JPH05357A - 連続鋳造鋳片およびその表面改質方法ならびに連続鋳造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 共晶炭化物を晶出する鋼について、鋳造に引
き続いて行なわれる研削加工や熱間加工などの塑性加工
性に優れた連続鋳造鋳片を提供する。 【構成】 鋳片表層部の不連続凝固相当部が再凝固層を
有する鋳片であり、具体的な鋳片の表面改質方法とし
て、不連続凝固部を溶融または半溶融することで達成で
きる。さらに連続鋳造装置の中にあって、冷却帯と切断
装置の間に加熱手段を設けた連続鋳造装置を用いて鋳片
表層部の不連続凝固相当部を再凝固層とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭素工具鋼、合金工具
鋼および高速度工具鋼などの共晶炭化物を晶出する鋼の
連続鋳造鋳片およびその表面改質方法ならびに表面鋳造
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明が対象とする共晶炭化物を晶出す
る鋼とは、たとえばＪＩＳやＡＳＴＭなどの外国の規格
に炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼として規定さ
れている鋼およびこれらの改良鋼として、工業的に使用
される鋼一般を意味し、共晶炭化物を晶出する鋼であれ
ば、特に工具鋼の概念には限定されない。これらのいわ
ゆる工具鋼に代表される共晶炭化物を晶出する鋼の連続
鋳造の技術は、未だ工業的な規模として確立されていな
いのが、現状である。この理由の１つは、これらの鋼は
一般に炭素含有量が高かったり、高合金であるために鋳
片の中心部の偏析が著しいことである。他の大きな理由
は、鋳片の表層部の欠陥が大きすぎて、所望の製品を得
ることが困難であったためである。たとえば、水平連続
鋳造（以下水平連鋳と記す）において、鋳片は間欠引抜
きにより引抜き開始時点で存在した旧凝固殻と引抜き過
程で新たに生成した新凝固殻との接合部にウィットネス
マークまたはコールドシャットと称される不連続凝固部
を伴う表面欠陥が発生する。

【０００３】また、竪形連続鋳造においても、モールド
を振動させることに伴って、新−旧凝固殻が発生し、鋳
片表層部の接合部にオッシレーションマークと称される
前記水平連鋳に類似した表面欠陥が生成する（以下、代
表してウィットネスマークと記す）。これらの表面は、
鋳片の長手方向に対して直角方向に線状の不連続マーク
として観察され、鋳造条件によってはこの不連続マーク
部が未圧着部としてＶ溝状に開口する場合がある。さら
に不連続マーク部の直下には鋳造組織の不連続面が存在
し、特に工具鋼の場合には、この近傍に著しい共晶炭化
物の偏析が発生する。

【０００４】なかでもパウダー等の潤滑剤が使用できな
い水平式連続鋳造法の場合、不連続凝固部が未圧着によ
りＶ溝状の開口や共晶炭化物が偏析する傾向が顕著とな
る。一例として、代表的な高速度工具鋼であるＳＫＨ５
１について連続鋳造を行なった際、鋳片表層部に発生し
た不連続凝固部のミクロ組織写真を示す。図１は不連続
凝固部がＶ溝状に開口しており、その直下は鋳造組織が
不連続で、しかもこの不連続面の近傍には共晶炭化物が
偏析していることがわかる。また、図２は不連続凝固部
は開口していないものの図１と同様、鋳造組織が不連続
で、しかも共晶炭化物が偏析している様子が観察され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように共晶炭化
物を晶出する鋼など延性の低い材料は、連続鋳造鋳片の
不連続凝固部が特に脆弱で、その後の塑性加工を著しく
阻害している。すなわち、不連続凝固部が開口している
場合は、塑性加工時に応力集中の原因になるだけでな
く、不連続凝固部が開口していない場合でも鋳造組織の
不連続やその近傍に発生する共晶炭化物の偏析が延性を
著しく低下させるためである。そのため、従来は連続鋳
造後の鋳片の不連続凝固部を研削あるいは切削により完
全に除去することが行なわれていた。しかし、研削の場
合は加工熱によって開口部がより拡大するかまたは新し
く開口してしまうことがあり、切削加工の場合は共晶炭
化物が集中して偏析していために工具の刃先を著しく損
傷する。

