專利名稱：制造鋼錠的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造鋼錠的方法，所述鋼錠由含有作為主要成分的Fe的金屬材料(即，F(xiàn)e是金屬材料的最大含量成分)組成。更具體而言，本發(fā)明涉及一種制造鋼錠的方法，通過該方法可以非常精細(xì)地控制非金屬夾雜物(以下僅稱作夾雜物)。
背景技術(shù)：
鋼中存在的夾雜物影響各種機(jī)械性質(zhì)。例如，在將鋼板制成毛坯或者通過壓力加工或切割而穿孔輸出的情況下，已經(jīng)有一種使夾雜物精細(xì)分散以通過擔(dān)任斷裂開始點(diǎn)的夾雜物來改善沖壓和切割性質(zhì)的技術(shù)。
另一方面，還已知鋼中的夾雜物根據(jù)其化學(xué)組成、形狀和/或大小而對鋼的機(jī)械性質(zhì)有不利影響。至于要求具有良好疲勞強(qiáng)度的鋼材，例如，在要求疲勞強(qiáng)度的應(yīng)用中，由作為開始點(diǎn)的夾雜物造成的斷裂是成問題的。夾雜物的大小對這種疲勞斷裂有極大影響，并且夾雜物的控制提出了一個重要問題。
至于在用于專門的應(yīng)用領(lǐng)域，例如汽車部件、工具鋼、結(jié)構(gòu)鋼等中的更高級材料中控制夾雜物的方法，通常進(jìn)行兩個熔化步驟，這兩個熔化步驟由例如以下步驟組成在電弧爐中熔化(以下稱作AF)或真空感應(yīng)熔化(以下稱作VIM)的第一步驟，和電渣重熔(以下稱作ESR)或真空電弧重熔(以下稱作VAR)的第二步驟。
通過使用VAR或ESR的這種兩個熔化步驟制造的鋼的優(yōu)點(diǎn)在于它是均勻的(較少成分偏析)并且只含少量夾雜物。
馬氏體時效型鋼是嚴(yán)格要求克服由夾雜物造成的疲勞斷裂問題的典型的鋼。
由于馬氏體時效型鋼具有高韌性和高強(qiáng)度，所以用于運(yùn)用反復(fù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以及用于要求具有高疲勞強(qiáng)度的重要構(gòu)件。但是，眾所周知當(dāng)這種構(gòu)件中含有大尺寸的非金屬夾雜物時，由于夾雜物擔(dān)當(dāng)斷裂的開始點(diǎn)，易于發(fā)生疲勞斷裂。因此，特別是為了防止高頻次疲勞斷裂的出現(xiàn)，需要將非金屬夾雜物精細(xì)分散。
為了克服夾雜物問題，已經(jīng)提出了使夾雜物變得精細(xì)的各種想法。這樣的提議可見，例如由本申請人提交的JP-A-11-293407和JP-A-2003-183765。

發(fā)明內(nèi)容
為了使鋼錠中的夾雜物變得精細(xì)，按照常規(guī)是試圖降低形成夾雜物的元素如氧、氮等的量，或者調(diào)整再熔條件的參數(shù)。
但是，氧和氮的降低是有限制的，原因在于受成分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的限制，即，對脫氧元素如C、Al等的添加的限制，這是在成分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格中已經(jīng)確定的；并且參數(shù)修改如控制熔化速率、氣氛的真空度等也是受限制的，在大規(guī)模生產(chǎn)率方面，這些參數(shù)直接涉及產(chǎn)量。因此，迫切需要一種使夾雜物精細(xì)的新技術(shù)，該方法在實(shí)際中適合于大規(guī)模生產(chǎn)步驟。
本發(fā)明的一個目的是提供一種制造鋼錠的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用該方法可以使夾雜物明顯變得精細(xì)。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過以下步驟可以獲得含有精細(xì)夾雜物的鋼錠在鋼液中提供Mg以形成主要組分是MgO的氧化物，并且將鋼液暴露于更高的真空度，從而促進(jìn)在鋼液表面的主要由MgO組成的氧化物的離解反應(yīng)。
因此，本發(fā)明涉及一種制造鋼錠的方法，該方法包括以下步驟形成氧化鎂，其中調(diào)整鋼液以包含足夠量的Mg，從而使混合在鋼液中氧化物具有主要成分是MgO的化學(xué)組成；和通過使熔化環(huán)境中的真空度高于形成氧化鎂的前一過程的真空度而將鋼液中含有的氧化鎂離解成Mg和氧，從而使鋼液中的Mg含量不超過形成氧化鎂的前一過程中的Mg含量的50％。
此處，術(shù)語“主要成分是MgO的氧化物”是指MgO與其余氧化物成分相比是最大量的成分的氧化物。
此外，離解過程中的Mg含量優(yōu)選不大于氧化鎂形成過程中的Mg含量的20％，更優(yōu)選不大于10％。
此外，在本發(fā)明中，優(yōu)選調(diào)整氧化鎂形成過程中的鋼液使其含有足夠量的Mg以使混合在鋼液中氧化物具有主要成分是MgO的化學(xué)組成，在此之后將其進(jìn)行鑄造，其中氧化鎂形成過程稱作“初步熔化過程”；隨后通過將鑄鋼在高于初步熔化過程的真空度下再熔，進(jìn)行氧化鎂的離解過程，從而將鋼液中含有的氧化鎂離解成Mg和氧，以使鋼液中的Mg含量不超過初步熔化過程中的Mg含量的50％。
特別優(yōu)選的是，通過其中進(jìn)行再熔過程的方法而制造含有氮化物形成元素作為錠成分的鋼。
本發(fā)明中，優(yōu)選氧化鎂形成步驟中的真空度為6kPa至60kPa，并且將氧化鎂離解過程中的真空度相對于0.6kPa降低。
