CN101983247B - 钢材、钢材的制造方法及钢材的制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一个实施方式的钢材的制造方法，是通过对高强度化的钢材(W)实施热处理，从而使钢材的一部分的硬度低于所述钢材(W)的其他部分的硬度的钢材的制造方法，其中，所述热处理具备：通过感应加热或直接通电加热，对钢材(W)的表皮至一定深度为止进行迅速加热的加热工序；以及在该加热工序之后的规定时间后，对经过所述加热工序的钢材(W)进行速冷的冷却工序；所述加热工序中的加热温度为Ac1相变点以上。

Description

钢材、钢材的制造方法及钢材的制造装置

技术领域

本发明涉及钢材、钢材的制造方法及钢材的制造装置，特别是涉及因部位而硬度不同的钢材。

背景技术

在对例如作为棒或线原料的卷状压延材(以下称为压延材)等的钢材进行2次加工(热处理)时，为提高耐延迟断裂性，例如已提出从表层部到中心部，根据部位使抗拉强度(硬度)发生变化的技术。

例如已知道如包层钢，利用在表层配置纯铁等碳元素极低的钢并压延，脱碳、减碳的技术(如参见特开平4-212570号公报)。

此外，也提供有利用在压延中以Ac1～Ac3温度进行加热而表层上生成的脱碳层的技术(如、参见特开昭62-267420号公报)；或者是在热处理后，进一步仅对表层再度实施热处理的技术(如、参见特开平7-54441号公报)。

并且，作为通常的提高耐延迟断裂性的手段已知实施镀金或氮化等的化学表面处理技术，或者在表面上实施具有优良耐延迟断裂性的非金属涂覆材的技术。

发明内容

但是，在上述技术中存在以下问题。即，在压延材阶段，因为在制作包层钢后，或通过在Ac1～Ac3温度下加热而制成脱碳层后，进行2次加工(热处理)，因此必须有前处理。此外，在进行2次加工(热处理)后，必须只对表层部再度进行热处理或者化学表面处理。因此，均工序复杂，在2次加工(热处理)前后必须进行复杂的处理条件控制。

因此，本发明的目的在于提供以简单的处理提供因部位而硬度不同的钢材、钢材的制造方法及钢材的制造装置。

本发明的一个形态的钢材的制造方法的特征在于，通过对高强度化的钢材实施热处理，从而使所述钢材的一部分的硬度低于所述钢材的其他部分的硬度的钢材的制造方法，所述热处理具有：通过感应加热或直接通电加热，对从所述钢材的表皮至一定深度为止进行迅速加热的加热工序；以及，在该加热工序后的规定时间后，对经过了所述加热工序的所述钢材进行速冷的冷却工序；所述加热工序中的加热温度为Ac1相变点以上。

本发明的另一形态的特征在于，从所述加热工序到所述冷却工序的时间为根据钢种、线径、加热温度及加热时间决定的规定时间以下。

本发明的另一形态的特征在于，所述热处理的处理条件是基于所述钢材表面迅速加热后的传热特性而决定的。

本发明的另一形态的特征在于，所述热处理的处理条件为所述钢材温度的时间积分值，是基于表示所述钢材的回火进行状态的回火进行值而决定的。

本发明的另一形态的特征在于，所述热处理的处理条件为包括频率、输入电能、加热温度、加热时间、自然冷却时间中的至少2个的组合。

本发明的另一形态的特征在于，具备计算所述钢材的传热特性或所述回火进行值的工序；所述热处理的处理条件是基于所述计算出的传热特性或所述回火进行值而决定的。

本发明的另一形态的特征在于，所述热处理的处理条件是以使表层部的所述回火进行值成为中心部的所述回火进行值的1.5倍以上的值的方式进行设定的。

本发明的另一形态的特征在于，从所述加热工序到所述冷却工序的时间是以使表层部的所述回火进行值成为中心部的所述回火进行值的1.5倍以上的值的方式进行设定的。

本发明的另一形态的特征在于，所述钢材为线状或棒状。

本发明的另一形态的特征在于，对于所述钢材实施了包含加热处理及冷却处理的淬火处理后，作为回火处理将所述加热工序及所述冷却工序各自进行一次。

本发明的另一形态是经过了所述加热工序及所述冷却工序的钢材，其特征在于，其表层部附近的硬度与在半径方向上与距离表层10％的位置相比更靠中心侧的硬度之差为HV50以上，并且，用JISZ2201的2号试件进行拉伸试验时的抗拉强度为1420N/mm²以上。

本发明的另一形态的特征在于，成为全断面回火马氏体组织，并且，表层部的硬度为HV380以下，且用JISZ2201的2号试件进行拉伸试验时的抗拉强度为1420N/mm²以上，与表层部相比中心侧的硬度均匀。

本发明的另一形态的特征在于，成为全断面回火马氏体组织，并且，其表层部的硬度为HV420以下，且用JISZ2201的2号试件进行拉伸试验时的抗拉强度为1600N/mm²以上，与表层部相比中心侧的硬度均匀。

本发明的另一形态为钢材的制造装置，其特征在于，通过对高强度化的钢材实施热处理，从而使所述钢材的一部分的硬度低于所述钢材的其他部分的硬度，其具备：通过感应加热或直接通电加热而对从所述钢材的表皮至一定深度为止进行迅速加热的加热装置；以及，在该加热后的规定时间后，对经加热的所述钢材进行速冷的冷却装置；所述加热工序中的加热温度为Ac1相变点以上。

本发明的另一形态的特征在于，还具备：基于所述钢材的传热特性或所述回火进行值的计算结果，控制所述热处理的处理条件的控制装置。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的热处理装置构成的示意说明图。

