(57)【要約】【課題】本発明は、土木、建築、化学工業など耐食性が要求される分野に用いられる溶射被覆鋼板を大量に製造する方法及び設備列を提供する。【解決手段】高周波誘導加熱装置により鋼板表面を５７０Ｋ以上、１１３０K以下に加熱後、溶射装置により、溶射材料を鉄基またはニッケル基の耐食合金とし、溶射被膜を形成し、その後、前記高周波誘導加熱装置により、鋼板表面部分を溶射金属の融点の０．５倍以上、１１３０Ｋ以下に加熱する。熱処理用冷却装置の下流側の搬送ライン上に、搬送方向に沿って順次配置した熱間矯正機、高周波誘導加熱装置、および溶射装置と、前記熱間矯正機、前記高周波誘導加熱装置および前記溶射装置間で鋼板の搬送方向を順逆可能とする搬送機構を備えたことを特徴とする鋼板の製造設備列。【選択図】図１
2006233311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波誘導加熱装置により鋼板表面を５７０Ｋ以上、１１３０K以下に加熱後、溶射装置により溶射被膜を形成し、その後、前記高周波誘導加熱装置により、鋼板表面部分を溶射金属の融点の０．５倍以上、１１３０Ｋ以下に加熱することを特徴とする耐食性に優れた溶射被覆鋼板の製造方法。
【請求項２】
溶射材料が鉄基またはニッケル基の耐食合金であることを特徴とする請求項１に記載の溶射被覆鋼板の製造方法。
【請求項３】
熱処理用冷却装置の下流側の搬送ライン上に、搬送方向に沿って順次配置した熱間矯正機、高周波誘導加熱装置、および溶射装置と、前記熱間矯正機、前記高周波誘導加熱装置および前記溶射装置間で鋼板の搬送方向を順逆可能とする搬送機構を備えたことを特徴とする鋼板の製造設備列。
【請求項４】
溶射装置が、高速フレーム溶射装置であることを特徴とする請求項３記載の鋼板の製造設備列。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土木、建築、造船、建産機、エネルギー関連機器、化学工業など耐食性が要求される分野に用いられる大面積の溶射被覆鋼板を大量に製造する方法及び設備列に関する。  
【背景技術】
【０００２】
金属溶射技術は、構造物の表層部分に耐食性や耐摩耗性を付与する技術として一般的に広く用いられている。しかし、溶射により形成された皮膜は、そのままでは気孔を有するため、長期間の使用においては、その気孔を通じての腐食因子の浸透により、耐食性が十分に発揮されない場合がある。
【０００３】
また、皮膜と基材鋼板の密着性については、完全な拡散接合が達成されているわけではなく、加工や長期間の使用中に剥離を生じる場合がある。また、皮膜が何らかの原因で損傷し、接合界面が腐食環境にさらされた場合、接合が不完全であると界面に沿って腐食が進行する場合がある。
【０００４】
このような問題に対して、従来からいろいろな対策が提案されている。古典的にはフュージングと呼ばれる技術があり、１０００℃程度の炉中で素材ごと加熱し、皮膜および界面を溶融することにより、皮膜の緻密性と接合強度を高める技術がある。
【０００５】
しかし、この技術は、皮膜材料が融点の低い自溶性合金に限られること、素材が熱影響を受けること、さらに生産性が低い等の課題があった。
【０００６】
これらの課題を解決するために、例えば、特許文献１には、ＡｌとＺｎの低融点金属溶射において、基板を予め７０〜３５０℃に加熱し、密着性を高め、同時に大量生産を可能とする技術が開示されている。
【０００７】
特許文献２には、基板と皮膜の界面のみを高周波誘導電流により加熱し、同時に加熱部分の皮膜を加圧体により加圧する方法により、皮膜の緻密性と密着性を向上させる技術が開示されている。特許文献３には電子ビームにより溶射皮膜を再溶融し、緻密性と密着性を高める技術が開示されている。
【０００８】
また、高周波誘導加熱により溶射後の鋼板を加熱して、溶射被膜の緻密性と密着性を高める技術が種々提案されている。
【０００９】
特許文献４には、高周波誘導加熱により、溶射後の鋼板の最表面だけを１２５０℃〜１５５０℃に加熱し、耐食性金属を拡散させ耐食性を高める技術が開示されている。
特許文献５には、高周波誘導加熱により、金属母材と溶射皮膜との境界層に拡散層を形成する温度で熱処理し、溶射皮膜の密着強度を高める技術が開示されている。
