高清浄度軸受鋼およびその溶製方法
【課題】鋼中の酸化物組成をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に制御することで転動疲労寿命の長い高清浄度鋼を提供することに加え、その溶製方法を提供する。
【解決手段】ｍａｓｓ％で、Ｃ濃度：０．８５〜１．２％、Ｓｏｌ．Ａｌ濃度：０．０２０〜０．０３５％、Ｃｒ濃度：０．５０〜２．０％、Ｓ濃度：０．００２０％以下、Ｔｏｔａｌ Ｏ濃度：０．００２０％以下を有するとともに、連続鋳造後の鋳片から切り出したサンプルを鏡面研磨して顕微鏡観察した際に該鏡面研磨面上に存在する円相当径で１．０μｍ以上１０μｍ以下の非金属介在物を有し、該非金属介在物を構成する全元素の中でのＣａ、Ａｌ、ＭｇおよびＯの占める割合が９０ａｔｏｍ％以上であるとともに、そのＣａ濃度が５ａｔｏｍ％以上である非金属介在物の全個数のうち、その非金属介在物のＣａＯ濃度が２０〜５０ｍａｓｓ％であるものの個数比率が５０％以上であることを特徴とする高清浄度軸受鋼である。
【解決手段】ｍａｓｓ％で、Ｃ濃度：０．８５〜１．２％、Ｓｏｌ．Ａｌ濃度：０．０２０〜０．０３５％、Ｃｒ濃度：０．５０〜２．０％、Ｓ濃度：０．００２０％以下、Ｔｏｔａｌ Ｏ濃度：０．００２０％以下を有するとともに、連続鋳造後の鋳片から切り出したサンプルを鏡面研磨して顕微鏡観察した際に該鏡面研磨面上に存在する円相当径で１．０μｍ以上１０μｍ以下の非金属介在物を有し、該非金属介在物を構成する全元素の中でのＣａ、Ａｌ、ＭｇおよびＯの占める割合が９０ａｔｏｍ％以上であるとともに、そのＣａ濃度が５ａｔｏｍ％以上である非金属介在物の全個数のうち、その非金属介在物のＣａＯ濃度が２０〜５０ｍａｓｓ％であるものの個数比率が５０％以上であることを特徴とする高清浄度軸受鋼である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高清浄度軸受鋼およびその溶製方法に関し、具体的には、転動疲労寿命の長い高清浄度軸受鋼と、転動疲労の高寿命化に必要な酸化物組成の制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や産業機械に適用される「玉軸受け」や「コロ軸受け」といった部品は、繰り返し面圧の高い負荷が掛かることから、転動疲労寿命の向上が求められている。これらの部品では、酸化物もしくは硫化物といった、いわゆる鋼中介在物が問題になる場合があり、転動疲労試験で破壊した試験片破面にもこれら介在物が破壊基点として発見される場合が多い。このため、軸受鋼といった高清浄度鋼の製品性能を向上させるため、従来から徹底した脱酸脱硫が行われてきた。
【０００３】
鋼中のＯは、溶鋼中で酸化物を形成し、破壊の基点として問題になることが多い。このため、転動疲労寿命を向上させるために、鋼中酸化物の低減が求められてきた。具体的には、スラグメタル反応を利用した溶存酸素の極低化、真空脱ガス装置による環流操作に伴う介在物の凝集と浮上除去、連続鋳造時に垂直部を長く取ることによる鋳型内の介在物浮上除去促進などが挙げられる。その結果、最近では酸化物系介在物の指標として広く使われる鋼中の全酸素濃度は１０ｐｐｍを下回るようになっている。このため、これまで破壊の起点で多く発見されてきた酸化物系介在物の代わりに、硫化物系介在物が発見されるようなことも起こっている。
【０００４】
鋼中のＳは、熱間脆性を起こす有害元素であることから、従来から様々な手法で脱硫処理が行われてきた。具体的には、溶銑段階で機械式撹拌装置を用いた脱硫処理、取鍋でのスラグメタル反応の利用、真空脱ガス装置での脱硫剤吹込み、ＣａもしくはＭｇ添加などが挙げられる。その結果、例えば極低硫化が求められる耐水素誘起割れ鋼においては、Ｓ濃度が５ｐｐｍを下回る鋼材が溶製可能になっている。
【０００５】
このような状況では、硫化物よりも硬質な酸化物が破壊の基点として作用することになると考えられ、圧延時に分断され、破壊の基点として作用しないように酸化物を低融点化、軟質化させることも必要である。
【０００６】
ここで、高清浄鋼中の酸化物に着目すると、多くの高清浄度鋼はＡｌ脱酸鋼であり、溶鋼中にはＡｌ２Ｏ３系酸化物が存在することになる。また、耐火物にＭｇＯが含まれている取鍋を用いて溶製する場合、酸化物はＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系となる。これらは硬質であることから、製品段階まで残存した場合、破壊の起点として作用することが知られている。
【０００７】
例えば、特許文献１には、ＪＩＳ Ｇ４８０５を満足すると共に、Ｏ：０．０００９質量％以下、Ａｌ：０．００５質量％以下およびＳ：０．００５質量％以下にそれぞれ制限した鋼からなり、圧延方向に平行な検鏡断面積１６０ｍｍ２中に存在する大きさ３μｍ以上の酸化物個数が１００個以下、そのうち大きさ１０μｍ以上のものが２個以下であり、更にそれらの組成別構成比率として、アルミナ系：（ＭｇＯ）も（ＳｉＯ２）も３％未満で且つ（ＣａＯ）も（ＣａＯ）／（（ＣａＯ）＋（Ａｌ２Ｏ３））の比で０．０８以下であるもの。スピネル系：３％〜２０％の範囲の（ＭｇＯ）に残部が（Ａｌ２Ｏ３）である２元系に、１５％以内の（ＣａＯ）および／または１５％以内の（ＳｉＯ２）が混入する場合があるスピネル型結晶構造のものとして定義されるアルミナ系とスピネル系との合計個数が全酸化物個数の６０％未満である高炭素クロム軸受鋼に関する技術が開示されている。
【０００８】
この技術は、硬質なＡｌ２Ｏ３系およびＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物が極力少量となるように、取鍋精錬時のスラグ組成を適正に選んで、硬質なスピネル系でないものに誘導するものである。しかしながら、この技術は脱酸剤としてＡｌを使用しないことを前提としているため、Ａｌ脱酸鋼には適用できない。
【０００９】
また、特許文献２には、転炉での脱炭精錬によって得た溶鋼の転炉から取鍋への出鋼中に金属Ａｌを添加して取鍋内の溶鋼を脱酸し、出鋼後、取鍋内の溶鋼上に存在する転炉スラグを排出し、転炉スラグの排出後、取鍋内にフラックスを添加して塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が質量比で１．５〜３．０の取鍋スラグを取鍋内に生成させ、次いで、希ガスを溶鋼中に吹き込んで前記取鍋スラグと溶鋼とを攪拌し、その後、ＲＨ真空脱ガス装置で溶鋼の真空脱ガス精錬を実施する軸受鋼の溶製方法が開示されている。この文献では、軸受鋼の転動疲労寿命を悪くする原因は、Ａｌ２Ｏ３とともにＣａＯやＭｇＯを含む酸化物系非金属介在物であるとし、これらを減少させることで転動疲労寿命が改善されるとしている。
【００１０】
しかしながら、これらのＡｌ２Ｏ３とともにＣａＯやＭｇＯを含む酸化物系非金属介在物が転動疲労寿命を低化させるメカニズムは明らかにされていない。また、開示されている溶製方法は、従来の技術範囲の範疇であり、酸化物組成を意図的に操作する技術ではない。
【００１１】
介在物組成および形態制御した清浄鋼としては、耐水素誘起割れ鋼を溶製する技術が数多く開示されている。例えば、特許文献３には、取鍋内溶鋼にＡｌ添加による脱酸およびＣａＯ添加による脱酸および脱硫を行い、次いで取鍋内溶鋼上面スラグの組成を（ＣａＯ）／（Ａｌ２Ｏ３）が０．９ないし１．５になるように調整した状態で、溶鋼のガス攪拌を行い、次いでＲＨ真空脱ガス処理を行って、脱水素、介在物除去を実施した後、またはＲＨ真空脱ガス処理を行わずにそのまま、取鍋内溶鋼へＣａＳｉ粉含有ワイヤーを添加して介在物形態を制御する、耐水素誘起割れ性に優れた清浄鋼の製造法が開示されている。この文献に示されるように、清浄鋼を溶製するためにパウダーインジェクション脱硫を活用し、低硫低酸素鋼を溶製した上で、Ｃａ処理によって酸化物組成をＣａ系に制御する技術は一般的である。
【００１２】
合金を添加することなく酸化物組成を制御する技術としては、特許文献４として、溶鋼に減圧処理を施すに際し、減圧容器内耐火物をＭｇＯ：４０％以上のマグネシア系とし、処理中の真空度を５ｔｏｒｒ以下とし、かつ特定の式を満足する処理時間を確保する技術が開示されている。この技術は、減圧処理によりＭｇＯ系耐火物中のＭｇＯを分解し、溶鋼中のＡｌ２Ｏ３系酸化物をＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物もしくはＭｇＯ系酸化物に変化させるものである。
【００１３】
しかしながら、この技術はＭｇＯを用いてＡｌ２Ｏ３改質を行う技術であり、生成した硬質なＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物が製品段階で破壊の基点となる点までは考慮されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第４６３００７５号明細書
【特許文献２】特開２００８−１６３３８９号公報
【特許文献３】特開平８−７３９２３号公報
【特許文献４】特許第３０３３０００号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
近年の製鋼技術の進歩に伴い、軸受鋼を始めとする高清浄度鋼の清浄度は大幅に向上した。しかしながら、製品性能を向上させるには、脱酸、脱硫に加え、酸化物組成制御が必要であり、従来技術では、酸化物組成をＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系に制御する手法が主流であった。一方、硬質なＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物の問題点が指摘されていたものの、その解決策としては、低酸素化に伴う酸化物個数密度および大きさの低減が殆どであり、明確な酸化物の組成制御方法が示されるには至っていなかった。
【００１６】
ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物にＣａＯが含まれると、低融点化して無害化できると考えられるが、スラグから巻き込まれた酸化物と混同されることがあった。すなわち、同じＣａＯが含まれる軟質な酸化物であったとしても、スラグ起因の酸化物は粗大であり、破壊の基点として発見される場合が多かったことから、その有効性に対しては疑問視されてきた。また、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物への制御手法として、最も簡便なのは溶鋼にＣａを直接添加する手法であるが、ＳＵＪ２といった鋼種ではＪＩＳ Ｇ４８０５に記載されている通り、金属ＣａもしくはＣａ合金を直接添加することはできないことが、これらの技術開発の課題であった。
【００１７】
本発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、鋼中の酸化物組成をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に制御することで転動疲労寿命の長い高清浄度鋼を提供することに加え、その溶製方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
製品寿命を向上させることを考えた場合、鋼材の低酸素化、低硫化はもちろん、重要なのは、酸化物組成を硬質なＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物から変更して破壊の基点となる蓋然性を低下させることである。
【００１９】
また、介在物組成制御を考えた場合、重要なのは溶鋼中にＣａ源を供給し、環流工程において、Ａｌ脱酸よりも強いＣ脱酸が支配するように溶鋼中のＡｌ濃度、Ｃ濃度を適正化するとともに、真空度を高めることである。すなわち、酸化物にＣａＯが含まれる組成に制御することができれば、酸化物の融点が下がるとともに、軟質化することから、製品段階で破壊の基点として作用する蓋然性が低下することが期待される。
【００２０】
Ｃ脱酸が起こる条件では溶鋼と接する酸化物は還元されることになる。溶鋼中に添加したＣａ源はＣａＯとして存在し、大部分はスラグに吸収されると考えられる。しかし、微細なＣａＯは溶鋼内に存在しており、Ｃ脱酸が起こるとこれらはＣａとＯに分解されることになる。この時、Ｃ脱酸は真空槽内の溶鋼中で生じるものであることから、スラグ中のＣａＯの影響は限定的であると考えられる。分解して溶鋼中に溶解したＣａは溶鋼中のＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物を核に再晶出すると考えられることから、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物が生成すると考えられる。このように生成した酸化物は、スラグ起因の酸化物とは異なり、微細であると考えられることから、製品性能を低化させる蓋然性は低い。また、Ｃ脱酸が起こると、ＣａＯだけでなくＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物の還元反応が進むことになることから、酸化物の大きさが減少すると考えられる。
