JP2009127078A

JP2009127078A - 高清浄度軸受鋼及びその溶製方法

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Publication number: JP2009127078A
Application number: JP2007302357A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Matsuoka; 克彰松岡; Noritaka Nishiguchi; 範孝西口; Tomomichi Terabatake; 知道寺畠
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-06-11
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: JP5433941B2

Abstract

【課題】製造コストが従来の量産鋼と同等であって安価であるとともに、酸化物系非金属介在物が少なく、高性能で且つ高い信頼性を有する高清浄度軸受鋼及びその溶製方法を提供する。
【解決手段】本発明の高清浄度軸受鋼は、硫黄含有量が０．００２０質量％以上で且つ酸化物系非金属介在物の予測最大径が１５μｍ以下であることを特徴とし、本発明の高清浄度軸受鋼の溶製方法は、前記高清浄度軸受鋼の溶製方法であって、予備脱硫処理された溶銑を転炉にて脱炭精錬し、得られた溶鋼を取鍋に出鋼し、出鋼された溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置にて精錬することによって軸受鋼を溶製するにあたり、前記ＲＨ真空脱ガス装置にて精錬する前までに溶鋼中の硫黄濃度を０．００２０質量％以上に調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、建設機械及び産業機械などに使用される転動部品用の軸受鋼及びその溶製方法に関し、詳しくは、酸化物系非金属介在物が少なく、高性能で且つ高い信頼性を有する高清浄度軸受鋼及びその溶製方法に関するものである。

軸受鋼の疲労特性は、Ａｌ₂Ｏ₃などの酸化物系非金属介在物に影響することが知られており、疲労特性の改善を目的として、製鋼工程では酸化物系非金属介在物を低減するために種々の手法が採られている。

例えば、量産鋼においては、真空脱ガス処理によって酸化物系非金属介在物の浮上・分離を促進したり、取鍋内の溶鋼上に存在するスラグに金属Ａｌなどの脱酸剤を添加してスラグを還元し、スラグと溶鋼中のＡｌとの反応によるＡｌ₂Ｏ₃の生成を抑制したり、連続鋳造機の鋳型或いは鋳型直下に磁場発生装置を配置して鋳型内での酸化物系非金属介在物の浮上・分離を促進したりしている。

具体的に説明すると、特許文献１には、電気炉で酸素富化操業を行って溶鋼中の溶存酸素濃度を２５０ｐｐｍ以上の過酸化状態として原料中のＴｉなどを酸化してスラグ中に移行させ、このスラグを取鍋から排出した後にＳｉ脱酸、Ａｌ脱酸を順次実施して溶鋼及びスラグを脱酸し、その後、取鍋精錬炉、ＲＨ真空脱ガス装置で順次精錬することを特徴とする、高清浄度軸受鋼の製造方法が開示されている。特許文献１の製造方法を採用することにより、溶鋼中の溶存酸素濃度が９ｐｐｍ以下で、且つ酸化物系非金属介在物の円相当直径１０μｍ以上のものが断面３２０ｍｍ²あたり９個以内である清浄な軸受鋼が製造できるとしている。

また、特許文献２には、製鋼工程の詳しい製造方法は開示していないものの、粒径が２５μｍ以上の塊状または粒状の酸化物系非金属介在物の個数が、検査対象である鋼３０００ｍｍ³あたりに１０個以下であれば、清浄な軸受鋼として使用可能であることが開示されている。

また更に、より高い信頼性や性能の要求される軸受鋼を製造する方法として、特許文献３には、母材としてＭｎを０．２質量％を越えて含まない軸受鋼を用い、該母材を電子ビーム溶解法によって再溶解することを特徴とする、超清浄度軸受鋼の製造方法が開示されている。特許文献３によれば、酸化物系非金属介在物粒子の直径が１５μｍ以下である超清浄度軸受鋼が得られるとしている。
特開平６−１４５８８３号公報特開２００２−４００５号公報特開平７−１０９５４１号公報

しかしながら、上記の従来技術には以下の問題点がある。

即ち、特許文献１に示される軸受鋼には粒径が１０μｍ以上の酸化物系非金属介在物が存在し、また、特許文献２に示される軸受鋼には粒径が２５μｍ以上の酸化物系非金属介在物が存在しており、特許文献１及び特許文献２ともに、これら酸化物系非金属介在物の上限値を規定していない。従って、例えば粒径が１００μｍの酸化物系非金属介在物であっても、存在個数が上記範囲を満足する限り、存在しても構わないことになる。粒径が１００μｍである大型の酸化物系非金属介在物が存在すると軸受鋼の特性は劣化することから、特許文献１及び特許文献２に提案される軸受鋼は、十分な疲労特性を有しているとはいいがたい。

