JP4744145B2 - 溶融コーティング装置及び鋼ストリップのコーティング方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウムを含むコーティング用合金を用いる鋼ストリップの連続溶融コーティング法に関する。さらに詳しくは、本発明は、かかるコーティングプロセスを行なうために使用される装置の浴中構成部品(component)に関する。

伝統的には、鋼ストリップは亜鉛でコーティングされ、そのため、亜鉛メッキ鋼と呼ばれていた。長い間に、亜鉛皮膜は、アルミニウム／亜鉛合金の皮膜に取って代わられてきている。かかる合金皮膜は、アルミニウムの耐食性により強化される亜鉛により付与される犠牲防食を維持する。一般的なコーティング用合金は、公称、亜鉛４５%およびアルミニウム５５％を含有し得る。

溶融コーティングプロセスを行なうためには、開口型浴内のコーティング用溶融合金のプール中に鋼ストリップを引入れる。合金のプール（以下、一般的な専門用語にしたがって金属浴という）中に送入れ、次いで送出しされるストリップの通過を制御するため、ストリップを、該金属浴中に沈めたシンクロールの下部を通過させる。

従来、シンクロールおよびその浴中に沈めた(submerged)支持構造体は、耐食性合金鋼、例えば、３１６Ｌグレードステンレス鋼で指定される市販の鋼で作られている。それでも、浴中に沈めた構成部品の耐用年数は、金属浴の腐食作用や構成部品と浴金属との間の化学反応に起因する金属間堆積物の蓄積のため、比較的短い。

添付の図面の従来技術である図１および図２は、３１６Ｌステンレス鋼の使用により生じた結果を示す。

図１は、３１６Ｌステンレス鋼５１のシンクロールの一部の微構造５０の模式図である。正常な合金層５４の表面上には、金属浴５２と金属間化合物５３の混合物である堆積物（これには、鉄、クロム、ニッケルおよびアルミニウムが含まれ、シンクロールが金属浴中に浸漬されると形成される）が示されている。

図１はまた、σ相粒界析出物５５の存在も示す。３１６Ｌステンレス鋼５１およびほとんどの他のステンレス鋼は、長時間にわたる浸漬でσ相析出物を形成し易く、これは、鋼を硬いが脆性にする。さらにまた、σ相析出物は、クロムおよびモリブデンを多く含むため、その成長は、σ相析出物周囲の粒内におけるこれらの元素の枯渇を引き起こす。かかる微細亀裂の存在は、粒全体におけるクロムおよびモリブデンの枯渇とともに、溶融金属浴５２に晒されたときの鋼の高い溶解速度をもたらす。かかる溶解は、浴中に沈めた構成部品の孔食および他の腐食として現われる。

最終製品の質に対する金属間化合物５３の堆積の有害な影響のため、堆積物を除去するために、時々、ロールにドレッシング(dress)することが必要である。このドレッシングは、高価な加工であり、シンクロールを取り出して交換するためにコーティング作業を中断することが必要とされる。

従来技術である図２は、３１６Ｌステンレス鋼で作製された、ひどく孔食したシンクロール支持アームを示す。もちろん、シンクロールは、コーティング対象のストリップと接触し、皮膜の質がロールの平滑性に依存するため、図２に示されたアームの状態に達するよりもっと前に作業(service)から回収(withdraw)すべきであろう。

上記に概要を示した問題を解決するため、シンクロールを窒化法に供することが提案されている。窒化は、慣用法であって、窒化される構成部品の薄い表面層に作用し、構成部品を、アンモニア雰囲気を有する炉内に長時間保持することを含む。

窒化法に供しておいたシンクロールを金属浴中に浸漬すると、窒化物が金属浴中のアルミニウムと反応するため、合金層の形成に加えて窒化アルミニウムの層が外表面上に形成される。この窒化アルミニウム層は、安定であり、構成部品上で保護付着表面層としての機能を果たす。

従来技術である図３は、図１と同様の図であり、窒化した３１６Ｌステンレス鋼シンクロールに関するものである。この図は、図１の特徴のすべてを示すが、金属浴５２および金属間化合物５３の混合物と正常な合金層５４との間に、シンクロールを金属浴中に浸漬すると形成される窒化アルミニウム表面層を有する窒化層５６も示す。図３にもまた、微構造内にσ相析出物５５の存在が示されていることがわかる。

