JP4423050B2 - 疲労強度および冷間加工性に優れた高清浄度鋼 - Google Patents

Description

本発明は、冷間加工性と疲労特性に優れた高清浄度鋼に関し、特に高張力鋼線や極細鋼線、高強度弁ばね等としたときに優れた性能を発揮する高清浄度鋼に関するものである。

冷間加工によって直径０．１〜０．５ｍｍ程度に伸線加工される鋼線や高い疲労特性が要求されるばね用鋼では、鋼材に含まれる硬質の非金属介在物は伸線性や疲労特性に顕著な悪影響を及ぼすので、可能な限り少なく抑えることが望ましい。こうした観点から上記の様な用途には、硬質の非金属介在物を極力低減した高清浄度鋼が用いられている。

他方、近年、排ガス低減や燃費向上を目的とする自動車の軽量化や高出力化の要望が高まってくるにつれて、エンジンやサスペンション等に用いられる弁ばねや懸架ばねは、ますます高応力設計が志向されている。そのため、ばね用鋼は更に高強度化・細径化していく傾向にあり、負荷応力はますます増大し、耐疲労特性や耐へたり性においても一段と優れたばね用鋼が求められている。特に、弁ばね用鋼にはより高い疲労特性が要求されている。

他方、タイヤコードに代表される極細鋼線についても、タイヤの軽量化を目的に更なる高強度化が求められており、最近では４０００ＭＰａ級の強度を有するスチールコードも要求されている。それに伴って、冷間加工時に断線が発生し易くなるため、冷間加工性の向上も必要になってくる。

一般に、これらの用途に用いられる鋼では、高強度化するにつれて非金属介在物に起因する断線や疲労折損が起こり易くなることから、その主原因となる硬質の非金属介在物量を極力低減すると共に、そのサイズを小形化する方向で多くの改良研究が進められている。例えば非特許文献１には、タイヤコード用鋼材に含まれるＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂等の非延性介在物量を可及的に低減することが有効であること、また弁ばね鋼では、介在物を融点が１４００〜１５００℃程度以下のＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系低融点組成に制御すれば、疲労破壊の起点になり難いことが明らかにされている。

また特許文献１，２には、非金属介在物を冷間加工時に延伸または破壊され易くし、実質的に破断の原因とならない軟質なものにするための非金属介在物組成が開示されている。
(社)日本鉄鋼協会編「第１２６・１２７回西山記念技術講座」、社団法人日本鉄鋼協会出版、昭和６３年１１月１４日、第１４５〜１６７頁 特公平６−７４４８４号公報 特公平６−７４４８５号公報

しかし、前述した如く近年の弁ばねや懸架ばね、あるいは高性能タイヤコードに代表される極細鋼線などの分野では、従来の延長線上の改善手法で需要者の要望を満足させることはもはや困難となっており、従来手法を凌駕する性能向上対策を確立する必要に迫られている。

本発明はこうした状況に着目してなされたものであって、その目的は、鋼中に含まれて疲労特性などに顕著な影響を及ぼす酸化物系介在物に注目し、熱延工程での延伸性を高め、介在物としてのサイズを可及的に小形化することにより、冷間加工性や疲労特性において従来材を凌駕する性能を発揮する高清浄度鋼を提供することにある。

上記課題を達成することのできた本発明に係る疲労強度および冷間加工性に優れた高清浄度鋼とは、Ｃ：１．２％以下（質量％を意味する、以下同じ）、Ｓｉ：０．１〜４％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．００５％以下を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物であり、鋼中に存在する酸化物系介在物が、ＣａＯ：１５〜５５％、ＳｉＯ₂：２０〜７０％、ＭｇＯ：２０％以下、Ａｌ₂Ｏ₃：３５％以下であり、且つ、Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏの１種以上：０．５〜２０％を含有するところに特徴を有している。前記酸化物系介在物はＬｉ₂Ｏ／ＳｉＯ₂（質量比）が０．０１〜０．５程度であることが推奨される。上記酸化物系介在物中に含まれるＳｉＯ₂のより好ましい含有率は３０％以上、４５％未満、更に好ましくは４０％以下である。

