JP4350257B2 - Ｆｅ−Ｃｒ系およびＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系ステンレス鋼の熱間圧延用素材および熱間圧延時の耳割れ防止法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に熱間圧延で加工性が低下し、熱間圧延中に耳割れが生じるＦｅ-Ｃｒ系あるいはＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼を熱間圧延する際に用いる熱間圧延用素材および熱間圧延方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステンレス鋼のうち凝固ままの状態でオーステナイト地に10体積%以上のフェライトが存在するオーステナイト系ステンレス鋼およびフェライト＋オーステナイトの2相系ステンレス鋼等のＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼は熱間圧延中に耳割れが発生するという問題を抱えていた。また、フェライト系ステンレス鋼、あるいはマルテンサイト系鋼ステンレス鋼等のＦｅ-Ｃｒ系ステンレス鋼においても、熱間圧延中にフェライトとオーステナイトの2相となる場合も、熱間圧延中に耳割れが発生する問題が生じていた。ここでいう耳割れとは、鋼帯の両エッジから幅方向へ数mmから数十mmの割れを指し、耳切れあるいは端切れともいう。上記のＦｅ-Ｃｒ系あるいはＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼はいずれも熱間圧延する温度域でフェライト相とオーステナイト相が共存する鋼種であるが、フェライト相とオーステナイト相が共存する温度域で熱延すると耳割れが生じ易い原因として、オーステナイト相とフェライト相の界面にS等の不純物元素が偏析しこの界面が脆弱となるため、あるいはオーステナイト相とフェライト相との変形抵抗の差異が大きいためと説明されている。
熱間圧延中に耳割れが生じると、割れた破片が健全部への飛び込み疵や穴あきの原因となり熱延鋼帯の歩留まり低下やグラインダー工程の増加をもたらすだけでなく、著しい場合は耳割れを起点として鋼帯の破断が生じ、熱間圧延操業に支障をきたす場合がある。
【０００３】
これまで「塑性加工学，精密工学講座第10卷，コロナ社，(1978)」に圧延時での耳割れの発生を防止するため、スラブ側面を延性が高い材料を接合して圧延することが開示されている。また、特開昭59-150603号には電磁鋼板のスラブ側面に軟鋼板を付着させるあるいは軟鋼相当材質の溶接棒を用いて肉盛り溶接し熱間圧延する方法が開示されている。特開平9-269398はB添加したオーステナイト系ステンレス鋼のスラブの側面にデルタフェライトが3〜12体積%となるようにオーステナイト系ステンレス鋼を肉盛り溶接することが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、種々のＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼のスラブ側面にSUS304のフープを用い帯状電極溶接法により肉盛り溶接し、溶接金属層のフェライトを耳割れが生じない体積%に調整するためには、フラックス中のＣｒ%をそれぞれのステンレス鋼スラブ組成に対応して変える必要がある。また、フェライト量を5〜10%の範囲になるように溶接金属層を形成したとしても耳割れを完全に防止することはできなかった。
【０００５】
一方、Ｆｅ-Ｃｒ系ステンレス鋼スラブにSUS304のフープ状の溶接材料を適用した場合は、溶接金属層のフェライト量が耳割れが生じる10%以上に増加してしまう。また、凝固ままのスラブのデルタフェライト%が10%以上のＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼スラブの場合、溶接金属層のデルタフェライトを5〜10%の間に調整し厚み5mmの溶接金属層を形成させて熱間圧延を実施したが、若干改善されるものの耳割れを完全に防止することはできなかった。
【０００６】
耳割れが生じるＦｅ-Ｃｒ系およびＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系の厚み200mm長さ8mの連続鋳造スラブ側面に軟鋼板を付着させる方法では、軟鋼板が熱延中に剥離しないように板あるいはスラブに機械加工により開先を作りスラブと板との界面を隙間なく溶接する必要があり、接合に時間がかかるとともに機械加工等の施工コストが増大するという問題があった。一方、軟鋼相当材質の溶接棒を用いて連続鋳造スラブの側面を溶接棒で肉盛り溶接する場合でも多大な時間とコストが増大するという問題があった。
【０００７】
そこで溶接棒に比べ著しく生産性の高い帯状電極溶接法により単に軟鋼相当材質のフープを用いて連続鋳造スラブの側面に肉盛り溶接した場合、比較的短時間で施工できるものの溶接金属表面に割れが発生し、このスラブを熱間圧延した場合、溶接金属表面の割れに起因した耳割れが発生する問題があった。
【０００８】
