JP2023064473A - 鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】複雑な形状を得るように切断しても優れたレーザー切断性を有し、且つCu、Ni、Cr、Mo、Nb、VおよびTiから選択される1種以上のような高価な添加元素を含有しない鋼板およびその製造方法を提供する。【解決手段】C:0.10質量%以上0.20質量%以下、Si:0.30質量%以上0.60質量%以下、Mn:0.30質量%以上1.50質量%以下、P:0.030質量%以下(0質量%を含む)、S:0.010質量%以下(0質量%を含む)、Al:0.005質量%以上0.050質量%以下、N:0.006質量%以下(0質量%を含む)、を含有し、残部がFeおよび不可避不純物から成り、Si含有量およびMn含有量が(1)式を満足し、表面に厚さ10μm以上60μm以下のスケール層を有し、界面凹凸指数が1.33以上である鋼板である。0.29≦[Si]/√[Mn](1)【選択図】図2
Description
本開示は、鋼板およびその製造方法に関し、とりわけレーザー切断により所望の形状に加工できる鋼板およびその製造方法に関する。
造船、建築、産業機械、橋梁をはじめとする鋼構造物には厚鋼板等の鋼板が多量に用いられている。このような構造物の多くは、鋼板を所定の形状に切断し、これらを溶接等により組み合わせて製造されている。鋼板の切断方法として、ガス切断、プラズマ切断およびレーザー切断が用いられている。これらの中でもレーザー切断は熱影響部が小さい、および加工精度に優れるという特徴を有している。また、近年では、高出力のレーザー切断機の実用化により、板厚がより大きい鋼板の切断においてもレーザー切断を適用できるようになっている。このため、鋼板の切断においてレーザー切断は従来以上に幅広く用いられるようになっている。
厚鋼板に代表される多くの鋼板では、スラブを熱間圧延する工程で大気によって酸化されて、その表面にスケール(酸化物被膜)が形成されている。スケールは、レーザースポット部における鋼の過度な温度上昇を抑制する効果を持つことから良好なレーザー切断性を得ることに寄与する。従って、表面にスケールを有する鋼板のレーザー切断においては、スケールが鋼板表面で剥離している、または切断時にレーザーによってスケールが剥離するといった事象が生ずると、鋼板を切断できない、または切断面にえぐられたような異常切断部であるノッチもしくはコーナー部および切込み部の入熱過剰に起因するセルフバーニングといった切断不良が発生することにより安定的な切断ができない場合がある。すなわち、レーザー切断性向上にはスケールの密着性が不可欠である。
そこで安定したレーザー切断性を得るべく、スケールの密着性を改善させた鋼板が開発されている。
特許文献1は、スケール厚さおよびスケール組成を制御し、スケールと地鉄(鋼部)との密着性を向上させた厚鋼板を開示している。
特許文献2は、スケール厚さおよびスケール中のFe-Si酸化物層の厚さ等を制御し、スケールと地鉄との密着性を向上させた厚鋼板を開示している。
特許文献3もまたスケール厚さおよびスケール組成を制御し、スケールと地鉄との密着性を向上させた鋼板を開示している。
特許文献1は、スケール厚さおよびスケール組成を制御し、スケールと地鉄(鋼部)との密着性を向上させた厚鋼板を開示している。
特許文献2は、スケール厚さおよびスケール中のFe-Si酸化物層の厚さ等を制御し、スケールと地鉄との密着性を向上させた厚鋼板を開示している。
特許文献3もまたスケール厚さおよびスケール組成を制御し、スケールと地鉄との密着性を向上させた鋼板を開示している。
しかし、レーザー切断を用いてより複雑な形状に切断しようとすると鋼板表面における切断溝幅が拡大し、鋼板裏面にドロスの付着の見られるセルフバーニングが発生し易くなるという問題がある。そして特許文献1~3に記載の鋼板を用いても、複雑な形状にレーザー切断する際に発生するセルフバーニングを十分に抑制できず、優れたレーザー切断性を得ることができない虞がある。また、特許文献1~3の多くの実施例にも見られるように、レーザー切断性の向上を目的にスケールと地鉄との密着性を高めた従来の鋼板は、Cu、Ni、Cr、Mo、Nb、VおよびTiから選択される1種以上のような高価な添加元素を含んでおり、コストが上昇するという問題があった。
本開示は、このような状況を鑑みてなされたものであり、複雑な形状を得るように切断しても優れたレーザー切断性を有し、且つCu、Ni、Cr、Mo、Nb、VおよびTiから選択される1種以上のような高価な添加元素を含有しない鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の態様1は、C:0.10質量%以上0.20質量%以下、Si:0.30質量%以上0.60質量%以下、Mn:0.30質量%以上1.50質量%以下、P:0.030質量%以下(0質量%を含む)、S:0.010質量%以下(0質量%を含む)、Al:0.005質量%以上0.050質量%以下、N:0.0060質量%以下(0質量%を含む)、を含有し、残部がFeおよび不可避不純物から成り、Si含有量およびMn含有量が下記(1)式を満足し、表面に厚さ10μm以上60μm以下のスケール層を有し、下記(2)式で定義される界面凹凸指数が1.33以上である鋼板である。
0.29≦[Si]/√[Mn] (1)
ここで[Si]および[Mn]は、それぞれ、質量%で示したSiおよびMnの含有量である。
界面凹凸指数=((地鉄とスケール層との界面接触長さ)/(地鉄とスケール層との界面の直線長さ))2 (2)
0.29≦[Si]/√[Mn] (1)
ここで[Si]および[Mn]は、それぞれ、質量%で示したSiおよびMnの含有量である。
界面凹凸指数=((地鉄とスケール層との界面接触長さ)/(地鉄とスケール層との界面の直線長さ))2 (2)
