JP4932533B2

JP4932533B2 - 鋼鋳片の表層改質方法、表面改質鋼鋳片及び加工製品

Info

Publication number: JP4932533B2
Application number: JP2007046515A
Authority: JP
Inventors: 秀樹濱谷; 真二児玉; 純田中; 健彦藤; 研一山本; 敬二恒成; 順竹内; 健司梅津; 義博山田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: JP2008208425A

Description

本発明は、銅を含有する鋼の連続鋳造鋳片の表層改質方法、並びにこの方法により表層を改質した表面改質鋼鋳片及び加工製品に関する。

銅を含有していると、鋼の熱間加工性が著しく阻害され、連続鋳造、再加熱又は熱間圧延等の通常の製造工程において、表面に割れが発生する。この鋼表面の割れは、連続鋳造、再加熱又は熱間圧延において鋼が雰囲気中の酸素に曝されて酸化する際に、鋼中への溶解度が低くかつ融点が低い銅が酸化鉄と鋼との間に液体状態で存在し、更にこの液体状の銅が鋼の結晶粒界に侵入して界面強度を低下させるために発生すると考えられている。

一方、鋼の製錬工程において銅を除去することは困難であり、この現象を防止する方法としては、鋼中に銅が混入しないようにするか、又は鋼中に銅の溶解度を向上させる元素であるニッケルを添加する方法が知られている。しかしながら、近年、循環型社会への要求の高まりから、鋼の原料として銅を多く含むスクラップが多量に使用されるようになっており、鋼中に銅が混入しないようにすることが困難となっている。また、鉱石から作った鉄で希釈しても銅は次第に累積するため、ニッケル添加により鋼中の銅を無害化する必要があるが、ニッケルは希少で高価な元素であり、製造コストが高くなる。

そこで、従来、銅を含有する鋼の鋳片表層を安価に確実に改質し、熱間加工時のわれの発生を防止することを目的とし、鋼鋳片の表層を誘導加熱及びプラズマ加熱のいずれか一方又は双方により溶融させ、その溶融した鋼鋳片の表層部分に、ニッケル又はニッケル合金を添加する方法が提案されている（特許文献１参照）。この特許文献１には、鋼鋳片表層溶融部にニッケルを添加する方法として、ワイヤー又はシート状のニッケル又はニッケル合金を使用することが記載されている。

特開２００４−１９５５１３号公報

しかしながら、前述した特許文献１に記載の技術には、以下に示す問題点がある。即ち、ニッケル添加により銅を含有する鋼鋳片の表層を改質する場合、鋼鋳片表層溶融部にニッケルを添加する方法及び条件によって、表層のニッケル濃度にばらつきが生じ、均一に改質できないという問題点がある。具体的には、鋼鋳片表層溶融部にニッケルを添加する際に、ニッケル又はニッケル合金粉末を使用すると、鋳片の表面に載置した場合は磁場により粉末の位置が変化し、また、鋳片の表面に吹きつけた場合はプラズマ気流等によりはじかれるため、表層のニッケル濃度にばらつきが生じる。一方、ニッケル又はニッケル合金のシートを使用すると、上述した問題は起こらないが、実用化は技術的に困難である。また、ワイヤー状のニッケル又はニッケル合金を使用する場合、単にワイヤーを添加するだけでは、ワイヤーが鋳片表面に固着したり、表層のニッケル濃度にばらつきが生じたりする。更に、特許文献１には、ワイヤーの供給方法及び条件に関しては全く検討がなされていない。従って、従来の方法では、鋼鋳片の表層を均一に改質することはできないため、熱間加工等において歩留まりが低下するという問題点がある。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなさなれたものであって、表層におけるニッケルの濃度分布のばらつきを低減して、銅を含有する鋼鋳片の表層を確実に改質し、熱間加工時のわれの発生を防止できる鋼鋳片の表層改質方法、表面改質鋼鋳片及び加工製品を提供することを目的とする。

