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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023176305
(43)【公開日】2023-12-13
(54)【発明の名称】インゴットの製造方法
(51)【国際特許分類】
B22D 23/10 20060101AFI20231206BHJP
C22B 9/18 20060101ALI20231206BHJP
C22C 38/00 20060101ALI20231206BHJP
C22C 38/58 20060101ALI20231206BHJP
【ＦＩ】
B22D23/10
C22B9/18 F
C22C38/00 302Z
C22C38/58
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022088519
(22)【出願日】2022-05-31
(71)【出願人】
【識別番号】000005083
【氏名又は名称】株式会社プロテリアル
(72)【発明者】
【氏名】羽田野 雄一
【テーマコード（参考）】
4K001
【Ｆターム（参考）】
4K001AA08
4K001AA10
4K001AA16
4K001AA17
4K001AA19
4K001BA23
4K001FA07
4K001GA14
4K001KA01
4K001KA02
4K001KA06
4K001KA10
(57)【要約】
【課題】 ＥＳＲ法を利用したインゴットの製造方法において、スラグの発熱量および流動性を確保することで、スラグがインゴットに混入する問題を解決し、高い清浄度のインゴットを得ることができるインゴットの製造方法を提供する。
【解決手段】 質量％で、５．０％≦ＣａＯ≦２５．０％、２．０％≦ＳｉＯ２≦１０．０％、１０．０％≦Ａｌ２Ｏ３≦３０．０％、残部がＣａＦ２および不可避的不純物からなるスラグを用いてエレクトロスラグ再溶解するインゴットの製造方法。
【選択図】 図１
【解決手段】 質量％で、５．０％≦ＣａＯ≦２５．０％、２．０％≦ＳｉＯ２≦１０．０％、１０．０％≦Ａｌ２Ｏ３≦３０．０％、残部がＣａＦ２および不可避的不純物からなるスラグを用いてエレクトロスラグ再溶解するインゴットの製造方法。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量％で、５．０％≦ＣａＯ≦２５．０％、２．０％≦ＳｉＯ２≦１０．０％、１０．０％≦Ａｌ２Ｏ３≦３０．０％、残部がＣａＦ２および不可避的不純物からなるスラグを用いてエレクトロスラグ再溶解するインゴットの製造方法。
【請求項2】
質量％で、７．０％≦ＣａＯ≦２０．０％、３．０％≦ＳｉＯ２≦７．０％、１５．０％≦Ａｌ２Ｏ３≦２５．０％、残部がＣａＦ２および不可避的不純物からなるスラグを用いてエレクトロスラグ再溶解する請求項１に記載のインゴットの製造方法。
【請求項3】
質量％で、Ａｌ≦０．０１５％を含有する合金材をエレクトロスラグ再溶解する請求項２に記載のインゴットの製造方法。
【請求項4】
前記合金材が、質量％で、Ｃ≦０．０３％、Ｓｉ≦１．００％、Ｍｎ≦２．００％、Ｐ≦０．０４５％、Ｓ≦０．０３％、１２．００％≦Ｎｉ≦１５．００％、１６．００％≦Ｃｒ≦１８．００％、２．００％≦Ｍｏ≦３．００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる請求項３に記載のインゴットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エレクトロスラグ再溶解法を利用したインゴットの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