本発明の態様2は、C:0.10質量%以上0.20質量%以下、Si:0.30質量%以上0.60質量%以下、Mn:0.30質量%以上1.50質量%以下、P:0.030質量%以下(0質量%を含む)、S:0.010質量%以下(0質量%を含む)、Al:0.005質量%以上0.050質量%以下、N:0.0060質量%以下(0質量%を含む)、を含有し、残部がFeおよび不可避不純物から成り、Si含有量およびMn含有量が下記(1)式を満足する鋼材を準備する工程と、前記鋼材を1000℃以上1250℃以下の温度に加熱した後、熱間圧延を行う工程であって、高圧水によるデスケーリングを1回以上実施し、最後のデスケーリングから少なくとも3パス以上の圧延を実施すること、および前記最後のデスケーリングを実施した後の最初の圧延パスから最後の圧延パスまでの各パスにおける圧下率の和である最終デスケーリング後の累積圧下率を80.0%以上とし、且つ仕上圧延温度を870℃以上とすることを含む熱間圧延を行う工程と、を含む、表面に厚さ10μm以上60μm以下のスケール層を有し、下記(2)式で定義される界面凹凸指数が1.33以上である鋼板の製造方法である。
0.29≦[Si]/√[Mn] (1)
ここで[Si]および[Mn]は、それぞれ、質量%で示したSiおよびMnの含有量である。
界面凹凸指数=((地鉄とスケール層との界面接触長さ)/(地鉄とスケール層との界面の直線長さ))2 (2)
0.29≦[Si]/√[Mn] (1)
ここで[Si]および[Mn]は、それぞれ、質量%で示したSiおよびMnの含有量である。
界面凹凸指数=((地鉄とスケール層との界面接触長さ)/(地鉄とスケール層との界面の直線長さ))2 (2)
本発明の1つの実施形態によれば、複雑な形状を得るように切断しても優れたレーザー切断性を有し、且つCu、Ni、Cr、Mo、Nb、VおよびTiから選択される1種以上のような高価な添加元素を含有しない鋼板およびその製造方法を提供することが可能である。
本発明者らは、スケールの密着性を向上させるべく鋭意検討した結果、スケール層の厚さを所定の範囲内とし、さらに地鉄とスケース層との界面の直線長さに対する地鉄とスケール層との界面の接触長さの比の二乗である界面凹凸指数を所定の値以上とすることでレーザー切断性を向上できることを見出した。高価な添加元素を用いることなく、界面凹凸指数を所定の値以上にするために、組成について個々の元素を所定の範囲内とすることに加えて、Mn含有量の平方根に対するSi含有量の比率を所定の値以上とする。そして、このような組成の鋼材を用いて、制御した条件でデスケーリング、すなわち熱間圧延中に少なくとも一度のデスケーリングを行うとともに、最終のデスケーリングを行った後の圧延パス数および累積圧下率を所定の値以上とし、且つ仕上圧延温度を所定の温度以上とすることで上述の所定の界面凹凸指数を達成できることを見出し本発明の実施形態に係る鋼板に至った。
以下に、本発明の実施形態の詳細を示す。
以下に、本発明の実施形態の詳細を示す。
<1.化学成分組成>
本発明の実施形態に係る鋼板は、C:0.10質量%以上0.20質量%以下、Si:0.30質量%以上0.60質量%以下、Mn:0.30質量%以上1.50質量%以下、P:0.030質量%以下(0質量%を含む)、S:0.010質量%以下(0質量%を含む)、Al:0.005質量%以上0.050質量%以下、N:0.060質量%以下(0質量%を含む)、を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる。さらに、Si含有量およびMn含有量が下記(1)式を満足する。
0.29≦[Si]/√[Mn] (1)
ここで [Si]および[Mn]は、それぞれ、質量%で示したSiおよびMnの含有量である。
以下、各元素の含有量および(1)式について詳述する。
本発明の実施形態に係る鋼板は、C:0.10質量%以上0.20質量%以下、Si:0.30質量%以上0.60質量%以下、Mn:0.30質量%以上1.50質量%以下、P:0.030質量%以下(0質量%を含む)、S:0.010質量%以下(0質量%を含む)、Al:0.005質量%以上0.050質量%以下、N:0.060質量%以下(0質量%を含む)、を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる。さらに、Si含有量およびMn含有量が下記(1)式を満足する。
0.29≦[Si]/√[Mn] (1)
ここで [Si]および[Mn]は、それぞれ、質量%で示したSiおよびMnの含有量である。
以下、各元素の含有量および(1)式について詳述する。
〔1.化学組成〕
(C:0.10質量%以上0.20質量%以下)
Cは、鋼の強度を増加させる元素であり、所望の高強度を確保するためには、0.10質量%以上の含有を必要とする。C含有量は、好ましくは0.12質量%以上である。一方、C含有量が0.20質量%を超えると鋼板の靭性を劣化させる。C含有量は、0.18質量%を上限とするのが好ましい。
(C:0.10質量%以上0.20質量%以下)
Cは、鋼の強度を増加させる元素であり、所望の高強度を確保するためには、0.10質量%以上の含有を必要とする。C含有量は、好ましくは0.12質量%以上である。一方、C含有量が0.20質量%を超えると鋼板の靭性を劣化させる。C含有量は、0.18質量%を上限とするのが好ましい。
(Si:0.30質量%以上0.60質量%以下)
Siは界面凹凸指数を増加させ、スケール密着性を向上させる元素である。Siは内部酸化物としてFe2SiO4(ファイアライト)を形成し、鋼板のスケール成長と共に外部酸化物であるFeO/Fe2SiO4共晶化合物と合体することにより、地鉄とスケールの界面の凹凸化を促進する。この効果を十分に得て、レーザー切断時のスケール剥離抑制を図るためにSi含有量の下限を0.30質量%とする。Si含有量は、好ましくは0.33質量%以上である。一方、Si含有量が過剰であると圧延中のデスケーリング不良を招き、スケール層厚さをコントロールすることが難しくなるため、Si含有量の上限を0.60質量%とする。Si含有量は、好ましくは0.55質量%以下である。