此外，本發(fā)明中優(yōu)選在氧化鎂形成步驟中調(diào)整Mg量(MgOXI)和Al量(AlOXI)之間的關(guān)系，使其滿足以下等式AlOXI(質(zhì)量ppm)/MgOXI(質(zhì)量ppm)＝5至100。
此處，可以僅依靠初步熔化過程而忽略再熔過程，通過控制周圍熔化氣氛進(jìn)行氧化鎂形成過程和氧化鎂離解過程。在這種情況下，氧化鎂形成過程中的Mg量(MgOXI)和Al量(AlOXI)分別表示在真空度即將增加以使氧化鎂形成過程向氧化鎂離解過程轉(zhuǎn)化的時間點(diǎn)采集的樣品中，Mg含量和Al含量。
此外，在初步熔化是在氧化鎂形成過程中進(jìn)行的而再熔是在氧化鎂離解過程中進(jìn)行的情況下，Mg量(MgOXI)表示初步熔化后鑄造的鋼錠中的Mg含量。
本發(fā)明中，理想的是，將Mg以Ni-Mg合金形式加入到鋼液中，所述Ni-Mg合金含有0至20質(zhì)量％的Mg。
此外，本發(fā)明中，理想的是，鋼錠含有0.01至6質(zhì)量％Al，還優(yōu)選其含有0.1至2質(zhì)量％Ti。
具體而言，本發(fā)明的方法可用于獲得例如馬氏體時效型鋼、諸如用于金屬模具的鋼之類的工具鋼等。
理想的是，馬氏體時效型鋼基本上由以下成分組成，以質(zhì)量計小于10ppm的O(氧)，小于15ppm的N(氮)，不大于0.01％的C，0.3至2.0％或更少的Ti，8.0至22.0％的Ni，5.0至20.0％的Co，2.0至9.0％的Mo，0.01至1.7％的Al，以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的制造鋼錠的方法提供一種技術(shù)，該技術(shù)能夠通過加入的Mg的媒介和特殊減壓步驟的控制，極大地降低非金屬夾雜物的數(shù)量，并且對于以下是非常有用的對于改善諸如韌性和疲勞強(qiáng)度的機(jī)械性質(zhì)的改善，粗的夾雜物對所述的機(jī)械性質(zhì)有不利影響，并且關(guān)于在鏡面精加工中由夾雜物造成的缺陷的表面狀態(tài)的改善。
以下將提供本發(fā)明特征的描述。
注意到具有氧化物形成能力的Mg在真空中產(chǎn)生高蒸汽壓的事實(shí)，本申請的發(fā)明人研究了Mg對鋼中夾雜物的影響。于是，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過一旦形成主要成分是MgO的氧化物，將氧化物暴露于高真空，Mg從鋼液表面蒸發(fā)，使其可以離解并且失去大部分主要成分是MgO的氧化物，如此能夠極大地降低凝固后鋼錠中的夾雜物數(shù)量。
認(rèn)為其原因如下。
與已知為鋼中典型夾雜物的主要成分是Al2O3的氧化物相比，主要成分是MgO的氧化物形成氧化物的能力更高，并且當(dāng)將適當(dāng)量的Mg合金加入到鋼液中時，主要成分是MgO的氧化物將擴(kuò)散在鋼液中以在其中存在。當(dāng)在加入Mg后照原樣進(jìn)行鑄造時，夾雜物只是從主要成分是Al2O3的氧化物改變?yōu)橹饕煞质荕gO的氧化物，因此不能獲得使夾雜物變得精細(xì)的任何顯著效果。
于是，給出了一種使氧化鎂離解的方法，其中在真空度方面，此時的氣氛小于形成主要成分是MgO的氧化物的步驟。通過暴露于高真空，鋼液中高蒸汽壓的Mg擴(kuò)散到氣相中，使得鋼液中的平衡被打破，并且進(jìn)行主要成分是MgO的氧化物的離解。此時，離解的氧與鋼液中的Mg、Al等結(jié)合，形成主要成分是MgO的氧化物和主要成分是Al2O3的氧化物，但是，氧的擴(kuò)散取決于離解反應(yīng)的進(jìn)程，因此相信不會導(dǎo)致氧化物的快速增長，并且在氧化物是精細(xì)的情況下凝固，如此能夠形成鋼錠。
相反，采用常規(guī)的制造方法，容易附聚的夾雜物如Al2O3固有地存在于鋼液中，并且因?yàn)樵阡撘褐械囊苿佣嗷ヅ鲎?，逐步長成大尺寸的夾雜物。
根據(jù)本發(fā)明，容易附聚的夾雜物如Al2O3等，在氧化鎂形成過程中被轉(zhuǎn)化成主要成分是MgO的氧化物，從而防止了由碰撞造成的附聚和生長，并且主要成分是MgO的氧化物在氧化鎂離解過程中離解成氧和Mg，使得凝固后的鋼錠中的氧化物變得精細(xì)。
本發(fā)明中，需要調(diào)整鋼液，其中鋼液中存在足夠量的Mg，使得主要成分是MgO的氧化物是主要夾雜物。
可以以化學(xué)平衡方式，從鋼液中的活性元素如Al等的量、氧的量和硫(S)的量計算加入的Mg合金的量，作為形成主要成分是MgO的氧化物的足夠量。
簡單地，對于具體品種的鋼，在重復(fù)實(shí)驗(yàn)中加入Mg后采集樣品并且檢驗(yàn)和測定加入的Mg量以及凝固狀態(tài)的樣品中的氧化物組成是足夠的。為了防止加入時Mg的損失，優(yōu)選將Mg以合金形式加入，所述合金由Mg和鋼的另一種或多種合金元素組成，例如含有大于0至小于等于20質(zhì)量％Mg的Ni-Mg合金。
本發(fā)明中，使Mg含量等于或小于氧化鎂形成過程中的Mg含量的50％。這是因?yàn)樵撝禃r作為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值而確定的，并且在加入Mg后使鋼液中夾雜物變成主要成分是MgO的氧化物的情況下，加入為目標(biāo)值兩倍量或更多的Mg，即使當(dāng)鋼錠中需要的Mg量為約3至5ppm或更小(這種量的Mg對鋼沒有影響)時，也可以產(chǎn)生使氧化鎂離解過程后凝固的鋼錠中的夾雜物變得精細(xì)的明確效果。
