JP5020910B2

JP5020910B2 - 鋼鋳片の表層改質方法

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Publication number: JP5020910B2
Application number: JP2008226194A
Authority: JP
Inventors: 秀樹濱谷; 研一山本; 純田中; 健彦藤; 敬二恒成; 健司梅津; 順竹内
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2028-09-03
Also published as: JP2010059478A

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に関する。

鋼鋳片に銅が含有されていると、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粒界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の粉末を使用するニッケル添加方法では、鋳片の表面に該粉末を載置した場合は磁場により粉末の位置が変化し、また、鋳片の表面に該粉末を吹きつけた場合はプラズマ気流等により粉末がはじかれるため、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ニッケル添加方法では、上述した問題は起こらないが、実用化には技術的に困難な問題も残されている。

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ニッケル添加方法の場合、ワイヤーは鋳片やプラズマからの輻射熱や鋳片の溶融部からの伝熱によって加熱溶融される必要がある。しかし、ワイヤー供給速度Ｖｗ（単位はｍ／ｓｅｃやｇ／ｓｅｃなど）が比較的遅い場合は、輻射熱のみでワイヤー先端が加熱溶融される。ワイヤー先端の溶融部（以下、溶滴と略す。）のサイズは、質量・表面張力・ジェット圧によって決まり、重力などが表面張力より大きくなったときに溶滴はワイヤー先端から離れ鋳片表面に落下する。このような溶滴によるニッケルの供給は、微視的には不連続となるので、プラズマ溶融処理部にＮｉ濃度のばらつきが生じる。ところが、特許文献１では、ワイヤーの供給方法及び条件に関しては全く開示されていない。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ず、ひいては、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を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の要旨は、以下のとおりである。
（１）銅を含有する鋼鋳片の表層を複数の等間隔に配置されたプラズマトーチからのプラズマ照射によって加熱・溶融させ、この溶融した鋼鋳片の表層部分に、ワイヤー形状の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において、前記ワイヤーのオシレーション幅を±Ｌｏ（ｍｍ）、オシレーション速度をＦｏ（ｍｍ／ｓｅｃ）、プラズマトーチの間隔をＰＬ（ｍｍ）、鋼鋳片の溶融処理速度をＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）、鋼鋳片の表層部分が溶融して形成された溶融プールの長さをＬｐ（ｍｍ）、前記ワイヤーの溶滴落下頻度をＦｗ（個／分）とするとき、これらが下記（１）式の関係を満たすように、前記ワイヤーを、オシレーション中心位置を中心として前記鋼鋳片の搬送方向と直交する方向にオシレーションしながら当該ワイヤーを溶滴として前記溶融プールに供給することを特徴とする、鋼鋳片の表層改質方法。

（２）銅を含有する鋼鋳片の表層を複数の等間隔に配置されたプラズマトーチからのプラズマ照射によって加熱・溶融させ、この溶融した鋼鋳片の表層部分に、ワイヤー形状の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において、ワイヤー先端で振幅±２ｍｍ以上、±５ｍｍ以下で、かつ周波数が２０Ｈｚ以上、８０Ｈｚ以下の、オシレーション中心位置を中心として前記鋼鋳片の搬送方向と直交する方向の振動を付与しながら、溶滴落下頻度Ｆｗ（個／分）が２０個／分以上となるようにニッケル又はニッケル合金からなるワイヤーを、溶滴として、鋼鋳片の表層部分が溶融して形成された溶融プールに供給することを特徴とする、鋼鋳片の表層改質方法。
（３）前記ワイヤーを供給する際、ワイヤー先端で振幅±２ｍｍ以上、±５ｍｍ以下で、かつ周波数が２０Ｈｚ以上、８０Ｈｚ以下の振動を付与することを特徴とする、上記（１）に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
（４）前記ワイヤーに含有される不純物元素のＯおよびＮが、Ｏ≦５０質量ｐｐｍ、Ｎ≦２００質量ｐｐｍであることを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の鋼鋳片の表層改質方法。

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（溶滴添加頻度）、供給位置、およびワイヤーの溶融状態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。

