JP2000160292A - 熱間圧延直接焼入れ棒鋼とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 棒鋼熱間圧延直後の直接焼入れ技術を適用し
て、表層硬さのバラツキを解消しつつ、その後の特別な
熱処理を施すことなく高周波焼入れ−焼戻し品と同等の
硬さ分布を得る。 【解決手段】 重量％で、Ｃ：０．３〜０．６％と、Ｍ
ｎ：０．１〜０．７％およびＣｒ：０．１〜０．７％の
うち１種または２種と、Ａｌ：０．００５〜０．０５％
と、Ｎ：０．００２０〜０．００８０％未満と、および
さらに必要に応じて、Ｓ、Ｐｂ、Ｃａ、Ｔｅ、Ｂｉの１
種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純
物よりなり、Ｃeqが０．６３％以下で、表層硬さがＨｖ
４００以上、表層から５mmの深さの硬さがＨｖ３５０以
下である直接焼入れ棒鋼。 Ｃeq（％）＝（％Ｃ）＋（％Ｍｎ）／５＋（％Ｃｒ）／
９

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、棒鋼圧延後の直接
焼入れにより表層だけを硬化させた直接焼入れ棒鋼およ
びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】機械構造用部品の製造方法には、一般
に、引き抜きや熱間鍛造・冷間鍛造のように、素材棒鋼
・線材から形を作る工程と、焼入れ焼戻し、高周波焼入
れ、浸炭熱処理など、硬さや靭性を調整する工程とがあ
り、これらの加工をうまく組み合わせて、最終部品がで
きている。

【０００３】一方、工業的には、部品の材質の向上と共
に、コストの低減が大きな課題であり、鋼素材の熱間圧
延直後の直接焼入れ法は、鋼の省合金・低コスト化と部
品製造工程の簡省略化をもたらすものとして、従来より
検討されてきたものである。

【０００４】例えば、特公平２−２９２７号公報「低温
用棒鋼の製造方法」には、棒鋼の低温靭性を低コストで
向上させるために、直接焼入れ技術が効果的であること
が示されており、特開昭６２−８６１２５号公報「高強
度高靭性熱間圧延鋼材の製造方法」には、特定範囲の成
分の鋼に直接焼入れを適用し、中心部まで過冷組織とす
ることで、棒鋼全体として高強度高靭性化が可能である
ことが開示されている。また、中炭素鋼を対象として、
直接焼入れして表層をソルバイト組織に制御し、その後
の高周波焼入れ性を高める方法が、特公平６−７２２５
９号公報に示されている。以上の従来のような直接焼入
れ棒鋼の技術的要点は、直接焼入れおよび自己焼戻しで
あり、少なくとも表層の組織を焼戻しマルテンサイトと
することである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】棒鋼表層の硬化方法の
ひとつに高周波焼入れ法がある。高周波焼入れは、それ
自体がコストがかかる上、輸送や在庫などの付帯コスト
も必要とされる。よって、熱間圧延後の直接焼入れで、
高周波焼入れ−焼戻し材と同等の表面硬さを備えた棒鋼
が得られれば、大きなコスト低減と、工期短縮が実現で
きる。本発明の課題の一つは、棒鋼熱間圧延直後の直接
焼入れ技術を適用して、高周波焼入れ−焼戻し品と同等
の硬さ分布、特に表層硬さを得ることである。

【０００６】さらに、これまでの直接焼入れ技術では、
どうしても表面硬さが均一とならず、時として棒鋼の同
一断面内での硬さのバラツキの上下限差がビッカース硬
さで１００ポイントにもなる場合があった。よって、本
発明の２つ目の課題は、高周波焼入れ−焼戻し品と同等
の硬さ分布を有する直接焼入れ棒鋼を製造する際、従来
技術の適用では不可避であった表層硬さのバラツキを解
消することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
有利に解決するものであり、その構成は次の通りであ
る。 （１）重量％で、Ｃ：０．３〜０．６％と、Ｍｎ：０．
１〜０．７％およびＣｒ：０．１〜０．７％のうち１種
または２種と、Ａｌ：０．００５〜０．０５％と、Ｎ：
０．００２０〜０．００８０％未満とを含み、残部Ｆｅ
および不可避不純物よりなり、Ｃeqが０．６３％以下
で、表層硬さがＨｖ４００以上、表層から５mmの深さの
硬さがＨｖ３５０以下であることを特徴とする熱間圧延
直接焼入れ棒鋼。 Ｃeq（％）＝（％Ｃ）＋（％Ｍｎ）／５＋（％Ｃｒ）／
９ （２）さらに重量％で、Ｓ：０．０１〜０．２０％、Ｐ
ｂ：０．０１〜０．２５％、Ｃａ：０．０００２〜０．
００２０％、Ｔｅ：０．０００５〜０．００５０％、Ｂ
ｉ：０．０１〜０．２５％のうち１種または２種以上を
含むことを特徴とする上記（１）記載の熱間圧延直接焼
入れ棒鋼。 （３）表面から２mm以下の深さまでが焼戻しマルテンサ
イト組織、表面から５mm以上の深さの組織がパーライト
組織、またはフェライト・パーライト組織であることを
特徴とする、上記（１）または（２）記載の熱間圧延直
接焼入れ棒鋼。 （４）上記（１）または（２）記載の組成の鋼を熱間圧
延する際、仕上げ圧延温度を、８７０℃以上とし、圧延
後直ちに急冷し、急冷終了後の鋼材表面復熱温度ＴＲを
下式の範囲に制御して、表面から２mm以下の深さまでを
焼戻しマルテンサイトとすることを特徴とする熱間圧延
直接焼入れ棒鋼の製造方法。 ＴＲ≦２４０＋３２６√（％Ｃ） である。

