JPWO2020218192A1 - 圧延鋼板の金属組織評価装置、圧延鋼板の金属組織評価方法、鋼材の製造設備、鋼材の製造方法、及び鋼材の品質管理方法 - Google Patents

Abstract

本発明に係る圧延鋼板の金属組織評価装置は、圧延鋼板の表面上の一方向に磁界を印加し、圧延鋼板の表面上の評価対象点の磁気特性を計測する処理を少なくとも２つ以上の異なる磁化方向について行うことにより、評価対象点について少なくとも２つ以上の異なる磁化方向の磁気特性を計測する磁気特性計測部と、磁気特性計測部によって計測された磁気特性を用いて評価対象点における金属組織を判定する判定部と、を備える。

Description

本発明は、高強度圧延鋼板の表層部の金属組織を電磁気計測により評価する圧延鋼板の金属組織評価装置、圧延鋼板の金属組織評価方法、鋼材の製造設備、鋼材の製造方法、及び鋼材の品質管理方法に関する。

一般に、高強度鋼板は、制御圧延と制御冷却とを組み合わせた、いわゆるＴＭＣＰ（Thermo-Mechanical Control Process）技術を利用して製造されている。このＴＭＣＰ技術を利用して鋼板の高強度化を行なうには、制御冷却時の冷却速度を大きくすることが有効である。しかしながら、高冷却速度で制御冷却を行った場合、鋼板の表層部が急冷されるため、鋼板内部に比べて表層部の金属組織にばらつきが生じやすくなる。このため、鋼板特性の均一性を確保する観点で表層部の金属組織が問題となる。このような背景から、特許文献１には、鋼板の金属組織を評価する方法が提案されている。具体的には、特許文献１に記載の方法は、電子顕微鏡を用いたＥＢＳＤ(Electron Back Scatter Diffraction patterns)法によって加工フェライト分率を評価し、腐食液を用いたエッチング後の光学顕微鏡による観察によってマルテンサイト−オーステナイト混合層の面積率を評価する。

特開２０１８−３１０６９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような電子顕微鏡や光学顕微鏡を用いた金属組織評価方法は、サンプルを採取して行なうオフラインの評価法であり、鋼板のまま非破壊で金属組織を評価することは困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、圧延鋼板の金属組織を非破壊で評価可能な圧延鋼板の金属組織評価装置及び金属組織評価方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、鋼材の金属組織を非破壊で評価して鋼材の製造歩留まりを向上可能な鋼材の製造設備、製造方法及び品質管理方法を提供することにある。

本発明に係る圧延鋼板の金属組織評価装置は、圧延鋼板の表面上の一方向に磁界を印加し、圧延鋼板の表面上の評価対象点の磁気特性を計測する処理を少なくとも２つ以上の異なる磁化方向について行うことにより、前記評価対象点について少なくとも２つ以上の異なる磁化方向の磁気特性を計測する磁気特性計測部と、前記磁気特性計測部によって計測された磁気特性を用いて前記評価対象点における金属組織を判定する判定部と、を備える。

前記判定部は、前記磁化方向に対する磁気特性の周期的変動成分から前記金属組織の弁別が可能な周期的成分を算出し、該周期的変動成分に基づいて前記評価対象点における金属組織を判定するとよい。

前記判定部は、前記磁化方向毎の磁気特性のうち、磁気特性の変動幅が判断可能な異なる磁化方向の磁気特性の差に基づいて前記評価対象点における金属組織を判定するとよい。

前記磁気特性計測部は、前記圧延鋼板の表面上の一方向に磁界を印加する機構と、圧延鋼板の表面上の評価対象点の磁気特性を計測する機構と、を有する少なくとも２つ以上のプローブが、磁化方向が互いに異なるように配列されたプローブ列と、前記圧延鋼板と前記プローブ列とを相対的に移動させる移動機構と、を備えるとよい。

前記磁気特性計測部は、少なくとも２つ以上の異なる磁化方向について設けられた、前記圧延鋼板の表面上の一方向に磁界を印加する機構と、圧延鋼板の表面上の評価対象点の磁気特性を計測する機構と、を有する複数のプローブが、前記圧延鋼板の幅方向に配列されたプローブ列と、前記圧延鋼板と前記プローブ列とを相対的に移動させる移動機構と、を備えるとよい。

