JP7277707B2

JP7277707B2 - 厚鋼板

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Publication number: JP7277707B2
Application number: JP2019006555A
Authority: JP
Inventors: 寛志多根井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2023-05-19
Anticipated expiration: 2039-01-18
Also published as: JP2020114938A

Description

本発明は、厚鋼板、より詳しくはレーザー切断に使用するのに有用な厚鋼板に関する。

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。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。一般的に、鋼板の切断方法としては、従来のガス切断に加えて、プラズマ切断やレーザー切断などが知られている。

レーザー切断は、従来のガス切断と比較して、切断面の精度に優れ、熱影響部が小さいこと、さらには自動化が可能なことから薄板加工業を中心に普及してきた。しかしながら、近年、高出力のレーザー切断機の実用化により、厚鋼板の切断においてもレーザー切断機が利用されるようになってきている。

ここで、厚鋼板等の鋼板の製造はスラブを熱間圧延する工程を一般に含み、一方で、熱間圧延された鋼板は大気中で酸化されてその表面にスケール（酸化物）が形成することが知られている。そして、厚鋼板のレーザー切断においては、このスケールが鋼板表面で剥離していたり、切断時にレーザーによって剥離したりすると、厚鋼板をうまく切断できなかったり、切断面にえぐられたような異常切断部（ノッチ）が生じたりして、安定的な切断ができない場合がある。

また、上記のとおり、レーザー切断は自動化が可能であるものの、例えば、設定された切断条件のもと自動無人運転においてレーザー切断が施工されるような場合に、上記のような切断不良が発生してしまうと、切断処理が自動停止されることになる。このような場合には、予定されていた処理量を達成することができなくなるため、レーザー切断においては、一定の切断条件のもとで安定的に切断を実施できることが極めて重要となる。したがって、レーザー切断に供される厚鋼板では、一般的なレーザー切断条件において切断面にノッチが発生しないことが要求され、そのためには厚鋼板からスケールが剥離しないこと、すなわちスケールの密着性を高めることが非常に有効である。

特許文献１では、表面にスケール層を有する厚鋼板であって、前記スケール層の平均厚さが１５μｍ以下であり、前記スケール層表面がＪＩＳＺ８７４１に規定される６０°鏡面光沢度Ｇｓ（６０°）で１５％以下で、ＪＩＳＺ８７２９に規定される明度Ｌ＊が４０以下であり、かつ前記スケール層と地鉄との界面が、ＪＩＳＢ０６０１－２００１で規定される算術平均粗さＲａで２．５μｍ以上である粗さを有する厚鋼板が記載されている。また、特許文献１では、スケール層の厚さが薄いほど、スケール自体の密着性が向上し、レーザー切断性向上の観点から１５μｍ以下にする必要があること、スケール層の密着性は、スケール層と地鉄との界面の粗さ（凹凸）によっても影響され、更なるスケール層の密着性向上のために、上記算術平均粗さＲａを２．５μｍ以上とする必要があることが教示されている。

特許文献２では、レーザー切断後の鋼板断面のノッチ等を抑制するためには、表面スケールの密着性を高めることが重要であり、このためには、スケール層の厚み上限の管理が必要となること、さらに切断安定性を向上させるためには、スケール組成を管理することによりレーザー光の吸収効率を高めることが重要であることが教示され、より具体的には、所定の成分組成を有し、鋼板表面スケールの平均厚さが１０～４０μｍで、かつ表面スケール中のＦｅ₃Ｏ₄およびＦｅＯが体積分率で合計８０％以上であることを特徴とする鋼板がレーザー切断性に優れると教示されている。

特許文献３では、熱間圧延鋼板の製造方法が開示されており、スケールの密着性の向上には、スケール表層のＦｅ₃Ｏ₄の厚さを減少すること、スケール／地鉄界面で生成するＦｅ₃Ｏ₄を増加させること、及びスケール中のＦｅ₃Ｏ₄の量を増加させることが有効であると教示されている。

特開２０１４－００５５０４号公報特開２０１３－２４８６２９号公報特開平１１－０６１２４８号公報

例えば、特許文献２では、スケール層の組成がＦｅＯ及びＦｅ₃Ｏ₄主体となるとスケールの色が黒色になり、レーザー吸収能が向上してレーザー切断性が向上すると教示されている。また、特許文献３では、密着性に優れたスケールを得るためには、スケール厚さを薄くするとともに、スケールの組成をＦｅＯよりもＦｅ₃Ｏ₄とすることが必要であると教示されている。しかしながら、特許文献１～３のいずれにおいても、スケール組織の具体的な構造及びそれが鋼板に対するスケールの密着性に及ぼす影響については必ずしも十分な検討がなされておらず、それゆえ当該特許文献１～３に記載の鋼板では、そのレーザー切断性について依然として改善の余地があった。

そこで、本発明は、新規な構成により、スケールの密着性が改善され、それゆえレーザー切断に使用するのに有用な厚鋼板を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は下記のとおりである。
（１）鋼板と、前記鋼板の表面に形成された１０μｍ以上４０μｍ以下の厚さを有するスケールとを含み、
前記スケールがＦｅＯ層を含み、前記ＦｅＯ層の前記スケールに対する割合が５０体積％以上であり、
板厚方向に平行な断面の前記ＦｅＯ層中に円相当直径０．３μｍ以上３．０μｍ以下の粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が０．１０個／μｍ²以上の個数密度で分散していることを特徴とする、厚鋼板。
（２）６ｍｍ以上３５ｍｍ以下の厚さを有することを特徴とする、上記（１）に記載の厚鋼板。
（３）レーザー切断用であることを特徴とする、上記（１）又は（２）に記載の厚鋼板。

