JP2001158975A - 加工性に優れた鋼材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二次、三次加工時の加工性に優れ、化成処理
を必要としない鋼材およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 表面温度が６００℃以上の鋼材の表面に
Ca化合物、Mg化合物およびMn化合物の中から選ばれた少
なくとも１種以上を合計で単位面積当たり０．０４g/m²
以上供給し、次いで、鋼材表面温度：６００℃以上、か
つ面圧：１００N/mm² 以上で押圧加工を施し、付着強度
が５００N/m 以上で、Ca、Mg、Mnの中の１種または２種
以上を固溶したウスタイトを体積割合にして５０％以上
含有する酸化スケ−ルを鋼材表面に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加工性に優れた鋼
材及びその製造方法に関する。詳しくは、本発明は、付
着性、潤滑性の高い酸化スケ−ルを鋼材表面に形成させ
た加工性に優れた鋼材及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高温で塑性加工される鋼材、すなわち炭
素鋼やステンレス鋼の表面には、少なからず酸化スケ−
ルが形成される。例えば、炭素鋼の場合には、ウスタイ
ト(FeO) 、ヘマタイト(Fe₂O₃) 、マグネタイト(Fe₃O₄)
を主体とした酸化スケ−ルが形成される。また、０．２
％以上のSiを含む鋼材を１２５０℃以上の温度域に加熱
すると酸化スケ−ルと地鉄界面にファイアライト(Fe₂Si
O₄) が生成することも良く知られている。従来、この酸
化スケ−ルは、鋼材の各種表面疵の原因になることや次
工程での酸洗による脱スケ−ル処理のコスト高を招くた
め如何にして剥離・除去させるかが課題であり、その対
策として高圧水脱スケ−ル技術や酸化スケールの改質等
が検討されてきた。

【０００３】例えば、特開昭５３−３７５３９号公報に
は、鋼帯の高温時に発生するマグネタイトの変態を阻止
し、酸洗性の良好なウスタイトを安定化して生成させて
脱スケ−ル性の向上を図ることを目的に、熱間圧延終了
後熱間巻き取り前の鋼帯温度５５０℃以上で圧延機出側
あるいは巻き取り直前で鋼帯表面にアルカリ土類金属の
酸化物、炭酸塩、水酸化物を塗布する方法が開示されて
いる。

【０００４】また、特開昭５３−１００１３０号公報に
は、鋼板の熱間仕上圧延過程においてアルカリ金属、ア
ルカリ土類金属、ホウ素、アルミニウム、マンガン等の
化合物を圧延油に懸濁せしめた状態で鋼板表面に供給す
ることにより脱スケ−ル性に優れた鋼板を製造する方法
が開示されている。

【０００５】更に、特公昭５６−４３３６９号公報に
は、Ca化合物、Mg化合物の１種または２種とポリリン
酸、ホウ砂の１種または２種との混合物をスラブの表面
に塗布し、その上に酸化防止剤を塗布して所定の温度ま
で加熱し圧延することによってウスタイト中にCaO やMg
O を固溶させ、ウスタイトの変態を防止するスケ−ルの
酸洗性に優れた鋼材の製造方法が開示されている。

【０００６】一方、特公昭５７−３６３２０号公報に
は、ウスタイトにCaが固溶したカルシウムフェライトを
含有した潤滑剤組成物が開示され、優れた潤滑性を示す
ことが記載されている。

【０００７】このように、Ca化合物やMg化合物を使用し
て鋼材の熱間加工時に発生するスケ−ルを改質すること
により酸洗性や脱スケ−ル性が改善されることや、カル
シウムフェライトが優れた潤滑性を示すことは知られて
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、熱間加工に
より製造された線材は、その表面に形成された酸化スケ
ールをピーリング加工により除去した後、一旦コイル状
に巻き取られ、その後、冷間にて伸線される。この巻き
取り時に線材表面に発生するスリ疵を防止するため、通
常、巻き取り前に線材表面に潤滑剤の塗布が行われる。
通常、この潤滑剤としては、ステアリン酸カルシウムの
ような金属石けんが用いられる。

【０００９】また、伸線工程においては、高い減面率を
可能にするとともに疵の発生を抑制するため、通常、伸
線の前に線材の表面に再度潤滑剤の塗布が行われる。こ
の潤滑剤には、上記の金属石けんでは効果が不十分であ
り、近年ではフッ素樹脂もしくはフッ素樹脂に黒鉛やケ
イ酸塩等を添加した潤滑剤の使用が試みられているが、
満足する潤滑剤が得られていないのが実状である。

