(57)【要約】【課題】  ベイナイト組織を主組織とした熱処理鋼帯を製造することを目的とした連続熱処理炉で、ＬＭＥＣによる鋼帯の破断を起こさないようにする。【解決手段】  連続熱処理炉の急冷帯において鋼帯が溶融金属浴中に浸漬される位置をＸ、鋼帯が溶融金属浴を出る位置をＹとすると鋼帯のベイナイト変態が進展して変態率が５０％となる位置Ｂ５０がＸとＹの間にある場合において、Ｂ５０とＹの間の区間には鋼帯に塑性変形を加える要素が存在しないようにする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で０．３〜１．２％の炭素を含む鋼帯を素材とする等温変態処理により生成するベイナイト組織を主組織とした熱処理鋼帯を製造することを目的とした連続熱処理炉であって、連続熱処理炉は加熱帯・急冷帯・保持帯の３つのゾーンで形成されており、その急冷帯において鋼帯が溶融金属浴中に浸漬される位置をＸ、鋼帯が溶融金属浴を出る位置をＹとすると鋼帯のベイナイト変態が進展して変態率が５０％となる位置Ｂ５０がＸとＹの間にある場合において、Ｂ５０とＹの間の区間には鋼帯に塑性変形を加える要素が存在しないことを特徴とする、連続熱処理炉の操業法。
【請求項２】
冷媒とする溶融金属浴に、ビスマス、鉛、またはこれらを主成分とする混合物からなる溶融金属浴を使用することを特徴とする、請求項１に記載の連続熱処理炉の操業法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱した鋼帯を、溶融金属の浴に連続的に投入することにより急速冷却する機構を持つ連続熱処理炉において、溶融金属欲内で鋼帯が溶融金属脆化割れを起こして破断する危険性を回避した連続熱処理炉の構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼線や鋼帯を連続的に熱処理しパーライト組織やベイナイト組織を形成させる熱処理は、パテンティング処理と呼ばれる。パテンティング処理は、その名の通り最も古い特許とされ、長年にわたり工業的に利用されていて、その熱処理方法は基本的に変わっていない。
【０００３】
すなわち、パテンティング処理は冶金的には等温変態処理（または恒温変態処理）であって、オーステナイト化した鋼をパーライト変態温度またはベイナイト変態温度まで急冷し、変態が終了するまで等温保持する処理である。
【０００４】
これを連続熱処理炉で実現するために、熱処理炉では次の３つのゾーンで構成されているのが一般的である。まず、鋼をオーステナイト化する「加熱帯」、次に鋼をベイナイト変態温度またはパーライト変態温度まで急冷する「急冷帯」、最後に鋼をベイナイト変態温度またはパーライト変態温度に保持して変態を終了させる「保持帯」である。この中で、急冷帯では、鋼を急速に冷却するために比較的融点の低い金属種の浴の中に浸漬する方法が一般的である。金属浴には、従来から鉛（Ｐｂ）が用いられてきたが、鉛の毒性の点からビスマス（Ｂｉ）に変更されるケースも出てきている。
【０００５】
さて、金属材料が溶融金属と接触する場合には、溶融金属脆化割れ（ＬＭＥＣ）と呼ばれる低応力での破壊現象が起る場合がある。これは、多くはろう付や、めっき鋼板の溶接において見られる現象であるが、いわゆるＰｂ添加快削鋼では、切削加工部が摩擦熱と加工発熱により高温に加熱された際にＬＭＥＣを起こすことが、切削屑を短くする効果を発揮し切削性を高めるとされている。前述と同様の理由で、快削鋼へのＰｂ添加も避けられる状況にあり、Ｐｂの代わりにＢｉを添加した快削鋼も開発されている。Ｂｉ快削鋼も、Ｐｂと同様にＬＭＥＣの効果で切削性が向上するとされている。
【０００６】
