鍛鋼輥的制造方法
【專利摘要】一種鍛鋼輥的制造方法，其通過(guò)ESR法鑄造鋼錠，該鋼錠以質(zhì)量％計(jì)含有C：0.3％以上、Si：0.2％以上、Cr：2.0～13.0％和Mo：0.2％以上、還以10～100質(zhì)量ppm含有Bi，鍛造該鋼錠而制造輥。由此，能夠?qū)⒑诎呷毕荻糁圃阡撳V的中心附近，因此能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地使用輥。
【專利說(shuō)明】鍛鋼輥的制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在冷或暖條件下使用的鍛鋼輥的制造方法，特別涉及即使伴隨使用而反復(fù)切削輥表面也能夠保持良好的表面性狀的鍛鋼輥的制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]通常,鍛鋼棍由于直徑較大，因此通過(guò)用鑄錠法(ingot-making method)鑄造大型的鑄錠(ingot)并對(duì)其進(jìn)行鍛造來(lái)制造。對(duì)于大型鑄錠，在鑄造時(shí)容易自中心向表面附近生成被稱為鬼線偏析(ghost segregat1n)的宏觀偏析,該鬼線偏析在經(jīng)過(guò)鍛造工序和熱處理工序之后也以偏析的形式殘留在所制造的鍛鋼輥的內(nèi)部。
[0003]圖1為通過(guò)鑄錠法得到的通常的鑄錠的縱截面圖。如該圖所示，在鑄錠內(nèi)，作為通常的宏觀偏析，出現(xiàn)V偏析和鬼線偏析。V偏析在鑄錠的中心部呈V字狀，由上部的濃V偏析和下部的淡V偏析構(gòu)成。在淡V偏析的下方存在沉淀晶體。鬼線偏析是C、P或Mn、其它合金成分濃化而成的偏析，存在于自V偏析的外側(cè)至鑄錠半徑的約1/2位置的區(qū)域，形成在鑄錠的上下方向上延伸的線狀偏析線的形體。
[0004]鬼線偏析由于生成位置比V偏析更靠近鑄錠表面，因此存在如下的問(wèn)題:在鑄錠的鑄造以后的鍛造、熱處理工序中，以該鬼線偏析為起點(diǎn)因加工變形時(shí)的應(yīng)力、熱處理-冷卻時(shí)的熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。
[0005]另外，鍛鋼輥在持續(xù)使用中表面發(fā)生磨耗或損耗時(shí)，為了使平滑度恢復(fù)至規(guī)定范圍內(nèi)，進(jìn)行切削輥表面的保養(yǎng)。此時(shí)，鬼線偏析線殘留在鍛鋼輥的表面附近時(shí)，即使在當(dāng)初的制造工序中沒(méi)有產(chǎn)生裂紋等缺陷，有時(shí)也會(huì)因該切削保養(yǎng)而使偏析線在輥的表面露出。將偏析線露出的輥用于壓延等加工時(shí)，偏析線會(huì)被轉(zhuǎn)印到被加工材料，因此輥?zhàn)陨碜兊貌贿m合再使用。
[0006]因此，強(qiáng)烈需要確立在鍛造、熱處理工序中不產(chǎn)生裂紋，而且即使對(duì)鍛鋼輥的表面反復(fù)進(jìn)行切削保養(yǎng)也不會(huì)使偏析線露出，能夠在長(zhǎng)期內(nèi)穩(wěn)定利用的鍛鋼輥的制造技術(shù)。
[0007]將通過(guò)鑄錠法得到的鑄錠直接作為鍛鋼輥的原材料時(shí)，特別是由于鬼線偏析，鍛鋼輥的品質(zhì)惡化明顯。關(guān)于這一點(diǎn)，已知的是，通過(guò)電渣重熔法(以下稱為“ESR法”)得到的鋼錠通常形成偏析少的凝固組織。因此，作為鍛鋼輥的原材料，通常應(yīng)用通過(guò)ESR法得到的鋼錠。
[0008]圖2為通過(guò)ESR法得到的通常的鋼錠的縱截面圖。在鋼錠內(nèi)，雖然也取決于鋼水池的深度，但會(huì)在鋼水池的曲率變大的鋼錠半徑的約1/2區(qū)域附近出現(xiàn)黑斑缺陷(freckledefects)。這種由于ESR法而出現(xiàn)在鋼錠內(nèi)的黑斑缺陷與由于鑄錠法而出現(xiàn)在鑄錠內(nèi)的V偏析和鬼線偏析相比較輕微。因此，使用通過(guò)ESR法得到的鋼錠作為鍛鋼輥的原材料時(shí)，可以初步地期待鍛鋼輥的品質(zhì)得到改善。