＜第１の実施形態＞
以下に、本発明を適用した第１の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の鋼鋳片の表面改質方法の第１の実施形態を模式的に示す斜視図である。
先ず、本実施形態の鋼鋳片の表面改質方法に用いる表面改質処理装置について説明する。
図１に示すように、表面改質処理装置は、鋼鋳片１の搬送方向上流側に配置された誘導加熱コイル２と、誘導加熱コイル２の搬送方向下流側であって鋼鋳片１の上方に配置されたプラズマトーチ３と、プラズマトーチ３の上記上流側に配置されたワイヤー７と、プラズマトーチ３から放射されるプラズマジェット４を制御する一対のプラズマ制御用コイル５とから概略構成されている。

プラズマトーチ３は、図１に示すように、鋼鋳片１の搬送方向と直交する方向に沿ってほぼ等間隔に配置されている。また、プラズマジェット４は、オシレーション可能とされている。そして、複数のプラズマジェット４をオシレーションすることで、鋼鋳片１の端部を除く幅方向全体を溶融することができる。

ワイヤー７は、図１に示すように、ワイヤー供給用水冷ノズル６に挿入されている。そして、図示しないワイヤー供給装置によって、ワイヤー供給用水冷ノズル６の先端側に向けてワイヤー７が供給されるように構成されている。また、ワイヤー供給用水冷ノズル６は、搬送方向の上流側から下流側に向けて傾斜された状態で、上流側のプラズマ制御コイル５の間に挿入されており、ワイヤー７の先端がプラズマジェット４に触れるように位置決めされている。

また、ワイヤー供給用水冷ノズル６の基端側には、図示しない揺動装置が取り付けられている。この揺動装置によって、オシレーション中心位置を中心として搬送方向と直交する方向にワイヤー７がオシレーション可能とされている。なお、上記オシレーション中心位置は、例えば、隣接するプラズマトーチ３の中間としても良いし、プラズマジェット４の中心としても良い。また、ワイヤー７のオシレーション幅を、隣接するワイヤー７の軌跡と重なるように調整することが好ましい。

鋼鋳片１は、銅が含有されているものであれば本発明の対象となり、その他の含有成分については特に限定されるものではない。
ワイヤー７は、ニッケル又はニッケル合金から構成されている。
また、供給するワイヤー７中のＯ濃度が２００質量ｐｐｍを越えると、鋼鋳片１が中炭素系の場合にはＣＯ反応による生成ガスによってブローホールが発生し、溶融処理部の表面性状が劣化するのでＯ濃度を２００質量ｐｐｍ以下にすることが好ましい。なお、Ｏ濃度が５０質量ｐｐｍを超えると溶融部で酸化物が生成し易く、表面品質が劣化する場合があるため、Ｏ濃度を５０質量ｐｐｍ以下にすることがより好ましい。また、供給するワイヤー７中のＮ濃度が２００質量ｐｐｍを越えると、窒素によるブローホールが発生し、溶融処理部の表面性状が劣化するのでＮ濃度は２００質量ｐｐｍ以下にすることが好ましい。

次に、本実施形態の鋼鋳片の表面改質方法について説明する。
図１に示すように、本実施形態の鋼鋳片の表層改質方法においては、例えば、鋼鋳片１の表層を誘導加熱コイル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６からワイヤー７を供給する。このとき、ワイヤー７は、プラズマジェット４等により加熱されて溶融し溶滴状となって、ワイヤー７の成分（ニッケル又はニッケル合金）が、溶融プール８に添加される。

図２は、本発明の鋼鋳片の表面改質方法の第１の実施形態を模式的に示す側面図である。図２に示すように、本実施形態の鋼鋳片の表面改質方法においては、ワイヤー７はプラズマジェット４と鋼鋳片１からの輻射熱により加熱され、溶融する。そして、ワイヤー７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溶滴となって、鋼鋳片表層溶融部（溶融プール８）に落下する。

