(57)【要約】【課題】  溶質成分を溶融前に供給することで、溶質成分の安定供給を可能にするとともに常に適正量の溶質成分を添加でき、金属材料の表層の良好な改質を行わしめ、これによって高品質の複層材料を得ることができる金属材料の表層溶融処理方法を提供すること。【解決手段】  交流磁場で振動させられた直流プラズマによる加熱を用いて金属材料表面の表層部を溶融し、該溶融した表層部に溶質元素を添加し再凝固させることにより金属材料の表層を改質する方法において、溶融前の該金属材料表面に、所定量の溶質元素を含有する粒子を供給すること。溶質元素粒子の供給は、所定の箇所に間欠的に行っても、気体又は液体に混合して噴霧状態で供給してもよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流磁場で振動させられた直流プラズマによる加熱を用いて金属材料表面の表層部を溶融し、該溶融した表層部に溶質元素を添加し再凝固させることにより金属材料の表層を改質する方法において、溶融前の該金属材料表面に、所定量の溶質元素を含有する粒子を供給することを特徴とする金属材料の表層溶融処理方法。
【請求項２】
溶質元素を含有する粒子を、溶融処理部及び溶融処理前の材料表面のいずれか一方または双方の複数箇所に、間欠的に供給することを特徴とする請求項１記載の金属材料の表層溶融処理方法。
【請求項３】
溶質元素を含有する粒子を気体もしくは液体と混合し噴霧供給することを特徴とする請求項１又は２記載の金属材料の表層溶融処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料の表層を溶融再凝固し他の溶質成分を添加することにより金属材料表層を改質すること、あるいは複合鋼材を得ることができる溶融処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、鋼の連続鋳造鋳片の表層を溶融再凝固し他の溶質元素を添加することにより金属材料表層を改質あるいは複合鋼材を製造する技術として、（特許文献１）に示すものが提案されている。この（特許文献１）の技術は、鋼鋳片表面の表層部を誘導加熱及びプラズマ加熱のいずれか一方または双方により溶融させ、この溶融した表層部分に、炭素、シリコン、マンガン、リン、硫黄、ニッケル、クロム、モリブデン、銅等の鋼の特性を変化させるための溶質元素を添加し、再凝固させるものである。
【特許文献１】特開２００４―１９５５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記（特許文献１）に開示した技術は、その目的を達成する上で有効であることが認められたが、溶質元素の添加の面で改善の余地が残されていることが分かった。すなわち、溶質元素は粉粒体もしくはワイヤなどの形態で直接溶融部に供給されるが、粉粒体の場合にはプラズマトーチを介して供給されるため、飛散しやすくて安定した供給に難があって歩留まりが低下するとともに、ワイヤの直接添加の場合は高温部への供給であるため、やはり安定供給に困難さが伴う、という問題点があった。
本発明は、このような問題点を解決することを課題とするもので、溶質成分を溶融前に供給することによって、溶質成分の安定供給を可能にするとともに常に適正量の溶質成分を添加でき、金属材料の表層の良好な改質を行うことや、あるいは高品質の複層材料を得ることを可能とする金属材料の溶融処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を達成するための本発明に係る金属材料の溶融処理方法は、交流磁場で振動させられた直流プラズマによる加熱を用いて金属材料表面の表層部を溶融し、該溶融した表層部に溶質元素を添加し再凝固させることにより金属材料の表層を改質する方法において、溶融前の該金属材料表面に、所定量の溶質元素を含有する粒子を供給することを特徴とする。
また、このような溶融処理方法においては、溶質元素を含有する粒子を、溶融処理部及び溶融処理前の材料表面のいずれか一方または双方の複数箇所に、間欠的に供給することが好ましく、これによって溶質元素を均一に溶融部に添加することが可能となる。
更に、本発明においては、溶融前の金属材料表面に、溶質元素を含有する粒子を気体もしくは液体と混合し噴霧供給することを特徴とする。この場合、溶質元素を含有する粒子と混合する気体は、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素などの還元性ガスを含み、液体は石油第３類、第４類、ＬＰＧ、ポリビニルアルコールなど高分子を含むことが望ましい。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の金属材料の溶融処理方法によれば、適正量の溶質元素量を事前に溶融処理予定部表面に供給しておくことができ、実際の溶融時に必要な溶質元素量の添加が可能となり、目標とする良好な改質が達成され、あるいは高品質の複層材料を確実に製造することができる。また、溶質元素を事前に金属材料の溶融前に供給することから、溶質元素の安定したかつ均一な供給を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
