JP2000024763A - 金属の鋳造方法 - Google Patents

金属の鋳造方法

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Richard J Zaranek
ジェイ．ザラネク リチャード
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 薄肉ストリップの鋳造において、ミクロ組織
に、針状のフェライト、ベイナイト及びマルテンサイト
等の硬化相を実質的に含まないようにする。 【解決手段】 炭素を実質的に含まない鉄基材料(例え
ば、炭素の最大含有量は５０〜８０ppm)を、マトリック
スが本質的にフェライトであって、低強度高延性の鋳造
ストリップを提供する。ストリップの強度は、鋳造後に
直接、又は鋳造後に冷間圧延及びアニーリングした後
に、浸炭又は窒化処理を施すことによって向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭素鋼の薄肉スト
リップ(thin carbon steel strip)の連続鋳造に関し、
より具体的には、炭素の最大含有量が約６０百万分率(p
pm)(０.００６重量パーセント)以下のリキッド鋼の鋳造
に関するもので、得られるストリップ鋳造品は、低強度
(low strength)、高延性(high ductility)であり、後で
の浸炭又は窒化によって強化されることもできる。
【０００２】
【従来の技術及び技術的課題】炭素鋼を、例えば１分間
に３０〜８０インチ(ipm)の高速で、厚さが例えば約８
〜１０インチのスラブの形態に連続鋳造することは、製
鉄業界において一般的なものになり、今日では、炭素鋼
を鋳造する方法として普通に行われている。この様な厚
いスラブを鋳造する技術は、広範囲の用途に適した超低
炭素(最大０.００５％)の非侵入型鋼(interstitial fre
e steels)を含むほぼ全ての範囲の炭素レベルに適応す
るように確立されている。この様な技術は、比較的強度
が低く延性の大きな極低炭素鋼を鋳造することを含んで
いる。このような組成は、例えばほうろう引き用鋼の製
造において使用されており、例えば日本特許番号第６０
-１１０８４５号及び同第６０-２２１５２０号に開示さ
れている。同じ様に、米国特許第５４６０６６５号に
も、鋳造、熱間圧延、冷間圧延、及びアニーリングする
ことにより、炭素含有量が０.００４％以下と極めて少
ない鋼シートを製造することが開示されている。前記米
国特許に記載されているように、その様な鋼のシート又
はストリップの製造において、鋳造後に、熱間圧延、酸
洗い、冷間圧延及び再結晶アニーリングなどの工程が含
まれる。
【０００３】最近、特にミニミルセクターにおいて、よ
り薄肉のスラブ(例えば、厚さ２〜４インチ)が、より速
い鋳造速度で鋳造される傾向にあり、この技術は、厚肉
スラブの鋳造鋼と同じように、あらゆる範囲の炭素量の
鋼を製造できるようになっている。この傾向は一層高ま
り、さらなる薄肉の鋳造品が製造されるようになってい
る。例えば、日本特許番号第６１-１３３３２４号は、
圧延によって厚さ５０mm以下まで薄肉化された鋼インゴ
ットの製造において、低炭素鋼(０.００７％以下)を用
いることが開示されている。同じ様に、米国特許第４５
８６９６６号では、低炭素(０.００１〜０.０１５％)の
薄い(例えば、１０〜４０mm)鋳造プレートが、連続鋳造
により製造され、直接冷間圧延及びアニーリングされる
ことが開示されている。
【０００４】前述した鋳造品の製造においては、鋳造鋼
及び加工鋼の特性に影響を与えるために、チタン、ニオ
ブ、バナジウム、ジルコニウム、ボロン等の炭化物、窒
化物及び硫化物形成元素を添加し、例えばそれら元素の
強度付与粒状物を形成することが行われている。例え
ば、上記の日本特許番号第６０-１１０８４５号のスラ
ブ鋳造された低炭素のほうろう引き用鋼は、鋼表面を改
善し、圧縮成形性を向上させ、フィッシュスケールの生
成を防止するために、チタンを０.０５〜０.１２％を含
