶存Ｍｇ濃度および溶存Ａｌ濃度が酸化物組成に関与しており、これらの濃度を適切な範囲に制御すれば、Ａｌ₂Ｏ₃やＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃等の粗大化しやすい介在物の生成が抑制され、凝集しにくいＭｇＯ含有酸化物に組成制御できることも判明した。

鋼中の溶存Ｍｇ濃度を適切な範囲に制御するためには、溶鋼処理工程において、トップスラグ中のＭｇＯ濃度および溶鋼中のＡｌ濃度を適切に調整すれば良いことも分かった。

本発明の製造方法においては、溶鋼処理工程におけるトップスラグ中のＭｇＯ濃度および溶鋼中のＡｌ濃度を適切に調整することを要旨とするものであるが、この溶鋼処理工程の基本的な手順を説明しつつ、本発明の作用効果について説明する。

溶鋼処理するに当っては、まず原料を電気炉内に装入して加熱溶融した後、酸素ランスから酸素を吹き込む酸素吹錬によって脱炭・脱燐処理を行なう。酸素吹錬の終了後、溶鋼を取鍋に移し、ＬＦ（Ｌａｄｌｅ Ｆｕｒｎａｃｅ）等の溶鋼処理装置を用いて、溶鋼処理を行なう。このとき、溶鋼処理に先立って、ＣａＯ，ＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃等のスラグ原料（造滓剤）を所定の混合比で溶鋼表面に添加して溶融させ、溶鋼表面にスラグ（トップスラグ）を形成させる。

こうした溶鋼処理においては、底吹きガス攪拌等の手段によって、溶鋼を攪拌しながら温度や主成分を調整すると共に、脱酸剤を溶鋼に添加して、脱酸、脱硫等の処理を行なう。更に、必要に応じて、蓋脱ガス装置、タンク脱ガス装置、循環脱ガス装置（ＲＨ装置等）を用いて真空脱ガス処理を施し、溶鋼からの脱水素、脱硫を促進させる。溶鋼が所定の成分、温度、清浄度になった段階で、溶鋼処理工程を完了し、上注ぎや下注ぎ等の造塊方法によって鋼塊を鋳造する。

上記造塊工程によって得られた鋼塊は、その後、熱間鍛造によって丸棒等の中間製品の形状に成型される。成形後、成分や欠陥、清浄度等について中間検査を経た後、再度、熱間鍛造を行なうことによって、一体型クランク軸やジャーナル等の大型製品形状に成型される。引き続き、要求される製品特性に応じた熱処理を施した後、機械加工による仕上げをして最終製品とされる。

上記鋼塊から、一体型クランク軸を製造するための具体的手順としては、次の様な工程が挙げられる。即ち、凝固が完了した鋼塊を鋳型から取り出し、１１５０℃以上に加熱する。その後、鍛錬比３以上の熱間鍛造によって丸棒状若しくは段付け形状に加工する。この鋼塊鍛造に当たっては、内在欠陥圧縮のために、鋼塊高さ方向に圧縮した後に所定長さまで鍛伸しても良い。熱間鍛造の後、一体型クランク軸の形状に加工する。尚、一体型クランク軸の成形鍛造に当たっては、スロー部を１個ずつ成型しても良いし、全体を型入れすることによって、複数のスロー部を同時に成型しても良い。成型鍛造後には、仕上げ用の機械加工を施して所定寸法の一体型クランク軸とする。また、熱間鍛造によって段付き形状に加工したものを、機械加工することによって一体型クランク軸としても良い。

本発明方法では、上述した大型鍛造品の製造工程のうち、特に溶鋼処理工程における製造条件を適切に制御するものであり、トップスラグ組成および脱酸剤として添加するＡｌの濃度を適正な範囲に保つことによって、鋼中の溶存Ｍｇ濃度および溶存Ａｌ濃度を制御するものである。溶存Ｍｇ濃度および溶存Ａｌ濃度を適正な範囲に制御することによって、溶鋼処理中および鋳造中に生成する酸化物が微細分散され易い組成に制御され、最終的に熱間鍛造後の製品中の介在物が微細になり、製品の疲労強度が大幅に向上することになる。以下、本発明で規定した各要件について説明する。

