專利名稱：：鋼材的水冷方法及采用該水冷方法制得的鋼材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及控制被加熱的鋼材的氧化膜厚度的水冷方法及采用該水冷方法制得的鋼材。
背景技術(shù)：
：鋼材在鑄造后在熱和/或冷態(tài)下被加工，制成制品形狀后實施退火。已退火的鋼材對表面實施化學(xué)轉(zhuǎn)化處理或鍍覆。該場合，若表面生成氧化膜，則化學(xué)轉(zhuǎn)化處理和鍍覆不能充分地進行，其后的涂裝性、鍍層的粘附性和耐腐蝕性遭到損害。因此，退火了的鋼材必須在無氧化下進行冷卻。在無氧化下冷卻鋼材的場合，在氮等非氧化性氣體中進行。原因是若氣體內(nèi)含有氧等氧化性氣體，鋼材會被氧化的緣故。作為冷卻介質(zhì)使用水時，由于水本身為氧化性，因此不能避免鋼材的氧化。然而，在鋼材的厚度厚、或者需要較快的冷卻速度的場合，使用氣體的冷卻不能得到所需要的冷卻速度，需要使用水的冷卻。這種場合，為了除去鋼材表面生成的氧化膜，退火后需要酸洗等的后處理。作為對鋼材進行水冷時的無氧化冷卻方法，曾提出了降低冷卻水中的溶解氧(脫氣)的方法。特開昭54-24211號公報曾提出了冷卻中使用通過沸騰而先進行了脫氣的水的方法；特開昭57-198218號公報曾提出了將冷卻水中的溶解氧濃度降到0.01ppm以下而進4亍冷卻的方法；另外，特開昭61-179820號/i^艮曾提出了具有脫氣設(shè)備的冷卻設(shè)備。水冷中的鋼材氧化有以溶解氧為氧源進行的氧化、和由冷卻水本身引起的氧化，但上述專利文獻未理睬這些氧化作用而提出了只降低溶解氧的方案。特開昭63-7339號公報，考慮到存在由溶解氧及水引起的氧化的情況，為了降低由水引起的氧化而提出了電化學(xué)的方法。然而，現(xiàn)有技術(shù)并沒有區(qū)別由水中溶解氧引起的氧化膜的厚度、和由與祐力口熱的鋼材接觸而產(chǎn)生的水蒸氣(即，冷卻水本身)引起的氧化膜的厚度，特定對各個氧化膜的厚度造成影響的因素，定量地弄清各個氧化膜的厚度與其影響因素的關(guān)系。
發(fā)明內(nèi)容如上所述，在厚鋼材的冷卻或需要較快的冷卻速度的冷卻中，需JH吏用水的冷卻，但使用水的冷卻需要除去用于除去鋼材表面生成的氧化膜的酸洗等的后處理。因此，本發(fā)明提供在水冷后不需要除去氧化膜的后處理的鋼材的水冷方法、及采用該水冷方法得到的鋼材。本發(fā)明者們詳細地調(diào)查了含有溶解氧的水所引起的氧化現(xiàn)象的結(jié)果，可正確地探求氧引起的氧化和水蒸氣引起的氧化的作用，還可探求外觀干凈、不會妨礙化學(xué)轉(zhuǎn)化處理和鍍覆處理的氧化膜厚度的極限。即，可探求可降低表面氧化膜厚度以便外觀干凈、不會妨礙化學(xué)轉(zhuǎn)化處理和鍍覆處理的水冷條件的適宜范圍。本發(fā)明是對被加熱的鋼材進行水冷的水冷方法，其特征在于，利用下述式控制在鋼材表面上生成的氧化膜的厚度，^/20+rf。2=7.98xio-4(7;-r。)<M)。+{5.50x10—3(t;2-r。2)-6.5i(7;-:r。)卜Cw式中，dH20:以水蒸氣為氧化源而生成的氧化膜的厚度(nm)，rf&o={5.50x10-3(r,z-r。"-6.5i(r,.-r。)}/c**，其中，T。>573K,d02:以溶解氧為氧化源而生成的氧化膜的厚度(nm)，do產(chǎn)7.98xlO-4(Ti-T。)dD。，其中，T0>573K，Tj:水冷開始溫度(K),T。水冷終點溫度(K)，d:鋼材厚度(mm),D。冷卻水中的溶解氧濃度(mgL—1),CR:冷卻速度(Ks")。