超耐熱合金やオーステナイト系ステンレス鋼といった高清浄が要求される合金材のインゴットを製造する際は、真空アーク溶解法（ＶＡＲ）やエレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ）が用いられている。特に、ＥＳＲでは、スラグと合金材との反応平衡を把握することが困難な場合があった。具体的にいうと、スラグ中のＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３と合金材の酸化還元反応が進行して、得られるインゴット中のＡｌ濃度がＥＳＲ用消耗電極に対して変動するという問題があった。
【0003】
このような問題に対して、スラグ－合金材間の反応平衡を制御するために、例えば特許文献１のようなスラグが提案されている。特許文献１では、質量％で、（％ＣａＯ）＋（％ＳｉＯ２）＋（％ＭｇＯ）≧９０、１．０＜（％ＣａＯ）／（％ＳｉＯ２）＜１．３、１≦（％ＭｇＯ）≦２０および（％Ａｌ２Ｏ３）≦２を満足するスラグを溶鋼に供給することが提案されている。
この特許文献１は、上記スラグを適用することで、溶鋼へのＡｌピックアップを回避することができ、かつ高い脱硫能力を発揮させるという点で優れたものである。
この特許文献１は、上記スラグを適用することで、溶鋼へのＡｌピックアップを回避することができ、かつ高い脱硫能力を発揮させるという点で優れたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２２－２７５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述した特許文献１に開示されるスラグは、ＡｌピックアップによるＡｌ濃度が目標範囲の上限を超えてしまうことを抑制しつつ、高い脱硫能力を有するという点で有利である。
しかし、特許文献１に開示される成分組成のスラグをＥＳＲ法に適用しようとすると、電気抵抗値が低いことにより、スラグの発熱量を確保することが困難になることに加え、スラグの融点が高いことにより、スラグの流動性を確保することが困難になるという問題がある。
スラグの発熱量および流動性の低下という問題は、溶融しきれなかったスラグの一部が溶鋼内に混入し、そのままインゴット内に残存してしまい、機械特性の低下や割れの原因となることから、その部分を除去する必要があり、歩留の低下を招くことなる。
また、特許文献１に開示されるスラグをオーステナイト系ステンレス鋼に適用しようとすると、溶鋼中の酸素濃度を十分に下げることが困難になり、インゴットの非金属介在物品位が低下するという問題もある。
しかし、特許文献１に開示される成分組成のスラグをＥＳＲ法に適用しようとすると、電気抵抗値が低いことにより、スラグの発熱量を確保することが困難になることに加え、スラグの融点が高いことにより、スラグの流動性を確保することが困難になるという問題がある。
スラグの発熱量および流動性の低下という問題は、溶融しきれなかったスラグの一部が溶鋼内に混入し、そのままインゴット内に残存してしまい、機械特性の低下や割れの原因となることから、その部分を除去する必要があり、歩留の低下を招くことなる。
また、特許文献１に開示されるスラグをオーステナイト系ステンレス鋼に適用しようとすると、溶鋼中の酸素濃度を十分に下げることが困難になり、インゴットの非金属介在物品位が低下するという問題もある。
【0006】
本発明の目的は、ＥＳＲ法を利用したインゴットの製造方法において、スラグの発熱量および流動性を確保することで、スラグがインゴットに混入する問題を解決し、高い清浄度のインゴットを得ることができるインゴットの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、質量％で、５．０％≦ＣａＯ≦２５．０％、２．０％≦ＳｉＯ２≦１０．０％、１０．０％≦Ａｌ２Ｏ３≦３０．０％、残部がＣａＦ２および不可避的不純物からなるスラグを用いてエレクトロスラグ再溶解するインゴットの製造方法である。
また、本発明のインゴットの製造方法は、質量％で、７．０％≦ＣａＯ≦２０．０％、３．０％≦ＳｉＯ２≦７．０％、１５．０％≦Ａｌ２Ｏ３≦２５．０％、残部がＣａＦ２および不可避的不純物からなるスラグを用いることが好ましい。
また、本発明のインゴットの製造方法は、質量％で、７．０％≦ＣａＯ≦２０．０％、３．０％≦ＳｉＯ２≦７．０％、１５．０％≦Ａｌ２Ｏ３≦２５．０％、残部がＣａＦ２および不可避的不純物からなるスラグを用いることが好ましい。