【０００８】

【発明の実施の形態】棒鋼の直接焼入れにおいては、鋼
材の熱間圧延直後、オーステナイト組織であるＡ₃ 温度
以上から水冷し、鋼が水冷帯を通過する間の一定時間冷
却した後、自然放冷する。この放冷過程において、鋼材
内部に蓄積された熱で表層が復熱し、焼入れ層が焼戻し
される。また、内部の組織と硬さは、鋼成分と変態温度
域の冷却速度との関係で決まる。

【０００９】本発明においては、高周波焼入れ部品と同
等の硬さ分布を実現し、かつ、表層硬さバラツキを抑制
するため、以下の手段を用いる。 表層部の焼入れ硬さと焼入れ深さの調整 焼入れしたマルテンサイトの硬さは、炭素量によって決
まるが、焼入れ後、復熱して焼戻されるため硬さが低下
する。よって、所定の硬さを得るため、炭素量と焼戻し
温度を制御する。また、本発明においては、高周波焼入
れ材と同等の比較的薄い焼入れ層をつくるため、熱間圧
延直後焼入れした時、マルテンサイトとなる臨界の最低
冷却速度が大きくなるように成分を調整しなければなら
ない。よって、目的とする硬さを炭素含有量と復熱温度
で調整し、焼入れ深さをＭｎ、Ｃｒ含有量で調整する。
復熱温度は、棒鋼の直径、仕上げ温度、及び、棒鋼が冷
却装置を通過する際の冷却時間で決まるので、これらを
適宜調整することで、所望の復熱温度を決定する。

【００１０】表層焼入れ部の安定化 焼入れ層を薄くした場合、通常は必然的に焼入れ部にお
いても組織のバラツキが発生しやすくなる。その原因の
ひとつが低温仕上げ圧延である。これまでは、低温圧延
を行って焼入れ後の復熱温度を低減し、表層硬さを高め
ようとするのが通常の操業であったが、その結果、焼入
れされるまで表層部に加工転位が残り、焼入れ時に焼き
が入りにくくなるのである。本発明においては、この現
象を抑制するため、従来とは逆に高温仕上げを行う。高
温仕上げは、仕上げ圧延後、焼入れまでの回復、再結晶
を促進する。また、回復、再結晶を抑制するＡｌＮ等の
析出物粒子は低減する。

【００１１】内部硬さ 鋼材内部は、靭性と被削性を向上させるため、５mm深さ
の硬さをビッカース硬さで３５０以下に調整するが、そ
のためには、少なくとも中心部組織をパーライトあるい
はフェライト・パーライト組織とし、軟質化しなければ
ならない。熱間圧延直接焼入れ法においては、鋼材内部
といえども、冷却速度は大きく、パーライトあるいはフ
ェライト・パーライト組織に調整しても、ある程度硬化
することは避けられない。このため、本発明の炭素当量
は中炭素鋼としては非常に小さい範囲に調整する。

【００１２】次に、本発明の限定理由を詳細に述べる。 Ｃ：０．３〜０．６％ Ｃは直接焼入れ時の表層マルテンサイト層の硬さを高め
る。表層ビッカース硬さ４００以上を確保するために少
なくともＣ：０．３０％以上が必要である。しかし、Ｃ
量が多すぎると、焼入れ深さが大きく、かつ内部硬さが
高くなるため、０．６％以下に限定する。

