JPWO2016084283A1 - 金属板の製造方法および急冷焼入れ装置 - Google Patents
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Abstract
急冷焼入れ時に金属板に発生する形状不良を効果的に抑制可能な金属板の製造方法および急冷焼入れ装置を提供する。本発明に係る金属板の製造方法は、金属板のMs点の温度をTMs（℃）、Mf点の温度をTMf（℃）とすると、急冷焼入れ中の金属板を、金属板の温度が（TMs＋150）（℃）から（TMf−150）（℃）である範囲において、一対の拘束ロールにより拘束する。
Description
本発明は、金属板を連続的に通板しながら、加熱、均熱、冷却、再加熱を行う連続焼鈍設備を用いて、急冷焼入れ時に金属板に発生する形状不良を抑制する金属板の製造方法および急冷焼入れ装置に関する。
鋼板をはじめとする金属板の製造においては、連続焼鈍設備において、加熱後に金属板を冷却し、相変態を起こさせるなどして材質の造り込みを行う。近年、自動車業界では車体の軽量化と衝突安全性の両立を目的として、高張力鋼板（ハイテン）の適用が進んでおり、そのような需要動向に対応するために、高張力鋼板の製造に有利な急速冷却技術の重要性が増している。最も冷却速度が速い水焼入れ法としては、加熱された鋼板を水中に浸漬させると同時に、水中内に設けられたクエンチノズルにより冷却水を鋼板に噴射し、急冷を行う方法が一般的である。その際、金属板に反りや波状変形などの面外変形による形状不良が発生し、問題となっている。
特許文献１では、連続焼鈍炉での急冷焼入時に生じる金属板の波状変形を抑制するために、急冷焼入工程に付される鋼板の張力を変えることができる張力変更手段として、ブライドルロールを急冷焼入部前後に設ける手法が提案されている。
また、特許文献２では、焼入れ開始点（冷却開始点）において、金属板幅方向で圧縮方向の熱応力が発生し、金属板が座屈することによって形状不良が発生することに着目し、冷却により板幅方向での圧縮応力が発生している領域またはその近傍領域で、金属板両面側から拘束することにより面外変形を抑制する手法が提案されている。
しかしながら、特許文献１に記載された方法は、高温の鋼板に大きな張力をかけるため鋼板の破断が起きるおそれがある。また、高温の鋼板に接触する急冷焼入部前のブライドルロールには、大きなサーマルクラウンが発生し、ブライドルロールと鋼板がブライドルロールの幅方向に不均一に接触し、その結果、鋼板に座屈が発生したり疵が発生し、鋼板形状を改善することができないという問題がある。
また、特許文献２に記載された方法を検証した結果、形状矯正効果が小さいことが分かった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、急冷焼入れ時に金属板に発生する形状不良を効果的に抑制可能な金属板の製造方法および急冷焼入れ装置を提供することを目的とする。
発明者らは、このような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下のような知見を得た。金属板の製造方法においては、急冷中に、金属板にマルテンサイト変態を起こさせる組織制御が用いられる場合があるが、マルテンサイト変態が起こると組織が体積膨張するため、複雑で不均一な凹凸状の形状になってしまうことがある。マルテンサイト組織を有するような高張力鋼板は、急冷焼入れ時に、熱収縮中に変態膨張が生じるMs点からMf点の近傍で、鋼板に最も大きな応力が働き、形状が崩れる。ここでMs点とはマルテンサイト変態が開始する温度のことであり、Mf点とはマルテンサイト変態が終了する温度のことである。
発明者らは、このような知見に基づき、以下のような特徴を有する金属板の製造方法および急冷焼入れ装置を発明した。