特許文献３に示される軸受鋼は、酸化物系非金属介在物粒子の直径が１５μｍ以下であり、清浄性に優れており、十分な疲労特性が得られるものと想到される。しかしながら、電子ビーム溶解法によって再溶解しており、製造コストが余りにも高く、量産鋼には適用できない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、製造コストが従来の量産鋼と同等で安価であるとともに、酸化物系非金属介在物が少なく、高性能で且つ高い信頼性を有する高清浄度軸受鋼並びにその溶製方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る高清浄度軸受鋼は、硫黄含有量が０．００２０質量％以上で且つ酸化物系非金属介在物の予測最大径が１５μｍ以下であることを特徴とするものである。

また、第２の発明に係る高清浄度軸受鋼の溶製方法は、第１の発明に記載の高清浄度軸受鋼の溶製方法であって、予備脱硫処理された溶銑を転炉にて脱炭精錬し、得られた溶鋼を取鍋に出鋼し、出鋼された溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置にて精錬することによって軸受鋼を溶製するにあたり、前記ＲＨ真空脱ガス装置にて精錬する前までに溶鋼中の硫黄濃度を０．００２０質量％以上に調整することを特徴するものである。

本発明によれば、軸受鋼の硫黄含有量を０．００２０質量％以上とするので、軸受鋼の溶製工程において、溶鋼上に存在するスラグと溶鋼との境界面と、溶鋼バルクと、の間の界面張力に大きな勾配が発生し、この界面張力の勾配によって溶鋼中に懸濁する酸化物はスラグ側に向って移動するので、溶鋼中に懸濁する酸化物の浮上・分離が促進され、その結果、酸化物系非金属介在物の予測最大径が１５μｍ以下である、酸化物系非金属介在物が少なく、高性能で且つ高い信頼性を有する高清浄度軸受鋼を、安価な製造コストで得ることができる。

以下、本発明を具体的に説明する。

本発明者等は、軸受鋼の清浄度を高めることを鋭意検討した。その結果、軸受鋼中の酸化物系非金属介在物は軸受鋼の硫黄含有量に影響することを見出した。これは、硫黄は溶鋼に対して表面活性元素であり、溶鋼中の硫黄濃度を増加させることにより、溶鋼の界面張力が増加し、これにより、溶鋼中に懸濁している酸化物の除去が促進され、軸受鋼中の酸化物系非金属介在物が少なくなるからである。

つまり、溶鋼中の硫黄濃度を増加させることにより、溶鋼の界面張力が増加し、一方、スラグの界面張力は溶鋼中の硫黄濃度が変化しても変わらず、従って、スラグと溶鋼との境界面（以下、「スラグ−溶鋼境界面」と記す）と、溶鋼バルク（「バルク」とは周囲の影響を受けることのない内部のこと）とで界面張力の差が大きくなる。スラグ−溶鋼境界面と溶鋼バルクとで界面張力の差が大きくなると、必然的に、スラグ−溶鋼境界面と溶鋼バルクとの間の界面張力の勾配が大きくなる。

溶鋼中に懸濁する酸化物には、溶鋼による界面張力により溶鋼から分離しようとする力が作用しているが、酸化物が、その前後左右から等しい界面張力を受けている場合には、界面張力によるそれぞれの力が打ち消し合い、界面張力が作用していない場合と同等になる。しかしながら、界面張力の勾配が存在する領域に酸化物が存在する場合には、界面張力が高い側の力の方が差分だけ強く、酸化物は界面張力の低い側の方向に移動することになる。

即ち、溶鋼の硫黄濃度を或る程度確保し、スラグ−溶鋼境界面と溶鋼バルクとの間の界面張力の勾配を大きくすることで、溶鋼中に懸濁する酸化物の浮上・分離が促進されるとの知見が得られた。

