(57)【要約】【課題】熱間圧延後または冷間圧延後の鋼材を炭化物の球状化を効果的に行うと共に効率的な熱処理ができる鋼材の熱処理方法及び装置、鋼材の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る鋼材の熱処理方法は、鋼材を熱処理することによって軟質化する鋼材の熱処理方法であって、加熱装置と冷却装置で一組とした加熱・冷却装置５を、２組以上熱処理ラインに配置して、昇温工程と冷却工程を繰り返す熱処理工程を有し、該熱処理工程は、昇温後、鋼材の温度がAc1点以上である時間を０．１秒〜６０秒の範囲になるようにしたことを特徴とするものである【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材を熱処理することによって軟質化する鋼材の熱処理方法であって、
加熱装置と冷却装置で一組とした加熱・冷却装置を、２組以上熱処理ラインに配置して、昇温工程と冷却工程を繰り返す熱処理工程を有し、
該熱処理工程は、昇温後、前記鋼材の温度がAc1点以上である時間を０．１秒〜６０秒の範囲になるようにしたことを特徴とする鋼材の熱処理方法。
【請求項２】
前記鋼材は、炭素を０.４質量％以上含む高炭素鋼であることを特徴とする請求項１記載の鋼材の熱処理方法。
【請求項３】
前記冷却工程を窒素ガスによる冷却で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼材の熱処理方法。
【請求項４】
前記昇温工程を窒素雰囲気で行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の鋼材の熱処理方法。
【請求項５】
対象とする鋼材は帯鋼であり、ライン入側及び出側に巻取り・巻戻し装置を備え付けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の鋼材の熱処理方法。
【請求項６】
前記熱処理ラインに前記帯鋼の座屈を防止する座屈防止ロールを、ロールピッチＬが下式を満たすように配設されていることを特徴とする請求項５記載の鋼材の熱処理方法。
【数１】
2018090902.tif 000010
【請求項７】
スラブを加熱して所定の板厚に熱間圧延する熱間圧延工程の後、又は該熱間圧延工程後に冷間圧延を行った後に、請求項１乃至６のいずれかに記載の鋼材の熱処理方法による熱処理工程を行うことを特徴とする鋼材の製造方法。
【請求項８】
鋼材を熱処理することによって軟質化するための鋼材の熱処理装置であって、
熱処理ラインに配置された加熱装置と冷却装置を１組とした加熱・冷却装置を２組以上有し、
これら２組以上の加熱・冷却装置は、昇温後、前記鋼材の温度がAc1点以上である時間を０．１秒〜６０秒の範囲になるように温度制御して昇温と冷却を繰り返すことを特徴とする鋼材の熱処理装置。
【請求項９】
前記加熱装置は、前記鋼材を５０℃／秒以上３００℃／秒以下の昇温速度で、Ac1点以上Ac1点＋２００℃以下の温度まで加熱するものであることを特徴とする請求項８記載の鋼材の熱処理装置。
【請求項１０】
前記加熱装置は、窒素雰囲気で加熱を行うことを特徴とする請求項８又は９に記載の鋼材の熱処理装置。
【請求項１１】
前記冷却装置は、窒素ガスによる冷却で行うことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の鋼材の熱処理装置。
【請求項１２】
対象とする鋼材が炭素を０.４質量％以上含む高炭素鋼の帯鋼であり、ライン入側及び出側に巻取り・巻戻し装置を備え付けたことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の鋼材の熱処理装置。
【請求項１３】
前記熱処理ラインに前記帯鋼の座屈を防止する座屈防止ロールを、ロールピッチＬが下式を満たすように配設されていることを特徴とする請求項１２記載の鋼材の熱処理装置。
【数２】
2018090902.tif 000011
【請求項１４】
スラブを加熱して所定の板厚に熱間圧延する熱間圧延工程の後、又は熱間圧延工程後に冷間圧延を行った後に、請求項８乃至１３のいずれかに記載の鋼材の熱処理装置によって熱処理工程を行うことを特徴とする鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間圧延後、または冷間圧延後の鋼材の熱処理方法及び装置、該熱処理方法及び装置を用いた鋼材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材の軟質化処理では通常焼鈍処理を行い、特に、熱間圧延後の鋼板はその後バッチ焼鈍を実施する。
特に、炭素が０．４質量％以上含む高炭材では熱間圧延後層状のパーライト組織をなすが、層状のパーライトは硬質であるため、その後の加工をする際に、硬すぎて、加工が困難となる。そこで、焼鈍処理を行うことにより、層状のパーライトを球状のパーライトにすることで、軟質化が図れる。
【０００３】
しかし、従来のバッチ焼鈍では熱間圧延で巻き取ったコイルを炉の中に入れてA1点直下まで加熱を行うが、コイル内では温度分布が発生して温度が上がりづらい部分があり、コイル全体がA1点直下まで温度上昇するまでに約２０時間かかるため、リードタイムが長くかかっていた。
このような問題に対して、特許文献１では、スケッテルミルの前後に加熱装置及び冷却装置を配置し、Ac3点以上に加熱したのちAr1点以下に冷却する方法が提案されている。
また、特許文献２では線材に対して、直接通電加熱によってAe1点以上に５０℃／秒以上の昇温速度で加熱し、球状化を促進させる方法が提案されている。