このとき、ワイヤー供給速度Ｖｗが５ｍｍ／ｓｅｃ未満となるほど遅いと、溶滴の温度分布が小さくなって溶滴が大きくなるまで落下しないため、溶滴落下頻度Ｆｗが２０個／分未満になるまで少なくなり好ましくない。溶滴落下頻度Ｆｗが２０個／分未満になるほど少なすぎると、溶滴落下の周期の間にも鋼鋳片は移送されているため、鋼鋳片表層部が溶融プール８として溶融している間にワイヤー７の溶滴が一滴も供給されない鋼鋳片の表面領域、すなわち、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、本発明の鋼鋳片の表面改質方法では、溶融処理部のニッケル濃度を均一化するために、溶滴落下頻度Ｆｗを２０個／分以上とする。なお、溶滴落下頻度Ｆｗ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、処理速度、及びワイヤー突き出し長さ（＝エクステンション：ノズル出口から鋳片表面までの距離）等によってワイヤー７の加熱・溶融状態を変化させることで制御することができる。また、溶融プール８の流速は、溶融処理方向と平行な方向には速いが、垂直な方向には遅くなる。そのため、溶融処理方向に垂直な方向のニッケル濃度を均一化するためには、溶融処理方向に垂直な方向にプラズマトーチ３の間隔ＰＬ以上のオシレーション９の操作（オシレーション幅±Ｌｏ、すなわち、２Ｌｏ）を付与する（Ｌｏ≧０．９ＰＬ／２）。

一方、ワイヤー７の供給速度Ｖｗが１５ｍｍ／ｓｅｃ以上になるほど速くなると、プラズマジェット４と鋼鋳片１からの輻射熱だけではワイヤー７の先端が溶融しきれず、未溶融のワイヤー７が連続して溶融プール８に供給されるようになる。このように、未溶融のワイヤー７自体が連続的に溶融プール８に供給されると、溶融処理方向と平行な方向のニッケル濃度は均一になるが、ワイヤー７の加熱が不十分のまま溶融プール８に挿入されるため、比較的低温のワイヤー７によって溶融プール８内の溶融金属が冷却され、その結果、ニッケルの流動拡散量が低減し、ワイヤー７の軌跡の部分を中心にニッケル濃度が高くなり、鋼鋳片幅方向のニッケル濃度が均一化しない虞があり好ましくない。

以上のことから、ワイヤー７の供給速度Ｖｗは、ワイヤー７の入熱との関係で、溶滴落下頻度が２０個／分以上となり、かつ、未溶融のワイヤー７が溶融プール８に接触しない程度となる、５ｍｍ／ｓｅｃ以上、１５ｍｍ／ｓｅｃ未満に制御することが好ましい。

本実施形態の鋼鋳片の表面改質方法においては、ワイヤー７を溶滴として溶融プール８に添加する場合に、ワイヤー７をオシレーションしながら供給する。このときオシレーション９の方向は、鋼鋳片１の搬送方向（溶融処理方向）とほぼ直交する方向とする。これにより、鋼鋳片１上におけるワイヤー７の先端の軌跡に沿って、ワイヤー先端から高頻度（２０個／分以上）で滴下する溶滴を鋼鋳片１上の幅方向に分散滴下させることができ、鋼鋳片１の表層部におけるニッケル濃度の均一性が高められる。

図３は、本発明の鋼鋳片の表面改質方法の第１の実施形態を模式的に示す平面図である。図３に示すように、本実施形態の鋼鋳片の表層改質方法においては、ワイヤー７のオシレーション幅を±Ｌｏ（ｍｍ）、ワイヤー７のオシレーション速度をＦｏ（ｍｍ／ｓｅｃ）、隣接するプラズマトーチ３の間隔をＰＬ（ｍｍ）、鋼鋳片１の溶融処理速度をＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）、溶融プール８の長さをＬｐ（ｍｍ）とする。また、ワイヤー７の溶滴落下頻度をＦｗ（個／分）とする。

図３に示すように、鋼鋳片１上には、この鋼鋳片１の表面が溶融した溶融プール８が形成されている。この溶融プール８は、プラズマジェット４が吹き付けられて溶融した鋼鋳片１の表面の溶融部の搬送方向上流側の端部を基端として、搬送方向下流側に向かって形成されており、この搬送方向上流側端部から搬送方向下流側に向かって長さＬｐ（ｍｍ）の位置まで溶融状態となっている。