そこで、或る特定の軸受鋼について硫黄の成分規格（Ｓ≦０．００４質量％）の範囲内で硫黄濃度を変化させて溶製し、連続鋳造により得られたブルーム鋳片を最終製品に圧延した後に最終製品から試料を切り出し、この試料の研磨面を顕微鏡観察して酸化物系非金属介在物の大きさを調査した。図１に調査結果を示す。尚、図１に示す縦軸の「予測最大径」とは、顕微鏡観察によって測定された酸化物系非金属介在物の大きさ別の分布図から、実際の分布図を予測し、予測した分布図における最大径である。これは、研磨面の顕微鏡観察によって観察される酸化物系非金属介在物は実際の大きさよりも小さく測定されるので、実際の大きさ及び分布を求めるために、顕微鏡による観察結果を統計学的に処理する手法であり、一般的に広く行われる手法である。当然のことながら、予測最大径は顕微鏡観察によって測定された最大径に比較して大きくなる。

図１に示すように、軸受鋼の硫黄濃度が高くなるほど、酸化物系非金属介在物の予測最大径は小さくなり、軸受鋼の硫黄濃度を０．００２０質量％以上確保することで、予測最大径は１５μｍ以下になることが確認できた。

本発明に係る高清浄度軸受鋼は、これらの知見に基づいてなされたものであり、硫黄含有量が０．００２０質量％以上で且つ酸化物系非金属介在物の予測最大径が１５μｍ以下であることを特徴としている。

硫黄含有量の上限は、その軸受鋼の成分規格の上限値とする。硫黄濃度が高いほど酸化物系非金属介在物は分離されやすいので、従って、目標とする硫黄濃度は、溶製対象の軸受鋼の成分規格上限値近傍とすることが好ましい。通常、軸受鋼の硫黄濃度規格には、下限値は設定されず、上限値は０．００５質量％程度であるので、０．００３〜０．００４質量を目標とすればよい。尚、軸受鋼には炭素鋼やクロムを含有する合金鋼など、種々存在するが、本発明は何れの鋼種の軸受鋼であっても適用することができる。

次に、本発明に係る高清浄度軸受鋼の溶製方法について説明する。

高炉から出銑された溶銑を溶銑鍋やトーピードカーなどの溶銑保持・搬送用容器で受銑し、この溶銑に対して脱硫処理を実施する。軸受鋼は低硫鋼であり、溶銑脱硫しないままでは溶製が困難であるからである。

溶銑の脱硫方法としては、インペラーと呼ばれる攪拌子を溶銑に浸漬させ、回転するインペラーで溶銑を攪拌しながら溶銑上に添加したＣａＯ系脱硫剤を溶銑中に混合させて行う脱硫法や、ＣａＯ系脱硫剤やソーダ系脱硫剤をインジェクションランスを介して搬送用ガスとともに溶銑中に吹き込んで行う脱硫法、或いは、鉄被覆金属Ｍｇワイヤーを溶銑に高速度で供給して行う脱硫法など種々の脱硫方法が行われており、本発明においてはどの脱硫方法を用いても構わない。但し、次工程の転炉脱炭精錬工程を含め、その後の精錬工程での脱硫処理を避けるために、溶製対象の軸受鋼の硫黄成分規格値よりも低い値まで脱硫処理する。脱硫処理後、溶銑を次工程の転炉に搬送する。尚、溶銑段階において、製造コスト削減の観点から、脱燐処理や脱珪処理が広く行われているが、本発明においては、脱燐処理及び脱珪処理は実施しても実施しなくても、どちらでも構わない。

脱硫した溶銑を転炉に装入して脱炭精錬を実施する。転炉精錬は生石灰などを媒溶剤として用いた通常の脱炭精錬を実施する。但し、この媒溶剤の添加量は、溶銑の予備脱燐処理に応じて設定する。つまり、予備脱燐処理により溶銑中燐濃度が最終製品レベル近傍まで低下している場合には生石灰の添加量を少なくし、溶銑中燐濃度が高い場合には大量の生石灰を添加する。そして、酸素ガスを上吹きまたは底吹きして溶銑の脱炭精錬を行う。溶製対象とする軸受鋼がクロムを含有する軸受鋼の場合には、転炉内にＦｅ−Ｃｒ合金などのクロム源を装入する。