图2是同实施方式的热处理工序的示意说明图。

图3是表示同实施方式中的PC钢棒的构成的侧面图。

图4是表示同实施方式中的PC钢棒成分的表。

图5是表示同实施方式的热处理装置中的线圈圈数与直径的关系的坐标图。

图6是表示同实施方式及以前的例子的热处理条件的表。

图7是表示通过同实施方式的PC钢棒的传热分析得到的经过时间与温度分布的关系的坐标图。

图8是表示通过同实施方式的PC钢棒的传热分析得到的自然冷却时间与温度分布的关系的坐标图。

图9是表示同实施方式的PC钢棒的硬度与直径方向的距离之间关系的坐标图。

图10是表示同实施方式的回火过程中的从表层部分至中心为止的温度分布的坐标图。

图11是表示同实施方式中的N参数的效率的坐标图。

图12是表示同实施方式中的表面与中心的N参数的比率，与加热过程及自然冷却时间之间的关系的坐标图。

图13是表示通过同实施方式的热处理以及以前的热处理得到的PC钢棒的断面硬度分布的坐标图。

图14是表示用同实施方式的热处理制造的PC钢棒的轴方向的断面硬度分布的坐标图。

图15是表示同实施方式的热处理所用的多种PC钢棒的成分的表。

图16是表示通过同实施方式的热处理和以前的热处理得到的PC钢棒W的延迟断裂试验结果的表。

图17是表示该延迟断裂试验结果的坐标图。

图18是表示同实施方式的PC钢棒W1的构成的侧面图。

图19是表示同实施方式的PC钢棒W1的槽口的构成的侧面图。

图20是表示通过同实施方式的热处理和以前的热处理得到的PC钢棒延迟断裂试验结果的表。

图21是表示该延迟断裂试验结果的坐标图。

图22是表示同实施方式的PC钢棒W1上形成的槽口深度与断裂时间之间的关系的坐标图。

图23是本发明的其他实施方式中的热处理装置构成的示意说明图。

图24是表示本发明第2实施方式中的异型PC钢棒构成的侧面图。

图25是表示同实施方式中的异型PC钢棒成分的表。

图26是表示同实施方式中的热处理和对比热处理的热处理条件的表。

图27是表示同实施方式的异型PC钢棒的热处理中的经过时间与温度变化的利用传热分析得到的模拟结果的坐标图。

图28是本发明第3实施方式的弹簧钢线的构成的立体图。

图29是表示同实施方式中的弹簧钢线成分的表。

图30是表示同实施方式的热处理和对比热处理中的热处理条件的表。

图31是表示同实施方式的热处理中的经过时间和温度变化的利用传热分析得到的模拟结果的坐标图。

图32是表示同实施方式的热处理和对比热处理中的处理后的弹簧钢线的断面硬度分布的坐标图。

图33是表示热处理材料的硬度与疲劳限度的关系的坐标图。

图34是表示对比热处理材料的旋转弯曲疲劳试验结果的表。

图35是表示从对比热处理材料的表层到夹杂物的距离与耐久次数的关系的坐标图。

图36是表示通过同实施方式的热处理得到的弹簧钢线的旋转弯曲疲劳试验结果的表。

图37是表示通过同实施方式的热处理得到的弹簧钢线和通过对比热处理得到的弹簧钢线的断面硬度、残余应力以及应力振幅的坐标图。

图38是表示其他实施方式的弹簧钢线成分的例子的表。

图39是本发明第4实施方式的螺栓的构成的立体图。

图40是表示同实施方式的螺栓的成分的表。

图41是表示同实施方式的热处理及对比热处理中的热处理条件的表。

图42是表示同实施方式的螺栓Wb的热处理中的经过时间和温度变化的利用传热分析得到的模拟结果的坐标图。

图43是表示通过同实施方式的热处理和对比热处理得到的螺栓的断面硬度分布的坐标图。

图44是表示通过同实施方式的热处理和对比热处理得到的螺栓的延迟断裂试验结果的表。

图45是表示通过同实施方式的热处理和对比热处理得到的螺栓的累积断裂概率和断裂时间的坐标图。

具体实施方式

以下，结合图1至图22对本发明的第1实施方式进行说明。图1是本实施方式的热处理装置10的示意图。图2是本实施方式的PC钢棒制造工序的流程图。

如图1所示，作为钢材的制造装置的一个例子的热处理装置10，是由搬送作为钢材的一例的PC钢棒W的夹送辊11(搬送装置)、作为淬火装置的淬火加热线圈12及淬火冷却罩13、夹送辊14(搬送装置)、作为进行高频感应加热的加热装置的回火加热线圈15、作为冷却装置的冷却罩16、以及夹送辊17(搬送装置)，沿直线状的搬送线路排列而构成的。具有将PC钢棒(钢材)W沿搬送线路边搬送边加热及冷却的功能。

作为处理对象的PC钢棒W，例如为图3所示的实心圆棒状，将其沿轴方向连续搬送。PC钢棒W例如含有图4所示的成分而构成，但并不限于此。

回火加热线圈15具有对通过其间的PC钢棒W进行高频感应加热的功能。根据线径和搬送速度，回火加热线圈15被设定成适当的线圈圈数。本实施方式中的回火加热线圈15的圈数例如为6圈，但并不限于此。并且，作为对比对象，以使用17圈的以前的产品为例。图5表示的是一般的线圈圈数、线径、搬送速度的关系。

通过高频感应加热进行回火时，PC钢棒W自身会发热，其发热部的深度能够通过回火加热线圈15的线圈圈数、频率、输入电能、加热温度、加热时间、自然冷却时间的组合而进行调节。

冷却罩16具有向通过的PC钢棒W喷射冷却液而进行冷却的功能。

从回火加热线圈15到冷却罩16的距离例如被设定为500mm以下。并且，常规处理装置中，该距离为1900mm左右，但在本实施方式中，为了缩短从加热处理到冷却处理的时间，将该距离设定成较短。

本实施方式中的热处理的处理条件的一个例子如图6所示。该处理条件是申请人根据后述原理，利用高频感应加热的瞬间的加热温度模式(pattern)的时间变化及钢的回火特性发现的。通过在该处理条件下连续实施热处理，以一次回火就能够制造出在表层部具有低硬度层且从某一深度开始具有均匀的硬度分布的，1420N/mm²以上的强度水平的钢棒W。

