JP7508024B2 - 焼入れ装置及び焼入れ方法並びに金属板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属板を連続的に搬送しながら焼鈍を行う焼入れ装置及び焼入れ方法並びに金属板の製造方法に関する。

金属板を連続的に搬送しながら焼鈍を行う連続焼鈍設備において、金属板が加熱後に冷却されて相変態を起こすことにより、金属板の造り込みが行われる。特に、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、薄肉化した高張力鋼板（ハイテン）の需要が増している。高張力鋼板の製造時には、鋼板を急速に冷却する技術が重要となる。金属板の冷却速度が最も速い技術の１つとして、水焼入れ法が知られている。水焼入れ法では、加熱された金属板が水中に浸漬すると同時に、水中内に設けられたクエンチノズルにより冷却水が金属板に噴射されることで、金属板の焼入れが行われる。

金属板の焼入れ時には、金属板に反りや波状変形等の形状不良が発生する。これは、金属板は、冷却液体によって急冷されることによる熱収縮等に起因する。特に、金属板の温度が、マルテンサイト変態が開始する温度Ｍｓからマルテンサイト変態が終了する温度Ｍｆとなったときに、急激な熱収縮と変態膨張が同時に生じる。

そこで、従来から、焼入れ時における金属板の形状不良を防止するために様々な手法が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。特許文献１には、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（℃）としたとき、金属板の温度が（ＴＭｓ＋１５０）（℃）から（ＴＭｆ－１５０）（℃）範囲において、冷却液体中に設けられた一対の拘束ロールにより金属板を拘束する手法が提案されている。

特許文献２には、金属板の表面に複数の水噴出ノズルから水を噴射することで冷却する焼入れ方法を行う際に、拘束ロールによって金属板を拘束しつつ、可動マスキングによって冷却流体による金属板の冷却開始位置と拘束ロールとの距離を制御することが開示されている。さらに、特許文献１と同様、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（℃）としたとき、金属板を（ＴＭｓ＋１５０）（℃）～（ＴＭｆ－１５０）（℃）の温度で拘束ロールを通過させる手法が提案されている。

特許第６０９４７２２号公報 特開２０１９－９０１０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法では、金属板の製造条件によって、金属板の温度が（ＴＭｓ＋１５０）（℃）～（ＴＭｆ－１５０）（℃）の範囲となる位置が変化する。このため、金属板の温度が（ＴＭｓ＋１５０）（℃）～（ＴＭｆ－１５０）（℃）となる位置で拘束ロールが金属板を拘束できず、金属板の形状にバラツキが発生してしまう場合がある。

特許文献２に記載された方法では、可動マスキングに衝突した水が重力によって落下し、可動マスキングの下部の水噴出ノズルから噴射された水に干渉することで、金属板の冷却能力が不安定になる。また、ノズルごとにマスキングされるため、冷却能力が段階的に（非連続的に）に変わり、その結果、金属板の温度が（ＴＭｓ＋１５０）（℃）～（ＴＭｆ－１５０）（℃）となる位置が不安定になり、金属板の形状にバラツキが発生してしまう場合がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、焼入れ時に発生する金属板の形状のバラツキを抑制することができる焼入れ装置及び焼入れ方法並びに金属板製品の製造方法を提供することを目的とする。

