JP5140660B2 - 高力鋼のストリップを熱浸漬亜鉛メッキの目的のために連続的に焼なまし及び下準備するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、高力鋼のストリップを溶融金属の浴中で熱浸漬することにより、好ましくは亜鉛メッキまたは「ガルバニーリング」として知られる処理により被覆するために高力鋼のストリップを連続的に焼なまし及び下準備するための新しい方法に関する。

ここで検討される技術領域は、鋼の、特にＨＳＳ鋼（高力鋼）の高合金ストリップの、亜鉛のまたは亜鉛合金の被覆浴中での連続移動での亜鉛メッキの技術領域である。亜鉛メッキするのが困難であると言われているこれらの特殊鋼は、例えば２％までまたはそれ以上の合金元素（アルミニウム、マンガン、ケイ素、クロム等）のレベルを含むことができる鋼、ステンレス鋼、「二相組織鋼」、ＴＲＩＰ鋼、ＴＷＩＰ鋼（２５％までのＭｎと３％Ａｌ）等である。これらの鋼ストリップは一般的に、例えば建築または自動車部門での用途のためにプレス、折り曲げ等により後の段階で切断及び成形されることを意図されている。

幾つかの鋼はそれらの特別な表面反応性を考えると亜鉛メッキまたはガルバニーリング処理にうまく応答しないことが良く知られている。亜鉛メッキする能力は、溶融金属の浴中に浸漬する前の圧延油の残留物の適切な排除及び過剰な表面酸化の防止に本質的に依存する。従って、高合金鋼の引っ込んだ所への溶融亜鉛の濡れ性の不足は連続的な亜鉛メッキ工程時に見出されることができる。この亜鉛の濡れの減少はストリップの表面での外層（「最外部表面」）中の選択的酸化物の層の存在により説明される。これらの選択的酸化物は、合金元素の偏析、及び亜鉛浴中への浸漬に先立つ連続的焼なまし時の水蒸気によるそれらの酸化により作られる。水蒸気は、冷間圧延バー中に常に存在する酸化鉄の焼なまし炉の雰囲気中に含まれた水素による還元によりこの点で発生される。

結果として、合金組成に限らずかつ亜鉛または亜鉛合金被覆の付着に好都合なように、溶融亜鉛に実際に純粋な金属鉄の層を与えることを可能にするために、外側の選択的酸化を排除するか、または鋼の内側に、表面の外層の下１または２μｍに、それを移動させることが試みられている。この結果は種々な方法により得られることができる：
− 合金元素の選択的酸化を外側から内側に変えるような方式で高温度を維持しながら露点を増大する（例えばＪＰ−Ａ−２００５／０６８４９３）；
− 加熱段階時に例えば炉の直火バーナー中の空気／燃焼ガスの比を増大することによる鉄の全酸化、次いで高温度を維持しながら水素による金属鉄への還元（例えばＪＰ−Ａ−２００５／０２３３４８、ＪＰ−Ａ−０７０３４２１０等）またはもし必要なら酸化物層を通して拡散し、その表面の酸素を交換する鋼の遊離炭素による還元（例えばＢＥ−Ａ−１０１４９９７参照）；
− 鉄またはニッケルの予備付着（例えばＪＰ−Ａ−０４２８０９２５、ＪＰ−Ａ−２００５／１０５３９９）。

これらの方法は一般的に、高温度に維持する段階時に鋼還元性雰囲気下の作業を伴い、それは高価なガスである水素の高いレベル（雰囲気のガスの７５％まで）と低露点を必要とする。それらは全て、有意であるがそれでもなお不十分な効率で、高力鋼の「亜鉛メッキ性」を、特に例えば高ケイ素レベル（約１．５重量％）を持つ鋼の場合に、改善可能にする。さらに、予備付着を必要とする方法は非常に高価である。

従来技術で既に知られた方法の一例によれば、亜鉛メッキのための鋼ストリップを焼なまし及び下準備するための前提は典型的にストリップの流れ方向に以下のものを含む：
− 続いての還元のために好適な厚さ（約５０ナノメートル）の酸化物膜を形成可能にする温度までのストリップの加熱を確実にする第一（予備）加熱セクション；このセクションは、例えば直火炉の場合には空気／燃焼性ガスの混合物の形の空気または酸素の添加によりまたは輻射炉の場合には空気のみの添加により酸化される雰囲気下にある；
− 加熱セクションから通常のエアロックにより分離された第二焼なましセクション、ここでストリップは、高焼なまし温度に維持され、加熱セクションのガスの侵入を防ぐために不活性かつ過圧雰囲気下にある；
− 第二セクションから通常のエアロックにより分離され、先行セクションと比べてわずかに減圧されているが周囲圧力に関してわずかに過圧されている雰囲気下の第三還元セクション；このセクションは、焼なましサイクルを完成すること（温度維持期間の終り）、ストリップを冷却すること、及び浸漬ポンプを通して溶融金属の浴に移送される前に恐らく過時効を起こすことを意図されている；この領域において、第一セクション内で作られた酸化物層は非常に低い露点を持つ水素／不活性ガス雰囲気により理想的には完全に還元される。