有している。前述の米国特許第４５８６９６６号は、チ
タン、ニオブ又はジルコニウムを、炭素含有量が０.０
０１０〜０.０１５％の鋼に添加しているが、これは、
窒素をこれら添加元素の窒化物ととして除去するためで
ある。米国特許第5,578,143号は、低炭素(ベース金属中
では０.００５％以下、表面層では０.０１〜０.０８％)
量の非侵入型(ＩＦ)鋼の連続スラブ鋳造に関するもの
で、チタン、ニオブはジルコニウムの中の少なくとも一
種を添加し、炭素及び窒素を、それら添加元素の炭化
物、窒化物又は炭窒化物として結合させることを開示し
ている。
【０００５】当該技術分野においては、低炭素鋳造鋼の
強化法として、浸炭又は窒化を施して、一般的には、鋼
の外層又は表面に硬化層を形成することも知られてい
る。これらの処理は公知の手段により行われ、例えば液
体浸炭、より一般的には、天然ガス雰囲気中でのガス浸
炭により、又は、例えばアンモニア含有ガス雰囲気中で
の窒化により行われる。これらは、米国特許第３９２８
０８７号、又は１９９６年１２月２３日に出願され本願
の出願人へ譲渡された米国特許出願第０８/７７３２０
５号に開示されており、これらは、その引用を以て本願
への記載加入とする。
【０００６】炭素鋼の連続鋳造の第３の技術は、現在も
発展中である。例えば、ストリップの鋳造は、厚さ約
０.１インチ以下の薄肉製品、例えば、１分間に約１０
００〜６０００インチ(ipm)もの非常に速い鋳造速度で
行われる。薄肉ストリップ鋳造の鋳造装置及び鋳造方法
は、例えば米国特許第５４８４００９号に開示されてお
り、リキッド鋼は回転鋳造ロールによって部分的に冷却
され、鋳造されたストリップの上表面を液体状態にして
おき、後で凝固される。米国特許第５５２０２４３号
は、金属ストリップの鋳造を開示しており、鋳造ストリ
ップの品質は、鋳造及び冷却ロールの粗さによって左右
されること、金属は鋳造中振動が与えられており、でき
るだけ厚肉で、より高いＫ値を有するストリップが作ら
れる。
【０００７】冶金学的に述べると、炭素鋼のストリップ
鋳造が、従来の厚肉スラブの鋳造や、薄肉スラブ又は薄
板の鋳造と異なる点は、ストリップ鋳造鋼の冷却速度が
遙かに速い点にあり、その冷却速度は、例えば毎秒約２
０００℃のオーダであり、毎秒約１０,０００℃もの高
速度で行われることもある。ストリップ鋳造において、
そのように極端に速い冷却速度を必要とする理由は、競
争価格での生産を確保し、資本投資に見合う商業的規模
の生産を行なうために、ストリップ、又はストリップの
肉厚の少なくともほぼ実質的部分が、金型又は冷却ロー
ルの表面から離れる前に、極めて速い鋳造速度で確実に
凝固されなければならないからである。炭素鋼中に得ら
れる金属学的組織は、鋳造中の冷却速度に大いに依存す
る。冷却速度が速すぎると、図１に示されるように、針
状のフェライト、ベイナイト又はマルテンサイトのよう
な望ましくない相が生じる。これらの相は、従来の厚肉
スラブ又は薄肉スラブの鋳造のように冷却速度が遅いと
きに得られる典型的なフェライト組織と比べて、強度は
非常に高いが、延性は低い。これらの冷却速度は十分に
遅いため、前記の望ましくない相は、鋳造製品の強度又
は延性に悪影響を及ぼすほどの量は存在しない。薄肉ス
トリップの場合、鋳造速度が速く、結果として冷却速度
が速いため、生成される鋳造ストリップは、前述の望ま
しくない金属組織となり、硬度が高くて脆くなる。この
ように硬くて脆いストリップをコイリングすると、スト
リップにクラックを生ずる問題がある。これまで、「薄
肉鋳造製品に固有の金属組織として、針状のフェライ
ト、ベイナイト又はマルテンサイトが見られるが、この
組織は、鋳造ミクロ組織を、よりすぐれた機械的特性を
有する状態に変えるためにその後で行なわれる熱機械的
処理(thermomechanical processing)の開始点となる」
と言われている[AISI StripCasting Update: July 199
7]。この様な鋳造後の処理工程として、高温でのアニー
