JP3451882B2 - 肌あれを生じないステンレス鋼の焼鈍方法 - Google Patents

肌あれを生じないステンレス鋼の焼鈍方法

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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、ステンレス鋼の焼
鈍に関し、とくに焼鈍時の窒化物生成に起因する表面性
状の劣化を回避することができる、肌あれを生じないス
テンレス鋼の焼鈍方法に関するものである。 【0002】 【従来の技術】従来から、ステンレス鋼板(鋼帯を含
む、以下同じ)の焼鈍には、連続焼鈍やベル型焼鈍等の
方法が採用されている。例えば、ステンレス熱延鋼板の
ベル型炉によるバッチ処理の焼鈍では、コスト、品質あ
るいは設備の能力等の面から、焼鈍雰囲気ガスとして
は、水素が数パーセント、残りが窒素の組成のものが多
用されていた。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかし、ステンレス鋼
板の焼鈍で、このように雰囲気ガスに窒素が含まれてい
ると、ある条件下になると、鋼板表面のCrが窒化し、肌
あれを生じるという問題があった。そしてこの現象は、
特に、SUS 430 系のステンレス鋼板で顕著にみられた。
すなわち、SUS 430 系の熱延鋼板の焼鈍中に鋼板表面が
窒化して、Cr2Nが発生すると、鋼板を酸洗した後で、こ
の部分が白くざらついた斑点状の「肌あれ」となってし
まう。この肌あれの部分は、そのままNo. 1仕上げとし
て製品にすることができないばかりでなく、この部分を
さらに冷間圧延しても消えることなく残るため、製品に
することができなかった。このため、いったん肌あれを
生じると、その部分は、すべて切捨てられることにな
り、歩止の低下を招いていた。 【0004】ところで、ステンレス鋼の窒化を、鋼材表
面にテンパーカラーを生じさせて防止しようとする提案
が、特開昭60−255919号公報に開示されている。しか
し、この従来技術では、テンパーカラーを確実に生成さ
せることが困難であったり、また過度にテンパーカラー
を生成したりすることがあり、窒化防止の安定性に欠
け、実用するには至っていないのが実情であった。 【0005】そこで、本発明の目的は、従来技術が抱え
ている上記問題を解決し、焼鈍時の窒化を精度よく防止
し、肌あれのないステンレス鋼を安定して製造するため
の焼鈍方法を提案することにある。 【0006】 【課題を解決するための手段】発明者らは、焼鈍時に窒
化を生じさせないためには、ステンレス鋼板の表面が窒
化する前に、積極的に酸化膜を安定的に形成すれば、鋼
への窒素の侵入を阻止するうえで有効ではないかとの着
想の基に、実験を重ね、発明を完成するに至った。すな
わち、本発明は、窒素ガスを含む雰囲気中で、ステンレ
ス鋼を焼鈍するにあたり、予め、肌あれを生じさせない
ための最低の酸化力ΔGを下記式に基づいて求め、この
ΔGよりも大きい酸化力になるように、焼鈍温度、ガス
組成および露点を焼鈍中、継続して制御して、焼鈍する
ことを特徴とする肌あれを生じないステンレス鋼の焼鈍
方法である。 ΔG=−120990+26.42T+RT{lnP H2 −2/3 ln a Cr
(41000/R)(1/DP−1/373)} ここで、T:温度[K] R:気体定数=8.31J/molK H2 :H 2 分圧[−] Cr :Crの活量[−] DP:露点[K] 【0007】 【発明の実施の形態】発明者らは、白くざらついた肌あ
れの正体は、鋼板表面で、ステンレス鋼中のCrと雰囲気
中の窒素とが反応して、Cr窒化物(Cr2N)を生成したも
のであり、これが、酸洗後にマクロ的に観察すると、ざ
らついた肌あれのように見えていることを確認した。こ
のことから、肌あれを防止するためには、Crの窒化を防
止すればよいことになる。 【0008】さて、Crの窒化は、SUS 430 系の場合、大
別して2つの要因によって生成するといえる。その1つ
は、焼鈍温度が再結晶温度より過度に高くなり、2相域
に入りフェライト中にオーステナイト相が現われた場合
に、オーステナイト中に多量に固溶した窒素が、冷却過
程でフェライトに戻るとき、固溶限を超え、Cr2Nとして
鋼中に析出する。他の1つは、焼鈍雰囲気が強い還元性
雰囲気である時に、酸化反応が起こらないで窒化反応が
