JP2007237194A - Ｃｕ含有鋼材の熱間圧延方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｕを無害化し、赤熱脆性がなく表面性状の優れた圧延鋼材を得るＣｕ含有鋼材の熱間圧延方法を提供する。
【解決手段】Ｃｕを０．０５質量％以上２．１質量％以下含有する鋼材を熱間圧延する方法において、当該鋼材を加熱後の最初に圧延する時の圧延温度が１０８０℃以上であり、かつ、その時の圧下率ｒを下記の範囲とすることを特徴とするＣｕ含有鋼材の熱間圧延方法。
0<r＜-7.748×ln(C_Cu)+5.678 ( 0.05≦C_Cu≦2.1)
r：粗圧延の第１回パスの圧下率(%)
C_Cu：鋼中のCu濃度 (質量 %)
【選択図】図３

Description

本発明は、Ｃｕ含有鋼材の、Ｃｕに起因する鋼材の赤熱脆性を抑制する熱間圧延方法に関する。より具体的には、鋼材の加熱時の鋼材表面へのＣｕの濃化に起因する赤熱脆性を防止し、表面性状の優れた鋼材を得る鋼材の熱間圧延方法に関するものである。

鉄鋼材料の鉄源としてスクラップが利用されているが、スクラップを用いた場合には、スクラップ中に含まれるＣｕが鋼材に混入する。Ｃｕは熱間圧延時に先立つ鋼材の加熱時に生成するスケールと地鉄の界面に濃化し、このＣｕ濃化量が多いと鋼材表面に割れを生じる赤熱脆性の問題が起きることが知られている。Ｃｕは精錬による除去が困難であるため、この問題を回避するためにＣｕを含有する鋼材スクラップの使用量が制限されているという状況がある。

しかしながら、鋼材を製造する際のエネルギー消費量や、蓄積された鋼材スクラップ量の増加を考えると、今後、鉄源としてより多くのスクラップを使用することが望まれており、Ｃｕを含有しても赤熱脆性が発生しない製造方法の開発が強く要求されている。

熱間圧延に先立ち鋼材は加熱炉に装入され、燃焼ガスにより加熱されて１１００〜１３００℃の温度で抽出後、高圧水でデスケーリングされ熱間圧延機で熱間圧延される。通常、加熱炉内に供給される燃焼ガスは、０〜１０％の酸素、０〜３０％の水蒸気、０〜３０％の二酸化炭素などの酸化性ガスを含むために、加熱炉で高温に加熱された鋼材表面にはスケール層が生成する。このスケール層は、主に鉄の酸化物からなり、一般に表層からヘマタイト（Ｆｅ₂ Ｏ₃ ）、マグネタイト（Ｆｅ₃ Ｏ₄ ）、ウスタイト（ＦｅＯ）の３層からなる。

そして、鋼が高温で酸化性ガスによって酸化する際に、Ｃｕ、Ｎｉなどの鉄より貴な金属を含有している場合は、これらの金属は酸化されずスケール層と地鉄の界面で濃化する。特にＣｕの場合には、γ鉄中に数％程度の溶解度しかなく、Ｃｕ濃化量がそれ以上となる場合にはＣｕが金属相として析出する。Ｃｕの融点は１０８０℃であり、通常熱間圧延前の鋼材の加熱はそれ以上の温度で行われるために、溶融状態のＣｕの液相がスケール／地鉄界面に生成し、これが地鉄の粒界に侵入して熱間圧延時のせん断応力や引張応力に耐えられなくなり、赤熱脆性による表面割れが発生する。

このＣｕ起因の赤熱脆性の防止には、例えば非特許文献１などに記載されているようにＮｉの添加が有効であることが知られている。これはＮｉを添加することで鋼中のＣｕの溶解度が増すために、スケール／地鉄界面でのＣｕの析出を抑制できることによる。しかしながら、Ｎｉを添加してＣｕ起因の赤熱脆性を防止する方法は、高価な金属であるＮｉを使用するためにコスト増につながるという問題がある。

