JP2019505667A - マルテンサイト含有鋼板の製造方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、水冷時のオーステナイトの少なくとも一部がマルテンサイトに変態する鋼板をコイル状に準備する段階と、上記鋼板コイルを、鋼板の微細組織の少なくとも一部がオーステナイトとなるように加熱する段階と、上記のように加熱された上記鋼板コイルを巻き戻し、３００ｍｐｍ以上の移送速度で鋼板を移送させながら５００℃／ｓ以上の冷却速度で水冷することで、上記オーステナイトの少なくとも一部をマルテンサイトに変態させる段階と、を含むマルテンサイト含有鋼板の製造方法及び装置に関するものである。

Description

本発明は、自動車構造用鋼に用いられるマルテンサイト含有鋼板の製造方法及び装置に関するものであって、より詳細には、バッチ式で加熱し、連続式で冷却することでマルテンサイト含有鋼板を製造する方法及び装置に関するものである。
軽量化に伴い、高燃費及び厳格な安全規制を満たすために、高強度の自動車構造用鋼に対する需要が増加している。
一般に、高強度鋼を製造するためには、非鉄金属や希土類などの合金元素を添加する。
しかし、合金元素を添加する場合には、製造コストが上昇し、製造効率性及び製品加工性（例えば、溶接性）が悪くなるなどという問題がある。
かかる理由から、合金成分を最小限にするとともに、熱処理工程で急速冷却することで鋼の強度を向上させるための試みがなされている。
かかる急速冷却方法の一例としては焼入れ（Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を利用した方法が挙げられる。
一般に、焼入れ冷却方法は、鋼板１ｍｍの場合、例えば、毎秒１０００℃の冷却速度で鋼板を冷却することができる方法である。
上記焼入れ冷却工程では、冷却水が保存された焼入れ冷却槽を用いることになる。
上記冷却槽は、冷却水を一定の温度に維持するための冷却器と、冷却速度を高めるためのジェット噴射装置と、を含むことができる。このように、鋼ストリップが急冷装置である冷却槽を通過しながら、要求される程度の冷却が行われる。
しかし、従来の焼入れ冷却装置で高温の鋼板を焼入れすると、鋼板の形状が悪くなるという問題があった。
例えば、鋼板は、加熱帯において８００℃以上の高温状態になり、上記鋼板を焼入れすると、１秒だけで急速に常温に冷却され、鋼板の長さ方向と幅方向の温度差が大きく発生し、その結果、熱応力が大きく発生して、鋼板が変形するようになる。
かかる問題を解決して焼入れ工程で平坦な鋼板を確保すべく、鋼板の張力を増加させたり、冷却水の水温を調節したり、焼入れ開始時点で鋼板の温度を下げたり、フェライト変態を防止するために合金成分を追加したりするなど、様々な方案が提示されてきた。
しかし、従来の技術によって高温の鋼板を焼入れ（急冷）して良好な平坦度を得るには限界があるのが実情である。
一方、鋼板を熱処理する工程にはバッチ（Ｂａｔｃｈ）型と連続型がある。鋼板をコイル状に加熱及び冷却するバッチ型には冷却速度が遅く、鋼板を移動させながら加熱及び冷却する連続型には熱処理設備が大きいという特徴がある。
一般に、上記連続型は大量生産に有利であり、上記バッチ型は連続型に比べて少量生産に有利である。
本発明の目的は、バッチ式で加熱し、連続式で冷却することで、形状変形が少ないマルテンサイト含有鋼板をより経済的に製造する方法を提供することである。
本発明の他の目的は、バッチ式で加熱し、連続式で冷却することで、形状変形が少ないマルテンサイト含有鋼板をより経済的に製造する装置を提供することである。