以上のように被圧延材の側面を高温延性の高い材料で被覆することにより耳割れを防止する方法は開示されているものの、耳割れが生じやすいＦｅ-Ｃｒ系あるいはＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼の連続鋳造スラブあるいは分塊スラブを工業的規模で熱間圧延するに当たり、肉盛り溶接が比較的短時間でかつ安価に行え、さらに溶接金属層に割れが発生しない適正な被覆条件および耳割れが発生しない熱間圧延方法は開示されていなかった。このため、耳割れが生じやすいＦｅ-Ｃｒ系あるいはＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼の熱延鋼帯を耳割れ発生することなく工業的規模で経済的に製造することはできなかった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱間圧延中にフェライトとオーステナイトの2相となるＦｅ-Ｃｒ系あるいはＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼のスラブと、該スラブの側面に帯状電極溶接法により形成された肉盛り溶接金属層とを備え、該肉盛り溶接金属層の厚みが4mm以上でありかつ溶接金属層の表面から1mmの範囲のＣｒの含有量が3.0mass%以下、Ｃの含有量が0.15mass%以下であることを特徴とする熱間圧延用素材、さらにこの熱間圧延用素材を熱間圧延して鋼帯を製造する方法を提供する。
【００１０】
【作用】
本発明者等は、Ｆｅ-Ｃｒ系およびＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼の中でも著しい耳割れが発生するSUS309S（デルタフェライトが約23体積%）の厚み50mm、幅100mm、長さ150mmの大きさの試験片側面に、種々の鋼種の溶接材料を帯状電極溶接法により肉盛り溶接し熱延実験を行った。耳割れの評価は1パス当たりの圧下率を25%一定とし多パス圧延を行い、耳割れが発生したパス数で行った。すなわち、肉盛り溶接した試験片が何ら肉盛り溶接していない試験片に比べ、耳割れが生じたパス数が多いほど耳割れの改善効果が高いことを示す。
【００１１】
SUS430を溶接材料として用いてSUS309Sの試験片の両側面に帯状電極溶接法により約5mm厚の肉盛り溶接した。しかしながら、溶接金属層の表面に溶接割れが発生し、熱間圧延時にこの溶接割れを起点として割れが発生した。
【００１２】
軟鋼は一般にCレベルが0.18〜0.30mass%の鋼を指し(鉄鋼便覧IV(1981)p5)、溶接材料としてCを0.20mass%含む軟鋼を用いた場合では前述の大きさの試験片サンプルでは溶接金属層の表面に割れは生じず、熱延実験でも10パスまで割れが発生しなかった。そこで、0.20mass%のCを含む軟鋼を溶接材料とし、側面の酸化スケールを除去した厚さ200mm、幅1000mm、長さ8mのSUS309S（デルタフェライト:約23体積％）の連続鋳造スラブ側面に帯状電極溶接法で肉盛り溶接した。しかし、その溶接金属層の表面には多数の割れが発生した。割れは溶接金属が凝固・冷却後に発生しているためこの割れは低温割れと考えられる。一般的に低温割れは、溶接金属がマルテンサイト組織となり硬化すること、拡散性水素量が多くなること、そして拘束力が大きくなることの要因が重畳して発生すると言われている。
【００１３】
一方、連続鋳造スラブは小片サンプルに比べ質量が大きいため溶接金属層の冷却速度が著しく速くなり硬いマルテンサイト組織量が増大すること、水素の拡散が不十分なため低温割れが生じたものと考えられた。一般に予熱、後熱は溶接金属の硬化の緩和および水素の除去を促進し低温割れに有効とされているが、連続鋳造スラブを予熱・後熱するためには大型の加熱炉が必要となり、多額の設備投資を余儀なくされる。
【００１４】
そこで、この溶接金属の割れを防止するために、溶接金属の割れ感受性を低下させる方策を検討した。まず溶接材料中のC量の割れに及ぼす影響を調べた。C量の異なる鋼製溶接材料で連続鋳造スラブに種々の条件で肉盛り溶接し、溶接金属の表面から1mmの領域から採取したサンプルを化学分析して得た値を溶接金属中の成分値とし、この成分値とスラブ片面当たり(1.6m²当たり)の割れ個数との関係を調査した。割れの調査は浸透探傷試験方法により行った。
【００１５】
その結果、溶接金属中の成分は母材が一部溶融し溶接金属層に拡散してくるため、母材成分であるＣｒ、Ｎｉ等の成分濃度が増加する。溶接金属中の成分と割れとの関係を調査した結果、溶接金属の割れは溶接金属中のCと母材の主成分であるＣｒに主に依存することが分かった。すなわち、溶接金属の割れは、主に溶接材料中のCと母材が一部溶融し拡散して来るＣｒの量が増加し、溶接金属のマルテンサイト組織が硬化することにより割れ感受性が高くなることにより生じる。この溶接金属の割れは、Ｆｅ-Ｃｒ系、Ｆｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系の鋼種に依存せず、溶接金属層のCを0.15mass%以下、Ｃｒを3.0mass%以下にすることにより防止できることが判った。
【００１６】
【発明の実施の形態】