［１］ 金属板を液体に浸漬させて冷却する急冷焼入れ装置を有する連続焼鈍設備を用いた金属板の製造方法において、金属板のマルテンサイト変態が開始するMs点の温度をTMs（℃）、マルテンサイト変態が終了するMf点の温度をTMf（℃）とすると、急冷焼入れ中の金属板を、金属板の温度が（TMs＋150）（℃）から（TMf−150）（℃）である範囲において、前記液体中に設けられた一対の拘束ロールにより拘束する金属板の製造方法。
［２］ 拘束ロールの拘束位置を、金属板の通板速度、板厚、焼入れ開始温度に基づいて設定する［１］に記載の金属板の製造方法。
［３］ 金属板のMs点の温度TMs（℃）とMf点の温度TMf（℃）、通板速度v（m/s）、板厚t（mm）、焼入れ開始温度T（℃）、水面から拘束ロールの回転中心までの距離d（mm）とすると、水面から拘束ロールの回転中心までの距離d（mm）は、下式により表される［１］または［２］に記載の金属板の製造方法。
［１］ 金属板を液体に浸漬させて冷却する急冷焼入れ装置を有する連続焼鈍設備を用いた金属板の製造方法において、金属板のマルテンサイト変態が開始するMs点の温度をTMs（℃）、マルテンサイト変態が終了するMf点の温度をTMf（℃）とすると、急冷焼入れ中の金属板を、金属板の温度が（TMs＋150）（℃）から（TMf−150）（℃）である範囲において、前記液体中に設けられた一対の拘束ロールにより拘束する金属板の製造方法。
［２］ 拘束ロールの拘束位置を、金属板の通板速度、板厚、焼入れ開始温度に基づいて設定する［１］に記載の金属板の製造方法。
［３］ 金属板のMs点の温度TMs（℃）とMf点の温度TMf（℃）、通板速度v（m/s）、板厚t（mm）、焼入れ開始温度T（℃）、水面から拘束ロールの回転中心までの距離d（mm）とすると、水面から拘束ロールの回転中心までの距離d（mm）は、下式により表される［１］または［２］に記載の金属板の製造方法。
［４］ 前記急冷焼入れ装置は、金属板の表面および裏面に冷却水を噴射する水噴出装置を備え、前記一対の拘束ロールは、金属板と水噴出装置との間に配されている金属板を拘束する［１］乃至［３］のいずれかに記載の金属板の製造方法。
［５］ 高温の金属板を液体に浸漬させて冷却する急冷焼入れ装置であって、金属板のMs点の温度をTMs（℃）、Mf点の温度をTMf（℃）とすると、金属板の温度が（TMs＋150）（℃）から（TMf−150）（℃）である範囲において、金属板を拘束する一対の拘束ロールを備えた急冷焼入れ装置。
［６］ 金属板の表面および裏面に冷却水を噴射する水噴出装置を備え、前記拘束ロールは、金属板と水噴出装置との間に配されている［５］に記載の急冷焼入れ装置。
［５］ 高温の金属板を液体に浸漬させて冷却する急冷焼入れ装置であって、金属板のMs点の温度をTMs（℃）、Mf点の温度をTMf（℃）とすると、金属板の温度が（TMs＋150）（℃）から（TMf−150）（℃）である範囲において、金属板を拘束する一対の拘束ロールを備えた急冷焼入れ装置。
［６］ 金属板の表面および裏面に冷却水を噴射する水噴出装置を備え、前記拘束ロールは、金属板と水噴出装置との間に配されている［５］に記載の急冷焼入れ装置。
本発明に係る金属板の製造方法および急冷焼入れ装置によれば、急冷焼入れ時に金属板に発生する形状不良を、効果的に抑制することができる。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る急冷焼入れ装置を示す図である。この急冷焼入れ装置は、連続焼鈍炉の均熱帯の出側に設けられた冷却設備に適用される。図１では、連続焼鈍炉の均熱帯の出口に設けられた一対のシールロール３が示されている。急冷焼入れ装置は、水２（液体）が張られた水槽１と、水槽１内に、金属板５に冷却水を吹き付けて水温まで冷却させるための水噴出装置４と、金属板５を水槽１に浸漬させて、金属板５の搬送方向を変更するシンクロール６を備えている。
水噴出装置４は、一部が水槽１の水中に配されている。水噴出装置４は、金属板５の表面および裏面に所定の隙間を介して設置されている。表面および裏面に設けられた水噴出装置４は、金属板５の幅方向に延びるノズル４ａを有しており、このノズル４ａが、金属板５の搬送方向に複数配されている。水噴出装置４は、ノズル４ａから冷却水を金属板５に噴射することで、金属板５の急冷を行う。