[0009]但是，黑斑缺陷是與鬼線偏析為相同產(chǎn)生機(jī)理的通道型偏析的一種。因此，即使在將通過(guò)ESR法得到的鋼錠作為鍛鋼輥的原材料時(shí)，實(shí)際上，與起因于鬼線偏析同樣地，鍛鋼輥的品質(zhì)惡化也會(huì)因黑斑缺陷而變得明顯。
[0010]此處，黑斑缺陷的產(chǎn)生機(jī)理可以如下所述地說(shuō)明。
[0011]在鑄造過(guò)程中，鋼中的C、P、Si等輕元素在凝固過(guò)程中的枝晶樹(shù)間發(fā)生微觀偏析。微觀偏析的鋼水由于這些輕元素發(fā)生了濃化，因此密度低于主體(母材)鋼水，因浮力而受到與重力相反方向的鉛直向上的力。
[0012]微觀偏析鋼水在生成當(dāng)初停止在樹(shù)枝狀的枝晶樹(shù)間，然后因浮力而稍稍上浮，進(jìn)而與位于上部的其它微觀偏析鋼水合體，生長(zhǎng)成宏觀的偏析鋼水的聚集體，使體積增加。微觀偏析鋼水進(jìn)一步上浮并進(jìn)行合體，體積增加，從而產(chǎn)生較大的浮力，穿越存在于上部的枝晶的樹(shù)枝，而且一邊破壞樹(shù)枝一邊上升，進(jìn)一步采集其它微觀偏析鋼水。
[0013]該偏析鋼水在枝晶樹(shù)間上升中隨著凝固的進(jìn)展而凍結(jié)，形成偏析線，殘留在鋼錠的內(nèi)部，其以黑斑缺陷的形式出現(xiàn)。
[0014]黑斑缺陷從其產(chǎn)生機(jī)理上講，鋼水中的輕元素的含量越多則越容易產(chǎn)生是不言而喻的。
[0015]另外，作為凝固組織的枝晶組織較粗時(shí)，微觀偏析鋼水的體積容易變大，黑斑缺陷容易粗大化。這是因?yàn)椋ЫM織較粗時(shí)，最初在枝晶樹(shù)間產(chǎn)生的微觀偏析鋼水的體積也變大，以及微觀偏析鋼水因浮力而開(kāi)始上升時(shí)的阻力較小，從而鋼水的上升流容易產(chǎn)生。
[0016]通常，將鋼錠的半徑設(shè)為R時(shí)，黑斑缺陷容易在鋼水池的曲率變大、枝晶臂間隔的前端容易擴(kuò)展的鋼錠的R/2附近產(chǎn)生。但是，鋼錠為大型、且輕元素的含量高時(shí)，也容易在鋼錠的表面附近產(chǎn)生，與上述鬼線偏析的情況同樣地，也會(huì)產(chǎn)生在熱處理工序中發(fā)生裂紋等問(wèn)題。
[0017]如上所述，在制造鍛鋼輥時(shí)，強(qiáng)烈需要確立在鍛造、熱處理工序中不發(fā)生裂紋，而且即使對(duì)鍛鋼輥的表面反復(fù)進(jìn)行切削保養(yǎng)也不會(huì)使偏析線露出，能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定利用的技術(shù)。為了應(yīng)對(duì)該要求，需要在鋼錠的鑄造階段完全抑制黑斑缺陷，或者至少將黑斑缺陷從鋼錠的表面向靠近中心處遏制。
[0018]關(guān)于黑斑缺陷的產(chǎn)生，根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理，認(rèn)為可以通過(guò)將枝晶組織微細(xì)化來(lái)抑制。枝晶組織的微細(xì)化可以通過(guò)增大鑄造時(shí)的冷卻速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，即使制造冷卻速度大的小直徑的鋼錠，也存在產(chǎn)品的輥直徑受到限制、或無(wú)法充分取得鋼錠的鍛造時(shí)的鍛造比的問(wèn)題。
[0019]專利文獻(xiàn)I中，由于在鑄造時(shí)產(chǎn)生的枝晶組織是冷壓延機(jī)的工作輥表面的粗糙的原因，因此作為改善輥表面的粗糙的方法，記載了將P的含量設(shè)為0.025?0.060重量％而使枝晶組織微細(xì)化的方法。但是，P通常為雜質(zhì)元素，會(huì)成為鋼鐵材料的脆化的原因，因此提高P的含量是不優(yōu)選的。另外，認(rèn)為P是如上所述成為黑斑缺陷的原因的輕元素，提高P的含量也會(huì)助長(zhǎng)黑斑缺陷的產(chǎn)生。
