JP2018111881A - マルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性を落とさずに形状不良を抑制できるマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法を提供する。
【解決手段】マルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法であって、前記焼入れ工程時の焼入れ炉は、少なくとも昇温部と保持部とを有し、前記昇温部は、所定の焼入れ温度をＴ（℃）とした場合、０．７Ｔ（℃）以上Ｔ（℃）未満の温度範囲内に設定され、かつ前記昇温部に鋼帯が通板される際の鋼帯の入側の設定加熱温度よりも鋼帯の出側の設定加熱温度が高く設定され、前記保持部は焼入れ温度Ｔ（℃）に設定され、前記昇温部における鋼帯の炉内滞在時間は、前記保持部における鋼帯の炉内滞在時間以上であることを特徴とする、マルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法に関するものである。

マルテンサイト系ステンレス鋼帯は耐食性や硬度、疲労特性に優れており、例えば刃物や、繰り返し応力の作用するばね材、バルブ材、カバー材等の幅広い用途に使用されている。このようなマルテンサイト系ステンレス鋼帯は一般的に、所定の板厚まで圧延を行った後、焼入れ炉、冷却装置および焼戻し炉を、この順番で連続的に配置した連続加熱設備を利用して、鋼帯を巻出しながら連続的に焼入れと焼戻しを行う方法により製造されている。

例えば引用文献１には、焼入れ工程の前に、鋼帯に誘導加熱による予熱を施す予熱工程を行うことで、鋼帯を急速加熱し、熱処理能力を向上させることができるマルテンサイト系ステンレス鋼鋼帯の製造方法が記載されている。

特開２０１５−６７８７３号公報

上述したマルテンサイト系ステンレス鋼帯は多様な用途に対応するために、薄板化（例えば、板厚１ｍｍ以下、さらには０．５ｍｍ以下）が求められているが、薄板化の進行により過大な中伸びや耳波、幅方向のうねりなどの形状不良が発生しやすい傾向にある。
引用文献１の製造方法は熱処理能力の向上により生産性を向上させることができる優れた発明だが、加熱による形状不良の発生やその抑制については、課題ならびに解決について示唆されておらず、検討の余地が残されている。
よって本発明の目的は、生産性を低下させず、形状不良を抑制できるマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法を提供することである。

本発明者は、焼入れ炉の加熱による鋼帯の急激な温度変化により、形状不良の発生が増加する傾向にあることを確認した。そこで本発明者は焼入れ時の加熱条件について検討を重ねた。その結果、焼入れ炉の加熱パターンを制御することで、焼入れ時の鋼帯の形状不良を抑制することができることを見出し、本発明に想到した。
すなわち本発明は、厚さ１ｍｍ以下のマルテンサイト系ステンレスの鋼帯を巻出す巻出し工程と、鋼帯を非酸化性ガス雰囲気の焼入れ炉に通板して加熱し、次いで冷却する焼入れ工程と、焼入れ後の鋼帯を、非酸化性ガス雰囲気の焼戻し炉に通板して焼戻しする焼戻し工程と、
焼戻し後の鋼帯を巻取る巻取り工程と、を連続して行うマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法であって、
前記焼入れ工程時の焼入れ炉は、少なくとも昇温部と保持部とを有し、
前記昇温部は、所定の焼入れ温度をＴ（℃）とした場合、０．７Ｔ（℃）以上Ｔ（℃）未満の温度範囲内に設定され、かつ前記昇温部に鋼帯が通板される際の鋼帯の入側の設定加熱温度よりも鋼帯の出側の設定加熱温度が高く設定され、
前記保持部は焼入れ温度Ｔ（℃）に設定され、
前記昇温部における鋼帯の炉内滞在時間は、前記保持部における鋼帯の炉内滞在時間以上であることを特徴とする、マルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法である。
好ましくは、前記昇温部における鋼帯の炉内滞在時間をＴＳ、前記保持部における鋼帯の炉内滞在時間をＴＨとした場合、ＴＳ／ＴＨが１より大きく、５より小さい。 好ましくは、前記焼入れ工程において、保持部の後に設けられ、保持部の設定加熱温度未満で鋼帯を加熱する降温部を有する。
好ましくは、降温部の所要時間は鋼帯が焼入れ炉の通過に要する時間Ｍ１の所要時間の１０〜３０％である。
好ましくは、前記降温部での設定加熱温度は、０．８５Ｔ（℃）以上Ｔ（℃）未満である。
好ましくは、鋼帯の板厚をｔ（ｍｍ）とし、前記鋼帯が前記焼入れ炉を通過する時間をＭ１（ｍｉｎ）としたとき、Ｍ１／ｔが４以上８以下である。