【００２１】
この時、環流工程においてＡｌ濃度が高すぎる場合、Ｃ濃度が低すぎる場合、真空度が低い場合だと、溶鋼中ではＣ脱酸よりもＡｌ脱酸が支配的になることから、上記した酸化物組成変化や酸化物の大きさの変化は見られないと考えられる。
【００２２】
このような状況を踏まえて本発明者らが検討した結果、鋼材中の酸化物組成をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に制御することで、製品寿命が大幅に向上することが判明した。また、製鋼炉から出鋼した溶鋼にＡｌを添加した後、バブリングランスを介して溶鋼中に撹拌ガスと脱硫剤を吹込む工程を行い、続けてスラグ精錬を行う工程、環流型脱ガス装置で取鍋精錬を行う工程を順次行い、環流工程での溶鋼中Ａｌ濃度を最適化した上で、高真空で脱ガス処理を行うことで、低酸素化、低硫化、さらに酸化物組成制御された高清浄鋼を、実現可能な生産性を確保した上で、確実に得られることを知見した。本発明者らは、酸化物組成を制御するための溶製プロセスと環流工程での溶鋼中Ａｌ濃度、Ｃ濃度と真空度の条件を明確化することで、本発明を完成するに至った。
【００２３】
本発明は、下記（１）〜（３）である。
（１）ｍａｓｓ％で、Ｃ濃度：０．８５〜１．２％、Ｓｏｌ．Ａｌ濃度：０．０２０〜０．０３５％、Ｃｒ濃度：０．５０〜２．０％、Ｓ濃度：０．００２０％以下、Ｔｏｔａｌ Ｏ濃度：０．００２０％以下を有するとともに、連続鋳造後の鋳片から切り出したサンプルを鏡面研磨して顕微鏡観察した際に該鏡面研磨面上に存在する円相当径で１．０μｍ以上１０μｍ以下の非金属介在物を有し、
該非金属介在物を構成する全元素の中でのＣａ、Ａｌ、ＭｇおよびＯの占める割合が９０ａｔｏｍ％以上であるとともに、そのＣａ濃度が５ａｔｏｍ％以上である非金属介在物の全個数のうち、その非金属介在物のＣａＯ濃度が２０〜５０ｍａｓｓ％であるものの個数比率が５０％以上であること
を特徴とする高清浄度軸受鋼。
【００２４】
（２）製鋼炉から取鍋に出鋼した溶鋼に対して、バブリングランスを介して溶鋼中に撹拌ガスと脱硫剤を吹込む工程、スラグ精錬を行う工程、環流型脱ガス装置で取鍋精錬を行う工程を順次行う高清浄度軸受鋼の溶製方法であって、前記環流型脱ガス装置での処理を、溶鋼中のＣ濃度が０．８５〜１．２ｍａｓｓ％、ｓｏｌ．Ａｌ濃度が０．０２０〜０．０３５ｍａｓｓ％であって、かつ、真空度が０．３ｋＰａ以下の状態で行うことを特徴とする、上記（１）項に記載の高清浄度軸受鋼の溶製方法。
【００２５】
（３）前記バブリングランスを介して溶鋼中に吹込むＣａＯ系脱硫剤中のＣａ量が、Ｃａ純分として溶鋼１ｔあたり１．０〜２．５ｋｇであることを特徴とする、上記（２）項に記載の高清浄度軸受鋼の溶製方法。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、硬質なＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物が破壊の起点となる蓋然性を低下できることから、転動疲労寿命を延ばすことができる。自動車や産業機械にとって重要な「玉軸受け」や「コロ軸受け」といった部品の素材として利用した場合、安全性の向上およびコスト削減が可能である。また、既存の製鋼プロセスを大きく変更することなく高清浄鋼を溶製可能であることから、製造コストの増大を抑制可能であり、本発明の社会的貢献度は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、ＣａＯ濃度が２０〜５０ｍａｓｓ％のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物の個数比率と転動疲労寿命との関係を示すグラフである。
【図２】図２は、酸化物性状と環流工程でのＡｌ濃度とＣ濃度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
１．本発明における用語の説明
「ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物」とは、主要構成元素がＣａ、Ａｌ、ＭｇおよびＯで構成される非金属介在物であって、走査電子顕微鏡付属のエネルギー分散型Ｘ線分析装置等で測定した場合、上記元素の占める割合が９０ａｔｏｍ％以上である介在物を指す。一方、「ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物」とは、主要構成元素がＡｌ、ＭｇおよびＯで構成され、左記元素の占める割合が９０ａｔｏｍ％以上である介在物を指す。両者の違いは、酸化物中のＣａの存在であり、Ｃａ濃度が５ａｔｏｍ％以上であるものを「ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物」、Ｃａ濃度が５ａｔｏｍ％より低いものを「ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物」とする。この時、酸化物には、上記元素の他、Ｓｉ、Ｍｎ、やＴｉ等の精錬段階で不可避的に混入する元素が１０ａｔｏｍ％以下で含まれていても良い。また、主要構成元素としてＳもしくはＮが４５ａｔｏｍ％以上含まれた、いわゆる硫化物もしくは窒化物は酸化物とは別に取り扱う。これら介在物は、鋳片１／２Ｗ、１／４Ｔ部（Ｗは幅、Ｔは厚さ方向を示す。）から切り出したサンプルを鏡面研磨した上で光学顕微鏡や走査電子顕微鏡等の観察器具を用いることで観察できる。顕微鏡観察では、測定視野面積４０ｍｍ２以上観察し、鏡面研磨面上に存在する円相当径で１．０μｍ以上１０μｍ以下の介在物を１サンプル当たり２０個以上調査する。円相当径で１０．０μｍを超えるものは、スラグやモールドフラックスの巻き込み等による外来性の介在物である可能性が高いことから、検査対象からは除外する。この時、酸化物の全領域が含まれるように面分析を行い、得られた結果から、酸化物の組成をＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ２およびＭｎＯといった酸化物の含有率（ｍａｓｓ％）に換算できる。
【００２９】
「製鋼炉」とは、転炉または電気炉を指し、製鋼炉から出鋼された「溶鋼」とは、脱硫、脱りんもしくは脱炭といった一次精錬処理が実施された状態であるものとする。
本発明で「取鍋」とは、金属精錬に用いられる、金属鉄皮の内側を耐火物からなるレンガで内張した容器を指す。取鍋底部には溶鋼撹拌用のポーラス部が設けられており、スラグ精錬工程においては、ガスを吹き込んで溶鋼およびスラグを撹拌することができる。
【００３０】
「バブリングランス」とは、一般的には鋼骨芯にキャスタブル耐火物を被覆させた筒であり、溶鋼中に撹拌用ガスおよび脱硫剤を吹き込むことができる。この時、吹込むガス流量および脱硫剤添加量は任意に設定可能である。
【００３１】
「撹拌ガス」とは、溶鋼成分および温度の均一化、介在物の凝集、浮上除去促進、取鍋スラグの滓化、および溶鋼と取鍋スラグの精錬反応促進を目的として吹込む、Ａｒ等の不活性ガスを指す。この時、Ａｒ以外にもＮ２ガス、ＣＯガス等が使用できる。
【００３２】
本発明において、撹拌ガスを用いた撹拌操作は、バブリング工程での撹拌操作と、スラグ精錬工程での撹拌操作がある。後者における撹拌操作は、取鍋底部に設けた溶鋼撹拌用ポーラス部を介した撹拌操作が基本となるが、撹拌の方法を限定するものではなく、スラグ精錬時にバブリングランスを用いて撹拌操作を行うことも可能である。
【００３３】
「撹拌ガスと脱硫剤を吹き込む工程」とは、製鋼炉から出鋼された溶鋼を取鍋で受鋼した後、次工程であるスラグ精錬工程までの期間およびそこで実施する精錬操作を指す。この精錬操作においては、撹拌用ガスと脱硫剤を、バブリングランスを介して溶鋼中に吹込む操作が行われる。
【００３４】
「スラグ精錬を行う工程」とは、生石灰や珪砂等の酸化物を添加して、いわゆる鉱滓を作り、溶鋼との精錬反応や保温等の精錬作用を狙った操作およびその操作を行っている期間を指す。一般的には取鍋にこれら媒溶剤を添加して造滓するが、スラグには滓化促進のために添加するＣａＦ２、溶鋼成分が酸化して生成するＡｌ２Ｏ３やＭｇＯ、ＦｅＯが含まれることがある。また、耐火物から溶出したＭｇＯや脱硫反応によって吸収されたＳ、さらに、受鋼時にすでに取鍋に付着していた、前回溶製時のスラグの残存物が含まれていることがある。スラグ精錬では、これらスラグとの反応の他、各種合金鉄を添加することで、溶鋼成分を調整する。また、アーク加熱装置を備えた設備であれば、溶鋼を加熱することもできる。さらに、スラグ精錬は大気圧下の他、減圧下で行っても良い。
【００３５】
「環流型脱ガス装置で取鍋精錬を行う工程」とは、取鍋に溶鋼を受鋼している状態で、真空脱ガス装置によって溶鋼を真空槽に吸い上げ、環流ガスを流すことで、溶鋼を取鍋と真空槽管で環流させる操作およびその操作を行っている期間を指す。環流中の溶鋼では、溶鋼が減圧雰囲気にさらされることから脱ガス反応が促進されるとともに、介在物の凝集、浮上除去が促進される。
【００３６】
「ＣａＯ系脱硫剤」とは、脱硫剤の主要構成成分がＣａＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３であり、Ｃａ純分が４０ｍａｓｓ％以上７０ｍａｓｓ％以下含まれているものを指す。ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＭｇＯやＭｎＯ等の不可避的不純物が５ｍａｓｓ％以下で含まれている場合もある。また、不可避的に混入しているものを除き、Ｃａを始めとした金属元素は含まれないものとする。
【００３７】
２．酸化物組成およびその個数比率
製品寿命を向上させるためには、非金属介在物がＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物であることが必要である。これは、硬質なＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物を回避することを意味する。また、対象のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物は、その生成プロセスがスラグ起因でないことが必要であり、調査酸化物の粒径範囲を限定した上で、その個数比率を調査することで判別することができる。具体的には、調査面積内に存在する、円相当径で１．０μｍ以上１０μｍ以下の非金属介在物の全個数に対し、その非金属介在物を構成する全元素の中でのＣａ、Ａｌ、ＭｇおよびＯの占める割合が９０ａｔｏｍ％以上であると共に、そのＣａ濃度が５ａｔｏｍ％以上である非金属介在物の全個数の内、その非金属介在物のＣａＯ濃度が２０〜５０ｍａｓｓ％であるものの個数比率が５０％以上であることが必要である。
【００３８】
鋼中酸化物の生成プロセスを考えた場合、脱酸元素を添加した際に生成し、もともと溶鋼中に懸濁していた酸化物と、スラグを巻き込む等によって生成した酸化物に大別できる。このうち、スラグ起因の酸化物組成は、取鍋スラグ組成に近いと考えられる。本発明は、もともと溶鋼中に存在していた硬質なＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物を軟質なＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物に制御するものであることから、まずはスラグ起因の酸化物と区別するため、全構成元素の中でのＣａ、Ａｌ、ＭｇおよびＯの占める割合が９０ａｔｏｍ％以上、かつ、Ｃａ濃度が５ａｔｏｍ％以上のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物であることが必要である。また、左記を満たした酸化物の中においても、ＣａＯ濃度が５０ｍａｓｓ％を超える酸化物に関しては、スラグ起因で生成した可能性が高い。このため、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物中のＣａＯ濃度は５０ｍａｓｓ％以下であることが必要である。一方、酸化物中のＣａＯ濃度が５０ｍａｓｓ％以下である場合、その酸化物はもともと存在していた酸化物と溶存Ｃａが反応して生成したと考えられる。しかしながら、酸化物中のＣａＯ濃度が２０ｍａｓｓ％よりも低い場合、酸化物の軟質化は不十分であり、すなわち破壊基点として作用する蓋然性を低下させることはできない。酸化物中のＣａＯ濃度が２０〜５０ｍａｓｓ％である場合、酸化物中のＣａＯにより酸化物の軟質化が期待でき、製品段階で破壊の基点として作用する蓋然性が低下することで、製品寿命を向上できる。このため、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物中のＣａＯ濃度は２０〜５０ｍａｓｓ％とした。