[0020]專利文獻(xiàn)2中提出了一種鑄造工藝模似器的判定方法，其特征在于，根據(jù)利用基于任意的鑄造方案的鑄造工藝模似而算出的濃度、溫度，同時(shí)評(píng)價(jià)考慮了偏析鋼水流動(dòng)的黑斑缺陷評(píng)價(jià)指標(biāo)(Ra數(shù)(Rayleigh數(shù)；瑞利數(shù)))、考慮了異晶體產(chǎn)生機(jī)理的異晶體缺陷評(píng)價(jià)指標(biāo)，判定鑄造方案的優(yōu)劣。如該文獻(xiàn)的段落
[0057]的記載那樣，由該文獻(xiàn)的圖12的計(jì)算實(shí)施例暗示在Ra數(shù)為0.07以上的位置產(chǎn)生黑斑缺陷的可能性較高等，改變鑄造材料時(shí)，需要重新設(shè)定缺陷評(píng)價(jià)基準(zhǔn)值。
[0021]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0022]專利文獻(xiàn)
[0023]專利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)昭61-9554號(hào)公報(bào)
[0024]專利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)2003-33864號(hào)公報(bào)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0025]發(fā)明要解決的問(wèn)題
[0026]如上所述，對(duì)于作為鍛鋼輥的原材料的鋼錠的枝晶組織的微細(xì)化而言，存在輥直徑的限制、由輕元素含量的增大導(dǎo)致的脆化、偏析的產(chǎn)生等問(wèn)題。本發(fā)明是鑒于這種問(wèn)題而做出的，目的在于提供在通過(guò)ESR法鑄造作為鍛鋼輥的原材料的鋼錠時(shí)能夠完全抑制黑斑缺陷、或至少將黑斑缺陷遏制得比現(xiàn)有的鋼錠中出現(xiàn)黑斑缺陷的位置更靠近中心的、鍛鋼棍的制造方法。
[0027]用于解決問(wèn)題的方案
[0028]本發(fā)明人等為了達(dá)成上述目的而反復(fù)進(jìn)行深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在利用ESR法進(jìn)行鑄造的過(guò)程中使鋼水中含有Bi，鑄造含有規(guī)定量的Bi的鋼錠，從而能夠抑制黑斑缺陷的產(chǎn)生并且使枝晶組織微細(xì)化。關(guān)于該研究?jī)?nèi)容，在后文中說(shuō)明。
[0029]本發(fā)明是基于該見(jiàn)解而完成的，以下述鍛鋼輥的制造方法作為主旨。即，一種鍛鋼輥的制造方法，其特征在于，通過(guò)ESR法鑄造鋼錠，該鋼錠以質(zhì)量％計(jì)含有C:0.3%以上、Si:0.2%以上、Cr:2.0?13.0%和Mo:0.2%以上、還以10?100質(zhì)量ppm含有Bi，鍛造該鋼錠而制造輥。
[0030]以下的說(shuō)明書(shū)中，關(guān)于鋼的成分組成，在沒(méi)有特別說(shuō)明的情況下，“ % ”意味著“質(zhì)量％ (mass% ) ”, “ppm” 意味著“質(zhì)量 ppm”。
[0031]發(fā)明的效果
[0032]根據(jù)本發(fā)明的鍛鋼輥的制造方法，能夠?qū)⒗肊SR法鑄造鋼錠時(shí)生成的宏觀偏析即黑斑缺陷從鋼錠的表面向靠近中心處遏制。因此，能夠抑制在鋼錠的鍛造和熱處理時(shí)以偏析為起點(diǎn)的裂紋，并且即使為了再使用輥而對(duì)輥進(jìn)行切削保養(yǎng)也不易使黑斑缺陷的偏析線露出，因此能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地使用輥。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為通過(guò)鑄錠法得到的通常的鑄錠的縱截面圖。