本实施方式的处理条件为：频率50kHz、淬火加热温度1000℃、回火加热温度805℃、回火加热时间0.17s、从回火加热到冷却为止的时间为0.63s。这里所用的PC钢棒为直径d(通称)7.1mm的细径PC钢棒，将回火加热温度调整为使其抗拉强度成为1440N/mm²左右。

作为对比对象的以前的产品的处理条件为：频率9.5kHz、淬火加热温度1000℃、回火加热温度603℃、回火加热时间0.59s、从回火加热到冷却为止的时间为3.48s。该以前的产品也是直径d(通称)7.1mm的细径PC钢棒，将回火加热温度调整为使其全断面平均抗拉强度变成1440N/mm²左右。并且，本实施方式的成分与以前的产品的成分相同。

也就是说，本实施方式的回火加热温度被设定为比作为对比对象的以前的产品高，且从回火加热到冷却为止的时间被设定为比以前的产品短。

并且，关于回火温度，以前的认识中，在Ac1相变点(727℃)以上的回火温度下加热“因为发生淬火所以是不可能的”，但在本实施方式中发现，通过使用高频感应加热，控制表面的迅速加热和在加热结束后的迅速冷却，从而即使是在Ac1相变点以上的温度下，由于与迅速冷却相结合而能够避免发生淬火。

本实施方式的热处理装置10，是根据后述原理，通过对利用夹送辊11等的搬送速度、利用回火加热线圈15的加热温度、加热时间、回火加热线圈15与冷却罩16之间的距离等进行适当地设定和调节，能够得到具有所需硬度分布的PC钢棒W。

以下结合图2的流程图，对上述构成的热处理装置10的动作进行说明。在原材料工序中经拉拔加工而呈连续的线状或棒状的钢材的连续线材W0，通过夹送辊11(搬送装置)从图1的左侧连续搬送于右侧。被搬送的连续线材W0在淬火工序中通过淬火加热线圈12进行感应加热，迅速加热到淬火温度，然后由淬火冷却罩13喷射淬火冷却液，从而使其迅速冷却，进行连续淬火。

经过淬火处理后的连续线材W0，边通过回火加热线圈15边被加热。加热到规定的回火温度的线材W0，被搬送至连续喷射冷却液的冷却罩16，用冷却罩16开始速冷。通过冷却罩16，连续线材W0的全长被冷却，回火热处理结束。然后，W0由夹送辊17运出。热处理结束后，连续线材W0(PC钢棒W)经过加工、检查工序成为成品(PC钢棒W)。

下面，对用来决定热处理中的处理条件的原理进行说明。

以下，关于成为设定处理条件基准的新参数N参数值(回火进行值)进行说明。

图7表示连续热处理中的钢材的某个断面的加热开始到0.8s为止的经过时间和温度变化的使用有限元模型(FEM)进行传热分析而得出的模拟结果。从表面到中间的6个部位上，分别以横轴表示经过时间、纵轴表示温度。并且，在此加热时间为0.17s，因此到坐标图中的0.8s为止，最开始(坐标图左侧)的0.17s为加热时间，剩余的坐标图右侧的0.63s为自然冷却时间。

作为一般性回火参数，众所周知的是在长时间加热的情况下成立的纳尔生-密勒(Larson-Miller)参数P＝T×(A+logt)[T：温度(K)，A：常数，t：时间(h)]。该参数P的值越大，越处于回火进行的状态(低硬度)。

另一方面，高频感应加热为短时间加热时，作为一个例子，在如图7所示的高频热处理中的迅速加热过程和迅速冷却过程成立时，可以将某N值设为参数。定义的N值(N参数值)为PC钢棒W的温度的时间积分，如下述(1)所示。

[数学式1]

$N={\∫}_0^{t0}T\left(t\right)\mathrm{dt}...\left(1\right)$

这里，T：温度(℃)、t：时间(s)、t0：热处理时间(s)。

即，该N参数值为、坐标图中的各曲线下方所围成的面积。N参数值的值越大，越处于回火进行的状态(低硬度)。

根据图7，在t0为0.8时，即从加热开始0.8s的时间点，自然冷却时间为0.63s的时间点上，对比以面积所示的N参数值，则表层部比中心部的N参数值更大，且在约2mm以上的深度上N参数值几乎没变化。因此，在该时间点进行冷却的话，能够实现如图9所示的，表层部为低硬度且从低硬度层结束部开始到中心部具有几乎均匀的硬度分布的状态。并且，该实施方式中，将t0设定为0.8，但并不限于此，可以根据线径或钢种等的各种条件使用适当的值。

图8为表示根据使用FEM的PC钢棒的传热分析而得到的自然冷却时间与温度分布的关系的坐标图。横坐标表示r(离开中心的距离)/R(半径)，纵坐标为温度且分别每隔0.3s表示。传热分析的条件是：形状为实心圆棒，半径为3.65mm，材质为S40C，发热层深度为0.154mm，加热时间为0.17s，自然冷却时间为0.63s，初期温度为20℃。并且，坐标图中的t表示的是从与图7相对应的加热开始的时间，表示自然冷却开始的0.17s到自然冷却结束的0.8s为止的传热分析结果。因此，t＝0.8s相当于自然冷却时间0.63s。

如图8所示，由表层部的发热引起的热随时间传递至PC钢棒的中心或外部。加热初期呈表层部高温，中心部低温的温度分布；但随时间的推移，表层与中心的温度变均匀。在t＝0.8s的时间点上，表层温度为Ts＝430℃、中心温度＝429.1。

图9为测定PC钢棒W的断面硬度的图，横坐标表示直径方向的位置，纵坐标表示维氏硬度。硬度与抗拉强度相对应，实现了表层部硬度低(低强度)且从低硬度层结束部到中心部具有几乎均匀的硬度分布的状态。

