JPH0579745B2

JPH0579745B2 -

Info

Publication number: JPH0579745B2
Application number: JP60193661A
Authority: JP
Inventors: Takao Ooki; Jun Eguchi
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 1985-09-02
Filing date: 1985-09-02
Publication date: 1993-11-04
Also published as: JPS6254064A; DE3685816T4; EP0236505A4; DE3685816D1; US4802918A; EP0236505B1; DE3685816T2; EP0236505A1; WO1987001396A1

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は自動車および産業用機械等に用いられ
る機械構造用部品の疲労強度、耐久寿命、加工性
に優れた肌焼鋼の製造法に関するものである。機械構造用部品に要求される特性として疲労強
度、耐久寿命、加工性があり、特に疲労強度は産
業機械、産業用車両などの性能の高度化により高
負荷、高速度化が進むにつれてより重要視され、
これらの特性をさらに向上させ得る鋼の開発が種
種なされている。（従来技術）従来、疲労強度を向上させるためNi、Mo等の
合金元素を適当量添加し素材自身の強度を向上さ
せる方法が採用され、また一部の用途において
VAR、ESR等の特殊溶解法の採用によつて凝固
組織を制御するとともに非金属介在物を低減させ
る方法が実施されている。（解決しようとする問題点）しかし、前記の合金元素を単に添加する方法に
おいては前記用途に対して十分に満足し得る疲労
強度を得るものではなく、後者においては、コス
ト的に高いものとなり、かつ大量生産には適さな
いなどの問題があつた。（問題点を解決するための手段）本発明はかかる従来鋼の欠点に鑑みてなしたも
ので、本発明者等が種々の合金元素に対して疲労
強度に及ぼす影響について研究した結果、鋼の清
浄性、即ち酸化物系介在物及び硫化物系介在物が
少量の存在でも疲労強度を大幅に低下させ、さら
にその他の不純物元素についても疲労強度に悪影
響を与えることを見出したものである。本発明はこれらの知見をもとにＯ量を0.0010％
以下と現在の真空脱ガス精錬法で得られる最低の
Ｏ量とし、かつＳ量を0.009％以下と従来鋼に比
べ大幅に低減し、さらに不純物元素Ｐについても
0.012％以下と低下することによつて鋼中に存在
する非金属介在物量を大幅に減少させ優れた疲労
強度を得ることに成功したものである。さらに本発明により製造される鋼（本発明鋼と
いう。）は、不純物を大幅に低減したことによつ
て冷間加工性にも優れた鋼である。そして、本発明においては低酸素、低硫黄、低
Ｐの高清浄度の鋼を溶製するに原材料を厳選し、
電気炉において酸化精錬を施した溶鋼を取鍋中へ
出鋼し、出鋼時もしくは出鋼後に脱Ｐ処理を施し
該溶鋼上の酸化スラグを真空スラグクリーナーに
よつて吸引し、ついで塩基度が３〜６の高塩基性
スラグ（FeO＋MnO≦0.5％の還元性で、かつ
CaO／SiO₂／Al₂O₃＝0.3〜0.4の脱Ｓ能の優れた
スラグ）を電気加熱で造滓し、かつ浴温度の調整
を行いつつ、ダブルポーラスレンガにより不活性
ガスを吹き込み、１〜２気圧下において、溶鋼を
強撹拌しながら還元精錬を行い、Ｓ 0.009％以
下、Ｏ 0.0020％以下、かつ低Ｐ化を図り、つい
で還流式真空脱ガス装置によつて処理時間の2/3
を高還流し、残り1/3を弱還流により真空脱ガス
精錬を施し、Ｏ，Ｎ，Ｈ量をより低減し、ついで
常圧の還元性雰囲気下で弱撹拌しながら還元精錬
を施し、微細介在物を浮上、除去し、さらに断気
鋳造を行うことによりＯ量を0.0010％以下、Ｓ量
を0.009％以下、Ｐ量を0.012％以下と従来鋼に比
べて大幅に低下させ極めて非金属介在物の少ない
高清浄度の肌焼鋼が得られることを見出したもの