[0034]圖2為通過(guò)ESR法得到的通常的鋼錠的縱截面圖。
[0035]圖3為示出在本發(fā)明的鍛鋼輥的制造方法中通過(guò)ESR法鑄造作為原材料的鋼錠時(shí)的狀態(tài)的一例的示意圖。
[0036]圖4為示出Bi含量與一次枝晶臂間隔的關(guān)系的圖。
[0037]圖5為示出距鋼錠表面的半徑方向的距離與一次枝晶臂間隔的關(guān)系的圖。
[0038]圖6為示出距鋼錠表面的半徑方向的距離與RaAatl的值的關(guān)系的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0039]本發(fā)明的鍛鋼輥的制造方法的特征在于，其通過(guò)ESR法鑄造鋼錠，該鋼錠含有C:
0.3% 以上、Si:0.2% 以上、Cr:2.0 ?13.0%和 Mo:0.2% 以上、還以 10 ?10ppm 含有 Bi，鍛造該鋼錠而制造輥。
[0040]以下，關(guān)于如上所述地規(guī)定本發(fā)明的鍛鋼輥的制造方法的理由及其優(yōu)選的方式進(jìn)行說(shuō)明。
[0041]1.利用ESR法的鋼錠的鑄造
[0042]圖3為示出在本發(fā)明的鍛鋼輥的制造方法中通過(guò)ESR法鑄造作為原材料的鋼錠時(shí)的狀態(tài)的一例的示意圖。
[0043]如該圖所示那樣，在ESR法中，作為鋼錠I的母材的圓柱狀的消耗電極2在其上端通過(guò)熔接而與短截線4連接，伴隨利用未圖示的升降機(jī)構(gòu)的短截線4的下降而下降。此時(shí)，在腔室5內(nèi)的鑄模(水冷銅模)6內(nèi)保持有熔融爐渣7，在使消耗電極2浸潰于熔融爐渣7的狀態(tài)下進(jìn)行通電，從而使電流在熔融爐渣7中流動(dòng)，熔融爐渣7發(fā)熱。消耗電極2由于該熔融爐渣7的焦耳熱而自下端依次熔化。熔化的消耗電極2形成熔滴而在熔融爐渣7中沉降，在鑄模6內(nèi)形成鋼水3的池而滯留并逐漸層疊凝固。由此，消耗電極2依次熔化直至上端，該鋼水3在鑄模6內(nèi)依次凝固，從而得到鍛鋼輥用的鋼錠I。
[0044]本發(fā)明中，為了使通過(guò)ESR法得到的鋼錠I中含有規(guī)定量的Bi，需要在利用ESR法的鑄造過(guò)程中使鋼水3中含有Bi。作為其方法，可以在利用ESR法的鑄造階段在鋼水3中添加Bi，也可以在利用ESR法的鑄造的前階段、即通過(guò)鑄錠法制造作為母材的消耗電極2的階段在該鋼水中添加Bi。
[0045]如前者那樣在利用ESR法的鑄造階段在鋼水3中添加Bi時(shí)，Bi的添加可以通過(guò)如圖3所示將含有Bi的Bi線8供給于鋼水3來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，也可以通過(guò)預(yù)先在消耗電極2的側(cè)面沿軸方向熔接Bi線來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0046]此處，利用ESR法的鑄造時(shí)，鋼水的溫度超過(guò)1600°C。另一方面，Bi的純物質(zhì)的沸點(diǎn)僅為1564°C，低于鋼水溫度。因此，由Bi單質(zhì)構(gòu)成Bi線時(shí)，在鑄造時(shí)Bi揮發(fā)，無(wú)法在鋼水中有效地留住Bi。因此，Bi線由Bi與Ni等的合金構(gòu)成是適宜的。這是因?yàn)?，通過(guò)含有Ni等，在表觀上Bi的沸點(diǎn)上升。作為合金選擇N1-Bi系時(shí)，為了使Bi在鋼水中以液相狀態(tài)存在，Bi線中的Bi含量?jī)?yōu)選為20?70質(zhì)量％。
[0047]像后者那樣在制作消耗電極2的階段在該鋼水中添加Bi時(shí)，預(yù)測(cè)利用ESR法的鑄造時(shí)的Bi揮發(fā)量來(lái)添加即可。
[0048]2.鍛鋼輥的成分組成及其限定理由
[0049]C:0.3% 以上
