JP7355251B2 - 金属板の焼入装置、連続焼鈍設備、金属板の焼入方法、冷延鋼板の製造方法及びめっき鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属板を連続的に通板しながら焼鈍を行う連続焼鈍設備において、焼入れ時に金属板に発生する形状不良を抑制する金属板の焼入装置、連続焼鈍設備、金属板の焼入方法、冷延鋼板の製造方法及びめっき鋼板の製造方法に関する。

鋼板をはじめとする金属板の製造においては、連続焼鈍設備において、金属板を加熱後に冷却し、相変態を起こさせる等して材質の造り込みを行う。近年、自動車業界では車体の軽量化と衝突安全性の両立を目的として、薄肉化した高強度鋼板（ハイテン）の需要が増大している。そのため高張力鋼板の製造に有利な急速冷却技術の重要性が増してきている。種々ある冷却法の中でも水を使った冷却法は安価なコストで高い冷却速度を得られるため広く採用されている。しかし、急速冷却であるがゆえに潜在的に鋼板内で温度分布の差が発生しやすく、鋼板に反りや波状変形などの面外変形による形状不良が発生する場合があり、問題となっている。このような鋼板の水焼入れ時における形状不良を防止するため、従来、様々な手法が提案されている。

特許文献１では、連続焼鈍炉での急冷焼入時に生じる金属板の波状変形を抑制するために、急冷焼入工程に付される鋼板の張力を変えることができる張力変更手段として、ブライドルロールを急冷焼入部前後に設ける手法が提案されている。

特許文献２では、焼入れ開始点（冷却開始点）において、金属板幅方向で圧縮方向の熱応力が発生し、金属板が座屈することによって形状不良が発生することに着目し、冷却により板幅方向での圧縮応力が発生している領域またはその近傍領域で、金属板両面側から拘束することにより面外変形を抑制する手法が提案されている。

また、特許文献３では、金属板のマルテンサイト変態が開始するＭｓ点の温度をＴＭｓ℃、マルテンサイト変態が終了するＭｆ点の温度をＴＭｆ℃とすると、急冷焼入れ中の金属板を、金属板の温度がＴＭｓ＋１５０℃～ＴＭｆ－１５０℃である温度範囲において、冷却液体中に設けられた一組の拘束ロールにより拘束する手法が提案されている。

さらに、特許文献４では、金属板を浸漬させる液体を収容した水槽と、金属板の表面及び裏面に液体を噴射する複数のノズルを備えた噴出装置と、金属板を拘束する一対もしくは複数対の拘束ロールを備え、噴出装置の全てのノズルから拘束ロールの方向に液体を噴射する方法や装置が提案されている。

特開２０１１－１８４７７３号公報 特開２００３－２７７８３３号公報 特許第６０９４７２２号公報 特許第６４７７８５２号公報

しかしながら、特許文献１～４に開示された何れの方法も、拘束ロールでの金属板の拘束について、金属板の板厚や水槽内における通板速度を考慮しておらず、金属板の温度がＴＭｓ＋１５０℃～ＴＭｆ－１５０℃である範囲に、拘束ロールによる拘束ができないという問題がある。その結果、金属板の焼入れ後に形状不良が発生するという問題がある。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたもので、通板速度や板厚によらず、焼入れ時に金属板に発生する形状不良を抑制する金属板の焼入装置、連続焼鈍設備、金属板の焼入方法、冷延鋼板の製造方法及びめっき鋼板の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の要旨構成は以下のとおりである。
［１］通板される金属板を液体に浸漬させて冷却する水槽と、前記水槽に設けた水噴射装置と、前記水槽の内部を通板する前記金属板を拘束する複数の拘束ロール対とを有する金属板の焼入装置であって、前記水噴射装置は、前記金属板の通板方向に沿って、前記金属板の表裏面を挟み冷却水が対向して噴射されるように設置された水噴射ノズルを複数有し、前記複数の拘束ロール対は、操業条件に基づき、それぞれ独立して前記金属板に対する位置を調整される、金属板の焼入装置。
［２］前記複数の拘束ロール対は、表面の最大高さ粗さＲｚの最大値及び最小値が共に５μｍ以上５０μｍ以下である［１］に記載の金属板の焼入装置。
［３］前記複数の拘束ロール対の拘束ロールは、ロール径が５０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下である［１］に記載の金属板の焼入装置。
［４］前記複数の拘束ロール対は、ロール径をＤｍｍとしたとき、前記金属板を挟み対面する１対の拘束ロールの中心軸間距離がＤ×１／４ｍｍ以上Ｄｍｍ以下となるように配置される［１］に記載の金属板の焼入装置。
［５］均熱帯の出側に［１］～［４］のいずれか１つに記載の金属板の焼入装置を設けた連続焼鈍設備。
［６］連続的に通板される金属板を液体に浸漬させて冷却を開始した後、前記金属板の温度が、前記金属板のマルテンサイト変態開始温度＋１５０℃以下、マルテンサイト変態終了温度－１５０℃以上の範囲である間に、金属板に対する位置を調整した複数の拘束ロール対を用いて前記金属板を拘束する、金属板の焼入方法。
［７］［６］に記載の金属板の焼入方法により冷延鋼板を焼入れする、冷延鋼板の製造方法。
［８］［７］に記載の冷延鋼板の製造方法に続いて前記冷延鋼板にめっき処理を施す、めっき鋼板の製造方法。
［９］前記めっき処理は、電気亜鉛めっき処理、溶融亜鉛めっき処理、合金化溶融亜鉛めっき処理のいずれかの方法により行う、［８］に記載のめっき鋼板の製造方法。