窒化は、安定な窒化アルミニウム層が、金属間化合物をロールに付着し難くするという点で有益である。これは、削り取りによる該化合物の除去を容易にし、シンクロールのドレッシングの時間間隔を長くする。また、窒化アルミニウム層は、保護層としての機能を果たし、構成部品の孔食または腐食を制限する。窒化法の不都合点は、費用、これを行なうために必要とされる専門的な能力、および最終構成部品を得るために長い待ち時間が必要となることである。

［発明の概要］
第一の態様によれば、本発明は、鋼ストリップのコーティング用溶融コーティング装置であって、該ストリップは、アルミニウムを含むコーティング用合金の浴中に浸漬され、該装置は、使用時に該浴と接触する表面を有する少なくとも１つの構成部品を含み、該構成部品は、その微構造全体に実質的に均一に拡散した大量の窒素を含むステンレス鋼で作られたものである、溶融コーティング装置に関する。

本発明のこの態様で使用されるステンレス鋼は、窒素がステンレス鋼内に合金用添加物として存在しているという点で従来技術とは異なり、窒化法の一部として導入されているのとは異なる。本発明者らは、かかる高窒素ステンレス鋼は、金属浴中に浸漬したときに改善された耐食性を示すことを見出した。

本発明にしたがって構成部品を作製した場合、これらは、窒化法などの前処理をなんら必要とすることなく、溶融コーティング装置に直接使用し得る。また、窒素がステンレス鋼の微構造全体に拡散しているので、構成部品の外表面層の結着性(integrity)に依存せず、したがって従来技術系よりも頑強であると考えられる。

一形態において、ステンレス鋼は、０．１０重量％より多い窒素を含む。本発明者らは、０．１０重量％より高い濃度の窒素により、本発明の特徴である改善された性質が発現されることを見出した。上記の量の窒素を含むオーステナイトステンレス鋼は、市販されており、鋼業者により３１６ＬＮで指定されるものなどである。

一形態において、構成部品全体は、大量の窒素を含むステンレス鋼で作られていてもよい。別の形態において、構成部品は、構成部品の外層として使用された窒素含有ステンレス鋼を有する複合構造体として製造されたものであってもよい。この例では、構成部品は、さらなる内層を含んでいてもよい。このさらなる層は、３１６Ｌなどの従来のステンレス鋼などの任意の適当な材料で形成されたものであり得る。本発明のこの後者の形態は、構成部品に保護皮膜として高窒素ステンレス鋼を使用する場合に用いられ得る。かかる構成は、構成部品を再ライニング(reline)する場合、または構成部品の内部コアとしてあまり高価でない材質を用いることによりコストを削減するために採用され得る。

さらに別の態様において、本発明は、鋼ストリップのコーティング用溶融コーティング装置であって、該ストリップは、アルミニウムを含むコーティング用合金の浴中に浸漬され、該装置は、使用時に該浴と接触する表面を有する少なくとも１つの構成部品を含み、該構成部品は、その微構造全体に均一に拡散した大量の窒素を含むステンレス鋼で作られた少なくとも１つの層を含む、溶融コーティング装置に関する。

一形態において、上記構成部品がさらなる層を含み、窒素を含むステンレス鋼層が上記外表面と該さらなる層との間に配設されている。

特定の実施形態において、上記構成部品は、その下部を金属ストリップが通過するシンクロールである。

さらに別の態様において、本発明は、アルミニウムを含むコーティング用合金の浴中にシート状金属ストリップを浸漬するための溶融コーティング装置の構成部品の作製方法であって、該構成部品は、少なくとも一部が大量の窒素を含むステンレス鋼製で形成されており、該窒素は、該ステンレス鋼中にその微構造全体に実質的に均一に拡散するように溶融状態で溶解される、溶融コーティング装置の構成部品の作製方法に関する。

さらに別の態様において、本発明は、アルミニウムを含むコーティング用合金の浴中に鋼ストリップを浸漬させる鋼ストリップのコーティング方法であって、該方法は、該鋼ストリップを、該浴に浸漬させた構成部品を通過させる工程を含み、該構成部品は、その微構造全体に実質的に均一に拡散した大量の窒素を含むステンレス鋼で作られたものである、鋼ストリップのコーティング方法に関する。