【０００６】さらに鋳片の不連続凝固部だけを集中的に
除去しようとすると鋳片の表面が凹凸状になり、その後
の塑性加工の障害になるため、できるだけ平面状にしよ
うとすると、工数の増大をまねくだけでなく、材料歩留
の点で問題がある。本発明の目的は、特に共晶炭化物を
晶出する鋼について鋳造に引き続いて行なわれる研削加
工性が良好で、しかも熱間加工などの塑性加工性に優れ
た連続鋳造鋳片および表面改質方法ならびに連続鋳造装
置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、鋼の連続鋳
造を研究している過程で、特に共晶炭化物が晶出する鋼
の場合、ウィットネスマーク部に共晶炭化物の偏析が著
しく、未圧着部としてＶ溝状に開口する頻度が大きいこ
とを知見した。そして、ウィットネスマーク部の偏析部
の深さは鋳造する組成の他、溶湯温度、鋳片寸法、引抜
サイクルやモールドの振動数などの鋳造条件にもよる
が、通常1〜3mmの深さである。したがって、この深さの
一部または全部を溶融または半溶融させてやれば不連続
凝固相当部(ウィットネスマーク部)が再凝固層を有し、
大きな偏析は解消され、同時に開口部も閉口するので次
工程である研削加工や熱間加工も支障なく行なえること
がわかった。

【０００８】すなわち、本発明のうち第１発明は、共晶
炭化物を晶出する鋼の連続鋳造鋳片の不連続凝固相当部
が再凝固層を有することを特徴とする連続鋳造鋳片であ
り、第２発明は、共晶炭化物を晶出する鋼の連続鋳造鋳
片の表面改質方法において、前記連続鋳造鋳片の表層部
の一部または全周部を溶融または半溶融させることを特
徴とする連続鋳造鋳片の表面改質方法であり、第３発明
は、共晶炭化物を晶出する鋼の連続鋳造装置の冷却帯と
切断装置の間にあって、鋳片のウィットネスマーク部ま
たはオッシレーションマーク部の一部まは全部の深さを
溶融または半溶融させる加熱手段を設けたことを特徴と
する連続鋳造装置である。

【０００９】

【作用】本発明の不連続凝固相当部が再凝固層を有する
連続鋳造鋳片は、加熱手段により不連続凝固部を溶融ま
たは半溶融させて再凝固層としたものである。その結
果、不連続凝固部に開口した部分が閉口するだけでな
く、鋳造組織の不連続部が消失し、共晶炭化物の偏析も
分散して微細に再晶出するために、その後の熱間加工な
どの塑性加工性が良好になる。また、上記再凝固層を形
成するための加熱は、不連続凝固部だけに集中して行な
い、溶融または半溶融させることが好ましいが、鋳片表
層部の全周部について実施する方が工業的には加熱手段
の制御が容易となる。

【００１０】ところで、溶融または半溶融して得られる
再凝固層は鋳片の表層部に限定されるが、この再凝固層
の直下を観察すると共晶炭化物が高温に加熱されるため
共晶炭化物が凝集して粗大化し、製品の品質を低下させ
る傾向がある。そのため、鋳片表層部を溶融または半溶
融するには短時間に昇温でき、しかも短時間で降温する
ことができる局所加熱が効果的で、熱源として高周波、
プラズマアークまたはレーザビーム等を採用するのがよ
い。さらに、表層部を溶融または半溶融させる時期は、
一旦連続鋳造を終えた常温の鋳片を再加熱して行なうこ
ともできるが、連続鋳造後の冷却途中でパーライト変態
やマルテンサイト変態など低温側で変態が起こる材料の
場合には変態応力によって不連続凝固部が開口する頻度
が著しく高くなる。

【００１１】したがって、連続鋳造終了直後、鋳片の変
態が始まらない高温側で行なうのが良く、鋳造時の熱を
利用して熱エネルギーの損失を防ぐうえでも有利であ
る。具体的な装置として、連続鋳造装置の冷却帯と切断
装置の間に加熱手段を設けた連続鋳造装置を用いて連続
ラインの中で鋳片の表層部を溶融または半溶融させると
効果的である。本発明の表面改質方法および装置の加熱
手段は竪形連続鋳造装置にも水平連続鋳造装置にも適用
できる。図５はその一例として加熱手段を水平連続鋳造
装置に適用した例である。また溶融または半溶融させる
深さは不連続凝固層の深さ、すなわちウィットネスマー
ク部の全部を再凝固層にするのが望ましいが、鋳片表層
部に開口部が存在する場合などにおいては、ウィットネ
スマーク部の一部を再凝固層にするだけで開口部が閉口
するため効果が認められる。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）ＪＩＳ規格ＳＫＨ５１相当の高速度工具鋼
を溶解し、水平式の連続鋳造装置を用いて断面が120mm
角の鋳片を製造した。この鋳片を860℃×3時間の焼なま
し処理を実施した。この鋳片を1000℃に予熱後150KW,周
波数 400KHZの高周波電源を用い、一巻型で外周断面が3
×3mmの銅製角パイプで内部が水冷されたコイルを用
い、鋳片とのギャップが5mmで電力 35KW、電流 1500A、
加熱時間 0.5secで、鋳片の不連続凝固部に高周波電源
を印加した。鋳片の移動距離は不連続凝固部のピッチ間
隔に合わせ、1500mmlのビレット全長の不連続凝固部に
ついて局部加熱を実施した。この表面改質の間に目視観
察した結果は、不連続凝固部がかすかににじむような液
相の発生がみられ、半溶融状態であることが確認され
た。改質処理後の不連続凝固相当部のミクロ組織を図３
に示す。

