(57)【要約】【課題】金属材表面に新たな欠陥を露出させることなく表面に露出した欠陥を消失させることができる技術を提供する。【解決手段】表面に欠陥３の露出部３ａを有する金属材１に対し、金属材１表面の欠陥３の露出部３ａに、金属材１よりも硬い材質の回転工具１０を、回転させながら接触させて、その際に発生する摩擦熱と圧力により金属材１の回転工具１０との接触部分を塑性流動させ、かつ塑性流動部分に加熱された金属粉５が供給された状態とし、回転工具１０を回転させた状態のまま欠陥３の露出部３ａの分布に沿って移動させて、金属粉５を巻き込みながら、金属材１における回転工具１０の移動部分を順次塑性流動させ、金属材１の欠陥３の露出部３ａを塞ぐ。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に欠陥の露出部を有する金属材に対し、前記金属材表面の欠陥の露出部に、前記金属材よりも硬い材質の回転工具を、回転させながら接触させて、その際に発生する摩擦熱と圧力により前記金属材の前記回転工具との接触部分を塑性流動させ、かつ塑性流動部分に加熱された金属粉が供給された状態とし、前記回転工具を回転させた状態のまま欠陥の露出部の分布に沿って移動させて、前記金属粉を巻き込みながら、前記金属材における前記回転工具の移動部分を順次塑性流動させ、前記金属材の欠陥の露出部を塞ぐことを特徴とする金属材の表面処理方法。
【請求項２】
前記金属粉を、予め前記金属材表面の欠陥の露出部が存在する部分に供給しておくことを特徴とする請求項１に記載の金属材の表面処理方法。
【請求項３】
前記金属粉を、前記金属材の前記回転工具により塑性流動された部分に供給しながら、前記回転工具を回転させた状態のまま欠陥の露出部の分布に沿って移動させることを特徴とする請求項１に記載の金属材の表面処理方法。
【請求項４】
前記回転工具は、その直径が欠陥の露出部の短尺側寸法以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属材の表面処理方法。
【請求項５】
前記回転工具による金属材を塑性流動させる表面処理に先立って、処理前の金属材表面の欠陥の露出部をマーキングし、金属材のマーキングした部分を前記回転工具により塑性流動させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属材の表面処理方法。
【請求項６】
前記金属材は、連続鋳造または分塊圧延、鍛造プロセスを経た鋼片であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の金属材の表面処理方法。
【請求項７】
表面に欠陥の露出部を有する素材金属材を準備する工程と、
前記素材金属材表面の欠陥の露出部に、前記素材金属材よりも硬い材質の回転工具を、回転させながら接触させて、その際に発生する摩擦熱と圧力により前記素材金属材の前記回転工具との接触部分を塑性流動させる工程と、
塑性流動部分に加熱された金属が供給された状態とする工程と、
前記回転工具を回転させた状態のまま欠陥の露出部の分布に沿って移動させて、前記金属粉を巻き込みながら、前記金属材における前記回転工具の移動部分を順次塑性流動させる工程と
を有し、
素材金属材の塑性流動により、欠陥の露出部を塞ぐことを特徴とする金属材の製造方法。
【請求項８】
前記塑性流動部分に加熱された金属が供給された状態とする工程は、前記金属粉を、予め前記金属材表面の欠陥の露出部が存在する部分に供給しておくことにより行われることを特徴とする請求項７に記載の金属材の製造方法。
【請求項９】
前記塑性流動部分に加熱された金属が供給された状態とする工程は、前記金属粉を、前記金属材の前記回転工具により塑性流動された部分に供給しながら、前記回転工具を回転させた状態のまま欠陥の露出部の分布に沿って移動させることにより行われることを特徴とする請求項７に記載の金属材の製造方法。
【請求項１０】
前記回転工具は、その直径が欠陥の露出部の短尺側寸法以上であることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の金属材の製造方法。
【請求項１１】
前記回転工具による素材金属材を塑性流動させる表面処理に先立って、素材金属材表面の欠陥の露出部をマーキングし、素材金属材のマーキングした部分を前記回転工具により塑性流動させることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の金属材の製造方法。
【請求項１２】