ところで、鋼帯にベイナイト変態処理を行なう連続熱処理設備においても、鋼帯と溶融したＰｂやＢｉが接触する急冷帯において鋼帯が破断するトラブルがある。従来から、急冷帯を溶融金属浴とし、金属種にＰｂやＢｉを使用したものは多く生産されているが、溶融Ｐｂや溶融Ｂｉを原因としてＬＭＥＣが発生し鋼帯が破断すると報告された例はない。本発明者らは、炭素鋼をベイナイト組織鋼帯とする量産型連続熱処理炉で発生した鋼帯の破断トラブルに関して調査を行なった結果、原因はＬＭＥＣであると考えざるを得ないとの結論に達したものであるが、この現象は一般的には全く報告例がないものであり、その原因究明と抜本対策の検討が必要であった。
【０００７】
これは比較的頻度の小さい現象であるが、特に、鋼帯同士を溶接して接合した部分のスポット溶接部などでＬＭＥＣの発生リスクが高い。これを回避するために、溶接後の後熱処理、材質の組合せ、スポット溶接点の個数や位置などの管理が必要になる。また、これらの管理を行なっても、ＬＭＥＣを完全に抑制するには至らないので、炉内で破断が発生した場合に大きな経済的損失が生じている。
【０００８】
本発明が対象とする恒温変態処理（等温変態処理）は、主として鋼線をパーライト組織とし、これを引抜加工してピアノ線を製造する工程で使用される場合が多い。狭義にはパーライト組織、広義ではベイナイト組織も含む恒温変態処理は、「パテンティング処理」という名を冠するように、世界的に最も古い特許と言われる発明である。最近でも、多くは鋼線を対象とした文献が特許文献１ないし４をはじめ多く公開されている。しかし、溶融金属のＬＭＥＣに言及したものはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−３４６１５２号公報
【特許文献２】特開平７−２５８７４８号公報
【特許文献３】特表２００５−５２９２３５号公報
【特許文献４】特表２０１１−５２２１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
質量％で０．４〜１．２％の炭素を含む鋼帯を素材とし、等温変態処理により生成するベイナイト組織を主組織とした熱処理鋼帯を製造することを目的とした連続熱処理炉で、ＬＭＥＣによる鋼帯の破断を起こさないようにするための、急冷帯の構造上重要な条件を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
まず、炭素鋼がＢｉ浴の中でＬＭＥＣを起こす条件を実験室的に探索した。その結果、ベイナイト変態温度で鋼を恒温保持すると、オーステナイト相からベイナイト組織への相変態が進行するに従い、著しく延性が低下することが分かった。調査方法は以下の通りである。
【００１２】
《調査方法》
・試験片    形状：図３に記載のもの    鋼種：ＪＩＳ−Ｓ５５Ｃ
・室温で、中央の空洞部にビスマスの粉末を挿入。
・加工熱サイクル再現装置にて、加熱帯に相当する温度に加熱した後、ベイナイト変態温度まで冷却し、その温度で所定の時間保持して引張荷重を負荷。
・ベイナイト変態温度に急冷した後、引張荷重を負荷するまでの保持時間は５ｓ、２５ｓ、６５ｓ、１２０ｓ。各保持時間でのベイナイト変態率を、断面観察により測定。
・引張試験結果は、空洞にビスマス粉末を挿入しなかった場合の破断伸び（ＥｌＡ）とビスマス粉末を挿入した場合の破断伸び（ＥｌＢ）の比（Ｒ＝ＥｌＢ／ＥｌＡ）で評価。
【００１３】
《結果》
保持時間とベイナイト変態率とＲの関係を図４、引張試験後の試験片の例を図５に示す。５ｓ保持ではベイナイト変態率は０％でＲは約１であるが、保持時間が長いほどベイナイト変態率が上昇しＲは低下する。２５ｓではベイナイト変態率５０％でＲ＝０．６、６０ｓと１２０ｓではベイナイト変態率は１００％でＲ＝０．３程度であった。５ｓ保持材は完全な延性破壊で、６５ｓ、１２０ｓは完全な脆性破壊を呈した。図５(ａ)は６５ｓ保持材の引張試験後の試験片の破断状況である。また、参考例としてＢｉを挿入しなかった試験片の破断状況を図５（ｂ）に示すが、完全な延性破面となっている。
また２５ｓ保持材では、延性破面と脆性破面の混在した破面形態を呈した。脆性破壊した破面を観察すると、旧オーステナイト結晶粒界に沿ってＢｉが浸入した、典型的なＬＭＥＣであることが確認された。
【００１４】
