JP5206500B2 - 高清浄度Si脱酸鋼およびその製造方法 - Google Patents
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(2)非晶質相の維持を阻害するのは、ゲーレナイト(Gehlenite)、アノーサイト(Anorthite)といった複合酸化物相やスピネル(Spinel 、MgO・Al2O3)相の生成である。
(3)これらの複合酸化物相の生成を抑制するには、別の晶出相を予め形成しておくことが有効である。
(4)その別相としてZrO2を含む相が有効である。
(5)これらを踏まえた上で、このような考え方における介在物組成の有効な範囲と非晶質相率を明らかにする。
圧延長手方向に平行な断面において観察される、長さ2μm以上、幅1μm以上の酸化物系介在物の平均組成が、質量%で、SiO2:35%以上、CaO:5%以上40%以下、Al2O3:10%以上35%以下、MgO:2%以上30%以下、およびZrO2:1.0%以上10%以下、ならびに残部不純物であり、前記酸化物系介在物を形成する酸化物の非晶質相の割合が体積分率で20%以上であることを特徴とする、高清浄度Si脱酸鋼材。
さらにZrO2をCaO、SiO2、Al2O3、MgO、FeO、TiO2およびZrO2の合計に対し、質量%で0.5%以上5.0%以下含有することを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の高清浄度Si脱酸鋼材の製造方法。
1−1.鋼組成の範囲および限定理由
本発明における鋼材の鋼組成について説明する。本発明における鋼材は、高清浄度を有するSi脱酸鋼材として使用される鋼組成であって、Si脱酸状態を呈する条件を満たすことが必要である。
高清浄度Si脱酸鋼は、機械構造用が主な用途であり、強度や硬さを確保する必要がある。そして、必要な強度および硬さは、Cの濃度を0.05%以上とすることにより得ることができる。しかし、Cの濃度が1.2%を超えて高くなると、鋼の靭性が低下し脆化が生じる。そこで、Cの濃度の適正範囲は0.05%以上1.2%以下とした。
Si脱酸鋼として脱酸を行うには、Siの濃度を0.05%以上とする必要がある。しかし、その濃度が2.0%を超えて高くなると脆化等の問題が生じる。そこで、Siの濃度の適正範囲は0.05%以上2.0%以下とした。Siの濃度範囲は、望ましくは0.08%以上1.0%以下、より望ましくは0.10%以上0.50%以下である。
Mnは、Siと共存することにより複合脱酸元素として溶鋼の脱酸に寄与する効果を有するとともに、鋼の強度を補う効果を有する。これらの効果を得るには、Mnの濃度は0.10%以上必要である。しかし、鋼中のMnの濃度が2.0%を超えて高くなると、酸化物系介在物中のMnO濃度が高くなりすぎる等の問題が生じる。そこで、Mnの濃度の適正範囲は0.10%以上2.0%以下とした。Mnの濃度範囲は、望ましくは0.15%以上1.8%以下、より望ましくは0.2%以上1.6%以下である。
Si脱酸鋼を得るには、酸化物系介在物をAl2O3系にしないことが必要である。そのため、Alの濃度の適正範囲は酸可溶性分で0.003%以下(0は含まず)である。Alの濃度範囲は、望ましくは0.002%以下である。濃度の下限は特に定めないが、製造コストの点からはAlの濃度は0.0003%以上であっても本発明の利点を享受できる。
後述するように、酸化物系介在物中のZrO2の平均濃度を1〜10%の範囲にするには、鋼中のZrの濃度を制限する方が良い。すなわち、鋼中のZrの濃度が酸可溶性分で0.0003%を超えて高くなると、介在物中のZrO2濃度が高くなりすぎる等の問題が生じる。そこで、Zrの濃度の適正範囲は酸可溶性分で0.0003%以下(0は含まず)とした。