本発明に係る金属板の焼入装置及び金属板の焼入方法並びに鋼板の製造方法によれば、通板速度や板厚によらず、焼入れ時に金属板に発生する形状不良を抑制できる。

本発明の焼入装置の構成を示す模式図である。 本発明の焼入装置の拘束ロール対の構成を示す模式図である。 本発明の拘束ロールの配置構成を示す模式図である。 金属板の反りを示す模式図である。 従来の焼入装置の構成を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。以降、冷却媒体として安価で工業的に有用な水を用いる場合について説明するが、冷却媒体は冷却に供することができる液体であれば特に限定しない。

図１は、本発明の一実施形態に係る金属板Ｓの焼入装置１を示す図である。焼入装置１は、連続焼鈍炉（連続焼鈍設備）の均熱帯の出側に設けられた冷却設備に適用される。焼入装置１は、冷却に供する水を収容する水槽２に、水面（図中Ｗ）から上方に一部の水噴射ノズル３ａが露出するように水噴射装置３が設けられる。水噴射装置３は、水噴射ノズル３ａが、金属板Ｓの表面および裏面に対し、所定の隙間を有して水槽２の内部を連続的に通板する金属板Ｓの通板方向（図中矢印Ｐ）に沿って複数配置されており、その途中に複数の拘束ロール対４が配されている。なお、図１では４つの拘束ロール対４が示されているが、２つ以上、すなわち、２対以上であれば制約するものではない。これら複数の拘束ロール対４は、操業条件に基づき金属板Ｓに対する位置を調整するための制御装置を有しても良い。

金属板Ｓは、所望の品質を得るため、連続焼鈍炉の出側で焼入れを必要とする場合がある。しかし、焼入れ処理の急冷により熱収縮を起こし、形状が乱れることが知られている。特に、金属板Ｓがマルテンサイト変態をする場合、マルテンサイト変態開始温度（ＴＭｓ℃）から、マルテンサイト変態終了温度（ＴＭｆ℃）の範囲では、急激な熱収縮と変態膨張が同時に生じて、金属板Ｓ内に働く応力が最大となり、金属板Ｓの形状が崩れる。なお、ＴＭｓ℃及びＴＭｆ℃の温度は、金属板Ｓの成分組成から算出できる。

特に、焼入れによる急冷中の金属板Ｓの温度が、ＴＭｓ＋１５０℃以下、ＴＭｆ－１５０℃以上の温度範囲で物理的に板を拘束できれば、形状を安定化できる。そして、ＴＭｓ＋１００℃以下、ＴＭｆ－１００℃以上の範囲がより好ましい。

これに対し、マルテンサイト変態を生じる温度範囲で、冷却水への浸漬中に金属板Ｓの板面を挟むよう設けた拘束ロール対４を用いる技術が提案されている。しかし、シンプルな構成である１つ、すなわち、１対の拘束ロール対４のみでは、拘束する際の金属板Ｓの温度を適切な範囲に維持するため、金属板Ｓの通板速度や板厚を制約する必要があった。そこで、本発明では冷却水中に複数の拘束ロール対４を設けることに着目した。

そして、本発明では図１に示す通り、複数の拘束ロール対４を設けることにより、金属板Ｓを拘束可能な距離が長くなり、仮に通板速度の増減や板厚の変動があっても、確実にＴＭｓ＋１５０℃以下、ＴＭｆ－１５０℃以上の温度範囲で拘束できるようになる。当該温度範囲外で拘束すると、変態による膨張を抑制できず金属板Ｓの形状が乱れる。また、製品の仕様、連続焼鈍炉の加熱、均熱能力に応じて金属板Ｓの板厚や通板速度が変化するため、拘束ロール対４の数は、金属板Ｓの通板速度又は板厚が変化した際、少なくとも２つ以上の拘束ロール対４がＴＭｓ＋１５０℃～ＴＭｆ－１５０℃の温度範囲で拘束できる数の拘束ロール対４を設ければ良い。