【0008】
本発明のインゴットの製造方法は、質量％で、Ａｌ≦０．０１５％を含む合金材に好適である。
また、本発明のインゴットの製造方法は、質量％で、Ｃ≦０．０３％、Ｓｉ≦１．００％、Ｍｎ≦２．００％、Ｐ≦０．０４５％、Ｓ≦０．０３％、１２．００％≦Ｎｉ≦１５．００％、１６．００％≦Ｃｒ≦１８．００％、２．００％≦Ｍｏ≦３．００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる合金材により好適である。
また、本発明のインゴットの製造方法は、質量％で、Ｃ≦０．０３％、Ｓｉ≦１．００％、Ｍｎ≦２．００％、Ｐ≦０．０４５％、Ｓ≦０．０３％、１２．００％≦Ｎｉ≦１５．００％、１６．００％≦Ｃｒ≦１８．００％、２．００％≦Ｍｏ≦３．００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる合金材により好適である。
【発明の効果】
【0009】
本発明のインゴットの製造方法は、ＥＳＲ法を利用したインゴットの製造方法において、スラグがインゴットに混入する問題を解決し、高い清浄度のインゴットを得ることができる点で有用な技術となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】超音波探傷試験で欠陥部と認識された箇所の走査型電子顕微鏡観察写真の一例。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼などのインゴットの製造にエレクトロスラグ再溶解法を適用する際に、５．０％≦ＣａＯ≦２５．０％、２．０％≦ＳｉＯ２≦１０．０％、１０．０％≦Ａｌ２Ｏ３≦３０．０％、残部がＣａＦ２および不可避的不純物からなるスラグを採用したことに特徴を有する。以下、各成分（質量％）の限定理由について詳しく説明する。
【0012】
「５．０％≦ＣａＯ≦２５．０％」
ＣａＯは、インゴットの表面肌の平滑化に有用である。本発明では、ＣａＯを２５．０％以下にすることで、ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３のバランスが良好に保たれ、十分な発熱量を確保することができる。これにより、インゴット表面のスラグスキンの凹凸を抑制でき、インゴットの表面肌を平滑にすることができる。また、上記と同様の理由から、ＣａＯは、２０．０％以下にすることが好ましい。
また、ＣａＯは、ＥＳＲ中の脱酸および脱硫の効果を促進させるのに有用であり、非金属介在物量を低減することができ、清浄度の向上に寄与する効果を有する。このため、本発明では、ＣａＯを５．０％以上含有させる。
ＣａＯは、インゴットの表面肌の平滑化に有用である。本発明では、ＣａＯを２５．０％以下にすることで、ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３のバランスが良好に保たれ、十分な発熱量を確保することができる。これにより、インゴット表面のスラグスキンの凹凸を抑制でき、インゴットの表面肌を平滑にすることができる。また、上記と同様の理由から、ＣａＯは、２０．０％以下にすることが好ましい。
また、ＣａＯは、ＥＳＲ中の脱酸および脱硫の効果を促進させるのに有用であり、非金属介在物量を低減することができ、清浄度の向上に寄与する効果を有する。このため、本発明では、ＣａＯを５．０％以上含有させる。
【0013】
「２．０≦ＳｉＯ２≦１０．０％」
ＳｉＯ２は、スラグの流動性を調整するのに有用である。本発明では、ＳｉＯ２を１０．０％以下にする。これにより、スラグがインゴットへ巻き込まれることを抑制することができる。また、上記と同様の理由から、ＳｉＯ２は、７．０％以下にすることが好ましい。
また、ＳｉＯ２は、後述するＡｌ２Ｏ３より溶鋼温度下での酸化物の標準反応エネルギーが高く、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３が溶融状態で共存すると、ＳｉＯ２の還元反応が進み、Ａｌ２Ｏ３の還元反応を抑制でき、Ａｌのピックアップ量を低減できる。このため、Ａｌ濃度を低く制御する、例えば、Ａｌ≦０．０１５％を含む合金材のインゴットを得るためには、ＳｉＯ２を２．０％以上含有させる。また、上記と同様の理由から、ＳｉＯ２は、３．０％以上にすることが好ましい。
