JP3872698B2 - レーザー切断性に優れた鋼板とその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、良好なレーザー切断面を有する鋼板とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
造船、建築、産業機械、橋梁等の鋼構造物には多量の厚鋼板が使用されているが、これらの鋼構造物の工作においては、施工コスト・工数の多くが溶接と切断で占められている。この厚鋼板の切断方法としては、従来からガス切断、プラズマ切断あるいはレーザー切断等がある。
【０００３】
このレーザー切断は約２０年前より実用化した切断方法であり、板厚が３．２ｍｍ以下の薄板加工業を中心に普及してきたが、近年のレーザー発振器の高出力化により、板厚のより厚い鋼板の切断にもその用途が広がりつつある。
【０００４】
このレーザー切断は、レーザー光の熱エネルギで素材、および酸化物を溶融し、アシストガスで溶融物を除去して切断溝を形成する方法である。そして、切断可能な板厚は２５ｍｍ厚程度が最大であるが、切断溝幅が狭く、精密切断に適しており、熱切断の中では切断歪みが最も小さい。また切断可能な素材の種類は熱切断の中では多様であり、複雑な形状の切断が可能である。更に切断作業の自動化が可能であるため、企業の合理化策として急速に設備導入が進んでいる。
【０００５】
しかし、厚鋼板においては、適正なレーザー切断速度の範囲が限定されるため、適用範囲の拡大が阻害されていた。すなわち、切断速度を大きくすると、単位切断長さ当たりのエネルギー効率が小さくなり、板厚全体を溶融できなくなるか、または溶融できたにしても溶融金属の排除が十分に行えないため、鋼板上部で溶融した金属がドロスとして切断下面に付着する問題が発生する。
【０００６】
一方、切断速度を小さくすると、切断幅が大きくなり、溶融金属量も多くなるため、切断幅が大きく、切断面にノッチと呼ばれる凹凸状の部分的な切断不良部が発生する。切断面のノッチは、鋼板の溶接、加工に悪影響を及ぼすため、手入れで断面を綺麗に仕上げる作業を伴い多大な負荷を要している。従って、安定したレーザー切断性を有する厚鋼板が要望されている。
【０００７】
このレーザー切断性を改善する目的で、鋼板のスケールの性状を改善する試みが多くなされており、例えば、特開平１１−６１２４８号公報に提案のように、スケール厚さを６μｍ以下に薄くするとともに、６０ｖｏｌ％以下のマグネタイトを含有する鋼板の製造方法がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、スケール中のマグネタイト量が６０ｖｏｌ％以下では、スケールの密着性が劣り、板厚が厚い１９〜２５ｍｍではレーザー切断性の改善効果は十分ではなく、切断中のスケール剥離による切断面不良部、即ち、前記ノッチが発生する場合があった。
本発明は、上記のように、切断面にノッチが発生することがないレーザー切断性の優れた鋼板とその製造方法を提供することを課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、
その手段１は、質量％で、
Ｃ ；０．１９〜０．２２％、
Ｓｉ ；０．０５〜０．５０％、
Ｍｎ ；０．６％以下、
Ｐ ；０．０２５％以下、
Ｓ ；０．０１５％以下、
Ａｌ ；０．０４５％以下、
Ｎ ；０．００９％以下を含有し、残部が鉄、および不可避的不純物からなる鋼板であって、その表面に生成したスケールの厚さが６μｍ以下で、該スケールが８５ｖｏｌ％以上のマグネタイトよりなるレーザー切断性に優れた鋼板である。
手段２は、更に、質量％で、
Ｎｉ ；０．５％以下、
Ｃｕ ；０．５％以下、
Ｍｏ ；０．４％以下、
Ｃｒ ；０．５％以下、
Ｎｂ ；０．０４％以下、
Ｖ ；０．０８％以下、
の１種、または２種以上を含有するレーザー切断性に優れた鋼板である。
更に手段３は、前記手段１、または２記載の成分を有する鋼板を、加熱炉で９５０℃〜１２５０℃に加熱した後、圧延を開始し、その圧延中の全パスで１００ｋｇ／ｍｍ ² 以上の水圧でデスケーリングしつつ、８５０℃〜９５０℃で圧延を終了し、その後、空冷することにより、前記鋼板表面に生成したスケールの厚さを６μｍ以下とし、該スケールを８５ｖｏｌ％以上のマグネタイトよりなすことを特徴とするレーザー切断性に優れた鋼板の製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、レーザーで鋼板を切断した際に、その切断面に発生するノッチの生成メカニズムについて検討した結果、レーザーを移動して鋼板を切断する際、該鋼板が溶融する幅が異なることによりノッチが生成し、この原因はレーザーの熱衝撃により鋼板表面にあるスケールの剥離にあることが判明した。
このスケールの剥離を防止するためには、スケールの密着性が向上することが重要であり、これは、スケールの密着性を向上するとレーザー切断に際して、スケールが剥離するのを防止でき、レーザーで溶融する幅が同一となって、安定した切断品質が得られるとともに、良好な切断品質を得る切断速度の範囲を広く採ることができ、作業性が良好となる。
レーザー切断の際に、鋼板表面からスケール剥離しないようにするためには、