本発明方法においては、上記溶鋼処理工程におけるトップスラグ中のＭｇＯ濃度を５％以上とし、且つ鋼中の溶存Ａｌ濃度が５０〜５００ｐｐｍとなるように溶鋼中のＡｌ濃度を調整するものであるが、こうした要件を満足させることによって溶鋼にＭｇ含有合金を直接添加しなくても、鋼中の溶存Ｍｇ濃度を０．０４〜５ｐｐｍに制御することができるのである（後記図４、５参照）。尚、トップスラグは、通常ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−ＭｇＯ−ＣａＦ₂を主成分とするものであるが、上記ＭｇＯ濃度はこれら全体に対する割合である。

溶鋼にＭｇ合金を直接添加すると、短時間ながら局所的にＭｇ濃度の高い領域が溶鋼取鍋中に形成され、ＭｇＳ等の粗大な硫化物が生成する場合がある。この粗大な硫化物が、他の介在物と共に凝集し、製品中に残留すると鍛造品の疲労特性を著しく低下する恐れがある。

鋼中の溶存Ａｌ濃度が５０ｐｐｍ未満となると、溶存酸素量が上昇し、凝固中に晶出する酸化物個数が増加して清浄度が悪化することになる。また、溶存Ａｌ濃度が５００ｐｐｍを超えると、溶存酸素濃度が低下すると共に、鋼中の溶存Ｍｇ濃度が増加して５ｐｐｍを超えることになる（後述する）。

鋼中の溶存Ａｌ濃度を上記の範囲に制御するには、溶鋼中のＡｌ濃度を分析すると共に、溶鋼中のＡｌ濃度と鋼中のＡｌ濃度の関係を把握しておき、これらに基づいて、最終的な鋼中の溶存Ａｌ濃度が５０〜５００ｐｐｍの範囲となるように（その濃度に応じた溶鋼中Ａｌ濃度となるように）、ＡｌやＡｌ合金を溶鋼中に添加すれば良い。

上記方法によって得られた鍛造用鋼は、鋼中の溶存Ｍｇ濃度が０．０４〜５ｐｐｍの範囲のものとなって、鋼中に存在する脱酸生成物の多くがスピネル等のＭｇＯ含有酸化物となって、鋼の疲労強度が著しく向上することになる（後記図２、４参照）。即ち、鍛造用鋼中の溶存Ｍｇ濃度が０．０４ｐｐｍ未満となると、介在物組成がＡｌ₂Ｏ₃−ｒｉｃｈになり、凝集合体現象が発生することになる。また、溶存Ｍｇ濃度が５ｐｐｍを超えると、ＭｇＳやＭｇＯ等が凝固中に多量に生成してしまい、粗大な介在物となって清浄度を低下させることになる。

上記のように鋼中の溶存Ｍｇ濃度を適切な範囲とすることによって、後述する耐久限度比（疲労強度σ_W／引張強度σ_B）で０．４２以上の優れた疲労特性が発揮されることになる。この溶存Ｍｇ濃度の好ましい範囲は、０．１〜２ｐｐｍ程度であり、この範囲に制御することによって、更に優れた疲労特性（上記耐久限度比で０．４４以上）が発揮されることになる。

ところで、鋼中のＡｌ濃度やＭｇ濃度については、湿式分析法が一般的に採用されるが、湿式分析法では、酸化物や硫化物の溶解を完全に避けることができず、鋼中に原子として溶解しているＡｌやＭｇの濃度を正確に定量することは困難である。また酸化物中のＡｌを除いた濃度として可溶性Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）を用いる方法もあるが、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系酸化物からのＡｌ溶出を無視できず、いわゆる「ｓｏｌ．Ａｌ」も決して正確な溶存Ａｌ濃度とはいえないものである。そこで本発明では、介在物制御のためには、溶存元素と酸化物の熱力学平衡が極めて重要であるとの観点から、溶存元素（「溶存Ａｌ濃度」および「溶存Ｍｇ濃度」）の正確な測定方法としてＳＩＭＳを採用した。