［１］ 金属板を搬送しながら冷却する金属板の焼入れ装置であって、冷却流体を貯留し、前記金属板を浸漬させて冷却する冷却槽と、前記冷却槽内に設置され、前記冷却槽により冷却された前記金属板を厚み方向に拘束しながら搬送する拘束ロールと、前記金属板の冷却開始位置である前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを調整する水位調整器と、前記水位調整器の動作を制御して前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを制御する位置制御装置と、を備える金属板の焼入れ装置。
［２］ 前記冷却槽内に設置され、前記金属板に前記冷却流体を噴射して冷却する複数のノズルをさらに有する［１］に記載の金属板の焼入れ装置。
［３］ 前記水位調整器は、前記冷却流体を貯留しており、前記冷却槽に接続された調整槽と、前記調整槽に供給源と、前記調整槽からの前記冷却流体の排出を制御する堰とを有し、前記調整槽内の前記冷却流体の貯留量を調整することにより、前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを調整する［１］又は［２］に記載の金属板の焼入れ装置。
［４］ 前記位置制御装置は、前記金属板が目標温度になる位置で前記拘束ロールが前記金属板を拘束するように、前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを調整する［１］～［３］のいずれかに記載の金属板の焼入れ装置。
［５］ 前記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（℃）としたとき、前記目標温度は、（ＴＭｓ＋１５０）（℃）～（ＴＭｆ－１５０）（℃）の温度範囲に設定される［４］に記載の金属板の焼入れ装置。
［６］ 前記位置制御装置は、前記冷却開始位置から前記拘束ロールまでの距離を、前記金属板の搬送速度と、前記冷却槽による冷却開始時の前記金属板の冷却開始温度と、前記目標温度と、前記金属板の冷却速度とに基づいて設定し、設定した距離になるように前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを調整する［４］又は［５］に記載の金属板の焼入れ装置。
［７］ 前記位置制御装置は、前記金属板の搬送速度をｖ（ｍｍ／ｓ）、冷却開始温度をＴ１（℃）、前記目標温度をＴ２（℃）、前記冷却槽による前記金属板の冷却速度をＣＶ（℃／ｓ）としたとき、前記冷却開始位置から前記拘束ロールまでの距離ｄ（ｍｍ）を式（１）で求める［６］に記載の金属板の焼入れ装置。
ｄ＝（Ｔ１－Ｔ２）×ｖ／ＣＶ （１）
［８］ 前記位置制御装置には、前記冷却速度ＣＶが前記金属板の冷却条件を示す係数αと前記金属板の板厚ｔによって、ＣＶ＝α／ｔとして設定されている［７］に記載の金属板の焼入れ装置。
［９］ 前記冷却槽内の前記冷却流体の液体面と前記金属板における前記ノズルからの液体噴流の衝突位置との間の距離は、３０ｍｍ以上２０００ｍｍ以下である［２］に記載の金属板の焼入れ装置。
［１０］ 金属板を搬送しながら冷却する金属板の焼入れ方法であって、冷却流体を貯留した冷却槽に前記金属板を浸漬して、前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを冷却開始位置として、前記金属板の冷却を行うものであり、前記金属板が目標温度になっている位置で拘束ロールにより前記金属板を拘束するように、前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを調整する金属板の焼入れ方法。
［１１］ 前記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（℃）としたとき、前記目標温度は、（ＴＭｓ＋１５０）（℃）～（ＴＭｆ－１５０）（℃）の温度範囲に設定される［１０］に記載の金属板の焼入れ方法。
［１２］ 前記冷却流体の流体面の高さの調整は、前記金属板の搬送速度と、冷却開始時の前記金属板の冷却開始温度と、前記目標温度と、前記金属板の冷却速度とに基づいて、冷却開始位置から前記拘束ロールまでの距離を設定し、設定した距離になるように前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを調整する［１０］又は［１１］に記載の金属板の焼入れ方法。
［１３］ 前記冷却槽による冷却開始位置から前記拘束ロールまでの距離は、前記金属板の搬送速度をｖ（ｍｍ／ｓ）、冷却開始温度をＴ１（℃）、前記目標温度をＴ２（℃）、前記金属板の冷却速度をＣＶ（℃／ｓ）としたとき、前記冷却開始位置から前記拘束ロールまでの距離ｄ（ｍｍ）を式（１）で求める［１２］に記載の金属板の焼入れ方法。
ｄ＝（Ｔ１－Ｔ２）×ｖ／ＣＶ （１）
［１４］ 前記冷却速度ＣＶは、前記金属板の冷却条件を示す係数αと前記金属板の板厚ｔによって、ＣＶ＝α／ｔとして設定されている［１３］に記載の金属板の焼入れ方法。［１５］ ［１０］～［１４］のいずれかに記載の金属板の焼入れ方法を用いる、高強度冷延鋼板の製造方法。
［１６］ ［１５］に記載の方法で得られた高強度鋼板に、溶融亜鉛めっき処理、電気亜鉛めっき処理、もしくは合金化溶融亜鉛めっき処理のいずれかを行う高強度鋼板の製造方法。
［１７］ 前記冷却槽内に設置されたノズルから前記金属板に前記冷却流体を噴射して冷却すると共に、前記冷却槽内の前記冷却流体の液体面と前記金属板における前記ノズルからの液体噴流の衝突位置との間の距離は、３０ｍｍ以上２０００ｍｍ以下である［１０］に記載の金属板の焼入れ方法。

本発明によれば、金属板の焼入れ時に、水位調整器の動作を制御して、冷却開始位置である冷却槽内の冷却流体の流体面の高さを調整することにより、冷却開始位置から拘束ロールまでの距離を制御することができる。これにより焼入れ時に発生する金属板の形状のバラツキを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る焼入れ装置を示す模式図である。 図１の水位調整器の一例を示す模式図である。 金属板の反り量の定義の一例を示す模式図である。 本発明例における搬送速度と目標温度との関係を示すグラフである。 本発明例における搬送速度と金属板の反り量との関係を示すグラフである。 比較例１における搬送速度と目標温度との関係を示すグラフである。 比較例１における搬送速度と金属板の反り量との関係を示すグラフである。 比較例２における搬送速度と目標温度との関係を示すグラフである。 比較例２における搬送速度と金属板の反り量との関係を示すグラフである。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る焼入れ装置を示す模式図である。なお、図１の焼入れ装置１は、例えば金属板Ｓとして鋼材の焼入れを行うものであって、連続焼鈍炉の均熱帯の出側に設けられた冷却設備に適用される。図１の金属板の焼入れ装置１は、金属板Ｓを冷却する冷却装置１０と、冷却された金属板Ｓを厚み方向に拘束する拘束ロール２０とを備える。

