JP2018185349A

JP2018185349A - 鋼材のスケール密着性評価方法

Info

Publication number: JP2018185349A
Application number: JP2018164641A
Authority: JP
Inventors: 武田　実佳子; Mikako Takeda; 実佳子武田; 昌平中久保; Shohei Nakakubo; 浩三朗大村; Kosaburo Omura
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2018-11-22

Abstract

【課題】鋼材の圧縮側表面に形成されたスケールの密着性を定量的に評価することができる鋼材のスケール密着性評価方法を提供する。【解決手段】熱間圧延プロセスを模擬した熱処理条件での鋼試験片の表面にスケールを形成した後、鋼試験片をＳＥＭチャンバー内で圧縮してスケールの剥離挙動をｉｎ−ｓｉｔｕ観察してスケールが剥離する時点までの応力、歪を測定し、測定値をもとに描いた応力−歪線図から、スケールが剥離するまでにスケール中に蓄積される歪エネルギーｕを導出すると共に、鋼試験片の断面観察からスケールの厚さξを測定し、スケールの付着エネルギーＧを求める。【選択図】図１

Description

本発明は、熱間圧延後の鋼材を、曲げ加工或いはプレス加工した際の圧縮側表面のスケールの密着性を評価する鋼材のスケール密着性評価方法に関するものである。

熱間圧延された鋼材の曲げ加工やプレス加工を行う際に、鋼材の表面に形成されたスケールが剥離して設備故障の原因となることがあり、密着性の良いスケールが求められている。そのため、種々の生成条件におけるスケールの密着性を定量的に評価する必要がある。

鋼材のスケールの密着性評価については、従来から主に引張試験によるスケール密着性評価がなされており、曲げ加工時或いはプレス加工時の引張側表面のスケールの密着性は把握できている。このような引張試験によるスケール密着性評価に対する提案は種々あった。

例えば、非特許文献１には、ワイヤを埋め込んだ試験片を熱処理してスケールを生成し、引張試験によりスケールの剥離強度を評価する方法が記載されている。また、非特許文献２には、熱処理してスケールが付着した試験片同士を圧着して接合し、引張試験によりスケールの密着性を評価する方法が記載されている。

しかしながら、これら従来の評価方法では引張側のスケールの密着性の評価しかできない。つまり、引張側のスケールの剥離を抑えることに加えて、圧縮側表面のスケールの剥離も抑える必要があり、圧縮側のスケールの密着性を定量的に評価する方法が必要とされていた。

森田正彦、外２名、「スケールの高温剥離強度とデスケーリング性の関係」、鉄と鋼、日本鉄鋼協会、１９８２年、ｖｏｌ．６８、Ｎｏ．５、ｐ．１１４串田仁、外２名、「スケールの高温密着性評価手法」、鉄と鋼、日本鉄鋼協会、２０１２年、ｖｏｌ．９８、Ｎｏ．１１、ｐ．５９３

本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、熱間圧延された鋼材の曲げ加工やプレス加工を行う際に、鋼材の圧縮側表面に形成されたスケールの密着性を定量的に評価することができる鋼材のスケール密着性評価方法を提供することを課題とするものである。

本発明の鋼材のスケール密着性評価方法は、熱間圧延後の鋼材を、曲げ加工或いはプレス加工した際の圧縮側表面のスケールの密着性を評価する鋼材のスケール密着性評価方法であって、熱間圧延プロセスを模擬した熱処理条件で円筒状の鋼試験片の表面にスケールを形成した後、前記鋼試験片を、ＳＥＭチャンバー内で圧縮して前記スケールの剥離挙動をｉｎ−ｓｉｔｕ観察することで前記スケールが剥離する時点までの応力および歪を測定し、その測定値をもとに描いた応力−歪線図から、前記スケールが剥離するまでに前記スケール中に蓄積される歪エネルギーを導出すると共に、前記鋼試験片の断面観察により前記スケールの厚さを測定し、下記式（１）をもとに前記スケールの付着エネルギーを求めることを特徴とする鋼材のスケール密着性評価方法である。

Ｇ＝ｕ×ξ・・・式（１）
但し、Ｇは付着エネルギー（Ｊ／ｍ２）、ｕは剥離するまでにスケール中に蓄積される歪エネルギー（Ｊ／ｍ３＝Ｐａ）、ξはスケール厚さ（ｍ）である。