転炉にて脱炭精錬が終了したなら、得られた溶鋼を取鍋に出鋼する。出鋼時、転炉内から採取した溶鋼試料の硫黄分析値に照らし合わせ、溶鋼中の硫黄濃度が軸受鋼の硫黄濃度の規格上限値と離れていたならば、Ｆｅ−Ｓ合金を用いて硫黄分を増加させ、０．００２０質量％以上であって規格上限値近傍の値に調整する。Ｆｅ−Ｓ合金は必ずしも出鋼時に添加する必要はなく、次工程のＲＨ真空脱ガス装置の精錬前である限り、どの時点で添加しても構わないが、溶鋼中に懸濁した酸化物の浮上・分離を促進させるためには、酸化物の浮上時間を確保できることから、早い時期であるほど、つまり出鋼時または出鋼直後であることが好ましい。ＲＨ真空脱ガス装置の精錬前までに硫黄濃度の調整を完了する理由は、ＲＨ真空脱ガス装置における酸化物の浮上・分離効果を処理開始時から十分に得るためである。

また、出鋼時、ＡｌやＳｉなどの強脱酸元素による溶鋼の脱酸処理を実施する。出鋼時に強脱酸元素を添加することで、脱酸により生成する酸化物の浮上・分離期間を長期間確保することができるので、溶鋼の清浄性を高めることが可能となる。

出鋼時、溶鋼に巻き込まれて転炉内のスラグの一部が取鍋内に流出し、取鍋内の溶鋼上に滞留する。清浄鋼を得るにはこのスラグの酸素ポテンシャルを低くすることが望ましく、従って、出鋼時または出鋼直後に取鍋内にスラグ還元剤を添加し、スラグを還元することが好ましい。スラグ還元剤としては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇの１種または２種以上の強還元剤を含有するものであれば、例えば金属Ａｌ単体であってもまた金属Ａｌと生石灰などの媒溶剤との混合体であっても構わない。特に好適なスラグ還元剤としては、安価であり経済性に優れることから金属Ａｌを５０質量％程度含有するアルミドロス（「Ａｌ灰」とも呼ぶ）を用いることが好ましい。

その後、取鍋を次工程のＲＨ真空脱ガス装置に搬送する。ＲＨ真空脱ガス装置は、真空槽の下部に配置された上昇側浸漬管及び下降側浸漬管を取鍋内の溶鋼中に浸漬させ、真空槽内を減圧するとともに上昇側浸漬管にＡｒガスを還流用ガスとして吹き込み、環流用ガスによるガスリフトポンプ効果によって取鍋内の溶鋼を真空槽に導入し、真空槽内で溶鋼を減圧化に曝し、その後、下降側浸漬管を介して取鍋に溶鋼を戻すことで、溶鋼に真空脱ガス精錬を施す装置である。取鍋から真空槽内に流入し、真空槽内から取鍋に戻る溶鋼の流れを「環流」と呼んでいる。

このＲＨ真空脱ガス装置において、水素などのガス成分が除去されるに十分な時間以上、溶鋼を環流させたなら、必要に応じて化学成分の微調整を実施し、所定の化学成分組成の軸受鋼として仕上げる。ＲＨ真空脱ガス装置は、数ある真空脱ガス設備のなかでも特に溶鋼の攪拌力が強く、溶鋼中に懸濁した酸化物の浮上・分離が促進される。得られた溶鋼を、次工程の連続鋳造工程に搬送し、ブルームなどの鋳片に鋳造する。

以上説明したように、本発明によれば、軸受鋼の硫黄含有量を０．００２０質量％以上とするので、軸受鋼の溶製工程において、スラグ−溶鋼境界面と溶鋼バルクとの間の界面張力に大きな勾配が発生し、この界面張力の勾配によって溶鋼中に懸濁する酸化物はスラグ側に移行しようとするので、溶鋼中に懸濁する酸化物の浮上・分離が促進され、その結果、酸化物系非金属介在物の予測最大径が１５μｍ以下である、酸化物系非金属介在物が少なく、高性能で且つ高い信頼性を有する高清浄度軸受鋼を得ることができる。

軸受鋼中の硫黄濃度と酸化物系非金属介在物の大きさとの関係を示す図である。

Claims

硫黄含有量が０．００２０質量％以上で且つ酸化物系非金属介在物の予測最大径が１５μｍ以下であることを特徴とする高清浄度軸受鋼。
請求項１に記載の高清浄度軸受鋼の溶製方法であって、予備脱硫処理された溶銑を転炉にて脱炭精錬し、得られた溶鋼を取鍋に出鋼し、出鋼された溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置にて精錬することによって軸受鋼を溶製するにあたり、前記ＲＨ真空脱ガス装置にて精錬する前までに溶鋼中の硫黄濃度を０．００２０質量％以上に調整することを特徴する、高清浄度軸受鋼の溶製方法。