リングがあり、例えば、オーステナイト化の後に除冷さ
れる。これは、スケール発生の問題をもたらし、次に酸
洗いが行なわれる。このため、薄肉鋳造鋼ストリップに
所定の熱機械的処理を施すことにより、望ましくない鋳
造相を許容可能な相にうまく変えることができたとして
も、収率の損失と費用を犠牲にすることになるであろ
う。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、炭素鋼の薄肉
ストリップの鋳造を極めて速い冷却速度で行なう際に、
例えば炭素量が約８０ppm以下、望ましくは６０ppm以
下、特に約５０ppm以下の超低炭素鋼のように実質的に
無炭素の鉄を、周知の鉄−炭素平衡図(Metal Progress
Data Sheet, November, 1946, page 970に示されてお
り、図２として示す)の中で、"Ｘ"にて示されるアルフ
ァ鉄の炭素の固溶領域で、ストリップ鋳造することによ
り、硬くて脆い針状のフェライト、ベイナイト又はマル
テンサイト相の発生を実質的に回避し、低強度の延性鋼
を作ることができるという知見に基づくものである。図
３(Ａ)、図４(Ａ)及び図５(Ａ)は、British Steel Corp
orationが1978年に発行した連続冷却変態図であり、冷
却速度を変えたとき、炭素量の減少と、硬化ベイナイト
及びマルテンサイトの量の減少の関係を示している。こ
れらにに対応するものとして、冷却後(as-cooled)の硬
度の低下が、図３(Ｂ)、図４(Ｂ)及び図５(Ｂ)に示され
ている。このようにして作られた鋼ストリップはミクロ
組織はフェライトであって、硬化作用のある針状のフェ
ライト、ベイナイト及びマルテンサイトを実質的に含ん
でいない。結晶組織が極めて微細な場合を除いて、厚肉
又は薄肉スラブについてこれまで行われている鋳造と同
様であり、炭素鋼は冷却速度が遅くなると、比較的柔ら
かく延性がある。また、より高い強度又はより低い延性
が要求される場合、鋳造後に、浸炭又は窒化のような処
理を施してもよい。
【０００９】 〔発明の詳細な説明〕非侵入型低炭素鋼は、公知であ
り、一般的な厚肉及び薄肉のスラブ鋳造によって商業的
に製造され、広範囲の用途に適用されている。このよう
に比較的低強度の鋼の例として、例えば、耐力(off-set
yield strength)が約２０〜２６ksi、引張強度(ultima
te tensile strength)が４０ksi以上、ｎ値が約０.２２
０〜０.２６０、ｒm値が約１.８〜２.２のものが表１に
示されており、ｒm値は平均塑性異方性(mean plastic a
nisotropy)であり、シートの長手方向、幅方向及び対角
線方向に測定されたランクフォード値(Lankford value)
から算出され、絞り性(drawability)、即ち、引張試験
における薄肉化抵抗性を規定する。ｎは、一定の塑性歪
みの領域において、対数歪曲線(log strain curve)に対
する対数応力(logstrain)の勾配を測定する加工硬化指
数である。
【００１０】
【表１】
【００１１】表２に示された鋼の組成は、商業的に製造
される高硬度非侵入型鋼の代表例である。
【００１２】
【表２】
【００１３】表２において、高強度の一般的な炭素鋳鋼
は、降伏強さが約２５〜３５ksi、引張強度が５０＋ks
i、ｎ値が約０.１８０〜０.２３０、ｒm値が約１.４〜
１.８である。
【００１４】表１及び表２に示される鋼は、実際には、
炭素を殆んど含まない純鉄(例えば、Ｃmax＝５０ppm)
が、本発明の実施において有用である。高強度鋼におい
て追加の強さを付与するために、必要に応じて、マンガ
ン、ケイ素、リン等の合金元素を鉄基材料の溶湯へ添加
することもできる。この様な鋼は、例えば、上部吹込み
式又は下部吹込み式酸素炉の中で製造することができ、
熱は、酸素レベルが約５００〜９００ppmで、例えば炭
素が約０.０３〜０.０５wt.％の低レベルまで吹き込ま
れる。熱は開放され、脱酸処理は行われない。しかし、