Siは界面凹凸指数を増加させ、スケール密着性を向上させる元素である。Siは内部酸化物としてFe2SiO4(ファイアライト)を形成し、鋼板のスケール成長と共に外部酸化物であるFeO/Fe2SiO4共晶化合物と合体することにより、地鉄とスケールの界面の凹凸化を促進する。この効果を十分に得て、レーザー切断時のスケール剥離抑制を図るためにSi含有量の下限を0.30質量%とする。Si含有量は、好ましくは0.33質量%以上である。一方、Si含有量が過剰であると圧延中のデスケーリング不良を招き、スケール層厚さをコントロールすることが難しくなるため、Si含有量の上限を0.60質量%とする。Si含有量は、好ましくは0.55質量%以下である。
(Mn:0.30質量%以上1.50質量%以下)
Mnは安価に鋼板の強度を高めることができる。鋼板として十分な強度を確保するためにMnの含有量は0.30質量%以上とする。好ましくは0.35質量%以上である。一方、Mnの過剰の添加は溶接性を劣化させるとともに界面凹凸指数を減じ、レーザー切断性を劣化させる。そのためMn含有量は1.50質量%以下とする。Mn含有量は、好ましくは1.40質量%以下である。
Mnは安価に鋼板の強度を高めることができる。鋼板として十分な強度を確保するためにMnの含有量は0.30質量%以上とする。好ましくは0.35質量%以上である。一方、Mnの過剰の添加は溶接性を劣化させるとともに界面凹凸指数を減じ、レーザー切断性を劣化させる。そのためMn含有量は1.50質量%以下とする。Mn含有量は、好ましくは1.40質量%以下である。
(P:0.030質量%以下(0質量%を含む))
Pは不純物として不可避的に存在し、鋼の靭性を劣化させるため、その含有量は極力低減することが望ましい。したがってP含有量の上限は0.030質量%とする。工業的に通常用いられる製法ではP含有量を0質量%にすることは困難であり、通常は0.002質量%程度以上含まれる。なお、本明細書において「0質量%を含む」とは、意図的な添加を行わずに不純物レベル以下の含有量しか含有しない実施形態を含むことを意味する。
Pは不純物として不可避的に存在し、鋼の靭性を劣化させるため、その含有量は極力低減することが望ましい。したがってP含有量の上限は0.030質量%とする。工業的に通常用いられる製法ではP含有量を0質量%にすることは困難であり、通常は0.002質量%程度以上含まれる。なお、本明細書において「0質量%を含む」とは、意図的な添加を行わずに不純物レベル以下の含有量しか含有しない実施形態を含むことを意味する。
(S:0.010質量%以下(0質量%を含む))
SもPと同様に不純物として不可避的に存在する。S含有量が多いと鋼の靭性を劣化させ、スケール密着性を低下させるため、上限を0.010質量%とする。工業的に通常用いられる製法ではS含有量を0質量%にすることは困難であり、通常は0.001質量%程度以上含まれる。
SもPと同様に不純物として不可避的に存在する。S含有量が多いと鋼の靭性を劣化させ、スケール密着性を低下させるため、上限を0.010質量%とする。工業的に通常用いられる製法ではS含有量を0質量%にすることは困難であり、通常は0.001質量%程度以上含まれる。
(Al:0.005質量%以上0.050質量%以下)
Alは脱酸材として添加される元素である一方、0.050質量%を超えて添加するとアルミナ系非金属介在物が増加し、鋼の清浄度を低下させる。したがってAl含有量の範囲を0.005~0.050質量%とする。好ましい下限は0.010質量%であり、好ましい上限は0.045質量%である。
Alは脱酸材として添加される元素である一方、0.050質量%を超えて添加するとアルミナ系非金属介在物が増加し、鋼の清浄度を低下させる。したがってAl含有量の範囲を0.005~0.050質量%とする。好ましい下限は0.010質量%であり、好ましい上限は0.045質量%である。
(N:0.0060質量%以下(0質量%を含む))
Nも不純物として不可避的に存在するが、0.0060質量%以下であれば、溶接性および鋳片品位等に悪影響を及さない。したがってN含有量を0.0060質量%以下(0質量%を含む)とする。
Nも不純物として不可避的に存在するが、0.0060質量%以下であれば、溶接性および鋳片品位等に悪影響を及さない。したがってN含有量を0.0060質量%以下(0質量%を含む)とする。
(残部)
残部は鉄および不可避不純物である。不可避不純物としては、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素の混入が許容される。代表的な不可避不純物の例として、As、Sn、SbおよびH等を挙げることができる。
なお、例えば、PおよびSのように、通常、不可避不純物元素として取り扱われることが多いが、その組成範囲について上記のように別途規定している元素がある。このため、本明細書において、残部を構成する「不可避不純物」は、別途その組成範囲が規定されている元素を除いた概念である。
上述のように、本発明の実施形態に係る鋼板は、残部の鉄および不可避不純物以外には、C、Si、MnおよびAlしか含有していない。すなわち、Cu、Ni、Cr、Mo、Nb、VおよびTiのような高価な添加元素を含有しないという特徴を有している。なお、「添加元素を含有しない」とは、対象となる元素を意図的に添加しないという意味であり、意図して添加していないが不純物レベルで含有している状態を許容するものであることに留意されたい。
残部は鉄および不可避不純物である。不可避不純物としては、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素の混入が許容される。代表的な不可避不純物の例として、As、Sn、SbおよびH等を挙げることができる。
なお、例えば、PおよびSのように、通常、不可避不純物元素として取り扱われることが多いが、その組成範囲について上記のように別途規定している元素がある。このため、本明細書において、残部を構成する「不可避不純物」は、別途その組成範囲が規定されている元素を除いた概念である。