在氧化鎂離解過程中超過氧化鎂形成過程的Mg含量的50％的Mg含量殘留的情況下，Mg的離解不充分，因此不能充分獲得通過離解使氧化物變得精細(xì)的效果。Mg含量優(yōu)選等于或小于氧化鎂形成過程中Mg含量的20％，更優(yōu)選等于或小于其10％。
另外，由于過量Mg的引入影響鋼的主要性質(zhì)如機(jī)械強(qiáng)度等，優(yōu)選使Mg量為必需的最小值。此外，在進(jìn)行減壓和再熔的氧化鎂離解過程中，在Mg氣體大量存在于環(huán)境氣氛中的狀態(tài)下，離解反應(yīng)幾乎不能進(jìn)行。
因此，理想的是，鋼中的Mg含量，例如在形成主要成分是MgO的氧化物的過程中，最大值為約300ppm，并且實(shí)際上約為10至200ppm。
此處，術(shù)語“主要成分是MgO”是指這樣的情況，當(dāng)用例如x射線分析儀分析氧化物的化學(xué)組成時，對除氧外的元素進(jìn)行定量分析，檢測到不小于30質(zhì)量％的Mg。
在這種情況下，所述分析可以通過用例如能量分布型x射線分析儀進(jìn)行定性/定量分析而加以證實(shí)。
此外，在檢驗(yàn)主要由MgO組成的夾雜物的比率時，可以用以下方法測定該比率提取樣品中具有特定重量的夾雜物，并且用例如能量分布型x射線分析儀進(jìn)行定性/定量分析。
根據(jù)本發(fā)明，如果可以靈活控制熔化金屬的環(huán)境氣氛，則本發(fā)明的方法的應(yīng)用可以不經(jīng)過初步熔化和再熔的步驟，但是不容易控制環(huán)境氣氛的壓力，因此實(shí)際的做法是先通過初步熔化，如在低真空下進(jìn)行真空感應(yīng)熔化等完成凝固，然后在氧化鎂離解過程中將其與諸如真空電弧再熔(VAR)等的再熔組合。
具體而言，真空電弧再熔(VAR)便于抑制高真空下其它夾雜物的生長和氧化鎂離解過程中的小單元的凝固。而且，VAR對于抑制氣體成分如氧等的偏析和還原也是有效的。
根據(jù)本發(fā)明，除了使氧化物精細(xì)的效果外，在將諸如VAR等的再熔應(yīng)用于氧化鎂離解過程中的情況下，可以對其成分中含有氮化物形成元素如Ti等的鋼錠產(chǎn)生防止氮化物變粗的效果。
作為研究馬氏體時效型鋼中氮化物大小的結(jié)果，本申請的發(fā)明人證實(shí)，在諸如VAR等的再熔后的鋼錠中的氮化物尺寸大于初步熔化后的鋼錠中的氮化物尺寸。于是，本申請的發(fā)明人確定再熔過程中氮化物生長和粗化的原因在于，由于在初步熔化中鋼錠中存在的氮化物在再熔過程中沒有完全熔化在鋼液中，在凝固過程中氮化物生長并且變粗。
根據(jù)本發(fā)明，在加入Mg后，直至凝固才出現(xiàn)氮化物的結(jié)晶或析出，同時主要成分是MgO的氧化物趨向于成為氮化物型化合物結(jié)晶或析出的核。因此，初步熔化中鋼錠中的氮化物采取這樣一種氮化物-MgO化合物的構(gòu)造，其中氮化物例如Ti圍繞在作為析出的核的MgO周圍。
當(dāng)Mg在再熔過程中從鋼液表面活躍蒸發(fā)時，主要成分是MgO并且構(gòu)成氮化物-MgO化合物一部分的氧化物離解成Mg和氧。因此，由于MgO部分的消失，氮化物-MgO化合物被精細(xì)地分解，并且促進(jìn)熱離解，從而能夠?qū)⒌锿耆刍阡撘褐小?br> 從而，可以確保將氮化物熔化在鋼液中，以防止氮化物不完全熔化和生長成更大的氮化物而變粗，結(jié)果可以獲得不含任何粗氮化物的鋼錠。
具體而言，在再熔是其中凝固單元小的VAR等的情況下，再熔時沒有完全熔化的氮化物夾雜物造成嚴(yán)重問題，而本發(fā)明則提供解決該問題的有效措施。
形成氮化物夾雜物的元素典型地包括上述的Ti，還有作為其它元素的Al、Nb、V、Cr等。
本發(fā)明中，重要的是如上所述地控制熔化金屬的環(huán)境氣氛。盡管當(dāng)在氧化鎂離解過程中相對于氧化鎂形成過程降低壓力時，離解發(fā)生，但是，大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)中優(yōu)選的范圍是這樣的范圍在氧化鎂形成過程中的真空度為6kPa至60kPa，并且將在氧化鎂離解過程中的真空度相對于0.6kPa減小。
此處，使氧化鎂形成過程中的真空度的下限為60kPa的原因在于，在超過下限的高壓下不能預(yù)期基本的除氣作用。此外，使上限為6kPa的原因在于，在超過上限的減壓環(huán)境氣氛中，Mg在擴(kuò)散到熔化金屬之前蒸發(fā)，并且很難形成主要成分是MgO的氧化物，所以本發(fā)明的效果變得不確定。
此外，盡管有利的是，在氧化鎂離解過程中的真空度是盡可能降低的環(huán)境氣氛的壓力，但是實(shí)際上不是這樣，因?yàn)殡x解反應(yīng)在超過0.6kPa的壓力下進(jìn)行緩慢，因此優(yōu)選將相對于0.6kPa降低壓力。更優(yōu)選0.06kPa或以下。
如上所述，在這些使鋼液中的氧化物變成主要成分是MgO的氧化物的條件的確定中，有以化學(xué)平衡方式計算的方法和在采集樣品的同時根據(jù)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些條件的方法。
具體而言，在Al作為夾雜物是有問題的情況下，優(yōu)選調(diào)整氧化鎂形成過程中的Mg量(MgOXI)和Al量(AlOXI)的關(guān)系，使其滿足AlOXI(質(zhì)量ppm)/MgOXI(質(zhì)量ppm)＝5至100。