冷却装置１０は、冷却流体ＣＦを用いて金属板Ｓを冷却するものであり、冷却流体ＣＦを貯留する冷却槽１１と、冷却槽１１内に設置され、金属板Ｓの表面へ冷却流体ＣＦを噴射する複数のノズル１２とを備える。冷却槽１１には、冷却流体ＣＦとして水が貯留されており、例えば冷却槽１１の上面から金属板Ｓが搬送方向ＢＤに向かって浸漬していく。なお、冷却槽１１内には、金属板Ｓの搬送方向を変更するシンクロール２が設置されている。

複数のノズル１２は、例えばスリットノズル等からなり、金属板Ｓの両面側のそれぞれに金属板Ｓの搬送方向に沿って設置されている。よって、金属板Ｓは、冷却槽１１内の冷却流体ＣＦ及び複数のノズル１２から噴射される冷却流体ＣＦによって冷却される。このように、冷却槽１１と複数のノズル１２の双方を用いて金属板Ｓを冷却することにより、金属板Ｓの表面の沸騰状態が安定し、均一な形状制御を行うことができる。

なお、冷却流体ＣＦとして水を用いた水焼入れの場合について例示しているが、冷却流体ＣＦとして油やイオン液体を用いた冷却であっても良い。また、図１において、複数のノズル１２が冷却槽１１内に設置されている場合について例示しているが、金属板Ｓを予め設定した温度範囲で冷却できる手法であれば、冷却方法はこれに限定されない。例えば、ノズル１２を用いずに金属板Ｓを冷却槽１１だけで冷却してもよい。

拘束ロール２０は、冷却装置１０により冷却された金属板Ｓを厚み方向に拘束するものであって、冷却槽１１内の金属板Ｓの両面にそれぞれ固定されている。なお、図１においては、１対の拘束ロール２０が対向するように設置されているが、拘束するものであれば搬送方向に沿ってずれた位置に設置されていてもよい。また、図１では１対の拘束ロール２０が設置されている場合について例示しているが、一対に限定するものではなく、複数対もしくは、複数本設けられて良い。その場合には、拘束ロール対全体をまとめて位置制御しても良い。

ここで、金属板Ｓの焼き入れは、冷却槽１１に貯留された冷却流体ＣＦに金属板Ｓを浸漬することで行われる。したがって、金属板Ｓの冷却開始位置ＳＰは、冷却槽１１の水位によって変わる。そこで、金属の焼き入れ装置１は、冷却槽１１の流体面の高さを変化させることで、冷却開始位置ＳＰを変化させる機能を有している。

金属の焼き入れ装置１は、冷却槽１１に収容された冷却流体ＣＦの流体面の高さを調整する水位調整器３０と、水位調整器３０の動作を制御する位置制御装置４０とを備える。図２は、図１の水位調整器３０の一例を示す模式図である。図２の水位調整器３０は、冷却流体ＣＦを貯留する調整槽３１と、調整槽３１に冷却流体ＣＦを供給する供給源３２と、調整槽３１内の冷却流体ＣＦの排出を制御する堰３３とを有する。調整槽３１と冷却槽１１とは、冷却槽１１から冷却流体ＣＦが排出される排出配管３４と、冷却槽１１へ冷却流体ＣＦを供給する供給配管３５とによって接続されている。また、沸騰現象やノズル１２からの噴射を阻害しないようにするため、排出配管３４及び供給配管３５は、液体面より下側に設けられることが好ましい。さらに、排出配管３４及び供給配管３５は一体化されていてもよい。

調整槽３１及び冷却槽１１の流体面の高さは、大気圧により同じになるように、排出配管３４と供給配管３５とを流体が行き来することで調整される。したがって、例えば調整槽３１の流体面の高さを監視しながら調整槽３１の貯留量を調整することによって冷却槽１１の流体面の高さを調整することができる。また、これにより、冷却開始位置ＳＰを調整することができる。具体的には、冷却開始位置ＳＰを高くする場合には、供給源３２から冷却流体ＣＰが調整槽３１内に供給されて貯留量が増大される。それに伴って、冷却槽１１の液体面の高さ、すなわち、冷却開始位置ＳＰが高くなる。冷却開始位置ＳＰを低くする場合には、堰３３が移動してつまり堰３３が下降して、調整槽３１内の冷却流体ＣＰが堰３３からオーバーフローすることによって、調整槽３１から冷却流体ＣＰが排出される。それに伴って、冷却槽１１の液体面の高さ、すなわち、冷却開始位置ＳＰが低くなる。

なお、水位調整器３０は、図２の構成に限定されず、冷却槽１１へ冷却媒体ＣＦの供給及び排出するポンプ等を備えていてもよいし、調整槽３１内に、設計時に定めた体積の物体を浸漬もしくは除去することで液体面の高さの調整を行ってもよい。液温又は汚れなどの冷却流体ＣＦの管理や液体面の高さの調整の精度と応答性を考慮すれば、上述したポンプによる排水と併せて、冷却槽１１に調整槽３１を接続し、調整槽３１の貯留量を調整することによって冷却槽１１の液体面を調整することが好ましい。

