JP7348511B2 - 薄鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄鋼板の製造方法に関するものである。

自動車用の高張力鋼等の用途において、自動車の衝突安全性と燃費向上の両立のために、より高強度かつ軽量化に向けた鋼板のハイテン化が進展している。そのため、Ｍｎ等の合金を多量添加する品種、例えば５％Ｍｎ鋼などが用いられている。

通常の鋼板の製造においては、連続鋳造法によって厚みが２００～３００ｍｍの鋳片を鋳造し、鋳片を熱間圧延することにより、所要の厚さを有する鋼板を製造している。このような一般的な方法を用いて上記のような高張力鋼板を製造したとき、鋼板の強度は十分に確保されるものの、鋼板の延性が十分ではない、という問題を有していた。

上記のような高張力鋼板は、Ｍｎ等の合金を多量添加するため、鋳片のミクロ偏析部に合金成分が濃化して偏析部を形成する。この偏析は圧延後、圧延方向と平行になり、鋼板断面に層状の偏析バンドが形成される。すると、偏析部と非偏析部で異なる組織が形成される。この層状組織を引張試験に供すると二層の境界面に応力集中し、延性が悪化するものと推定される。

特許文献１には、機械的強度の高い鋼板を製造するため、結晶粒微細化を狙い、２回熱間圧延を行う発明が開示されている。特許文献２には、１０％及び３５％圧下での機械的性質が降伏強さ、引張り強さ、破断伸びについて１０％以内であるような鋼ストリップを熱間圧延する発明が開示されている。機内圧延による偏析の組織コントロールを利用するものである。

省工程・省エネルギーの観点から、最終品に近い薄板を鋳造段階で製造する技術、すなわちニアネットシェイプ連続鋳造の開発が行われている。このうち、薄板系のニアネットシェイプ連続鋳造として有力なものとして、いわゆるストリップ連続鋳造法が知られている。ストリップ連続鋳造法とは、溶湯と鋳型ロール（あるいはベルト）を直接接触させて凝固させ、鋳造厚０．１～１０ｍｍ程度に連続鋳造するニアネットシェイプ連続鋳造法である（非特許文献１）。以下、ここでは「薄肉鋳片の連続鋳造」と呼ぶ。薄肉鋳片の連続鋳造方法としては、双ロール式連続鋳造方法、単ロール式連続鋳造方法、双ベルト式連続鋳造方法、単ベルト式連続鋳造方法などが知られている。

双ロール式連続鋳造装置による薄肉鋳片の連続鋳造においては、図１に示すように、一対の鋳造ロール１を配置し、ロール間の最近接距離（ギャップ最小部２０のギャップ）が鋳造する薄肉鋳片５の厚みとなる。鋳造ロール１の両端に固定堰２（サイド堰ともいう。）を押し付けて溶融金属プール部３を形成し、ノズル４から溶融金属プール部３に溶湯を連続的に供給しながら一対の鋳造ロール１を互いに反対方向に回転させる。ロール周面に沿って生成した一対の凝固シェル２３をロール間の最近接部位（ギャップ最小部２０）で圧着し薄肉鋳片５とする。

特開２０００－１０７８０３号公報 特許第６１２０４８２号公報

第５版鉄鋼便覧 第１巻 製銑・製鋼、第４５６～４５７頁 鉄と鋼、６１巻１４号（１９７５）２９８２～２９９０頁

本発明は、高強度鋼板を製造するに際し、特許文献１に記載の結晶粒の微細化、あるいは特許文献２に記載の機内圧延による偏析の組織コントロールとは異なる方法で、強度と延性のバランスに優れた薄鋼板を製造することができる、薄鋼板の製造方法を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
［１］双ロール式連続鋳造装置を用いて薄肉鋳片を鋳造し、前記薄肉鋳片を熱間圧延する薄鋼板の製造方法であって、
鋳片のミクロ偏析の傾きをθとし（板垂線との間の角度であって、鋳造方向、圧延方向を正とする。）、
製造する品種について、あらかじめ、θ＝０°の鋳片サンプルを圧下率ｐで熱間圧延して得られた圧延後サンプルのミクロ偏析の傾きωと前記圧下率ｐとの関係式である下記（２）式から係数ａの値を定めておき、
前記係数ａを用い、下記（１）式で表すφ_Cの絶対値が、３０°≦｜φ_C｜≦６０°を満足するように、鋳片のミクロ偏析の傾きθと圧下率ｐとを調整することを特徴とする薄鋼板の製造方法。
ただし、圧下率ｐ（％）は、圧延前の板厚ｘと圧延後の板厚ｙとから下記（３）式によって求められる。
φ_C＝θ－ａ×ｐ （１）
ω＝－ａ×ｐ （２）
ｐ＝（ｘ－ｙ）／ｘ×１００ （３）
［２］前記係数ａが０．７２であることを特徴とする上記［１］に記載の薄鋼板の製造方法。
［３］双ロール式連続鋳造装置における鋳造速度を調整することにより、鋳片のミクロ偏析の傾きθを調整することを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の薄鋼板の製造方法。