【００１３】Ｍｎ：０．１〜０．７％およびＣｒ：０．
１〜０．７％ ＭｎとＣｒは焼入れ深さを調整するために少なくともい
ずれか１種添加する。焼入れ深さを調整するため、いず
れかを０．１％以上添加することが必要であるが、いず
れも０．７％を超えて添加した場合、焼入れ深さが大き
くなり、また、５mm深さでＨｖ３５０超となる場合があ
る。

【００１４】Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：
０．００２０〜０．００８０％ ＡｌとＮは比較的低温で圧延した場合にＡｌＮとして析
出し、圧延後の再結晶を遅らせて、表層の焼入れバラツ
キの原因となる。よって、ＡｌとＮは低減することが望
ましい。Ａｌは脱酸剤であり、必要な脱酸を行うため、
０．０５０％を上限とするが、製造コストの観点から
０．００５％を下限とする。Ｎについては、ＡｌＮ生成
防止のため０．００８０％以下に限定するが、０．００
２０％未満としても効果が飽和し、また製造コストが高
くなる。

【００１５】Ｓ：０．０１〜０．２０％、Ｐｂ：０．０
１〜０．２５％、Ｃａ：０．０００２〜０．００２０
％、Ｔｅ：０．０００５〜０．００５０％、Ｂｉ：０．
０１〜０．２５％ これらの元素はいずれも一般的な被削性向上元素であ
り、１種または２種以上を選択して添加しても、本発明
の効果に影響しない。被削性向上の効果を期待するため
には、Ｓ：０．０１％以上、Ｐｂ：０．０１％以上、Ｃ
ａ：０．０００２％以上、Ｔｅ：０．０００５％以上、
Ｂｉ：０．０１％以上が必要である。一方、Ｓ：０．２
０％超、Ｐｂ：０．２５％超、Ｃａ：０．００２０％
超、Ｔｅ：０．００５０％超、Ｂｉ：０．２５％超、を
添加した場合、製造コストが大きくなる。

【００１６】Ｃeq：０．６３％以下、および、５mm以上
の深さでのビッカース硬さが３５０以下 Ｃeq（％）＝（％Ｃ）＋（％Ｍｎ）／５＋（％Ｃｒ）／
９は、鋼がフェライト・パーライト組織、あるいはパー
ライト組織となったときの硬さを予測するための炭素当
量式である。フェライト・パーライト組織の硬さは炭素
当量と冷却速度で決定され、本発明では、直径２５mmの
鋼材を、通常の直接焼入れをした場合、表面から５mm以
上の深さでのビッカース硬さが３５０以下となるように
０．６３％以下に限定し、靭性と被削性を確保する。

【００１７】表面硬さＨｖ４００以上 高周波焼入れ−焼戻し品と代替可能とするため、硬さＨ
ｖ４００以上とする。表層硬さをＨｖ４００以上とする
ことで、高周波焼入れ−焼戻し品と同等の表層硬さと強
度を付与する。

【００１８】仕上げ圧延温度：８７０℃以上 仕上げ圧延後、直接焼入れまでの回復、再結晶を促進し
て硬さバラツキを抑制するため、仕上げ温度を８７０℃
以上に限定する。一定の冷却条件下では仕上げ温度が高
いほど、復熱温度も高くなり、表層硬さが低下するが、
復熱温度は直接焼入れ設備の冷却能力にも依存するもの
であるから、設備条件が許す範囲で仕上げ温度を決定す
ることができる。

【００１９】ＴＲ≦２４０＋３２６√（％Ｃ） 直接焼入れ終了後、鋼材表層は復熱されて焼戻しマルテ
ンサイトとなるが、焼戻しマルテンサイトの硬さは、炭
素量と復熱温度ＴＲで決定される。表層硬さをＨｖ４０
０以上とするためには、炭素含有量と復熱温度の関係を
ＴＲ≦２４０＋３２６√（％Ｃ）とする必要がある。

【００２０】

【実施例】表１に示す成分の鋼を２トン真空溶解炉にて
溶製し、分解圧延で断面１６２mm角のビレットとした
後、表２の条件で棒鋼に圧延し、圧延機に引き続く水冷
装置を通過させることにより、直接焼入れを行った。直
接焼入れ後は、冷却床にて自然放冷し、放冷中の最高温
度を復熱温度として測定した。これらの棒鋼の表層硬
さ、焼入れ深さ、５mm深さの硬さを測定し、結果を表２
に示した。