である。以下に本発明鋼について詳述する。第１発明の製造法は、重量比にしてＣ 0.10〜
0.25％、Si 0.35％以下、Mn 1.50％以下、Ｐ
0.012％以下、Ｓ 0.009％以下と、Cr 0.20〜1.50
％、Mo 0.10〜0.35％及びNi 0.20〜3.0％のうち
１種ないし２種以上と、Al 0.020〜0.040％、Ｏ
0.0010％以下、Ｎ 0.0100〜0.0200％を含有し
て、残部Feならびに不純物元素からなる鋼を製
造するに際し、塩基度が３〜６の高塩基性スラグ
の存在下で、かつ圧力が１〜２気圧の不活性雰囲
気下で、電極加熱で浴温度の調整を行いつつ強撹
拌しながら還元精錬を行い、ついで還流式真空脱
ガス装置によつて、処理時間の2/3を高還流し、
１／３を弱還流により真空脱ガス精錬を行い、さら
に常圧の還元性雰囲気下で弱撹拌しながら、還元
精錬を行うことを特徴とする高品質肌焼鋼の製造
法である。また、本第２発明の製造法は、上記第１発明の
同様の処理を行うことにより、重量比にしてＣ
0.10〜0.25％、Si 0.35％以下、Mn 1.50％以下、
Ｐ 0.012％以下、Ｓ 0.009％以下と、Cr 0.20〜
1.50％、Mo 0.10〜0.35％及びNi 0.20〜3.0％の
うち１種ないし２種以上と、Al 0.020〜0.040％、
Ｏ 0.0010％以下、Ｎ 0.0100〜0.0200％を含有
して、さらにＶ 0.03〜0.10％及びNb 0.03〜0.10
％のうち１種ないし２種を含有し、残部Feなら
びに不純物元素からなる鋼を製造するものであ
る。以下に本発明の成分限定理由について説明す
る。Ｃは浸炭焼入により芯部硬さを確保するに必要
な元素である。歯車，シヤフト等に要求される疲
労強度を確保するための硬さH_RC30〜45を得るた
めには、少なくとも0.10％以上添加する必要があ
る。しかし、多量に添加しすぎると切削性や浸炭
後の耐衝撃性が低下するため上限を0.25％に限定
した。 Siは脱酸効果、焼入性を向上させるに必要な元
素であるが、0.35％を越えて含有させると、切削
性等の加工性を低下させたり、浸炭時浸炭異常層
の発生を助長しやすくすることから、その上限を
0.35％と限定した。 Mnは溶鋼の脱酸、脱硫作用、焼入性の向上に
必要な元素であるが、その含有量が1.50％を越え
ると鋼の加工性を劣化させるため、上限を1.50％
と限定した。 Crは焼入性および焼入、焼もどし後の強度を
向上させるために効果的で、浸炭部品に対して
は、浸炭層の硬さおよび有効浸炭深さの向上に有
効な元素であり、これらの効果を得るには、0.20
％以下含有させる必要があり、下限を0.20％とし
た。しかし、その含有量が1.50％を越えると浸炭
時、過剰浸炭気味になり弊害も生じるため上限を
1.50％と限定した。 Niは焼入性および焼もどし後の靭性を向上さ
せるため効果的な元素である。本発明においては
要求される焼入性、強度に応じて0.20％以上添加
する。ただし、その含有量が多くなると、浸炭時
浸炭層の残留オーステナイトが過剰となつて表面
硬さを低下させる。また、Niは高価な元素であ
るから経済性の観点から上限を3.00％と限定し
た。 Moは焼入性および焼もどし後の強靭性を向上
させるために効果的で、浸炭部品に対しては浸炭
層の硬さ、有効浸炭深さを向上させる。本発明に
おいては要求される焼入性、強度、浸炭性に応じ
て適当量添加する。ただし、期待される高強度を
発揮させるMoの含有量として0.10％を下限とし
た。Moの含有量が多くなると、浸炭層に炭化物
が形成されたり、残留オーステナイトが増加した
り弊害も出るので上限を0.35％と限定した。 Alは溶解時に脱酸剤として、また溶鋼中にお
いて、Ｎと結合してAINを生成し、浸炭時の結
晶粒粗大化を防止し、結晶粒を調整する効果があ
る。Al含有量が0.020％未満では、その効果が得
られず、0.040％を越えるとアルミナ系介在物が
多量に生成し、鋼の清浄性が損なわれたり、切削
性が劣化することから、その含有量を0.020〜
0.040％と限定した。ＮはAlと結合してAINを生成し、浸炭時、結
晶粒粗大化を防止する効果がある。含有される
