JP2013514890A - マルテンサイト系ステンレス鋼およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、洋食器、ナイフ、はさみなどで使用される重量％で０．１０〜０．５０％の炭素、１１〜１６％のクロムを含有したマルテンサイト系ステンレス鋼およびその製造方法に関し、互い反対方向に回転する一対のロールとその両側面に溶鋼プールを形成するように設けられるエッジダムと、前記溶鋼プールの上部面に不活性窒素ガスを供給するメニスカスシールドを含むストリップキャスティング装置において、重量％でＣ：０．１０〜０．５０％、Ｃｒ：１１〜１６％を含有するステンレス溶鋼をタンディッシュからノズルを介して前記溶鋼プールに供給してステンレス薄板を鋳造し、前記鋳造されたステンレス薄板をインラインローラーを使用して５〜４０％の圧下率で熱延焼鈍ストリップを製造するマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法とその製造方法によって製造されたマルテンサイト系ステンレス鋼を特徴とする。本発明は、炭化物中心偏析を低減させることで、ラミネーションの欠陥を抑制させ、炭化物偏析部と微偏析部間の硬さ差が少なく、全体的に硬さが均一なマルテンサイト系ステンレス鋼を得ることができる。

Description

本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼およびその製造方法に関し、さらに詳細には、０．１０〜０．５０％の炭素、１１〜１６％のクロムを含有した中炭素マルテンサイト系ステンレス鋼をストリップキャスティング法を利用して製造し、ラミネーションが低減され、硬さの均一な中炭素マルテンサイト系ステンレス鋼およびその製造方法に関する。

一般に、マルテンサイト系ステンレス鋼は、以下のような製造工程を経て製造される。つまり、溶鋼を鋳造して連鋳スラブを製造した後、再加熱して熱間圧延するが、熱間圧延された状態で鋼の組織は、マルテンサイト状、テンパードマルテンサイト状、残留オーステナイト状等が混在して存在する。このような熱延コイルは熱延板焼鈍目的としてバッチ焼鈍（Ｂａｔｃｈ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）工程を経て、フェライトと炭化物に変態されて軟質化されるが、熱延焼鈍による軟質材は形成されたスケール除去のために酸洗工程を経る。酸洗後の軟質の素材は、冷間圧延または製品加工後最終需要が熱処理工程を経て、マルテンサイト鋼に変態されるのである。

代表的なマルテンサイト系ステンレス鋼としては、４２０系鋼があり、この鋼は鋼の高い炭素含有量により、連鋳スラブの製造工程で粗大な炭化物中心偏析を形成する。炭化物中心偏析は、樹脂状結晶（Ｄｅｎｄｒｉｔｅ）の間に存在する微細偏析溶鋼が凝固が進むにつれてバルク溶鋼内への吸入と集積の結果として発生する現象である。スラブ内に形成された中心偏析は、再加熱または焼鈍熱処理工程でよく除去されないため、熱延または冷延板に残留することになり、これによりストリップのせん断切断（Ｓｈｅａｒｉｎｇ）の過程でラミネーション（Ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）、二重板欠陥を伴う。

従来の２００〜２５０ｍｍのスラブを生産する場合において、中心偏析を最小限にするために連鋳工程で鋳造速度を通常材対比７０〜８０％に低減して操業するが、連鋳生産性が著しく低下する問題がある。また、鋳造の際、形成された中心部の粗大な炭化物を固溶するために、熱間圧延後のバッチ焼鈍の焼鈍温度および保持時間を過剰にする必要があるので、生産性が急激に減少する。連続鋳造の際に発生する中心偏析は、凝固が進みつつ炭素の蓄積による濃化溶鋼によって発生されるため、これを低減させる方法が提案されている。つまり、中心偏析を低減する方法は電磁攪拌法（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｉｒｒｉｎｇ）、機械的傾圧下法（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｏｆｔ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）と熱的傾圧下法（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｏｆｔ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）などがある。