もちろん、より簡単なまたはより複雑な焼なまし炉がまた知られており、それらは典型的には（予備）加熱、温度維持、冷却、過時効等の機能をそれぞれ達成するための１〜４つの別個のセクションを含む。

本発明は、従来技術の欠点を克服することができる解決策を提供することを目的とする。

特に、本発明は、より経済的である亜鉛メッキのための高力鋼を焼なまし及び下準備するための方法を提供することを目的とし、この亜鉛メッキはガルバニーリングタイプの熱処理を伴ってまたは伴うことなく達成される。

本発明はまた、脆性欠陥のない亜鉛メッキのための高力鋼の下準備を可能にすることを目的とする。

特に、本発明は、添加水素を含まない限定雰囲気下での焼なまし法を提供することを目的とする。

本発明の一つの追加の目的は、冷却及び亜鉛浴中への浸漬に先立つ連続的焼なましの過程での全酸化段階時のストリップ表面の最外層中の合金元素の選択的酸化を防ぐことである。

本発明は、溶融金属の浴中での高力鋼のストリップの熱浸漬被覆のためのその連続的焼なまし及び下準備のための方法に関し、それによれば、鋼の前記ストリップはストリップの流れ方向で考えると連続的に、少なくとも二つのセクション内で処理される：
− 「加熱及び温度維持」セクション、ここではストリップは加熱され、次いで空気（または酸素）／非酸化性または不活性ガス混合物を持つ酸化性雰囲気下に所定の焼なまし温度で維持され、ストリップの表面上に薄い酸化物膜を形成し、この酸化物膜の厚さは好ましくは０．０２〜０．２μｍに制御され、ストリップの前記加熱は直火によるかまたは輻射によるかのいずれかで達成される；
− 「冷却及び移動」セクション、ここではそれが被覆浴中に移動される前に、少なくとも焼なましされたストリップは、冷却され、加熱及び温度維持セクション内で形成された酸化物層中に存在する酸化鉄の金属鉄への完全な還元を、低レベルの水素と不活性ガスの混合物を持つ還元性雰囲気下で受け、両方の前記セクションは通常のエアロックにより互いに分離されている；
さらに、酸化性雰囲気は少なくとも部分的に還元性雰囲気から分離されており、酸素の制御されたレベルは加熱及び温度維持セクション内で５０〜１０００ｐｐｍに維持され、水素の制御されたレベルは冷却及び移動セクション内で４％未満、好ましくは０．５％未満の値に維持される。

酸化鉄の完全な還元は少なくとも９８％のその還元として理解されるべきである。

有利には、制御された酸素レベルは加熱及び温度維持セクション内で５０〜４００ｐｐｍに維持される。

本発明の第一の好適な実施態様によれば、ストリップによりエアロックを通して冷却及び移動領域中に導入された酸素が、この過圧のため、水蒸気を形成することにより冷却雰囲気内に含まれた水素と完全に反応するように酸素雰囲気を過圧することにより酸化性雰囲気が還元性雰囲気から分離される。

本発明の第二の好適な実施態様によれば、上流に向けられた熱ガス流中に導入された、冷却及び移動セクション内に存在する水素は、水蒸気を形成するために加熱及び温度維持セクションから来る酸素と反応させられる。この場合、冷却及び移動セクションは加熱及び温度維持セクションと比べて過圧に維持されている。高圧ガスは溶融金属浴に向けて逃げることができないので、それは加熱及び温度維持領域に戻る。

本発明によれば、加熱及び温度維持領域内で形成された酸化物層の酸素含有量の制御は、直火加熱手段に供給される燃焼空気によりガス混合物を変性することによるか、または輻射または誘導加熱の場合の空気（または酸素）／不活性ガス混合物の制御された注入によるかのいずれかで得られる。