また、溶融プール８内には、プラズマトーチ３から吹き付けられたプラズマジェット４によっていくつかの溶融金属の流れができている。この溶融金属の流れは、隣接するプラズマジェット４によって形成された他の溶融金属の流れと分離されたままの場合もあるし、溶融プール８内の途中で一体化する場合もある。

ここで、ワイヤー７から溶融プール８に溶滴が滴下されると、ワイヤー７のＮｉは滴下位置から溶融金属中に混合、拡散する。また、溶融プール８には上述したように溶融金属の流れがあるため、Ｎｉの混合、拡散の度合はこの溶融金属の流れ方向に大きく、隣接する溶融金属の流れ方向へは少なくなっている。また、鋼鋳片の搬送方向の所定の表面位置からみれば、溶融プール８が移動してきて溶融状態になると、Ｎｉの混合、拡散が盛んになり、溶融プール８の移動した後は、凝固して固体状態になり、Ｎｉの混合、拡散が停止する。

したがって、本実施形態の鋼鋳片の表層改質方法において、鋼鋳片１の表層部におけるニッケル濃度の均一性を高めるためには、図３にオシレーション９で示すように、１回（１周期）のオシレーション動作によってワイヤー７の先端位置がオシレーションの起点から次の周期のオシレーションの起点に戻る間中、オシレーションの起点となった鋼鋳片の表面位置が溶融状態、すなわち溶融プール８内にあれば良い。この状態を式で表すと、下記（２）式の通りとなる。

上記（２）式の左辺はオシレーションの一周期の時間、右辺はある場所が溶融している時間であり、左辺の時間が右辺よりも短ければ、鋼鋳片１上のワイヤー７のオシレーションする幅（±Ｌｏ、または２Ｌｏ）の範囲内に搬送方向の仮想線を引いた場合に、溶融プール８が溶融している間に当該仮想線をワイヤー７の先端の軌跡が少なくとも２回は横切ることとなる。また、鋼鋳片表面の幅方向の端部を除く全域を複数のワイヤー７のオシレーション幅で覆うことになることから、鋼鋳片１上のいずれの位置に仮想線を引いた場合であっても上記関係が成り立つ。これにより、溶融処理方向と平行方向のニッケル濃度を均一化することができる。

但しこのとき、オシレーション幅Ｌｏがプラズマトーチ間隔の半分以上ないとワイヤーが供給されない部位が発生するため、下記（３）式の条件も満たす必要がある。

上述したように、ワイヤー７のニッケル成分が高頻度（２０個／分以上）で滴下する溶滴として溶融プール８の鋼鋳片幅方向へ分散供給される場合には、上記（２）式および上記（３）式のオシレーション条件を満たす必要がある。また、溶滴落下頻度Ｆｗが２０個／分未満であると、ワイヤー７のニッケル成分の分散的な供給であるためにニッケル濃度が不均一になってしまう。したがって、ニッケル濃度を均一化するため、下記（４）式の条件を満たす必要がある。

なお、図３に示すように、ワイヤー７のオシレーション中心位置は、隣接するプラズマトーチ３間の中心に合わせているが、本実施形態の鋼鋳片の表層改質方法においては、特にこれに限定されるものではない。例えば、ワイヤー７のオシレーション中心位置とプラズマトーチ３の位置とを合わせても良い。また、ワイヤー７のオシレーション方法は特に限定されるものではなく、個々に制御しても良いし、全て同調させても良い。