以上の結果から、ベイナイト変態処理を行なう連続熱処理炉において、急冷帯の溶融ビスマス浴の中を鋼帯が通過する際、ベイナイト変態率が高まるに従ってＬＭＥＣのリスクが高まることが分かった。
実際の連続熱処理炉では、鋼帯を溶接接合する部分があること、製作工程中に鋼帯表面に何らかの原因で疵が存在している可能性もあるため、溶接部や表面疵のような応力集中部にはＢｉによるＬＭＥＣの危険性があると考えられる。
本発明は、これらの結果によりなされたものである。
【００１５】
よって、本発明の構成は以下のものとする。
質量％で０．３〜１．２％の炭素を含む鋼帯を素材とする等温変態処理により生成するベイナイト組織を主組織とした熱処理鋼帯を製造することを目的とした連続熱処理炉であって、連続熱処理炉は加熱帯・急冷帯・保持帯の３つのゾーンで形成されており、その急冷帯において鋼帯が溶融金属浴中に浸漬される位置をＸ、鋼帯が溶融金属浴を出る位置をＹとすると鋼帯のベイナイト変態が進展して変態率が５０％となる位置Ｂ５０がＸとＹの間にある場合において、Ｂ５０とＹの間の区間には鋼帯に塑性変形を加える要素が存在しないことを特徴とする、連続熱処理炉の操業法。
急冷帯では、加熱帯でＡ３変態点以上の温度に加熱された鋼帯を、ベイナイト変態温度域まで急冷するために溶融金属浴を冷媒として用いる。急冷帯でベイナイト変態温度まで冷却された鋼帯は、ほぼ同じ温度に保持された保持帯に移り、等温保持される。
また上記塑性変形とは、鋼帯に負荷された張力による引張変形、溶融金属浴の内部に浸漬されたロールによって拘束されることによる曲げ変形、を示す。
第２の発明は、冷媒とする溶融金属浴に、ビスマス、鉛、またはこれらを主成分とする混合物からなる溶融金属浴を使用することを特徴とする上記連続熱処理炉の操業法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のごとく設計された連続熱処理炉を用いることで、鋼帯に溶接部や欠陥が存在する場合であっても、ＬＭＥＣによる破断の可能性を払拭することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】連続熱処理炉全体の概要を示す図である。
【図２】急冷帯におけるロールの配置を示す図である。
【図３】ＬＭＥＣ試験片の形状を示す図である。
【図４】保持時間とベイナイト変態率とＲの関係を示す図である。
【図５】引張り試験後の試験片の写真である。
【図６】発明例における浸漬ロールの配置である。
【図７】比較例における浸漬ロールの配置である。
【図８】実施例において模擬的に設けた応力集中部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施においては、以下の条件で熱処理炉の操業を行うものである。
《質量％で０．３〜１．２％の炭素》
ベイナイト鋼帯の用途を考えると、多くの場合、０．４〜０．６５質量％程度の炭素量の鋼板が主体となる。  通常の連続熱処理炉に炭素量が０．３％未満の鋼板を通板すると、フェライト＋ベイナイトの混合組織が形成される。ＬＭＥＣによる亀裂はフェライト組織で分断されるため、鋼帯の破断に至る危険性は低く、本出願における課題が顕在化しない。また、炭素量１．２％を超えると、事実上ベイナイト変態を施す必要がない。そこで対象鋼における炭素含有量を上記の範囲とするものである。
【００１９】
《鋼帯のベイナイト変態率が５０％となる位置から、溶融金属浴を出る位置の間には鋼帯に塑性変形を加える要素が存在しない》
ベイナイト変態率が低い場合、ＬＭＥＣによる亀裂が発生しても、靭性の高いオーステナイト相が組織中に分散しているので、脆性亀裂を停止させる効果がある。脆性破壊を抑制するためには、ベイナイト変態率は多くとも約５０％未満である必要がある。
ここで塑性変形とは、鋼帯に負荷された張力による引張変形、溶融金属浴の内部に浸漬されたロールによって拘束されることによる曲げ変形、を示す。
【００２０】
《冷媒とする溶融金属浴は、ビスマス、鉛、またはこれらを主成分とする混合物》