【００１０】
特許文献６には、高周波誘導加熱と溶射を連動させることにより、表面が溶融状態の金属母材に溶射を行い、密着性の高い皮膜を形成する技術が開示されている。
【特許文献１】特開昭５０−９６４３５号公報
【特許文献２】特開昭６１−１３６６６６号公報
【特許文献３】特開平９−３１６６２４号公報
【特許文献４】特開昭５３−５０３７号公報
【特許文献５】特開平３−２７７７６４号公報
【特許文献６】特開２００４−９９９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１記載の技術は皮膜材料として低融点金属に関するもので、高耐食性のステンレス鋼やＮｉ合金のような比較的高融点の被膜材料に対して適用することは困難である。
【００１２】
特許文献２記載の技術は、完成した構造体に対する後処理としての技術であり、装置自体の大型化が難しいことと、十分な特性を得るためには比較的長時間の加圧処理が必要と考えられることから、生産性を高めることは容易でない。特許文献３記載の技術も、電子ビームによる加熱のため、局所的な加熱となり、大量生産に適した技術とは言い難い。
【００１３】
また、特許文献４〜６記載の高周波誘導加熱装置による加熱は、加熱面積が大きい鋼板を大量に製造する場合、その適用が困難と考えられる。
【００１４】
特許文献４記載の技術は、高周波誘導加熱を用いて鋼板表面のみを高温に加熱することにより短時間で耐食性金属の拡散を達成する技術であるが、鋼板表面のみであっても１２５０〜１５５０℃の高温に加熱するためには多大の電力が必要で、例えば幅４ｍ長さ４０ｍの厚鋼板等の大量生産に適用することは困難である。
【００１５】
特許文献５記載の技術は、高周波誘導加熱により金属母材と溶射皮膜の拡散を促進する技術であり、その加熱温度は７００℃程度であり、電力供給能力的には厚鋼板にも適用可能な水準であるが、十分な拡散を得るためには熱処理時間が数十分から数時間を要してしまい、数分に１枚程度の厚板圧延を考慮すると、生産能力という観点からは不十分である。
特許文献６記載の技術は、高周波誘導加熱により鋼板表面を溶融状態としたところに溶射を行い皮膜の密着性を高めるもので、金属板成形金型等の小型部材への適用には向いていると考えられるが、厚板等の大型製品へ適用するにあたっては、やはり投入電力が非現実的に膨大であることや溶融した母材金属が飛散する等のエンジニアリング的な問題がある。
【００１６】
また、溶射を行うための前提条件として、一般に、基材鋼板表面に酸化スケールがある場合にはそれを予め除去することが必要であり、溶射工程の前にショットブラスト等のデスケーリングの工程が必須である。
【００１７】
この工程は生産性を阻害するため、何らかの方法により簡略化、望ましくは省略することが切望されているが、今のところ有効な技術は開示されていない。
【００１８】
本発明は、被溶射面積が大きく、且つ溶射皮膜の緻密性と密着性を高め、耐食性に優れる溶射被覆鋼板を高い生産性で製造する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者らは、前記課題を解決するため、皮膜の緻密性と密着性を向上させる、原子の拡散現象と熱履歴の関係に着目し、溶射前後の温度を適正に制御した場合、比較的低温でかつ短時間の熱処理で十分な効果が得られることを知見した。
【００２０】
また、高温プロセスで問題になる鋼板表面や皮膜表面の酸化現象についても、熱履歴を適正に制御すれば解決できることを見出した。さらに、その熱履歴が、厚板製造ラインにおける各工程を適正に配置すれば実現可能で、一貫したプロセスにより生産性を高められること、さらには熱エネルギーを有効に活用できることを見出した。
【００２１】
本発明は得られた知見を基に、更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１高周波誘導加熱装置により鋼板表面を５７０Ｋ以上、１１３０K以下に加熱後、溶射装置により溶射被膜を形成し、その後、前記高周波誘導加熱装置により、鋼板表面部分を溶射金属の融点の０．５倍以上、１１３０Ｋ以下に加熱することを特徴とする耐食性に優れた溶射被覆鋼板の製造方法。