金属材料の溶融処理部の処理深さは、処理の熱供給条件（直流プラズマの電流値、被処理部とトーチ間の距離、処理速度等）により決まり、従って添加すべき溶質元素量は予め知ることができる。そこで、金属材料の表層改質や、複合鋼材製造等の目的に応じて、溶質元素の必要な量を所定量として予め溶融処理部表面に供給しておくことにより、金属材料の溶融時に必要な溶質元素量の添加が可能となる。
図１（ａ）は、粒子状の溶質元素を溶融処理前の金属材料１の長手方向に一定間隔で置いた間欠的供給方式を示すもので、２は金属材料１の上方に設置したプラズマトーチ、３は該プラズマトーチ２によるプラズマ照射部、４はプラズマ照射により生成された溶融部（経時的には再凝固部となる）、５は材料移動方向、６はトーチ幅を含む中央線、７は間欠的な溶質元素添加位置をそれぞれ示している。添加位置７は中央線６を挟んで対称の関係にある。これら金属材料の溶融前での複数箇所の溶質元素添加位置７に、予め判明している必要量の溶質元素を配分しておいてから、プラズマトーチ２による溶融処理を開始することで、溶質元素をまんべんなく金属材料の溶融部に溶け込ませ所望材質の改質部を生成する。粒子状の溶質元素を目的の箇所に供給する手段としては、例えばフィーダ形式や金属材料の所定位置に何らかの手段で予め固定する形式等、任意の方式を採用すればよい。
【０００７】
なお、間欠的に粒子を供給する方法では、以下の点に注意する必要がある。即ち、材料の溶融処理方向に直交する幅方向の元素供給位置は、１本のプラズマトーチが振動して溶融する幅を１００ｍｍとすると、この中央線の左右に振り分けて２箇所以上で添加することが好ましい。これは、図２に示すように溶融プール４では、表面張力誘起流れによりプール中央から両幅方向に回転する流れ１１が発生し、もし１本のトーチ２の直下だけ或いは溶融プールの幅方向のいずれかの端部側に供給すると、溶質元素は片側のみに移流拡散することとなり、幅方向に溶質元素が偏析してしまうからである。また、材料長手方向には、溶融再凝固する長さは処理条件により変化するが、一般には１０〜数１０ｍｍ程度の長さとなり、少なくとも処理方向にも１０ｍｍピッチ程度で間欠的に供給することが好ましい。図において、９は振動中のプラズマアーク、１０は交流磁場により振動するアークの振動方向を示している。
中央線６の両側に添加位置７を振り分ける場合、添加位置は左右対称に限らず長手方向に若干ずらすことや、添加位置を両側共に幅方向に複数箇所にすることもでき、材料のサイズや添加量に応じて適宜選択すればよい。
【０００８】
図１（ｂ）は、溶融前の金属材料１の所定箇所に、溶質元素をスプレー噴霧方式で供給する例を示しており、８がスプレーによって溶質元素を添加した領域である。溶質元素を含む粒体（場合によっては粉体でもよい）を適宜の気体または液体と混合し、この混合体をスプレーノズル等により金属材料１の表面に予め噴射しておき、プラズマトーチ２による溶融処理を開始すれば、噴霧供給された溶質元素は均等に溶融部に溶け込み所望材質の改質部が得られる。
溶質元素と混合する気体としては、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素などの還元性ガスを含むものが好ましく、これらの内の適宜の気体と溶質元素を混合し、スプレーノズルにて金属材料表面上に飛散しないように噴霧供給することが重要である。
また、溶質元素と混合する液体としては、石油第３類、第４類、ＬＰＧ、ポリビニルアルコールなど高分子を含むものが好ましく、この場合も混合体をスプレーノズル等により金属材料表面上に吹付けて塗布すればよい。場合によっては吹付けることなく塗装方式によって供給することも可能である。
気体或いは液体と混合する場合、溶質元素の粒子径は、混合或いはノズル噴霧の容易性から細かい方が有利であるが、スプレーノズルの能力が許容する範囲であれば、その粒子径については限定されない。
【０００９】
直流プラズマの振動は、図３に示す如く、プラズマトーチ２から金属材料１に向って噴射されるプラズマに近接して配置した２個のプラズマ振動用コイル１６により行う。それぞれ交流電源１８に接続する２個のプラズマ振動用コイル１６は、プラズマを挟んで対向するように金属材料１の幅方向に設置され、コイル電流は金属材料幅方向に流れる。プラズマは直電源１７を介してトーチ２が陰極、金属材料１が陽極となっており、図４に示すように、トーチから電子流１３が放出され、電流１２は金属材料１からトーチ２に流れる。この電流に２個のプラズマ振動用コイル１６に通電することによって交流磁場１４を作用させると、フレミングの左手の法則により図３の正面図では紙面に垂直の方向に、図３の側面図では左右の方向にローレンツ力が発生し、プラズマを矢印１０方向に振動させる。図４の１４がプラズマを振動させる電磁力であり、これによって図３の右側に示す如く、材料側に広がった扇形の扁平プラズマ９が形成される。このプラズマの振動及び材料の一定速度の移動により、金属材料は振幅にそった幅で長手方向に連続的に溶融される。
このようにして得られた溶融プールに対し、図１（ａ）（ｂ）に例示した適宜の溶質元素供給手段を用いて所望の溶質元素を供給すればよい。なお、図示の例ではいずれも水平に置かれた金属材料の上面に対し溶融処理を施す態様を示しているが、金属材料は水平状態とは限らず、垂直な姿勢もしくは傾斜した場合も想定でき、いずれも場合であっても同様に本発明を適用し得ることは言うまでもない。
【００１０】