起きてしまうことである。これらのことから、実際の焼
鈍で鋼中Crの窒化を防止するためには、2相域を大きく
超えるような焼鈍温度では焼鈍しないことと、常にある
一定以上の酸化力になるように雰囲気ガスの組成割合
(水素濃度)、露点等を調節することが重要であると考
えられる。 【0009】図1は、SUS 430 のフェライトとオーステ
ナイトの窒素の固溶限と温度の関係を示すものである。
通常、SUS 430 の焼鈍温度は830 ℃程度であるが、約95
0 ℃位になるとオーステナイトはフェライトに比べて約
10倍以上窒素の固溶限が大きくなることがわかる。ま
た、SUS 430 は約850 ℃で2相域に入り、オーステナイ
トが現われてくる。950 ℃になると、より多量のオース
テナイトが出現し、窒素の固溶量が増して、冷却の過程
ではCr2Nとなって析出する。 【0010】上述した温度については、鋼帯の最外巻部
が、現実には、予想しないような高温になることがよく
ある。このため、鋼帯の最外巻部の異常加熱を防止する
ことが必要であり、そのためには、この位置の温度を熱
伝対にて測温しながら、過度の加熱を抑制するように温
度制御を行うこと、あるいはまた、焼鈍温度までの昇温
速度を遅くすることなど、一般的に採用されている方法
によって達成可能である。したがって、窒化防止のポイ
ントは焼鈍雰囲気にある。 【0011】さて、窒化を防止するために、焼鈍温度、
雰囲気ガス組成、露点の3つを総合的に調節して、雰囲
気ガスの酸化力をある一定以上に保つて焼鈍する方法に
ついて、以下に説明する。酸化力は、一般的にギブスの
自由エネルギーΔGで表現される。そこで、予め窒化に
よる肌あれが全く発生しないような焼鈍条件を実験的に
求めておき、このときの焼鈍条件から、酸化力ΔGl
計算しておく。次いで、実機焼鈍設備での焼鈍条件から
求められるΔGが、常にこのΔGl より小さくなるよう
に、実機での焼鈍条件を調節すればよい。ただし、焼鈍
温度は変更の自由度が比較的少ないので、特に、露点の
調節と雰囲気ガスの成分(水素、窒素の混合ガスの場合
はその水素濃度)を調節するのが望ましい。もちろん、
焼鈍開始に先立って所定の露点、水素濃度の割合にして
おいてもよい。 【0012】SUS 430 熱延鋼板のバッチ焼鈍について、
本発明法を具体的に説明する。まずCrの酸化反応の中
で、もっとも起きやすい反応を酸化力の評価に用いるこ
ととする。 (2/3)Cr +H2O =(1/3)Cr2O3+H2 …(1) (1) 式のΔGは ΔG=ΔG0 +RTln{PH2/(acr 2/3 ・PH2O )}…(2) また、 lnPH2O =−41000 /R (1/DP−1/373)…… (3) ここで、 ΔG0 :標準自由エネルギー=−120.99KJ/mol+0.0264
2 T R:気体定数=8.31J/mol k T:温度〔k〕 PH2:H2分圧〔−〕 PH2O :H2O 分圧〔−〕 acr:Crの活量=0.17〔−〕(SUS 430 の場合) DP:露点〔k〕 【0013】(2) 式を展開して(3) 式を代入すると(4)
式になる ΔG=ΔG0 +RT{lnPH2−(2/3)lnacr+(41000/R)(1/DP−1/373 ) } =−120990+26.42T+RT{lnPH2−2/3 lnacr+(41000/R)(1/DP−1/373)} ……… (4) (4) 式によって、ΔG(小さいほど酸化が起きやすく、
たいていは負の値)は、T(焼鈍温度)、PH2(水素濃
度)、DP(露点)で表わすことができ、この値が低い
ほど酸化力が強いといえる。 【0014】したがって、予備実験的に焼鈍を行い、こ
の焼鈍条件から、窒化が生じないために必要な酸化力の
最低値(ΔGl の最高値)を求めておき、求めたこの酸
化力よりも大きい酸化力になるように、すなわち (5)式
を満足するように、実機での焼鈍条件(T、PH2、D
P)を定めればよい。これら一連の制御はプロセスコン
ピューターで行うことも可能である。 ΔG≦ΔGl …… (5)式 【0015】図2に、実験室的に、窒化がまったく起こ
らなかった焼鈍条件から求めた酸化力ΔGl と同等のΔ
Gを満たす水素濃度と露点の関係を示す。この図で、黒
丸印は実験点であり、実験点を含む線上は同じ酸化力で
あることを示している。つまり、図2の線上もしくは線
より右下側の範囲で実機焼鈍すれば、窒化による肌あれ
は全く発生しないと予測される。上記領域で実機に適用