位置制御装置４０は、コンピュータ等のハードウェア資源からなっており、水位調整器３０を制御して、冷却槽１１内の冷却流体ＣＦの流体面の高さを制御する。特に、位置制御装置４０は、水位調整器３０の動作を制御し、金属板Ｓが目標温度になる位置ＲＰで拘束されるように、冷却槽１１内の冷却流体ＣＦの流体面の高さを調整する。ここで、目標温度は、金属板Ｓ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（℃）としたとき、（ＴＭｓ＋１５０）（℃）～（ＴＭｆ－１５０）（℃）の温度範囲に設定されることが好ましい。これにより、金属板Ｓに急激な熱収縮と変態膨張とが同時に生じる位置で、金属板Ｓの変形を拘束ロール２０によって拘束することができ、焼入れ時の金属板Ｓの変形を抑制することができる。

位置制御装置４０は、冷却流体ＣＦによる金属板Ｓの目標とする冷却開始位置ＳＰから目標温度になる位置ＲＰまでの距離ｄを算出し、算出した距離ｄに基づいて冷却槽１１内の冷却流体ＣＦの流体面の高さを調整する。この際、位置制御装置４０は、金属板Ｓの搬送速度ｖ（ｍｍ／ｓ）、冷却開始温度Ｔ１（℃）、目標温度Ｔ２（℃）、冷却装置１０による金属板Ｓの冷却速度ＣＶ（℃／ｓ）を用いて距離ｄを算出する。なお、上記パラメータは、プロセスコンピューターの設定値、あるいは操業実績値から逐次取得してもよいし、速度センサもしくは温度センサ等を用いて実測してもよい。冷却開始温度Ｔ１（℃）とは、金属板Ｓの冷却を開始する時の温度、具体的には、冷却開始位置ＳＰ直前での金属板Ｓの温度を意味している。例えば、冷却開始位置ＳＰや焼入れ装置１に至るまでの金属板Ｓの冷却状況に基づいて、冷却開始位置ＳＰに到達する直前の金属板Ｓの温度を算出することができる。具体的には、連続焼鈍炉の均熱帯の出側において、非接触タイプの温度計によって金属板Ｓの温度を測定する。そして、その温度と、焼入れ装置１に到達するまでの金属板Ｓの自然冷却による温度低下分とに基づいて冷却開始位置ＳＰに到達する直前あるいは到達時点の金属板Ｓの温度を算出することができる。上述した金属板Ｓの自然冷却による温度低下分は、実験によって予め求めることができる。目標温度Ｔ２とは、拘束ロール２０によって金属板Ｓが拘束される位置ＲＰにおける金属板Ｓの温度の目標値を意味している。

具体的には、距離ｄと冷却速度ＣＶ（℃／ｓ）の関係は下記（１）式で表される。

ＣＶ＝（Ｔ１－Ｔ２）／（ｄ／ｖ）
ｄ＝（Ｔ１－Ｔ２）×ｖ／ＣＶ ・・・（１）

冷却速度ＣＶ（℃／ｓ）は、ノズル形状、又は噴射される冷却流体ＣＦの種類、温度及び噴射量等の冷却条件を示す係数α（℃・ｍｍ／ｓ）と、金属板Ｓの板厚ｔとを用いて下記（３）式で表すことができる。

ＣＶ＝α／ｔ ・・・（２）

（１）式に（２）式を代入すると、距離ｄは下記（３）式で表すことができる。

ｄ＝（Ｔ１－Ｔ２）×ｖ×ｔ／α ・・・（３）

位置制御装置４０には、事前に実験や数値解析等によって求められた冷却速度ＣＶ（℃／ｓ）、もしくはα（℃・ｍｍ／ｓ）が記憶されている。そして、位置制御装置４０は、（１）式もしくは（３）式を用いて距離ｄを求め、求めた距離ｄの位置で金属板Ｓを拘束するように、冷却槽１１内の冷却流体ＣＦの流体面の高さを調整する。なお、冷却速度ＣＶは、板厚等に応じて定まる値であり、板厚１～２ｍｍでは冷却速度ＣＶ＝１０００～２０００（℃／ｓ）となり、α＝５００～２０００（℃・ｍｍ／ｓ）である。そこで、位置制御装置４０において、冷却速度ＣＶが上記範囲の中間の１５００（℃／ｓ）に設定されていてもよい。この場合は、αを中間値の１２５０（℃・ｍｍ／ｓ）として扱ってもよい。このように、上述した冷却速度ＣＶと板厚ｔと（２）式によって求められる冷却条件αが設定されていてもよい。

液体面の高さの変更が可能であれば、液体に金属板Ｓを単に浸漬することによる緩冷却と、ノズル１２による急速冷却とを併用することによって、金属板Ｓの初期の冷却速度ＣＶを変更することが可能となる。液体を噴射するノズル１２による冷却区間では、沸騰により金属板Ｓの表面に生じる蒸気膜を液体噴流によって破壊することで高い冷却速度ＣＶが得られる。一方で、単なる液体への金属板Ｓの浸漬による冷却区間では、金属板Ｓの表面が蒸気膜に覆われた膜沸騰の状態となり、液体と金属板Ｓとの間の熱伝達が蒸気膜により阻害される。そのため、冷却速度ＣＶは低下する。この膜沸騰による緩冷却を用いることで、急激な温度変化による応力を抑制するだけでなく、冷却初期の金属板Ｓをより均一に冷却し、温度ばらつきを低減することができる。そのため、金属板Ｓの形状変形を抑え、より形状が平坦化された金属板Ｓを得ることが可能となる。

