JP2006283049A - 鋼材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼割れが抑制され、低コストで、生産性に優れ、しかも良好な組織が得られる鋼材製造方法の提供。
【解決手段】ビレットにピーリングが施され、脱炭層が除去される。このビレットに、熱間圧延が施される。この熱間圧延によってビレットは徐々に細径化し且つ長尺化して、丸棒鋼が得られる。この丸棒鋼に、低温焼鈍が施され、さらに矯正機による矯正が施される。矯正により、丸棒鋼からスケールが除去される。この丸棒鋼の脱炭層の厚みは、２００μｍ以下である。この丸棒鋼は、焼入れ炉にて加熱され、Ａ_３点以上に昇温される。次に丸棒鋼は、焼入れ油に浸漬される。焼入れ油の温度は、５０℃以上９０℃以下である。浸漬により丸棒鋼が急冷され、マルテンサイト変態が生じる。
【選択図】図１

Description

本発明は、丸棒鋼等の鋼材の製造方法に関する。詳細には、本発明は、鋼材の焼入れ処理の改善に関する。

丸棒鋼の強化法の１つとして、焼入れが挙げられる。焼入れでは、まず丸棒鋼が、オーステナイト変態開始点（Ａ_３点）以上に昇温される。次に丸棒鋼は、冷却剤に浸漬される。冷却剤としては、油が一般的である。浸漬により丸棒鋼が急冷され、マルテンサイト変態が生じる。マルテンサイト変態により、過飽和の炭素原子が固溶しており、かつ多量の転位を含んだ組織が得られる。

マルテンサイト変態は、格子変態による膨張と温度収縮とを伴うので、丸棒鋼に内部応力が生じる。この内部応力により、いわゆる焼割れが生じることがある。特に、炭素濃度が高い鋼種において、焼割れが生じやすい。

特開昭５４−１０２１８号公報には、焼入れ対象物の温度分布抑制により焼割れを防止する熱処理方法が開示されている。特開昭５２−７５８３９号公報には、冷却速度の制御により焼割れを防止する熱処理方法が開示されている。
特開昭５４−１０２１８号公報 特開昭５２−７５８３９号公報

特開昭５４−１０２１８号公報に開示された熱処理方法には、特殊な冷却剤が必要である。この冷却剤の使用は、丸棒鋼の製造コストを押し上げる。特開昭５２−７５８３９号公報に開示された熱処理方法では、冷却速度の制御が生産性を低下させる。しかも、冷却速度が制御された焼入れでは、完全なマルテンサイト組織が得られにくい。

本発明の目的は、焼割れが抑制され、低コストで、生産性に優れ、しかも良好な組織が得られる鋼材製造方法の提供にある。

本発明に係る鋼材の製造方法は、
脱炭層の厚みが２００μｍ以下である鋼材を準備する工程、
この鋼材をＡ_３点以上に昇温させる工程
及び
この鋼材を急冷し、マルテンサイト変態を起こさせる工程
を含む。

本発明に係る他の製造方法は、
鋼材をＡ_３点以上に昇温させる工程
及び
５０℃以上９０℃以下の焼入油にてこの鋼材を急冷し、マルテンサイト変態を起こさせる工程
を含む。

本発明に係るさらに他の製造方法は、
鋼材のスケールを除去する工程、
この鋼材をＡ_３点以上に昇温させる工程
及び
この鋼材を急冷し、マルテンサイト変態を起こさせる工程
を含む。

本発明に係るさらに他の製造方法は、
脱炭層の厚みが２００μｍ以下である鋼材を準備する工程、
この鋼材のスケールを除去する工程、
鋼材をＡ_３点以上に昇温させる工程
及び
５０℃以上９０℃以下の焼入油にてこの鋼材を急冷し、マルテンサイト変態を起こさせる工程
を含む。

本発明に係る製造方法は、炭素濃度が０．４０質量％以上である鋼材に特に適している。この製造方法は、その直径が２５ｍｍ以下である丸棒鋼に特に適している。

本発明者らは、鋭意検討の結果、脱炭層深さ、焼入れ油の温度及びスケールの程度が焼割れ発生率に影響を与えることを突き止め、本発明を完成させるに至った。本発明に係る鋼材製造方法では、焼割れが抑制される。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