此外，根据图8可以看出，由于在0.63s以后为均热状态，因此到冷却为止的时间越长，表层部与中心部的N参数值的差就越变小。

图10表示PC钢棒W从加热开始0.8s后的N参数值和维氏硬度。N参数值与维氏硬度呈对称关系，高度一致，表明硬度可通过N参数进行整理。

总结以上原理可知，PC钢棒W的抗拉强度由表示从表面到中心为止的回火进行状态的N参数值所决定，因此，存在用于满足规格的某一范围。并且，可看出通过在该范围内以尽可能的扩大表层部与中心部的N参数值之差的方式来控制温度分布和到冷却为止的时间而能够得到具有所希望特性的钢材。

即，通过利用高频感应加热的瞬间的加热温度模式的时间性变化和钢的回火特性，在连续热处理中，以一次回火就能够实现表层部具有低硬度层且从某一深度开始具有均匀的硬度分布的，具有抗拉强度例如为1420N/mm²以上强度的钢材的制造方法。

众所周知，一般情况下，抗拉强度越低耐延迟断裂性就越优异。即，表面具有低硬度部的PC钢棒W是同时具有良好的耐延迟断裂性及规定的抗拉强度的PC钢棒，能够通过上述方法获得这种PC钢棒W。

即，在高频回火中，通过选择适当的线圈圈数和频率、输入电能、加热温度、加热时间和自然冷却时间而能够调节发热部的深度，能够实现在模拟下进行计算的模式。因此，在高频加热中通过调整到冷却为止的时间而能够使PC钢棒整体的抗拉强度满足规格，并且能够仅使表层部为低硬度。并且，高频加热以外的如炉加热这样的辐射方式的外部加热，由于不在短时间过程中进行升温或均热，而是缓慢地持续进行加热，因此不能对钢的回火特性赋予在半径方向上的强度差，而为高频加热时，因为是在如1s以下等的短时间内，因此具有表层部以外的内部硬度均匀化的优点。

以该N参数为基础，利用高频热处理特有的温度分布(N参数之差)，以一次回火就能调整表层部的硬度分布，并能够实现能满足钢棒抗拉强度的规格值的连续高频热处理线。

例如，将表层的N参数设定为中心的N参数的1.5倍以上，从而能够完成所希望的良好的表层部软化。

并且，N参数能够适用于100kg/mm²级以上的钢材，但考虑到回火温度的限制，优选为C：0.1mass％～0.5mass％的普通钢。作为N参数原理上起作用的直径范围例如优选为5mm～40mm的范围。

即，N参数利用高强度钢的回火，并利用高频感应加热所特有的由迅速加热引起的过冲以及由钢的传热性引起的迅速移向均热加热，因此若线径比上述范围大，则难以在能够完成所希望的表层部软化的范围(中心及表层的N参数在1.5倍以上)且进行整体达到均匀的规格强度内的回火。但是，本发明并不限定于该范围，在高频回火上即使是超过该范围的大线径以上时也有可能适用。

并且，这也启示了时间上的限制。即，如表示N参数效率的图11所示，可知在连续加热线上，优选考虑到整体进行回火的状态的短时间，如图8中的0.8s以下的时间上进行冷却。即，过冲的时间非常短，因此表层部的N参数值不是中心部的1.5以上的情况下，众所周知回火将按照纳尔生-密勒参数进行，所以在工业上的连续热处理中，一旦在10s以上就不能确保高强度，因此产生了上述N参数的时间性限制。

图11表示N参数与维氏硬度的关系。N参数值与硬度由于根据图中的公式所决定，因此选择适合的线圈圈数和频率、输入电能、加热温度、加热时间、自然冷却时间，通过模拟推断出N参数值，就能够得到目标硬度。

图12表示PC钢棒W中的中心和表层部的N参数之比及从加热开始的经过时间。从加热开始到1s左右，参数的值实现了1.5倍以上的状态，仅表层部得到低硬度。并且，通过上述热处理方法得到的PC钢棒W为全断面回火马氏体组织。

图13表示通过上述热处理方法得到的PC钢棒W的断面硬度分布。在图13中，横轴表示离开表层的距离，纵轴表示维氏硬度。如图13所示，能够确认常规的PC钢棒的断面硬度分布是均匀的，与此相对，本发明得到的PC钢棒，表层附近硬度低，但中心部的硬度均匀。

图14表示用本实施方式的热处理制造的PC钢棒的轴方向的断面硬度分布。对于离开表层的距离不同的6个部位，分别在纵轴上表示维氏硬度，横轴上表示离开基准点的轴方向的距离。如图14所示，能够确认PC钢棒W的硬度分布对于轴方向是基本一致的。

然后，图16表示对于作为上述PC钢棒W应用了图15的A、B所示的成分不同的2种钢种的情况，通过以上述图6所示条件的热处理方法实施热处理时的延迟断裂结果。并且，图15所示的钢种A、钢种B、钢种C、钢种D中，钢种A、B、C使用圆棒的PC钢棒，钢种D使用异型PC钢棒。图17是将图16所示的试验结果用坐标图表示的图，因此纵轴取断裂时间，横轴取累积断裂概率，断裂时间越长表示耐延迟断裂性越优异。

并且，延迟断裂试验是在保持50℃的20％NH₄SCN溶液中浸渍的状态下，施1420×0.7N/mm²的负荷来进行的。

如图17所示，能够确认实施了根据本实施方式的热处理的各种钢棒，与实施了常规热处理的钢棒相比，其耐延迟断裂性优异。

此外，从图17可知图整体在上方(即断裂时间长)时耐延迟断裂性优异。也就是说，图17中在本实施方式条件下处理的PC钢棒，与以前的钢棒相比，耐延迟断裂性优异。

并且，对于在上述延迟断裂试验中也未断裂的钢种，制作了设有槽口20的样品，进行了延迟断裂试验。设有槽口20的PC钢棒W1的构成如图18、19所示。

然后，图20表示对于作为上述PC钢棒W1使用了图15的C、D所示的成分不同的2种钢种的情况，实施了与上述图6所示的PC钢棒W相同条件的热处理方法的热处理时的延迟断裂试验结果。并且，该累积断裂概率如图21所示。

