(57)【要約】【課題】割れ感受性の高い鋼種の鋼材を熱間圧延する際、表面疵の発生を防止する。【解決手段】鋼材を加熱炉にて加熱し、その後、熱間加工を施す鋼材の熱間加工方法において、（ａ）加熱炉にて、鋼材の全体を（Ａc3＋５０）℃以上の温度に加熱保持し、（ｂ）熱間加工を施す前に、上記鋼材の表層部を５℃／秒以上の冷却速度で、（Ａr3−５０）℃以下の温度に達するまで急冷して、冷却を停止し、（ｃ）上記鋼材の表層部（好ましくは、鋼材表層から１０ｍｍ以上の深さの範囲）の温度を、逆変態が完了する（Ａc3＋５０）℃以上の温度まで、復熱させるか、又は、加熱し、（ｄ）直ちに熱間加工を施すことを特徴とする表面品位に優れた鋼材の熱間加工方法。【選択図】図１
2015131311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材を加熱炉にて加熱した後、熱間加工を施す鋼材の熱間加工方法において、
（ａ）加熱炉にて、鋼材の全体を（Ａc3＋５０）℃以上の温度に加熱保持し、
（ｂ）熱間加工を施す前に、上記鋼材の表層部を５℃／秒以上の冷却速度で、（Ａr3−５０）℃以下の温度に達するまで急冷して、冷却を停止し、
（ｃ）上記鋼材の表層部の温度を、逆変態が完了する（Ａc3＋５０）℃以上の温度まで、復熱させるか、又は、加熱し、
（ｄ）直ちに熱間加工を施す
ことを特徴とする表面品位に優れた鋼材の熱間加工方法。
【請求項２】
前記急冷、及び、復熱又は加熱を行う鋼材の表層部の範囲が、鋼材表層から１０ｍｍ以上の深さの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の表面品位に優れた鋼材の熱間加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，鋼材を、加熱炉を経て、鋼片、棒鋼、又は、線材等へ熱間加工する際、又は、連続鋳造鋳片を、直接、熱間圧延する際、鋼材表面に表面疵が発生するのを防止する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼には、強度や靱性等の特性を向上させるために、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ等の種々の合金元素が添加される。また、鋼材製造方法の革新も著しく、省エネルギーやコスト削減の目的から、連続鋳造鋳片をインラインで圧下する方法、及び、直接圧延やホットチャージ圧延する方法が開発されている。
【０００３】
さらに、ニアネットシェイプキャスティング（ＮＮＳＣ）等で鋳造サイズを減少して、分塊圧延やサイジングを省略し、連続鋳造鋳片を、直接、棒鋼や線材へ熱延等で圧延する方法が開発されている。
【０００４】
しかし、これらの方法では、熱間加工時の延性が低く、表面疵が発生し易いという問題がある。
【０００５】
この問題に対しては、連続鋳造中、連続鋳造直後、又は、加熱前に、鋼材表層近傍に加工や熱処理を施し、鋳片表層の組織を微細化して延性を高め、表面疵を防止する手法が数多く提案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、鋳型を出た鋳片を表面温度が９５０℃以下、６５０℃以上となるように急冷し、この温度域で、鋳片の表層部に加工歪を与える方法が開示されている。特許文献２には、鋳片の表層温度がＡ3変態温度直下になったとき、冷却水で、鋳片の表層のみを急速に冷却し、一旦、表層温度をＡ1変態温度以下とした後、再加熱し圧延する方法が開示されている。
【０００７】
特許文献３には、連続鋳造鋳片の表面温度をＡr3変態点以上の温度域からＡr1変態点以下の温度域まで、鋳片表層のみを３００℃／秒以上の冷却速度で冷却し、その後、再び連続鋳造鋳片の表面温度をＡr3変態点以上の温度域まで復熱させる方法が開示されている。
【０００８】
特許文献４には、分塊又は圧延前に、鋳片の表面を５００℃以下に冷却し、かつ、再加熱時に５００℃から７５０℃の間を、３０℃／ｍｉｎ以下の平均昇温速度で加熱する方法が開示されている。
【０００９】