本発明によれば、鋼板上のスケールを改質して、粒状のＦｅ₃Ｏ₄が分散されたＦｅＯ層を５０体積％以上含むスケールを形成することで、一般に密着性が劣る１０μｍ以上の厚さを有するスケールの場合であっても、鋼板に対するスケールの密着性を向上させることができ、その結果として鋼板表面からのスケールの剥離を抑制することができるので、レーザー切断に使用するのに有用な厚鋼板を提供することができる。

本発明の厚鋼板を示す模式図である。本発明の厚鋼板の好ましい製造方法の熱処理工程におけるスケール構造の形成を示す模式図である。本発明の厚鋼板の好ましい製造方法の熱処理工程における温度履歴の例示である。

以下、本発明は、レーザー切断用に用いられる厚鋼板について詳しく説明されるが、本発明の厚鋼板は、このような特定の用途に何ら限定されるものではなく、高いスケール密着性が要求される任意の用途において幅広く適用できることは言うまでもない。

＜厚鋼板＞
本発明の厚鋼板は、鋼板と、前記鋼板の表面に形成された１０μｍ以上４０μｍ以下の厚さを有するスケールとを含み、
前記スケールがＦｅＯ層を含み、前記ＦｅＯ層の前記スケールに対する割合が５０体積％以上であり、
板厚方向に平行な断面の前記ＦｅＯ層中に円相当直径０．３μｍ以上３．０μｍ以下の粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が０．１０個／μｍ²以上の個数密度で分散していることを特徴としている。

先に述べたとおり、厚鋼板のレーザー切断においては、切断面にノッチが発生しないことが要求され、そのためには厚鋼板からスケールが剥離しないこと、すなわちスケールの密着性を高めることが非常に有効である。

ここで、スケールは、熱間圧延された厚鋼板が大気中で酸化されることで鋼板表面上に形成され、このスケールは、地鉄（鋼板）側から、ウスタイト（ＦｅＯ）、マグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）及びヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）の順で構成された３層構造を有することが一般に知られている。これらの酸化鉄は、地鉄側から拡散する鉄（Ｆｅ）と大気中の酸素（Ｏ₂）とが反応することによって生成される。そのため、地鉄側ほど低次の酸化鉄が生成され、大気側ほど高次の酸化鉄が生成される。このような一般的なスケール構造を有する厚鋼板の場合、スケール厚さが１０μｍ未満であれば、鋼板表面に対するスケールの密着性が高く、良好なレーザー切断性を示すことができる。しかしながら、スケール厚が１０μｍ以上になると、鋼板表面に対するスケールの密着性が低下し、このような厚鋼板をレーザー切断に供した場合には、美麗な切断面を得ることができないという問題がある。

本発明者は、圧延工程後の鋼板を、後で説明する特定の熱処理工程にさらして鋼板上のスケールを改質することで、地鉄（鋼板）側から、ウスタイト（ＦｅＯ）、マグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）及びヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）の順で構成された３層構造を有するスケールではなく、粒状のＦｅ₃Ｏ₄が分散されたＦｅＯ層を含むスケールを形成することができ、さらにはこのようなスケールを所定の量において含有する厚鋼板を使用することでレーザー切断性が顕著に改善されることを見出した。

以下、図面を参照して、本発明の厚鋼板及び当該厚鋼板の製造方法についてより詳しく説明するが、これらの説明は、本発明の好ましい実施態様の単なる例示を意図するものであって、本発明をこのような特定の実施態様に限定することを意図するものではない。

図１は、本発明の厚鋼板を示す模式図である。図１を参照すると、本発明の厚鋼板１は、鋼板（地鉄）２上にスケール３を含み、当該スケール３は、ＦｅＯ層４中にＦｅ₃Ｏ₄粒５（粒状Ｆｅ₃Ｏ₄）が分散された構成を有し、当該ＦｅＯ層４の上にＦｅ₃Ｏ₄層６をさらに含んでいる。本発明によれば、Ｆｅ₃Ｏ₄粒５が分散されたＦｅＯ層４をスケール３全体に対して５０体積％以上含むことで、一般に密着性が劣る１０μｍ以上の厚さを有するスケールを含む厚鋼板の場合であっても、鋼板２に対するスケール３の密着性を向上させることができ、その結果として鋼板表面からのスケール３の剥離を抑制して、厚鋼板１のレーザー切断性を顕著に改善することが可能となる。

何ら特定の理論に束縛されることを意図するものではないが、ＦｅＯ層中に微細な粒状Ｆｅ₃Ｏ₄を析出させそして分散させることで、いわゆる析出強化のような機構によりスケールが強化され、その結果としてこのような粒状Ｆｅ_３Ｏ_４が分散されたＦｅＯ層を含まないスケールの場合と比較して、鋼板に対するスケールの密着性が向上するものと考えられる。上記のとおり、従来の厚鋼板では、スケールは層状構造を有するということが一般に知られている事項であることから、このような粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が分散されたＦｅＯ層を含むことでスケールの密着性、さらには厚鋼板のレーザー切断性が向上するという知見は従来知られておらず、今回、本発明者によって初めて明らかにされたことであり、極めて意外であり、また驚くべきことである。

なお、スケール３は、任意選択で、Ｆｅ₃Ｏ₄層６の上にＦｅ₂Ｏ₃層（図示せず）をさらに含有していてもよい。しかしながら、このＦｅ₂Ｏ₃は、Ｆｅ₃Ｏ₄等と比較すると成長速度が極めて遅く、しかも後で説明する本発明に係るスケール構造を形成するための特定の熱処理工程の条件下では、その成長が促進されることもない。したがって、本発明の好ましい実施態様によれば、スケール３は、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が分散されたＦｅＯ層４と、当該ＦｅＯ層４の上に形成されたＦｅ₃Ｏ₄層６から実質的に構成されるか、又はＦｅＯ層４とＦｅ₃Ｏ₄層６のみから構成される。ここで、本発明において、「スケールが、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が分散されたＦｅＯ層と、当該ＦｅＯ層の上に形成されたＦｅ₃Ｏ₄層から実質的に構成される」という表現は、スケールが、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が分散されたＦｅＯ層と、当該ＦｅＯ層の上に形成されたＦｅ₃Ｏ₄層以外の組織を５体積％以下、４体積％以下、３体積％以下、２体積％以下又は１体積％以下しか含まないことを意味するものである。