酸素が多すぎる場合には、アルミニウムを用いて酸素を
取り除くこともできる。引き続いて炭素／酸素反応を行
なうには、約２００〜３００ppmの酸素が必要である。
次に、溶鋼は、取鍋から、例えばＲＨ脱ガス装置のよう
な脱ガス装置へ移され、そこで炭素を所望される超低レ
ベルまで減らすために、真空炭素脱酸(vacuum carbon d
eoxidation)反応が行われる。次に、鋼は、アルミニウ
ムのような脱酸剤で脱酸されてもよい。次に、チタン、
ニオブ等の炭化物及び窒化物生成体が加えられて、固溶
炭素を実質的に含まない安定した非侵入型鋼を得ること
ができ、いかなる残存炭素もフェライトマトリックス中
で炭化物として存在する。
【００１５】発明者は、ストリップ鋳造の際、この鋳造
に必要とされる急速冷却を行なっても、これらの鋼は、
これまでのスラブ鋳造鋼の組織と同じ様に、フェライ
ト、即ち多角形又は等軸(equiaxed)フェライトであるこ
とを見い出した。この様な鋳造ストリップは、上述の望
ましくない硬化相が無く、柔軟性と延性があり、従来の
厚肉又は薄肉スラブ鋳造品と同様な機械的性質を有して
おり、自動車の車体、電気器具の本体、ほうろう引き用
などの数多くの実用的用途に対して、鋳放し状態(as-ca
st)で使用できる。この様な鋳造品は、冷間圧延及びア
ニーリングなどの熱機械的処理がさらに施されるけれど
も、鋳放し状態で直接実用可能性を明らかにしたのは、
当該分野で初めてである。例えば、延性はこれまでと同
等又はそれ以下であって、さらなる高強度を必要とする
用途への適用分野の可能性を拡大するために、本発明
は、鋳造ストリップ品を強化するための浸炭又は窒化処
理を施すことを含んでいる。鋳造されたストリップは非
常に薄く、例えば０.１０〜０.１２５インチ以下である
ので、実際上の時間制限内でストリップの肉厚全体を浸
炭又は窒化することにより、肉厚全体に一様な機械的特
性を付与することが可能である。鋳造された鋼に、チタ
ン、ニオブ、ジルコニウム、バナジウム、ボロン等の炭
化物／窒化物形成元素を含まれていない場合には、鋼の
浸炭時、主として、鉄マトリックスに固溶された自由炭
素によって強化される。炭化物形成元素が存在する場
合、粒子の強化は炭化物の析出によって起こる。上記の
ように、鋼に１又は２種以上の窒化物生成元素が含まれ
るとき、鋼は窒化によって強化され、窒化処理が施され
た鋼は、さらなる高強度を有しており、例えば、窒化粒
子硬化の結果と、さほど多くはないが過剰の固溶窒素の
存在により、降伏強さは４５ksi以上であり、特に冷間
圧延後、ｒm値は少なくとも１.８以下である。それゆ
え、ｒm値とｎ値を更に改善するために、鋳造されたス
トリップは、アニーリングの前に、冷間圧延のように更
なる加工が施されるが、本発明の重要な目的は、鋳放し
のままか、又は浸炭若しくは窒化によって強化された鋳
鋼の形態で提供することである。
【００１６】前述した主な問題はストリップ鋳造におい
て直面するものであるが、炭素を殆んど含まないほぼ純
鉄を鋳造する本発明は、強化のための後処理として、例
えば浸炭又は窒化を行なうことにより、前述の問題を解
消すると共に、商業的に有用な広範囲に亘る製品をスト
リップ鋳造により作るための経済的な方法を初めて提供
するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】０.０１重量％の炭素を含み、Ａ3温度の計算値
が１６６１OＦの鉄組成物について、冷却速度と変態温
度の関係を示す公知のグラフである。
【図２】公知の鉄−炭素平衡図である。
【図３】(Ａ)は公知の連続冷却変態図であり、０.１８
％Ｃの鋼について、種々の棒直径における冷却(非常に
速い冷却を含む)によって生成するベイナイト及びマル
テンサイトの量の減少を示すグラフ、(Ｂ)は冷却後の硬
度を示すグラフである。
【図４】(Ａ)は公知の連続冷却変態図であり、０.１０
％Ｃの鋼について、種々の棒直径における冷却(非常に
速い冷却を含む)によって生成するベイナイト及びマル
テンサイトの量の減少を示すグラフ、(Ｂ)は冷却後の硬