特許文献５には、連続鋳造された鋼鋳片を加熱後熱間圧延するに先立ち、該鋳片の表面温度を（Ａr3−５０）℃以下の温度に一旦冷却した後、（Ａc3＋５０）℃以上で、かつ、液相線温度以下の温度まで１００℃／分以上の速度で鋳片表面を加熱した後、直ちに、（Ａr3−５０）℃以下で、かつ、（Ａr3−２５０）℃以上の温度に１００℃／分以上の冷却速度で冷却する方法が開示されている。
【００１０】
これらの方法により、表面疵は劇的に改善した。ところが、上記の方法を適用した場合においても、操業条件によっては表面疵が発生するという問題が残る。即ち、上記の手法においては、鋳片表層の組織を微細化した後、鋳片を加熱炉に装入して再加熱を行い、その後、熱間加工を行うが、加熱炉内での操業条件によっては、表面疵が発生する場合がある。
【００１１】
この問題に対して、特許文献６には、加熱炉における在炉時間を管理し、加熱炉から抽出する際のブルームの表面温度と中心温度の温度差を一定範囲に制御する方法が開示されている。ただし、この方法では、Ａｌ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｂ等の炭化物、窒化物、炭窒化物が析出する鋼種や、Ｐｂ、Ｃｕ等を含有する熱間延性の低い鋼種では、表面疵を十分に防止することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開昭６０−５６４５３号公報
【特許文献２】特開昭６３−１８８４０１号公報
【特許文献３】特開２０１１−２４５２３２号公報
【特許文献４】特開平０５−００７９１５号公報
【特許文献５】特開平０７−２５６３０６号公報
【特許文献６】特開２００３−３４０５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記の状況に鑑み、鋼材を加熱炉にて加熱し、その後、熱間加工を施す鋼材の熱間加工方法において、表面品位に優れた鋼材の熱間加工方法を提供することを目的とする。
【００１４】
具体的には、Ａｌ、Ｂ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｐｂ、Ｃｕ等を含む熱間延性が低い鋼種の鋼材を加熱炉にて加熱して、分塊圧延やサイジングに供する場合、又は、連鋳機の内部や出側、又は、連鋳工程の直後で補助的な加熱装置や加熱炉で鋼材を加熱して、直接、熱間圧延に供する場合において発生する表面疵を防止する方法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】
【００１５】
本発明者らは、熱間加工時の表面疵の発生を抑制する手法として、鋳片を三次冷却して組織を微細化する手法があるが、その後の加熱炉内での加熱で結晶粒が成長して、組織が粗大化し、熱間加工時に割れが発生する場合あることを踏まえ、上記目的を達成する手法について鋭意検討した。
【００１６】
その結果、鋼材を加熱炉で加熱した後、急冷−加熱により逆変態を生じさせ、この逆変態で組織を微細化して、その直後に、熱間加工を実施すれば、表面疵の発生を抑制できることを見いだした。
【００１７】
本発明は、上記知見に基づいてななされたもので、その要旨は以下のとおりである。
【００１８】
（１）鋼材を加熱炉にて加熱した後、熱間加工を施す鋼材の熱間加工方法において、
（ａ）加熱炉にて、鋼材の全体を（Ａc3＋５０）℃以上の温度に加熱保持し、
（ｂ）熱間加工を施す前に、上記鋼材の表層部を５℃／秒以上の冷却速度で、（Ａr3−５０）℃以下の温度に達するまで急冷して、冷却を停止し、
（ｃ）上記鋼材の表層部の温度を、逆変態が完了する（Ａc3＋５０）℃以上の温度まで、復熱させるか、又は、加熱し、
（ｄ）直ちに熱間加工を施す
ことを特徴とする表面品位に優れた鋼材の熱間加工方法。
【００１９】
