JP2006328509A - 合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】合金スラブを熱間圧延するに際し、圧延前の加熱工程で圧延時に有害となる厚みの粒界酸化層を発生させず、かつ、加熱コストの低減可能な合金の製造方法を提供すること。
【解決手段】合金スラブを加熱する工程と、前記加熱された合金スラブを熱間圧延する工程とを少なくとも備え、前記合金スラブの加熱は、熱間圧延時に有害とならない粒界酸化層厚までガス燃焼式加熱炉で行い、その後、非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉で行う合金の製造方法とする。例えば、前記合金は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金又は高Ｎｉ合金であり、前記有害とならない粒界酸化層厚は、０．０１ｍｍ以下とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、合金の製造方法に関し、さらに詳しくは、熱間圧延前に合金スラブを加熱するにあたり、ガス燃焼式加熱炉と非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉とを併用する合金の製造方法に関するものである。

従来、例えば、ＩＣリードフレームや各種封着材料、ディスク材料として用いられているＦｅ−Ｎｉ系合金や、各種電気・電子機器部品の耐食材料として用いられている高Ｎｉ合金などの高合金材料は、合金スラブを熱間圧延等し、帯鋼や線材などに成形して得られる。

この種の合金スラブは、一般に、成形する前に加熱炉により所定の温度に加熱される。この際、従来は、大気中で合金スラブの加熱を行なっていたことから、合金スラブの表層には比較的厚いスケール（酸化層）が生じていた。

このスケールの発生は、次の熱間圧延において、合金スラブ表面に疵等を発生させる原因になり、表層品質の問題となるため、スケールを脱スケールした後、圧延する必要がある。そのため、従来は高圧水等によってこのスケールを除去する方法が採られていた。

このような方法では、表層のスケールは除去されるものの、発生したスケールを除去する分、製品の歩留まりが悪化するという問題があった。そのため、このようなスケールを生じさせないように、不活性ガスを炉内に導入した非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉を用いて最初から圧延可能な温度まで加熱するという方法が採られるようになった。

また例えば、特許文献１には、ガス燃焼式加熱炉と非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉とを併用して電磁鋼板用スラブを加熱した後、熱間圧延する方法が開示されている。

特開平０５−１３２４号公報

しかしながら、非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉を用いて最初から圧延可能な温度まで合金スラブを加熱する方法は、合金スラブ表層に形成されるスケールが比較的少なくなるものの、加熱にあたって高エネルギーを消費するエレマ発熱体等の電気ヒーターを用いるため、非常にコストがかかるという問題があった。

また、特許文献１の方法では、熱間圧延前にガス燃焼式加熱炉と非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉とを併用して電磁鋼板用スラブを加熱する方法が示されているものの、スラブ表層に発生するスケールを低減させる方法については示されていない。

本発明が解決しようとする課題は、合金スラブを熱間圧延するに際し、圧延前の加熱工程で圧延時に有害となる厚みのスケールであって、スケールは粒界に沿って成長するため、母材表層部にくさび状に酸化層が生成する粒界酸化層と云う層を発生させず、かつ、加熱コストを低減可能な合金の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る合金の製造方法は、合金スラブを加熱する工程と、加熱された合金スラブを熱間圧延する工程とを少なくとも備え、合金スラブの加熱は、熱間圧延時に有害とならない粒界酸化層厚までガス燃焼式加熱炉で行い、その後、非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉で行うことを要旨とする。

この場合、上記合金は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金又は高Ｎｉ合金などが好ましい。

そして、上記有害とならない粒界酸化層厚は、０．０１ｍｍ以下を好適な厚さとして例示できる。

本発明に係る合金の製造方法によれば、合金スラブの熱間圧延前の加熱において、熱間圧延時に有害となる厚みの粒界酸化層が発生しないので、次工程において高圧水などを用いて脱スケールしなくて良く、製品の歩留まりの悪化を抑えることができる。

また、従来、熱間圧延時に有害となる厚みの粒界酸化層を発生させないようにするため、非酸化性雰囲気の電気式加熱炉で圧延温度まで合金スラブを加熱していたが、本発明では、熱間圧延時に有害とならない粒界酸化層までは電気式加熱炉に比較して加熱コストの低いガス燃焼式加熱炉で加熱し、その後は、非酸化性雰囲気の電気式加熱炉で加熱することから、従来より大幅に加熱コストを削減できる。

この場合、上記合金は、特に粒界酸化層の発生による製品の歩留まりの悪化を避けたいものであるため、これらのものに対して行う場合に、より有効な方法となる。

そして、発生する粒界酸化層厚を０．０１ｍｍ以下にすることにより、脱スケールすることなく次の熱間圧延を行うことができ、得られる合金は、より表層品質に優れたものとなる。