［鋼板］
本発明によれば、鋼板としては、一般にレーザー切断等の用途において使用される任意の化学組成を有する鋼板であってよく、特に限定されない。しかしながら、レーザー切断が鋼構造物の製造において多用されている点を考慮すると、本発明における鋼板は、より汎用的な化学組成を有する鋼板、例えば、質量％で、Ｃ：０．３０％以下、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５０％以下、及びＮ：０．０１０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる鋼板であってよい。ここで、不純物とは、厚鋼板を工業的に製造する際に、鉱石やスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明の厚鋼板に対して意図的に添加した成分でないものを意味する。

また、本発明における鋼板は、上記の基本成分の元素に加えて、任意選択で、質量％で、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｃｒ：０．５０％以下、及びＭｏ：０．５０％以下の１種又は２種以上を含有していてもよい。さらに、任意選択で、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＲＥＭ（希土類金属：Ｒａｒｅ－ＥａｒｔｈＭｅｔａｌ）からなる群より選択される１種又は２種以上の元素を、合計で、質量％で、０．５％以下含んでいてもよい。

なお、上記基本成分の各元素に関する含有量の下限値は特に規定しないが、例えば、Ｃ含有量は０．０１％以上であってもよく、Ｓｉ含有量は０．０５％以上であってもよく、Ｍｎ含有量は０．１％以上であってもよい。一方、Ｐ、Ｓ及びＮの含有量は０％であってもよいが、これらの元素の含有量を０．０００１％未満とすることは、製造コストの大幅な増加を招くことなどから、Ｐ、Ｓ及びＮの含有量はそれぞれ０．０００１％以上とすることが好ましい。また、上記任意選択成分の各元素に関する含有量の下限値は特に規定されず、０％であってよい。

［スケール厚さ］
本発明によれば、上記鋼板の表面に形成されるスケールの厚さは１０μｍ以上４０μｍ以下である。スケールの厚さが１０μｍ未満であると、本発明に係るスケール構造を有していない厚鋼板の場合であっても、スケールの密着性が高いため、当該厚鋼板は良好なレーザー切断性を示すことができる。一方で、一般的には、スケールの厚さが１０μｍ以上になると、スケールの密着性が低下するため、このようなスケールを含む厚鋼板をレーザー切断に供しても美麗な切断面を得ることはできない。

しかしながら、本発明に係るスケール構造を有する厚鋼板によれば、スケールの厚さが１０μｍ以上の場合であっても、スケールの密着性を向上させることができ、その結果として鋼板表面からのスケールの剥離を抑制して、厚鋼板のレーザー切断性を顕著に改善することが可能である。ただし、スケールの厚さが４０μｍを超える場合には、本発明に係るスケール構造を有していても、十分なスケール密着性を確保することができず、よって良好なレーザー切断性を得ることはできない。したがって、本発明においては、スケールの厚さは、１０μｍ以上４０μｍ以下とする必要があり、例えば、１５μｍ以上又は２０μｍ以上であり、かつ３５μｍ以下又は３０μｍ以下であってもよく、好ましくは１５μｍ以上３５μｍ以下である。

本発明において、「スケールの厚さ」は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて決定される。より具体的には、「スケールの厚さ」は、厚鋼板の板厚方向に平行な断面を観察面として試料を採取し、観察面を研磨し、当該観察面をＳＥＭにより１０００倍の倍率で観察し、スケールと地鉄との界面からスケール表面までの距離を５点以上求める測定を任意の３視野で行い、得られた距離の平均値として決定される。

［スケール構造］
本発明によれば、スケールはＦｅＯ層を含み、当該ＦｅＯ層の上記スケールに対する割合が５０体積％以上であり、板厚方向に平行な断面の上記ＦｅＯ層中に円相当直径０．３μｍ以上３．０μｍ以下の粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が０．１０個／μｍ²以上の個数密度で分散している。

ＦｅＯ層内の粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の円相当直径が０．３μｍ未満であると、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄をＦｅＯ層中に析出させたことによる効果、すなわち密着性向上、ひいてはレーザー切断性向上の効果に寄与しない。一方で、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の円相当直径が３．０μｍを超えると、このような粗大な析出粒はスケールの強化に寄与しなくなり、同様にスケール密着性向上効果、ひいてはレーザー切断性向上効果に寄与しない。また、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の円相当直径が３．０μｍを超えると隣接するＦｅ₃Ｏ₄粒同士の結合が生じてしまう場合がある。Ｆｅ₃Ｏ₄粒同士の結合が生じると、ＦｅＯ層中において分散する粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の数が減少することとなる。このような場合には、ＦｅＯ層中の粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の個数密度を適切な範囲内に制御することができなくなり、すなわち厚鋼板の板厚方向に平行な断面において測定した場合に、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄をＦｅＯ層中に０．１０個／μｍ²以上の個数密度で分散させることができなくなる。その結果として、同様に、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄をＦｅＯ層中に析出させたことによる効果を十分に発揮することができなくなる。