【００２１】表層硬さは、同一水準棒鋼それぞれの５つ
の断面上において、表面から０．２mmの位置２４点を測
り（５断面×２４点＝１２０点）、表層硬さの平均値と
バラツキ（標準偏差σ）を求めた。また、それぞれの断
面の中心を通る直径方向の断面内硬さ分布を測定し（５
断面×直交する２方向＝１０方向）、焼入れ深さの平均
値、５mm深さを求めた。ここで、焼入れ深さは焼戻しマ
ルテンサイト組織となっている深さであるが、組織観察
上、マルテンサイトに少量のベイナイトが混入しても判
別が困難であるので、硬さが表層部の９０％に低下する
深さを焼戻しマルテンサイト組織である深さとした。

【００２２】本発明の鋼を用いた場合、その焼入れ深さ
は２．０mm以下である。一方、Ｃ量の多いＮｏ．７、Ｍ
ｎ量あるいはＣｒ量の多いＮｏ．９、１０、１４の比較
鋼を用いた場合、焼入れ深さが２．０mmを超えている。
Ｎｏ．８はＣ量が低いため、表層硬さがビッカース４０
０未満である。Ｃ量の少ないＮｏ．８、および、Ｍｎと
Ｃｒ量が少ないＮｏ．１１、ＡｌあるいはＮ量の多いＮ
ｏ．１２、１３は、硬さバラツキが大きい。５mm深さの
硬さは、ほぼ炭素当量Ｃeqに依存しており、Ｃeqが０．
６３％以下である本発明の鋼の内部硬さがＨｖ３５０以
下であるのに対し、比較例の水準Ｎｏ．７、１４はＨｖ
＝４１６、３６６と硬くなっている。

【００２３】なお、表２の水準Ｎｏ．２２、２３のよう
に、本発明の鋼（鋼Ｎｏ．２）を用いても、仕上げ温度
が８７０℃未満であると（Ｎｏ．２２）、硬さバラツキ
が大きくなり、また、復熱温度がＴＲを超えると（Ｎ
ｏ．２３）、表層硬さがＨｖ４００を下回っている。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【発明の効果】本発明に基づく鋼と製造方法で造られた
直接焼入れ棒鋼は、特に、高周波焼入れ品と代替できる
硬さ分布を有し、かつ、表層硬さバラツキが小さいの
で、本発明品は棒鋼圧延、直接焼入れままで、特別な熱
処理を施すことなく、引き抜き、切削などによる加工を
経て機械部品とすることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新保 泰広 北海道室蘭市仲町12番地 新日本製鐵株式 会社室蘭製鐵所内 (72)発明者 宮本 裕嗣 北海道室蘭市仲町12番地 新日本製鐵株式 会社室蘭製鐵所内 (72)発明者 塚本 独 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 池本 浩之 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 4K032 AA01 AA03 AA05 AA06 AA08 AA11 AA16 AA21 AA28 AA29 AA34 BA02 CC04

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．３〜０．６％と、Ｍ
   ｎ：０．１〜０．７％およびＣｒ：０．１〜０．７％の
   うち１種または２種と、Ａｌ：０．００５〜０．０５％
   と、Ｎ：０．００２０〜０．００８０％未満とを含み、
   残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなり、Ｃeqが０．６３
   ％以下で、表層硬さがＨｖ４００以上、表層から５mmの
   深さの硬さがＨｖ３５０以下であることを特徴とする熱
   間圧延直接焼入れ棒鋼。 Ｃeq（％）＝（％Ｃ）＋（％Ｍｎ）／５＋（％Ｃｒ）／
   ９
2. 【請求項２】 さらに重量％で、Ｓ：０．０１〜０．２
   ０％、Ｐｂ：０．０１〜０．２５％、Ｃａ：０．０００
   ２〜０．００２０％、Ｔｅ：０．０００５〜０．００５
   ０％、Ｂｉ：０．０１〜０．２５％のうち１種または２
   種以上を含むことを特徴とする請求項１記載の熱間圧延
   直接焼入れ棒鋼。
3. 【請求項３】 表面から２mm以下の深さまでが焼戻しマ
   ルテンサイト組織、表面から５mm以上の深さの組織がパ
   ーライト組織、またはフェライト・パーライト組織であ
   ることを特徴とする、請求項１または２記載の熱間圧延
   直接焼入れ棒鋼。
4. 【請求項４】 請求項１または２記載の組成の鋼を熱間
   圧延する際、仕上げ圧延温度を、８７０℃以上とし、圧
   延後直ちに急冷し、急冷終了後の鋼材表面復熱温度ＴＲ
   を下式の範囲に制御して、表面から２mm以下の深さまで
   を焼戻しマルテンサイトとすることを特徴とする熱間圧
   延直接焼入れ棒鋼の製造方法。 ＴＲ≦２４０＋３２６√（％Ｃ）