また本発明は、上記の如く鋼内に存在する酸化物系介在物の成分組成を特定することによって、追って詳述する如く該介在物を軟質で高延性のものとし、熱延工程で分断して微細化させることにより、疲労破壊や伸線加工時に生じる折損の起点とならない様にしたところに最大の特徴を有するもので、鋼材自体の基本組成は、弁ばねや懸架ばね、スチールコードなどの用途に適用して所望の強度特性を発揮させる上で、Ｃ：１．２％以下、Ｓｉ：０．１〜４％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．００５％以下を満たし、残部はＦｅおよび不可避不純物である鋼材とする。該鋼材中には他の元素として、Ｃｒ：０．０１〜３．０％，Ｎｉ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．００５〜０．５％，Ｎｂ：０．００５〜０．１０％，Ｍｏ：０．０１〜１％，Ｗ：０．０１〜１．０％，Ｃｕ：０．０５〜２％，Ｔｉ：０．００５〜０．０６％よりなる群から選択される１種以上の元素を含むものであってもよい。

酸化物系介在物を上記のようなものにすると、該酸化物系介在物を熱延工程でよく延伸し分断され易い軟質で低融点組成に制御することができ、酸化物系介在物を十分に微細・小形化することができる。そのため、疲労破壊や断線の起点となる粗大な硬質介在物を可及的に低減することにより、疲労特性や冷間加工性に優れた高清浄度鋼を提供できる。

各種の鋼中に酸化物系介在物として存在するＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ、ＭｇＯなどの個々の酸化物や複合酸化物が、疲労破壊や伸線加工時の折損を誘発する大きな原因になることは普く知られており、これら酸化物系介在物の成分組成を変えることで疲労特性などを改善する技術も、前掲の特許文献などを含めて多数提案されている。しかし、前述した如き従来の改質技術の延長線上の改善手法では、近年の需要者の要望を満足できなくなっていることも事実である。そこで本発明者らは、鋼中に不可避的に混入してくる酸化物系介在物組成の範疇で改質を試みるのではなく、鋼中に第三成分を積極添加することで上記酸化物系介在物を改質すべく、様々の添加材について研究を重ねた。

その結果、鋼中に殆ど不可避的といえるほどに存在するＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＯ，ＭｇＯを有効に活用すると共に、これらに適量のＬｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏの１種以上を積極的に含有させると、鋼中に生成する酸化物系介在物が従来の酸化物系介在物を凌駕する高延性のものになること、そして生成する高延性の酸化物系介在物は熱延工程で容易に引き伸ばされて微細に分断され、熱延鋼材としては酸化物系介在物が微細かつ均一に分散したものとなり、疲労特性や伸線加工性が飛躍的に改善されることを見出し、上記本発明に想到したものである。

以下、本発明において酸化物系介在物を構成する各酸化物の含有率を定めた理由などを主体にして、詳細に説明していく。

ＣａＯ：１５〜５５％
ＣａＯは、酸化物系介在物を鋼材の熱延工程で微細化し易い軟質のものにするうえで必須の成分であり、ＣａＯ含量が不足すると高ＳｉＯ₂系やＳｉＯ₂・Ａｌ₂Ｏ₃系の硬質介在物となって熱延工程で微細化し難く、疲労特性や伸線加工性を劣化させる大きな原因になる。従って、ＣａＯは少なくとも１５％以上含有させねばならず、好ましくは２０％以上、より好ましくは２５％以上含有させることが望ましい。しかし、酸化物系介在物中のＣａＯ含量が多くなり過ぎると、該介在物の熱間変形能が低下すると共に、硬質の高ＣａＯ系介在物が生成して破壊の起点になる恐れが生じてくるので、好ましくは５０％以下、より好ましくは４５％以下に抑えることが望ましい。

ＳｉＯ₂：２０〜７０％
ＳｉＯ₂は、ＣａＯやＡｌ₂Ｏ₃等と共に低融点で軟質の酸化物系介在物を生成させる上で必須の成分であり、２０％未満では、酸化物系介在物がＣａＯやＡｌ₂Ｏ₃を主体とする大形もしくは硬質の介在物となり、破壊の起点となる。従って２０％以上含有させることが必須であり、より好ましくは３０％以上含有させることが望ましい。但し、ＳｉＯ₂含量が多過ぎると、酸化物系介在物がＳｉＯ₂を主体とする高融点で且つ硬質の介在物になり、断線や破壊の起点になる可能性が高まる。こうした傾向は、ＳｉＯ₂含量が７０％を超えると極めて顕著に表われてくるので、ＳｉＯ₂含量は７０％以下に抑えることが極めて重要となる。より好ましくは６５％以下、更に好ましくは４５％未満、特に好ましくは４０％以下に抑えるのがよい。