本発明では、水噴射ノズル３ａを複数有する水噴射装置３を用いて冷却を促進する。図１に示す通り、複数の水噴射ノズル３ａから構成される水噴射装置３は、水面Ｗの直上から水中に亘った範囲に配置される。水噴射ノズル３ａは、拘束ロール対４に比べて金属板Ｓから離れた位置に配置される。水噴射ノズル３ａと金属板Ｓの距離は特に限定しないが、近い場合は鋼板（金属板Ｓ）の反りや振動の影響で接触する懸念があり、逆に遠い場合には、鋼板（金属板Ｓ）到達時の噴流流速が遅くなって冷却能が低下する場合があるため、留意する必要がある。水噴射装置３の最上部に位置する水噴射ノズル３ａから噴射する冷媒（図中の３ｂ）が金属板Ｓに衝突する位置、すなわち、噴流衝突位置は、水面Ｗより上方の距離（図中Ａ）だけ離れた位置であり、その高さは１０ｍｍが好ましい。

なお、噴流衝突位置が水面Ｗに近すぎる場合、水面Ｗの位置の変動の影響が噴流衝突位置にも影響するため、蒸気膜除去位置が不安定化し、冷却能力にも大きな影響を及ぼすようになるため不適である。一方、水面Ｗから離れすぎている場合、水噴出後の水流の流下途中で水温が上昇して流下部の冷却能が低下し、遷移沸騰状態になるため不適である。そのため、距離Ａで示される水面Ｗと噴流衝突位置の距離は、５～５０ｍｍ（または１０ｍｍ）程度が好適である。

従来、金属板Ｓの冷却速度の低下を抑制するため、拘束ロール対４と金属板Ｓとが接触する箇所（以下、「ロール際」という。）に向けて水を噴射する際に、拘束ロール対４の直近では、水噴射ノズル３ａに角度を持たせるよう配置する（図５参照）ことが推奨されてきた。

しかし、図５に示すように斜めにノズルを配置すると設備（水槽２）が長大になるため、実験等を行うことで必要条件を精査した。その結果、ロール際で冷却速度が遅くなるのは蒸気膜が残っている場合のみであり、蒸気膜が存在しない場合は冷却速度の低下はほとんど見られないことが分かった。特に、本発明で対象とする高張力鋼板の金属板Ｓの焼入れにおいては、マルテンサイト変態開始温度（ＴＭｓ℃）は４００℃程度、マルテンサイト変態終了温度（ＴＭｆ℃）が３００℃程度である。そのため、焼入れ時に拘束ロール対４にて拘束する際の温度範囲は１５０℃～５５０℃程度になる場合を想定する。この温度範囲は、核沸騰域から遷移沸騰領域に相当し、蒸気膜は存在しないか（核沸騰）、あってもかなり不安定な状態（遷移沸騰）になっている。したがって、少しの水噴射が行われれば蒸気膜を破壊可能であり、拘束ロール対に向けノズルを斜めに設定する必要はなく、金属板Ｓに対して垂直に噴射しても問題ない。

そして、これらの条件を満足するのは、マルテンサイト変態開始温度（ＴＭｓ℃）が４５０℃以下、好ましくは４００℃以下となる金属板Ｓを対象材とした場合である。

従来から指摘されていたように、高温側でロール拘束した場合には蒸気膜除去を行わないとロール際の冷却速度は大幅に低下することになるが、そもそもこの温度範囲では拘束しない方が良く、問題にはならない。

そこで、本発明では、拘束ロール対４が各々独立して金属板Ｓを押し込む方向または金属板Ｓから離れる方向へ移動する移動機構を設け、水噴射ノズル３ａを、噴射される冷却水が金属板Ｓの表裏面を挟んで対向するように配置しても安定した冷却状態を得られるようにした。水噴射ノズル３ａから噴射される冷却水が、金属板Ｓを挟んで対向するように噴射されるには、水噴射ノズル３ａを金属板Ｓの通板方向に対して略垂直に配置する必要がある。この「略垂直」は、具体的には、金属板Ｓに対する水噴射ノズル３ａの傾斜角をθとすると、θが８０°以上１００°以下であり、好ましくは８２°以上９８°以下であり、さらに好ましくは８７°以上９３°以下である。

具体的には、遷移沸騰の懸念がある温度範囲に金属板Ｓの温度が達する箇所の拘束ロール対４は退避させ、残りの拘束ロール対４を使用して金属板を拘束する。なお、拘束ロール対４は個別に移動する機構を有しても構わないし、対でなく、１ロール（拘束ロール４ａ）ごとに移動する機構であっても構わない。

ここで、どの拘束ロール対を退避させるか、もしくは使用するかは、操業条件によって決定すれば良い。操業条件とは、熱処理条件および冷却条件を指し、特に通板速度、板厚、焼入れ開始温度、金属板の「反り」は影響が大きい項目である。少なくとも同じ鋼種の中で、焼入れ前の熱処理条件、熱処理終了から冷却開始までの距離が同一である場合は、通板速度と板厚に基づいて決定することが望ましい。使用する拘束ロール対の決定の仕方は、前述した方法（段落００１８に記載の好適温度範囲となる位置を通板速度や板厚を元に導出して拘束するロール対を決定する）だけではなく、操業条件と使用する拘束ロール対を変更した際に形状が安定するか否かのデータを蓄積することによって、好適な拘束ロール対を選定し使用しても良い。