AlをすべてAINにしようとした時、Ｎは0.0100％
以上必要となり、その下限を0.0100％とした。ま
た、Ｎを0.0200％を越えて含有させると靭性が損
なわれるので上限を0.0200％とした。Ｏは歯車等の耐ピツチング性を劣化させたり、
切削性等の加工性に有害な酸化物系介在物を形成
する元素であり、その上限を0.0010％と限定し
た。Ｐは鋼の縞状偏析を形成しやすく、また結晶粒
界に偏析することにより鋼を脆化させる元素であ
るため、その上限を0.012％と限定した。Ｓは主として硫化物の形で存在する。切削性に
有効な元素であるが多量に存在すると、鋼に異方
性を生じさせたり、清浄性を損ない疲労強度にも
悪影響を及ぼすので、その上限を0.009％と限定
した。Ｖ、Nbは炭窒化物を生成し、AINと同様に浸
炭時結晶粒の微細化に効果のある元素であり、そ
の効果を得るにはそれぞれ0.03％以上の含有が必
要である。しかし、Ｖ、Nbとも0.10％を越えて
含有させると鋼中Ｃと結合し焼入性を損なうこと
になり、上限を0.10％とした。本発明方法において、先ず、塩基度が３〜６の
高塩基性スラグの存在下で、かつ圧力が１〜２気
圧の不活性の雰囲気下で行う還元精錬は、スラグ
中の成分の解能によつて、溶鋼中のＯが上昇する
のを防ぐとともに、脱硫能を増大させることによ
り、シリカ、アルミナ系介在物や硫化物をスラグ
に吸着せしめてトータル酸素量およびＳを極力低
減させるとともに、合金鋼成分の粗調整を行うた
めの工程であつて、例えば平均で温度が1500℃の
溶鋼を電極加熱により浴温をほぼ一定に保持する
ように温度調整して、大気中のＯが溶鋼中に入ら
ないようにアルゴン等の不活性ガスを下部より溶
鋼中に吹き込んで強撹拌を行う。この工程により
溶鋼中の全Ｏ量が低下するとともにＳ量が低下す
る。この工程での溶鋼温度上昇は95℃程度であ
る。スラグの塩基度を３〜６としたのは、３未満で
は還元反応及び脱硫反応が十分に進行せず、本発
明で規定しているＯ，Ｓの範囲を満足させること
が難しくなるためであり、６を越えるとスラグの
流動性が悪くなり、スラグ−溶鋼間の反応が却つ
て悪くなるので、上限を６とした。不活性雰囲気の圧力を１〜２気圧としたのは、
溶鋼を大気と接触させないためには還元精錬装置
内を大気圧以上に保ち、空気が炉内に侵入しなく
する必要があるからであり、２気圧以下としたの
はあまり気圧を上げすぎると高価な不活性ガスが
多量に必要となるためである。次に還流式真空脱ガス装置によつて行う真空脱
ガス精錬は、真空ポンプにより装置内の圧力を低
下せしめることにより、溶鋼の脱酸をさらに行つ
て高級アルミナ系介在物を減少するとともに、脱
ガスを行う工程であつて、例えば平均で温度が
1600℃の溶鋼を、溶鋼の温度がほぼ40℃程度低下
するまで、リフトガス流量の制御により、処理時
間の2/3を強還流させ、1/3を弱還流させる工程で
ある。この強還流により溶鋼は強く撹拌され、こ
れにより、溶鋼中に溶けこんでいるＮ，Ｈは溶湯
の小塊を破裂させながら放出されるとともにアル
ミナ系介在物は早期に凝集浮上してスラグに吸収
除去される。また弱還流により強撹拌では除去し
きれない比較的小さなアルミナ系介在物が容易に
浮上してスラグに吸収除去される。なおここでい
う弱撹拌とは、強撹拌の1/2程度の強さの撹拌で
ある。この工程によりＯ量は0.0010％近くまで除
去され、Ｎは0.0200％以下となる。さらに常圧の還元性雰囲気下での還元精錬は、
アルミナ系介在物を最大限に浮上させて除去する
ことを目的とする工程であつて、例えば平均で温
度が1550℃の溶鋼を、溶鋼の温度がほぼ15℃程度
低下するまで、アルゴン等の不活性ガスにより弱
撹拌して、溶鋼を安定させながら還元精錬を行
い、全Ｏ量のさらなる低減と、Ｓ量およびTiの
低減を図るものである。この工程でＯは0.0010％
以下に低下し、Ｓ量は0.009％以下に低下し、Ｐ
量は0.012％以下に低下する。（実施例）つぎに、本発明鋼の特徴を従来鋼、比較鋼と比
べて実施例でもつて明らかにする。なお、本発明
鋼は本発明に示した製造法によつて溶製したもの
である。第１表はこれらの供試鋼の化学成分を示すもの
である。