したがって、本発明は、前記のような要望に応じて案出されたものであり、従来の連続鋳造法ではなく、薄物を直接ツインロールによって生産されるストリップキャスティング法を利用して、マルテンサイト系ステンレス鋼を製造して炭化物中心偏析を低減させることで、既存の連続鋳造の最大の短所であったラミネーション欠陥が抑制され、硬さの均一な高炭素マルテンサイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、まず、互い反対方向に回転する一対のロールとその両側面に溶鋼プールを形成するように設けられるエッジダムと、前記溶鋼プールの上部面に不活性窒素ガスを供給するメニスカスシールドを含むストリップキャスティング装置において、重量％でＣ：０．１０〜０．５０％、Ｃｒ：１１〜１６％を含有するステンレス溶鋼をタンディッシュからノズルを介して前記溶鋼プールに供給してステンレス薄板を鋳造し、前記鋳造されたステンレス薄板をインラインローラーを使用して５〜４０％の圧下率で熱延焼鈍ストリップを製造する中炭素マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法を提供する。

また、前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、重量％でＳｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｎｉ：０超過１．０以下、Ｎ：０超過０．１以下、Ｓ：０超過０．０４以下、Ｐ：０超過０．０５以下および残部はＦｅおよびその他の不可避な不純物を含む。

また、前記熱延焼鈍ストリップを還元性ガス雰囲気下で７００〜９５０℃の温度範囲でバッチ焼鈍を施して熱延焼鈍板を製造する方法を提供する。

また、前記熱延焼鈍ストリップは、荷重１００ｇのビッカース硬さで測定時の厚さ断面部で炭化物偏析部と微偏析部との硬さ差が９０Ｈｖ以下を有する中炭素マルテンサイト系ステンレス鋼を得ることができる。

さらに、本発明の他の側面は、互い反対方向に回転する一対のロールとその両側面に溶鋼プールを形成するように設けられるエッジダムと、前記溶鋼プールの上部面に不活性窒素ガスを供給するメニスカスシールドを含むストリップキャスティング装置において、重量％でＣ：０．１０〜０．５０％、Ｃｒ：１１〜１６％を含有するステンレス溶鋼をタンディッシュノズルを介して前記溶鋼プールに供給してステンレス薄板を鋳造し、前記鋳造されたステンレス薄板をインラインローラーを使用して、５〜４０％の圧下率で圧下を施す中炭素マルテンサイト系ステンレス鋼を提供することである。

また、前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、重量％でＳｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｎｉ：０超過１．０以下、Ｎ：０超過０．１以下、Ｓ：０超過０．０４以下、Ｐ：０超過０．０５以下および残部はＦｅおよびその他の不可避な不純物からなる中炭素マルテンサイト系ステンレス鋼を含む。

また、前記ステンレス鋼は、還元性ガス雰囲気下で７００〜９５０℃の温度範囲でバッチ焼鈍を通過した中炭素マルテンサイト系ステンレス鋼を得ることができる。

また、前記ステンレス鋼は、荷重１００ｇのビッカース硬さで測定時の厚さ断面部で炭化物偏析部と微偏析部の硬さ差が９０Ｈｖ以下を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を得ることができる。

また、前記方法によって製造されたステンレス鋼は、その厚さが１〜５ｍｍの薄板であることを含む。

上述のように、本発明によれば、ストリップキャスティング法を利用してマルテンサイト系ステンレス鋼を製造し、中心偏析を低減し、また、ラミネーション欠陥を抑制できるような効果がある。このように得られたマルテンサイト系ステンレス鋼は、硬さが組織全体に均一な効果を有する。