Ａｌ₂Ｏ₃：３５％以下
Ａｌ₂Ｏ₃は、軟質介在物の形成に必須の成分という訳ではなく、ＣａＯやＳｉＯ₂、更には本発明でその含有を必須とするＬｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ含量などを含めて、酸化物系介在物の適正な組成制御によっては、実質的にＡｌ₂Ｏ₃を含まないものであっても構わない。しかし適量のＡｌ₂Ｏ₃を含有させると、酸化物系介在物はより低融点で且つ軟質のものになり易くなるので、好ましくは５％程度以上、より好ましくは１０％以上含有させることが望ましい。しかし、酸化物系介在物中のＡｌ₂Ｏ₃が多過ぎると、硬質で微細化し難いアルミナ系介在物となり、やはり熱延工程で微細化し難いものになって破壊や折損の起点となるので、多くとも３５％以下に抑えるべきであり、好ましくは３０％程度以下に抑えるのがよい。

ＭｇＯ：２０％以下
ＭｇＯは、ＭｇＯ・ＳｉＯ₂系硬質介在物の生成源となって、破壊や折損の原因になり易く、こうした障害はＭｇＯ含量が２０％を超えると顕著に表われてくる。よって、こうした障害を生じさせなくするには２０％以下に抑えることが望ましい。より好ましくは１５％以下である。

Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏの１種以上の総和：０．５〜２０％
Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏは、本発明で最も特異的で且つ重要な成分であり、生成する複合酸化物系介在物の融点と粘性を低下させるうえで極めて重要な作用を発揮する。そして、酸化物系介在物の低融点化と低粘化を進めて介在物の微細化を増進し、本発明で意図するレベルの疲労特性向上効果を確保するには、Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏの１種以上を、合計で少なくとも０．５％以上、より好ましくは１％以上、更に好ましくは２％以上含有させることが望ましい。しかし、Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏの１種以上の合計が２０％を超えると、酸化物系介在物が低融点化し過ぎて耐火物に耐する溶損性が顕著に高まり、使用されている内張り耐火物の溶出に由来する硬質介在物量が増大し、疲労特性や冷間加工性を却って低下させる。従って、酸化物系介在物中のＬｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏの１種以上の総和は２０％以下に抑えねばならず、好ましくは１５％以下に抑えるのがよい。

Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏは、前述した如くどれも生成する複合酸化物系介在物の融点と粘性を低下させ、最終的に微細化する上で極めて重要な作用を発揮する。しかし、これらは等価ではなく、特に脱酸力の強いＬｉを酸化物系介在物生成起源として積極添加することにより、酸化物系介在物中に適量のＬｉ₂Ｏ含有させると効果が高められる。本発明者らが別途確認したところによると、Ｌｉ₂Ｏはガラス質の酸化物系介在物を結晶化させ易くする作用も有しており、この作用も酸化物系介在物の微細化を促進し、疲労特性の向上に顕著な影響を及ぼしていることが確認された。即ち、前記成分系の酸化物系介在物中に適量のＬｉ₂Ｏを含有させると、当該酸化物系介在物は結晶化し易くなり、ガラス質の酸化物系介在物中に微細な結晶を多数析出させる。その結果、熱延工程で酸化物系介在物に加わる負荷が、ガラス質と結晶質の境界部に集中して該介在物の分断が更に促進され、延いては、熱延後の鋼に含まれる酸化物系介在物は一段と小形化される。Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ単独添加でもその効果は大きいが、Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏの存在下で更にＬｉ₂Ｏが加わると、より一層その効果は向上する。こうしたことも相乗的に好結果をもたらし、疲労特性等の向上に寄与しているものと考えられる。

更に加えてＬｉは強い脱酸力を有しており、鋼中に存在する溶存酸素量の低減にも寄与するので、凝固時に析出する高ＳｉＯ₂系介在物の生成と粗大化を抑制する作用も発揮する。また、溶存するＬｉ，Ｎａ，Ｋの作用によって凝固時にＳｉＯ₂−Ｌｉ₂Ｏ，ＳｉＯ₂−Ｎａ₂Ｏ，ＳｉＯ₂−Ｋ₂Ｏおよびそれらの混合体として生成することで、高ＳｉＯ₂系介在物の生成を抑制する作用もある。