さらに、特許文献３ではAe1点前後で所定の温度、時間、冷却速度で加熱冷却を繰り返すことによって球状化を促進させる方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３２０４０２号公報
【特許文献２】特開平８−８１７１３号公報
【特許文献３】特開平８−２４６０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
層状のパーライトを球状のパーライトにする従来の理論は、Ac1点以上に加熱したのちオーステナイト組織へ逆変態が一部起こり、生成した炭化物が一部固溶し、再びAc1点以下に冷却したときに固溶した炭素が層を厚くするように析出するため、加熱冷却（すなわち、固溶と析出）を繰り返すことによって球状化が進展するとされていた。特許文献１、２、３についても、基本的はこの従来理論に基づいて熱処理を行っていた。
【０００６】
しかし、実際には、オーステナイト組織へ逆変態した場合、炭素がオーステナイト内に溶解してしまうため、球状化は起こらず、オーステナイト組織を冷却すると層状のパーライトとなってしまう。すなわち、熱間圧延後の組織がパーライト、ベイナイト、マルテンサイトのいずれの組織であっても、可能な限り高温にすることでセメンタイトの球状化が起こるが、オーステナイトに逆変態してしまうと、球状化が出来なくなるのである。
このように、従来の理論に基づく熱処理では効果的な球状化を行うことができないという問題があった。
【０００７】
また、特許文献１、２、３に開示された技術には、製造技術上においても下記のような問題点を有していた。
まず、特許文献１に開示されているスケッテルミルの前後に加熱装置及び冷却装置を配置し、複数回リバースさせ加熱冷却することが提案されているが、回数を増加させると、増加させた分、リードタイムが増加するため、生産性の低下が問題となる。
【０００８】
また、特許文献２、３に開示されている直接通電過熱によってAe1点以上に５０℃／秒以上の昇温速度で加熱し、球状化を促進させる方法に関しては、線材は形状が丸であるため、直接通電加熱を行いやすいが、熱間圧延後の帯鋼板では、幅が1000mmを越える場合もあり、このような幅の広い鋼材で直接通電加熱を行うと、電流の流れが安定せず、全幅に均一に加熱することが難しいという問題点があった。
【０００９】
また、特許文献３に開示されている技術では対象を鋼材としているものの、線材に対する形態を示しており、板材で同技術を使用した場合には加熱冷却による熱歪によって、Ｃ反りが発生するという問題がある。すなわち、強制風冷によって冷却する場合、噴射距離が幅方向で変化して冷却ムラが発生するり、水冷による場合には板材に水乗りが発生し、冷却ムラが発生する。そして、反りが発生した場合、加熱装置および冷却装置に板材が接触して板材に疵が発生し、また装置破損にもつながるという問題点があった。
【００１０】
本発明は上述した問題を解決するためになされたものであって、熱間圧延後または冷間圧延後の鋼材の炭化球状化を効果的に行うと共に効率的な熱処理ができる鋼材の熱処理方法及び装置、鋼材の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述したように、可能な限り高温にすることでセメンタイトの球状化が起こるが、一方でオーステナイトに逆変態してしまうと、球状化が出来なくなってしまう。
したがって、球状のパーライトにするには、オーステナイト組織への逆変態を抑制しつつ、かつ、高温にすることが重要である。
そこで、発明者らはAc1点以上に昇温後オーステナイト組織へ逆変態するまで１秒〜６０秒程度、潜伏期と呼ばれる逆変態するまでの時間（炭化物が固溶する前の時間）があることに着目し、この潜伏期の状態においては、炭素の拡散のみで球状化が進展することを見いだした。
【００１２】
拡散速度は高温であればあるほど速く、炭素の拡散によって炭化物の表面積を最小化する方向、すなわち、球へと近づくため、球状化が起こるのである。そのため、高温であるほど球状化が起こりやすい。
パーライトはセメンタイト（炭化物）が層状となっているが、炭素の拡散によって界面エネルギーを最小化するために、球状化する。また、ベイナイト及びマルテンサイト組織では、常温より加熱することでセメンタイトが析出し、球状での析出または、扁平した球状での析出が起こり、炭化物は球状に近い形となる。
【００１３】
以上から、鋼材を昇温後、Ac1点以上に温度制御するAc1点以上の時間としては、０．１〜６０秒が好ましいことを突き止め、かつこのような温度制御を行うには、加熱装置と冷却装置で一組とした加熱・冷却装置を、２組以上熱処理ラインに配置することが効果的であることを見いだした。
本発明はかかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。
【００１４】
（１）本発明に係る鋼材の熱処理方法は、鋼材を熱処理することによって軟質化する鋼材の熱処理方法であって、
加熱装置と冷却装置で一組とした加熱・冷却装置を、２組以上熱処理ラインに配置して、昇温工程と冷却工程を繰り返す熱処理工程を有し、
該熱処理工程は、昇温後、前記鋼材の温度がAc1点以上である時間を０．１秒〜６０秒の範囲になるようにしたことを特徴とするものである。
【００１５】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記鋼材は、炭素を０.４質量％以上含む高炭素鋼であることを特徴とするものである。