【００３９】
また、本発明における介在物の組成制御は、もともと溶鋼中に存在していた介在物に対して発揮される必要がある。このとき、円相当径で１０μｍを超える介在物には、スラグ起因の介在物が混入する蓋然性が高まることから、調査対象の介在物は１０μｍ以下である必要がある。一方、円相当径で１．０μｍ未満の介在物を調査したのでは定量性が不十分である。このため、調査対象の介在物の円相当径は１．０μｍ以上１０μｍ以下とした。
【００４０】
さらに、酸化物の軟質化に伴う製品性能向上効果を得るには、上記した大きさ、組成の酸化物の個数比率が５０％以上であることが必要である。すなわち、上記した酸化物の個数比率が５０％未満である場合、軟質化の効果は限定的であり、製品性能向上効果は得られない。なお、個数比率と酸化物中のＣａＯ濃度には相関があり、還元性雰囲気が強いほど個数比率、ＣａＯ濃度ともに上昇すると考えられる。酸化物の個数比率が５０％以上であれば、その後、効果は飽和することから、上限は不要である。
【００４１】
３．本発明鋼の溶製方法
本発明の高清浄度鋼の溶製方法は、製鋼炉から取鍋に出鋼した溶鋼に対して、バブリングランスを介して溶鋼中に撹拌ガスと脱硫剤を吹込む工程、スラグ精錬を行う工程、環流型脱ガス装置で取鍋精錬を行う工程を順次行う。なお、以下の説明では上記した工程を、バブリング工程、スラグ精錬工程、環流工程と呼ぶ。
【００４２】
本発明者らは、高清浄度鋼の溶製プロセスを詳細に検討し、以下の課題と解決策を見出した。
高清浄度鋼は低酸素化、低硫化が必須であり、溶鋼炉から出鋼された溶鋼は、スラグメタル反応を伴うスラグ精錬工程、脱ガスと介在物の凝集、浮上除去促進を行う環流工程が適用されることが多い。
【００４３】
スラグ精錬工程では、高塩基度の媒溶剤で造滓し、スラグメタル反応を利用して脱酸、脱硫が行われるとともに、溶鋼温度と成分調整が行われる。ただし、スラグ精錬工程だけでは、脱酸や介在物除去が不十分な場合もあることから、環流工程を適用することで、溶鋼の清浄化が行われている。ただし、このプロセスで高清浄度鋼を溶製した場合、溶鋼中に存在する酸化物組成はＡｌ２Ｏ３系もしくはＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系となる。まれにＣａＯ濃度が高い酸化物が散見される場合もあるが、殆どの場合、この酸化物は精錬中にスラグが不可避的に巻き込まれたものであると考えられる。
【００４４】
酸化物をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に制御することを考えた場合、不可避的に巻き込まれるスラグ起因のＣａＯ濃度が高い酸化物に期待するのは困難であり、再現性も期待できない。耐水素誘起割れ鋼では酸化物の形態制御のために金属Ｃａを含む合金を溶鋼に添加する操作を行っているが、ＪＩＳ Ｇ４８０５に記載されている通り、ＳＵＪ２といった鋼種では金属ＣａもしくはＣａ合金を直接添加することはできない。このため、再現性のある別の手法として、系内のＣａＯを還元することで一度溶存Ｃａの形態とし、それ以前に存在していたＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物と反応させることを考えた。ここで、ＣａＯを還元する方法として、環流工程におけるＣ脱酸を利用することを考えた。また、Ｃａ源を考える必要があるが、環流中は一般的に溶鋼とスラグとの反応がほとんど起こらないと考えられることから、スラグ中のＣａＯとは別のＣａ源を考える必要があると考えた。
【００４５】
この課題に対し、バブリングランスからＣａＯ系脱硫剤を吹込む、いわゆるパウダーインジェクションに着目した。従来、耐水素誘起割れ鋼を代表とする清浄鋼の脱酸脱硫手法としてパウダーインジェクションは一般的な手法であり、単純にスラグ精錬工程、環流工程の前にこのプロセスを適用して、溶鋼を脱酸脱硫するだけに留まるのでは、従来技術の範疇から脱しない。
【００４６】
ここで、パウダーインジェクションは溶鋼中に直接ＣａＯ粉を添加するプロセスであることから、精錬初期段階でＣａＯを添加しておけば、精錬後半の環流工程に至るまでの間に粗大なＣａＯは系内から排出され、溶鋼中にはスラグ精錬プロセスでも除去されない微細なＣａＯが存在することに着目した。すなわち、単純にパウダーインジェクションを適用するだけでなく、環流工程におけるＣ脱酸を想定した場合、パウダーインジェクションには脱酸脱硫の効果に加えて、Ｃａ源を供給するプロセスとしての効果を期待できるようになる。
【００４７】
仮に、ＲＨなどの真空脱ガス装置でＣａＯ粉を添加した場合、系内にはＣａ源が導入されることになる。しかしながら、このプロセスでは、添加されてから減圧処理が行われるまでの時間が短いことから、粗大なＣａＯが反応することになり、生成するＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物も粗大になることが予想される。このため、系内にＣａ源を導入するものの、粗大なＣａＯがある程度除去されている状況を作り出す必要があると考えた。
【００４８】
これらを鑑み、脱酸、脱硫を行いつつ、酸化物をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に制御する最も合理的なプロセスを考えると、二次精錬初期にバブリング工程において、パウダーインジェクションにより脱酸脱硫を行うとともに、溶鋼内にＣａ源を導入し、次いでスラグ精錬により、溶鋼温度と成分調整を行い、環流工程において、介在物の浮上除去と脱ガスを行うとともに、Ｃ脱酸を利用して酸化物組成制御を行うことが最良であることが分かる。このプロセスであれば、金属ＣａもしくはＣａ合金を使用することなく、系内にＣａ源を導入出来ることから、ＳＵＪ２といった鋼種に適用可能である。
【００４９】
４．環流工程におけるＣ脱酸についての検討
本発明では、環流工程においてＣ脱酸を活用することが重要である。従来、Ａｌ脱酸の高清浄度鋼ではＡｌ添加に伴う脱酸およびスラグ精錬時のスラグメタル反応に伴う脱酸を活用していた。環流工程においては、Ａｌ脱酸が支配的である場合が多いが、条件によってはＣ脱酸が起こっていた場合もあった。
【００５０】
しかし、Ｃ脱酸が生じるのは、溶鋼中Ｃ濃度、Ａｌ濃度および真空度の条件が整った場合であり、溶鋼中にＣａ源が無い場合、酸化物はＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系のままであるか、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に変化していたとしてもその変化幅は小さかったことから、Ｃ脱酸は十分には活用されていなかった。本発明はこの部分に着目したものである。
【００５１】
環流工程において、溶鋼中のＣ濃度が０．８５ｍａｓｓ％より低い場合、Ｃ脱酸を生じさせるには真空度を極度に低下させる必要があり、工業的な生産を考えた場合、実現は困難である。一方、Ｃ濃度が１．２ｍａｓｓ％を超える場合、Ｃ脱酸は生じやすくなるものの、後述するように製品が硬くなり過ぎることに加え、環流工程後に脱炭するのが困難である。このため、環流工程での溶鋼中Ｃ濃度は０．８５〜１．２ｍａｓｓ％とした。
【００５２】
また、環流工程において、溶鋼中のＡｌ濃度が０．０３５ｍａｓｓ％より高い場合、Ｃ濃度や真空度を操作したとしても、Ａｌ脱酸の影響が強くなりすぎてしまい、Ｃ脱酸反応を生じさせることが困難である。一方、溶鋼中のＡｌ濃度が０．０２０ｍａｓｓ％より低い場合、溶鋼の脱酸が不十分となり、Ｃ脱酸が生じたとしても、溶鋼中のＯと反応する割合が多く、工業的な生産規模を維持したままの脱ガス時間を想定した場合、ＣａＯの分解反応が起こる頻度は小さい。このため、環流工程での溶鋼中Ａｌ濃度は０．０２０〜０．０３５ｍａｓｓ％とした。
【００５３】
さらに、環流工程において、処理時の真空度は０．３ｋＰａ以下であることが必要である。真空度が０．３ｋＰａを超える場合、Ｃ脱酸よりもＡｌ脱酸のほうが支配的となるため、ＣａＯの分解反応が生じない。真空度に関しては、低位であるほど好ましい。
【００５４】
５．バブリング工程で吹込む脱硫剤組成および添加量についての検討
本発明における脱硫剤としては、ＣａＯ系脱硫剤であることが必要である。脱硫効率と反応性を考えると、ＣａＯ−ＣａＦ２系であることが望ましいが、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系もしくはＣａＯ−ＣａＦ２−Ａｌ２Ｏ３系であっても良い。ここで、左記脱硫剤は主要構成成分の違いを示しており、ＣａＯ−ＣａＦ２系とは、主要構成成分であるＣａＯ濃度とＣａＦ２濃度の合計が９０ｍａｓｓ％以上であり、ＣａＦ２が最低１０ｍａｓｓ％以上含まれるものを指す。また、同様に、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系とは、主要構成成分であるＣａＯ濃度とＡｌ２Ｏ３濃度の合計が９０ｍａｓｓ％以上であり、Ａｌ２Ｏ３が最低１０ｍａｓｓ％以上含まれるものを指す。さらに、ＣａＯ−ＣａＦ２−Ａｌ２Ｏ３系とは、主要構成成分であるＣａＯ濃度とＣａＦ２濃度とＡｌ２Ｏ３濃度の合計が９０ｍａｓｓ％以上であり、ＣａＦ２とＡｌ２Ｏ３がそれぞれ最低１０ｍａｓｓ％以上含まれるものを指す。
【００５５】
脱硫剤の混合比に特に制約は無いが、脱硫剤中のＣａ純分が重量％で４０ｍａｓｓ％以上７０ｍａｓｓ％以下であり、好ましくは５５ｍａｓｓ％以上６５ｍａｓｓ％以下であるのが良い。なお、溶鋼中にＣａＦ２を吹き込んだ場合、ＣａＯと同様にＣａＳを形成して脱硫に寄与するとともに、微細なＣａＯを形成すると考えられる。本発明における酸化物組成制御という観点において、ＣａＯとＣａＦ２を環流工程まで残存するＣａ源として考えた場合、両者は同様に取り扱うことが出来る。このため、Ｃａ純分は、ＣａＯおよびＣａＦ２に含まれるＣａ重量を全脱硫剤重量で除すことで算出した。
【００５６】
脱硫剤添加量に関しては、溶鋼に脱硫剤として添加されるＣａ量、すなわち脱硫剤のＣａ純分を考慮する必要がある。本発明においては、脱硫剤中のＣａが純分として溶鋼１ｔあたり１．０ｋｇ以上添加する必要がある。脱硫速度は溶鋼に添加する脱硫剤量と撹拌強度並びに処理時間で決まるが、バブリング工程の処理時間を短縮することを考えた場合、脱硫剤中のＣａ純分量が１．０ｋｇ／ｔ以下の脱硫剤添加量では、十分な脱硫速度が得られないことに加え、酸化物組成をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に制御できない。一方、Ｃａ純分量が２．５ｋｇ以上の脱硫剤を添加しても、効果が飽和してしまっているため、これ以上の脱硫剤添加量の増大はコスト増に繋がってしまう。また、過度に酸化物中のＣａＯ濃度が高くなると、酸化物の融点が低下し、酸化物が粗大化してしまう可能性が出てくる。このため、本発明におけるＣａＯ系脱硫剤中のＣａ量は、Ｃａ純分量として１．０〜２．５ｋｇ／ｔの範囲とした。このため、脱硫剤添加量は、溶鋼に添加するＣａ量および脱硫剤のＣａ純分を考慮して決定される。
【００５７】
本発明におけるバブリング工程で吹込む撹拌ガス流量は、（１）式から求まる撹拌動力密度が１８０Ｗ／ｔ以上であることが望ましい。撹拌動力密度が１８０Ｗ／ｔを下回ると、例え大量の脱硫剤を添加したとしても、十分な脱硫速度が得られない。一方、３７０Ｗ／ｔを超える撹拌動力密度でガスを吹き込んでも、効果が飽和してしまっていることに加え、取鍋から溶鋼が吹きこぼれるといった操業トラブルを引き起こすことに繋がることから、これ以上のガス流量の増加は不要である。
【００５８】
ε＝（０．００６１８３×Ｑ×Ｔ）／Ｗ×ｌｎ［１＋（９．８×ρ×Ｈ）／Ｐ＋｛１−（ＴＧ／Ｔ）｝］・・・（１）
ε：ガス撹拌に伴う溶鋼１ｔ当たりの撹拌動力密度（Ｗ／ｔ）
Ｑ：吹込みガス流量（Ｌ（Ｎｏｒｍａｌ）／ｍｉｎ）
Ｔ：溶鋼温度（Ｋ）
Ｗ：溶鋼量（ｔ）
ρ：溶鋼の密度（７０００ｋｇ／ｍ３）
Ｈ：ガス吹込み深さ（ｍ）
Ｐ：雰囲気圧力（Ｎ／ｍ２）
ＴＧ：吹込みガス温度（Ｋ）
【００５９】
また、バブリング工程での処理時間は、脱硫および介在物制御の効果と、溶鋼温度低化効果とのバランスが重要である。すなわち、溶鋼温度低下の面から考えると処理時間は短いほど良いが、処理時間が短すぎると脱硫および介在物制御の効果が得られない。このため、処理時間は５分間程度であることが望ましい。なお処理時間が１０分間以上となってしまう場合、出鋼温度を高くする、もしくはアーク加熱等の後処理での負荷が増大し、製造コストの悪化に繋がることになる。
【００６０】
６．溶鋼の化学成分の範囲