本発明により、高強度鋼板を製造するに際し、強度と延性のバランスに優れた薄鋼板を製造することができる。

（Ａ）は双ロール式連続鋳造の状況を示す概念図であり、（Ｂ）は鋳片断面の拡大図である。 左は圧延前（０％圧延）の鋳片の断面（ミクロ偏析の傾きθ＝０°）であり、右は圧下率６２％圧延後の鋼板の断面におけるミクロ偏析の傾きωを示す図である。 鋳片（凝固シェル）におけるミクロ偏析の傾きθを示す概念図である。 鋳片（ミクロ偏析の傾きθ＝０°）を圧下率ｐで圧延したときの、圧下率ｐと圧延後のミクロ偏析の傾きωの関係を示す図である。 ミクロ偏析の傾きφと、鋼板の強度及び延性との関係を示す図である。

通常の熱延鋼板の製造においては、前述のとおり、連続鋳造法によって厚みが２００～３００ｍｍの鋳片を鋳造し、鋳片を熱間圧延することにより、所要の厚さを有する鋼板を製造している。Ｍｎ等の合金を多量に含有する高張力鋼板では、合金成分を多量に含む偏析部が形成され、鋼板においてミクロ偏析部が鋼板の長手方向に平行に形成される。

一方、双ロール式連続鋳造においては、鋳造した鋳片の厚さが１０ｍｍ以下程度であり、この鋳片を熱間圧延して薄鋼板とするまでの圧下率が、通常の連続鋳造鋳片から熱間圧延した場合と対比して圧倒的に低い圧下率である。その結果として、薄鋼板におけるミクロ偏析の傾きφ（鋼板表面の垂線との角度）が鋼板表面と平行（φ＝９０°）になるのではなく、φ＝０°～６０°程度の角度とすることができる。そして、後述するように、薄鋼板におけるミクロ偏析の傾きφを９０°よりも小さい角度となるように製造したとき、φが小さくなるほど強度が低下し、併せて延性が向上することが判明し、さらに、φが３０～６０°において、強度と延性のバランスに優れた品質が実現することが判明した。

ここで本発明では、鋼板（鋳片）ミクロ偏析の傾きの角度は、鋼板（鋳片）表面の垂線となす角度が圧延方向（鋳造方向）を正、逆方向を負と定義した（図３参照）。

板材のロール圧延において、圧延前の板材にあらかじめ板表面に垂直な垂線を罫書いておき、あるいは鋳片のマクロ偏析が板表面に垂直である鋳片を用い、所定の圧下率で圧下を行うと、圧延の進行とともに順次材料の表面が中心部よりも先に進んだ状態になって、元の垂線は曲がったままロールから出てゆく。その結果、圧延後の板の断面において、表面から表面下１／４厚さまでの領域について見ると、圧延前に設けた罫書き線（偏析線）（板表面に垂直）は、板の垂線との間に傾きωの傾きを有することになる。傾きωは圧下率ｐによって変化し、圧下率ｐが大きくなるほど傾きωも大きくなる。一例を図２（板幅方向に垂直な断面のうち、表面から１／４厚み深さまでの領域）に示す。図２の左は「０％圧延」即ち圧延前の鋳片断面を示し、図２の右は６２％圧延を行った後の鋳片断面を示す。０％圧延（圧延前）ではθ＝０°であったものが、６２％圧延後には所定の傾きω（図２の場合は－５３°）を有していることがわかる。

回転する１対の鋳造ロールを用いる双ロール式連続鋳造装置においては、図１に示すように、１対の鋳造ロール１を回転させ、鋳造ロール１に凝固シェル２３を形成しつつ薄肉鋳片５を連続鋳造する。１対の鋳造ロール１は、お互いの表面が上方から下方に向かって距離が近接し、最も接近した部分においてギャップ最小部２０を形成する。さらに、鋳造ロール１の両端に接する固定堰２を有し、１対の鋳造ロール１のギャップ最小部２０の上部には、鋳造ロールと固定堰２とで囲まれた溶融金属プール部３を形成する。ノズル４を経由して溶融金属プール部３中に金属溶湯を供給すると、鋳造ロールに接する部分で溶湯が凝固し、凝固シェル２３が形成される。鋳造ロールを相互に反対方向に回転させることにより、鋳造ロール表面に形成された凝固シェル２３は鋳造ロールとともに移動し、ギャップ最小部２０で両方の鋳造ロール表面の凝固シェル２３が圧着して薄肉鋳片５となり、ギャップ最小部２０から下方に薄肉鋳片５が排出される。