２溶射材料が鉄基またはニッケル基の耐食合金であることを特徴とする１に記載の溶射被覆鋼板の製造方法。
３熱処理用冷却装置の下流側の搬送ライン上に、搬送方向に沿って順次配置した熱間矯正機、高周波誘導加熱装置、および溶射装置と、前記熱間矯正機、前記高周波誘導加熱装置および前記溶射装置間で鋼板の搬送方向を順逆可能とする搬送機構を備えたことを特徴とする鋼板の製造設備列。
４溶射装置が、高速フレーム溶射装置であることを特徴とする３記載の鋼板の製造設備列。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、連続プロセスにより、高耐食性を得るための皮膜の緻密化と密着化が達成でき、従来の方法に比べて、格段に生産性を高めることができ、大面積で、高性能の製品を安価にかつ大量に生産でき、産業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、基材鋼板に、緻密で密着性に優れる溶射被膜を形成し、その溶射工程を、厚板などの鋼板製造ラインを利用して、連続プロセスとして実現することを特徴とする。
【００２４】
［溶射条件］
高周波誘導加熱装置により鋼板を５７０Ｋ以上、１１３０K以下に加熱後、溶射装置により溶射被膜を形成する。
溶射前の基材鋼板の温度を５７０Ｋ以上とすることにより、溶射時の溶射金属の密着性が良くなることと、溶射後の皮膜内の原子拡散現象が活発になることにより、引き続く高周波誘導加熱による熱処理で、皮膜内の空隙や基材鋼板との接合界面の空隙が短時間で消滅するようになる。ここで、基材鋼板とは、溶射前の鋼板又は溶射後の溶射被覆鋼板の下地鋼板を示す。また、温度を倍数表現している場合は絶対温度（Ｋ）を基準としている。
また、加熱方法として高周波誘導加熱を用いることにより、基材鋼板の表面のみ加熱され鋼板内部との温度差に起因する板厚方向応力のため、基材鋼板の表面酸化スケールが後の溶射工程で剥離し易くなる。
一方、１１３０Ｋを超えると、溶射前の鋼板表面の酸化スケール厚みが急激に大きくなり、溶射工程における溶射材料の衝突だけでは酸化皮膜を除去することが難しくなる。しかし、酸化スケールの厚みが１１３０Ｋで形成されるときの厚みを超えなければ、溶射時の溶射材料の衝突エネルギーにより、酸化スケールは破壊、飛散してしまい、基材鋼板と溶射金属の直接の接触が達成される。
このため、溶射前の基材鋼板の温度を５７０Ｋ以上１１３０Ｋ以下とし、かつ加熱方法として高周波誘導加熱を用いることが必要である。
【００２５】
溶射皮膜の厚さとして、１０μｍ以上とすることにより、安定した耐食性を発揮できるようになる。一方、５００μｍを超えて皮膜を形成しようとすると、溶射に長時間を要するようになり、生産性を損ねるようになる。このため、皮膜厚さは１０〜５００μｍとすることが好ましい。
なお、特に優れて安定した耐食性と、高い生産性を両立するためには、皮膜厚さを２０〜２００μｍとすることがより好ましい。
【００２６】
溶射装置により溶射被膜を形成後、前記高周波誘導加熱装置により、表面部分を溶射金属の融点の０．５倍以上、１１３０Ｋ以下に加熱する。溶射後の高周波誘導加熱は、鋼板の表面部分を溶射金属の融点の０．５倍以上に加熱すると、皮膜内の拡散現象を著しく高めることができ好ましい。
【００２７】
一方、１１３０Ｋを超えて加熱すると、溶射皮膜表面において酸化スケールの成長が顕著になり、この酸化スケールに起因する溶射皮膜のすき間腐食が発生し易くなるため、溶射金属の融点の０．５倍以上１１３０Ｋ以下とすることが好ましい。
【００２８】
尚、好ましくは基材鋼板の融点の０．５倍以上である８７０Ｋ以上に数秒以上保持することが好ましい。また、基材鋼板の平均温度の上限を、材質変化を抑制する観点から、１０００K以下とすることが好ましい。
【００２９】
尚、本プロセスは、溶射時の基板鋼板の温度が５７０Ｋ以上のときにこのプロセスが有効であり、もし溶射時の温度が十分でない場合には、従来のフュージングと同じになり、さらに高い温度で長時間の熱処理が必要となるため生産性を著しく阻害する。温度の保持については時間を長くしても効果が飽和するため、数分以内で十分である。