并且，延迟断裂试验是在保持50℃的20％NH₄SCN溶液中浸渍的状态下，施加1420×0.8N/mm²的负荷而进行的。图21表示图20所示的结果，以纵轴取断裂时间，横轴取累积断裂概率，断裂时间越长表示耐延迟断裂性越优异。

图22表示形成于W1的槽口20的深度与断裂时间的关系。在设有槽口20的PC钢棒W1中也确认到通过本热处理的钢棒与通过常规热处理的钢棒相比，其耐延迟断裂性优异。纵轴表示平均断裂时间，横轴表示槽口20深度。可看出由本实施方式带来的提高耐延迟断裂性的效果从深度0.4mm起迅速降低。本次使用的PC钢棒W1的直径为7.2mm，因此离开表层的样品半径的10％，即离开表层0.36mm左右为止，确认到了本实施方式的效果。

根据本实施方式的PC钢棒、PC钢棒的热处理方法及热处理装置，能够得到以下效果。

通过融合由高频感应加热的表面加热与钢的回火性能，能够得到在简单的处理下耐延迟断裂性优异的PC钢棒。即，通过加热瞬间的温度模式的时间性变化与对回火特性的利用，以满足规定处理条件的一次回火，简单的处理就能够得到因部位而硬度不同的钢材。

通过高频感应加热，发现了能够应用通常因发生淬火而无法使用的720℃以上的温度的，能够将表层制成充分软的层的条件。并且，与用常规的炉加热进行的热处理相比，通过高频进行迅速短时间加热的淬火回火热处理而能够得到高强度且高韧性。

此外，用如上述的模拟试验结果，找出基于回火特性及传热特性的热处理条件，从而能够容易地找出对应于各种钢材的适合的条件。

并且，本发明并不限于上述实施方式原样，在实施阶段中不脱离其要点的基础上，可以对构成要素进行改变使其具体化。例如，具体的处理条件可以根据作为对象的钢材的钢种、需要的强度规格、硬度分布、装置的规格等进行适当的更改。此外，所设定的热处理的处理条件也不限于上述条件。

此外，如图23所示的热处理装置101，在上述第1实施方式的热处理装置10的基础上，还可以具备对处理对象的钢材的各种信息进行检测的检测装置21、使用有限元方法计算出如上述图7、8所示的模拟结果的计算装置22、以根据该模拟结果对装置101的各条件进行调整的方式进行控制的CPU等的控制装置23、根据控制装置23的控制对各种设定进行调整的调整装置24，从而能够根据相应钢材的信息而控制调节热处理条件。此种情况下，例如通过调节夹送辊11、14、17的传送机构速度、冷却罩16的位置而能够控制从回火到冷却为止的时间。此外，还可以构成为通过控制装置23而能够控制加热温度、频率等其他热处理条件。此种情况也能获得与上述第1实施方式相同的效果。并且，对于钢材的信息，也可以设成用户可以进行输入。

第2实施方式

以下对于本发明的第2实施方式，结合图24至图27进行说明。其中，将作为处理对象的钢材制成异型PC钢棒Wc之外，与上述实施方式1相同，因此省略重复的说明。

并且，将本实施方式的热处理称为表层软化处理；将通过该表层软化处理的钢材(在此为异型PC钢棒Wc)称为表层软化材料；将作为对比对象的对比例的热处理称为对比热处理；将通过该对比热处理的异型PC钢棒称为对比热处理材料。

在本实施方式中，如图24所示，作为钢材，以在表层具有连续的相同螺旋状沟槽的异型PC钢棒Wc作为处理对象。制造装置及制造工序与第1实施方式相同，使用如图1所示的热处理装置10，通过如图2所示的制造工序进行处理。即，本实施方式仅仅只是作为处理对象的钢材的形状、成分、径长等不同，因此根据与第1实施方式相同的原理及相同的参数来决定热处理条件。

在本实施方式中，作为处理对象，以使用含有图25所示成分的异型PC钢棒Wc的情况为例，但并不限于此。

图26表示本实施方式的异型PC钢棒Wc的热处理条件，以及作为对比对象的对比热处理的热处理条件。本实施方式(表层软化材料)的异型PC钢棒Wc的热处理条件为：频率50kHz、淬火加热温度1000℃、回火加热温度805℃、回火加热时间0.17s、从回火加热到冷却为止的时间为0.63s。这里使用的异型PC钢棒Wc为直径db(通称)7.1mm的异型PC钢棒，将全断面抗拉强度调整为1400N/mm²左右。

对比处理条件为：频率9.5Hz、淬火加热温度1000℃、回火加热温度603℃、回火加热时间0.59s、从回火加热到冷却为止的时间为3.48s。该对比热处理材料也是直径7.1mm的异型PC钢棒，将全断面平均抗拉强度调整为1400N/mm²左右。并且，本实施方式的表层软化材料的异型PC钢棒Wc的成分与对比热处理材料的成分相同。

图27表示本实施方式中的异型PC钢棒Wc的热处理的经过时间与温度变化之间的关系的模拟结果。这里表示与离开表面的距离对应的经过时间与温度之间的关系。

从该图27可以看出，与中心部相比，表层部的图中斜线部的面积大。即，该表层部上成为长时间保持在高温下的状态，硬度将大幅降低。

在本实施方式中也能得到与上述第1实施方式相同的效果。即，通过融合由高频感应加热的表面加热与钢的回火性能，以简单的处理就能够获得耐延迟断裂性优异的异型PC钢棒。即，通过加热瞬间的温度模式的时间性变化与对回火特性的利用，以满足规定处理条件的一次回火，简单的处理就能得到因部位而硬度不同的异型PC钢棒。并且，与用常规的炉加热进行的热处理相比，通过高频进行迅速短时间加热的淬火回火热处理而能够得到高强度且高韧性。