前記素材金属材は、連続鋳造または分塊圧延、鍛造プロセスを経た素材鋼片であることを特徴とする請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の金属材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材の表面に露出している欠陥を消失させる金属材の表面処理方法および金属材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、鋼板（厚板、薄板）は連続鋳造や分解圧延、鍛造などのプロセスを経た鋼片を素材とし、熱間圧延や冷間圧延を行って製造されるが、この際、鋼片表面に空隙や割れといった欠陥が露出した状態で加熱および圧延を行うと、製品の表面性状の悪化や割れが生じる原因となる。
【０００３】
そこで、従来は、グラインダーを用いて鋼片（スラブ）表面を砥石で研削して、スラブ表面の欠陥を除去する鋼片表面手入れが行われている（例えば特許文献１）。また、プラノミラ等の工作機械を用いて鋼片（スラブ）表面をフライス工具で切削する鋼片表面手入れ方法も存在する（例えば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５１−１８９３７号公報
【特許文献２】特開平９−１０８７２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のようなグラインダーによる研削加工で鋼片表面の手入れを行う方法は、一般的で広く使用されている手法であるものの、以下のような問題がある。すなわち、欠陥の除去に際して、ピンポイントで欠陥を除去しようとすると、欠陥除去部分が凹形状となり圧延品質にも悪影響を与えるため、通常は欠陥周辺の表層も除去し、急激な傾斜を作らないようにする。しかしながら、欠陥は鋼材内部に多数存在しているため、欠陥周辺の表層を除去した際に、もともと鋼材内部に存在していた別の欠陥が手入れにより表面に露出してしまう。特許文献２に示す技術についても、研削と切削の違いはあるものの、内部に隠れていた欠陥を露出してしまう問題は同様に存在する。このような問題は、鋼片に限らず、他の金属材においても同様に生じる。
【０００６】
したがって、本発明は、金属材表面に新たな欠陥を露出させることなく表面に露出した欠陥を消失させることができる金属材の表面処理方法および金属材の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は以下の（１）〜（１２）を提供する。
【０００８】
（１）表面に欠陥の露出部を有する金属材に対し、前記金属材表面の欠陥の露出部に、前記金属材よりも硬い材質の回転工具を、回転させながら接触させて、その際に発生する摩擦熱と圧力により前記金属材の前記回転工具との接触部分を塑性流動させ、かつ塑性流動部分に加熱された金属粉が供給された状態とし、前記回転工具を回転させた状態のまま欠陥の露出部の分布に沿って移動させて、前記金属粉を巻き込みながら、前記金属材における前記回転工具の移動部分を順次塑性流動させ、前記金属材の欠陥の露出部を塞ぐことを特徴とする金属材の表面処理方法。
【０００９】
（２）前記金属粉を、予め前記金属材表面の欠陥の露出部が存在する部分に供給しておくことを特徴とする（１）に記載の金属材の表面処理方法。
【００１０】
（３）前記金属粉を、前記金属材の前記回転工具により塑性流動された部分に供給しながら、前記回転工具を回転させた状態のまま欠陥の露出部の分布に沿って移動させることを特徴とする（１）に記載の金属材の表面処理方法。
【００１１】
（４）前記回転工具は、その直径が欠陥の露出部の短尺側寸法以上であることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の金属材の表面処理方法。
【００１２】
（５）前記回転工具による金属材を塑性流動させる表面処理に先立って、処理前の金属材表面の欠陥の露出部をマーキングし、金属材のマーキングした部分を前記回転工具により塑性流動させることを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の金属材の表面処理方法。
【００１３】
（６）前記金属材は、連続鋳造または分塊圧延、鍛造プロセスを経た鋼片であることを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の金属材の表面処理方法。
【００１４】
（７）表面に欠陥の露出部を有する素材金属材を準備する工程と、
前記素材金属材表面の欠陥の露出部に、前記素材金属材よりも硬い材質の回転工具を、回転させながら接触させて、その際に発生する摩擦熱と圧力により前記素材金属材の前記回転工具との接触部分を塑性流動させる工程と、
塑性流動部分に加熱された金属が供給された状態とする工程と、
前記回転工具を回転させた状態のまま欠陥の露出部の分布に沿って移動させて、前記金属粉を巻き込みながら、前記金属材における前記回転工具の移動部分を順次塑性流動させる工程と