【００３０】
溶射材料としては、鉄基またはニッケル基の耐食合金が好ましい。鉄基またはニッケル基合金は、基材鋼板との間で脆性相を作ったり、液相を生成したりして接合性を阻害することが少ない。また、鉄基合金やニッケル基合金は、溶射時に適度の硬さを有していることから、基材鋼板表面にある酸化スケールを溶射時の衝突の際に破壊、飛散させることができるため、基材鋼板との密着性を確保することが比較的容易である。
【００３１】
上述した溶射方法を用いて、溶射被覆を形成した厚鋼板の製造に、好適な製造設備列について説明する。
【００３２】
［製造設備列］
図１は、本発明に係る溶射被覆鋼板の製造設備列の一実施例を模式的に示し、図において、１は圧延用加熱炉、２は熱間圧延機、３は熱処理用冷却装置である加速冷却装置、４は熱間矯正機、５は高周波誘導加熱装置、６は溶射装置を示す。
【００３３】
図示した製造設備列では、鋼板の熱間圧延機２の下流側に、熱間矯正機４、高周波誘導加熱装置５、溶射装置６を順次、配置し、鋼板の搬送機構は、熱間矯正機４、高周波誘導加熱装置５、溶射装置６間で鋼板の搬送が順逆送可能に構成する。
【００３４】
なお、順送とは製造ライン上を通板方向に対し圧延用加熱炉１から熱間圧延機２側に搬送することを意味し、逆送とは順送とは逆向きに搬送することを意味する。また、上流側とは製造ライン上の各設備の位置関係を示し、通板方向の順送に対し手前側を意味し、下流側とは後ろ側を意味する。
【００３５】
基材鋼板（図示しない）は、圧延用加熱炉１で所定の温度に加熱された後、熱間圧延機２により所望の板厚に熱間圧延され、必要に応じて加速冷却装置３により冷却された後、高周波誘導加熱装置５内に搬入できるように熱間矯正機４により、鋼板の反りや歪が除去される。なお、基材鋼板の特性によって加速冷却装置の使用の有無は選択可能である。
【００３６】
その後、高周波誘導加熱装置５により予熱した後、溶射装置６により溶射被膜を形成する。高周波誘導加熱を用いることにより、基材鋼板の表面のみ加熱され鋼板内部との温度差に起因する板厚方向応力のため、溶射工程における基材鋼板の表面酸化スケールの剥離が容易となる。
【００３７】
鋼板の搬送機構が、高周波誘導加熱装置５、溶射装置６の間で鋼板が逆送可能に構成されているので、溶射皮膜の温度が高い溶射直後で、拡散が活発である状態において、高周波誘導加熱装置５により溶射被膜を後熱し、皮膜の緻密性と密着性を向上させることが可能となる。
【００３８】
また、熱間矯正機４の搬送機構も逆送可能に構成されているので、溶射皮膜の温度が高い溶射直後で、変形抵抗が低く拡散が活発である状態において熱間矯正機４により溶射皮膜に圧縮応力を加え、溶射時に皮膜内や接合界面にできる空隙を機械的に潰すことにより、皮膜の緻密性と密着性を向上させることが可能となる。
【００３９】
熱間矯正機４による曲げ、圧縮応力の付加は高周波誘導加熱装置５による加熱の前または後に行う。高周波誘導加熱装置５により加熱後、熱間矯正機４により曲げ、圧縮応力を付加する場合は、溶射後の鋼板を、高周波誘導加熱装置５へ逆送して加熱した後、熱間矯正機４へ逆送して曲げ、圧縮応力を付加する。
【００４０】
熱間矯正機４により曲げ、圧縮応力の付加後、高周波誘導加熱装置５により加熱する場合は、溶射後の鋼板を、高周波誘導加熱装置５へ逆送して加熱することなく通過させ、熱間矯正機４により曲げ、圧縮応力の付加後、高周波誘導加熱装置５に順送して加熱する。
【００４１】
いずれの搬送方法でも、高周波誘導加熱装置５と熱間矯正機４による曲げ、圧縮応力の付加を複数回に分けて行い、加熱と曲げ、圧縮応力の付与を交互に行うことが好ましい。
【００４２】
上述した製造設備列は、溶射装置６を除くと、厚板製造ラインとして、幅４０００ｍｍ、長さ４０ｍの大面積の鋼板を製造することも可能で、焼入れ後、高周波誘導加熱装置５による焼戻し処理を行う、インライン焼戻し設備としても使用可能である。
【００４３】
焼戻し処理後において、溶射被膜の形成を行うと、靭性に優れた焼入れ焼戻し鋼板を高生産性を損なわず、製造することが可能となるなど、多様な基材鋼板特性の溶射被覆鋼板を製造可能である。
【００４４】