【００１０】特に、表面の高品質化が要求される冷間鍛
造用棒鋼線材は、熱間圧延された素材を酸洗等によって
脱スケ−ル処理した後、リン酸亜鉛処理等の下地処理を
施し、更に、ステアリン酸ナトリウムやステアリン酸カ
リシウム等の反応型石けんを用いて処理して、潤滑性を
付与し、次いで、これを伸線して製造されている。この
ような冷間鍛造用棒鋼線材は、更に二次、三次の冷間鍛
造加工によって、最終製品とされている。

【００１１】このように、冷間鍛造用棒鋼線材の製造に
は、熱間圧延された素材を脱スケ−ル処理した後、伸線
する前に、その素材の表面にリン酸亜鉛処理膜と反応型
石けん処理によって、二層の皮膜を形成させる各種工程
が必要である。従って、その製造には、リン酸亜鉛処理
や反応型石けん処理のための各浸漬漕が必要とされるの
に加えて、付随的にこのような処理後の水洗や乾燥等の
多数の工程と設備が伴うため、設備費及び操業費用等が
嵩むといった問題を抱えている。

【００１２】本発明の課題は、例えば伸線や冷間鍛造な
どの二次、三次加工時の加工性に優れ、化成処理を必要
としない鋼材およびその製造方法を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】ここに、鋼材表面に形成
される酸化スケ−ルと地金との付着強度に着目し、いか
なる条件下で付着性に優れた酸化スケ−ルが形成される
のかという点、また、酸化スケ−ルと地金との間の付着
強度と次加工工程における加工性、すなわち耐焼付き性
や潤滑性との関連については従来全く知られていなかっ
た。

【００１４】そこで、本発明者は、上記課題を解決する
ため、酸化スケ−ルの付着強度、酸化スケールの組成、
ならびに鋼材の加工方法に関し、種々検討し以下の知見
を得た。

【００１５】ａ．鋼材表面に付着強度が５００N/m 以上
の酸化スケ−ルを形成させることにより、加工性、すな
わち耐焼付き性や潤滑性が著しく向上する。

【００１６】ｂ．酸化スケ−ル中、Ca、Mg、Mnの固溶し
たウスタイトを体積で５０％以上とすることにより、高
い付着強度が得られる。

【００１７】ｃ．表面温度が６００℃以上の鋼材表面
に、Ca、Mg、Mn化合物の少なくとも１種以上を、単位面
積当たり０．０４g/m²以上供給した後、鋼材表面温度：
６００℃以上、かつ、面圧：１００N/mm² 以上で押圧加
工を施すことにより、付着強度が５００N/m 以上の酸化
スケ−ルを有する鋼材を得ることができる。本発明は、
上記知見により完成されたもので、その要旨は以下の通
りである。

【００１８】（１）SAICAS法によって計測される付着強
度が５００N/m 以上の酸化スケ−ルを表面に有すること
を特徴とする加工性に優れた鋼材。

【００１９】（２）上記酸化スケ−ルが、Ca、Mgおよび
Mnの中の１種または２種以上を固溶したウスタイトを体
積割合にして５０％以上含有することを特徴とする上記
（１）項に記載の加工性に優れた鋼材。

【００２０】（３）表面温度が６００℃以上の鋼材表面
にCa化合物、Mg化合物およびMn化合物の中から選ばれた
少なくとも１種以上を合計で単位面積当たり０．０４g/
m²以上供給し、次いで、鋼材表面温度：６００℃以上、
かつ面圧：１００N/mm² 以上で押圧加工を施すことを特
徴とする加工性に優れた鋼材の製造方法。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明者は、鋼材表面にある特定
強度以上でスケールを付着させれば、後工程において化
成処理などの潤滑処理をすることなく二次、三次加工の
際の加工性が飛躍的に改善されることを明らかにした。
すなわち、酸化スケ−ルと地鉄との界面の付着強度が、
５００N/m 以上になると二次、三次加工で優れた加工性
を示すことを見つけた。ここで、付着強度は、塗装技術
の１９９５年４月号１２３〜１３５頁にその詳細が記載
されるSAICAS (Surface and Interfacial Cutting Anal
ysis System)法によって計測され、切れ刃の幅、すなわ
ち酸化スケ−ル単位幅当たりの強度で表される。

【００２２】付着強度が、５００N/m 未満では鋼材の搬
送途中などで酸化スケ−ルが部分的に剥離し、錆を発生
する他、二次、三次工程において、十分な加工性を発揮
できない。付着強度が５００N/m 以上になると二次、三
次加工において酸化スケ−ルが剥離せず、工具と地鉄と
の間の金属間接触が防止され、焼付き等の表面疵の発生
が抑制される。また、荷重低減効果もある。