另外，本發(fā)明的水冷方法，其特征在于，水冷開始溫度(Ti)、水冷終點溫度(T。)、鋼材厚度(d)、冷卻水中的溶解氧濃度(D。)及冷卻速度(CR)各條件，處在使采用上述式算出的鋼材表面的氧化膜厚度為15nm以下的范圍內(nèi)。另外，本發(fā)明的水冷方法，其特征在于，使用利用脫氣裝置降低了溶解氧的冷卻水，對被加熱的鋼材進行水冷。此外，本發(fā)明的鋼材，其特征在于，是采用本發(fā)明的水冷方法得到的鋼材，鋼材表面的氧化膜厚度為15nm以下。根據(jù)本發(fā)明的鋼材的水冷方法、及由該水冷方法得到的鋼材，可得到以下的效果。(1)由于將以冷卻水中的溶解氧為氧化源而生成的氧化膜的厚度作為水冷開始溫度、水冷終點溫度、鋼材厚度、及冷卻水中的溶解氧濃度的函數(shù)來求出，并且將以冷卻水蒸發(fā)形成的水蒸氣為氧化源而生成的氧化膜的厚度作為水冷開始溫度、水冷終點溫度、及冷卻速度的函數(shù)來求出，因此可定量地設(shè)定用于水冷后獲得所需的氧化膜厚度的各種條件。(2)由于在水冷了的鋼材表面上，發(fā)現(xiàn)了外觀干凈、不會成為化學(xué)轉(zhuǎn)化處理和鍍覆處理的障礙的氧化膜厚度的極限，因此可明確地"&定水冷后的氧化膜厚度的目標(biāo)值。圖1是表示本發(fā)明的水冷方法中冷卻速度與氧化膜厚度的關(guān)系的圖。具體實施例方式本發(fā)明者們詳細地調(diào)查了含有溶解氧的水所引起的氧化現(xiàn)象。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由水引起的氧化現(xiàn)象有以溶解氧為氧源的氧化、和以水蒸氣為氧源的氧化。此外，本發(fā)明者們還成功地定量求出了以各自為氧化源的氧化速度，發(fā)現(xiàn)以各自為氧化源的氧化膜的厚度之和為在水冷時生成的氧化膜的厚度。對加熱了的鋼材進行水冷期間，鋼材總是被水蒸氣氧化。本發(fā)明者們通過準確地測定鋼材的水蒸氣氧化，定量地求出了水蒸氣氧化速度。其結(jié)果判明，在由水蒸氣引起的氧化中，(0氧化速度不取決于氧化膜厚度；(ii)氧化速度與水蒸氣速度成比例；及，(iii)氧化速度相對于溫度呈指數(shù)函數(shù)地增加。用數(shù)學(xué)式表述這些關(guān)系，如下所述。dw/dt=1.60xl(T5exp(-E/RT)PH2O其中，dw/dt:氧化速度(gcnrY1),E:活化能E=-27100(Jmor1)，R:氣體常數(shù)，T:溫度(K)，P出o:水蒸氣分壓(atm)?？捎孟率鍪角蟪龈淖冧摬乃鋾r的水冷開始溫度和冷卻速度的場合的鋼材表面的氧化膜厚度。該場合的水蒸氣分壓是latm。rfHz0={5.50x10-3(;z-r。z)-6.51(z;—J;)}/"式中T。>573K,其中，dH20:以水蒸氣為氧化源而生成的氧化膜的厚度(nm)，Ti:水冷開始溫度(K)，T。水冷終點溫度(K)，CR:冷卻速度(Ks-1)。水冷中，即使冷卻水中的溶解氧也進行氧化，由氧引起的氧化速度非?？?，蒸發(fā)的水中所含的溶解氧全部消耗在氧化中。因此，由鋼的比熱、鋼材厚度、水冷開始溫度、及水冷終點溫度，采用下式?jīng)Q定按水的蒸發(fā)量生成的氧化膜的厚度。d。產(chǎn)7.98xlO-4(Ti-T。)dD。式中，T。>573K其中，d02:以溶解氧為氧化源而生成的氧化膜的厚度(nm)，Ti:水冷開始溫度(K)，T。水冷終點溫度(K)，d:鋼材厚度(mm),D。冷卻水中的溶解氧濃度(mgL-1)。因水而生成的氧化膜的厚度與因溶解氧而生成的氧化膜的厚度之和，是因水冷而生成的氧化膜的厚度。