一般的なストリップキャスティング工程の概略図である。 連続鋳造法で鋳造された２００ｍｍさのスラブ断面微細組織で、厚さの中心部に炭化物偏析が存在して黒くエッチングされていることを示した組織写真図である。 ストリップキャスティングで鋳造され、鋳造直後、高温で連続的にインラインローリングされた熱延板材の低倍率断面微細組織で、厚さの中心部に形成された等軸晶（Ｅｑｕｉａｘｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ）組織と表層部に形成された柱状晶（Ｃｏｌｕｍｎａｒ Ｃｒｙｓｔａｌｓ）組織を示した組織写真図である。 連続鋳造法で鋳造されてバッチ焼鈍された熱延焼鈍板の低倍率微細組織に炭化物中心偏析部が黒帯の形で形成されていることを示した組織写真図である。 図４に示した黒帯の部分を拡大した微細組織で、約２０μｍの厚さで炭化物偏析バンドが形成されていることを示した組織写真図である。 ストリップキャスティング法で鋳造されてバッチ焼鈍された熱延焼鈍板の低倍率微細組織で、図４に示した帯状の中心偏析部の形成が抑制されたことを示した組織写真図である。 図６を拡大した微細組織で、中心偏析部の形成が抑制されたことを示した組織写真図である。 炭化物中心偏析部と微偏析部で測定したビッカース硬さの値を比較したグラフである。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例及びその他の当業者が本発明の内容を容易に理解するために必要な事項を詳細に記載する。ただし、本発明は、請求の範囲に記載された範囲内でさまざまの異なる形態で具現されうるので、以下説明する実施例は、例示的なものに過ぎない。

本実施例の説明において、関連する公知機能や構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曇っていると判断された場合、その詳細な説明は省略する。そして図面にて同じ構成要素に対しては、たとえ他の図面上に表示されてもできるだけ同じ参照番号および符号で示していることに留意すべきである。なお、図面では、各層の厚さや大きさは、説明の便宜明確性のために誇張されうるし、実際の層厚さや大きさと異なる場合がある。

図１は、従来より知られているストリップキャスティング設備の概略図である。このストリップキャスティング工程は、溶鋼から直接薄物の熱延焼鈍ストリップを製造する工程であり、熱間圧延工程を省略して製造コスト、設備投資コスト、エネルギー使用量、公害ガス排出量などを大幅に低減することができる新しい鉄鋼工程のプロセスである。

一般的なストリップキャスティング工程に使用されるツインロール型薄板鋳造器は、図１に示されたように、溶鋼を溶鍋レードル１に収容し、ノズルに沿ってタンディッシュ２に流入され、タンディッシュ２に流入された溶鋼は鋳造ロール６の両端部に設置されたエッジダム５の間、すなわち、鋳造ロール６の間に溶鋼注入ノズル３を介して供給されて凝固が始まる。この時、ロールの間の溶湯部には酸化を防ぐために、メニスカスシールド４で溶湯面を保護し、適切なガスを注入して雰囲気を調節することになる。両ロールが会うロールニップ７を抜け出しながら薄板８が製造され、かつ引抜されながら圧延器９を経て圧延された後、冷却工程を経て巻取設備１０で巻き取られる。この時、溶鋼から厚さ１０ｍｍ以下の薄板を直接製造するツインロール式薄板鋳造工程における重要な技術は、速い速度で反対方向に回転する内部水冷式ツインロールの間に注入ノズルを介して溶鋼を供給して所望の厚さの薄板を、亀裂がなく、実際の歩留まりが向上するように製造するものである。

本発明の発明者らは、既存の連鋳方法では除去が困難な中心偏析の問題をストリップキャスティング法を利用して製造すると、革新的に低減させることができることを見出した。その結果、ストリップのせん断切断の過程でラミネーション欠陥を緩和させ、板材の厚さ方向への硬さを均一にすることができるという利点があることを確認した。

（実施例）
以下、実施例で本発明を説明する。

本発明で使用される母材は、マルテンサイトステンレス鋼として重量％でＣ：０．１０〜０．５０％、Ｃｒ：１１〜１６％の範囲を使用する。本発明では、Ｃの範囲を０．１％以下にする場合、中心偏析がひどく発生しないが、その硬さにおいて望ましくないし、０．５％以上の場合には、焼入（Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）熱処理の際に残留オーステナイトが過度に微細組織内に残存することがありえる。したがって、本発明では、最適の範囲として、Ｃ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：１１〜１６％を提案する。

また、本発明の実施例による前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、重量％でＳｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｎｉ：０超過１．０以下、Ｎ：０超過０．１以下、Ｓ：０超過０．０４以下、Ｐ：０超過０．０５以下および残部はＦｅおよびその他不可避な不純物からなる成分系に関する合金を対象としている