鋳片処理速度は１〜２０ｍｍ／ｓｅｃとするのが好ましい。１ｍｍ／ｓｅｃより遅いと経済性が極端に劣化し、２０ｍｍ／ｓｅｃ超では表面凹凸が劣化するためである。
プラズマトーチ間隔ＰＬは、大きいほどプラズマトーチ総本数を減らすことができ効率的であるが、プラズマ振幅（扁平したプラズマの幅）よりも狭くする必要がある。このプラズマ振幅は、プラズマ制御用コイルに流す電流が大きいほど、プラズマ電流が小さいほど大きくなり、その限界は１００ｍｍ程度である。その結果、プラズマトーチ間隔ＰＬは、１００ｍｍ以下が現状の限界である。但し、制御コイルの開発により、この限界は拡大できる可能性がある。一方、プラズマトーチ間隔ＰＬの下限は、使用するプラズマトーチのサイズに依存し、大よそトーチ外径＋１０ｍｍとなる。この１０ｍｍの差は、プラズマトーチ間隔がこれより狭いとプラズマトーチ間で異常放電する可能性があるからである。

また、このプラズマトーチ間隔ＰＬは、プラズマ電流値が大きいほど冷却機構を高くする必要があるために大きくなり、４００Ａ以上の電流を用いる場合は５０ｍｍが下限となる。その結果、プラズマトーチ間隔ＰＬは、５０〜１００ｍｍとなる。オシレーション幅Ｌｏは、オシレーション速度Ｆｏによって異なるが、±１／２ＰＬ超は必要となる。但し、実際のオシレーションにおいて、折り返し点ではオシレーション速度がゼロとなり、このゼロとなる時間を完全にゼロとすることは難しい。この場合、オシレーション幅Ｌｏを±１／２（０．９）ＰＬ〜±１／２ＰＬとしないと、２つのワイヤーが重なりあう場所のＮｉ濃度が高くなる。

請求項２に記載の本発明のようにオシレーションをしない場合は、ワイヤーはトーチと進行方向と同一箇所に設置することが好ましい。

本実施形態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、後工程の熱間加工前の加熱炉で生成される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０．５〜１０ｍｍ程度の範囲である。

なお、上述した溶滴の落下頻度Ｆｗ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１／１００００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、本実施形態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、ニッケルが富化された表層部分における任意の位置のニッケル濃度の、該ニッケル富化表層部分の平均ニッケル濃度に対するばらつきを±５０％以内に抑制することができる。

ここで、Ｎｉ濃度のバラツキδ_Ｎｉは、鋳片表面のＮ点の濃度を分析した点のＮｉ濃度（以下、Ｃ_Ｎｉ．ｊと表記する。）によって、下記（５）式に示すように定義される。

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、ニッケル添加量を鋼鋳片全断面に添加するより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。

また、本実施形態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、誘導加熱コイル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。

＜第２の実施形態＞
以下に、本発明を適用した第２の実施形態について詳細に説明する。図４は、本実施形態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る。
先ず、本実施形態の鋼鋳片の表面改質方法に用いる表面改質処理装置について説明する。
図４に示すように、本実施形態の表層改質処理装置は、第１の実施形態の表層改質処理装置の構成におけるオシレーション機能に代えて振動器１０を設けた構成となっている。これにより、ワイヤー７を溶滴として不連続的に溶融プール８に添加する場合に、振動器１０から水冷ノズル６を介してワイヤー７に搬送方向と直交する方向の振動１１を付与しながら供給する構成となっている。なお、図４に示す構成要素において、図１に示す構成要素と同一の構成要素には、図１と同一の符号を付してその説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態の鋼鋳片の表層改質方法においては、例えば、鋼鋳片１の表層を誘導加熱コイル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６からワイヤー７を供給する。このとき、ワイヤー７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７の成分（ニッケル又はニッケル合金）が溶滴状となって溶融プール８に添加される。