本発明においては、図示するように、移動する連続鋳造鋳片の如き金属材料の表層における溶融予定部に予め所定量の溶質元素を供給しておき、その後直流プラズマを材料幅方向に振動させることによりこの溶質元素の供給された部分を溶融し、再凝固させて改質することを狙いとしている。具体的な改質の内容としては、供給する溶質元素の溶融プール内でのばらつきを小さくして一定深さの表層の性質を改善し、割れを防止し強度を高めることや、加工性を向上させること等が挙げられる。
また、本発明では表層を単に改質するだけでなく、積極的に特定の溶質元素を溶融プールに供給することで、この部分を他の部分とは異なる材質の金属材料とすることで、全体として複合した機能を有する複層材料を製造することを可能としている。例えば、低炭素鋼材料の表層に予め所定量のニッケル、クロムを供給しておき、この部分を溶融し再凝固することで、表層部を耐食性に優れたステンレス鋼、基部が普通鋼である複合材料が得られる。
【００１１】
なお、本発明において溶融前に供給・添加する溶質元素の例としては、炭素、シリコン、マンガン、リン、硫黄、ニッケル、クロム、モリブデン、銅、銀、アルミニウム、マグネシウム、希土類元素等が挙げられ、これら単独、もしくはこれら成分の複数個の合金の形態で供給・添加される。また、場合によっては添加する溶質元素と酸素或いは窒素との化合物の形でも添加することが可能である。
【実施例１】
【００１２】
幅１５０ｍｍ、厚さ１００ｍｍのアルミキルド鋼連続鋳造鋳片の上方に直流プラズマトーチを配し、トーチと鋳片間の距離を１００ｍｍ、直流電流を３００Ａ、交流磁場５０Ｈｚ、磁束密度の実効値３ｍＴで直流プラズマを振動させ、約１００ｍｍの幅で鋳片表層を溶融処理した。処理速度（＝鋳片移動速度）は０．１ｍ／ｍｉｎとした。溶質元素として溶融部に対して５質量％のニッケルを予め鋳片幅方向におけるトーチ直下の両側１０ｍｍの位置に、長手方向に１０ｍｍピッチとなるよう粒子として供給した。これにより鋳片幅方向・長さ方向のニッケル濃度のばらつきが１割以下で深さ５ｍｍまでが溶質添加された表層改質鋳片を得た。
【実施例２】
【００１３】
幅１５０ｍｍ、厚さ１００ｍｍの１質量％の銅を含むアルミキルド鋼連続鋳造鋳片の上方に直流プラズマトーチを配し、トーチとサンプル間の距離を１００ｍｍ、直流電流を３００Ａ、交流磁場５０Ｈｚ、磁束密度の実効値３ｍＴで振動させ約１００ｍｍの幅で鋳片表層を溶融処理した。処理速度は０．３ｍ／ｍｉｎとした。溶質元素として銅による鋼材の割れを抑制する元素である当量１質量％のニッケル粉を予め鋳片幅方向に噴霧塗布し、溶融処理した。これにより鋳片幅方向・長さ方向のニッケル濃度のばらつきが５％以下で深さ３ｍｍまでが１質量％のニッケルが添加された表層改質鋳片を得た。
【実施例３】
【００１４】
幅１５０ｍｍ、厚さ２００ｍｍの低炭アルミキルド鋼連続鋳造鋳片の上方に直流プラズマトーチを配し、トーチとサンプル間の距離を１００ｍｍ、直流電流を３００Ａ、交流磁場５０Ｈｚ、磁束密度の実効値３ｍＴで振動させ、約１００ｍｍの幅で鋳片表層を溶融処理した。処理速度は０．０７５ｍ／ｍｉｎとした。この時溶融深さは１０ｍｍであった。溶質元素として溶融部に対して１８質量％のクロムを予め鋳片幅方向にトーチ直下を中心線として、５ｍｍピッチとなるよう粒子として供給した。これにより鋳片幅方向・長さ方向のクロム濃度のばらつきが０．５％以下で深さ１０ｍｍまでがステンレスで内部が普通鋼の複合鋼材を得た。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る表層溶融処理方法を説明するための実施形態例を示し、（ａ）が溶融前に溶質元素粒子を材料表面に間欠的に供給する例を、（ｂ）が溶質元素を気体又は液体と混合して溶融前の材料面に噴霧供給する例を示している。
【図２】本発明の溶融処理方法を実施する場合に溶質元素の供給の仕方によって偏析が生じる状態を示す説明図である。
【図３】本発明において用いる直流プラズマの振動手段の具体例を示す正面図と側面図である。
【図４】図３のプラズマの振動が生じる原理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００１６】
１    金属材料                        ２    プラズマトーチ
３    プラズマ照射部                  ４    溶融部
５    材料移動                        ６    トーチ幅を含む対称線
７    間歇的な溶質元素添加位置        ８    スプレーによる溶質元素添加位置
９    振動中のプラズマアーク        １０    交流磁場によるアーク振動
１１    溶融プール内の流れ            １２    電流
１３    電子流                        １４    交流磁場
１５    電磁力                        １６    プラズマ振動用コイル
１７    直流電源                      １８    交流電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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