上述のように、本発明の実施形態に係る鋼板は、残部の鉄および不可避不純物以外には、C、Si、MnおよびAlしか含有していない。すなわち、Cu、Ni、Cr、Mo、Nb、VおよびTiのような高価な添加元素を含有しないという特徴を有している。なお、「添加元素を含有しない」とは、対象となる元素を意図的に添加しないという意味であり、意図して添加していないが不純物レベルで含有している状態を許容するものであることに留意されたい。
(Si含有量とMn含有量の関係)
上述の個々の元素の含有量の範囲を制限することに加え、Si含有量とMn含有量が以下の(1)式を満足する。発明者らは(1)式に規定するようにMn含有量の平方根に対するSi含有量の比([Si]/√[Mn])を0.29以上とすることにより詳細を後述する界面凹凸指数を十分に大きな値にまで増加させることができることを見出した。
0.29≦[Si]/√[Mn] (1)
ここで[Si]および[Mn]は、それぞれ、質量%で示したSiおよびMnの含有量である。
なお、パラメータ[Si]/√[Mn]は好ましくは0.35以上である。
上述の個々の元素の含有量の範囲を制限することに加え、Si含有量とMn含有量が以下の(1)式を満足する。発明者らは(1)式に規定するようにMn含有量の平方根に対するSi含有量の比([Si]/√[Mn])を0.29以上とすることにより詳細を後述する界面凹凸指数を十分に大きな値にまで増加させることができることを見出した。
0.29≦[Si]/√[Mn] (1)
ここで[Si]および[Mn]は、それぞれ、質量%で示したSiおよびMnの含有量である。
なお、パラメータ[Si]/√[Mn]は好ましくは0.35以上である。
以下に図1Aおよび図1Bを参照しながら、(1)式を満足することで界面凹凸指数を増加させることができるメカニズムを説明する。なお、このメカニズムは、現時点で得られている知見より発明者らが考察したものであるが本発明の技術的範囲を制限するものではないことに留意されたい。
図1Aは、スケールの生成の初期段階を示す模式断面図であり、図1Bは、スケールの生成がある程度進み内部酸化物と外部酸化物の合体が生じた状態を示す模式断面図である。スケールの生成初期段階においては、図1Aに示すように、地鉄1中にはFe2SiO4である内部酸化物2が形成され、地鉄1の表面には、外部酸化物であるFeO/Fe2SiO4共晶化合物3が形成され、さらにFeO/Fe2SiO4共晶化合物3の外側にはウスタイト(FeO)4が形成される。
図1Aは、スケールの生成の初期段階を示す模式断面図であり、図1Bは、スケールの生成がある程度進み内部酸化物と外部酸化物の合体が生じた状態を示す模式断面図である。スケールの生成初期段階においては、図1Aに示すように、地鉄1中にはFe2SiO4である内部酸化物2が形成され、地鉄1の表面には、外部酸化物であるFeO/Fe2SiO4共晶化合物3が形成され、さらにFeO/Fe2SiO4共晶化合物3の外側にはウスタイト(FeO)4が形成される。
そして、スケールの生成がさらに進むと、図1Bに示すように、成長した内部酸化物2が、FeO/Fe2SiO4共晶化合物3と合体し、スケール5(図1Bではウスタイト4、共晶化合物3および内部酸化物2を含む。)となり、地鉄1との界面に凹凸が生じる。この際に、Si含有量が十分に多いと内部酸化物2の形成および成長と、外部酸化物であるFeO/Fe2SiO4共晶化合物3との合体が促進され、この結果、地鉄1とスケール5との界面により多くの凹凸を生ずることができる。
一方酸化物中でFeサイトの一部を置換する形で存在するMnは、Oとの親和力がFeより強い。このためMn含有量を増加させると酸化物中でOの内方拡散を阻害し、内部酸化物2の成長を鈍化させ、地鉄1とスケール5との界面に凹凸が生ずるのを阻害する。従ってMn含有量は低減させることが望ましい。
以上に説明した十分なSi含有量と低減されたMn含有量の両方の状態を示すパラメータが[Si]/√[Mn]であり、(1)式を満足することで、例えば、詳細を後述する図2に模式的に示すように、地鉄1とスケール5との界面に多くの凹凸を生じさせることができ、これにより十分に大きい界面凹凸指数を得ることができる。
<2.スケール層厚さ>
スケール層が存在することでレーザー切断時の鋼の温度上昇が抑制され、これによりノッチおよびセルフバーニングといった切断不良の発生を低減する効果は、鋼板表面のスケール層の厚さが厚いほど大きい。スケール層厚さが10μm未満では十分な温度上昇抑制効果が得られないことから、スケール層厚さの下限を10μmとする。
一方で、鋼板のスケール層厚さが厚いほどレーザー切断時のスケール剥離は顕著となる。上述した組成を有していてもスケール層厚さが60μmを超えるとレーザー切断時のスケール剥離抑制は困難となるため、スケール層厚さの上限を60μmとした。このような10μm以上、60μm以上のスケール層厚さは後述する製造方法を用いることで得ることができる。スケール層厚さは、好ましくは20μm以上50μm以下であり、より好ましくは20μm以上40μm以下ある。
スケール層が存在することでレーザー切断時の鋼の温度上昇が抑制され、これによりノッチおよびセルフバーニングといった切断不良の発生を低減する効果は、鋼板表面のスケール層の厚さが厚いほど大きい。スケール層厚さが10μm未満では十分な温度上昇抑制効果が得られないことから、スケール層厚さの下限を10μmとする。
一方で、鋼板のスケール層厚さが厚いほどレーザー切断時のスケール剥離は顕著となる。上述した組成を有していてもスケール層厚さが60μmを超えるとレーザー切断時のスケール剥離抑制は困難となるため、スケール層厚さの上限を60μmとした。このような10μm以上、60μm以上のスケール層厚さは後述する製造方法を用いることで得ることができる。スケール層厚さは、好ましくは20μm以上50μm以下であり、より好ましくは20μm以上40μm以下ある。
なお、本明細書において「スケール層」は、Si添加鋼において、地鉄とウスタイト(FeO)、マグネタイト(Fe3O4)およびヘマタイト(Fe2O3)等の鉄の酸化物層(例えば、ウスタイト(FeO)、マグネタイト(Fe3O4)およびヘマタイト(Fe2O3))との界面に形成されるFeO/Fe2SiO4共晶化合物を含む。すなわち、「スケール層厚さ」は、上記の鉄の酸化物層とFeO/Fe2SiO4共晶化合物層の合計厚さを意味する。