本発明に係る圧延鋼板の金属組織評価方法は、圧延鋼板の表面上の一方向に磁界を印加し、圧延鋼板の表面上の評価対象点の磁気特性を計測する処理を少なくとも２つ以上の異なる磁化方向について行うことにより、前記評価対象点について少なくとも２つ以上の異なる磁化方向の磁気特性を計測する磁気特性計測ステップと、前記磁気特性計測ステップにおいて計測された磁気特性を用いて前記評価対象点における金属組織を判定する判定ステップと、を含む。

本発明に係る鋼材の製造設備は、圧延鋼板の製造設備と、本発明に係る圧延鋼板の金属組織評価装置とを備え、前記圧延鋼板の製造設備で製造した圧延鋼板の組織を前記金属組織評価装置で評価しながら鋼材を製造する。

本発明に係る鋼材の製造方法は、本発明に係る圧延鋼板の金属組織評価方法を用いて鋼材の金属組織を評価しながら鋼材を製造するステップを含む。

本発明に係る鋼材の品質管理方法は、本発明に係る圧延鋼板の金属組織評価方法を用いて鋼材の金属組織に基づいて鋼材を分類することによって鋼材の品質を管理するステップを含む。

本発明に係る圧延鋼板の金属組織評価装置及び金属組織評価方法によれば、圧延鋼板の金属組織を非破壊で評価することができる。また、本発明に係る鋼材の製造設備、製造方法及び品質管理方法によれば、鋼材の金属組織を非破壊で評価して鋼材の製造歩留まりを向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価装置の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示すプローブの構成を示す図である。 図３は、図２に示すプローブの変形例の構成を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価処理の流れを示すフローチャートである。 図５は、図３に示すステップＳ１〜Ｓ３の処理を説明するための模式図である。 図６は、プローブの回転機構及び昇降機構の構成を示す模式図である。 図７は、プローブ列の構成例を示す模式図である。 図８は、プローブ列の構成例を示す模式図である。 図９は、圧延鋼板の磁気特性を磁化方向毎に計測した例を示す図である。 図１０は、圧延鋼板の金属組織の評価例を示す図である。 図１１は、圧延鋼板の金属組織の評価例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価装置及び金属組織評価方法について説明する。

〔構成〕
まず、図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価装置の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価装置の構成を示すブロック図である。図２（ａ），（ｂ）は、図１に示すプローブ２の構成を示す側面図及び平面図である。図３（ａ），（ｂ）は、図２に示すプローブ２の変形例の構成を示す側面図及び平面図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価装置１は、圧延鋼板の表面上の一方向に磁界を印加し、圧延鋼板の表面上の評価対象点の磁気特性を計測する処理を少なくとも２つ以上の異なる磁化方向について行うことにより、評価対象点について少なくとも２つ以上の異なる磁化方向の磁気特性を計測するプローブ２と、プローブ２によって計測された磁気特性を用いて評価対象点における数〜数十ｍｍオーダーの大きさの金属組織を判定する判定装置３と、を備えている。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、プローブ２は、磁化ヨーク２１及び磁気センサ２２を備えている。

磁化ヨーク２１は、部材２１ａと部材２１ａの両端部から圧延鋼板Ｓの表面に向かって延伸する部材２１ｂ，２１ｃとからなるコの字型形状の部材により形成され、部材２１ａには励磁コイル２３が巻回されている。磁化ヨーク２１は、励磁コイル２３に電流が供給されることによって、圧延鋼板Ｓの表層部に矢印で示す磁化方向の磁界を印加する。

磁気センサ２２は、磁化ヨーク２１によって磁界が印加された圧延鋼板Ｓの磁気特性を計測し、計測した磁気特性のデータを判定装置３に出力する。なお、図３（ａ），（ｂ）に示すように、圧延鋼板Ｓの磁気特性に伴う励磁コイル２３に流れる電流の変化を検出することにより、励磁コイル２３を磁気センサ２２として用いてもよい。

〔方法〕
次に、図４〜図９を参照して、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価方法について説明する。図４は、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価処理の流れを示すフローチャートである。図５は、図３に示すステップＳ１〜Ｓ３の処理を説明するための模式図である。

図４に示すように、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価処理では、まず、圧延鋼板Ｓに所定磁化方向の磁界を印加するようにプローブ２をセットし（ステップＳ１）、圧延鋼板Ｓに所定磁化方向の磁界を印加して磁気特性を測定する（ステップＳ２）。次に、磁気特性を測定すべき少なくとも２つ以上の磁化方向の全てについて磁気特性の測定が完了したか否かを確認し（ステップＳ３）、測定が完了していない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、測定していない磁化方向の磁界を印加するようにプローブ２をセットして磁気特性を測定する。一方、測定が完了した場合には（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、判定装置３が、プローブ２によって測定された磁化方向毎の磁気特性から圧延鋼板Ｓの金属組織を評価（判定）する（ステップＳ４）。