本発明の好ましい一側面は、水冷時のオーステナイトの少なくとも一部がマルテンサイトに変態する鋼板をコイル状に準備する段階と、上記鋼板コイルを、鋼板の微細組織の少なくとも一部がオーステナイトとなるように加熱する段階と、上記のように加熱された上記鋼板コイルを巻き戻し、３００ｍｐｍ以上の移送速度で鋼板を移送させながら５００℃／ｓ以上の冷却速度で水冷することで、上記オーステナイトの少なくとも一部をマルテンサイトに変態させる段階と、を含むマルテンサイト含有鋼板の製造方法に関するものである。
上記水冷時の水冷終了温度はＭｓ（マルテンサイト変態開始温度）以下１５０℃以上であることが好ましい。
本発明の好ましい他の一側面は、鋼板をコイル状に加熱する加熱炉と、加熱されたコイルを巻き戻すペイオフリールと、コイルから巻き戻されて移送される加熱後の鋼板を冷却する冷却装置と、冷却された鋼板を巻くコイラと、を含むマルテンサイト含有鋼板の製造装置に関するものである。
上記冷却装置は、鋼板の冷却時に５００℃／ｓ以上の冷却速度を与えるように構成されることができる。
上記冷却装置は、加熱された鋼板を冷却する冷却液が保存される冷却槽と、上記冷却液を上記鋼ストリップに向かってジェット噴射するように備えられる冷却帯と、を含むことができる。
上記ペイオフリールと冷却装置との間、及び冷却装置とコイラとの間には、鋼板を案内する案内ローラを含ませることができる。
本発明の好ましい一側面によると、設備の大きさを減らすとともに、マルテンサイト鋼の製造に必要な冷却速度を満たして設備コストを最小限に抑えることができるだけでなく、加熱と冷却を分離することにより、冷却工程で鋼ストリップの移送速度を高めて５００℃／ｓ以上の速い速度で冷却を行っても、鋼ストリップの長さ方向の温度勾配の変化を最小限に抑えることで熱応力を減少させ、鋼ストリップの形状変形を最小化することができる。
本発明に符合するマルテンサイト含有鋼板の製造装置の一例を示す概略図である。
本発明は、設備投資及び運用の面で有効であるだけでなく、鋼板の急速冷却時の鋼板の長さ方向における熱応力の集中を分散して最小限に抑えることで、鋼ストリップの形状変形を最小限にするマルテンサイト含有鋼板の製造方法及び装置を提供する。
本発明の好ましい一側面によるマルテンサイト含有鋼板を製造するためには、水冷時のオーステナイトの少なくとも一部がマルテンサイトに変態する鋼板をコイル状に準備する。
上記鋼板としては、加熱時の微細組織の少なくとも一部がオーステナイトとなり、水冷時のオーステナイトの少なくとも一部がマルテンサイトに変態する鋼板であれば十分であり、特に限定されるものではない。
本発明に好適に適用することができる鋼板としては、マルテンサイト鋼板、デュアルフェイス鋼板、コンプレックスフェイス鋼板などを挙げることができる。
鋼板の一例は、炭素：０．０５〜０．４重量％、ケイ素：２重量％以下、マンガン：３重量％以下（０％を含む）、リン：０．０５重量％以下、硫黄：０．０２重量％以下、残部Ｆｅ及びその他の不純物を含む鋼板であることができる。
上記鋼板は、特に限定されるものではないが、例えば、熱延鋼板または冷延鋼板であることができる。
次に、上記のように用意された鋼板コイルを鋼板の微細組織の少なくとも一部がオーステナイトとなるように加熱する。
上記鋼板の加熱条件は、製造しようとする鋼板に応じて適切に制御することができる。
例えば、微細組織の全体をマルテンサイトに変態させるためには、鋼板の微細組織がすべてオーステナイトとなるように加熱すればよい。
鋼板を加熱するとき、加熱温度は７００〜９００℃、加熱雰囲気は還元性雰囲気が好ましい。上記還元性雰囲気としては、窒素９０〜９８体積％、水素２〜１０体積％であることができる。加熱方式としては、特に限定されるものではないが、例えば、輻射加熱炉、ラジアントチューブまたはマッフル型加熱炉の方式などが挙げられる。