実施例では、既存の連続鋳造法を経由して製造された熱延焼鈍板とストリップキャスティング法を経由して製造された鋼の微細組織学的特性を比較した。

表１は、連続鋳造法とストリップキャスティング法で製造された鋼の成分を図示したものである。既存の連続鋳造法を利用して４２０Ｊ２成分で２００ｍ厚さの連鋳スラブを１００トン製造した。これは、表１の＃１で比較例として示される。その後、熱間圧延のためにスラブを加熱炉で再加熱し、最終的に３ｍｍの厚さに熱間圧延した。

連続鋳造で製造された成分鋼である表１の＃１と類似な原料を表１の発明項としてツインロール型ストリップキャスターを利用して熱間圧延コイルの形態で製造した。ツインロール型ストリップキャスターは、互いに反対方向に回転するツインロール（Ｔｗｉｎ Ｄｒｕｍ Ｒｏｌｌｓ）と側面ダム（Ｓｉｄｅ Ｄａｍｓ）の間に溶鋼を供給し、水冷されるロールの表面を介して多くの熱量を放出させながら形成することを特徴とする。この時、ロール表面で高速冷却速度で凝固セルが形成され、鋳造後、高温で連続的に行われるインラインローリング（Ｉｎ−Ｌｉｎｅ Ｒｏｌｌｉｎｇ）は、最終的に１〜５ｍｍ程度の薄い熱延薄板が製造される。本実施例では４２０Ｊ２成分で３．０ｍｍｔで鋳造し、これを鋳造直後のインラインローリングを実施して２ｍｍ厚さの熱延コイルを製造した。連続鋳造法を利用して製造された３ｍｍ厚さの熱延板とストリップキャスティングを利用して製造された２ｍｍ厚さの熱延コイルに対し、同じ条件のバッチ焼鈍を実施した。

図２は、従来の連鋳法で製造された成分鋼であり、比較例である＃１の２００ｍｍ厚さのスラブ断面組織写真である。スラブの中央部に黒くエッチングされた炭化物中心偏析部が存在することを示している。これに反し、ストリップキャスティング法で鋳造された２ｍｍ厚さの熱延板として表１の発明鋼である＃３は、厚さ中央部で等軸晶（Ｅｑｕｉａｘｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ）の存在のみ確認されただけで、光学顕微鏡上の中心部に偏析の痕跡が確認されなかった。これは、図３を介してさらに詳しく知ることができる。

図４と図５は、従来の連鋳法で製造され、バッチ焼鈍を介して軟化処理された３ｍｍ厚さの比較例である＃１の中央部断面組織をそれぞれｘ５０倍とｘ１０００倍の倍率で撮影した微細組織である。厚さ断面中央部に約２０μｍの厚さのバンド形態で炭化物が稠密に形成された中心偏析部が形成されていることが分かる。しかし、ストリップキャスティング法で製造されてバッチ焼鈍された２ｍｍ厚さの素材である表１の発明鋼である＃３の中央部断面組織には、このような炭化物中心偏析が観察されない。これは、図６と図７の構成写真を通じて確認することができる。

図８は、図５で確認される炭化物を中心偏析部と微偏析部の硬さ測定した結果である。ビッカース硬さＨｖを測定し、１００の荷重でそれぞれ１０回ずつ測定した。その結果を図８のボックス型で示した。炭化物中心偏析部の平均硬さは２８８Ｈｖであり、微偏析部は１９３で、硬さ値の差が約９５Ｈｖ発生したことを確認した。表１にストリップキャスティングで製造された様々な成分のマルテンサイト系ステンレス鋼熱延焼鈍板材の断面硬さ測定結果を示した。表１に示したビッカース硬さ値の差ΔＨｖは、前述のように炭化物を中心偏析部と微偏析部の硬さの差を測定した結果であり、連続鋳造で製造された鋼の表１の比較例である＃１だけを除き、すべての発明例の場合で断面硬さの偏差が１０Ｈｖ以下に計測された。このような結果は、ストリップキャスティング法で製造されて炭化物を中心偏析を除去すると硬さの均一性が向上するということを意味する。