本発明によれば、生産性を低下させずに形状不良を抑制することができるマルテンサイト系ステンレス鋼帯を得ることができる。

本発明の製造方法に用いる装置の一例を示す図である。 本実施例における鋼帯に対する金属条の位置を説明するための図である。

以下、本発明を詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。本発明はマルテンサイト系ステンレス鋼の組成を有するものに適用できる。組成範囲を限定するものではないが、例えば、本発明の鋼帯の成分組成は、質量％で、Ｃ：０．３〜１．２％、Ｃｒ：１０．０〜１８．０％を含むことが好ましい。さらに本発明の鋼帯の成分組成は、Ｃ：０．３〜１．２％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｍｏ：３．０％以下、Ｎｉ：１．０％以下（０％を含む）、Ｃｒ：１０．０〜１８．０％、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物であるマルテンサイト系ステンレス鋼であることが好ましい。

本発明は、巻出し工程、焼入れ工程、焼戻し工程、巻取り工程を連続して行い、焼入れ工程が少なくとも昇温部と保持部とからなることを特徴とする。また、保持部の後に降温部を設けても良い。図１に本実施形態の装置レイアウト例を示す。以下、本発明の実施形態について説明する。

（巻出し工程、焼入れ工程）
まず本発明は、焼入れ焼戻しを連続で行うために、巻出し機１より圧延済みの鋼帯２を巻出した後（巻出し工程）、非酸化性ガス雰囲気の加熱炉（焼入れ炉）３に通板して加熱し、次いで鋼帯を冷却する（焼入れ工程）。本実施形態で用いる焼入れ炉３は、図１に示すように昇温部３Ａと、保持部３Ｂとを有する。本発明は、通板されてきた鋼帯を所定の焼入れ温度に保持する保持部の前に、設定加熱温度を焼入れ温度より低く設定した昇温部を設けていることが特徴である。尚、昇温部は、昇温部に鋼帯が通板される際の鋼帯の入側の設定加熱温度よりも鋼帯の出側の設定加熱温度が高く設定されている。即ち本発明の焼入れ工程は、所定の焼入れ温度をＴ（℃）とした場合、０．７Ｔ（℃）以上Ｔ（℃）未満の温度範囲内で、かつ昇温部に鋼帯が通板される際の鋼帯の入側の設定加熱温度よりも鋼帯の出側の設定加熱温度が高く設定された昇温部を有し、次いで焼入れ温度Ｔ（℃）に設定された保持部を有する。上記の条件で焼入れ工程の加熱を行うことで、鋼帯の通板速度を低下させることなく急速な加熱による形状不良を抑制し、良好な形状の鋼帯を得ることができる。好ましい設定加熱温度の下限は、０．８Ｔ（℃）である。昇温部の設定加熱温度が０．７Ｔ（℃）未満の場合、鋼帯が所望の温度まで上昇できず、特性が低下する可能性がある。昇温部の設定加熱温度がＴ（℃）以上の場合、鋼帯が急速に加熱されて、形状不良の発生する可能性が高まる。ここで本実施形態において鋼帯が焼入れ炉の通過に要する時間（図１において、焼入れ炉３を通過する時間（昇温部３Ａに入って、降温部３Ｃを出るまでの時間））をＭ１［ｍｉｎ］、鋼帯の板厚をｔ［ｍｍ］とした際に、Ｍ１／ｔを４〜８に調整することが好ましい。上記のＭ１／ｔは例えば板厚が０．３ｍｍの際、焼入れ炉の通過に要する時間を１．２〜２．４ｍｉｎで通過するように調整すればよい。この数値に調整することで、本発明の形状抑制効果を確実に得ることが可能である。ここで昇温部の設定加熱温度は、例えば、急激な温度変化を防ぐために、昇温部の鋼帯の入側から鋼帯の出側まで段階的に設定加熱温度が上がるように設定しても良い。なお本発明は、板厚が１ｍｍ以下のマルテンサイト系ステンレス鋼帯に適用できるが、薄くなるほど焼入れ時の加熱による形状不良が発生しやすくなる傾向にあるため、板厚が０．５ｍｍ以下のマルテンサイト系ステンレス鋼帯に適用することが好ましい。尚、板厚の下限は、特に設定する必要はないが、例えば圧延にて製造される鋼板としては板厚が薄すぎると製造上困難であるため、０．０１ｍｍ程度と設定することができる。より好ましい板厚の下限は０．０５ｍｍであり、さらに好ましい板厚の下限は０．１ｍｍである。