加熱時間は、コイル幅６００〜１４００ｍｍの場合を例に挙げると、２０〜８０時間であることができる。
上記のように加熱された鋼板コイルを巻き戻して３００ｍｐｍ以上の移送速度で鋼板を移送させながら５００℃／ｓ以上の冷却速度で水冷し、上記オーステナイトの少なくとも一部をマルテンサイトに変態させることで、マルテンサイト含有鋼板を製造する。
鋼板の移送速度が３００ｍｐｍ未満の場合には、温度勾配及び熱応力の減少が従来の連続焼鈍方法に比べて不十分であることが原因で形状の改善効果が小さいという問題がある。
鋼板の移送速度は、速ければ速いほどよいが、速すぎる場合には、蛇行制御及び設備管理が難しいため、その上限は８００ｍｐｍに限定することが好ましい。
より好ましい鋼板の移送速度は４００〜６００ｍｐｍである。
上記鋼板の冷却速度が５００℃／ｓ未満の場合には、膜沸騰領域における冷却ばらつきが増加して、鋼板の形状が悪くなるという問題がある。
一方、冷却速度が速すぎる場合には、温度勾配及び熱応力が増加して、鋼板の形状が悪くなるという問題があるため、その上限は２０００℃／ｓに限定することが好ましい。より好ましい鋼板の冷却速度は５００〜１５００℃／ｓであり、最も好ましい鋼板の冷却速度は８００〜１２００℃／ｓである。
上記水冷時の水冷終了温度は、Ｍｓ（マルテンサイト変態開始温度）以下であれば、特に限定されるものではなく、例えば、常温であることができる。
自己焼戻しを目的とする場合、上記水冷時の水冷終了温度は、Ｍｓ（マルテンサイト変態開始温度）以下１５０℃以上であることが好ましい。
上記のように、水冷時の水冷終了温度をＭｓ以下１５０℃以上とすると、自己焼戻しとなって、別の焼戻し工程を行うことなく、伸びを向上させ、鋼ストリップ表面の残留水を蒸発させることでスケールの形成を防止することができる。
以下、本発明に符合するマルテンサイト含有鋼板の製造装置の一例について図１を参照して説明する。
図１に示すように、本発明に符合するマルテンサイト含有鋼板の製造装置１００は、鋼板をコイル１０の形状に加熱する加熱炉１と、加熱されたコイル１０を巻き戻すペイオフリール２と、コイルから巻き戻されて移送される加熱後の鋼板を冷却する冷却装置３と、冷却された鋼板を巻くコイラ４と、を含む。
上記冷却装置３は、加熱された鋼板を冷却する冷却液が保存される冷却槽３１と、上記冷却液を上記鋼ストリップに向かってジェット噴射するように備えられる冷却帯３２と、を含むことができる。
上記冷却装置３は、鋼板の冷却時に５００℃／ｓ以上の冷却速度を与えるように構成されることができる。
上記ペイオフリール２と冷却装置３との間、及び冷却装置３とコイラ４との間に、鋼板を案内する案内ローラ５ａ、５ｂを含ませることができる。
図１において、説明されていない図面符号６は移送台車を示し、図面符号１１は加熱炉扉を示し、図面符号３３は冷却槽ローラを示す。
図１のマルテンサイト含有鋼板の製造装置１００を使用してマルテンサイト含有鋼板を製造する方法について説明する。
まず、加熱する鋼板コイル１０を移送台車６にクレーンなどを用いて引き上げる。
コイルを載せた移送台車６が加熱炉１に移動する。コイル１０がペイオフリール２に差し込まれると、移送台車６は加熱炉１から出られる。
次に、鋼板を、案内ローラ５ａ、冷却槽ローラ３３、案内ローラ５ｂ、コイラ４まで接続する。または、既に接続された鋼板に、ペイオフリール２に新たに差し込んだコイル１０の鋼板を溶接して接続する。
その後、加熱炉扉１１を閉めてコイル１０を加熱する。
例えば、加熱温度は７００〜９００℃であり、内部は還元性雰囲気として、窒素９０〜９８体積％、水素２〜１０体積％であることができる。
加熱炉１は、特に限定されるものではなく、輻射加熱炉、ラジアントチューブまたはマッフル型加熱炉の方式などが挙げられる。
加熱時間は、コイル幅６００〜１４００ｍｍの場合、２０〜８０時間である。