[0050]C能提高鋼的淬透性。進(jìn)而，C與Cr、V結(jié)合而形成碳化物，提高鋼的耐磨耗性。因此，C含量設(shè)為0.3%以上。更優(yōu)選設(shè)為0.5%以上、進(jìn)一步優(yōu)選設(shè)為0.85%以上。C含量的上限沒(méi)有特別限定，過(guò)量含有C時(shí)，特別是作為冷壓延用的鍛鋼輥，得不到充分的硬度，此外，碳化物不均勻分布，鋼的韌性和旋削性降低。因此，C含量?jī)?yōu)選設(shè)為1.3%以下。更優(yōu)選設(shè)為1.05%以下。
[0051]S1:0.2% 以上
[0052]Si是對(duì)于使鋼脫氧而言是有效的元素。進(jìn)而，Si在鋼中固溶而提高鋼的回火軟化抵抗性，從而提高鋼的硬度。因此，Si含量設(shè)為0.2%以上。更優(yōu)選設(shè)為0.3%以上。Si含量的上限沒(méi)有特別限定，過(guò)量含有Si時(shí)，鋼的潔凈度降低。因此，Si含量?jī)?yōu)選設(shè)為1.1%以下。更優(yōu)選設(shè)為0.85%以下、進(jìn)一步優(yōu)選設(shè)為0.6%以下。
[0053]Cr:2.0 ?13.0%
[0054]Cr能提高鋼的淬透性。進(jìn)而，Cr形成碳化物而提高鋼的耐磨耗性。另一方面，過(guò)量含有Cr時(shí)，碳化物不均勻分布，鋼的延性(ductility)、韌性降低。因此，Cr含量設(shè)為2.0?13.0%。更優(yōu)選設(shè)為2.5?10.0%。
[0055]Mo:0.2% 以上
[0056]Mo能提高鋼的淬透性。進(jìn)而，Mo能提高回火軟化抵抗性。因此，Mo含量設(shè)為0.2%以上。更優(yōu)選設(shè)為0.3%以上。Mo含量的上限沒(méi)有特別限定，過(guò)量含有Mo時(shí)，形成碳化物，鋼的延性、韌性降低。因此，Mo含量?jī)?yōu)選設(shè)為1.0%以下。更優(yōu)選設(shè)為0.7%以下。
[0057]B1:10 ?10ppm
[0058]C和Si為輕元素，因此在C含量為0.3%以上的高碳系的碳鋼中含有0.2%以上Si時(shí)，容易產(chǎn)生黑斑缺陷。但是，如后述那樣，在利用ESR法的鑄造過(guò)程中使鋼水中含有Bi，將Bi含量設(shè)為1ppm以上，從而能夠抑制黑斑缺陷的產(chǎn)生。Bi含量超過(guò)10ppm時(shí)，雖說(shuō)是微量，但由于鍛造來(lái)成形輥時(shí)的脆化成為問(wèn)題，因此Bi含量設(shè)為10ppm以下。
[0059]鍛鋼輥可以在含有上述主要元素的基礎(chǔ)上還含有下述元素。
[0060]Mn:0.4 ?1.5%
[0061]Mn能提高鋼的淬透性。進(jìn)而，Mn是對(duì)于使鋼脫氧而言是有效的元素。另一方面，過(guò)量含有Mn時(shí)，鋼的耐裂紋性降低。因此，主動(dòng)地含有Mn時(shí)，其含量設(shè)為0.4?1.5%。
[0062]N1:2.5% 以下
[0063]Ni能提高鋼的韌性。進(jìn)而，Ni能提高鋼的淬透性。另一方面，過(guò)量含有Ni時(shí)，在熱處理后變得容易產(chǎn)生氫裂紋。另外，Ni為奧氏體形成元素，因此，過(guò)量含有Ni時(shí)，鋼的硬度降低。因此，主動(dòng)地含有Ni時(shí)，其Ni含量設(shè)為2.5%以下。更優(yōu)選設(shè)為0.8%以下。
[0064]V:1.0% 以下
[0065]V形成碳化物，提高鋼的耐磨耗性。但是，過(guò)量含有V時(shí)，由于碳化物的形成，鋼的延性、韌性降低。因此，主動(dòng)地含有V時(shí)，其含量設(shè)為1.0%以下。更優(yōu)選設(shè)為0.2%以下。
[0066]通過(guò)利用ESR法進(jìn)行鑄造，上述組成的鋼錠的枝晶組織變得微細(xì)。因此，以該鋼錠作為原材料進(jìn)行鍛造而制造的鍛鋼輥中，黑斑缺陷完全被抑制，或者黑斑缺陷被遏制得比不含Bi時(shí)更靠近鋼錠的中心，即使對(duì)鍛鋼輥的表面反復(fù)進(jìn)行切削保養(yǎng)也不會(huì)使偏析線露出，作為再生輥也能夠穩(wěn)定地使用。