上記のように、本発明で、スケール密着性を向上させる効果を発揮する粒状Ｆｅ₃Ｏ₄は、円相当直径が０．３μｍ以上３．０μｍ以下のものである。なお、ＦｅＯ層は、円相当直径が０．３μｍ未満であるか又は３．０μｍ超である粒状Ｆｅ₃Ｏ₄を含んでいてもよい。ここで、本発明において、「粒状Ｆｅ₃Ｏ₄」とは、その周囲をＦｅＯ層中のＦｅＯによって囲まれたものを言う。したがって、例えば、図１のＦｅ₃Ｏ₄層６を起点としてＦｅＯ層４の内部へ成長したようなＦｅ₃Ｏ₄や、図２（ｄ）に関連して後で説明される鋼板／スケール界面に生成するＦｅ₃Ｏ₄層６を起点としてＦｅＯ層４の内部へ成長したようなＦｅ₃Ｏ₄、さらにはこれらのＦｅ₃Ｏ₄層６が完全な層を形成できずに、例えば、部分的に切断された形態において鋼板の表層や鋼板／スケール界面に存在しているようなＦｅ₃Ｏ₄は、本発明における「粒状Ｆｅ₃Ｏ₄」には包含されない。これらのＦｅ₃Ｏ₄は、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が分散されたＦｅＯ層には含まれず、図１及び図２（ｄ）で説明されるＦｅ₃Ｏ₄層６の一部又は単なるＦｅ₃Ｏ₄相としてみなされる。

さらに、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄は、厚鋼板の板厚方向に平行な断面のＦｅＯ層中に０．１０個／μｍ²以上の個数密度で分散させる必要があり、例えば、０．２０個／μｍ²以上、０．３０個／μｍ²以上、０．５０個／μｍ²以上、０．８０個／μｍ²以上又は１．００個／μｍ²以上の個数密度で分散してもよく、好ましくは当該ＦｅＯ層中に０．３０個／μｍ²以上の個数密度で分散してもよい。なお、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の個数密度の上限値は特に規定しないが、当該個数密度が大きくなると、円相当直径の場合と同様に、隣接するＦｅ₃Ｏ₄粒同士の結合が生じてしまう場合があり、それゆえ好ましくない。したがって、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の個数密度の上限値は、一般的には７．００個／μｍ²以下とし、好ましくは６．００個／μｍ²以下、より好ましくは５．００個／μｍ²以下である。

また、上記ＦｅＯ層のスケールに対する割合が５０体積％未満の場合には、十分なスケール密着性を得ることができないため、良好なレーザー切断性を達成することができなくなる。したがって、本発明においては、スケールは、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が分散されたＦｅＯ層を５０体積％以上含む必要があり、さらに十分なスケール密着性をより確実に得るためには、スケールは、当該ＦｅＯ層を５５体積％以上、好ましくは６０体積％以上、より好ましくは７０体積％以上含む。なお、ＦｅＯ層のスケールに対する割合の上限値は、１００体積％であってもよく、特に規定しないが、一般的には９５体積％以下、好ましくは９０体積％以下である。

本発明において、「粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の円相当直径」、「粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の個数密度」及び「ＦｅＯ層のスケールに対する割合」は、スケールの厚さの場合と同様にＳＥＭを用いて決定される。より具体的には、厚鋼板の板厚方向に平行な断面を観察面として試料を採取し、観察面を研磨し、当該観察面をＳＥＭにより３０００倍の倍率で観察し、コントラストの違いからＦｅＯとＦｅ₃Ｏ₄、さらにはＦｅ₂Ｏ₃を判別する。次に、画像処理により、各粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の円相当直径を算出し、次いで円相当直径０．３μｍ以上３．０μｍ以下の粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の個数密度、及び当該粒状Ｆｅ₃Ｏ₄を含有するＦｅＯ層のスケールに対する割合をそれぞれ求め、これを任意の３視野で行い、得られた平均値がそれぞれ「粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の個数密度」及び「ＦｅＯ層のスケールに対する割合」として決定される。

［厚鋼板の厚さ］
本発明の厚鋼板は、レーザー切断が適用可能な任意の厚さを有することができ、特に限定されないが、一般的には６ｍｍ以上３５ｍｍ以下の厚さを有し、好ましくは１６ｍｍ以上２５ｍｍ以下の厚さを有する。

＜厚鋼板の製造方法＞
次に、本発明の厚鋼板の好ましい製造方法について説明する。以下の説明は、本発明の厚鋼板を製造するための特徴的な方法の例示を意図するものであって、本発明の厚鋼板を以下に説明するような製造方法によって製造されるものに限定することを意図するものではない。

本発明の厚鋼板の好ましい製造方法は、スラブを熱間圧延する圧延工程、及び得られた鋼板を熱処理する熱処理工程を含み、
前記厚鋼板が１０μｍ以上４０μｍ以下の厚さを有するスケールを含み、
前記熱処理工程が、前記圧延工程後の鋼板を、前記鋼板の表面酸素濃度が２０％未満の雰囲気中で、温度変化が０．４００℃／分以下となるように２５０℃以上４００℃以下の温度範囲で５分間以上２４０分間以下の時間にわたって均熱保持する均熱工程を含むことを特徴としている。

［圧延工程］
まず、圧延工程に先立ち、溶鋼を鋳造し、熱間圧延に供するスラブを形成する。鋳造方法は、通常の鋳造方法でよく、連続鋳造法、造塊法などを採用できるが、生産性の点で、連続鋳造法が好ましい。当該スラブは、特に限定されないが、例えば、上で説明した鋼板の化学組成、より具体的には、質量％で、Ｃ：０．３０％以下、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５０％以下、及びＮ：０．０１０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、任意選択で、さらに、質量％で、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｎｉ：０．５０％以下、Ｃｒ：０．５０％以下、及びＭｏ：０．５０％以下の１種又は２種以上を含有するものであってよく、さらに、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＲＥＭ（希土類金属：Ｒａｒｅ－ＥａｒｔｈＭｅｔａｌ）からなる群より選択される１種又は２種以上の元素を、合計で、質量％で、０．５％以下含有するものであってもよい。なお、上記基本成分の各元素に関する含有量の下限値は特に規定しないが、例えば、Ｃ含有量は０．１０％以上であってもよく、Ｓｉ含有量は０．０５％以上であってもよく、Ｍｎ含有量は０．５０％以上であってもよい。一方、Ｐ、Ｓ及びＮの含有量は０％であってもよいが、これらの元素の含有量を０．０００１％未満とすることは、製造コストの大幅な増加を招くことなどから、Ｐ、Ｓ及びＮの含有量はそれぞれ０．０００１％以上とすることが好ましい。また、上記任意選択成分の各元素に関する含有量の下限値は特に規定されず、０％であってよい。