次に、本発明を実施するにあたって、製品段階の鋼に含まれる元素について説明する。以下、断りが無い限り全てｍａｓｓ％とする。
【００６１】
はじめに、本発明での必須元素について説明する。
Ｃ：０．８５〜１．２％
Ｃは、母材強度の特性を支配する元素であり、強度を確保し、転動疲労寿命を向上させるために含有する。本発明では、上記４項で説明したように、Ｃ脱酸を生じさせるため、環流工程において溶鋼中のＣ濃度が０．８５％以上必要である。同時に、本発明では製鋼炉から出鋼した時点である程度溶鋼中Ｃ濃度が高い状態でないと、脱硫反応が進行しない。一方、製品性能の面からは、１．２％を超えてＣが含有されると過度に硬くなりすぎる。このため、Ｃ濃度は０．８５〜１．２％以下であることが必要である。
【００６２】
Ａｌ：０．０２０％〜０．０３５％
Ａｌは強力な脱酸元素であり、Ｏ濃度およびＳ濃度を低下させるために含有する。本発明では、上記４項で説明したように、環流工程において溶鋼中のｓｏｌ．Ａｌ濃度が０．０２０〜０．０３５％であることが必要である。環流工程でのＣ脱酸後にＡｌを添加すると、酸化物組成がＡｌ２Ｏ３に戻ってしまうことから、環流工程後のＡｌ添加が出来ないことを考慮し、製品中のｓｏｌ．Ａｌ濃度は０．０２０〜０．０３５％とする。
【００６３】
Ｃｒ：０．５〜２．０％
Ｃｒは焼き入れ性を高めて転動疲労寿命を向上させるのに有効な元素であり、０．５％以上含有していることが必要である。一方、２．０％を超えてＣｒを含有させても、焼き入れ後の表面硬さが高くなり過ぎ、加工性が低下するとともに、切削加工時の工具寿命も低化する。このため、Ｃｒ濃度は０．５〜２．０％であることが必要である。
【００６４】
Ｓ：０．００２０％以下
Ｓは鋼材の製造過程において不可避的に含有される元素である。鋼材にとって強度を低下させる有害な元素であり、含有量は少ないほど望ましい。酸化物が極端に低減された鋼においては、硫化物を基点とした破壊が起こるようになる。このため、Ｓ濃度は０．００２０％以下であることが必要である。望ましいＳ含有量は、０．０００５％以下である。
【００６５】
Ｏ：０．００２０％以下
Ｏは鋼材の製造過程において不可避的に含有される元素であり、溶存して、もしくは酸化物として存在する。両者を分離することは困難であることから、本発明でのＯ濃度は、両者を併せた全酸素濃度とする。鋼材中のＯ濃度が高くなると、酸化物量も多くなることから、鋼材の破壊の基点となる蓋然性が高くなる。このため、Ｔｏｔａｌ．Ｏ濃度は０．００２０％以下であることが必要である。望ましいＴｏｔａｌ．Ｏ含有量は、０．０００５％以下である。
【００６６】
続いて、高清浄鋼を構成する上記以外の元素について説明する。
Ｓｉ：０．１〜０．８％
Ｓｉは溶鋼中で脱酸元素として働き、鋼材中では焼き入れ性を高め、転動疲労寿命を向上させるのに有用であり、０．１％以上含有していることが望ましい。一方、０．８％を超えてＳｉを含有させても焼き入れ向上効果が飽和することに加え、母材が硬くなり切削時の工具寿命を低化させる。このため、Ｓｉ濃度は０．１〜０．８％であることが望ましい。
【００６７】
Ｍｎ：０．１〜１．５％
Ｍｎは脱酸剤として有用であり、鋼材の焼き入れ性を高めるとともに、鋼材中でＭｎＳを形成して鋼材の被削性を増加させるのに有用であり、０．１％以上含有していることが望ましい。一方、１．５％を超えてＭｎを含有させても上記効果が飽和する。このため、Ｍｎ濃度は０．１〜２．５％であることが望ましい。
【００６８】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは結晶粒界に析出して鋼材の靱性や延性を低化させてしまう。Ｐの含有量が０．０３％を超えると転動疲労寿命の低化が顕著に表れるようになることから、Ｐ濃度は０．０３％以下であることが望ましい。
【００６９】
Ｃａ：０．０００５％以下（０％を含まない）
Ｃａは鋼材の製造過程において媒溶剤等から不可避的に含有される元素であり、酸化物、硫化物中に含有される場合がある。Ｃａが酸化物に含有されることで、酸化物は低融点化し、鋼材の破壊の基点となる蓋然性を低下させる。また、Ｃａが硫化物に含有される場合も同様に、鋼材の破壊の基点となる蓋然性が低下する。本発明において、酸化物はＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系であることが必要であるため、Ｏ％であってはならない。介在物中のＣａ量は微量であり、０．０００５％以下であれば大きな問題とはならない。しかしながら、Ｃａの含有量が０．０００５％を超える場合、酸化物の粗大化を招き、転動疲労寿命の低化に繋がる。このため、Ｃａ濃度は０．０００５％以下（０％を含まない）であることが望ましい。
【００７０】
本発明に係る高清浄度軸受鋼は、上記したＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓ、Ｃａ、Ｏを含有し、残部Ｆｅおよび不可避的介在物で構成される。また、上記以外に、製品に必要な機能を追加する目的で、前記Ｆｅの一部に換えて、さらにＴｉ：０．００５％〜０．１％、Ｖ：０．００８％〜０．３％、Ｍｏ：０．００８％〜１．０％、Ｎｂ：０．００８％〜０．１％、Ｎｉ：０．００８％〜２．０％、Ｃｕ：１．０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｎ：０．０２０％以下を含有させても良い。
【実施例】
【００７１】
表１に示す組成の鋼を溶製した。溶鋼量は約８０ｔであり、バブリング工程、スラグ精錬工程、環流工程を順次行った。このとき、比較例として、バブリング工程を省略した処理も行った。表１に、本発明と比較例の鋼成分をまとめて示す。精錬段階においては、高炉から出銑された溶銑を、溶銑予備処理で脱硫処理し、転炉型精錬容器（ＣＶ、Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）にて脱Ｐおよび脱Ｃ処理した後、取鍋に受鋼した。取鍋に受鋼する際は、転炉スラグが取鍋に入らないようにするとともに、溶鋼にＡｌを含む合金元素を添加し、保温用のカバースラグを添加した。
【００７２】
取鍋内の溶鋼をＰＩ（Ｐｏｗｄｅｒ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ、粉体添加装置）まで搬送した後、溶鋼にバブリングランスを介して脱硫剤を添加しながらＡｒガスを吹込み、溶鋼を撹拌した。この時のバブリング工程での溶鋼処理時間は約５分間であり、吹込む脱硫剤添加量を種々変更した。
【００７３】
その後、ＶＡＤ（Ｖａｃｕｕｍ Ａｒｃ Ｄｅｇａｓｓｉｎｇ）にてスラグメタル反応を伴う処理を行い、溶鋼組成および溶鋼温度を調整した。この時、脱酸脱硫を促進させることを意図して、媒溶剤はＣａＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３を主要構成成分とし、ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３比が３程度になるように調整したものを添加した。ＶＡＤではおよそ４０分間処理し、その間に溶鋼温度はおよそ１５５０℃から１５８０℃で推移した。さらに、ＲＨ（環流型真空脱ガス装置）で脱ガスおよび介在物除去を行った。ＲＨでの処理時間はおよそ４０分間であり、真空度が最も低下した状態で溶鋼を環流させる処理を２５分間から３０分間行った。この時、溶鋼温度はおよそ１５２０℃から１５５０℃で推移した。その後、連続鋳造法により鋳込み、３００ｍｍ×４００ｍｍサイズの鋳片を得た。
【００７４】
バブリング工程、スラグ精錬工程、環流工程の末期で採取した溶鋼サンプル、並びに、得られた鋳片から分析用のブロックサンプルおよび切粉を採取し、化学分析に供した。また、鋳片の１／２Ｗ、１／４Ｔ部（Ｗは幅、Ｔは厚さ方向を示す。）から介在物観察用のミクロサンプルを切り出した。介在物観察用のミクロサンプルは樹脂埋めした後に鏡面研磨し、サンプル中の酸化物を走査電子顕微鏡で観察し、酸化物組成を調査した。
【００７５】
この時、走査型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型Ｘ線解析装置で測定した時、一つのサンプル中に存在する、円相当径で１．０μｍ以上１０μｍ以下の介在物において、ＣａＯ濃度が質量％で２０％以上含まれている酸化物個数を、観察した全酸化物個数で除すことで、鋳片サンプルの、ＣａＯが含まれる酸化物の割合（％）を算出した。
【００７６】
得られた鋳片は、１２００℃の均熱炉で保持した後、１０２０℃から１１００℃の温度域で分解圧延し、１６０ｍｍ×１６０ｍｍの鋼片とした。この鋼片を１０５０℃に加熱した後、８００℃から９３０℃の温度域で棒鋼圧延して、直径７０ｍｍの棒鋼を得た。この時、全圧下比が１５以上、１０００℃以上の温度域での圧下比が４以上になるように圧下を加えた。この直径７０ｍｍの棒鋼に対して、球状化焼鈍処理（７８０℃で６時間保持した後、炉冷）を適用し、その後、長手方向が素形材の厚みとなるようにスライスして直径６０ｍｍ、厚さ５．５ｍｍの素形材を採取した。この素形材を８３０℃で３０分加熱した後、油焼き入れし、さらに１８０℃で１時間加熱した後、大気中で放冷することで焼き戻しした。この素計材の表面をラッピング加工して転動疲労試験片を作成し、転動疲労試験に供した。
【００７７】
転動疲労試験条件を表２に示す。転動疲労試験はスラスト型の転動疲労試験機を用い、繰り返し速度１８００ｃｐｍ（ｃｙｃｌｅ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）、最大接触面圧５２３０ＭＰａの条件とした。転動疲労試験結果は、ワイブル分布確率紙上にプロットし、１０％破損確率を示すＬ１０寿命を転動疲労寿命として評価した。
【００７８】
本発明と比較例の溶製条件と環流工程におけるＣ濃度、Ａｌ濃度、真空度、酸化物組成の調査結果、および、疲労寿命を表３に示す。
表３に示す値のうち、ＣａＯが２０％以上含まれるＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物の個数比率と疲労寿命の関係を図１にグラフで示す。図１にグラフで示すように、本発明によって酸化物組成は軟質なＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に変化し、その個数比率が５０％以上の場合は転動疲労寿命が向上していることがわかる。
【００７９】
表３に示す値のうち、脱硫剤中のＣａ量が１．０〜２．５ｋｇ／ｔであり、かつ、環流工程での真空度が０．３ｋＰａ以下を満たす条件での、環流工程でのＡｌ濃度とＣ濃度の関係を図２にグラフで示す。図中の白丸印はＣａＯが２０％以上含まれるＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物の割合が５０％以上であるものを示し、三角印はＣａＯが２０％以上含まれるＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物の割合が５０よりも低かったものを示している。
【００８０】
図２のグラフから分かるように、環流工程での溶鋼中Ａｌ濃度が０．０２０〜０．０３５％、環流工程でのＣ濃度が０．８５〜１．２％の条件で、酸化物の組成制御ができていることが分かる。ここで、例えＡｌ濃度とＣ濃度が本発明範囲内にあったとしても、真空度が０．３ｋＰａ以下である場合、酸化物の組成制御はできていない。また、バブリング工程を経ない、もしくは脱硫剤中のＣａ量が１．０ｋｇ／ｔ未満である場合、酸化物の組成制御はできていない。このことから、酸化物の組成制御には、バブリング工程にて十分なＣａ源を添加した上で、Ｃ脱酸が生じるように溶鋼中Ａｌ濃度およびＣ濃度を調整した上で、真空度を低下させることが必要であることが分かる。
【００８１】
【表１】
【００８２】
【表２】
【００８３】
【表３】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高清浄度軸受鋼およびその溶製方法に関し、具体的には、転動疲労寿命の長い高清浄度軸受鋼と、転動疲労の高寿命化に必要な酸化物組成の制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や産業機械に適用される「玉軸受け」や「コロ軸受け」といった部品は、繰り返し面圧の高い負荷が掛かることから、転動疲労寿命の向上が求められている。これらの部品では、酸化物もしくは硫化物といった、いわゆる鋼中介在物が問題になる場合があり、転動疲労試験で破壊した試験片破面にもこれら介在物が破壊基点として発見される場合が多い。このため、軸受鋼といった高清浄度鋼の製品性能を向上させるため、従来から徹底した脱酸脱硫が行われてきた。
【０００３】