【表】

【表】第１表においてＡ〜Ｋ鋼は本発明鋼で、Ｌ，Ｍ
鋼は比較鋼、Ｎ〜Ｑ鋼は従来鋼である。第２表は第１表の供試鋼を素材として、60φ×
10mmの試片を作製し、炭素ポテンシヤル0.90％、
浸炭温度930℃×5Hrという浸炭処理条件で浸炭
を施し、ついで850℃で20分保持し、油焼入し、
しかる後、160℃で90℃焼もどし処理を行い、転
動疲労強さ、表面硬さ、内部硬さおよび有効浸炭
深さを示したものである。転動疲労強さについては、森式転動疲労試験機
を使用して測定した。なお、有効浸炭深さについ
ては硬さHv531までの表面からの距離を示した。

【表】第２表より知られるように、従来鋼であるＮ〜
Ｑ鋼は転動疲労強さについては、定格寿命
（B₁₀）で0.95〜1.83×10⁷、平均寿命（B₅₀）で
1.23〜2.66×10⁷であるのに対して、本発明鋼であ
るＡ〜Ｋ鋼は、Ｏ，Ｓ等の含有量を極力抑制する
ことによつて酸化物系介在物や硫化物系介在物量
が減少し、定格寿命（B₁₀）で4.10〜10.5×10⁷、
平均寿命（B50）で9.7〜24.6×10⁷と従来鋼に比
べて大幅に優れた転動寿命強さを有するものであ
る。また、比較鋼であるし、Ｍ鋼はＳ，Ｏ含有量が
本発明鋼に比べて高いことによつて定格寿命
（B₁₀）で2.12、2.58×10⁷、平均寿命（B₅₀）で
2.77、5.63×10⁷と従来鋼に比べると若干向上して
はいるが本発明鋼に比べると劣るものである。また、第３表は第１表の供試鋼について、試験
片を鋼材の圧延方向から採取し920℃×1Hr→空
冷という焼ならしを施した後、温間鍛造性につい
て示したものである。温間鍛造性については平行
部が6φの引張り試験片を作製して引張り温度700
℃、歪速度ε＝10^3-1で引張り試験を行い絞り値
を測定した。

【表】第３表より明らかなように従来鋼でCr，Moを
含有するＮ，Ｐ鋼の絞り値が74，75（％）、比較鋼
であるＬ，Ｍ鋼の絞り値が79，77（％）であるの
に対して本発明鋼であるＡ〜Ｋ鋼はいずれも絞り
値が84（％）以上と高いものであり優れた温間鍛
造性を有するものである。第４表は第１表の供試鋼について、浸炭条件と
して浸炭温度930℃×6Hr、浸炭温度950℃×
5Hr、浸炭温度970℃×4Hrで浸炭を行い、前記
条件におけるオーステナイト結晶粒度を測定した
ものである。なお、圧延温度については、従来鋼であるＮ〜
Ｑ鋼は1050℃、本発明鋼であるＡ〜Ｋ鋼および比
較鋼であるＬ，Ｍ鋼は1200℃で圧延を行つた。