本実施形態での昇温部における鋼帯の炉内滞在時間は、前記保持部における鋼帯の炉内滞在時間以上であることも特徴である。これにより鋼帯の加熱が急速に進行することを抑制できるため、形状不良の発生をさらに抑制することが可能である。この昇温部における鋼帯の炉内滞在時間が保持部における鋼帯の炉内滞在時間よりも長過ぎる場合は、鋼帯が所望の焼入れ温度に達せず、焼入れ後に所望の特性が得られない可能性や、所望の焼入れ温度に達するまでに時間がかかり、生産性が低下する可能性がある。昇温部における鋼帯の炉内滞在時間が保持部における鋼帯の炉内滞在時間よりも短い場合は、保持部が長くなりすぎることで鋼帯の過加熱に起因する形状不良を引き起こす可能性がある。従って、昇温部における鋼帯の炉内滞在時間をＴＳ、保持部における鋼帯の炉内滞在時間をＴＨとした場合、ＴＳ／ＴＨが１より大きく、５より小さいことが好ましい。さらに、１．５より大きいことが好ましく、４より小さいことが好ましい。

本実施形態での保持部における設定加熱温度は、８５０〜１２００℃であることが好ましい。８５０℃未満の場合、炭化物の固溶が不十分となり、特性が低下する。対して１２００℃超の場合、炭化物の固溶量が大きくなり、焼戻し時の硬さが低下する傾向にある。保持部の温度の下限は９００℃がより好ましく、９３０℃がさらに好ましい。保持部の温度の上限は１１５０℃がより好ましく、１１２０℃がさらに好ましい。また非酸化性ガスの種類は、窒素、アルゴン、水素混合ガス等を選択することが出来るが、よりマルテンサイト系ステンレス鋼帯と反応が起こり難いアルゴンを選択することが好ましい。

本実施形態では保持部の後に、保持部の設定加熱温度より低い温度で鋼帯を加熱する降温部を設けてもよい。この降温部を設けることで冷却前の鋼帯温度をある程度低下させ、後の冷却工程の装置に与えるダメージを抑える効果などが期待できる。この降温部の設定加熱温度は、保持部の設定加熱温度Ｔ（℃）に対して０．８５Ｔ（℃）以上Ｔ（℃）未満であることが好ましく、さらに０．９５Ｔ（℃）以下であることが好ましい。所要時間は鋼帯が焼入れ炉の通過に要する時間Ｍ１の所要時間の１０〜３０％であることが好ましい。

本実施形態の焼入れ炉は、２基以上の複数の焼入れ炉で構成することもできる。その際１基毎に昇温部、保持部、降温部を設定してもよく（炉間は不連続）、１基に昇温部、１基に保持部と降温部とを設定してもよい。好ましくは、省スペースかつ炉間で温度変化が起きない１基の焼入れ炉にて上述した昇温部、保持部を設ける。また、本実施形態の焼入れ炉の熱源は、ガスバーナーや、電気ヒーター等を使用することができる。

本発明はさらに生産効率を向上させるために、巻出し工程と焼入れ工程との間に予熱工程を設けてもよい。予熱工程（図示せず）では既存の加熱装置を適用することができるが、鋼帯の急速昇温を可能とする誘導加熱装置を使用することが好ましい。
また予熱工程時の予熱温度は、予熱を有効なものにするために、６００℃以上に設定することが好ましい。一方で急激な昇温による変形をより確実に抑制するために、８００℃未満に設定することが好ましい。