本発明に係る鋼鋳片の表層改質方法は、銅を含有する鋼鋳片の表層をプラズマ加熱により溶融させ、この溶融した鋼鋳片の表層部分に、ニッケル又はニッケル合金を添加する鋼鋳片の表層改質方法であって、前記鋼鋳片の処理方向への溶融処理速度Ｖｔ（ｍｍ／秒）、プラズマ加熱により形成される前記処理方向への溶融プール長さＬｐ（ｍｍ）に対し、ワイヤーから供給される溶滴がＬｐ／Ｖｔ（秒）間隔となる供給速度をＶｗ₀（ｇ／秒）、処理長さ２０ｍｍあたりに溶滴が１個落下する供給速度をＶｗ₂（ｇ／秒）、溶滴が連続的に溶融プールに添加される供給速度をＶｗ₁（ｇ／秒）としたとき、Ｖｗ₀＜Ｖｗ₂の場合は供給速度Ｖｗ（ｇ／秒）を下記数式（１）で規定される範囲とし、Ｖｗ₀≧Ｖｗ₂の場合は供給速度Ｖｗ（ｇ／秒）を下記数式（２）で規定される範囲として、ニッケル又はニッケル合金からなるワイヤーを供給することを特徴とする。

本発明に係る改質鋳片は、前述した表面改質方法が施されていることを特徴とする。

本発明に係る加工製品は、前述した表面改質鋼鋳片を加工することにより得られることを特徴とする。

本発明によれば、鋼鋳片表層溶融部に供給するニッケル又はニッケル合金からなるワイヤーの供給速度Ｖｗを適正化しているため、表層部分におけるニッケル濃度のばらつきが抑制され、銅を含有する鋼鋳片の表層を確実に改質して、熱間加工時のわれの発生を防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。本発明の鋼鋳片の表層改質方法においては、銅を含有する鋼鋳片の表層をプラズマ加熱により溶融させ、この溶融した鋼鋳片の表層部分に、ニッケル又はニッケル合金からなるワイヤーによってニッケル元素を添加する。図１（ａ）は本発明の鋼鋳片の表面改質方法の一形態を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）はその断面図である。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の鋼鋳片の表層改質方法においては、例えば、鋼鋳片１の表層を高周波コイル２により誘導加熱した後、鋼鋳片１の上方に配置されたプラズマトーチ３から鋼鋳片１の表面に向けてプラズマジェット４を吹きつけ、鋼鋳片１の表層を加熱溶融する。その際、鋼鋳片１とプラズマトーチ３との間に配置されたプラズマ制御用コイル５により、プラズマジェット４の幅を制御・拡大する。そして、鋼鋳片１の表層における溶融部、即ち、溶融プール８に向けて、ワイヤー供給用水冷ノズル７からニッケル又はニッケル合金からなるワイヤー６を供給する。このとき、ワイヤー６は、プラズマジェット４等により加熱され溶融するため、ワイヤー６の成分（ニッケル又はニッケル合金）は、溶滴状となって溶融プール８に添加される。

更に、本発明の鋼鋳片の表面改質方法では、上述した工程において、鋼鋳片１の溶融処理速度Ｖｔ（ｍｍ／秒）、プラズマジェット４による加熱によって形成される溶融プール６の長さＬｐ（ｍｍ）に対し、ワイヤー６から供給される溶滴がＬｐ／Ｖｔ（秒）間隔となる供給速度をＶｗ_０（ｇ／秒）、処理長さ２０ｍｍあたりに溶滴が１個落下する供給速度をＶｗ_２（ｇ／秒）、溶滴が連続的に溶融プール８に添加される供給速度をＶｗ_１（ｇ／秒）としたとき、Ｖｗ_０＜Ｖｗ_２の場合はワイヤー６の供給速度Ｖｗ（ｇ／秒）を下記数式（３）で規定される範囲とし、Ｖｗ_０≧Ｖｗ_２の場合はワイヤー６の供給速度Ｖｗ（ｇ／秒）を下記数式（４）で規定される範囲とする。

本発明の鋼鋳片の表面改質方法においてニッケルが添加される鋼鋳片１の表層部分の厚さは、酸化膜の厚さ以上であれば特に限定されるものではないが、通常は鋼鋳片１の表面から０．５〜５ｍｍ程度の範囲である。