ベイナイト変態処理に好適な、４００℃以下の融点をもつ金属元素としては、タリウム、スズ、セレン、鉛、リチウム、インジウム、カドミウム、ビスマス  などがあるが、比較的有害性が低く、低コストな金属種は鉛とビスマスのみである。
そこで、本発明においては冷媒とする溶融金属浴をビスマス、鉛、またはこれらを主成分とする混合物とするものである。
【実施例】
【００２１】
本発明の効果を確認するため、下記の条件でコイル通板を行なった。
《条件》
・鋼帯        Ｓ５５Ｃ  板厚１．０ｍｍ、板幅２００ｍｍ、コイル重量２５０ｋｇ
・熱サイクル  加熱帯  温度：９３０℃  ゾーン長：１２ｍ
急冷帯  温度：４００℃  ゾーン長：６．０ｍ
ビスマス浴通過長さ  ５．５ｍ  ※Ｘ−Ｙ間の鋼帯長さ
保持帯  温度：４００℃  ゾーン長：５．０ｍ
・急冷帯      １００％ビスマス浴
・速度        鋼帯の移動速度：４．０ｍ／ｍｉｎ、１．５ｍ／ｍｉｎ
・炉の構造    図１
・浸漬ロールの配置   図６：発明例  Ｒ１〜Ｒ４  ロール径：φ３００ｍｍ
Ｘ−Ｒ４の距離  １．２ｍ
図７：比較例  Ｒ１〜Ｒ５  ロール径：φ３００ｍｍ
Ｘ−Ｒ４の距離  １．２ｍ
Ｘ−Ｒ５の距離  ３．５ｍ
・鋼帯の応力集中部   図８  幅２００ｍｍの鋼帯に、板幅方向に平行で板厚を貫通した溝を加工。溝の位置は板の幅方向の中央で、溝長さ５０ｍｍ、溝幅は０．５ｍｍ、両側の溝先端半径は０．２５ｍｍ。１，０００ｍｍ間隔で５本の溝を加工。
【００２２】
《発明例１》
ビスマス浴の浸漬ロールは図６に示すＲ１〜Ｒ４の４本を配置した。通板速度は４．０ｍ／ｍｉｎとした。供試材のＳ５５Ｃ鋼帯は、４００℃に急冷された後、５秒でベイナイト変態を開始し、３０秒でベイナイト変態率が５０％に達する。ベイナイト変態が終了するのは６０秒以降である。ビスマス浴中の通過時間（Ｘ−Ｙ）は約８０秒である。鋼帯がビスマス浴に浸漬されて、各浸漬ロールに接触するまでの時間は、Ｘ−Ｒ４は１８秒である。Ｒ４に接触するのはベイナイト変態率が５０％となるＢ５０より前であり、Ｒ４−Ｙの区間では鋼帯に外力が加えられることはなく懸垂曲線を描く。このため、鋼帯に加工された溝の先端部でも脆化は起らない。
【００２３】
《比較例１》
ビスマス浴の浸漬ロールは図７に示すＲ１〜Ｒ５の５本を配置した。通板速度は４．０ｍ／ｍｉｎとした。供試材のＳ５５Ｃ鋼帯は、４００℃に急冷された後、５秒でベイナイト変態を開始し、３０秒でベイナイト変態率が５０％に達する。ベイナイト変態が終了するのは６０秒以降である。ビスマス浴中の通過時間（Ｘ−Ｙ）は約８０秒である。鋼帯がビスマス浴に浸漬されて、各浸漬ロールに接触するまでの時間は、Ｘ−Ｒ４は１８秒、Ｘ−Ｒ５は５３秒である。Ｒ４に接触するのはＢ５０より前であるが、Ｒ５に接触するのはＢ５０より後であるため、鋼帯に加工された溝の先端部で脆化が起り、この部分で鋼帯が破断した。
【００２４】
《比較例２》
ビスマス浴の浸漬ロールは図６に示すＲ１〜Ｒ４の４本を配置した。通板速度は１．５ｍ／ｍｉｎとした。供試材のＳ５５Ｃ鋼帯は、４００℃に急冷された後、５秒でベイナイト変態を開始し、３０秒でベイナイト変態率が５０％に達する。ベイナイト変態が終了するのは６０秒以降である。ビスマス浴中の通過時間（Ｘ−Ｙ）は約２２０秒である。鋼帯がビスマス浴に浸漬されて、各浸漬ロールに接触するまでの時間は、Ｘ−Ｒ４は４８秒である。Ｒ４に接触するのはＢ５０より後であるため、鋼帯に加工された溝の先端部で脆化が起り、この部分で鋼帯が破断した。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、溶融金属欲内で鋼帯が溶融金属脆化割れを起こして破断する危険性を回避した連続熱処理炉として利用できるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図５】
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