を有し、
素材金属材の塑性流動により、欠陥の露出部を塞ぐことを特徴とする金属材の製造方法。
【００１５】
（８）前記塑性流動部分に加熱された金属が供給された状態とする工程は、前記金属粉を、予め前記金属材表面の欠陥の露出部が存在する部分に供給しておくことにより行われることを特徴とする（７）に記載の金属材の製造方法。
【００１６】
（９）前記塑性流動部分に加熱された金属が供給された状態とする工程は、前記金属粉を、前記金属材の前記回転工具により塑性流動された部分に供給しながら、前記回転工具を回転させた状態のまま欠陥の露出部の分布に沿って移動させることにより行われることを特徴とする（７）に記載の金属材の製造方法。
【００１７】
（１０）前記回転工具は、その直径が欠陥の露出部の短尺側寸法以上であることを特徴とする（７）から（９）のいずれかに記載の金属材の製造方法。
【００１８】
（１１）前記回転工具による素材金属材を塑性流動させる表面処理に先立って、素材金属材表面の欠陥の露出部をマーキングし、素材金属材のマーキングした部分を前記回転工具により塑性流動させることを特徴とする（７）から（１０）のいずれかに記載の金属材の製造方法。
【００１９】
（１２）前記素材金属材は、連続鋳造または分塊圧延、鍛造プロセスを経た素材鋼片であることを特徴とする（７）から（１１）のいずれかに記載の金属材の製造方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、処理前の金属材の表面に存在する欠陥の露出部に、金属材よりも硬い材質の回転工具を、回転させながら接触させて、その際に発生す摩擦熱と圧力により金属材の接触部分を塑性流動させ、かつ塑性流動部分に加熱された金属粉が供給された状態とし、回転工具を回転させた状態のまま欠陥の露出部の分布に沿って移動させて、金属粉を巻き込みながら、金属材における回転工具の移動部分を順次塑性流動させ、欠陥の露出部を塞ぐので、金属材表面に新たな欠陥を露出させることなく、表面に露出する欠陥を消失させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】連続鋳造や分解圧延、鍛造などのプロセスを経た鋼片を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の状態から酸化スケールを除去して、実施形態の表面処理方法に供される素材鋼片とした状態を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る表面処理方法の手順を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る表面処理方法の手順を示す図である。
【図５】回転工具を示す正面図および底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は連続鋳造や分解圧延、鍛造などのプロセスを経た鋼片を模式的に示す断面図、図２は図１の状態から酸化スケールを除去して、本実施形態の表面処理方法に供される素材鋼片とした状態を模式的に示す断面図、図３は第１の実施形態の表面処理方法の手順を示す図、図４は第２の実施形態の表面処理方法の手順を示す図である。
【００２３】
鋼片の鋼種は特に限定されないが、図１では一般的な高炭素鋼を用いた場合を示しており、連続鋳造や分解圧延、鍛造などのプロセスを経た状態では表面に黒皮と呼ばれる酸化スケール２を有した黒皮付き鋼片となっている。鋼片の内部には欠陥３が存在する。
【００２４】
図１の状態から事前に、ショット、研削、切削等の機械加工手段で、酸化スケール２を除去し、図２に示すような素材鋼片１とする。この素材鋼片１は、表面に空隙や割れといった欠陥３の露出部３ａを有している。
【００２５】
本発明においては、この素材鋼片１に対して塑性流動加工を利用した表面処理を行う。
【００２６】
最初に、表面処理方法の第１の実施形態について説明する。
表面処理方法の第１の実施形態は、図３の（ａ）〜（ｄ）の手順で行う。
表面処理を行う前の事前準備として、最初に、素材鋼片１に存在する欠陥３の表面に露出している露出部３ａの箇所を確認し、マーキングする。欠陥３の露出部３ａの箇所の確認は目視で行うことができる。また、一般的に使用されている浸透探傷試験を行って欠陥３を浮かび上がらせてもよい。
【００２７】