Ｌｉを必須とする場合、酸化物系介在物中のＬｉ₂ＯとＳｉＯ₂の質量比（Ｌｉ₂Ｏ／ＳｉＯ₂）を所定の範囲とすることが推奨される。Ｌｉ₂Ｏは複合酸化物の融点と粘性を低下させ、複合酸化物系介在物の微細化を促進する上で重要であり、特にネットワークを形成して粘性を上げてしまうＳｉＯ₂との比で考えることが重要だからである。Ｌｉ₂ＯをＳｉＯ₂に比べて十分に多くすることにより、複合酸化物系介在物の融点及び粘性の低下効果をより一層発揮することができ、介在物の微細化がより促進され、ＳｉＯ₂系の大型介在物を起点とする破壊をより確実に防止できる。なおＬｉ₂ＯをＳｉＯ₂に比べて多くし過ぎても、却って複合酸化物系介在物の融点及び粘性が低下し、耐火物を溶損し、該耐火物に由来する硬質介在物が増大して疲労特性や冷間加工性が低下する。以上の観点から、Ｌｉを必須とする場合、Ｌｉ₂ＯとＳｉＯ₂の質量比（Ｌｉ₂Ｏ／ＳｉＯ₂）は、例えば０．０１以上程度（好ましくは０．０２以上程度、さらに好ましくは０．０３以上程度）、０．５以下程度（好ましくは０．４以下程度）とするのが望ましい。

なお本発明では、酸化物系介在物中に他の酸化物としてＭｎＯが混入してくることもあるが、ＭｎＯは、それ自身、疲労破壊や折損の原因になることは少なく、しかもＣａ，Ａｌ，Ｌｉの如き強脱酸性元素の添加により還元され、酸化物系介在物中の含有量としては減少するので、その含有量は特に制限されない。

ところで特開２００２−１６７６４７号公報には、Ｓｉ脱酸鋼を対象とする疲労特性の改善技術が開示されており、この公報には、Ｓｉ脱酸鋼に含まれる酸化物系介在物中のＳｉＯ₂含量を４５％以上に規定すると共に、アルカリ金属Ｒ（Ｒ＝Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）の酸化物（Ｒ₂Ｏ）を０．５〜１０％含有させることを定めている。

しかし該公報の段落００１３には、「ＳｉＯ₂系介在物にＲ₂Ｏ（Ｒ：Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ）が含まれている状態は、……ＳｉＯ₂にＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃およびＭｇＯが含まれている状態に比較して溶鋼との反応性が高くなるため、界面エネルギーが低くなり、その効果により、Ｒ₂Ｏが含まれているＳｉＯ₂系介在物は微細化が可能となる」と明記され、また請求項１には、「４５％以上のＳｉＯ₂にアルカリ金属Ｒの酸化物を０．５〜１０％含有させること」、更に実施例でも、「約５０〜８０％もの高ＳｉＯ₂系介在物にＮａ₂Ｏを数％含有させること」が記載されていることからも明らかな様に、「高ＳｉＯ₂系介在物にアルカリ金属Ｒの酸化物を０．５〜１０％含有させる」という基本思想である。またこの公報では、Ｌｉ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏはほぼ等価であるとの前提に立って、実験では最も安価で入手の容易なＮａ₂Ｏを用いた例を挙げているが、これらの中でも特に脱酸力の強いＬｉ₂Ｏについての具体的な作用は全く認識されていない。

これに対し本発明では、前掲の如く高ＳｉＯ₂系介在物は断線や破断の主原因になるため極力排除すべきものと考えており、よって酸化物系介在物の基本組成を、ＣａＯ：１５〜５５％、ＳｉＯ₂：２０〜７０％（好ましくは４５％未満、更に好ましくは４０％以下）、Ａｌ₂Ｏ₃：３５％以下、ＭｇＯ：２０％以下と定めた上で、且つＬｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏを適量含有させ、前述した如くこれらの効果を相乗的に発揮させるものである。従って、本願発明と特開２００２−１６７６４７号公報に開示された発明とは、技術思想が異なる。