図１は、本発明の一実施形態に係る鋼材製造方法が示されたフローチャートである。この製造方法では、まず精錬、造塊、分塊圧延等の工程を経て、ビレットが得られる（ＳＴＥＰ１）。これらの工程において、ビレットの表面に脱炭層が形成される。このビレットにピーリングが施される（ＳＴＥＰ２）。ピーリングでは、ビレットの外周面を相対的に回転するバイトにより、ビレットの表面が切削される。切削により、脱炭層が除去される。

このビレットは、加熱炉にて加熱され、熱間圧延に適した温度まで昇温される（ＳＴＥＰ３）。加熱により、ビレットの表面に脱炭層が形成される。前述のように、加熱前にビレットから脱炭層が除去されているので、加熱後のビレットの脱炭層は薄い。

次に、このビレットに熱間圧延が施される（ＳＴＥＰ４）。通常は、タンデムに並べられた粗列圧延装置、中間列圧延装置及び仕上列圧延装置による多段圧延が施される。この熱間圧延によってビレットは徐々に細径化し且つ長尺化して、丸棒鋼が得られる。この丸棒鋼は、冷却床で冷却される（ＳＴＥＰ５）。冷却床において、丸棒鋼の表面に酸化スケールが生じる。図２には、冷却後の丸棒鋼２が示されている。この丸棒鋼２は、脱炭層４及びスケール６を備えている。図２から明らかなように、スケール６は、丸棒鋼２の表面に、部分的に存在している。

次に、丸棒鋼２に低温焼鈍が施される（ＳＴＥＰ６）。低温焼鈍では、Ａ_１変態点（７２３℃）以下の温度下で、丸棒鋼２に焼鈍が施される。次に、丸棒鋼２に矯正が施される（ＳＴＥＰ７）。矯正は、矯正機によってなされる。２ロールタイプ矯正機及び多ロールタイプ矯正機のいずれもが、用いられうる。この矯正工程では、矯正ロールによって丸棒鋼２に曲げ加工が繰り返される。矯正により、丸棒鋼２の湾曲が是正される。この矯正工程では、曲げ加工の応力集中によりスケール６に亀裂が生じ、丸棒鋼２からスケール６が剥離する。

次に丸棒鋼２は、焼入れ炉にて加熱され、Ａ_３点以上に昇温される（ＳＴＥＰ８）。次に丸棒鋼２は、焼入れ油に浸漬される（ＳＴＥＰ９）。焼入れ油の温度は、５０℃以上９０℃以下である。浸漬により、丸棒鋼２が急冷され、マルテンサイト変態が生じる。昇温（ＳＴＥＰ８）から浸漬（ＳＴＥＰ９）までの処理は、いわゆる焼入れである。この丸棒鋼２に、焼戻し処理が施される（ＳＴＥＰ１０）。

脱炭層４の炭素原子濃度は、鋼材の中心部８の炭素原子濃度よりも小さい。従って、脱炭層４のＭｓ点は中心部８のＭｓ点よりも高い。脱炭層４では、中心部８に先駆けてマルテンサイト変態が生じる。しかも、中心部８でマルテンサイト変態が生じるときには、既に脱炭層４の温度が低下している。これらの要因により、脱炭層４には大きな引っ張り応力が生じる。炭素濃度が小さいことに起因して、脱炭層４は中心部８よりも脆弱である。脆弱な脱炭層４に大きな応力が生じることで、焼割れが誘発される。

本発明に係る製造方法では、ピーリングによってビレットの脱炭層４が除去されているので、丸棒鋼２の脱炭層４が薄い。この丸棒鋼２では、焼割れが抑制される。焼割れ抑制の観点から、焼入れ前の丸棒鋼２における脱炭層４の厚みは２００μｍ以下が好ましく、１５０μｍ以下がより好ましく、１２０μｍ以下が特に好ましい。理想的には、厚みはゼロである。厚みは、無作為に決定された断面において測定される。この断面において最も脱炭層４が厚い部分において、測定がなされる。

図１に示された製造方法では、ピーリングによって脱炭層４の厚みが低減されているが、他の方法によって脱炭層４の厚みが低減されてもよい。ビレットの昇温（ＳＴＥＰ３）において、加熱炉の雰囲気温度が低く設定されることにより、脱炭層４の発生が抑制されうる。さらに、この加熱炉にビレットが保持される時間が短く設定されることにより、脱炭層４の発生が抑制されうる。