スケール厚を６μｍ以下とし、且つスケール中のマグネタイト量を８５ｖｏｌ％以上とする必要があり、このためには、圧延中において圧延全パスで１００ｋｇ／ｍｍ ² 以上の水圧で鋼板表裏面をデスケーリングしつつ、８５０℃〜９５０℃で圧延を終了することが必要であることが判明した。
【００１１】
以下にその理由を説明する。
先ず、鋼板表面に生成するスケール中に占めるマグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）比率とスケールの剥離率との関係を調査した結果、図１の関係があることが判明した。
尚、図１で使用したスケールは、組成がウスタイト、ヘマタイト、およびマグネタイトからなり、厚さは６μｍであり、またスケールの剥離率は平型引張試験片に５％の歪みを加え、図４に示す引張試験片の平行部（４０ｍｍｘ５０ｍｍ）の面積から剥がれ落ちたスケールの量を測定し計算を行った。
この図１から解るように、マグネタイト量を８５ｖｏｌ％以上とすると急激にスケールの剥離率が低下することが判明した。これは、スケールが緻密で高強度となって鋼板の地鉄とスケールの密着性が向上して、レーザー切断時における熱衝撃によりスケールの剥離飛散が抑制されるためであると想定される。
【００１２】
更に、スケール厚さを６μｍ以下とする必要がある。これはスケール厚が６μｍより厚くなればなるほど、レーザー切断時においてスケールが受ける熱衝撃が大きくなり、スケールに亀裂が生じて、スケールの表面が部分的に剥離（スケールが地鉄より剥離するのではなく、スケール厚み方向で途中より剥離する状態）して、スケール厚に差異が発生してノッチが生成することから、スケール表面の部分的剥離が発生しない厚さである６μｍ以下とする。
【００１３】
次に、厚さが６μｍ以下で、マグネタイトを８５ｖｏｌ％以上含有するスケールを生成するための製造条件について説明する。
鋼板表面のスケールは、鋼板が８５０℃〜９５０℃以上の高温状態にある場合に発生し、その後は殆ど発生しなくなる。そして、先ず、ウスタイト（ＦｅＯ）からなるスケールとして生成し、その後、鋼板が冷却するのに伴って、このウスタイトがマグネタイトに変態する。このため、スケールの厚さを薄くするためには、８５０℃〜９５０℃以上の高温状態にある鋼板表裏面にスケールが発生することを抑制する必要がある。
【００１４】
このスケール発生を抑制するために、図２に示すように圧延ロールの入り側、および出側で鋼板表裏面全体に対して、冷却水を噴射するデスケーリングが必要である。更に、このデスケーリングで鋼板表裏面を冷却して、鋼板表裏面に生成しているウスタイトをマグネタイトに変態させる。
そして、このデスケーリングは図３に示すように、スケール中のマグネタイト比率を８５ｖｏｌ％以上得るためにはデスケーリングの水圧が１００ｋｇ／ｍｍ ² 以上で、しかも、圧延の初パスから最終仕上げパスの全パスで行う必要がある。
尚、図３は、板厚２００ｍｍ、１２００℃で加熱したスラブを１０パスで圧延して、板厚２２ｍｍ、仕上げ温度が９００℃で圧延を終了したものである。
このデスケーリングの水圧が１００ｋｇ／ｍｍ ² 以上を必要とする理由は、鋼板の表面に残存する水を防止することができ、鋼板表裏面を均一に冷却することが可能となるためと想定される。
また、デスケーリングを全パスで行うことにより、鋼板表裏面が復熱により温度上昇することを防止できることから確実にスケールをマグネタイトとすることができる。
【００１５】
以下に鋼板に含有される個々の元素の制限範囲について説明する。
Ｃは、強度元素のため０．０３％以上必要であるが、０．２２％を超えると鋼板の靭性を劣化させるので０．２２％を上限とした。Ｓｉはレーザー切断性を劣化させるが、スケール密着性は向上する働きがあるため、両者をバランスさせた０．０５〜０．５０％の範囲とした。
Ｍｎは、レーザー切断性を大きく劣化させないでスケール密着性を向上させる元素であるが、１．６％を超えると溶接性を劣化させるため、１．６％を上限とした。
【００１６】
Ｐ、Ｓは、レーザー切断性には殆ど影響を及ぼさないが、材質上低いほど好ましく、Ｐが０．０２５％以下、Ｓが０．０１５％以下に上限を設定した。
Ａｌは、脱酸上必要であり、０．０４５％とした。
Ｎは、０．００９０％以下であれば、溶接性や鋳片品位に悪影響を及ぼさないため、その上限とした。以上に述べた鋼板成分の範囲でレーザー切断性に優れた鋼板を製造することが可能であるが、特性を損なわずに、更に高い強度を得るため、以下の元素を添加することが有効である。
【００１７】
Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒは、固溶強化元素で鋼板の強度を高めることが可能である。しかしながら、多量の添加は、経済的、且つ品質的にも溶接性を害するため、上限の値をそれぞれＮｉ≦０．５％、Ｃｕ≦０．５％、Ｍｏ≦０．４％、Ｃｒ≦５％とした。
Ｎｂ、Ｖは、析出強化元素で、鋼板の強度を高める効果がある。しかしながら、多量の添加は、経済的、且つ品質的にも溶接部の靭性を劣化させるため、上限の値をそれぞれ、Ｎｂ≦０．０４％、Ｖ≦０．０８％とした。
【００１８】
【実施例】
表１、表２は本発明の実施例であり、表２は表１に示す成分組成の鋼を溶製した後、連続鋳造によりスラブとし、これを直ちにまたは再加熱した後、圧延したものである。
【００１９】
【表１】