また本出願人は、Ｌｉを用いた鋼中介在物の組成制御技術として、先に特許第２６５４０９９号や特開平２−１５１１１号公報を提案している。このうち特許第２６５４０９９号は、「Ｓｉ系脱酸剤とアルカリ金属化合物の混合物を使用することによって脱酸生成物をアルカリ金属含有組成にコントロールする」もので、アルカリ金属化合物としては、化学的ならびに熱的安定性の比較的高いケイ酸塩(Ｎａ₂ＳｉＯ₃，Ｋ₂ＳｉＯ₃)やフッ化物(ＬｉＦ，ＮａＦ)の使用を推奨している。また上記特開平２−１５１１１号公報では、「Ｌｉ，ＮａおよびＫよりなる群から選択される１種または２種以上を１０〜１質量％含有すると共に(但し、全量合金化されているものとする)、Ｓｉを６０〜９９％含む精錬用脱酸材」を使用することによって介在物を変形容易なものに形態制御し、疲労特性を改善する技術を開示した。

ところが本発明に至る経緯の中で行ったラボ実験によると、上記特許第２６５４０９９号に開示したケイ酸塩やフッ化物＋Ｆｅ・Ｓｉ合金添加では、所望量のＬｉが溶鋼中に歩留りにくく、その結果として、本発明で意図する介在物組成に制御し難い。

また、特開平２−１５１１１号公報に開示した１０〜１％Ｌｉ・Ｓｉ合金は、前者に比べると溶鋼への歩留りは良好であったが、所定量のＬｉ₂Ｏを含む酸化物系介在物の全介在物に対する比率が少なく、本発明で意図する様な組成制御は行えなかった。しかも１０〜１％Ｌｉ・Ｓｉ合金は、プリメルト法で製造する際の液相線温度が高いためＬｉが蒸発し易く、Ｌｉ歩留りが悪いためコスト高になる。

従って本発明でＬｉを活用するに当っては、Ｌｉ−Ｓｉ系状態図の組成域でプリメルトが比較的容易であり、しかも、Ｌｉが金属間化合物として存在するためＬｉ活量が低く、溶鋼に添加したときにも爆発的な蒸発ロスを起こさない様にするため、液相線が比較的低く、その組成域にＬｉ，Ｓｉからなる金属間化合物が多数存在する組成として「Ｌｉ：１１〜５０％、残部Ｓｉと不可避不純物」のものを選択使用することが望ましい。この様な組成のプリメルト体を予め製造しておき、これを溶鋼に添加すれば、所定量のＬｉを鋼中に容易に歩留らせることができ、本発明で意図する所定の酸化物系介在物組成に制御することができる。また、上述したＬｉ-Ｓｉ合金「Ｌｉ：１１〜５０％、残部Ｓｉと不可避不純物」に、必要に応じてＣａ，Ｍｇ，Ｎａ，Ｋなどを配合もしくはプリメルトしたものであっても良い。

Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ源としては、炭酸塩、すなわちＬｉ₂ＣＯ₃，Ｎａ₂ＣＯ₃，Ｋ₂ＣＯ₃を使用し、これにＣａやＭｇ合金を混合したものであっても所定の歩留りが得られるため、これらを用いても構わない。またスラグ中にこれらの酸化物を添加しておくと歩留りは更に向上する。

上記の様に本発明では、鋼中に含まれる酸化物系介在物の組成を適切に制御することにより該介在物を低融点・低粘性のものとし、熱延工程で微細化し得る様にすることで疲労特性や伸線加工性を高めたところに特徴を有するもので、鋼自体の成分組成は特に制限されないが、前述した酸化物系介在物の組成を満足させるには、鋼中のＳｉ含量を０．１％以上に、またＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｃａ，Ａｌ含量をトータル（溶存濃度＋介在物中の含量）で１〜１００ｐｐｍレベルに制御することが望ましい。

また、本発明が意図する前掲の高張力鋼線や極細鋼線、高強度弁ばね等としての用途に適用するには、Ｃ：１．２％以下、Ｓｉ：０．１〜４％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．００５％以下となる鋼が好ましく、また必要により物性向上元素としてＣｒ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ｔｉなどの１種以上を含むものであってもよく、残部はＦｅおよび不可避不純物であってもよい。これら追加の元素の好ましい含有率は、Ｃｒ：０．０１〜３．０％，Ｎｉ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．００５〜０．５％，Ｎｂ：０．００５〜０．１０％，Ｍｏ：０．０１〜１％，Ｗ：０．０１〜１．０％，Ｃｕ：０．０５〜２％，Ｔｉ：０．００５〜０．０６％である。