度を示すグラフである。
【図５】(Ａ)は公知の連続冷却変態図であり、０.０６
％Ｃの鋼について、種々の棒直径における冷却(非常に
速い冷却を含む)によって生成するベイナイト及びマル
テンサイトの量の減少を示すグラフ、(Ｂ)は冷却後の硬
度を示すグラフである。

Claims (35)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 炭素を実質的に含まない鉄基材料を、本
    質的にフェライトであって、針状のフェライト、ベイナ
    イト及びマルテンサイトの硬化相を実質的に含まないミ
    クロ組織を有し、低強度高延性の薄肉ストリップの形態
    に鋳造する、金属の鋳造方法。
  2. 【請求項２】 鋳造されたストリップを、鋳造後に直
    接、又は鋳造後に冷間圧延を施した後、強化のための処
    理を施すことを含んでいる請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 強化のための処理は、浸炭又は窒化によ
    り行われる請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 炭素量を約６０ppm以下に制限すること
    を含んでいる請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 炭素量を約６０ppm以下に制限すること
    を含んでいる請求項２に記載の方法。
  6. 【請求項６】 炭素量を約６０ppm以下に制限すること
    を含んでいる請求項３に記載の方法。
  7. 【請求項７】 炭素量を約５０ppm以下に制限すること
    を含んでいる請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 炭素量を約５０ppm以下に制限すること
    を含んでいる請求項２に記載の方法。
  9. 【請求項９】 炭素量を約５０ppm以下に制限すること
    を含んでいる請求項３に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 ストリップを厚さ約０.１２５インチ
    以下に鋳造することを含んでいる請求項１乃至請求項９
    の何れかに記載の方法。
  11. 【請求項１１】 ストリップは、コイルにしたものを、
    オープンコイル焼なまし炉内の浸炭又は窒化ガス雰囲気
    の中で強化のための処理を施すことを含んでいる請求項
    ２乃至請求項９の何れかに記載の方法。
  12. 【請求項１２】 熱間圧延又は冷間圧延を行なうことな
    く高強度高延性の薄肉金属ストリップを作る方法であっ
    て、炭素を実質的に含まない鉄基材料の溶湯をストリッ
    プに鋳造することにより、本質的にフェライトであっ
    て、硬化作用のある針状のフェライト、ベイナイト及び
    マルテンサイトを実質的に含まないミクロ組織を有し、
    低強度高延性の鋳造ストリップを形成し、該ストリップ
    を、強化のための処理として、オープンコイル焼なまし
    炉内で浸炭又は窒化を行なうことを含んでいる薄肉金属
    ストリップの製造方法。
  13. 【請求項１３】 炭素量を約６０ppm以下に制限するこ
    とを含んでいる請求項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 ストリップを約０.１２５インチより
    も薄い厚さに鋳造し、該ストリップの肉厚のほぼ全体に
    亘って浸炭することを含んでいる請求項１３に記載の方
    法。
  15. 【請求項１５】 ストリップを約０.１２５インチより
    も薄い厚さに鋳造し、該ストリップの肉厚のほぼ全体に
    亘って窒化することを含んでいる請求項１３に記載の方
    法。
  16. 【請求項１６】 鋳造ストリップは、０.２％耐力が約
    ２０〜２６ksi、引張強度が４０ksi以上、ｎ値が約０.