【００１６】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記冷却工程を窒素ガスによる冷却で行うことを特徴とするものである。
【００１７】
（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記昇温工程を窒素雰囲気で行うことを特徴とするものである。
【００１８】
（５）また、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、対象とする鋼材は帯鋼であり、ライン入側及び出側に巻取り・巻戻し装置を備え付けたことを特徴とするものである。
【００１９】
（６）また、上記（５）に記載のものにおいて、前記熱処理ラインに前記帯鋼の座屈を防止する座屈防止ロールを、ロールピッチＬが下式を満たすように配設されていることを特徴とするものである。
【数１】
2018090902.tif 000003
【００２０】
（７）本発明に係る鋼材の製造方法は、スラブを加熱して所定の板厚に熱間圧延する熱間圧延工程の後、又は該熱間圧延工程後に冷間圧延を行った後に、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の鋼材の熱処理方法による熱処理工程を行うことを特徴とするものである。
【００２１】
（８）本発明に係る鋼材の熱処理装置は、鋼材を熱処理することによって軟質化するための鋼材の熱処理装置であって、
熱処理ラインに配置された加熱装置と冷却装置を１組とした加熱・冷却装置を２組以上有し、
これら２組以上の加熱・冷却装置は、昇温後、前記鋼材の温度がAc1点以上である時間を０．１秒〜６０秒の範囲になるように温度制御して昇温と冷却を繰り返すことを特徴とするものである。
【００２２】
（９）また、上記（８）に記載のものにおいて、前記加熱装置は、前記鋼材を５０℃／秒以上３００℃／秒以下の昇温速度で、Ac1点以上Ac1点＋２００℃以下の温度まで加熱するものであることを特徴とするものである。
【００２３】
（１０）また、上記（８）又は（９）に記載のものにおいて、前記加熱装置は、窒素雰囲気で加熱を行うことを特徴とするものである。
【００２４】
（１１）また、上記（８）乃至（１０）のいずれかに記載のものにおいて、前記冷却装置は、窒素ガスによる冷却で行うことを特徴とするものである。
【００２５】
（１２）また、上記（８）乃至（１１）のいずれかに記載のものにおいて、対象とする鋼材が炭素を０.４質量％以上含む高炭素鋼の帯鋼であり、ライン入側及び出側に巻取り・巻戻し装置を備え付けたことを特徴とするものである。
【００２６】
（１３）また、上記（１２）に記載のものにおいて、前記熱処理ラインに前記帯鋼の座屈を防止する座屈防止ロールを、ロールピッチＬが下式を満たすように配設されていることを特徴とするものである。
【数２】
2018090902.tif 000004
【００２７】
（１４）本発明に係る鋼材の製造方法は、スラブを加熱して所定の板厚に熱間圧延する熱間圧延工程の後、又は熱間圧延工程後に冷間圧延を行った後に、上記（８）乃至（１３）のいずれかに記載の鋼材の熱処理装置によって熱処理工程を行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、交互に配置された加熱装置と冷却装置を一組とする加熱・冷却装置を２組以上熱処理ラインに配置して、Ac1点以上の時間が０．１〜６０秒となるように鋼材の熱処理をするようにしたので、オーステナイト組織への逆変態を抑制して球状のパーライトに効果的に行うことができ、かつ一方向へ搬送で加熱と冷却を繰り返すことができるので、リードタイムを短くして生産性を高めつつ、安定的な製造を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る熱処理装置の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る熱処理装置の他の態様の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る熱処理装置の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る熱処理装置の他の態様の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
［実施の形態１］
まず、本実施の形態に係る鋼材の熱処理装置について図１に基づいて説明する。
本発明が対象とする鋼材の種類としては帯鋼、形鋼、棒鋼があるが、以下においては、帯鋼を例に挙げて説明する。
鋼材の熱処理装置１（以下、単に「熱処理装置１」という）は、熱間圧延後の鋼材の熱処理、冷間圧延後の鋼材の熱処理、冷間圧延を要しない鋼材の熱処理のいずれか１つ以上のプロセスで用いられるものであり、巻取り、巻戻しが可能なコイラー３と、交互に配置された加熱装置と冷却装置を一組とする加熱・冷却装置５を２組以上有している。
そして、２組以上の加熱・冷却装置５は昇温後、Ac1点以上に温度制御するAc1点以上の時間が０．１〜６０秒となるように鋼材の加熱と冷却を繰り返す。
以下、各装置について詳細に説明する。
【００３１】
加熱装置と冷却装置の距離は１０ｍ以内であることが好ましく、隣接させることがさらに好ましい。１０ｍ以上離れている場合、加熱後は自然放冷されるため、十分な冷却速度を得ることが出来ず、Ac1点以上に保持される時間が長時間化して逆変態を起こしてしまい、材料の軟化に必要な炭化物の球状化が出来ない。