また、特許文献１ではＳｉの添加も赤熱脆性の防止効果があるとしている。Ｓｉを添加すると、スケール／地鉄界面付近でファイアライトを生成し、１１７０℃以上でスケール中のウスタイトと反応して液相を生成させる。この液相中にＣｕの液相が取り込まれるために、Ｃｕの地鉄粒界への液相Ｃｕの侵入が抑制される。しかし、Ｓｉを添加した鋼材はスケールの剥離性が悪く、圧延前の高圧水によるデスケーリングによってもスケールの剥離・除去が困難となり、細かいスケールが残留し鋼材表面が赤くなるなど表面性状が損なわれ、その後、酸洗工程がある場合には、酸洗でスケールが溶解し難いため、酸洗工程のコスト増、生産性の低下の問題がある。

特許文献２ではスケールが析出した溶融Cuを吸収する性質や、スケール表面からCuが揮発するといったスケールと液相Cuの性質を利用した赤熱脆性を抑制する鋼材の加熱方法をいくつか示し、その中に１回目のデスケーリング後に生成したスケールにCuを吸収させ２回目のデスケーリング処理後に圧延を開始する方法を提案している。

赤松ら:材料とプロセスvol.7 p1712 (1994) 特開平６−２９７０２６号公報 特開２００５−２９８８３号公報

本発明は、Ｃｕ含有鋼材を熱間圧延する際のＣｕに起因する鋼材の赤熱脆性の発生を、ＮｉやＳｉの添加のような鋼成分の変更を行うことなく抑制できる鋼材の熱間圧延方法、より具体的には、Ｃｕを０．０５〜２．１質量％含有する鋼材の加熱時に鋼材表面に濃化するＣｕを熱間圧延時に無害化し、赤熱脆性がなく表面性状の優れた圧延鋼材を得るＣｕ含有鋼材の熱間圧延方法を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の（１）を要旨とするものである。

（１）Ｃｕを０．０５質量％以上２．１質量％以下含有する鋼材を熱間圧延する方法において、当該鋼材を加熱後の最初に圧延する時の圧延温度が１０８０℃以上であり、かつ、その時の圧下率ｒを下記の範囲とすることを特徴とするＣｕ含有鋼材の熱間圧延方法。

０＜ｒ＜−７．７４８×ｌｎ（Ｃ_Cu）＋５．６７８ （０．０５≦Ｃ_Cu≦２．１）
r：粗圧延の第１回パスの圧下率(%)
C_Cu：鋼中のCu濃度 (質量 %)

本発明方法では、鋼材の成分を変えることなく、熱間圧延時の粗圧延時の第１回パスの圧下率を制御するだけで圧延時の鋼材のスケール／地鉄界面に濃化したＣｕを無害化することができ、圧延時のＣｕ起因の赤熱脆性を抑制することができる。

本発明は、Ｃｕを含有する鋼材を熱間圧延するための鋼材の熱間圧延方法であって、鋼の基本成分を変えることなく、熱間圧延時のＣｕ起因赤熱脆性の発生を抑制し、表面形状の優れた熱間圧延鋼材の製造を可能にするものである。

これまで、赤熱脆性を引き起こすＣｕの濃化はスケール／地鉄界面でのみ起こる現象と考えられてきた。しかしながら、本発明者らは数多くの実験検証の結果、このＣｕがスケール／地鉄界面に濃化する以外にも、スケールの粒界を移動すること、さらにはスケールのマグネタイト層に固溶する現象を見出した。本発明はこの現象を利用してＣｕ起因の赤熱脆性を抑制しようとするものである。通常、スケールは表層からヘマタイト（Ｆｅ₂ Ｏ₃ ）、マグネタイト（Ｆｅ₃ Ｏ₄ ）、ウスタイト（ＦｅＯ）の３層構造で生成する。このうちマグネタイトはスピネル構造をとり、Ｃｕを固溶できる構造である。また、マグネタイト層の上層部は熱力学的にＣｕが酸化物として存在できる酸素分圧となる領域であることから、マグネタイト上層部にＣｕが固溶することを説明できる。