【表】第４表から明らかなように従来鋼であるＮ〜Ｑ
鋼や比較鋼であるＬ，Ｍ鋼が950，970℃という高
温浸炭により、結晶粒が粗大化したのに対して本
発明鋼であるＡ〜Ｋ鋼は950，970℃という高温で
浸炭を施しても結晶粒の粗大化はわずかであり、
本発明鋼は高温浸炭性についても優れているもの
である。第５表は第１表の供試鋼を素材として、平滑部
８％の試験片を作製し、浸炭温度930℃×3Hr、
その他は前記第２表に示した転動疲労強さ測定に
際して行つたものと同一の浸炭処理→焼入れ→焼
もどし処理を施したＡ〜Ｑ鋼の疲労強度、内部硬
さおよび有効浸炭深さを示したものである。疲労強度については、小野式回転曲げ試験機を
用いて測定した。なお、有効浸炭深さについては
硬さ、Hv531までの表面からの距離を示した。

【表】

【表】第５表より知られるように、Ni，Cr，Moのう
ちCrのみを含有する従来鋼であるＮ鋼の耐久限
が55.5×10⁷比較鋼であるＬ，Ｍ鋼が57.2，58.7×
10⁷であるのに対して、本発明鋼であるＡ，Ｂ鋼
の耐久限は63.8，66，２×10⁷であり、従来鋼に
比べて大幅に優れた疲労強度を有するものであ
る。また、Cr，Moを含有する本発明鋼であるＣ，
Ｄ鋼の耐久限は従来鋼であるＰ鋼、また、Ni，
Cr，Moを含有する本発明鋼であるＥ，Ｆ鋼の耐
久限は従来鋼であるＱ鋼に比べていずれも優れた
ものであり、本発明はCr，Cr−Mo，Ni−Cr−
Mo鋼の疲労強度を大幅に向上させ得るものであ
る。（本発明の効果）上述のように、本発明はＳ，Ｏ等の含有量を極
力低下させ、酸化物系介在物や硫化物系介在量を
減少させ鋼の清浄度を大幅に改善したことによつ
て構造用鋼の疲労強度、耐久寿命、温間鍛造性を
大幅に向上させたものであり、本発明は自動車、
産業用機械等に適した高品質肌焼鋼の製造法であ
り、高い実用性を有するものである。

Claims

【特許請求の範囲】１重量比にしてＣ 0.10〜0.25％、Si 0.35％以
下、Mn 1.50％以下、Ｐ 0.012％以下、Ｓ
0.009％以下と、Cr 0.20〜1.50％、Mo 0.10〜0.35
％及びNi 0.20〜3.0％のうち１種ないし２種以上
と、Al 0.020〜0.040％、Ｏ 0.0010％以下、Ｎ
0.0100〜0.0200％を含有し、残部Feならびに不純
物元素からなる鋼を製造するに際し、塩基度が３
〜６の高塩基性スラグの存在下で、かつ１〜２気
圧の不活性雰囲気下で、電極加熱で浴温度の調整
を行いつつ、強撹拌しながら還元精錬を行い、つ
いで還流式真空脱ガス装置によつて、処理時間の
２／３を高還流し、1/3を弱還流により真空脱ガス精
錬を行い、さらに常圧の還元性雰囲気下で弱撹拌
しながら還元精錬を行うことを特徴とする高品質
肌焼鋼の製造法。２重量比にしてＣ 0.10〜0.25％、Si 0.35％以
下、Mn 1.50％以下、Ｐ 0.012％以下、Ｓ
0.009％以下と、Cr 0.20〜1.50％、Mo 0.10〜0.35
％及びNi 0.20〜3.0％のうち１種ないし２種以上
と、Al 0.020〜0.040％、Ｏ 0.0010％以下、Ｎ
0.0100〜0.0200％を含有して、さらにＶ 0.03〜
0.10％及びNb 0.03〜0.10％のうち１種ないし２
種を含有し、残部Feならびに不純物元素からな
る鋼を製造するに際し、塩基度が３〜６の高塩基
性スラグの存在下で、かつ１〜２気圧の不活性雰
囲気下で、電極加熱で浴温度の調整を行いつつ、
強撹拌しながら還元精錬を行い、ついで還流式真
空脱ガス装置によつて、処理時間の2/3を高還流
し、1/3を弱還流により真空脱ガス精錬を行い、
さらに常圧の還元性雰囲気下で弱撹拌しながら還
元精錬を行うことを特徴とする高品質肌焼鋼の製
造法。