本発明の鋼材のスケール密着性評価方法によると、熱間圧延された鋼材の曲げ加工やプレス加工を行う際に、鋼材の圧縮側表面に形成されたスケールの密着性を定量的に評価することができる。

鋼材の圧縮側表面に形成されたスケールが曲げ加工やプレス加工で剥離するまでの応力と歪の関係を示すグラフ図である。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

（スケール剥離のメカニズム）
本発明の鋼材のスケール密着性評価方法の内容を説明する前に、スケール剥離の発生メカニズムについて説明する。鋼材の表面に形成されたスケールの剥離は、スケール中に蓄積された歪エネルギーが、スケールと鋼の界面を破壊するに要するエネルギーを超えたときに発生する。スケールの密着性の指標となる付着エネルギーは、Ｈ．Ｅ．Ｅｖａｎｓ：ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｖｉｅｗ４０，１，（１９９５）や、Ｈ．Ｅ．Ｅｖａｎｓ：ＯｘｉｄａｔｉｏｎｏｆＭｅｔａｌｓ７９，３，（２０１３）などに記載されており、下記式（１）で表すことができる。

Ｇ＝ｕ×ξ・・・式（１）
但し、Ｇは付着エネルギー（Ｊ／ｍ２）、ｕは剥離するまでにスケール中に蓄積される歪エネルギー（Ｊ／ｍ３）、ξはスケール厚さ（ｍ）である。

また、曲げ加工時やプレス加工時に、圧縮側のスケールに圧縮による応力負荷をかけ始めてからスケールが剥離するまでの応力の変化は、図１に示すように、３段階に分けることができ、Ｃｈａｎｄｒａ−Ａｍｂｈｏｒｎｅｔａｌ．：ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２３，４９７（２００７）により、以下のモデル式（２）〜（４）が提唱されている。

ＳｔａｇｅＩ（ＡＢ）：応力負荷前のスケール中に残留応力が存在し、圧縮状態にある。
σＩ＝σｒｅｓ＝Ｅｏｘ／（１−νｏｘ）・εｒｅｓ・・・式（２）
但し、σＩはＳｔａｇｅＩにおける応力（ＧＰａ）、σｒｅｓはスケール中の残留応力（ＧＰａ）、Ｅｏｘはスケールのヤング率（ＧＰａ）、νｏｘはスケールのポアソン比、εｒｅｓはスケール中の歪である。

ＳｔａｇｅＩＩ（ＢＣ）：応力を負荷すると鋼の歪が弾性限界に到達するまでスケールと鋼が弾性変形する。
σＩＩ＝Ｅｏｘ（１―νｍνｏｘ）／（１−νｏｘ２）・εＩＩ・・・式（３）
但し、σＩＩはＳｔａｇｅＩＩにおける応力（ＧＰａ）、Ｅｏｘはスケールのヤング率（ＧＰａ）、νｍは金属（鋼）のポアソン比、νｏｘはスケールのポアソン比、εＩＩはスケール中の歪である。

ＳｔａｇｅＩＩＩ（ＣＤ）：更に応力負荷すると鋼は塑性変形し始めるが、スケールは弾性変形して剥離に至る。
σＩＩＩ＝Ｅｏｘ／（１−νｏｘ２）・｛εＩＩＩ＋νｏｘ［（１／（１＋εＩＩＩ）
）１／２−１］｝・・・式（４）
但し、σＩＩＩはＳｔａｇｅＩＩＩにおける応力（ＧＰａ）、Ｅｏｘはスケールのヤング率（ＧＰａ）、νｏｘはスケールのポアソン比、εＩＩＩはスケール中の歪である。

このように、曲げ加工時やプレス加工時に鋼材の圧縮側表面に形成されたスケールが剥離するまでの応力と歪の関係は、図１に示す応力−歪線図により表すことができる。この応力−歪線図をもとに、スケールが剥離するまでにスケール中に蓄積される歪エネルギー（ｕ）は、図１に表示したＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅで囲まれた面積を求めることで導出することができる。

（圧縮表面のスケール密着性評価方法）
次に、熱間圧延後の鋼材を、曲げ加工或いはプレス加工した際の圧縮側表面のスケールの密着性を評価する方法について具体的に説明する。