[0067]3.含有Bi的效果
[0068]本發(fā)明人等通過(guò)以下的單向凝固試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在利用ESR法進(jìn)行鑄造的過(guò)程中使鋼水中含有Bi，在鋼錠中含有微量(1ppm以上)的Bi，從而枝晶組織微細(xì)化，能夠抑制黑斑缺陷的產(chǎn)生。
[0069]3-1.試驗(yàn)條件
[0070]進(jìn)行通過(guò)ESR法鑄造直徑為15mm、高度為50mm的圓柱形鋼錠的試驗(yàn)。此時(shí)，在鋼水中添加Bi來(lái)制作Bi含量為10ppm、21ppm和38ppm的鋼錠，并且，不添加Bi來(lái)制作不含Bi的鋼錠。冷卻速度根據(jù)實(shí)際操作時(shí)的條件設(shè)為5?15°C /min。
[0071]對(duì)于所得到的各個(gè)鋼錠，測(cè)定在通過(guò)中心的縱截面上大致平行于軸方向地延伸的約10條一次臂彼此的間隔，將算數(shù)平均值作為各鋼錠的一次枝晶臂間隔。
[0072]3-2.試驗(yàn)結(jié)果
[0073]圖4為示出Bi含量與一次枝晶臂間隔的關(guān)系的圖。該圖中，縱軸表示一次枝晶臂間隔⑷與不含Bi的鋼錠的一次枝晶臂間隔(dB)之比(d/dB)。根據(jù)該圖可知，Bi含量越高，則碳鋼的一次枝晶臂間隔越窄，枝晶組織越微細(xì)。可以認(rèn)為這是因?yàn)?，Bi為具有降低碳鋼的固液界面的界面能的效果的元素，即使其含量為微量也對(duì)一次枝晶臂間隔的微細(xì)化顯示出效果。Bi含量如后述實(shí)施例所示那樣為1ppm以上時(shí),對(duì)抑制黑斑缺陷的產(chǎn)生具有效果O
[0074]4.黑斑缺陷產(chǎn)生的尺度
[0075]本發(fā)明人等著眼于使用Ra數(shù)作為黑斑缺陷產(chǎn)生的尺度。Ra數(shù)為溫度場(chǎng)中的對(duì)流流動(dòng)無(wú)量綱數(shù)，為Pr數(shù)(Prandtl數(shù)；普朗特?cái)?shù))與Gr數(shù)(Grashof數(shù)；格拉雪夫數(shù))的積，由下述式⑴表示。
[0076]Ra = Pr.Gr = g β (Ts-T00)L3/ ν α …(I)
[0077]此處，g[m/s2]:重力加速度、β [1/Κ]:體膨脹系數(shù)、Ts [K]:物體表面溫度、T [K]:流體的溫度、ν [m2/s]:運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)(kinematic viscosity coefficient)、a [m2/s]:熱擴(kuò)散率、L [m]:代表長(zhǎng)度。
[0078]Ra數(shù)在物理學(xué)上可以認(rèn)為是作為流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的浮力與流動(dòng)阻力之比，如上述式
(I)所示，正比于代表長(zhǎng)度的3次方?？紤]黑斑缺陷的產(chǎn)生臨界時(shí)，Ra數(shù)中的代表長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)設(shè)為枝晶樹(shù)間的微觀偏析的尺寸。此時(shí)，微觀偏析鋼水在生成初始充滿枝晶樹(shù)間，因此能夠?qū)⑽⒂^偏析的尺寸視為一次枝晶臂間隔，因此可以將Ra數(shù)中的代表長(zhǎng)度設(shè)為一次枝晶臂間隔。因此，可以說(shuō)Ra數(shù)正比于一次枝晶臂間隔的3次方。
[0079]如上所述，可以認(rèn)為，枝晶組織越粗，則黑斑缺陷越容易粗大化，因此Ra數(shù)越大，則越容易產(chǎn)生黑斑缺陷。另外，若將實(shí)際的鋼錠中的黑斑缺陷發(fā)生的實(shí)際情況與Ra數(shù)相比較，則可以將Ra數(shù)作為黑斑缺陷產(chǎn)生的臨界的指標(biāo)。即便由使鋼錠中含有微量的Bi而帶來(lái)的一次枝晶臂間隔的減少本身較小，由于Ra數(shù)正比于一次枝晶臂間隔的3次方，因此使鋼錠含有Bi對(duì)Ra數(shù)的降低也有效，從而對(duì)抑制黑斑缺陷產(chǎn)生非常有效。