ここで、金属板５は、水面より下方において、水噴出装置４の冷却水によって急冷されることにより熱収縮する。特に、金属板５には、金属板５の温度がマルテンサイト変態が開始する温度であるMs点からマルテンサイト変態が終了する温度であるMf点となったときに、急激な熱収縮と変態膨張が同時に生じ、金属板５内に働く応力が最も大きくなり、形状が崩れる。
そこで、本発明では、金属板のMs点の温度をTMs（℃）、Mf点の温度をTMf（℃）とすると、急冷焼入れ中の金属板５を、金属板５の温度が（TMs＋150）（℃）から（TMf−150）（℃）である範囲において、金属板５を拘束する拘束ロール７を水面下に配している。具体的には、水噴出装置４のノズル４ａと金属板５の隙間に、金属板５を両側から拘束する一対の拘束ロール７を設けている。なお、拘束ロール７の位置を、Ms点からMf点の領域±150℃とした理由は、後述する図４に示す実験において、この範囲で反り量が十分に低減されていたためである。
なお、Ms点やMf点の温度は、金属板５の成分組成から算出することができる。
一対の拘束ロール７は、中心軸を金属板５の搬送方向にずらして配置することが好ましい。中心軸をずらして配置することで、金属板５の拘束力を増大させ、形状矯正力を高めることができる。
拘束ロール７の好適な位置は、通板速度v（m/s）、板厚t（mm）、焼入れ開始温度T（℃）に基づいて設定することが好ましい。冷却速度を、1500/t(℃/s)と仮定すると、金属板５の温度が（TMs＋150）（℃）となる水面からの位置は、（１）式のように表すことができる。なお、冷却速度は、板厚等に応じて定まる値であり、板厚1mmでは、1000〜2000/t(℃/s)となるので、本発明では、中間をとって冷却速度を1500/t(℃/s)としている。冷却速度については、板厚等に応じて適宜設定することができる。
同様に、金属板５の温度が（TMf−150）（℃）となる水面からの位置は、（２）式のように表すことができる。
したがって、水面から拘束ロール７の回転中心までの距離d（mm）は、（３）式となる
ことが好ましい。
ことが好ましい。
なお、拘束ロール７の回転中心の位置が、拘束ロール７による金属板５の拘束位置となる。また、図１では、金属板５を拘束する２本の拘束ロール７が金属板５の搬送方向にずらして配されているが、いずれの拘束ロール７の位置も、上述した範囲を満たすことが好ましい。
このように、本発明では、金属板５の温度がMs点からMf点となる範囲で、金属板５を拘束することができる拘束ロール７を水面下に配することで、金属板５に最も大きな応力が働く位置において金属板５を拘束し、金属板５の形状を効果的に矯正することができる。
前述のように、本発明は、鋼板の急冷中にマルテンサイト変態が起こって組織が体積膨張する際に発生する複雑で不均一な凹凸状の形状を低減させることを目的としており、本発明は、高強度冷延鋼板（ハイテン）の製造方法に適用することが好ましい。
具体的には、引張強度が５８０ＭＰａ以上である鋼板の製造方法に適用することが好ましい。引張強度の上限値は特に制限されないが、一例として１６００ＭＰａ以下である。高強度冷延鋼板の組成の具体例としては、質量％で、Ｃが０．０４％以上０．２２０％以下、Ｓｉが０．０１％以上２．００％以下、Ｍｎが０．８０％以上２．８０％以下、Ｐが０．００１％以上０．０９０％以下、Ｓが０．０００１％以上０．００５０％以下、ｓｏｌ．Ａｌが０．００５％以上０．０６５％以下、必要に応じて、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＴｉの少なくとも１種以上が０．５％以下、必要に応じて、Ｂ、Ｓｂが０．０１％以下、その他Ｆｅ並びに不可避的不純物である。
図１に示した急冷焼入れ装置を用い、板厚1.0mm、板幅1000mmの引張強さ1470MPa級の高張力冷延鋼板を、通板速度1.0m/sで製造した。鋼板の焼入れ開始温度Tが740℃、焼入れ終了温度が50℃、Ms点の温度TMsが350℃、Mf点の温度TMfが250℃である。