添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を以下に説明することが好都合である。図面および関連する説明の詳細事項は、本発明の広義の説明の一般性に取って代わるものでないと理解すべきであることを認識されたい。

［好ましい実施形態の詳細な説明］
図４は、溶融コーティング装置１０の概略図である。このコーティング装置は、溶融したコーティング用合金のプール（金属浴）１２の入った槽１１を含む。槽１１は、開口型であり、金属浴１２中に引入れられる鋼ストリップ１００を受容するように構成されている。金属浴１２中に送入れ、次いで送出しされるストリップ１００の通過を制御するため、ストリップが、スナウト(snout)１３内部を通過するようにし、次いで、金属浴中に沈めたシンクロール１４の下部を通過させ、次いで、金属浴から出す前に安定化ロール１５間を通過させる。

溶融コーティング装置１０の耐食性を改善するため、少なくともいくつかの浴中構成部品、特にシンクロール１４を高窒素ステンレス鋼で形成する。また、安定化ロール１５、スナウト１３またはシンクロール１４もしくは安定化ロール１５の支持アームおよびベアリングなどの他の構成部品も高窒素ステンレス鋼で作られてもよい。窒素は、合金用添加物としてステンレス鋼中に溶融状態の間に取り込まれるため、その微構造全体に実質的に均一に拡散される。

図５は、装置１０の構成部品、通常はシンクロール１４の一部の微構造２０の模式図である。この構成部品（使用時に金属浴１２に晒される外表面２１に延在する）は、高窒素ステンレス鋼で製造されたものである。

図６は、構成部品が複合構造体で製造されたものである別の構成を示す。図６は、内層２３が３１６Ｌなどの従来のステンレス鋼から形成されており、外表面２５を含む外層２４が高窒素ステンレス鋼で形成されている構成部品の一部の微構造２２の模式図を示す。

以下の実施例は、高窒素ステンレス鋼を用いたときの改善された耐食性を示す。

３１６ＬＮステンレス鋼合金のサンプルの浸漬試験を、５５％Ａｌ−Ｚｎ合金浴中で行なった。試験は、４ヶ月の期間にわたって行ない、サンプルを、浸漬後２週間、１、３および４ヶ月で浴から取り出した。

３１６ＬＮ合金は、窒素含有オーステナイトステンレス鋼であり、その組成は、以下の通りである。

図７は、金属浴中に連続浸漬後１、３および４ヶ月後の３１６ＬＮ浸漬サンプル３０、３１および３２の表面外観の写真である。目視試験では、サンプルの腐食または局所孔食もしくは縁の薄層化(thinning)の形跡は示されなかった。また、サンプルの表面には、スパイク状または角状の成長（すなわち、浸漬したポットギアの表面上の円錐形状の合金突起(outbreak)）の形跡は示されなかった。スパイク成長は、ポットギアの微構造内のσ相の存在と関連する。

また、浸漬サンプルは金属浴と反応し、３１６Ｌに見られるものと組成において類似する合金層を形成した。図８は、浸漬時間の平方根の関数としての合金成長を示す。グラフは、合金成長速度が拡散に制御される(diffusion controlled)ことを示す。

したがって、窒素を溶融体に導入した（窒化法とは異なる）高窒素ステンレス鋼の使用により、従来の３１６Ｌステンレス鋼と比べ、向上した性能が示される。これまでに行なった試験は、溶融コーティング装置の構成部品として高窒素ステンレス鋼の使用における性能の向上を明白に示すが、このような改善が得られる機構は明らかでない。とは言うものの、本発明を持論に拘束するものではないが、本発明者らは、性能向上の要因の１つは、高窒素ステンレス鋼の微構造内の窒素が、表面に移動可能なように充分自由に移動することができ、その表面にてアルミニウムと反応して窒化アルミニウムの外層を形成できることであると考える。性能の改善に寄与し得るさらなる機構は、σ相析出物の成長を制限する窒素によるものである。３１６Ｌなどのオーステナイトステンレス鋼中のσ相析出を引き起こす原因は、微構造内の少量のδフェライト相の存在と関連する。３１６Ｌにおけるδフェライトの存在は、作業浴温度での長時間の曝露後の３１６Ｌの微構造内のσ相の析出を促進する。窒素は、オーステナイト安定化剤であり、合金化添加剤としての窒素の添加は、ステンレス鋼内のδフェライトのレベルをかなり低下させる。さらにまた、合金の窒素含量を増加させると、孔食または粒間腐食などの局所腐食に対する合金の耐性が増加する。