[0080]實(shí)施例
[0081]通過(guò)實(shí)際上使用鋼錠進(jìn)行的預(yù)試驗(yàn)、以及基于數(shù)值計(jì)算的模擬來(lái)評(píng)價(jià)本發(fā)明的效果O
[0082]1.預(yù)試驗(yàn)
[0083]進(jìn)行利用ESR法的直徑800mm的鋼錠的鑄造試驗(yàn)作為預(yù)試驗(yàn)。對(duì)象鋼種為0.87%C-0.30% S1-0.41% Mn-0.10% N1-4.95% Cr-0.41% Mo-0.01% V(不含 Bi)的高碳鋼。該鋼種的液相線溫度為1460°C，固相線溫度為1280°C。關(guān)于鑄造條件，將鋼水規(guī)模設(shè)為9t、鋼錠長(zhǎng)度設(shè)為2.3m。
[0084]其結(jié)果，自鋼錠表面直至半徑方向內(nèi)部133mm的位置沒(méi)有產(chǎn)生黑斑缺陷，在更內(nèi)側(cè)產(chǎn)生黑斑缺陷。即，黑斑缺陷產(chǎn)生的臨界點(diǎn)為自鋼錠表面起半徑方向內(nèi)部133mm的位置。將該鋼錠的黑斑缺陷產(chǎn)生臨界點(diǎn)下的一次枝晶臂間隔設(shè)為C^Ra數(shù)設(shè)為Ratl，作為以下的基于數(shù)值計(jì)算的模擬的基準(zhǔn)值。
[0085]2.基于數(shù)值計(jì)算的模擬
[0086]數(shù)值計(jì)算模擬的評(píng)價(jià)條件如下設(shè)定。對(duì)象鋼種為與上述預(yù)試驗(yàn)同樣的0.87%C-0.30% S1-0.41% Mn-0.10% N1-4.95% Cr-0.41% Mo-0.01% V, Bi 含量設(shè)為 Oppm(不含Bi)、10ppm、21ppm和38ppm。對(duì)象鋼錠的直徑也設(shè)為與預(yù)試驗(yàn)同樣的800mm。
[0087]在該評(píng)價(jià)條件下，通過(guò)鋼錠的半徑方向一維的非穩(wěn)態(tài)傳熱分析計(jì)算鋼錠各部分的凝固速度和冷卻速度，由下述式(2)(《鋼鐵的凝固》、社團(tuán)法人日本鋼鐵協(xié)會(huì)?鋼鐵基礎(chǔ)共同研究會(huì)、凝固部會(huì)、1977年、付-4)算出自鋼錠表面的半徑方向的一次枝晶臂間隔的分布。該式⑵為采用Cr-Mo鋼時(shí)以凝固速度V(cm/min)和溫度梯度G(°C /cm)為參數(shù)的一次枝晶臂間隔d(ym)的實(shí)驗(yàn)式。
[0088]d = 162010 ?*4...(2)
[0089]圖5為示出自鋼錠表面的半徑方向的距離與一次枝晶臂間隔的關(guān)系的圖。該圖中示出的、不含Bi時(shí)的一次枝晶臂間隔(dB)由上述式(2)算出。含有Bi時(shí)的一次枝晶臂間隔(d)如下算出:將針對(duì)前述圖4中示出的各Bi含量(10ppm、21ppm和38ppm)的一次枝晶臂間隔的比率(d/dB)乘以由式(2)算出的dB的值，從而算出。
[0090]圖6為示出自鋼錠表面的半徑方向的距離與RaziRatl的值的關(guān)系的圖。關(guān)于各Bi含量的Ra數(shù)(Ra)，可以說(shuō)，如由前述式(I)導(dǎo)出的下述式(3)所示那樣，Ra/RaQ為d/dQ的3次方。該圖中示出的RaAatl根據(jù)該式(3)算出。
[0091]Ra/Ra0 = (d/d0)3...(3)
[0092]此處，Ra/Ra0為各Bi含量的Ra數(shù)(Ra)與作為基準(zhǔn)的Ra數(shù)(上述預(yù)試驗(yàn)中求出的Ra。)之比，d/dQ為含有Bi的鋼錠的一次枝晶臂間隔d與不含Bi的鋼錠的黑斑缺陷產(chǎn)生臨界點(diǎn)下的一次枝晶臂間隔Cltl之比。