また、後に記すように、加熱装置内で雰囲気制御をする場合、冷却装置の冷却媒体を用いて雰囲気制御するようにすれば加熱装置で個別の雰囲気制御装置を設置する必要がなくなるため、より好ましい。すなわち、加熱装置と冷却装置を隣接して設置し、冷却装置で酸素濃度の低い例えば窒素などの冷却媒体で冷却を行い、冷却に供した冷却媒体を隣接させた加熱装置へ送ることによって、加熱装置内の雰囲気を加熱装置で個別の雰囲気制御装置を設置することなく制御可能となる。
なお、Ac1点は成分によって決定され、以下の式で計算する。
Ac1＝750.8-26.6C+17.6Si-11.6Mn-22.9Cu-23Ni+24.1Cr+22.5Mo-39.7V-5.7Ti
+232.4Nb-269.4Al-894.7B
ここで、C,Si,Mn,Cu,Ni,Cr,Mo,V,Ti,Nb,Al,Bは、それぞれその元素の鋼中の質量％の数値。
【００３２】
加熱装置は鋼材を５０℃／秒以上３００℃／秒以下の昇温速度でAc1点以上Ac1点＋２００℃以下を可能とする装置が好ましい。昇温速度が５０℃／秒未満であると、昇温時に逆変態が発生するため、好ましくない。昇温速度が３００℃／秒を超えると非常に大型の加熱装置が必要となるため、好ましくない。加熱後の温度がAc1点未満であると、炭素の拡散速度またはセメンタイトの析出速度が極めて遅いため、好ましくない。Ac1点＋２００℃を超えると逆変態が発生するため、好ましくない。
【００３３】
加熱装置の加熱方法は誘導加熱であることが好ましい。直接通電加熱では熱間圧延後の鋼板のように幅が広い鋼板では電流が幅方向で均一に流れにくいため、幅方向に昇温速度のばらつきがでてしまう。昇温速度にばらつきがでた場合、材料特性のばらつきも大きくなるため、好ましくない。また、電気炉による加熱では加熱能力が低いため、昇温速度の確保が難しい。
【００３４】
上述したように、昇温後、Ac1点以上に温度制御するAc1点以上の時間は０．１〜６０秒とする。０．１秒未満の場合、炭素の拡散時間が少なく、球状化が完了しないため、好ましくない。６０秒を超えると逆変態が発生するため、好ましくない。球状化を十分に行うためには、Ac1点以上の時間は０．３秒以上とすることが好ましい。
このような温度制御は、加熱後の冷却過程が必須となるため、加熱装置に隣接して設置される冷却装置が必要になる。
【００３５】
冷却装置における冷却方法は強制風冷を用いることが好ましい。水を噴射した場合、冷却水が板上に残存し、残存する位置を制御することが出来ないため、長手方向や幅方向の温度制御が出来ず、結果として、長手方向や幅方向に組織差が生まれ、材料物性値のばらつきにつながるため、好ましくない。
【００３６】
強制風冷での冷却停止温度はAc1点未満でAc1点−１００℃以上であることが好ましい。Ac1点以上であると、潜伏期を過ぎ、逆変態を起こす可能性がある。Ac1点−１００℃未満まで冷却を行っても問題はないが、冷却し過ぎると次の昇温のための加熱コストおよび時間がかかる。また、拡散係数は一般的にD0exp(-Q/RT)で表わされる（ここでD0は振動因子数、Qは熱活性化エネルギー、Rは気体定数、Tは絶対温度を表し、いずれも正の数）。この式から分かるとおり、低温になるほど、拡散係数は小さくなる。Ac1点未満Ac1点−１００℃以上であればAc1点以上と比較すると拡散速度は小さいものの、多少の拡散は期待できることから、Ac1点未満でAc1点−１００℃以上の範囲を冷却停止温度とすることが好ましい。
強制風冷設備では複数の冷却媒体を噴射可能なノズル穴が長手方向および幅方向に配置されている。穴の配列は幅方向及び長手方向に平行に配列させてもよいし、傾斜をつけて配列しても良い。
【００３７】
強制風冷の条件は2×103＜Ｒｅ＜4×105、2.5＜ｒ/Ｄ＜7.5、2＜Ｈ/Ｄ＜12とすることが好ましい。但し、ｒはノズル間距離、Ｄはノズル穴径、Ｈはノズルと鋼材の距離である。
Ｒｅ（レイノルズ）数が2×103以下であると冷却能力が極めて低くなり、強制風冷を行ってもAc1点以上の時間制御が困難となる。一方で、Ｒｅ数が4×105以上だと非常に高圧空気が必要となるため、設備導入コスト、ランニングコストが非常に高額となるため、好ましくない。
【００３８】
また、ｒ/Ｄが2.5以下であると、単位面積あたりの風量が多くなる。結果として大量の流量が必要となる。ブロワによって冷却媒体を供給する場合、大型のブロワまたは複数台のブロワが必要となるため、設備導入コスト、ランニングコストが非常に高額となるため、好ましくない。ｒ/Ｄが7.5以上であると、ノズル直下とノズル間での冷却能力差が出るため、例えば、幅方向に温度ムラが発生し、材質のバラつきが大きくなるため好ましくない。
【００３９】
また、Ｈ/Ｄが２以下であると、ノズル直下とノズル間での冷却能力差が出るため、例えば、幅方向に温度ムラが発生し、材質のバラつきが大きくなるため好ましくない。一方で、Ｈ/Ｄが１２以上であると、ノズルから鋼材まで風が移動する間に風速が減衰するため、冷却能力が低下する。冷却速度が出せなくなるため、強制風冷を行ってもAc1点以上の時間制御が困難となる。
【００４０】
特に０．４質量％炭素を超える高炭素鋼ではAc1点以上に大気中で加熱すると炭素の拡散が起こり、表面より０．２ｍｍ位置まで脱炭が起こる。脱炭が起こると耐摩耗特性が低下するため、好ましくない。この脱炭を抑えるため、少なくとも加熱装置内は窒素やアルゴンなどを噴射して、雰囲気制御することが好ましい。
具体的には装置内の酸素濃度を３体積％以下にすることで、脱炭は低減し、特に１体積％未満であると特に効果が大きい。また雰囲気制御する範囲は少なくとも加熱装置内としたが、強制風冷装置の冷却媒体を窒素とし、加熱装置と冷却装置を連結させることにより、雰囲気制御をすることが可能である。