また、鋼板においてスケール層厚さを評価する際は、鋼板の代表的な部分のスケール層厚さを評価できるように、評価するサンプルは、可能であれば、板幅方向の端部から300mm以上、長手方向(圧延方向)の端部から1000mm以上離れた部分から採取する。
また、鋼板においてスケール層厚さを評価する際は、鋼板の代表的な部分のスケール層厚さを評価できるように、評価するサンプルは、可能であれば、板幅方向の端部から300mm以上、長手方向(圧延方向)の端部から1000mm以上離れた部分から採取する。
<3.界面凹凸指数>
レーザー切断時のスケール剥離は、地鉄とスケール間の密着力に対して、切断時に発生する熱応力が大きい場合に発生すると考えられる。地鉄とスケール間の密着力はその接着面積に比例すると考えられることから、本発明者らは、地鉄とスケール間の接着面積に比例するパラメータである下記(2)式で定義される界面凹凸指数を制御することで、スケール剥離を抑制しレーザー切断性、とりわけ複雑形状を切り出す際のレーザー切断性を向上できることを見出した。この効果を十分に得るために、界面凹凸指数は1.33以上とする。界面凹凸指数は好ましくは1.40以上であり、より好ましくは1.45以上である。
界面凹凸指数=((地鉄とスケール層との界面接触長さ)/(地鉄とスケール層との界面の直線長さ))2 (2)
レーザー切断時のスケール剥離は、地鉄とスケール間の密着力に対して、切断時に発生する熱応力が大きい場合に発生すると考えられる。地鉄とスケール間の密着力はその接着面積に比例すると考えられることから、本発明者らは、地鉄とスケール間の接着面積に比例するパラメータである下記(2)式で定義される界面凹凸指数を制御することで、スケール剥離を抑制しレーザー切断性、とりわけ複雑形状を切り出す際のレーザー切断性を向上できることを見出した。この効果を十分に得るために、界面凹凸指数は1.33以上とする。界面凹凸指数は好ましくは1.40以上であり、より好ましくは1.45以上である。
界面凹凸指数=((地鉄とスケール層との界面接触長さ)/(地鉄とスケール層との界面の直線長さ))2 (2)
(2)式よりわかるように界面凹凸指数は「地鉄とスケール層との界面の直線長さ」に対する「地鉄とスケール層との界面接触長さ」の比の2乗である。図2は界面凹凸指数を求めるのに用いる「地鉄とスケール層との界面接触長さ」および「地鉄とスケール層との界面の直線長さ」を説明する模式断面図である。界面凹凸指数は、地鉄とスケール層の界面を含む断面の走査電子顕微鏡写真(SEM写真)を用いて測定する。ここで、「地鉄とスケール層との界面接触長さ」とは、図2においてジグザグ形状の直線で模式的に示した地鉄1とスケール層5との界面10のSEM写真上での長さ(総延長)である。そして、「地鉄とスケール層との界面の直線長さ」とは、図2に「L」で示したようにSEM写真において地鉄1とスケール層5との界面10の横方向の長さを意味する。
また、鋼板において界面凹凸指数を評価する際は、鋼板の代表的な部分の界面凹凸指数を評価できるように、評価するサンプルは、可能であれば板幅方向の端部から300mm以上、長手方向(圧延方向)の端部から1000mm以上離れた部分から採取する。
また、鋼板において界面凹凸指数を評価する際は、鋼板の代表的な部分の界面凹凸指数を評価できるように、評価するサンプルは、可能であれば板幅方向の端部から300mm以上、長手方向(圧延方向)の端部から1000mm以上離れた部分から採取する。
<4.製造方法>
本発明の実施形態に係る鋼板は、以下に詳細を示すように、所定の組成を有する鋳片等の鋼材を準備し、この鋼材を1000℃以上1250℃以下の温度に加熱した後、熱間圧延を行う際に、高圧水によるデスケーリングを1回以上実施し、最後のデスケーリングから少なくとも3パス以上の圧延を実施すること、および最後のデスケーリングを実施した後の最初の圧延パスから最後の圧延パスまでの各パスにおける圧下率の和である「最終デスケーリング後の累積圧下率」を80.0%以上とすることに加え、仕上圧延温度を870℃以上とすることをすることで製造できる。
本発明の実施形態に係る鋼板は、以下に詳細を示すように、所定の組成を有する鋳片等の鋼材を準備し、この鋼材を1000℃以上1250℃以下の温度に加熱した後、熱間圧延を行う際に、高圧水によるデスケーリングを1回以上実施し、最後のデスケーリングから少なくとも3パス以上の圧延を実施すること、および最後のデスケーリングを実施した後の最初の圧延パスから最後の圧延パスまでの各パスにおける圧下率の和である「最終デスケーリング後の累積圧下率」を80.0%以上とすることに加え、仕上圧延温度を870℃以上とすることをすることで製造できる。
[3-1.所定の化学組成を有する鋼材の準備]
次の圧延工程で熱間圧延に供するために上述の「1.化学成分組成」に示した組成を有する鋼材を準備する。当該鋼材は厚板の熱間圧延に通常用いられる鋼材であってよい。このような鋼材として鋳片を挙げることができる。鋳片の例として、連続鋳造法を用いて得たスラブおよび鋳型を用いた造塊法で得た鋳塊を挙げることができる。必要に応じてこれらのスラブおよび鋳塊は表面処理、熱処理および加工処理等の処理を行って圧延用の鋼材としてよい。
次の圧延工程で熱間圧延に供するために上述の「1.化学成分組成」に示した組成を有する鋼材を準備する。当該鋼材は厚板の熱間圧延に通常用いられる鋼材であってよい。このような鋼材として鋳片を挙げることができる。鋳片の例として、連続鋳造法を用いて得たスラブおよび鋳型を用いた造塊法で得た鋳塊を挙げることができる。必要に応じてこれらのスラブおよび鋳塊は表面処理、熱処理および加工処理等の処理を行って圧延用の鋼材としてよい。
[3-2.圧延〕
上述の鋼材を熱間圧延する。
(加熱)
鋼材を1000℃以上1250℃以下に加熱する。鋼材中の所定の合金元素を固溶させる観点から加熱温度の下限を1000℃とする。一方、加熱温度が1250℃を超えると熱間圧延中のスケールの変形能が低下して、スケール性状を劣化させるため、加熱温度の上限1250℃とする。