鋳造ロール１表面の周方向速度が、溶融金属プール部３における凝固シェル２３の走行速度となり、同時に薄肉鋳片５の鋳造速度ｖとなる。溶融金属プール部３の溶鋼にも湯流れが存在し、図３は、凝固シェル２３が鋳造方向２４に走行する状況を示す概念図である。凝固シェル表面２５は鋳造ロール（図示しない）に接している。凝固シェル２３と溶鋼プールとの固液界面２６において、凝固シェル２３の走行速度（鋳造速度ｖ）と溶融金属プール部の溶鋼流速ｗとの差分が、両者の間の相対速度Ｖとなる。通常は、凝固シェル２３の走行速度（鋳造速度ｖ）が大きくなるほど、相対速度Ｖも大きくなる。

凝固シェル２３の固液界面２６において、凝固シェル２３と溶鋼プールとの間に相対速度Ｖが存在すると、図３に示すように、形成するデンドライト（ミクロ偏析２７）の成長方向に傾きが生じることが知られている。薄肉鋳片（図３の凝固シェル２３）において、ミクロ偏析２７の方向と、鋼板表面に対する垂線との間の角度を、ミクロ偏析の傾きθとおく。相対速度Ｖが大きいほど、ミクロ偏析の傾きθも大きくなる。相対速度Ｖの方向と、ミクロ偏析の傾きの方向とは逆方向であることがわかっている。相対速度Ｖとミクロ偏析の傾きθとの関係については、岡野らによって明らかにされている。詳細は後述する。

従って、双ロール式連続鋳造においては、鋳造速度を変動させることにより、鋳片のミクロ偏析の傾きθを変化させることができる。

以上から明らかなように、双ロール式連続鋳造と熱間圧延を用いた薄鋼板の製造においては、圧延前に傾きθ＝０°であった鋳片のミクロ偏析を圧延後にミクロ偏析の傾きωになり、熱間圧延の圧延率を調整することにより、傾きωを調整することが可能である。また、双ロール連続鋳造の鋳造速度等の調整により、圧延前のミクロ偏析の傾きθを種々調整することが可能である。

そこで本発明では、薄鋼板の製造方法において、双ロール式連続鋳造と熱間圧延を用い、熱間圧延の圧下率を調整するとともに、連続鋳造鋳片のミクロ偏析の傾きθを調整することにより、薄鋼板のミクロ偏析の傾きφを最適範囲に調整し、高Ｍｎ鋼などの高張力鋼板の製造に用いたとき、強度と延性のバランスに優れた薄鋼板を製造できるのではないか、と着想した。

《熱間圧延によるミクロ偏析傾き制御（θ＝０°の鋳片を使用）》
双ロール法の急冷凝固を模擬できる鋳型浸漬実験を行った。鋳片のミクロ偏析の傾きθがほぼ０°の片面凝固サンプルを鋳造し、当該サンプルを熱間圧延し、熱間圧延がミクロ偏析の傾きω（≒φ）に及ぼす影響を調査した。０．３％Ｃ－２．０％Ｓｉ－５％Ｍｎ－０．０１０％Ｐ－０．００１５％Ｓ－０．０３％Ａｌ成分のハイテン鋼（５％Ｍｎ鋼）と高Ｓｉ鋼を作製した。この鋳片サンプルを９００℃で５ｍｉｎ加熱した後、熱間圧延を行った。圧延ロール直径は４８０ｍｍ、圧延速度は２６ｍ／ｍｉｎである。圧下率を調べるため、あらかじめマイクロメータにて鋳片の板厚ｘを測定し、熱間圧延後にも板厚ｙを測定し、下記（３）式によって圧下率ｐを求めた。また、得られた圧延後サンプルのＬ断面（鋳造方向と板厚方向に平行、即ち板幅方向に垂直）を切断し、表面から１／４ｔ部のミクロ偏析の傾き２０点を測定・平均することでミクロ偏析の傾きωを求めた。結果を表１と図４に示す。両品種とも圧下率ｐが大きくなるほどミクロ偏析の傾きωは大きくなった。即ち、下記（２）式が成り立ち、高Ｓｉ鋼の係数ａは０．８７、５．０％Ｍｎ鋼の係数ａは０．７２とわかった。
ω＝－ａ×ｐ （２）
ｐ＝（ｘ－ｙ）／ｘ×１００ （３）