本発明の鍛造用鋼においては、鋼中に含まれる酸化物系介在物は、その平均組成が下記（１）式および（２）式を満足するものであることが好ましい（後記図３参照）。
［ＭｇＯ］＋［Ａｌ₂Ｏ₃］≧４０％ …（１）
［ＭｇＯ］≧５％ …（２）
但し、［ＭｇＯ］および［Ａｌ₂Ｏ₃］は、夫々酸化物系介在物中のＭｇＯおよびＡｌ₂Ｏ₃の含有量（質量％）を示す。

上記（１）式および（２）式を満足するような酸化物系介在物組成とすることによって、介在物がスピネル若しくはＭｇＯ等のＭｇＯ含有酸化物となり、こうしたＭｇＯ含有酸化物は、Ａｌ₂Ｏ₃に比べて溶鋼との濡れ性が良好であるため、介在物の凝集合体現象の発生が抑制され、鋼の疲労特性を劣化させる粗大介在物の形成を防止できることになる。

また本発明の鍛造用鋼においては、鋼材中に含まれる酸化物系介在物の断面積をＡ（μｍ²）としたとき、√Ａの平均値が１６０μｍ以下であることが好ましい（後記図１参照）。こうした要件を満足させれば、鋼の破壊起点となる介在物サイズが小さくなって、最終製品（鍛造品）における疲労強度や靭性が向上することになる。これに対して、粗大硫化物や粗大酸化物の存在は疲労特性の向上には好ましくないものである（後記図２参照）。

本発明は、この様に介在物の微細化を図るべく、溶鋼中の溶存成分を調整したところに特徴を有しており、鍛造用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、更には本発明で最終目標とする疲労特性向上を確実なものとするには、鋼材が下記基本組成を満たすことが望ましい。

［Ｃ：０．２〜１．０％］
Ｃは、強度向上に寄与する元素であり、十分な強度を確保するには、０．２％以上、より好ましくは０．３％以上、更に好ましくは０．３６％以上含有させるのがよい。しかし多過ぎると靭性を劣化させるので、１．０％以下、より好ましくは０．５％以下、更に好ましくは０．４５％以下に抑える。

［Ｓｉ：０．０５〜０．６％］
Ｓｉは強度向上元素として作用し、十分な強度を確保するには０．０５％以上、より好ましくは０．１％以上、更に好ましくは０．２％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、０．６％以下、より好ましくは０．４％以下に抑えるのがよい。

［Ｍｎ：０．２〜１．５％］
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０．２％以上、より好ましくは０．４％以上、更に好ましくは０．９％以上含有するものが望ましいが、多過ぎると逆Ｖ偏析を助長するので、１．５％以下、より好ましくは１．２％以下、更に好ましくは１．１％以下に抑えるのがよい。

［Ｎｉ：４％以下（０％を含まない）］
Ｎｉは、靭性向上元素として有用な元素であるが、Ｎｉ量が過剰になるとコストアップとなるので、４％以下、好ましくは２％以下に抑えるのがよい。

［Ｃｒ：０．５〜４％］
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０．５％以上、好ましくは０．９％以上、更に好ましくは１．５％以上含有させることによって有効に発揮される。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ので、４％以下、より好ましくは２．５％以下に抑えるのがよい。

［Ｍｏ：０．１〜１．５％］
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０．１％以上、より好ましくは０．１５％以上、更に好ましくは０．２０％以上含有させることが望ましい。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、１．５％以下に抑えるのがよい。

［Ｖ：０．００５〜０．３％］
Ｖは、析出強化および組織微細化効果があり、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０．００５％以上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、０．３％以下、より好ましくは０．１５％以下に抑えるのがよい。

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、残部は実質的にＦｅであるが、該鍛造用鋼中には微量の不可避不純物の含有が許容されることは勿論のこと、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。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、脱酸効果を有するＴｉ、固溶強化元素または析出強化元素であるＷ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｃｅ，Ｌａ，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が、合計量で０．１％程度以下に抑えることが望ましい。