このような理由から、液体に金属板Ｓを単に浸漬することと、ノズル１２による冷却とを併用する場合において、液体面の高さは、ノズル１２からの液体噴流が金属板Ｓに衝突する位置よりも高いことが好ましい。ノズル１２からの液体面の高さの範囲、つまり、液体面とノズル１２との間の距離は、一例として３０ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であることが好ましい。

前記距離の下限値である３０ｍｍよりも、液体面が液体噴流の衝突位置に近い場合には、ノズル１２からの液体噴流の影響によって液体面が変動する。具体的には、周期的な液体面の上下動が発生するため、金属板Ｓに対する冷却能力が安定しない。その結果、拘束ロール２０によって金属板Ｓが拘束されている箇所での温度（拘束温度）が変動し、周期的な金属板Ｓの形状変化が発生する可能性がある。

前記距離の上限値は、金属板Ｓの冶金的な特性、搬送速度ｖ、冷却速度ＣＶなどによって適宜決定されることが好ましい。一般的に、液体焼入れにより所望の金属特性を得るためには、変態温度域における急速冷却が必要となる。そのため、一般的な金属板の焼入れ処理工程における搬送速度範囲が１０ｍ／ｍｉｎ～６００ｍ／ｍｉｎであることを考慮すれば、前記上限値が２０００ｍｍを超えることは好ましくない。上限値が２０００ｍｍを超えると、変態温度域における金属板Ｓに対する十分な冷却能力が得られない可能性が高くなるためである。そのため、液体面とノズル１２との間の距離は、３０ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であることが好ましい。さらに、より液面を安定させ効果的な冷却速度を得てるため、５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であることがより好ましい。

図１を参照して本発明の焼入れ方法及び金属板の製造方法について説明する。まず、金属板Ｓを搬送しながら冷却装置１０によって金属板Ｓが冷却され、金属板Ｓの焼き入れが行われる。このとき、金属板Ｓが目標温度Ｔ２になる位置ＲＰで、金属板Ｓの厚み方向で両側から金属板Ｓを拘束するように、冷却槽１１内の冷却流体ＣＦの流体面の高さが調整される。具体的には、位置制御装置４０において、上記式（１）もしくは式（３）を用いて距離ｄが算出され、算出された距離ｄの位置で金属板Ｓを拘束するように、冷却槽１１内の冷却流体ＣＦの流体面の高さが調整される。なお、流体面の高さの調整は、金属板Ｓの焼入れをしている最中にも逐次行うことができる。例えば、位置制御装置４０は、搬送速度ｖが変更されたタイミングで距離ｄの算出及び流体面の高さの調整を行うようにしてもよい。

金属板Ｓの搬送速度は１枚の金属板Ｓ（１コイル内）においても変動する。そのため、拘束ロール２０で金属板Ｓを拘束したまま、流体面の高さを上下動させることができれば、金属板Ｓの先端・尾端など減速する部分の歩留まりを改善できるので、なお好ましい。あるいは、位置制御装置４０は、設定された期間毎に距離ｄの算出及び流体面の高さの調整を行うようにしてもよい。

上記実施の形態によれば、水位調整器３０の動作を制御して、冷却開始位置である冷却槽１１内の冷却流体ＣＦの流体面の高さを調整する。これにより、金属板Ｓの製造条件によらず、目標温度Ｔ２の金属板Ｓを拘束ロール２０によって拘束することができる。その結果、連続焼鈍設備において、焼入れ時に発生する金属板Ｓの製造条件による金属板Ｓの形状不良を抑制することができる。

すなわち、焼入れ装置１に搬送する金属板Ｓの温度は、例えば、搬送速度ｖ、金属板Ｓの冷却開始温度Ｔ１、金属板Ｓの板厚ｔ等の金属板Ｓの製造条件によってばらつきがある。よって、距離ｄが製造条件に拘わらず一定に設定されている場合、拘束ロール２０に到達したときの金属板Ｓの温度にもばらつきが生じることになる。

この問題を解消するために、つまり、製造条件によって異なる最適温度位置で的確に金属板Ｓの形状を制御するには、冷却槽１１内の冷却流体ＣＦの流体面の高さを調整することが効果的であることを見出した。冷却槽１１内の冷却流体ＣＦの流体面の高さを調整することで、製造条件が変化しても目的とする温度範囲で金属板Ｓを拘束することができる。

特に、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ができる。よって、金属板Ｓが高強度鋼板（ハイテン）のときに、特に変形抑制効果が大きくなる。具体的には、引張強度が５８０ＭＰａ以上である鋼板の製造に適用することが好ましい。引張強度の上限は特に制限されないが、一例として２０００ＭＰａ以下であればよい。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鍍金鋼板、電気亜鉛鍍金鋼板、合金化溶融亜鉛鍍金鋼板等がある。