[0093]根據(jù)前述圖5可知，不含Bi的鋼錠的黑斑缺陷產(chǎn)生臨界點(diǎn)下的一次枝晶臂間隔dQ約為400μπι。在一次枝晶臂間隔d大于Cltl的鋼錠內(nèi)部產(chǎn)生黑斑缺陷。另一方面可知，含有微量(10ppm、21ppm和38ppm)的Bi時(shí),一次枝晶臂間隔d在自鋼錠表面的半徑方向的幾乎全部區(qū)域內(nèi)、比上述臨界點(diǎn)下的臂間隔Cltl更窄。此時(shí)，即滿足d/d/l時(shí)，黑斑缺陷的產(chǎn)生受到抑制。根據(jù)前述式⑶，對(duì)于d/d/l，若使用Ra數(shù)換個(gè)說(shuō)法，則Ra/Ra/Ι，因此可以說(shuō)滿足Ra/Ra/Ι時(shí)，黑斑缺陷的產(chǎn)生受到抑制。
[0094]另外，根據(jù)前述圖6，含有Bi時(shí)，自鋼錠的表面直至相當(dāng)?shù)纳畈?鋼錠的中心附近)滿足Ra/RaQ〈l，因此能夠顯示出黑斑缺陷不僅在鋼錠的表面附近而且在直至中心附近也受到遏制、或者完全抑制黑斑缺陷的產(chǎn)生的可能性。
[0095]根據(jù)以上的結(jié)果，Bi的含量為1ppm以上時(shí)，能夠可靠地抑制黑斑缺陷的產(chǎn)生。
[0096]進(jìn)而，根據(jù)前述圖6可以認(rèn)為，與不含Bi的情況相比，含有Bi時(shí)的Ra/RaQ小于I的區(qū)域向鋼錠中央側(cè)擴(kuò)展。因此，希望黑斑缺陷的產(chǎn)生位置盡可能地遠(yuǎn)離鋼錠表面這樣的目的在任意尺寸的鋼錠中達(dá)成的可能性均充分。但是，關(guān)于實(shí)際的鋼錠的冷卻，并不一定限定于均等地進(jìn)行，不均等的情況也較多，因此也可以假想一次枝晶臂間隔局部地?cái)U(kuò)展。由此，Bi含量設(shè)為1ppm以上是重要的。
[0097]此外，作為對(duì)象鋼種，選擇1.30 % C-0.24% S1-0.32 % Mn-0.51 % N1-9.75 %Cr-0.50% Mo-0.11% V的高碳鋼，實(shí)施同樣的預(yù)試驗(yàn)和模擬，得到同樣的結(jié)果。
[0098]根據(jù)以上，明確地顯示出在鋼錠中含有微量(1ppm以上)Bi的效果的可能性。
[0099]但是,如上所述,Bi的含量超過(guò)10ppm時(shí),在通過(guò)鍛造成形棍時(shí)脆化成為問(wèn)題，因此Bi含量以10ppm作為上限。
[0100]另外，上述實(shí)施例中將鋼錠的形狀設(shè)為圓柱形，但不用說(shuō)，即使為棱柱形也能夠得到同樣的效果。
[0101]產(chǎn)業(yè)h的可利用件
[0102]根據(jù)本發(fā)明的鍛鋼輥的制造方法，能夠?qū)⒃阡撳V的鑄造時(shí)生成的宏觀偏析即黑斑缺陷從鋼錠的表面向靠近中心處遏制。因此，能夠抑制鋼錠的熱處理時(shí)的以偏析為起點(diǎn)的裂紋，并且，即使為了再使用輥而對(duì)輥進(jìn)行切削保養(yǎng)也不易使黑斑缺陷的偏析線露出，因此能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地使用輥。
[0103]附圖標(biāo)記說(shuō)明
[0104]1:鋼錠、2:消耗電極、3:鋼水、4:短截線、
[0105]5:腔室、6:鑄模、7:熔融爐渣、
[0106]8:Bi 線
【權(quán)利要求】
1.一種鍛鋼輥的制造方法，其特征在于，其通過(guò)電渣重熔法即ESR法鑄造鋼錠，該鋼錠以質(zhì)量％計(jì)含有C:0.3%以上、S1:0.2%以上、Cr:2.0?13.0%和Mo:0.2%以上、還以10?100質(zhì)量ppm含有Bi， 鍛造該鋼錠而制造輥。
【文檔編號(hào)】C22C38/46GK104144759SQ201380010461
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月21日
【發(fā)明者】大西洋史, 山中章裕, 水上英夫, 瀨羅知曉, 山口英良 申請(qǐng)人:新日鐵住金株式會(huì)社