這是因?yàn)镸g的氧化物形成能力高于Al的氧化物形成能力，鋼液中的氧化物可以變成主要成分是MgO的氧化物，其中AlOXI(質(zhì)量ppm)/MgOXI(質(zhì)量ppm)＝約100，并且鋼液中的氧化物可以進(jìn)一步確定地變成在至少AlOXI(質(zhì)量ppm)/MgOXI(質(zhì)量ppm)＝5的范圍內(nèi)的主要成分是MgO的氧化物。
盡管可以在最大AlOXI(質(zhì)量ppm)/MgOXI(質(zhì)量ppm)＝200的范圍內(nèi)產(chǎn)生很大程度的這種效果，但是，Mg變得過量，并且AlOXI(質(zhì)量ppm)/MgOXI(質(zhì)量ppm)變得小于5，這不是優(yōu)選的，因?yàn)榭赡芊催^來增加夾雜物。
對于應(yīng)用VAR的馬氏體時效型鋼，以及工具鋼如用于金屬模具的鋼等，優(yōu)選初步熔化中加入到鋼液中的Mg合金中對應(yīng)于Mg的量為10至100ppm，再熔后鋼錠中的Mg降低至5ppm或以下。
理想的是，將Al不作為鋼的雜質(zhì)而是作為鋼錠中的目標(biāo)成分而主動地加入，并且應(yīng)用到這樣一種鋼，其中容易產(chǎn)生夾雜物，例如，含有0.1至6質(zhì)量％夾雜物的一種鋼。此處，使上限值為6質(zhì)量％的原因是基于以下認(rèn)識約6質(zhì)量％是普通用途材料的上限值。
此外，可以應(yīng)用到含有0.1至2質(zhì)量％的Ti的一種鋼中。
如上所述，特別是在應(yīng)用再熔的情況下，發(fā)現(xiàn)效力。使上限為2質(zhì)量％的原因在于，普通用途鋼中含有的Ti的上限為約2％。另外，即使當(dāng)?shù)陀谙孪拗祷蛘吒哂谏舷拗禃r，也在很大程度上顯示出本發(fā)明的效果。
本發(fā)明應(yīng)用的實(shí)際類型的鋼包括馬氏體時效型鋼。特別是，最近，已經(jīng)有應(yīng)用汽車傳動帶是由厚度約不大于0.2mm的馬氏體時效型鋼薄條制成的。在鋼的最終厚度不大于0.5mm的用途中，存在以下風(fēng)險大小超過例如15μm的氧化物成為高頻次疲勞斷裂的開始點(diǎn)，因此必需使材料中的氧化物的大小不大于15μm。
此外，由于馬氏體時效型鋼只在其部分中含有Ti成分，TiN存在于鋼錠中。由于TiN具有矩形形狀，對應(yīng)力集中度敏感，并且形成稱作暗區(qū)的氫脆化區(qū)，其對高頻次疲勞斷裂比氧化物更敏感，因此材料中的TiN需要等于或小于10μm。因此，這種鋼適合于本發(fā)明的制造方法。
下面將描述應(yīng)用本發(fā)明的馬氏體時效型鋼的一個實(shí)例。
馬氏體時效型鋼是一種合金，如其名稱所暗示的，通過對馬氏體結(jié)構(gòu)進(jìn)行時效(時效硬化處理)獲得約2000Mpa的非常高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐久性，并且其含有8至25質(zhì)量％的Ni，這種鋼是時效硬化型超強(qiáng)度鋼。
馬氏體時效型鋼的優(yōu)選化學(xué)組成(質(zhì)量％)如下。
(氧)是形成氧化物夾雜物的元素。根據(jù)本發(fā)明，可以控制氧化物夾雜物使其變得非常精細(xì)，并且進(jìn)一步理想的是降低形成氧化物夾雜物的氧的量。
N(氮)是形成氮化物和碳氮化物夾雜物的元素。根據(jù)本發(fā)明，可以控制氮化物夾雜物使其變得非常精細(xì)，并且進(jìn)一步理想的是降低形成氮化物夾雜物的氮的量。因此，優(yōu)選將N限制到小于15ppm。
C(碳)形成碳化物或碳氮化物，為了減小金屬間化合物的析出量以降低疲勞強(qiáng)度，C的上限優(yōu)選為0.01％或以下。
Ti是不可缺少的元素，并且形成精細(xì)金屬間化合物，其通過時效處理析出，有助于鋼的強(qiáng)化，理想的是優(yōu)選含有不少于0.3％的Ti。由于當(dāng)其含量超過2.0％時導(dǎo)致延展性和韌性的劣化，優(yōu)選Ti含量不超過0.2％。
Ni是形成具有高韌性的母體結(jié)構(gòu)的不可缺少的元素。但是，當(dāng)Ni含量小于8.0％時，韌性降低。另一方面，當(dāng)Ni含量超過22％時，奧氏體相是穩(wěn)定的，變得難以形成馬氏體結(jié)構(gòu)，因此Ni含量優(yōu)選為8.0至22.0％。
Co是通過在不顯著影響馬氏體結(jié)構(gòu)基質(zhì)穩(wěn)定性的情況下降低Mo固溶度，從而促進(jìn)Mo形成在基質(zhì)中析出的金屬間化合物，如此有助于強(qiáng)化鋼的析出的元素。但是，其含量小于5.0％時，不是必然地獲得足夠的效果，而其含量超過20.0％時，有脆化的趨勢，因此Co含量優(yōu)選為5.0至20.0％。
Mo是通過時效處理形成精細(xì)金屬間化合物并且在基質(zhì)中產(chǎn)生析出以有助于強(qiáng)化的元素。但是，在其含量小于2.0％時，其效果較小，而在其含量超過9.0％時，容易形成粗析出物，因此Mo含量優(yōu)選為2.0至9.0％。
由于Al不僅通過時效處理而有助于強(qiáng)化鋼的析出，而且引起去氧反應(yīng)，其含量優(yōu)選不小于0.01％。但是其含量超過1.7％引起韌性的劣化，因此優(yōu)選其含量不大于1.7％。
除了上述元素之外的余量可以由Fe組成，但是，例如B是使晶粒變精細(xì)的有效元素，因此其含量為0.01％或以下，這種含量范圍不引起韌性的劣化。