溶接金属中のC量は、対象とするＦｅ-Ｃｒ系あるいはＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼のC量が最大でも0.15%と少ないため母材からの影響は小さく、鋼製の溶接材料中のC量にほぼ対応するか、溶接材料中のC量より若干低くなる。このため、溶接金属中のC量を0.15mass%以下にするためには、C量を軟鋼よりも低いC量である0.15mass%以下とし、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分の鋼製の溶接材料を使用することで十分である。
【００１７】
一方、溶接金属層中のＣｒは、母材であるＦｅ-Ｃｒ系、あるいはＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼中のＣｒが溶接金属中に溶け拡散することによって増加する。このＣｒ量を3.0mass%以下とするためには、母材側への溶け込み率、いわゆる希釈率を30%以下となる溶接条件とし、かつ肉盛り層数を2層以上にすることにより達成できる。希釈率30%以下とする適正溶接条件の一例として、フープ状溶接材料の幅が50mmの場合、電流700A、電圧24V、溶接速度200mm/minで達成できる。
【００１８】
次に、溶接金属層の厚みを変えて熱間圧延実験を行った。その結果、耳割れを防止するためには溶接金属層の厚みが4mm以上必要であることがわかった。実際の熱間圧延では、圧延による溶接金属の減肉および酸化スケールロスが生じる。特に溶接金属層がSUS304等のステンレスではなく鋼であるため1mmの酸化スケールロスがあることが分かった。この4mm厚以上の溶接金属層は、溶接電流を700A、電圧は24V一定とし、溶接速度を150〜250mm/minの溶接条件で2層以上の肉盛り溶接とすることで達成できる。肉盛り層数は多いほど耳割れ抑制効果は高くなるが、10mmを超えるといたずらにコスト上昇を招くため溶接金属の厚みとして4〜10mmが適正である。
【００１９】
【実施例】
表１に示す成分のＦｅ-Ｃｒ系およびＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼を連続鋳造法により200mm厚×1000mm幅のスラブに鋳造した。このスラブの側面の酸化スケールを砥石研削により除去した後、表２に示すC量の厚み0.4mm、幅50mmのフープ状の溶接材料を用いて、スラブ側面全面に帯状電極法により肉盛り溶接を行った。溶接条件として、電圧は24V一定とし、電流を600〜750A、溶接速度を100〜300mm/minの範囲で変化させた。溶接金属の厚みはこの溶接速度の変更と肉盛り層数で変えた。なお、溶接金属の厚みは肉盛り溶接前後のスラブの幅の差異から求め、長さ1m毎に測定した値の平均値とした。肉盛り溶接金属表面の割れは浸透探傷法により行い、その結果を表２に示す。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【表２】

【００２２】
この熱間圧延用素材を加熱炉で加熱し、熱間圧延機により5mmの熱延鋼帯に圧延した。その時の熱延鋼帯の耳割れ状況も合わせて表２に示す。また、比較例として肉盛り溶接無しの素材についても熱延を行った。
表２から明らかなように、本発明に従ったNo.1〜9では耳割れは鋼種Bを除いて耳割れは発生せず、鋼種Bでも耳割れは5mm以下と軽微であった。
【００２３】
肉盛り溶接なしの場合は、5鋼種とも耳割れが全長にわたって多数生じ、耳割れ深さも21mm以上であった（No.10，13，15，18，19）。肉盛り溶接した場合でも溶接金属厚みが3mmと薄いNo.12，16では耳割れ深さは若干浅くなったものの6mm以上の耳割れが全長にわたって生じていた。No.11，14，17は耳割れの数は少ないものの、生じた耳割れ深さは21mm以上であった。この耳割れは溶接金属のCあるいはＣｒが高くなり溶接金属に割れが発生し、この割れを起点として生じたと推察された。
【００２４】
【発明の効果】
本発明に従えば熱間圧延中にオーステナイトとフェライトが共存する耳割れが発生しやすいＦｅ-Ｃｒ系、Ｆｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼スラブから耳割れのない、あるいは耳割れが生じても軽微な熱延鋼帯を得る事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 溶接金属層のＣ,Ｃｒ含有量と熱延時の割れ個数との関係

Claims (2)

1. 熱間圧延中にフェライトとオーステナイトの2相となるＦｅ-Ｃｒ系あるいはＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼のスラブと、該スラブの側面に帯状電極溶接法により形成された2層以上よりなる肉盛り溶接金属層とを備え、該肉盛り溶接金属層の厚みが4mm以上でありかつ溶接金属層の表面から1mmの範囲のＣｒの含有量が3.0mass%以下、Ｃの含有量が0.15mass%以下であることを特徴とする熱間圧延用素材。
2. 熱間圧延中にフェライトとオーステナイトの2相となるＦｅ-Ｃｒ系あるいはＦｅ-Ｃｒ-Ｎｉ系ステンレス鋼のスラブの側面に、帯状電極溶接法により2層以上よりなる溶接金属層の厚みが4mm以上でありかつ溶接金属層の表面から1mmの範囲のＣｒの含有量が3.0mass%以下、Ｃの含有量が0.15mass%以下の肉盛り溶接金属層を形成することを特徴とする熱間圧延時の耳割れ防止法。

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