まず、円筒状の鋼試験片を作製し、熱間圧延プロセスを模擬した熱処理条件（雰囲気、温度、時間）により、その鋼試験片の表面にスケールを形成する。この際、スケールの厚さ（ξ）を、ＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査型電子顕微鏡）による断面観察にて測定する。

その後、スケールを表面に形成した鋼試験片を用いて、ＳＥＭチャンバー内で圧縮試験を行い、スケールの剥離挙動をｉｎ−ｓｉｔｕ観察することでスケールが剥離する時点までの応力、歪を測定する。その測定値をもとに、図１に示すような応力−歪線図を作図する。

次に、図１に示す応力−歪線図のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅで囲まれた面積を求めることで、スケールが剥離するまでにスケール中に蓄積される歪エネルギー（ｕ）を導出する。

最後に、測定により求めたスケールの厚さ（ξ）と、スケールが剥離するまでにスケール中に蓄積される歪エネルギー（ｕ）をもとに、Ｇ＝ｕ×ξという式（１）から付着エネルギー（Ｇ）を求める。求められた付着エネルギー（Ｇ）から、鋼材の圧縮側のスケールの密着性を定量的に評価することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。

Ｆｅ−０．０１質量％Ｓｉ−１．０質量％Ｍｎ鋼およびＦｅ−１．２質量％Ｓｉ−１．０質量％Ｍｎ鋼を溶製し、それら溶製した鋼塊を、φ１０ｍｍ×１０ｍｍの円筒状に加工して、Ｓｉの含有量が異なる各鋼ともにそれぞれ３つの鋼試験片を作製した。それら鋼試験片を、窒素雰囲気中で、８００℃、８５０℃、９００℃の各温度まで１５℃／ｓｅｃにて昇温し、昇温が完了した状態で大気を導入し、１０秒間保持して表面にスケールを生成させ、その後、４５０℃にて窒素中で１時間保持したのち、室温まで冷却した。この際、各鋼試験片の表面に形成されたスケールの厚さ（ξ）を、ＳＥＭによる断面観察にて測定した。

次に、ＳＥＭチャンバー内にてスケールが表面に付着した円筒状の各鋼試験片を、室温で１０ｍｍ／ｓｅｃの試験速度にて圧縮する圧縮試験を実施し、それら鋼試験片表面のスケールの剥離挙動を倍率５００倍でｉｎ−ｓｉｔｕ観察した。スケールが剥離した瞬間の歪み量および応力を測定し、図１に表示した応力−歪線図のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅで囲まれた面積を求めて、スケールが剥離するまでにスケール中に蓄積される歪エネルギー（ｕ）を導出し、Ｇ＝ｕ×ξから付着エネルギー（Ｇ）を算出した。

試験結果を表１および表２に示す。尚、表１はＦｅ−０．０１質量％Ｓｉ−１．０質量％Ｍｎ鋼を用いて行った試験結果、表２はＦｅ−１．２質量％Ｓｉ−１．０質量％Ｍｎ鋼を用いて行った試験結果である。

当業者の間では、Ｓｉの含有量が高いほどスケールの密着性が良好になることが知られているが、表１および表２に示す本試験結果でも同様の結果を得ることができており、本発明の鋼材のスケール密着性評価方法により、熱間圧延された鋼材のプレス加工や曲げ加工を行う際に、鋼材の圧縮側表面に形成されたスケールの密着性を定量的に評価できることが確認できた。

Claims

熱間圧延後の鋼材を、曲げ加工或いはプレス加工した際の圧縮側表面のスケールの密着性を評価する鋼材のスケール密着性評価方法であって、
熱間圧延プロセスを模擬した熱処理条件で円筒状の鋼試験片の表面にスケールを形成した後、
前記鋼試験片を、ＳＥＭチャンバー内で圧縮して前記スケールの剥離挙動をｉｎ−ｓｉｔｕ観察することで前記スケールが剥離する時点までの応力および歪を測定し、
その測定値をもとに描いた応力−歪線図から、前記スケールが剥離するまでに前記スケール中に蓄積される歪エネルギーを導出すると共に、
所定の式をもとに前記スケールの付着エネルギーを求めることを特徴とする鋼材のスケール密着性評価方法。