し焼鈍した結果、予測したように、肌あれはまったく見
られなかった。 【0016】図2で例示した等ΔGl を表す線は、ステ
ンレスの鋼種及び焼鈍温度によって異なるので、鋼種ご
とに、また焼鈍温度ごとに、予めこのような曲線を求め
ておき、この曲線より右下側の、酸化力が強い条件で実
焼鈍を行うようにすれば、肌あれは回避可能となる。な
お、酸化力を高めるには、温度を下げることによっても
可能であるが、焼鈍を効率よく行う上では自ずと限界が
あるので、水素濃度や露点を調整するのが好ましい。一
定温度下で酸化力を高めるには、水素濃度を小さく、あ
るいは露点を高くすることが必要である。ただし、露点
を上げすぎると、脱炭が生じたり、スケールが厚くなり
すぎるといった問題が発生することも懸念される。した
がって、本発明をより効果的に実施するためには、焼鈍
中にも露点を測定し、必要ならば、水蒸気量の調整によ
り、露点を制御して、過度の酸化力にならないようにす
るのが望ましい。 【0017】 【実施例】SUS430ステンレス熱延鋼帯(板厚3.0
mm)の焼鈍予備実験を行い、窒化が起こらないときの焼
鈍条件から、(1) 式のΔGl を求めた。このときの焼鈍
条件は、焼鈍温度T:860 ℃、露点DP:−45℃、ガス
組成は水素濃度:9%、残部:窒素であり、これらから
計算したΔGl :−23.4kJ/mol・H2O であった。次い
で、このステンレス熱延鋼帯を、ΔGl :−40 kJ/mol
〜−80 kJ/mol になるように、露点および水素濃度を調
整した雰囲気(焼鈍温度は860 ℃一定)で焼鈍を行っ
た。なお、焼鈍中、温度は鋼帯の最外巻部で測温すると
ともに、水素濃度、露点を継続して監視し、上記範囲に
なるように制御した。その結果、焼鈍後のステンレス鋼
帯には窒化がまったく生じていなく、また表面のスケー
ルも均一で、脱スケール性が良好な表面性状であった。
この焼鈍鋼帯を、酸洗後、冷間圧延し1.0 mmの冷延鋼帯
とした。得られた冷延鋼帯には、肌あれが全く見られ
ず、従来の焼鈍方法に比べて品質が著しく向上した。 【0018】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ステンレス鋼表面の窒化が効果的に抑制でき、肌あれの
ない表面品質のよいステンレス鋼を製造できる。しか
も、この発明法によれば、窒化の抑制を、酸化力ΔGで
調整するので微妙なコントロールが精度よく行え、過度
なスケール生成などを招くことがない。このため、肌あ
れ部の切捨てやスケールロスが減少し、歩止り、生産性
を大幅に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】 【図1】SUS 430 における、フェライトとオーステナイ
トの窒素の固溶限と温度の関係を示すグラフである。 【図2】SUS 430 において、窒化防止可能な酸化力(Δ
G)から求めた、水素濃度と露点との関係を示すグラフ
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河端 良和 千葉県千葉市中央区川崎町1番地 川崎 製鉄株式会社 技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭55−82727(JP,A) 特開 昭60−255919(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C21D 1/76 C21D 6/00 102

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】窒素ガスを含む雰囲気中で、ステンレス鋼
    を焼鈍するにあたり、予め、肌あれを生じさせないため
    の最低の酸化力ΔGを下記式に基づいて求め、このΔG
    よりも大きい酸化力になるように、焼鈍温度、ガス組成
    および露点を焼鈍中、継続して制御して、焼鈍すること
    を特徴とする肌あれを生じないステンレス鋼の焼鈍方
    法。 ΔG=−120990+26.42T+RT{lnP H2 −2/3 ln a Cr
    (41000/R)(1/DP−1/373)} ここで、T:温度[K] R:気体定数=8.31J/molK H2 :H 2 分圧[−] Cr :Crの活量[−] DP:露点[K]
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