また、本発明の鋼鋳片の表面改質方法においては、ワイヤー６はプラズマジェット４と鋼鋳片１からの輻射熱及び溶融プール８からの熱伝達により加熱され、溶融する。そして、ワイヤー６の先端に溶滴が形成されて成長し、自重が表面張力に勝ったときに液滴となって、鋼鋳片表層溶融部に落下する。このとき、ワイヤー供給速度Ｖｗが遅いと、溶滴の温度分布が小さくなって液滴が通常よりも大きくなるまで落下しないため、落下頻度が少なくなる。また、ワイヤー６の供給Ｖｗが速くなるに従い、プラズマジェット４と鋼鋳片１からの輻射熱だけでは溶融しきれなくなり、更に溶融プール８の熱によっても加熱されることになる。具体的には、鋼鋳片１の溶融処理速度Ｖｔ（ｍｍ／秒）、及びプラズマ加熱により形成される溶融プール８の長さＬｐ（ｍｍ）に基づき規定される鋼鋳片表面の溶融時間Ｌｐ／Ｖｔ（秒）あたり、鋼鋳片表層溶融部（溶融プール８）にワイヤー６から液滴が少なくとも１滴供給されないと、ニッケル濃度が極めて低い領域が形成されてしまう。

従って、ワイヤー６から供給される溶滴がＬｐ／Ｖｔ（秒）間隔となる供給速度Ｖｗ₀が、処理長さ２０ｍｍあたりに溶滴が１個落下する供給速度Ｖｗ₂以上である場合は、ワイヤー６の供給速度ＶｗをＶｗ₀よりも速くする。一方、ワイヤー６から供給される溶滴がＬｐ／Ｖｔ（秒）間隔となる供給速度Ｖｗ₀が、処理長さ２０ｍｍあたりに溶滴が１個落下する供給速度Ｖｗ₂未満である場合は、ワイヤー６の供給速度ＶｗをＶｗ₂よりも速くする。なお、ワイヤー６から供給される溶滴がＬｐ／Ｖｔ（秒）間隔となる供給速度Ｖｗ₀は、鋼鋳片１の誘導加熱による予備加熱温度、プラズマ出力及び処理速度（以下、溶融処理速度Ｖｔを単に処理速度という。）によって変化する。

一方、ワイヤー供給速度Ｖｗが、溶滴が連続的に溶融プール８に添加される供給速度Ｖｗ_１の１．２倍以上になると、ワイヤー６の加熱が不十分のまま溶融プール８に添加することになる。その結果、冷たいワイヤー６により溶融プール８が冷却され、その冷却された部分が凝固するため、ニッケルの流動拡散量が低減し、添加部のみニッケル濃度が高くなる。従って、ワイヤー供給速度Ｖｗは１．２Ｖｗ_１未満とする。

なお、上述した液滴の落下頻度については、例えば、テレビカメラ及びＣＣＤカメラ等の撮像手段を使用し、撮影コマ数を１／３０以上、シャッター速度を１／１０００程度の撮影条件で撮像し、その映像から溶滴数を数えることにより計測することができる。その際、プラズマ光を減光し、溶滴を確認できるように、プラズマ入力及びカメラとビデオとの距離に応じて、フィルター又は絞り等を適宜調節する必要がある。

上述の如く、本発明の鋼鋳片の表層改質方法においては、鋼鋳片表層溶融部に添加されるニッケル又はニッケル合金の供給速度Ｖｗを上述した適正な範囲としているため、表層部分におけるニッケル濃度のばらつきを±５０％以内に抑制することができる。その結果、銅を含有する鋼鋳片の表層を確実に改質し、熱間加工時のわれの発生を防止することができる。また、ニッケル添加量を低減することができるため、製造コストも低減することができる。

なお、本発明の鋼鋳片の表層改質方法においては、ワイヤーを処理方向と直交する方向に、処理速度の３〜１０倍の速さでオシレーションすることが望ましい。これにより、ニッケル濃度のばらつきを±２０％以内に抑制することができる。その際、オシレーション速度が処理速度の３倍未満であると、ニッケル濃度のばらつきを±２０％以内まで低減することができず、また、オシレーション速度が処理速度の１０倍を超えると、ワイヤーを連続供給する条件では、ワイヤーの鋼鋳片への溶着（ワイヤーステック）が生じる。

また、本発明により表層が改質された鋼鋳片は、添加元素の効果により耐食性及び疲労特性が向上するため、例えば造船、自動車、建築材料及び橋梁等に使用される鋼材として好適である。