鋼中のＯは、溶鋼中で酸化物を形成し、破壊の基点として問題になることが多い。このため、転動疲労寿命を向上させるために、鋼中酸化物の低減が求められてきた。具体的には、スラグメタル反応を利用した溶存酸素の極低化、真空脱ガス装置による環流操作に伴う介在物の凝集と浮上除去、連続鋳造時に垂直部を長く取ることによる鋳型内の介在物浮上除去促進などが挙げられる。その結果、最近では酸化物系介在物の指標として広く使われる鋼中の全酸素濃度は１０ｐｐｍを下回るようになっている。このため、これまで破壊の起点で多く発見されてきた酸化物系介在物の代わりに、硫化物系介在物が発見されるようなことも起こっている。
【０００４】
鋼中のＳは、熱間脆性を起こす有害元素であることから、従来から様々な手法で脱硫処理が行われてきた。具体的には、溶銑段階で機械式撹拌装置を用いた脱硫処理、取鍋でのスラグメタル反応の利用、真空脱ガス装置での脱硫剤吹込み、ＣａもしくはＭｇ添加などが挙げられる。その結果、例えば極低硫化が求められる耐水素誘起割れ鋼においては、Ｓ濃度が５ｐｐｍを下回る鋼材が溶製可能になっている。
【０００５】
このような状況では、硫化物よりも硬質な酸化物が破壊の基点として作用することになると考えられ、圧延時に分断され、破壊の基点として作用しないように酸化物を低融点化、軟質化させることも必要である。
【０００６】
ここで、高清浄鋼中の酸化物に着目すると、多くの高清浄度鋼はＡｌ脱酸鋼であり、溶鋼中にはＡｌ２Ｏ３系酸化物が存在することになる。また、耐火物にＭｇＯが含まれている取鍋を用いて溶製する場合、酸化物はＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系となる。これらは硬質であることから、製品段階まで残存した場合、破壊の起点として作用することが知られている。
【０００７】
例えば、特許文献１には、ＪＩＳ Ｇ４８０５を満足すると共に、Ｏ：０．０００９質量％以下、Ａｌ：０．００５質量％以下およびＳ：０．００５質量％以下にそれぞれ制限した鋼からなり、圧延方向に平行な検鏡断面積１６０ｍｍ２中に存在する大きさ３μｍ以上の酸化物個数が１００個以下、そのうち大きさ１０μｍ以上のものが２個以下であり、更にそれらの組成別構成比率として、アルミナ系：（ＭｇＯ）も（ＳｉＯ２）も３％未満で且つ（ＣａＯ）も（ＣａＯ）／（（ＣａＯ）＋（Ａｌ２Ｏ３））の比で０．０８以下であるもの。スピネル系：３％〜２０％の範囲の（ＭｇＯ）に残部が（Ａｌ２Ｏ３）である２元系に、１５％以内の（ＣａＯ）および／または１５％以内の（ＳｉＯ２）が混入する場合があるスピネル型結晶構造のものとして定義されるアルミナ系とスピネル系との合計個数が全酸化物個数の６０％未満である高炭素クロム軸受鋼に関する技術が開示されている。
【０００８】
この技術は、硬質なＡｌ２Ｏ３系およびＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物が極力少量となるように、取鍋精錬時のスラグ組成を適正に選んで、硬質なスピネル系でないものに誘導するものである。しかしながら、この技術は脱酸剤としてＡｌを使用しないことを前提としているため、Ａｌ脱酸鋼には適用できない。
【０００９】
また、特許文献２には、転炉での脱炭精錬によって得た溶鋼の転炉から取鍋への出鋼中に金属Ａｌを添加して取鍋内の溶鋼を脱酸し、出鋼後、取鍋内の溶鋼上に存在する転炉スラグを排出し、転炉スラグの排出後、取鍋内にフラックスを添加して塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が質量比で１．５〜３．０の取鍋スラグを取鍋内に生成させ、次いで、希ガスを溶鋼中に吹き込んで前記取鍋スラグと溶鋼とを攪拌し、その後、ＲＨ真空脱ガス装置で溶鋼の真空脱ガス精錬を実施する軸受鋼の溶製方法が開示されている。この文献では、軸受鋼の転動疲労寿命を悪くする原因は、Ａｌ２Ｏ３とともにＣａＯやＭｇＯを含む酸化物系非金属介在物であるとし、これらを減少させることで転動疲労寿命が改善されるとしている。
【００１０】
しかしながら、これらのＡｌ２Ｏ３とともにＣａＯやＭｇＯを含む酸化物系非金属介在物が転動疲労寿命を低化させるメカニズムは明らかにされていない。また、開示されている溶製方法は、従来の技術範囲の範疇であり、酸化物組成を意図的に操作する技術ではない。
【００１１】
介在物組成および形態制御した清浄鋼としては、耐水素誘起割れ鋼を溶製する技術が数多く開示されている。例えば、特許文献３には、取鍋内溶鋼にＡｌ添加による脱酸およびＣａＯ添加による脱酸および脱硫を行い、次いで取鍋内溶鋼上面スラグの組成を（ＣａＯ）／（Ａｌ２Ｏ３）が０．９ないし１．５になるように調整した状態で、溶鋼のガス攪拌を行い、次いでＲＨ真空脱ガス処理を行って、脱水素、介在物除去を実施した後、またはＲＨ真空脱ガス処理を行わずにそのまま、取鍋内溶鋼へＣａＳｉ粉含有ワイヤーを添加して介在物形態を制御する、耐水素誘起割れ性に優れた清浄鋼の製造法が開示されている。この文献に示されるように、清浄鋼を溶製するためにパウダーインジェクション脱硫を活用し、低硫低酸素鋼を溶製した上で、Ｃａ処理によって酸化物組成をＣａ系に制御する技術は一般的である。
【００１２】
合金を添加することなく酸化物組成を制御する技術としては、特許文献４として、溶鋼に減圧処理を施すに際し、減圧容器内耐火物をＭｇＯ：４０％以上のマグネシア系とし、処理中の真空度を５ｔｏｒｒ以下とし、かつ特定の式を満足する処理時間を確保する技術が開示されている。この技術は、減圧処理によりＭｇＯ系耐火物中のＭｇＯを分解し、溶鋼中のＡｌ２Ｏ３系酸化物をＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物もしくはＭｇＯ系酸化物に変化させるものである。
【００１３】
しかしながら、この技術はＭｇＯを用いてＡｌ２Ｏ３改質を行う技術であり、生成した硬質なＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物が製品段階で破壊の基点となる点までは考慮されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第４６３００７５号明細書
【特許文献２】特開２００８−１６３３８９号公報
【特許文献３】特開平８−７３９２３号公報
【特許文献４】特許第３０３３０００号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
近年の製鋼技術の進歩に伴い、軸受鋼を始めとする高清浄度鋼の清浄度は大幅に向上した。しかしながら、製品性能を向上させるには、脱酸、脱硫に加え、酸化物組成制御が必要であり、従来技術では、酸化物組成をＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系に制御する手法が主流であった。一方、硬質なＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物の問題点が指摘されていたものの、その解決策としては、低酸素化に伴う酸化物個数密度および大きさの低減が殆どであり、明確な酸化物の組成制御方法が示されるには至っていなかった。
【００１６】
ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物にＣａＯが含まれると、低融点化して無害化できると考えられるが、スラグから巻き込まれた酸化物と混同されることがあった。すなわち、同じＣａＯが含まれる軟質な酸化物であったとしても、スラグ起因の酸化物は粗大であり、破壊の基点として発見される場合が多かったことから、その有効性に対しては疑問視されてきた。また、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物への制御手法として、最も簡便なのは溶鋼にＣａを直接添加する手法であるが、ＳＵＪ２といった鋼種ではＪＩＳ Ｇ４８０５に記載されている通り、金属ＣａもしくはＣａ合金を直接添加することはできないことが、これらの技術開発の課題であった。
【００１７】
本発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、鋼中の酸化物組成をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に制御することで転動疲労寿命の長い高清浄度鋼を提供することに加え、その溶製方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
製品寿命を向上させることを考えた場合、鋼材の低酸素化、低硫化はもちろん、重要なのは、酸化物組成を硬質なＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物から変更して破壊の基点となる蓋然性を低下させることである。
【００１９】
また、介在物組成制御を考えた場合、重要なのは溶鋼中にＣａ源を供給し、環流工程において、Ａｌ脱酸よりも強いＣ脱酸が支配するように溶鋼中のＡｌ濃度、Ｃ濃度を適正化するとともに、真空度を高めることである。すなわち、酸化物にＣａＯが含まれる組成に制御することができれば、酸化物の融点が下がるとともに、軟質化することから、製品段階で破壊の基点として作用する蓋然性が低下することが期待される。
【００２０】
Ｃ脱酸が起こる条件では溶鋼と接する酸化物は還元されることになる。溶鋼中に添加したＣａ源はＣａＯとして存在し、大部分はスラグに吸収されると考えられる。しかし、微細なＣａＯは溶鋼内に存在しており、Ｃ脱酸が起こるとこれらはＣａとＯに分解されることになる。この時、Ｃ脱酸は真空槽内の溶鋼中で生じるものであることから、スラグ中のＣａＯの影響は限定的であると考えられる。分解して溶鋼中に溶解したＣａは溶鋼中のＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物を核に再晶出すると考えられることから、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物が生成すると考えられる。このように生成した酸化物は、スラグ起因の酸化物とは異なり、微細であると考えられることから、製品性能を低化させる蓋然性は低い。また、Ｃ脱酸が起こると、ＣａＯだけでなくＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物の還元反応が進むことになることから、酸化物の大きさが減少すると考えられる。
【００２１】
この時、環流工程においてＡｌ濃度が高すぎる場合、Ｃ濃度が低すぎる場合、真空度が低い場合だと、溶鋼中ではＣ脱酸よりもＡｌ脱酸が支配的になることから、上記した酸化物組成変化や酸化物の大きさの変化は見られないと考えられる。
【００２２】
このような状況を踏まえて本発明者らが検討した結果、鋼材中の酸化物組成をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に制御することで、製品寿命が大幅に向上することが判明した。また、製鋼炉から出鋼した溶鋼にＡｌを添加した後、バブリングランスを介して溶鋼中に撹拌ガスと脱硫剤を吹込む工程を行い、続けてスラグ精錬を行う工程、環流型脱ガス装置で取鍋精錬を行う工程を順次行い、環流工程での溶鋼中Ａｌ濃度を最適化した上で、高真空で脱ガス処理を行うことで、低酸素化、低硫化、さらに酸化物組成制御された高清浄鋼を、実現可能な生産性を確保した上で、確実に得られることを知見した。本発明者らは、酸化物組成を制御するための溶製プロセスと環流工程での溶鋼中Ａｌ濃度、Ｃ濃度と真空度の条件を明確化することで、本発明を完成するに至った。
【００２３】
本発明は、下記（１）〜（３）である。
（１）ｍａｓｓ％で、Ｃ濃度：０．８５〜１．２％、Ｓｏｌ．Ａｌ濃度：０．０２０〜０．０３５％、Ｃｒ濃度：０．５０〜２．０％、Ｓ濃度：０．００２０％以下、Ｔｏｔａｌ Ｏ濃度：０．００２０％以下を有するとともに、連続鋳造後の鋳片から切り出したサンプルを鏡面研磨して顕微鏡観察した際に該鏡面研磨面上に存在する円相当径で１．０μｍ以上１０μｍ以下の非金属介在物を有し、
該非金属介在物を構成する全元素の中でのＣａ、Ａｌ、ＭｇおよびＯの占める割合が９０ａｔｏｍ％以上であるとともに、そのＣａ濃度が５ａｔｏｍ％以上である非金属介在物の全個数のうち、その非金属介在物のＣａＯ濃度が２０〜５０ｍａｓｓ％であるものの個数比率が５０％以上であること
を特徴とする高清浄度軸受鋼。
【００２４】
（２）製鋼炉から取鍋に出鋼した溶鋼に対して、バブリングランスを介して溶鋼中に撹拌ガスと脱硫剤を吹込む工程、スラグ精錬を行う工程、環流型脱ガス装置で取鍋精錬を行う工程を順次行う高清浄度軸受鋼の溶製方法であって、前記環流型脱ガス装置での処理を、溶鋼中のＣ濃度が０．８５〜１．２ｍａｓｓ％、ｓｏｌ．Ａｌ濃度が０．０２０〜０．０３５ｍａｓｓ％であって、かつ、真空度が０．３ｋＰａ以下の状態で行うことを特徴とする、上記（１）項に記載の高清浄度軸受鋼の溶製方法。
【００２５】