焼入れ油に浸漬された直後の丸棒鋼２では、中心よりも表面の方が、温度が低い。換言すれば、丸棒鋼２には温度勾配が生じる。焼入れ油の温度が低いほど、丸棒鋼２の温度勾配が大きい。大きな温度勾配により、中心のマルテンサイト変態開示時点と表面のマルテンサイト変態開始時点との差が助長され、大きな応力が発生する。大きな応力は、焼割れを招来する。本発明に係る製造方法では、焼入れ油の温度が５０℃以上なので、焼割れが抑制される。焼割れ抑制の観点から、温度は６０℃以上がより好ましい。焼入れ油の温度が高すぎると、マルテンサイト組織が十分には得られない。また、焼入れ油の温度が高すぎると、油煙への引火による火災のおそれがある。この観点から、温度は９０℃以下が好ましい。

スケール６の直下では、スケール６と母材との間に微小な間隙が生じている。この間隙は、急冷時の熱伝導を阻害する。スケール６は丸棒鋼２の表面に不均一に生じているので、スケール６は冷却速度の不均一を招来する。不均一な冷却速度は、局所的な応力集中を招き、焼割れを招く。本発明に係る製造方法では、矯正によってスケール６が除去されているので、スケール６に起因する焼割れが抑制される。矯正に代えて、又は矯正と共に、焼入れ前の丸棒鋼２に他の処理が施され、スケール６が除去されてもよい。他の処理としては、ピーリング、ショットブラスト及び酸洗が例示される。

焼入れ性に優れた鋼種ほど、焼割れが生じやすい傾向が見られる。換言すれば、炭素濃度が大きい鋼種ほど、焼割れが生じやすい。本発明に係る製造方法は、炭素濃度が０．４０質量％以上、特には０．４５質量％以上の鋼種において、特に効果的である。この製造方法が有効な機械構造用合金鋼としては、ＪＩＳの鋼種記号の場合、ＳＣＭ（例えばＳＣＭ４４０、ＳＣＭ４４５）、ＳＣｒ（例えばＳＣｒ４４０）、ＳＮＣＭ、ＳＭｎ及びＳＭｎＣが例示され、アメリカ自動車技術協会規格の鋼種記号の場合、ＳＡＥ（例えばＳＡＥ４１５０）が例示される。この製造方法が有効な合金鋼ボルト材としては、ＳＮＢ（例えばＳＮＢ７）が例示される。この製造方法が有効な機械構造用炭素鋼としては、ＳＣ（例えばＳ４５Ｃ）が例示される。

丸棒鋼２の直径が小さいほど、焼入れ油に浸漬されたときにその表面が急冷される。直径が小さな丸棒鋼２では、冷却速度が大きいことに起因して、焼割れが生じやすい。本発明に係る製造方法は、直径が小さな丸棒鋼２に適している。具体的には、直径が２５ｍｍ以下、さらには２０ｍｍ以下、特には１８ｍｍ以下の丸棒鋼２に、この製造方法は適している。

この製造方法では、特殊な装置や、特殊な冷却剤は不要である。この製造方法では、熱処理対象物の複雑な温度制御は不要である。しかも、この製造方法では、マルテンサイト変態が十分に生じる。

以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。

［実施例１］
鋼種がＳＣＭ４４５であるビレットを用意した。この鋼種の炭素濃度は、０．４５質量％である。このビレットを温度が１０５０℃の加熱炉に投入し、１．５時間保持した。このビレットに、粗列圧延、中間列圧延及び仕上列圧延を施し、所定長さに切断して冷却し、直径が１６．２ｍｍの丸棒鋼を得た。この丸棒鋼に低温焼鈍処理を施し、さらに矯正ロールによる矯正を施した。矯正により、丸棒鋼からスケールが除去された。矯正後の丸棒鋼の脱炭層厚みは、１２０μｍであった。この丸棒鋼を温度が８３５℃の焼入れ炉に投入し、１３分間保持した。この丸棒鋼を温度が６０℃である焼入れ油に浸漬し、急冷した。