【００１３】本発明方法によって得られた鋳片の改質表
層部である図３を図１，２の非改質材と比較して、最表
層部の未圧着部が閉口し、共晶炭化物の偏析が大きく緩
和されていることが確認された。次いで、本発明による
上記改質材と改質処理を行なわなかった非改質材の両者
を860℃で再焼鈍した。まず第１段階として、改質材と
非改質材の鋳片の表面酸化皮膜を冷間グラインダーで除
去する工程を実施した。改質材は、鋳片表面の凹凸もあ
るため、片肉約1mmの除去で金属肌となり、カラーチェ
ックでも全長にわたってクラック状の欠陥を見出すこと
はできなかった。

【００１４】これに対し非改質材は同様の2mmの除去で
多数の欠陥が検出された。各1mm研磨毎にカラーチェッ
クを実施したが、表面欠陥が完全に除去できず、最終的
に片肉約4mmの深さまで研削が必要であった。改質材の
研磨歩留が93%であったのに対し、非改質材のそれは87%
であり、6%の歩留向上が認められた。また、本発明によ
る表面改質材と非改質材の最初の各1mm深さの研削砥石
の摩耗状況を比較してみると、表面改質材の場合の摩耗
は非改質材の場合の摩耗より格段に少なかった(約75
%)。これは本発明を実施した改質材の再凝固層の炭化物
は均一微細になるのに対して、非改質材は硬質の共晶炭
化物がウィットネスマーク部に集中していることで、砥
石の摩耗を早めたものと推定される。このように本発明
によれば連続鋳片をグラインダーで研削する場合の被研
削性も優れることは明らかである。

【００１５】（実施例２）実施例１と同一条件の鋳片を
90mm角の寸法まで圧延し、表層部の疵の発生状況を改質
材と非改質材で比較した。圧延後860℃焼鈍した鋳片の
表面を0.5〜1.0mmグラインダーで除去し、カラーチェッ
クで表面疵を調査した。1500mmlの全周、全長で非改質
材は３ヶ所にクラック不連続凝固部で開口しているのが
認められた。これに対して、改質材は全く欠陥が検出で
きなかった。非改質材は結局、片肉2mmのグラインダー
で欠陥が除去できた。実施例１のグラインダー削り量と
合わせると非改質材は合計で79%の歩留となった。これ
に対して本発明による改質材の歩留は88%で大幅な改善
が認められた。

【００１６】（実施例３）実施例１と同一条件のビレッ
トを7mmφのコイルに圧延した。860℃でコイル焼鈍後、
酸洗し、コイル表面の疵を改質材と非改質材で比較調査
した。非改質材はコイル全長の1/8に深さ0.2〜0.5mmの
カブリ疵が存在していることが認められた。これに対
し、改質材には表面疵が検出できなかった。以上のよう
に、本発明の表面改質を付加することにより、グライン
ダー時の不連続凝固部のクラック開口や、熱間圧延時
や、小径材仕上圧延時の割れ感受性が著しく改善される
ことが確認された。

【００１７】（実施例４）実施例１の連続鋳造後に焼な
まし処理した鋳片の不連続凝固部をＴＩＧアーク熱で溶
融処理を実施した。付設した赤外線温度計で加熱部温度
が1260〜1275℃の範囲に入るように赤熱し、鋳片長1500
mmlについて漸次改質処理を実施した。なお、電流50Aで
溶融層の深さは表面から約2.5mmであった。改質後の不
連続凝固相当部のミクロ組織を図４に示す。図４からわ
かるように、共晶炭化物が図１の改質前と比較して最表
層部の未圧着部は開口し、共晶炭化物の偏析も完全に消
失している。本材を実施例１と同じくグライダー後の研
削歩留を測定した。改質材は片肉1mmの研削でクラック
状の欠陥が解消した。研削歩留は96%で非改質材に比べ
約10%向上した。