第3实施方式

以下结合图28至图37，对本发明的第3实施方式进行说明。其中，除了使用弹簧钢线Ws作为处理对象的钢材的一个例子的点之外，与上述实施例1相同，因此省略重复的说明。

并且，将本实施方式的热处理称为表层软化处理，通过该表层软化处理的钢材(在此为弹簧钢线Ws)称为表层软化材料，将作为对比例的热处理称为对比热处理，将通过该对比热处理的弹簧钢线称为对比热处理材料。

在本实施方式中，作为处理对象的钢材为如图28所示的弹簧钢线Ws。热处理装置及制造工序与第1实施方式相同，在使用图1所示的热处理装置10的同时，用图2所示的制造工序进行处理。即，本实施方式，只是作为处理对象的钢材的成分、直径等不同。因此，使用与第1实施方式相同的原理及相同的参数而决定热处理条件。

在本实施方式中，作为处理对象，以使用含有图29所示成分构成的弹簧钢线Ws的情况为例，但不限于此。

图30表示本实施方式的热处理和作为对比例的对比热处理的热处理条件。本实施方式的表层软化处理的热处理条件为：频率50kHz、淬火加热温度950℃、回火加热温度789℃、回火加热时间0.4s、从回火加热到冷却为止的时间为2.6s。

在此使用的弹簧钢线Ws是直径ds＝12.0mm的弹簧钢线，将全断面抗拉强度调整为1900N/mm²左右。

作为对比例的对比热处理条件为：频率9.5kHz、淬火加热温度950℃、回火加热温度495℃、回火加热时间1.7s、从回火加热到冷却为止的时间为11.1s。

对比热处理材料也是直径12.0mm的弹簧钢线，将全断面平均抗拉强度调整为1900N/mm²左右。并且，本实施方式的弹簧钢线Ws与对比热处理材料的成分相同。

图31表示本实施方式中的弹簧钢线Ws的热处理的经过时间与温度变化的关系的模拟结果。这里表示与离开表面的距离对应的经过时间与温度之间的关系。

从该图31可以看出，与中心部相比，表层部的图中斜线部的面积大。即，该表层部成为长时间保持在高温下的状态，硬度将大幅降低。

图32表示离开表层的距离以及硬度的分布。纵轴表示硬度[HV0.3]，横轴表示离开表层的距离[mm]。在图32中分别表示进行了作为对比例的热处理的弹簧钢线(对比热处理材料)以及用本实施方式的热处理条件进行处理的弹簧钢线Ws(表层软化材料)的硬度的分布。

即使离开表层的距离发生变化，对比热处理材料的硬度也几乎没有变化。另一方面，可看出实施了本实施方式的热处理的弹簧钢线Ws中，在表层附近，随着离开表层的距离越大，硬度就变得越大。即，在离开表层的1mm范围内，Hv＜500。

并且，如图33所示，通常硬度[Hv]＞500的情况下，进行疲劳试验时易发生以夹杂物为起点的早期折损。因此，在通过本实施方式的热处理条件下进行处理而使表层软化的弹簧钢线Ws(表层软化材料)中，疲劳特性得到了改善。

图34表示从表层到夹杂物的距离以及耐久次数的关系，以作为对比例的对比热处理材料的旋转弯曲疲劳试验的结果。图35是对比热处理中的从表层到夹杂物的距离与耐久次数的关系的坐标图。根据图34、35，能够明确在对比热处理材料中存在如下趋势，即从表层到夹杂物的距离越大，耐久次数越增加。

图36表示在弹簧钢线Ws中的，从表层到夹杂物的距离与耐久次数之间的关系，以作为根据本实施方式进行处理的弹簧钢线Ws(表层软化材料)的旋转弯曲疲劳试验的结果。

旋转弯曲疲劳试验的结果均以喷丸硬化后实施了旋转弯曲疲劳试验的情况为例。试验条件为：应力振幅700MPa、旋转速度2000rpm。到1000万次为止进行试验。坐标图中[＞1000]表示1000万次后也未断裂的情况。

比较图34与图36可看出，与对比例的弹簧钢线(对比热处理材料)相比，本实施方式的弹簧钢线Ws(表层软化材料)的耐久次数得到了大幅增加，疲劳特性得到了改善。此外，能确认本实施方式的弹簧钢线Ws表层软化材料中的折损全部以表层为起点发生。

图37为表示截面硬度、残余应力以及应力振幅的分布的坐标图。横轴表示离开表层的距离[mm]。纵轴表示硬度[HV0.3]、应力振幅[MPa]、残余应力[MPa]。

残余应力的分布均为同样的分布，在离开表层0.1mm附近呈最大压缩应力，然后在0.2mm以上处呈拉伸应力。

从该坐标图可以看出，对比热处理材料硬度高、相同应力振幅的情况下韧性低，因此残余应力为张力的离开表层0.2～1.0mm的范围内，会发生以夹杂物为起点的早期折损。

另一方面，表层软化材料的本实施方式的弹簧钢线Ws中，表层硬度低、韧性高，因此即使是在上述0.2～1.0mm左右的接近表层的范围内，也能抑制以夹杂物为起点的疲劳裂纹的发生。因此，耐久次数得到大幅提高。

在本实施方式中也能得到与上述第1实施方式相同的效果。即，通过融合高频感应加热的表面加热与钢的回火性能，以简单的处理就能够获得耐延迟断裂性优异的弹簧钢线。即，通过加热瞬间的温度模式的时间性变化与对回火特性的利用，以规定的所需处理条件的一次回火，简单的处理下就能够得到因部位而硬度不同的弹簧钢线。并且，与用常规的炉加热进行的热处理相比，通过高频进行迅速短时间加热的淬火回火热处理而能够得到高强度且高韧性。