つまり、金属板Ｓの焼入処理に関し、操業条件である通板速度又は板厚に基づいて、金属板Ｓに対する複数の拘束ロール対４の位置を調整することで、確実にＴＭｓ＋１５０℃以下、ＴＭｆ－１５０℃以上の好適温度範囲における金属板Ｓの拘束が可能となる。操業条件は、通板速度又は板厚としても良いが、通板速度と板厚との積（以下、「ＬＳＤ」という。）を用いても良く、この場合、通板速度又は板厚のいずれか一方が変動（増減）することで、ＬＳＤも変化する。複数の拘束ロール対４の位置の調整は、拘束ロール対４の調整の条件として、「使用する拘束ロール対」、「拘束ロール対間の距離」、後述する「インターメッシュ量」及び「オフセット量」等の調整が含まれる。

ロール拘束で形状を良化させる手法の場合、ロールスリップに起因する擦り傷を発生させる場合がある。これは、水噴流は乱流状態で金属板Ｓに衝突するため金属板Ｓを激しく振動させる場合があること、および拘束ロール４ａと金属板Ｓとの間に水膜が入り込みやすく、いわゆるハイドロプレーニング現象によりスリップを起こす場合があると考えられる。前者の対策として、複数の拘束ロール対４での金属板Ｓの拘束が好適であり、それにより振動レベルは大幅に改善できる。さらに後者の対策として、拘束ロール４ａの表面の最大高さ粗さＲｚを５μｍ以上と粗くすれば、排水性が向上するためスリップを防止できる。

ただし、一定以上のＲｚではスリップ防止効果が頭打ちになること、及び、粗さに起因した疵の生成が発生しやすくなることから、上限は５０μｍ以下とした。なお、最大高さ粗さＲｚは、日本工業規格「ＪＩＳ Ｂ ０６０１ 表面粗さ（２００１）」に規定されており、「ＪＩＳ Ｂ ０６３３」に則り計測し算出したものであり、金属板Ｓの幅方向に相当する向き、すなわち、拘束ロール４ａの長手方向に二次元粗さ計にて測定した値とする。また、「ＪＩＳ Ｂ ０６０１ 表面粗さ」を満足する測定結果が得られる測定機器であれば、その手法は非接触、接触を問わない。

拘束ロール４ａの径（直径Ｄｍｍ）についても以下の理由により好適な範囲が存在する。拘束ロール４ａのロール径が大きい場合、水流への干渉が大きくなるため水流が不安定化し、蒸気膜除去の状況が不安定化するため、結果として金属板Ｓの形状が不安定化する。また、ロール径が大きくなるほど、冷媒噴流がロールに阻害される距離が長くなって冷却長を確保しにくくなるため、望ましくない。そのため、ロール径は２５０ｍｍ以下が良い。一方、小さすぎると、金属板Ｓを拘束した際にロール撓みが発生し、金属板Ｓを拘束する力が弱くなるため形状改善効果を発揮できなくなる。そのため、ロール径は５０ｍｍ以上が良い。

ここで、図２及び図３に拘束ロール対４の配置構成の一例を示す。金属板Ｓの表側と裏側から対面して組となる拘束ロール対４は、各々の拘束ロール４ａの中心軸を金属板Ｓの通板方向Ｐにずらして配置（オフセット）することが好ましい。このとき、全ての拘束ロール４ａについて、同じ方向にずらす必要はなく、拘束ロール対ごとに、どちらの拘束ロール４ａを上下にずらすかは変更して良い。中心軸を同一とすると、金属板Ｓを押し込むことができないが、中心軸をずらして配置すれば、押し込み量が可変となり、拘束力が増す。ただし、対となる各々の拘束ロール４ａの中心軸間の距離、すなわちオフセット値（図中Ｂ）が大きくなりすぎると、金属板Ｓの該当箇所を表裏で同時に拘束できず、拘束効果が発揮できなくなる。これらの理由から、表裏の１対の拘束ロール４ａの中心軸間距離（オフセット値）はＤ×１／４ｍｍ以上、Ｄｍｍ以下が良い。なお、Ｄは先に述べた通り拘束ロール４ａの直径（ｍｍ）である。Ｄｍｍを超えると、ロールの押込み量を大きくすることは可能であるが、ロール拘束効果が得られない。言い換えれば、板にほぼ同時に曲げ・曲げ戻し力を加えることによる矯正効果が得られない。一方、Ｄ×１／４ｍｍ未満になると、拘束効果が強い一方で、押し込み量を確保できず矯正効果が不十分になったり、板厚が厚くなる場合にロール間を通過できないトラブルが生じたりする。