上述の鋼材を熱間圧延する。
(加熱)
鋼材を1000℃以上1250℃以下に加熱する。鋼材中の所定の合金元素を固溶させる観点から加熱温度の下限を1000℃とする。一方、加熱温度が1250℃を超えると熱間圧延中のスケールの変形能が低下して、スケール性状を劣化させるため、加熱温度の上限1250℃とする。
(熱間圧延)
熱間圧延の際に高圧水によるデスケーリングを1回以上実施する。圧延中に粉状破壊したスケールがヘマタイト(Fe2O3)化することにより赤色を呈した赤スケールになると、レーザー切断性を劣化させるため、高圧水を用いたデスケーリングを1回以上実施し、生成するスケールを除去しながら圧延を実施する。デスケーリングの回数は少なくとも1回、すなわち1回のみ行ってもよく、複数回行ってもよい。高圧水として、例えば噴出圧が10MPa以上、好ましくは15MPa以上の水を用いてよい。
熱間圧延の際に高圧水によるデスケーリングを1回以上実施する。圧延中に粉状破壊したスケールがヘマタイト(Fe2O3)化することにより赤色を呈した赤スケールになると、レーザー切断性を劣化させるため、高圧水を用いたデスケーリングを1回以上実施し、生成するスケールを除去しながら圧延を実施する。デスケーリングの回数は少なくとも1回、すなわち1回のみ行ってもよく、複数回行ってもよい。高圧水として、例えば噴出圧が10MPa以上、好ましくは15MPa以上の水を用いてよい。
最終製品鋼板に形成されるスケールの性状は主に最終パスを含めた後段のパス、とりわけ最後の3パスにおいて決定する。この最終3パスのいずれか1つ以上のパスにおいてデスケーリングを実施し、鋼板の表面温度が低下すると、内部酸化物であるFe2SiO4の成長が阻害され、十分に高い界面凹凸指数が得られなくなる。したがって、上記の1回以上のデスケーリングのうち、最後のデスケーリングを行った後、少なくとも3パス以上の圧延(熱間圧延)を行う。
また、上記の最後のデスケーリングを実施した後の最初の圧延パスから最後の圧延パスまでの各パスにおける圧下率の和である最終デスケーリング後の累積圧下率を80.0%以上とする。鋼板上に生成するスケール層は、圧延中に地鉄側に押し込まれることによって界面凹凸指数を大きくする。上記の最終デスケーリング後の累積圧下率を80.0%以上とすることで界面凹凸指数を1.33以上とすることが可能である。
なお、累積圧下率は対象とする各圧延パスにおける圧下率の和であり、下記(4)式で求めた各圧延パスにおける圧下率を足すことで求めることができる。
圧下率(%)=(H0-H1)/H0×100 (4)
ここで、H0は、圧延パスの入側板厚(mm)であり、H1は圧延パスの出側板厚(mm)である。
圧下率(%)=(H0-H1)/H0×100 (4)
ここで、H0は、圧延パスの入側板厚(mm)であり、H1は圧延パスの出側板厚(mm)である。
さらに、最終パスでの圧延温度、すなわち仕上圧延温度を870℃以上とする。低温でデスケーリングを実施せず圧延した場合、スケール層が粉状破壊され赤スケールとなることから最終パスにおける圧延温度を870℃以上とする。これにより、得られる鋼板のスケール層厚さを10μm以上60μm以下とすることができる。
なお、圧延後の冷却は、圧延時に形成されたスケール層の剥離をより確実に抑制するために例えば300℃またはそれより低い温度まで空冷により冷却することが好ましい。本発明における空冷とは、圧延後の鋼板を大気中に放置し、周囲の大気により抜熱されることによる冷却を意味する。季節による冷却速度の変化が起こりえるが、本発明には影響しない。
また、圧延後の鋼板へ熱処理を施した場合、鋼板表面が加熱されることにより発生する熱応力により圧延時に形成されたスケール層が剥離する場合があるため、熱間圧延後に熱処理を実施しないことが好ましい。
また、圧延後の鋼板へ熱処理を施した場合、鋼板表面が加熱されることにより発生する熱応力により圧延時に形成されたスケール層が剥離する場合があるため、熱間圧延後に熱処理を実施しないことが好ましい。
なお、以上に説明した圧延工程の中に記載した鋼材の温度は、例えば放射温度計等の非接触温度計で測定してもよく、熱電対等の接触温度計で測定してもよい。また、シミュレーション等により確認してもよい。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前述および後述する趣旨に合致し得る範囲で、適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
1.サンプル作製
表1に示す成分組成の鋼を転炉溶製によって溶製した。これらの溶鋼を用いて連続鋳造にて鋳片(スラブ)を得た。表1にはさらに(1)式に右辺である[Si]/√[Mn]の値も記載した。表1において、本発明の実施形態から外れている値には下線を付した。
表1に示す成分組成の鋼を転炉溶製によって溶製した。これらの溶鋼を用いて連続鋳造にて鋳片(スラブ)を得た。表1にはさらに(1)式に右辺である[Si]/√[Mn]の値も記載した。表1において、本発明の実施形態から外れている値には下線を付した。
得られたスラブを表2に示す加熱温度に加熱した後に、熱間圧延を行い、表2に示す板厚の鋼板サンプル(厚板)を得た。
より詳細な熱間圧延条件として、高圧水を用いたデスケーリングの回数、最終デスケーリング後の圧延パス数(すなわち、最後のデスケーリング以降の圧延パス数)、最終デスケーリング後の累積圧下率(すなわち、最後のデスケーリングを実施した後の最初の圧延パスから最後の圧延パスまでの各パスにおける圧下率の和)および仕上圧延温度を表2に示す。さらに、圧延後300℃までの冷却方法も表2に記載した。
表2において、本発明の実施形態の条件から外れる条件については下線を付した。
より詳細な熱間圧延条件として、高圧水を用いたデスケーリングの回数、最終デスケーリング後の圧延パス数(すなわち、最後のデスケーリング以降の圧延パス数)、最終デスケーリング後の累積圧下率(すなわち、最後のデスケーリングを実施した後の最初の圧延パスから最後の圧延パスまでの各パスにおける圧下率の和)および仕上圧延温度を表2に示す。さらに、圧延後300℃までの冷却方法も表2に記載した。