【００４１】
上述したように、本実施の形態では、２組以上の加熱・冷却装置５によって昇温後、Ac1点以上に温度制御するAc1点以上の時間が０．１〜６０秒となるように鋼材の加熱と冷却を繰り返すが、このAc1温度以上の時間制御は、図示しない制御装置によって行われる。
すなわち、加熱温度、昇温速度、入熱量及び冷却量、加熱装置及び冷却装置出側でそれぞれ非接触温度計を用いて測定した値、搬送速度を制御装置（コンピュータ）に入力して、加熱装置、冷却装置、コイラー３をフィードバック制御する。
【００４２】
上記のように構成された熱処理装置１を用いた鋼材の熱処理方法を概説する。図１に記載の図中左方のコイラー３にコイルをセットし、アンコイル後、帯鋼を搬送して加熱装置と冷却装置によって加熱と冷却を繰り返すという熱処理工程を行う。そして、この熱処理工程は、昇温後、鋼材の温度がAc1点以上である時間を０．１秒〜６０秒の範囲になるように温度制御を行う。熱処理を終えた鋼帯は、図１の右方のコイラー３で巻き取る。
【００４３】
このとき、巻取るときの温度は冷却停止温度より１００℃未満の温度低下に抑えることが好ましい。
上述のとおり、Ac1点以下であっても炭素は拡散し、球状化が進行する。しかし、拡散係数はD0exp(-Q/RT)で示されるように、温度低下が過度に進むと、拡散の進行が極めて遅くなるため、冷却停止温度より１００℃未満の温度低下に抑えることが好ましい。
また、再度熱処理を行う場合には、巻取温度が高温であるほど、次パスの昇温量が低くすむため、加熱に要するエネルギーコストの低減が出来る。
【００４４】
第1段加熱冷却処理開始時の温度はAc1点−200℃以上Ac1点未満であることがより好ましい。ルーパーなど可変速機構がない同一ラインで繰り返し加熱冷却を行う場合、ライン速度はライン内で同一であるため、第1段加熱冷却処理開始時の温度が低く昇温量が多い場合には、これに続く各加熱装置での昇温量の調整が難しい。
そこで、昇温量の差を一致させるために例えば、本発明の装置において、1パス目は冷却を行わずに、加熱のみのパスを設けても良いし、連続して配置された加熱冷却装置の前半では冷却を行わずに、加熱のみを行うように、制御しても良い。
本発明で重要な点はAc1点以上の時間であるため、少なくとも、加熱冷却処理開始時にAc点−200℃以上Ac1点未満に制御する必要がある。Ac1点−200℃より低い場合は加熱冷却処理を行うときの加熱装置毎の昇温量の差が大きくなるため、好ましくない。一方、Ac1点以上になってしまうと、Ac1点以上の時間を制御できなくなるため好ましくない。
【００４５】
本実施の形態によれば、交互に配置された加熱装置と冷却装置を一組とする加熱・冷却装置５を２組以上熱処理ラインに配置して、Ac1点以上の時間が０．１〜６０秒となるように鋼材の熱処理をするようにしたので、高炭素鋼のオーステナイト組織への逆変態を抑制して球状のパーライトに効果的に行うことができ、かつ鋼帯の一方向へ搬送で熱処理が完了するため、リードタイムを短くして生産性を高めることができる。
【００４６】
もっとも、設備機器の配置スペース等の制限から一方向のみ搬送では十分な軟質化ができない場合には、図２に示すように、熱処理ラインの両端に冷却装置が配置されるように冷却装置と加熱装置を交互に配置し、図２（ａ）に示す図中右方向への鋼帯の搬送（往路）した後に、図２（ｂ）に示す図中左方向への鋼帯の搬送（復路）を行うようにしてもよい。このとき、図２（ａ）に示す図中右方向に鋼帯を搬送するときには図中最も左に配置した冷却装置は稼動させずにその右隣の加熱装置による加熱から初めて加熱と冷却を繰り返す。そして、図２（ｂ）に示す図中左方向に鋼帯を搬送するといには、図中最も右に配置した冷却装置は稼動させずにその右隣の加熱装置による加熱から初めて加熱と冷却を繰り返す。
このように、往復の搬送ラインの場合には、両端には必ず冷却装置を配置して、コイラー３に隣接配置された冷却装置については、アンコイルの直後には稼動させないようにする。
【００４７】
鋼材の熱処理方法においても、冷却工程を窒素ガスによる強制風冷で行ったり、昇温工程を窒素雰囲気で行ったりすることが好ましい。
【００４８】
［実施の形態２］
次に、実施の形態１で説明した鋼材の熱処理方法を用いた鋼材の製造方法について実施の形態２として説明する。
本実施の形態に係る鋼材の製造方法は、スラブを加熱して所定の板厚に熱間圧延する熱間圧延工程の後、又は熱間圧延工程後に冷間圧延を行った後に、実施の形態１で説明した鋼材の熱処理装置１によって熱処理工程を行うことを特徴とするものである。
【００４９】
熱処理装置１、及び熱処理工程は上記の通りであるので、以下においては、熱処理工程の前工程である熱間圧延工程について説明する。
製鋼工程で成分調整され、厚み１８０〜３００ｍｍ、幅６００〜２０００ｍｍ程度に鋳造されたスラブは熱延工場の再加熱炉に入れられ、１１００〜１３００℃に加熱される。
加熱されたスラブは続く工程へ搬送するため、テーブル上に抽出される。最終製品幅がスラブ幅より小さい場合は幅圧下プレス装置によって幅端部より最大５００ｍｍ程度圧下される。
【００５０】
続く粗圧延工程では、搬送されてきたスラブにそれぞれに少なくとも一対のロールを具備した幅圧延機と粗圧延機とによって、幅圧延と水平圧延が行われる。幅圧延機は粗圧延機の加熱炉側と仕上圧延機側のいずれか一箇所以上に配置されている。幅圧延及び水平圧延は、下流工程側に向けて前進方向に行われる場合と、上流工程側に向けて更新して行われる場合がある。さらに粗圧延工程では、幅圧延及び水平圧延が前進のみで行われる場合、または前進と後進が少なくとも二回以上繰り返される場合がある。粗圧延工程では、以上の操作によってスラブを所定の板幅、板厚のシートバーにする。