（３）前記バブリングランスを介して溶鋼中に吹込むＣａＯ系脱硫剤中のＣａ量が、Ｃａ純分として溶鋼１ｔあたり１．０〜２．５ｋｇであることを特徴とする、上記（２）項に記載の高清浄度軸受鋼の溶製方法。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、硬質なＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物が破壊の起点となる蓋然性を低下できることから、転動疲労寿命を延ばすことができる。自動車や産業機械にとって重要な「玉軸受け」や「コロ軸受け」といった部品の素材として利用した場合、安全性の向上およびコスト削減が可能である。また、既存の製鋼プロセスを大きく変更することなく高清浄鋼を溶製可能であることから、製造コストの増大を抑制可能であり、本発明の社会的貢献度は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、ＣａＯ濃度が２０〜５０ｍａｓｓ％のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物の個数比率と転動疲労寿命との関係を示すグラフである。
【図２】図２は、酸化物性状と環流工程でのＡｌ濃度とＣ濃度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
１．本発明における用語の説明
「ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物」とは、主要構成元素がＣａ、Ａｌ、ＭｇおよびＯで構成される非金属介在物であって、走査電子顕微鏡付属のエネルギー分散型Ｘ線分析装置等で測定した場合、上記元素の占める割合が９０ａｔｏｍ％以上である介在物を指す。一方、「ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物」とは、主要構成元素がＡｌ、ＭｇおよびＯで構成され、左記元素の占める割合が９０ａｔｏｍ％以上である介在物を指す。両者の違いは、酸化物中のＣａの存在であり、Ｃａ濃度が５ａｔｏｍ％以上であるものを「ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物」、Ｃａ濃度が５ａｔｏｍ％より低いものを「ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物」とする。この時、酸化物には、上記元素の他、Ｓｉ、Ｍｎ、やＴｉ等の精錬段階で不可避的に混入する元素が１０ａｔｏｍ％以下で含まれていても良い。また、主要構成元素としてＳもしくはＮが４５ａｔｏｍ％以上含まれた、いわゆる硫化物もしくは窒化物は酸化物とは別に取り扱う。これら介在物は、鋳片１／２Ｗ、１／４Ｔ部（Ｗは幅、Ｔは厚さ方向を示す。）から切り出したサンプルを鏡面研磨した上で光学顕微鏡や走査電子顕微鏡等の観察器具を用いることで観察できる。顕微鏡観察では、測定視野面積４０ｍｍ２以上観察し、鏡面研磨面上に存在する円相当径で１．０μｍ以上１０μｍ以下の介在物を１サンプル当たり２０個以上調査する。円相当径で１０．０μｍを超えるものは、スラグやモールドフラックスの巻き込み等による外来性の介在物である可能性が高いことから、検査対象からは除外する。この時、酸化物の全領域が含まれるように面分析を行い、得られた結果から、酸化物の組成をＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ２およびＭｎＯといった酸化物の含有率（ｍａｓｓ％）に換算できる。
【００２９】
「製鋼炉」とは、転炉または電気炉を指し、製鋼炉から出鋼された「溶鋼」とは、脱硫、脱りんもしくは脱炭といった一次精錬処理が実施された状態であるものとする。
本発明で「取鍋」とは、金属精錬に用いられる、金属鉄皮の内側を耐火物からなるレンガで内張した容器を指す。取鍋底部には溶鋼撹拌用のポーラス部が設けられており、スラグ精錬工程においては、ガスを吹き込んで溶鋼およびスラグを撹拌することができる。
【００３０】
「バブリングランス」とは、一般的には鋼骨芯にキャスタブル耐火物を被覆させた筒であり、溶鋼中に撹拌用ガスおよび脱硫剤を吹き込むことができる。この時、吹込むガス流量および脱硫剤添加量は任意に設定可能である。
【００３１】
「撹拌ガス」とは、溶鋼成分および温度の均一化、介在物の凝集、浮上除去促進、取鍋スラグの滓化、および溶鋼と取鍋スラグの精錬反応促進を目的として吹込む、Ａｒ等の不活性ガスを指す。この時、Ａｒ以外にもＮ２ガス、ＣＯガス等が使用できる。
【００３２】
本発明において、撹拌ガスを用いた撹拌操作は、バブリング工程での撹拌操作と、スラグ精錬工程での撹拌操作がある。後者における撹拌操作は、取鍋底部に設けた溶鋼撹拌用ポーラス部を介した撹拌操作が基本となるが、撹拌の方法を限定するものではなく、スラグ精錬時にバブリングランスを用いて撹拌操作を行うことも可能である。
【００３３】
「撹拌ガスと脱硫剤を吹き込む工程」とは、製鋼炉から出鋼された溶鋼を取鍋で受鋼した後、次工程であるスラグ精錬工程までの期間およびそこで実施する精錬操作を指す。この精錬操作においては、撹拌用ガスと脱硫剤を、バブリングランスを介して溶鋼中に吹込む操作が行われる。
【００３４】
「スラグ精錬を行う工程」とは、生石灰や珪砂等の酸化物を添加して、いわゆる鉱滓を作り、溶鋼との精錬反応や保温等の精錬作用を狙った操作およびその操作を行っている期間を指す。一般的には取鍋にこれら媒溶剤を添加して造滓するが、スラグには滓化促進のために添加するＣａＦ２、溶鋼成分が酸化して生成するＡｌ２Ｏ３やＭｇＯ、ＦｅＯが含まれることがある。また、耐火物から溶出したＭｇＯや脱硫反応によって吸収されたＳ、さらに、受鋼時にすでに取鍋に付着していた、前回溶製時のスラグの残存物が含まれていることがある。スラグ精錬では、これらスラグとの反応の他、各種合金鉄を添加することで、溶鋼成分を調整する。また、アーク加熱装置を備えた設備であれば、溶鋼を加熱することもできる。さらに、スラグ精錬は大気圧下の他、減圧下で行っても良い。
【００３５】
「環流型脱ガス装置で取鍋精錬を行う工程」とは、取鍋に溶鋼を受鋼している状態で、真空脱ガス装置によって溶鋼を真空槽に吸い上げ、環流ガスを流すことで、溶鋼を取鍋と真空槽管で環流させる操作およびその操作を行っている期間を指す。環流中の溶鋼では、溶鋼が減圧雰囲気にさらされることから脱ガス反応が促進されるとともに、介在物の凝集、浮上除去が促進される。
【００３６】
「ＣａＯ系脱硫剤」とは、脱硫剤の主要構成成分がＣａＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３であり、Ｃａ純分が４０ｍａｓｓ％以上７０ｍａｓｓ％以下含まれているものを指す。ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＭｇＯやＭｎＯ等の不可避的不純物が５ｍａｓｓ％以下で含まれている場合もある。また、不可避的に混入しているものを除き、Ｃａを始めとした金属元素は含まれないものとする。
【００３７】
２．酸化物組成およびその個数比率
製品寿命を向上させるためには、非金属介在物がＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物であることが必要である。これは、硬質なＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物を回避することを意味する。また、対象のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物は、その生成プロセスがスラグ起因でないことが必要であり、調査酸化物の粒径範囲を限定した上で、その個数比率を調査することで判別することができる。具体的には、調査面積内に存在する、円相当径で１．０μｍ以上１０μｍ以下の非金属介在物の全個数に対し、その非金属介在物を構成する全元素の中でのＣａ、Ａｌ、ＭｇおよびＯの占める割合が９０ａｔｏｍ％以上であると共に、そのＣａ濃度が５ａｔｏｍ％以上である非金属介在物の全個数の内、その非金属介在物のＣａＯ濃度が２０〜５０ｍａｓｓ％であるものの個数比率が５０％以上であることが必要である。
【００３８】
鋼中酸化物の生成プロセスを考えた場合、脱酸元素を添加した際に生成し、もともと溶鋼中に懸濁していた酸化物と、スラグを巻き込む等によって生成した酸化物に大別できる。このうち、スラグ起因の酸化物組成は、取鍋スラグ組成に近いと考えられる。本発明は、もともと溶鋼中に存在していた硬質なＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物を軟質なＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物に制御するものであることから、まずはスラグ起因の酸化物と区別するため、全構成元素の中でのＣａ、Ａｌ、ＭｇおよびＯの占める割合が９０ａｔｏｍ％以上、かつ、Ｃａ濃度が５ａｔｏｍ％以上のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物であることが必要である。また、左記を満たした酸化物の中においても、ＣａＯ濃度が５０ｍａｓｓ％を超える酸化物に関しては、スラグ起因で生成した可能性が高い。このため、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物中のＣａＯ濃度は５０ｍａｓｓ％以下であることが必要である。一方、酸化物中のＣａＯ濃度が５０ｍａｓｓ％以下である場合、その酸化物はもともと存在していた酸化物と溶存Ｃａが反応して生成したと考えられる。しかしながら、酸化物中のＣａＯ濃度が２０ｍａｓｓ％よりも低い場合、酸化物の軟質化は不十分であり、すなわち破壊基点として作用する蓋然性を低下させることはできない。酸化物中のＣａＯ濃度が２０〜５０ｍａｓｓ％である場合、酸化物中のＣａＯにより酸化物の軟質化が期待でき、製品段階で破壊の基点として作用する蓋然性が低下することで、製品寿命を向上できる。このため、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物中のＣａＯ濃度は２０〜５０ｍａｓｓ％とした。
【００３９】
また、本発明における介在物の組成制御は、もともと溶鋼中に存在していた介在物に対して発揮される必要がある。このとき、円相当径で１０μｍを超える介在物には、スラグ起因の介在物が混入する蓋然性が高まることから、調査対象の介在物は１０μｍ以下である必要がある。一方、円相当径で１．０μｍ未満の介在物を調査したのでは定量性が不十分である。このため、調査対象の介在物の円相当径は１．０μｍ以上１０μｍ以下とした。
【００４０】
さらに、酸化物の軟質化に伴う製品性能向上効果を得るには、上記した大きさ、組成の酸化物の個数比率が５０％以上であることが必要である。すなわち、上記した酸化物の個数比率が５０％未満である場合、軟質化の効果は限定的であり、製品性能向上効果は得られない。なお、個数比率と酸化物中のＣａＯ濃度には相関があり、還元性雰囲気が強いほど個数比率、ＣａＯ濃度ともに上昇すると考えられる。酸化物の個数比率が５０％以上であれば、その後、効果は飽和することから、上限は不要である。
【００４１】
３．本発明鋼の溶製方法
本発明の高清浄度鋼の溶製方法は、製鋼炉から取鍋に出鋼した溶鋼に対して、バブリングランスを介して溶鋼中に撹拌ガスと脱硫剤を吹込む工程、スラグ精錬を行う工程、環流型脱ガス装置で取鍋精錬を行う工程を順次行う。なお、以下の説明では上記した工程を、バブリング工程、スラグ精錬工程、環流工程と呼ぶ。
【００４２】
本発明者らは、高清浄度鋼の溶製プロセスを詳細に検討し、以下の課題と解決策を見出した。
高清浄度鋼は低酸素化、低硫化が必須であり、溶鋼炉から出鋼された溶鋼は、スラグメタル反応を伴うスラグ精錬工程、脱ガスと介在物の凝集、浮上除去促進を行う環流工程が適用されることが多い。
【００４３】
スラグ精錬工程では、高塩基度の媒溶剤で造滓し、スラグメタル反応を利用して脱酸、脱硫が行われるとともに、溶鋼温度と成分調整が行われる。ただし、スラグ精錬工程だけでは、脱酸や介在物除去が不十分な場合もあることから、環流工程を適用することで、溶鋼の清浄化が行われている。ただし、このプロセスで高清浄度鋼を溶製した場合、溶鋼中に存在する酸化物組成はＡｌ２Ｏ３系もしくはＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系となる。まれにＣａＯ濃度が高い酸化物が散見される場合もあるが、殆どの場合、この酸化物は精錬中にスラグが不可避的に巻き込まれたものであると考えられる。
【００４４】