《双ロール式連続鋳造と熱間圧延の組み合わせによるミクロ偏析傾き制御》
図１に示すような、鋳造ロール幅６００ｍｍ、ロール直径６００ｍｍの一対の鋳造ロール１を有する双ロール式鋳造装置を用いて、０．３％Ｃ－２．０％Ｓｉ－５％Ｍｎ－０．０１０％Ｐ－０．００１５％Ｓ－０．０３％Ａｌ成分のハイテン鋼（５％Ｍｎ鋼）の鋳造を行った。得られた鋳片について、１０～８０％の種々の圧下率ｐで熱間圧延を行い、熱間圧延後の板厚が０．７ｍｍの薄鋼板を製造した。鋳造方向と圧延方向は同一方向としている。

連続鋳造後の薄肉鋳片５の厚みは、圧下率ｐで圧延したときの薄鋼板の板厚が０．７ｍｍとなるよう、圧下率ｐ毎に調整した。薄肉鋳片５の厚みの調整は、鋳造速度ｖ及び鋳造弧角ηの調整によって行った。鋳造速度ｖが速いほど、また鋳造弧角ηが小さいほど、ギャップ最小部２０における凝固シェル厚みが薄くなり、結果として薄肉鋳片５の厚み（凝固シェル厚の２倍）が薄くなる。

また、鋳造速度を４２～１１７ｃｍ／ｓの範囲で変化させ、これによって鋳片のミクロ偏析の傾きθを種々変化させた。そのときのミクロ偏析の傾きθをあらかじめ測定した。

ミクロ偏析部により溶質を濃化させるため、熱間圧延前の鋳片について２相域焼鈍を行った。６７５℃で２４０ｓ保持し、冷却した。その後、９００℃で熱間圧延を行った。圧下率を１０～８０％と変化させた。圧延後の薄鋼鈑中のミクロ組織の傾きφを求めた。

ミクロ偏析の傾き（θ、φ）の測定方法を以下に示す。得られたサンプルのＬ断面（鋳造方向及び厚み方向と平行）を切断し、表面から１／４ｔ部のミクロ偏析の傾き２０点を測定・平均することでミクロ偏析の傾き（θ、φ）を求めた。ミクロ偏析の傾きを測る方法として、任意のミクロ偏析の傾きを選び測定した後、隣接するミクロ偏析を測定することを繰り返し、合計２０点測定を行った。２０点の平均値をミクロ偏析の傾きとした。鋳造方向と圧延方向が同一方向であることから、ミクロ偏析の傾きの正負の方向も、鋳片と鋼板で同一方向である。

その後、ＪＩＳ Ｚ２２４１に従い、薄鋼板の引張試験を行い、強度、延性を求めた。強度は引張強さ、延性は破断伸びによって評価した。なお、薄鋼板の板厚は前述のとおり０．７ｍｍとした。
製造条件及び製造結果を表２に示す。

表２に示す結果に基づき、まず、傾きθ、φと圧下率ｐとの間の関係を調査した。

前記（３）式にａ＝０．７２を代入し、各実施例について（３）式に基づいてωを算出した。次に、θ、ωとφとの相互関係について評価した。その結果、
φ＝θ＋ω （４）
の関係が成立していることが判明した。この式に（３）式を代入すると、
φ＝θ－ａ×ｐ （５）
が成立する。（５）式が、θ、ｐとφとの関係を示す実験式である。

図５に薄鋼板のミクロ偏析の傾きφと強度・延性の関係を示した。ミクロ偏析の傾きφが小さくなるにつれ、強度は低下し、延性は向上すると確かめられた。また、ミクロ偏析の傾きφが、３０°≦φ≦６０°のとき、強度延性バランスに優れる鋼板の製造が可能であるとわかった。３０°≦φ≦５０°であればより好ましい。本発明において強度延性バランスに優れるとは、強度≧９００ＭＰａ、延性≧１４％のときに、合格と判定する。なお、傾きφの正負によらず、φの絶対値が同じであれば同じ効果が得られることから、３０°≦｜φ｜≦６０°とすればよい。