【００２０】
【表２】

【００２１】
尚、表２に示すスケール厚は、鋼板を圧延後、常温まで冷却した後、サンプルを採取し、光学顕微鏡または走査型顕微鏡を用いて測定した値である。
また、スケールの組成は、前記サンプルをＸ線回析して測定した値である。
更に、スケール密着性は、鋼板に５％の引張歪みを与えて、40mmx50mmの面積当たりに剥離したスケール量であり、そのスケール量は、電子天秤で測定した値である。
また、切断結果は、鋼板を出力６ｋＷのレーザーで７５０〜１２００ｍｍ／ｍｉｎの切断速度で１ｍ切断した際において、その切断面を目視観察したものであり、◎は切断面のノッチが１個以下である。△は切断面に２個以上のノッチがある。×は切断中にバーニングが発生し、切断不可能となった。
【００２２】
表２からわかるように、本発明例１〜４は良好なレーザーでの切断結果を得た。
これに対して、比較例１は、デスケーリングを行わなかったパスがあり、比較例２は、デスケーリング圧力が１００ｋｇ／ｍｍ ² 以下であることから、何れもレーザーでの切断結果が悪いものであった。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、鋼板のスケール密着性が向上し、レーザー切断に際しての熱衝撃によるスケールの剥離を防止できるため、安定して良好な切断面が得られ、産業上有用な著しい効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】マグネタイト比率とスケール剥離率の関係を示す図である。
【図２】デスケーリング方法を示す図である。
【図３】デスケーリング圧力とマグネタイト比率の関係を示す図である。
【図４】５％引張剥離試験片を示す図である。

Claims (3)

1. 質量％で、
   Ｃ ；０．１９〜０．２２％、
   Ｓｉ ；０．０５〜０．５０％、
   Ｍｎ ；０．６％以下、
   Ｐ ；０．０２５％以下、
   Ｓ ；０．０１５％以下、
   Ａｌ ；０．０４５％以下、
   Ｎ ；０．００９％以下を含有し、残部が鉄、および不可避的不純物からなる鋼板であって、
   その表面に生成したスケールの厚さが６μｍ以下で、該スケールが８５ｖｏｌ％以上のマグネタイトよりなることを特徴とするレーザー切断性に優れた鋼板。
2. 更に、質量％で、
   Ｎｉ ；０．５％以下、
   Ｃｕ ；０．５％以下、
   Ｍｏ ；０．４％以下、
   Ｃｒ ；０．５％以下、
   Ｎｂ ；０．０４％以下
   Ｖ ；０．０８％以下、
   の１種、または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー切断性に優れた鋼板。
3. 請求項１または請求項２記載の成分を有する鋼板を、加熱炉で９５０〜１２５０℃に加熱した後、圧延を開始し、その圧延中の全パスで１００ｋｇ／ｍｍ ² 以上の水圧でデスケーリングしつつ、８５０℃〜９５０℃で圧延を終了し、その後、空冷することにより、前記鋼板表面に生成したスケールの厚さを６μｍ以下とし、該スケールを８５ｖｏｌ％以上のマグネタイトよりなすことを特徴とするレーザー切断性に優れた鋼板の製造方法。

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