なお、好ましいＣ含量を１．２％以下としたのは、高強度鋼線（Ｃ含量：約１．１％レベル）から極細軟鋼線材（Ｃ含量：約０．０１％レベル）までの応用を意図したもので、１．２％を超える高炭素鋼になると過度に硬質化すると共に加工性も低下し、実用的でなくなるからである。尚、本発明の特徴が特に高強度鋼線を対象として有効に発揮されることを考慮すると、Ｃ含量の好ましい下限は０．２％、より好ましくは０．３％、更に好ましくは０．４％以上である。

また前述した組成の酸化物系介在物を確保するには、鋼中のＳｉ，Ｍｎ含量を各々０．１％以上とすべきであるが、これらの含有量が多過ぎると鋼が脆化してくるので、Ｓｉは４．０％以下に、Ｍｎは２．０％以下に夫々抑えるのがよい。Ａｌは、前述した如く酸化物系介在物の組成制御を行うため積極的に含有させることも可能であるが、多過ぎると硬質のアルミナ系介在物量が増大して清浄度の低下に繋がるので、０．００５％以下に抑えるべきである。なおＣａは溶鋼中に殆ど溶解せず、溶製時に殆ど全てが酸化物や硫化物などとしてスラグに移行し、残部は複合酸化物として残存するだけであるので、鋼中の含有量としては殆ど無視できる。

かくして得られる本発明の高清浄度鋼は、特に不純物として存在する酸化物系介在物が低融点・低粘性のものに組成制御されたもので、熱延工程で引き伸ばされて微細化されているので、これらが疲労破壊源や伸線加工時の折損源になることはなく、従ってこの清浄度鋼は卓越した伸線加工性と疲労特性を備えたものとなる。よってこの清浄度鋼は、高張力鋼線や極細鋼線、高強度弁ばね用鋼などして幅広く有効に活用できる。

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、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。

実験例
実験は、９０トンおよび２５０トン実機（又は実験室レベル）で行った。すなわち、実機では転炉で溶製した溶鋼を取鍋に出鋼し（実験室では、転炉から出鋼される溶鋼を模擬した５００ｋｇの溶鋼を溶製し）、各種のフラックスを添加して成分調整、電極加熱、アルゴンバブリングを実施し、スラグ精錬を実施した。なおスラグ精錬（溶鋼処理）では、処理中に、３０％Ｌｉ−７０％Ｓｉ、Ｃａ−Ｓｉワイヤ、およびＬｉ₂ＣＯ₃，Ｎａ₂ＣＯ₃，Ｋ₂ＣＯ₃とＣａワイヤ、Ｍｇワイヤなどとの混合体などの添加も行った。精錬終了後、該溶鋼を鋳造した（実験室では、実機と同等の冷却速度が得られる鋳型に鋳造した）。得られた鋼塊を鍛造し、熱間圧延して直径５．５ｍｍの鋼線材とした。また比較材として、同様のプロセスで従来品相当材を試作し評価した。また鋼成分としては、ばね鋼成分とスチールコード成分について実施した。

評価は、各鋼線材におけるＬ断面の介在物の顕微鏡観察と組成調査を行うと共に、各鋼線材を酸溶解して硬質介在物の組成、個数、サイズを調査する一方、ばね用鋼については回転曲げ疲労試験、スチールコード用鋼については伸線試験による評価試験を行った。

(鋼線材中の介在物)
長さ８０ｍｍの鋼線材（直径５．５ｍｍ）のＬ断面を研磨し、介在物の厚み、長さ、個数および介在物組成を求めた。

（長さ２０μｍ以上の硬質介在物個数）
対象となる熱延鋼線材１５００ｇを約１００ｇ毎に切断し、表面のスケールを除去した後、約９０℃の温硝酸溶液に入れて酸溶解する。この溶液を篩目２０μｍのフィルターで濾過し、濾紙上に抽出された介在物をＥＰＭＡで分析すると共に長さを測定することにより、最大長さが２０μｍ以上となっている硬質介在物（酸化物系介在物、例えばアルミナ、ジルコニアなど）の個数を計測し、鋼５０ｇあたりの個数を算出した。