【００５１】
仕上げ圧延工程では、上下一対のロールを配置した水平圧延機を少なくとも一基以上有している仕上げ圧延機を用いて前記シートバーを水平圧延する。このときの水平圧延は一方向で行われる。仕上げ圧延後の板厚は1.4〜8.0mmとなる。
【００５２】
冷却工程では、搬送されている仕上げ圧延後の鋼板に対して例えば水柱を噴射して冷却する工程である。仕上げ圧延直後の板の温度はAr3点またはArm点以上の温度であり、700〜950℃の範囲である。所望の組織にとするために水を噴射する。例えばパーライト組織にするためには550〜700℃の温度となるように水量や冷却ゾーンを変化させ、次工程である巻取時の温度を制御する。
【００５３】
巻取工程では、冷却された鋼板をコイル状に巻き取る。熱間圧延終了時の組織はパーライト、ベイナイト、マルテンサイトの単相組織またはいずれかを組み合わせた複合組織となる。
以上の工程が熱間圧延工程である。
【００５４】
熱間圧延によって巻き取られたコイルは必要に応じて酸洗でスケール層を除去し、次工程で冷間圧延するために、実施の形態１で説明した熱処理を行う。
熱処理によって軟化された帯鋼は１基または複数基の圧延機で、冷間圧延し、所定の製品厚（０．５〜６ｍｍ程度）へと圧延する。
冷間圧延された帯鋼は実施の形態１で説明した熱処理を行う。
【００５５】
以上のようにして、所定の硬度に焼鈍された鋼材が製造され、熱処理工程においては、実施の形態１で述べたように、高炭素鋼のオーステナイト組織への逆変態を抑制して球状のパーライトに効果的に行うことができ、かつ鋼帯の一方向へ搬送で熱処理が完了するため、鋼材の製造工程全体としても、リードタイムを短くして生産性を高めることができる。
【００５６】
［実施の形態３］
実施の形態１で説明したように強制風冷する場合、冷却媒体を噴射するノズルと鋼材との距離Ｈ（以下、単に「距離Ｈ」という）は、温度ムラ等を発生させないために重要なパラメータである。
しかしながら、本発明では加熱装置および冷却装置を直列に複数台並べるため、鋼板が自重によってたわむ恐れがある。鋼板がたわんだ場合、距離Ｈが鋼板長手方向の位置によって変化するため、好ましくない。
【００５７】
また、加熱前後および冷却前後では条件によって１００度以上の温度差があるため、熱処理対象が帯鋼の場合、棒鋼と異なり、所定の幅を有するため、加熱中の熱膨張および冷却中の熱収縮によって幅が変化する。幅の変化量が過大になると座屈が発生し、幅方向の波状形態になる。波形状になると、距離Ｈが変化して冷却ムラの原因となるため、全幅において材質の制御を行おうとした場合、座屈を発生させることは好ましくない。
さらに、座屈が過大になった場合加熱装置および冷却装置を破損させる可能性があるため、この意味でも座屈を防止する必要がある。
【００５８】
以上のように、帯鋼を対象とする場合には、鋼板のたわみや座屈を防止することが重要となり、本実施の形態では、このようなたわみや座屈を効果的に防止して距離Ｈが上述した範囲内に収まるようにするため、図３、４に示すように、冷却装置及び加熱装置の出側及び入側（必要によっては、冷却装置内、加熱装置内）に座屈防止ロール７を設置した。
【００５９】
座屈防止ロール７のロールピッチは下記の式の条件を満たすことによって座屈を防止することが可能である。
【００６０】
【数３】
2018090902.tif 000005
【００６１】
なお、上記の説明では、鋼板を上下から挟む座屈防止ロールを設置する例を示したが、鋼板の下面のみを支持する搬送ロールを座屈防止ロールとして設けても効果を奏することができる。
よって、座屈防止ロールの径、圧下力、潤滑有無に関しては問わなく、鋼板を支持する目的が果たせれば、条件は問わないが、座屈防止ロール径が過剰に大きい、例えば、加熱装置または冷却装置の装置長の半分以上とした場合、加熱時の誘導加熱の磁場がロールへ伝わりロールが加熱されてしまったり、冷却時の冷却媒体が直接鋼板に噴射することを阻害する恐れがあるため好ましくない。また、ロール径が過度に小さい場合、ロール自体がたわんでしまう為、具体的にはＨ／Ｄの変化が１未満になるＨの量以下のたわみになるようにロール径を設計することが好ましい。
【実施例１】
【００６２】
本発明の効果を確認するための実験を行ったので、以下これについて説明する。
まず、実施例１及び後述の実施例２で使用した鋼の成分を表１に示すと共に、実験の条件および結果を表２に示す。
【００６３】
【表１】
2018090902.tif 000006
【００６４】
【表２】
2018090902.tif 000007
【００６５】
実施例１では表１に記載のＡの成分とし、連続鋳造によってスラブを鋳造した。鋳造されたスラブは熱間圧延工場の再加熱炉で１１００℃まで加熱した後、幅圧下プレス、粗圧延、仕上げ圧延を行った。仕上げ圧延後の温度は８６０℃であり、その後冷却工程にて、６００℃まで冷却を行い、コイラー３による巻取をした。巻取後の板の寸法は表２に示すとおりである。
【００６６】
熱間圧延を終えたコイルは本発明装置である熱処理装置１に搬送され、コイラー３にセットした。ラインに設置された加熱装置の台数および冷却装置の台数は表２に示すとおりである。
なお、熱装置と冷却装置の台数は各々３台を基本とし、台数を変えた場合の効果確認のために各々１、２、３、５、２０台とした場合についても実施しており、この条件のものは表２において枠内をグレー色で示している。
【００６７】