より具体的には、ステップＳ１〜Ｓ３の処理は、図５に示すように、圧延鋼板Ｓの表面上の評価対象点Ｐをプローブ２の中心位置に保ちながら磁化方向を変えるようにプローブ２を水平面内でＡ度ずつ回転させて磁気特性を測定することを繰り返す。各磁気特性の測定では、例えば特表平２−５０４０７７号公報に記載されている方法のように、正弦信号による交流磁界を印加しつつ、時刻毎の接線磁界強さと高周波成分（後述）とを磁気特性として計測し、接線磁界強さの最大値、平均値、保持磁界強さ、及び高周波成分の係数等を算出する。

ここで、交流磁界としては、基準となる低周波数（５０Ｈｚ〜５００Ｈｚ）の正弦波信号に当該正弦波信号の振幅の１〜１／１００の程度の振幅で周波数１ＫＨｚ〜１０ＫＨｚ程度の範囲内の高周波正弦波信号を重畳した信号を印加する。前述の高周波成分とは、プローブ２で計測される磁化信号（あるいは、プローブ２を使わない場合は観測される電流信号）のうち、この重畳した高周波成分に対する観測信号である。接線磁界強さは、この高周波成分の振幅に相当する。

なお、この際、図６に示すようなプローブ２を水平面内で回転させる回転機構４とプローブ２を昇降する昇降機構５とを用いて、プローブ２を自動で回転させて所定の磁化方向に磁化させるようにして磁気特性を測定するということを所定の磁化方向分繰り返すとよい。また、図７に示すように、測定したい磁化方向毎にプローブ２を配置したプローブ列を用い、磁化特性を測定しつつ、圧延鋼板Ｓとプローブ列とを相対的に移動させることを繰り返すことにより、磁化方向毎の磁気特性を測定してもよい。さらに、図８に示すように、測定したい磁化方向毎に設けられた、複数のプローブ２が圧延鋼板Ｓの幅方向に配列されたプローブ列を用い、磁化特性を測定しつつ、圧延鋼板Ｓとプローブ列とを相対的に移動させることを繰り返すことにより、磁化方向毎の磁気特性を測定してもよい。

図９（ａ），（ｂ）は、異なる金属組織を有する圧延鋼板Ｓの磁気特性を、同一の磁化条件によって、それぞれ、磁化方向毎に測定した例を示す図である。本例では、磁化方向を１５°ずつ回転させて、０°，１５°，３０°，…，３４５°として１５°毎に３６０°分の磁気特性を測定している。なお、測定の角度ピッチは任意で良く、一定ピッチである必要はない。図９（ａ），（ｂ）に示す例では、金属組織の違いにより、磁気特性の磁化方向依存性が大きく異なっている。特に図９（ａ）に示す例では、磁化方向９０°周期での変化が強く観測され、異方性が強いことがわかる。このことから、この例では周期９０°の変化をとらえるために、少なくとも４５°毎に１個の測定を行うことが望ましい。また、磁化方向３６０°分の評価の代わりに１８０°分、９０°分の評価でも良い。

次に、ステップＳ４の処理では、判定装置３が、プローブ２によって測定された磁化方向毎の磁気特性から磁気特性の異方性を判定する。本実施形態では、判定装置３は、磁化方向の角度に対するフーリエ級数展開の成分を算出することにより、磁気特性の異方性を評価する。すなわち、判定装置３は、磁化方向の角度θで測定された磁気特性値をＰ（θ）とし、フーリエ級数の次数をｎとすると、以下の数式（１）で示す成分Ｆ（Ｐ，ｎ）を算出する。この計算で、例えばｎ＝４に対応する成分Ｆ（Ｐ，４）は周期９０°の変化成分に対応する。そして、判定装置３は、得られた成分Ｆ（Ｐ，ｎ）に基づいて評価対象点Ｐの金属組織を判定する。判定方法は事前に対象材の磁気特性と金属組織との対応関係を調査した上で決定する。図９（ａ），（ｂ）に示す例では、成分Ｆ（Ｐ，４）に注目する。具体的には、予め設定された判定閾値Ｔ_Ｐ，４により、成分Ｆ（Ｐ，４）の絶対値が予め設定された判定閾値Ｔ_Ｐ，４以上である場合は評価対象点Ｐの金属組織は金属組織Ａであると判定し、成分Ｆ（Ｐ，４）が予め設定された判定閾値Ｔ_Ｐ，４未満である場合は評価対象点Ｐの金属組織は金属組織Ｂであると判定する。なお、ここでは、周期９０°の例を示したが、金属組織の違いが判定できればよいことから、周期９０°以外であっても差が明確であれば、その他の成分であっても構わない。すなわち、金属組織の違いが判別できる（弁別可能な）角度の周期成分の強度を利用すればよい。