コイルの内部まで必要な温度に達すると、ペイオフリール２とコイラ４を稼動して、鋼板が冷却装置３の冷却槽３１を通過するようにする。冷却槽３１は、冷却のための冷媒として水が満たされている。また、冷却槽中に鋼ストリップの前面／背面に冷媒を噴射する冷却帯３２が設けられ、５００℃／ｓ以上の速度で鋼板を冷却する。
冷却時に鋼板の移送速度は、一般の連続焼鈍工程における移送速度２００ｍｐｍよりも１．５倍速い３００ｍｐｍ以上であればよく、好ましくは２〜３倍の４００〜６００ｍｐｍであればよい。
これにより、一般の連続熱処理工程では、例えば、焼入れ急冷時に鋼ストリップの温度勾配が３００℃／ｍであるが、本発明では１５０〜１００℃／ｍに減少するため熱応力も減少する。数値解析結果、速度が２倍に増加すると熱応力は３分の１に減少する。したがって、冷却速度が一般の連続焼鈍焼入れ工程における冷却速度１０００℃／ｓと同一であるにも拘らず、鋼板の形状が良好であり得る。一方、冷却時の鋼ストリップの移送速度が速いため、コイル全体を冷却するのにかかる時間は約４分程度と短い。

Claims (11)

  1. 水冷時のオーステナイトの少なくとも一部がマルテンサイトに変態する鋼板をコイル状に準備する段階と、
    前記鋼板コイルを、鋼板の微細組織の少なくとも一部がオーステナイトとなるように加熱する段階と、
    前記のように加熱された前記鋼板コイルを巻き戻し、３００ｍｐｍ以上の移送速度で鋼板を移送させながら５００℃／ｓ以上の冷却速度で水冷することで、前記オーステナイトの少なくとも一部をマルテンサイトに変態させる段階と、を含む、マルテンサイト含有鋼板の製造方法。
  2. 前記鋼板の移送速度は３００〜８００ｍｐｍである、請求項１に記載のマルテンサイト含有鋼板の製造方法。
  3. 前記水冷時の水冷終了温度はＭｓ（マルテンサイト変態開始温度）以下である、請求項１または２に記載のマルテンサイト含有鋼板の製造方法。
  4. 前記水冷時の水冷終了温度はＭｓ（マルテンサイト変態開始温度）以下１５０℃以上である、請求項１または２に記載のマルテンサイト含有鋼板の製造方法。
  5. 前記鋼板の冷却速度は８００〜１２００℃／ｓである、請求項１に記載のマルテンサイト含有鋼板の製造方法。
  6. 前記鋼板は、マルテンサイト鋼板、デュアルフェイス鋼板、及びコンプレックスフェイス鋼板のいずれかである、請求項１に記載のマルテンサイト含有鋼板の製造方法。
  7. 前記鋼板は、炭素：０．０５〜０．４重量％、ケイ素：２重量％以下、マンガン：３重量％以下（０％を含む）、リン：０．０５重量％以下、硫黄：０．０２重量％以下、残部Ｆｅ及びその他の不純物を含む、請求項１に記載のマルテンサイト含有鋼板の製造方法。
  8. 鋼板をコイル状に加熱する加熱炉と、
    加熱されたコイルを巻き戻すペイオフリールと、
    コイルから巻き戻されて移送される加熱後の鋼板を冷却する冷却装置と、
    冷却された鋼板を巻くコイラと、を含む、マルテンサイト含有鋼板の製造装置。
  9. 前記冷却装置は、鋼板の冷却時に５００℃／ｓ以上の冷却速度を与えるように構成される、請求項８に記載のマルテンサイト含有鋼板の製造装置。
  10. 前記冷却装置は、加熱された鋼板を冷却する冷却液が保存される冷却槽と、前記冷却液を鋼ストリップに向かってジェット噴射するように備えられる冷却帯と、を含む、請求項８に記載のマルテンサイト含有鋼板の製造装置。
  11. 前記ペイオフリールと冷却装置との間、及び冷却装置とコイラとの間には、鋼板を案内する案内ローラが備えられる、請求項８に記載のマルテンサイト含有鋼板の製造装置。
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