    ２２０〜０.２６０である請求項１３に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 強化のための処理が施された鋳造スト
    リップは、０.２％耐力が約４０ksi以上である請求項１
    ６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 鉄基材料の溶湯を脱酸し、該溶湯に炭
    化物又は窒化物形成元素を少なくとも１種添加すること
    を含んでおり、ストリップに強化するための処理を施し
    て、鋼ストリップのフェライトマトリックスを、炭化物
    又は窒化物粒子により強化する請求項２に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 炭化物及び窒化物形成元素は、チタ
    ン、ニオブ、バナジウム、ボロン及びこれらの混合物か
    らなる群から選択される請求項１８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 鋼ストリップを作る方法であって、炭
    素含有量が約８０ppm以下の鉄基材料の溶湯をストリッ
    プに鋳造することにより、実質的にフェライトからな
    り、硬化作用のある針状のフェライト、ベイナイト及び
    マルテンサイトを実質的に含まないミクロ組織を有し、
    ０.２％耐力が約３０ksi以下の鋳造ストリップを形成
    し、該ストリップを、鋳造された状態、冷間圧延された
    状態又はアニーリングされた状態の何れかの状態にて強
    化のための処理を施すものであり、強化のための処理
    は、ストリップをコイル状にしたものを、オープンコイ
    ル焼なまし炉の中で浸炭又は窒化することにより行わ
    れ、ストリップの後加工に有用な延性を維持しつつ、ス
    トリップの強度を増大させるようにした、構造用鋼スト
    リップの製造方法。
  21. 【請求項２１】 炭素を実質的に含まず、本質的にフェ
    ライトであって、針状のフェライト、ベイナイト及びマ
    ルテンサイトの硬化相を実質的に含まないミクロ組織を
    有する鉄基材料からなり、低強度高延性を有する薄肉ス
    トリップの鋳造品。
  22. 【請求項２２】 鋳造ストリップは、０.２％耐力が約
    ２６ksi以下、引張強度が約４０ksi以上、ｎ値が約０.
    ２２以上である請求項２１の鋳造品。
  23. 【請求項２３】 鋳造ストリップは、０.２％耐力が約
    ２５〜３５ksi、引張強度が約５０ksi以上、ｎ値が約
    ０.１８０以上である請求項２１の鋳造品。
  24. 【請求項２４】 炭素含有量は約６０ppm以下である請
    求項２１に記載の鋳造品。
  25. 【請求項２５】 炭素含有量は約５０ppm以下である請
    求項２１に記載の鋳造品。
  26. 【請求項２６】 ストリップの浸炭処理により強化され
    た請求項２１に記載の鋳造品。
  27. 【請求項２７】 ストリップの浸炭処理により強化され
    た請求項２２に記載の鋳造品。
  28. 【請求項２８】 ストリップの浸炭処理により強化され
    た請求項２３に記載の鋳造品。
  29. 【請求項２９】 ストリップの窒化処理により強化され
    た請求項２１に記載の鋳造品。
  30. 【請求項３０】 ストリップの窒化処理により強化され
    た請求項２２に記載の鋳造品。
  31. 【請求項３１】 ストリップの窒化処理により強化され
    た請求項２３に記載の鋳造品。
  32. 【請求項３２】 ストリップは、肉厚のほぼ全体に亘っ
    て浸炭される請求項２６乃至請求項２８の何れかに記載
    の鋳造品。
  33. 【請求項３３】 ストリップは、肉厚のほぼ全体に亘っ
    て窒化され、０.２％耐力が約４５ksi以上である請求項
    ２９乃至請求項３１の何れかに記載の鋳造品。
  34. 【請求項３４】 処理されたストリップは、肉厚の一部
    分だけが硬化されている請求項２６乃至請求項３１の何
    れかに記載の鋳造品。
  35. 【請求項３５】 冷間圧延及びアニーリングされたスト
    リップは、強化のための処理として、浸炭又は窒化が施
    されており、ストリップの後加工に有用な高強度と延性
    を具えている請求項２２又は請求項２３に記載の鋳造
    品。
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