此外，還含有不可避免含有的雜質(zhì)元素。
由于這些元素中的Si和Mn促進(jìn)粗金屬間化合物的析出造成脆化，從而引起延展性和韌性的下降，并且形成非金屬夾雜物而引起疲勞強(qiáng)度的下降，優(yōu)選Si和Mn的含量分別不超過0.1％，并且適宜的是不超過0.05％。由于P和S也使晶界變脆并且形成非金屬夾雜物而造成疲勞強(qiáng)度的下降，優(yōu)選它們分別不超過0.01％。
此外，本發(fā)明應(yīng)用的更多的實(shí)際類型的鋼包括用于樹脂用金屬模具的鋼。
由樹脂用金屬模具模塑的樹脂產(chǎn)品的表面需要在其外表面上沒有缺陷。此外，在用于壓縮盤、DVD或樹脂透鏡的金屬模具模塑部分的表面上沉積的超過約10μm的夾雜物的存在，是產(chǎn)生針孔缺陷的原因。
因此，存在于材料中的氧化物或氮化物需要等于或小于10μm。本發(fā)明的應(yīng)用對于將工具鋼如用于樹脂的金屬模具的鋼等進(jìn)行鑄錠是非常有效的。
適合應(yīng)用本發(fā)明的用于樹脂模塑的模具的鋼可以含有必不可少的成分，例如0.005至0.5％的C(碳)、0.2至3.0％的Mn、0.1至2.0％的Si、1.5至4％的Ni和0.1至2.0％的Al，和任選的選自下列中的一種或多種3至8％的Cr、0.3至3.5％的Cu、0.1至3％按(W/2+Mo)計的W和/或Mo、不超過0.3％的S(硫)、不超過2％的Co、不超過0.5％的Nb和不超過0.5％的V。
另外，盡管余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成，除了上述元素外，還優(yōu)選形成夾雜物的N(氮)和O(氧)的含量為0.01％或以下，并且可以含有總量約1％的加工性能改進(jìn)元素。
具有上述示例性范圍內(nèi)的組成的合金含有在例如日本專利No.3351766、日本專利No.2879930和JP-59-37738-B2中所述的合金組合物。
附圖簡述

圖1a是顯示在用本發(fā)明方法制造的馬氏體時效型鋼“電極”中發(fā)現(xiàn)的氮化物夾雜物的剖面電子顯微照片；圖1b是顯示在用本發(fā)明方法制造的馬氏體時效型鋼“電極”中發(fā)現(xiàn)的另一氮化物夾雜物的剖面電子顯微照片；圖1c是顯示在用本發(fā)明方法制造的馬氏體時效型鋼“電極”中發(fā)現(xiàn)的再一氮化物夾雜物的剖面電子顯微照片；
圖2是顯示在用比較方法制造的馬氏體時效型鋼“電極”中發(fā)現(xiàn)的氮化物夾雜物的剖面電子顯微照片；圖3a是顯示從用本發(fā)明方法制造的馬氏體時效型鋼“電極”中提取出的MgO型夾雜物的剖面電子顯微照片；圖3b是顯示從用本發(fā)明方法制造的馬氏體時效型鋼“電極”中提取出的MgO型夾雜物的剖面電子顯微照片；圖4a是顯示從用比較方法制造的馬氏體時效型鋼“電極”中提取出的Al2O3夾雜物的剖面電子顯微照片；圖4b是顯示從用比較方法制造的馬氏體時效型鋼“電極”中提取出的“MgO-Al2O3”型夾雜物的剖面電子顯微照片；圖5a是顯示在鋼條樣品中發(fā)現(xiàn)的氧化物夾雜物的剖面電子顯微照片，所述鋼條樣品是對用本發(fā)明方法制造的馬氏體時效型鋼“鋼錠”進(jìn)行熱軋、固溶加熱處理、冷扎和時效處理而獲得的；圖5b是顯示在鋼條樣品中發(fā)現(xiàn)的氧化物夾雜物的剖面電子顯微照片，所述鋼條樣品是對用本發(fā)明方法制造的馬氏體時效型鋼“鋼錠”進(jìn)行熱軋、固溶加熱處理、冷扎和時效處理而獲得的；圖5c是顯示在鋼條樣品中發(fā)現(xiàn)的氧化物夾雜物的剖面電子顯微照片，所述鋼條樣品是對用本發(fā)明方法制造的馬氏體時效型鋼“鋼錠”進(jìn)行熱軋、固溶加熱處理、冷扎和時效處理而獲得的；圖6a是顯示在鋼條樣品中發(fā)現(xiàn)的氧化物夾雜物的剖面電子顯微照片，所述鋼條樣品是對用比較方法制造的馬氏體時效型鋼“鋼錠”進(jìn)行熱軋、固溶加熱處理、冷扎和時效處理而獲得的；圖6b是顯示在鋼條樣品中發(fā)現(xiàn)的氧化物夾雜物的剖面電子顯微照片，所述鋼條樣品是對用比較方法制造的馬氏體時效型鋼“鋼錠”進(jìn)行熱軋、固溶加熱處理、冷扎和時效處理而獲得的；圖7是顯示在鋼條樣品中發(fā)現(xiàn)的氮化物夾雜物的剖面電子顯微照片，所述鋼條樣品是對用本發(fā)明方法制造的馬氏體時效型鋼“鋼錠”進(jìn)行熱軋、固溶加熱處理、冷扎和時效處理而獲得的；圖8是顯示在鋼條樣品中發(fā)現(xiàn)的氮化物夾雜物的剖面電子顯微照片，所述鋼條樣品是對用比較方法制造的馬氏體時效型鋼“鋼錠”進(jìn)行熱軋、固溶加熱處理、冷扎和時效處理而獲得的；和圖9是顯示用本發(fā)明方法和比較方法獲得的馬氏體時效型鋼疲勞試驗(yàn)結(jié)果的圖表。
實(shí)施例1首先，將首次應(yīng)用本發(fā)明的馬氏體時效型鋼的一個實(shí)例作為一個實(shí)施方案進(jìn)行描述。
通過VIM制造用于VAR熔化的1噸自耗電極，其中鋼液中的Mg含量定為不加入至200ppm并且六種中各不相同，作為馬氏體時效型鋼的代表成分(參見表1中1號至6號)。
在13.3kpa真空度下，將95質(zhì)量％Ni-5質(zhì)量％Mg合金中包含的Mg加入到鋼液中，然后在模具中凝固鋼液，用VIM制造用于VAR的初步熔化電極自耗電極。此外，還通過VIM，在微量加入或不加入Mg的條件下，制造自耗電極作為比較材料。