以下に本発明の一実施形態について図１〜５を用いて詳細に説明する。

本発明に係る合金の製造方法としては、例えば図１に示すものを例示できる。すなわち、連続鋳造等により得られた図示しない鋳片を分塊し、これにより得られた合金スラブを熱間圧延可能な温度まで加熱する工程（Ｓ１）と、その加熱した合金スラブを熱間圧延する工程（Ｓ２）と、熱間圧延工程で生じたスケール等を除去するための酸洗工程（Ｓ３）と、酸洗後の圧延材を冷間圧延する工程（Ｓ４）とを有する。

本発明に係る製造方法により製造される合金の形状は、コイル状の帯鋼であっても良いし、線材コイルなどであっても良く、特に限定されるものではない。

本発明が適用される合金としては、Ｆｅ−Ｎｉ系合金や高Ｎｉ合金などのＮｉ含有量の高い合金などの高合金などが挙げられる。

例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系合金としては、Ｎｉを４０％〜４２％含有するものがあり、高Ｎｉ合金としては、Ｎｉを９９％以上含有するものなどが好適に用いられる。これらの合金は、粒界酸化層の発生に起因する製品歩留まりの悪化をできるだけ抑えたいものであるため、本発明に係る製造方法が特に有効となるものである。

熱間圧延前の加熱工程（Ｓ１）は、熱間圧延温度まで合金スラブを温度上昇させるためのものであり、本発明は、この加熱工程において、酸素雰囲気下のガス燃焼式加熱炉（大気炉）と非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉（雰囲気炉）とを併用することにより粒界酸化層の発生を低減し、かつ、非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉のみで加熱する場合と比べて加熱コストを低減するものである。

すなわち、合金スラブを圧延可能な温度まで加熱する場合において、加熱によりこの合金スラブに発生するスケールが次の熱間圧延時に有害とならない粒界酸化層厚までガス燃焼式加熱炉で加熱した後、非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉で加熱するというものである。

ここでいう熱間圧延時に有害とならない粒界酸化層厚とは、０．０１５ｍｍを超えないものであり、より好ましくは０．０１ｍｍ以下のものである。

熱間圧延時における有害とは、熱間圧延前の加熱によって合金スラブ表層に形成された厚い粒界酸化層により合金スラブ表層に亀裂などが発生し、その後の圧延によっても表層に凹凸が残るなどして、表層品質が悪くなることなどをいう。

ガス燃焼式加熱炉による加熱において、熱間圧延時に有害とならない粒界酸化層厚にするには、例えば、粒界酸化層の発生する速度が遅い条件にすることなどが挙げられる。

この場合、粒界酸化層の発生する速度は、０．０１ｍｍ／ｈ以下、より好ましくは０．００５ｍｍ／ｈ以下とするのが良い。

そして、粒界酸化層の発生する速度は、例えば、炉内の酸素濃度や加熱温度、加熱時間等の条件により変化するため、粒界酸化層の発生する速度を遅くするためには、これらの条件を適宜定めると良い。

ガス燃焼式加熱炉のシール性などにもよるが、一般にガス燃焼式加熱炉の炉内酸素濃度は５〜８％にすることができる。このような酸素濃度条件においては、粒界酸化層の発生する速度が遅くなる温度条件は８００℃未満であり、８００℃以上とした場合、粒界酸化層の発生速度が急激に速くなる。

炉のシール性が悪く、例えば炉内酸素濃度が１０〜２０％となる場合には、８００℃未満の温度でも粒界酸化層の発生する速度が速くなることがある。逆に炉のシール性が良く、５％以下の酸素濃度にできる場合には、８００℃以上の温度でも急激に粒界酸化層が発生しない場合もある。このように、炉内酸素濃度等によって粒界酸化層が急激に発生する温度が変動する。そのため、用いる炉のシール構造などに合わせて適宜温度を調節すると良い。

なお、酸素濃度が５〜８％に保たれ、温度が８００℃未満の場合であっても、長時間加熱を行うと合金スラブに発生する粒界酸化層が徐々に合金スラブの内部に広がっていくため、ガス燃焼式加熱炉における加熱時間は所定の時間、例えば、３時間以内とすることが好ましい。

熱間圧延工程において有害とならない加熱条件は、加熱される合金の材質の影響もある。例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系合金は、高Ｎｉ合金や特殊用途ステンレス鋼と比べて粒界酸化層が発生しやすいため、ガス燃焼式加熱炉による加熱温度や酸素濃度はより低いものとなる。

本発明の実施に用いる代表的な工業用のガス燃焼式加熱炉としては、台車型のものや、ウォーキングビーム型のものなどが挙げられる。

電気式加熱炉で加熱する際の非酸化性ガス雰囲気（無酸化状態）とは、炉内の酸素濃度が１％以下となる条件であり、より好ましくは１００ｐｐｍ以下である。このような条件に保つには、炉内を窒素などの非酸化性ガスで完全に置換した後、非酸化性ガスを供給しながら加熱すると良い。