また、金属板Ｓを押し込む方向への拘束ロール対４の移動量I（Ｉ．Ｍ；インターメッシュ）は特に限定するものではなく、拘束する金属板Ｓの強度や配置、拘束ロール対４の数に応じて拘束ロール対ごとに最適な範囲を設定すれば良い。ただし、押し込む方向への移動量が小さい場合、スリップが発生しやすくなるため擦り傷リスクが高まる。逆に、大きい場合はそれによって形状不良を助長する場合があるため適する値が存在する。金属板Ｓとして鋼板を用いた場合は、板厚をｔｍｍとした場合、金属板Ｓを押し込む方向への拘束ロール対４の移動量は、－ｔ～＋１０×ｔｍｍの範囲が好適である。ここで、図３を用いて具体的に説明すると、金属板Ｓに対する拘束ロール４ａの移動量Iとして－ｔｍｍの状態（図３（ａ）参照）を示す通り、－ｔｍｍ未満になると金属板Ｓの拘束効果が得られなくなる。また、金属板Ｓに対する拘束ロール４ａの移動量として＋１０×ｔｍｍの状態（図３（ｂ）参照）を示す通り、＋１０×ｔｍｍを超えると、金属板Ｓの噛みこみが強くなり過ぎて、通板できない恐れがある。

拘束ロール対４の位置の調整は、金属板Ｓの反り情報を用いて行っても良い。金属板Ｓの反り情報は、予測値でも計測値でもよく、特に限定するものではない。金属板Ｓの反りを測定する場合は、反りの測定位置として水槽２の前、水槽２の後、オフラインの３パターンがあり、いずれかの組合せでも良い。金属板Ｓにおける反りの測定は、レーザー式の距離計等を用いてもよい。金属板Ｓの冷却前の測定であれば、遅滞なく拘束ロール対４の条件（使用する拘束ロール対、拘束ロール対間の距離、インターメッシュ量、オフセット量等）を決定できるメリットがある。金属板Ｓの冷却後の測定であれば、時間差による設定の遅れが不可避となるものの、金属板Ｓの実際の反り情報に基づく調整となるため、的確な拘束ロール対４の調整が可能となる。オフラインによる金属板Ｓの反りの測定では、拘束ロール対４の設定の遅れが大きくなる一方で手作業でも測定できるなどのメリットがある。

つまり、金属板Ｓの焼入処理に関し、通板速度や板厚に金属板Ｓの「反り」の情報を加えた操業条件に基づいて、金属板Ｓに対する複数の拘束ロール対４の位置を調整してもよい。そして、この場合も、複数の拘束ロール対４の位置の調整は、拘束ロール対４の調整の条件とした、「使用する拘束ロール対」、「拘束ロール対間の距離」、「インターメッシュ量」及び「オフセット量」等の調整としてよい。

また、拘束ロール対４同士の間の距離（図２中Ｃ）は、隣接する拘束ロール対４のうち、上方の拘束ロール対４の下側に設置された拘束ロール４ａの中心と、下方の拘束ロール対４の上側に設置された拘束ロール４ａの中心との距離を意味する。

拘束ロール対４における拘束ロール４ａ同士が、金属帯Ｓの通板方向Ｐに対して、近づいたり離れたりする移動をするための機構を有することが前提となるため、ロール対を退避すれば厳密には拘束ロール対４同士の間の距離は倍増し、拘束ロール対４の数は半減する。しかしながら、当初の拘束ロール対４同士の距離Ｃが予め適正に設定されていないと、形状矯正効果が得られない。

距離Ｃとして適正な範囲はＤｍｍ以上、１０×Ｄｍｍ以下となる。拘束ロール対４同士の間の距離Ｃは、Ｄｍｍ未満とすると、水噴射ノズル３ａから噴出する水が金属板Ｓまで到達する前に拘束ロール対４に阻害され、十分な冷却能力を得られず、形状矯正のために必要となる距離が長くなり、装置が大型化して好ましくない。また、金属板Ｓと拘束ロール対４との接触点が増えるため、押し込み疵やスリップ疵などの表面疵のリスクも高くなる。一方、１０×Ｄｍｍより大きい場合、金属板Ｓがある拘束ロール対４を通過した後、次の拘束ロール対４で拘束されるまでの距離が長くなり、複数の拘束ロール対４を設けた効果が得られなくなる。

拘束ロール４ａの材質は、熱伝導率に優れるとともに、金属板の挟圧時における荷重に耐えられる強度を備えた材質で形成されていればよい。例えば、耐熱鋼（例えばＫＨＲ１２Ｃ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０）、セラミック等が挙げられるが、小径でもロール撓み量が小さいＣＦＲＰ素材はロール拘束効果が得やすく、特に、冷却能力を確保したい場合は有利である。