続いて焼入れ炉にて加熱した鋼帯を急冷して焼入れを行う。急冷の方法としては、ソルトバス、溶融金属、油、水、ポリマー水溶液、食塩水を用いる方法がある。このうち水を噴射する方法は最も簡便な方法であると共に、鋼帯表面に薄い酸化被膜を形成させることができる。この薄い酸化被膜は硬質であり、後述する水冷定盤５を通板する際に、鋼帯表面の疵の発生を抑制できる。そのため、本発明で用いる鋼帯２を急冷する一手段として水を噴射する方法を用いるのが好ましい。
また、焼入れ工程の急冷は、圧縮空気と浄水を用いた噴霧装置４によって鋼帯２をＭｓ点を超えて３５０℃以下に冷却する第一冷却工程の後、鋼帯を挟みこむように水冷定盤５で拘束し、形状を矯正しながらＭｓ点以下に冷却する第二冷却工程を行ってマルテンサイト組織とするのが好ましい。冷却を二段階とするのは、第一冷却工程でパーライトノーズを避けつつ、且つ、鋼帯２の焼入れ時に生じる歪を軽減し、次の第二冷却工程中でマルテンサイト変態を行わせつつ、鋼帯２の形状を整えることができるためである。 本実施形態で用いる水冷定盤５は水により冷却しつつ、更に、複数個を連続して配置することが好ましい。これは、水冷定盤内で拘束する時間を長くすることができるため、より確実にＭｓ点以下まで冷却することができるため、鋼帯２の変形の防止や矯正をより確実に行うことが期待できるためである。

（焼戻し工程）
焼き入れ工程後、非酸化性ガス雰囲気の焼戻し炉６にて鋼帯を焼戻し、鋼帯を所望の硬さに調整する。この焼戻し炉の温度は用途により所望の温度に設定することが可能である。例えばより高硬度な特性が必要な場合は、２００〜３００℃に設定することができる。またプレス加工等の形状加工性を良くするためには、３００℃〜４００℃に設定することもできる。なお、焼戻し工程における通板速度が過度に速すぎると、上述した温度範囲に到達しない可能性があるため、鋼帯が焼戻し炉の通過に要する時間をＭ２［ｍｉｎ］、鋼帯の板厚をｔ［ｍｍ］とした際に、Ｍ２／ｔを５〜９となるように設定することが好ましい。

（巻取り工程）
焼戻し工程後、巻取り機７によって巻取ることにより、脱炭を発生させることなく所望の硬さを有するマルテンサイト系ステンレス鋼帯を得ることができる。
本発明では、前述したように、巻出し工程から巻取り工程までの各工程をコイルから巻
き出した鋼帯を再びコイルに巻き取るまでを連続で行うことが可能なため、高い生産性を有する。

まず幅が約３００ｍｍであり、厚さが０．１５ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３５ｍｍである三種類のマルテンサイト系ステンレス鋼帯を用意した。組成を表１に示す。用意した鋼帯を巻出し機１にセットし、鋼帯を巻出し機より巻き出し、巻き出された鋼帯を、アルゴンガス雰囲気とした焼入れ炉に通板した。焼入れ炉は昇温部３Ａと保持部３Ｂと降温部３Ｃとから構成され、昇温部３Ａの設定加熱温度を保持部の温度以下で、かつ８００℃〜１０４０℃の範囲内で、保持部に向かって徐々に設定加熱温度が高くなるように設定し、保持部３Ｂの温度を１０４０〜１１００℃に設定し、降温部３Ｃの温度を９５０〜１０４０℃に設定した。尚、この設定加熱温度の一例として、昇温部３Ａは、昇温部の入側から出側にかけて、３段階（８００〜８９０℃、９００〜９７０℃、９８０〜１０３０℃）の設定加熱温度とした。鋼帯が焼入れ炉の通過に要する時間（焼入れ炉３の昇温部３Ａに入って、降温部３Ｃを出るまでの時間）をＭ１［ｍｉｎ］、鋼帯の板厚をｔ［ｍｍ］とした際のＭ１／ｔが約６になるようにそれぞれ鋼帯の通板速度を調整した。続いて、焼入れ炉の出側に設置された冷却液噴霧装置４により、鋼帯に純水を噴霧して１次冷却を行い、鋼帯を２９０〜３５０℃まで冷却した後、水冷定盤５で押圧する２次冷却工程を行い、１００℃以下まで冷却した。その後、鋼帯をアルゴンガス雰囲気とした焼戻し炉６に、鋼帯が焼戻し炉の通過に要する時間をＭ２［ｍｉｎ］、鋼帯の板厚をｔ［ｍｍ］とした際のＭ２／ｔが約７になるように通板速度を調整して通板した。焼戻し炉の温度は２５０〜３００℃に設定して焼戻しを行い、巻取り機７によって鋼帯を巻取って本発明例のマルテンサイト系ステンレス鋼帯を作成した。ここで本発明例は鋼帯が焼入れ炉の通過に要する時間Ｍ１を１００％と規定した際、昇温部の所要時間が５０％、保持部の所要時間が３４％、降温部の所要時間が１６％となるように調整した。対して比較例のマルテンサイト系ステンレス鋼帯は、焼入れ工程時の加熱が全て保持部で構成されており、設定加熱温度は１０４０〜１１００℃であった。