【００２３】付着強度の上限は、特に限定されるもので
はないが、加工後に曲げを付与したりブラシ等による機
械的な脱スケ−ルを行う必要がある時には、鋼材の耐力
以下とするのが望ましい。

【００２４】酸化スケ−ルの組成は、Ca、MgおよびMnの
１種または２種以上を固溶したウスタイトの体積割合が
５０％以上とするのがよい。上記ウスタイトの割合が増
加すると酸化スケ−ルと地鉄との親和性が低下するた
め、工具と鋼材との摩擦力が減少し、焼付きの発生が抑
制される。より好ましくは、上記ウスタイトの体積割合
が６０％以上である。なお、ウスタイトの体積割合は１
００％であってもよい。また、ウスタイトはマグネタイ
トに比べ酸に溶解しやすいので、ウスタイトの体積割合
を５０％以上とすることにより、酸洗性も改善される。

【００２５】本発明の方法は、表面温度が６００℃以上
の鋼材の表面にCa化合物、Mg化合物およびMn化合物の中
から選ばれた少なくとも１種以上を合計で単位面積当た
り０．０４g/m²以上供給し、次いで、鋼材表面温度：６
００℃以上、かつ面圧：１００N/mm² 以上で押圧加工を
施すことを特徴とする。なお、上記面圧は、押圧加工の
際の押圧荷重を接触面積で除した値で定義される。

【００２６】表面温度が６００℃以上の鋼材の表面に
は、ウスタイトを主体とする酸化スケールが形成されて
おり、その酸化スケールの上にCa化合物、Mg化合物、Mn
化合物を供給して、上記押圧加工を施すことにより、付
着強度が５００N/m 以上の酸化スケールを有する鋼材を
得ることができる。好ましくは、９００℃以上である。

【００２７】Ca、Mg、Mnの化合物を供給する鋼材の表面
温度が６００℃未満では、マグネタイトの割合が多くな
り、十分な付着強度が得られない。

【００２８】Ca、Mg、Mnの化合物としては、Ca、Mg、Mn
の酸化物、炭酸塩、水酸化物などを挙げることができ
る。また、CaやMgの金属塩からなるスルホネ−ト、フェ
ネ−ト、サリシレ−ト、カルボキシレ−ト、ホスホネ−
トでもよい。上記化合物は、酸化スケ−ルとの反応性の
観点から、粒子径が小さいほどよい。好ましくは、化合
物の平均粒子径は１μｍ以下であり、より好ましくは、
１００ｎｍ以下である。

【００２９】これらの化合物は、粉体のまま、あるいは
水に分散させて、鋼材表面に直接に、あるいは加工用工
具を介して間接的に供給される。化合物の供給量が少な
いと、酸化スケール下部へのCa、Mg、Mnの拡散量が不足
し、十分な付着強度が得られない。

【００３０】したがって、本発明で使用する化合物の供
給量の合計は、単位面積当たり０．０４g/m²以上であ
る。供給量の上限は特に限定しないが、付着強度が飽和
することならびに経済性の観点から０．５g/m²以下とす
るとよい。

【００３１】押圧加工は、鋼材表面温度：６００℃以
上、かつ、面圧：１００N/mm² 以上の条件で行う。上記
条件で押圧加工を施すことにより、Ca、MgやMnが固溶し
たウスタイトを酸化スケ−ル中、体積割合で５０％以上
とすることができる。

【００３２】押圧加工時の鋼材表面温度が６００℃未満
では部分的にマグネタイトへの変態が進行し始め、ま
た、面圧が１００N/mm² 未満ではCa、Mg、Mnのウスタイ
ト中への固溶量が少なくなり、その結果、いずれも常温
でのウスタイトの比率が低下し加工性の向上が不十分と
なる場合がある。上記鋼材表面温度と面圧の上限は、特
に限定しないが、実用的には鋼材表面温度は１２００℃
以下、面圧は４００N/mm ² 以下である。押圧加工の形態
は特に限定しないが、例えば、圧延や鍛造などの加工と
することができる。

【００３３】本発明の鋼材は、伸線やそれに続く冷間鍛
造に使用される素材として好適である。また、本発明の
鋼材の種類は特に限定されるものでなく、例えば、炭素
鋼、ステンレス鋼、特殊鋼とすることができるが、好ま
しくは炭素鋼である。

【００３４】なお、本発明の方法は、棒鋼線材などの熱
間での条鋼圧延だけでなく熱間での板圧延、熱間での鍛
造に適用することができるが、条鋼圧延に適用すると好
適である。