また本発明は、該鍛造用鋼を用いて得られる鍛造品も包含するものであるが、その製造方法は特に制限されず、例えば、電気炉などで所定成分組成の鋼を溶製する工程→真空精錬などによりＳなどの不純元素やＯなどのガス成分を除去する工程→造塊する工程→鋼塊を加熱してから素材鍛造を行う工程→中間検査の後加熱して製品形状に鍛造する工程→熱処理により均質化すると共に焼入れ処理して硬質化する工程→仕上げ機械加工を行う工程、を順次実施すればよい。

特に、鍛造品としてクランク軸を製造する場合、一体型クランク軸として製造すれば、シャフト表層側を清浄度の高い部分で占めさせることができ、強度や疲労特性に優れたものが得られるので好ましい。この場合、一体型クランク軸の製造方法は特に限定されないが、好ましいのはＲ．Ｒ．およびＴ．Ｒ．鍛造法（鋼塊の軸心がクランク軸の軸心部となる様に鍛造加工し、中心偏析により特性の劣化を起こし易い部分をクランク軸の全ての軸心部となる様に一体に鍛造加工する方法）といった方法で製造することである。

尚、その他の鍛造加工法として、自由鍛造法（クランクアームとクランクピンを一体としたブロックとして鍛造し、ガス切断および機械加工によってクランク軸形状に仕上げる方法）などで製造してもよい。

また本発明の鍛造用鋼は、介在物を極微細化することによって優れた疲労特性を発揮するので、クランク軸以外にも、船舶用の中間軸、推進軸、組立て型クランク軸のスロー、圧力容器、中空素材といった高強度製品などを鍛造成形するための素材としても有効に活用できる。

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的範囲に含まれる。

電気炉内で２０〜１００トン(ｔｏｎ)のスクラップ原料を溶解し、取鍋に出鋼した。その後、ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃およびＭｇＯ等の造滓剤を溶鋼表面に添加し、所定の組成のトップスラグを形成させた。その後、底吹き攪拌装置を備えた取鍋加熱式精錬装置を用いて、溶鋼処理を行なった。この溶鋼処理工程では、Ａｌを添加して溶鋼を脱酸し、更に蓋脱ガス装置による真空処理によって、脱水素を行なった。溶鋼処理中には適宜、溶鋼をサンプリングして溶鋼中のＡｌ濃度を測定し、このＡｌ濃度が所定の範囲となるように、必要に応じてＡｌを追加添加した。

このとき、予備実験によって、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で分析した鋼材中の溶存Ａｌ濃度と、発光分析装置で迅速分析した溶鋼中のＡｌ濃度の対応を予め把握しておき、鋼材中の溶存Ａｌ濃度が所定の範囲となるように溶鋼中の上記Ａｌ濃度を制御した。

溶鋼処理が完了した後、トップスラグのサンプルを採取すると共に、下注ぎ造塊法によって鋼塊（２０ｔｏｎ、５０ｔｏｎ）を鋳造した。鋼塊の凝固が完了した後、鋳型内から鋼塊を抜き出し、１１５０℃以上に加熱して熱間鍛造を施し、各種大きさの丸棒状鍛造品を製造した。このとき、２０トン鋼塊については熱間鍛造を施して直径４００〜５００ｍｍの丸棒状に仕上げ、５０トン鋼塊については熱間鍛造を施して直径５００〜６００ｍｍの丸棒状に仕上げた。

各鍛造材における化学成分組成を化学分析によって調査すると共に、トップスラグのサンプルから、ＩＣＰ発光分光分析によってＭｇＯ濃度を調査した。これらの結果を、溶鋼中のＡｌ濃度と共に下記表１に示す。

鋼塊中の溶存Ｍｇ濃度および溶存Ａｌ濃度を測定すると共に、鍛造品中の介在物組成分析、疲労試験および介在物サイズ測定を下記の方法で行なった。このとき、ＩＣＰ−質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ法）によって、鋼中の全Ｍｇ濃度（ＴｏｔａｌＭｇ濃度）についても調査した。