アンコイル巻取回数は１回を基本としているが、複数回の場合についても行っており、この場合についてはアンコイル巻取回数の欄の枠内をグレー色で示している。
なお、アンコイル巻取回数が１回の条件では図１に記載の装置の左方のコイラー３にコイルをセットし、アンコイル後、加熱冷却を繰り返し、図１に記載の装置の右方のコイラー３で巻取、その後、コイラー３より鋼板を抜き取った。
また、アンコイル巻取回数が複数回の条件では、図１に記載の装置の左方のコイラー３にコイルをセットし、アンコイル後、加熱冷却を繰り返し、図１に記載の装置の右方のコイラー３で巻取、その後、再び搬送方向を逆転させ、アンコイルし、図１に記載の装置の左方のコイラー３で巻取、指定回数になるようまで、繰り返した。
【００６８】
昇温方法は、誘導加熱を基本としているが、直接通電加熱や電気炉加熱についても行った。
また、冷却方法は、強制風冷（窒素）を基本としているが、スプレー水や強制風冷による冷却や、強制冷却を行わないケースについても実施した。なお、表２に記載の冷却方法の欄において、冷却装置を設けなかった比較例１では棒線（-）としている。
【００６９】
表２に記載の加熱温度、昇温速度、Ac1温度以上の時間制御は、入熱量及び冷却量を制御コンピュータで計算した値及び、加熱装置、冷却装置出側でそれぞれ非接触温度計を用いて測定した値及び、搬送速度を組み合わせて、計算した値を示している。
熱処理装置１で熱処理を行ったコイルはその後サンプルを採取し、圧延方向に直角な断面について、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準拠して、ビッカース硬さを測定した。試験位置は板幅中央、１/４位置の板厚中央、１／４の位置とし、平均硬度を表２に示した。
【００７０】
なお、ビッカース硬度としては、ＨＶ２５０以下となることが好ましいが、その理由は以下の通りである。
通常、帯鋼における高炭材の製造方法は、連続鋳造によってスラブを鋳造した後、熱間圧延工場の再加熱炉で１０００〜１２５０℃程度に加熱した後、幅圧下プレス、粗圧延、仕上げ圧延を行い、コイラーによってコイル状に巻き取られる。その後酸洗工程で表面の酸化層を除去した後、熱処理を行う。その後複数機もしくは単機の圧延機によって、冷間圧延によって所定の厚みに圧延される。その後再び熱処理を行い、出荷を行う。
熱処理は熱間圧延後および冷間圧延後にそれぞれ行うが、目的が異なり、熱間圧延後の熱処理では冷間圧延の荷重を低減するために実施し、冷間圧延後では出荷先の加工を行いやすくするために、焼鈍し軟化させる。
出荷時の硬度の値は出荷後の加工方法によって異なるが、例えば、ＪＩＳで規格化されているＳＫ９５の焼鈍後の硬さはＨＶ２１０以下にしなければならないが、熱間圧延後の硬さについては冷間圧延が行えれば大きな問題は無いため、特に規定はないものの、硬度が低い方が冷間圧延の負荷は軽減するため、低ければ低いほど好ましく、通常熱間圧延後の硬度はＨＶ３００〜４００程度あるためＨＶ２５０以下となることで冷間圧延での負荷軽減の効果が顕著に現れる。
【００７１】
ビッカース硬さ試験を行った位置のサンプルをナイタールで腐食後、光学顕微鏡による組織観察を行い、全ての炭化物に対し、炭化物の幅の５倍未満の長さの炭化物を球状化パーライトとし、炭化物の個数を母数とし、球状化パーライトの個数を数え、球状化パーライト率（％）として表２に示した。
【００７２】
実施例１−１〜実施例１−２６に示す条件ではパーライトの球状化が見られ、ビッカース硬度は冷間圧延での負荷軽減が見込めるＨＶ２４５以下まで軟化していることが分かった。
【００７３】
もっとも、実施例１−１３に示す板幅が１２００ｍｍで昇温方法を直接通電加熱とした条件では平均硬度はＨＶ２２７と軟化が確認されたが、幅１／４位置の硬度がＨＶ２１０だったのに対し、幅中央位置の硬度がＨＶ２４５と硬度差がＨＶ３０以上あった。
また、実施例１−１４の板厚を比較的分厚い５ｍｍとし、昇温方法を電気炉加熱とした条件では、平均硬度はＨＶ２２７と軟化が確認されたが、板厚１／４位置の硬度がＨＶ２０５だったのに対し、板厚中央位置の硬度がＨＶ２５０と硬度差がＨＶ４０以上あった。
これに対して、誘導加熱で行った他の冷では、このような材料特性のばらつきは見られなかった。
【００７４】
実施例１−２０に示す冷却停止温度を６５０℃とした条件ではＨＶが２４４と他の条件と比較し、やや硬度が高く、球状化パーライト率は５９％見られたが、アンコイル巻取回数を複数回重ねた実施例１−２６では、硬度はＨＶ２３０以下に低下させることが出来、パーライトの球状化ができた。
【００７５】
実施例１−１２、２３に示す窒素以外の冷却媒体を利用した場合、平均硬度はいずれもＨＶ２４０以下であったが、表面の組織観察をした結果脱炭層が見られ、全厚にわたった均一な組織の作りこみは出来なかった。このため、窒素以外の冷却媒体であっても、軟質化としては問題ないが、脱炭防止の観点からは冷却媒体として窒素が好ましいことが実証された。
【００７６】
比較例１に示す条件（強制冷却をせずにAc1点以上の時間を120秒とした）では、ＨＶが３７０であり、ＨＶが２５０を超え、また、組織はほぼ、層状のパーライトであった。
また、加熱と冷却を各１回のみ行った比較例２では、ＨＶが３７１であり、やはりＨＶが２５０を超え、組織はほぼ、層状のパーライトであった。
比較例３、４は同一方向への搬送について加熱と冷却を１回づつ行い、比較例３はアンコイル巻取回数を３回、比較例４はアンコイル巻取回数を５回行ったものであり、それぞれＨＶ２２６、２１２と軟化が見られたが、同じ硬度である実施例１−２、３と比較すると熱処理に要する時間は３倍以上要し、製造効率が非常に悪く、本発明のほうが効率がよいことが分かった。