、o+rf。2=7.98xl0"(r,—r。)rf"。+{5.50xl(T3(f2-7;2)—6.51(7;.—r。)卜CjjTi:水冷開始溫度(K)，T。水冷終點溫度(K)，d:鋼材厚度(mm)，D。冷卻水中的溶解氧濃度(mgL")，CR:冷卻速度(Ks")。本發(fā)明者們準備通過在退火時使用水的冷卻而帶有氧化膜的鋼材，進行了外觀確認。對于水冷后的鋼材可確認與氧化膜厚度相應(yīng)的顏色。即，氧化膜厚度為15nm以下時，基本上不發(fā)生回火色，有金屬光澤。但氧化膜超過15nm時，發(fā)生淡黃色的回火色，隨著氧化膜厚度的增大，回火色變深，當(dāng)超過30nm時，成為茶褐色的回火色。接著，準備通過在退火時使用水的冷卻而帶有氧化膜的鋼材，實施化學(xué)轉(zhuǎn)化處理，進行以下三項評價。①用肉目艮觀察化學(xué)轉(zhuǎn)化處理后表面是否有顏色不均勻的宏觀觀察。②使用SEM(掃描型電子顯微:鏡)觀察是否有未載附化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的晶體的部位的顯銜見察。③是否充分附著有化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的附著量測定。(注1,在原硅酸鈉中實施堿脫脂后，水洗，進行表面調(diào)整后，使用磷酸鋅實施化學(xué)轉(zhuǎn)化處理。注2，化學(xué)轉(zhuǎn)化處理液使用八W求乂KWL35(商品名)，在35X:處理2分鐘，進行評價。)此外，對于鍍層粘附性，也準備通過在退火時使用水的冷卻而帶有氧化膜的鋼材，來進行評價。(注3:鍍層粘附性通過JISH0401中所規(guī)定的錘打試驗來進行評價，利用5點的半圓鑿，通過是否有剝離翹起來進行評價)。表1中表示化學(xué)轉(zhuǎn)化處理及鍍層粘附性的評價結(jié)果。氧化膜厚度為15nm以下時，不發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化處理及鍍層粘附性的問題。氧化膜厚度為15~30nm時，在化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的孩O見觀測、附著量及4^g:粘附性上不發(fā)生問題，但在化學(xué)轉(zhuǎn)化處理中發(fā)生顏色不均勻。氧化膜厚度為30nm以上時，在化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的所有評價及鍍層粘附性上均發(fā)生問題。在現(xiàn)有技術(shù)中，除去在退火時因水冷而發(fā)生的氧化膜是常識，沒有在殘留氧化膜的原樣狀態(tài)下實施化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、4tt的設(shè)想。本發(fā)明向即使發(fā)生氧化膜，在化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、鍍覆性上沒有問題即可的設(shè)想轉(zhuǎn)換，將外觀也考慮在內(nèi)，將氧化膜厚度的極限值設(shè)定在15mn。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>將加熱了的鋼材利用冷卻水進行冷卻時，為使氧化膜厚度在15nm以下，適當(dāng)調(diào)節(jié)對氧化膜厚度造成影響的水冷開始溫度(Ti)、水冷終點溫度(T。)、鋼材厚度(d)、冷卻水中的溶解氧濃度(D。)