図２は、合金スラブの熱間圧延前の加熱方法の一例を示したものである。本発明は、加熱に際し、ガス燃焼式加熱炉と非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉とを併用して加熱するものであり、その後の熱間圧延時に有害とならない粒界酸化層厚までガス燃焼式加熱炉で加熱するものである。粒界酸化層の生成速度が速く、熱間圧延時に有害となる粒界酸化層が発生する温度では非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉を用いている。

図示するものは、ガス燃焼式加熱炉の炉内酸素濃度を５〜８％にした場合であり、横軸は加熱炉での加熱時間（ｍｉｎ）を、縦軸は炉内温度（℃）及びスラブ表層温度（℃）を示している。

ガス燃焼式加熱炉の設定温度は、スラブ表層温度を適当な速度で上昇させるために所定の温度にすることができる。ガス燃焼式加熱炉での加熱は酸素存在下で行うので、加熱温度によって所定の速度で粒界酸化層が形成される。そのため、例えば８００℃未満であっても、相当時間加熱すれば粒界酸化層は厚くなる。また、工業的な実施の面からも相当長く加熱することは非効率であるため、所定の時間で加熱されるよう、炉内設定温度を調節すると良い。

図２に示すものは、、スラブ表層温度が６００℃になるまで炉内温度を１１００℃に設定してガス燃焼式加熱炉で加熱し、スラブ表層温度が７００℃付近になるところで非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉に切り替え、炉内温度を１２００℃に設定して１２００℃近くまで非酸化性ガス雰囲気下で加熱するものである。この時のガス燃焼式加熱炉での加熱時間は６０分前後となり、粒界酸化層はほとんど形成されず、加熱時間も長すぎない。

図５に、従来の合金スラブの熱間圧延前の加熱方法を示す。このように、常に電気式加熱炉によって高温に設定され合金スラブを加熱する方法では、粒界酸化層の生成は抑えられるものの、図２のような本発明の方法と比べ、常に電気式加熱炉により加熱しているため、合金スラブの表層温度を７００℃付近まで上昇させるための熱エネルギーコストが高くなってしまう。なお、本発明の方法による加熱は、常に電気式加熱炉により合金スラブを加熱する場合とほぼ等しい時間にすることができるため、生産性が下がることもない。

熱間圧延工程（Ｓ２）は、例えば、図示しない粗列圧延や中間列圧延、仕上列圧延等からなるものがあり、仕上列圧延後、巻取機などで巻取られる。

この熱間圧延工程は大気雰囲気下、特に非酸化性ガスを導入することなく熱間圧延可能な高温で行うため、熱間圧延時に圧延材の表層に粒界酸化層が生成する。ここで生成した粒界酸化層は、次の冷間圧延工程を経て得られる製品の表層の疵等の原因とならないように、熱間圧延工程と冷間圧延工程の間で酸洗等によって除去する。

この酸洗工程（Ｓ３）は、鋼材等の一般的な酸洗で用いられる通常の酸洗方法により行うことができる。例えば、硫酸系・弗硫酸系・弗硝酸系等の酸洗液を用いて酸洗する酸洗工程と、この酸洗後に、苛性ソーダ・硝酸ソーダ等の溶融塩液を用いたソルト処理工程と、硫酸等による仕上げ酸洗工程等により酸洗することができる。この場合、用いる酸洗液は、環境保護の観点から硝酸を含まないものを使用することが好ましい。

酸洗工程後に圧延材表面にスケールや疵が残存する場合にはコイルグラインダー等による疵取り工程を組み込んで、表面を研削し、疵を除去する。

その後、冷間圧延工程（Ｓ４）を経て成形され、帯鋼や線材等の製品となる。

次に、実施例について説明する。実施例及び比較例では、所定の酸素雰囲気下において、鋼片（試験片）を加熱することによりその表層に発生する粒界酸化層厚の、温度に対する影響について調べた。

使用した炉は、エレマ発熱体による電気加熱炉（試験炉）で、炉内酸素濃度＝５〜８％で実施した。なお、試験に用いた合金（試験片：３０×３０×４ｍｍ）は、Ｎｉ＝４０．５〜４１．５％のＦｅ−Ｎｉ系合金である。また、試験後の表層の様子を表す写真を図３に、そのときの粒界酸化層厚を表１に、加熱温度・時間と粒界酸化層厚の関係グラフを図４に示す。

（実施例１）
Ｆｅ−Ｎｉ系合金の試験片を試験炉にて炉内温度６００℃で３０分〜３時間加熱した後、各時間における試験片の表層を観察し、生成する粒界酸化層厚を測定した。