次いで、得られたスラブが熱間圧延に供される。本方法では、スラブを鋳造した後、そのまま熱間圧延を行ってもよいし、又はスラブを一旦室温まで冷却し、Ａｃ３点以上の温度等に再加熱して熱間圧延を行ってもよい。熱間圧延の加熱温度は、例えば９００℃以上１２５０℃以下であってよい。また、熱間圧延は、例えば、板厚調整等のための粗圧延を含むものであってもよい。当該粗圧延は、所望の板厚寸法が確保できればよく、その条件は特に限定されない。さらに、本方法では、熱間圧延後の冷却形態は特に限定されない。例えば、そのまま水冷若しくは途中まで空冷後に水冷するか、又は空冷した後、再加熱して焼入れしてもよい。

［熱処理工程］
次に、得られた鋼板が、熱処理工程において熱処理される。当該熱処理工程は、以下のような均熱工程、すなわち圧延工程後の鋼板を、当該鋼板の表面酸素濃度が２０％未満の雰囲気中で、温度変化が０．４００℃／分以下となるように２５０℃以上４００℃以下の温度範囲で５分間以上２４０分間以下の時間にわたって均熱保持する均熱工程を含む。なお、熱処理工程に先立ち、例えば、スケールの厚さを１０μｍ以上４０μｍ以下の範囲に調整するために、必要に応じて高圧水等によるデスケーリングを行ってもよい。このようなデスケーリングは、例えば、圧延工程の前、その間、又は圧延工程の後でかつ熱処理工程の前に実施することができる。

本熱処理工程における均熱工程では、スケールの相変態が促され、それによって上で説明した本発明に係るスケール構造を有する厚鋼板が得られる。以下、図面を参照してより詳しく説明する。

図２は、本発明の厚鋼板の好ましい製造方法の熱処理工程におけるスケール構造の形成を示す模式図である。図２（ａ）は、圧延工程後でかつ熱処理工程前の厚鋼板の状態を示し、図２（ｂ）は、本発明の厚鋼板の好ましい製造方法に従って熱処理された後の厚鋼板の状態を示し、図２（ｃ）～（ｆ）は、本発明の厚鋼板の好ましい製造方法に従って熱処理されない場合の厚鋼板の状態を示している。

図２（ａ）に示すように、圧延工程後では、熱間圧延された鋼板が大気中で酸化されてその表面にスケールが形成され、当該スケールは、鋼板（地鉄）２側から、ＦｅＯ層４、Ｆｅ₃Ｏ₄層６及びＦｅ₂Ｏ₃層７の順で構成された３層構造を有する。本方法では、このようなスケール構造を有する厚鋼板を、鋼板２の表面酸素濃度が大気中の酸素濃度よりも低い２０％未満の雰囲気中２５０℃以上４００℃以下の温度範囲において均熱保持することにより、最表面のＦｅ₂Ｏ₃層７の一部又は全部がより低次の酸化物であるＦｅ₃Ｏ₄層６に変化するとともに、ＦｅＯ層４において以下の反応式で示されるようなＦｅＯの相変態が生じてＦｅ₃Ｏ₄が析出する。
４ＦｅＯ → Ｆｅ₃Ｏ₄ ＋Ｆｅ

ここで、このようなＦｅＯの相変態は、Ｆｅ₃Ｏ₄の核生成と核成長によって進行すると考えられる。しかしながら、相変態の際すなわち均熱保持の際の温度や時間等の条件によっては、Ｆｅ₃Ｏ₄の核生成と核成長のいずれか一方あるいは他の反応が支配的に起こる場合があり、このような場合には、得られるスケール構造が全く異なるものとなってしまう。より具体的に説明すると、熱処理工程が、圧延工程後の鋼板を、当該鋼板の表面酸素濃度が２０％未満の雰囲気中で、温度変化が０．４００℃／分以下となるように２５０℃以上４００℃以下の温度範囲で５分間以上２４０分間以下の時間にわたって均熱保持する均熱工程を含む場合には、ＦｅＯ層４中でＦｅ₃Ｏ₄の核生成が進行し、それが核成長することにより、図２（ｂ）に示すように、ＦｅＯ層４中にＦｅ₃Ｏ₄粒５（粒状Ｆｅ₃Ｏ₄）が分散されたスケール構造が形成される。

（表面酸素濃度：２０％未満）
一方、鋼板の表面酸素濃度が２０％以上の雰囲気すなわち大気と同じか又はそれよりも酸化性の雰囲気中で均熱工程を実施した場合には、Ｆｅ₃Ｏ₄の核生成及び核成長よりも以下の反応式で示されるＦｅＯの酸化反応が支配的となる。
６ＦｅＯ＋Ｏ₂ → ２Ｆｅ₃Ｏ₄

その結果として、図２（ｃ）に示すように、Ｆｅ₃Ｏ₄層６が厚く成長して、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄を含有するＦｅＯ層４がスケール３全体に対して５０体積％未満となってしまう。このようなスケールは、十分なスケール密着性の効果を発揮することができない。したがって、当該ＦｅＯ層４をスケール３全体に対して５０体積％以上含有させ、十分なスケール密着性の効果を発揮するために、鋼板の表面酸素濃度は２０％未満とし、好ましくは１５％以下、より好ましくは１０％以下である。なお、鋼板の表面酸素濃度の下限値は、特に規定しないが、本発明に係るスケール構造を形成する観点からは低ければ低いほどよく、０％であってもよい。