図２に、水面から拘束ロールの回転中心までの距離と、ロール通過後の鋼板の反り量との関係を示す。また、反り量の定義を図３に示す。具体的には、鋼板を水平面に置いた場合の、最も高い位置の高さを反り量とした。
図２において、横軸は水槽１の水面から拘束ロール７までの距離であり、縦軸は鋼板の反り量である。鋼板の温度が、Ms点からMf点の近傍となる水面下200〜400mmで拘束ロール７により鋼板を拘束することで、反り量が10mm以下にまで低減している。
鋼板の通板速度の影響を考察するために、図１に示した急冷焼入れ装置を用い、板厚1.0mm、板幅1000mmの引張強さ1470MPa級の高張力冷延鋼板を、通板速度1.0m/s、1.5m/s、2.0m/sで製造した。焼入れ開始温度が740℃、焼入れ終了温度が50℃、Ms点の温度TMsが350℃、Mf点の温度TMfが250℃である。
図４は、鋼板の通板速度v（m/s）と水面からロールの回転中心までの距離d（mm）との関係を示す図である。鋼板の通板速度v（m/s）と水面からロールの回転中心までの距離d（mm）との組み合わせにおいて、それぞれの反り量を測定し、反り量10mm未満を「○」、反り量10mm以上を「×」と評価した。
鋼板のMs点の温度TMs、Mf点の温度TMf、通板速度v（m/s）、板厚t（mm）、焼入れ開始温度T（℃）、および水面から拘束ロール７の回転中心までの距離d（mm）の関係が、vt(T−TMs−150)/1.5≦d≦vt(T−TMf+150)/1.5の範囲において、良好な結果が得られた。
また、本実施形態においては、鋼板を水冷する装置を例に説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、本発明の技術思想は広く、鋼板以外の金属板全般の冷却に適用するができ、また、水冷以外の急冷焼入れ装置全般に適用することができる。
１ 水槽
２ 水
３ シールロール
４ 水噴出装置
４ａ ノズル
５ 金属板
６ シンクロール
７ 拘束ロール
２ 水
３ シールロール
４ 水噴出装置
４ａ ノズル
５ 金属板
６ シンクロール
７ 拘束ロール
Claims (6)
- 金属板を液体に浸漬させて冷却する急冷焼入れ装置を有する連続焼鈍設備を用いた金属板の製造方法において、金属板のマルテンサイト変態が開始するMs点の温度をTMs（℃）、マルテンサイト変態が終了するMf点の温度をTMf（℃）とすると、急冷焼入れ中の金属板を、金属板の温度が（TMs＋150）（℃）から（TMf−150）（℃）である範囲において、前記液体中に設けられた一対の拘束ロールにより拘束する金属板の製造方法。
- 拘束ロールの拘束位置を、金属板の通板速度、板厚、焼入れ開始温度に基づいて設定する請求項１に記載の金属板の製造方法。
- 金属板のMs点の温度TMs（℃）とMf点の温度TMf（℃）、通板速度v（m/s）、板厚t（mm）、焼入れ開始温度T（℃）、水面から拘束ロールの回転中心までの距離d（mm）とすると、水面から拘束ロールの回転中心までの距離d（mm）は、下式により表される請求項１または２に記載の金属板の製造方法。
- 前記急冷焼入れ装置は、金属板の表面および裏面に冷却水を噴射する水噴出装置を備え、前記一対の拘束ロールは、金属板と水噴出装置との間に配されている金属板を拘束する請求項１乃至３のいずれかに記載の金属板の製造方法。
- 高温の金属板を液体に浸漬させて冷却する急冷焼入れ装置であって、金属板のMs点の温度をTMs（℃）、Mf点の温度をTMf（℃）とすると、金属板の温度が（TMs＋150）（℃）から（TMf−150）（℃）である範囲において、金属板を拘束する一対の拘束ロールを備えた急冷焼入れ装置。
- 金属板の表面および裏面に冷却水を噴射する水噴出装置を備え、前記拘束ロールは、金属板と水噴出装置との間に配されている請求項５に記載の急冷焼入れ装置。
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