本発明の技術思想は、上記の好ましい実施形態により具体的に記述されたが、上記の実施形態は、その説明のためのものであって、それを制限するためのものではないことに注意しなければならない。また、本発明の技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術思想の範囲内で多様な変形例が可能であることを理解することができる。上述した発明に対する権利範囲は、以下の特許請求の範囲で定められるものであって、明細書本文の記載に拘束されず、請求の範囲の均等範囲に属する変形と変更はすべて本発明の範囲に属する。

１ レードル
２ タンディッシュ
３ 注入ノズル
４ メニスカスシールド
５ エッジダム
６ 鋳造ロール
７ ロールニップ
８ 鋳片
９ ＩＲＭ圧延器
１０ コイル巻取装置

Claims (11)

1. 互い反対方向に回転する一対のロールとその両側面に溶鋼プールを形成するように設けられるエッジダムと、前記溶鋼プールの上部面に不活性窒素ガスを供給するメニスカスシールドを含むストリップキャスティング装置において、
   重量％でＣ：０．１０〜０．５０％、Ｃｒ：１１〜１６％を含有するステンレス溶鋼をタンディッシュからノズルを介して前記溶鋼プールに供給してステンレス薄板を鋳造し、前記鋳造されたステンレス薄板をインラインローラーを使用して５〜４０％の圧下率で熱延焼鈍ストリップを製造することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
2. 前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、重量％でＳｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｎｉ：０超過１．０以下、Ｎ：０超過０．１以下、Ｓ：０超過０．０４以下、Ｐ：０超過０．０５以下および残部はＦｅおよびその他の不可避な不純物からなることを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
3. 前記熱延焼鈍ストリップを還元性ガス雰囲気下で７００〜９５０℃の温度範囲でバッチ焼鈍を施して熱延焼鈍板を製造することを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
4. 前記熱延焼鈍ストリップは、荷重１００ｇのビッカース硬さで測定した時、厚さ断面部で炭化物偏析部と微偏析部との硬さの差が９０Ｈｖ以下を有することを特徴とする請求項３に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
5. 前記熱間圧延焼鈍ストリップの厚さ断面部に炭化物偏析層の厚さが２０μｍ以下を有することを特徴とする請求項３に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法。
6. 互い反対方向に回転する一対のロールとその両側面に溶鋼プールを形成するように設けられるエッジダムと、前記溶鋼プールの上部面に不活性窒素ガスを供給するメニスカスシールドを含むストリップキャスティング装置において、
   重量％でＣ：０．１０〜０．５０％、Ｃｒ：１１〜１６％を含有するステンレス溶鋼をタンディッシュからノズルを介して前記溶鋼プールに供給してステンレス薄板を鋳造し、前記鋳造されたステンレス薄板をインラインローラーを使用して、５〜４０％の圧下率で圧下を施すことを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼。
7. 前記マルテンサイト系ステンレス鋼は、重量％でＳｉ：０．１〜１．０、Ｍｎ：０．１〜１．０、Ｎｉ：０超過１．０以下、Ｎ：０超過０．１以下、Ｓ：０超過０．０４以下、Ｐ：０超過０．０５以下および残部はＦｅおよびその他の不可避な不純物からなることを特徴とする請求項６に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
8. 前記ステンレス鋼は、還元性ガス雰囲気下で７００〜９５０℃の温度範囲でバッチ焼鈍を通過したことを特徴とする請求項６に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
9. 前記ステンレス鋼は、荷重１００ｇのビッカース硬さで測定した時、厚さ断面部で炭化物偏析部と微偏析部の硬さの差が９０Ｈｖ以下を有することを特徴とする請求項８に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
10. 前記熱間圧延焼鈍ストリップの厚さ断面部に炭化物偏析層の厚さが２０μｍ以下を有することを特徴とする請求項８に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
11. 前記ステンレス鋼は、その厚さが１〜５ｍｍの薄板であることを特徴とする請求項６ないし１０のうちいずれか１項に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。

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