均熱工程の際の鋼板の表面酸素濃度は、原則として酸素濃度計を用いて決定される。しかしながら、酸素濃度計を用いた測定方法が適さない場合、例えば、後で説明するような鋼板を複数枚重ねた段積み徐冷によって均熱工程を実施する場合には、鋼板の表面酸素濃度は流体解析を利用した数値計算によって推定される。

（均熱温度範囲：２５０℃以上４００℃以下）
均熱工程における均熱温度範囲の下限が２５０℃未満であると、Ｆｅ₃Ｏ₄がほとんど核生成しないため、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄をほとんど又は全く析出させることができなくなる。一方で、均熱工程における均熱温度範囲の上限が４００℃を超えると、Ｆｅ₃Ｏ₄の核生成よりもＦｅ₃Ｏ₄の核成長が支配的となる。ここで、圧延工程後のスケール中には、図２（ａ）に示すようにＦｅ₃Ｏ₄層６が存在しているため、均熱工程における均熱温度範囲の上限が４００℃超になると、ここを起点としてＦｅ₃Ｏ₄が厚さ方向に成長してより厚いＦｅ₃Ｏ₄層６を形成してしまう。これに加えて、スケールと鋼板の界面において生成したＦｅ₃Ｏ₄を起点としてもＦｅ₃Ｏ₄が成長して層状のＦｅ₃Ｏ₄層６が新たに生成する場合がある。

その結果として、図２（ｄ）に示すように、鋼板表面と、鋼板／スケール界面とにＦｅ₃Ｏ₄層６が生成し、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄をほとんど又は全く含まないスケール構造が形成されることとなる。この場合には、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が分散されたＦｅＯ層４をスケール３全体に対して５０体積％以上含有させることができず、よって十分なスケール密着性の効果を発揮することができなくなる。したがって、ＦｅＯ層４中に粒状Ｆｅ₃Ｏ₄を確実に析出させるとともに、このようなＦｅＯ層４をスケール３全体に対して５０体積％以上含有させるために、均熱工程における均熱温度範囲は、２５０℃以上４００℃以下とし、例えば、２６０℃以上、２８０℃以上又は３００℃以上であり、かつ３９０℃以下、３７０℃以下又は３５０℃以下であってもよく、好ましくは３００℃以上３５０℃以下である。

（均熱時の温度変化：０．４００℃／分以下）
粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が分散されたＦｅＯ層４を形成するためには、まず、ＦｅＯ層４中でＦｅ₃Ｏ₄を核生成させ、次いでそれを核成長させる必要がある。ここで、Ｆｅ₃Ｏ₄を適切に核生成及び核成長させるためには、鋼板を所定の時間にわたって均熱保持すること、より具体的には均熱工程における温度変化が０．４００℃／分以下となるように保持すればよい。均熱保持の際の温度変化が０．４００℃／分を超えると、Ｆｅ₃Ｏ₄の核生成サイトが十分に発生しないため、図２（ｅ）に示すように、ＦｅＯ層４中に析出される粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の数が少なくなる。この場合には、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄をＦｅＯ層４中に０．１０個／μｍ²以上の個数密度で分散させることができず、よって十分なスケール密着性の効果を発揮することができなくなる。

したがって、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄をＦｅＯ層４中に０．１０個／μｍ²以上の個数密度で分散させて十分なスケール密着性の効果を発揮するために、均熱工程における温度変化は０．４００℃／分以下とし、好ましくは０．３００℃／分以下、より好ましくは０．２００℃／分以下、最も好ましくは０．１００℃／分以下である。なお、当該温度変化の下限値は、特に規定しないが、本発明に係るスケール構造を形成する観点からは低ければ低いほどよく、０．０００℃／分であってもよい。

（均熱時間：５分間以上２４０分間以下）
均熱工程における均熱時間が５分未満であると、Ｆｅ₃Ｏ₄が核生成しないか、又はＦｅ₃Ｏ₄が核生成しても、それを円相当直径で０．３μｍ以上に十分に核成長させることができない。一方で、均熱工程における均熱時間が２４０分を超えると、図２（ｆ）に示すように、析出した粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が円相当直径で３．０μｍを超えて粗大に成長し、さらには隣接するＦｅ₃Ｏ₄粒同士の結合が生じてしまう場合がある。このような場合には、ＦｅＯ層４中において分散する粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の数が減少することとなる。したがって、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の円相当直径を０．３μｍ以上３．０μｍ以下の範囲内に制御し、さらには当該粒状Ｆｅ₃Ｏ₄をＦｅＯ層４中に０．１０個／μｍ²以上の個数密度で適切に分散させるために、均熱工程における均熱時間は、５分間以上２４０分間以下とし、例えば、５分間以上、１０分間以上、３０分間以上又は６０分間以上であり、かつ２２０分間以下、２００分間以下、１５０分間以下又は１００分間以下であってもよく、好ましくは１０分間以上２００分間以下である。

（熱処理方法の具体例）
本方法における熱処理を実施するための方法としては、圧延工程後の鋼板を、当該鋼板の表面酸素濃度が２０％未満の雰囲気中で、温度変化が０．４００℃／分以下となるように２５０℃以上４００℃以下の温度範囲で５分間以上２４０分間以下の時間にわたって均熱保持する均熱工程を含むことができるものであればよく、特に限定されない。例えば、このような方法の具体例としては、以下のものが挙げられる。
（ｉ）圧延工程後の鋼板を複数枚重ねる（段積み徐冷）。
（ｉｉ）圧延工程後の鋼板に保熱カバーを被せる。
（ｉｉｉ）圧延工程後の鋼板、又は圧延工程後に常温まで冷却された鋼板を均熱炉に装入する。