［鋼中の溶存Ｍｇ濃度および溶存Ａｌ濃度測定］
鋼塊から採取したサンプルを研磨し、二次イオン質量分析装置（「ｉｍｓ５ｆ」 ＣＡＭＥＣＡ社製）に装填し、各サンプルについて、５００×５００（μｍ²）の領域でＭｇ，Ａｌの二次イオン像を観察し、その領域内でＭｇ，Ａｌが濃化していない場所を３箇所選び、深さ方向に分析を行なった。このときの一次イオン源はＯ²⁺である。そして、深さ方向の濃度分布が一定である場合には、その値を溶存濃度とした。深さ方向分析の過程で介在物が存在する場合には、濃度分布が大きく変動するが、介在物が存在しない深さまで分析を進め、濃度分布が一定となった段階で、その値を溶存濃度とした。尚、濃度の定量方法については、標準試料として²⁴Ｍｇ(１５０ｋｅＶ，１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ²)、²⁷Ａｌ(２００ｋｅＶ，１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ²)をイオン注入した純鉄を測定し、得られた相対感度係数（ＲＳＦ）を用いて原子濃度を測定した。

［介在物組成分析］
鍛造後の丸棒において、鋼塊底部相当位置の中心部から、サンプルを切り出し、ＥＰＭＡによる介在物の成分組成分析を行なった。このとき、各サンプルについて、５０個以上の介在物を無作為に選んで組成分析を行い、その平均値を求めた。

［疲労試験および介在物サイズ測定］
鍛造後の丸棒において、鋼塊底部相当位置の中心部から半径方向に直径：１０ｍｍ×長さ：３０ｍｍの平滑試験片を採取し、下記の条件にて疲労試験を実施した。また、疲労試験片と同じ位置から、採取した試験片を用いて常温で引張試験を実施した。そして、疲労限度の指標として、耐久限度比（疲労強度σ_w／引張強度σ_B）を測定した。
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
初期応力：３００ＭＰａ
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）

また疲労試験後、疲労破面を走査型顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、疲労破壊面の起点に存在する介在物サイズを測定し、介在物の断面積の１／２乗を√Ａとして求めた。このとき、ＭｇＳ含有粗大介在物の有無についても調査した。

これらの結果を、一括して下記表２に示すが、本発明で規定する要件を満足するものでは（鋼Ｎｏ．１〜１１）、介在物が微細化されて優れた耐久限度比（σ_w／σ_Bで０．４２以上）が達成されていることが分かる。これに対して、本発明で規定する要件のいずれかを欠くものでは（鋼Ｎｏ．１２〜１７）、介在物の微細化が達成されず、耐久限度比も低い値（σ_w／σ_Bで０．４０以下）しか得られていないことが分かる。

上記結果に基づいて、破面における介在物の√Ａと耐久限度比の関係を図１に示すが、耐久限度比を向上させるためには、介在物サイズの微細化（√Ａで１６０μｍ以下）が有効であることが分かる。

鋼中の溶存Ｍｇ濃度と耐久限度比の関係を図２に示すが、鋼中の溶存Ｍｇ濃度が一定値（５質量ｐｐｍ）を超えると、粗大硫化物（ＭｇＳ）が生成し、耐久限度比が低下することが分かる。また、鋼中の溶存Ｍｇ濃度が一定値（０．０４質量ｐｐｍ）を下回ると、凝集しやすい酸化物（その組成については、前記表２参照）が生成し、やはり耐久限度比が低下することが分かる。

図３は、酸化物中の（ＭｇＯ＋Ａｌ₂Ｏ₃）濃度およびＭｇＯ濃度が耐久限度比に与える影響を示したものである。尚、図３は、粗大硫化物が生成した試験Ｎｏ．１６，１７についてはプロットしていないものである。この結果から明らかなように、酸化物中の（ＭｇＯ＋Ａｌ₂Ｏ₃）濃度およびＭｇＯ濃度を夫々一定値以上とすることによって、高い耐久限度比が得られることが分かる。また、高い耐久限度比が得られたものでは、当然に介在物が微細なものとなる（前記図１参照）。