溶射方法としては、プラズマ溶射、アーク溶射、フレーム溶射等いずれの方法でも可能であるが、より緻密な皮膜を、厚板製造ラインの他工程に同期して高速で形成することが可能な高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ：High Velocity Oxyfuel Thermal Spraying）が適している。
【００４５】
また、生産性向上のためには、溶射ガンをライン上に複数台配置し、鋼板の幅方向、すなわちラインと直角方向に走査する方法が考えられる。なお、基本的には鋼板の上面からの溶射となる。
【実施例】
【００４６】
本発明の実施例として実験を行った結果について述べる。実験条件を表１に示す。スラブから実験室サイズの小型の鋼塊を準備し、１４３０Ｋに加熱後、所定の規格の機械的性質が得られるように圧延を行い、必要に応じて圧延後に加速冷却を行って、板厚１６ｍｍの鋼板を得た。
【００４７】
その後、鋼板表面温度が表１に示す溶射前鋼板温度になるように、高周波誘導加熱により加熱を行った。所定の温度に到達後、酸化スケールが付いたまま、デスケーリング無で、上面から溶射を行った。なお、温度は鋼板表面温度を放射温度計により測定したものである。
【００４８】
溶射終了後、再び高周波誘導加熱用のコイルの中に鋼板を導き、表面温度を放射温度計で測定しながら、所定の温度になるまでコイルの中に鋼板を出し入れしながら加熱を行った。圧縮と曲げ応力を加えるものは、加熱前後に熱間矯正機により応力を付加した。なお、鋼板平均温度は、シミュレーション計算により得られた値である。
【００４９】
特性評価方法としては、まず、２４時間連続の塩水噴霧試験により耐食性の評価を行った。試験片表面にはクロスカットを施し、接合界面での皮膜の密着性も同時に評価できるようにした。
【００５０】
表２に結果を示す。表２中の○印は、接合界面に沿った腐食に起因する皮膜のふくれや、皮膜表面の発錆等が無かったことを表す。
【００５１】
皮膜の密着性、健全性の評価として、曲げ試験を行った。曲げ試験は、皮膜を外側にして、曲げ半径として板厚の２倍、すなわち曲げ半径４０ｍｍの１８０°ローラー曲げ試験を行った。
【００５２】
また、鋼板の機械的性質に及ぼす加熱の影響を評価するために、溶射被覆した鋼板の引張試験を行い、比較材として加熱を行わなかった場合を想定して準備した鋼板の引張強度の比較を行った。表２には比較材に対する強度の変化を記した。
【００５３】
本発明例であるNo.1からNo.8は、いずれも溶射皮膜の性能に優れ、基材鋼板の強度にも変化は見られなかった。
【００５４】
一方、比較条件のNo.9とNo.12においては、溶射時の鋼板温度が低かったため、溶射後に溶射金属の融点の０．５倍以上の温度まで加熱したが、溶射皮膜の耐食性が劣っていた。
【００５５】
また、基材鋼板と皮膜の間に酸化スケールが多く残存していたため、曲げ試験で皮膜の剥離が発生した。No.10は、溶射材料がＡｌであったため、溶射時の鋼板温度は十分高かったものの、酸化スケールを破壊、飛散させることができず、残存した酸化スケールのため、皮膜の密着性に劣り、塩水噴霧試験での皮膜のふくれや曲げ試験での剥離が起こる結果となった。
【００５６】
No.11は、溶射時の鋼板温度が高すぎたため、酸化スケールが厚く成長し、溶射時に多くが残存し、皮膜の密着性に劣る結果となった。No.13は、溶射時の鋼板温度は十分高かったものの、溶射後の加熱温度が低かったため、溶射皮膜の性能が劣っていた。
【００５７】
No.14は、溶射後の加熱温度が高すぎたため、溶射材料の表面に酸化スケールが厚く生成してしまい、耐食性が劣化し、また、鋼板の平均温度も高かったため、基材鋼板の強度が著しく低下した。
【００５８】
【表１】
2006233311.tif 000003
【００５９】
【表２】
2006233311.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施例を示す図。
【符号の説明】
【００６１】
１  圧延用加熱炉
２  熱間圧延機
３  加速冷却装置
４  熱間矯正機
５  高周波誘導加熱装置
６  溶射装置 
【図１】
2006233311.tif 000005