前記（５）式は実験式であり、（５）式の右辺の値がφに一致するとの実験結果を表している。当該実験結果に基づいて本発明を実施するに際しては、（５）式の右辺の値を示す変数としてφ_Cを導入し、
φ_C＝θ－ａ×ｐ （１）
なる（１）式を定義する。そして、θとｐを調整して、（１）式から算出されるφ_Cについて３０°≦｜φ_C｜≦６０°となるように調整する。

即ち、双ロール式連続鋳造を用い、鋳片のミクロ偏析の傾きθを調整するとともに、連続鋳造後の熱間圧延における圧下率ｐを調整することにより、（１）式に基づいてφ_Cを調整し、強度と延性のバランスに優れた品質を実現することが可能となった。ここにおいて、製造する品種について、あらかじめ（１）式のａの値を実験により定めておく。

《溶鋼流動によるミクロ偏析の傾きθの推定》
通常の連続鋳造鋳片のミクロ偏析の傾きθは、岡野らによって（５）、（６）式に従うことが知られている（非特許文献２参照）。ここで、Ｖは溶鋼流速（溶鋼と凝固シェルとの間の相対速度）、ｆは凝固速度である。この式を変形すると（５）’、（６）’式で表せる。また、図３に示すように、凝固シェルと溶鋼との相対速度Ｖは、鋳造速度ｖと下降流の溶鋼流速ｗによって（７）式のように表せる。なお、溶鋼流速（相対速度Ｖ）が２～１００ｃｍ／ｓの範囲のとき、（５）’、（６）’式は適応できる。また、凝固速度ｆは鋳造スラブ厚などにも影響されるが、ｆ＝０．０１～１ｃｍ／ｓである。
このような知見から、薄肉鋳片についても、鋳造条件によっては、本式を用いてミクロ偏析の傾きθを推定することも可能である。
ｌｎＶ＝(θ＋9.73・ｌｎｆ＋33.7)／(1.45・ｌｎｆ＋12.5) ｖ＜５０ （５）
ｌｎＶ＝(θ＋4.83・ｌｎｆ＋7.2)／(0.1・ｌｎｆ＋5.4) ｖ≧５０ （６）
θ＝ｌｎＶ×(1.45 ・ｌｎｆ＋12.5)－(9.73・ｌｎｆ＋33.7) ｖ＜５０ （５）’
θ＝ｌｎＶ×(0.1 ・ｌｎｆ＋5.4)－(4.83・ｌｎｆ＋7.2) ｖ≧５０ （６）’
Ｖ＝ｖ－ｗ （７）

１ 鋳造ロール
２ 固定堰
３ 溶融金属プール部
４ ノズル
５ 薄肉鋳片
２０ ギャップ最小部
２３ 凝固シェル
２４ 鋳造方向
２５ 凝固シェル表面
２６ 固液界面
２７ ミクロ偏析
ｖ 鋳造速度
ｗ 溶鋼流速
Ｖ 相対速度
θ 鋳片のミクロ偏析の傾き
φ 鋼板のミクロ偏析の傾き
ω 鋼板のミクロ偏析の傾き（鋳片のミクロ偏析の傾きが０°のとき）
η 鋳造弧角

Claims (3)

1. 双ロール式連続鋳造装置を用いて薄肉鋳片を鋳造し、前記薄肉鋳片を熱間圧延する薄鋼板の製造方法であって、
   鋳片のミクロ偏析の傾きをθとし（板垂線との間の角度であって、鋳造方向、圧延方向を正とする。）、
   製造する品種について、あらかじめ、θ＝０°の鋳片サンプルを圧下率ｐで熱間圧延して得られた圧延後サンプルのミクロ偏析の傾きωと前記圧下率ｐとの関係式である下記（２）式から係数ａの値を定めておき、
   前記係数ａを用い、下記（１）式で表すφ_Cの絶対値が、３０°≦｜φ_C｜≦６０°を満足するように、鋳片のミクロ偏析の傾きθと圧下率ｐとを調整することを特徴とする薄鋼板の製造方法。
   ただし、圧下率ｐ（％）は、圧延前の板厚ｘと圧延後の板厚ｙとから下記（３）式によって求められる。
   φ_C＝θ－ａ×ｐ （１）
   ω＝－ａ×ｐ （２）
   ｐ＝（ｘ－ｙ）／ｘ×１００ （３）
2. 前記係数ａが０．７２であることを特徴とする請求項１に記載の薄鋼板の製造方法。
3. 双ロール式連続鋳造装置における鋳造速度を調整することにより、鋳片のミクロ偏析の傾きθを調整することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の薄鋼板の製造方法。

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