図４は、鋼中の溶存Ａｌ濃度が溶存Ｍｇ濃度に及ぼす影響を、スラグ中ＭｇＯ濃度との関係で示したグラフである。この結果から明らかなように、スラグ中のＭｇＯ濃度が５％未満の場合には、目標とする溶存Ｍｇ濃度が得られないことが分かる。また、スラグ中のＭｇＯ濃度が５％以上である場合には、鋼中溶存Ａｌ濃度が５０〜５００質量ｐｐｍとなる様に制御することによって、目標とする溶存Ｍｇ濃度が得られていることが分かる。

図５は、鋼中の溶存Ａｌ濃度およびトップスラグ中のＭｇＯ濃度が耐久限度比に与える影響を示したものである。この結果から明らかなように、トップスラグ中のＭｇＯ濃度を５質量％以上とすると共に、鋼中溶存Ａｌ濃度を５０〜５００質量ｐｐｍの範囲に制御することによって、高い耐久限度比が得られることが分かる。

図６は、鋼中のＴｏｔａｌＭｇ濃度と耐久限度比との関係を示したものである。この結果から明らかなように、ＴｏｔａｌＭｇ濃度と耐久限度比とは相関関係が低く、耐久限度比を良好にするには、鋼中の溶存Ｍｇ濃度を制御すること（前記図２）が極めて有効であることが分かる。

破面介在物の√Ａと耐久限度比の関係を示したグラフである。 鋼中の溶存Ｍｇ濃度と耐久限度比の関係を示したグラフである。 酸化物中の（ＭｇＯ＋Ａｌ₂Ｏ₃）濃度およびＭｇＯ濃度が耐久限度比に与える影響を示したグラフである。 鋼中の溶存Ａｌ濃度が溶存Ｍｇ濃度に及ぼす影響を、スラグ中ＭｇＯ濃度との関係で示したグラフである。 鋼中の溶存Ａｌ濃度およびトップスラグ中のＭｇＯ濃度が耐久限度比に与える影響を示したグラフである。 鋼中のＴｏｔａｌＭｇ濃度と耐久限度比の関係を示したグラフである。

Claims (7)

1. 鋼中の溶存Ｍｇ濃度が０．０４〜５ｐｐｍ（以下、ｐｐｍは「質量ｐｐｍ」を示す）であると共に、鋼中の溶存Ａｌ濃度が５０〜５００ｐｐｍであることを特徴とする鍛造用鋼。
2. 鋼中に含まれる酸化物系介在物は、その平均組成が下記（１）式および（２）式を満足するものである請求項１に記載の鍛造用鋼。
   ［ＭｇＯ］＋［Ａｌ₂Ｏ₃］≧４０％ …（１）
   ［ＭｇＯ］≧５％ …（２）
   但し、［ＭｇＯ］および［Ａｌ₂Ｏ₃］は、夫々酸化物系介在物中のＭｇＯおよびＡｌ₂Ｏ₃の含有量（質量％）を示す。
3. 鋼に含まれる酸化物系介在物の断面積をＡ（μｍ²）としたとき、√Ａの平均値が１６０μｍ以下である請求項１または２に記載の鍛造用鋼。
4. Ｃ：０．２〜１．０％（以下、％は「質量％」を示す）、Ｓｉ：０．０５〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｎｉ：４％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：０．５〜４％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．００５〜０．３％を夫々含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものである請求項１〜３のいずれかに記載の鍛造用鋼。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の鍛造用鋼を用いて製造されたものである鍛造品。
6. 一体型クランク軸である請求項５に記載の鍛造品。
7. 鍛造用鋼を製造するに当り、溶鋼処理工程におけるトップスラグ中のＭｇＯ濃度を５％以上とすると共に、鋼中の溶存Ａｌ濃度が５０〜５００ｐｐｍとなるように溶鋼中のＡｌ濃度を制御することを特徴とする鍛造用鋼の製造方法。
   

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