【００３５】

【実施例】（実施例１）オ−バル・ラウンド孔型系列の
棒鋼圧延ラインで、材質がJIS SCM435で、直径の異なる
種々の素材を直径１１．２mmの棒鋼に熱間圧延した。そ
の際、上記圧延ラインの入側で表面温度が１２００℃の
素材表面にCa Mnの化合物の粉末をそのまま吹き付け
た。なお、Ca化合物としては、神島化学(株)製の炭酸カ
ルシウム（商品名：カルシ−ズPLS23014、平均粒子径40
nm）、神島化学(株)製の炭酸カルシウム（商品名：カル
シ−ズP 、平均粒子径150nm ）、シ−アイ化成(株)製の
酸化カルシウム（平均粒子径30nm）、およびウイトコ社
製の高塩基性カルシウムスルホネ−ト（商品名：ブライ
トンC300、炭酸カルシウムの平均粒子径2nm ）、Mg 化
合物としては、神島化学(株)製の酸化マグネシウム（商
品名：L-10、平均粒子径1.5 μm ）、また、Mn化合物と
しては、シ−アイ化成(株)製の酸化マンガン（平均粒子
径38nm）を使用した。

【００３６】上記熱間圧延により得られた棒鋼の表面に
形成された酸化スケ−ルの付着強度をダイプラ・ウィン
テス株式会社製SAICAS BN-1 により測定するとともに、
上記酸化スケールの組成をＸ線回折によるピ−ク強度や
ＥＰＭＡで解析した。表１に酸化スケールの付着強度と
酸化スケール中のウスタイトの体積割合を示す。なお、
付着強度は、切れ刃の単位幅当たり、すなわち酸化スケ
−ルの単位幅当たり強度として単位N/m で表わした。

【００３７】

【表１】

【００３８】表１に示すように、本発明方法で規定され
た範囲内の条件で圧延されたＮｏ．２〜８の棒鋼は、酸
化スケールの付着強度が５００N/m 以上であった。ま
た、Ｎｏ．３は、Ｎｏ．６や７に比べウスタイトの体積
割合が大きく、化合物の平均粒子径が小さいほどウスタ
イトの体積割合を高くできることが判った。 （実施例２）実施例１で得られたＮｏ．１〜１４の直径
１１．２ｍｍの棒鋼を減面率：１０％、３０％、５０％
で、それぞれ直径：１０．６ｍｍ、９．４ｍｍ、７．９
ｍｍの製品に冷間でダイス伸線し、酸化スケ−ルの剥離
や焼付き発生状況を調査した。表２に酸化スケールの剥
離程度ならびに焼付き程度を示す。

【００３９】

【表２】

【００４０】表２に示すように、付着強度が５００N/m
以上のＮｏ．１〜８の棒鋼は、減面率３０％でも酸化ス
ケールの剥離が無く、また、焼付きも発生しなかった。
特に、ウスタイトの体積割合が５０％以上のＮｏ．２〜
８の棒鋼は、減面率：５０％でも剥離や焼付きの発生が
無く極めて良好であった。一方、Ｎｏ．９〜１４の棒鋼
では、減面率１０％で剥離や焼付きが発生するものがあ
り、減面率：３０％ではいずれも剥離や焼付きが発生し
不良であった。

【００４１】なお、表２に示すＮｏ．２〜８で減面率３
０％のダイス伸線を実施した鋼材を三次加工として冷間
鍛造によりボルトに成形したところいずれの鋼材も焼付
きや割れといった表面欠陥は認められなかった。

【００４２】

【発明の効果】本発明の鋼材によれば、化成処理及びそ
の除去処理等を必要とすることなく二次、三次加工性が
改善され、焼付きの発生を防止できる。また、本発明方
法によれば、複雑な処理工程を必要としないため、二
次、三次加工性に優れた鋼材を安価に製造することがで
きる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 SAICAS法によって計測される付着強度が
   ５００N/m 以上の酸化スケ−ルを表面に有することを特
   徴とする加工性に優れた鋼材。
2. 【請求項２】 上記酸化スケ−ルが、Ca、MgおよびMnの
   中の１種または２種以上を固溶したウスタイトを体積割
   合にして５０％以上含有することを特徴とする請求項１
   に記載の加工性に優れた鋼材。
3. 【請求項３】 表面温度が６００℃以上の鋼材の表面に
   Ca化合物、Mg化合物およびMn化合物の中から選ばれた少
   なくとも１種以上を合計で単位面積当たり０．０４g/m²
   以上供給し、次いで、鋼材表面温度：６００℃以上、か
   つ、面圧：１００N/mm² 以上で押圧加工を施すことを特
   徴とする加工性に優れた鋼材の製造方法。