而且，根据以本实施方式制造的弹簧钢线Ws，通过残余应力为张力的离开表层0.2～1.0mm的范围内进行软化，从而能够获得以夹杂物为起点的早期折损难以发生的效果。

并且，在本实施方式中，作为一个例子示出了如图29所示的成分，但不限于此。作为其他例子，例如有含有如图38所示的成分的钢种E～钢种I。这些钢材通过上述相同的处理，也能够使表层附近软化，能获得高强度、高韧性的同时，还能防止以夹杂物为起点的早期折损。其中，图38的表的最下段是用范围表示了例示出的多个弹簧钢线中含有的各成分。

第4实施方式

以下结合图39至图45对本发明的第4实施方式进行说明。并且，除了使用螺栓Wb作为处理对象的钢材的一个例子以外，与上述第1实施例相同，因此省略重复的说明。

并且，将本实施方式的热处理称为表层软化处理，通过该表层软化处理的螺栓Wb称为表层软化材料，将作为对比例的热处理称为对比热处理，将通过该对比热处理的螺栓称为对比热处理材料。

在本实施方式中，以图39所示的螺栓Wb为处理对象。制造装置及制造工序与第1实施方式相同，在使用图1所示的制造装置的同时，用图2所示的制造工序进行处理。即，本实施方式只是作为处理对象的钢材的形状、成分、直径等不同，因此，通过与第1实施方式相同的原理及相同的参数而决定热处理条件。

在本实施方式中，作为处理对象，以使用含有图40所示成分的螺栓Wb的情况为例子，但不限于此。

图41表示本实施方式的热处理以及对比热处理的螺栓Wb的热处理条件。本实施方式(表层软化材料)的热处理条件为：频率50kHz、淬火加热温度1000℃、回火加热温度780℃、回火加热时间0.15s、从回火加热到冷却为止的时间为0.61s。

这里使用的螺栓Wb是直径db＝7.1mm的螺栓，将全断面抗拉强度调整到1600N/mm²左右。

对比热处理条件为：频率9.5kHz、淬火加热温度1000℃、回火加热温度480℃、回火加热时间0.61s、从回火加热到冷却为止的时间为3.50s。该对比热处理材料也是直径7.1mm的螺栓，将全断面平均抗拉强度调整为1600N/mm²左右。并且，本实施方式的表层软化材料的螺栓Wb的成分与对比热处理材料的成分相同。此外，所有热处理均是在螺栓棒材Wb1上滚轧加工螺纹之前进行的。

图42表示本实施方式中的螺栓Wb的热处理的经过时间与温度变化的关系的模拟结果。这里表示与离开表面的距离对应的经过时间与温度之间的关系。

从该图42可以看出，与中心部相比，表层部的图中斜线部的面积大。即，该表层部成为长时间保持在高温下的状态，硬度将大幅降低。

图43分别表示以作为对比例的对比热处理条件进行处理的螺栓(对比热处理材料)与以本实施方式的热处理条件进行处理的螺栓Wb(表层软化材料)的硬度的分布。纵轴表示硬度[HV0.3]，横轴表示离开表层的距离[mm]。

在图43中，即使离开表层的距离发生变化，对比热处理材料的硬度也几乎没有变化。另一方面，可看出实施了本实施方式的热处理的螺栓Wb(表层软化材料)，在表层附近，离开表层的距离越大硬度就变得越大。即，离开表层的1.0mm范围内，Hv＜500。

在本实施方式的热处理条件下进行处理的螺栓Wb(表层软化材料)，与对比热处理材料相比，疲劳特性得到了改善。

图44表示将本实施方式的螺栓Wb(表面软化材料)、与对比热处理材料的延迟断裂试验结果进行对比的表。在此，延迟断裂试验是在螺栓Wb的棒材Wb1的全长上滚轧加工螺纹后实施试验的。螺纹深度为0.7mm。延迟断裂试验的条件为浸渍在20％NH₄SCN溶液中的状态下，试验温度为50℃，施加了螺纹部的抗拉强度1530N/mm²×0.7的张力。试验的负荷方法采用恒应变法，进行经过200小时为止。图中[＞200]表示在200小时后也未断裂的情况。

图45为表示本实施方式的表层软化材料及对比热处理材料的累积断裂概率与断裂时间之间的关系的坐标图。横轴表示累积断裂概率[％]，纵轴表示断裂时间[h]。

根据图44、图45可知，相对于对比热处理材料用30～130小时断裂，表层软化材料全部样品即使经过200小时以上也不断裂。因此，能明确通过进行表层软化处理，耐延迟断裂特性得到了提高。

在本实施方式中也能得到与上述第1实施方式相同的效果。即，通过融合由高频感应加热的表面加热与钢的回火性能，以简单的处理就能够获得耐延迟断裂性优异的螺栓。即，通过加热瞬间的温度模式的时间性变化与对回火特性的利用，以满足规定处理条件的一次回火，简单的处理就能得到因部位而硬度不同的螺栓。并且，与用常规的炉加热进行的热处理相比，通过高频进行迅速短时间加热的淬火回火热处理而能够得到高强度且高韧性。

并且，在本实施方式中，作为一个例子示出了如图40所示的成分，但不限于此。

并且，本发明并不限于上述各实施方式，能够在实施阶段在不脱离其要点的范围内改变构成要素进行具体化。例如，具体的处理条件，可以根据作为对象的钢材的形状、钢种、成分、要求的强度规格、硬度分布、装置的规格等进行适当更改。此外，所设定的热处理的处理条件也不限于上述条件。

在此作为一个例子，在第1至第4实施方式中，分别以PC钢棒、异型PC钢棒、弹簧钢线、螺栓为例子，但均通过使用了相同原理的处理而得到了相同的结果。本发明的概念不限于这些例举的钢种，可以广泛应用于其他种类的钢材。