本実施形態の鋼鋳片の表面改質方法においては、ワイヤー７はプラズマジェット４と鋼鋳片１から輻射加熱され、溶融する。このとき、ワイヤー７の供給速度Ｖｗが５ｍｍ／ｓｅｃ未満となるほど遅いと、溶滴の温度が低くなって液滴が大きくなるまで落下しないため、溶滴落下頻度Ｆｗが２０個／分未満になるまで少なくなり好ましくない。そして、ワイヤー７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１の表層溶融部（溶融プール８）に落下する。溶滴落下頻度Ｆｗが２０個／分未満になるほど少なすぎると、溶滴落下の周期の間にも鋼鋳片は移送されているため、鋼鋳片表層部が溶融プール８として溶融している間にワイヤー７の溶滴が一滴も供給されない鋼鋳片の表面領域、すなわち、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、本発明の鋼鋳片の表面改質方法では、溶融処理部のニッケル濃度を均一化するために、溶滴落下頻度Ｆｗを２０個／分以上とする。本実施形態は、ワイヤー７のニッケル成分を溶融プール８に高頻度（２０個／分以上）で滴下する溶滴として供給する場合に、当該ワイヤー７に振動１１を付加して溶滴の落下頻度Ｆｗを高めることに関するものである。

溶滴落下頻度Ｆｗを高めるためには溶滴が細かく飛散できるだけの振動力を付与する必要がある。振動力は振動させる装置および取り付け方法によって変わるが、いずれにしても振幅が±２ｍｍ未満あるいは周波数が２０Ｈｚ未満では振動力が不足し、溶滴の落下頻度Ｆｗを高くできない。また、振幅が±５ｍｍ超では振幅が大きすぎて溶滴の飛散過多となり、合金の歩留まりが低下する。さらに、振動の周波数が８０Ｈｚ超では、装置全体が共振してしまい装置に損傷が発生することがある。以上から、ワイヤー先端の振動は、振幅±２ｍｍ以上、±５ｍｍ以下で、かつ周波数が２０Ｈｚ以上、８０Ｈｚ以下にする必要がある。

上述の如く、本実施形態の鋼鋳片の表層改質方法においては、第１の実施形態と同様に、鋼鋳片１の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、熱間加工時の割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。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明を適用した第３の実施形態について詳細に説明する。図５は、本発明の鋼鋳片の表面改質方法の第３の実施形態を模式的に示す斜視図である。
先ず、本実施形態の鋼鋳片の表面改質方法に用いる表面改質処理装置について説明する。
図５に示すように、本実施形態の表層改質処理装置は、第１の実施形態および第２の実施形態の表層改質処理装置の構成を併せて有するものである。すなわち、ワイヤー７のニッケル成分を高頻度（２０個／分以上）で滴下する溶滴として溶融プール８に添加する場合に、水冷ノズル６に振動器１０を取り付けて水冷ノズル６を介してワイヤー７に振動１１を付与すると共に、当該ワイヤー７をオシレーションしながら供給する構成となっている。なお、図５に示す構成要素は、図１および図４に示す構成要素と同一の構成要素には、図１および図４と同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態の鋼鋳片の表面改質方法によれば、上述した第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、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。また、ワイヤー７を溶融プール８に供給する際に、振動１１を付与すると共にオシレーションするため、鋼鋳片１の表層により多くのＮｉを添加することができる。

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９７％Ｎｉ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。（振動）振動器にはエアーバイブレーター・タービン型（振動数５０００サイクル／ｍｉｎ以上）を、水冷ノズルの下端から位置を変えて取り付けた。その際の処理条件を下記表１に示す。振幅と振動周波数はバイブレーターの圧力、取り付け位置で制御した。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、モバイルカウントバックと呼ばれる金属材料判別機（ここでは、ＷＡＳ社製ＰＭＩ−ＭＡＳＴＡＲＰｒｏを使用したが、その他の測定方法、測定器を使用してもよい。）により、２０ｍｍ間隔で測定した。その結果を上記表１に併せて示す。ここでＮｉ濃度のバラつきが良好であるとは、同バラツキが±５０％以内であることと定義している。