（２）前記急冷、及び、復熱又は加熱を行う鋼材の表層部の範囲が、鋼材表層から１０ｍｍ以上の深さの範囲であることを特徴とする前記（１）に記載の表面品位に優れた鋼材の熱間加工方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、種々の合金元素を含んだ鋼材を表面割れの発生なく熱間圧延できるので、従来、表面疵の発生で製造が困難であった鋼種を製造することができる。また、本発明によれば、疵発生の抑制で、従来の表面研削等による疵の手入れ作業が大幅に削減され、歩留りの向上や製造コストの大幅な削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明における鋼材表面の温度履歴を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明者らは、連鋳機内で圧下するインラインリダクションや分塊圧延、棒鋼、線材圧延、鋼板圧延等での熱間圧延での表面疵の発生原因について鋭意調査した。その結果、鋼材を熱間圧延する際に発生する表面疵は、再加熱時又は熱間圧延時に以下の機構で発生することを解明した。
【００２３】
その一つは、熱間圧延前の再加熱までの熱履歴や加工歴によっては、(1)鋼材の表層組織が鋳造ままの粗いγ粒の状態、(2)粗いγ粒の粒界に初析フェライト（α）が一部析出した状態、又は、(3)粗大なα＋パーライト（Ｐ）組織が鋼材表層部に残留した状態から加熱炉へ装入されることがあり、それまで過飽和に固溶していた炭化物、窒化物、炭窒化物等が昇温過程でγ粒等の粒界に析出して粒界を脆化することに加え、昇温時の熱膨張等により歪が粒界に集中して割れが発生したり、割れの伝播を助長するという機構である。
【００２４】
この割れ発生機構によれば、特許文献１〜５記載の手法などにより、鋼材表層の組織を微細化することで、表面疵を防止することが可能である。
【００２５】
ところが、鋼材表層の組織を微細化した場合であっても、加熱炉内での加熱中に、微細化したはずのγ粒の粗大化が進行し、昇温時の熱膨張等により歪が粒界に集中して割れが発生したり、割れの伝播を助長するという機構もあることが判明した。この場合、連続鋳造中、連続鋳造直後、又は、加熱前に鋼材表層近傍に加工や熱処理を実施したとしても、その後の加熱炉で再び問題が発生することになる。
【００２６】
本発明者らは、特に、後者の機構で発生する表面疵の防止方法について種々検討を重ねた。その結果、加熱炉での加熱を実施した後に、特殊な熱処理を実施して鋼材表層部のみにおいて組織や析出物の分布状況を制御し、その直後に熱間加工を実施すれば、鋼材表層部の熱間延性を高めて表面疵の発生、伝播を防止することが可能なことを見出し、本発明に至った。
【００２７】
即ち、本発明によれば、鋼材表層部の組織を微細化し、その直後に熱間加工を実施することにより、粒成長の影響を排除することができる。
【００２８】
以下、本発明について説明する。図１に、本発明における鋼材表面の温度履歴を模式的に示す。
【００２９】
まず、加熱炉において、鋼材の全体を、（Ａc3＋５０）℃以上の温度に加熱保持し、γ粒を成長させるとともに、炭化物、窒化物、炭窒化物等を固溶させる。これは、材質特性を確保するために必要である。
【００３０】
次に、鋼材表層部の温度を、（Ａr3−５０）℃以下の温度に、一旦冷却する。この理由について説明する。一般に、加熱炉で鋼材を長時間保持した場合、γ粒は粒成長して粗大化する。この状態から、鋼材表層部を、表面温度が（Ａr3−５０）℃以下になるよう冷却すると、α変態やＰ変態、又は、ベイナイト（Ｂ）変態が起きる。
【００３１】
また、変態の進行に伴い、結晶粒内に亜粒界も発達するとともに、温度低下で、炭化物、窒化物、炭窒化物等の溶解度が小さくなり、固溶していた炭化物、窒化物、炭窒化物等が、幾らか、粒界や亜粒界に析出する。
【００３２】
即ち、鋼材表層部の温度が（Ａr3−５０）℃以下の温度になるように一旦冷却すると、粗大なγ組織から、粒界や亜粒界が発達した（α＋Ｐ）組織又はＢ組織が得られ、かつ、より低温まで冷却されるため、炭化物、窒化物、炭窒化物等の析出量も増加する。
【００３３】
このとき、冷却速度が速いほど、α変態やＰ変態、又は、ベイナイト（Ｂ）変態の核生成が促進され、そのため、組織が微細化される。表面疵防止のためには、冷却速度５℃／秒以上が必要である。
【００３４】