また、以下の数式（２）に示す磁化方向毎の磁気特性値の集合｛Ｐ（θ）｝_θについて、その中のＰ（θ）の値の変動幅を評価して、金属組織を判定する方法が考えられる。例えば、最大値ｍａｘＰ及び最小値ｍｉｎＰを算出し、以下の数式（３）により最大値ｍａｘＰと最小値ｍｉｎＰとの差ΔＰを算出し、差ΔＰが予め設定された判定閾値Ｔ_ΔＰ以上である場合は評価対象点Ｐの金属組織は金属組織Ａであると判定し、差ΔＰが予め設定された判定閾値Ｔ_ΔＰ未満である場合は評価対象点Ｐの金属組織は金属組織Ｂであると判定するようにしてもよい。ここで、差ΔＰとして、最大値ｍａｘＰと最小値ｍｉｎＰとの差を算出するとしたが、これに限定されない。Ｐ（θ）の値がどの程度変動するかが評価できればよく、磁気特性の変動幅が判断可能な、特定角度間のＰ（θ）の差を評価しても構わない。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価装置１は、磁気特性の磁化方向依存性が金属組織によって異なることに着目し、少なくとも２つ以上の磁化方向について磁気特性を計測し、磁気特性の磁化方向依存性を算出することにより圧延鋼板Ｓの金属組織を判定するので、圧延鋼板Ｓの金属組織を非破壊で評価することができる。

〔実施例１〕
実施例１では、１２５Ｈｚの正弦波磁界を鋼板に印加し、磁気特性として接線磁界強さの平均値を測定した。磁化方向は圧延方向に対して１５°ピッチで、０°，１５°，３０°，…，３４５°の２４方向とした。周期９０°の変化成分に対応する成分Ｐ（Ｐ，４）を評価した。そして、判定閾値Ｔ_Ｐ，４を０．０７とし、成分Ｆ（Ｐ，４）の絶対値が判定閾値Ｔ_Ｐ，４以下である場合は評価対象点Ｐの金属組織はベイナイト組織であると判定し、成分Ｆ（Ｐ，４）の絶対値が判定閾値Ｔ_Ｐ，４を超えるである場合は評価対象点Ｐの金属組織は磁気異方性の強いフェライト＋ベイナイト組織であると判定した。また、上記評価対象点Ｐに対応させて顕微鏡観察により隣接部の金属組織観察を行ない、金属組織の分類を行なった。評価対象点の金属組織を表１に、評価対象点毎の成分Ｆ（Ｐ，４）の値を図１０に示す。図１０に示すように、磁気特性の磁化方向依存性の評価により金属組織を判定できる。

〔実施例２〕
実施例２では、測定対象及び磁気特性の測定方法は実施例１と同じとして、上述した差ΔＰを算出し、判定閾値Ｔ_ΔＰの値を０．０３とした。そして、差ΔＰが判定閾値Ｔ_ΔＰ以上である場合は評価対象点Ｐの金属組織はフェライト＋ベイナイト組織であると判定し、差ΔＰが判定閾値Ｔ_ΔＰ未満である場合は評価対象点Ｐの金属組織はベイナイト組織であると判定した。評価対象点毎の差ΔＰの値を図１１に示す。図１１に示すように、磁気特性の磁化方向依存性の評価により金属組織を判定できる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価装置１を既知又は未知の圧延鋼板の製造設備に備え付け、圧延鋼板の製造設備で製造した圧延鋼板の金属組織を評価しながら鋼材を製造することにより圧延鋼板の製造歩留まりを向上させることができる。また、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価装置１を備えた圧延鋼板の製造設備を、既知又は未知の鋼材の製造設備に備え付け、圧延鋼板の製造設備で製造した圧延鋼板の金属組織を評価しながら鋼材を製造することにより、鋼材の製造歩留まりを向上させることができる。また、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価装置１及び金属組織評価方法を利用して、鋼材（特に、鋼材を製造途中又は製造済の圧延鋼板）の金属組織を評価しながら鋼材を製造することにより鋼材の製造歩留まりを向上させることができる。また、本発明の一実施形態である圧延鋼板の金属組織評価装置１及び金属組織評価方法を利用して、鋼材（特に、鋼材を製造途中又は製造済の圧延鋼板）の金属組織に基づいて鋼材を分類することによって鋼材の品質を管理することができる。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明によれば、圧延鋼板の金属組織を非破壊で評価可能な圧延鋼板の金属組織評価装置及び金属組織評価方法を提供することができる。また、本発明によれば、鋼材の金属組織を非破壊で評価して鋼材の製造歩留まりを向上可能な鋼材の製造設備、製造方法及び品質管理方法を提供することができる。