上記表１に示すように、比較例１は、オシレーション幅が不足するために上記（３）式を満足できず、さらに溶滴落下頻度（表中のワイヤー落下頻度Ｆｗ）が改善できず上記（４）式を満足できないため、ニッケル濃度のばらつきが８０％であった。
また、比較例２は、オシレーション速度が遅いため上記（２）式を満足できず、さらに溶滴落下頻度が改善できず上記（４）式を満足できないため、ニッケル濃度のばらつきが１００％であった。
比較例３は、溶滴落下頻度が改善できず、ニッケル濃度のばらつきが２００％であった。
比較例４は、オシレーション及び振動が与えられず、溶滴落下頻度が改善できないために上記（４）式を満足できず、ニッケル濃度のばらつきが２００％であった。
比較例５は、バイブレーターの圧力が不足し、振幅及び振動周波数が不足したため、溶滴の落下頻度が改善できず、ニッケル濃度のばらつきが１６０％であった。
比較例６は、バイブレーターの圧力が高すぎ、振幅が大きくなりすぎたため、溶滴の飛散過多となって歩留まりが低下した例である。
比較例７は、プラズマトーチ間隔が広すぎるため、鋼鋳片表面の幅方向で溶融部が繋がらずに溶融不完全となった例である。
比較例８は、溶滴落下頻度が改善できず、ニッケル濃度のばらつきが２００％であった。
比較例９は、溶滴落下頻度は上記（４）式を満たしているが、オシレーション速度が遅いため上記（２）式を満足できず、ニッケル濃度のばらつきが１５０％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１〜３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。

図１は、本発明の鋼鋳片の表面改質方法の第１の実施形態を模式的に示す斜視図である。図２は、本発明の鋼鋳片の表面改質方法の第１の実施形態を模式的に示す側面図である。図３は、本発明の鋼鋳片の表面改質方法の第１の実施形態を模式的に示す平面図である。図４は、本発明の鋼鋳片の表面改質方法の第２の実施形態を模式的に示す斜視図である。図５は、本発明の鋼鋳片の表面改質方法の第３の実施形態を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１鋼鋳片
２誘導加熱コイル
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ワイヤー供給用水冷ノズル
７ワイヤー
８溶融プール
９オシレーション
１０振動器
１１振動

Claims

銅を含有する鋼鋳片の表層を複数の等間隔に配置されたプラズマトーチからのプラズマ照射によって加熱・溶融させ、この溶融した鋼鋳片の表層部分に、ワイヤー形状の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において、
前記ワイヤーのオシレーション幅を±Ｌｏ（ｍｍ）、オシレーション速度をＦｏ（ｍｍ／ｓｅｃ）、プラズマトーチの間隔をＰＬ（ｍｍ）、鋼鋳片の溶融処理速度をＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）、鋼鋳片の表層部分が溶融して形成された溶融プールの長さをＬｐ（ｍｍ）、前記ワイヤーの溶滴落下頻度をＦｗ（個／分）とするとき、これらが下記（１）式の関係を満たすように、前記ワイヤーを、オシレーション中心位置を中心として前記鋼鋳片の搬送方向と直交する方向にオシレーションしながら当該ワイヤーを溶滴として前記溶融プールに供給することを特徴とする、鋼鋳片の表層改質方法。
銅を含有する鋼鋳片の表層を複数の等間隔に配置されたプラズマトーチからのプラズマ照射によって加熱・溶融させ、この溶融した鋼鋳片の表層部分に、ワイヤー形状の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において、
ワイヤー先端で振幅±２ｍｍ以上、±５ｍｍ以下で、かつ周波数が２０Ｈｚ以上、８０Ｈｚ以下の、オシレーション中心位置を中心として前記鋼鋳片の搬送方向と直交する方向の振動を付与しながら、溶滴落下頻度Ｆｗ（個／分）が２０個／分以上となるようにニッケル又はニッケル合金からなるワイヤーを、溶滴として、鋼鋳片の表層部分が溶融して形成された溶融プールに供給することを特徴とする、鋼鋳片の表層改質方法。
前記ワイヤーを供給する際、ワイヤー先端で振幅±２ｍｍ以上、±５ｍｍ以下で、かつ周波数が２０Ｈｚ以上、８０Ｈｚ以下の振動を付与することを特徴とする、請求項１に記載の鋼鋳片の表層改質方法。
前記ワイヤーに含有される不純物元素のＯおよびＮが、
Ｏ≦５０質量ｐｐｍ、
Ｎ≦２００質量ｐｐｍ
であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の鋼鋳片の表層改質方法。