表2において、本発明の実施形態の条件から外れる条件については下線を付した。
上記加熱温度は事前検討により明らかにしたスラブ抽出時におけるスラブ中心平均温度であり、炉内時間(滞炉時間)は仕上圧延温度870℃を満足できる時間以上とした。仕上圧延温度は熱間圧延最終パスの直前の鋼板表面温度とし、放射温度計を用いて測定した。
2.サンプル評価
得られた鋼板サンプルについて詳細を以下に示す方法によりスケール層厚さ測定、界面凹凸指数測定およびレーザー切断性評価を行った。
得られた鋼板サンプルについて詳細を以下に示す方法によりスケール層厚さ測定、界面凹凸指数測定およびレーザー切断性評価を行った。
<スケール層厚さの測定>
各鋼板サンプルの板幅方向の端部から300mm以上、長手方向(圧延方向)の端部から1000mm以上離れた部分からスケール層厚さ測定用の試料を採取し、圧延方向に垂直な断面において幅20mmの領域が観察できるように観察面を準備し、走査型電子顕微鏡(SEM)により1000倍の倍率で反射電子像を3視野(1視野の面積:75μm×110μm以上)撮影した。
各視野において、代表的な部分のスケール層厚さを測定し、3視野の測定値の平均値を各鋼板サンプルのスケール層厚さとした。なお、上述のように、本明細書において「スケール層」は、Si添加鋼において、ウスタイト(FeO)、マグネタイト(Fe3O4)およびヘマタイト(Fe2O3)等の鉄の酸化物層と地鉄との界面に形成されるFeO/Fe2SiO4共晶化合物を含む。そして「スケール層厚さ」は、上記の鉄の酸化物層とFeO/Fe2SiO4共晶化合物層の合計厚さを意味する。
各鋼板サンプルのスケール層厚さを表3に示す。表3に示したスケール層厚さのうち、本発明の実施形態から外れるものには下線を付した。
各鋼板サンプルの板幅方向の端部から300mm以上、長手方向(圧延方向)の端部から1000mm以上離れた部分からスケール層厚さ測定用の試料を採取し、圧延方向に垂直な断面において幅20mmの領域が観察できるように観察面を準備し、走査型電子顕微鏡(SEM)により1000倍の倍率で反射電子像を3視野(1視野の面積:75μm×110μm以上)撮影した。
各視野において、代表的な部分のスケール層厚さを測定し、3視野の測定値の平均値を各鋼板サンプルのスケール層厚さとした。なお、上述のように、本明細書において「スケール層」は、Si添加鋼において、ウスタイト(FeO)、マグネタイト(Fe3O4)およびヘマタイト(Fe2O3)等の鉄の酸化物層と地鉄との界面に形成されるFeO/Fe2SiO4共晶化合物を含む。そして「スケール層厚さ」は、上記の鉄の酸化物層とFeO/Fe2SiO4共晶化合物層の合計厚さを意味する。
各鋼板サンプルのスケール層厚さを表3に示す。表3に示したスケール層厚さのうち、本発明の実施形態から外れるものには下線を付した。
<界面凹凸指数の測定>
上記の「スケール層厚さの測定」で用いた、各鋼板サンプルの倍率1000倍の反射電子像3視野を用いて、図2を参照して上記に説明した地鉄とスケール層との界面接触長さおよび地鉄とスケール層との界面の直線長さを測定し、(2)式を用いて各視野の界面凹凸指数を求めた。そして、3視野の界面凹凸指数の平均値を各鋼板サンプルの界面凹凸指数とした。
各鋼板サンプルの界面凹凸指数を表3に示す。表3に示した界面凹凸指数のうち、本発明の実施形態から外れるものには下線を付した。
上記の「スケール層厚さの測定」で用いた、各鋼板サンプルの倍率1000倍の反射電子像3視野を用いて、図2を参照して上記に説明した地鉄とスケール層との界面接触長さおよび地鉄とスケール層との界面の直線長さを測定し、(2)式を用いて各視野の界面凹凸指数を求めた。そして、3視野の界面凹凸指数の平均値を各鋼板サンプルの界面凹凸指数とした。
各鋼板サンプルの界面凹凸指数を表3に示す。表3に示した界面凹凸指数のうち、本発明の実施形態から外れるものには下線を付した。
<レーザー切断性評価>
6kW-CO2レーザー切断機を使用してレーザー切断性をテストした。各鋼板サンプルから長さ300mm×幅200mmのサイズに切り出したレーザー切断性評価用サンプルを準備する。尚、サンプルの表面状態は黒皮ままとする。図3は、レーザー切断部分を示す模式平面図である。図3に示すようにレーザー切断は、レーザー切断性評価用サンプル100において、ピアシング位置Aから長さ方向(図3の縦方向)に120mm進み、次いで方向を変えて幅方向(図3の横方向)に20mm進み、次いで方向を変えて長手方向に120mm戻りというように、長手方向に進むまたは戻ることを合計7回、幅方向に進むことを合計6回行って位置Bまで切断した。
この際に、図3に示すように、1回目から4回目までの方向を変える際の曲げ部を5Rとし、5回目から8回目までの方向を変える際の曲げ部を2.5Rとし、9回目から12回目までの方向を変える際の曲げ部を1Rとした。
6kW-CO2レーザー切断機を使用してレーザー切断性をテストした。各鋼板サンプルから長さ300mm×幅200mmのサイズに切り出したレーザー切断性評価用サンプルを準備する。尚、サンプルの表面状態は黒皮ままとする。図3は、レーザー切断部分を示す模式平面図である。図3に示すようにレーザー切断は、レーザー切断性評価用サンプル100において、ピアシング位置Aから長さ方向(図3の縦方向)に120mm進み、次いで方向を変えて幅方向(図3の横方向)に20mm進み、次いで方向を変えて長手方向に120mm戻りというように、長手方向に進むまたは戻ることを合計7回、幅方向に進むことを合計6回行って位置Bまで切断した。
この際に、図3に示すように、1回目から4回目までの方向を変える際の曲げ部を5Rとし、5回目から8回目までの方向を変える際の曲げ部を2.5Rとし、9回目から12回目までの方向を変える際の曲げ部を1Rとした。
レーザー切断条件は板厚に応じて以下の通りとした。
板厚16mm:出力3.80kW、周波数850Hz、デューティ78%、切断速度880mm/分