【００１８】（実施例５）図５に示す水平式連続鋳造設
備ライン中の冷却帯６と切断装置９の間に出力150KW周
波数400KHZ、コイル断面3mm×10mmで、鋳片７とコイル
２の間隔7mmの高周波電源１を付設した。水平式連続鋳
造後、鋳片の材温が900℃の時、出力33KW、電力1500Aの
高周波を投入した。鋳片の移動速度は1.1m/minとし、全
周部を高周波加熱する方法とした。なお、この時の鋳片
の表面温度は1270℃であった。鋳片の材質はＪＩＳのＳ
ＫＤ１１相当で、その断面寸法は120mm角であった。こ
の表面改質を実施した鋳片を840℃で焼鈍後、グライン
ダーで表層黒皮部を除去した。表面改質の効果を表面欠
陥が消失するまでのグラインダー除去量で比較した。表
面改質材94%であり、非改質材は87%であったので、本発
明の実施によりＳＫＤ１１の連続鋳造で従来の方法より
7%の歩留向上が達成できた。

【００１９】（実施例６）ＪＩＳ ＳＫＤ１１相当の冷
間ダイス工具鋼を竪形連続鋳造用の実験機を用いて、断
面寸法が85mm角×1200mm長さの鋳片を２本用意した。２
本の鋳片を860℃×3時間の焼なまし処理を施した。１本
目の鋳片は線状に見えるオッシレーションの上だけをＴ
ＩＧアーク熱で赤熱温度が1255〜1270℃に加熱しながら
溶融した。次に上記１本目の改質材と２本目の非改質材
についてカラーチェックを行ない、表面疵が完全になく
なるまで研削を続けた。続いて研削後の鋳片を加熱して
圧延比 1.5の熱間圧延を施した後、疵の有無を確認しな
がら研削を行なった。これらの鋳片歩留および熱間圧延
後の研削歩留は、非改質材の歩留を100として改質材の
歩留を指数で評価し表１に示す。以上のごとく、連続鋳
造した鋳片の不連続凝固部を溶融または半溶融すること
によって、鋳片のグラインダーに対する被研削性と熱間
加工性能が向上した。

【００２０】↓

【表１】

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、共晶炭化物を晶出す
る鋼を連続鋳造した鋳片の表層部の不連続凝固相当部が
再凝固層を有する鋳片、および具体的な表面改質方法と
して不連続凝固部の一部または全部の深さを溶融または
半溶融することにより、その後の塑性加工が著しく改善
され、安定して次工程の熱間加工を行なえる点、および
材料歩留のうえからも極めて有益であることが確認され
た。また、グラインダー等で鋳片を研削するとしても本
発明の鋳片は研削の加工性が優れているという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＪＩＳ ＳＫＨ５１鋼の水平式連続鋳造におい
て、鋳片表層部に発生したＶ溝状の開口不連続凝固部を
示す金属組織写真である。

【図２】ＪＩＳ ＳＫＨ５１鋼の水平式連続鋳造におい
て、鋳片表層部に発生した非開口不連続凝固部を示す金
属組織写真である。

【図３】不連続凝固相当部を高周波加熱により、半溶融
させた再凝固層を示す金属組織写真である。

【図４】不連続凝固相当部をＴＩＧアーク熱により、溶
融させた再凝固層を示す金属組織写真である。

【図５】本発明の装置の一例として水平式連続鋳造装置
を示す概念図である。

【符号の説明】 １ 高周波電源 ２ コイル ３ タンディッシュ ４ 溶鋼 ５ モールド ６ スプレー ６１ 冷却帯 ７ 鋳片 ８ ピンチロール ９ 切断装置

フロントページの続き (72)発明者 中村 秀樹 島根県安来市安来町2107番地の２ 日立金 属株式会社安来工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共晶炭化物を晶出する鋼の連続鋳造鋳片
   の不連続凝固相当部が再凝固層を有することを特徴とす
   る連続鋳造鋳片。
2. 【請求項２】 共晶炭化物を晶出する鋼の連続鋳造鋳片
   の表面改質方法において、前記連続鋳造鋳片の表層部の
   一部または全周部を溶融または半溶融させることを特徴
   とする連続鋳造鋳片の表面改質方法。
3. 【請求項３】 共晶炭化物を晶出する鋼の連続鋳造装置
   の冷却帯と切断装置の間にあって、鋳片のウィットネス
   マーク部またはオッシレーションマーク部の一部または
   全部の深さを溶融または半溶融させる加熱手段を設けた
   ことを特徴とする連続鋳造装置。