此外，為了說明Mg的加入對氮化物或碳氮化物的影響，制造六種自耗電極并且進(jìn)行VAR，其中將氮濃度調(diào)整至5ppm和10ppm(參見表1中的7號至12號)。
使用VAR在相同條件下再熔用VIM制造的這些電極，制造出鋼錠。在VAR中分別使用相同的模具，并且在鋼錠固定部分的電流為6.5kA、真空度為1.3Pa的條件下進(jìn)行熔化。
表1顯示了用VIM制造的自耗電極和用VAR通過真空自耗電極獲得的鋼錠的化學(xué)組成。7號至12號顯示了Mg的加入對氮化物或碳氮化物的影響。
另外，將自耗電極稱作“電極”，而將VAR后的自耗電極稱作“鋼錠”。
此外，“電極”值對應(yīng)于氧化鎂形成步驟中的值，而“鋼錠”值對應(yīng)于本發(fā)明離解步驟中的值。
表1(質(zhì)量％)

首先，從“電極”采集用于夾雜物觀察的試樣，并且檢查夾雜物。
用兩種方法證實(shí)夾雜物，并且通過從“電極”上切塊，進(jìn)行剖面部分的電子顯微鏡觀察，觀察夾雜物的剖面結(jié)構(gòu)。作為示例，圖1a、1b和1c(圖中，在每張照片的右下部分線形排列多個基本為方塊的點(diǎn)以表示方向。即，位于多個點(diǎn)兩端的點(diǎn)之間的距離表示數(shù)值5μm，該數(shù)值寫在一起。其余圖的情況相同。)顯示了從本發(fā)明2號試樣中采集的夾雜物中典型的氮化物夾雜物的幾張電子顯微照片。
另一方面，從比較試樣5號的“電極”上切塊，并且對塊的剖面進(jìn)行電子顯微鏡觀察。作為示例，圖2顯示了典型的氮化物夾雜物的電子顯微照片。
從圖1a至1c和圖2看出，應(yīng)用本發(fā)明方法的夾雜物采取這樣的形式，其中作為核的相對較大的MgO被TiN圍繞。
另外，如圖1a至1c所示，在應(yīng)用本發(fā)明方法的“電極”中可見許多氮化物夾雜物，其中MgO以相對較大的面積比作為核存在。認(rèn)為這種趨勢是應(yīng)用了本發(fā)明方法的夾雜物所特有的。
檢查主要由MgO組成的夾雜物比率的方法采用從“電極”中采集的重量為1g的10個試樣中的一個，并且使用EBBM(電子束鈕熔化)方法加熱和熔化金屬試樣，制成相同的金屬球，以檢查具有相對小比重和漂浮在金屬球表面上的夾雜物。
另外，由于樣品重量越大，測量結(jié)果越準(zhǔn)確，并且需要大量時間進(jìn)行證實(shí)操作，因此采集總量為10g，因?yàn)檫@是用具有必要最小化重量的樣品進(jìn)行檢查的實(shí)際方法。
隨后，將在由EBBM法引起的漂浮在金屬球表面上的氧化物夾雜物中大小至少為5μm的夾雜物，一個接一個地用能量分布型X射線分析儀進(jìn)行定量分析，并且證實(shí)主要由MgO組成的夾雜物占總量的80％。
圖3a、3b、4a和4b顯示了通過EBBM法提取的夾雜物的電子顯微照片。圖3a和3b顯示了根據(jù)本發(fā)明的MgO型夾雜物，圖4顯示了比較例，其中圖4a和4b顯示了其中Al2O3附聚的夾雜物，并且圖4b顯示了尖晶石“MgO-Al2O3”的夾雜物。
隨后，將VAR后的鋼錠進(jìn)行1250℃×20小時的均熱，然后進(jìn)行熱鍛以提供熱鍛物。
隨后，將這些材料進(jìn)行熱軋、820℃×1小時的固溶加熱處理、冷扎、820℃×1小時的固溶加熱處理和480℃5小時的時效處理，以制造厚度為0.5mm的馬氏體時效型鋼。
從1號至6號馬氏體時效型鋼條的兩端采集橫斷樣品，用混合酸溶液溶解，并且用過濾器過濾，用SEM觀察殘留在過濾器中并且由氧化物組成的殘余物，并且測量氧化非金屬夾雜物的組成和大小。
在測量非金屬夾雜物的大小時，認(rèn)為非金屬夾雜物外切圓的直徑提供非金屬夾雜物的最大長度。結(jié)果示于表2中。
表2

(*注此處，氧化鋁型夾雜物是指尖晶石(MgO-Al2O3)和Al2O3。)表2顯示了超過20μm的氧化非金屬夾雜物從馬氏體時效型鋼中大量消失的趨勢，其中鋼錠Mg的值變得等于或小于對應(yīng)加入的Mg量的50％，并且電極Mg含量越大，夾雜物的體積越小。
此外，本發(fā)明中，該評估中觀察的鋼錠中的氧化非金屬夾雜物由尖晶石(MgO-Al2O3)氧化物夾雜物和主要成分是MgO的氧化物組成，而在比較例中氧化物的主要成分是Al2O3。
另外，“電極”的氧化物夾雜物在本發(fā)明的再熔后變成尖晶石氧化物夾雜物的原因在于，存在于電極中的MgO蒸發(fā)，或者沒有蒸發(fā)的MgO部分分解成Mg和O，從而形成尖晶石氧化物夾雜物或者少量以MgO形式保留。
認(rèn)為在真空下再熔過程中新產(chǎn)生的(MgO-Al2O3)尖晶石氧化物夾雜物，由于電極氧濃度下降的效果而變成20μm或更小的精細(xì)夾雜物，所述電極濃度下降是由以下原因造成Mg的加入、Mg在真空熔化過程中的蒸發(fā)，甚至新產(chǎn)生的Al2O3夾雜物形式的夾雜物也由于氧量的下降而變成20μm或更小的夾雜物。
圖5a、5b和5c顯示了根據(jù)本發(fā)明的典型的氧化物夾雜物的電子顯微照片。圖5a顯示的是MgO夾雜物，圖5b顯示的是(MgO-Al2O3)尖晶石氧化物夾雜物，而圖5c顯示是Al2O3夾雜物的聚集體。
圖6a和6b顯示了比較例中的典型氧化物夾雜物的電子顯微照片，圖6a顯示的是Al2O3夾雜物，圖6b顯示的是(MgO-Al2O3)的尖晶石氧化物夾雜物，這些夾雜物比本發(fā)明的夾雜物大。另外，根據(jù)該實(shí)施方案，使用厚度為0.5mm的鋼條中的樣品來檢查夾雜物，與“鋼錠”階段相比，沒有特別發(fā)現(xiàn)夾雜物構(gòu)造、組成和大小的任何變化。