次に、素材鋼片１を工作機械にセットする。工作機械には、工具として図５に示す回転工具１０を装着する。図５に示すように、回転工具１０は全体が円柱状をなし、先端のフランジ部分が円錐台状となっている。回転工具１０は、その回転軸を素材鋼片に対して傾けることが可能であり、傾き角は０．３〜３．０度程度が好ましい。傾く方向は、工具の進行方向に対して前方側が浮くような方向が好ましい。回転工具１０は、素材鋼片１よりも硬い材質のものを用いる。回転工具１０の材質としては、例えば、超硬（ＷＣを主体とするもの）、Ｃｏ合金、セラミックス、サーメット等を用いることができる。回転工具１０の直径は、欠陥３の露出部３ａの短尺側の寸法以上とすることが好ましい。なお、図５において、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。
【００２８】
また、工作機械には、金属粉を加熱し、加熱された金属粉を供給する装置が設置されており、この装置により予め金属粉を加熱しておく。
【００２９】
このように事前準備した後、最初に、マーキング部分４の上に予め加熱していた金属粉５を供給する（図３（ａ））。これにより、その部分の素材鋼片１の表面温度が上昇する。金属粉５は、素材鋼片１と同じ材料であることが好ましいが、後の工程で加熱およびスケール除去を行う場合は、異なる材料であってもかまわない。金属粉５は素材鋼片１の表面を適切に加熱できる温度であればよいが、供給する金属粉５の変態点以下が好ましい。金属粉５が鉄粉の場合は、７００℃以下が好ましい。
【００３０】
そして、回転工具１０を回転させながら下降させ、素材鋼片１の欠陥３の露出部３ａが存在するマーキング部４の端部に対応する位置に回転工具１０を接触させ、その後、所定の深さ分、回転工具を素材鋼片１へ埋没させる（図３（ｂ））。回転工具１０の埋没させる深さは、回転工具１０のフランジ高さ未満であり、底面の進行方向側が素材鋼片１から浮いていることが好ましい。このように回転工具１０を回転させながら埋没させることで、回転工具１０の摩擦と圧力により、素材鋼片１の回転工具１０との接触部分が金属粉５を巻き込みながら塑性流動する。鋼片において塑性流動が開始する温度は、８００〜１０００℃程度であるので、そのような温度になるように、回転工具１０の周速が設定される。回転工具１０の周速は、５０〜１５０ｍｐｍ程度が好ましい。
【００３１】
回転工具１０の摩擦と圧力により、素材鋼片１の回転工具１０との接触部分が塑性流動を開始したことを確認した後、欠陥３の露出部３ａの分布に沿って回転している回転工具１０を、金属粉５を巻き込んだ状態で移動させる（図３（ｃ））。なお、塑性流動が開始されたことは、例えば、回転工具１０のトルクの変化により確認することができる。
【００３２】
このように素材鋼片１の欠陥３の露出部３ａを含む部分が回転工具１０により塑性流動され、回転工具１０が通過した後の素材鋼片１の表面部には塑性流動部分６が形成され、その部分に存在していた欠陥３の露出部３ａが塞がる。
【００３３】
そして、図３（ｄ）のように、回転工具１０がマーキング部４の終端まで達した後、回転工具１０を上昇させ、残留している金属粉を除去する。このような操作を、全ての欠陥３の露出部３ａに対して行うことにより、露出部３ａが消失した鋼片１１が得られる。
【００３４】
以上のように、回転工具１０を回転させながら素材鋼片１に接触させることによる摩擦熱と圧力により、欠陥３の露出部３ａが存在する鋼片部分を塑性流動させて露出部３ａを塞ぐので、研削や切削による手入れのように新たな欠陥を露出させることなく、表面に露出する欠陥を消失させることができる。
【００３５】
また、常温で摩擦攪拌する場合には、回転工具１０の必要な圧力と摩擦負荷が過大となる場合があるが、欠陥３の露出部３ａが存在するマーキング部４の上に加熱された金属粉５を供給することにより、その部分の素材鋼片１の表面温度を高くすることができるので、塑性流動しやすくなって回転工具１０の圧力と摩擦負荷を軽減することができる。また、回転工具１０による摩擦攪拌の際に形成される素材鋼片１の凹部を小さくすることもできる。
【００３６】
なお、特開２０１２−４０５８４号公報には、摩擦攪拌を行う際に、素材を高周波加熱により加熱することが記載されているが、それを適用した場合には、加熱時間が処理時間に加算され、処理時間が長くなってしまう。また、エネルギーロスも大きくなる。これに対し、本実施形態では、金属粉５を供給することにより加熱したい部分のみを迅速に加熱するので、これらの問題は生じない。
【００３７】
次に、表面処理方法の第２の実施形態について説明する。
表面処理方法の第２の実施形態は、図４の（ａ）〜（ｄ）の手順で行う。
表面処理を行う前の事前準備として、最初に、第１の実施形態と同様、素材鋼片１に存在する欠陥３の表面に露出している露出部３ａの箇所を確認し、マーキングする。
【００３８】
次に、素材鋼片１を工作機械にセットし、第１の実施形態と同様、工作機械に工具として回転工具１０を装着する。また、工作機械には、金属粉を加熱し、加熱された金属粉を供給する装置が設置されており、この装置により予め金属粉を加熱しておく。そしてこの装置からノズルを介して金属粉を摩擦攪拌部分に直接供給できるようにしておく。