【実施例２】
【００７７】
実施例１では、表１の成分Ａの場合についてであったが、実施例１では表１の他の成分についても同様の効果があることを実証するための実験を行った。
実験の条件と結果を表３に示す。
【００７８】
【表３】
2018090902.tif 000008
【００７９】
表１に記載のＡ〜Ｆの成分とし、連続鋳造によってスラブを鋳造し、鋳造されたスラブは熱間圧延工場の再加熱炉で１１００℃まで加熱した後、幅圧下プレス、粗圧延、仕上げ圧延を行った。仕上げ圧延後の温度は８６０℃であり、その後冷却工程にて、成分Ａ〜Ｃは６００℃、Ｄ４５０℃、Ｅ５０℃、Ｆ５００℃まで冷却を行い、コイラー３による巻取をした。巻取後の板の寸法は表３に示すとおりである。
【００８０】
熱間圧延を終えたコイルは本発明装置である熱処理装置１に搬送され、コイラー３にセットした。ラインに設置された加熱装置の台数および冷却装置の台数は表３に示すとおりである。昇温方法はいずれの条件も誘導加熱とし、冷却方法は窒素の強制風冷とした。
アンコイル巻取回数が複数回の条件では、図１に記載の装置の左方のコイラー３にコイルをセットし、アンコイル後、加熱冷却を繰り返し、図１に記載の装置の右方のコイラー３で巻取、その後、再び搬送方向を逆転させ、アンコイルし、図１に記載の装置の左方のコイラー３で巻取、指定回数になるようまで、繰り返した。
【００８１】
表３に記載の温度および昇温速度、制御は入熱量及び冷却量を制御コンピュータで計算した値及び、加熱装置、冷却装置出側でそれぞれ非接触温度計を用いて測定した値及び、搬送速度を組み合わせて、計算した値を示す。
熱処理後のビッカース硬さの測定方法や、組織観察及び評価方法は実施例１と同様である。
【００８２】
表３に示すように、全ての条件でパーライトの球状化が見られ、ビッカース硬度はＨＶ２５０以下まで軟化していることが分かり、様々な成分や、熱延組織でも同様の効果が出ることが確認できた。
【実施例３】
【００８３】
次に座屈防止ロールの効果を確認するための試験を行った。
実施例３では表１に記載のＡの成分とし、連続鋳造によってスラブを鋳造した。鋳造されたスラブは熱間圧延工場の再加熱炉で１１００℃まで加熱した後、幅圧下プレス、粗圧延、仕上げ圧延を行った。仕上げ圧延機出側の温度は８６０℃であり、その後冷却工程にて、６００℃まで冷却を行い、コイラー３による巻取をした。巻取後の板の寸法は表４に示すとおりである。本実施例においては板厚条件を実施例１−２、１０、１１と同じ条件とした。
熱間圧延を終えたコイルは本発明装置である熱処理装置１に搬送され、コイラー３にセットした。
【００８４】
なお、操業条件は、加熱装置と冷却装置の台数を各々３台、アンコイル巻取回数を１回、昇温方法を誘導加熱、冷却方法を強制風冷（窒素）、加熱温度を８２５℃、昇温速度１００℃／秒、Ac1温度以上の時間を５秒、冷却停止温度を７００℃とした。
加熱温度、昇温速度、Ac1温度以上の時間制御は、入熱量及び冷却量を制御コンピュータで計算した値及び、加熱装置、冷却装置出側でそれぞれ非接触温度計を用いて測定した値及び、搬送速度を組み合わせて、計算した値を示している。
座屈防止ロールピッチは１００ｍｍ、２００ｍｍ、４００ｍｍとした。
【００８５】
熱処理装置１で熱処理を行ったコイルはその後サンプルを採取し、圧延方向に直角な断面について、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準拠して、ビッカース硬さを測定した。試験位置は板幅中央、１/４位置、エッジより２５ｍｍの位置の板厚中央とし、平均硬度と最大値と最小値の差を表４に示した。
座屈の有無を確認するため、熱処理終了後のコイルをリコイリングラインにて長手１ｍ分の板を採取し、レーザー変位計による形状測定を実施し、急峻度の測定結果を表４に合わせて記載する。
また、前述の（１）式で各条件の必要座屈防止ロールピッチを計算した結果、実施例３−１〜３は１９１ｍｍ、実施例３−４〜６は１３４ｍｍ、実施例３−７〜９はいずれのロールピッチでも座屈しないことが分かった。
表４には、これらのロールピッチを計算必要座屈防止ロールピッチとして記載している。
【００８６】
【表４】
2018090902.tif 000009
【００８７】
いずれの条件においても平均硬度はＨＶ２５０以下と軟化していることが分かり、座屈ロールピッチが（１）式によって計算された値より小さな値としたときの硬度差はＨＶ１０以下と小さく、幅方向に均質な組織が確保できた。
しかし、計算必要座屈防止ロールピッチより長いロールピッチで座屈防止ロールを配置した実施例３−３、５、６では幅方向の硬度差が大きくＨＶ１０以上の硬度差があり、実施例３−５、６では一部で目標としていたＨＶ２５０以下を満たさない部分があった。
また、計算必要座屈防止ロールピッチより長いロールピッチで座屈防止ロールを配置した実施例３−３、５、６では形状（急俊度）も悪く、いずれも１％以上であり、次工程にレベラーやスキンパスといった形状矯正工程が必要となった。
したがって、座屈防止ロールピッチは（１）式で計算されるロールピッチより狭いロールピッチであるほうがより、形状もよく、幅方向の材質ムラも小さくなることが分かった。
【符号の説明】
【００８８】
１  熱処理装置
３  コイラー
５  加熱・冷却装置（加熱装置と冷却装置の組み）
７  座屈防止ロール
【図１】
2018090902.tif 000012
【図２】
2018090902.tif 000013
【図３】
2018090902.tif 000014
【図４】
2018090902.tif 000015