、及冷卻速度(CR)的各條件之中的、可調(diào)節(jié)的條件即可。尤其是冷卻水中的溶解氧濃度可通過使用具有脫氣裝置的冷卻設(shè)備來調(diào)節(jié)。實施例圖l是表示采用本發(fā)明的水冷方法的、冷卻速度與氧化膜厚度的關(guān)系的圖。表2表示出在實施例中使用的、鋼材厚度(d)、冷卻開始溫度(Tj)、冷卻終點溫度(T。)、及溶解氧濃度(D。)的各條件。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由圖l看出溶解氧濃度對氧化膜厚度造成影響，此外，由圖l可求出能將氧化膜厚度維持在水冷后不成為化學(xué)轉(zhuǎn)化處理和鍍覆處理的障礙的氧化膜厚度的極限15nm以下的冷卻速度。根據(jù)本發(fā)明的求氧化膜厚度的公式，通過設(shè)定水冷開始溫度、水冷終點溫度、鋼材厚度、冷卻水中的溶解氧濃度及冷卻速度條件，可以求出氧化膜厚度，因此為了在水冷后得到所要求的氧化膜厚度，可以定量地掌握將可操作的各種條件設(shè)定在怎樣的范圍。工業(yè)實用性根據(jù)本發(fā)明，可定量地設(shè)定用于在水冷后的鋼材表面上得到所要求的氧化膜厚度的各種條件，并且，可明確地設(shè)定水冷后的氧化膜厚度的目標(biāo)值，因此本發(fā)明在鋼材制造產(chǎn)業(yè)中的可利用性很大。本發(fā)明中表示數(shù)值范圍的"以上"和"以下"均包括本數(shù)。權(quán)利要求1.一種鋼材的水冷方法，是對被加熱的鋼材進行水冷的水冷方法，其特征在于，利用下述式來控制在鋼材表面上生成的氧化膜的厚度，2.—種鋼材的水冷方法，其特征在于，所述水冷開始溫度(Ti)、水冷終點溫度(T。)、鋼材厚度(d)、冷卻水中的溶解氧濃度(D。)及冷卻速度(CR)各條件，處在使采用所述式算出的鋼材表面的氧化膜厚度為15nm以下的范圍內(nèi)。3.如權(quán)利要求1或2所述的鋼材的水冷方法，其特征在于，使用利用脫氣裝置降低了溶解氧的冷卻水，對所述被加熱的鋼材進行水冷。4.一種鋼材，其特征在于，是采用權(quán)利要求l、2或3所述的鋼材的水冷方法得到的鋼材，鋼材表面的氧化膜厚度為15nm以下。全文摘要本發(fā)明對于下述式，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定水冷開始溫度(T<sub>i</sub>)、水冷終點溫度(T<sub>o</sub>)、鋼材厚度(d)、冷卻水中的溶解氧濃度(D<sub>o</sub>)及冷卻速度(C<sub>R</sub>)各條件，以使得鋼材表面的氧化膜厚度(d<sub>H#-[2</sub>O]+d<sub>O#-[2</sub>])為不需要水冷后的后處理的15nm以下，所述式為d<sub>H#-[2</sub>O]+d<sub>O#-[2</sub>]=7.98×10<sup>-4</sup>(T<sub>i</sub>-T<sub>o</sub>)dD<sub>o</sub>+{5.50×10<sup>-3</sup>(T<sup>2</sup><sub>i</sub>-T<sup>2</sup><sub>o</sub>)-6.51(T<sub>i</sub>-T<sub>o</sub>}/C<sub>R</sub>。文檔編號C21D9/573GK101171347SQ20068001565公開日2008年4月30日申請日期2006年4月5日優(yōu)先權(quán)日2005年4月12日發(fā)明者明石透,若林久干,近藤泰光申請人:新日本制鐵株式會社