なお、高強度鋼板の組成の具体例として、質量％で、Ｃが０．０４％以上０．３５％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、ｓｏｌ．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。尚、金属板は、鋼板に限定されるものではなく、鋼板以外の金属板であってもよい。

本発明の実施例を述べる。本発明例として、上記の本発明の実施形態に係る焼入れ装置１を用いて、板厚ｔが１．０ｍｍ、板幅が１０００ｍｍの引張強さ１４７０ＭＰａ級の高張力冷延鋼板（以下、鋼板と記す。）の焼入れを行った。引張強さ１４７０ＭＰａ級の鋼板の組成として、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。鋼板のＭｓ点の温度ＴＭｓは３００℃であり、Ｍｆ点の温度ＴＭｆは２５０℃である。よって、拘束ロール２０の通過時の鋼板の目標温度Ｔ２が、４５０℃～１００℃の範囲になるように設定すればよい。本実施例では、目標温度Ｔ２を４００℃と設定した。また、冷却開始温度Ｔ１を８００℃とした。冷却流体ＣＦの温度はほぼ３０℃であり、冷却速度ＣＶは１５００（℃／ｓ）に設定した。

製造条件の変化として、搬送速度ｖを１０００ｍｍ／ｓ～３０００ｍｍ／ｓの間で変化させ、式（１）に基づき、搬送速度ｖの変化に合わせて距離ｄ（ｍｍ）をｄ＝２６７ｍｍ～８００ｍｍで制御した。冷却後の鋼板を長手方向（すなわち、鋼板の搬送方向と同じ方向）で１００ｍおきに１０枚採取し、それぞれの鋼板の反り量を調査した。図３は、反り量の定義の一例を示す模式図である。図３に示すように、反り量は、鋼板を水平面に置いたときに、接地面から最も高い位置までの高さを反り量とした。

図４は、本発明例における搬送速度ｖと目標温度との関係を示すグラフであり、図５は本発明例における搬送速度ｖと金属板の反り量との関係を示すグラフである。図４に示すように、搬送速度ｖが変化しても、搬送速度ｖに応じて冷却流体ＣＦの流体面の高さを調整して距離ｄを変化させることにより、拘束ロール２０の通過する時の鋼板の温度（℃）は４００±２５℃となった。つまり、搬送速度ｖが変化しても、拘束ロール２０を通過するときの鋼板の温度（℃）を目標温度Ｔ２の範囲（４５０℃～１００℃）に制御できた。その結果、図５に示すように、鋼板の反り量は全て１０ｍｍ以下にまで低減していた。それにより、反り量の最大値と最小値との差であるバラツキが４．２ｍｍに抑制された。

図６は、比較例１における搬送速度ｖと目標温度との関係を示すグラフであり、図７は比較例１における搬送速度ｖと金属板の反り量との関係を示すグラフである。比較例１では、冷却開始位置から拘束ロール２０までの距離ｄ（ｍｍ）はｄ＝４００ｍｍで一定とし、その他の条件は上記本発明例と同一とした。

比較例１では、図６に示すように、搬送速度ｖ（ｍｍ／ｓ）によって、拘束ロール２０の通過時の鋼板の温度（℃）は大きく変化し、制御することはできなかった。そのため、ｖ＝１０００ｍｍ／ｓとｖ＝１５００ｍｍ／ｓ以外の条件では、拘束ロール２０を通過する時の鋼板の温度（℃）が目標温度Ｔ２である４５０℃～１００℃の範囲を外れてしまった。その結果、図７に示すように、ｖ＝１０００ｍｍ／ｓとｖ＝１５００ｍｍ／ｓ以外の条件では、鋼板の反り量が全て１０ｍｍ以上となり、鋼板の変形抑制効果が不十分であった。その結果、反り量の最大値と最小値との差であるバラツキが１０．３ｍｍと大きくなってしまった。

図８は、比較例２における搬送速度ｖと目標温度との関係を示すグラフであり、図９は比較例２における搬送速度ｖと金属板Ｓの反り量との関係を示すグラフである。比較例２では、特許文献２に示すように、拘束ロール２０は固定したまま可動マスキングを移動させて冷却開始位置を制御することによって距離ｄを制御した。その他の条件は、本発明例と同じにして、上記の鋼板を製造した。

図８に示すように、比較例２では、搬送速度ｖ（ｍｍ／ｓ）によらず、拘束ロール２０を通過する時の鋼板の温度（℃）は大きく変化し、制御することはできなかった。そのため、全ての条件で、拘束ロール２０を通過する時の鋼板の温度（℃）が目標温度Ｔ２である４５０℃～１００℃の範囲を外れる場合が生じた。そして、図９に示すように、全ての条件で、鋼板の反り量が１０ｍｍ以上を超える鋼板があり、鋼板の変形抑制効果が不十分であった。その結果、反り量の最大値と最小値との差であるバラツキが９．２ｍｍと大きくなってしまった。