ＳｉＯ２は、スラグの流動性を調整するのに有用である。本発明では、ＳｉＯ２を１０．０％以下にする。これにより、スラグがインゴットへ巻き込まれることを抑制することができる。また、上記と同様の理由から、ＳｉＯ２は、７．０％以下にすることが好ましい。
また、ＳｉＯ２は、後述するＡｌ２Ｏ３より溶鋼温度下での酸化物の標準反応エネルギーが高く、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３が溶融状態で共存すると、ＳｉＯ２の還元反応が進み、Ａｌ２Ｏ３の還元反応を抑制でき、Ａｌのピックアップ量を低減できる。このため、Ａｌ濃度を低く制御する、例えば、Ａｌ≦０．０１５％を含む合金材のインゴットを得るためには、ＳｉＯ２を２．０％以上含有させる。また、上記と同様の理由から、ＳｉＯ２は、３．０％以上にすることが好ましい。
【0014】
「１０．０％≦Ａｌ２Ｏ３≦３０．０％」
Ａｌ２Ｏ３は、スラグの発熱量を調整するのに有用である。本発明では、Ａｌ２Ｏ３を１０．０％以上にすることで、スラグの電気抵抗を大きくし、ＥＳＲ中のスラグ発熱量を確保して、未溶融スラグの形成が抑制され、未溶融スラグがインゴットに混入することを抑制でき、清浄度の向上に寄与する効果を有する。また、上記と同様の理由から、Ａｌ２Ｏ３は、１５．０％以上にすることが好ましい。
一方、Ａｌ２Ｏ３は、スラグ中に過度に含有させるとスラグの融点が上昇しすぎてしまい、未溶融スラグの形成を助長する。このため、本発明では、Ａｌ２Ｏ３を３０．０％以下含有させる。また、上記と同様の理由から、Ａｌ２Ｏ３は、２５．０％以下にすることが好ましい。
Ａｌ２Ｏ３は、スラグの発熱量を調整するのに有用である。本発明では、Ａｌ２Ｏ３を１０．０％以上にすることで、スラグの電気抵抗を大きくし、ＥＳＲ中のスラグ発熱量を確保して、未溶融スラグの形成が抑制され、未溶融スラグがインゴットに混入することを抑制でき、清浄度の向上に寄与する効果を有する。また、上記と同様の理由から、Ａｌ２Ｏ３は、１５．０％以上にすることが好ましい。
一方、Ａｌ２Ｏ３は、スラグ中に過度に含有させるとスラグの融点が上昇しすぎてしまい、未溶融スラグの形成を助長する。このため、本発明では、Ａｌ２Ｏ３を３０．０％以下含有させる。また、上記と同様の理由から、Ａｌ２Ｏ３は、２５．０％以下にすることが好ましい。
【0015】
「ＣａＦ２」
本発明で使用するスラグは、上記で説明したＣａＯ、ＳｉＯ２、およびＡｌ２Ｏ３以外の残部がＣａＦ２および不可避的不純物で構成される。ＣａＦ２は、スラグの融点を低下させるのに有用である。ＣａＦ２は、５０．０％以上にすることで、スラグの融点上昇に伴うスラグの流動性低下の問題が抑制できる点で好ましい。これにより、インゴット表面のスラグスキンの凹凸が抑制され、インゴットの表面肌を平滑にすることができることに加え、スラグがインゴットに混入することを抑制でき、清浄度の向上に寄与する効果を有する。
一方、ＣａＦ２は、７０．０％以下にすることで、スラグの電気伝導度の上昇が抑制され、スラグの発熱量を確保することができ、未溶融スラグの形成が抑制できる点で好ましい。これにより、未溶融スラグがインゴットに混入することを抑制でき、清浄度の向上に寄与する効果を有する。
本発明で使用するスラグは、上記で説明したＣａＯ、ＳｉＯ２、およびＡｌ２Ｏ３以外の残部がＣａＦ２および不可避的不純物で構成される。ＣａＦ２は、スラグの融点を低下させるのに有用である。ＣａＦ２は、５０．０％以上にすることで、スラグの融点上昇に伴うスラグの流動性低下の問題が抑制できる点で好ましい。これにより、インゴット表面のスラグスキンの凹凸が抑制され、インゴットの表面肌を平滑にすることができることに加え、スラグがインゴットに混入することを抑制でき、清浄度の向上に寄与する効果を有する。