酸化物をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に制御することを考えた場合、不可避的に巻き込まれるスラグ起因のＣａＯ濃度が高い酸化物に期待するのは困難であり、再現性も期待できない。耐水素誘起割れ鋼では酸化物の形態制御のために金属Ｃａを含む合金を溶鋼に添加する操作を行っているが、ＪＩＳ Ｇ４８０５に記載されている通り、ＳＵＪ２といった鋼種では金属ＣａもしくはＣａ合金を直接添加することはできない。このため、再現性のある別の手法として、系内のＣａＯを還元することで一度溶存Ｃａの形態とし、それ以前に存在していたＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系酸化物と反応させることを考えた。ここで、ＣａＯを還元する方法として、環流工程におけるＣ脱酸を利用することを考えた。また、Ｃａ源を考える必要があるが、環流中は一般的に溶鋼とスラグとの反応がほとんど起こらないと考えられることから、スラグ中のＣａＯとは別のＣａ源を考える必要があると考えた。
【００４５】
この課題に対し、バブリングランスからＣａＯ系脱硫剤を吹込む、いわゆるパウダーインジェクションに着目した。従来、耐水素誘起割れ鋼を代表とする清浄鋼の脱酸脱硫手法としてパウダーインジェクションは一般的な手法であり、単純にスラグ精錬工程、環流工程の前にこのプロセスを適用して、溶鋼を脱酸脱硫するだけに留まるのでは、従来技術の範疇から脱しない。
【００４６】
ここで、パウダーインジェクションは溶鋼中に直接ＣａＯ粉を添加するプロセスであることから、精錬初期段階でＣａＯを添加しておけば、精錬後半の環流工程に至るまでの間に粗大なＣａＯは系内から排出され、溶鋼中にはスラグ精錬プロセスでも除去されない微細なＣａＯが存在することに着目した。すなわち、単純にパウダーインジェクションを適用するだけでなく、環流工程におけるＣ脱酸を想定した場合、パウダーインジェクションには脱酸脱硫の効果に加えて、Ｃａ源を供給するプロセスとしての効果を期待できるようになる。
【００４７】
仮に、ＲＨなどの真空脱ガス装置でＣａＯ粉を添加した場合、系内にはＣａ源が導入されることになる。しかしながら、このプロセスでは、添加されてから減圧処理が行われるまでの時間が短いことから、粗大なＣａＯが反応することになり、生成するＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物も粗大になることが予想される。このため、系内にＣａ源を導入するものの、粗大なＣａＯがある程度除去されている状況を作り出す必要があると考えた。
【００４８】
これらを鑑み、脱酸、脱硫を行いつつ、酸化物をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に制御する最も合理的なプロセスを考えると、二次精錬初期にバブリング工程において、パウダーインジェクションにより脱酸脱硫を行うとともに、溶鋼内にＣａ源を導入し、次いでスラグ精錬により、溶鋼温度と成分調整を行い、環流工程において、介在物の浮上除去と脱ガスを行うとともに、Ｃ脱酸を利用して酸化物組成制御を行うことが最良であることが分かる。このプロセスであれば、金属ＣａもしくはＣａ合金を使用することなく、系内にＣａ源を導入出来ることから、ＳＵＪ２といった鋼種に適用可能である。
【００４９】
４．環流工程におけるＣ脱酸についての検討
本発明では、環流工程においてＣ脱酸を活用することが重要である。従来、Ａｌ脱酸の高清浄度鋼ではＡｌ添加に伴う脱酸およびスラグ精錬時のスラグメタル反応に伴う脱酸を活用していた。環流工程においては、Ａｌ脱酸が支配的である場合が多いが、条件によってはＣ脱酸が起こっていた場合もあった。
【００５０】
しかし、Ｃ脱酸が生じるのは、溶鋼中Ｃ濃度、Ａｌ濃度および真空度の条件が整った場合であり、溶鋼中にＣａ源が無い場合、酸化物はＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３系のままであるか、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に変化していたとしてもその変化幅は小さかったことから、Ｃ脱酸は十分には活用されていなかった。本発明はこの部分に着目したものである。
【００５１】
環流工程において、溶鋼中のＣ濃度が０．８５ｍａｓｓ％より低い場合、Ｃ脱酸を生じさせるには真空度を極度に低下させる必要があり、工業的な生産を考えた場合、実現は困難である。一方、Ｃ濃度が１．２ｍａｓｓ％を超える場合、Ｃ脱酸は生じやすくなるものの、後述するように製品が硬くなり過ぎることに加え、環流工程後に脱炭するのが困難である。このため、環流工程での溶鋼中Ｃ濃度は０．８５〜１．２ｍａｓｓ％とした。
【００５２】
また、環流工程において、溶鋼中のＡｌ濃度が０．０３５ｍａｓｓ％より高い場合、Ｃ濃度や真空度を操作したとしても、Ａｌ脱酸の影響が強くなりすぎてしまい、Ｃ脱酸反応を生じさせることが困難である。一方、溶鋼中のＡｌ濃度が０．０２０ｍａｓｓ％より低い場合、溶鋼の脱酸が不十分となり、Ｃ脱酸が生じたとしても、溶鋼中のＯと反応する割合が多く、工業的な生産規模を維持したままの脱ガス時間を想定した場合、ＣａＯの分解反応が起こる頻度は小さい。このため、環流工程での溶鋼中Ａｌ濃度は０．０２０〜０．０３５ｍａｓｓ％とした。
【００５３】
さらに、環流工程において、処理時の真空度は０．３ｋＰａ以下であることが必要である。真空度が０．３ｋＰａを超える場合、Ｃ脱酸よりもＡｌ脱酸のほうが支配的となるため、ＣａＯの分解反応が生じない。真空度に関しては、低位であるほど好ましい。
【００５４】
５．バブリング工程で吹込む脱硫剤組成および添加量についての検討
本発明における脱硫剤としては、ＣａＯ系脱硫剤であることが必要である。脱硫効率と反応性を考えると、ＣａＯ−ＣａＦ２系であることが望ましいが、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系もしくはＣａＯ−ＣａＦ２−Ａｌ２Ｏ３系であっても良い。ここで、左記脱硫剤は主要構成成分の違いを示しており、ＣａＯ−ＣａＦ２系とは、主要構成成分であるＣａＯ濃度とＣａＦ２濃度の合計が９０ｍａｓｓ％以上であり、ＣａＦ２が最低１０ｍａｓｓ％以上含まれるものを指す。また、同様に、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系とは、主要構成成分であるＣａＯ濃度とＡｌ２Ｏ３濃度の合計が９０ｍａｓｓ％以上であり、Ａｌ２Ｏ３が最低１０ｍａｓｓ％以上含まれるものを指す。さらに、ＣａＯ−ＣａＦ２−Ａｌ２Ｏ３系とは、主要構成成分であるＣａＯ濃度とＣａＦ２濃度とＡｌ２Ｏ３濃度の合計が９０ｍａｓｓ％以上であり、ＣａＦ２とＡｌ２Ｏ３がそれぞれ最低１０ｍａｓｓ％以上含まれるものを指す。
【００５５】
脱硫剤の混合比に特に制約は無いが、脱硫剤中のＣａ純分が重量％で４０ｍａｓｓ％以上７０ｍａｓｓ％以下であり、好ましくは５５ｍａｓｓ％以上６５ｍａｓｓ％以下であるのが良い。なお、溶鋼中にＣａＦ２を吹き込んだ場合、ＣａＯと同様にＣａＳを形成して脱硫に寄与するとともに、微細なＣａＯを形成すると考えられる。本発明における酸化物組成制御という観点において、ＣａＯとＣａＦ２を環流工程まで残存するＣａ源として考えた場合、両者は同様に取り扱うことが出来る。このため、Ｃａ純分は、ＣａＯおよびＣａＦ２に含まれるＣａ重量を全脱硫剤重量で除すことで算出した。
【００５６】
脱硫剤添加量に関しては、溶鋼に脱硫剤として添加されるＣａ量、すなわち脱硫剤のＣａ純分を考慮する必要がある。本発明においては、脱硫剤中のＣａが純分として溶鋼１ｔあたり１．０ｋｇ以上添加する必要がある。脱硫速度は溶鋼に添加する脱硫剤量と撹拌強度並びに処理時間で決まるが、バブリング工程の処理時間を短縮することを考えた場合、脱硫剤中のＣａ純分量が１．０ｋｇ／ｔ以下の脱硫剤添加量では、十分な脱硫速度が得られないことに加え、酸化物組成をＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に制御できない。一方、Ｃａ純分量が２．５ｋｇ以上の脱硫剤を添加しても、効果が飽和してしまっているため、これ以上の脱硫剤添加量の増大はコスト増に繋がってしまう。また、過度に酸化物中のＣａＯ濃度が高くなると、酸化物の融点が低下し、酸化物が粗大化してしまう可能性が出てくる。このため、本発明におけるＣａＯ系脱硫剤中のＣａ量は、Ｃａ純分量として１．０〜２．５ｋｇ／ｔの範囲とした。このため、脱硫剤添加量は、溶鋼に添加するＣａ量および脱硫剤のＣａ純分を考慮して決定される。
【００５７】
本発明におけるバブリング工程で吹込む撹拌ガス流量は、（１）式から求まる撹拌動力密度が１８０Ｗ／ｔ以上であることが望ましい。撹拌動力密度が１８０Ｗ／ｔを下回ると、例え大量の脱硫剤を添加したとしても、十分な脱硫速度が得られない。一方、３７０Ｗ／ｔを超える撹拌動力密度でガスを吹き込んでも、効果が飽和してしまっていることに加え、取鍋から溶鋼が吹きこぼれるといった操業トラブルを引き起こすことに繋がることから、これ以上のガス流量の増加は不要である。
【００５８】
ε＝（０．００６１８３×Ｑ×Ｔ）／Ｗ×ｌｎ［１＋（９．８×ρ×Ｈ）／Ｐ＋｛１−（ＴＧ／Ｔ）｝］・・・（１）
ε：ガス撹拌に伴う溶鋼１ｔ当たりの撹拌動力密度（Ｗ／ｔ）
Ｑ：吹込みガス流量（Ｌ（Ｎｏｒｍａｌ）／ｍｉｎ）
Ｔ：溶鋼温度（Ｋ）
Ｗ：溶鋼量（ｔ）
ρ：溶鋼の密度（７０００ｋｇ／ｍ３）
Ｈ：ガス吹込み深さ（ｍ）
Ｐ：雰囲気圧力（Ｎ／ｍ２）
ＴＧ：吹込みガス温度（Ｋ）
【００５９】
また、バブリング工程での処理時間は、脱硫および介在物制御の効果と、溶鋼温度低化効果とのバランスが重要である。すなわち、溶鋼温度低下の面から考えると処理時間は短いほど良いが、処理時間が短すぎると脱硫および介在物制御の効果が得られない。このため、処理時間は５分間程度であることが望ましい。なお処理時間が１０分間以上となってしまう場合、出鋼温度を高くする、もしくはアーク加熱等の後処理での負荷が増大し、製造コストの悪化に繋がることになる。
【００６０】
６．溶鋼の化学成分の範囲
次に、本発明を実施するにあたって、製品段階の鋼に含まれる元素について説明する。以下、断りが無い限り全てｍａｓｓ％とする。
【００６１】
はじめに、本発明での必須元素について説明する。
Ｃ：０．８５〜１．２％
Ｃは、母材強度の特性を支配する元素であり、強度を確保し、転動疲労寿命を向上させるために含有する。本発明では、上記４項で説明したように、Ｃ脱酸を生じさせるため、環流工程において溶鋼中のＣ濃度が０．８５％以上必要である。同時に、本発明では製鋼炉から出鋼した時点である程度溶鋼中Ｃ濃度が高い状態でないと、脱硫反応が進行しない。一方、製品性能の面からは、１．２％を超えてＣが含有されると過度に硬くなりすぎる。このため、Ｃ濃度は０．８５〜１．２％以下であることが必要である。
【００６２】
Ａｌ：０．０２０％〜０．０３５％
Ａｌは強力な脱酸元素であり、Ｏ濃度およびＳ濃度を低下させるために含有する。本発明では、上記４項で説明したように、環流工程において溶鋼中のｓｏｌ．Ａｌ濃度が０．０２０〜０．０３５％であることが必要である。環流工程でのＣ脱酸後にＡｌを添加すると、酸化物組成がＡｌ２Ｏ３に戻ってしまうことから、環流工程後のＡｌ添加が出来ないことを考慮し、製品中のｓｏｌ．Ａｌ濃度は０．０２０〜０．０３５％とする。
【００６３】
Ｃｒ：０．５〜２．０％
Ｃｒは焼き入れ性を高めて転動疲労寿命を向上させるのに有効な元素であり、０．５％以上含有していることが必要である。一方、２．０％を超えてＣｒを含有させても、焼き入れ後の表面硬さが高くなり過ぎ、加工性が低下するとともに、切削加工時の工具寿命も低化する。このため、Ｃｒ濃度は０．５〜２．０％であることが必要である。
【００６４】
Ｓ：０．００２０％以下
Ｓは鋼材の製造過程において不可避的に含有される元素である。鋼材にとって強度を低下させる有害な元素であり、含有量は少ないほど望ましい。酸化物が極端に低減された鋼においては、硫化物を基点とした破壊が起こるようになる。このため、Ｓ濃度は０．００２０％以下であることが必要である。望ましいＳ含有量は、０．０００５％以下である。
【００６５】
Ｏ：０．００２０％以下
Ｏは鋼材の製造過程において不可避的に含有される元素であり、溶存して、もしくは酸化物として存在する。両者を分離することは困難であることから、本発明でのＯ濃度は、両者を併せた全酸素濃度とする。鋼材中のＯ濃度が高くなると、酸化物量も多くなることから、鋼材の破壊の基点となる蓋然性が高くなる。このため、Ｔｏｔａｌ．Ｏ濃度は０．００２０％以下であることが必要である。望ましいＴｏｔａｌ．Ｏ含有量は、０．０００５％以下である。
【００６６】
続いて、高清浄鋼を構成する上記以外の元素について説明する。
Ｓｉ：０．１〜０．８％
Ｓｉは溶鋼中で脱酸元素として働き、鋼材中では焼き入れ性を高め、転動疲労寿命を向上させるのに有用であり、０．１％以上含有していることが望ましい。一方、０．８％を超えてＳｉを含有させても焼き入れ向上効果が飽和することに加え、母材が硬くなり切削時の工具寿命を低化させる。このため、Ｓｉ濃度は０．１〜０．８％であることが望ましい。