また、同じく図１に示すようにスケール／地鉄界面に濃化し析出した液相Ｃｕがスケールの表面近くのマグネタイト層内までウスタイトのスケールの粒界を通って移動することも新たに知見した。鉄の酸化物であるウスタイトのスケールと液相のＣｕは非常に濡れ性がよいことが知られている。さらにウスタイトのスケールの粒界特に粒界の三重点には微細な隙間がある。このため、スケール／地鉄界面で生成した液相Ｃｕは毛細管現象により濡れ性のよいウスタイトの粒界を浸透してスケール表面近くのマグネタイト層にまで達し、マグネタイト上部層に固溶するのである。すなわち鋼材表面に生成するスケールには液相のCuを吸い上げて吸収する性質がある。前述したように、熱間圧延前の加熱時に生成したスケールと地鉄の界面に液相状態でCuが析出し、この液相Cuが熱間圧延時に鋼の粒界に侵入して割れを引き起こすものである。本発明ではこのように鋼材表面に生成したスケールが液体のCuを吸収する性質を利用するものである。

このCuを吸い上げる能力はウスタイトの粒径が小さいほど高い。これはスケールのウスタイトの粒界を液相Cuが移動するため、移動経路となる粒界が多いほど、いいかえればスケール（以下ウスタイトスケールを単にスケールと称する）の粒径が小さいほど、スケールがCuを多く吸収できるのである。

本発明の作用を図２に模式的に示す。通常、鋼材は熱間圧延前に加熱炉で加熱される。Cuを含有する鋼材では生成するスケールと地鉄との界面に液相のCuが析出する(a)。鋼材は熱間圧延開始前に高圧水でデスケーリングを施してから圧延される。この時にスケール／地鉄界面に析出しているCuは除去されず(b)、圧延までに薄いスケールが生成し(c)、その後の第１パスの圧延時に液相の析出Cuが鋼の粒界に侵入して表面割れを発生させる(d)。それに対して、本発明では第１パスの圧延を軽圧下で施すことが特徴である。これは赤熱脆性による割れが最も発生しやすい第１パスでの加工度を小さくするとともに、鋼材表面のスケールが圧延で微細化され(e)、析出している溶融Cuを多く吸収させて析出した溶融Cu量を減じる作用があり（f）、その後の第２パス以降の圧延での割れの発生が回避される(g)。このような熱間圧延の第１パスでの軽圧下は、圧延によるエネルギー消費と鋼材の温度低下を伴うことから、従来では無駄な工程であり行われていない。

以下詳細に説明する。加熱された鋼材がデスケーリングでスケールが除去され、その直後からスケールが生成し始める。デスケーリングから圧延までの時間は通常１秒以下であるがそのような短時間で生成するスケールは、薄いため圧延で塑性変形することができる。逆にいえばスケールが厚いままで圧延をすればスケールに割れが発生して表面疵につながる。

デスケーリング後の圧延で圧下率を低減すると、薄く生成したスケールの粒径が微細化され、Cuが吸収しやすい細粒のスケールに変化させることができる。さらにその後に成長するスケールも細粒化された状態となる。このようにして得られた微細なスケールが析出している液相のCuをより多く吸収するため、引き続き施される第２パスの圧延時に割れが発生しないのである。

赤熱脆性の発生しやすさは鋼材のCu濃度に大きく依存する。そこで鋼材のCu濃度と加熱後の第１パスの圧下率とを変えて、赤熱脆性の発生程度を調査する実験を行った。表１に実験結果を示す。

鋼材のCu濃度が高いほど赤熱脆性が発生しやすいことがわかる。軽微な表面割れはあるものの表面品質上問題となる赤熱脆性を回避するには、鋼材のCu濃度に応じて第１パスの圧下率を(1)式の範囲とすればよいことがわかる。この場合の鋼のCu濃度（C_Cu）の上限は２．１質量％である。さらに表面品質上問題にはならない軽微な表面割れをも回避するには、第１パスの圧下率を(2)式の範囲とすればさらによいことがわかる。この場合のCuの上限は１．３質量％である。この効果範囲を図３に示す。

0<r＜-7.748×ln(C_Cu)+5.678 ( 0.05≦C_Cu≦2.1) (1)
0<r＜-6.324×ln(C_Cu)+1.662 (0.05≦C_Cu≦1.4) (2)
R：粗圧延の第１回パスの圧下率(%)
C_Cu：鋼中のCu濃度 (質量 %)