本発明の実施形態は、上記実施形態に限定されず、種々の変更を加えることができる。例えば、上記の実施形態では、目標温度Ｔ２が（ＴＭｓ＋１５０）（℃）～（ＴＭｆ－１５０）（℃）の場合について例示しているが、これに限定されない。後工程での処理や操業の自由度の確保等の点から、例えば反り量等の金属板Ｓの形状のバラツキが無ければよいという場合には、目標温度Ｔ２を（ＴＭｓ＋１５０）（℃）～（ＴＭｆ－１５０）（℃）に限定しなくともよい。

この場合、後工程での処理や操業の自由度の確保等を念頭におきながら、予測される形状（例えば、反り量）を考慮して、目標温度Ｔ２を予め定める。また、拘束ロール２０の位置調整によって、冷却開始位置から拘束ロール２０までの距離ｄを制御する。そのようにして、拘束ロール２０を通過する時の金属板Ｓの温度を予め定めた温度Ｔ２にして、金属板Ｓの形状、つまり、図３で定義する金属板Ｓの反り量のバラツキが４ｍｍ以内になるようにすればよい。

さらに、拘束ロール２０の位置が固定されている場合について例示しているが、拘束ロール２０は金属板Ｓの長手方向すなわち金属板Ｓの搬送方向に移動するように構成されていてもよい。すなわち、金属板Ｓの焼入れ装置１は、例えばモータ等からなる拘束ロール２０を移動させるロール移動装置を備えていてよい。この場合、距離ｄは、冷却流体ＣＦの流体面の高さと拘束ロール２０の位置との双方によって制御されることになる。これにより、例えば距離ｄを大きくしたいときに、流体面の高さを上げながら拘束ロール２０を金属板Ｓの搬送方向に移動させることで、距離ｄを迅速に調整することができる。あるいは、例えば大まかな距離ｄの調整は水位調整器３０によって行い、距離ｄの微調整は、拘束ロール２０の位置調整によって行う等、精密な距離ｄの制御を行うことができる。

搬送速度ｖを１０００ｍｍ／ｓ～２５００ｍｍ／ｓの間で変化させ、また、垂直方向で液体面と鋼板におけるノズル１２からの液体噴流の衝突位置（以下、衝突位置と記す。）との間の距離を０ｍｍ～４００ｍｍの間で変化させた以外は、実施例１と製造条件を同じにして鋼板の焼入れを行った。実施例２における液面高さと前記衝突位置との関係について検証した結果を表１に示す。なお、前記衝突位置とは、ノズル１２の中心から液体噴射方向に引いた直線が鋼板の表面と交わる位置である。また、長手方向（すなわち、鋼板の搬送方向と同じ方向）での鋼板の形状変化の有無は、出側検査において、十分に明るい蛍光灯の下で、目視検査により実施した。

表１に示すように、液体面と衝突位置との間の距離が０ｍｍから２０ｍｍである参考例１～３では、鋼板の搬送方向において、鋼板の反り形状が上反り、下反りに周期的に変わる変動が見られた。なお、上反りとは、鋼板の幅方向での中央部が両端部よりも上方に凸となるように変形することを意味している。下反りとは、上反りとは反対に、鋼板の幅方向での両端部が中央部よりも上方に凸となるように変形することを意味している。

また、参考例１～３では、１００ｍ毎に採取した鋼板の幅方向の最大反り量は、本発明例１～５と比較して、若干高くなる傾向が見られた。

液体面と衝突位置との間の距離を３０ｍｍ以上とした本発明例１～５においては、鋼板の長手方向での周期的な反りの変動は見られなかった。また、１００ｍ毎に採取した鋼板の幅方向の最大反り量は、前記距離及び搬送速度ｖの増大に伴って減少する傾向がみられた。すなわち、本発明例１～５においては、液面高さをノズルからの液体噴流の衝突位置から３０ｍｍ以上高く設定することによって、鋼板の初期の冷却を緩冷却とすることができた。これにより急激な熱収縮による応力を小さくすることができ、鋼板の形状の変形を抑制することができ、鋼板の反り量を少なくすることができた。

１ 金属板の焼入れ装置
１０ 冷却装置
１１ 冷却槽
１２ ノズル
２０ 拘束ロール
３０ 水位調整器
４０ 位置制御装置
ＢＤ 搬送方向
ＣＦ 冷却流体
Ｓ 金属板

Claims (15)