【００６７】
Ｍｎ：０．１〜１．５％
Ｍｎは脱酸剤として有用であり、鋼材の焼き入れ性を高めるとともに、鋼材中でＭｎＳを形成して鋼材の被削性を増加させるのに有用であり、０．１％以上含有していることが望ましい。一方、１．５％を超えてＭｎを含有させても上記効果が飽和する。このため、Ｍｎ濃度は０．１〜２．５％であることが望ましい。
【００６８】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは結晶粒界に析出して鋼材の靱性や延性を低化させてしまう。Ｐの含有量が０．０３％を超えると転動疲労寿命の低化が顕著に表れるようになることから、Ｐ濃度は０．０３％以下であることが望ましい。
【００６９】
Ｃａ：０．０００５％以下（０％を含まない）
Ｃａは鋼材の製造過程において媒溶剤等から不可避的に含有される元素であり、酸化物、硫化物中に含有される場合がある。Ｃａが酸化物に含有されることで、酸化物は低融点化し、鋼材の破壊の基点となる蓋然性を低下させる。また、Ｃａが硫化物に含有される場合も同様に、鋼材の破壊の基点となる蓋然性が低下する。本発明において、酸化物はＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系であることが必要であるため、Ｏ％であってはならない。介在物中のＣａ量は微量であり、０．０００５％以下であれば大きな問題とはならない。しかしながら、Ｃａの含有量が０．０００５％を超える場合、酸化物の粗大化を招き、転動疲労寿命の低化に繋がる。このため、Ｃａ濃度は０．０００５％以下（０％を含まない）であることが望ましい。
【００７０】
本発明に係る高清浄度軸受鋼は、上記したＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓ、Ｃａ、Ｏを含有し、残部Ｆｅおよび不可避的介在物で構成される。また、上記以外に、製品に必要な機能を追加する目的で、前記Ｆｅの一部に換えて、さらにＴｉ：０．００５％〜０．１％、Ｖ：０．００８％〜０．３％、Ｍｏ：０．００８％〜１．０％、Ｎｂ：０．００８％〜０．１％、Ｎｉ：０．００８％〜２．０％、Ｃｕ：１．０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｎ：０．０２０％以下を含有させても良い。
【実施例】
【００７１】
表１に示す組成の鋼を溶製した。溶鋼量は約８０ｔであり、バブリング工程、スラグ精錬工程、環流工程を順次行った。このとき、比較例として、バブリング工程を省略した処理も行った。表１に、本発明と比較例の鋼成分をまとめて示す。精錬段階においては、高炉から出銑された溶銑を、溶銑予備処理で脱硫処理し、転炉型精錬容器（ＣＶ、Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）にて脱Ｐおよび脱Ｃ処理した後、取鍋に受鋼した。取鍋に受鋼する際は、転炉スラグが取鍋に入らないようにするとともに、溶鋼にＡｌを含む合金元素を添加し、保温用のカバースラグを添加した。
【００７２】
取鍋内の溶鋼をＰＩ（Ｐｏｗｄｅｒ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ、粉体添加装置）まで搬送した後、溶鋼にバブリングランスを介して脱硫剤を添加しながらＡｒガスを吹込み、溶鋼を撹拌した。この時のバブリング工程での溶鋼処理時間は約５分間であり、吹込む脱硫剤添加量を種々変更した。
【００７３】
その後、ＶＡＤ（Ｖａｃｕｕｍ Ａｒｃ Ｄｅｇａｓｓｉｎｇ）にてスラグメタル反応を伴う処理を行い、溶鋼組成および溶鋼温度を調整した。この時、脱酸脱硫を促進させることを意図して、媒溶剤はＣａＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３を主要構成成分とし、ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３比が３程度になるように調整したものを添加した。ＶＡＤではおよそ４０分間処理し、その間に溶鋼温度はおよそ１５５０℃から１５８０℃で推移した。さらに、ＲＨ（環流型真空脱ガス装置）で脱ガスおよび介在物除去を行った。ＲＨでの処理時間はおよそ４０分間であり、真空度が最も低下した状態で溶鋼を環流させる処理を２５分間から３０分間行った。この時、溶鋼温度はおよそ１５２０℃から１５５０℃で推移した。その後、連続鋳造法により鋳込み、３００ｍｍ×４００ｍｍサイズの鋳片を得た。
【００７４】
バブリング工程、スラグ精錬工程、環流工程の末期で採取した溶鋼サンプル、並びに、得られた鋳片から分析用のブロックサンプルおよび切粉を採取し、化学分析に供した。また、鋳片の１／２Ｗ、１／４Ｔ部（Ｗは幅、Ｔは厚さ方向を示す。）から介在物観察用のミクロサンプルを切り出した。介在物観察用のミクロサンプルは樹脂埋めした後に鏡面研磨し、サンプル中の酸化物を走査電子顕微鏡で観察し、酸化物組成を調査した。
【００７５】
この時、走査型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型Ｘ線解析装置で測定した時、一つのサンプル中に存在する、円相当径で１．０μｍ以上１０μｍ以下の介在物において、ＣａＯ濃度が質量％で２０％以上含まれている酸化物個数を、観察した全酸化物個数で除すことで、鋳片サンプルの、ＣａＯが含まれる酸化物の割合（％）を算出した。
【００７６】
得られた鋳片は、１２００℃の均熱炉で保持した後、１０２０℃から１１００℃の温度域で分解圧延し、１６０ｍｍ×１６０ｍｍの鋼片とした。この鋼片を１０５０℃に加熱した後、８００℃から９３０℃の温度域で棒鋼圧延して、直径７０ｍｍの棒鋼を得た。この時、全圧下比が１５以上、１０００℃以上の温度域での圧下比が４以上になるように圧下を加えた。この直径７０ｍｍの棒鋼に対して、球状化焼鈍処理（７８０℃で６時間保持した後、炉冷）を適用し、その後、長手方向が素形材の厚みとなるようにスライスして直径６０ｍｍ、厚さ５．５ｍｍの素形材を採取した。この素形材を８３０℃で３０分加熱した後、油焼き入れし、さらに１８０℃で１時間加熱した後、大気中で放冷することで焼き戻しした。この素計材の表面をラッピング加工して転動疲労試験片を作成し、転動疲労試験に供した。
【００７７】
転動疲労試験条件を表２に示す。転動疲労試験はスラスト型の転動疲労試験機を用い、繰り返し速度１８００ｃｐｍ（ｃｙｃｌｅ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）、最大接触面圧５２３０ＭＰａの条件とした。転動疲労試験結果は、ワイブル分布確率紙上にプロットし、１０％破損確率を示すＬ１０寿命を転動疲労寿命として評価した。
【００７８】
本発明と比較例の溶製条件と環流工程におけるＣ濃度、Ａｌ濃度、真空度、酸化物組成の調査結果、および、疲労寿命を表３に示す。
表３に示す値のうち、ＣａＯが２０％以上含まれるＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物の個数比率と疲労寿命の関係を図１にグラフで示す。図１にグラフで示すように、本発明によって酸化物組成は軟質なＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系に変化し、その個数比率が５０％以上の場合は転動疲労寿命が向上していることがわかる。
【００７９】
表３に示す値のうち、脱硫剤中のＣａ量が１．０〜２．５ｋｇ／ｔであり、かつ、環流工程での真空度が０．３ｋＰａ以下を満たす条件での、環流工程でのＡｌ濃度とＣ濃度の関係を図２にグラフで示す。図中の白丸印はＣａＯが２０％以上含まれるＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物の割合が５０％以上であるものを示し、三角印はＣａＯが２０％以上含まれるＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系酸化物の割合が５０よりも低かったものを示している。
【００８０】
図２のグラフから分かるように、環流工程での溶鋼中Ａｌ濃度が０．０２０〜０．０３５％、環流工程でのＣ濃度が０．８５〜１．２％の条件で、酸化物の組成制御ができていることが分かる。ここで、例えＡｌ濃度とＣ濃度が本発明範囲内にあったとしても、真空度が０．３ｋＰａ以下である場合、酸化物の組成制御はできていない。また、バブリング工程を経ない、もしくは脱硫剤中のＣａ量が１．０ｋｇ／ｔ未満である場合、酸化物の組成制御はできていない。このことから、酸化物の組成制御には、バブリング工程にて十分なＣａ源を添加した上で、Ｃ脱酸が生じるように溶鋼中Ａｌ濃度およびＣ濃度を調整した上で、真空度を低下させることが必要であることが分かる。
【００８１】
【表１】
【００８２】
【表２】
【００８３】
【表３】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｍａｓｓ％で、Ｃ濃度：０．８５〜１．２％、Ｓｏｌ．Ａｌ濃度：０．０２０〜０．０３５％、Ｃｒ濃度：０．５０〜２．０％、Ｓ濃度：０．００２０％以下、Ｔｏｔａｌ Ｏ濃度：０．００２０％以下を有するとともに、連続鋳造後の鋳片から切り出したサンプルを鏡面研磨して顕微鏡観察した際に該鏡面研磨面上に存在する円相当径で１．０μｍ以上１０μｍ以下の非金属介在物を有し、
該非金属介在物を構成する全元素の中でのＣａ、Ａｌ、ＭｇおよびＯの占める割合が９０ａｔｏｍ％以上であるとともに、そのＣａ濃度が５ａｔｏｍ％以上である非金属介在物の全個数のうち、その非金属介在物のＣａＯ濃度が２０〜５０ｍａｓｓ％であるものの個数比率が５０％以上であること
を特徴とする高清浄度軸受鋼。
【請求項２】
製鋼炉から取鍋に出鋼した溶鋼に対して、バブリングランスを介して溶鋼中に撹拌ガスと脱硫剤を吹込む工程、スラグ精錬を行う工程、環流型脱ガス装置で取鍋精錬を行う工程を順次行う高清浄度軸受鋼の溶製方法であって、
前記環流型脱ガス装置での処理を、溶鋼中のＣ濃度が０．８５〜１．２ｍａｓｓ％、ｓｏｌ．Ａｌ濃度が０．０２０〜０．０３５ｍａｓｓ％であって、かつ、真空度が０．３ｋＰａ以下の状態で行うこと
を特徴とする請求項１に記載の高清浄度軸受鋼の溶製方法。
【請求項３】
前記バブリングランスを介して溶鋼中に吹込むＣａＯ系脱硫剤中のＣａ量が、Ｃａ純分として溶鋼１ｔあたり１．０〜２．５ｋｇであること
を特徴とする請求項２に記載の高清浄度軸受鋼の溶製方法。
【請求項１】
ｍａｓｓ％で、Ｃ濃度：０．８５〜１．２％、Ｓｏｌ．Ａｌ濃度：０．０２０〜０．０３５％、Ｃｒ濃度：０．５０〜２．０％、Ｓ濃度：０．００２０％以下、Ｔｏｔａｌ Ｏ濃度：０．００２０％以下を有するとともに、連続鋳造後の鋳片から切り出したサンプルを鏡面研磨して顕微鏡観察した際に該鏡面研磨面上に存在する円相当径で１．０μｍ以上１０μｍ以下の非金属介在物を有し、
該非金属介在物を構成する全元素の中でのＣａ、Ａｌ、ＭｇおよびＯの占める割合が９０ａｔｏｍ％以上であるとともに、そのＣａ濃度が５ａｔｏｍ％以上である非金属介在物の全個数のうち、その非金属介在物のＣａＯ濃度が２０〜５０ｍａｓｓ％であるものの個数比率が５０％以上であること
を特徴とする高清浄度軸受鋼。
【請求項２】
製鋼炉から取鍋に出鋼した溶鋼に対して、バブリングランスを介して溶鋼中に撹拌ガスと脱硫剤を吹込む工程、スラグ精錬を行う工程、環流型脱ガス装置で取鍋精錬を行う工程を順次行う高清浄度軸受鋼の溶製方法であって、
前記環流型脱ガス装置での処理を、溶鋼中のＣ濃度が０．８５〜１．２ｍａｓｓ％、ｓｏｌ．Ａｌ濃度が０．０２０〜０．０３５ｍａｓｓ％であって、かつ、真空度が０．３ｋＰａ以下の状態で行うこと
を特徴とする請求項１に記載の高清浄度軸受鋼の溶製方法。
【請求項３】
前記バブリングランスを介して溶鋼中に吹込むＣａＯ系脱硫剤中のＣａ量が、Ｃａ純分として溶鋼１ｔあたり１．０〜２．５ｋｇであること
を特徴とする請求項２に記載の高清浄度軸受鋼の溶製方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−２３７３９（Ｐ２０１３−２３７３９Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６０６５９（Ｐ２０１１−１６０６５９）
【出願日】平成２３年７月２２日（２０１１．７．２２）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２２日（２０１１．７．２２）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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