Tiは酸素のみならず窒素や炭素とも親和力が大きい元素であり、酸化物系介在物になるものとTi(N,C)(炭化物、窒化物または炭窒化物)相になるものとがある。鋼中のTiの濃度が酸可溶性分で0.005%を超えて大きい場合には、酸化物系介在物の相生成に影響する。そこで、Tiの濃度の適正範囲は酸可溶性分で0.005%以下(0は含まず)とした。
Pは、固溶強化により硬度を上昇させることができる元素である。また、偏析によって粒界に偏在すると被削性を改善する場合がある。しかし、Pの濃度が0.10%を超えて高くなると鋼の脆化が著しくなる。そのため、Pの濃度の範囲は0.10%以下とする。
Sは、鋼中で硫化物を形成し、被削性の改善をすることができる元素である。特に本発明の高清浄度Si脱酸鋼では、酸化物系介在物も軟質なので、その効果を享受し易い。しかし、多量の硫化物が生成すると、材料の特性に異方性を生じる。そのため、Sの濃度の範囲は0.12%以下とする。
Crは、固溶強化と炭化物析出強化により、鋼強度の改善に効果がある元素である。しかし、Crの濃度が1.5%を超えて高くなると鋼の加工性が劣化する。そのため、Crの濃度の範囲は1.5%以下とする。
Cuは、固溶強化により鋼強度の改善に効果がある元素である。しかし、Cuの濃度が0.5%を超えて高くなると鋳造時の表面割れ等の問題が生じ易くなる。そのため、Cuの濃度の範囲は0.5%以下とする。
Niは、固溶強化により鋼強度の改善に効果がある元素である。しかし、Niの濃度が1.5%を超えて高くなると鋳造時の表面割れ等の問題が生じる。そのため、Niの濃度の範囲は1.5%以下とする。
これらの元素は、本発明の介在物制御効果を享受しながら鋼材の特性を変化させるために、上記濃度を上限として添加することができる。
次に酸化物系介在物の組成について説明する。本発明の技術的範囲において調整対象とする酸化物系介在物の構成成分は、SiO2、CaO、Al2O3、MgOおよびZrO2であり、さらに不可避的に含まれる不純物として、MnO、Na2OおよびFeO等が挙げられる。
本発明の高清浄度Si脱酸鋼において、介在物をシリケート系酸化物とし、その利点を享受するには、SiO2の濃度は、少なくとも35%以上とする必要がある。より確実にシリケート系介在物を形成するため、SiO2の濃度は、望ましくは45%以上である。
熱間および冷間圧延工程において、シリケート系酸化物からなる介在物の非晶質相を維持し、かつその介在物を伸展・微細化するには、CaOの濃度は、5%以上とする必要がある。しかし、CaOの濃度が40%を超えて高くなると、シリケート系酸化物中に複合酸化物の結晶相が散見されるようになり、非晶質相の維持に適さなくなる。そのため、CaOの濃度の適正範囲は5%以上40%以下とする。
熱間および冷間圧延工程において、シリケート系酸化物からなる介在物の非晶質相を維持し、かつその介在物を伸展・微細化するには、Al2O3の濃度は、10%以上とする必要がある。しかし、Al2O3の濃度が35%を超えて高くなると、シリケート系酸化物中に複合酸化物の結晶相が散見されるようになり、非晶質相の維持に適さなくなる。そのため、Al2O3の濃度の適正範囲は10%以上35%以下とする。
熱間および冷間圧延工程において、シリケート系酸化物からなる介在物の非晶質相を維持し、かつその介在物を伸展・微細化するには、MgOの濃度は、2%以上とする必要がある。しかし、MgOの濃度が30%を超えて高くなると、シリケート系酸化物中に複合酸化物の結晶相が散見されるようになり、非晶質相の維持に適さなくなる。そのため、MgOの濃度の適正範囲は2%以上30%以下とする。
熱間および冷間圧延工程において、シリケート系酸化物からなる介在物の非晶質相を維持し、かつその介在物を伸展および微細化する効果は、ZrO2の濃度が1%以上になると顕在化する。しかし、ZrO2の濃度が10%を超えて高くなると、シリケート系酸化物におけるZrO2系酸化物の硬質な結晶相が無視し得なくなり、むしろ有害となる。そのため、ZrO2の濃度の適正範囲は1%以上10%以下とする。ZrO2の濃度範囲は、望ましくは2%以上6%以下、より望ましくは3%以上5%以下である。