板厚19mm:出力4.25kW、周波数850Hz、デューティ78%、切断速度820mm/分
板厚25mm:出力4.50kW、周波数850Hz、デューティ82%、切断速度650mm/分
板厚16mm:出力3.80kW、周波数850Hz、デューティ78%、切断速度880mm/分
板厚19mm:出力4.25kW、周波数850Hz、デューティ78%、切断速度820mm/分
板厚25mm:出力4.50kW、周波数850Hz、デューティ82%、切断速度650mm/分
鋼板表面における切断溝幅が2mm以上に拡大しかつ裏面にドロスの付着の見られるセルフバーニングが発生したサンプルついてはレーザー切断性不良とし、表3に「×」を記載した。一方このような切断不良を生じなかったサンプルについてはレーザー切断性良好とし、表3に「〇」を記載した。
表1~表3より、次のように考察できる。
鋼板サンプルNo.1~6は、いずれも本発明の実施形態で規定する化学組成および製造条件の要件の全てを満足している。その結果、表3に示すようにスケール層厚さおよび界面凹凸指数が本発明の実施形態が規定する値を満足し、良好なレーザー切断性が得られた。
鋼板サンプルNo.1~6は、いずれも本発明の実施形態で規定する化学組成および製造条件の要件の全てを満足している。その結果、表3に示すようにスケール層厚さおよび界面凹凸指数が本発明の実施形態が規定する値を満足し、良好なレーザー切断性が得られた。
一方、鋼板サンプルNo.7~11は以下の点で本発明の実施形態に係る要件を満足していない。このため十分なレーザー切断性が得られなかった。
鋼板サンプルNo.7は、Si量が過少であり、且つ(1)式を満足していない。さらに最終デスケーリング後の累積圧下率も過小である。そして、界面凹凸指数が過小である。
鋼板サンプルNo.7は、Si量が過少であり、且つ(1)式を満足していない。さらに最終デスケーリング後の累積圧下率も過小である。そして、界面凹凸指数が過小である。
鋼板サンプルNo.8は、Si量が過少であり、且つ(1)式を満足していない。最終デスケーリング後の累積圧下率も過小である。そして、界面凹凸指数が過小である。
鋼板サンプルNo.9は、Si量が過少であり、且つ(1)式を満足していない。さらに最終デスケーリング後の累積圧下率も過小である。そして、界面凹凸指数が過小である。
鋼板サンプルNo.9は、Si量が過少であり、且つ(1)式を満足していない。さらに最終デスケーリング後の累積圧下率も過小である。そして、界面凹凸指数が過小である。
鋼板サンプルNo.10は、Si量が過少であり、且つ(1)式を満足していない。さらに仕上圧延温度が低過ぎ、最終デスケーリング後の累積圧下率も過小である。そして、スケール層厚さと界面凹凸指数が過小である。
鋼板サンプルNo.11は、Si量が過少であり、且つ(1)式を満足していない。さらに仕上圧延温度が低過ぎ、最終デスケーリング後の累積圧下率も過小である。そして、界面凹凸指数が過小である。
鋼板サンプルNo.11は、Si量が過少であり、且つ(1)式を満足していない。さらに仕上圧延温度が低過ぎ、最終デスケーリング後の累積圧下率も過小である。そして、界面凹凸指数が過小である。
1 地鉄
2 内部酸化物
3 FeO/Fe2SiO4共晶化合物
4 ウスタイト(FeO)
5 スケール層
10 地鉄とスケール層との界面
100 レーザー切断性評価用サンプル
2 内部酸化物
3 FeO/Fe2SiO4共晶化合物
4 ウスタイト(FeO)
5 スケール層
10 地鉄とスケール層との界面
100 レーザー切断性評価用サンプル
Claims (2)
- C :0.10質量%以上0.20質量%以下、
Si:0.30質量%以上0.60質量%以下、
Mn:0.30質量%以上1.50質量%以下、
P :0.030質量%以下(0質量%を含む)、
S :0.010質量%以下(0質量%を含む)、
Al:0.005質量%以上0.050質量%以下、
N :0.0060質量%以下(0質量%を含む)、
を含有し、残部がFeおよび不可避不純物から成り、
Si含有量およびMn含有量が下記(1)式を満足し、
表面に厚さ10μm以上60μm以下のスケール層を有し、
下記(2)式で定義される界面凹凸指数が1.33以上である鋼板。
0.29≦[Si]/√[Mn] (1)
ここで[Si]および[Mn]は、それぞれ、質量%で示したSiおよびMnの含有量である。
界面凹凸指数=((地鉄とスケール層との界面接触長さ)/(地鉄とスケール層との界面の直線長さ))2 (2) - C :0.10質量%以上0.20質量%以下、
Si:0.30質量%以上0.60質量%以下、
Mn:0.30質量%以上1.50質量%以下、
P :0.030質量%以下(0質量%を含む)、
S :0.010質量%以下(0質量%を含む)、
Al:0.005質量%以上0.050質量%以下、
N :0.0060質量%以下(0質量%を含む)、
を含有し、残部がFeおよび不可避不純物から成り、Si含有量およびMn含有量が下記(1)式を満足する鋼材を準備する工程と、
前記鋼材を1000℃以上1250℃以下の温度に加熱した後、熱間圧延を行う工程であって、高圧水によるデスケーリングを1回以上実施し、最後のデスケーリングから少なくとも3パス以上の圧延を実施すること、および前記最後のデスケーリングを実施した後の最初の圧延パスから最後の圧延パスまでの各パスにおける圧下率の和である最終デスケーリング後の累積圧下率を80.0%以上とし、且つ仕上圧延温度を870℃以上とすることを含む熱間圧延を行う工程と、
を含む、表面に厚さ10μm以上60μm以下のスケール層を有し、下記(2)式で定義される界面凹凸指数が1.33以上である鋼板の製造方法。
0.29≦[Si]/√[Mn] (1)
ここで[Si]および[Mn]は、それぞれ、質量%で示したSiおよびMnの含有量である。
界面凹凸指数=((地鉄とスケール層との界面接触長さ)/(地鉄とスケール層との界面の直線長さ))2 (2)
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