前述のように、本発明は、金属板Ｓの急冷中にマルテンサイト変態が起こって組織が体積膨張する際に発生する複雑で不均一な凹凸状の形状を低減させることを目的としており、冷延鋼板の製造方法に適用することが好ましい。また、該冷延鋼板には続けてめっき処理を行っても良い。めっき処理は、電気亜鉛めっき処理、溶融亜鉛めっき処理、合金化溶融亜鉛めっき処理のいずれかの方法により実施して良い。

より具体的には、引張強度が５８０ＭＰａ以上である高強度鋼板（ハイテン）の製造に適用することが好ましい。引張強度の上限はロール材質などを高強度に適応できるものにすれば、特に制限されないが、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０）、セラミック等であれば、引張強度が３０００ＭＰａ近傍であっても効果を期待できる。

上記の高強度鋼板（ハイテン）としては、高強度冷延鋼板、およびそれらに表面処理を施した溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板等がある。つまり、本発明に係る金属板Ｓの焼入装置及び焼入方法を実施する連続焼鈍を行い、高強度冷延鋼板、溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板を製造することに好適である。

高強度鋼板の組成の具体例として、質量％で、Ｃが０．０４％以上０．２５％以下、Ｓｉが０．０１％以上２．５０％以下、Ｍｎが０．８０％以上３．７０％以下、Ｐが０．００１％以上０．０９０％以下、Ｓが０．０００１％以上０．００５０％以下、ｓоｌ．Ａｌが０．００５％以上０．０６５％以下、必要に応じて、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＴｉの少なくとも１種以上がそれぞれ０．５％以下、さらに必要に応じて、Ｂ、Ｓｂがそれぞれ０．０１％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる例が挙げられる。

なお、本発明の実施形態は、金属板全般の急冷に適用することができる。また、本発明は実施形態として例に挙げた水浸漬冷却に限らず、変態起因の鋼板変形を物理的に拘束して防止する手段として、加熱・冷却問わず全般に適用可能である。

以下、本実施形態に係る金属板の焼入装置、金属板の焼入方法および鋼板の製造方法を用いて金属板を製造した実施例を説明する。

図１に示した焼入装置１をベースとして、板厚１．０～２．３ｍｍ、板幅１０００ｍｍの引張強さ１４７０ＭＰａ級の高張力冷延鋼板（金属板Ｓ）を通板速度（表１中「ＬＳ」参照）６０～１０８ｍｐｍ、焼入れ開始温度８００℃、冷却水噴射量１０００Ｔ／ｈｒ、水温を３０℃で製造した。また、図１に示した焼入装置１で示す拘束ロール対４は、上下方向に４つ配置されているが、本実施例では上下方向に１～３つ配置して実施した。

ここで、引張強さ１４７０ＭＰａ級の高張力冷延鋼板の代表成分は、質量％で、Ｃが０．２０％、Ｓｉが１．０％、Ｍｎが２．３％、Ｐが０．００５％、Ｓが０．００２％とした。なお、当該高張力冷延鋼板のＭｓ点の温度（ＴＭｓ℃）は４００℃、Ｍｆ点の温度（ＴＭｆ℃）は３００℃である。この場合、拘束ロール対４による拘束が有効な板温範囲は１５０℃～５５０℃である。

そして、拘束ロール４ａのロール径（Ｄ）は１５０ｍｍとした。拘束ロール対４における拘束ロール４ａの各々の中心軸を通板方向に７５ｍｍ（図２中Ｂ＝７５ｍｍ）ずらして配置（表１の「オフセット値」参照）したが、一部条件でオフセット値を変更した（発明例７～１０）。拘束ロール対４の位置は、水面Ｗを０ｍとし、発明例１～１４については、通板方向Ｐにそれぞれ０．３ｍ（第１拘束ロール対）、０．７５ｍ（第２拘束ロール対）の位置にそれぞれ設置した。すなわち、図２中のＣが０．４５ｍである。発明例１５、１６は、さらに１．０５ｍ（第３拘束ロール対）の位置に拘束ロール対を追加した例である。それぞれの拘束ロール対４は、退避（表１ではＩ．Ｍ－５０ｍｍに該当。－は退避方向（金属板Ｓから離れる方向）を意味する。）できるようになっており、条件に応じて使用又は不使用（ロール移動）の変更を可能とした。つまり、表１中のＩ．Ｍ「－５０．０ｍｍ」は該当する拘束ロール対４は金属板Ｓから完全に離され、金属板Ｓに対する拘束力は無いことを示す。なお、表１のＩ．Ｍは、図３中のＩに相当する。