非酸化性または不活性ガスは好ましくは窒素またはアルゴンである。

有利には、溶融金属は亜鉛またはその合金の一つである。

さらに有利には、加熱及び温度維持領域はいずれの還元性雰囲気も含まない。

熱浸漬被覆のための方法は好ましくは亜鉛メッキまたはガルバニーリング処理である。

さらに、本発明によれば、加熱及び温度維持セクション内及び冷却及び移動セクション内の両方の雰囲気は−１０℃、好ましくは−２０℃より低いかまたはそれに等しい露点を持つ。

好適な実施態様によれば、ストリップは６５０℃〜１２００℃の温度まで加熱され、それは維持温度を含む。

別の好適な実施態様によれば、ストリップは次いで１０〜１００℃／ｓの冷却速度で４５０℃より高い温度まで冷却される。

本発明により提案された一つの経済的な方法は、窒素のような一般的なガスの１０倍も高価なガスでありかつさらに高力鋼の深刻な脆性の欠陥の理由である水素の添加なしに、亜鉛メッキのための下準備での焼なまし段階を実施することを目的とする。

本発明は、高力鋼の全ての引っ込んだ所に対する完全な亜鉛メッキを達成することを目的とする。最外表面上の合金元素の酸化を防ぐために、一つの提案は（予備）加熱及びバーの高温度維持のサイクル全体に炉中に空気／窒素の混合物を注入することである。

従って、この方法は、低圧反応性領域が炉のこの部分中に組込まれる他の方法（例えばＪＰ−Ａ−２００３／３４２６４５）の場合のように、全加熱／温度維持セクション内の雰囲気の分離を必要としない。

空気／窒素の混合物の酸素は、焼なましセクション内の二つの同時のかつ競合する反応を作る効果を持つであろう：
− 表面での鉄の拡散による酸化鉄の増加を持つ最外表面上の酸素による鉄の酸化。従って、酸化鉄の薄い層がバーの表面上に存続する限り、マンガンを除いて、合金元素は鋼／酸化鉄の界面でブロックされる；
− 遊離炭素の鋼／酸化鉄の界面に向けての拡散による酸化鉄の続いての還元。

合金元素はまた、それらが鋼／酸化鉄の界面に移行するときに酸化鉄の還元に参加する。

しかし、加熱／温度維持セクションの空気／窒素の雰囲気は、亜鉛浴である限りストリップ冷却及び移動段階の非酸化性雰囲気から分離されかつ部分的に単離されなければならない。この目的のためには、酸化性雰囲気は、バーにより導入された酸素が冷却セクションの雰囲気内に含まれた水素と完全に反応するような方法で非酸化性雰囲気と比べて高圧に維持されることが好ましいであろう。

かかる構成では、約１．２％アルミニウムを含む鋼は例えば、窒素中に１００ｐｐｍの酸素を持つ雰囲気中で８００℃の温度に加熱されかつ焼なましされるであろう。一分間続く温度維持の終りに、バーは、−２０℃の露点に相当する４％水素と０．１％水蒸気を持つ雰囲気中で５０℃／ｓの速度で５００℃まで冷却される。このバーは次いで、０．２％アルミニウムを持つ亜鉛の浴中に４７０℃の温度で浸漬され、４６０℃に維持される。３秒の浸漬後、被覆は８μｍの亜鉛層を残すように絞られる。かかる亜鉛付着物はそのとき完全に濡れており、通常の低炭素鋼に対して得られる付着品質に匹敵する付着品質を持つ。

別の例を引用すると、同じ方法が約１．５％のケイ素を持つ鋼に適用されることができる。しかし、この場合、匹敵する結果を得るために加熱／温度維持段階時に酸素レベルを３００ｐｐｍまで増大することが必要であるだろう。酸素レベルのこの増加は、鋼／酸化鉄の界面に酸化ケイ素バリヤーを与えることによりケイ素が鉄の拡散を遅らすので必要である。

作業の別の方法は、通常の流れを亜鉛浴から加熱セクションに確立させること、及び水蒸気を形成するために移動／冷却セクションの非常に低いレベルの水素（＜０．５％）を加熱／温度維持セクションの酸素と反応させることである。水素の流入を中和するために温度維持セクションからの出口で追加の酸素が添加されることができ、実施されるレベルは常に、危険領域、即ち爆発領域（空気中に４％のＨ_２）から非常に遠くに定められる。