実際の鋼材における酸化物系介在物組成は、比較的大きい介在物を選択して、その平均組成で示す。その理由は、高清浄度Si脱酸鋼で問題となるほとんどの介在物は、粗大介在物であるからである。また、介在物中に結晶相が出ている場合も、概ねその介在物の平均組成で知ることが肝要だからである。
本発明の高清浄度Si脱酸鋼中の酸化物系介在物は、非晶質相からなることが望ましい。しかし、個々の介在物組成のバラツキを考慮すれば結晶相を含むことは不可避であり、介在物中の非晶質率をいかに安定して高められる条件を得るかが課題である。
介在物の非晶質率と酸化物系介在物の評点との関係について検討するため、以下の試験を行った。
本発明に係る高清浄度Si脱酸鋼材は、所定の鋼材成分範囲内であることに加えて、
圧延長手方向に平行な断面において観察される、長さ2μm以上、幅1μm以上の酸化物系介在物の平均組成が、質量%で、SiO2:35%以上、CaO:5%以上40%以下、Al2O3:10%以上35%以下、MgO:2%以上30%以下、およびZrO2:1.0%以上10%以下、ならびに残部が不純物であり、前記酸化物系介在物を形成する酸化物の非晶質相の割合が体積分率で20%以上であることを特徴とするところ、
そのような特徴は、
溶鋼の成分調整、脱酸および清浄化を行う二次精錬工程において形成されるスラグが、該スラグを構成する全成分のうちCaO、SiO2、Al2O3、MgOについては、それぞれ質量%で3%以上含有し、
さらにZrO2をCaO、SiO2、Al2O3、MgO、FeO、TiO2およびZrO2の合計に対し、質量%で0.5%以上5.0%以下含有することによって、一層安定的に製造することができる。
Claims (3)
- 質量%で、C:0.05%以上1.2%以下、Si:0.05%以上2.0%以下、Mn:0.10%以上2.0%以下、Al:酸可溶性濃度で0.003%以下、Ti:酸可溶性濃度で0.005%以下、およびZr:酸可溶性濃度で0.0003%以下を含有し、残部Feおよび不純物からなる高清浄度Si脱酸鋼材であって、
圧延長手方向に平行な断面において観察される、長さ2μm以上、幅1μm以上の酸化物系介在物の平均組成が、質量%で、SiO2:35%以上、CaO:5%以上40%以下、Al2O3:10%以上35%以下、MgO:2%以上30%以下、およびZrO2:1.0%以上10%以下、ならびに残部不純物であり、前記酸化物系介在物を形成する酸化物の非晶質相の割合が体積分率で20%以上であることを特徴とする、高清浄度Si脱酸鋼材。 - 前記高清浄度Si脱酸鋼材のFe成分の一部に替えて、質量%で、P:0.10%以下、S:0.12%以下、Cr:2.0%以下、Cu:0.5%以下、Cu:0.5%以下、Ni:1.5%以下、Mo:0.5%以下、Nb:0.1%以下、V:0.5%以下、B:0.003%以下のうちのいずれか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1に記載した高清浄度Si脱酸鋼材。
- 溶鋼の成分調整、脱酸および清浄化を行う二次精錬工程において形成されるスラグが、該スラグを構成する成分のうちCaO、SiO2、Al2O3、MgOについては、それぞれ質量%で3%以上含有し、
さらにZrO2をCaO、SiO2、Al2O3、MgO、FeO、TiO2およびZrO2の合計に対し、質量%で0.5%以上5.0%以下含有することを特徴とする、請求項1または2に記載の高清浄度Si脱酸鋼材の製造方法。
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