（比較例１）
加熱温度を８００℃にしたこと以外、実施例１と同様にして試験した。

（比較例２）
加熱温度を１０００℃にしたこと以外、実施例１と同様にして試験した。

図３は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金を試験片として用い、酸素濃度が５〜８％の雰囲気下における所定温度での粒界酸化層の発生状況を観察したものである。図３（ａ）は、実施例１の試験であり、加熱温度を６００℃とし、６０分加熱した後の試験片の表面観察写真であり、図３（ｄ）は、その時の試験片の断面をＳＥＭ観察したものである。また、図３（ｂ）は比較例１の試験であり、加熱温度を８００℃とし、６０分加熱した後の試験片の表面観察写真であり、図３（ｅ）は、その時の試験片の断面をＳＥＭ観察したものである。図３（ａ）は、比較例２の試験であり、加熱温度を１０００℃とし、６０分加熱した後の試験片の表面観察写真であり、図３（ｆ）は、その時の試験片の断面をＳＥＭ観察したものである。

実施例１のように６００℃で加熱した場合、その試験片の表面には肉眼観察ではほとんど粒界酸化層の発生が見られず（図３（ａ））、また、その断面をＳＥＭ観察（図３（ｄ））して求めた粒界酸化層厚も０．００６ｍｍであって熱間圧延時に有害とならない厚みであった。

一方、比較例１のように８００℃で加熱した場合、その試験片は肉眼観察でもはっきりと粒界酸化層の発生が確認され（図３（ｂ））、また、その断面をＳＥＭ観察（図３（ｅ））して求めた粒界酸化層厚は０．０２０ｍｍであり、熱間圧延時に有害となる厚みであった。

また、比較例２のように１０００℃で加熱した場合、比較例１と同様、その試験片は肉眼観察でもはっきりと粒界酸化層の発生が確認され（図３（ｃ））、また、その断面をＳＥＭ観察（図３（ｅ））して求めた粒界酸化層厚は０．０３０ｍｍであり、比較例１よりさらに厚い粒界酸化層が発生する結果となった。

図４に、加熱時間と加熱温度・粒界酸化層厚との関係を示す。図示するように、加熱温度が６００℃の場合には、粒界酸化層の生成速度が遅く、１８０分経過後も粒界酸化層厚は０．０１ｍｍ程度であった。一方、８００℃や１０００℃の場合には、粒界酸化層の生成速度は６００℃の場合と比べてかなり速く、３０分の時点で０．０２ｍｍとなり、その後更にその厚みが増しており、圧延を行う前に粒界酸化層除去をする必要があるものであった。

以上の結果を踏まえ、例えば、上記４２％Ｎｉ−Ｆｅ合金のスラブをその表層温度が６００℃になるまで炉内酸素濃度が５〜８％のガス燃焼式加熱炉で加熱した後、非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉で熱間圧延可能な温度まで加熱した場合には、ガス燃焼式加熱炉での加熱において発生する粒界酸化層厚が熱間圧延時に有害とならない粒界酸化層厚（０．０１５ｍｍ以下）であるため、脱スケールすることなくその後の熱間圧延を行うことができるものとなる。またこのような加熱が、熱間圧延時に有害とならない粒界酸化層厚（０．０１５ｍｍ以下）となるようにするために、常に非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉で加熱するものではなく、より加熱コストの低いガス燃焼式加熱炉と電気式加熱炉とを組み合わせて用いるため、加熱コストを大幅に低減することができるものである。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

例えば、上記実施例において、炉内酸素濃度を５〜８％とした場合について示したが、これに限定されるものではない。また、上記実施形態において、Ｆｅ−Ｎｉ系合金について示したが、高Ｎｉ合金は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金よりも粒界酸化層が発生しにくいため、Ｆｅ−Ｎｉ系合金と同条件でガス燃焼式加熱炉で加熱することは可能であり、さらに高い温度までガス燃焼式加熱炉で加熱した後、電気加熱炉に切り替えることも可能である。

本発明に係る合金の製造工程を表す図である。 本発明に係る合金スラブの圧延前の加熱方法を示す図である。 各温度で６０分、酸素雰囲気下、試験片を加熱した時に発生した粒界酸化層を示す写真である。 加熱温度・時間と粒界酸化層厚の関係を示す図である。 従来の合金スラブの圧延前の加熱方法を示す図である。

Claims (3)

1. 合金スラブを加熱する工程と、前記加熱された合金スラブを熱間圧延する工程とを少なくとも備え、
   前記合金スラブの加熱は、熱間圧延時に有害とならない粒界酸化層厚までガス燃焼式加熱炉で行い、その後、非酸化性ガス雰囲気の電気式加熱炉で行うことを特徴とする合金の製造方法。
2. 前記合金は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金又は高Ｎｉ合金であることを特徴とする請求項１に記載の合金の製造方法。
3. 前記有害とならない粒界酸化層厚は、０．０１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の合金の製造方法。