次に本発明例と比較例の平坦度を調査した。平坦度の測定方法を下記に示す。上述した工程で得られたマルテンサイト系ステンレス鋼帯を長さ方向（図２のＬ方向）に４００ｍｍ、幅方向（図２のＷ方向）に５条に裁断して測定試料（長さ４００ｍｍ×幅６０ｍｍ）とした。その後得られた測定試料を水平定盤上に置き、ダイヤルゲージを用いて無作為に５箇所、幅方向の浮上り量を測定した。続いて得られた５箇所の浮上がり量のうち最大値を測定試料の幅で除し、得られた値を本実施例での平坦度とした。結果を表２に示す。表２より、０．１５ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３５ｍｍのいずれの厚さでも、本発明例は比較例より良好な平坦度を示すことが確認された。

１ 巻出し機
２ 鋼帯
３ 焼入れ炉
４ 冷却液噴霧装置
５ 水冷定盤
６ 焼戻し炉
７ 巻取り機

Claims (6)

1. 厚さ１ｍｍ以下のマルテンサイト系ステンレスの鋼帯を巻出す巻出し工程と、鋼帯を非酸化性ガス雰囲気の焼入れ炉に通板して加熱し、次いで冷却する焼入れ工程と、焼入れ後の鋼帯を、非酸化性ガス雰囲気の焼戻し炉に通板して焼戻しする焼戻し工程と、
   焼戻し後の鋼帯を巻取る巻取り工程と、を連続して行うマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法であって、
   前記焼入れ工程時の焼入れ炉は、少なくとも昇温部と保持部とを有し、
   前記昇温部は、所定の焼入れ温度をＴ（℃）とした場合、０．７Ｔ（℃）以上Ｔ（℃）未満の温度範囲内に設定され、かつ前記昇温部に鋼帯が通板される際の鋼帯の入側の設定加熱温度よりも鋼帯の出側の設定加熱温度が高く設定され、
   前記保持部は焼入れ温度Ｔ（℃）に設定され、
   前記昇温部における鋼帯の炉内滞在時間は、前記保持部における鋼帯の炉内滞在時間以上であることを特徴とする、マルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
2. 前記昇温部における鋼帯の炉内滞在時間をＴＳ、前記保持部における鋼帯の炉内滞在時間をＴＨとした場合、ＴＳ／ＴＨが１より大きく、５より小さいことを特徴とする、請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
3. 前記焼入れ工程において、前記保持部の後に、保持部の設定加熱温度未満で鋼帯を加熱する降温部を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
4. 前記降温部の所要時間は鋼帯が焼入れ炉の通過に要する時間Ｍ１の所要時間の１０〜３０％であ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帯の製造方法。
5. 前記降温部での設定加熱温度は、０．８５Ｔ（℃）以上Ｔ（℃）未満であることを特徴とする、請求項３または４に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。
6. 前記鋼帯の板厚をｔ（ｍｍ）とし、前記鋼帯が前記焼入れ炉を通過する時間をＭ１（ｍｉｎ）としたとき、Ｍ１／ｔが４以上８以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のマルテンサイト系ステンレス鋼帯の製造方法。