【００３９】
このように事前準備した後、最初に、回転工具１０を回転させながら下降させ、素材鋼片１の欠陥３の露出部３ａが存在するマーキング部４の端部に対応する位置に回転工具１０を接触させ、その後、所定の深さ分、回転工具を素材鋼片１へ埋没させる（図４（ａ））。第１の実施形態と同様、回転工具１０の埋没させる深さは、回転工具１０のフランジ高さ未満であり、底面の進行方向側が素材鋼片１から浮いていることが好ましい。このように回転工具１０を回転させながら埋没させることで、回転工具１０の摩擦と圧力により、素材鋼片１の回転工具１０との接触部分が塑性流動する。回転工具１０の周速は第１の実施形態と同様、５０〜１５０ｍｐｍ程度が好ましい。
【００４０】
次に、ノズル７から塑性流動部分への金属粉５の供給を開始する（図４（ｂ））。これにより、塑性流動部分に金属粉５が巻き込まれる。このとき、回転工具１０の底面の進行方向側が浮いていることにより、金属粉５を供給しやすくなる。
【００４１】
回転工具１０の摩擦と圧力により、素材鋼片１の回転工具１０との接触部分が塑性流動を開始したことを確認した後、欠陥３の露出部３ａの分布に沿って回転している回転工具１０を、ノズル７から供給される金属粉５を巻き込んだ状態で移動させる（図４（ｃ））。このとき、ノズル７も回転工具１０とともに移動し、常に塑性流動が生じている部分に金属粉５が供給することができるようにする。
【００４２】
これにより、第１の実施形態と同様、素材鋼片１の欠陥３の露出部３ａを含む部分が回転工具１０により塑性流動され、回転工具１０が通過した後の素材鋼片１の表面部には塑性流動部分６が形成され、その部分に存在していた欠陥３の露出部３ａが塞がる。
【００４３】
そして、図４（ｄ）のように、回転工具１０がマーキング部４の終端まで達した後、回転工具１０を上昇させ、残留している金属粉を除去する。このような操作を、全ての欠陥３の露出部３ａに対して行うことにより、露出部３ａが消失した鋼片１１が得られる。
【００４４】
第１の実施形態では、欠陥３の露出部３ａが存在する部分に予め金属粉５を付着する作業が必要であり、作業者の労力が大きくなるとともに、金属粉を比較的多量に付着する必要があるのに対し、第２の実施形態では、素材鋼片１の露出部３ａが存在する部分を塑性流動させながら、ノズル７から直接その部分に金属粉５を供給するので、事前の作業が不要であり、また、金属粉５は必要量であればよく、金属粉５の量を少なくすることができる。
【００４５】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内で種々変形することが可能である。例えば、上記実施の形態では金属材として連続鋳造または分塊圧延、鍛造のプロセスを経た鋼片を用いた例を示したが、鋼片に限らず他の金属材でもよく、アルミニウム片等を用いることができる。
【実施例】
【００４６】
次に、本発明の実施例について説明する。
ここでは、金属材として、高炭素鋼を連続鋳造して製造した鋼片を用いた。鋼片の寸法は、長さ５００ｍｍ×幅５００ｍｍ×厚さ２５０ｍｍとした。この鋼片の表面に形成されている酸化スケール層を事前に機械加工により除去して、素材鋼片とし、素材鋼片に存在する欠陥の表面に露出している露出部の箇所を目視で確認しマーキングした。
【００４７】
次に、素材鋼片を工作機械にセットし、回転工具として、超硬（９０ＷＣ−９Ｃｏ）からなり、寸法が２５ｍｍφ×７０ｍｍのものを回転軸が斜めになるように装着した。金属粉の供給装置から５００℃まで予熱した金属粉（成分規格が高炭素材相当の鉄粉）を、欠陥の露出部が存在するマーキング部に供給した。次いで、回転工具を９００ｒｐｍで回転させながら下降させ、素材鋼片の欠陥の露出部が存在するマーキング部の端部に対応する位置に回転工具を接触させ、その後、回転工具の後方部分を１ｍｍ素材鋼片へ埋没させた。この状態で、回転工具のトルクの変化から素材鋼片の塑性流動が開始されたことを確認した後、回転工具を６０ｍｍ／ｍｉｎの速度で欠陥の露出部の分布に沿って移動させた。そして、回転工具を欠陥の露出部の終端まで移動させた後、上昇させた。
【００４８】
その後、鋼片を取り外して、表面処理した部分を観察した結果、欠陥の露出部は塞がれており、新たな欠陥が露出していないことが確認された。
【符号の説明】
【００４９】
１  素材鋼片（素材金属材）
２  酸化スケール
３  欠陥
３ａ  露出部
４  マーキング部
５  金属粉
６  塑性流動部分
７  ノズル
１０  回転工具
１１  表面処理後の鋼片
【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５】
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