１ 圧延鋼板の金属組織評価装置
２ プローブ
３ 判定装置
４ 回転機構
５ 昇降機構
２１ 磁化ヨーク
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 部材
２２ 磁気センサ
２３ 励磁コイル
Ｐ 評価対象点
Ｓ 圧延鋼板

Claims (9)

1. 圧延鋼板の表面上の一方向に磁界を印加し、圧延鋼板の表面上の評価対象点の磁気特性を計測する処理を少なくとも２つ以上の異なる磁化方向について行うことにより、前記評価対象点について少なくとも２つ以上の異なる磁化方向の磁気特性を計測する磁気特性計測部と、
   前記磁気特性計測部によって計測された磁気特性を用いて前記評価対象点における金属組織を判定する判定部と、
   を備える、圧延鋼板の金属組織評価装置。
2. 前記判定部は、前記磁化方向に対する磁気特性の周期的変動成分から前記金属組織の弁別が可能な周期的成分を算出し、該周期的変動成分に基づいて前記評価対象点における金属組織を判定する、請求項１に記載の圧延鋼板の金属組織評価装置。
3. 前記判定部は、前記磁化方向毎の磁気特性のうち、磁気特性の変動幅が判断可能な異なる磁化方向の磁気特性の差に基づいて前記評価対象点における金属組織を判定する、請求項１に記載の圧延鋼板の金属組織評価装置。
4. 前記磁気特性計測部は、
   前記圧延鋼板の表面上の一方向に磁界を印加する機構と、圧延鋼板の表面上の評価対象点の磁気特性を計測する機構と、を有する少なくとも２つ以上のプローブが、磁化方向が互いに異なるように配列されたプローブ列と、
   前記圧延鋼板と前記プローブ列とを相対的に移動させる移動機構と、
   を備える、請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の圧延鋼板の金属組織評価装置。
5. 前記磁気特性計測部は、
   少なくとも２つ以上の異なる磁化方向について設けられた、前記圧延鋼板の表面上の一方向に磁界を印加する機構と、圧延鋼板の表面上の評価対象点の磁気特性を計測する機構と、を有する複数のプローブが、前記圧延鋼板の幅方向に配列されたプローブ列と、
   前記圧延鋼板と前記プローブ列とを相対的に移動させる移動機構と、
   を備える、請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の圧延鋼板の金属組織評価装置。
6. 圧延鋼板の表面上の一方向に磁界を印加し、圧延鋼板の表面上の評価対象点の磁気特性を計測する処理を少なくとも２つ以上の異なる磁化方向について行うことにより、前記評価対象点について少なくとも２つ以上の異なる磁化方向の磁気特性を計測する磁気特性計測ステップと、
   前記磁気特性計測ステップにおいて計測された磁気特性を用いて前記評価対象点における金属組織を判定する判定ステップと、
   を含む、圧延鋼板の金属組織評価方法。
7. 圧延鋼板の製造設備と、請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の圧延鋼板の金属組織評価装置とを備え、前記圧延鋼板の製造設備で製造した圧延鋼板の組織を前記金属組織評価装置で評価しながら鋼材を製造する、鋼材の製造設備。
8. 請求項６に記載の圧延鋼板の金属組織評価方法を用いて鋼材の金属組織を評価しながら鋼材を製造するステップを含む、鋼材の製造方法。
9. 請求項６に記載の圧延鋼板の金属組織評価方法を用いて鋼材の金属組織に基づいて鋼材を分類することによって鋼材の品質を管理するステップを含む、鋼材の品質管理方法。

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