［実施例２］
加熱前のビレットにピーリングを施した他は実施例１と同様にして、丸棒鋼を得た。この丸棒鋼の焼入れ前の脱炭層厚みは、１００μｍであった。

［実施例３］
低温焼鈍及び矯正を行わず、焼入れ油の温度を４５℃とした他は実施例１と同様にして、丸棒鋼を得た。この丸棒鋼の焼入れ前の脱炭層厚みは、１００μｍであった。焼入れ前の丸棒鋼には、スケールが存在している。

［実施例４］
加熱炉の温度を１１８０℃とし、保持時間を３．８時間とし、焼入れ油の温度を４５℃とした他は実施例１と同様にして、丸棒鋼を得た。この丸棒鋼の焼入れ前の脱炭層厚みは、２５０μｍであった。

［実施例５］
加熱炉の温度を１１８０℃とし、保持時間を３．８時間とし、低温焼鈍及び矯正を行わなかった他は実施例１と同様にして、丸棒鋼を得た。この丸棒鋼の焼入れ前の脱炭層厚みは、２２０μｍであった。焼入れ前の丸棒鋼には、スケールが存在している。

［実施例６から８］
加熱炉の温度と保持時間とを下記の表１に示される通りとした他は実施例１と同様にして、丸棒鋼を得た。この丸棒鋼の焼入れ前の脱炭層厚みが、下記の表１に示されている。

［実施例９から１１］
加熱炉の温度と焼入れ油の温度とを下記の表１に示される通りとした他は実施例１と同様にして、丸棒鋼を得た。この丸棒鋼の焼入れ前の脱炭層厚みは、１５０μｍであった。実施例１１では、完全なマルテンサイト変態は生じなかった。

［比較例］
加熱炉の温度を１１８０℃とし、保持時間を３．８時間とし、低温焼鈍及び矯正を行わず、焼入れ油の温度を４５℃とした他は実施例１と同様にして、丸棒鋼を得た。この丸棒鋼の焼入れ前の脱炭層厚みは、２２０μｍであった。焼入れ前の丸棒鋼には、スケールが存在している。

［焼割れの発生数のカウント］
焼入れ直後の１０本の丸棒鋼を、３５℃の雰囲気下に２４時間保持した。また、焼入れ直後の１０本の丸棒鋼を、−５℃の雰囲気下に２４時間保持した。そして、焼割れの発生の有無を、目視で判定した。焼割れが発生した丸棒鋼の数が、下記の表１に示されている。

表１に示されるように、実施例の製造方法で得られた丸棒鋼では、比較例の製造方法で得られた丸棒鋼に比べ、焼割れが発生しにくい。この評価結果から、本発明の優位性は明らかである。

本発明に係る製造方法は、種々の鋼材に適用されうる。

図１は、本発明の一実施形態に係る鋼材製造方法が示されたフローチャートである。 図２は、図１の製造方法の課程における丸棒鋼が示された断面図である。

符号の説明

２・・・丸棒鋼
４・・・脱炭層
６・・・スケール
８・・・中心部

Claims (6)

1. 脱炭層の厚みが２００μｍ以下である鋼材を準備する工程、
   この鋼材をＡ_３点以上に昇温させる工程
   及び
   この鋼材を急冷し、マルテンサイト変態を起こさせる工程
   を含む鋼材の製造方法。
2. 鋼材をＡ_３点以上に昇温させる工程
   及び
   ５０℃以上９０℃以下の焼入油にてこの鋼材を急冷し、マルテンサイト変態を起こさせる工程
   を含む鋼材の製造方法。
3. 鋼材のスケールを除去する工程、
   この鋼材をＡ_３点以上に昇温させる工程
   及び
   この鋼材を急冷し、マルテンサイト変態を起こさせる工程
   を含む鋼材の製造方法。
4. 脱炭層の厚みが２００μｍ以下である鋼材を準備する工程、
   この鋼材のスケールを除去する工程、
   鋼材をＡ_３点以上に昇温させる工程
   及び
   ５０℃以上９０℃以下の焼入油にてこの鋼材を急冷し、マルテンサイト変態を起こさせる工程
   を含む鋼材の製造方法。
5. 上記鋼材の炭素濃度が０．４０質量％以上である請求項４に記載の製造方法。
6. 上記鋼材が、その直径が２５ｍｍ以下である丸棒鋼である請求項４又は５に記載の製造方法。

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