なお、拘束ロール対４の退避を行うこと無く、拘束ロール対４を金属板Ｓに押し込んで使用する場合には、金属板Ｓへの押し込み量０ｍｍを基本とした。つまり、表１においてＩ．Ｍが「０．０ｍｍ」である場合に、金属板Ｓに対して拘束ロール対４が押し込まれた状態となる。より詳細には、Ｉ．Ｍが「０．０ｍｍ」となる状態は、拘束ロール対４（拘束ロール４ａ）の表面が金属板Ｓの中心位置に到達するまで位置が調整された状態を意味する。換言すれば、Ｉ．Ｍが「０．０ｍｍ」となる状態は、拘束ロール対４（拘束ロール４ａ）の表面が、金属板Ｓの板厚の１／２の距離分押し込まれた状態を意味する。その一方で、発明例７、発明例９の条件では押し込み量を変更している。これは、当該条件では金属板Ｓの表裏の拘束ロール４ａの高さが同じ（オフセット値が０）であるため、物理的に押し込むことができず、理論的には板厚の半分をパスラインから－方向にずらして設定すれば良いが、過負荷になる可能性があるため、余裕代を取って設定した。

実施例における評価については、冷却後の金属板Ｓの反り量（ｍｍ）及び表面品質の２つの観点から評価した。金属板Ｓの反り量は、図４に示す通り、金属板Ｓの幅方向における当該金属板Ｓの反り量（図中Ｋ）を測定した。また、金属板Ｓの表面品質は、金属板Ｓの搬送先端部・中央部・後端部から板幅×１ｍ長さのサンプル、合計で３枚を採取し、各々の外観観察を行った。３枚の板の表面、裏面を観察して表面疵等の瑕疵が合計２ヶ所以下であった場合を良好（表１中の「〇」）、合計で３ヶ所以上の瑕疵を発見した場合は疵発生（表１中の「×」）と分類した。

次に、表１に示す比較例１～５、発明例１～１６に係る実施例について説明する。

比較例１は、拘束ロール対４を設けず、水噴射ノズル３ａの噴射方向を金属板Ｓの通板方向Ｐに対して垂直な方向として、金属板Ｓを冷却したものである。金属板Ｓの反り量は３４．５ｍｍとなり、形状不良が発生した。

比較例２～５は、拘束ロール対４が１つであり、比較例５は水噴射方向が鋼板に対して６０°に設定した。比較例３、４は金属板の変態温度から導出される拘束好適温度範囲に拘束ロール対４が位置したため、反り量が改善したが、比較例２、５は反りを改善できなかった。これらの結果から、拘束ロール対４が１つでは、金属板Ｓの通板速度と板厚の積（ＬＳＤ）の変化に対応できず、また、水噴射方向が斜めである場合には形状が悪化した。その理由は、実質的な冷却能力が落ち、拘束ロール対４を通過する金属板Ｓの温度が上昇したためである。

一方、発明例１～６は、拘束ロール対４を２つ配置した条件の結果を示す。そして、発明例１～３は、ＬＳＤに合わせて使用する拘束ロール対４を選択（拘束ロール対４の移動の状態を選択）したもので、広い範囲のＬＳＤに対応できることが確認できた。なお、本発明が対象とする金属板は薄鋼板が主であり、ＬＳＤで板の冷却状況を整理可能である。そのため、ＬＳＤが大きくなると冷却されにくくなり、マルテンサイト変態開始及び終了位置が冷却開始位置よりも遠ざかることになり、図１の下方に位置する拘束ロール対４を選択するのが好適である。反対に、ＬＳＤが小さくなると冷却されやすくなるため、マルテンサイト変態開始及び終了位置が冷却開始位置に近づき、図１の上方に位置する拘束ロール対４を選択するのが好適になる。

それに対し、発明例４～６は、２つの拘束ロール対４を共に使用したもので、金属板Ｓの反りが悪化する条件があった。したがって、通板速度および板厚の変化に対応するためには、拘束ロール４ａの退避機能（拘束ロール対４の移動機能）が必要である。

発明例７～１４は、発明例２の条件をベースとして、拘束ロール対４のオフセット値（金属帯Ｓの通板方向Ｐにおける拘束ロール４ａ同士の間隔）や、拘束ロール４ａの最大高さ粗さＲｚを変更したものである。オフセット値を０にした場合（発明例７、発明例９）は、前述した通り拘束ロール４ａの押込み量の設定制約のため、発明例２の結果に比べて反り量が悪化した。一方、オフセット値を２００ｍｍとした発明例８及び発明例１０についても、板厚を１ｍｍとする条件では金属板Ｓの反り量が悪化した。このことから、オフセット値は、適切に設定する必要があることが確認できた。

さらに、発明例１１～１４から、拘束ロール４ａの最大高さ粗さＲｚによっては、金属板Ｓの外観が悪化する場合があることが確認できた。金属板Ｓの表面の外観を維持するためには、最大高さ粗さＲｚの最大値及び最小値が共に５μｍ～５０μｍの範囲に含まれるように設定することが良いと確認できた。