一方、ＣａＦ２は、７０．０％以下にすることで、スラグの電気伝導度の上昇が抑制され、スラグの発熱量を確保することができ、未溶融スラグの形成が抑制できる点で好ましい。これにより、未溶融スラグがインゴットに混入することを抑制でき、清浄度の向上に寄与する効果を有する。
【0016】
本発明のインゴットの製造方法は、インゴット中の酸素濃度上昇や成分バラツキを抑制するために、不活性ガス雰囲気中でＥＳＲを行なうことが好ましい。本発明でいう不活性ガスとは、アルゴンなどの希ガスをいう。
また、本発明のインゴットの製造方法は、インゴットサイズの大小によらず、あらゆるサイズのインゴットにも適用可能である。
本発明の製造方法は、例えば、ＪＩＳ Ｇ ４３０３で規定されるオーステナイト系ステンレス鋼全般や、ＪＩＳ Ｇ ４４０４で規定されるＳＫＤ６１相当の合金工具鋼などの合金材に有用である。
また、本発明のインゴットの製造方法は、インゴットサイズの大小によらず、あらゆるサイズのインゴットにも適用可能である。
本発明の製造方法は、例えば、ＪＩＳ Ｇ ４３０３で規定されるオーステナイト系ステンレス鋼全般や、ＪＩＳ Ｇ ４４０４で規定されるＳＫＤ６１相当の合金工具鋼などの合金材に有用である。
【実施例0017】
先ず、真空誘導溶解炉でＥＳＲ用消耗電極を作製した。尚、その合金材の成分系は、いずれも、ＪＩＳ Ｇ ４３０３で規定されるＳＵＳ３１６Ｌ相当材とした。
【0018】
次に、上記で得たＥＳＲ用消耗電極を、表１に示す成分のスラグを用いて、溶鋼およびスラグ上部にＡｒガスを供給してＡｒ雰囲気のもとでＥＳＲを行なった。そして、得られた各インゴットのトップ部およびボトム部に相当する位置から試料を採取し、Ａｌおよび酸素の成分分析を実施した。その結果を表１に示す。
上記で得た各インゴットは、熱間加工を実施した後、超音波探傷試験に供した。ＥＳＲ中に未溶融スラグが溶鋼内に混入して、インゴット内に残存した場合、超音波探傷試験にて欠陥が検出される。ここでは、スラグ起因の欠陥が検出されなかった場合を○、検出された場合は×として評価を行なった。その結果を表１に示す。
上記で得た各インゴットは、熱間加工を実施した後、超音波探傷試験に供した。ＥＳＲ中に未溶融スラグが溶鋼内に混入して、インゴット内に残存した場合、超音波探傷試験にて欠陥が検出される。ここでは、スラグ起因の欠陥が検出されなかった場合を○、検出された場合は×として評価を行なった。その結果を表１に示す。
【0019】
【表1】
【0020】
比較例３、４は、超音波探傷試験で欠陥が検出された。この欠陥部を横断面上に切り出した際、その断面に図１に示すようなスラグが検出された。
これに対して、スラグ成分を本発明の範囲内とした本発明例１～５は、いずれも超音波探傷試験で欠陥部が検出されなかった。すなわち、ＥＳＲ中に未溶融スラグが形成されず、インゴット内に残存することはなかったことが確認できた。
これに対して、スラグ成分を本発明の範囲内とした本発明例１～５は、いずれも超音波探傷試験で欠陥部が検出されなかった。すなわち、ＥＳＲ中に未溶融スラグが形成されず、インゴット内に残存することはなかったことが確認できた。
【0021】
比較例５で得たインゴットは、酸素濃度がトップ部、ボトム部ともに３５質量ｐｐｍを超えていることが確認された。
これに対して、スラグ成分を本発明の範囲内とした本発明例１～５は、いずれもインゴット中の酸素濃度が３５質量ｐｐｍ以下であることが確認できた。
これに対して、スラグ成分を本発明の範囲内とした本発明例１～５は、いずれもインゴット中の酸素濃度が３５質量ｐｐｍ以下であることが確認できた。
【0022】
本発明のインゴットの製造方法によると、スラグ成分を本発明の範囲内とすることで、ＥＳＲ用消耗電極に対してインゴットのトップ部、ボトム部いずれでも、Ａｌ濃度を０．０１５質量％以下に制御することができた。
一方、本発明のスラグ成分から外れるスラグを用いた比較例１、２では、インゴットのＡｌ濃度が０．０１５質量％を超えており、Ａｌ２Ｏ３の還元によるＡｌのピックアップを抑制できないことが確認された。
一方、本発明のスラグ成分から外れるスラグを用いた比較例１、２では、インゴットのＡｌ濃度が０．０１５質量％を超えており、Ａｌ２Ｏ３の還元によるＡｌのピックアップを抑制できないことが確認された。
【図1】