上記（ｉ）の段積み徐冷の場合には、その両面に他の鋼板を重ねられた鋼板は、端部以外は大気にほとんど触れないため、表面酸素濃度としては０％であるか又はほぼ０％であるとみなすことができる。仮に隣接する鋼板の間にわずかな隙間があり、当該隙間を通して大気が導入されるとしても、鋼板の端部から中心部に進むにつれて大気中の酸素は鋼板の酸化に消費され、酸素濃度としては次第に０％に近づいていく。したがって、段積み徐冷の場合の鋼板の表面酸素濃度は、このような隙間を考慮した流体解析によって数値計算したとしても１％にも満たないと推定することができる。加えて、段積み徐冷の場合、内部に配置される鋼板は、次第に温度が低下するものの、その低下速度は極めてゆっくりであるため、２５０℃以上４００℃以下の温度範囲を０．４００℃／分以下の温度変化でかつ５分間以上２４０分間以下保持するような均熱工程を実現することが可能である。なお、段積み徐冷によって本発明に係る熱処理を実施する場合は、段積み徐冷時の冷却過程において、２５０℃以上４００℃以下の温度範囲に０．４００℃／分以下の温度変化が５分間以上２４０分間以下継続するという均熱工程を含めば、段積み開始温度、終了温度、及び段積み時間については限定されない。

上記（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）の保熱カバーや均熱炉を適用する場合においても、段積み徐冷の場合と同様に、上記の均熱保持を容易に実現することが可能であり、さらに密閉性を確保するか又は窒素やアルゴンなどの不活性ガスを導入することにより、容易に鋼板の表面酸素濃度を２０％未満に制御することができる。

図３は、本発明の厚鋼板の好ましい製造方法の熱処理工程における温度履歴の例示である。図３（ａ）～（ｃ）は、本発明の厚鋼板の好ましい製造方法に従って熱処理される場合の温度履歴の例を示し、一方、図３（ｄ）～（ｇ）は、本発明の厚鋼板の好ましい製造方法に従って熱処理されない場合の温度履歴の例を示している。

図３（ａ）は、段積み徐冷や保熱カバーを適用した温度履歴の例を示している。図３（ａ）を参照すると、圧延工程後に４００℃未満の温度まで冷却された鋼板を段積みした後、時間ｔ₀からｔ₁まで徐々に温度が低下しているものの、その温度変化は０．４００℃／分以下であり、さらに２５０℃以上４００℃以下の温度範囲で５分間以上２４０分間以下保持されていることがわかる。図３（ｂ）は段積み徐冷に対応する温度履歴の例である。図３（ｂ）では圧延工程後に４００℃超で段積み徐冷を開始し２５０℃未満で段積み徐冷を終了しているが、２５０℃以上４００℃以下の温度範囲において温度変化が０．４００℃／分以下となる時間を５分間以上２４０分間以下含むように均熱保持されている。また、図３（ｃ）は、均熱炉を用いた場合の温度履歴の例である。図３（ｃ）を参照すると、圧延工程後に一旦常温まで冷却された鋼板を均熱炉に装入して加熱し、次いで２５０℃以上４００℃以下の一定の温度で時間ｔ₀からｔ₁まで５分間以上２４０分間以下均熱保持されていることがわかる。図３（ａ）～（ｃ）に例示する温度履歴によれば、図１及び図２（ｂ）に示すような本発明に係るスケール構造を有する厚鋼板を得ることができる。

一方、図３（ｄ）では、圧延工程後の鋼板は、時間ｔ₀からｔ₁まで０．４００℃／分以下の温度変化で５分間以上２４０分間以下保持されているものの、均熱温度が４００℃を超えていることがわかる。この場合には、Ｆｅ₃Ｏ₄の核生成よりもＦｅ₃Ｏ₄の核成長が支配的となり、図２（ｄ）に示すように、鋼板表面と、鋼板／スケール界面とにＦｅ₃Ｏ₄層６が生成し、粒状Ｆｅ₃Ｏ₄をほとんど含まないスケール構造が形成されることとなる。

また、図３（ｅ）に示すように、均熱時間が２４０分間を超えると、図２（ｆ）に示すように、析出した粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が円相当直径で３．０μｍを超えて粗大に成長し、さらには隣接するＦｅ₃Ｏ₄粒同士の結合が生じてしまう場合がある。このような場合には、結果としてＦｅＯ層中において分散する粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の数が減少することとなる。

さらに、図３（ｆ）及び（ｇ）に示すように、均熱工程における温度変化が０．４００℃／分を超えている場合には、Ｆｅ₃Ｏ₄の核生成サイトが十分に発生しないため、図２（ｅ）に示すように、ＦｅＯ層４中に析出される粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の数が少なくなる。

本発明の厚鋼板は、上記のとおり、スケールの密着性が高くそれゆえレーザー切断性に優れるため、造船、建築、産業機械、橋梁等の鋼構造物に使用される厚鋼板であって、レーザー切断が利用可能な厚鋼板として有用である。

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

以下の実施例では、本発明に係る厚鋼板を種々の熱処理条件下で製造し、そのレーザー切断性について調べた。

まず、質量％で、Ｃを０．１６％、Ｓｉを０．１％、Ｍｎを０．６％、Ｐを０．０２％、Ｓを０．００４％、Ｃｕを０．０４％、Ｎｉを０．０５％、及びＣｒを０．２０％含有し、残部がＦｅ及び不純物からなるスラブを２２ｍｍ厚さまで熱間圧延し、次いで水冷した。次に、得られた鋼板に下表１に示す条件下で熱処理を施した。なお、熱処理の際の鋼板の表面酸素濃度は、保熱カバー及び均熱炉を使用した場合には酸素濃度計を用いて測定し、段積み徐冷の場合には、鋼板と鋼板の間の隙間を考慮した流体解析により数値計算で求めた。