発明例１５は、発明例４～６を参考にして、焼入れを行った例である。複数の拘束ロール対４を用いることで、金属板Ｓに対するある程度の矯正の効果を得られた。発明例１６は、金属板Ｓの通板速度と板厚との積（ＬＳＤ）及び金属板Ｓの反りの計測結果に基づき、複数の拘束ロール対４について、使用するロールを変更し、金属板Ｓの拘束位置および拘束ロール対間の距離を変更する調整を行ったことで、金属板Ｓの反り量を３．１ｍｍに抑えることができた。なお、本例（発明例１６）では、使用する拘束ロール対の選択とそれによる拘束ロール対間距離の調整を実施したが、調整する項目はインターメッシュ量やオフセット量であっても構わない。金属板Ｓの反りの計測は、金属板Ｓの通板方向Ｐにおけるいずれかの位置にレーザー変位計を設置し、当該レーザー変位計からの反りの計測結果に基づいて、複数の拘束ロール対４の各種条件を調整してよい。

本発明に係る金属板の焼入装置、金属板の焼入方法および鋼板の製造方法について、本発明者らにおける発明の経緯は、先に述べた問題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、以下のような知見を得た。

金属板Ｓの形状を良好とするには、（Ｔ_Ｍｓ＋１５０）（℃）から（Ｔ_Ｍｆ－１５０）（℃）の温度範囲で、金属板Ｓを面外変形しないように拘束ロール４ａで拘束することが効果的であるが、１つの拘束ロール対４のみで上記条件を実現するためには、金属板Ｓの通板速度や板厚を大幅に制約する必要があった。これに対し、複数の拘束ロール対４を採用した場合、良好な温度範囲で拘束ロール対４を通過させるための条件範囲は大幅に緩和できるとの考えに至った。

このように、金属板ＳのＬＳ、板厚等の変化に対しては、拘束ロール対４を複数設置すれば良いが、適切な条件で拘束ロール対４を設置しないと、金属板Ｓの形状が安定化しない場合や、拘束ロール対４に起因した擦り傷などが発生することがあった。

金属板Ｓの形状の不安定化は、冷却能力の不安定性が原因であり、これは水流による蒸気膜除去性能が不安定化したためと推定された。一般に、水焼き入れ冷却では、金属板Ｓの温度域により、高温側から膜沸騰・遷移沸騰・核沸騰と、冷却時の金属板Ｓと水との接触状態（沸騰形態）が変化し、それに伴い冷却速度や冷却均一性が変化することが知られていた。そして、温度均一性の高い急速冷却を実現するためには核沸騰領域のみでの冷却を行うことが重要であり、そのためには蒸気膜の均一除去が重要であると考えた。これを実現するため、金属板Ｓの表裏にスリットノズルを設置し、水流を吹き付ける手法が実用化されている。

また、本発明者らが検討した結果、冷却媒体を噴射する水噴射ノズル３ａを複数並列して設けた多段平行噴流は、周辺流れの影響により、大きく変動することが分かった。噴流が変動すると金属板Ｓとの衝突位置も変動するため、蒸気膜の除去が不安定となる。そのため、拘束ロール４ａの単純追加では、蒸気膜除去状態が不安定化し、かえって金属板Ｓの形状が悪化する場合があることが分かった。一方、金属板Ｓの表面に発生する擦り傷は、拘束ロール４ａがスリップして発生する欠陥であり、拘束ロール４ａと金属板Ｓとの間に水膜が形成される場合に発生する、ハイドロプレーニング現象に起因すると考えた。

１ 焼入装置
２ 水槽
３ 水噴射装置
３ａ 水噴射ノズル
３ｂ 水噴射ノズルから噴射する冷媒
４ 拘束ロール対
４ａ 拘束ロール
Ｄ ロール径
Ｐ 通板方向
Ｒｚ 最大高さ粗さ
Ｓ 金属板
Ｋ 反り量
Ｗ 水面
Ａ 水面から冷却開始点までの距離
Ｂ 対面する１対の拘束ロールの中心軸間距離（オフセット値）
Ｃ 拘束ロール対間の距離
Ｉ 金属板を押し込む方向への拘束ロールの移動量（Ｉ．Ｍ）

Claims (4)

1. 連続的に通板される金属板を液体に浸漬させて冷却を開始した後、
   前記金属板の温度が、前記金属板のマルテンサイト変態開始温度＋１５０℃以下、マルテンサイト変態終了温度－１５０℃以上の範囲である間に、金属板に対する位置を調整した複数の拘束ロール対を用いて前記金属板を拘束する、金属板の焼入方法。
2. 請求項１に記載の金属板の焼入方法により冷延鋼板を焼入れする、冷延鋼板の製造方法。
3. 請求項２に記載の冷延鋼板の製造方法に続いて前記冷延鋼板にめっき処理を施す、めっき鋼板の製造方法。
4. 前記めっき処理は、電気亜鉛めっき処理、溶融亜鉛めっき処理、合金化溶融亜鉛めっき処理のいずれかの方法により行う、請求項３に記載のめっき鋼板の製造方法。

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