（疲労強度）
各熱延鋼線材(直径５．５ｍｍ)について、皮削り（ＳＶ）→低温焼鈍（ＬＡ）→冷間線引加工（直径４．０ｍｍ）→オイルテンパー［油焼入れと鉛浴（約４５０℃）焼戻し連続工程］→簡易歪取焼鈍(ブルーイング：約４００℃)→ショットピーニング→歪取焼鈍を行った後、試験材として直径４．０ｍｍ×６５０ｍｍのワイヤを採取し、中村式回転曲げ試験機を用いて、公称応力８８０ＭＰａ、回転数：４０００〜５０００ｒｐｍ、中止回数：２×１０⁷回で試験を行う。そして、破断したもののうち介在物折損したものについて、下記式により破断率を求めた。また、破断面に現れた介在物の組成をＥＰＭＡによって調べると共に、最大の介在物のサイズ（幅）を測定した。
破断率＝［介在物折損本数／（介在物折損＋所定回数に達し中止した本数）］
×１００（％）

（伸線加工性）
伸線加工性の評価には試験伸線機を用いた。即ち、熱間圧延後の線材（直径５．５ｍｍ）を直径２．５ｍｍまで１次伸線し、熱処理（空気パテンティング）した後、２次伸線して直径０．８ｍｍとする。引き続いて熱処理（鉛パテンティング）およびブラスめっきを施した後、直径０．１５ｍｍまで湿式伸線し、鋼線１０トン当りの断線回数に換算して評価した。また断線したものについては断面に現れた介在物について組成をＥＭＰＡによって調べると共に、最大の介在物のサイズ（幅）を測定した。

（介在物組成分析）
介在物中のＬｉ₂Ｏ濃度は従来のＥＰＭＡでは測定できないため、ＳＩＭＳによる分析法を独自に開発し、下記の手順で測定した。

(1)１次標準試料
1)Ｌｉ₂Ｏを除く介在物組成をカバーする範囲の合成酸化物と、これらにＬｉ₂Ｏを加えた合成酸化物を多数作製し、それらのＬｉ₂Ｏ濃度を化学分析によって定量分析し、標準試料を作製する。

2)作製した各合成酸化物のＳｉに対するＬｉの相対２次イオン強度を測定する。

3)Ｓｉに対するＬｉの相対２次イオン強度と、上記1)で化学分析したＬｉ₂Ｏ濃度の検量線を引く。

(2)２次標準試料(測定環境補正用)
4)測定時の環境補正用として、別途Ｓｉウェハー上にＬｉをイオン注入した標準試料を作製し、Ｓｉに対するＬｉの相対２次イオン強度を測定し、上記2)を実施する際に補正する。

(3)実際の測定
5)まず、鋼中介在物のＣａＯ，ＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｎＯ，ＳｉＯ₂，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏなどの各濃度をＥＤＸ，ＥＰＭＡなどによって分析する。

6)鋼中介在物のＳｉに対するＬｉの相対２次イオン強度を測定し、上記3)で求めた検量線のうち上記5)の分析結果に最も近い検量線を選択し、これによりＬｉ₂Ｏ濃度を求める。

結果を、スチールコード用鋼線については表１に、ばね用鋼線については表２に一括して示す。

表１，２より次の様に考えることができる。

表１はスチールコード用鋼線を対象とする例であり、符号１〜１３は本発明の規定要件を満たしているため、２０μｍ以上の粗大な硬質介在物の個数が少なくて且つ最大介在物サイズも相対的に小さく、伸線加工時の断線回数は少ない。そしてこの表から判断すると、特に２０μｍ以上の粗大な硬質介在物の個数が鋼材５０ｇ当り０．３個以下であるものは、明らかに断線回数が減少している。

これらに対し、符号１４〜２１は本発明で定める要件のいずれかを欠く比較例であり、断線回数が何れも鋼線１０トン当りに換算すると２０回を超えており、また、２０μｍ以上の粗大な硬質介在物の個数も、鋼材５０ｇ当り０．４個を超えている。

図１〜３は、上記表１の結果から、断線回数と２０μｍ以上の硬質介在物個数の関係（図１）、断線回数と破断面最大介在物サイズとの関係（図２）、破断面最大介在物サイズと２０μｍ以上の硬質介在物個数の関係（図３）をそれぞれ整理して示したグラフであり、これらの図からは概略次の傾向を確認できる。

図１より、２０μｍ以上の硬質介在物個数を鋼５０ｇ当り約０．４個程度以下に抑えれば、断線回数を鋼線１０トン当り２０回未満に抑えることができ、更には、２０μｍ以上の硬質介在物個数を鋼５０ｇ当り約０．２５個程度以下に抑えれば、断線回数を鋼線１０トン当り１０回以下に抑えることができる。