隨后，從7號至12號馬氏體時效型鋼條的兩端采集100g橫斷樣品，用混合酸溶液、溴甲醇等溶解，然后用過濾器過濾，通過SEM觀察殘留在過濾器中并且由氧化物組成的殘余物，并且測量氧化非金屬夾雜物的大小。
此外，為了詳細(xì)評估氮化物和碳氮化物，采集10g夾雜物，用混合酸溶液、溴甲醇等溶解，通過減小過濾器的過濾面積提高氮化物和碳氮化物的簇度，并且用SEM觀察數(shù)量為10,000的氮化物以及碳氮化物，以測量最大尺寸。
由于氮化物等是矩形形狀，測量長邊a和短邊b，并且認(rèn)為與a×b面積相當(dāng)?shù)膱A的直徑提供氮化物的最大長度。另外，圍繞氧化非金屬夾雜物的圓的直徑也認(rèn)為提供非金屬夾雜物的最大長度。結(jié)果示于表3中。
表3

關(guān)于氧化物，從表3發(fā)現(xiàn)，類似于表2中所示的1號至6號的檢查結(jié)果，超過20μm的氧化非金屬夾雜物從馬氏體時效型鋼中大量消失，其中鋼錠Mg的值變得等于或小于與加入Mg相當(dāng)?shù)牧康?0％。此外，關(guān)于氮化物的最大長度等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電極氮濃度為5ppm時，氮化物等由于Mg的加入而在大小方面變小2至3μm，并且當(dāng)電極氮濃度為10ppm時，氮化物等由于Mg的加入而在大小方面變小3至4μm。
圖7顯示了本發(fā)明試樣8號的氮化物夾雜物的電子顯微照片，并且圖8顯示了比較試樣11號的氮化物夾雜物的電子顯微照片。
隨后，如上所述從“電極”采集疲勞試驗(yàn)用樣品。
用以下方法獲得樣品對本發(fā)明試樣7號和比較試樣11號的試樣進(jìn)行1250℃×20小時的均熱，然后對它們進(jìn)行熱鍛，得到直徑為15mm的棒。隨后，在將該棒進(jìn)行820℃×0.5小時的固溶加熱處理后，進(jìn)行480℃×3小時的時效處理，對于試樣7號和比較試樣11號，分別制造10個超聲波疲勞試樣。
使用超聲波疲勞試驗(yàn)儀，在400MPa的應(yīng)力振幅對超聲波疲勞試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，使20kHz振動速度下的試驗(yàn)持續(xù)時間為80ms，停止用于冷卻的時間為190ms，并且重復(fù)直至試樣破裂。作為觀察破裂試樣斷裂開始點(diǎn)的結(jié)果，證實(shí)在含有斷裂開始點(diǎn)的夾雜物的試樣中形成斷裂裂縫，導(dǎo)致斷裂。
因此，關(guān)于這些試樣，其中夾雜物產(chǎn)生斷裂開始點(diǎn)，通過SEM觀察測量夾雜物的最大長度。圖9顯示了斷裂時疲勞試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)相對于這些提供斷裂開始點(diǎn)的夾雜物最大長度的曲線。
從圖9看出，當(dāng)這些提供斷裂開始點(diǎn)的夾雜物的最大長度，對于氧化物而言超過15μm，對于氮化物而言超過10μm時，破裂壽命約107次，而當(dāng)這些提供斷裂開始點(diǎn)的夾雜物的最大長度，對于氧化物而言約為15μm或更小，對于氮化物而言約為10μm或更小時，隨著夾雜物最大長度的下降，破裂壽命急劇延長到108次或更高。
本發(fā)明試樣7號的平均破裂壽命長達(dá)108次或更高，而比較試樣11號的平均破裂壽命約107次，因此證實(shí)了根據(jù)本發(fā)明使夾雜物變得精細(xì)對于延長破裂壽命是明顯有效的。
實(shí)施方案2下面將描述應(yīng)用本發(fā)明的用于樹脂用金屬模具的鋼的一個實(shí)例。
由于用于樹脂用金屬模具的鋼結(jié)構(gòu)中的夾雜物被改性成尖晶石(MgO-Al2O3)氧化物或者主要成分是MgO的氧化物，因此如上所述，可以提供沒有任何針孔缺陷并且具有優(yōu)異的拋光性質(zhì)的金屬模具鋼。
首先，使用VIM制造1噸具有表4組成(余量Fe和不可避免的雜質(zhì))的自耗電極坯料，其中鋼液中的Mg含量是不加入至約200ppm，并且調(diào)整Mg含量，作為樹脂用金屬模具的代表性成分。
在VIM中，在13.3kPa的真空度下，將加入Mg的Ni-Mg合金加入至鋼液中，然后在鑄模中凝固，制造用于VAR的初步熔化電極。
此外，通過VIM方式在加入非常少量的Mg或非加入的條件下制造自耗電極作為比較材料。
將用VIM方式制造的電極用VAR在相同條件下再熔，制造鋼錠。在VAR中使用相同的鑄模，并且在鋼錠固定部分電流為6.5kA的情況下，在1.3kPa真空度下，進(jìn)行熔化。
將如此獲得的鋼錠鍛造和軋制成截面面積為400mm×50mm的板坯，并且進(jìn)行熱處理。在板坯寬度方向上從中心切出50mm×50mm的試樣，以調(diào)整成具有預(yù)定硬度的馬氏體結(jié)構(gòu)，提供樣品材料。此處，進(jìn)行熱處理，以提供40HRC±5的硬度，通過在1000℃加熱1小時進(jìn)行淬火，然后進(jìn)行空氣冷卻。然后在520℃至580℃的合適溫度以20℃的間隔加熱1小時進(jìn)行回火，然后進(jìn)行空氣冷卻。
表4(質(zhì)量％)

評估這些樣品材料的夾雜物大小和拋光性質(zhì)。對于夾雜物，通過與馬氏體時效型鋼相同的酸提取處理將各自TP的樣品溶解，并且用SEM觀察通過過濾器過濾獲得的夾雜物的長度。
用以下方法評估拋光性用磨床-紙張-金剛石化合物體系將樣品材料鏡面拋光成#3000和#6000水平，并且使用10倍放大倍數(shù)的放大鏡對產(chǎn)生的小坑進(jìn)行計數(shù)。