加熱／温度維持セクション内で作られる酸化鉄の薄い層を還元するのに十分であるであろうし、このように調製された金属鉄はバーの浴中への浸漬時に亜鉛による良好な濡れ性を確実とするであろうから、鋼の炭素は実際には冷却セクション内で高い水素レベルは必要ではない。

効果的であるためには、この方法は、炉内の酸素レベルを５０〜１０００ｐｐｍの範囲内に制御するための手段を設けなければならないであろう。事実、低過ぎるレベルは合金元素の最外表面に向けての拡散に対して十分に不透過性の酸化鉄の層を作ることはできないであろうし、高過ぎる酸素レベルは亜鉛浴の方に導く冷却及び移動段階時に還元されない厚過ぎる酸化鉄層を作るであろう。この酸素レベルは好ましくは５０〜４００ｐｐｍの範囲内にあるであろう。

本発明は幾つかの利点を持ち、それは特に以下の通りである：
− 従来技術におけるよりはるかに少ない、恐らく少しも含まない水素が加熱／温度維持領域内に添加され、それが主要な操作上の節約を表し、かつより少ない脆性欠陥を持つ高力鋼の製造を保証する；
− 加熱セクションは、焼なまし温度が維持されるセクションからもはや分離されず、それがエアロックを不要とするだけでなく、ガス雰囲気のための制御装置のどのような重複も避けさせる；
− この方法は、被覆の付着性またはストリップの濡れ性に関して従来技術で知られた方法よりずっと効果的である；
− 使用されるガス雰囲気は、特にその水素レベルの減少に従って、装置（例えば輻射管）に対する損傷を少なくする。

Claims (12)

1. 溶融金属の浴中での熱浸漬により高力鋼のストリップを被覆するためにそれを連続的に焼なまし及び下準備するための方法であって、前記鋼のストリップは少なくとも二つのセクション内で処理され、それらのセクションはストリップの移動方向で連続的に、
   − 「加熱及び温度維持」セクション、ここではストリップは加熱され、次いで空気または酸素と非酸化性または不活性ガスとの混合物を持つ酸化性雰囲気下に所定の焼なまし温度で維持され、ストリップの表面上に薄い酸化物膜を形成し、この酸化物膜の厚さは０．０２〜０．２μｍであり、ストリップの前記加熱は直火によるかまたは輻射によるかのいずれかで達成される；
   − 「冷却及び移動」セクション、ここではそれが被覆浴に移動される前に、前記焼なましされたストリップは、少なくとも冷却され、加熱及び温度維持セクション内で形成された酸化物層中に存在する酸化鉄から金属鉄への少なくとも９８％の還元を、水素と不活性ガスの混合物を持つ還元性雰囲気下で受け、両方の前記セクションはエアロックにより互いに分離されている；
   を含み、
   さらに、酸化性雰囲気が還元性雰囲気から分離されており、制御された酸素レベルが加熱及び温度維持セクション内で５０〜１０００ｐｐｍに維持され、制御された水素レベルが冷却及び移動セクション内で４％未満の値に維持されることを特徴とする方法。
2. 加熱及び温度維持セクション内の制御された酸素レベルが５０〜４００ｐｐｍに維持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 酸化性雰囲気を過圧して、ストリップによりエアロックを通して導入された酸素を冷却雰囲気の水素と完全に反応させて水蒸気を形成させることにより酸化性雰囲気が還元性雰囲気から分離されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 加熱及び温度維持セクションより高い圧力にあり、かつ上流に向けられたガス流中に導入される、冷却及び移動セクション内に存在する水素が、水蒸気を形成するように加熱及び温度維持セクションから来る酸素と反応させられることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
5. 加熱及び温度維持セクション内で形成された酸化物層の酸素含有量の制御が、直火加熱手段に供給される燃焼空気によりガス混合物を変性することによるか、または輻射または誘導加熱の場合の空気または酸素と不活性ガスとの混合物の制御された注入によるかのいずれかで達成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 非酸化性または不活性ガスが窒素またはアルゴンであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 溶融金属が亜鉛またはその合金の一つであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 加熱及び温度維持領域がいかなる還元性雰囲気も含まないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 熱浸漬被覆法が亜鉛メッキ処理であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 加熱及び温度維持セクション内、及び冷却及び移動セクション内の雰囲気が−１０℃より低いかまたはそれに等しい露点を持つことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. ストリップが６５０℃〜１２００℃の温度まで加熱され、６５０℃〜１２００℃の温度で維持されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. ストリップが次いで１０〜１００℃／ｓの冷却速度で４５０℃より高い温度まで冷却されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。