次に、得られた厚鋼板をレーザー切断に供した。以下に示す切断条件のもと、１００ｍｍ×１００ｍｍの鋼板を３枚切り出した。
レーザー出力：５０００Ｗ
周波数：８００Ｈｚ
デューティ：５５％
焦点位置：１３ｍｍ
アシストガス圧力：０．６ＭＰａ
切断速度：７００ｍｍ／分

切断後の断面性状を観察してノッチの発生個数を測定し、それを厚鋼板１ｍあたりの発生頻度（個／ｍ）に換算し、その換算値に応じて厚鋼板のレーザー切断性を以下のように評点付けした。
１個／ｍ以下： ◎
１～１０個／ｍ： ○
１０～２０個／ｍ：△
２０個／ｍ超： ×

スケール厚は、厚鋼板の板厚方向に平行な断面を観察面として試料を採取し、観察面を研磨し、当該観察面をＳＥＭにより１０００倍の倍率で観察し、スケールと地鉄との界面からスケール表面までの距離を５点求める測定を任意の３視野で行い、得られた距離の平均値として決定した。

同様に、厚鋼板の板厚方向に平行な断面を観察面として試料を採取し、観察面を研磨し、当該観察面をＳＥＭにより３０００倍の倍率で観察し、コントラストの違いからＦｅＯとＦｅ₃Ｏ₄、さらにはＦｅ₂Ｏ₃を判別した。次に、画像処理により、各粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の円相当直径を算出し、次いで円相当直径０．３～３．０μｍの粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の個数密度、及び円相当直径０．３～３．０μｍの粒状Ｆｅ₃Ｏ₄を含有するＦｅＯ層のスケールに対する割合をそれぞれ求め、これを任意の３視野で行い、得られた平均値をそれぞれ、「粒状Ｆｅ₃Ｏ₄個数密度」及び「粒状Ｆｅ₃Ｏ₄含有ＦｅＯ層のスケールに対する割合」として決定した。結果を下表２に示す。

表１に示すように、実施例Ａ及びＢの厚鋼板は、圧延後の冷却過程において複数枚の板を重ねて空冷することで徐冷したものである。実施例Ｃ及びＤの厚鋼板は、圧延後の冷却過程において厚鋼板に保熱カバーを設置して保熱したものである。実施例Ｅの厚鋼板は、一旦室温まで冷却したものを均熱炉に装入して加熱し、次いで均熱保持したものである。これら実施例Ａ～Ｅの厚鋼板については、スケール中に微細な粒状Ｆｅ₃Ｏ₄を０．１０個／μｍ²以上の割合で分散させることにより、鋼板に対するスケールの密着性が高く、それゆえ良好なレーザー切断結果を得ることができた。

これとは対照的に、比較例Ｆの厚鋼板は、均熱温度が４００℃を超えたために、鋼板表面と、鋼板／スケール界面とにＦｅ₃Ｏ₄層が生成してしまい、その結果として粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が析出せず、スケールの密着性が十分でなく、レーザー切断性の評価も×であった。同様に、比較例Ｇの厚鋼板は、保持温度が２５０℃未満であったために粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が析出せず、レーザー切断性の評価が×であった。一方、比較例Ｈの厚鋼板は、温度変化が０．０３０℃／分となる均熱時間が５分間未満であったために円相当直径で０．３μｍ以上の粒状Ｆｅ₃Ｏ₄を十分に析出させることができず、レーザー切断性の評価が△であった。また、比較例Ｉの厚鋼板は、温度変化が０．４００℃／分よりも大きかったために十分な個数密度でＦｅ₃Ｏ₄を分散させることができず、レーザー切断性の評価が△であった。比較例Ｊの厚鋼板は、表面酸素濃度が２０％以上の大気中での保持としたために、Ｆｅ₃Ｏ₄層が厚く成長して粒状Ｆｅ₃Ｏ₄を含有するＦｅＯ層のスケールに対する割合が５０体積％未満となり、レーザー切断性の評価が△であった。比較例Ｋの厚鋼板は、保持時間が２４０分間を超えたために粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が粗大化し、円相当直径０．３～３．０μｍの粒状Ｆｅ₃Ｏ₄の個数密度が０．１０個／μｍ²未満となり、レーザー切断性の評価が×であった。比較例Ｌの厚鋼板では、スケール中にＦｅ₃Ｏ₄が適切に分散されたスケール構造が得られたものの、スケール厚が４０μｍ超であったためにスケール剥離が生じ、レーザー切断においてもノッチが多数発生した。

１厚鋼板
２鋼板
３スケール
４ＦｅＯ層
５粒状Ｆｅ₃Ｏ₄
６Ｆｅ₃Ｏ₄層
７Ｆｅ₂Ｏ₃層

Claims

鋼板と、前記鋼板の表面に形成された１０μｍ以上４０μｍ以下の厚さを有するスケールとを含み、
前記スケールがＦｅＯ層を含み、前記ＦｅＯ層の前記スケールに対する割合が５０体積％以上であり、
板厚方向に平行な断面の前記ＦｅＯ層中に円相当直径０．３μｍ以上３．０μｍ以下の粒状Ｆｅ₃Ｏ₄が０．１０個／μｍ²以上の個数密度で分散していることを特徴とする、厚鋼板。
１６ｍｍ以上３５ｍｍ以下の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の厚鋼板。
前記スケールの厚さが１５μｍ以上４０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の厚鋼板。
前記スケールの厚さが２５μｍ以上４０μｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の厚鋼板。
前記ＦｅＯ層の前記スケールに対する割合が６０体積％以上であることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の厚鋼板。
レーザー切断用であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の厚鋼板。