本発明では液相のＣｕをスケールが吸収する性質を利用する。従って、Ｃｕの融点である１０８０℃以上での圧延が前提となる。

Ｃｕの含有量が０．０５質量％未満の鋼材の場合は、通常の加熱炉での加熱を行ってもＣｕ起因の赤熱脆性は発生しない。また、Ｃｕ濃度が２．１質量％を超える場合には、第１パスにて軽圧下を行ってもスケール内にＣｕを吸収しきれなくなり赤熱脆性による鋼材表面の割れが発生する。したがって、本発明を適用して効果のあるのは、Ｃｕ含有量が０．０５質量％以上２．１質量％以下のＣｕ含有鋼材である。また品質上問題にならない微細な割れをも防止するにはＣｕ含有量が０．０５質量％以上１．３質量％以下のＣｕ含有鋼材である。

以上のような現象を発現させる鋼の成分は、銅を除いては普通鋼、炭素鋼、Ｃｒ鋼、Ｍｎ鋼等と呼ばれる汎用鋼の成分範囲であり、質量％で、Ｃで０．００１％以上１％以下、Ｓｉで０．００１％以上２．１％以下、Ｍｎで０．０１％以上５％以下、Ｐで０．１％以下、Ｓで０．１％以下、Ｎｉで３％以下、Ｃｒで１％以下を含む成分系である。その他Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｓｎ、B等の元素が1％以下含有されていてもよい。この成分範囲では生成するスケールの組成やＣｕの移動挙動には影響しないためである。

本発明の効果を実証する鋼材の加熱―圧延実験を行った。表１に示す化学成分を有する鋼材を用いた。いずれも鋼の成分のＣｕが０．０５質量％以上であり、通常通り加熱−圧延を施せば赤熱脆性による割れを起こす鋼材成分である。熱間圧延前の鋼材は250mm厚とした。熱間圧延に先立ち１２００℃に鋼材を加熱し、粗圧延7パス、仕上圧延７パスで1.8mmの熱延鋼板とした。デスケーリングは粗圧延の各パス前および仕上圧延前に行った。その際の粗圧延の第１パス目の圧下率を変えて、圧延後の表面性状を比較した。圧延後の鋼材表面を目視にてさらに断面を光学顕微鏡にて観察し、赤熱脆性による割れの発生程度を観察した。◎：割れ発生なし、○：微細な割れ発生があるが、品質や外観上の問題なし、×：割れが発生、という指標とした。その結果を表３に示す。

スケール生成時の鋼中Cuの挙動を模式的に示す図である。 本発明の作用を模式的に示す図である。 (a)加熱後、(b)第１パスデスケーリング後、(c)第１パス圧延前、 (d)従来法：第１パス圧延後、(e)本発明：第１パス圧延後、 (f)本発明：第２パス圧延前、(g)本発明：第２パス圧延後 赤熱脆性による表面割れ発生に及ぼす鋼中Cu濃度と粗圧延第一パスの圧下率の関係を示す図である。

符号の説明

１ 鋼材
２ スケール、2-1：ヘマタイト、2-2：マグネタイト、2-3：ウスタイト
３ 析出した溶融Ｃｕ
４ 赤熱脆性により発生した表面割れ
５ 細粒化したスケール
６ ウスタイトの粒界を移動する溶融Ｃｕ

Claims (1)

1. Ｃｕを０．０５質量％以上２．１質量％以下含有する鋼材を熱間圧延する方法において、当該鋼材を加熱後の最初に圧延する第１パス目の圧下時の圧延温度が１０８０℃以上であり、かつ、その時の圧下率ｒを下記の範囲とすることを特徴とするＣｕ含有鋼材の熱間圧延方法。
   ０＜ｒ＜−７．７４８×ｌｎ（Ｃ_Cu）＋５．６７８ （０．０５≦Ｃ_Cu≦２．１）
   r：粗圧延の第１回パスの圧下率(%)
   C_Cu：鋼中のCu濃度 (質量 %)

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