３１６ＬＮステンレス鋼の使用を採用したが、他の組成の市販の鋼もまた、性能の向上を提供し得ると考えられる。以下の表は、その微構造全体に実質的に均一に拡散したかなりの量の窒素を、３１６ＬＮと同じかそれ以上のレベルで含み、したがって、同様に本発明の装置に有用であると考えられる他の市販の鋼の組成を示す。

したがって、本発明は、高窒素ステンレス鋼の使用により改善された耐食性を有する、溶融コーティング装置の構成部品を提供する。本発明の利点は、別途の窒化法などの別途の前処理の必要性を排除できることであるが、必要であれば、一形態における本発明は、かかる方法と組み合わせて使用してもよいことを認識されたい。例えば、かかる構成は、浸漬時に窒化アルミニウムの外層が溶融浴中の構成部品上に形成されることが確実となるように構成部品の外表面に隣接する窒化物層を提供するために用い得る。そのような適用では、窒化アルミニウム層により、表面上の金属間化合物の蓄積物のより容易な除去が可能となり得る。ステンレス鋼の微構造内の窒素は、σ相析出物の成長を阻害することができ、また、外層への窒素の供給をもたらすことができるため、破損した場合、窒化アルミニウムが再生される。

本発明のさらなる利点は、非処理の組成中において窒素を欠く従来の鋼で作られたロールを窒化した場合よりも、ロールのドレッシングがかなり多く行なわれることである。これは、従来技術のロールのドレッシングが比較的少ないことが、窒化層の完全な除去をもたらし、さらなる窒化作業によるその層の修復が必要とされるためである。

添付の特許請求の範囲および先の本発明の説明において、表現文言または必要な含意により、文脈において別のことが求められる場合を除き、用語「含有する(comprise)」または「含有する(comprises)」もしくは「含有している(comprising)」などの変形は、包含的意義において使用する、すなわち記載した特徴の存在を具体的に示すために使用し、本発明の種々の実施形態におけるさらなる特徴の存在または追加を除外するために使用するのではない。

本発明の精神または背景(ambient)を逸脱することなく、先に記載した部分に対して変形および／または改良がなされ得る。

３１６Ｌステンレス鋼で形成されたシンクロールの微構造の模式図である。 ３１６Ｌステンレス鋼で作製された、ひどく孔食したシンクロール支持アームの写真である。 窒化３１６Ｌステンレス鋼製シンクロールの微構造の模式図である。 溶融コーティング装置の概略図である。 高窒素ステンレス鋼で形成されたシンクロールの微構造の模式図である。 ３１６Ｌステンレス鋼および高窒素ステンレス鋼で形成されたシンクロールの微構造の模式図である。 ３１６ＬＮステンレス鋼で形成された浸漬サンプルの１、３および４ヶ月後の表面外観の写真である。 ２週間、１、３および４ヶ月間、浸漬したサンプルの合金層成長の放物線状プロットである。

Claims (3)

1. 鋼ストリップを５５％Ａｌ−Ｚｎ合金浴中に浸漬することにより鋼ストリップをコーティングするための溶融コーティング装置であって、
   前記装置は、使用時に前記浴と接触する表面を有する少なくとも１つの構成部品を備え、前記少なくとも１つの構成部品は、その微構造全体に実質的に均一に拡散した０．１０重量％以上０．１６重量％以下の大量の窒素を含む３１６ＬＮステンレス鋼で作られる、溶融コーティング装置。
2. 前記少なくとも１つの構成部品は、その下部を前記鋼ストリップが通過するシンクロールである、請求項１に記載の溶融コーティング装置。
3. ５５％Ａｌ−Ｚｎ合金浴中に鋼ストリップを浸漬させる鋼ストリップのコーティング方法であって、
   前記方法は、前記鋼ストリップを、前記浴に浸漬された構成部品を通過させる工程を含み、前記構成部品は、その微構造全体に実質的に均一に拡散した０．１０重量％以上０．１６重量％以下の大量の窒素を含む３１６ＬＮステンレス鋼で作られる、鋼ストリップのコーティング方法。

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