評估標(biāo)準(zhǔn)如下在2500mm2的檢測面積中，坑數(shù)小于4的用“A”表示，坑數(shù)大于等于4至小于7的為“B”，坑數(shù)大于等于7至小于10的為“C”，坑數(shù)大于等于10的為“D”。表5顯示了評估結(jié)果。
表5

從表5結(jié)果可以證實(shí)，根據(jù)本發(fā)明的材料對于樹脂用金屬模具的優(yōu)異拋光性質(zhì)是明顯有效的。
工業(yè)適用性本發(fā)明能夠精細(xì)擴(kuò)散存在于鋼錠中的非金屬夾雜物，并且除了其中高頻次疲勞強(qiáng)度引起問題的馬氏體時效型鋼，其中夾雜物引起鏡面拋光性質(zhì)問題的金屬模具鋼等外，還是其中夾雜物大小引起問題的普通制鋼的有效方法。
權(quán)利要求
1.一種制造鋼錠的方，該方法包括以下步驟形成氧化鎂，其中調(diào)整鋼液以包含足夠量的Mg，從而使混合在鋼液中氧化物具有主要成分是MgO的化學(xué)組成；和通過使熔化環(huán)境的真空度高于形成氧化鎂的前一過程的真空度而將熔化金屬中含有的氧化鎂離解成Mg和氧，從而使鋼液中的Mg含量不超過形成氧化鎂的前一過程中的Mg含量的50％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中形成氧化鎂的第一步驟包括在調(diào)整鋼液后將其鑄造，所述的形成氧化鎂的步驟稱作“初步熔化過程”，和在高于初步熔化過程的真空度下通過再熔鑄鋼而進(jìn)行氧化鎂離解的第二步驟，從而將熔化金屬中含有的氧化鎂離解成Mg和氧，以使鋼液中的Mg含量不超過初步熔化過程中的Mg含量的50％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中再熔是真空電弧再熔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的方法，其中所述的鋼錠含有作為鋼的成分的氮化物形成元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任何一項(xiàng)的方法，其中形成氧化鎂的第一步驟中的真空度為6kPa至60kPa，并且離解氧化鎂的第二步驟中的真空度降低至小于0.6kPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任何一項(xiàng)的方法，其中在形成氧化鎂的第一步驟中調(diào)整Mg量(MgOXI)和Al量(AlOXI)之間的關(guān)系，使其滿足以下等式AlOXI(質(zhì)量ppm)/MgOXI(質(zhì)量ppm)＝5至100。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任何一項(xiàng)的方法，其中將Mg以Ni-Mg合金形式加入到鋼液中，所述的Ni-Mg合金含有大于0至不大于20質(zhì)量％的Mg。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任何一項(xiàng)的方法，其中所述鋼錠中含有0.01至6質(zhì)量％的Al。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任何一項(xiàng)的方法，其中所述鋼錠中含有0.1至2質(zhì)量％的Ti。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任何一項(xiàng)的方法，其中所述的鋼錠是馬氏體時效型鋼的鋼錠。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9任何一項(xiàng)的方法，其中所述的鋼錠是工具鋼的鋼錠。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述的馬氏體時效型鋼基本上由以下成分組成，以質(zhì)量計小于10ppm的O(氧)，小于15ppm的N(氮)，不大于0.01％的C，0.3至2.0％或更少的Ti，8.0至22.0％的Ni，5.0至20.0％的Co，2.0至9.0％的Mo，0.01至1.7％的Al，以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)。
全文摘要
一種制造鋼錠的方法，該方法包括制備含有足夠量Mg的鋼液以使鋼液具有主要成分是MgO的氧化物組成的氧化鎂形成步驟，和保持鋼液周圍氣氛的壓力低于所述的氧化鎂形成步驟的壓力，從而將MgO離解成Mg和氧，并且通過Mg擴(kuò)散到氣相中而將鋼中的Mg含量減少到氧化鎂形成步驟的Mg含量的50％或以下的離解步驟；并且優(yōu)選方法還包括凝固步驟，該步驟包括制備含有足夠量Mg的第一鋼液，使鋼液具有主要成分是MgO的氧化物組成的氧化鎂形成步驟，凝固鋼液的步驟，和在低于第一鋼液的氣氛壓力下再次熔化得到的固體，從而將MgO離解成Mg和氧，并且通過Mg擴(kuò)散到氣相中而將鋼中的Mg含量減少到上述再熔前固體的Mg含量的50％或以下的離解步驟。
文檔編號C21C7/10GK1867685SQ20048002971
公開日2006年11月22日 申請日期2004年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月8日
發(fā)明者原顯一郎, 高尾秀實(shí), 三島節(jié)夫, 藤田悅夫 申請人:日立金屬株式會社