并且，在各实施方式中，对通过淬火处理而高强度化的钢材进行回火处理而使表层软化的情况进行了说明，但也可以使用通过其他的拉丝、拉伸的高强度加工、渗碳等的处理而高强度化的钢材。

此外，通过对在上述各实施方式中公开的多个构成要素的适当组合而能够形成各种发明。例如，可以从实施方式所示的全部构成要素中删除几个构成要素。并且，还可以将不同实施方式中的构成要素进行适当组合。

产业上的利用可能性

根据本发明，以简单处理就能够提供因部位而硬度不同的钢材、钢材的制造方法及钢材的制造装置。

Claims (16)

1.一种钢材的制造方法，其特征在于，

是通过对实施了淬火处理的钢材进行回火处理，使所述钢材的一部分的硬度低于所述钢材的其他部分的硬度的、全断面马氏体组织钢材的制造方法，

所述回火处理具备：通过感应加热或直接通电加热，对从所述钢材的表皮至一定深度为止进行迅速加热至Ac1相变点以上的回火加热工序；以及，在经过该回火加热工序后的规定时间后，对经过了所述回火加热工序的所述钢材进行速冷的冷却工序。

2.如权利要求1所述的钢材的制造方法，其特征在于，从所述回火加热工序到所述冷却工序的时间为根据钢种、线径、加热温度及加热时间决定的规定时间以下。

3.如权利要求1或2所述的钢材的制造方法，其特征在于，所述回火处理的处理条件是基于所述钢材表面迅速加热后的传热特性而决定的。

4.如权利要求1所述的钢材的制造方法，其特征在于，所述回火处理的处理条件为所述钢材温度的时间积分值，是基于表示所述钢材的回火进行状态的回火进行值而决定的。

5.如权利要求1所述的钢材的制造方法，其特征在于，所述回火处理的处理条件为包括频率、输入电能、加热温度、加热时间、自然冷却时间中的至少2个的组合。

6.如权利要求4所述的钢材的制造方法，其特征在于，具备计算所述钢材的传热特性或所述回火进行值的工序；

所述回火处理的处理条件是基于所述计算出的传热特性或所述回火进行值而决定的。

7.如权利要求5所述的钢材的制造方法，其特征在于，具备计算所述钢材的传热特性或所述回火进行值的工序；

所述回火处理的处理条件是基于所述计算出的传热特性或所述回火进行值而决定的。

8.如权利要求4所述的钢材的制造方法，其特征在于，所述回火处理的处理条件是以使表层部的所述回火进行值成为中心部的所述回火进行值的1.5倍以上的值的方式进行设定的。

9.如权利要求4至8中任意一项所述的钢材的制造方法，其特征在于，从所述回火加热工序到所述冷却工序的时间是以使表层部的所述回火进行值成为中心部的所述回火进行值的1.5倍以上的值的方式进行设定的。

10.如权利要求1或2所述的钢材的制造方法，其特征在于，所述钢材为线状或棒状。

11.如权利要求1或2所述的钢材的制造方法，其特征在于，对于所述钢材实施了包含加热处理及冷却处理的淬火处理后，作为回火处理将所述回火加热工序及所述冷却工序各自进行一次。

12.一种钢材，其特征在于，

经过了权利要求1至11中任意一项所述的回火加热工序及所述冷却工序，

其表层部附近的硬度与在半径方向上与距离表层10％的位置相比更靠中心侧的硬度之差为HV50以上，并且，用JISZ2201的2号试件进行拉伸试验时的抗拉强度为1420N/mm²以上。

13.一种钢材，其特征在于，

经过了权利要求1至11中任意一项所述的回火加热工序及所述冷却工序，

成为全断面回火马氏体组织，并且，表层部的硬度为HV380以下，且用JISZ2201的2号试件进行拉伸试验时的抗拉强度为1420N/mm²以上，

与表层部相比中心侧的硬度均匀。

14.一种钢材，其特征在于，

经过了权利要求1至11中任意一项所述的回火加热工序及所述冷却工序，

成为全断面回火马氏体组织，并且，其表层部的硬度为HV420以下，且用JISZ2201的2号试件进行拉伸试验时的抗拉强度为1600N/mm²以上，

与表层部相比中心侧的硬度均匀。

15.一种钢材的制造装置，其特征在于，

是通过对实施了淬火处理的钢材进行回火处理，使所述钢材的一部分的硬度低于所述钢材的其他部分的硬度的、全断面马氏体组织钢材的制造装置，

具备：通过感应加热或直接通电加热而对从所述钢材的表皮至一定深度为止进行迅速加热至Ac1相变点以上的的回火加热装置；以及，在经过该回火加热后的规定时间后，对经回火加热的所述钢材进行速冷的冷却装置。

16.如权利要求15所述的钢材的制造装置，其特征在于，

从所述回火加热装置中的处理结束到所述冷却装置中的处理开始的时间为根据钢种、线径、加热温度、加热时间等决定的规定时间以下；

所述回火处理的处理条件是基于包括所述钢材的表面迅速加热后的传热特性、表示所述钢材的回火进行状态的回火进行值、频率、输入电能、加热温度、加热时间、自然冷却时间中的至少2个的组合而决定；

所述回火处理的处理条件是以使表层部的所述回火进行值成为中心部的所述回火进行值的1.5倍以上的值的方式进行设定；

从所述回火加热工序到所述冷却工序的时间被设定为根据钢种、线径、加热温度、加热时间等决定的规定时间以下；

所述钢材为线状或棒状；

还具备：沿通过所述回火加热装置及所述冷却装置的规定线路，将所述钢材连续搬送的搬送装置；所述处理条件包括所述搬送线路的距离以及所述搬送的速度；

还具备：对所述钢材实施热处理及冷却处理的淬火装置；

在所述搬送线路的所述淬火装置的下游侧具备所述加热装置及所述冷却装置各一个；

还具备：基于所述钢材的传热特性或所述回火进行值的计算结果，控制所述回火处理的处理条件的控制装置。

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