1. 金属板を搬送しながら冷却する金属板の焼入れ装置であって、
   冷却流体を貯留し、前記金属板を浸漬させて冷却する冷却槽と、
   前記冷却槽内に設置され、前記冷却槽により冷却された前記金属板を厚み方向に拘束しながら搬送する拘束ロールと、
   前記金属板の冷却開始位置である前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを調整する水位調整器と、
   前記水位調整器の動作を制御して前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを制御する位置制御装置と、を備え、
   前記水位調整器は、前記冷却流体を貯留しており、前記冷却槽との間で前記冷却流体を流通可能に接続された調整槽と、前記調整槽に前記冷却流体を供給する供給源と、上下動可能に構成されており、上下動することによって前記調整槽からの前記冷却流体の排出を制御する堰とを有し、
   前記位置制御装置は、前記金属板が目標温度になる位置で前記拘束ロールが前記金属板を拘束するように、前記堰を上下動させて前記調整槽内の前記冷却流体の貯留量を調整することにより、前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを調整する金属板の焼入れ装置。
2. 前記冷却槽内に設置され、前記金属板に前記冷却流体を噴射して冷却する複数のノズルをさらに有する請求項１に記載の金属板の焼入れ装置。
3. 前記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（℃）としたとき、前記目標温度は、（ＴＭｓ＋１５０）（℃）～（ＴＭｆ－１５０）（℃）の温度範囲に設定される請求項１に記載の金属板の焼入れ装置。
4. 前記位置制御装置は、前記冷却開始位置から前記拘束ロールまでの距離を、前記金属板の搬送速度と、前記冷却槽による冷却開始時の前記金属板の冷却開始温度と、前記目標温度と、前記金属板の冷却速度とに基づいて設定し、設定した距離になるように前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを調整する請求項１又は３に記載の金属板の焼入れ装置。
5. 前記位置制御装置は、前記金属板の搬送速度をｖ（ｍｍ／ｓ）、冷却開始温度をＴ１（℃）、前記目標温度をＴ２（℃）、前記冷却槽による前記金属板の冷却速度をＣＶ（℃／ｓ）としたとき、前記冷却開始位置から前記拘束ロールまでの距離ｄ（ｍｍ）を式（１）で求める請求項４に記載の金属板の焼入れ装置。
   ｄ＝（Ｔ１－Ｔ２）×ｖ／ＣＶ （１）
6. 前記位置制御装置には、前記冷却速度ＣＶが前記金属板の冷却条件を示す係数αと前記金属板の板厚ｔによって、ＣＶ＝α／ｔとして設定されている請求項５に記載の金属板の焼入れ装置。
7. 前記冷却槽内の前記冷却流体の液体面と、前記金属板における前記複数のノズルのうち、最も上方のノズルからの液体噴流の衝突位置との間の距離は、３０ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であり、
   前記衝突位置は、前記最も上方のノズルの中心軸線が前記金属板の表面と交わる位置である請求項２に記載の金属板の焼入れ装置。
8. 金属板を搬送しながら冷却する金属板の焼入れ方法であって、
   冷却流体を貯留した冷却槽に前記金属板を浸漬して、前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを冷却開始位置として、前記金属板の冷却を行うものであり、
   前記冷却槽内で前記金属板が目標温度になっている位置で拘束ロールにより前記金属板を拘束するように、前記冷却流体を貯留しており、かつ、前記冷却槽との間で前記冷却流体を流通可能に前記冷却槽に接続された調整槽に設けられた堰を上下動することによって、前記調整槽内の前記冷却流体の貯留量を調整して前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを調整する金属板の焼入れ方法。
9. 前記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（℃）としたとき、前記目標温度は、（ＴＭｓ＋１５０）（℃）～（ＴＭｆ－１５０）（℃）の温度範囲に設定される請求項８に記載の金属板の焼入れ方法。
10. 前記冷却流体の流体面の高さの調整は、前記金属板の搬送速度と、冷却開始時の前記金属板の冷却開始温度と、前記目標温度と、前記金属板の冷却速度とに基づいて、冷却開始位置から前記拘束ロールまでの距離を設定し、
    設定した距離になるように前記冷却槽内の前記冷却流体の流体面の高さを調整する請求項８に記載の金属板の焼入れ方法。
11. 前記冷却槽による冷却開始位置から前記拘束ロールまでの距離は、前記金属板の搬送速度をｖ（ｍｍ／ｓ）、冷却開始温度をＴ１（℃）、前記目標温度をＴ２（℃）、前記金属板の冷却速度をＣＶ（℃／ｓ）としたとき、前記冷却開始位置から前記拘束ロールまでの距離ｄ（ｍｍ）を式（１）で求める請求項１０に記載の金属板の焼入れ方法。
    ｄ＝（Ｔ１－Ｔ２）×ｖ／ＣＶ （１）
12. 前記冷却速度ＣＶは、前記金属板の冷却条件を示す係数αと前記金属板の板厚ｔによって、ＣＶ＝α／ｔとして設定されている請求項１１に記載の金属板の焼入れ方法。
13. 請求項８～１２のいずれか１項に記載の金属板の焼入れ方法を用いる、金属板の製造方法。
14. 請求項１３に記載の方法で得られた金属板に、溶融亜鉛めっき処理、電気亜鉛めっき処理、もしくは合金化溶融亜鉛めっき処理のいずれかを行う金属板の製造方法。
15. 前記冷却槽内に設置された複数のノズルから前記金属板に前記冷却流体を噴射して冷却すると共に、前記冷却槽内の前記冷却流体の液体面と、前記金属板における前記複数のノズルのうち、最も上方のノズルからの液体噴流の衝突位置との間の距離は、３０ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であり、
    前記衝突位置は、前記最も上方のノズルの中心軸線が前記金属板の表面と交わる位置である請求項８に記載の金属板の焼入れ方法。

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