更に、図１に示す方法では、高周波コイル２で予備加熱した後、プラズマ加熱しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、予備加熱を加熱炉、バーナー、プラズマ及びレーザ等の他の熱源で行い、溶融のための本加熱をプラズマで行ってもよい。

以下、本発明の実施例及び本発明の範囲から外れる比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する、本実施例においては、ワイヤーには線径が１．２ｍｍのＳＵＳ３１０ｓを使用し、ワイヤー供給速度Ｖｗを変えて、銅を含有する鋼鋳片の表層改質を行った。その際の処理条件を下記表１に示す。なお、下記表１における下線は、本発明の範囲外であることを示す。

そして、実施例及び比較例の各鋳片について、表層部分におけるニッケル濃度のばらつきを調べた。その際、ニッケル濃度は、予め溶融処理及び合金添加を施した部位をグラインダー等で研削しておき、例えば、モバイルカウントバックと呼ばれる金属材料判別機（例えば、ＷＡＳ社製ＰＭＩ-ＭＡＳＴＡＲ等）により、１０ｍｍ間隔で測定した。その結果を上記表１に併せて示す。

上記表１に示すように、比較例Ｎｏ．１及びＮｏ．６の鋼鋳片は、ワイヤーの供給量が不足していたため、ニッケル濃度のばらつきが５０％を超えていた。一方、比較例Ｎｏ．２及びＮｏ．７の鋼鋳片は、ワイヤーの供給量過多で溶融プールが冷却されたため、ニッケル濃度のばらつきが５０％を超えていた。また、比較例Ｎｏ．３の鋼鋳片は、ワイヤーを高温部に入れたため、連続供給実現のために必要なワイヤー量で供給過多が発生し、結果としてニッケル濃度のばらつきが大幅に増加した。更に、比較例Ｎｏ．４の鋼鋳片は、ワイヤーの加熱が不十分であったため、ワイヤーが未溶融となり、鋼鋳片の表層を改質できなかった。更にまた、比較例Ｎｏ．５の鋼鋳片は、ワイヤー供給速度が、処理長さ２０ｍｍあたりに溶滴が１個落下する供給速度Ｖｗ_２よりも遅かったため、ニッケル濃度のばらつきが１００％と大きく、濃度分布不良であった。

これに対して、本発明の範囲内で改質処理を行った実施例Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１２の鋼鋳片は、いずれもニッケル濃度のばらつきが５０％以下であり、前述した比較例の鋼鋳片に比べて表層におけるニッケルの濃度分布のばらつきが低減していた。

（ａ）は本発明の鋼鋳片の表面改質方法の一形態を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。

符号の説明

１鋼鋳片
２高周波コイル
３プラズマトーチ
４プラズマジェット
５プラズマ制御用コイル
６ワイヤー
７ワイヤー供給用水冷ノズル
８溶融プール
Ｌｐ溶融プール８の長さ

Claims

銅を含有する鋼鋳片の表層をプラズマ加熱により溶融させ、この溶融した鋼鋳片の表層部分に、ニッケル又はニッケル合金を添加する鋼鋳片の表層改質方法であって、
前記鋼鋳片の処理方向への溶融処理速度Ｖｔ（ｍｍ／秒）、プラズマ加熱により形成される前記処理方向への溶融プール長さＬｐ（ｍｍ）に対し、ワイヤーから供給される溶滴がＬｐ／Ｖｔ（秒）間隔となる供給速度をＶｗ₀（ｇ／秒）、処理長さ２０ｍｍあたりに溶滴が１個落下する供給速度をＶｗ₂（ｇ／秒）、溶滴が連続的に溶融プールに添加される供給速度をＶｗ₁（ｇ／秒）としたとき、Ｖｗ₀＜Ｖｗ₂の場合は供給速度Ｖｗ（ｇ／秒）を下記数式（Ａ）で規定される範囲とし、Ｖｗ₀≧Ｖｗ₂の場合は供給速度Ｖｗ（ｇ／秒）を下記数式（Ｂ）で規定される範囲として、ニッケル又はニッケル合金からなるワイヤーを供給することを特徴とする鋼鋳片の表層改質方法。
請求項１に記載の表面改質方法が施されていることを特徴とする表面改質鋼鋳片。
請求項２に記載の表面改質鋼鋳片を加工することにより得られることを特徴とする加工製品。