鋼材を一旦冷却した状態から、（Ａc3＋５０）℃以上の温度まで鋼材表層部を、復熱させるか、又は、加熱する。そうすると、加熱過程で、粒界や亜粒界が発達した（α＋Ｐ）組織又はＢ組織はγ組織に再変態するが、その際、粒界だけでなく、発達した亜粒界からも核生成が生じるので、γ粒は、加熱炉内にて生成したγ粒に比べて顕著に微細化する。
【００３５】
鋼材表層部を、（Ａc3＋５０）℃以上の温度まで加熱するのは、（α＋Ｐ）組織又はＢ組織を短時間にγ組織に変態させるためである。このとき、加熱過程でのγ組織の粗大化を防止するため、加熱速度は１℃／秒以上にすることが好ましい。
【００３６】
なお、鋼材表層部を加熱する方法は、鋼材内部の熱による復熱方法でよい。他に、鋼材表層部を積極的に加熱する方法も考えられる。加熱手段としては、ガスバーナータイプのものでも、誘導加熱タイプのものでも、所望の速度で加熱できる能力を有しているものであれば構わない。
【００３７】
上記急冷及び復熱又は加熱を施す鋼材表層部の範囲は、圧延試験の結果から、表層の割れを生じていない領域の厚みが１０ｍｍ以上あれば、内在する割れは熱間圧延時に圧着し、表面に露出しないことが判っているので、鋼材表層から１０ｍｍ以上の深さの範囲とすれば十分である。
【００３８】
さらに、鋼材表層部に急冷及び復熱又は加熱を施した後、直ちに、熱間加工を実施することが必要である。復熱又は加熱後に長時間保持した場合、再びγ組織の粗大化が起きてしまい、表面疵発生の原因となる。好ましくは、熱間加工の直前で急冷及び復熱又は加熱を実施するのがよい。また、復熱又は加熱の後、表面溶削等を実施する程度であれば問題ない。
【００３９】
本発明によれば、加熱炉での加熱の後に鋼材表層部の組織を微細化し、その直後に、熱間加工を施すことにより、加熱炉内でのγ粒の粗大化に伴う割れ発生、伝播が抑制され、表面疵の発生を低減することが可能となる。
【実施例】
【００４０】
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
【００４１】
（実施例）
表１に示す化学組成の鋼を断面サイズ２２０ｍｍ角に連続鋳造し、連続鋳造出側で水冷して鋳片を製造した。
【００４２】
【表１】
2015131311.tif 000003
【００４３】
次に、上記鋳片を加熱炉で所定温度まで加熱し、鋳片全体を熟熱させた。加熱炉から抽出し、水スプレーにより種々の温度まで鋳片表層を冷却し、その後、復熱させるか又は加熱した。加熱に際しては、ガスバーナータイプの加熱装置又は誘導加熱装置を用いて急速加熱処理を行った。
【００４４】
そのまま、棒鋼、線材に熱間圧延し、その成品において発生した表面疵の程度を疵評点で評価した。疵評点は値が大きいほど疵の程度が悪いことを示す。
【００４５】
各鋼材のＡr3温度、Ａc3温度、加熱炉温度、急冷時の冷却速度、急冷後の温度、復熱又は加熱後の温度、加熱実施の有無、鋼材表層域の厚み、成品での表面疵評価結果を表２及び表３に示す。表２及び表３には、比較例の表面疵評価結果も示す。なお、鋼材表層域の厚みに関しては、同様の熱処理実験を行い、熱間加工しないまま冷却した試料の断面観察に基づく値である。
【００４６】
【表２】
2015131311.tif 000004
【００４７】
【表３】
2015131311.tif 000005
【００４８】
表２と表３より、Ａ〜Ｇのいずれの鋼種においても、実施例の方が、比較例に比べ表面疵評点が小さい値になっており、疵の程度は大幅に改善されていることが解る。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
前述したように、本発明によれば、種々の合金元素を含んだ鋼材を表面割れの発生なく熱間圧延できるので、従来、表面疵の発生で製造が困難であった鋼種を製造することができる。また、本発明によれば、疵発生の抑制で、従来の表面研削等による疵の手入れ作業が大幅に削減され、歩留りの向上や製造コストの大幅な削減が可能となる。よって、本発明は、鉄鋼産業において利用可能性が高いものである。
【図１】
2015131311.tif 000006