図２からは、破断面最大介在物サイズを３０μｍレベル以下に抑えれば、断線回数を鋼線１０トン当り１０回以下に抑えることができる。

図３からは、介在物組成を適正に制御することによって硬質介在物の個数を少なくすれば、破断面最大介在物サイズも小さくなる傾向がみられる。

また図４は、上記表１の結果から、Ｌｉ₂Ｏ／ＳｉＯ₂比と２０μｍ以上の硬質介在物個数の関係を整理したグラフである。このグラフからＬｉ₂Ｏ／ＳｉＯ₂比を最適な範囲とすると、硬質介在物個数の抑制が容易となることがわかる。

また表２は、ばね用鋼線を対象とする例であり、符号２２〜３５は本発明の規定要件を満たしているため相対的に破断率が小さく、最大破断介在物サイズも小さい。これらに対し符号３６〜４５は、本発明で定める何れかの規定要件を外れる比較例であり、相対的に破断率が高く、最大破断介在物サイズも大きい。

図５は、上記表２の結果を、破断率と最大破断介在物サイズの関係として整理したグラフであり、この図からは、介在物組成を制御することで最大介在物サイズを３０μｍレベル以下に抑えることができれば、破断率は２０レベル以下に抑えられることが分る。また図６は、介在物組成中に占めるＬｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏの合計含有率と最大破断介在物サイズの関係として整理したグラフであり、このグラフからは、介在物中のＬｉ₂Ｏ，Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏの合計含有率を０．５〜２０％の範囲に制御すれば、最大破断介在物サイズは小さくなることを確認できる。

図７は、上記表２の結果から、Ｌｉ₂Ｏ／ＳｉＯ₂比と破断面最大介在物サイズとの関係を整理したグラフである。このグラフからＬｉ₂Ｏ／ＳｉＯ₂比を適正な範囲とすると、介在物の微細化が容易となることがわかる。

スチールコード用鋼の実験で得た、２０μｍ以上の硬質介在物の個数と断線回数の関係を示すグラフである。 スチールコード用鋼の実験で得た、破断面最大介在物サイズと断線回数の関係を示すグラフである。 スチールコード用鋼の実験で得た、破断面最大介在物サイズと２０μｍ以上の硬質介在物個数の関係を示すグラフである。 スチールコード用鋼の実験で得た、Ｌｉ₂Ｏ／ＳｉＯ₂比と２０μｍ以上の硬質介在物個数の関係を示すグラフである。 ばね用鋼の実験で得た、破断面最大介在物サイズと破断率の関係を示すグラフである。 ばね用鋼の実験で得た、酸化物系介在物中のＬｉ₂Ｏ，Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏの合計含有率と破断面最大介在物サイズの関係を示すグラフである。 ばね用鋼の実験で得た、Ｌｉ₂Ｏ／ＳｉＯ₂比と破断面最大介在物サイズの関係を示すグラフである。

Claims (4)

1. Ｃ：１．２％以下（質量％を意味する、以下同じ）、Ｓｉ：０．１〜４％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．００５％以下を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物であり、
   鋼中に存在する酸化物系介在物が、ＣａＯ：１５〜５５％、ＳｉＯ₂：２０〜７０％、Ａｌ₂Ｏ₃：３５％以下、ＭｇＯ：２０％以下であり、且つ、Ｌｉ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏの１種以上：０．５〜２０％を含有することを特徴とする疲労強度および冷間加工性に優れた高清浄度鋼。
2. 前記酸化物系介在物はＬｉ₂Ｏ／ＳｉＯ₂（質量比）が０．０１〜０．５となるものである請求項１に記載の高清浄度鋼。
3. 前記酸化物系介在物中のＳｉＯ₂含量が３０％以上４５％未満である請求項１又は２に記載の高清浄度鋼。
4. 他の元素として、Ｃｒ：０．０１〜３．０％，Ｎｉ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．００５〜０．５％，Ｎｂ：０．００５〜０．１０％，Ｍｏ：０．０１〜１％，Ｗ：０．０１〜１．０％，Ｃｕ：０．０５〜２％，Ｔｉ：０．００５〜０．０６％よりなる群から選択される１種以上の元素を含むものである請求項１〜３のいずれかに記載の高清浄度鋼。

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